[科普中国]-挑战性小卫星有效载荷卫星

卫星概况

CHAMP(CHAllenging Minisatellite Payload)计划是由德国空间管理局支持，GFZ(GeoForschungs Zentrum Potsdam)的科学家于1994年提出的小卫星计划，主要用以改善地球重力场和磁场模型。CHAMP卫星于2000年7月15日12:00UTC在俄罗斯的Plesetsk(62.5°N，40.3°E)用COSMOS火箭发射升入454km高的第一轨道(圆轨道)；并于2001年2月11日实现第一次掩星观测。经过几年的运行，现在已经有高质量的数据和分析结果。卫星设计寿命为5年，用户可以有多年高精度数据流用以地球科学和大气科学的研究。从2001中期开始，已经以有效且友好的方式向广大用户发送各种观测类型、各种层次的观测数据，其中包括：轨道和重力处理系统(SOS-OG)、电磁场处理系统(SOS-ME)、及大气/电离层剖面系统(SOS-AP/IP)。从事地球科学和大气研究的用户可得到连续几年的高精度数据流。2

主要性能参数CHAMP卫星主体为正四棱体，长约4.3m，高0.75m，下底边宽约1.6m，上底边宽0.4m，卫星从底部伸出一个长约4m的悬臂，指向卫星飞行方向。CHAMP卫星性能指标见下表。2

|| || CHAMP卫星性能指标

有效载荷CHAMP卫星主要有效载荷包括“双频高精度GPS接收机”、“空间三轴加速度计”、“先进恒星罗盘”、“磁强计组合系统”、“数字离子偏流计和激光后向反射器”等。

“双频高精度GPS接收机”由NASA喷气推进实验室(JPL)研制．定位精度可达厘米级．它配备4副接收天线，1副指向天顶方向，1副指向天底方向，2副指向卫星尾部，具有跟踪、掩星和测高3种工作模式。

“空间三轴加速度计”由法国国家航空航天研究局(ONERA)研制，目标是测量卫星受到的所有非重力加速度(阻力、太阳和地球辐射压)，高精度地确定地球重力场变化对卫星轨道的影响．1

“先进恒星罗盘”由丹麦技术大学研制，为卫星和星上仪器提供姿态基准：CHAMP卫星采用2部“先进恒星罗盘系统”，每部由2台相机和1个共用的数据处理单元组成，2部先进恒星罗盘分别安装在悬臂和卫星本体上 安装在悬臂上的“先进恒星罗盘”提供磁场矢量测量所需的高姿态精度；安装在卫星本体上的“先进恒星罗盘”提供空间三轴加速度计和数字离子偏流计高姿态精度。1

“磁强计组合系统”由1部“质子旋进磁强计”、2部“磁通门矢量磁力仪”以及为“磁通门矢量磁力仪”提供姿态信息的星敏感器组成。“质子旋进磁强计”由法国研制，其动态测量范围16000～64000nT，分辨率0.1 nT，绝对精度0.5nT，取样速率1Hz。

“数字离子偏流计”由美国空军研究实验室提供，用于测量卫星周转离子的速度矢量，以及离子密度与温度．利用电场、离子漂移速度和磁场的关系可获得当地的电场强度．“数字离子偏流计”质量2.3kg，几何尺寸150mm×128mm×112mm，功率5W。1

“激光后向反射器”由德国地球科学研究中心研制，用于地面对卫星的精确跟踪与测距。“激光后向反射器”由4个激光反射器组成，用于反射地面激光测距站发射的激光脉冲，地面激光脉冲持续时间35～100ps，测距精度2cm。

科学任务CHAMP卫星的主要科学任务有：

(1)重力研究方面：由GPS星座完成低轨道卫星轨道摄动的连续、精确监测。低轨道卫星上载有高精度的新一代GPS接收器、用于测量表面重力加速度的高精度三轴加速度计，同时有一对确定飞船姿态的摄像装置。

(2)磁场研究方面：卫星搭载一个用于测量环境磁场三个分量的高性能磁通门磁力仪、一对用于测定星体姿态的摄像头、标量磁力仪。2

(3)大气层和电离层研究方面：用于观测重力和磁场的仪器同时组成一个很强的传感器组，它可用于相关的地球中性大气层和电离层参数的测量：从GPS/CHAMP无线电掩星测量，可以推导出大气的温度和水汽分布；数字离子漂移计，用于测量电场；GPS/CHAMP掩星也可确定电离层中的电子密度分布，高分辨率的加速度计可确定CHAMP轨道上的大气密度变化。2

CHAMP计划也使用JPL提供的BlackJack GPS接收机，它的后向高增益、螺旋形、多方位天线(相比GPS/MET增加5db)提高了信号的质量，从而使先进的信号跟踪技术得以应用。从2001年2月11日，第一次接收到了CHAMP卫星的掩星测量数据，到2001年2月底的3000个剖面中，并对438个剖面作了比较(其中55%达到lkm以下的高度)。从反演的结果与相应ECMWF数据比较中看出两者具有很好的一致性。对流层顶以上的温度偏差小于1K(标准偏差在1.5左右)，高于北纬30°地区12～209m高度上偏差要小于0.5K，目前每天能提供230个左右0～50km的观测序列，垂直分辨率在低对流层为0.5km，到平流层为1.5km，在沿轨迹的分辨率为数百千米。目前已经实现地面和空间资料处理，以及德国天气预报服务同化的自动化处理(Wickea et a1．2001)。从短期上讲，CHAMP的数据将有助于改善GPS无线电掩星技术和提高对流层的回归算法技术；从长期上讲，将有利于增强全球气候变化的研究能力。2