衛(wèi)星姿態(tài)對(duì)磁層中性原子成像探測(cè)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(cè)的一般是運(yùn)行在磁層高度的極軌自旋穩(wěn)定衛(wèi)星。利用設(shè)置在不同仰角方向的探測(cè)器通過(guò)衛(wèi)星自旋進(jìn)行方位角掃描以實(shí)現(xiàn)二維中性原子成像探測(cè)。這樣以來(lái)，衛(wèi)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(jù)。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(cè)器對(duì)準(zhǔn)主要成像位置。考慮衛(wèi)星在極區(qū)的最佳遙測(cè)位置，我們選擇衛(wèi)星自旋軸垂直于軌道面將最有利于中性原子的成像探測(cè)。對(duì)于三軸穩(wěn)定衛(wèi)星，我們可以利用多組硅條探測(cè)器設(shè)計(jì)二維中性原子成像儀。

關(guān)鍵詞：能量中性原子 自旋穩(wěn)定 三軸穩(wěn)定

中圖分類號(hào)：G64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）08（c）-0076-03

以往我們對(duì)近地空間等離子體的大多數(shù)認(rèn)知都源于對(duì)帶電粒子和電磁場(chǎng)的局地測(cè)量，它們僅可提供不同空間區(qū)域的平均物理圖象。獲取特定狀態(tài)下的大視野瞬時(shí)圖象以了解磁層全區(qū)域的等離子體分布和動(dòng)力學(xué)演化過(guò)程是當(dāng)前空間探測(cè)新的發(fā)展方向。中性原子成象探測(cè)是近年來(lái)應(yīng)用于空間物理探測(cè)的高新技術(shù)，它利用中性原子在空間運(yùn)動(dòng)不受磁場(chǎng)約束的特性可對(duì)空間不同區(qū)域的能量粒子進(jìn)行可視化遙感探測(cè)，通過(guò)反演可以形成空間等離子體分布圖象。對(duì)于自旋穩(wěn)定的衛(wèi)星，把多個(gè)探測(cè)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(shí)間分辨為一個(gè)衛(wèi)星自轉(zhuǎn)周。探測(cè)粒子的能量范圍從幾十個(gè)eV到幾百個(gè)keV。中性原子成像技術(shù)是目前對(duì)空間等離子體分布進(jìn)行可視化遙感的唯一途徑，美國(guó)的IMAGE衛(wèi)星[1-2]（2000—2005）運(yùn)用中性原子成像技術(shù)（HENA，MENA和LENA）[3-5]獲取了第一批中性原子成像的空間探測(cè)資料并通過(guò)這些探測(cè)資料對(duì)磁暴過(guò)程有了新的認(rèn)知。我國(guó)雙星計(jì)劃的極軌衛(wèi)星[6]（TC-2：2004—2008）上搭載了中歐聯(lián)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(dòng)及演化的成像資料，成為雙星計(jì)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(wěn)定衛(wèi)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(wěn)定衛(wèi)星為例，從這兩種衛(wèi)星自旋姿態(tài)出發(fā)討論對(duì)應(yīng)探測(cè)器的物理設(shè)計(jì)與仿真探測(cè)結(jié)果。

1 衛(wèi)星軌道、磁層環(huán)電流輻射環(huán)境及探測(cè)器的物理設(shè)計(jì)

我們把衛(wèi)星的軌道設(shè)計(jì)為極軌大橢圓軌道：對(duì)應(yīng)的軌道傾角為90?，遠(yuǎn)地點(diǎn)高度6.677 RE，近地點(diǎn)高度1RE。衛(wèi)星采用自旋穩(wěn)定，自旋軸垂直黃道面，或垂直于軌道面；衛(wèi)星自旋周期為6 s。

環(huán)電流區(qū)離子通量分布采用磁暴時(shí)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(duì)這樣的輻射環(huán)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(cè)方案的物理設(shè)計(jì)，其中探頭部分如圖2所示：每個(gè)傳感器的有效面積為14.2×10 mm2；對(duì)應(yīng)的視窗大小為24×10 mm2；相應(yīng)的瞄準(zhǔn)距離（帶電粒子偏轉(zhuǎn)距離）為228 mm；這樣每個(gè)傳感器的幾何因子為0.0065 cm2sr。

考慮到通常磁暴期間環(huán)電流演化過(guò)程的時(shí)間尺度在30 min以上，以下的探測(cè)仿真均按50個(gè)衛(wèi)星自旋周（5 min integration）積分。按這樣的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行儀器的物理設(shè)計(jì)，使得我們既能在環(huán)電流演化過(guò)程中得到足夠的時(shí)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(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

2 衛(wèi)星自旋軸垂直于黃道面

大多數(shù)自旋穩(wěn)定衛(wèi)星選擇衛(wèi)星自旋軸垂直于黃道面，這種自旋姿態(tài)便于維護(hù)。對(duì)于自旋軸垂直于黃道面的衛(wèi)星，當(dāng)衛(wèi)星運(yùn)行到北極上空，即橢圓軌道的遠(yuǎn)地點(diǎn)，這也是ENA成像觀測(cè)的最佳位置。我們?cè)趫D3中標(biāo)出30個(gè)傳感器的仰角方向，利用衛(wèi)星自旋可實(shí)現(xiàn)對(duì)全空間4π立體角的掃描探測(cè)。

針對(duì)特定的觀測(cè)對(duì)象，環(huán)電流區(qū)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(zhǔn)探測(cè)目標(biāo)。而且這些傳感器多分布在靠近自旋軸方向，不能將探測(cè)目標(biāo)在ENA象元空間上充分展開(kāi)（圖4）。試想，對(duì)于排布在自旋軸方向上的傳感器，當(dāng)衛(wèi)星自旋掃描一周時(shí)傳感器在探測(cè)空間指向同一位置。圖2中中性原子探測(cè)仿真圖像外邊緣的毛刺就反映了衛(wèi)星自旋時(shí)掃描方位角的重疊和跳變。

當(dāng)衛(wèi)星運(yùn)行到南極近地點(diǎn)時(shí)，瞄準(zhǔn)探測(cè)目標(biāo)的則是另一半傳感器。兼顧衛(wèi)星在軌道其它位置的觀測(cè)，所以我們需要設(shè)計(jì)4π立體角全空間的監(jiān)測(cè)能力。其實(shí)記錄每幅中性原子圖像所使用的傳感器不到傳感器總數(shù)的一半。

3 衛(wèi)星自旋軸垂直于軌道面

只有用于掃描成像的專業(yè)衛(wèi)星，如美國(guó)的IMAGE，會(huì)選用衛(wèi)星自旋軸垂直于軌道面的自旋穩(wěn)定方式。對(duì)于掃描成像探測(cè)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(jié)省載荷設(shè)計(jì)空間和質(zhì)量。這類衛(wèi)星一般需要用磁力計(jì)實(shí)現(xiàn)自旋穩(wěn)定的姿態(tài)維護(hù)，這將不利于衛(wèi)星的磁潔凈，會(huì)影響到磁強(qiáng)計(jì)類的載荷工作。

對(duì)于自旋軸垂直于軌道面的衛(wèi)星，當(dāng)衛(wèi)星運(yùn)行到北極上空，即橢圓軌道遠(yuǎn)地點(diǎn)的ENA成像觀測(cè)的最佳位置。我們?cè)趫D5中標(biāo)出24個(gè)傳感器的仰角方向，利用衛(wèi)星自旋可實(shí)現(xiàn)對(duì)空間約3π立體角的掃描觀測(cè)。針對(duì)特定的觀測(cè)對(duì)象，環(huán)電流區(qū)的中性原子輻射，如圖3所示，大部分傳感器都能夠瞄準(zhǔn)探測(cè)目標(biāo)。分布在垂直自旋軸方向附近的傳感器能將探測(cè)目標(biāo)在ENA象元空間里充分展開(kāi)，如圖6，給出了層次清楚、邊緣平滑的中性原子探測(cè)仿真圖像。

與上一節(jié)類似，在每個(gè)衛(wèi)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(kāi)中性原子成像源的空間分布，對(duì)應(yīng)的等離子體空間分布的反演效果就越好。endprint

4 結(jié)語(yǔ)

這里，我們討論了極軌自旋穩(wěn)定衛(wèi)星兩種自旋姿態(tài)對(duì)中性原子成像探測(cè)的影響。通過(guò)仿真研究，我們傾向于選擇衛(wèi)星自旋軸垂直于軌道面的自旋穩(wěn)定方式來(lái)滿足中性原子成像探測(cè)的掃描需求。但很多時(shí)候載荷需要服從衛(wèi)星計(jì)劃的總體科學(xué)目標(biāo)需求，在總體認(rèn)定的衛(wèi)星姿態(tài)前提下設(shè)計(jì)最佳載荷探測(cè)方案。即便是對(duì)于三軸穩(wěn)定衛(wèi)星，我們也可以利用多組硅條探測(cè)器設(shè)計(jì)二維中性原子成像儀。當(dāng)然，三軸穩(wěn)定衛(wèi)星受到載荷設(shè)計(jì)空間的限制，儀器有效視場(chǎng)小，很難跟蹤瞄準(zhǔn)磁層環(huán)電流類的探測(cè)目標(biāo)。

致謝：本研究由中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（XDA04060204）和地震行業(yè)科研專項(xiàng)（201008007）資助。

參考文獻(xiàn)

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[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.

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[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(cè)的物理設(shè)計(jì)與仿真[J].空間物理學(xué)報(bào)，2014，34（3）：341-351.endprint

4 結(jié)語(yǔ)

這里，我們討論了極軌自旋穩(wěn)定衛(wèi)星兩種自旋姿態(tài)對(duì)中性原子成像探測(cè)的影響。通過(guò)仿真研究，我們傾向于選擇衛(wèi)星自旋軸垂直于軌道面的自旋穩(wěn)定方式來(lái)滿足中性原子成像探測(cè)的掃描需求。但很多時(shí)候載荷需要服從衛(wèi)星計(jì)劃的總體科學(xué)目標(biāo)需求，在總體認(rèn)定的衛(wèi)星姿態(tài)前提下設(shè)計(jì)最佳載荷探測(cè)方案。即便是對(duì)于三軸穩(wěn)定衛(wèi)星，我們也可以利用多組硅條探測(cè)器設(shè)計(jì)二維中性原子成像儀。當(dāng)然，三軸穩(wěn)定衛(wèi)星受到載荷設(shè)計(jì)空間的限制，儀器有效視場(chǎng)小，很難跟蹤瞄準(zhǔn)磁層環(huán)電流類的探測(cè)目標(biāo)。

致謝：本研究由中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（XDA04060204）和地震行業(yè)科研專項(xiàng)（201008007）資助。

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4 結(jié)語(yǔ)

這里，我們討論了極軌自旋穩(wěn)定衛(wèi)星兩種自旋姿態(tài)對(duì)中性原子成像探測(cè)的影響。通過(guò)仿真研究，我們傾向于選擇衛(wèi)星自旋軸垂直于軌道面的自旋穩(wěn)定方式來(lái)滿足中性原子成像探測(cè)的掃描需求。但很多時(shí)候載荷需要服從衛(wèi)星計(jì)劃的總體科學(xué)目標(biāo)需求，在總體認(rèn)定的衛(wèi)星姿態(tài)前提下設(shè)計(jì)最佳載荷探測(cè)方案。即便是對(duì)于三軸穩(wěn)定衛(wèi)星，我們也可以利用多組硅條探測(cè)器設(shè)計(jì)二維中性原子成像儀。當(dāng)然，三軸穩(wěn)定衛(wèi)星受到載荷設(shè)計(jì)空間的限制，儀器有效視場(chǎng)小，很難跟蹤瞄準(zhǔn)磁層環(huán)電流類的探測(cè)目標(biāo)。

致謝：本研究由中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（XDA04060204）和地震行業(yè)科研專項(xiàng)（201008007）資助。

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