“太陽風-磁層相互作用全景成像”衛星任務概況

王赤 李自杰 孫天然 劉子謙 劉佳 吳瓊 鄭建華 李靖

（1 中國科學院國家空間科學中心，2 中國科學院重大科技任務局）

“太陽風-磁層相互作用全景成像”衛星任務概況

SMILE Satellite Mission Survey

王赤1李自杰2孫天然1劉子謙1劉佳1吳瓊1鄭建華1李靖1

（1 中國科學院國家空間科學中心，2 中國科學院重大科技任務局）

空間物理學是伴隨著空間技術的發展而興起的一門多學科交叉的前沿基礎學科，主要研究日地空間的物理現象，其中，日地耦合問題是目前世界各國空間科學研究的核心問題之一。

2014年，中國科學院（CAS）和歐洲航天局（ESA）共同發起實施了中歐聯合空間科學衛星任務，致力于在任務的整個生命周期內，共同策劃、征集、遴選并開展方案設計、工程研制及數據分析與利用。經過多輪遴選，“太陽風-磁層相互作用全景成像”（SMlLE）衛星從多個項目建議中脫穎而出。SMlLE衛星由中國和歐洲科學家共同提出，旨在大傾角、大橢圓軌道上，對向陽側磁層頂、極尖區和地球極光進行全景成像，同時通過原位測量地磁場、等離子體，以提高人類對于太陽活動與地球磁場變化的相互關系的認知。

2015年底，中歐雙方各自通過決策機構的立項建議審查，啟動了工程立項工作。其中，中方工程立項綜合論證工作已經完成，中國科學院于2016年11月批復工程立項。

1 科學目標與任務

SMILE的科學目標是探測太陽風-磁層相互作用的大尺度結構和基本模式，認知地球亞暴整體變化過程和活動周期，探索日冕物質拋射事件（CME）驅動的磁暴發生和發展。針對的是太陽風與磁層相互作用的全球性科學問題。

SMILE的工程任務目標是在中歐空間科學衛星合作框架下，共同研制并發射一顆SMILE衛星，在大傾角、大橢圓軌道（5000km×19Re，地球半徑Re=6370km）上，利用有效載荷首次對太陽風和地球磁層之間的相互作用進行連續的全球成像，對磁層及太陽風成分進行原位探測，推動人類進一步了解太陽活動對地球等離子體環境和空間天氣的影響。

2 有效載荷配置

為實現其科學目標，SMILE衛星配置了4臺有效載荷：軟X射線成像儀（SXI）、紫外極光成像儀（UVI）、低能離子分析儀（LIA）及磁強計（MAG）。軟X射線成像儀主要提供向陽側磁層頂的X射線成像圖；紫外極光成像儀給出全球極光分布圖；軟X射線成像儀和紫外極光成像儀相互配合，實現太陽風-磁層相互作用的全景成像；低能離子分析儀和磁強計對上游太陽風或磁鞘等離子體以及磁場進行實時的原位探測，測量驅動源頭。

軟X射線成像儀主要由英國萊斯特大學研制，中國科學院國家空間科學中心參加，性能指標如下。

1）響應能段：0.2～5keV；

2）觀測視場：22°×25°；

3）空間分辨率：6′；

4）能譜分辨率：≤50eV（0.5keV）；

5）時間分辨率：60s。

紫外極光成像儀由加拿大卡爾加里大學和中國科學院國家空間科學中心共同研制，其性能指標如下。

1）工作波段：140～180nm；

2）總視場：10°×10°；

3）空間分辨率：0.04°；

4）時間分辨率：60s；

5）靈敏度：20R（60s曝光，R為夜空光和極光的亮度單位，瑞利）。

低能離子分析儀由中國科學院國家空間科學中心研制，是嫦娥-1和2正樣產品，SMILE衛星將繼承其設計。

低能離子分析儀性能指標如下。

1）能量范圍：50eV/q～20keV/q，能量分辨率（△E/E）＜8%；

2）方位角視場：360°；

3）俯仰角視場：±22°（＜20keV），±45°（＜10keV）；

4）角度分辨率：方位角30°（粗）、7.5°（細），俯仰角6°；

5）時間分辨率：1s。

磁強計由中國科學院國家空間科學中心研制，其性能指標如下。

1）量程范圍：±9600nT；

2）分辨率：24bit；

3）噪聲：＜0.1nT（RMS）。

3 SMlLE衛星工程設計

衛星軌道

SMILE衛星為大橢圓軌道，遠地點19Re，近地點5000km，軌道傾角98.2°[采用“聯盟”（Soyuz）]或軌道傾角63°～100°[采用織女星-C（Vega-C）]，近地點幅角280°。

衛星系統

SMILE衛星組合體為三艙結構，由有效載荷艙、服務艙和推進艙組成，為三軸穩定衛星。中方負責衛星總體設計并研制服務艙和推進艙，ESA負責有效載荷艙研制。衛星組合體發射包絡小于2200mm×3632mm。數傳為X頻段，每軌下行數據能力不小于38.5Gbit。其測控為S頻段統一載波系統。總質量小于2000kg，在軌壽命設計大于3年。

運載火箭系統

運載火箭由ESA負責，由“聯盟”或阿里安-6-2（Ariane-6-2）“一箭雙星”發射至700km高的太陽同步軌道，傾角為98.7°；或用織女星-C單獨發射到低地球軌道，之后通過推進艙變軌至大橢圓探測軌道。

發射場系統

由ESA完成圭亞那庫魯航天中心的適應性建設，承擔運載火箭和衛星的測試、發射任務，并提供地面技術支持與勤務保障。

測控系統

測控系統主要由中方負責，歐洲航天控制中心（ESOC）等單位參加。SMILE衛星預計于2021年底在庫魯航天中心發射，衛星組合體與運載火箭分離前的測控由ESA負責，分離后的測控由中方負責。2017年6月21日-23日，SMILE任務確認評審（MCR）在中國科學院國家空間科學中心順利舉行。

地面支撐系統

中方在“空間科學先導專項”的“十二五”規劃已有的基礎上完成適應性建設，主要實施有效載荷運控管理、科學數據接收、0級以下科學數據處理、各級數據產品的管理、長期科學數據產品的發布服務。

科學應用系統

中歐雙方完成各自科學應用系統研制建設；雙方協同制定SMILE衛星任務的科學戰略規劃和科學探測計劃，以及監視計劃執行情況；分析有效載荷在軌性能，提出有效載荷在軌運行參數調整需求；開展科學數據的標定處理，產生科學快視數據，生成一級以上數據產品。

地面段部分包括測控系統、地面支撐系統和科學應用系統以及相應的國外測控站。

4 結束語

中歐聯合科學評議委員會對SMILE衛星給予了高度評價：SMILE衛星將運用全新的X射線成像技術，首次實現太陽風-磁層相互作用過程的全景觀測，對了解并定量分析日地耦合系統的全局特性起到至關重要的作用。

SMILE衛星任務是繼“雙星計劃”后，中歐雙方按照“無資金交換”原則，在航天領域開展深入合作的又一項目，意義重大，影響深遠。