“磁层-电离层-热层耦合”小卫星星座探测计划背景型号任务研究简介

刘勇 王赤 徐寄遥 李小玉 （中国科学院国家空间科学中心）

“磁层-电离层-热层耦合”小卫星星座探测计划背景型号任务研究简介

刘勇 王赤 徐寄遥 李小玉 （中国科学院国家空间科学中心）

磁层-电离层-热层耦合

2016年6月，中国科学院遴选出5个空间科学卫星项目，争取在2020年前后发射，“磁层-电离层-热层耦合”（MlT）小卫星星座探测计划就是其中之一。该计划对于深入理解空间天气的一些重要物理过程有着重要意义，与国际同领域的任务相比，他具有独特的切入点和创新思想。

1　引言

“磁层-电离层-热层耦合”小卫星星座探测计划是由2颗高轨“磁层星”和2颗低轨“电离层/热层星”组成星座，旨在探测研究磁层、电离层和热层之间的耦合关系，揭示太阳活动影响地球空间环境的机制和规律，进而促进对日地耦合系统的深入认识。

磁层-电离层-热层是等离子体与中性气体共存、彼此紧密耦合的复杂系统，是太阳剧烈活动引起灾害性空间天气的主要发生区域，对于人类航天活动的安全及导航/通信系统的正常运行有着重要影响。对该区域的探测研究蕴含着重大的科学意义，并具有重要的应用前景。

“磁层-电离层-热层耦合”小卫星星座探测计划是中国科学院空间科学战略性先导专项背景型号项目，是国际上首次将“磁层-电离层-热层”作为一个整体进行联合观测的卫星计划。该项目于2011年10月开题，在历时5年的背景型号研究期间，先后完成了前期调研、方案设计和关键技术攻关，目前顺利通过结题验收，进入到工程立项前的准备工作。

2　科学目标和探测需求

“磁层-电离层-热层耦合”小卫星星座探测计划的科学目标是：利用小卫星星座系统，对磁层-电离层-热层耦合的关键区域进行就位和遥感探测，研究电离层向磁层的上行粒子流的起源、加速机制和传输规律，认识电离层和热层的物质外流在磁层空间暴触发与演化过程中的重要作用，了解空间暴引起的电离层和热层全球性多尺度扰动特征，揭示磁层-电离层-热层系统相互作用的关键途径和变化规律。

研究表明，O+是电离层和磁层物质耦合和能量耦合的示踪剂。为了揭示O+上行的起源和加速机制，需要测量O+的能量和速度分布、电场、磁场强度和方向、极光分布，以及热层大气的密度、温度和风场。探测区域主要集中在极隙区，也就是地磁坐标系上磁足点纬度大于70°的区域。

磁层-电离层-热层的粒子分布

3　有效载荷配置和卫星平台方案

结合探测需求，“磁层-电离层-热层耦合”小卫星星座探测计划星座轨道参数见下表（其中，RE为地球半径）。

星座轨道设计参数

“磁层-电离层-热层耦合”小卫星星座探测计划星座轨道示意图

“磁层-电离层-热层耦合”小卫星星座探测计划有效载荷的配置方案

在轨飞行状态（左图为“磁层星”；右图为“电离层/热层星”）

“磁层-电离层-热层耦合”小卫星星座探测计划的有效载荷系统分为粒子探测分系统、电磁场探测分系统和成像遥感探测分系统，共计15台载荷分别搭载在“电离层/热层星”和“磁层星”上。

“磁层星”是自旋稳定卫星，自旋轴垂直于黄道面，总质量小于650kg，拟采用一箭一星发射。“电离层/热层星”是三轴稳定卫星，总质量小于500kg，计划一箭双星发射。

4　有效载荷研制进展

“磁层-电离层-热层耦合”小卫星星座探测计划在背景型号研究期间对8台有效载荷进行了关键技术攻关。目前，这些载荷都已经完成了关键技术攻关，研制了原理样机或关键部件，测试定标结果满足任务书要求。下面将对热等离子体分析仪等5台载荷进行重点介绍。

（1）热等离子体分析仪-离子分析器

热等离子体分析仪-离子分析器主要用来测量低能量端离子的能谱、方向，可以实现H+，He+和O+的分辨。原理样机设计上采用目前国际最先进、使用最广泛的探测方案：半球形静电分析器+基于碳膜的飞行时间系统，突破了大范围高分辨的扫描电压技术、超薄碳膜处理技术和超高加速电压技术3项关键技术，并在瑞士伯尔尼大学（University of Bern）完成了原理样机的定标工作。定标结果及其与国际上同类先进载荷的代表“星族”（C luster）计划的等离子体成分探测器（CODIF）载荷的比较如下表所示。

热等离子体分析仪-离子分析器技术指标及其与国际同类载荷比较

热等离子体分析仪-离子分析器技术指标已经达到国际同类载荷的先进水平，部分技术指标优于国际先进水平。定标结果获得瑞士伯尔尼大学、德国马克斯-普朗特研究所（MTI）以及罗马尼亚相关同行专家的认可。

热等离子体分析仪-离子分析器原理样机

瑞士伯尔尼大学定标试验

热等离子体分析仪-离子分析器原理样机的研制成功具有里程碑意义，不仅填补了我国相关领域空白，推动了国内离子成分探测、离子电荷态探测、X射线探测以及单光子成像探测的发展，必将在我国未来的深空探测中得到广泛的应用。

（2）中能粒子探测仪

中能粒子探测仪原理样机

定标试验现场

中能粒子探测仪的基本原理是采用多探头望远镜组合测量磁层中的沉降粒子，由3组探头和1个电子学箱组成。其中每组探头包括1个质子探头和1个电子探头，分别对质子和电子进行能谱测量。在原理样机研制过程中，课题组突破了抗干扰技术、多通道低噪声的信号采集技术和超薄挡光层和低噪声传感器的使用技术，载荷的探测能力（电子为50～400keV，质子为50～4000keV）达到国际上同类先进载荷的探测水平［如洛斯阿拉莫斯国家实验室卫星（LANL）的同步轨道粒子分析仪（SOPA）载荷探测范围：电子为50keV～1.5M eV，质子为50～400keV；太阳和日球层探测器（SOHO）卫星的LION载荷探测范围：电子为45～300keV，质子为45keV～6M eV］。

中能粒子探测仪是国内首台集中能电子和中能质子探测功能于一体的探测器，填补了国内空白，技术指标处于国际先进水平，在未来的科学卫星计划包括深空探测计划中都有着广泛的应用需求。

（3）数字磁强计

数字磁强计原理样机

定标试验照片

数字磁强计是在中国科学院国家空间科学中心已有的探测器基础上，采用希格玛-德尔它（∑-Δ）数字信号处理技术，实现超高精度矢量磁场的测量，同时在工程上实现轻量化、低功耗、高可靠性的新一代空间磁场探测载荷。

除了信号放大部分外，磁强计中模拟信号处理电路全部被数字处理算法所替代，传统磁强计中温度稳定性最差的滤波器、积分器以及移相器等全部被数字信号处理器所替代，并且集成到一片可编程门阵列（FPGA）中，可以从根本上消除上述部件所产生的噪声与漂移。随着集成度的大幅提高，磁强计的体积、质量和功耗也大幅降低。研制的数字磁强计在±65000nT量程下实现了低于0.011n T的测量噪声，质量小于1kg，功耗小于1.3W。

数字磁强计是空间探测载荷方向上的研究热点之一，美国和欧洲的下一代空间探测载荷磁强计基本上均采用了数字方案。本课题在国内首次实现了基于多比特A/D与多比特D/A的数字磁强计信号处理算法，具有优异的性能，仪器噪声、线性度等性能达到国际先进水平。同时与传统磁强计相比，体积、质量和功耗均可以降低50%以上，对于空间探测载荷意义重大。

（4）宽频等离子体波动分析器

宽频等离子体波动分析器主要用于对空间等离子体环境内从低频到高频的电磁场波动进行在轨分析的载荷，具备同步采样、波动幅值相位频谱分析，事件触发，加密采样等功能，是研究空间环境等离子体波动研究的有力工具。

由于等离子体波动的种类很多，从10Hz以内到几万赫兹，它们代表了等离子体内不同机制产生，携带不同能量的波动，对等离子体波动的探测研究将有助于理解空间环境内的能量传输以及粒子运动等深层次机制。由于覆盖频段较宽，采用完全采样在地面进行处理，存在采样数据量过大，无效和冗余数据过多的问题，因此国际上普遍采用的方法是进行在轨处理加工后下传。一些著名的研究磁场、电离层空间环境的卫星计划中，如“星族”（C luster II）计划，“忒弥斯”（THEM IS）计划等，都有类似的载荷进行长期的在轨电磁波动分析，并取得了大量科学成果。

宽频等离子体波动分析器原理样机

国内目前还没有专门针对宽频等离子体波动研究的科学探测任务，由于“磁层-电离层-热层耦合”小卫星星座探测计划的牵引，课题组在国内首次实现了在轨对电场、磁场波动进行同步采样，相关频谱分析的功能，突破多通道同步快速 FFT数字信号处理技术。课题组研制的宽频等离子体波动分析器不仅可以全方位地覆盖电离层、磁层不同区域可能的各种波动信号，还可以应用于未来在太阳风、磁层、电离层以及其他行星轨道空间环境的探测。

（5）气辉极光成像仪

气辉极光成像仪通过观测反演获得电离层的F层总电子含量、电子密度剖面，中性大气N2和O2温度、O/N2等重要的物质参量，探测目标具有弱信号、快速变化等特点，需要探测系统具有较高的灵敏度和低噪声以及快速响应的能力，此外，为了整机研制和调试方便，还要求探测器具备在大气环境下工作的能力。在背景型号期间，课题组完成了光学结构部件——二维成像探测器的研制。

气辉极光成像仪二维成像探测器

在研制过程中，课题组重点解决了CsI/MCP反射式阴极结构真空封装技术和快速响应、低噪声电子控制系统设计关键技术，在此基础上完成了探测器及其控制系统的研制、测试和定标。该成果将直接应用到真空紫外气辉极光成像仪研制中，未来将填补我国真空紫外气辉极光全球、高时空分辨率分布探测的空白。

5　创新点

“磁层-电离层-热层耦合”小卫星星座探测计划的创新点主要体现在以下几个方面：

1）首次利用星座对磁层-电离层-热层耦合关键区域的重要物理参数进行专门地、全面地和多高度观测，是首个以揭示磁层、电离层和热层物质外流的起源、加速机制、传输规律等为主要科学目标的空间科学星座探测计划。

2）轨道设计覆盖高、中、低3个高度的探测需求，星座卫星轨道周期比为特定倍数，并使得卫星有较多的时间在极区附近交汇，有利于对上行离子物理机制的研究。”磁层-电离层-热层耦合”小卫星星座探测计划轨道设计实现4颗卫星对磁层、电离层和热层进行同步的、协调的联合探测，是过去未有的，具有创新特色。

3）此卫星计划能够观测、研究宁静时和暴时电离层与等离子体层之间的耦合过程，这种观测是以前没有的。

4）该卫星计划将与其他卫星计划［“太阳风-磁层相互作用全景成像卫星”（SM ILE）计划］、地基观测（子午工程），以及磁层-电离层-热层耦合理论模式进行协作观测和研究，这将使得我们对这整个“磁层-电离层-热层耦合”系统的研究更加深入和完整。

5）该卫星计划将为我国自主的空间天气预报模式提供实测数据，为未来预报空间天气奠定坚实的基础。

6　结语

空间物理的探测已到了多点、多时空尺度的时代，也就是采用多颗小卫星组成星座对地球空间的复杂的物理过程进行协同观测。在美国航空航天局（NASA）发布的未来十年发展规划中，明确提出了将磁层-电离层-热层耦合物理机制的研究和地球磁层对太阳风驱动的响应机制作为未来重点研究方向。“磁层-电离层-热层耦合”小卫星星座探测计划作为首个针对磁层-电离层-热层耦合机制进行探测的小卫星星座计划，其科学目标和科学问题瞄准空间物理领域的热点和前沿，任务目标明确，轨道设计新颖，技术方案成熟，整体风险可控。

目前，以地球磁层对太阳风驱动的响应机制作为主要科学目标的“太阳风-磁层相互作用全景成像卫星”计划已经由中国科学院和欧洲航天局批准立项。“磁层-电离层-热层耦合”小卫星星座探测计划与“太阳风-磁层相互作用全景成像卫星”计划、子午工程的科学目标环环相扣、互为补充，构成一个完整的空间天气因果链探测体系。因此“磁层-电离层-热层耦合”小卫星星座探测计划的批准立项，必将与“太阳风-磁层相互作用全景成像卫星”计划、子午工程一道，极大地激励相关学科发展，提高我国在基础科学领域的研究层次，增强我国日益频繁的空间活动保障能力和空间灾害性天气的预警预报水平，对提高人类在空间天气领域的认知水平具有深远影响。

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