地球空間雙星探測計劃

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日地系統(tǒng)和地球磁層結(jié)構(gòu)圖

“地球空間雙星探測計劃”（簡稱雙星計劃）是我國第一次以自主提出的空間探測計劃進(jìn)行國際合作的重大科學(xué)探測項目，是國家民用航天“十五”計劃中設(shè)立的重點科學(xué)探測衛(wèi)星計劃，是國家第一次以明確的空間科學(xué)問題列入的衛(wèi)星型號。中國科學(xué)院是衛(wèi)星的用戶單位，工程代號為“TC-1、TC-2”。2001年7月9日中國航天局與歐空局正式簽署了雙星計劃合作協(xié)議。歐空局方面提供8臺代表當(dāng)今水平的空間探測儀器，并在衛(wèi)星研制過程中的一些關(guān)鍵技術(shù)問題上提供幫助。

雙星計劃包括兩顆衛(wèi)星：近地赤道區(qū)衛(wèi)星（TC-1）和極區(qū)衛(wèi)星（TC-2），運行于目前國際上地球空間探測衛(wèi)星尚未覆蓋的近地磁層活動區(qū)。這兩顆衛(wèi)星相互配合，形成了獨立的具有創(chuàng)新和特色的地球空間探測計劃。雙星計劃與歐空局的“星簇計劃（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器對地球空間進(jìn)行“六點”探測，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)入運行階段。星上儀器工作正常。兩顆衛(wèi)星實際運行時間都遠(yuǎn)超設(shè)計壽命：TC-1衛(wèi)星設(shè)計壽命18個月，實際壽命46個月；TC-2衛(wèi)星設(shè)計壽命12個月，實際壽命48個月。雙星計劃的主要科學(xué)任務(wù)是通過對地球空間電磁場和帶電粒子的探測，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。雙星計劃作為中國空間科學(xué)的里程碑，2010年獲“國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎一等獎”，同時，雙星計劃和星簇計劃的團(tuán)隊獲得國際宇航科學(xué)院“2010年度杰出團(tuán)隊成就獎”。

1總體目標(biāo)

1.1全面了解地球空間環(huán)境聯(lián)鎖變化的物理過程

探測近地磁層場和粒子時空變化的因果關(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，建立符合實際的磁層空間暴物理模型和預(yù)報方法，認(rèn)識地球空間環(huán)境的全球變化過程，預(yù)計在這一領(lǐng)域可取得原始性創(chuàng)新成果。

1.2推動空間天氣預(yù)報的發(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的冰雹、暴雨、暴風(fēng)和臺風(fēng)等那樣。本項研究可為空間天氣預(yù)報建立理論基礎(chǔ)和提供預(yù)報方法，推動空間天氣預(yù)報的發(fā)展。

1.3推動行星空間環(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，進(jìn)行行星空間環(huán)境的比較研究。太陽對地球空間環(huán)境的影響與太陽對其他行星空間環(huán)境的影響有些相似之處，本項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帶動相關(guān)基本物理問題研究的發(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(lián)，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(fā)展，而且還可推動相關(guān)學(xué)科（如太陽物理、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

2.1利用最先進(jìn)的衛(wèi)星探測數(shù)據(jù)

2001年7月和8月發(fā)射的Cluster計劃，包括四顆衛(wèi)星，在空間中構(gòu)成四面體結(jié)構(gòu)，其主要創(chuàng)新是能探測過去不能實現(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，第一次形成地球空間的六點探測。此外，還利用美國2000年3月發(fā)射的磁層成像衛(wèi)星、ISTP有關(guān)的探測數(shù)據(jù)和全球地面觀測數(shù)據(jù)。

2.2研究內(nèi)容聚焦在當(dāng)前國際上最具有挑戰(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)問題。通過地球空間暴可系統(tǒng)地了解地球空間各層次的連鎖變化過程。

低能離子
探測器

高能電子
探測器

高能質(zhì)子
探測器

重離子
探測器

低頻電磁波
探測器

3應(yīng)用系統(tǒng)

“雙星計劃”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)兩個分系統(tǒng)，全部由空間中心牽頭承擔(dān)；雙星計劃的衛(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)兩個分系統(tǒng)也由空間中心承擔(dān)。雙星計劃的首席科學(xué)家，空間中心劉振興院士，作為整個工程項目科學(xué)目標(biāo)的制定者，負(fù)責(zé)處理立項、研制和運行階段所有涉及科學(xué)目標(biāo)實現(xiàn)的問題的論證，同時負(fù)責(zé)組織科學(xué)研究工作團(tuán)隊，制定探測數(shù)據(jù)的分析和研究計劃及其實施。

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臺探測器。其中TC-1（赤道星）星有三臺國產(chǎn)的探測器，5臺歐空局提供的探測器；TC-2（極軌星）星有五臺國產(chǎn)的探測器，2臺歐空局提供的探測器，1臺中歐合作研制的探測器，并負(fù)責(zé)探測器的標(biāo)定、交付、試驗、發(fā)射服務(wù)、在軌測試及運行階段的工程服務(wù)。兩顆衛(wèi)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(jù)軌道不同而單獨設(shè)置的以外，其他各臺儀器從探測性能上來講都是相同的，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)星的探測器配置表如下：

對歐洲研制和提供的探測器，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，同時也培養(yǎng)隊伍，有效載荷分系統(tǒng)為每個歐洲設(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、存儲和傳輸星上各有效載荷的工程參數(shù)和科學(xué)探測數(shù)據(jù)，并通過高速數(shù)傳通道和衛(wèi)星遙測通道發(fā)送至地面；轉(zhuǎn)發(fā)星載基準(zhǔn)時間和飛行參數(shù)，為歐空局的有效載荷設(shè)備提供實驗所需的服務(wù)信號；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、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，構(gòu)成相對獨立的有效載荷系統(tǒng)，統(tǒng)一與衛(wèi)星聯(lián)接，以減少衛(wèi)星平臺技術(shù)狀態(tài)的變化。這個分系統(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，需要在充分了解對方設(shè)計的基礎(chǔ)上，作出適應(yīng)性的設(shè)計，同時還要保證與衛(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共六種七臺設(shè)備。完成設(shè)計、與有效載荷的對接試驗驗證、交付、試驗、發(fā)射服務(wù)、在軌測試及運行階段的工程服務(wù)等各項工程任務(wù)。

總線控制器

遠(yuǎn)置終端

大容量
存儲器

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)測控和有效載荷的在軌運行管理工作，負(fù)責(zé)探測數(shù)據(jù)的接收、處理、存儲管理、數(shù)據(jù)分發(fā)工作；對探測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，生成一定級別的數(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)探測計劃，制定測控實施大綱和細(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)測控的指令生成，與西安衛(wèi)星測控中心相互配合完成對衛(wèi)星的業(yè)務(wù)測控工作以及負(fù)責(zé)雙星有效載荷的地面綜合檢測設(shè)備研究和測試工作。

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

3.4雙星計劃科學(xué)應(yīng)用分系統(tǒng)

根據(jù)雙星計劃的科學(xué)目標(biāo)，對各系統(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)，提供有效載荷探測計劃；向地面應(yīng)用分系統(tǒng)提供長期、中期、短期的探測計劃；承擔(dān)科學(xué)數(shù)據(jù)快速抽查和科學(xué)衛(wèi)星運行演示；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；雙星計劃對外科學(xué)宣傳工作；協(xié)助首席科學(xué)家承擔(dān)雙星計劃科學(xué)指導(dǎo)委員會的日常工作及其布置的任務(wù)，組織雙星科學(xué)工作隊有關(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)的國內(nèi)外科學(xué)合作研究。

3.5雙星計劃技術(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)，大型試驗的安排和準(zhǔn)備。同時，總體還直接負(fù)責(zé)三個專項：磁強計和波探測器伸桿專項；磁測與磁控專項以及輻射環(huán)境計算專項。因此，技術(shù)總體是雙星計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

經(jīng)過國家和中國科學(xué)院主管部門剛剛通過的評審和交付驗收，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)合觀測活動。各項科學(xué)探測儀器工作正常，有效載荷探測儀器符合科學(xué)目標(biāo)要求。有效載荷公用設(shè)備工作狀態(tài)正常，能夠及時和有效地采集、存儲和下行探測數(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)探測數(shù)據(jù)（TC-1獲得一級數(shù)45.45Gb，TC-2獲得一級數(shù)據(jù)11.51Gb），探測了輻射帶、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、波場和中性原子的空間分布和時間演化過程，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，所獲得的大量觀測數(shù)據(jù)對于揭示磁層空間暴的物理機(jī)制及其對太陽活動和行星際擾動的響應(yīng)過程具有重要的科學(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)庫的用戶網(wǎng)頁（http://www.cddc-dsp.ac.cn/）日均訪問量超過1700次。

雙星計劃在本領(lǐng)域兩個頂級國際核心期刊Annales Geophysicae和J. Geophysical Research各出版成果?？黄?。據(jù)不完全統(tǒng)計，雙星計劃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，國際會議特邀報告10篇，大會報告46篇；申請發(fā)明專利15項，其中12項已獲授權(quán)； 申請實用新型專利8項，已全部授權(quán)；計算機(jī)軟件著作權(quán)登記46項。

雙星計劃2005年被兩院院士評選為“2004年中國十大科學(xué)進(jìn)展”，在科學(xué)普及方面產(chǎn)生了重大社會效益。

雙星計劃獲得“2010年度國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎一等獎”。（相關(guān)新聞報導(dǎo)）

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

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

雙星計劃讓世界認(rèn)識了中國的空間科學(xué)。