GBZ 189-2026 空间环境　参考和标准大气模型标准立项发展报告

空间环境参考和标准大气模型标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:SpaceEnvironment—ReferenceandStandardAtmosphereModels摘要关键词：空间环境；大气模型；标准大气；航天工程；标准化Keywords:SpaceEnvironment;AtmosphereModel;StandardAtmosphere;AerospaceEngineering;Standardization1引言空间环境是影响航天器在轨运行安全和性能发挥的关键外部条件，其中大气环境作为航天器低轨运行阶段所直接接触的空间介质，其密度、温度、成分及变化规律对航天器的轨道衰减预测、姿态控制策略制定、寿命评估以及再入返回方案设计均具有决定性影响。随着航天技术的不断进步，人类空间活动的轨道范围持续拓展，对空间大气环境的认知深度和建模精度也提出了更高要求。自20世纪中叶以来，国际上陆续建立了多种参考和标准大气模型，如美国标准大气（USStandardAtmosphere）、国际标准大气（ISOAtmosphere）、Jacchia系列经验模型、MSIS（MassSpectrometerandIncoherentScatter）系列半经验模型以及NRLMSISE-00模型等。这些模型在各自适用的高度范围和时间尺度上具有不同优势，但模型之间在数据格式、坐标定义、输入参数和使用边界上存在显著差异，给工程应用和科学研究的交叉使用造成了困难。我国自20世纪80年代开展空间环境研究以来，在大气模型的理论研究和工程应用方面积累了丰富经验，但缺乏统一的国家标准来规范参考和标准大气模型的技术要求和应用方法，制约了相关数据产品的共享与互操作。因此，制定《空间环境参考和标准大气模型》国家标准具有重要的现实意义和工程应用价值。2国内外标准发展现状2.1国际标准化工作进展在国际标准化层面，ISO（国际标准化组织）下设的ISO/TC20/SC14（航空航天器与航天器系统及运行操作分技术委员会）长期致力于空间环境标准化工作，已发布多项与大气模型相关的国际标准和技术报告。其中，ISO14222《空间环境（自然和人造）——地球高层大气密度模型应用指南》和ISO27852《航天系统——在轨寿命评估流程与方法》等标准为大气模型的应用提供了方法框架。此外，COSPAR（国际空间研究委员会）定期发布国际参考大气（CIRA），作为空间科学领域广泛使用的参考数据源。国际上大气模型相关标准呈现以下发展趋势：一是从单一模型推荐向多模型兼容与比选框架转变；二是注重模型不确定度的量化描述；三是强调模型接口数据格式的标准化。这为国内相应标准的编制提供了有益参考。2.2国内标准化现状与不足我国在空间环境标准化领域已发布若干国家标准和军用标准，如GB/T34513-2017《空间环境术语》、GB/T35195-2017《空间环境（自然和人造）——地磁模型应用指南》等，但专门针对大气模型的系统性标准尚属空白。已有的各行业标准或工程规范中虽然涉及大气模型的选用要求，但彼此之间存在模型推荐不统一、数据使用口径不一致、接口定义不协调等问题，在实际型号任务中容易造成数据比对的混乱和工程判据的偏差。尤为突出的是，当前各任务对"参考大气"和"标准大气"等术语的理解存在差异，模型选择缺乏明确的适用场景指引，导致同一工程问题在不同单位的设计分析中选用不同大气模型而得出不一致的结论，给型号协调和归零工作带来困扰。2.3标准编制的基础条件近年来，国内空间环境研究领域在以下方面取得了长足进展，为本标准的编制奠定了坚实基础：（1）国内科研院所在NRLMSISE-00、Jacchia-BAS等国际主流模型的引进消化和本地化应用方面积累了丰富的工程实践经验，对模型适用条件、参数敏感性及误差特征形成了系统性认识。（2）自主发展的中国参考大气模型（CRAM）已具备初步的建模能力和数据产品输出能力，相应的实测数据积累（如电离层探测、质谱仪原位测量等）不断完善。（3）国内已建立较为完善的空间环境监测网络和数据中心，具备了对大气模型进行校验和评估的实测数据条件。3技术内容概述3.1术语与分类GB/Z189-2026对"参考大气模型"与"标准大气模型"进行了明确区分和定义：参考大气模型指基于大量观测数据统计而建立的能够反映某一时段或空间范围内大气状态平均特征的模型，其目的在于为科学研究提供具有代表性的背景大气状态描述；标准大气模型则指经权威机构审定并推荐在工程设计中统一采用的大气模型，具有法规性或强制性应用属性。该区分明确了模型在工程应用中分别承担的角色和适用优先级，为型号设计选用提供了权威依据。标准对大气模型进行了系统分类。按照建模方法分为经验模型、半经验模型和理论模型；按照服务对象分为科学研究用模型和工程应用用模型；按照空间覆盖范围分为全球模型和区域模型。这种多维度分类方法赋予了标准广泛的适用性和灵活的扩展能力。3.2模型适用高度范围与输入输出参数大气模型按高度范围可分为中低层大气模型（约0~100km）和热层大气模型（约100km以上至数千公里）。GB/Z189-2026规定，地面至100km范围内优先推荐使用我国自行编制的国家标准大气（GB/T19236系列），以适应航空飞行器和临近空间飞行器的工程需求；100km以上至热层顶区域推荐使用MSIS系列模型或经评估验证的国内自主模型。标准对大气模型的输入参数体系给出了详细技术规定。基本输入参数包括：年份及天数、世界时或地方时、地理经度和纬度、太阳活动指数（F10.7cm射电流量和太阳黑子数）、地磁活动指数（如Ap、Kp指数等）。对于高精度应用场景，还可选用更精细的输入参数，包括3小时级Kp指数序列、太阳风速及行星际磁场南向分量等。这些参数的规定为工程应用提供了明确统一的输入接口规范。标准对大气模型的输出参数进行了分类规定。必备输出参数包括大气质量密度、大气温度、主要成分数密度（N₂、O₂、O、Ar、He、H等）；可选输出参数包括大气压力、声速、平均分子量及风场信息等。规定这一分类的意义在于，既保证了基本应用场景的通用性，又为有特殊需求的用户保留了灵活的扩展空间。3.3模型验证与精度要求GB/Z189-2026对大气模型的验证方法提出了规范性要求。标准采用的验证方法包括：基于卫星精密轨道确定反演的大气密度数据与模型预测值之间的比对分析；基于质谱仪和加速度计等原位探测数据的直接对比验证；以及基于长期历史轨道数据统计的模型误差评估。标准要求模型开发者明确给出模型在太阳活动高年和低年、地磁平静和扰动条件下的预期误差范围。3.4数据格式与交换规范为实现不同模型和数据产品的互操作性，GB/Z189-2026推荐了大气模型数据交换的格式框架，采用基于文本的通用格式，要求包含元数据描述（模型名称、版本号、发布时间、适用的太阳和地磁条件范围等），同时规范了大气密度、温度的坐标体系定义和单位使用方式，建议采用国际单位制（SI）并推荐了与常用工程单位之间的换算方法。4关键技术问题与研究4.1模型的适用性分析与不确定性标准编制过程中面临的难点之一是不同模型的适用性分析。由于高层大气受太阳活动和地磁活动的强烈影响，在剧烈空间天气事件期间，大气密度可在数小时内发生一个数量级以上的波动，模型预测的不确定性显著增大。GB/Z189-2026对此明确了在极端空间天气条件下模型预测结果仅供工程参考的限定意见，并建议在工程设计中预留足够的安全裕度。标准的正文中对各类模型在太阳活动高年与低年、地磁平静与扰动条件下的适用性进行了评述，这些内容为工程人员提供了宝贵参考。4.2自主模型发展与国际合作发展自主可控的大气模型是我国空间环境领域的重要战略方向。GB/Z189-2026的制定过程同步梳理了国内自主模型的发展现状和技术瓶颈，认识到当前的主要短板在于中低纬度区域实测数据的不足和长期连续观测数据的缺乏。标准在技术内容中为国内自主模型的接入预留了接口，鼓励在满足精度要求的前提下优先使用自主模型，这一制度安排体现了标准对促进自主创新的引导作用和技术前瞻性。5修订的企事业单位与标委会介绍GB/Z189-2026由全国宇航技术及其应用标准化技术委员会（SAC/TC425）提出并归口管理。SAC/TC425是国家标准化管理委员会批准设立的全国性专业标准化技术委员会，主要负责宇航技术及其应用领域的国家标准制修订工作。该技术委员会秘书处设在中国航天标准化研究所。在标准的起草过程中，中国航天科技集团有限公司下属的中国航天标准化研究所作为核心编制单位，承担了标准框架设计和技术内容编制的主要工作。该研究所是从事航天标准化与技术基础研究的专业机构，长期承担航天领域国家标准、国家军用标准和行业标准的编制与管理任务，在空间环境标准化研究方面积累深厚，参与了GB/T34513-2017《空间环境术语》等多项现行有效标准的编制。6标准实施应用前景6.1在航天工程中的应用GB/Z189-2026的实施将为我国航天器工程研制提供统一的大气模型选用依据，在型号方案论证阶段提升大气模型选择的合理性，为方案论证节约时间并减少重复计算。在轨道设计阶段，标准为寿命预估和陨落预报提供统一的计算输入规范，使不同单位之间的计算结果具有可比性和可追溯性。6.2在空间科学研究中的应用对空间科学研究而言，GB/Z189-2026有助于推动不同研究团队之间数据产品和模型结果的互认互用，提升科研数据的可比性。标准规范的模型验证和精度评估方法将促进国内自主模型的持续改进和升级，为模型开发者提供规范和引导，更为我国自主大气模型的工程化应用和迭代发展提供了明确的制度通道。7结论GB/Z189-2026《空间环境参考和标准大气模型》国家标准的发布实施填补了我国空间环境领域大气模型标准化工作的空白，是空间环境标准化体系建设的一项重要成果。该标准的发布体现了以下重要意义：第一，统一了术语定义和使用规范，消除了行业内对"参考大气"与"标准大气"理解不一致的问题，为工程设计、学术交流和标准化应用构建了统一的术语基础。第二，建立了从模型分类、输入输出规范、精度验收到数据格式的完整技术框架，为工程设计、科学研究及数据交换提供了一套系统完整且科学可行的规范体系。第三，为我国自主大气模型的培育和发展创造了有利的制度环境，对于推动空间环境领域自主创新生态的形成具有深远意义。随着航天活动的持续拓展和空间环境建模技术的不断进步，参考和标准大气模型的精细化程度和动态响应能力将进一步提升。未来，该标准将根据技术发展动态和应用需求变化及时修订更新，逐步完善空间环境标准体系，为我国从航天大国迈向航天强国提供坚实的标准化支撑。参考文献[1]ISO14222:Spaceenvironment(naturalandartificial)—Earthupperatmospheredensitymodelapplicationguide.ISO/TC20/SC14.[2]全国宇航技术及其应用标准化技术委员会.GB/T34513-2017空间环境术语[S].北京:中国标准出版社,2017.[3]COSPARInternationalReferenceAtmosphere(CIRA):2012.COSPAR,2012.[4]中华人民共和国国务院.深