2024年3月26日发(作者：毓溶溶)
第19卷 第5期
2022年5月
装 备 环 境 工 程
EQUIPMENT ENVIRONMENTAL ENGINEERING
·149·
环境试验与观测
AP9/AE9/SPM辐射环境模型研究
田天，常峥，马杰，白钧水，王舸，李杨
（1.国防科技大学 气象海洋学院，长沙 410073；2.北京市5111信箱，北京 100094；
3.中国科学院国家空间科学中心，北京 100190）
摘要：对辐射环境模型AP9/AE9/SPM进行了系统研究，重点分析了AP9/AE9/SPM辐射环境模型的发展历
程、建模数据、模型能力、模型使用方法、模型特点和局限性以及发展趋势。总结了AP9/AE9/SPM辐射环
境模型“螺旋式上升”研发途径中所发布的11个版本的特点、数据覆盖时间范围和能量范围。指出
AP9/AE9/SPM辐射环境模型在研发过程中是通过不断地将最新的观测数据和理论知识进行整合，达到扩展
模型能量覆盖范围、增加空间粒子分布的目的。最新的AP9/AE9/SPM辐射环境模型具备了命令行和图形用
户接口应用程序2种灵活便捷的使用方式，能覆盖完整的辐射带空间，基本实现了电子和质子能量范围的
全覆盖。但目前最新版本的AP9/AE9/SPM仍然存在一些局限，这些局限会随着辐射带探测数据的积累和人
类对辐射带机理的进一步认知而逐渐得到改善。该研究可帮助用户快速了解并正确使用AP9/AE9/SPM辐射
环境模型，为我国自主辐射环境模型研发提供重要参考。
关键词：AP9/AE9/SPM辐射环境模型；发展历程；模型能力；模型使用；模型特点；模型局限性；发展趋势
中图分类号：P353.4 文献标识码：A 文章编号：1672-9242(2022)05-0149-08
1,232222
.. All Rights Reserved.
DOI：10.7643/ issn.1672-9242.2022.05.019
AP9/AE9/SPM Radiation Environment Model
TIAN Tian
1,2
, CHANG Zheng
3
, MA Jie
2
, BAI Jun-shui
2
, WANG Ge
2
, LI Yang
2
(1.
College of Meteorology and Oceanography, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China; 2. Mail-
box 5111, Beijing 100094, China; 3. National Space Science Center, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)
ABSTRACT: The AP9/AE9/SPM radiation environment model is systematically studied.
The development history, modeling
data, model capability, application methods, model characteristics, model limitations and development trend of AP9/AE9/SPM
radiation environment model are mainly introduced. The characteristics, data coverage time range and energy range of the 11
released versions in the AP9/AE9/SPM radiation environment model “spiral” development pathway are summarized. During the
development process, it is pointed out that the AP9/AE9/SPM radiation environment model is constantly integrated with the lat-
est data and theoretical knowledge to achieve the purpose of extending the model energy coverage and increasing the spatial
particle distribution. The newly released AP9/AE9/SPM radiation environment model can be used in both command-line appli-
cations and graphical user interface applications, covering the complete radiation belt, basically covering the energy range of
收稿日期：2021–04–23；修订日期：2021–05–28
Received：2021-04-23；Revised：2021-05-28
作者简介：田天（1982—），女，博士，工程师，主要研究方向为空间环境预报。
Biography：TIAN Tian (1982-), Female, Doctor, Engineer, Research focus: space environment forecast.
通讯作者：常峥（1979—），男，博士，高级工程师，主要研究方向为空间环境效应。
Corresponding author：CHANG Zheng (1979-), Male, Doctor, Senior engineer, Research focus: space environmental effects.
引文格式：田天, 常峥, 马杰, 等. AP9/AE9/SPM辐射环境模型研究[J]. 装备环境工程, 2022, 19(5): 149-156.
TIAN Tian, CHANG Zheng, MA Jie, et al. AP9/AE9/SPM Radiation Environment Model[J]. Equipment Environmental Engineering, 2022, 19(5):
149-156.
·150· 装 备 环 境 工 程 2022年5月
electrons and protons. However, the latest version of AP9/AE9/SPM still has some limitations, which will be gradually im-
proved with the accumulation of radiation belt detection data and the further cognition of the mechanism of radiation belts. The
research in this paper can help users quickly understand and correctly use the AP9/AE9/SPM model, and provide an important
reference for the research and development of the independent radiation belt model in China.
KEY WORDS: AP9/AE9/SPM radiation environment model; development process; model capability; method of application;
model characteristics; model limitations; Development trend.
空间辐射环境是引起航天器材料和器件性能退
化甚至失效的主要环境因素，近地轨道带电粒子辐射
主要来源于地球辐射带、太阳宇宙线和银河宇宙线。
地球辐射带是指地球磁层中被地磁场捕获的高能带
电粒子区域
[1]
。常用的地球辐射环境模型包括美国
NASA研发的AP/AE系列模型、CRRESPRO质子模
型、NOAAPRO质子模型、CRRESELE电子模型、
POLE电子模型等
[2-5]
。其中，AP/AE系列模型中的
AP8/AE8更是被世界各国普遍采用
[6-7]
，但由于
AP8/AE8模型建模数据距今已经超过40年，并且
AP8/AE8本质上属于静态模型，不能提供辐射带对各
种空间环境突发性扰动事件响应，在使用过程中逐渐
暴露出一系列问题
[8-10]
。为了更好地满足卫星设计需
求，2006年，美国空军研究实验室（Air Force Research
Laboratory，AFRL）与麻省理工学院林肯实验室、航
.. All Rights Reserved.
空航天公司、大气和环境研究公司、洛斯阿拉莫斯国
家实验室和波士顿学院科学研究所合作，开发了新一
代辐射环境模型。这个新模型的质子和电子版本被分
别命名为AP9和AE9，等离子体模型被命名为SPM
（Standard Plasma Model）。AP9/AE9/SPM是一套用
于空间系统设计、任务规划和其他气候规范应用的近
地空间辐射环境模型。该模型为Windows用户提供
可执行版本，而开发人员或UNIX用户，可以受限地
从AFRL请求源代码。发布的软件包括模型软件、用
户指南、验证报告和其他常规文档。完整的技术文档
由/programs/AE9AP9/网站
提供。截至到2017年12月1日，AP9/AE9/SPM共
发布了11个版本，最新版本为V1.50.001
[11]
。
1 发展历程和模型能力
自2006年开始研发，AP9/AE9/SPM历经了15
年的发展历程，伴随探测数据的不断丰富和基础物理
模式的更新，截至到2017年，AP9/AE9/SPM推出了
一系列版本
[11]
。AP9/AE9/SPM已经发布的11个版本
的情况见表1
[12]
。由表1可以看出，AP9/AE9/SPM
表1 AP9/AE9/SPM已经发布的11个版本及其特点
Tab.1 Released versions and characteristics of AP9/AE9/SPM
版本号 发布时间 增加特性
第一个正式版本
改进图形用户界面
描述历元
错误修正
增加数据
8个质子数据集
17个电子数据集
6个等离子体数据集
N/A
V1.00.002 2012-09-05
V1.03.001 2012-09-26
V1.04.001 2013-03-20
V1.04.002 2013-06-20
V1.05.001 2013-09-06
集成等离子体积分工具错误修正 N/A
集成等离子体积分工具 N/A
TacSat-4/CEASE质子数据
THEMIS/ESA等离子体数据
AP9能量范围拓展到2 GeV
修正部分电子数据的交叉定标
修正SHIELDOSE-2 N/A
更多的输入/输出选项
增加IGRF2015
错误修正
V1.20.002 2015-02-04
V1.20.003 2015-04-20
V1.20.004 2015-10-14
V1.30.001 2016-02-09
V1.35.001 2017-01-23
增加已知重要功能的文档错误修正 N/A
修正等离子体积分工具的错误 N/A
修正AP9/AE9的蒙特卡洛计算功能 N/A
增加对并行计算的支持 N/A
Allen Probes/RPS+REPT质子数据
改进API
Allen Probes/MagEIS电子数据
新的输出工具
Azur质子数据
TWINS2/HiLET质子数据
V1.50.001 2017-12-01
第19卷 第5期 田天，等：AP9/AE9/SPM辐射环境模型研究 ·151·
每次发布的新版本与前一个版本相比都会有显著的
改进，例如增加了新数据或者采用了新算法。这种“螺
旋式上升”的研发途径，会使AP9/AE9/SPM功能性
能逐渐完善，以满足用户的最终需求
[13]
。
AP9/AE9/SPM在研发过程中不断吸收新的探测
[14]
AP9/AE9/SPM的第一个正式版本V1.00使用
数据
。
了31组数据，而到2017年12月，发布的V1.50使用
了45个长持续时间、高质量的数据集。这些数据集跨
越了多个太阳活动周期，可以更好地反应各种空间环
境状态的统计特征。AP9/AE9/SPM的未来版本还将吸
收NASA的范艾伦探针（Van Allen Probes satellites）
卫星和演示与科学实验（Demonstration and Science
Experiments，DSX）任务卫星的数据。AP9/AE9/SPM
使用数据的基本情况见表2
[15-17]
，AP9/AE9/SPM V1.5
版本的能量和空间覆盖范围见表3
[18-19]
。可以看出，
最新的AP9/AE9/SPM模型能覆盖完整的辐射带空间，
表2 AP9/AE9/SPM使用的卫星、卫星轨道、数据覆盖的时间范围和能量范围
Tab.2 Satellite, satellite orbit, time range and energy range of data used for AP9/AE9/SPM
粒子 卫星/探测器 轨道（近地点×远地点，倾角）时间范围 能量范围 引入版本
350 km×33 000 km, 18° 1990—1991 2.0~80 MeV V1.00
236 km×8 048 km, 97.5° V1.00
1976—1979
0.1~ 2.0 MeV
500 km×39 000 km, 63° V1.00
1994—2011
10~400 MeV
500 km×39 000 km, 63° V1.00
1997—2011
10~400 MeV
1 000 circular, 45° V1.00
2001—2009
10~400 MeV
410 km×1 710 km, 69° V1.00
2001—2006
10~400 MeV
5 100 km×51 000 km, 86° V1.00
1996—2008
0.1~1.0 MeV
5 100 km×51 000 km, 86° V1.00
1996—2008
6.0~15.0 MeV
700 km×12 050 km, 63° 2011—2013 1~80 MeV V1.20
800 km×30 600 km, 10° 2012—2016 20~2000 MeV V1.50
800 km×30 600 km, 10° 2012—2016 20~2000 MeV V1.50
380 km×2 140 km, 103° 1969—1970 1.5~104 MeV V1.50
1 000 km×39 500 km, 63° 2008—2016 5~30 MeV V1.50
350 km×33 000 km, 18° 1990—1991 0.1~7.0 MeV V1.00
28 000 km×43 000 km, 7.8° 1979—1991 0.25~4.5 MeV V1.00
500 km×39 000 km, 63° 1994—2011 1.5~10.0 MeV V1.00
500 km×39 000 km, 63° 1997—2011 0.5~5.0 MeV V1.00
1 000 circular, 45° 2001—2009 1.0~7.0 MeV V1.00
410×1 710 km, 69° 2001—2006 0.07~3.0 MeV V1.00
550×675 km, 82° 1992—2004 2.0~3.5 MeV V1.00
5 100 km×51 000 km, 86° 1996—2008 1.0~6.0 MeV V1.00
20 200 km circular, 55° 1990—1994 0.25~1.0 MeV V1.00
20 200 km circular, 55° 1991—2000 0.25~1.0 MeV V1.00
20 200 km circular, 55° 1992—1996 0.25~1.0 MeV V1.00
20 200 km circular, 55° 1996—2004 0.25~1.0 MeV V1.00
36 000 km circular, 0° 1989—2008 0.05~1.5 MeV V1.00
36 000 km circular, 0° 1990—2005 0.05~1.5 MeV V1.00
36 000 km circular, 0° 1997—2008 0.05~1.5 MeV V1.00
36 000 km circular, 0° 2002—2008 0.05~1.5 MeV V1.00
800 km×30 600 km circular, 10°2012—2016 0.04~0.9 MeV V1.50
800 km×30 600 km circular, 10°2012—2016 0.04~0.9 MeV V1.50
5 100 km×51 000 km, 86° 1997—1999 1.2~1.64 keV V1.00
5 100 km×51 000 km, 86° 1997—1999 1.0~40.0 keV V1.00
36 000 km circular, 0° 1990—2005 1.0~63.0 keV V1.00
36 000 km circular, 0° 1991—2004 1.0~63.0 keV V1.00
36 000 km circular, 0° 1994—2008 1.0~63.0 keV V1.00
36 000 km circular, 0° 1997—2008 1.0~63.0 keV V1.00
440 km×92 000 km, 16° 2007—2013 1~60 keV V1.20
440 km×92 000 km, 16° 2007—2010 1~60 keV V1.20
440 km×92 000 km, 16° 2007—2010 1~60 keV V1.20
440 km×92 000 km, 16° 2007—2013 1~60 keV V1.20
440 km×92 000 km, 16° 2007—2013 1~60 keV V1.20
CRRES/PROTEL
S3-3/Telescope
HEO-F1/Dosimeter
HEO-F3/Dosimeter
ICO/Dosimeter
TSX5/CEASE
质子
POLAR/IPS
POLAR/HISTp
TacSat-4/CEASE
Van Allen Probe A/RPS/REPT
Van Allen Probe B/RPS/REPT
Azure/EI-88
TWINS 2/HiLET
.. All Rights Reserved.
CRRES/MEA/HEEF
SCATHA/SC3
HEO-F1/Dos/Tel
HEO-F3/Dos/Tel
ICO/Dosimeter
TSX5/CEASE
SAMPEX/PET
POLAR/HISTe
GPS/BDDII ns18
电子
GPS/BDDII ns24
GPS/BDDII ns28
GPS/BDDII ns33
LANL-GEO/SOPA 1989-046
LANL-GEO/SOPA 1990-095
LANL-GEO/SOPA LANL-97A
LANL-GEO/SOPA LANL-02A
Van Allen Probe A/MagEIS
Van Allen Probe B/MagEIS
POLAR/CAMMICE/MICS
POLAR/HYDRA
LANL-GEO/MPA 1990-095
LANL-GEO/MPA 1991-080
LANL-GEO/MPA 1994-084
等离子体
LANL-GEO/MPA LANL-97A
THEMIS A/ESA
THEMIS B/ESA
THEMIS C/ESA
THEMIS D/ESA
THEMIS E/ESA
·152· 装 备 环 境 工 程 2022年5月
表3 AP9/AE9/SPM的能量和空间覆盖范围
Tab.3 Species and spatial/energy ranges covered by the AE9/AP9/SPM models
模型
AE9
粒子种类
e
能量范围
40 keV~10 MeV
100 keV-2 GeV (V1.20)
空间范围
0.98R
e
* <12.4R e 0.98R e * <12.4R e AP9 H + SPM e, H + , He + , O + 1~40 keV (e); 1.15~164 keV (H + , He + , O + ) 2R e m <10R e 注：R e 为地球半径；L m 是传统的McIlwain L值 [20] ；L*是Roederer L值 [21] 。 在能量覆盖范围上，也基本实现了电子和质子能量范 围的全覆盖，模型能力得到很大提升。 2.1 模型输入 2.1.1 命令行应用程序输入 CmdLineAE9AP9输入文件设置可以在逻辑上分 为以下5个类别 [11] 。 1）基本模型输入：模型核心参数，模型运行必 须要设置的基本参数。表4概要介绍了CmdLine AE9AP9模型的基本输入。 2）高级模型输入：用于输入/输出格式和投掷角 的可选设置。 3）累积和汇总输入：用于复杂输出结果的可选 设置。 4）剂量计算输入：用于驱动SHIELDOSE-2模 型计算的可选设置。 5）轨道推算算法输入：用于生成轨道星历的可 选设置。 2 模型使用方法 AP9/AE9/SPM模型提供2种灵活的使用方式， 分别是命令行CmdLineAE9AP9和图形用户接口 （Graphical User Interface，GUI）应用程序 AE9AP9Gui。命令行应用程序CmdLineAE9AP9从 用户构建的输入文件中加载模型参数和轨道位置规 范，并根据要求生成一组相应的输出文件，其中包 含星历、通量、剂量等计算结果。GUI应用程序 AE9AP9Gui为CmdLineAE9AP9应用程序提供了一 个图形前端，用户可以方便地进行轨道路径和各种 模型参数的设置，根据设置生成输入文件后，自动 执行CmdLineAE9AP9应用程序，模型结果以二维图 .. All Rights Reserved. [11] 像的形式进行显示 。 表4 AP9/AE9/SPM命令行应用程序的基本模型输入 Tab.4 Basic model input for AP9/AE9/SPM command line applications 参数关键字名 ModelType 取值 AE9、AP9、Plasma传统模型 (AE8、AP8、CRRESELE、CRRESPRO、 CAMMICE) 是否必须默认值 必须 无 描述 要运行的模型类型(需要在ModelDB 参数中指定相应的数据库文件) ModelDB 必须 无 用于驱动模型的数据库文件，对应于 所选的模型类型 MagFieldDB KPhiNNetDB KHminNNetDB 必须 必须 必须 无 磁场模型的数据库文件 无 K/Phi坐标神经网络的数据库文件 无 K/Hmin坐标神经网络的数据库文件 生成模型输出文件时将使用的路径 和文件名“前缀”；这些文件的命名基 于该前缀，并且输入文件中还指定了 各种模型数据输出和聚合参数 包含时间和位置信息的星历文件 要计算的通量类型 以逗号分隔的能级列表，以MeV为 单位，在每个时间步上计算通量值 OutFile valid path and file name prefix 必须 无 OrbitFile FluxType valid path and file name of ephemeris file 1PtDiff 2PtDiff Integral AE9: 0.04~10.0 MeV AP9: 0.1~2 000.0 MeV [Plasma models valid for 2≤L m ≤10] Plasma/electrons: 0.001~0.040 MeV Plasma/ions: 0.001 15~0.164 3 MeV 必须 必须 无 无 Energies 必须 无 第19卷 第5期 田天，等：AP9/AE9/SPM辐射环境模型研究 ·153· 续表4 AP9/AE9/SPM命令行应用程序的基本模型输入 Tab.4 Basic model input for AP9/AE9/SPM command line applications 参数关键字名 取值 AE9: 0.04~10.0 MeV AP9: 0.1~2 000.0 MeV [Plasma models valid for 2≤L m ≤10] Plasma/electrons: 0.001~0.040 MeV Plasma/ions: 0.001 15~0.164 3 MeV Mean Percentile,## Perturbed,### MonteCarlo, ### True False True False True False 是否必须默认值描述 仅在“ FluxType” =“2PtDiff”时使用。 用于定义能量范围的终点，“Energies” 参数能量范围的起点 Energies2 按需 无 FluxOut FluenceOut FlueOut DoseRateOut DoseOut DoseAccumOut CDoseOut 必须 按需 按需 按需 无 False False False 生成/输出的通量数据 生成/输出的流量数据 生成/输出的剂量率数据 生成/输出的累积剂量数据 AP9/AE9/SPM除了需要输入模型类型、航天器 星历、驱动模型的数据库文件、粒子能量等基本模型 输入参数以外，还可根据需要选择或者设置相关的高 级模型输入参数、累积和汇总输入参数、剂量计算输 入参数和轨道推算算法参数。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时，输入中还应 该包括AP8/AE8模式、CRRESPRO/ELE模式和 .. All Rights Reserved. SHIELDOSE-2程序所需的各项参数。具体参数的使 用可查阅AE9/AP9/SPM辐射环境模型使用手册 [11] 。 2.1.2 图形用户接口应用程序输入 AE9AP9Gui应用程序为使用CmdLineAE9AP9 应用程序执行模型运行提供了一个简单的图形用户 界面 [11] 。用户在界面中作出选择和设置，即可生成并 执行具有相应参数设置的模型运行输入文件，模型计 算结果以二维图像进行展示。 GUI控件被分为3个标签页，分别标记为“卫星”、 “模型”和“绘图”，遵循典型的模型运行会话进程： 轨道路径在“卫星”标签页上定义；辐射环境模型在 “模型”标签页选择、配置和执行；模型运行结果使 用“绘图”标签页显示。 1）卫星标签页。通过卫星标签页设置轨道规格 类型，选择轨道推算算法，设定轨道参数以及时间等 必要信息，这些信息用于定义特定时间段和时间步长 沿卫星轨道路径计算辐射环境模型值的时间和轨道 位置。 2）模型标签页。通过模型标签页设置模型的运 行路径、运行名称、模型名称、电子/质子能量，等 效Al屏蔽层厚度、通量/流量类型等需要用户指定 的参数，用于计算在已定义的星历表位置上的模型 结果。 3）绘图标签页。绘图标签页是对模型计算结果 进行二维图像显示。 2.1.3 模型输出 AP9/AE9/SPM的模型输出包括：对应输入时空 位置的粒子通量、累积辐射总剂量和辐射剂量增长率 的仿真结果。由于AP9/AE9/SPM集成了 SHIELDOSE-2程序，因此可以使用输出的粒子通量， 结合输入中的有关参数，包括等效Al屏蔽厚度、目 标探测器类型、充电介质的几何形状、考虑的核反应 类型等信息，计算出输入时间段内的累积辐射总剂量 和辐射剂量增长率。 3 模型特点 AP9/AE9/SPM模型不断地将最新的观测数据和 理论知识进行整合，卫星设计人员可以使用该模型为 穿越地球辐射带的发射任务制定辐射规范。该模型涵 盖了从keV到GeV能量的捕获粒子和等离子体。它 提供了均值和瞬态环境，并采用置信度水平进行评 估。与以往的辐射环境模型相比，AP9/AE9/SPM有 许多重要改进 [14,22-24] ，包括以下内容： 1）扩展能量覆盖范围。以往的模型能量范围一 般仅覆盖高能质子和/或高能电子，AP9/AE9/SPM能 量覆盖范围扩展到了等离子体。 2）增加了空间粒子分布和计算结果不确定度的 [25] 以往的模型以单一数值的方式表示辐射带状 描述 。 态，AP9/AE9/SPM用统计学方式描述空间粒子分布 和计算结果的不确定度。 3）增加了辐射带粒子随时间演化的描述。以往 的模型不能表示辐射带的时间演化，或仅能单独给出 几个离散的状态。AP9/AE9/SPM基于统计方式给出 了辐射带粒子随时间的演化，在时间演化中考虑了多 种粒子辐射效应对应的特征时间尺度。 4）更加灵活便捷的使用方式。以往的模型一般 以应用程序接口（Application Programming Interface， API）形式提供给用户，要求用户具备一定的编程能 ·154· 装 备 环 境 工 程 2022年5月 力，使用起来有一定难度。AP9/AE9/SPM以应用程 序或图形界面的形式提供给用户 [11] ，程序运行在命令 行或图形模式下，包含输入和输出界面，用户体验较 好。同时，AP9/AE9/SPM也保留了API模式 [26] ，用 于应用程序的扩展和满足某些用户的二次开发需求。 程序除了包含有AP9/AE9/SPM的功能以外，还集成 了剂量计算程序SHIELDOSE-2 [27] 、辐射环境模型 AP8/AE8、CRRESPRO、CRRESELE和等离子体模型 CAMMICE/MICS [28] 。 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，这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、空间和时间范围的实测数 据较少甚至缺失；另外，AP9/AE9/SPM集成了特定 的外部模型，而这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 [29] ： 1）不能描述太阳活动周变化，特别是LEO轨道 质子变化。 2）LEO区域<20 MeV质子通量的不确定性过大， 这是由卫星实测数据的有效性较低以及数据覆盖稀 疏造成的。 3）LEO区域粒子通量沿高度的变化梯度存在较 大的不确定性。 4）内辐射带所有能量电子的误差棒不准确。范 艾伦探针的探测结果表明，内辐射带内不存在>1.5 MeV的电子。这与过去的探测结果相矛盾，目前尚 不清楚内辐射带的这一状态是临时性的还是常态。 5）目前AP9估算的内辐射带质子通量水平过高， 希望通过改进范艾伦探针数据的处理，在未来版本中 解决这一问题。 6）在特定的区域和状态下，AP9沿同一路径估 算的通量会出现不连贯的现象。这是由于模型中低高 度和较高高度2个区域的通量是分开计算的，模型对 这2部分结果的衔接处理不足。这一现象预计随着建 模数据的积累会逐步得到解决。 7）SPM的误差棒比实际的不确定度要低，特别 是O + 和电子。O + 和He + 模型仅由1个数据集构建， 不能通过测量不同数据集之间的不一致性确定不确 定度。 8）SPM不包含磁地方时变化，未来版本将会解 决这一问题。 9）模型不能对非捕获粒子（如太阳质子）进行 计算，未来版本将会解决这一问题。 10）采用国际地磁参考场模型（International Geomagnetic Reference Field，IGRF）描述主地磁场， 受IGRF自身系数表的限制，2020年1月1日以后的 地磁场变化将不能被描述，后续的模型研发可能会使 模型具备跨越该日期的能力。 11）IGRF每5年更新1次系数，如果分别使用 新、旧系数进行计算，计算结果之间的均方根误差大 约为1%。如果将这1%的误差引入到模型对通量的计 算中，可能会带来5%~15%的均方根误差。当模型的 新、旧版本使用的IGRF系数不同时，对同一场景的 计算结果会有较大差距。 12）即使在使用多线程处理的情况下，辐射剂量 的计算速度依然较慢，未来版本将通过采用新计算内 核和调整并行任务的调度算法来改善计算性能。 13）目前32位Windows平台还不支持命令行模 式和API模型下的多线程运行，这是因为Intel当前 版本的消息传递接口（Message Passing Interface， MPI）库对该平台的支持不好。 5 发展趋势 AE9/AP9/SPM辐射环境模型仍在不断发展，它 可用于指导航天器系统设计，用于评估航天器运行过 程中可能遭受的平均和最坏空间辐射环境情况。模型 每1~2年更新1次，包括新数据、新算法和新理论的 使用。目前V1.5版本的最明显改进在于添加了新的 数据源，极大地提高了模型的空间覆盖范围。在V1.5 版本发布后，开发小组将继续向AE9/AP9/SPM模型 添加新功能。具体来说，V1.6版本将增加新的范艾 伦探针卫星数据；V2.0版将过渡到模块化体系结构， 加入新的质子模型；V2.5版除了添加新的模型，还 会使用DSX和Arase卫星探测的新数据 [30-31] 。 随着AE9/AP9/SPM模型的不断发展，国际合作 越来越密切，AE9/AP9/SPM从V1.5版本开始向国际 近地辐射环境（International Radiation Environment Near Earth，IRENE）命名法过渡。在过渡期间， AE9/AP9/SPM和IRENE命名法将一起使用，在此之 后，模型将简单地称为IRENE [30-31] 。 6 结语 新一代辐射环境模型AP9/AE9/SPM是一套用于 空间系统设计、任务规划和其他气候规范应用的近地 空间辐射环境模型，可用于指导航天器系统设计，评 估航天器运行过程中可能遭受的平均和最坏空间辐 射环境情况。与以往模型相比，AP9/AE9/SPM不断 将最新的观测数据和理论知识进行整合，扩展了模型 能量覆盖范围，增加了空间粒子分布和计算结果不确 定度的描述，使得模型使用更加灵活便捷，提供了命 令行应用程序和图形用户接口应用程序2种使用方 式。新的AP9/AE9/SPM辐射环境模型能覆盖完整的 辐射带空间，基本实现了电子和质子能量范围的全覆 盖。但目前最新版本的AP9/AE9/SPM仍然存在一些 .. All Rights Reserved. 第19卷 第5期 田天，等：AP9/AE9/SPM辐射环境模型研究 ·155· 局限，比如不能描述太阳活动周变化，LEO上<20 MeV质子通量的不确定性过大等。部分局限是由于 某些特定能量、空间和时间范围的辐射带实测数据较 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。 随着辐射带探测数据的积累和人类对辐射带机 理的进一步认知，AP9/AE9/SPM模型的不断发展会 为航天器设计提供更精确的辐射带和等离子体环境 描述。本文对AP9/AE9/SPM辐射环境模型的发展历 程、建模数据、模型能力、模型使用方法、模型特点、 局限性以及发展趋势进行了系统描述，可帮助用户正 确使用AP9/AE9/SPM辐射环境模型，为我国自主辐 射环境模型研发提供参考。 参考文献： [1] 沈自才. 空间辐射环境工程[M]. 北京: 中国宇航出版 社, 2013. SHEN Zi-cai. Space Radiation Environment Engineering [M]. Beijing: China Astronautical Press, 2013. [2] SAWYER D M, VETTE J I. AP8 Trapped Proton Envi- ronment for Solar Maximum and Solar Minimum[R]. NASA STI/recon Technical Report N, NSSDC/WDC-A- R&S 76-06, 1976. [3] HUSTON S L. Space Environments and Effects: Trapped Proton Model[R]. NASA STI/Recon Technical Report N2, 2002. [4] MEFFERT J D, GUSSENHOVEN M S. CRRESPRO Documentation[R]. Hanscom AFB, MA: Phillips Lab, 1994 [5] BRAUTIGAM D H, BELL J T. CRRESELE Documenta- tion[R]. Hanscom AFB, MA: Phillips Lab, 1995. 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[s. l.]: PRBEM, 2018. [31] JOHNSTON W, O'Brien P, HUSTON S, et al. Planned cal Models of the Low-Energy Plasma in the Inner Mag- netosphere[J]. Space Weather, 2005, 3(12): S12B06. [29] Wm. Robert Johnston, T. Paul O'Brien, Gregory Ginet, et al. IRENE: AE9/AP9/SPM Radiation Environment Model upgrades to the AE9/AP9-IRENE Space Radiation Cli- matology Model[C]//42nd COSPAR Scientific Assembly. [s. l.]: PRBEM, 2018. 责任编辑：刘世忠 .. All Rights Reserved. 2024年3月26日发(作者：毓溶溶)
第19卷 第5期
2022年5月
装 备 环 境 工 程
EQUIPMENT ENVIRONMENTAL ENGINEERING
·149·
环境试验与观测
AP9/AE9/SPM辐射环境模型研究
田天，常峥，马杰，白钧水，王舸，李杨
（1.国防科技大学 气象海洋学院，长沙 410073；2.北京市5111信箱，北京 100094；
3.中国科学院国家空间科学中心，北京 100190）
摘要：对辐射环境模型AP9/AE9/SPM进行了系统研究，重点分析了AP9/AE9/SPM辐射环境模型的发展历
程、建模数据、模型能力、模型使用方法、模型特点和局限性以及发展趋势。总结了AP9/AE9/SPM辐射环
境模型“螺旋式上升”研发途径中所发布的11个版本的特点、数据覆盖时间范围和能量范围。指出
AP9/AE9/SPM辐射环境模型在研发过程中是通过不断地将最新的观测数据和理论知识进行整合，达到扩展
模型能量覆盖范围、增加空间粒子分布的目的。最新的AP9/AE9/SPM辐射环境模型具备了命令行和图形用
户接口应用程序2种灵活便捷的使用方式，能覆盖完整的辐射带空间，基本实现了电子和质子能量范围的
全覆盖。但目前最新版本的AP9/AE9/SPM仍然存在一些局限，这些局限会随着辐射带探测数据的积累和人
类对辐射带机理的进一步认知而逐渐得到改善。该研究可帮助用户快速了解并正确使用AP9/AE9/SPM辐射
环境模型，为我国自主辐射环境模型研发提供重要参考。
关键词：AP9/AE9/SPM辐射环境模型；发展历程；模型能力；模型使用；模型特点；模型局限性；发展趋势
中图分类号：P353.4 文献标识码：A 文章编号：1672-9242(2022)05-0149-08
1,232222
.. All Rights Reserved.
DOI：10.7643/ issn.1672-9242.2022.05.019
AP9/AE9/SPM Radiation Environment Model
TIAN Tian
1,2
, CHANG Zheng
3
, MA Jie
2
, BAI Jun-shui
2
, WANG Ge
2
, LI Yang
2
(1.
College of Meteorology and Oceanography, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China; 2. Mail-
box 5111, Beijing 100094, China; 3. National Space Science Center, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)
ABSTRACT: The AP9/AE9/SPM radiation environment model is systematically studied.
The development history, modeling
data, model capability, application methods, model characteristics, model limitations and development trend of AP9/AE9/SPM
radiation environment model are mainly introduced. The characteristics, data coverage time range and energy range of the 11
released versions in the AP9/AE9/SPM radiation environment model “spiral” development pathway are summarized. During the
development process, it is pointed out that the AP9/AE9/SPM radiation environment model is constantly integrated with the lat-
est data and theoretical knowledge to achieve the purpose of extending the model energy coverage and increasing the spatial
particle distribution. The newly released AP9/AE9/SPM radiation environment model can be used in both command-line appli-
cations and graphical user interface applications, covering the complete radiation belt, basically covering the energy range of
收稿日期：2021–04–23；修订日期：2021–05–28
Received：2021-04-23；Revised：2021-05-28
作者简介：田天（1982—），女，博士，工程师，主要研究方向为空间环境预报。
Biography：TIAN Tian (1982-), Female, Doctor, Engineer, Research focus: space environment forecast.
通讯作者：常峥（1979—），男，博士，高级工程师，主要研究方向为空间环境效应。
Corresponding author：CHANG Zheng (1979-), Male, Doctor, Senior engineer, Research focus: space environmental effects.
引文格式：田天, 常峥, 马杰, 等. AP9/AE9/SPM辐射环境模型研究[J]. 装备环境工程, 2022, 19(5): 149-156.
TIAN Tian, CHANG Zheng, MA Jie, et al. AP9/AE9/SPM Radiation Environment Model[J]. Equipment Environmental Engineering, 2022, 19(5):
149-156.
·150· 装 备 环 境 工 程 2022年5月
electrons and protons. However, the latest version of AP9/AE9/SPM still has some limitations, which will be gradually im-
proved with the accumulation of radiation belt detection data and the further cognition of the mechanism of radiation belts. The
research in this paper can help users quickly understand and correctly use the AP9/AE9/SPM model, and provide an important
reference for the research and development of the independent radiation belt model in China.
KEY WORDS: AP9/AE9/SPM radiation environment model; development process; model capability; method of application;
model characteristics; model limitations; Development trend.
空间辐射环境是引起航天器材料和器件性能退
化甚至失效的主要环境因素，近地轨道带电粒子辐射
主要来源于地球辐射带、太阳宇宙线和银河宇宙线。
地球辐射带是指地球磁层中被地磁场捕获的高能带
电粒子区域
[1]
。常用的地球辐射环境模型包括美国
NASA研发的AP/AE系列模型、CRRESPRO质子模
型、NOAAPRO质子模型、CRRESELE电子模型、
POLE电子模型等
[2-5]
。其中，AP/AE系列模型中的
AP8/AE8更是被世界各国普遍采用
[6-7]
，但由于
AP8/AE8模型建模数据距今已经超过40年，并且
AP8/AE8本质上属于静态模型，不能提供辐射带对各
种空间环境突发性扰动事件响应，在使用过程中逐渐
暴露出一系列问题
[8-10]
。为了更好地满足卫星设计需
求，2006年，美国空军研究实验室（Air Force Research
Laboratory，AFRL）与麻省理工学院林肯实验室、航
.. All Rights Reserved.
空航天公司、大气和环境研究公司、洛斯阿拉莫斯国
家实验室和波士顿学院科学研究所合作，开发了新一
代辐射环境模型。这个新模型的质子和电子版本被分
别命名为AP9和AE9，等离子体模型被命名为SPM
（Standard Plasma Model）。AP9/AE9/SPM是一套用
于空间系统设计、任务规划和其他气候规范应用的近
地空间辐射环境模型。该模型为Windows用户提供
可执行版本，而开发人员或UNIX用户，可以受限地
从AFRL请求源代码。发布的软件包括模型软件、用
户指南、验证报告和其他常规文档。完整的技术文档
由/programs/AE9AP9/网站
提供。截至到2017年12月1日，AP9/AE9/SPM共
发布了11个版本，最新版本为V1.50.001
[11]
。
1 发展历程和模型能力
自2006年开始研发，AP9/AE9/SPM历经了15
年的发展历程，伴随探测数据的不断丰富和基础物理
模式的更新，截至到2017年，AP9/AE9/SPM推出了
一系列版本
[11]
。AP9/AE9/SPM已经发布的11个版本
的情况见表1
[12]
。由表1可以看出，AP9/AE9/SPM
表1 AP9/AE9/SPM已经发布的11个版本及其特点
Tab.1 Released versions and characteristics of AP9/AE9/SPM
版本号 发布时间 增加特性
第一个正式版本
改进图形用户界面
描述历元
错误修正
增加数据
8个质子数据集
17个电子数据集
6个等离子体数据集
N/A
V1.00.002 2012-09-05
V1.03.001 2012-09-26
V1.04.001 2013-03-20
V1.04.002 2013-06-20
V1.05.001 2013-09-06
集成等离子体积分工具错误修正 N/A
集成等离子体积分工具 N/A
TacSat-4/CEASE质子数据
THEMIS/ESA等离子体数据
AP9能量范围拓展到2 GeV
修正部分电子数据的交叉定标
修正SHIELDOSE-2 N/A
更多的输入/输出选项
增加IGRF2015
错误修正
V1.20.002 2015-02-04
V1.20.003 2015-04-20
V1.20.004 2015-10-14
V1.30.001 2016-02-09
V1.35.001 2017-01-23
增加已知重要功能的文档错误修正 N/A
修正等离子体积分工具的错误 N/A
修正AP9/AE9的蒙特卡洛计算功能 N/A
增加对并行计算的支持 N/A
Allen Probes/RPS+REPT质子数据
改进API
Allen Probes/MagEIS电子数据
新的输出工具
Azur质子数据
TWINS2/HiLET质子数据
V1.50.001 2017-12-01
第19卷 第5期 田天，等：AP9/AE9/SPM辐射环境模型研究 ·151·
每次发布的新版本与前一个版本相比都会有显著的
改进，例如增加了新数据或者采用了新算法。这种“螺
旋式上升”的研发途径，会使AP9/AE9/SPM功能性
能逐渐完善，以满足用户的最终需求
[13]
。
AP9/AE9/SPM在研发过程中不断吸收新的探测
[14]
AP9/AE9/SPM的第一个正式版本V1.00使用
数据
。
了31组数据，而到2017年12月，发布的V1.50使用
了45个长持续时间、高质量的数据集。这些数据集跨
越了多个太阳活动周期，可以更好地反应各种空间环
境状态的统计特征。AP9/AE9/SPM的未来版本还将吸
收NASA的范艾伦探针（Van Allen Probes satellites）
卫星和演示与科学实验（Demonstration and Science
Experiments，DSX）任务卫星的数据。AP9/AE9/SPM
使用数据的基本情况见表2
[15-17]
，AP9/AE9/SPM V1.5
版本的能量和空间覆盖范围见表3
[18-19]
。可以看出，
最新的AP9/AE9/SPM模型能覆盖完整的辐射带空间，
表2 AP9/AE9/SPM使用的卫星、卫星轨道、数据覆盖的时间范围和能量范围
Tab.2 Satellite, satellite orbit, time range and energy range of data used for AP9/AE9/SPM
粒子 卫星/探测器 轨道（近地点×远地点，倾角）时间范围 能量范围 引入版本
350 km×33 000 km, 18° 1990—1991 2.0~80 MeV V1.00
236 km×8 048 km, 97.5° V1.00
1976—1979
0.1~ 2.0 MeV
500 km×39 000 km, 63° V1.00
1994—2011
10~400 MeV
500 km×39 000 km, 63° V1.00
1997—2011
10~400 MeV
1 000 circular, 45° V1.00
2001—2009
10~400 MeV
410 km×1 710 km, 69° V1.00
2001—2006
10~400 MeV
5 100 km×51 000 km, 86° V1.00
1996—2008
0.1~1.0 MeV
5 100 km×51 000 km, 86° V1.00
1996—2008
6.0~15.0 MeV
700 km×12 050 km, 63° 2011—2013 1~80 MeV V1.20
800 km×30 600 km, 10° 2012—2016 20~2000 MeV V1.50
800 km×30 600 km, 10° 2012—2016 20~2000 MeV V1.50
380 km×2 140 km, 103° 1969—1970 1.5~104 MeV V1.50
1 000 km×39 500 km, 63° 2008—2016 5~30 MeV V1.50
350 km×33 000 km, 18° 1990—1991 0.1~7.0 MeV V1.00
28 000 km×43 000 km, 7.8° 1979—1991 0.25~4.5 MeV V1.00
500 km×39 000 km, 63° 1994—2011 1.5~10.0 MeV V1.00
500 km×39 000 km, 63° 1997—2011 0.5~5.0 MeV V1.00
1 000 circular, 45° 2001—2009 1.0~7.0 MeV V1.00
410×1 710 km, 69° 2001—2006 0.07~3.0 MeV V1.00
550×675 km, 82° 1992—2004 2.0~3.5 MeV V1.00
5 100 km×51 000 km, 86° 1996—2008 1.0~6.0 MeV V1.00
20 200 km circular, 55° 1990—1994 0.25~1.0 MeV V1.00
20 200 km circular, 55° 1991—2000 0.25~1.0 MeV V1.00
20 200 km circular, 55° 1992—1996 0.25~1.0 MeV V1.00
20 200 km circular, 55° 1996—2004 0.25~1.0 MeV V1.00
36 000 km circular, 0° 1989—2008 0.05~1.5 MeV V1.00
36 000 km circular, 0° 1990—2005 0.05~1.5 MeV V1.00
36 000 km circular, 0° 1997—2008 0.05~1.5 MeV V1.00
36 000 km circular, 0° 2002—2008 0.05~1.5 MeV V1.00
800 km×30 600 km circular, 10°2012—2016 0.04~0.9 MeV V1.50
800 km×30 600 km circular, 10°2012—2016 0.04~0.9 MeV V1.50
5 100 km×51 000 km, 86° 1997—1999 1.2~1.64 keV V1.00
5 100 km×51 000 km, 86° 1997—1999 1.0~40.0 keV V1.00
36 000 km circular, 0° 1990—2005 1.0~63.0 keV V1.00
36 000 km circular, 0° 1991—2004 1.0~63.0 keV V1.00
36 000 km circular, 0° 1994—2008 1.0~63.0 keV V1.00
36 000 km circular, 0° 1997—2008 1.0~63.0 keV V1.00
440 km×92 000 km, 16° 2007—2013 1~60 keV V1.20
440 km×92 000 km, 16° 2007—2010 1~60 keV V1.20
440 km×92 000 km, 16° 2007—2010 1~60 keV V1.20
440 km×92 000 km, 16° 2007—2013 1~60 keV V1.20
440 km×92 000 km, 16° 2007—2013 1~60 keV V1.20
CRRES/PROTEL
S3-3/Telescope
HEO-F1/Dosimeter
HEO-F3/Dosimeter
ICO/Dosimeter
TSX5/CEASE
质子
POLAR/IPS
POLAR/HISTp
TacSat-4/CEASE
Van Allen Probe A/RPS/REPT
Van Allen Probe B/RPS/REPT
Azure/EI-88
TWINS 2/HiLET
.. All Rights Reserved.
CRRES/MEA/HEEF
SCATHA/SC3
HEO-F1/Dos/Tel
HEO-F3/Dos/Tel
ICO/Dosimeter
TSX5/CEASE
SAMPEX/PET
POLAR/HISTe
GPS/BDDII ns18
电子
GPS/BDDII ns24
GPS/BDDII ns28
GPS/BDDII ns33
LANL-GEO/SOPA 1989-046
LANL-GEO/SOPA 1990-095
LANL-GEO/SOPA LANL-97A
LANL-GEO/SOPA LANL-02A
Van Allen Probe A/MagEIS
Van Allen Probe B/MagEIS
POLAR/CAMMICE/MICS
POLAR/HYDRA
LANL-GEO/MPA 1990-095
LANL-GEO/MPA 1991-080
LANL-GEO/MPA 1994-084
等离子体
LANL-GEO/MPA LANL-97A
THEMIS A/ESA
THEMIS B/ESA
THEMIS C/ESA
THEMIS D/ESA
THEMIS E/ESA
·152· 装 备 环 境 工 程 2022年5月
表3 AP9/AE9/SPM的能量和空间覆盖范围
Tab.3 Species and spatial/energy ranges covered by the AE9/AP9/SPM models
模型
AE9
粒子种类
e
能量范围
40 keV~10 MeV
100 keV-2 GeV (V1.20)
空间范围
0.98R
e
* <12.4R e 0.98R e * <12.4R e AP9 H + SPM e, H + , He + , O + 1~40 keV (e); 1.15~164 keV (H + , He + , O + ) 2R e m <10R e 注：R e 为地球半径；L m 是传统的McIlwain L值 [20] ；L*是Roederer L值 [21] 。 在能量覆盖范围上，也基本实现了电子和质子能量范 围的全覆盖，模型能力得到很大提升。 2.1 模型输入 2.1.1 命令行应用程序输入 CmdLineAE9AP9输入文件设置可以在逻辑上分 为以下5个类别 [11] 。 1）基本模型输入：模型核心参数，模型运行必 须要设置的基本参数。表4概要介绍了CmdLine AE9AP9模型的基本输入。 2）高级模型输入：用于输入/输出格式和投掷角 的可选设置。 3）累积和汇总输入：用于复杂输出结果的可选 设置。 4）剂量计算输入：用于驱动SHIELDOSE-2模 型计算的可选设置。 5）轨道推算算法输入：用于生成轨道星历的可 选设置。 2 模型使用方法 AP9/AE9/SPM模型提供2种灵活的使用方式， 分别是命令行CmdLineAE9AP9和图形用户接口 （Graphical User Interface，GUI）应用程序 AE9AP9Gui。命令行应用程序CmdLineAE9AP9从 用户构建的输入文件中加载模型参数和轨道位置规 范，并根据要求生成一组相应的输出文件，其中包 含星历、通量、剂量等计算结果。GUI应用程序 AE9AP9Gui为CmdLineAE9AP9应用程序提供了一 个图形前端，用户可以方便地进行轨道路径和各种 模型参数的设置，根据设置生成输入文件后，自动 执行CmdLineAE9AP9应用程序，模型结果以二维图 .. All Rights Reserved. [11] 像的形式进行显示 。 表4 AP9/AE9/SPM命令行应用程序的基本模型输入 Tab.4 Basic model input for AP9/AE9/SPM command line applications 参数关键字名 ModelType 取值 AE9、AP9、Plasma传统模型 (AE8、AP8、CRRESELE、CRRESPRO、 CAMMICE) 是否必须默认值 必须 无 描述 要运行的模型类型(需要在ModelDB 参数中指定相应的数据库文件) ModelDB 必须 无 用于驱动模型的数据库文件，对应于 所选的模型类型 MagFieldDB KPhiNNetDB KHminNNetDB 必须 必须 必须 无 磁场模型的数据库文件 无 K/Phi坐标神经网络的数据库文件 无 K/Hmin坐标神经网络的数据库文件 生成模型输出文件时将使用的路径 和文件名“前缀”；这些文件的命名基 于该前缀，并且输入文件中还指定了 各种模型数据输出和聚合参数 包含时间和位置信息的星历文件 要计算的通量类型 以逗号分隔的能级列表，以MeV为 单位，在每个时间步上计算通量值 OutFile valid path and file name prefix 必须 无 OrbitFile FluxType valid path and file name of ephemeris file 1PtDiff 2PtDiff Integral AE9: 0.04~10.0 MeV AP9: 0.1~2 000.0 MeV [Plasma models valid for 2≤L m ≤10] Plasma/electrons: 0.001~0.040 MeV Plasma/ions: 0.001 15~0.164 3 MeV 必须 必须 无 无 Energies 必须 无 第19卷 第5期 田天，等：AP9/AE9/SPM辐射环境模型研究 ·153· 续表4 AP9/AE9/SPM命令行应用程序的基本模型输入 Tab.4 Basic model input for AP9/AE9/SPM command line applications 参数关键字名 取值 AE9: 0.04~10.0 MeV AP9: 0.1~2 000.0 MeV [Plasma models valid for 2≤L m ≤10] Plasma/electrons: 0.001~0.040 MeV Plasma/ions: 0.001 15~0.164 3 MeV Mean Percentile,## Perturbed,### MonteCarlo, ### True False True False True False 是否必须默认值描述 仅在“ FluxType” =“2PtDiff”时使用。 用于定义能量范围的终点，“Energies” 参数能量范围的起点 Energies2 按需 无 FluxOut FluenceOut FlueOut DoseRateOut DoseOut DoseAccumOut CDoseOut 必须 按需 按需 按需 无 False False False 生成/输出的通量数据 生成/输出的流量数据 生成/输出的剂量率数据 生成/输出的累积剂量数据 AP9/AE9/SPM除了需要输入模型类型、航天器 星历、驱动模型的数据库文件、粒子能量等基本模型 输入参数以外，还可根据需要选择或者设置相关的高 级模型输入参数、累积和汇总输入参数、剂量计算输 入参数和轨道推算算法参数。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时，输入中还应 该包括AP8/AE8模式、CRRESPRO/ELE模式和 .. All Rights Reserved. SHIELDOSE-2程序所需的各项参数。具体参数的使 用可查阅AE9/AP9/SPM辐射环境模型使用手册 [11] 。 2.1.2 图形用户接口应用程序输入 AE9AP9Gui应用程序为使用CmdLineAE9AP9 应用程序执行模型运行提供了一个简单的图形用户 界面 [11] 。用户在界面中作出选择和设置，即可生成并 执行具有相应参数设置的模型运行输入文件，模型计 算结果以二维图像进行展示。 GUI控件被分为3个标签页，分别标记为“卫星”、 “模型”和“绘图”，遵循典型的模型运行会话进程： 轨道路径在“卫星”标签页上定义；辐射环境模型在 “模型”标签页选择、配置和执行；模型运行结果使 用“绘图”标签页显示。 1）卫星标签页。通过卫星标签页设置轨道规格 类型，选择轨道推算算法，设定轨道参数以及时间等 必要信息，这些信息用于定义特定时间段和时间步长 沿卫星轨道路径计算辐射环境模型值的时间和轨道 位置。 2）模型标签页。通过模型标签页设置模型的运 行路径、运行名称、模型名称、电子/质子能量，等 效Al屏蔽层厚度、通量/流量类型等需要用户指定 的参数，用于计算在已定义的星历表位置上的模型 结果。 3）绘图标签页。绘图标签页是对模型计算结果 进行二维图像显示。 2.1.3 模型输出 AP9/AE9/SPM的模型输出包括：对应输入时空 位置的粒子通量、累积辐射总剂量和辐射剂量增长率 的仿真结果。由于AP9/AE9/SPM集成了 SHIELDOSE-2程序，因此可以使用输出的粒子通量， 结合输入中的有关参数，包括等效Al屏蔽厚度、目 标探测器类型、充电介质的几何形状、考虑的核反应 类型等信息，计算出输入时间段内的累积辐射总剂量 和辐射剂量增长率。 3 模型特点 AP9/AE9/SPM模型不断地将最新的观测数据和 理论知识进行整合，卫星设计人员可以使用该模型为 穿越地球辐射带的发射任务制定辐射规范。该模型涵 盖了从keV到GeV能量的捕获粒子和等离子体。它 提供了均值和瞬态环境，并采用置信度水平进行评 估。与以往的辐射环境模型相比，AP9/AE9/SPM有 许多重要改进 [14,22-24] ，包括以下内容： 1）扩展能量覆盖范围。以往的模型能量范围一 般仅覆盖高能质子和/或高能电子，AP9/AE9/SPM能 量覆盖范围扩展到了等离子体。 2）增加了空间粒子分布和计算结果不确定度的 [25] 以往的模型以单一数值的方式表示辐射带状 描述 。 态，AP9/AE9/SPM用统计学方式描述空间粒子分布 和计算结果的不确定度。 3）增加了辐射带粒子随时间演化的描述。以往 的模型不能表示辐射带的时间演化，或仅能单独给出 几个离散的状态。AP9/AE9/SPM基于统计方式给出 了辐射带粒子随时间的演化，在时间演化中考虑了多 种粒子辐射效应对应的特征时间尺度。 4）更加灵活便捷的使用方式。以往的模型一般 以应用程序接口（Application Programming Interface， API）形式提供给用户，要求用户具备一定的编程能 ·154· 装 备 环 境 工 程 2022年5月 力，使用起来有一定难度。AP9/AE9/SPM以应用程 序或图形界面的形式提供给用户 [11] ，程序运行在命令 行或图形模式下，包含输入和输出界面，用户体验较 好。同时，AP9/AE9/SPM也保留了API模式 [26] ，用 于应用程序的扩展和满足某些用户的二次开发需求。 程序除了包含有AP9/AE9/SPM的功能以外，还集成 了剂量计算程序SHIELDOSE-2 [27] 、辐射环境模型 AP8/AE8、CRRESPRO、CRRESELE和等离子体模型 CAMMICE/MICS [28] 。 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，这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、空间和时间范围的实测数 据较少甚至缺失；另外，AP9/AE9/SPM集成了特定 的外部模型，而这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 [29] ： 1）不能描述太阳活动周变化，特别是LEO轨道 质子变化。 2）LEO区域<20 MeV质子通量的不确定性过大， 这是由卫星实测数据的有效性较低以及数据覆盖稀 疏造成的。 3）LEO区域粒子通量沿高度的变化梯度存在较 大的不确定性。 4）内辐射带所有能量电子的误差棒不准确。范 艾伦探针的探测结果表明，内辐射带内不存在>1.5 MeV的电子。这与过去的探测结果相矛盾，目前尚 不清楚内辐射带的这一状态是临时性的还是常态。 5）目前AP9估算的内辐射带质子通量水平过高， 希望通过改进范艾伦探针数据的处理，在未来版本中 解决这一问题。 6）在特定的区域和状态下，AP9沿同一路径估 算的通量会出现不连贯的现象。这是由于模型中低高 度和较高高度2个区域的通量是分开计算的，模型对 这2部分结果的衔接处理不足。这一现象预计随着建 模数据的积累会逐步得到解决。 7）SPM的误差棒比实际的不确定度要低，特别 是O + 和电子。O + 和He + 模型仅由1个数据集构建， 不能通过测量不同数据集之间的不一致性确定不确 定度。 8）SPM不包含磁地方时变化，未来版本将会解 决这一问题。 9）模型不能对非捕获粒子（如太阳质子）进行 计算，未来版本将会解决这一问题。 10）采用国际地磁参考场模型（International Geomagnetic Reference Field，IGRF）描述主地磁场， 受IGRF自身系数表的限制，2020年1月1日以后的 地磁场变化将不能被描述，后续的模型研发可能会使 模型具备跨越该日期的能力。 11）IGRF每5年更新1次系数，如果分别使用 新、旧系数进行计算，计算结果之间的均方根误差大 约为1%。如果将这1%的误差引入到模型对通量的计 算中，可能会带来5%~15%的均方根误差。当模型的 新、旧版本使用的IGRF系数不同时，对同一场景的 计算结果会有较大差距。 12）即使在使用多线程处理的情况下，辐射剂量 的计算速度依然较慢，未来版本将通过采用新计算内 核和调整并行任务的调度算法来改善计算性能。 13）目前32位Windows平台还不支持命令行模 式和API模型下的多线程运行，这是因为Intel当前 版本的消息传递接口（Message Passing Interface， MPI）库对该平台的支持不好。 5 发展趋势 AE9/AP9/SPM辐射环境模型仍在不断发展，它 可用于指导航天器系统设计，用于评估航天器运行过 程中可能遭受的平均和最坏空间辐射环境情况。模型 每1~2年更新1次，包括新数据、新算法和新理论的 使用。目前V1.5版本的最明显改进在于添加了新的 数据源，极大地提高了模型的空间覆盖范围。在V1.5 版本发布后，开发小组将继续向AE9/AP9/SPM模型 添加新功能。具体来说，V1.6版本将增加新的范艾 伦探针卫星数据；V2.0版将过渡到模块化体系结构， 加入新的质子模型；V2.5版除了添加新的模型，还 会使用DSX和Arase卫星探测的新数据 [30-31] 。 随着AE9/AP9/SPM模型的不断发展，国际合作 越来越密切，AE9/AP9/SPM从V1.5版本开始向国际 近地辐射环境（International Radiation Environment Near Earth，IRENE）命名法过渡。在过渡期间， AE9/AP9/SPM和IRENE命名法将一起使用，在此之 后，模型将简单地称为IRENE [30-31] 。 6 结语 新一代辐射环境模型AP9/AE9/SPM是一套用于 空间系统设计、任务规划和其他气候规范应用的近地 空间辐射环境模型，可用于指导航天器系统设计，评 估航天器运行过程中可能遭受的平均和最坏空间辐 射环境情况。与以往模型相比，AP9/AE9/SPM不断 将最新的观测数据和理论知识进行整合，扩展了模型 能量覆盖范围，增加了空间粒子分布和计算结果不确 定度的描述，使得模型使用更加灵活便捷，提供了命 令行应用程序和图形用户接口应用程序2种使用方 式。新的AP9/AE9/SPM辐射环境模型能覆盖完整的 辐射带空间，基本实现了电子和质子能量范围的全覆 盖。但目前最新版本的AP9/AE9/SPM仍然存在一些 .. All Rights Reserved. 第19卷 第5期 田天，等：AP9/AE9/SPM辐射环境模型研究 ·155· 局限，比如不能描述太阳活动周变化，LEO上<20 MeV质子通量的不确定性过大等。部分局限是由于 某些特定能量、空间和时间范围的辐射带实测数据较 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。 随着辐射带探测数据的积累和人类对辐射带机 理的进一步认知，AP9/AE9/SPM模型的不断发展会 为航天器设计提供更精确的辐射带和等离子体环境 描述。本文对AP9/AE9/SPM辐射环境模型的发展历 程、建模数据、模型能力、模型使用方法、模型特点、 局限性以及发展趋势进行了系统描述，可帮助用户正 确使用AP9/AE9/SPM辐射环境模型，为我国自主辐 射环境模型研发提供参考。 参考文献： [1] 沈自才. 空间辐射环境工程[M]. 北京: 中国宇航出版 社, 2013. SHEN Zi-cai. Space Radiation Environment Engineering [M]. Beijing: China Astronautical Press, 2013. [2] SAWYER D M, VETTE J I. AP8 Trapped Proton Envi- ronment for Solar Maximum and Solar Minimum[R]. NASA STI/recon Technical Report N, NSSDC/WDC-A- R&S 76-06, 1976. [3] HUSTON S L. Space Environments and Effects: Trapped Proton Model[R]. NASA STI/Recon Technical Report N2, 2002. [4] MEFFERT J D, GUSSENHOVEN M S. CRRESPRO Documentation[R]. Hanscom AFB, MA: Phillips Lab, 1994 [5] BRAUTIGAM D H, BELL J T. CRRESELE Documenta- tion[R]. Hanscom AFB, MA: Phillips Lab, 1995. 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