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重大科研活動

雙星計劃

雙星計劃

地球空間雙星探測計劃

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日地系統和地球磁層結構圖

“地球空間雙星探測計劃”(简称雙星計劃)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雙星計劃合作协议。欧空局方面提供8台代表當今水平的空間探測儀器,並在衛星研制過程中的一些關鍵技術問題上提供幫助。

http://www.cssar.cas.cn/zdkyhd/sxjh/201106/W020110602595372540981.jpg雙星計劃包括两颗卫星:近地赤道区卫星(TC-1)和極區衛星(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。雙星計劃与欧空局的星簇計劃(Cluster相配合,將構成人類曆史上第一次使用相同或相似的探測器對地球空間進行六點探測,研究地球磁層整體變化規律和爆發事件的機理。

20031230日、2004725日分別完成兩顆星的發射,衛星相繼進入運行階段。星上儀器工作正常。兩顆衛星實際運行時間都遠超設計壽命:TC-1衛星設計壽命18個月,實際壽命46個月;TC-2衛星設計壽命12個月,實際壽命48个月。雙星計劃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。雙星計劃作为中国空间科学的里程碑,2010年獲國家科學技術進步獎一等獎,同时,雙星計劃和星簇计划的团队获得国际宇航科学院2010年度傑出團隊成就獎

 

1 總體目標

1.1 全面了解地球空間環境聯鎖變化的物理過程

探測近地磁層場和粒子時空變化的因果關系,揭示新的現象,深入研究磁層空間暴(磁層亞暴、磁暴和磁層粒子暴)的觸發機制,建立符合實際的磁層空間暴物理模型和預報方法,認識地球空間環境的全球變化過程,預計在這一領域可取得原始性創新成果。

1.2 推動空間天氣預報的發展

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,推動空間天氣預報的發展。

1.3 推動行星空間環境比較研究的發展

空間物理發展的趨勢之一,是將地球空間環境和其他的行星空間環境結合起來,進行行星空間環境的比較研究。太陽對地球空間環境的影響與太陽對其他行星空間環境的影響有些相似之處,本項目的研究可爲開展行星空間環境比較研究建立基礎。

1.4 帶動相關基本物理問題研究的發展

地球空間暴多尺度結構相互作用的全球過程,包括一些重要的基本物理問題,如無碰撞激波,無碰撞等離子邊界層,磁層重聯,等離子體反常輸運,粒子的加速和加熱等。這些物理問題,有些是在地面的實驗室中不易研究的。對這些基本物理問題的研究和解決,不但可推動空間物理的發展,而且還可推動相關學科(如太陽物理、磁流體力學、等離子體物理和磁流體力學等)的發展。

 

2 特色和創新點

2.1 利用最先進的衛星探測數據

20017月和8月發射的Cluster計劃,包括四顆衛星,在空間中構成四面體結構,其主要創新是能探測過去不能實現的地球空間等離子體環境的三維中小尺度結構和分辨時間變化。Cluster和我國的地球空間雙星探測計劃相配合,第一次形成地球空间的六點探测。此外,还利用美国20003月發射的磁层成像卫星、ISTP有關的探測數據和全球地面觀測數據。

2.2 研究內容聚焦在當前國際上最具有挑戰性的前沿領域

首次提出用地球空間暴這個名詞概括地球空間相互聯系的爆發事件。定義地球空間暴包括磁層亞暴、磁暴、磁層粒子暴、電離層暴和熱層暴,其中磁層亞暴、磁暴和磁層粒子暴可稱爲磁層空間暴,這是當前地球空間最具有挑戰性的關鍵科學問題。通過地球空間暴可系統地了解地球空間各層次的連鎖變化過程。

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低能離子
探測器

高能電子
探測器

高能質子
探測器

重離子
探測器

低頻電磁波
探測器

 

3 應用系統

雙星計劃的應用系統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;雙星計劃的卫星系统中的有效载荷分系统和有效載荷公用設備分系統两个分系统也由空间中心承担。雙星計劃的首席科学家,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 衛星系統有效載荷分系統

在首席科学家和空间物理探測器(有效载荷)任务科学家(Principle Investigator, PI)需求的指導下,負責爲兩顆衛星各研制8台探測器。其中TC-1(赤道星)星有三台国产的探測器,5台欧空局提供的探測器;TC-2(极轨星)星有五台国产的探測器,2台欧空局提供的探測器,1台中欧合作研制的探測器,并负责探測器的标定、交付、试验、发射服务、在轨测试及运行阶段的工程服务。两颗卫星的探測器配置如下表,除了TC-1星的主動電位控制儀和TC-2星的中性原子成像儀是根據軌道不同而單獨設置的以外,其他各台儀器從探測性能上來講都是相同的,可以在不同的空間區域中獲取同類型的物理參數。

两颗卫星的探測器配置表如下:

对欧洲研制和提供的探測器,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 有效載荷公用設備分系統

爲有效載荷設備供配電,並爲歐空局的有效載荷設備提供二次電源;根據飛行任務和地面遙控指令進行自主運行控制和數據管理;接收、處理、分發和執行由星務管理系統轉發的地面遙控指令和其它上行數據;采集、處理、存儲和傳輸星上各有效載荷的工程參數和科學探測數據,並通過高速數傳通道和衛星遙測通道發送至地面;轉發星載基准時間和飛行參數,爲歐空局的有效載荷設備提供實驗所需的服務信號;提供S波段高速數傳通道,下行有效載荷的工程參數和科學探測數據;在有效載荷系統發生局部故障的情況下,進行故障檢測、隔離和系統重構。

为了完成上述任务,有效載荷公用設備分系統将研制统一的电源、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現有正樣産品,其總線方式爲比較老式的OBDH總線,數據格式也不能再更改了,因此,需要在充分了解對方設計的基礎上,作出適應性的設計,同時還要保證與衛星接口的標准化並具有通用性和繼承性。

有效載荷公用設備分系統由載荷配電器、有效载荷總線控制器、遠置終端、大容量存儲器、高速多路複接器、S波段發射機AS波段發射機B共六種七台設備。完成設計、與有效載荷的對接試驗驗證、交付、試驗、發射服務、在軌測試及運行階段的工程服務等各項工程任務。

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總線控制器

遠置終端

大容量
存儲器

高速多路複接器

載荷配電器

發射機A

3.3 双星地面應用系統

開展雙星業務測控和有效載荷的在軌運行管理工作,負責探測數據的接收、處理、存儲管理、數據分發工作;對探測數據進行預處理,生成一定級別的數據産品提供給雙星科學應用分系統;根據雙星的科學探測計劃,制定測控實施大綱和細則,協調雙星有效載荷的工作模式;負責雙星有效載荷業務測控的指令生成,與西安衛星測控中心相互配合完成對衛星的業務測控工作以及負責雙星有效載荷的地面綜合檢測設備研究和測試工作。

http://www.cssar.cas.cn/zdkyhd/sxjh/201106/W020110602595372579698.jpg双星地面應用系統分系统的特点是:是以我国載人航天應用系統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載人航天任务和双星任务(TC-1TC-2);第一次支持遠地點距離超過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,雙星計劃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 雙星計劃科学应用分系统

http://www.cssar.cas.cn/zdkyhd/sxjh/201106/W020110602595372578773.jpg根据雙星計劃的科学目标,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;雙星計劃对外科学宣传工作;协助首席科学家承担雙星計劃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 雙星計劃技术总体

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:磁强计和波探測器伸杆专项;磁测与磁控专项以及辐射环境计算专項。因此,技术总体是雙星計劃必不可少的核心技术机构。

 

4 衛星交付與科學探測

經過國家和中國科學院主管部門剛剛通過的評審和交付驗收,認爲TC-1衛星與TC-2衛星及CLUSTER四顆衛星進行很好的聯合觀測活動。各項科學探測儀器工作正常,有效載荷探測儀器符合科學目標要求。有效載荷公用設備工作狀態正常,能夠及時和有效地采集、存儲和下行探測數據。雙星地面數據系統工作正常,指令流和數據流暢通。已經獲得大量的科學探測數據(TC-1獲得一級數45.45GbTC-2獲得一級數据11.51Gb),探測了輻射帶、北半球的等離子體層、環電流區域及近地等離子體片的高緯區域、北尾瓣、極隙區、南半球的極光橢圓帶、極蓋區、環電流區和近地等離子體片的粒子沈降區等重要空間區域的高能粒子、低能粒子、磁場、波場和中性原子的空間分布和時間演化過程,並已取得一些新結果。

TC-2衛星與TC-1衛星及CLUSTER四顆衛星配合探測,所獲得的大量觀測數據對于揭示磁層空間暴的物理機制及其對太陽活動和行星際擾動的響應過程具有重要的科學意義。

 

5 科學産出與成果

共獲得480GB數據,雙星衛星科學數據庫的用戶網頁(http://www.cddc-dsp.ac.cn/)日均訪問量超過1700次。

雙星計劃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,雙星計劃20043月至20092月期間發表SCI收錄論文104篇,被引用107次,國際會議特邀報告10篇,大會報告46篇;申請發明專利 15 項,其中 12 项已获授权; 申请实用新型专利 8 項,已全部授權;計算機軟件著作權登記 46 項。

雙星計劃2005年被兩院院士评选为2004年中國十大科學進展,在科學普及方面産生了重大社會效益。

雙星計劃获得2010年度國家科學技術進步獎一等獎。(相關新聞報導

http://www.cssar.cas.cn/zdkyhd/sxjh/201106/W020110602611560286795.jpg雙星計劃和星簇计划的团队获得国际宇航科学院2010年度傑出團隊成就獎。該獎項是國際宇航科學院每年頒布的兩個主要科技獎項之一,設立于2000年,第一次頒布是2001年,授予了俄羅斯和平號空間站團隊,之後曾分別授予過包括美國航天飛機團隊、SOHO空間計劃團隊、哈勃空間望遠鏡團隊等著名空間項目團隊。由此可見,該獎是國際航天領域極高的榮譽,這也是中國第一次獲此殊榮。

雙星計劃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。

雙星計劃让世界认识了中国的空间科学。

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