劉勇 王赤 徐寄遙 李小玉 （中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心）

“磁層-電離層-熱層耦合”小衛(wèi)星星座探測計劃背景型號任務(wù)研究簡介

劉勇 王赤 徐寄遙 李小玉 （中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心）

磁層-電離層-熱層耦合

2016年6月，中國科學(xué)院遴選出5個空間科學(xué)衛(wèi)星項目，爭取在2020年前后發(fā)射，“磁層-電離層-熱層耦合”（MlT）小衛(wèi)星星座探測計劃就是其中之一。該計劃對于深入理解空間天氣的一些重要物理過程有著重要意義，與國際同領(lǐng)域的任務(wù)相比，他具有獨(dú)特的切入點(diǎn)和創(chuàng)新思想。

1　引言

“磁層-電離層-熱層耦合”小衛(wèi)星星座探測計劃是由2顆高軌“磁層星”和2顆低軌“電離層/熱層星”組成星座，旨在探測研究磁層、電離層和熱層之間的耦合關(guān)系，揭示太陽活動影響地球空間環(huán)境的機(jī)制和規(guī)律，進(jìn)而促進(jìn)對日地耦合系統(tǒng)的深入認(rèn)識。

磁層-電離層-熱層是等離子體與中性氣體共存、彼此緊密耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，是太陽劇烈活動引起災(zāi)害性空間天氣的主要發(fā)生區(qū)域，對于人類航天活動的安全及導(dǎo)航/通信系統(tǒng)的正常運(yùn)行有著重要影響。對該區(qū)域的探測研究蘊(yùn)含著重大的科學(xué)意義，并具有重要的應(yīng)用前景。

“磁層-電離層-熱層耦合”小衛(wèi)星星座探測計劃是中國科學(xué)院空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項背景型號項目，是國際上首次將“磁層-電離層-熱層”作為一個整體進(jìn)行聯(lián)合觀測的衛(wèi)星計劃。該項目于2011年10月開題，在歷時5年的背景型號研究期間，先后完成了前期調(diào)研、方案設(shè)計和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，目前順利通過結(jié)題驗(yàn)收，進(jìn)入到工程立項前的準(zhǔn)備工作。

2　科學(xué)目標(biāo)和探測需求

“磁層-電離層-熱層耦合”小衛(wèi)星星座探測計劃的科學(xué)目標(biāo)是：利用小衛(wèi)星星座系統(tǒng)，對磁層-電離層-熱層耦合的關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行就位和遙感探測，研究電離層向磁層的上行粒子流的起源、加速機(jī)制和傳輸規(guī)律，認(rèn)識電離層和熱層的物質(zhì)外流在磁層空間暴觸發(fā)與演化過程中的重要作用，了解空間暴引起的電離層和熱層全球性多尺度擾動特征，揭示磁層-電離層-熱層系統(tǒng)相互作用的關(guān)鍵途徑和變化規(guī)律。

研究表明，O+是電離層和磁層物質(zhì)耦合和能量耦合的示蹤劑。為了揭示O+上行的起源和加速機(jī)制，需要測量O+的能量和速度分布、電場、磁場強(qiáng)度和方向、極光分布，以及熱層大氣的密度、溫度和風(fēng)場。探測區(qū)域主要集中在極隙區(qū)，也就是地磁坐標(biāo)系上磁足點(diǎn)緯度大于70°的區(qū)域。

磁層-電離層-熱層的粒子分布

3　有效載荷配置和衛(wèi)星平臺方案

結(jié)合探測需求，“磁層-電離層-熱層耦合”小衛(wèi)星星座探測計劃星座軌道參數(shù)見下表（其中，RE為地球半徑）。

星座軌道設(shè)計參數(shù)

“磁層-電離層-熱層耦合”小衛(wèi)星星座探測計劃星座軌道示意圖

“磁層-電離層-熱層耦合”小衛(wèi)星星座探測計劃有效載荷的配置方案

在軌飛行狀態(tài)（左圖為“磁層星”；右圖為“電離層/熱層星”）

“磁層-電離層-熱層耦合”小衛(wèi)星星座探測計劃的有效載荷系統(tǒng)分為粒子探測分系統(tǒng)、電磁場探測分系統(tǒng)和成像遙感探測分系統(tǒng)，共計15臺載荷分別搭載在“電離層/熱層星”和“磁層星”上。

“磁層星”是自旋穩(wěn)定衛(wèi)星，自旋軸垂直于黃道面，總質(zhì)量小于650kg，擬采用一箭一星發(fā)射。“電離層/熱層星”是三軸穩(wěn)定衛(wèi)星，總質(zhì)量小于500kg，計劃一箭雙星發(fā)射。

4　有效載荷研制進(jìn)展

“磁層-電離層-熱層耦合”小衛(wèi)星星座探測計劃在背景型號研究期間對8臺有效載荷進(jìn)行了關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)。目前，這些載荷都已經(jīng)完成了關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，研制了原理樣機(jī)或關(guān)鍵部件，測試定標(biāo)結(jié)果滿足任務(wù)書要求。下面將對熱等離子體分析儀等5臺載荷進(jìn)行重點(diǎn)介紹。

（1）熱等離子體分析儀-離子分析器

熱等離子體分析儀-離子分析器主要用來測量低能量端離子的能譜、方向，可以實(shí)現(xiàn)H+，He+和O+的分辨。原理樣機(jī)設(shè)計上采用目前國際最先進(jìn)、使用最廣泛的探測方案：半球形靜電分析器+基于碳膜的飛行時間系統(tǒng)，突破了大范圍高分辨的掃描電壓技術(shù)、超薄碳膜處理技術(shù)和超高加速電壓技術(shù)3項關(guān)鍵技術(shù)，并在瑞士伯爾尼大學(xué)（University of Bern）完成了原理樣機(jī)的定標(biāo)工作。定標(biāo)結(jié)果及其與國際上同類先進(jìn)載荷的代表“星族”（C luster）計劃的等離子體成分探測器（CODIF）載荷的比較如下表所示。

熱等離子體分析儀-離子分析器技術(shù)指標(biāo)及其與國際同類載荷比較

熱等離子體分析儀-離子分析器技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到國際同類載荷的先進(jìn)水平，部分技術(shù)指標(biāo)優(yōu)于國際先進(jìn)水平。定標(biāo)結(jié)果獲得瑞士伯爾尼大學(xué)、德國馬克斯-普朗特研究所（MTI）以及羅馬尼亞相關(guān)同行專家的認(rèn)可。

熱等離子體分析儀-離子分析器原理樣機(jī)

瑞士伯爾尼大學(xué)定標(biāo)試驗(yàn)

熱等離子體分析儀-離子分析器原理樣機(jī)的研制成功具有里程碑意義，不僅填補(bǔ)了我國相關(guān)領(lǐng)域空白，推動了國內(nèi)離子成分探測、離子電荷態(tài)探測、X射線探測以及單光子成像探測的發(fā)展，必將在我國未來的深空探測中得到廣泛的應(yīng)用。

（2）中能粒子探測儀

中能粒子探測儀原理樣機(jī)

定標(biāo)試驗(yàn)現(xiàn)場

中能粒子探測儀的基本原理是采用多探頭望遠(yuǎn)鏡組合測量磁層中的沉降粒子，由3組探頭和1個電子學(xué)箱組成。其中每組探頭包括1個質(zhì)子探頭和1個電子探頭，分別對質(zhì)子和電子進(jìn)行能譜測量。在原理樣機(jī)研制過程中，課題組突破了抗干擾技術(shù)、多通道低噪聲的信號采集技術(shù)和超薄擋光層和低噪聲傳感器的使用技術(shù)，載荷的探測能力（電子為50～400keV，質(zhì)子為50～4000keV）達(dá)到國際上同類先進(jìn)載荷的探測水平［如洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室衛(wèi)星（LANL）的同步軌道粒子分析儀（SOPA）載荷探測范圍：電子為50keV～1.5M eV，質(zhì)子為50～400keV；太陽和日球?qū)犹綔y器（SOHO）衛(wèi)星的LION載荷探測范圍：電子為45～300keV，質(zhì)子為45keV～6M eV］。

中能粒子探測儀是國內(nèi)首臺集中能電子和中能質(zhì)子探測功能于一體的探測器，填補(bǔ)了國內(nèi)空白，技術(shù)指標(biāo)處于國際先進(jìn)水平，在未來的科學(xué)衛(wèi)星計劃包括深空探測計劃中都有著廣泛的應(yīng)用需求。

（3）數(shù)字磁強(qiáng)計

數(shù)字磁強(qiáng)計原理樣機(jī)

定標(biāo)試驗(yàn)照片

數(shù)字磁強(qiáng)計是在中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心已有的探測器基礎(chǔ)上，采用希格瑪-德爾它（∑-Δ）數(shù)字信號處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)超高精度矢量磁場的測量，同時在工程上實(shí)現(xiàn)輕量化、低功耗、高可靠性的新一代空間磁場探測載荷。

除了信號放大部分外，磁強(qiáng)計中模擬信號處理電路全部被數(shù)字處理算法所替代，傳統(tǒng)磁強(qiáng)計中溫度穩(wěn)定性最差的濾波器、積分器以及移相器等全部被數(shù)字信號處理器所替代，并且集成到一片可編程門陣列（FPGA）中，可以從根本上消除上述部件所產(chǎn)生的噪聲與漂移。隨著集成度的大幅提高，磁強(qiáng)計的體積、質(zhì)量和功耗也大幅降低。研制的數(shù)字磁強(qiáng)計在±65000nT量程下實(shí)現(xiàn)了低于0.011n T的測量噪聲，質(zhì)量小于1kg，功耗小于1.3W。

數(shù)字磁強(qiáng)計是空間探測載荷方向上的研究熱點(diǎn)之一，美國和歐洲的下一代空間探測載荷磁強(qiáng)計基本上均采用了數(shù)字方案。本課題在國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了基于多比特A/D與多比特D/A的數(shù)字磁強(qiáng)計信號處理算法，具有優(yōu)異的性能，儀器噪聲、線性度等性能達(dá)到國際先進(jìn)水平。同時與傳統(tǒng)磁強(qiáng)計相比，體積、質(zhì)量和功耗均可以降低50%以上，對于空間探測載荷意義重大。

（4）寬頻等離子體波動分析器

寬頻等離子體波動分析器主要用于對空間等離子體環(huán)境內(nèi)從低頻到高頻的電磁場波動進(jìn)行在軌分析的載荷，具備同步采樣、波動幅值相位頻譜分析，事件觸發(fā)，加密采樣等功能，是研究空間環(huán)境等離子體波動研究的有力工具。

由于等離子體波動的種類很多，從10Hz以內(nèi)到幾萬赫茲，它們代表了等離子體內(nèi)不同機(jī)制產(chǎn)生，攜帶不同能量的波動，對等離子體波動的探測研究將有助于理解空間環(huán)境內(nèi)的能量傳輸以及粒子運(yùn)動等深層次機(jī)制。由于覆蓋頻段較寬，采用完全采樣在地面進(jìn)行處理，存在采樣數(shù)據(jù)量過大，無效和冗余數(shù)據(jù)過多的問題，因此國際上普遍采用的方法是進(jìn)行在軌處理加工后下傳。一些著名的研究磁場、電離層空間環(huán)境的衛(wèi)星計劃中，如“星族”（C luster II）計劃，“忒彌斯”（THEM IS）計劃等，都有類似的載荷進(jìn)行長期的在軌電磁波動分析，并取得了大量科學(xué)成果。

寬頻等離子體波動分析器原理樣機(jī)

國內(nèi)目前還沒有專門針對寬頻等離子體波動研究的科學(xué)探測任務(wù)，由于“磁層-電離層-熱層耦合”小衛(wèi)星星座探測計劃的牽引，課題組在國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了在軌對電場、磁場波動進(jìn)行同步采樣，相關(guān)頻譜分析的功能，突破多通道同步快速 FFT數(shù)字信號處理技術(shù)。課題組研制的寬頻等離子體波動分析器不僅可以全方位地覆蓋電離層、磁層不同區(qū)域可能的各種波動信號，還可以應(yīng)用于未來在太陽風(fēng)、磁層、電離層以及其他行星軌道空間環(huán)境的探測。

（5）氣輝極光成像儀

氣輝極光成像儀通過觀測反演獲得電離層的F層總電子含量、電子密度剖面，中性大氣N2和O2溫度、O/N2等重要的物質(zhì)參量，探測目標(biāo)具有弱信號、快速變化等特點(diǎn)，需要探測系統(tǒng)具有較高的靈敏度和低噪聲以及快速響應(yīng)的能力，此外，為了整機(jī)研制和調(diào)試方便，還要求探測器具備在大氣環(huán)境下工作的能力。在背景型號期間，課題組完成了光學(xué)結(jié)構(gòu)部件——二維成像探測器的研制。

氣輝極光成像儀二維成像探測器

在研制過程中，課題組重點(diǎn)解決了CsI/MCP反射式陰極結(jié)構(gòu)真空封裝技術(shù)和快速響應(yīng)、低噪聲電子控制系統(tǒng)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)，在此基礎(chǔ)上完成了探測器及其控制系統(tǒng)的研制、測試和定標(biāo)。該成果將直接應(yīng)用到真空紫外氣輝極光成像儀研制中，未來將填補(bǔ)我國真空紫外氣輝極光全球、高時空分辨率分布探測的空白。

5　創(chuàng)新點(diǎn)

“磁層-電離層-熱層耦合”小衛(wèi)星星座探測計劃的創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1）首次利用星座對磁層-電離層-熱層耦合關(guān)鍵區(qū)域的重要物理參數(shù)進(jìn)行專門地、全面地和多高度觀測，是首個以揭示磁層、電離層和熱層物質(zhì)外流的起源、加速機(jī)制、傳輸規(guī)律等為主要科學(xué)目標(biāo)的空間科學(xué)星座探測計劃。

2）軌道設(shè)計覆蓋高、中、低3個高度的探測需求，星座衛(wèi)星軌道周期比為特定倍數(shù)，并使得衛(wèi)星有較多的時間在極區(qū)附近交匯，有利于對上行離子物理機(jī)制的研究。”磁層-電離層-熱層耦合”小衛(wèi)星星座探測計劃軌道設(shè)計實(shí)現(xiàn)4顆衛(wèi)星對磁層、電離層和熱層進(jìn)行同步的、協(xié)調(diào)的聯(lián)合探測，是過去未有的，具有創(chuàng)新特色。

3）此衛(wèi)星計劃能夠觀測、研究寧靜時和暴時電離層與等離子體層之間的耦合過程，這種觀測是以前沒有的。

4）該衛(wèi)星計劃將與其他衛(wèi)星計劃［“太陽風(fēng)-磁層相互作用全景成像衛(wèi)星”（SM ILE）計劃］、地基觀測（子午工程），以及磁層-電離層-熱層耦合理論模式進(jìn)行協(xié)作觀測和研究，這將使得我們對這整個“磁層-電離層-熱層耦合”系統(tǒng)的研究更加深入和完整。

5）該衛(wèi)星計劃將為我國自主的空間天氣預(yù)報模式提供實(shí)測數(shù)據(jù)，為未來預(yù)報空間天氣奠定堅實(shí)的基礎(chǔ)。

6　結(jié)語

空間物理的探測已到了多點(diǎn)、多時空尺度的時代，也就是采用多顆小衛(wèi)星組成星座對地球空間的復(fù)雜的物理過程進(jìn)行協(xié)同觀測。在美國航空航天局（NASA）發(fā)布的未來十年發(fā)展規(guī)劃中，明確提出了將磁層-電離層-熱層耦合物理機(jī)制的研究和地球磁層對太陽風(fēng)驅(qū)動的響應(yīng)機(jī)制作為未來重點(diǎn)研究方向?！按艑?電離層-熱層耦合”小衛(wèi)星星座探測計劃作為首個針對磁層-電離層-熱層耦合機(jī)制進(jìn)行探測的小衛(wèi)星星座計劃，其科學(xué)目標(biāo)和科學(xué)問題瞄準(zhǔn)空間物理領(lǐng)域的熱點(diǎn)和前沿，任務(wù)目標(biāo)明確，軌道設(shè)計新穎，技術(shù)方案成熟，整體風(fēng)險可控。

目前，以地球磁層對太陽風(fēng)驅(qū)動的響應(yīng)機(jī)制作為主要科學(xué)目標(biāo)的“太陽風(fēng)-磁層相互作用全景成像衛(wèi)星”計劃已經(jīng)由中國科學(xué)院和歐洲航天局批準(zhǔn)立項。“磁層-電離層-熱層耦合”小衛(wèi)星星座探測計劃與“太陽風(fēng)-磁層相互作用全景成像衛(wèi)星”計劃、子午工程的科學(xué)目標(biāo)環(huán)環(huán)相扣、互為補(bǔ)充，構(gòu)成一個完整的空間天氣因果鏈探測體系。因此“磁層-電離層-熱層耦合”小衛(wèi)星星座探測計劃的批準(zhǔn)立項，必將與“太陽風(fēng)-磁層相互作用全景成像衛(wèi)星”計劃、子午工程一道，極大地激勵相關(guān)學(xué)科發(fā)展，提高我國在基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域的研究層次，增強(qiáng)我國日益頻繁的空間活動保障能力和空間災(zāi)害性天氣的預(yù)警預(yù)報水平，對提高人類在空間天氣領(lǐng)域的認(rèn)知水平具有深遠(yuǎn)影響。

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