“太阳风-磁层相互作用全景成像”卫星任务概况

王赤 李自杰 孙天然 刘子谦 刘佳 吴琼 郑建华 李靖

（1 中国科学院国家空间科学中心，2 中国科学院重大科技任务局）

“太阳风-磁层相互作用全景成像”卫星任务概况

SMILE Satellite Mission Survey

王赤1李自杰2孙天然1刘子谦1刘佳1吴琼1郑建华1李靖1

（1 中国科学院国家空间科学中心，2 中国科学院重大科技任务局）

空间物理学是伴随着空间技术的发展而兴起的一门多学科交叉的前沿基础学科，主要研究日地空间的物理现象，其中，日地耦合问题是目前世界各国空间科学研究的核心问题之一。

2014年，中国科学院（CAS）和欧洲航天局（ESA）共同发起实施了中欧联合空间科学卫星任务，致力于在任务的整个生命周期内，共同策划、征集、遴选并开展方案设计、工程研制及数据分析与利用。经过多轮遴选，“太阳风-磁层相互作用全景成像”（SMlLE）卫星从多个项目建议中脱颖而出。SMlLE卫星由中国和欧洲科学家共同提出，旨在大倾角、大椭圆轨道上，对向阳侧磁层顶、极尖区和地球极光进行全景成像，同时通过原位测量地磁场、等离子体，以提高人类对于太阳活动与地球磁场变化的相互关系的认知。

2015年底，中欧双方各自通过决策机构的立项建议审查，启动了工程立项工作。其中，中方工程立项综合论证工作已经完成，中国科学院于2016年11月批复工程立项。

1 科学目标与任务

SMILE的科学目标是探测太阳风-磁层相互作用的大尺度结构和基本模式，认知地球亚暴整体变化过程和活动周期，探索日冕物质抛射事件（CME）驱动的磁暴发生和发展。针对的是太阳风与磁层相互作用的全球性科学问题。

SMILE的工程任务目标是在中欧空间科学卫星合作框架下，共同研制并发射一颗SMILE卫星，在大倾角、大椭圆轨道（5000km×19Re，地球半径Re=6370km）上，利用有效载荷首次对太阳风和地球磁层之间的相互作用进行连续的全球成像，对磁层及太阳风成分进行原位探测，推动人类进一步了解太阳活动对地球等离子体环境和空间天气的影响。

2 有效载荷配置

为实现其科学目标，SMILE卫星配置了4台有效载荷：软X射线成像仪（SXI）、紫外极光成像仪（UVI）、低能离子分析仪（LIA）及磁强计（MAG）。软X射线成像仪主要提供向阳侧磁层顶的X射线成像图；紫外极光成像仪给出全球极光分布图；软X射线成像仪和紫外极光成像仪相互配合，实现太阳风-磁层相互作用的全景成像；低能离子分析仪和磁强计对上游太阳风或磁鞘等离子体以及磁场进行实时的原位探测，测量驱动源头。

软X射线成像仪主要由英国莱斯特大学研制，中国科学院国家空间科学中心参加，性能指标如下。

1）响应能段：0.2～5keV；

2）观测视场：22°×25°；

3）空间分辨率：6′；

4）能谱分辨率：≤50eV（0.5keV）；

5）时间分辨率：60s。

紫外极光成像仪由加拿大卡尔加里大学和中国科学院国家空间科学中心共同研制，其性能指标如下。

1）工作波段：140～180nm；

2）总视场：10°×10°；

3）空间分辨率：0.04°；

4）时间分辨率：60s；

5）灵敏度：20R（60s曝光，R为夜空光和极光的亮度单位，瑞利）。

低能离子分析仪由中国科学院国家空间科学中心研制，是嫦娥-1和2正样产品，SMILE卫星将继承其设计。

低能离子分析仪性能指标如下。

1）能量范围：50eV/q～20keV/q，能量分辨率（△E/E）＜8%；

2）方位角视场：360°；

3）俯仰角视场：±22°（＜20keV），±45°（＜10keV）；

4）角度分辨率：方位角30°（粗）、7.5°（细），俯仰角6°；

5）时间分辨率：1s。

磁强计由中国科学院国家空间科学中心研制，其性能指标如下。

1）量程范围：±9600nT；

2）分辨率：24bit；

3）噪声：＜0.1nT（RMS）。

3 SMlLE卫星工程设计

卫星轨道

SMILE卫星为大椭圆轨道，远地点19Re，近地点5000km，轨道倾角98.2°[采用“联盟”（Soyuz）]或轨道倾角63°～100°[采用织女星-C（Vega-C）]，近地点幅角280°。

卫星系统

SMILE卫星组合体为三舱结构，由有效载荷舱、服务舱和推进舱组成，为三轴稳定卫星。中方负责卫星总体设计并研制服务舱和推进舱，ESA负责有效载荷舱研制。卫星组合体发射包络小于2200mm×3632mm。数传为X频段，每轨下行数据能力不小于38.5Gbit。其测控为S频段统一载波系统。总质量小于2000kg，在轨寿命设计大于3年。

运载火箭系统

运载火箭由ESA负责，由“联盟”或阿里安-6-2（Ariane-6-2）“一箭双星”发射至700km高的太阳同步轨道，倾角为98.7°；或用织女星-C单独发射到低地球轨道，之后通过推进舱变轨至大椭圆探测轨道。

发射场系统

由ESA完成圭亚那库鲁航天中心的适应性建设，承担运载火箭和卫星的测试、发射任务，并提供地面技术支持与勤务保障。

测控系统

测控系统主要由中方负责，欧洲航天控制中心（ESOC）等单位参加。SMILE卫星预计于2021年底在库鲁航天中心发射，卫星组合体与运载火箭分离前的测控由ESA负责，分离后的测控由中方负责。2017年6月21日-23日，SMILE任务确认评审（MCR）在中国科学院国家空间科学中心顺利举行。

地面支撑系统

中方在“空间科学先导专项”的“十二五”规划已有的基础上完成适应性建设，主要实施有效载荷运控管理、科学数据接收、0级以下科学数据处理、各级数据产品的管理、长期科学数据产品的发布服务。

科学应用系统

中欧双方完成各自科学应用系统研制建设；双方协同制定SMILE卫星任务的科学战略规划和科学探测计划，以及监视计划执行情况；分析有效载荷在轨性能，提出有效载荷在轨运行参数调整需求；开展科学数据的标定处理，产生科学快视数据，生成一级以上数据产品。

地面段部分包括测控系统、地面支撑系统和科学应用系统以及相应的国外测控站。

4 结束语

中欧联合科学评议委员会对SMILE卫星给予了高度评价：SMILE卫星将运用全新的X射线成像技术，首次实现太阳风-磁层相互作用过程的全景观测，对了解并定量分析日地耦合系统的全局特性起到至关重要的作用。

SMILE卫星任务是继“双星计划”后，中欧双方按照“无资金交换”原则，在航天领域开展深入合作的又一项目，意义重大，影响深远。