摘要
从上世纪60年代以来，人们就开始了对太空的探索，由此开启了太空时代。随着时代的进步和科技的发展，越来越多的卫星和载人飞船发射升空，在监测日地空间环境、探索太空奥秘的同时，也面临着严峻的空间高能粒子辐射环境。其中，绝大多数地球轨道航天器都穿越或运行在地球辐射带中，其中充满了高能质子和电子，会对航天器的稳定运行、在轨安全和航天员的人身安全构成巨大威胁。另一方面，由于受到太阳活动和地磁扰动的影响，地球外辐射带粒子会呈现持续动态变化。目前关于粒子动态变化的物理机制还不甚清楚，因此需要利用多卫星粒子观测数据开展空间高能粒子辐射环境联合监测研究，以提高对辐射带空间辐射环境的认识，建立准确的辐射带动态模型。 由于粒子探测器研制难以完全相同，各国/单位的地面定标技术和定标设备也难以完全统一，以及地面模拟很难重现真实的空间高能粒子辐射环境等原因，不同卫星/探测器系统之间不可避免地存在系统偏差。因此，无法直接利用多卫星粒子观测数据开展辐射带粒子相关理论和模型研究。对来自不同系统的空间高能粒子观测数据进行在轨交叉定标研究，以消除不同卫星/仪器之间的系统偏差，实现数据融合与同化，是十分必要且具有广泛科学和应用意义的。 卫星粒子探测器观测到的是粒子通量和能量，相比于在空间坐标系中比较粒子通量，在相空间坐标系下基于粒子的相空间密度开展交叉定标的优势在于可以获得更多航天器结点，而且理解辐射带粒子动力学过程中的物理机制需要在相空间坐标中研究粒子的相空间密度。在固定相空间坐标下研究电子的相空间密度可以将绝热与非绝热效应分开，并且可以将来自内磁层不同区域的多卫星粒子观测结果联系起来。基于相空间密度对多卫星粒子观测数据开展交叉定标研究，消除不同卫星/探测器之间的系统偏差，可以获得高质量的全球空间高能粒子相空间密度数据集。通过研究相空间密度的径向梯度分布及长期时空演化可以明晰辐射带粒子的加速、输运及损失等动力学过程中的物理机制，并为空间天气预报、辐射带高能粒子环境建模研究等提供支持。 高能粒子的交叉定标研究基于在相空间坐标中的相空间密度，而相空间坐标的计算基于地磁场模型提供的全球和局部磁场信息，所以定标结果对于地磁场模型的选择十分敏感。因此，在进行交叉定标工作前，首先对现有的地磁场模型开展在辐射带区域的性能评估研究是十分必要的。地磁场模型的准确性具有重要的实践和理论意义，因为地磁场模型被广泛应用于各种空间科学研究中，如预测地磁暴、了解磁层与太阳风和热层/电离层的相互作用等。 根据课题研究和实际需求，本文的研究工作主要分为三大部分。 (1)评估现有地磁场模型在外辐射带区域的性能表现。利用美国科学卫星范艾伦探测器(2012-2018)和应用卫星GOES15(2011-2017)的磁场观测数据定量评估三个较新的磁场模型TS05、TA15和TA16在外辐射带区域(3-6.6 Re)的性能表现。研究选择预测效率(PE)作为评估指标，定量分析各模型在不同空间范围(Lm)、不同地磁活动水平(Kp)以及不同磁地方时(MLT)下的性能表现，并且计算了观测磁场与模型磁场的夹角θ，以评估模型的磁场方向预测能力。结果表明，在外辐射带3-6.5 Re内，TA16模型与VAP磁场观测数据最为接近，PE均大于0.7，θ均小于30;在地球同步轨道高度(约6.6 Re)，TS05模型与GOES15卫星磁场观测数据最为接近，PE约为0.75，θ约为7°。此研究是首次对近年才开发的TA15和TA16外磁场模型进行较为系统的性能评估，相关研究结果可以为我国星载高能粒子探测器探测数据的在轨交叉定标、地球磁层粒子动态演化机制研究和地球辐射带动态建模研究提供地磁场模型选择方面的有效支撑。 (2)北斗卫星导航系统的中地球轨道卫星M04和GPS的ns63卫星电子观测数据在外辐射带区域的在轨交叉定标研究。由于这两颗卫星搭载的高能粒子探测器均无多方向观测能力，因此本工作采用简化的刘维尔定理进行定标研究，即根据卫星姿态和仪器的安装位置将粒子的投掷角近似为90°，选择在同一漂移壳上的能量相同的粒子的通量进行定标。研究结果显示M04和ns63的相对论电子通量的线性拟合斜率均接近0.9，表明两者的电子观测数据具有良好的一致性。根据定标结果对M04电子通量进行修正后，可以发现此次定标过程有效减小了M04和ns63的系统差异。利用同化多卫星观测结果展示了2013年3月两次连续磁暴期间电子能谱的动态演化，其显示的不同动力学特征表明两次磁暴期间主导的物理过程不同，这直观地证明了M04和ns63观测值之间交叉校准的重要性，也表明了北斗粒子观测数据可以与其它同类观测联合开展地球磁层电子动态演化物理机制的研究。该定标方法实现了我国北斗卫星M04高能电子观测数据与同类型卫星GPs ns63粒子观测数据的在轨交叉定标，验证了北斗卫星高能电子观测数据的可靠性和有效性，为北斗卫星粒子观测数据的广泛应用和国际共享提供坚实保障，也为我国未来辐射带高能粒子理论分析工作打下了基础，以期在辐射带建模研究、空间天气临近预报和预测以及辐射带高能电子动力学理论研究等方面发挥科学数据的作用。 (3)FY4A与GOES15电子观测数据在地球同步轨道区域的在轨交叉定标研究。由于FY4A和GOES15的粒子探测器均能提供电子投掷角分布信息，可以基于刘维尔定理开展交叉定标，即比较具有相同相空间坐标的粒子的相空间密度。粒子通量为粒子能量、投掷角、航天器位置以及时间的函数，可以将其转化为粒子的相空间密度，其为三个绝热不变量——磁矩、纵向不变量、磁通量组成的相空间坐标以及时间的函数。结果显示，FY4A和GOES15电子相空间密度的线性拟合系数接近0.9，由此可以得出两者的系统偏差，并根据定标结果对FY4A电子相空间密度进行修正。通过分析修正后FY4A和GOES15电子相空间密度及径向梯度的时空演化，证明了此次开展的地球同步轨道基于相空间密度的交叉定标工作是有效且可靠的，并展示了在地磁扰动时期不同能量电子的相空间密度及径向梯度对于不同太阳风及行星际磁场条件的响应是不同的，于是其动力学特征也不同。因此，此次交叉定标工作是具有重要实践意义的。此研究是首次使用我国自主高能电子探测数据开展基于相空间密度的交叉定标研究，通过此项工作，可实现我国FY4A卫星高能电子观测数据与其它国际同类观测的数据融合，可为后续我国其他卫星粒子观测数据基于相空间密度定标提供参考，也可为我国辐射带粒子动力学理论研究、辐射带建模研究以及空间天气现报和预报研究等提供科学数据方面的支持。
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