美国成功发射新型深空太阳风监测卫星

龚燃（北京空间科技信息研究所）

2015年2月11日， “深空气候观测台”（DSCOVR）卫星由太空探索技术公司（SpaceX）的猎鹰－9（Falcon－9）火箭送入太空，该卫星将飞行110天抵达距离地球约1.5×106km的利萨如轨道，成为首个位于地日拉格朗日1点（L1）的观测任务。据美国海洋和大气管理局（NOAA）网站2月24日报道，在发射后的12天，“深空气候观测台”卫星已飞行了一半旅程。

1 发展背景

“深空气候观测台”原名“特里亚纳”（Triana），于1998年由前美国副总统阿尔戈尔（Al Gore）提出。“特里亚纳”任务的目标是在地球和太阳之间的L1点观测地球，即从距离地球150万公里的外太空持续观测地球的阳光。“特里亚纳”这个名称源自1942年哥伦布航行中发现北美新大陆的瞭望员罗德里戈·德·特里亚纳（Rodrigo de Triana）。

“特里亚纳”任务研制历时21个月，于2000年建造完成，原计划2002年早期利用航天飞机发射。2001年1月，该任务在美国航空航天局（NASA）的航天飞机发射清单中取消了，官方的说法是需要优先建造和发射长期搁置和超过预算的“国际空间站”。2001年11月，国会批准了100万美元，将“特里亚纳”卫星封存在戈达德航天中心的净化室。2003年，美国航空航天局将“特里亚纳”更名为“深空气候观测台”。

任务分工

“深空气候观测台”卫星概念图

“深空气候观测台”卫星标志

2 任务目标

“深空气候观测台”任务由美国海洋和大气管理局、美国航空航天局和美国空军共同实施，主要任务是观测空间气象。科学目标包括：

·在太阳和地球中间的拉格朗日点L1对太阳风（np, vp, tp）进行测量，监测太阳活动；

·通过等离子体探测器和磁强计观测太阳风情况，提前1-3天预警地磁暴强度；

·接替老化的“先进成分探测器”（ACE）卫星（1997年发射，预计2024年退役），保持太阳风测量数据的连续性；

·通过国际实时太阳风网络（RTSWnet）下行传输。

3 卫星介绍

“深空气候观测台”卫星发射质量约750kg，采用斯威尔斯宇航公司（Swales）研制的SMEX-Lite平台，平台尺寸为137cm×187cm。卫星设计寿命5年。它携带了地球彩色成像相机、国家标准与技术研究所先进辐射计等有效载荷，这些载荷均指向地球，可对地球的整个阳光面进行持续观测，改进当前的地球辐射收支估算误差。

“深空气候观测台”结构图

地球彩色成像相机仪器系统图

地球彩色成像相机

地球彩色成像相机由美国圣地亚哥加州大学（USCD）斯克里普斯海洋研究所（SIO）负责管理，洛克希德马丁公司的先进技术中心（LMATC）负责建造。目标是测量臭氧总量、气溶胶总量、云高与相态、热点区域土地性质以及地球表面紫外辐射。地球彩色成像相机能保持散射角在165°～178°之间，指向地球整个面向阳光的部位。地球彩色成像相机的通道在紫外区域与臭氧总量成像光谱仪（TOMS）接近，在可见光范围内与中分辨率成像光谱仪（MODIS）接近，因此，其数据产品也非常类似，可直接进行比较。

以标准化后的数据Nij为随机变量，在计算各个随机变量均方差的基础上进行归一化处理，其结果即为各指标的权系数，计算步骤如下：

地球彩色成像相机数据产品

国家标准与技术研究所先进辐射计仪器测试图

国家标准与技术研究所先进辐射计仪器侧面图

国家标准与技术研究所先进辐射计仪器俯视图

左图为等离子体磁强计电子静电分析仪，右图为等离子体磁强计法拉第帽

地球彩色成像相机仪器系统包括地球彩色成像相机仪器、机械电子箱（MEB）和地球彩色成像相机计算机（EC），总质量63.2kg。地球彩色成像相机望远镜由美国SSG公司研制，为反射里奇克莱琴望远镜，口径30.5cm，f数9.38，视场（FOV）0.61°，角采样分辨率1.07arcsec。位于L1点时，地球整个幅宽将在0.45°～ 0.53°之间。

国家标准与技术研究所先进辐射计

国家标准与技术研究所先进辐射计由马里兰州盖瑟斯堡国家标准与技术研究所（NIST）与鲍尔宇航技术公司联合设计开发。目标是高精度（0.1%）测量地球光照面的反射和辐射能量，探测地球辐射收支的变化，更好地理解因人类活动及自然现象导致的地球辐射收支的变化效应。

国家标准与技术研究所先进辐射计仪器由4个探测器组成：3个主动空腔电子替代辐射计和1个硅光电二极管通道，用于测量卫星方向接收的“总地球反射与辐射能量”。

国家标准与技术研究所先进辐射计分四个谱段范围：

1）紫外至远红外（0.2～100μm），用于测量紫外、可见光和红外谱段的总辐射能量。

2）太阳光（0.2～4μm），用于测量紫外、可见光和近红外谱段的反射太阳辐射量。

3）近红外（(0.7～4μm），用于测量反射红外太阳辐射量。

4）光敏二极管（0.3～1.1μm），用于监测辐射计滤波元件。

脉冲高度分析仪仪器

国家标准与技术研究所先进辐射计视场为1°，能对整个地球圆盘进行成像。由于“深空气候观测台”位于L1点，因此比起地球轨道，观测时间会更长，其预计辐射测量精度为0.1%～0.2%，这是当前地球轨道卫星数据测量精度的10倍。同样，国家标准与技术研究所先进辐射计将提供任何地球轨道卫星无法获取的重要缺失数据。

等离子体磁强计仪器组件

等离子体磁强计（PlasMag）仪器组件为综合性科学与空间气象程序包，包含磁通门矢量磁强计、法拉第杯太阳风正离子探测器和顶帽式电子静电分析仪。该仪器可实时进行高时间分辨率测量，为下一代上游太阳风监测器的代表，可保持国际监测平台－8（IMP－8）,“风”（WIND）,“太阳与日球层观测台”（SOHO）和“先进成分探测器”（ACE）等卫星太阳风测量数据的连续性。

脉冲高度分析仪

脉冲高度分析仪（PHA）的目标是监测卫星电子仪器上高能量离子的影响。

脉冲高度分析仪为小型、低功率、高线性能量转移辐射光谱仪（HiLRS），用于评估空间环境微电子仪器的单一时间效应（SEU）。

脉冲高度分析仪可对飞行中的电离离子能量、电荷和质量进行连续测量。

4 地面系统

美国海洋和大气管理局系统开发办公室（NOAA-OSD）地面系统部（GSD）负责卫星地面系统和支持设施的技术与工程咨询。地面系统部提供从卫星和仪器指令到获取原始卫星数据遥测数据流，以及最终处理和分发交付图像和数据产品全过程。

地面系统部任务包括：

·提供卫星地面系统设计专业技术，尤其是在遥测与指令、仪器数据处理、图像现实与分析、产品生成、数据存档、通信以及相关地面仪器、基础设施和设备；

·计划地面系统活动，包括从“研究至运行”和国际卫星任务引进重要新服务和产品；

·评估新技术以满足当前和未来地面系统需求，从原始数据获取到数据产品分发；

·引领地面系统开发，包括说明、采购、安装和测试系统规划和活动旗舰所需的硬件和软件系统；

·直接同国家海洋和大气管理局-卫星和产品运行办公室（NOAA-OSPO）、国家海洋和大气管理局-系统运行办公室（NOAA-OSO）、美国航空航天局和其他机构协同工作，确保未来卫星同当前与未来地面系统的兼容性；

·支持卫星和产品运行办公室和卫星应用与研究中心（STAR），实现信息技术更新和项目扩展。