日本“荒濑”地球空间能量和辐射探测卫星入轨

王存恩 （北京空间科技信息研究所）

日本“荒濑”地球空间能量和辐射探测卫星入轨

Japan's ERG Satellite Entered Orbit

王存恩 （北京空间科技信息研究所）

2016年12月20日，日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）在鹿儿岛县的内之浦宇宙空间观测所成功发射了小型运载火箭“艾普斯龙”（Epsilon），将1颗“荒濑”地球空间能量和辐射探测（ERG）卫星送入预定轨道。

1 引言

“荒濑”是一颗执行地球空间能量和辐射探测任务的小型科学卫星。该卫星由日本宇宙航空研究开发机构负责设计，以日本电气公司（NEC）为主要承包商，用于对范艾伦辐射带进行高精度综合观测。

范艾伦辐射带是环绕地球的高能粒子辐射带，在地球附近呈甜甜圈状分布。受太空环境的干扰，在范艾伦带的中心部位存在一个变化极其明显的极宽能带—10eV～20MeV，横跨6个量级。卫星将穿过范艾伦辐射带，观测其电子和电磁场的变化，并调查构成辐射带的高能电子产生的原因和过程等，探测环绕地球的强辐射带之谜。此外，由于辐射带还会导致人造卫星故障，观测结果将有助于解决这一问题，并为进一步的深空探测和航天员的辐射对策研究提供依据。

日本宇宙航空研究开发机构与北海道大学、东北大学、东北工业大学、东京工业大学、国立极地研究所、情报通信研究机构等国内外30多所大学和研究机构的近100名研究人员参加了这颗卫星有效载荷仪器的研制。为推进该卫星的应用，日本宇宙航空研究开发机构和名古屋大学成立了卫星科学中心，专门负责发布获取的公开科学数据，以及所需软件的开发。

2 研制目的与意义

研制目的

研制并发射“荒濑”卫星的核心目的是搞清楚3个问题：①高能电子急剧增加究竟是外部提供能量还是内部加速所致；②等离子体波动产生高能电子的过程；③在范艾伦带生成高能电子的原因与消失过程。

在设计上，该卫星采用高水平的电磁相容性设计，确保星载元器件、仪器和设备经受住苛刻的强辐射考验，同时有效利用星上所能提供的有限资源，确保其在设计寿命内的高可靠性。

研制意义

（1）科学意义

“荒濑”卫星将在长达1年的时间内对范艾伦带进行高精度的综合观测，获取大量珍贵的科学数据，弄清构成辐射带的高能电子产生的原因和机制，以及对太阳活动的影响，分析地球空间宇宙风的生成和发展过程，解开宇宙风是怎样使位于范艾伦带的功能电子加速之谜。

（2）技术意义

通过“荒濑”卫星的开发及其在轨设计应用，进一步验证标准小卫星公用平台设计的合理性，确认有效载荷仪器的先进性，以及发射该卫星用的强化型“艾普斯龙”火箭的性能和功能，以满足后续任务需求。

3 卫星概况

“荒濑”卫星发射质量约350kg，采用“改进型标准小卫星公用平台”（SPRINT－B），由机构、热控、数据处理、通信、电源、姿态控制、推进等7个分系统组成，同时配置双对称式的太阳电池翼以确保提供所需电能。卫星的控制采用自旋稳定方式，自旋速率为7.5r/min，自旋周期为8s，标称姿态控制精度优于1′。

“荒濑”卫星性能指标

4 有效载荷

“荒濑”卫星搭载了9种观测仪器，包括6种等离子体粒子观测仪器（PPE），以及磁场观测仪（MGF）、等离子波动和电场观测仪（PWE）和观测波动粒子相互作用的软件型分析仪（S-WPIA）3种科学观测仪器。

等离子体粒子观测仪器

卫星上共搭载了6种等离子体粒子观测仪器，包括4种电子测量仪器和2种离子测量仪器。4种电子测量仪器分别是低能电子分析仪（LEP-e）、中能电子分析仪（MEP-e）、高能电子分析仪（HEP）和超高能电子分析仪（XEP）；2种离子测量仪器分别是低能离子质量分析仪（LEP-i）和中能离子质量分析仪（MEP-i）。由于卫星采用自旋稳定方式，上述观测仪器在每个自旋周期内均能精确地对准观测对象，集中采集到所需的各种粒子信息。

受范艾伦带高能粒子的影响，要测量到范艾伦带中数十千电子伏特以下的低能粒子相当困难。卫星采用了一种加屏蔽的办法，在降低范艾伦带中高能粒子影响的同时，确保仪器对范艾伦带中数十千电子伏特以下低能粒子的全部观测。

低能离子质量分析仪和中能离子质量分析仪是对离子能量和质量进行分析用的仪器。卫星采用飞行时间分析法（TOF），既可有效减轻因受高能粒子影响产生的噪声，又能同时对若干种离子进行测量。目前，该卫星已经实现了对直到180keV/q离子的全立体角方向的测量。

磁场观测仪

卫星搭载的磁场观测仪与“水星磁层轨道器”（MMO）的磁场观测器（MGF-I）性能和功能相近。在后者开发经验的基础上，“荒濑”卫星采用验证后的一体化民用器件，不仅大幅降低了开发成本，还保证技术的先进性和产品质量的可靠性，使对辐射带的各项观测达到精准化。此外，为降低噪声对获取观测数据的影响，卫星本体前端还配置了长达5m、入轨后展开的伸展杆。

等离子体波动和电场观测仪

等离子体波动和电场观测仪由电场观测敏感器（PWE-WPT，即线性天线）、磁场观测敏感器（PWE-MSC，即跟踪线圈）和观测电子线路（PWE-E）3部分组成。其观测对象为：不随时间变化而变化的电场、最高以10MHz频率振动的等离子体波动电场，以及从几赫兹到100kHz的等离子体波动磁场。其中，两种电场观测敏感器均用于观测电场成分，两端之间各配有一对长度约32m的短波、超短波用两极线性天线；磁场观测敏感器实际上是一种3轴跟踪线圈，用于观测磁场成分。

利用上述电场观测敏感器和观测电子线路，不仅可以获取电场和磁场数据，还可以确定分布在空间的电场、等离子体波动的传递方向和能量的传输方向等信息。此外，在观测等离子体波动的同时，还可确定卫星周边的等离子体密度。最后将以上信息传送给观测波动粒子相互作用的软件型分析仪，用于调查波动粒子间的能量转换。

观测波动粒子相互作用的软件型分析仪

观测波动粒子相互作用的软件型分析仪是最新研制的一种仪器，通过观测波动粒子间的相互作用，得出等离子体（电子）与等离子体波动之间能量交换过程。

根据卫星搭载的粒子测量仪（中能电子分析仪、高能电子分析仪和超高能电子分析仪）检测出的电子与等离子体波动，以及电场观测仪检测出的等离子体波动，分析仪可以直接计算出它们之间的相对相位关系—这是世界上首台具备观测波动粒子相互作用功能的分析仪。利用该分析仪进行测量，可以定量地识别出产生等离子体波动的电子，以及等离子体波动后产生能量的电子，进而了解太空中因波动粒子的相互作用导致的能量变换。

毛凌野/本文编辑