美國空間天氣探測衛星——TIMED

姚好海，蔡夕方，王 睿，郝志娟

海軍海洋水文氣象中心，北京 100161

0 引言

位于地球表層上空大約60km～180km之間的MLTI（散逸層和低熱成層/電離層大氣）區域是地球環境和外層空間的一個通道，很容易受到來自太陽和低層大氣層的影響。由于受探測技術的限制，過去人們從來沒有對全球的MLTI區域進行過全面的研究。地面設備只能觀測到測站上空一小部分上層大氣的情況，而試探性火箭也只能在火箭飛行區域附近迅速拍攝MLTI區域活動的簡單照片，其它衛星也只是部分地研究MLTI區域。

為了針對MLTI區域進行全面深入的研究，美國約翰斯霍普金斯大學應用物理實驗室成功地研制了熱成層—電離層—散逸層—能量學與動力學衛星（TIMED）。該衛星于2001年12月7日太平洋標準時間早上7：07（美國東部時區10：07）在加利福尼亞州范登堡空軍基地的德耳塔二號發射臺成功發射。TIMED在發射后的兩個小時零五分成功進入預定軌道。其主要目的是了解能量是如何在地球大氣層中的散逸層和低熱成層/電離層（MLTI）之間轉移的，以及導致這一現象的基本因素（例如：壓力、溫度和風）。 TIMED是第一個獲得全球MLTI區域照片的衛星。

TIMED衛星啟用了先進的遙感技術，針對相關尚未探測過的外層空間大氣進行全球觀測，分析MLTI區域的多種能量的輸入輸出的直接測量方法并研究其中風、密度和溫度等元素的測量方法。這些測量方法將為科學家更好地了解該區域能量平衡提供重要的有參考價值的數據。

本文主要介紹了TIMED衛星的地面系統和衛星系統是如何緊密協調工作的；詳細介紹了衛星攜帶的儀器設備的工作原理和主要技術性能。

圖1 TIMED衛星工作示意圖

1 TIMED衛星系統工作原理

TIMED地面系統已具備了與空間站聯系的所有常規設備，例如操作中心和地面站點。但是TIMED當初為流線型任務而設計成空間—地面核心系統的，因此，通過這個地面系統科學家可以全面地了解到衛星上組成相應系統的一系列組成設備的情況。

圖2具體描述了這一綜合系統是如何緊密聯系在一起工作的。圖的左側是衛星部分，右側是地面系統部分。當衛星和地面兩個系統相互傳輸數據資料時，由于它們之間的物理距離相距遙遠而使系統操縱變得復雜。

圖2 TIMED衛星系統終端對終端的數據傳輸流程圖

在圖2中綠色的外部循環圈里，右側的一方框內描述的是皮露德操作中心（POC）的工作人員正在操作一臺計算機。命令可以以信息包的方式通過POC的系統網絡計算機發送出去；信息包由APL的任務操作中心（MOC）的系統網絡計算機接收，待確認該信息包中的操作命令可行后，立即通過衛星無線電發送裝置發送到衛星上的數據命令處理系統（C&DH）。C&DH系統自動將命令傳輸到執行命令的儀器上，這個儀器把收集到的科學數據輸入到與APL的數據任務中心（MDC）互通的遙感勘測信息包中。下行線啟用時可以將其遙感勘測信息包傳回到地面的MDC。兩天之內，在POC或其它地方都可以通過網絡以信息包文件或是以連續信息流的方式接受到信息包。此時，操作人員可以第一時間看到信息包；當MDC將所有遙感勘測信息存檔并公布后，它將成為歷史數據流資料。

仔細觀察內部紅色的循環流程，幾乎全部的系統設備連接器都是為了使載有衛星信息包的“傳輸公車”能暢通無阻。而在這輛“傳輸公車”里正好提供了通往地面系統的四個設備站所必需的“通行證”。在這部分循環流程中，MOC的任務專家為“傳輸公車”輸入診斷測試命令信息包后，這輛“傳輸公車”就可以將其傳回到MOC進行驗證。

通過總結這一系統構造的基本特征，我們可以看到“傳輸公車”和設備數據在整個系統的上行線和下行線的服務器上是無處不在、不可或缺的；由于這些服務器都是完全獨立操作的，這樣就降低了“傳輸公車”和設備操作員之間日常繁瑣的協調工作。在整個過程中系統設備連接器充當了可靠的信息存儲器的作用，同時也簡化了操作流程。

圖3是地面系統設備之間內部聯系流程圖。衛星和地面之間是通過APL地面主站或是其中一個備用地面網絡站保持通信的。圖中所示的地面支持設備（GSE）是衛星發射前測試的特殊設備。紅色和綠色標注的流行線代表的是任務操作所需的命令信息和遙感勘測信息的傳輸線。

圖3 TIMED地面系統結構圖

圖3所示的科學數據系統（SDS）是地面系統的一個特殊部分，TIMED衛星探測的所有科學數據分析都是在這里執行的。圖上所示的四個POC設備實際上可以分為兩個部分，一個是任務操作（MO），另一個是數據分析（DA）。綠色和紫色流線所示的是許多相關設備通過網絡進行數據互換的流程。

2 TIMED衛星攜帶的儀器設備

TIMED衛星的儀器裝置是由四組先進的高精度儀器設備緊密結合組成的。包括全球紫外線成像儀（GUVI）、用于大氣探測的寬帶輻射計（SABER）、太陽遠紫外輻射儀（SEE）、TIMED多普勒干涉儀（TIDI）。這些設備的技術性能在TIMED衛星上得到了充分的利用（如圖4)。

圖4 TIMED衛星攜帶的儀器：全球紫外線成像儀（GUVI）；寬帶輻射計（SABER）；太陽遠紫外輻射儀（SEE）；TIMED多普勒干涉儀（TIDI）

2.1 全球紫外線成像儀（GUVI）

GUVI是設計用來觀察地球上層大氣層中紫外光發熱情況的。利用GUVI，科學家可以更好地了解該層大氣的各種屬性。眾所周知，上層大氣層承受著雙層外界的影響，太陽因素的各類變化和來自近地球表面大氣層的內部運動等都會對其產生影響。

GUVI經常用來測量太陽給上層大氣層帶來的能量，在該區域內紫外光使各原子和分子電離化。而該層地球大氣層正是極光和電流的集聚地；當磁能風暴來臨之際，它們會加熱該層大氣。地球上的無線電波正是通過該層大氣反射回來，從而實現了遠距離的無線電通信。

GUVI通過分析上層大氣遠紫外線光譜來測量MLTI區域內的成分，確定溫度參數以及極光能量的輸入。目前，GUVI觀察著來自地球上層大氣的遠紫外光資源，例如極光等；而且用計數法測定由大氣層發射出來的光的微粒或是光子的放射性強度。實際上，GUVI是第一部能夠觀測到上層大氣層成分變化的儀器。

GUVI每隔一個半小時就在全球范圍內對MLTI區域內觀測到的極光和其它紫外光源進行一次搜尋，在這段時間內衛星正好繞地球軌道一圈。衛星每繞一圈，GUVI都會收集到關于白天、晚上和極光的一些觀測資料。科學家依靠先進的光學設備可以在第一時間內極其詳細地觀察到來自太空的光，并且針對上層大氣層成分的變化制作出相應的觀測圖。

2.2 寬帶輻射計（SABER）

SABER是一種多波段紅外線輻射計，用來測量某海拔高度上大氣層和光散發的熱量。其主要科學目標是：1）探索MLTI區域內能量的平衡；2）隨著海拔高度的變化，大氣的溫度、密度和氣壓是如何變化的；3）由氫氧兩種元素組成的重要氣體的化學變化；4）空氣流動或是大氣層間的動學原理（低海拔地區到高海拔地區、極地到赤道和東西方向所構成的三維空間）。同時，也測量大氣冷卻源，例如能量被反射回太空時所產生的“空氣光”等。

在寬帶輻射計SABER發明之前，人們還從未如此詳細地研究過大氣層的MLTI區域。SABER每58秒就會把地球表面搜索一遍，收集大約海拔180km（合計112英里）以上區域大氣的數據資料，同時觀測基本大氣元素，例如臭氧、水蒸氣、二氧化碳和氮氫氣體及其溫度的垂直分布狀況。

衛星每環繞地球一周，SABER就會一直從南（北）半球的極地地區到北（南）半球高緯度地區沿路觀察。SABER每天會對15個經度帶進行探測。在整個任務過程中，SABER可以收集到全球性的關于MLTI區域隨海拔、經緯度和時間不同而產生變化的觀測圖。

通過對SABER觀測結果的分析，科學家發現了一個新的輻射平衡區域。在一個分子微粒稀少的低層大氣層中，放射物和化學物質有明顯的不同，科學家可以得到相關的測量數據。

二氧化碳是一種由自然排放、發熱而燃燒化石燃料、電能產物和一系列工業加工而產生的溫室氣體，它由地球表面上升到地球上層大氣中，對大氣環境有非常大的影響。SABER是第一個測量出MLTI區域二氧化碳全球分布狀況的儀器。如今，SABER正在研究含氮氧化物的放射性物質，科學家預測它是一種能“冷卻”MLTI區域的重要氣體之一。

2.3 太陽遠紫外輻射儀（SEE）

SEE是由一個分光計和一組光度計組成的，用來觀測太陽紫外放射線。太陽紫外放射線是MLTI區域的主要能量來源。SEE所觀測的太陽紫外放射線主要有：太陽軟X射線（比醫學中所指的傳統X射線所含的能量要少）和遠紫外放射線。

SEE的主要作用是觀測太陽紫外線，研究它是如何變化以及如何影響大氣層的以及如何加熱大氣層致使大氣層的成分發生改變的。同時，概括太陽各類變化的指標，建立相關索引，以便在TIMED任務終結后，科學家也能了解到在MLTI區域內太陽紫外線的變化。

衛星每環繞地球一次，SEE會在能看見太陽全景的情況下大約連續觀察太陽三分鐘。SEE還可以通過大氣層觀察到“日出”，可幫助科學家測量出大氣層的密度。SEE所收集的太陽觀測資料可以觀察到太陽能量或放射物的變化，它們是波長作用以及波長隨著時間的變化而產生的。

2.4 TIMED多普勒干涉儀（TIDI）

TIDI在全球范圍內觀察MLTI區域的風和溫度參數。通過觀察由大氣層中獨立化學元素（氧原子、氧分子、氫氧氣體和鈉）所發出的光的顏色的細微變化，科學家可以測量出大氣層中風的速度及其方向。

TIDI使用了一個超強性能的光學元件，可以非常精確地測量出光的顏色和波長。它的四個望遠鏡同時在垂直方向內對光進行觀測，其中兩個在衛星前側成45度角，另外兩個在衛星后側成135度角。因此，所得出的觀測資料是非常精確的，且敏感度也很強。

同衛星上所有其它設備一樣，在整個任務過程中TIDI將連續不斷地收集數據資料，最大程度上利用好大氣中的可見光。

3 前景展望

美國國家航空航天局和美國國家科學基金會正在共同發起策劃一項合作計劃，使TIMED衛星工作小組與其他正在研究MLTI區域的科學協會緊密合作。這樣他們就可以充分利用地面系統和太空系統，發揮數據同化和數值模擬帶來的優勢。這個合作計劃的一個最重要的貢獻就是補充了TIMED衛星計劃所欠缺的地面數據資料。

地面系統參與者也能觀察到一些TIMED衛星將要在MLTI區域內觀察到的相同的大氣現象，例如極光、風和溫度及其成分的變化。但是由于地面站點數量及其位置的局限性和每一站點只能提供單站數據資料。因此，要想獲得全球范圍內的MLTI區域資料還是只能通過TIMED衛星。衛星和地面站正一起合作分析相關數據在時間地點上的變化，以確保TIMED任務中所提供的數據具備最高的精確度。

[1]軍事空間天氣.中國軍事百科全書（第二版），2010，1.

[2]焦維新.空間天氣學.氣象出版社，2003，1.

[3]http://www.timed.jhuapl.edu.

[4]NASA`s Solar Terrestrial Probes program.