地球空間雙星探測計劃

20世紀前50年，人們對地球外層大氣和電離層都所知甚少，更不要説廣袤日地空間裏的現象。受觀測手段的侷限主要在地面上對地磙變化的觀察，分佈全球的地磁台長期觀測分析出地磁場的各種變化，並由此反演和推斷引起這種變化的外空原因。

早在1931年恰普曼就預見到地球磁場不會伸延到無窮遠。1958年第一顆人造地球衞星的發射成功開闢了人類對地球外層空間和行星際直接探測，隨着航天技術和空間探測技術飛速發展，人類探測、研究和利用日地空間的能力也有了極大的提高，發現了大量新的現象(地球輻射帶、地球弓激波、磁層頂、磁尾和太陽風等)。空間探測的重點已由早期開拓疆土式的空間發現轉入深入瞭解地球空間環境發生複雜物理過程方面。

由於人類居住的地球，因而日地系統是人類活動產生直接影響的天體系統。日地系統包括太陽上層大氣、日地行星際空間、地球磁層、地離層和高中層大氣，其中地球磁層、電離層和高中層大氣又稱地球空間。地球空間是被太陽風包圍着的、受地球磁場控制的空間區域，也是各種應用衞星、空間站和載人飛船運行的主要空間區域。

地球空間並不是靜止的，它在太陽活動的影響下經常處於劇烈的擾動狀態中，稱為地球空間暴。其中磁層空間暴(包括磁層亞暴，磁暴和磁層粒子暴等)是地球空間暴的最重要部分，也是一些其它地球空間暴的產生源頭。在地球兩極地共發生的極光就是磁層亞暴的一種表現形式。

這些與人類活動密切相關的磁層空間暴的產生機制和發展十分規律還不為人類所瞭解。以劉振興院士為首的中國科學家提出的地球空間雙星探測計劃的科學目標就瞄準了這一最有挑戰性的重大科學問題。 ^[5] 

中國的地球空間雙星探測計劃(雙星計劃)主要用於研究太陽活動，行星際擾動觸發磁層空間暴和災害性地球空間天氣的物理過程，進而建立磁層空間暴的物理模型、地球空間環境動態模型和預報方法，為空間活動以及維護人類生存環境提供科學數據和相應對策。 ^[6] 

雙星計劃是中國與歐洲合作的第一個科學探測衞星項目。按照2001年中國國家航天局和歐空局簽署的合作協議，雙星計劃與歐空局最為重要的磁層探測計劃ClusterⅡ密切配合，形成人類歷史上第一次對地球空間的六點立體探測，成為國際空間探測計劃中的重要組成部分。雙星計劃還將與國家重大科學工程“東半球空間環境地成綜合監測子午鏈”的科學目標配合，形成中國空間環境的立體監測系統，並與ClusterⅡ衞星和國際上其他科學衞星相配合，在23周太陽峯年及其下降期間的有利時機進行多衞星及地面聯合觀測。

雙星計劃將有力地促進中國空間物理學科的發展，推動中國在國際空間領域與其他國家的進一步合作，標誌着中國地球空間探測水平又邁上了一個新台階。 ^[5] 

太陽系中行星之間巨大的空間被太陽風（太陽噴射出來的超音速帶電粒子流）所主宰。幸運地是，地球磁場有能力使我們的星球避免太陽風的侵害。我們可以觀察到近地空間一些太陽風與地球磁場交匯的層面與邊界。太陽風與地球磁場相互作用的第一個現象就是在地球向陽面空間中產生的衝擊波，這個弓形衝擊波的形成就像超音速飛機的穿越音障時減速而激發起的音爆轟鳴一樣。地球外空間的弓形波層是由於超音速太陽風接近與地球磁場屏障時突然減速而產生的。

在地球磁場保護下的空間區域被稱為地球磁層。地球像湍急河水中的一座孤島一樣可以使它周圍的粒子流改變方向。當粒子流沖刷過地球時，磁層突然間被塑造成一個大頭向太陽方向、尾部（磁尾區）長達數百萬公里的蝌蚪形狀。磁層空間的邊緣稱為磁頂層。當太陽活動劇烈時，受到強大太陽風的壓力，磁頂層被擠到距地球35.000km的高度。

但是，地球磁場有兩個防禦薄弱的地方，這就是地球的南極和北極。太陽風的粒子流可以從這兩個地方沿着磁力線螺旋下降。當這些帶電粒子與上層大氣相撞時，就產生了極光現象。

地球空間在太陽活動的影響下經常處於劇烈的擾動狀態中，稱為地球空間暴。其中磁層空間暴是地球空間暴的最重要部分，也是一些其它地球空間暴的產生源頭。這些與人類活動密切相關的磁層空間暴的產生機制和發展規律還不為人類所瞭解。地球空間雙星探測計劃的科學目標就瞄準了這一最有挑戰性的重大科學問題。 ^[5] 

雙星系統(4張)

雙星計劃包括兩顆小衞星：探測一號衞星（赤道星）和探測二號衞星（極軌星）。探測一號衞星運行於近地點550km、遠地點66790　km、公佈傾角28.5度的軌道，用於探測近地磁尾區的磁層空間暴過程及向陽而磁層頂區太陽風能量向磁層中的傳輸過程；探測二號衞星運行於近地點700km、遠地點39000km、傾角90度的軌道、用於探測太陽風能量和近地磁尾區能量向極區電離層和高層大氣的傳輸以入電離層粒子向磁層中的傳輸過程。這兩顆小衞星運行於國際上地球空間探測衞星尚未覆蓋的重要活動區，相互配合，構成具有明顯創新特色的星座式獨立探測體系，可以對地球空間暴發生機制和發展規律進行立體探測。 ^[6] 

雙星探測數據的接收將由中科院空間科學與應用研究中心密雲科學衞星數據地成接收站、上海天方台佘山觀測站以及歐洲空間局西班牙衞星數據接收站共同完成。 ^[5] 

衞星(5張)

雙星計劃中的兩顆小衞星均由中國航天東方紅衞星公司負責平台研製及衞星組成。中國科學院空間科學與應用研究中心負責研製有效載荷數據的採集、管理與傳輸以及部分的探測儀器，由歐空局協調的八家歐洲科研製機構負責研製其它探測儀器。

兩顆小衞星的有效載荷各由8台探測器組成。這16台探測儀器將進行三維磁場探測，粒子探測，低頻電磁波探測和衞星表面電位主動控制。

探測一號衞星質量為335kg，由星體結構、姿控、熱控、電源、總體電路、星務、測控、有效載荷等系統組成，設計壽命18個月。在衞星研製中解決了衞星磁潔淨度、星體表面等電位、抗輻射等技術難題。該衞星的探測器包括：三分量磁通門磁強計、熱離子分析儀、電位主動控制儀、電子和電流儀、高能電子探測器、高能質子探測器、重離子探測器和低頻電磁波探測器。

探測二號衞星343kg,設計壽命12個月，構型與探測一號基本相同，只是裝載了功能不同的有效載荷，包括三分量磁通門磁強計、中性原子成像儀、電子和電流儀、高能電子探測器、高能質子探測器、重離子探測器、低頻電磁波探測器和低能離子探測器。

探測一號衞星於2003年12月30日在西昌衞星發射中心，由長征二號丙SM運載火箭成功發射，探測二號衞星於2004年7月發射升空。 ^[5] 

圖冊(6張)

雙星計劃中的兩顆衞星由中國長征二號丙SM運載火箭分2次發射，該型火箭由中國航天科技集團所屬的中國運載火箭研究院為主研製，火箭由兩級狀態的長征二號丙火箭加上固體上面級SM組成，火箭起飛214質量噸，全長39.9米，箭體與整流罩地直徑為3.35米。新研製的上面級由主結構、固體發動機、姿控系統、控制系統、分離系統、遙測系統等組成，採用自旋穩定和三軸穩定相結合的姿態控制方式，用於實現衞星的變軌、調姿和起旋，以滿足衞星人軌的要求。長征二號丙及其改進型火箭已連續成功發射23次，此次探測二號衞星的順利升空，創下了長征二號丙火箭系列的第24次成功記錄。它的研製成功使長征二號丙系列火箭技術上升了一個新的台階。 ^[5] 

是中國第一次以自己提出的空間探測計劃進行國際合作的項目，是國家民用航天“十五”計劃中設立的重點科學探測衞星計劃，是國家第一次以明確的空間科學問題列入的衞星型號。中國科學院是衞星的用户單位，工程代號為“TC—1、TC—2”。2001年7月9日中國航天局與歐空局正式簽署了“雙星計劃”合作協議。歐空局方面提供8台代表當今水平的空間探測儀器，並在衞星研製過程中的一些關鍵技術問題上提供幫助。

“雙星計劃”包括兩顆衞星：近地赤道區衞星和極區衞星，運行於國際上地球空間探測衞星尚未覆蓋的近地磁層活動區。這兩顆衞星相互配合，形成了獨立的具有創新和特色的地球空間探測計劃。雙星計劃與歐空局的Cluster 相配合，將構成人類歷史上第一次使用相同或相似的探測器對地球空間進行“六點”探測，研究地球磁層整體變化規律和爆發事件的機理。2003年12月30日、2004年7月25日分別完成兩顆星的發射，衞星相繼進入運行階段。星上儀器正常工作，已獲取的探測數據達16.4G，發表了與“雙星計劃”相關的學術論文65篇（主要是前期預研和理論準備工作），其中SCI論文33篇，在國際會議上報告7次。對“雙星計劃”探測數據的分析、理論研究和數值模擬工作正在緊鑼密鼓地進行，已取得了一批初步的新結果。

“雙星計劃”的主要科學任務是通過對地球空間電磁場和帶電粒子的探測，獲取可靠的科學數據，在研究中取得新的發現和獲得突破性的理論研究成果。 ^[7] 

1.1 全面瞭解地球空間環境聯鎖變化的物理過程

探測近地磁層場和粒子時空變化的因果關係，揭示新的現象，深入研究磁層空間暴（磁層亞暴、磁暴和磁層粒子暴）的觸發機制，建立符合實際的磁層空間暴物理模型和預報方法，認識地球空間環境的全球變化過程，預計在這一領域可取得原始性創新成果。

1.2 推動空間天氣預報的發展

地球空間暴是災害性空間天氣的主要表現形式，這正像一般天氣中所説的冰雹、暴雨、暴風和颱風等那樣。本項研究可為空間天氣預報建立理論基礎和提供預報方法，推動空間天氣預報的發展。

1.3 推動行星空間環境比較研究的發展

空間物理發展的趨勢之一，是將地球空間環境和其他的行星空間環境結合起來，進行行星空間環境的比較研究。太陽對地球空間環境的影響與太陽對其他行星空間環境的影響有些相似之處，本項目的研究可為開展行星空間環境比較研究建立基礎。

1.4 帶動相關基本物理問題研究的發展

地球空間暴多尺度結構相互作用的全球過程，包括一些重要的基本物理問題，如無碰撞激波，無碰撞等離子邊界層，磁層重聯，等離子體反常輸運，粒子的加速和加熱等。這些物理問題，有些是在地面的實驗室中不易研究的。對這些基本物理問題的研究和解決，不但可推動空間物理的發展，而且還可推動相關學科（如太陽物理、磁流體力學、等離子體物理和磁流體力學等）的發展。 ^[8] 

2.1 利用最先進的衞星探測數據

2001年7月和8月發射的Cluster計劃，包括四顆衞星，在空間中構成四面體結構，其主要創新是能探測過去不能實現的地球空間等離子體環境的三維中小尺度結構和分辨時間變化。Cluster和中國的“地球空間雙星探測計劃”相配合，第一次形成地球空間的六點探測。此外，還利用美國2000年3月發射的磁層成像衞星、ISTP有關的探測數據和全球地面觀測數據。

2.2 研究內容聚焦在當前國際上最具有挑戰性的前沿領域

首次提出用地球空間暴這個名詞概括地球空間相互聯繫的爆發事件。定義地球空間暴包括磁層亞暴、磁暴、磁層粒子暴、電離層暴和熱層暴，其中磁層亞暴、磁暴和磁層粒子暴可稱為磁層空間暴，這是當前地球空間最具有挑戰性的關鍵科學問題。通過地球空間暴可系統地瞭解地球空間各層次的連鎖變化過程。

“雙星計劃”的應用系統包括地面應用分系統和科學應用分系統兩個分系統，全部由空間中心牽頭承擔；雙星計劃的衞星系統中的有效載荷分系統和有效載荷公用設備分系統兩個分系統也由空間中心承擔。雙星計劃的首席科學家，空間中心劉振興院士，作為整個工程項目科學目標的制定者，負責處理立項、研製和運行階段所有涉及科學目標實現的問題的論證，同時負責組織科學研究工作團隊，制定探測數據的分析和研究計劃及其實施。

3.1 衞星系統有效載荷分系統

在首席科學家和空間物理探測器（有效載荷）任務科學家（Principle Investigator, PI）需求的指導下，負責為兩顆衞星各研製8八台探測器。其中TC-1（赤道星）星有三台國產的探測器，5台歐空局提供的探測器；TC-2（極軌星）星有五台國產的探測器，2台歐空局提供的探測器，1台中歐合作研製的探測器，並負責探測器的標定、交付、試驗、發射服務、在軌測試及運行階段的工程服務。兩顆衞星的探測器配置如下表，除了TC-1星的主動電位控制儀和TC-2星的中性原子成像儀是根據軌道不同而單獨設置的以外，其他各台儀器從探測性能上來講都是相同的，可以在不同的空間區域中獲取同類型的物理參數。

1 高能電子探測器（中） 高能電子探測器（中）

2 高能質子探測器（中） 高能質子探測器（中）

3 重離子探測器（中） 重離子探測器（中）

4 磁通門磁強計（歐） 磁通門磁強計（歐）

5 電子和電流儀（歐） 電子和電流儀（歐）

6 熱離子分析儀（歐） 低能離子探測器（中）

7 磁場波動分析儀（歐） 低頻電磁波探測器（中）

8 電位主動控制儀（歐） 中性原子成像儀（歐，中）

對歐洲研製和提供的探測器，為了更好的掌握其先進技術並協助其更好的提供中方，以及協調接口等事宜，同時也培養隊伍，有效載荷分系統為每個歐洲設備都安排了專人負責。

3.2 有效載荷公用設備分系統

為有效載荷設備供配電，併為歐空局的有效載荷設備提供二次電源；根據飛行任務和地面遙控指令進行自主運行控制和數據管理；接收、處理、分發和執行由星務管理系統轉發的地面遙控指令和其它上行數據；採集、處理、存儲和傳輸星上各有效載荷的工程參數和科學探測數據，並通過高速數傳通道和衞星遙測通道發送至地面；轉發星載基準時間和飛行參數，為歐空局的有效載荷設備提供實驗所需的服務信號；提供S波段高速數傳通道，下行有效載荷的工程參數和科學探測數據；在有效載荷系統發生局部故障的情況下，進行故障檢測、隔離和系統重構。

為了完成上述任務，有效載荷公用設備分系統將研製統一的電源、數管和數傳設備，將星上分散的各有效載荷有機地連接起來，構成相對獨立的有效載荷系統，統一與衞星聯接，以減少衞星平台技術狀態的變化。這個分系統面臨的重大難題是歐空局提供的載荷幾乎全部是CLUSTER II現有正樣產品，其總線方式為比較老式的OBDH總線，數據格式也不能再更改了，因此，需要在充分了解對方設計的基礎上，作出適應性的設計，同時還要保證與衞星接口的標準化並具有通用性和繼承性。

有效載荷公用設備分系統由載荷配電器、有效載荷總線控制器、遠置終端、大容量存儲器、高速多路復接器、S波段發射機A和S波段發射機B共六種七台設備。完成設計、與有效載荷的對接試驗驗證、交付、試驗、發射服務、在軌測試及運行階段的工程服務等各項工程任務。

總線控制器 遠置終端 大容量存儲器 高速多路復接器 載荷配電器 發射機A

3.3 雙星地面應用系統

開展雙星業務測控和有效載荷的在軌運行管理工作，負責探測數據的接收、處理、存儲管理、數據分發工作；對探測數據進行預處理，生成一定級別的數據產品提供給雙星科學應用分系統；根據雙星的科學探測計劃，制定測控實施大綱和細則，協調雙星有效載荷的工作模式；負責雙星有效載荷業務測控的指令生成，與西安衞星測控中心相互配合完成對衞星的業務測控工作以及負責雙星有效載荷的地面綜合檢測設備研究和測試工作。

雙星地面應用系統分系統的特點是：是以中國載人航天應用系統有效載荷應用中心為基礎的一個衞星的業務管理和應用支持系統，也是一個多任務的空間科學地面應用支持系統，它要同時支持中國的載人航天任務和雙星任務（TC-1、TC-2）；第一次支持遠地點距離超過10個地球半徑的大橢圓軌道的衞星地面業務運行管理；將雙星的業務運行支持和科學研究分析緊密結合無論是在發射前，還是在軌業務運行過程中，雙星計劃的科學家們都將始終與工程師們緊密配合。科學家將會根據雙星的科學目標及時制定探測目標和探測計劃，而作為技術支持的工程師們則會全力滿足科學家們的要求，及時確定衞星工作狀態，以獲得更多的科學成果。

3.4 雙星計劃科學應用分系統

根據雙星計劃的科學目標，對各系統提出滿足科學目標的技術要求，並配合有關技術專家解決與科學有關的技術問題；配合雙星地面應用分系統和雙星有效載荷分系統，監視任務執行情況和儀器工作狀態，提供有效載荷探測計劃；向地面應用分系統提供長期、中期、短期的探測計劃；承擔科學數據快速抽查和科學衞星運行演示；承擔科學數據的標定和上網快速顯示文件及圖形制作，並進行科學數據的快速顯示；進行各類科學數據與歐空局相關數據中心的數據傳輸，數據歸檔和管理；承擔科學數據產品PP、SP的生成，以及科學數據的有效化；數據分發，數據公佈，提供用户界面；雙星計劃對外科學宣傳工作；協助首席科學家承擔雙星計劃科學指導委員會的日常工作及其佈置的任務，組織雙星科學工作隊有關專家進行科學數據分析、科學和應用研究；開展雙星科學數據的國內外科學合作研究。

3.5 雙星計劃技術總體

由空間中心負責，側重從技術方面協調各分系統之間的接口，並負責與衞星系統以及工程其他系統的技術協調，大型試驗的安排和準備。同時，總體還直接負責三個專項：磁強計和波探測器伸杆專項；磁測與磁控專項以及輻射環境計算專項。因此，技術總體是雙星計劃必不可少的核心技術機構。

2005年11月出版了歐洲《地球物理雜誌（Annales Geophysicae）》專輯。

2008年7月出版了《美國地球物理雜誌（ Journal of Geophysics Research ）》專輯。

據不完全統計，至2011年5月底，使用雙星或雙星-Cluster聯合觀測數據已發表的研究論文超過150篇，其中SCI論文140多篇。發表的論文被引用500多次。 ^[9] 

已獲授權的發明專利7項、實用新型專利7項。已受理的發明專利4項、實用新型專利1項。雙星有效載荷和應用系統的計算機軟件著作權登記證書共40項。

兩個計劃的聯合科學運行引起了國際空間科學界和公眾的極大關注，2010年3月，在兩會期間，科技日報還對雙星計劃的科學創新進行了專題報道。

利用雙星及雙星、Cluster聯合探測數據，取得有代表性的成果有：

1.首次提出了新的亞暴觸發的鋒面理論並取得了一些創新結果

在雙星、Cluster和其他衞星數據分析基礎上，首次提出 “電離層風”的新概念；發現來自電離層的電離層風尾向流與來自中磁層的地向流相互作用形成的鋒面，對亞暴觸發起着關鍵的作用；首次觀測到了亞暴鋒面觸發的時序演化過程；首次觀測到亞暴驅動和觸發的整體時序過程；首次觀測到近地地向流在11.5Re處的缺失現象；首次觀測到了強磁暴期間系列亞暴的鋒面觸發過程，這對研究磁暴與亞暴的相互影響過程和兩者之間的關係提供了新的思路；劉振興院士提出了磁尾磁場重聯“鋒面觸發”的新概念和新思路，為研究磁尾磁場重聯開闢了新的途徑。

2. 磁層頂磁場重聯觀測和研究的主要成果

磁層頂磁場重聯，是行星際磁場和地磁場相互連接的過程，是太陽風向地球空間傳輸質量、動量和能量的主要途徑。磁層頂區的磁場重聯，對磁層空間暴的發生和發展過程有重要的影響。磁層頂磁場重聯主要有兩種類型：“反平行”重聯和“分量”重聯。確立了“分量磁重聯”是磁層頂磁重聯的主要形態，主要發生在向陽面低緯（一年後美國Phan等通過其他衞星數據獲得類似結果）；首次直接觀測到行星際磁場北向時向陽面低緯磁重聯；首次觀測到低緯磁層頂重聯擴散區。

首次觀測到，反平行重聯與分量重聯同時發生；首次觀測到高緯區南北方向的重聯線; 首次獲得磁層頂大尺度S-形重聯區域形態的觀測證據。首次探測到磁層頂低緯分量磁重聯成對地產生開放磁通量管，然後分別向南北運動。首次獲得磁層頂開放磁通量管大尺度形態及其截面。

3. 輻射帶和環電流探測

首次探測到環電流區中性原子的三維分佈和帶電粒子投擲角的雙環結構；首次探測到低頻電磁波導致的暴時高能電子通量劇烈減少現象。

4．磁尾等離子體片拍動現象

根據雙星和Cluster聯合觀測分析，首次發現地球磁尾等離子體片存在着拍動現象。

5. 近地太陽風探測

首次發現向陽面弓激波前面的太陽風中存在着大範圍的離子洞。

參考資料來源 ^[10] 

經過國家和中國科學院主管部門剛剛通過的評審和交付驗收，認為探測二號衞星與探測一號衞星及CLUSTER四顆衞星進行很好的聯合觀測活動。各項科學探測儀器工作正常，有效載荷探測儀器符合科學目標要求。有效載荷公用設備工作狀態正常，能夠及時和有效地採集、存儲和下行探測數據。雙星地面數據系統工作正常，指令流和數據流暢通。已經獲得大量的科學探測數據(TC-1獲得一級數45.45Gb，TC-2獲得一級數據11.51Gb)，探測了輻射帶、北半球的等離子體層環電流區域及近地等離子體片的高緯區域、北尾瓣、極隙區、南半球的極光橢圓帶、極蓋區、環電流區和近地等離子體片的粒子沉降區等重要空間區域的高能粒子、低能粒子、磁場、波場和中性原子的空間分佈和時間演化過程，現已取得一些初步的新結果。預期TC-2衞星與TC-1衞星及CLUSTER四顆衞星配合探測，所獲得的大量觀測數據對於揭示磁層空間暴的物理機制及其對太陽活動和行星際擾動的響應過程具有重要的科學意義。