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“磁层-电离层-热层耦合”小卫星星座探测计划背景型号任务

研究简介

刘勇;王赤;徐寄遥;李小玉

【期刊名称】《国际太空》

【年(卷),期】2016(000)009

【总页数】7页(P54-60)

【作者】刘勇;王赤;徐寄遥;李小玉

【作者单位】中国科学院国家空间科学中心;中国科学院国家空间科学中心;中国科

学院国家空间科学中心;中国科学院国家空间科学中心

【正文语种】中文

2016年6月，中国科学院遴选出5个空间科学卫星项目，争取在2020年前后发

射，“磁层-电离层-热层耦合”（MlT）小卫星星座探测计划就是其中之一。该计

划对于深入理解空间天气的一些重要物理过程有着重要意义，与国际同领域的任务

相比，他具有独特的切入点和创新思想。

“磁层-电离层-热层耦合”小卫星星座探测计划是由2颗高轨“磁层星”和2颗

低轨“电离层/热层星”组成星座，旨在探测研究磁层、电离层和热层之间的耦合

关系，揭示太阳活动影响地球空间环境的机制和规律，进而促进对日地耦合系统的

深入认识。

磁层-电离层-热层是等离子体与中性气体共存、彼此紧密耦合的复杂系统，是太阳

剧烈活动引起灾害性空间天气的主要发生区域，对于人类航天活动的安全及导航/

通信系统的正常运行有着重要影响。对该区域的探测研究蕴含着重大的科学意义，

并具有重要的应用前景。

“磁层-电离层-热层耦合”小卫星星座探测计划是中国科学院空间科学战略性先导

专项背景型号项目，是国际上首次将“磁层-电离层-热层”作为一个整体进行联合

观测的卫星计划。该项目于2011年10月开题，在历时5年的背景型号研究期间，

先后完成了前期调研、方案设计和关键技术攻关，目前顺利通过结题验收，进入到

工程立项前的准备工作。

“磁层-电离层-热层耦合”小卫星星座探测计划的科学目标是：利用小卫星星座系

统，对磁层-电离层-热层耦合的关键区域进行就位和遥感探测，研究电离层向磁层

的上行粒子流的起源、加速机制和传输规律，认识电离层和热层的物质外流在磁层

空间暴触发与演化过程中的重要作用，了解空间暴引起的电离层和热层全球性多尺

度扰动特征，揭示磁层-电离层-热层系统相互作用的关键途径和变化规律。

研究表明，O+是电离层和磁层物质耦合和能量耦合的示踪剂。为了揭示O+上行

的起源和加速机制，需要测量O+的能量和速度分布、电场、磁场强度和方向、极

光分布，以及热层大气的密度、温度和风场。探测区域主要集中在极隙区，也就是

地磁坐标系上磁足点纬度大于70°的区域。

结合探测需求，“磁层-电离层-热层耦合”小卫星星座探测计划星座轨道参数见下

表（其中，RE为地球半径）。

“磁层-电离层-热层耦合”小卫星星座探测计划的有效载荷系统分为粒子探测分系

统、电磁场探测分系统和成像遥感探测分系统，共计15台载荷分别搭载在“电离

层/热层星”和“磁层星”上。

“磁层星”是自旋稳定卫星，自旋轴垂直于黄道面，总质量小于650kg，拟采用

一箭一星发射。“电离层/热层星”是三轴稳定卫星，总质量小于500kg，计划一

箭双星发射。

“磁层-电离层-热层耦合”小卫星星座探测计划在背景型号研究期间对8台有效载

荷进行了关键技术攻关。目前，这些载荷都已经完成了关键技术攻关，研制了原理

样机或关键部件，测试定标结果满足任务书要求。下面将对热等离子体分析仪等5

台载荷进行重点介绍。

（1）热等离子体分析仪-离子分析器

热等离子体分析仪-离子分析器主要用来测量低能量端离子的能谱、方向，可以实

现H+，He+和O+的分辨。原理样机设计上采用目前国际最先进、使用最广泛的

探测方案：半球形静电分析器+基于碳膜的飞行时间系统，突破了大范围高分辨的

扫描电压技术、超薄碳膜处理技术和超高加速电压技术3项关键技术，并在瑞士

伯尔尼大学（UniversityofBern）完成了原理样机的定标工作。定标结果及其与

国际上同类先进载荷的代表“星族”（Cluster）计划的等离子体成分探测器

（CODIF）载荷的比较如下表所示。

热等离子体分析仪-离子分析器技术指标已经达到国际同类载荷的先进水平，部分

技术指标优于国际先进水平。定标结果获得瑞士伯尔尼大学、德国马克斯-普朗特

研究所（MTI）以及罗马尼亚相关同行专家的认可。

热等离子体分析仪-离子分析器原理样机的研制成功具有里程碑意义，不仅填补了

我国相关领域空白，推动了国内离子成分探测、离子电荷态探测、X射线探测以及

单