[科普中国]-地球空间双星探测计划

背景

20世纪前50年，人们对地球外层大气和电离层都所知甚少，更不要说广袤日地空间里的现象。受观测手段的局限主要在地面上对地磙变化的观察，分布全球的地磁台长期观测分析出地磁场的各种变化，并由此反演和推断引起这种变化的外空原因。

早在1931年恰普曼就预见到地球磁场不会伸延到无穷远。1958年第一颗人造地球卫星的发射成功开辟了人类对地球外层空间和行星际直接探测，随着航天技术和空间探测技术飞速发展，人类探测、研究和利用日地空间的能力也有了极大的提高，发现了大量新的现象(地球辐射带、地球弓激波、磁层顶、磁尾和太阳风等)。空间探测的重点已由早期开拓疆土式的空间发现转入深入了解地球空间环境发生复杂物理过程方面。

由于人类居住的地球，因而日地系统是人类活动产生直接影响的天体系统。日地系统包括太阳上层大气、日地行星际空间、地球磁层、地离层和高中层大气，其中地球磁层、电离层和高中层大气又称地球空间。地球空间是被太阳风包围着的、受地球磁场控制的空间区域，也是各种应用卫星、空间站和载人飞船运行的主要空间区域。

地球空间并不是静止的，它在太阳活动的影响下经常处于剧烈的扰动状态中，称为地球空间暴。其中磁层空间暴(包括磁层亚暴，磁暴和磁层粒子暴等)是地球空间暴的最重要部分，也是一些其它地球空间暴的产生源头。在地球两极地共发生的极光就是磁层亚暴的一种表现形式。

这些与人类活动密切相关的磁层空间暴的产生机制和发展十分规律还不为人类所了解。以刘振兴院士为首的中国科学家提出的地球空间双星探测计划的科学目标就瞄准了这一最有挑战性的重大科学问题。5

项目概述中国的地球空间双星探测计划(双星计划)主要用于研究太阳活动，行星际扰动触发磁层空间暴和灾害性地球空间天气的物理过程，进而建立磁层空间暴的物理模型、地球空间环境动态模型和预报方法，为空间活动以及维护人类生存环境提供科学数据和相应对策。6

双星计划是中国与欧洲合作的第一个科学探测卫星项目。按照2001年中国国家航天局和欧空局签署的合作协议，双星计划与欧空局最为重要的磁层探测计划ClusterⅡ密切配合，形成人类历史上第一次对地球空间的六点立体探测，成为国际空间探测计划中的重要组成部分。双星计划还将与国家重大科学工程“东半球空间环境地成综合监测子午链”的科学目标配合，形成中国空间环境的立体监测系统，并与ClusterⅡ卫星和国际上其他科学卫星相配合，在23周太阳峰年及其下降期间的有利时机进行多卫星及地面联合观测。

双星计划将有力地促进中国空间物理学科的发展，推动中国在国际空间领域与其他国家的进一步合作，标志着中国地球空间探测水平又迈上了一个新台阶。5

科学背景太阳系中行星之间巨大的空间被太阳风（太阳喷射出来的超音速带电粒子流）所主宰。幸运地是，地球磁场有能力使我们的星球避免太阳风的侵害。我们可以观察到近地空间一些太阳风与地球磁场交汇的层面与边界。太阳风与地球磁场相互作用的第一个现象就是在地球向阳面空间中产生的冲击波，这个弓形冲击波的形成就像超音速飞机的穿越音障时减速而激发起的音爆轰鸣一样。地球外空间的弓形波层是由于超音速太阳风接近与地球磁场屏障时突然减速而产生的。

在地球磁场保护下的空间区域被称为地球磁层。地球像湍急河水中的一座孤岛一样可以使它周围的粒子流改变方向。当粒子流冲刷过地球时，磁层突然间被塑造成一个大头向太阳方向、尾部（磁尾区）长达数百万公里的蝌蚪形状。磁层空间的边缘称为磁顶层。当太阳活动剧烈时，受到强大太阳风的压力，磁顶层被挤到距地球35.000km的高度。

但是，地球磁场有两个防御薄弱的地方，这就是地球的南极和北极。太阳风的粒子流可以从这两个地方沿着磁力线螺旋下降。当这些带电粒子与上层大气相撞时，就产生了极光现象。

地球空间在太阳活动的影响下经常处于剧烈的扰动状态中，称为地球空间暴。其中磁层空间暴是地球空间暴的最重要部分，也是一些其它地球空间暴的产生源头。这些与人类活动密切相关的磁层空间暴的产生机制和发展规律还不为人类所了解。地球空间双星探测计划的科学目标就瞄准了这一最有挑战性的重大科学问题。5

科学目标双星计划包括两颗小卫星：探测一号卫星（赤道星）和探测二号卫星（极轨星）。探测一号卫星运行于近地点550km、远地点66790 km、公布倾角28.5度的轨道，用于探测近地磁尾区的磁层空间暴过程及向阳而磁层顶区太阳风能量向磁层中的传输过程；探测二号卫星运行于近地点700km、远地点39000km、倾角90度的轨道、用于探测太阳风能量和近地磁尾区能量向极区电离层和高层大气的传输以入电离层粒子向磁层中的传输过程。这两颗小卫星运行于国际上地球空间探测卫星尚未覆盖的重要活动区，相互配合，构成具有明显创新特色的星座式独立探测体系，可以对地球空间暴发生机制和发展规律进行立体探测。6

双星探测数据的接收将由中科院空间科学与应用研究中心密云科学卫星数据地成接收站、上海天方台佘山观测站以及欧洲空间局西班牙卫星数据接收站共同完成。5

卫星简介双星计划中的两颗小卫星均由中国航天东方红卫星公司负责平台研制及卫星组成。中国科学院空间科学与应用研究中心负责研制有效载荷数据的采集、管理与传输以及部分的探测仪器，由欧空局协调的八家欧洲科研制机构负责研制其它探测仪器。

两颗小卫星的有效载荷各由8台探测器组成。这16台探测仪器将进行三维磁场探测，粒子探测，低频电磁波探测和卫星表面电位主动控制。

探测一号卫星质量为335kg，由星体结构、姿控、热控、电源、总体电路、星务、测控、有效载荷等系统组成，设计寿命18个月。在卫星研制中解决了卫星磁洁净度、星体表面等电位、抗辐射等技术难题。该卫星的探测器包括：三分量磁通门磁强计、热离子分析仪、电位主动控制仪、电子和电流仪、高能电子探测器、高能质子探测器、重离子探测器和低频电磁波探测器。

探测二号卫星343kg,设计寿命12个月，构型与探测一号基本相同，只是装载了功能不同的有效载荷，包括三分量磁通门磁强计、中性原子成像仪、电子和电流仪、高能电子探测器、高能质子探测器、重离子探测器、低频电磁波探测器和低能离子探测器。

探测一号卫星于2003年12月30日在西昌卫星发射中心，由长征二号丙SM运载火箭成功发射，探测二号卫星于2004年7月发射升空。5

火箭简介双星计划中的两颗卫星由中国长征二号丙SM运载火箭分2次发射，该型火箭由中国航天科技集团所属的中国运载火箭研究院为主研制，火箭由两级状态的长征二号丙火箭加上固体上面级SM组成，火箭起飞214质量吨，全长39.9米，箭体与整流罩地直径为3.35米。新研制的上面级由主结构、固体发动机、姿控系统、控制系统、分离系统、遥测系统等组成，采用自旋稳定和三轴稳定相结合的姿态控制方式，用于实现卫星的变轨、调姿和起旋，以满足卫星人轨的要求。长征二号丙及其改进型火箭已连续成功发射23次，此次探测二号卫星的顺利升空，创下了长征二号丙火箭系列的第24次成功记录。它的研制成功使长征二号丙系列火箭技术上升了一个新的台阶。5

描述是中国第一次以自己提出的空间探测计划进行国际合作的项目，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—1、TC—2”。2001年7月9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。

“双星计划”包括两颗卫星：近地赤道区卫星和极区卫星，运行于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。2003年12月30日、2004年7月25日分别完成两颗星的发射，卫星相继进入运行阶段。星上仪器正常工作，已获取的探测数据达16.4G，发表了与“双星计划”相关的学术论文65篇（主要是前期预研和理论准备工作），其中SCI论文33篇，在国际会议上报告7次。对“双星计划”探测数据的分析、理论研究和数值模拟工作正在紧锣密鼓地进行，已取得了一批初步的新结果。

“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。7

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。8

特色和创新点2.1 利用最先进的卫星探测数据

2001年7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和中国的“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2000年3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。

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8八台探测器。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。

配置表1 高能电子探测器（中） 高能电子探测器（中）

2 高能质子探测器（中） 高能质子探测器（中）

3 重离子探测器（中） 重离子探测器（中）

4 磁通门磁强计（欧） 磁通门磁强计（欧）

5 电子和电流仪（欧） 电子和电流仪（欧）

6 热离子分析仪（欧） 低能离子探测器（中）

7 磁场波动分析仪（欧） 低频电磁波探测器（中）

8 电位主动控制仪（欧） 中性原子成像仪（欧，中）

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A和S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。

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。

双星地面应用系统分系统的特点是：是以中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，它要同时支持中国的载人航天任务和双星任务（TC-1、TC-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

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PP、SP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。

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。

所获成就论文成果论文专辑

2005年11月出版了欧洲《地球物理杂志（Annales Geophysicae）》专辑。

2008年7月出版了《美国地球物理杂志（ Journal of Geophysics Research ）》专辑。

论文

据不完全统计，至2011年5月底，使用双星或双星-Cluster联合观测数据已发表的研究论文超过150篇，其中SCI论文140多篇。发表的论文被引用500多次。9

专利已获授权的发明专利7项、实用新型专利7项。已受理的发明专利4项、实用新型专利1项。双星有效载荷和应用系统的计算机软件著作权登记证书共40项。

两个计划的联合科学运行引起了国际空间科学界和公众的极大关注，2010年3月，在两会期间，科技日报还对双星计划的科学创新进行了专题报道。

观测成果利用双星及双星、Cluster联合探测数据，取得有代表性的成果有：

1.首次提出了新的亚暴触发的锋面理论并取得了一些创新结果

在双星、Cluster和其他卫星数据分析基础上，首次提出 “电离层风”的新概念；发现来自电离层的电离层风尾向流与来自中磁层的地向流相互作用形成的锋面，对亚暴触发起着关键的作用；首次观测到了亚暴锋面触发的时序演化过程；首次观测到亚暴驱动和触发的整体时序过程；首次观测到近地地向流在11.5Re处的缺失现象；首次观测到了强磁暴期间系列亚暴的锋面触发过程，这对研究磁暴与亚暴的相互影响过程和两者之间的关系提供了新的思路；刘振兴院士提出了磁尾磁场重联“锋面触发”的新概念和新思路，为研究磁尾磁场重联开辟了新的途径。

2. 磁层顶磁场重联观测和研究的主要成果

磁层顶磁场重联，是行星际磁场和地磁场相互连接的过程，是太阳风向地球空间传输质量、动量和能量的主要途径。磁层顶区的磁场重联，对磁层空间暴的发生和发展过程有重要的影响。磁层顶磁场重联主要有两种类型：“反平行”重联和“分量”重联。确立了“分量磁重联”是磁层顶磁重联的主要形态，主要发生在向阳面低纬（一年后美国Phan等通过其他卫星数据获得类似结果）；首次直接观测到行星际磁场北向时向阳面低纬磁重联；首次观测到低纬磁层顶重联扩散区。

首次观测到，反平行重联与分量重联同时发生；首次观测到高纬区南北方向的重联线; 首次获得磁层顶大尺度S-形重联区域形态的观测证据。首次探测到磁层顶低纬分量磁重联成对地产生开放磁通量管，然后分别向南北运动。首次获得磁层顶开放磁通量管大尺度形态及其截面。

3. 辐射带和环电流探测

首次探测到环电流区中性原子的三维分布和带电粒子投掷角的双环结构；首次探测到低频电磁波导致的暴时高能电子通量剧烈减少现象。

4．磁尾等离子体片拍动现象

根据双星和Cluster联合观测分析，首次发现地球磁尾等离子体片存在着拍动现象。

5. 近地太阳风探测

首次发现向阳面弓激波前面的太阳风中存在着大范围的离子洞。

参考资料来源10

最新进展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，认为探测二号卫星与探测一号卫星及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45.45Gb，TC-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，现已取得一些初步的新结果。预期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。