太空算力抗辐照① | 空间辐射环境的在轨实测：基于天格计划的数据积累

空间辐射环境的在轨实测：基于天格计划的数据积累

随着高性能商用现货（COTS）芯片在星载计算、智能处理和边缘感知等空间任务中的应用不断增加，空间辐射环境已成为制约其长期可靠运行的重要因素。银河宇宙线（GCR）、太阳粒子事件（SPE）和辐射带俘获粒子（TP）共同构成了近地轨道复杂的辐射混合场，并通过总剂量效应、位移损伤和单粒子效应等方式影响星载电子系统的稳定性。

本文结合星测未来与清华大学工程物理系联合研制的“天格计划”（GRID）载荷及 MASS-Cube 科学载荷的在轨数据，介绍近地轨道主要辐射源的基本特征，并展示相关载荷在全天区辐射分布、太阳质子事件响应、粒子波形甄别以及 LET 谱测量等方面的实测结果。

这些在轨观测数据为后续开展辐射损伤机理研究、COTS 器件空间适应性评估和系统级抗辐照设计提供了重要基础输入。

1. 近地空间辐射环境组成

近地轨道航天器所面临的辐射环境，主要由三类来源不同、物理特征各异的辐射粒子构成，分别是银河宇宙线（GCR）、太阳粒子事件（SPE）以及辐射带俘获粒子（TP）。这三类粒子在能量、通量、空间分布及时间变化特征上存在显著差异，对航天器电子系统的损伤机制也各不相同。

银河宇宙线（Galactic Cosmic Rays, GCR）起源于太阳系之外，一般认为主要由超新星遗迹激波等高能天体过程加速形成，也可能与恒星风和星际介质中的激波过程有关。其成分以质子为主，约占 85%–90%，α 粒子约占 8%–12%，其余为少量重离子。GCR 在太阳系尺度上近似各向同性，通量受太阳调制影响，在太阳活动极小期达到相对高值。进入低地球轨道后，GCR 还受到地磁截止刚度影响，其实际通量与轨道高度、倾角、纬度和方向有关。该类粒子能量高、穿透能力强，常规结构屏蔽难以完全消除，是空间单粒子效应，特别是高 LET 重离子单粒子效应的重要来源。

太阳高能粒子（Solar Particle Events, SPE）主要与太阳耀斑、日冕物质抛射及其驱动的激波加速过程有关，成分包括质子、α 粒子、电子及少量重离子。SPE 具有显著事件性，事件强度、能谱和持续时间变化很大。大型太阳质子事件期间，能量高于 10 MeV 的质子通量可达到 10⁴–10⁵ pfu，即 particles·cm⁻²·s⁻¹·sr⁻¹（平静时期约pfu）。由于地磁屏蔽作用，SPE 对低轨航天器的影响主要集中在高纬和极区轨道区域。其主要辐射效应包括总剂量效应、位移损伤，以及高能质子和重离子引发的单粒子效应。

辐射带俘获粒子（Trapped Particles, TP）是指被地磁场约束并在近地空间长期或准长期存在的带电粒子，是范艾伦辐射带的主要粒子群。范艾伦辐射带主要由高能质子和高能电子组成，其中内辐射带包含大量高能质子和电子，质子成分在内带及南大西洋异常区对低轨航天器的总剂量和质子诱发单粒子效应影响尤为显著；外辐射带则以高能电子为主要特征，电子通量受太阳活动和地磁扰动影响较大。

近地空间辐射组成分类示意图 [1]

上述三类辐射源的复合作用，决定了不同轨道高度与倾角下的总剂量水平与单粒子事件概率。准确量化这一环境特征，是开展COTS器件辐射效应评估、建立抗辐照设计体系的必要前提。

对于 500 km 左右低地球轨道（LEO），三类辐射源的实际影响受轨道高度、倾角、磁纬、地方时、太阳活动和地磁扰动条件共同控制。

• GCR 进入低地球轨道后受到地磁截止刚度影响，其通量与轨道倾角、纬度和入射方向有关，高纬区域受地磁屏蔽较弱，GCR 粒子更容易进入。

• SPE 对低轨航天器的影响也受到地磁屏蔽限制，通常主要集中在高纬和极区轨道段；在强太阳质子事件期间，高能质子可显著增加总剂量、位移损伤和单粒子事件风险。

• TP 在低轨中的影响则主要体现为两个典型区域：一是南大西洋异常区（SAA），内辐射带向低高度延伸，使俘获质子和电子通量显著增强，其中高能质子通常是低轨航天器内部总剂量和质子诱发单粒子效应的重要来源；二是高倾角或极轨轨道经过的高纬区域，约磁纬 60°以上还可能受到外辐射带电子、极光区沉降粒子和极尖区粒子注入的影响，表现为电子通量增强、探测器背景噪声升高和充电风险增加，并在太阳活动或地磁扰动期间进一步增强。

低轨、中高轨区域辐照总剂量水平图 [2]

2. 天格计划：伽马射线暴探测星座

天格计划是由清华大学发起的一个微纳卫星星座空间伽马射线暴探测科学项目，同时也是一个多学科交叉的基础科学拔尖人才培养项目。科学目标是通过搭载紧凑型伽马射线探测载荷的纳卫星星座，寻找与引力波、快速射电暴成协的宇宙伽马射线暴事例。星测未来深度参与天格载荷的数采研制与在轨数据处理工作，为多颗载荷的长期稳定运行和科学数据获取提供工程支撑。

天格计划自2018年10月首星发射以来，目前已成功研制发射 GRID-01 至 GRID-13B 共13颗纳卫星载荷并实现稳定科学观测，是目前全球唯一已经实现纳卫星星座的伽马暴科学项目。13颗天格载荷轨道高度覆盖约 300–630 km 低地球轨道，轨道倾角包括97°、50°、29°等。随着载荷方案和在轨运行策略持续迭代，目前已实现了 24 小时连续开机运行，可在执行伽马射线暴监测任务的同时，持续穿越南大西洋异常区和高纬区域。该运行模式不仅提升了天体瞬变源探测的时间覆盖能力，也使载荷具备了开展低轨空间辐射环境连续观测与数据积累的条件。

天格计划采用 GAGG 闪烁体与 SiPM 光电器件的技术路线，载荷对伽马射线、电子和质子等辐射粒子均具有探测响应能力，因此不仅能够服务于伽马射线暴等高能天体瞬变源监测，也具备对低轨空间辐射混合场开展原位观测的基础。基于 GAGG 闪烁体对不同类型粒子的发光衰减特性差异，载荷可通过脉冲波形甄别方法，实现质子与电子、伽马射线事件的初步区分，为空间辐射环境监测和粒子成分分析提供在轨数据。

天格载荷结构及搭载示意图

2.1 伽马射线暴

伽马射线暴（Gamma-Ray Burst, GRB）是宇宙中最剧烈的高能瞬变现象之一，通常表现为在极短时间内释放出强烈的伽马射线辐射，其持续时间可从毫秒量级到数百秒不等。根据持续时间和物理起源不同，伽马射线暴通常与大质量恒星坍缩或致密天体并合等极端天体物理过程有关。由于其爆发时间短、方向随机、能量释放强，伽马射线暴的监测需要依赖具备大视场、高时间分辨能力的空间探测器。天格载荷通过微纳卫星组网方式开展全天伽马射线暴监测，可在轨捕获此类高能瞬变事件，并为事件识别、时间剖面分析和多星联合定位提供观测数据。

GRB 230812B 是迄今为止第三明亮的爆发，而得益于观测角度与适宜的有效面积，天格计划 GRID-05B 是唯一观测到该爆发完整未饱和观测数据的伽马暴探测器，亦使得 GRB 230812B 成为首个“以天格计划数据为主导”完成科学分析的伽马暴 [3]。该研究工作以“Bridging the Gap: GRB 230812B—A 3 s Supernova-associated Burst Detected by the GRID Mission” 为题，于2025年1月17日在线发表于美国《天体物理学报》（Astrophysical Journal），星测未来研究人员为论文共同作者。以下是GRB 230812B的原始光变曲线：

GRB 230812B 光变曲线

2.2 辐射天区分布

天格载荷自 GRID-10B 起实现了 24 小时连续开机观测，在保持伽马射线暴全天监测能力的同时，也形成了对低轨空间辐射环境的长期连续观测能力。依托单载荷持续工作积累的数据，可在约 1 个月时间内实现对轨道面的有效覆盖，进而获得全天区辐射分布图。该能力使天格不仅能够识别南大西洋异常区和高纬区域等典型辐射增强区，还能够从统计意义上表征不同轨道区域的空间辐射分布特征。

下图给出了两个月份的全天区辐射分布结果，其中一幅对应存在太阳粒子事件影响的观测时段（左图），另一幅对应无明显太阳粒子事件的平静时段（右图）。对比可以看出，在无太阳粒子事件条件下，辐射分布主要反映低轨俘获粒子环境特征，表现为南大西洋异常区和高纬区域的显著增强；而在太阳粒子事件期间，高纬区域的计数率进一步抬升，体现出太阳高能粒子在地磁高纬开口区注入所带来的附加贡献。

该结果表明，天格载荷不仅具备低轨辐射混合场的连续探测能力，也具备对太阳活动扰动下辐射环境变化进行在轨识别和表征的能力。

天格载荷实测辐射天区分布图（左：2026.01；右：2026.02）

2.3 波形甄别能力

在连续开机观测过程中，天格载荷不仅能够记录不同轨道区域的计数率变化，还能够保存粒子事件对应的在轨实测波形数据。由于不同粒子在 GAGG 闪烁体中的能量沉积过程和发光衰减特性存在差异，其对应的 SiPM 输出脉冲在上升沿、峰值位置、下降沿和尾部衰减等方面会表现出不同特征。基于这一差异，可通过波形特征参数对不同类型粒子事件进行统计甄别。

天格载荷在轨实测事例的平均波形对比图

图中给出了天格载荷在轨实测事例的平均波形对比。不同 QoA（波形积分面积与波形幅度的比值） 区间的事件在主峰后衰减尾部表现出可分辨差异，说明在轨数据中确实存在与粒子类型或能量沉积机制相关的波形特征差异。

进一步结合 QoA-Amplitude 二维分布可以看到，在太阳质子事件发生后，高纬区域中与质子相关的事件带明显增强，而伽马射线和电子事件主要分布在另一特征区域。该结果表明，天格载荷不仅能够对低轨空间辐射混合场进行连续计数率监测，还可基于在轨波形数据开展粒子类型甄别和辐射成分变化分析，为太阳质子事件识别、空间辐射环境建模和在轨辐射效应评估提供数据支撑。

QoA-Amplitude 二维分布图

2.4 太阳质子天区分布

GOES 卫星质子通量曲线图（2026年1月，S4级太阳辐射风暴）

2026年1月19日，GOES 卫星监测到一次罕见的强太阳粒子事件，太阳辐射风暴等级达到 S4 级，是 2003 年以来最强的太阳辐射风暴。基于前述波形甄别方法，天格载荷从空间辐射混合场数据中筛选出具有质子响应特征的事件，并据此绘制了太阳质子计数率的天区分布图。

GRID-11B载荷实测质子天区分布图

（四个图分别对应S4级太阳辐射风暴事件前平静期、事件峰值期、事件衰减期、事件恢复期）

图中分别给出了事件前平静期、事件峰值期、事件衰减期和事件恢复期不同阶段的质子分布情况。可以看到，事件发生前，质子事例主要零散分布于高纬区域；事件期间，南北高纬区域出现大范围、连续的质子计数率增强；随后在衰减和恢复期，增强区域逐步减弱并回落，反映出太阳高能质子在低轨高纬区域的注入、增强和衰减过程。

需要说明的是，由于此次太阳辐射风暴期间质子通量极强，天格载荷在风暴峰值期自动进行了工作模式切换，该阶段仅记录辐射总通量，未记录完整波形特征信息。因此，基于波形甄别得到的质子计数率分布未覆盖事件峰值阶段，但仍清晰反映了事件前后及衰减过程中的质子增强特征。另外，天格载荷在高通量辐射区域（SAA区和南北高纬度电离辐射带）也采用同样的策略，因此质子天区分布图中缺少SAA区的质子通量分布信息。

3. 天格计划2.0：MASS核天体物理谱线巡天

北京时间2025年9月5日19时39分，新一代“天格计划2.0：MeV伽马探测纳卫星星座（MASS核天体物理谱线巡天）”的首个纳卫星技术验证载荷MASS-Cube于酒泉卫星发射中心搭载谷神星一号遥十五运载火箭成功发射入轨 [4]。

MASS-Cube 任务是国际上首个基于三维位置灵敏碲锌镉（CdZnTe）探测器技术、专为MeV能区伽马谱线探测设计的纳卫星康普顿望远镜。项目由清华大学牵头，得到“清华大学2030创新行动计划”重大项目支持，由工物系携手中国科学院高能物理研究所、星测未来等单位共同实施，致力构建我国自主的MeV能区空间观测平台，推动我国在国际前沿科学领域取得原创突破。

与采用 GAGG 闪烁体和 SiPM 光电器件的天格载荷相比，MASS-Cube 采用室温半导体 CdZnTe 探测器，具备更高的能量分辨能力和三维位置测量能力。对于 MeV 伽马射线，该探测体制可用于康普顿散射事件重建和伽马谱线探测；对于穿越探测器的带电粒子事件，则可记录粒子在探测介质中的三维作用位置和能量沉积过程，从而为粒子径迹重建、沉积能量分析和线性能量转移值 LET 计算提供数据基础。

由于 MASS-Cube 发射时间较短，目前尚未形成覆盖完整轨道周期和长期空间天气过程的系统性数据分析结果，但已有在轨数据表明，该载荷具备对单粒子事件进行精细测量的能力。通过对像素化 CdZnTe 探测单元中的多点沉积信号进行空间关联，可重建粒子穿越探测器时的三维径迹；结合径迹长度和总沉积能量，可进一步计算粒子在 CdZnTe 材料中的的等效LET（或dE/dx）分布。图中给出的在轨事件三维径迹重建结果和 dE/dx 谱分布，展示了 MASS-Cube 从单个粒子事件层面对入射路径、能量沉积和电离能力进行表征的能力。

在轨事件三维径迹重建和能量分布结果

LET 是空间辐射效应分析中的关键物理量，与器件敏感体能量沉积、单粒子效应触发概率和粒子种类识别密切相关。基于 MASS-Cube 获得的 LET 谱分布，结合 CdZnTe 材料阻止本领、探测器几何因子、粒子入射方向和响应矩阵校正，可进一步开展入射质子能量分布和通量分布的反演分析。由此，MASS-Cube 不仅服务于天格计划 2.0 的 MeV 伽马谱线探测和康普顿成像技术验证，也为低轨空间带电粒子环境监测、LET 谱测量和 COTS 器件辐射效应评估提供了新的在轨数据来源。

MassCube实测事例 dE/dx 谱分布图

4. 总结与讨论

低轨空间并不是一片安静的环境。每一次粒子注入、每一次辐射增强、每一次器件响应，最终都会转化为航天器设计、载荷运行和任务可靠性中的真实约束。对于正在快速发展的商业航天而言，空间辐射环境不再只是任务前期仿真中的边界条件，而应成为贯穿器件选型、系统设计、在轨运行和数据反馈全过程的基础变量。

从天格载荷的连续观测，到康普顿 MassCube 载荷的精细测量，空间辐射探测正在从“看见环境”走向“理解环境”，也正在从科学观测走向工程闭环。真实在轨数据的长期积累，将帮助我们更准确地认识低轨辐射环境的时空变化，更有效地评估 COTS 器件和星载系统的辐射风险，并进一步推动抗辐照设计从经验判断走向数据驱动。

面向未来，随着更多载荷持续在轨运行，空间环境探测、辐射效应分析与星载电子系统可靠性设计将更加紧密地结合。我们也将继续依托在轨数据积累和工程实践，推动空间辐射环境认知、载荷可靠运行和高性能星载系统应用之间形成闭环，为商业航天任务的长期稳定运行提供更加坚实的数据与技术支撑。

参考文献

[1] MAIDEN D. The near-earth space radiation environment[C]//Conference on the Application of Accelerators in Research and Industry (CAARI). Fort Worth, TX: NASA Goddard Space Flight Center, 2008.

[2] REID T G R, NEISH A M, WALTER T F, et al. Leveraging commercial broadband LEO constellations for navigation[C]//Proceedings of the 29th International Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation (ION GNSS+ 2016). Portland, Oregon: Institute of Navigation, 2016. DOI: 10.33012/2016.14729.

[3] 清华大学工程物理系. 跨越长短之界：“天格计划”发现三秒超新星坍缩伽马暴[EB/OL]. (2025-02-18)[2026-06-09]. https://www.ep.tsinghua.edu.cn/info/1002/3865.htm.

[4] 清华大学工程物理系. 清华大学新一代“天格计划”首个纳卫星康普顿望远镜成功发射[EB/OL]. (2025-09-06)[2026-06-09]. https://www.ep.tsinghua.edu.cn/info/1002/4037.htm.