【国家标准】 空间环境 地球同步轨道太阳质子注量及其统计模型置信度选择指南

ICS49.020
CCSV06
中华人民共和国国家标准
GB/T41457—2022
空间环境
地球同步轨道太阳质子
注量及其统计模型置信度选择指南Spaceenvironment-SolarprotonfluencesatGEOandguidelinefor selection ofconfidencelevelinstatisticalmodelofsolarprotonfluencies[Iso 12208:2015,Space systems—Spaceenvironment(natural and artificial)-Observed protonfluences overlong duration at GEOandguideline for selectionofconfidencelevelinstatisticalmodelofsolarprotonfluences,Mo2022-04-15发布
国家市场监督管理总局
国家标准化管理委员会
2022-11-01实施
GB/T41457—2022
规范性引用文件
术语和定义
缩略语
方法原理
累积注量
置信度
GEO轨道观测到的高能质子数据
其他说明事项
6太阳质子注量统计模型的置信度选择指南附录A（资料性）
附录B（资料性）
背景信息
本文件与ISO12208：2015技术性差异及其原因太阳质子注量预估及其置信度选择示例辐射导致的太阳电池性能退化
GEO太阳电池退化预估
预估示例
参考文献
本文件按照GB/T1.1一2020《标准化工作导则起草。
GB/T41457—2022
第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定本文件修改采用ISO12208：2015《空间系统空间环境（人工与自然）地球同步轨道长期观测质子注量及太阳质子注量统计模型置信水平选择指南》。本文件与ISO12208：2015相比做了下述结构调整：一增加了“2规范性引用文件”；一在“术语和定义”中增加了“3.6相对损伤系数”。本文件与ISO12208：2015相比，存在较多技术差异，在所涉及的条款的外侧页边空白位置用垂直单线（I）进行了标示。这些技术差异及其原因的一览表见附录A。本文件做了下列编辑性改动：
将文件标题进行中国化适应性修改，更改为《空间环境地球同步轨道太阳质子注量及其统计模型置信度选择指南》；
对参考文献进行重新整理和标识；一对附录B的标题进行了重新编写；将B.3.1中的“AE-8”修改为“AE-9”。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任本文件由中国科学院提出。
本文件由全国宇航技术及其应用标准化技术委员会（SAC/TC425)归口。本文件起草单位：北京卫星环境工程研究所、深圳星地李生科技有限公司、哈尔滨工业大学、中国科学院国家空间科学中心、中国航天标准化研究所、北京飞行器总体设计部、哈尔滨工业大学（深圳）、上海宇航系统工程研究所、扬州大学。本文件主要起草人：沈自才、冒鑫、李兴冀、王世金、李昌宏、许冬彦、田东波、呼延奇、王虹赛、傅宇蕾、左平兵、薛玉雄、贾瑞金、张坤。I
1范围
空间环境地球同步轨道太阳质子注量及其统计模型置信度选择指南GB/T41457—2022
本文件给出了估算地球同步轨道（GEO）太阳质子长期（大于11年的太阳活动周）注量的方法及选择太阳质子注量模型的置信度的指南。本文件适用于太阳电池的性能退化预估。电荷耦合器件（CCD）、图像敏感器（APS）等光电器件的性能退化预估参照使用。
规范性引用文件
下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。
GB/T32452
术语和定义
航天器空间环境术语
GB/T32452界定的以及下列术语和定义适用于本文件。3.1
confidencelevel
置信度
置信水平
用于累积注量预估的可信性水平。3.2
extremelyrare event
极稀有事件
在一个太阳活动周期内只发生一次的太阳能量质子（SEP）事件，在一个完整太阳活动周期内的质子注量主要来源于该SEP事件。
注：发生在1972年8月、1989年10月或2000年7月的SEP事件为极稀有事件。3.3
单位时间通过特定区域的粒子数量。3.4
fluence
通量的时间积分。
n-年注量
n-year fluence
n-年任务周期的注量。
GB/T41457—2022
相对损伤系数
relativedamagecoefficients
不同能量不同类型的粒子引起太阳电池、CCD、APS等光电器件性能的退化值相对于某一特定能量的电子或质子引起的性能退化值的比率。4
缩略语
下列缩略语适用于本文件。
EOL寿命末期（Endoflife）
ESA欧洲空间局（EuropeanSpaceAgency）GEO地球同步轨道（GeosynchronousEarthOrbit）GMS日本地球同步轨道气象卫星（GeosynchronousMeteorologicalSatellite）GOES美国地球静止轨道环境业务卫星（GeostationaryOperationalEnvironmentalSatellite）JPL喷气推进实验室（JetPropulsionLaboratory）METEOSAT欧洲气象卫星（MeteorologicalSatellite）NOAA美国国家海洋和大气管理局（NationalOceanandAtmosphericAdministration）RDC相对损伤系数（Relativedamagecoefficients）SEP太阳能量质子（Solarenergeticproton）SSN太阳黑子数（Sunspotnumber）方法原理（见参考文献[1]）
累积注量
对于给定n-年寿命周期任务的质子注量（见图1），可按照以下方法进行注量预估，对n-年寿命周期的航天器的质子注量可通过对观测到的每日质子注量进行积分来获得。通a）
过逐日移动积分窗口，就可获得航天器在其任务寿命期间可能经历的质子注量，如图1中的A.B.C.....Z.
对n-年任务寿命周期，可获得n-年注量的最大值F（t）。假设每天发射一次航天器，则执行b）
n-年任务的最大注量使用以下公式计算：F(t)=max(A.B,C.D......Z)www.bzxz.net
置信度
数据周期
累积注量
对n-年给定任务周期的置信度（见图2)可按照以下估计。a)
通过积分质子通量，同时每天移动积分窗口，可以获得一组n-年注量。GB/T41457—2022
建立了注量F的发生概率分布f（F）。注量的发生概率分布定义为注量F的直方图。当积分超过最大注量Fmx时，则发生概率分布的归一化是一致的。对分布从0到F'积分可以获得n-年任务寿命的置信度p。发生
置信度
置信度
GB/T41457—2022
GEO轨道观测到的高能质子数据
以下为在GEO轨道观测到的质子注量示例及其所在经度：a)
GMS(E140)；
METEOSAT(E63.E0);
GOES(W75.W135)；
风云卫星（E105)。
其他说明事项
如果有必要调整幅度和概率以超过给定的预估值（1989年9月至10月的最大质子事件包括在本文件中)，可使用参考文献[2]和参考文献[3]中描述的历史分析结果6
太阳质子注量统计模型的置信度选择指南置信度选择按照以下原则：
使用统计模型的置信度来对太阳质子注量进行预估；a）
利用5.1中的方法进行注量的预估；b）
c）利用5.2中的方法进行置信度的选择。太阳质子注量预估及其置信度选择示例见附录B。4
（资料性）
本文件与ISO12208：2015技术性差异及其原因表A.1给出了本文件与ISO12208：2015的技术差异及其原因的一览表。表A.1本文件与IS012208：2015技术性差异及其原因本文件的章条
技术性差异
修订为：“本文件给出了估算地球同步轨道（GEO)太阳质子长期（大于11年的太阳活动周）注量的方法及选择太阳质子注量模型置信度的指南。
本文件可用于太阳电池的性能退化预估。电荷耦合器件（CCD）、图像敏感器（APS）等光电器件的性能退化预估可参照使用”
增加了\GB/T32452界定的”
增加了“相对损伤系数”
增加了\NOAA”
原文网址已经失效，予以去除。新增了我国风云卫星
GB/T41457—2022
按照中国标准方式进行适应性修改，去掉了原文中的资料性描述，增加了除太阳电池以外的光电器件适用范围GB/T32452是空间环境术语标准，其界定的术语可在本文件中直接使用“相对损伤系数”作为本文件的关键性术语.进行了添加
“NOAA\在后文中出现，而且也是航天领域经常用到的缩略语
第一，METEOSAT（E63.EO）、GOES（W75，W135）的网址已经失效，而且新网址也会经常更新，保留没有意义。第二，我国静止轨道风云卫星也开展质子监测，可作为参考，予以增加
GB/T41457-2022
B.1背景信息
附录B
(资料性）
太阳质子注量预估及其置信度选择示例太阳电池板的设计主要受到寿命末期输出功率的限制，因此，需要对太阳电池寿命期间的辐射环境进行预估
影响太阳电池板的辐射环境主要由电子和质子组成。在GEO轨道，地球辐射带电子和太阳能量质子是主要影响因素。地球辐射带电子通常是稳定的，并且容易预估。然而，太阳能量质子强度较高并且随机发生，因此，较难预估。太阳电池板由基板、太阳电池和盖片组成。盖片起到防护辐射环境的作用，其厚度通常为100um。在盖片玻璃的防护下，宇宙线尤其是质子的能量将被消减，低能质子被盖片玻璃所阻挡而不能到达太阳电池。在对太阳电池性能退化进行预估时，盖片玻璃的消减作用需要给予考虑B.2辐射导致的太阳电池性能退化B.2.1退化机制
高能带电粒子（电子和质子）穿过太阳电池的同时损失能量，并沿着厚度的方向对太阳电池造成损伤。同时，高能带电粒子与太阳电池原子发生弹性和非弹性碰撞，引起晶格缺陷，造成太阳电池的短路电流、开路电压和最大功率发生退化。退化机制称为位移损伤，是与半导体器件如双极半导体同样的体损伤。
B.2.2性能退化预估方法（相对损伤系数法）JPL手册(4.5采用相对损伤系数法，即将任务期间的累积电子和质子注量等效为1MeV电子，那么太阳电池的退化就可用1MeV的电子来进行预估相对损伤系数是通过测量不同能量不同类型的粒子对太阳电池的退化而得到。评估退化的参数包括退化与电子和质子能量的关系以及电子和质子引起退化的比率退化参数的依据是注量与太阳电池参数之间的关系。首先，注量与太阳电池性能之间的关系可通过地面模拟试验获得，试验数据拟合为试验曲线。从试验曲线上，可得到不同类型不同能量的粒子造成相同退化的注量。这些注量等效为10MeV质子或者1MeV的电子。第二，10MeV的质子和1MeV的电子的试验曲线可提供转换比率。B.3GEO太阳电池退化预估
B.3.1第1步：GEO轨道辐射源及其注量预估对多结太阳电池，盖片的厚度通常为100um，见图B.1，退化主要由3MeV～10MeV的质子引起。0
标引序号说明：
X-—质子能量（MeV)；
Y—相对损伤系数。
质子能量/MeV
单向的
100μm
全向的
图B.1三结太阳电池（最大功率）的相对损伤系数GB/T41457—2022
GEO轨道的质子环境由银河宇宙线、地球辐射带质子和太阳能量质子组成。银河宇宙线由于其通量非常小而可以忽略，地球辐射带质子可以被盖片玻璃所吸收。因此，太阳能量质子是引起太阳电池性能退化的唯一质子因素，可以通过统计模型来进行预估。GEO轨道的电子环境主要由地球辐射带电子组成。由于捕获带电子通常为稳定状态，能够较容易地利用AE-9模型进行预估。
B.3.2第2步：太阳电池退化预估由于需要将质子注量分布（由第1步获得）和相对损伤系数相乘并与能量积分来对太阳电池性能进行退化预估，因此，我们可以利用1MeV的等效电子注量或者10-MeV的等效质子注量来预估在任务期间GEO轨道的等效注量。然后使用实验中获得的转换因子，可以将10-MeV等效质子注量转换为1-MeV等效电子注量，将该数值与1-MeV等效电子注量相加，即可得出“总的1MeV等效电子注量”。对1-MeV等效电子注量和\总的1-MeV等效电子注量”的特性曲线进行归一化，即可得到任务期间太阳电池的每种性能的退化。B.4预估示例
B.4.1累积注量
利用GOES数据（1986一2005）1进行质子注量（4MeV至16MeV）的预估，见图B.2中的实线。基于JPL质子注量模型E（>4MeV)的预估(见图B.2中的虚线）也画在图中以做比较。7