地磁亚暴引起的卫星表面带电风险预警与防护机制研究

The spacecraft will charge a high negative potential during the geomagnetic substorm. At present, the spacecraft can protect the surface potential by passive protection. However, frequent charging and discharging of spacecraft during geomagnetic substorm has attracted the attention of researchers, and it is urgent to study the active protection methods of spacecraft surface potential. Based on the study of the early LEO active spacecraft potential protection，this paper further studies the relationship between the geomagnetic storm and the surface electrification, getting the risk warning index. The active protection mechanism of the surface potential of the election beam emitter will be analyzed. Based on the above analysis, we can get the protection method of combination of the early warning of the charging danger level and the active emission of the election beam. This project is to provide theoretical basis for solving the spacecraft charging protection.

地球同步轨道卫星在地磁亚暴期间表面会充电到很高的负电位。目前的卫星通常采用被动防护方法对其表面电位进行防护，但在地磁亚暴期间卫星表面充放电故障频发引起了研究人员的广泛关注，亟需对表面电位主动防护方法进行研究。本项目在前期电位主动防护技术研究的基础上，进一步对地球同步轨道地磁亚暴与卫星表面带电之间的相关性进行研究，获得带电风险预警指数，并采用发射电子束流对航天器表面电位主动防护机理进行分析，结合以上分析最终得到带电危险识别、预警与电子束流主动发射一体化的防护方法，为解决地磁亚暴期间航天器带电防护提供理论基础。

地球同步轨道卫星在磁暴和地磁亚暴期间表面会充电到很高的负电位，通过发射电子束流进行卫星表面电位主动控制是降低卫星表面负电位有效方法之一。本研究课题通过磁暴/亚暴期间的空间环境分析、卫星表面带电仿真分析以及粒子束流发射卫星表面电位主动控制机理分析，最终得到带电危险识别、预警与电子束流主动发射一体化的防护方法。通过典型磁暴期间引起的地磁亚暴事件（弱地磁亚暴、强地磁亚暴以及超大地磁亚暴）在轨实测数据，对比分析各种参数（如太阳风和行星际磁场、地磁指数、同步轨道电子通量等），获得了卫星表面带电模拟仿真所需的空间环境输入参数。采用仿真分析方法，获得了单麦克斯韦分布和双麦克斯韦分布情况下GEO卫星表面带电（太阳电池阵仿真模型）的充电电位分布情况，并对地磁亚暴等离子体对卫星充电的风险程度进行了风险等级划分。利用人为等离子体带电仿真分析软件，依据我国现阶段典型的GEO通信卫星设计和结构特点，建立了卫星整体模型，进行了卫星表面电位主动控制仿真分析，通过发射粒子束流进行卫星表面电位主动控制，卫星表面电位降低效果显著。在以上研究的基础上，根据磁暴及亚暴指标以及带电水平分析，建立了磁暴/亚暴风险等级量化标准和预警等级（红、橙、黄、绿、青、蓝、紫5级预警），对有效的地磁亚暴扰动信息建立了多部门协同的分级处置机制及预警处置方案，并建立了电位主动控制方案及效果评估方法，完成了卫星表面带电一体化电位主动防护方法设计。本项研究探索卫星表面带电风险识别、预警与束流发射主动控制一体化的防护方法，对卫星总体设计和在轨安全稳定运行都具有重要的价值。