地球空間雙星探測(cè)計(jì)劃

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日地系統(tǒng)和地球磁層結(jié)構(gòu)圖

“地球空間雙星探測(cè)計(jì)劃”（簡(jiǎn)稱雙星計(jì)劃）是我國(guó)第一次以自主提出的空間探測(cè)計(jì)劃進(jìn)行國(guó)際合作的重大科學(xué)探測(cè)項(xiàng)目，是國(guó)家民用航天“十五”計(jì)劃中設(shè)立的重點(diǎn)科學(xué)探測(cè)衛(wèi)星計(jì)劃，是國(guó)家第一次以明確的空間科學(xué)問(wèn)題列入的衛(wèi)星型號(hào)。中國(guó)科學(xué)院是衛(wèi)星的用戶單位，工程代號(hào)為“TC-1、TC-2”。2001年7月9日中國(guó)航天局與歐空局正式簽署了雙星計(jì)劃合作協(xié)議。歐空局方面提供8臺(tái)代表當(dāng)今水平的空間探測(cè)儀器，并在衛(wèi)星研制過(guò)程中的一些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題上提供幫助。

雙星計(jì)劃包括兩顆衛(wèi)星：近地赤道區(qū)衛(wèi)星（TC-1）和極區(qū)衛(wèi)星（TC-2），運(yùn)行于目前國(guó)際上地球空間探測(cè)衛(wèi)星尚未覆蓋的近地磁層活動(dòng)區(qū)。這兩顆衛(wèi)星相互配合，形成了獨(dú)立的具有創(chuàng)新和特色的地球空間探測(cè)計(jì)劃。雙星計(jì)劃與歐空局的“星簇計(jì)劃（Cluster）”相配合，將構(gòu)成人類歷史上第一次使用相同或相似的探測(cè)器對(duì)地球空間進(jìn)行“六點(diǎn)”探測(cè)，研究地球磁層整體變化規(guī)律和爆發(fā)事件的機(jī)理。

2003年12月30日、2004年7月25日分別完成兩顆星的發(fā)射，衛(wèi)星相繼進(jìn)入運(yùn)行階段。星上儀器工作正常。兩顆衛(wèi)星實(shí)際運(yùn)行時(shí)間都遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)壽命：TC-1衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命18個(gè)月，實(shí)際壽命46個(gè)月；TC-2衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命12個(gè)月，實(shí)際壽命48個(gè)月。雙星計(jì)劃的主要科學(xué)任務(wù)是通過(guò)對(duì)地球空間電磁場(chǎng)和帶電粒子的探測(cè)，獲取可靠的科學(xué)數(shù)據(jù)，在研究中取得新的發(fā)現(xiàn)和獲得突破性的理論研究成果。雙星計(jì)劃作為中國(guó)空間科學(xué)的里程碑，2010年獲“國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)”，同時(shí)，雙星計(jì)劃和星簇計(jì)劃的團(tuán)隊(duì)獲得國(guó)際宇航科學(xué)院“2010年度杰出團(tuán)隊(duì)成就獎(jiǎng)”。

1總體目標(biāo)

1.1全面了解地球空間環(huán)境聯(lián)鎖變化的物理過(guò)程

探測(cè)近地磁層場(chǎng)和粒子時(shí)空變化的因果關(guān)系，揭示新的現(xiàn)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(fā)機(jī)制，建立符合實(shí)際的磁層空間暴物理模型和預(yù)報(bào)方法，認(rèn)識(shí)地球空間環(huán)境的全球變化過(guò)程，預(yù)計(jì)在這一領(lǐng)域可取得原始性創(chuàng)新成果。

1.2推動(dòng)空間天氣預(yù)報(bào)的發(fā)展

地球空間暴是災(zāi)害性空間天氣的主要表現(xiàn)形式，這正像一般天氣中所說(shuō)的冰雹、暴雨、暴風(fēng)和臺(tái)風(fēng)等那樣。本項(xiàng)研究可為空間天氣預(yù)報(bào)建立理論基礎(chǔ)和提供預(yù)報(bào)方法，推動(dòng)空間天氣預(yù)報(bào)的發(fā)展。

1.3推動(dòng)行星空間環(huán)境比較研究的發(fā)展

空間物理發(fā)展的趨勢(shì)之一，是將地球空間環(huán)境和其他的行星空間環(huán)境結(jié)合起來(lái)，進(jìn)行行星空間環(huán)境的比較研究。太陽(yáng)對(duì)地球空間環(huán)境的影響與太陽(yáng)對(duì)其他行星空間環(huán)境的影響有些相似之處，本項(xiàng)目的研究可為開展行星空間環(huán)境比較研究建立基礎(chǔ)。

1.4帶動(dòng)相關(guān)基本物理問(wèn)題研究的發(fā)展

地球空間暴多尺度結(jié)構(gòu)相互作用的全球過(guò)程，包括一些重要的基本物理問(wèn)題，如無(wú)碰撞激波，無(wú)碰撞等離子邊界層，磁層重聯(lián)，等離子體反常輸運(yùn)，粒子的加速和加熱等。這些物理問(wèn)題，有些是在地面的實(shí)驗(yàn)室中不易研究的。對(duì)這些基本物理問(wèn)題的研究和解決，不但可推動(dòng)空間物理的發(fā)展，而且還可推動(dòng)相關(guān)學(xué)科（如太陽(yáng)物理、磁流體力學(xué)、等離子體物理和磁流體力學(xué)等）的發(fā)展。

2特色和創(chuàng)新點(diǎn)

2.1利用最先進(jìn)的衛(wèi)星探測(cè)數(shù)據(jù)

2001年7月和8月發(fā)射的Cluster計(jì)劃，包括四顆衛(wèi)星，在空間中構(gòu)成四面體結(jié)構(gòu)，其主要?jiǎng)?chuàng)新是能探測(cè)過(guò)去不能實(shí)現(xiàn)的地球空間等離子體環(huán)境的三維中小尺度結(jié)構(gòu)和分辨時(shí)間變化。Cluster和我國(guó)的“地球空間雙星探測(cè)計(jì)劃”相配合，第一次形成地球空間的六點(diǎn)探測(cè)。此外，還利用美國(guó)2000年3月發(fā)射的磁層成像衛(wèi)星、ISTP有關(guān)的探測(cè)數(shù)據(jù)和全球地面觀測(cè)數(shù)據(jù)。

2.2研究?jī)?nèi)容聚焦在當(dāng)前國(guó)際上最具有挑戰(zhàn)性的前沿領(lǐng)域

首次提出用地球空間暴這個(gè)名詞概括地球空間相互聯(lián)系的爆發(fā)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為磁層空間暴，這是當(dāng)前地球空間最具有挑戰(zhàn)性的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。通過(guò)地球空間暴可系統(tǒng)地了解地球空間各層次的連鎖變化過(guò)程。

低能離子
探測(cè)器

高能電子
探測(cè)器

高能質(zhì)子
探測(cè)器

重離子
探測(cè)器

低頻電磁波
探測(cè)器

3應(yīng)用系統(tǒng)

“雙星計(jì)劃”的應(yīng)用系統(tǒng)包括地面應(yīng)用分系統(tǒng)和科學(xué)應(yīng)用分系統(tǒng)兩個(gè)分系統(tǒng)，全部由空間中心牽頭承擔(dān)；雙星計(jì)劃的衛(wèi)星系統(tǒng)中的有效載荷分系統(tǒng)和有效載荷公用設(shè)備分系統(tǒng)兩個(gè)分系統(tǒng)也由空間中心承擔(dān)。雙星計(jì)劃的首席科學(xué)家，空間中心劉振興院士，作為整個(gè)工程項(xiàng)目科學(xué)目標(biāo)的制定者，負(fù)責(zé)處理立項(xiàng)、研制和運(yùn)行階段所有涉及科學(xué)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題的論證，同時(shí)負(fù)責(zé)組織科學(xué)研究工作團(tuán)隊(duì)，制定探測(cè)數(shù)據(jù)的分析和研究計(jì)劃及其實(shí)施。

3.1衛(wèi)星系統(tǒng)有效載荷分系統(tǒng)

在首席科學(xué)家和空間物理探測(cè)器（有效載荷）任務(wù)科學(xué)家（Principle Investigator, PI）需求的指導(dǎo)下，負(fù)責(zé)為兩顆衛(wèi)星各研制8臺(tái)探測(cè)器。其中TC-1（赤道星）星有三臺(tái)國(guó)產(chǎn)的探測(cè)器，5臺(tái)歐空局提供的探測(cè)器；TC-2（極軌星）星有五臺(tái)國(guó)產(chǎn)的探測(cè)器，2臺(tái)歐空局提供的探測(cè)器，1臺(tái)中歐合作研制的探測(cè)器，并負(fù)責(zé)探測(cè)器的標(biāo)定、交付、試驗(yàn)、發(fā)射服務(wù)、在軌測(cè)試及運(yùn)行階段的工程服務(wù)。兩顆衛(wèi)星的探測(cè)器配置如下表，除了TC-1星的主動(dòng)電位控制儀和TC-2星的中性原子成像儀是根據(jù)軌道不同而單獨(dú)設(shè)置的以外，其他各臺(tái)儀器從探測(cè)性能上來(lái)講都是相同的，可以在不同的空間區(qū)域中獲取同類型的物理參數(shù)。

兩顆衛(wèi)星的探測(cè)器配置表如下：

對(duì)歐洲研制和提供的探測(cè)器，為了更好的掌握其先進(jìn)技術(shù)并協(xié)助其更好的提供中方，以及協(xié)調(diào)接口等事宜，同時(shí)也培養(yǎng)隊(duì)伍，有效載荷分系統(tǒng)為每個(gè)歐洲設(shè)備都安排了專人負(fù)責(zé)。

3.2有效載荷公用設(shè)備分系統(tǒng)

為有效載荷設(shè)備供配電，并為歐空局的有效載荷設(shè)備提供二次電源；根據(jù)飛行任務(wù)和地面遙控指令進(jìn)行自主運(yùn)行控制和數(shù)據(jù)管理；接收、處理、分發(fā)和執(zhí)行由星務(wù)管理系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)的地面遙控指令和其它上行數(shù)據(jù)；采集、處理、存儲(chǔ)和傳輸星上各有效載荷的工程參數(shù)和科學(xué)探測(cè)數(shù)據(jù)，并通過(guò)高速數(shù)傳通道和衛(wèi)星遙測(cè)通道發(fā)送至地面；轉(zhuǎn)發(fā)星載基準(zhǔn)時(shí)間和飛行參數(shù)，為歐空局的有效載荷設(shè)備提供實(shí)驗(yàn)所需的服務(wù)信號(hào)；提供S波段高速數(shù)傳通道，下行有效載荷的工程參數(shù)和科學(xué)探測(cè)數(shù)據(jù)；在有效載荷系統(tǒng)發(fā)生局部故障的情況下，進(jìn)行故障檢測(cè)、隔離和系統(tǒng)重構(gòu)。

為了完成上述任務(wù)，有效載荷公用設(shè)備分系統(tǒng)將研制統(tǒng)一的電源、數(shù)管和數(shù)傳設(shè)備，將星上分散的各有效載荷有機(jī)地連接起來(lái)，構(gòu)成相對(duì)獨(dú)立的有效載荷系統(tǒng)，統(tǒng)一與衛(wèi)星聯(lián)接，以減少衛(wèi)星平臺(tái)技術(shù)狀態(tài)的變化。這個(gè)分系統(tǒng)面臨的重大難題是歐空局提供的載荷幾乎全部是CLUSTER II現(xiàn)有正樣產(chǎn)品，其總線方式為比較老式的OBDH總線，數(shù)據(jù)格式也不能再更改了，因此，需要在充分了解對(duì)方設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，作出適應(yīng)性的設(shè)計(jì)，同時(shí)還要保證與衛(wèi)星接口的標(biāo)準(zhǔn)化并具有通用性和繼承性。

有效載荷公用設(shè)備分系統(tǒng)由載荷配電器、有效載荷總線控制器、遠(yuǎn)置終端、大容量存儲(chǔ)器、高速多路復(fù)接器、S波段發(fā)射機(jī)A和S波段發(fā)射機(jī)B共六種七臺(tái)設(shè)備。完成設(shè)計(jì)、與有效載荷的對(duì)接試驗(yàn)驗(yàn)證、交付、試驗(yàn)、發(fā)射服務(wù)、在軌測(cè)試及運(yùn)行階段的工程服務(wù)等各項(xiàng)工程任務(wù)。

總線控制器

遠(yuǎn)置終端

大容量
存儲(chǔ)器

高速多路復(fù)接器

載荷配電器

發(fā)射機(jī)A

3.3雙星地面應(yīng)用系統(tǒng)

開展雙星業(yè)務(wù)測(cè)控和有效載荷的在軌運(yùn)行管理工作，負(fù)責(zé)探測(cè)數(shù)據(jù)的接收、處理、存儲(chǔ)管理、數(shù)據(jù)分發(fā)工作；對(duì)探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，生成一定級(jí)別的數(shù)據(jù)產(chǎn)品提供給雙星科學(xué)應(yīng)用分系統(tǒng)；根據(jù)雙星的科學(xué)探測(cè)計(jì)劃，制定測(cè)控實(shí)施大綱和細(xì)則，協(xié)調(diào)雙星有效載荷的工作模式；負(fù)責(zé)雙星有效載荷業(yè)務(wù)測(cè)控的指令生成，與西安衛(wèi)星測(cè)控中心相互配合完成對(duì)衛(wèi)星的業(yè)務(wù)測(cè)控工作以及負(fù)責(zé)雙星有效載荷的地面綜合檢測(cè)設(shè)備研究和測(cè)試工作。

雙星地面應(yīng)用系統(tǒng)分系統(tǒng)的特點(diǎn)是：是以我國(guó)載人航天應(yīng)用系統(tǒng)有效載荷應(yīng)用中心為基礎(chǔ)的一個(gè)衛(wèi)星的業(yè)務(wù)管理和應(yīng)用支持系統(tǒng)，也是一個(gè)多任務(wù)的空間科學(xué)地面應(yīng)用支持系統(tǒng)，它要同時(shí)支持我國(guó)的載人航天任務(wù)和雙星任務(wù)（TC-1、TC-2）；第一次支持遠(yuǎn)地點(diǎn)距離超過(guò)10個(gè)地球半徑的大橢圓軌道的衛(wèi)星地面業(yè)務(wù)運(yùn)行管理；將雙星的業(yè)務(wù)運(yùn)行支持和科學(xué)研究分析緊密結(jié)合無(wú)論是在發(fā)射前，還是在軌業(yè)務(wù)運(yùn)行過(guò)程中，雙星計(jì)劃的科學(xué)家們都將始終與工程師們緊密配合?？茖W(xué)家將會(huì)根據(jù)雙星的科學(xué)目標(biāo)及時(shí)制定探測(cè)目標(biāo)和探測(cè)計(jì)劃，而作為技術(shù)支持的工程師們則會(huì)全力滿足科學(xué)家們的要求，及時(shí)確定衛(wèi)星工作狀態(tài)，以獲得更多的科學(xué)成果。

3.4雙星計(jì)劃科學(xué)應(yīng)用分系統(tǒng)

根據(jù)雙星計(jì)劃的科學(xué)目標(biāo)，對(duì)各系統(tǒng)提出滿足科學(xué)目標(biāo)的技術(shù)要求，并配合有關(guān)技術(shù)專家解決與科學(xué)有關(guān)的技術(shù)問(wèn)題；配合雙星地面應(yīng)用分系統(tǒng)和雙星有效載荷分系統(tǒng)，監(jiān)視任務(wù)執(zhí)行情況和儀器工作狀態(tài)，提供有效載荷探測(cè)計(jì)劃；向地面應(yīng)用分系統(tǒng)提供長(zhǎng)期、中期、短期的探測(cè)計(jì)劃；承擔(dān)科學(xué)數(shù)據(jù)快速抽查和科學(xué)衛(wèi)星運(yùn)行演示；承擔(dān)科學(xué)數(shù)據(jù)的標(biāo)定和上網(wǎng)快速顯示文件及圖形制作，并進(jìn)行科學(xué)數(shù)據(jù)的快速顯示；進(jìn)行各類科學(xué)數(shù)據(jù)與歐空局相關(guān)數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)歸檔和管理；承擔(dān)科學(xué)數(shù)據(jù)產(chǎn)品PP、SP的生成，以及科學(xué)數(shù)據(jù)的有效化；數(shù)據(jù)分發(fā)，數(shù)據(jù)公布，提供用戶界面；雙星計(jì)劃對(duì)外科學(xué)宣傳工作；協(xié)助首席科學(xué)家承擔(dān)雙星計(jì)劃科學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)的日常工作及其布置的任務(wù)，組織雙星科學(xué)工作隊(duì)有關(guān)專家進(jìn)行科學(xué)數(shù)據(jù)分析、科學(xué)和應(yīng)用研究；開展雙星科學(xué)數(shù)據(jù)的國(guó)內(nèi)外科學(xué)合作研究。

3.5雙星計(jì)劃技術(shù)總體

由空間中心負(fù)責(zé)，側(cè)重從技術(shù)方面協(xié)調(diào)各分系統(tǒng)之間的接口，并負(fù)責(zé)與衛(wèi)星系統(tǒng)以及工程其他系統(tǒng)的技術(shù)協(xié)調(diào)，大型試驗(yàn)的安排和準(zhǔn)備。同時(shí)，總體還直接負(fù)責(zé)三個(gè)專項(xiàng)：磁強(qiáng)計(jì)和波探測(cè)器伸桿專項(xiàng)；磁測(cè)與磁控專項(xiàng)以及輻射環(huán)境計(jì)算專項(xiàng)。因此，技術(shù)總體是雙星計(jì)劃必不可少的核心技術(shù)機(jī)構(gòu)。

4衛(wèi)星交付與科學(xué)探測(cè)

經(jīng)過(guò)國(guó)家和中國(guó)科學(xué)院主管部門剛剛通過(guò)的評(píng)審和交付驗(yàn)收，認(rèn)為TC-1衛(wèi)星與TC-2衛(wèi)星及CLUSTER四顆衛(wèi)星進(jìn)行很好的聯(lián)合觀測(cè)活動(dòng)。各項(xiàng)科學(xué)探測(cè)儀器工作正常，有效載荷探測(cè)儀器符合科學(xué)目標(biāo)要求。有效載荷公用設(shè)備工作狀態(tài)正常，能夠及時(shí)和有效地采集、存儲(chǔ)和下行探測(cè)數(shù)據(jù)。雙星地面數(shù)據(jù)系統(tǒng)工作正常，指令流和數(shù)據(jù)流暢通。已經(jīng)獲得大量的科學(xué)探測(cè)數(shù)據(jù)（TC-1獲得一級(jí)數(shù)45.45Gb，TC-2獲得一級(jí)數(shù)據(jù)11.51Gb），探測(cè)了輻射帶、北半球的等離子體層、環(huán)電流區(qū)域及近地等離子體片的高緯區(qū)域、北尾瓣、極隙區(qū)、南半球的極光橢圓帶、極蓋區(qū)、環(huán)電流區(qū)和近地等離子體片的粒子沉降區(qū)等重要空間區(qū)域的高能粒子、低能粒子、磁場(chǎng)、波場(chǎng)和中性原子的空間分布和時(shí)間演化過(guò)程，并已取得一些新結(jié)果。

TC-2衛(wèi)星與TC-1衛(wèi)星及CLUSTER四顆衛(wèi)星配合探測(cè)，所獲得的大量觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)于揭示磁層空間暴的物理機(jī)制及其對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)和行星際擾動(dòng)的響應(yīng)過(guò)程具有重要的科學(xué)意義。

5科學(xué)產(chǎn)出與成果

共獲得480GB數(shù)據(jù)，雙星衛(wèi)星科學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)的用戶網(wǎng)頁(yè)（http://www.cddc-dsp.ac.cn/）日均訪問(wèn)量超過(guò)1700次。

雙星計(jì)劃在本領(lǐng)域兩個(gè)頂級(jí)國(guó)際核心期刊Annales Geophysicae和J. Geophysical Research各出版成果專刊一期。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，雙星計(jì)劃2004年3月至2009年2月期間發(fā)表SCI收錄論文104篇，被引用107次，國(guó)際會(huì)議特邀報(bào)告10篇，大會(huì)報(bào)告46篇；申請(qǐng)發(fā)明專利15項(xiàng)，其中12項(xiàng)已獲授權(quán)； 申請(qǐng)實(shí)用新型專利8項(xiàng)，已全部授權(quán)；計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)登記46項(xiàng)。

雙星計(jì)劃2005年被兩院院士評(píng)選為“2004年中國(guó)十大科學(xué)進(jìn)展”，在科學(xué)普及方面產(chǎn)生了重大社會(huì)效益。

雙星計(jì)劃獲得“2010年度國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)”。（相關(guān)新聞報(bào)導(dǎo)）

雙星計(jì)劃和星簇計(jì)劃的團(tuán)隊(duì)獲得國(guó)際宇航科學(xué)院“2010年度杰出團(tuán)隊(duì)成就獎(jiǎng)”。該獎(jiǎng)項(xiàng)是國(guó)際宇航科學(xué)院每年頒布的兩個(gè)主要科技獎(jiǎng)項(xiàng)之一，設(shè)立于2000年，第一次頒布是2001年，授予了俄羅斯和平號(hào)空間站團(tuán)隊(duì)，之后曾分別授予過(guò)包括美國(guó)航天飛機(jī)團(tuán)隊(duì)、SOHO空間計(jì)劃團(tuán)隊(duì)、哈勃空間望遠(yuǎn)鏡團(tuán)隊(duì)等著名空間項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)。由此可見，該獎(jiǎng)是國(guó)際航天領(lǐng)域極高的榮譽(yù)，這也是中國(guó)第一次獲此殊榮。

雙星計(jì)劃填補(bǔ)了我國(guó)空間探測(cè)領(lǐng)域幾十年的空白，開辟了空間科學(xué)衛(wèi)星系列的先河，讓中國(guó)在空間科學(xué)領(lǐng)域在國(guó)際上有了一席之地，展示了我國(guó)的實(shí)力和水平，提高了我國(guó)與歐空局空間合作層次和開拓合作范圍，以及我國(guó)在國(guó)際空間物理界的地位和作用。

雙星計(jì)劃讓世界認(rèn)識(shí)了中國(guó)的空間科學(xué)。