“引力波暴高能电磁对应体全天监测器”卫星任务概况

熊少林 张科科 李超 郑耀昕 吴季

（1 中国科学院高能物理研究所 2 中国科学院微小卫星创新研究院 3 中国科学院国家空间科学中心）

天文学是一门观测驱动的科学，天文学的重大进展往往源自于新的观测发现。2015年9月14日，美国激光干涉引力波天文台（LIGO）首次直接探测到来自双黑洞并合的引力波信号，开辟了人类探索宇宙奥秘的新窗口，该发现完成了爱因斯坦广义相对论的最后一块拼图，揭开了引力波天文学时代的序幕。

引力波发现之后，伴随引力波产生的电磁辐射（即引力波电磁对应体）的探测研究变得更加重要和紧迫。鉴于引力波电磁对应体的高能辐射（即引力波伽马暴）具有独特的重要作用，以及国内外探测引力波伽马暴设备的不足，针对引力波伽马暴独特的探测需求，提出了“引力波暴高能电磁对应体全天监测器”（GECAM）项目。

2017年8月17日，人类首次发现双中子星并合产生的引力波及其电磁对应体，直接证实了引力波电磁对应体的存在及其在引力波相关研究中的重要作用，取得了一系列重大突破，开启了多信使引力波天文学时代。引力波电磁对应体的探测研究已成为国际上最热门的研究领域之一，预期将产生更多重大原创成果。

2018年12月，中国科学院正式批复立项GECAM 卫星任务。该任务是中国科学院空间科学（二期）A 类战略性先导科技专项[简称空间科学（二期）先导专项]继“太阳风-磁层相互作用全景成像”卫星计划（SMILE）、“先进天基太阳天文台”（ASO-S）和“爱因斯坦探针”（EP）之后部署实施的第4 个科学卫星任务[1-3]。GECAM采用两颗共轭运行在低倾角低轨道的微小卫星方案[4-7]，主要探测引力波伽马暴等各种空间高能辐射现象，不仅具有全时全天视场、高灵敏度、良好定位精度和宽能段覆盖，而且具备在轨触发定位以及准实时下传探测结果的能力，可引导其他望远镜进行后随观测。

1 科学目标与任务

GECAM 卫星任务的科学目标主要包括：全天监测引力波伽马暴，发现最大样本的引力波伽马暴和新的辐射现象，研究中子星、黑洞等致密天体及其并合过程；全天监测快速射电暴可能的高能辐射，揭示其物理起源和辐射机制；全时监测各类特殊伽马暴和磁星爆发，深入研究它们的爆发机制。

GECAM 卫星任务的工程目标包括：研制两颗卫星，采用一发固体运载火箭，在发射场、测控系统的支持下，将卫星发射至预定轨道并完成双星部署；完成地面支撑系统适应性改造和科学应用系统研制建设，为科学观测与研究提供支持。卫星在轨开展对引力波伽马暴等高能辐射现象进行全时全天视场、宽能段、高灵敏度和良好定位的监测，研究黑洞、中子星和引力波等物理现象。

GECAM 卫星任务的主要创新点包括[8]：

1）采用溴化镧晶体（LaBr3）和硅光电倍增器（SiPM）的方案，实现空间伽马射线探测器的小型化、非高压、低能阈、低热敏、强抗振设计；

2）采用层叠式模块化微纳卫星平台和单翼斜置电池翼对日自主随动方案，实现微纳卫星2：1 的平台载荷比和长时高功率能源供给；

3）利用北斗导航系统的全球短报文功能实现星地间的准实时（延迟时间小于几分钟）科学数据通信。

GECAM 卫星具有在轨快速触发和定位功能，在北斗短报文系统的支持下，GECAM 卫星可准实时下传触发信息至科学应用系统，然后通过“伽马暴坐标网络”（GCN）等系统发布引力波伽马暴、伽马暴以及其他暂现源的触发时间和定位等信息，引导多波段望远镜进行后随观测。

2 有效载荷配置

为实现其科学目标，每颗GECAM 卫星配置了25 个伽马射线探测器（GRD）和8 个荷电粒子探测器（CPD），分别探测8keV～2MeV 的伽马射线和300keV～5MeV 的电子。每颗GECAM 卫星的25个伽马射线探测器分别指向不同方向，从而使每颗卫星可监测除地球遮挡之外的所有天区。两颗GECAM卫星运行在地球两侧，从而具有全时全天视场，可监测包括引力波伽马暴在内的全天随机发生的高能暂现源。

除了实现上述科学目标，GECAM 卫星也将探测太阳耀斑（SFL）和地球伽马闪（TGF）等来自太阳和地球的高能辐射现象。针对地球伽马闪的探测需求，伽马射线探测器采取了缩短死时间、增加探测器个数等优化措施，尽量避免地球伽马闪高流强导致的脉冲堆积等效应，准确测量地球伽马闪的能谱和光变曲线。为了探测地球伽马闪伴随产生的地球电子束（TEB）现象，荷电粒子探测器采用逐事例探测模式，缩短死时间，而且多个荷电粒子探测器指向不同方向，从而可以判定地球电子束的入射方向。综合伽马射线探测器和荷电粒子探测器等多个探测器的信息，GECAM 将联合测量地球伽马闪和地球电子束的辐射性质，从而全面研究地球伽马闪产生过程中伽马射线和电子的产生机制。

伽马射线探测器的主要技术指标：

1）探测面积（单体）：＞40cm2；

2）探测能区（伽马射线）：8keV～2MeV；

3）能量分辨率（FWHM）：＜18%@59.5 keV。

荷电粒子探测器的主要技术指标：

1）塑闪尺寸（单体）：＞15cm2；

2）探测能区（电子）：300keV～5MeV。

载荷处理器的主要技术指标：

1）在轨触发、定位计算时间：≤1min；

2）探测器相对时间精度：＜0.5μs。

GECAM 卫星布局示意图

GECAM 卫星星座及轨道示意图

GECAM 卫星构型图

3 GECAM 卫星工程方案

GECAM 卫星工程任务由卫星系统、运载火箭系统、发射场系统、测控系统、地面支撑系统和科学应用系统六大系统组成。GECAM 以“一箭双星”的方式发射，两颗卫星同时入轨后，通过相位调整，运行于地球两侧，从而可监测全部天区。GECAM 双星共轭运行在轨道高度600km、倾角29°的低轨圆轨道上，相位差180°±5°。

卫星系统

GECAM 卫星系统由卫星平台和有效载荷分系统两部分组成，卫星平台以成熟的WN100 微纳平台为基础，包括结构分系统、热控分系统、姿轨控分系统、综合电子分系统、星务分系统。单星发射包络尺寸不大于580mm（X）×1050mm（Y）×1364mm（Z）。卫星采用三轴稳定姿态和天顶主平面对日指向策略。数据传输在X 频段，码速率不小于300Mbit/s，测控为S 频段统一载波系统。双星总质量小于360kg，在轨寿命不小于3年。卫星平台由中国科学院微小卫星创新研究院负责研制，有效载荷由中国科学院高能物理研究所负责研制。

运载火箭系统

采用长征十一号固体运载火箭，以航天发射服务形式委托给中国航天科工信息技术研究院。

发射场系统和测控系统

发射场预计在西昌卫星发射中心，主要完成卫星发射的适应性改造及卫星与火箭的发射技术保障任务；测控工作由西安卫星测控中心负责，主要完成火箭发射阶段外测、遥测、安控等任务，完成卫星发射及在轨运行期间对卫星的跟踪测轨、遥测、遥控等任务。

地面支撑系统

地面支撑系统的主要任务是实施卫星和有效载荷在轨运行管理及状态监视，完成科学数据的接收、预处理以及数据产品的管理与归档，提供长期的科学数据产品共享与科普宣传服务。该系统由中国科学院国家空间科学中心负责研制，其中科学数据地面接收由中国科学院空天信息研究院负责。

科学应用系统

科学应用系统负责制定观测计划，对观测数据进行科学管理，生产和发布科学数据产品，研发并提供科学分析软件，为科学用户提供支持和服务。该系统由中国科学院高能物理研究所负责研制。

4 研制进展及发射计划

GECAM 卫星任务于2019年3月完成了卫星方案研制总结暨初样设计评审，于2019年11月转入正样研制阶段，计划2020年年底前发射。

5 结束语

GECAM 是针对2020年多信使引力波天文学新时代的重大研究机遇而提出的空间科学任务。在各种波段的引力波电磁对应体中，高能电磁对应体（即引力波伽马暴）在独立证认引力波信号、缩小引力波定位区域、引导其他电磁波段的后随观测、研究致密星及其并合过程、测量引力波速度等方面，具有不可取代的重要地位。GECAM 具有独一无二的全时全天区覆盖和高精度探测能力，将获得最大样本的引力波伽马暴，使我国在引力波高能电磁对应体探测研究领域快速占有重要的优势地位。GECAM也将探测快速射电暴的高能辐射、特殊伽马暴、磁星暴发，以及太阳耀斑和地球伽马闪等，预期将取得一系列重要成果。