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(xué)院國家空間科學(xué)中心，2 中國科學(xué)院重大科技任務(wù)局）

“太陽風(fēng)-磁層相互作用全景成像”衛(wèi)星任務(wù)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(xué)院國家空間科學(xué)中心，2 中國科學(xué)院重大科技任務(wù)局）

空間物理學(xué)是伴隨著空間技術(shù)的發(fā)展而興起的一門多學(xué)科交叉的前沿基礎(chǔ)學(xué)科，主要研究日地空間的物理現(xiàn)象，其中，日地耦合問題是目前世界各國空間科學(xué)研究的核心問題之一。

2014年，中國科學(xué)院（CAS）和歐洲航天局（ESA）共同發(fā)起實(shí)施了中歐聯(lián)合空間科學(xué)衛(wèi)星任務(wù)，致力于在任務(wù)的整個生命周期內(nèi)，共同策劃、征集、遴選并開展方案設(shè)計(jì)、工程研制及數(shù)據(jù)分析與利用。經(jīng)過多輪遴選，“太陽風(fēng)-磁層相互作用全景成像”（SMlLE）衛(wèi)星從多個項(xiàng)目建議中脫穎而出。SMlLE衛(wèi)星由中國和歐洲科學(xué)家共同提出，旨在大傾角、大橢圓軌道上，對向陽側(cè)磁層頂、極尖區(qū)和地球極光進(jìn)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(guān)系的認(rèn)知。

2015年底，中歐雙方各自通過決策機(jī)構(gòu)的立項(xiàng)建議審查，啟動了工程立項(xiàng)工作。其中，中方工程立項(xiàng)綜合論證工作已經(jīng)完成，中國科學(xué)院于2016年11月批復(fù)工程立項(xiàng)。

1 科學(xué)目標(biāo)與任務(wù)

SMILE的科學(xué)目標(biāo)是探測太陽風(fēng)-磁層相互作用的大尺度結(jié)構(gòu)和基本模式，認(rèn)知地球亞暴整體變化過程和活動周期，探索日冕物質(zhì)拋射事件（CME）驅(qū)動的磁暴發(fā)生和發(fā)展。針對的是太陽風(fēng)與磁層相互作用的全球性科學(xué)問題。

SMILE的工程任務(wù)目標(biāo)是在中歐空間科學(xué)衛(wèi)星合作框架下，共同研制并發(fā)射一顆SMILE衛(wèi)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(fēng)和地球磁層之間的相互作用進(jìn)行連續(xù)的全球成像，對磁層及太陽風(fēng)成分進(jìn)行原位探測，推動人類進(jìn)一步了解太陽活動對地球等離子體環(huán)境和空間天氣的影響。

2 有效載荷配置

為實(shí)現(xiàn)其科學(xué)目標(biāo)，SMILE衛(wèi)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(qiáng)計(jì)（MAG）。軟X射線成像儀主要提供向陽側(cè)磁層頂?shù)腦射線成像圖；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(shí)現(xiàn)太陽風(fēng)-磁層相互作用的全景成像；低能離子分析儀和磁強(qiáng)計(jì)對上游太陽風(fēng)或磁鞘等離子體以及磁場進(jìn)行實(shí)時的原位探測，測量驅(qū)動源頭。

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

1）響應(yīng)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(xué)和中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心共同研制，其性能指標(biāo)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(xué)院國家空間科學(xué)中心研制，是嫦娥-1和2正樣產(chǎn)品，SMILE衛(wèi)星將繼承其設(shè)計(jì)。

低能離子分析儀性能指標(biāo)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(xì)），俯仰角6°；

5）時間分辨率：1s。

磁強(qiáng)計(jì)由中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心研制，其性能指標(biāo)如下。

1）量程范圍：±9600nT；

2）分辨率：24bit；

3）噪聲：＜0.1nT（RMS）。

3 SMlLE衛(wèi)星工程設(shè)計(jì)

衛(wèi)星軌道

SMILE衛(wèi)星為大橢圓軌道，遠(yuǎn)地點(diǎn)19Re，近地點(diǎn)5000km，軌道傾角98.2°[采用“聯(lián)盟”（Soyuz）]或軌道傾角63°～100°[采用織女星-C（Vega-C）]，近地點(diǎn)幅角280°。

衛(wèi)星系統(tǒng)

SMILE衛(wèi)星組合體為三艙結(jié)構(gòu)，由有效載荷艙、服務(wù)艙和推進(jìn)艙組成，為三軸穩(wěn)定衛(wèi)星。中方負(fù)責(zé)衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)并研制服務(wù)艙和推進(jìn)艙，ESA負(fù)責(zé)有效載荷艙研制。衛(wèi)星組合體發(fā)射包絡(luò)小于2200mm×3632mm。數(shù)傳為X頻段，每軌下行數(shù)據(jù)能力不小于38.5Gbit。其測控為S頻段統(tǒng)一載波系統(tǒng)?？傎|(zhì)量小于2000kg，在軌壽命設(shè)計(jì)大于3年。

運(yùn)載火箭系統(tǒng)

運(yùn)載火箭由ESA負(fù)責(zé)，由“聯(lián)盟”或阿里安-6-2（Ariane-6-2）“一箭雙星”發(fā)射至700km高的太陽同步軌道，傾角為98.7°；或用織女星-C單獨(dú)發(fā)射到低地球軌道，之后通過推進(jìn)艙變軌至大橢圓探測軌道。

發(fā)射場系統(tǒng)

由ESA完成圭亞那庫魯航天中心的適應(yīng)性建設(shè)，承擔(dān)運(yùn)載火箭和衛(wèi)星的測試、發(fā)射任務(wù)，并提供地面技術(shù)支持與勤務(wù)保障。

測控系統(tǒng)

測控系統(tǒng)主要由中方負(fù)責(zé)，歐洲航天控制中心（ESOC）等單位參加。SMILE衛(wèi)星預(yù)計(jì)于2021年底在庫魯航天中心發(fā)射，衛(wèi)星組合體與運(yùn)載火箭分離前的測控由ESA負(fù)責(zé)，分離后的測控由中方負(fù)責(zé)。2017年6月21日-23日，SMILE任務(wù)確認(rèn)評審（MCR）在中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心順利舉行。

地面支撐系統(tǒng)

中方在“空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)”的“十二五”規(guī)劃已有的基礎(chǔ)上完成適應(yīng)性建設(shè)，主要實(shí)施有效載荷運(yùn)控管理、科學(xué)數(shù)據(jù)接收、0級以下科學(xué)數(shù)據(jù)處理、各級數(shù)據(jù)產(chǎn)品的管理、長期科學(xué)數(shù)據(jù)產(chǎn)品的發(fā)布服務(wù)。

科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)

中歐雙方完成各自科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)研制建設(shè)；雙方協(xié)同制定SMILE衛(wèi)星任務(wù)的科學(xué)戰(zhàn)略規(guī)劃和科學(xué)探測計(jì)劃，以及監(jiān)視計(jì)劃執(zhí)行情況；分析有效載荷在軌性能，提出有效載荷在軌運(yùn)行參數(shù)調(diào)整需求；開展科學(xué)數(shù)據(jù)的標(biāo)定處理，產(chǎn)生科學(xué)快視數(shù)據(jù)，生成一級以上數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

地面段部分包括測控系統(tǒng)、地面支撐系統(tǒng)和科學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)以及相應(yīng)的國外測控站。

4 結(jié)束語

中歐聯(lián)合科學(xué)評議委員會對SMILE衛(wèi)星給予了高度評價：SMILE衛(wèi)星將運(yùn)用全新的X射線成像技術(shù)，首次實(shí)現(xiàn)太陽風(fēng)-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(tǒng)的全局特性起到至關(guān)重要的作用。

SMILE衛(wèi)星任務(wù)是繼“雙星計(jì)劃”后，中歐雙方按照“無資金交換”原則，在航天領(lǐng)域開展深入合作的又一項(xiàng)目，意義重大，影響深遠(yuǎn)。