科研动态 | 空间中心科研人员在单粒子效应动态风险评估的天地等效方面取得系列进展

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空间高能粒子是威胁航天器安全运行的长期隐患，可诱发单粒子翻转（Single Event Upset, SEU）等效应，导致卫星平台及载荷异常。随着空间科学卫星、低轨互联网星座、载人航天、导航及深空科学等任务的快速发展，如何在复杂多变的空间辐射环境中精准评估电子系统的在轨可靠性，已成为航天领域的核心挑战。

近地空间辐射环境由内辐射带俘获质子、银河宇宙线及太阳高能粒子等多种成分构成，并高度依赖于轨道位置、地磁场分布（如南大西洋异常区）以及太阳活动的动态变化。传统单粒子风险评估主要依赖标准空间辐射环境模型与地面辐照实验，这能够为任务的长期风险评估提供重要依据。但是，难以真实反映在轨环境的空间分布特征和时变规律。因此，如何利用在轨粒子探测数据，建立太阳活动等空间辐射环境动态变化与电子器件单粒子效应响应之间的定量关系，成为空间抗辐射方向关键问题。

针对上述瓶颈，中国科学院国家空间科学中心太阳活动与空间天气全国重点实验室空间天气效应中心团队，联合空间环境探测重点实验室，发挥空间环境效应交叉学科与空间能量粒子探测技术基础优势，在单粒子效应风险评估的天地等效研究方面取得系列进展。该系列研究围绕低轨质子主导环境和中高轨银河宇宙线主导环境中的SEU风险评估问题，逐步形成了从“诱发因素识别—动态SEU率计算—轻量化探测数据SEU率估算”的连续研究链条。系列进展如下:

一是甄别SEU在轨诱发因素，量化其时空分布。利用搭载于长征四号丙末子级的NSSC-SPRECMI载荷数据，分析了辐射环境与器件翻转的同步测量关联性。研究发现，在低地球轨道（LEO），高达97.34%的翻转事件集中在仅占运行时间12.75%的南大西洋异常区；进一步量化分析证实，质子是该轨道环境下诱发翻转的主导因素，基于在轨实测粒子数据计算得到的长期平均SEU率，与SEU监测单元实测值的相对误差仅为7.01%。

二是面向SEU风险动态预警，确立较优统计时间尺度。为实现翻转风险的动态预警，提出了三种基于在轨质子探测的实时SEU率计算方法。研究揭示了评估精度与动态响应之间的“天平”效应：长时间尺度统计稳定但无法动态响应，短时间尺度灵敏但波动大。通过多维度计算分析，研究明确了6小时为该任务下计算精度与动态响应之间取得较优平衡，为工程上风险预估与动态预警提供了量化参考依据。

三是探索轻量化环境效应监测，重构重离子LET谱。针对银河宇宙线（GCR）主导环境下的重离子SEU风险估算问题，传统监测依赖结构复杂的多层探测器。以北斗导航卫星（M15/M16）轨道数据为验证对象，从高能粒子在敏感体积中能量沉积的物理本质出发，创新构建了从宏观探测器到微观器件敏感体积的物理反演框架，仅利用单层硅探测器的沉积能谱，研究利用弦长分布描述探测器与器件间的几何差异，通过求解描述能量沉积过程的第一类弗雷德霍姆积分方程，成功重构出入射LET谱并精准计算出器件在轨翻转率。该技术大幅降低原位监测的重量与复杂度，为航天器低成本、轻量化辐射监测提供了新思路。

该系列研究形成了从在轨粒子探测、SEU诱发因素实测解析到动态风险定量评估的连续研究链条，覆盖了低轨质子主导SEU场景和中高轨银河宇宙线主导辐射环境。相关成果为理解空间辐射环境与电子器件响应之间的关系提供了在轨实测证据，也为未来航天任务开展在轨单粒子风险评估和空间天气效应分析提供了理论支撑。

代表性附图：

图1. 1025km高度航天器在轨SEU全球分布实测图。

图2. 6小时时间尺度下，在轨实测SEU率与模型动态计算值的相关性分布。

图3. 基于单层硅探测器实测数据的重离子SEU率物理反演算法流程。

相关系列研究成果均发表在核科学与辐射效应领域国际期刊 IEEE Transactions on Nuclear Science上。系列论文第一作者为国家空间科学中心2023级直博生王杰义，通讯作者为团队负责人马英起研究员，合作者为沈国红研究员等。该系列工作得到了中国科学院战略性先导科技专项、国家自然科学基金重点项目、中国科学院青促会优秀会员人才基金以及北京市自然科学基金等的联合支持。

系列论文信息：

[1] Jieyi Wang, Huanxin Zhang, Xinyu Zhu, Guohong Shen, Zheng Chang, Xiaoheng Xu, Tian Yu, Xiang Zhu, Longlong Zhang, Yingqi Ma, “Analyzing Measured Evidence for Inducing Factors of SEU From In-Flight Data of NSSC-SPRECMI on OPUS CZ-4C,” IEEE Transactions on Nuclear Science, vol. 72, no. 2, pp. 101–109, Feb. 2025. DOI: 10.1109/TNS.2024.3522366

[2] Jieyi Wang, Longlong Zhang, Chunqin Wang, Youzhi Li, Guohong Shen, Bin Yuan, Xiaoheng Xu, Tian Yu, Yingqi Ma, “SEU Rate Calculation Using In-Flight Proton Detection: Methodologies and Evaluation of Time-Scale Variability,” IEEE Transactions on Nuclear Science, vol. 72, no. 6, pp. 1919–1926, June 2025. DOI: 10.1109/TNS.2025.3565670

[3] Jieyi Wang, Xinyu Zhu, Guohong Shen, Bin Yuan, Chunqin Wang, Xiaoheng Xu, Longlong Zhang, Yingqi Ma, “Feasibility of SEU Rate Estimation Using Deposited-Energy Spectra from In-Flight Single-Layer Silicon Detectors,” IEEE Transactions on Nuclear Science, 2026. [Early Access] https://ieeexplore.ieee.org/document/11505979 . DOI: 10.1109/TNS.2026.3689890.

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