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”（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行國際合作的重大科學探測項目，是國家民用航天“十五”計劃中設立的重點科學探測衛星計劃，是國家第一次以明確的空間科學問題列入的衛星型號。中國科學院是衛星的用戶單位，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議。歐空局方面提供8臺代表當今水平的空間探測儀器，并在衛星研制過程中的一些關鍵技術問題上提供幫助。

雙星計劃包括兩顆衛星：近地赤道區衛星（TC-1）和極區衛星（TC-2），運行于目前國際上地球空間探測衛星尚未覆蓋的近地磁層活動區。這兩顆衛星相互配合，形成了獨立的具有創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。

2003年12月30日、2004年7月25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個月。雙星計劃的主要科學任務是通過對地球空間電磁場和帶電粒子的探測，獲取可靠的科學數據，在研究中取得新的發現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的里程碑，2010年獲“國家科學技術進步獎一等獎”，同時，雙星計劃和星簇計劃的團隊獲得國際宇航科學院“2010年度杰出團隊成就獎”。

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

地球空間暴是災害性空間天氣的主要表現形式，這正像一般天氣中所說的冰雹、暴雨、暴風和臺風等那樣。本項研究可為空間天氣預報建立理論基礎和提供預報方法，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，本項目的研究可為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

2001年7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，第一次形成地球空間的六點探測。此外，還利用美國2000年3月發射的磁層成像衛星、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為磁層空間暴，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。

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應用分系統和科學應用分系統兩個分系統，全部由空間中心牽頭承擔；雙星計劃的衛星系統中的有效載荷分系統和有效載荷公用設備分系統兩個分系統也由空間中心承擔。雙星計劃的首席科學家，空間中心劉振興院士，作為整個工程項目科學目標的制定者，負責處理立項、研制和運行階段所有涉及科學目標實現的問題的論證，同時負責組織科學研究工作團隊，制定探測數據的分析和研究計劃及其實施。

3.1 衛星系統有效載荷分系統

在首席科學家和空間物理探測器（有效載荷）任務科學家（Principle Investigator, PI）需求的指導下，負責為兩顆衛星各研制8臺探測器。其中TC-1（赤道星）星有三臺國產的探測器，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，并負責探測器的標定、交付、試驗、發射服務、在軌測試及運行階段的工程服務。兩顆衛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域中獲取同類型的物理參數。

兩顆衛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技術并協助其更好的提供中方，以及協調接口等事宜，同時也培養隊伍，有效載荷分系統為每個歐洲設備都安排了專人負責。

3.2 有效載荷公用設備分系統

為有效載荷設備供配電，并為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，并通過高速數傳通道和衛星遙測通道發送至地面；轉發星載基準時間和飛行參數，為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。

為了完成上述任務，有效載荷公用設備分系統將研制統一的電源、數管和數傳設備，將星上分散的各有效載荷有機地連接起來，構成相對獨立的有效載荷系統，統一與衛星聯接，以減少衛星平臺技術狀態的變化。這個分系統面臨的重大難題是歐空局提供的載荷幾乎全部是CLUSTER II現有正樣產品，其總線方式為比較老式的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準化并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、有效載荷總線控制器、遠置終端、大容量存儲器、高速多路復接器、S波段發射機A和S波段發射機B共六種七臺設備。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。

總線控制器

遠置終端

大容量
存儲器

高速多路復接器

載荷配電器

發射機A

3.3 雙星地面應用系統

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產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。

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

3.4 雙星計劃科學應用分系統

根據雙星計劃的科學目標，對各系統提出滿足科學目標的技術要求，并配合有關技術專家解決與科學有關的技術問題；配合雙星地面應用分系統和雙星有效載荷分系統，監視任務執行情況和儀器工作狀態，提供有效載荷探測計劃；向地面應用分系統提供長期、中期、短期的探測計劃；承擔科學數據快速抽查和科學衛星運行演示；承擔科學數據的標定和上網快速顯示文件及圖形制作，并進行科學數據的快速顯示；進行各類科學數據與歐空局相關數據中心的數據傳輸，數據歸檔和管理；承擔科學數據產品PP、SP的生成，以及科學數據的有效化；數據分發，數據公布，提供用戶界面；雙星計劃對外科學宣傳工作；協助首席科學家承擔雙星計劃科學指導委員會的日常工作及其布置的任務，組織雙星科學工作隊有關專家進行科學數據分析、科學和應用研究；開展雙星科學數據的國內外科學合作研究。

3.5 雙星計劃技術總體

由空間中心負責，側重從技術方面協調各分系統之間的接口，并負責與衛星系統以及工程其他系統的技術協調，大型試驗的安排和準備。同時，總體還直接負責三個專項：磁強計和波探測器伸桿專項；磁測與磁控專項以及輻射環境計算專項。因此，技術總體是雙星計劃必不可少的核心技術機構。

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，認為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45.45Gb，TC-2獲得一級數據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沉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，并已取得一些新結果。

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 科學產出與成果

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。

雙星計劃在本領域兩個頂級國際核心期刊 Annales Geophysicae和J. Geophysical Research各出版成果?？黄?。據不完全統計，雙星計劃2004年3月至2009年2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 項已獲授權； 申請實用新型專利 8 項，已全部授權；計算機軟件著作權登記 46 項。

雙星計劃2005年被兩院院士評選為“2004年中國十大科學進展”，在科學普及方面產生了重大社會效益。

雙星計劃獲得“2010年度國家科學技術進步獎一等獎”。（相關新聞報導）

雙星計劃和星簇計劃的團隊獲得國際宇航科學院“2010年度杰出團隊成就獎”。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，之后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。

雙星計劃填補了我國空間探測領域幾十年的空白，開辟了空間科學衛星系列的先河，讓中國在空間科學領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。

雙星計劃讓世界認識了中國的空間科學。