衛星姿態對磁層中性原子成像探測的影響

路立+Susan+McKenna-Lawlor2++Jan+Balaz+史建魁+楊垂柏+羅靜

摘 要：適于磁層中性原子成像探測的一般是運行在磁層高度的極軌自旋穩定衛星。利用設置在不同仰角方向的探測器通過衛星自旋進行方位角掃描以實現二維中性原子成像探測。這樣以來，衛星自旋軸的取向就是我們選擇中性原子二維圖像的仰角和方位角分布的依據。為了提高角分辨，我們總是希望把垂直于自旋軸方向的探測器對準主要成像位置。考慮衛星在極區的最佳遙測位置，我們選擇衛星自旋軸垂直于軌道面將最有利于中性原子的成像探測。對于三軸穩定衛星，我們可以利用多組硅條探測器設計二維中性原子成像儀。

關鍵詞：能量中性原子 自旋穩定 三軸穩定

中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）08（c）-0076-03

以往我們對近地空間等離子體的大多數認知都源于對帶電粒子和電磁場的局地測量，它們僅可提供不同空間區域的平均物理圖象。獲取特定狀態下的大視野瞬時圖象以了解磁層全區域的等離子體分布和動力學演化過程是當前空間探測新的發展方向。中性原子成象探測是近年來應用于空間物理探測的高新技術，它利用中性原子在空間運動不受磁場約束的特性可對空間不同區域的能量粒子進行可視化遙感探測，通過反演可以形成空間等離子體分布圖象。對于自旋穩定的衛星，把多個探測器單元沿自旋軸180度仰角排布可使粒子分布圖象覆蓋全空間4π立體角，一幅圖象的最小時間分辨為一個衛星自轉周。探測粒子的能量范圍從幾十個eV到幾百個keV。中性原子成像技術是目前對空間等離子體分布進行可視化遙感的唯一途徑，美國的IMAGE衛星[1-2]（2000—2005）運用中性原子成像技術（HENA，MENA和LENA）[3-5]獲取了第一批中性原子成像的空間探測資料并通過這些探測資料對磁暴過程有了新的認知。我國雙星計劃的極軌衛星[6]（TC-2：2004—2008）上搭載了中歐聯合研制的中性原子成象儀（NUDAU）[7]，并在4年在軌飛行中獲取了大量地磁活動及演化的成像資料，成為雙星計劃中收獲頗豐的載荷之一。

IMAGE和TC-2都是橢圓軌道的極軌自旋穩定衛星。但兩者選取的自旋方向不同，IMAGE的自旋軸垂直于軌道面，而TC-2的自旋軸則垂直于黃道面。我們以極軌自旋穩定衛星為例，從這兩種衛星自旋姿態出發討論對應探測器的物理設計與仿真探測結果。

1 衛星軌道、磁層環電流輻射環境及探測器的物理設計

我們把衛星的軌道設計為極軌大橢圓軌道：對應的軌道傾角為90?，遠地點高度6.677 RE，近地點高度1RE。衛星采用自旋穩定，自旋軸垂直黃道面，或垂直于軌道面；衛星自旋周期為6 s。

環電流區離子通量分布采用磁暴時氫氧離子混合方式給出[8]，其中，H+：40-50 keV，JH=8×105 cm-2s-1sr-1keV-1，O+：68-80 keV，JO=2×104 cm-2s-1 sr-1keV-1。混合離子通量在赤道面上的分布如圖1所示。

針對這樣的輻射環境，如果期望儀器在仰角方向有～6的角分辨，我們給出中性原子成像儀探測方案的物理設計，其中探頭部分如圖2所示：每個傳感器的有效面積為14.2×10 mm2；對應的視窗大小為24×10 mm2；相應的瞄準距離（帶電粒子偏轉距離）為228 mm；這樣每個傳感器的幾何因子為0.0065 cm2sr。

考慮到通常磁暴期間環電流演化過程的時間尺度在30 min以上，以下的探測仿真均按50個衛星自旋周（5 min integration）積分。按這樣的標準進行儀器的物理設計，使得我們既能在環電流演化過程中得到足夠的時間分辨圖像，又能讓仿真圖像的積分效果滿足圖像反演所需的樣本統計標準。

2 衛星自旋軸垂直于黃道面

大多數自旋穩定衛星選擇衛星自旋軸垂直于黃道面，這種自旋姿態便于維護。對于自旋軸垂直于黃道面的衛星，當衛星運行到北極上空，即橢圓軌道的遠地點，這也是ENA成像觀測的最佳位置。我們在圖3中標出30個傳感器的仰角方向，利用衛星自旋可實現對全空間4π立體角的掃描探測。

針對特定的觀測對象，環電流區的中性原子輻射，如圖3所示，只有不到一半的傳感器能夠瞄準探測目標。而且這些傳感器多分布在靠近自旋軸方向，不能將探測目標在ENA象元空間上充分展開（圖4）。試想，對于排布在自旋軸方向上的傳感器，當衛星自旋掃描一周時傳感器在探測空間指向同一位置。圖2中中性原子探測仿真圖像外邊緣的毛刺就反映了衛星自旋時掃描方位角的重疊和跳變。

當衛星運行到南極近地點時，瞄準探測目標的則是另一半傳感器。兼顧衛星在軌道其它位置的觀測，所以我們需要設計4π立體角全空間的監測能力。其實記錄每幅中性原子圖像所使用的傳感器不到傳感器總數的一半。

3 衛星自旋軸垂直于軌道面

只有用于掃描成像的專業衛星，如美國的IMAGE，會選用衛星自旋軸垂直于軌道面的自旋穩定方式。對于掃描成像探測的儀器，它可以減少傳感器排布，提高儀器的空間分辨能力，節省載荷設計空間和質量。這類衛星一般需要用磁力計實現自旋穩定的姿態維護，這將不利于衛星的磁潔凈，會影響到磁強計類的載荷工作。

對于自旋軸垂直于軌道面的衛星，當衛星運行到北極上空，即橢圓軌道遠地點的ENA成像觀測的最佳位置。我們在圖5中標出24個傳感器的仰角方向，利用衛星自旋可實現對空間約3π立體角的掃描觀測。針對特定的觀測對象，環電流區的中性原子輻射，如圖3所示，大部分傳感器都能夠瞄準探測目標。分布在垂直自旋軸方向附近的傳感器能將探測目標在ENA象元空間里充分展開，如圖6，給出了層次清楚、邊緣平滑的中性原子探測仿真圖像。

與上一節類似，在每個衛星自旋周里，只有不到一半的方位角掃描是有效的，其它方向則指向磁層以外空間。但兩者的主要差別在于用于成像傳感器的仰角分布，越接近于垂直自旋軸方向的傳感器，越能有效地展開中性原子成像源的空間分布，對應的等離子體空間分布的反演效果就越好。endprint

4 結語

這里，我們討論了極軌自旋穩定衛星兩種自旋姿態對中性原子成像探測的影響。通過仿真研究，我們傾向于選擇衛星自旋軸垂直于軌道面的自旋穩定方式來滿足中性原子成像探測的掃描需求。但很多時候載荷需要服從衛星計劃的總體科學目標需求，在總體認定的衛星姿態前提下設計最佳載荷探測方案。即便是對于三軸穩定衛星，我們也可以利用多組硅條探測器設計二維中性原子成像儀。當然，三軸穩定衛星受到載荷設計空間的限制，儀器有效視場小，很難跟蹤瞄準磁層環電流類的探測目標。

致謝：本研究由中國科學院空間科學戰略性先導科技專項（XDA04060204）和地震行業科研專項（201008007）資助。

參考文獻

[1] Burch，J.L.，IMAGE Mission Overview，Space Science Reviews[J].IMAGE special issue，2000，91：1-14.

[2] Burley，R.J，S.E.Coyle，J. L.Green，The IMAGE science and mission operations center[J].Space Sci.Rev.，2000，91：483-496.

[3] Mitchell，D.G.，et al.，The High-Energy Neutral Atom （HENA） Imager for theIMAGE mission， Space Science Reviews[J].IMAGE special issue，2000，91：67-112.

[4] Pollock，C.J.，et al.，Medium Energy Neutral Atom（MENA） Imager for the IMAGE Mission， Space Science Reviews[J].IMAGE special issue，2000，91：113-154.

[5] Moore，T.E.，et al.，The Low-Energy Neutral Atom（LENA） Imager Investigation，Space Science Reviews[J].IMAGE special issue，2000，91：155-195.

[6] Liu Z.X.，C.P.Escouber，et al.The double star mission[J].Ann.Geophy，2005：23，2707-2712，

[7] Susan McKenna-Lawlor，et al.Nuclear Inst.& Methods[Z].2004（503）：311-322.

[8] 路立，Susan McKenna-Lawlor，Jan Balaz，史建魁，楊垂柏，羅靜，Karel Kudela，中性原子成像探測的物理設計與仿真[J].空間物理學報，2014，34（3）：341-351.endprint

4 結語

這里，我們討論了極軌自旋穩定衛星兩種自旋姿態對中性原子成像探測的影響。通過仿真研究，我們傾向于選擇衛星自旋軸垂直于軌道面的自旋穩定方式來滿足中性原子成像探測的掃描需求。但很多時候載荷需要服從衛星計劃的總體科學目標需求，在總體認定的衛星姿態前提下設計最佳載荷探測方案。即便是對于三軸穩定衛星，我們也可以利用多組硅條探測器設計二維中性原子成像儀。當然，三軸穩定衛星受到載荷設計空間的限制，儀器有效視場小，很難跟蹤瞄準磁層環電流類的探測目標。

致謝：本研究由中國科學院空間科學戰略性先導科技專項（XDA04060204）和地震行業科研專項（201008007）資助。

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[8] 路立，Susan McKenna-Lawlor，Jan Balaz，史建魁，楊垂柏，羅靜，Karel Kudela，中性原子成像探測的物理設計與仿真[J].空間物理學報，2014，34（3）：341-351.endprint

4 結語

這里，我們討論了極軌自旋穩定衛星兩種自旋姿態對中性原子成像探測的影響。通過仿真研究，我們傾向于選擇衛星自旋軸垂直于軌道面的自旋穩定方式來滿足中性原子成像探測的掃描需求。但很多時候載荷需要服從衛星計劃的總體科學目標需求，在總體認定的衛星姿態前提下設計最佳載荷探測方案。即便是對于三軸穩定衛星，我們也可以利用多組硅條探測器設計二維中性原子成像儀。當然，三軸穩定衛星受到載荷設計空間的限制，儀器有效視場小，很難跟蹤瞄準磁層環電流類的探測目標。

致謝：本研究由中國科學院空間科學戰略性先導科技專項（XDA04060204）和地震行業科研專項（201008007）資助。

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