美國成功發射新型深空太陽風監測衛星

龔燃（北京空間科技信息研究所）

2015年2月11日， “深空氣候觀測臺”（DSCOVR）衛星由太空探索技術公司（SpaceX）的獵鷹－9（Falcon－9）火箭送入太空，該衛星將飛行110天抵達距離地球約1.5×106km的利薩如軌道，成為首個位于地日拉格朗日1點（L1）的觀測任務。據美國海洋和大氣管理局（NOAA）網站2月24日報道，在發射后的12天，“深空氣候觀測臺”衛星已飛行了一半旅程。

1 發展背景

“深空氣候觀測臺”原名“特里亞納”（Triana），于1998年由前美國副總統阿爾戈爾（Al Gore）提出。“特里亞納”任務的目標是在地球和太陽之間的L1點觀測地球，即從距離地球150萬公里的外太空持續觀測地球的陽光。“特里亞納”這個名稱源自1942年哥倫布航行中發現北美新大陸的瞭望員羅德里戈·德·特里亞納（Rodrigo de Triana）。

“特里亞納”任務研制歷時21個月，于2000年建造完成，原計劃2002年早期利用航天飛機發射。2001年1月，該任務在美國航空航天局（NASA）的航天飛機發射清單中取消了，官方的說法是需要優先建造和發射長期擱置和超過預算的“國際空間站”。2001年11月，國會批準了100萬美元，將“特里亞納”衛星封存在戈達德航天中心的凈化室。2003年，美國航空航天局將“特里亞納”更名為“深空氣候觀測臺”。

任務分工

“深空氣候觀測臺”衛星概念圖

“深空氣候觀測臺”衛星標志

2 任務目標

“深空氣候觀測臺”任務由美國海洋和大氣管理局、美國航空航天局和美國空軍共同實施，主要任務是觀測空間氣象。科學目標包括：

·在太陽和地球中間的拉格朗日點L1對太陽風（np, vp, tp）進行測量，監測太陽活動；

·通過等離子體探測器和磁強計觀測太陽風情況，提前1-3天預警地磁暴強度；

·接替老化的“先進成分探測器”（ACE）衛星（1997年發射，預計2024年退役），保持太陽風測量數據的連續性；

·通過國際實時太陽風網絡（RTSWnet）下行傳輸。

3 衛星介紹

“深空氣候觀測臺”衛星發射質量約750kg，采用斯威爾斯宇航公司（Swales）研制的SMEX-Lite平臺，平臺尺寸為137cm×187cm。衛星設計壽命5年。它攜帶了地球彩色成像相機、國家標準與技術研究所先進輻射計等有效載荷，這些載荷均指向地球，可對地球的整個陽光面進行持續觀測，改進當前的地球輻射收支估算誤差。

“深空氣候觀測臺”結構圖

地球彩色成像相機儀器系統圖

地球彩色成像相機

地球彩色成像相機由美國圣地亞哥加州大學（USCD）斯克里普斯海洋研究所（SIO）負責管理，洛克希德馬丁公司的先進技術中心（LMATC）負責建造。目標是測量臭氧總量、氣溶膠總量、云高與相態、熱點區域土地性質以及地球表面紫外輻射。地球彩色成像相機能保持散射角在165°～178°之間，指向地球整個面向陽光的部位。地球彩色成像相機的通道在紫外區域與臭氧總量成像光譜儀（TOMS）接近，在可見光范圍內與中分辨率成像光譜儀（MODIS）接近，因此，其數據產品也非常類似，可直接進行比較。

以標準化后的數據Nij為隨機變量，在計算各個隨機變量均方差的基礎上進行歸一化處理，其結果即為各指標的權系數，計算步驟如下：

地球彩色成像相機數據產品

國家標準與技術研究所先進輻射計儀器測試圖

國家標準與技術研究所先進輻射計儀器側面圖

國家標準與技術研究所先進輻射計儀器俯視圖

左圖為等離子體磁強計電子靜電分析儀，右圖為等離子體磁強計法拉第帽

地球彩色成像相機儀器系統包括地球彩色成像相機儀器、機械電子箱（MEB）和地球彩色成像相機計算機（EC），總質量63.2kg。地球彩色成像相機望遠鏡由美國SSG公司研制，為反射里奇克萊琴望遠鏡，口徑30.5cm，f數9.38，視場（FOV）0.61°，角采樣分辨率1.07arcsec。位于L1點時，地球整個幅寬將在0.45°～ 0.53°之間。

國家標準與技術研究所先進輻射計

國家標準與技術研究所先進輻射計由馬里蘭州蓋瑟斯堡國家標準與技術研究所（NIST）與鮑爾宇航技術公司聯合設計開發。目標是高精度（0.1%）測量地球光照面的反射和輻射能量，探測地球輻射收支的變化，更好地理解因人類活動及自然現象導致的地球輻射收支的變化效應。

國家標準與技術研究所先進輻射計儀器由4個探測器組成：3個主動空腔電子替代輻射計和1個硅光電二極管通道，用于測量衛星方向接收的“總地球反射與輻射能量”。

國家標準與技術研究所先進輻射計分四個譜段范圍：

1）紫外至遠紅外（0.2～100μm），用于測量紫外、可見光和紅外譜段的總輻射能量。

2）太陽光（0.2～4μm），用于測量紫外、可見光和近紅外譜段的反射太陽輻射量。

3）近紅外（(0.7～4μm），用于測量反射紅外太陽輻射量。

4）光敏二極管（0.3～1.1μm），用于監測輻射計濾波元件。

脈沖高度分析儀儀器

國家標準與技術研究所先進輻射計視場為1°，能對整個地球圓盤進行成像。由于“深空氣候觀測臺”位于L1點，因此比起地球軌道，觀測時間會更長，其預計輻射測量精度為0.1%～0.2%，這是當前地球軌道衛星數據測量精度的10倍。同樣，國家標準與技術研究所先進輻射計將提供任何地球軌道衛星無法獲取的重要缺失數據。

等離子體磁強計儀器組件

等離子體磁強計（PlasMag）儀器組件為綜合性科學與空間氣象程序包，包含磁通門矢量磁強計、法拉第杯太陽風正離子探測器和頂帽式電子靜電分析儀。該儀器可實時進行高時間分辨率測量，為下一代上游太陽風監測器的代表，可保持國際監測平臺－8（IMP－8）,“風”（WIND）,“太陽與日球層觀測臺”（SOHO）和“先進成分探測器”（ACE）等衛星太陽風測量數據的連續性。

脈沖高度分析儀

脈沖高度分析儀（PHA）的目標是監測衛星電子儀器上高能量離子的影響。

脈沖高度分析儀為小型、低功率、高線性能量轉移輻射光譜儀（HiLRS），用于評估空間環境微電子儀器的單一時間效應（SEU）。

脈沖高度分析儀可對飛行中的電離離子能量、電荷和質量進行連續測量。

4 地面系統

美國海洋和大氣管理局系統開發辦公室（NOAA-OSD）地面系統部（GSD）負責衛星地面系統和支持設施的技術與工程咨詢。地面系統部提供從衛星和儀器指令到獲取原始衛星數據遙測數據流，以及最終處理和分發交付圖像和數據產品全過程。

地面系統部任務包括：

·提供衛星地面系統設計專業技術，尤其是在遙測與指令、儀器數據處理、圖像現實與分析、產品生成、數據存檔、通信以及相關地面儀器、基礎設施和設備；

·計劃地面系統活動，包括從“研究至運行”和國際衛星任務引進重要新服務和產品；

·評估新技術以滿足當前和未來地面系統需求，從原始數據獲取到數據產品分發；

·引領地面系統開發，包括說明、采購、安裝和測試系統規劃和活動旗艦所需的硬件和軟件系統；

·直接同國家海洋和大氣管理局-衛星和產品運行辦公室（NOAA-OSPO）、國家海洋和大氣管理局-系統運行辦公室（NOAA-OSO）、美國航空航天局和其他機構協同工作，確保未來衛星同當前與未來地面系統的兼容性；

·支持衛星和產品運行辦公室和衛星應用與研究中心（STAR），實現信息技術更新和項目擴展。