田天，常崢，馬杰，白鈞水，王舸，李楊

（1.國防科技大學(xué) 氣象海洋學(xué)院，長沙 410073；2.北京市5111信箱，北京 100094；3.中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心，北京 100190）

空間輻射環(huán)境是引起航天器材料和器件性能退化甚至失效的主要環(huán)境因素，近地軌道帶電粒子輻射主要來源于地球輻射帶、太陽宇宙線和銀河宇宙線。地球輻射帶是指地球磁層中被地磁場捕獲的高能帶電粒子區(qū)域。常用的地球輻射環(huán)境模型包括美國NASA研發(fā)的AP/AE系列模型、CRRESPRO質(zhì)子模型、NOAAPRO質(zhì)子模型、CRRESELE電子模型、POLE電子模型等。其中，AP/AE系列模型中的AP8/AE8更是被世界各國普遍采用，但由于AP8/AE8模型建模數(shù)據(jù)距今已經(jīng)超過40年，并且AP8/AE8本質(zhì)上屬于靜態(tài)模型，不能提供輻射帶對各種空間環(huán)境突發(fā)性擾動事件響應(yīng)，在使用過程中逐漸暴露出一系列問題。為了更好地滿足衛(wèi)星設(shè)計需求，2006年，美國空軍研究實驗室（Air Force Research Laboratory，AFRL）與麻省理工學(xué)院林肯實驗室、航空航天公司、大氣和環(huán)境研究公司、洛斯阿拉莫斯國家實驗室和波士頓學(xué)院科學(xué)研究所合作，開發(fā)了新一代輻射環(huán)境模型。這個新模型的質(zhì)子和電子版本被分別命名為AP9和AE9，等離子體模型被命名為SPM（Standard Plasma Model）。AP9/AE9/SPM是一套用于空間系統(tǒng)設(shè)計、任務(wù)規(guī)劃和其他氣候規(guī)范應(yīng)用的近地空間輻射環(huán)境模型。該模型為Windows用戶提供可執(zhí)行版本，而開發(fā)人員或UNIX用戶，可以受限地從AFRL請求源代碼。發(fā)布的軟件包括模型軟件、用戶指南、驗證報告和其他常規(guī)文檔。完整的技術(shù)文檔由https://www.vdl.afrl.af.mil/programs/AE9AP9/網(wǎng)站提供。截至到2017年12月1日，AP9/AE9/SPM共發(fā)布了11個版本，最新版本為V1.50.001。

1 發(fā)展歷程和模型能力

自2006年開始研發(fā)，AP9/AE9/SPM歷經(jīng)了15年的發(fā)展歷程，伴隨探測數(shù)據(jù)的不斷豐富和基礎(chǔ)物理模式的更新，截至到2017年，AP9/AE9/SPM推出了一系列版本。AP9/AE9/SPM已經(jīng)發(fā)布的11個版本的情況見表1。由表1可以看出，AP9/AE9/SPM每次發(fā)布的新版本與前一個版本相比都會有顯著的改進，例如增加了新數(shù)據(jù)或者采用了新算法。這種“螺旋式上升”的研發(fā)途徑，會使AP9/AE9/SPM功能性能逐漸完善，以滿足用戶的最終需求。

表1 AP9/AE9/SPM已經(jīng)發(fā)布的11個版本及其特點Tab.1 Released versions and characteristics of AP9/AE9/SPM

AP9/AE9/SPM在研發(fā)過程中不斷吸收新的探測數(shù)據(jù)。AP9/AE9/SPM的第一個正式版本V1.00使用了31組數(shù)據(jù)，而到2017年12月，發(fā)布的V1.50使用了45個長持續(xù)時間、高質(zhì)量的數(shù)據(jù)集。這些數(shù)據(jù)集跨越了多個太陽活動周期，可以更好地反應(yīng)各種空間環(huán)境狀態(tài)的統(tǒng)計特征。AP9/AE9/SPM的未來版本還將吸收NASA的范艾倫探針（Van Allen Probes satellites）衛(wèi)星和演示與科學(xué)實驗（Demonstration and Science Experiments，DSX）任務(wù)衛(wèi)星的數(shù)據(jù)。AP9/AE9/SPM使用數(shù)據(jù)的基本情況見表2，AP9/AE9/SPM V1.5版本的能量和空間覆蓋范圍見表3?？梢钥闯?，最新的AP9/AE9/SPM模型能覆蓋完整的輻射帶空間，在能量覆蓋范圍上，也基本實現(xiàn)了電子和質(zhì)子能量范圍的全覆蓋，模型能力得到很大提升。

表2 AP9/AE9/SPM使用的衛(wèi)星、衛(wèi)星軌道、數(shù)據(jù)覆蓋的時間范圍和能量范圍Tab.2 Satellite, satellite orbit, time range and energy range of data used for AP9/AE9/SPM

表3 AP9/AE9/SPM的能量和空間覆蓋范圍Tab.3 Species and spatial/energy ranges covered by the AE9/AP9/SPM models

2 模型使用方法

AP9/AE9/SPM模型提供2種靈活的使用方式，分別是命令行CmdLineAE9AP9和圖形用戶接口（Graphical User Interface，GUI）應(yīng)用程序AE9AP9Gui。命令行應(yīng)用程序CmdLineAE9AP9從用戶構(gòu)建的輸入文件中加載模型參數(shù)和軌道位置規(guī)范，并根據(jù)要求生成一組相應(yīng)的輸出文件，其中包含星歷、通量、劑量等計算結(jié)果。GUI應(yīng)用程序AE9AP9Gui為CmdLineAE9AP9應(yīng)用程序提供了一個圖形前端，用戶可以方便地進行軌道路徑和各種模型參數(shù)的設(shè)置，根據(jù)設(shè)置生成輸入文件后，自動執(zhí)行CmdLineAE9AP9應(yīng)用程序，模型結(jié)果以二維圖像的形式進行顯示。

2.1 模型輸入

CmdLineAE9AP9輸入文件設(shè)置可以在邏輯上分為以下5個類別。

1）基本模型輸入：模型核心參數(shù)，模型運行必須要設(shè)置的基本參數(shù)。表4概要介紹了CmdLine AE9AP9模型的基本輸入。

表4 AP9/AE9/SPM命令行應(yīng)用程序的基本模型輸入Tab.4 Basic model input for AP9/AE9/SPM command line applications

2）高級模型輸入：用于輸入/輸出格式和投擲角的可選設(shè)置。

3）累積和匯總輸入：用于復(fù)雜輸出結(jié)果的可選設(shè)置。

4）劑量計算輸入：用于驅(qū)動SHIELDOSE-2模型計算的可選設(shè)置。

5）軌道推算算法輸入：用于生成軌道星歷的可選設(shè)置。

續(xù)表4 AP9/AE9/SPM命令行應(yīng)用程序的基本模型輸入Tab.4 Basic model input for AP9/AE9/SPM command line applications

AP9/AE9/SPM除了需要輸入模型類型、航天器星歷、驅(qū)動模型的數(shù)據(jù)庫文件、粒子能量等基本模型輸入?yún)?shù)以外，還可根據(jù)需要選擇或者設(shè)置相關(guān)的高級模型輸入?yún)?shù)、累積和匯總輸入?yún)?shù)、劑量計算輸入?yún)?shù)和軌道推算算法參數(shù)。比如，AP9/AE9/SPM集成了AP8/AE8、CRRESPRO/ELE和SHIELDOSE-2程序，如果需要使用以上模型或程序時，輸入中還應(yīng)該包括AP8/AE8模式、CRRESPRO/ELE模式和SHIELDOSE-2程序所需的各項參數(shù)。具體參數(shù)的使用可查閱AE9/AP9/SPM輻射環(huán)境模型使用手冊。

AE9AP9Gui應(yīng)用程序為使用CmdLineAE9AP9應(yīng)用程序執(zhí)行模型運行提供了一個簡單的圖形用戶界面。用戶在界面中作出選擇和設(shè)置，即可生成并執(zhí)行具有相應(yīng)參數(shù)設(shè)置的模型運行輸入文件，模型計算結(jié)果以二維圖像進行展示。

GUI控件被分為3個標簽頁，分別標記為“衛(wèi)星”、“模型”和“繪圖”，遵循典型的模型運行會話進程：軌道路徑在“衛(wèi)星”標簽頁上定義；輻射環(huán)境模型在“模型”標簽頁選擇、配置和執(zhí)行；模型運行結(jié)果使用“繪圖”標簽頁顯示。

1）衛(wèi)星標簽頁。通過衛(wèi)星標簽頁設(shè)置軌道規(guī)格類型，選擇軌道推算算法，設(shè)定軌道參數(shù)以及時間等必要信息，這些信息用于定義特定時間段和時間步長沿衛(wèi)星軌道路徑計算輻射環(huán)境模型值的時間和軌道位置。

2）模型標簽頁。通過模型標簽頁設(shè)置模型的運行路徑、運行名稱、模型名稱、電子/質(zhì)子能量，等效Al屏蔽層厚度、通量/流量類型等需要用戶指定的參數(shù)，用于計算在已定義的星歷表位置上的模型結(jié)果。

3）繪圖標簽頁。繪圖標簽頁是對模型計算結(jié)果進行二維圖像顯示。

AP9/AE9/SPM的模型輸出包括：對應(yīng)輸入時空位置的粒子通量、累積輻射總劑量和輻射劑量增長率的仿真結(jié)果。由于 AP9/AE9/SPM 集成了SHIELDOSE-2程序，因此可以使用輸出的粒子通量，結(jié)合輸入中的有關(guān)參數(shù)，包括等效Al屏蔽厚度、目標探測器類型、充電介質(zhì)的幾何形狀、考慮的核反應(yīng)類型等信息，計算出輸入時間段內(nèi)的累積輻射總劑量和輻射劑量增長率。

3 模型特點

AP9/AE9/SPM模型不斷地將最新的觀測數(shù)據(jù)和理論知識進行整合，衛(wèi)星設(shè)計人員可以使用該模型為穿越地球輻射帶的發(fā)射任務(wù)制定輻射規(guī)范。該模型涵蓋了從keV到GeV能量的捕獲粒子和等離子體。它提供了均值和瞬態(tài)環(huán)境，并采用置信度水平進行評估。與以往的輻射環(huán)境模型相比，AP9/AE9/SPM有許多重要改進，包括以下內(nèi)容：

1）擴展能量覆蓋范圍。以往的模型能量范圍一般僅覆蓋高能質(zhì)子和/或高能電子，AP9/AE9/SPM能量覆蓋范圍擴展到了等離子體。

2）增加了空間粒子分布和計算結(jié)果不確定度的描述。以往的模型以單一數(shù)值的方式表示輻射帶狀態(tài)，AP9/AE9/SPM用統(tǒng)計學(xué)方式描述空間粒子分布和計算結(jié)果的不確定度。

3）增加了輻射帶粒子隨時間演化的描述。以往的模型不能表示輻射帶的時間演化，或僅能單獨給出幾個離散的狀態(tài)。AP9/AE9/SPM基于統(tǒng)計方式給出了輻射帶粒子隨時間的演化，在時間演化中考慮了多種粒子輻射效應(yīng)對應(yīng)的特征時間尺度。

4）更加靈活便捷的使用方式。以往的模型一般以應(yīng)用程序接口（Application Programming Interface，API）形式提供給用戶，要求用戶具備一定的編程能力，使用起來有一定難度。AP9/AE9/SPM以應(yīng)用程序或圖形界面的形式提供給用戶，程序運行在命令行或圖形模式下，包含輸入和輸出界面，用戶體驗較好。同時，AP9/AE9/SPM也保留了API模式，用于應(yīng)用程序的擴展和滿足某些用戶的二次開發(fā)需求。程序除了包含有AP9/AE9/SPM的功能以外，還集成了劑量計算程序SHIELDOSE-2、輻射環(huán)境模型AP8/AE8、CRRESPRO、CRRESELE和等離子體模型CAMMICE/MICS。

4 模型局限性

目前，AP9/AE9/SPM最新版本V1.50仍然存在一些局限性，這些局限主要是由以下2方面原因引起。其一是某些特定能量、空間和時間范圍的實測數(shù)據(jù)較少甚至缺失；另外，AP9/AE9/SPM集成了特定的外部模型，而這些外部模型又具有各自的局限性。AP9/AE9/SPM的局限性主要包括：

1）不能描述太陽活動周變化，特別是LEO軌道質(zhì)子變化。

2）LEO區(qū)域<20 MeV質(zhì)子通量的不確定性過大，這是由衛(wèi)星實測數(shù)據(jù)的有效性較低以及數(shù)據(jù)覆蓋稀疏造成的。

3）LEO區(qū)域粒子通量沿高度的變化梯度存在較大的不確定性。

4）內(nèi)輻射帶所有能量電子的誤差棒不準確。范艾倫探針的探測結(jié)果表明，內(nèi)輻射帶內(nèi)不存在>1.5 MeV的電子。這與過去的探測結(jié)果相矛盾，目前尚不清楚內(nèi)輻射帶的這一狀態(tài)是臨時性的還是常態(tài)。

5）目前AP9估算的內(nèi)輻射帶質(zhì)子通量水平過高，希望通過改進范艾倫探針數(shù)據(jù)的處理，在未來版本中解決這一問題。

6）在特定的區(qū)域和狀態(tài)下，AP9沿同一路徑估算的通量會出現(xiàn)不連貫的現(xiàn)象。這是由于模型中低高度和較高高度2個區(qū)域的通量是分開計算的，模型對這2部分結(jié)果的銜接處理不足。這一現(xiàn)象預(yù)計隨著建模數(shù)據(jù)的積累會逐步得到解決。

7）SPM的誤差棒比實際的不確定度要低，特別是O和電子。O和He模型僅由1個數(shù)據(jù)集構(gòu)建，不能通過測量不同數(shù)據(jù)集之間的不一致性確定不確定度。

8）SPM不包含磁地方時變化，未來版本將會解決這一問題。

9）模型不能對非捕獲粒子（如太陽質(zhì)子）進行計算，未來版本將會解決這一問題。

10）采用國際地磁參考場模型（International Geomagnetic Reference Field，IGRF）描述主地磁場，受IGRF自身系數(shù)表的限制，2020年1月1日以后的地磁場變化將不能被描述，后續(xù)的模型研發(fā)可能會使模型具備跨越該日期的能力。

11）IGRF每5年更新1次系數(shù)，如果分別使用新、舊系數(shù)進行計算，計算結(jié)果之間的均方根誤差大約為1%。如果將這1%的誤差引入到模型對通量的計算中，可能會帶來5%~15%的均方根誤差。當模型的新、舊版本使用的IGRF系數(shù)不同時，對同一場景的計算結(jié)果會有較大差距。

12）即使在使用多線程處理的情況下，輻射劑量的計算速度依然較慢，未來版本將通過采用新計算內(nèi)核和調(diào)整并行任務(wù)的調(diào)度算法來改善計算性能。

13）目前32位Windows平臺還不支持命令行模式和API模型下的多線程運行，這是因為Intel當前版本的消息傳遞接口（Message Passing Interface，MPI）庫對該平臺的支持不好。

5 發(fā)展趨勢

AE9/AP9/SPM輻射環(huán)境模型仍在不斷發(fā)展，它可用于指導(dǎo)航天器系統(tǒng)設(shè)計，用于評估航天器運行過程中可能遭受的平均和最壞空間輻射環(huán)境情況。模型每1~2年更新1次，包括新數(shù)據(jù)、新算法和新理論的使用。目前V1.5版本的最明顯改進在于添加了新的數(shù)據(jù)源，極大地提高了模型的空間覆蓋范圍。在V1.5版本發(fā)布后，開發(fā)小組將繼續(xù)向AE9/AP9/SPM模型添加新功能。具體來說，V1.6版本將增加新的范艾倫探針衛(wèi)星數(shù)據(jù)；V2.0版將過渡到模塊化體系結(jié)構(gòu)，加入新的質(zhì)子模型；V2.5版除了添加新的模型，還會使用DSX和Arase衛(wèi)星探測的新數(shù)據(jù)。

隨著AE9/AP9/SPM模型的不斷發(fā)展，國際合作越來越密切，AE9/AP9/SPM從V1.5版本開始向國際近地輻射環(huán)境（International Radiation Environment Near Earth，IRENE）命名法過渡。在過渡期間，AE9/AP9/SPM和IRENE命名法將一起使用，在此之后，模型將簡單地稱為IRENE。

6 結(jié)語

新一代輻射環(huán)境模型AP9/AE9/SPM是一套用于空間系統(tǒng)設(shè)計、任務(wù)規(guī)劃和其他氣候規(guī)范應(yīng)用的近地空間輻射環(huán)境模型，可用于指導(dǎo)航天器系統(tǒng)設(shè)計，評估航天器運行過程中可能遭受的平均和最壞空間輻射環(huán)境情況。與以往模型相比，AP9/AE9/SPM不斷將最新的觀測數(shù)據(jù)和理論知識進行整合，擴展了模型能量覆蓋范圍，增加了空間粒子分布和計算結(jié)果不確定度的描述，使得模型使用更加靈活便捷，提供了命令行應(yīng)用程序和圖形用戶接口應(yīng)用程序2種使用方式。新的AP9/AE9/SPM輻射環(huán)境模型能覆蓋完整的輻射帶空間，基本實現(xiàn)了電子和質(zhì)子能量范圍的全覆蓋。但目前最新版本的AP9/AE9/SPM仍然存在一些局限，比如不能描述太陽活動周變化，LEO上<20 MeV質(zhì)子通量的不確定性過大等。部分局限是由于某些特定能量、空間和時間范圍的輻射帶實測數(shù)據(jù)較少甚至缺失造成的，另外一些局限是由集成到AP9/AE9/SPM的外部模型自身固有缺陷造成的。

隨著輻射帶探測數(shù)據(jù)的積累和人類對輻射帶機理的進一步認知，AP9/AE9/SPM模型的不斷發(fā)展會為航天器設(shè)計提供更精確的輻射帶和等離子體環(huán)境描述。本文對AP9/AE9/SPM輻射環(huán)境模型的發(fā)展歷程、建模數(shù)據(jù)、模型能力、模型使用方法、模型特點、局限性以及發(fā)展趨勢進行了系統(tǒng)描述，可幫助用戶正確使用AP9/AE9/SPM輻射環(huán)境模型，為我國自主輻射環(huán)境模型研發(fā)提供參考。