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空间科学与应用研究中心——心存高远 脚踏实地

发布日期:2021-05-24 07:39   来源:未知   阅读:

  1. “风云系列”、“实践”系列、“资源一号”系列等天基探测和在轨警报所取得的创新成果

  自从第一颗人造卫星上天以来,国际上对空间环境及其效应的探测与研究就从未停止过。我国对此也十分重视,已发射和准备发射的多种型号的卫星,装载有空间环境及其效应探测仪器。

  空间环境主要指航天器在轨运行所遇到的各种环境,包括各种能量、各种成分的带电粒子、中性粒子,各个波段的电磁辐射、磁场、电场、微流星和空间碎片,以及温度、微重力等等。这些空间环境通过单粒子效应、辐射剂量效应、充放电效应、剥蚀效应、阻尼效应等对航天器的安全运行及航天员的活动构成了严重的威胁。因此探测空间环境,研究其对航天器及航天员的效应及影响,成为航天工程安全保障的重要内容之一。

  空间中心空间环境探测研究室作为中国科学院空间科学与应用研究中心的科研机构之一,主要从事空间环境及其对航天器效应的探测和研究,是我国航天器空间环境及其效应探测研究的重要基地。该室承担了“风云一号”、“风云二号”、“实践四号”、“实践五号”、“资源一号”等多种卫星型号的空间环境监测分系统的研制任务,并取得一批重要成果。

  “风云一号”为太阳同步轨道卫星,共发射四颗星。C星、D星分别于1999年、2002年发射,星上空间环境监测器为空间粒子成分监测器,较早期发射的A星、B星装载的宇宙线成分监测器性能有较大提高。空间粒子成分监测器主要监测卫星轨道空间的高能带电粒子(重离子、质子、电子),为卫星的安全保障及工程设计服务。探测器在轨运行期间获得大量地球辐射带异常区及太阳质子事件数据,曾获中国科学院科技进步奖等多项成果奖。C星、D星空间环境监测器目前仍在轨正常工作,并定时向地面发回优质数据。

  “风云二号”为我国地球同步轨道气象卫星,共发射三颗星。A星、B星、C星分别于1997年、2000年、2004年发射。星上空间环境监测器包括太阳X射线探测器和空间粒子探测器,构成太阳质子事件警报和监测系统,实时监测“风云二号”轨道空间带电粒子环境,警报太阳质子事件。“风云二号”空间环境监测器是国内目前唯一的全天候天基空间环境监测和警报系统。卫星在轨期间,取得了许多重要探测结果。获国家科技进步二等奖等成果奖。目前,B星在轨超期工作,C星接A星、B星在轨工作。

  “实践四号”是一颗空间科学探测试验卫星,1994发射。它主要用于探测和研究近地空间的各种高能、低能带电粒子及其对航天器的效应。空间环境监测器包括高能质子重离子探测器、高能电子探测器、静电分析器、卫星表面电位探测器、静态单粒子事件探测器、动态单粒子事件探测器等。自卫星入轨后,有效载荷一直工作正常,获得大量的探测数据和试验成果。并获中国科学院科技进步一等奖。

  利用“长征四号(CZ-4B)”发射“风云一号”02批卫星的剩余负载能力,搭载“实践五号”卫星,进行科学试验,1999年发射,空间环境监测包括对单粒子事件测量及对策研究,与之配套还进行空间高能带电粒子环境及辐射剂量测量。获中国科学院科技进步一等奖。

  “资源一号”为地球极轨卫星,该星搭载有极光粒子探测器、粒子辐射探测器和CMOS辐射效应测量仪。

  经过多年的发展,空间环境及其效应探测仪器,已有了较大的飞跃,并初步形成了探测系列,能够为航天工程提供较好的警报、实时监测及效应分析服务。空间环境的探测与研究队伍已初具规模。随着航天技术的发展,空间环境及其效应的探测会取得更大的成果,将为航天工程的安全保障及国民经济发展做出更大的贡献。

  近年来,空间中心大气探测组成功研制了箭载双探针电场仪(曾在美方火箭上试验成功)、球载电场探测系统、微型火箭电场探测系统、旋转式地面电场仪等。其有关项目分别获得中国科学院自然科学奖、中国科学院科技进步奖、国防科工委科技进步奖、军队科技进步奖等多项,申请专利8项。

  电场是空间物理和空间环境一个很重要的参数,太阳活动和雷暴、冰雹的孕育、发展都会引起电场数值在一定程度上的变化。晴天大气电场的年平均值、日振幅和年振幅的长期变化,均与太阳黑子数的长期变化、太阳耀斑爆发、太阳磁扇形边界的扫过相关。通过研究在太阳活动期间电场的相对变化与磁场变化的相关性和与电离层参量变化的相关性,对研究太阳活动对近地环境的影响有重要的价值,是空间环境探测和空间天气研究重要的参数,是空间科学探测卫星和空间环境探测卫星主要探测项目之一。电场是雷电及冰雹形成过程中极重要特征性参量,监测和探测电场的数值及其变化对雷电及冰雹的预警有重要的作用。电场探测仪也是航天器安全升空保障的主要设备之一,还可作为沙尘暴和地震的监测仪器。

  2003年11月10日,中国科学院组建了空间环境研究预报中心(简称预报中心)。预报中心由中国科学院的空间科学与应用研究中心、国家天文台、武汉物理与数学研究所、地质与地球物理研究所、大气物理研究所、中国科学技术大学等6单位共同构成,以空间科学与应用研究中心为挂靠单位。

  预报中心的组建,有效凝聚了中国科学院在空间环境研究与应用领域的优势力量,促进中国科学院以国家科技队的整体面貌承担空间环境探测、研究、应用等国家重大任务,为我国空间科技活动和国家安全提供空间环境保障。

  预报中心成立以来,在我国空间环境科学发展规划、促进中国科学院空间环境资源整合、推进空间环境保障技术发展等方面开展了积极工作。提出了推进和依托国家空间环境地基监测网站建设、业务卫星搭载和科学卫星探测空间环境、发展空间环境数据共享网络、开发空间环境预报和效应分析技术系统,构建我国天地一体化空间环境监测预警体系的发展战略。组织相关专家制定了中国科学院《空间环境数据共享》和《空间环境预报发布》两个条例,探索和规范中国科学院内空间环境资源共享和统一服务的措施。

  预报中心还发挥中国科学院整体优势,积极争取和论证我国载人航天二期、月球探测等重大航天工程的空间环境保障任务,积极争取空间环境监测和信息共享国家科技基础平台。预报中心组织成员单位,承担国家“863”、中国科学院知识创新等重大项目,发展空间环境监测、空间环境预报、空间环境效应分析等关键技术,提高我国空间环境保障能力。预报中心将进一步发挥中国科学院综合优势,推进我国空间环境科学,为我国重大航天任务提供空间环境保障,为国民经济和国家安全做出重大战略性贡献。

  空间中心在载人航天工程、国家“863”计划、中国科学院知识创新工程、民用航天预研等多渠道支持下,开展了空间环境预报、空间环境效应分析、空间碎片预警、空间环境效应实验评价等关键技术研究,形成了一批创新成果。

  以保障重大航天任务空间环境安全为牵引,进行系统集成,建成了空间环境保障试验系统、空间碎片预警系统。空间环境保障试验系统包含空间环境监测和数据管理、空间环境预报、空间环境效应分析、空间环境用户服务等技术单元,在国内首次将空间环境数据获取、信息加工、信息服务的全过程一体化、流水线、高效率实现,为我国大规模的空间环境保障运行提供重要的示范。

  空间环境监测和数据管理系统网络联系了国内十余台地基空间环境监测设备,自动收集、处理、管理国内外数据资源。空间环境预报系统自动和半自动对太阳活动、行星际、卫星轨道环境、重点区域电离层的现状进行通报,对未来变化趋势进行预报。空间环境效应分析系统针对卫星测控、运行管理、卫星通信和导航等技术系统和活动遭遇的空间环境影响进行评估、诊断和提出规避建议。

  空间环境用户服务系统以典型用户单位为示范,试验空间环境保障产品的定制和发布。空间碎片预警系统是国内首个自主的大空间碎片预警的软件技术平台。在国家航天局支持下,空间中心研究掌握了预警方法,建立了预警专用动态轨道数据库,研制了包含数据获取、轨道和在轨预警分析、误差估计、规避或变轨策略制定、预警结果提交等多环节的预警软件系统,初步具备了进行预警服务的能力。

  空间科学与应用研究中心的微波遥感室研究的空间虚拟微波遥感技术和卫星编队飞行都属于国际航天领域的前沿技术。

  空间虚拟微波遥感研究的是一种新型空间遥感方式,是对传统遥感技术方法的重要突破。主要以卫星编队飞行为技术基础,以多维干涉信息提取及处理方法为理论基础,利用分布式空间平台上多个简单成像系统的模式组合探测目标,然后通过对这些简单成像系统的探测数据进行处理,来获取目标的多维高精度信息,从而将分布式平台上的多传感器“虚拟”成能够获取更高精度的复杂探测系统。由于基于卫星编队飞行技术的分布式结构,传感器可获得长基线、大孔径以进行更精确的干涉处理、孔径合成处理等,因而可获得目前单一技术难以达到的高指标低成本的高精度信息。不仅能实现传统遥感获取信息的功能,并且超越传统遥感的功能,达到更高的探测精度和分辨力。编队飞行与虚拟探测是紧密相连的,其中编队飞行主要侧重技术研究而虚拟探测则更注重科学研究。它们可为军用的测绘和侦察,民用的海洋、大气和陆地环境监测提供重要的技术基础。

  该空间技术将为传统空间系统的观念及构建技术系统的思维带来革命性的变革,在未来航天技术的发展中具有重要的战略意义且能带动相关理论与技术的发展,也必将广泛应用于对地观测、空间信息安全等领域。

  先进模块化微波遥感器是在单一模态微波遥感器充分得到发展的基础上,实现多模态、综合功能化,利用高度、散射和辐射模块组成的微波遥感器,在多频段、同一路径上对同一目标所获取的信息进行复合处理、相互同步校准,同时,将测控、数管功能与遥感器一体化设计,组成一个高功能密度、高可靠的有效载荷整体系统。根据不同航天任务对微波遥感有效载荷不同的要求,可拆分、组合成新的微波遥感有效载荷,节省时间和经费。其测量结果可反演出大洋环流、海面风场、海洋重力场、降水、水汽含量、大气温度廓线、海面温度和积雪等。这些数据可用于海洋灾害预报和预警、海洋资源勘探与开发、海洋污染的监测、中长期海洋与气候演变等。在“863”15周年成果展览期间,党和国家领导及有关专家参观了该项成果。先进模块化微波遥感器的研究成果已用于我国航天应用卫星“海洋二号”微波有效载荷的研制中。

  星载三维成像雷达高度计将突破传统海洋高度计不能兼顾陆地应用的限制,做到海陆兼容。它既能用于海洋观测、测量平台到平均海平面的距离以及海面有效波高(测量精度与传统高度计相当),也能用于陆地观测、测量平台到一定范围内平均地表面的距离,同时还可以获得分辨率单元的平均高度信息,实现三维立体成像(地面分辨率为100米×100米,高度精度为2~5米)。这种新型的雷达高度计将脉冲有限和波束有限技术有机结合,运用基于偏离重心点算法的新型高度跟踪算法,运用孔径合成技术和双天线干涉技术等一系列新技术,从而使之能够用于海、海冰和陆地观测,并实现三维立体成像。三维成像高度计可以广泛地服务于海洋科学研究、环境灾害监测、全球地形图测量绘制以及各种与地形特征有关的科学研究,例如水文地质、地理学、植物学等。其重大效益体现在以较小的成本(体积重量功耗和系统复杂度)来获得通常需要更复杂的系统才能获取的信息。2002年4月在陕西阎良进行了三维成像高度计原理样机的首次飞行试验。本次试验在国内首次获得机载双天线雷达干涉相位图像,对干涉相位图进行相位展开后得到了三维地形图。雷达图像的地面分辨率为2.5米。

  机载高分辨力微波辐射计是一台X波段、空间分辨率优于3度的机载成像微波辐射计。这台新型被动式微波遥感器采用了干涉式综合孔径成像技术,在实现电扫描成像的同时也实现了天线阵列单元大比例的稀疏。该辐射计系统在设计上采用了模拟及数字相关器两套方案,配之以不同的天线基线排布方案,既可组成不同空间分辨率的辐射计系统:模拟相关方案采用8通道19基线的设计,通过设计相关器阵列器件,减少连接电缆;数字相关方案则免去了复杂的功分器网络和模拟相关器阵列,并在天线设计上采用了八单元的最小冗余阵列方案,基线条,能够实现更高的空间分辨率。在结构上这两个方案也作了可互换的设计。2004年4月,该辐射计在吉林省敦化市进行了首次航空校飞试验,试验区域选定为吉林省松花湖及黑龙江省镜泊湖。校飞试验总共安排4个架次,成功地获得了试验区的高分辨率地物亮温图像,有力地验证了综合孔径成像原理及机载高分辨力微波辐射计系统的性能。

  负责深空探测领域研究的是空间中心的行星中心,其中文全称是:太阳系·行星科学与探测联合研究中心,其英文全称为:Solar System and Planetary Exploration Center (SPEC)

  为了拓展、加强空间中心在深空探测的能力,2004年5月空间中心专门成立了行星中心。作为空间中心创新科研任务的一个重要试点,行星中心的主要科研目标是探索外层空间、满足国家需求,主要通过开发研制搭载在卫星上的各科学应用载荷,包括磁强计、等离子体探测仪、极紫外成像观测仪等仪器获取的科学探测数据,对太阳系各行星和天然卫星的环境、电磁场、带电粒子、中性大气、空间碎片等进行分析和研究。

  目前科室承担、参与的科学创新课题任务包括:月球探测工程二期,日地月空间环境科学目标预先研究,和欧空局合作的金星快车,和欧空局合作的水星BEPI-COLOMBO,中俄合作“火星一号”卫星Phobos Grunt科学探测工程。

  其中和俄罗斯合作的“火星一号”卫星探测工程的创新性表现在:在太阳系中采集遗迹物质送回地球进行实验室研究,是现今太阳系研究的一项极重要的工作。与俄罗斯在火星及“火星一号”卫星合作开展探测研究,实现我国首次对火星、“火星一号”卫星的科学探测,可以加速我国在深空探测航天技术的发展,建立我国的深空测控和定轨能力;实现人类首次对“火星一号”卫星的就位探测(in situ measurement),对火星电离层实施掩星探测,研究火星电离层的变化特性;探测太阳风与火星电离层相互作用产生的感应磁场的变化特性;首次实现行星间激光测距和激光通讯。

  此次合作将大大缩短我国与美国、俄罗斯、欧空局在深空探测和技术方面的差距,提高我国空间探测器的研制水平,推动我国在行星探测和基础物理研究的发展。

  空间信息与仿真技术研究室主要从事空间网络与信息技术、空间科学任务仿真、自动测试技术及电子与通信技术、航天任务的地面信息处理技术及相关技术的研究工作。

  空间科学任务仿真主要瞄准支持空间科学任务的概念设计、立项论证、验证和评估方面的需求,从实现空间任务的科学目标所需的卫星轨道、有效载荷等方面着手,论证有效载荷系统对其它分系统的需求和要求。同时将以空间科学与探测任务知识库为基础,提供任务的辅助设计、仿真分析、可视化演示及自动文档生成等技术支持。通过承担一些科研任务,目前仿真室已经在空间任务仿真与可视化系统的开放机制,近地卫星星座设计、仿真与可视化,太阳、行星际探测器的轨道设计和分析与发射窗口设计,卫星编队飞行设计与仿真分析等方面,取得了一些研究成果。

  通过承担一些科研任务,在小卫星组网和传输层协议研究方面,仿真室提出了天基信息网络体系结构设想,发展小卫星网络的关键技术问题和解决方法,及传统TCP/IP协议在空间组网中的局限性和改进方法研究。

  在航天任务的地面信息处理技术方面,仿真室成功研制了相对通用的航天地面应用系统的数据预处理系统。该系统已经成功地支持了“神舟”系列飞船的飞行任务、地球“双星计划”的运行任务。目前该系统正在进一步升级,并将应用到“嫦娥一号”卫星的地面应用系统中。

  在有效载荷地面综合电测技术方面,仿真室采用基于VXI总线的自动测试技术开发了卫星星务管理仿真器,采用测试语言实现了测试过程的程序控制和测试结果的自动判别。该技术成功支持了“双星计划”的有效载荷系统测试和卫星整星测试及发射场测试,目前正将此项技术应用于“嫦娥一号”卫星的有效载荷地面综合电测系统研制工作中。

  另外,空间信息与仿真技术研究室还在积极开展软件无线电技术应用、高速数据采集设备研制、高速图像数据快视技术等方面的研究工作。