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重大科研活动

双星计划

双星计划

地球空间双星探测计划

日地系统和地球磁层结构图

“地球空间双星探测计划”(简称双星计划)是我国第一次以自主提出的空间探测计划进行国际合作的重大科学探测项目,是国家民用航天“十五”计划中设立的重点科学探测卫星计划,是国家第一次以明确的空间科学问题列入的卫星型号。中国科学院是卫星的用户单位,工程代号为“TC-1TC-2”。200179日中国航天局与欧空局正式签署了双星计划合作协议。欧空局方面提供8台代表当今水平的空间探测仪器,并在卫星研制过程中的一些关键技术问题上提供帮助。

http://www.cssar.cas.cn/zdkyhd/sxjh/201106/W020110602595372540981.jpg双星计划包括两颗卫星:近地赤道区卫星(TC-1)和极区卫星(TC-2),运行于目前国际上地球空间探测卫星尚未覆盖的近地磁层活动区。这两颗卫星相互配合,形成了独立的具有创新和特色的地球空间探测计划。双星计划与欧空局的星簇计划(Cluster相配合,将构成人类历史上第一次使用相同或相似的探测器对地球空间进行六点探测,研究地球磁层整体变化规律和爆发事件的机理。

20031230日、2004725日分别完成两颗星的发射,卫星相继进入运行阶段。星上仪器工作正常。两颗卫星实际运行时间都远超设计寿命:TC-1卫星设计寿命18个月,实际寿命46个月;TC-2卫星设计寿命12个月,实际寿命48个月。双星计划的主要科学任务是通过对地球空间电磁场和带电粒子的探测,获取可靠的科学数据,在研究中取得新的发现和获得突破性的理论研究成果。双星计划作为中国空间科学的里程碑,2010年获国家科学技术进步奖一等奖,同时,双星计划和星簇计划的团队获得国际宇航科学院2010年度杰出团队成就奖

 

1 总体目标

1.1 全面了解地球空间环境联锁变化的物理过程

探测近地磁层场和粒子时空变化的因果关系,揭示新的现象,深入研究磁层空间暴(磁层亚暴、磁暴和磁层粒子暴)的触发机制,建立符合实际的磁层空间暴物理模型和预报方法,认识地球空间环境的全球变化过程,预计在这一领域可取得原始性创新成果。

1.2 推动空间天气预报的发展

地球空间暴是灾害性空间天气的主要表现形式,这正像一般天气中所说的冰雹、暴雨、暴风和台风等那样。本项研究可为空间天气预报建立理论基础和提供预报方法,推动空间天气预报的发展。

1.3 推动行星空间环境比较研究的发展

空间物理发展的趋势之一,是将地球空间环境和其他的行星空间环境结合起来,进行行星空间环境的比较研究。太阳对地球空间环境的影响与太阳对其他行星空间环境的影响有些相似之处,本项目的研究可为开展行星空间环境比较研究建立基础。

1.4 带动相关基本物理问题研究的发展

地球空间暴多尺度结构相互作用的全球过程,包括一些重要的基本物理问题,如无碰撞激波,无碰撞等离子边界层,磁层重联,等离子体反常输运,粒子的加速和加热等。这些物理问题,有些是在地面的实验室中不易研究的。对这些基本物理问题的研究和解决,不但可推动空间物理的发展,而且还可推动相关学科(如太阳物理、磁流体力学、等离子体物理和磁流体力学等)的发展。

 

2 特色和创新点

2.1 利用最先进的卫星探测数据

20017月和8月发射的Cluster计划,包括四颗卫星,在空间中构成四面体结构,其主要创新是能探测过去不能实现的地球空间等离子体环境的三维中小尺度结构和分辨时间变化。Cluster和我国的地球空间双星探测计划相配合,第一次形成地球空间的六点探测。此外,还利用美国20003月发射的磁层成像卫星、ISTP有关的探测数据和全球地面观测数据。

2.2 研究内容聚焦在当前国际上最具有挑战性的前沿领域

首次提出用地球空间暴这个名词概括地球空间相互联系的爆发事件。定义地球空间暴包括磁层亚暴、磁暴、磁层粒子暴、电离层暴和热层暴,其中磁层亚暴、磁暴和磁层粒子暴可称为磁层空间暴,这是当前地球空间最具有挑战性的关键科学问题。通过地球空间暴可系统地了解地球空间各层次的连锁变化过程。

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低能离子
探测器

高能电子
探测器

高能质子
探测器

重离子
探测器

低频电磁波
探测器

 

3 应用系统

双星计划的应用系统包括地面应用分系统和科学应用分系统两个分系统,全部由空间中心牵头承担;双星计划的卫星系统中的有效载荷分系统和有效载荷公用设备分系统两个分系统也由空间中心承担。双星计划的首席科学家,空间中心刘振兴院士,作为整个工程项目科学目标的制定者,负责处理立项、研制和运行阶段所有涉及科学目标实现的问题的论证,同时负责组织科学研究工作团队,制定探测数据的分析和研究计划及其实施。

3.1 卫星系统有效载荷分系统

在首席科学家和空间物理探测器(有效载荷)任务科学家(Principle Investigator, PI)需求的指导下,负责为两颗卫星各研制8台探测器。其中TC-1(赤道星)星有三台国产的探测器,5台欧空局提供的探测器;TC-2(极轨星)星有五台国产的探测器,2台欧空局提供的探测器,1台中欧合作研制的探测器,并负责探测器的标定、交付、试验、发射服务、在轨测试及运行阶段的工程服务。两颗卫星的探测器配置如下表,除了TC-1星的主动电位控制仪和TC-2星的中性原子成像仪是根据轨道不同而单独设置的以外,其他各台仪器从探测性能上来讲都是相同的,可以在不同的空间区域中获取同类型的物理参数。

两颗卫星的探测器配置表如下:

对欧洲研制和提供的探测器,为了更好的掌握其先进技术并协助其更好的提供中方,以及协调接口等事宜,同时也培养队伍,有效载荷分系统为每个欧洲设备都安排了专人负责。

3.2 有效载荷公用设备分系统

为有效载荷设备供配电,并为欧空局的有效载荷设备提供二次电源;根据飞行任务和地面遥控指令进行自主运行控制和数据管理;接收、处理、分发和执行由星务管理系统转发的地面遥控指令和其它上行数据;采集、处理、存储和传输星上各有效载荷的工程参数和科学探测数据,并通过高速数传通道和卫星遥测通道发送至地面;转发星载基准时间和飞行参数,为欧空局的有效载荷设备提供实验所需的服务信号;提供S波段高速数传通道,下行有效载荷的工程参数和科学探测数据;在有效载荷系统发生局部故障的情况下,进行故障检测、隔离和系统重构。

为了完成上述任务,有效载荷公用设备分系统将研制统一的电源、数管和数传设备,将星上分散的各有效载荷有机地连接起来,构成相对独立的有效载荷系统,统一与卫星联接,以减少卫星平台技术状态的变化。这个分系统面临的重大难题是欧空局提供的载荷几乎全部是CLUSTER II现有正样产品,其总线方式为比较老式的OBDH总线,数据格式也不能再更改了,因此,需要在充分了解对方设计的基础上,作出适应性的设计,同时还要保证与卫星接口的标准化并具有通用性和继承性。

有效载荷公用设备分系统由载荷配电器、有效载荷总线控制器、远置终端、大容量存储器、高速多路复接器、S波段发射机AS波段发射机B共六种七台设备。完成设计、与有效载荷的对接试验验证、交付、试验、发射服务、在轨测试及运行阶段的工程服务等各项工程任务。

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总线控制器

远置终端

大容量
存储器

高速多路复接器

载荷配电器

发射机A

3.3 双星地面应用系统

开展双星业务测控和有效载荷的在轨运行管理工作,负责探测数据的接收、处理、存储管理、数据分发工作;对探测数据进行预处理,生成一定级别的数据产品提供给双星科学应用分系统;根据双星的科学探测计划,制定测控实施大纲和细则,协调双星有效载荷的工作模式;负责双星有效载荷业务测控的指令生成,与西安卫星测控中心相互配合完成对卫星的业务测控工作以及负责双星有效载荷的地面综合检测设备研究和测试工作。

http://www.cssar.cas.cn/zdkyhd/sxjh/201106/W020110602595372579698.jpg双星地面应用系统分系统的特点是:是以我国载人航天应用系统有效载荷应用中心为基础的一个卫星的业务管理和应用支持系统,也是一个多任务的空间科学地面应用支持系统,它要同时支持我国的载人航天任务和双星任务(TC-1TC-2);第一次支持远地点距离超过10个地球半径的大椭圆轨道的卫星地面业务运行管理;将双星的业务运行支持和科学研究分析紧密结合无论是在发射前,还是在轨业务运行过程中,双星计划的科学家们都将始终与工程师们紧密配合。科学家将会根据双星的科学目标及时制定探测目标和探测计划,而作为技术支持的工程师们则会全力满足科学家们的要求,及时确定卫星工作状态,以获得更多的科学成果。

3.4 双星计划科学应用分系统

http://www.cssar.cas.cn/zdkyhd/sxjh/201106/W020110602595372578773.jpg根据双星计划的科学目标,对各系统提出满足科学目标的技术要求,并配合有关技术专家解决与科学有关的技术问题;配合双星地面应用分系统和双星有效载荷分系统,监视任务执行情况和仪器工作状态,提供有效载荷探测计划;向地面应用分系统提供长期、中期、短期的探测计划;承担科学数据快速抽查和科学卫星运行演示;承担科学数据的标定和上网快速显示文件及图形制作,并进行科学数据的快速显示;进行各类科学数据与欧空局相关数据中心的数据传输,数据归档和管理;承担科学数据产品PPSP的生成,以及科学数据的有效化;数据分发,数据公布,提供用户界面;双星计划对外科学宣传工作;协助首席科学家承担双星计划科学指导委员会的日常工作及其布置的任务,组织双星科学工作队有关专家进行科学数据分析、科学和应用研究;开展双星科学数据的国内外科学合作研究。

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3.5 双星计划技术总体

由空间中心负责,侧重从技术方面协调各分系统之间的接口,并负责与卫星系统以及工程其他系统的技术协调,大型试验的安排和准备。同时,总体还直接负责三个专项:磁强计和波探测器伸杆专项;磁测与磁控专项以及辐射环境计算专项。因此,技术总体是双星计划必不可少的核心技术机构。

 

4 卫星交付与科学探测

经过国家和中国科学院主管部门刚刚通过的评审和交付验收,认为TC-1卫星与TC-2卫星及CLUSTER四颗卫星进行很好的联合观测活动。各项科学探测仪器工作正常,有效载荷探测仪器符合科学目标要求。有效载荷公用设备工作状态正常,能够及时和有效地采集、存储和下行探测数据。双星地面数据系统工作正常,指令流和数据流畅通。已经获得大量的科学探测数据(TC-1获得一级数45.45GbTC-2获得一级数据11.51Gb),探测了辐射带、北半球的等离子体层、环电流区域及近地等离子体片的高纬区域、北尾瓣、极隙区、南半球的极光椭圆带、极盖区、环电流区和近地等离子体片的粒子沉降区等重要空间区域的高能粒子、低能粒子、磁场、波场和中性原子的空间分布和时间演化过程,并已取得一些新结果。

TC-2卫星与TC-1卫星及CLUSTER四颗卫星配合探测,所获得的大量观测数据对于揭示磁层空间暴的物理机制及其对太阳活动和行星际扰动的响应过程具有重要的科学意义。

 

5 科学产出与成果

共获得480GB数据,双星卫星科学数据库的用户网页()日均访问量超过1700次。

双星计划在本领域两个顶级国际核心期刊 Annales GeophysicaeJ. Geophysical Research各出版成果专刊一期。据不完全统计,双星计划20043月至20092月期间发表SCI收录论文104篇,被引用107次,国际会议特邀报告10篇,大会报告46篇;申请发明专利 15 项,其中 12 项已获授权; 申请实用新型专利 8 项,已全部授权;计算机软件著作权登记 46 项。

双星计划2005年被两院院士评选为2004年中国十大科学进展,在科学普及方面产生了重大社会效益。

双星计划获得2010年度国家科学技术进步奖一等奖。(

http://www.cssar.cas.cn/zdkyhd/sxjh/201106/W020110602611560286795.jpg双星计划和星簇计划的团队获得国际宇航科学院2010年度杰出团队成就奖。该奖项是国际宇航科学院每年颁布的两个主要科技奖项之一,设立于2000年,第一次颁布是2001年,授予了俄罗斯和平号空间站团队,之后曾分别授予过包括美国航天飞机团队、SOHO空间计划团队、哈勃空间望远镜团队等著名空间项目团队。由此可见,该奖是国际航天领域极高的荣誉,这也是中国第一次获此殊荣。

双星计划填补了我国空间探测领域几十年的空白,开辟了空间科学卫星系列的先河,让中国在空间科学领域在国际上有了一席之地,展示了我国的实力和水平,提高了我国与欧空局空间合作层次和开拓合作范围,以及我国在国际空间物理界的地位和作用。

双星计划让世界认识了中国的空间科学。