空間科學探測衛星技術應用研究進展

+ 王曉海 空間電子信息技術研究院 空間微波技術重點實驗室

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空間科學探測衛星技術應用研究進展

+ 王曉海 空間電子信息技術研究院 空間微波技術重點實驗室

本文對空間科學探測衛星技術進行簡單介紹，

1 引言

自1957年至今，人類航天活動已經歷了五十多年的發展歷程。1957年10月4日，前蘇聯成功發射了人類首顆人造地球衛星，開辟了人類探索外層空間活動的新時代。

用于進行空間科學探測和科學實驗研究的衛星稱之為空間科學衛星。它攜帶著各種儀器，穿行于大氣層和外層空間，收集來自空間的各種信息，使人們對宇宙有了更深的了解，為人類進入太空、利用太空提供了十分寶貴的資料。

空間科學衛星體系主要包括：空間天文物理探測衛星系統、日地關系物理探測衛星系統、空間科學實驗衛星系統。天文物理探測衛星是指采用各種探測技術利用外層空間進行各電磁譜段探測、引力波探測等的空間天文物理研究的衛星。日地關系物理探測衛星是對日地物理現象和過程進行探測研究的人造衛星。空間科學實驗衛星指用于進行空間物理學實驗、空間化學實驗、微重力科學實驗（包含空間材料科學實驗）、空間生命科學實驗用的衛星。

空間科學有效載荷是指搭載于科學衛星上，用于科學數據的收集、探測、校準、轉換和處理，并據此研究發生在宇宙空間的物理、天文、化學和生命等自然現象及其規律的載荷。具體在本文中主要指用于進行空間科學探測的有效載荷。

2 空間科學探測衛星技術應用現狀

2.1 空間天文探測衛星技術應用現狀

美國依靠其強大的空間技術和雄厚的天體物理理論基礎，成為當今空間天文探測的領頭羊，占據了世界的絕對領先位置。歐洲在空間天文探測方面的成就僅次于美國，在很多領域處于世界領先地位。日本在空間天文探測方面也非常活躍，在X射線探測和空間VLBI探測領域處于世界領先。

2.1.1 美國“哈勃空間望遠鏡”（HST）

1990年發射的哈勃空間望遠鏡是迄今為止最為復雜的航天器之一。主要科學載荷包括：廣角行星相機、暗弱天體光譜儀、戈達德高分辨率光譜儀、高速光度計、暗弱天體照相機、精密導引敏感器、矯正透鏡組軸心替代系統、近紅外光相機及目標分光測熱計、太空望遠鏡照相光譜儀、先進巡天相機。

2.1.2 美國“斯必擇紅外天文望遠鏡”（SIRTF）

2003年8月25日，美國發射了SIRTF。主要科學載荷有低溫主望遠鏡、紅外陣列相機、紅外光譜儀、多波段成像光度計等。

2.1.3 美國“開普勒天文望遠鏡”（KEPLER）

2009年3月7日，NASA發射了KEPLER望遠鏡，它將利用先進光學探測器組合捕獲繞母星運行的太陽系外行星所引起的細微光線變化。探測器主要由望遠鏡和相機構成。

2.1.4 美國“寬視場紅外巡天探測器”（WISE）

2009年12月14日，NASA發射了WISE天文觀測衛星，其主要任務是觀測與拍攝小行星、彗星、恒星和遙遠宇宙中的星系團照片。衛星搭載有1臺紅外望遠鏡和其他4臺紅外探測設備。

2.1.5 美國“核光譜望遠鏡陣列”（NuSTAR）

2012年6月13 日，NASA成功發射“核光譜望遠鏡陣列”（NuSTAR）衛星。NuSTAR將使用獨特的設備觀測宇宙爆發的最高能X射線。

2.1.6 歐洲“雨燕”（Swift）

2004年11月，“雨燕”（Swift）衛星發射升空。Swift是觀測γ射線暴（GRB）快速反應的天文衛星，主要科學載荷由3臺望遠鏡組成，提供對GRB及其余輝的快速識別和多波長跟蹤。

2.1.7 歐洲“對流旋轉和行星凌星”（COROT）

2006年12月27日，歐洲發射了COROT太空望遠鏡——全球首個專門從大氣層外觀察太陽系外行星的空間探測器。衛星載有1臺望遠鏡和2臺CCD相機。

2.1.8 歐洲“赫歇爾”（Herschel）

2009年5月14日，歐洲Herschel成功發射，它是第1個覆蓋整個遠紅外譜段和亞毫米譜段的航天器。它攜帶的3臺科學儀器是遠紅外外差儀器（HIFI）、光度探測器陣照相機和光譜儀（PACS）、譜和光度成像射頻接收機（SPIRE）。

2.1.9 歐洲“普朗克”（Plank）

Plank將以前所未有的精度測定宇宙中各區域宇宙微波背景溫度極其細微的活動。衛星攜帶有一臺帶有遮擋板的離軸格利高里望遠鏡和2臺科學儀器，其中低頻儀器是高電子遷移晶體管無線電接收機陣列，高頻儀器是三角形測熱輻射微波探測器陣列。

2.1.10 日本極先進的通訊和天文實驗室（HALCA）

日本于1989年4月正式開始實施VSOP（VLBI Space Observatory Program），并于1997年成功發射HALCA（Highly Advanced Laboratory forCommunication and Astronomy）衛星，成為人類首個空間VLBI（Very Long Baseline Interferometer）衛星。

2.1.11 日本天文觀測衛星（ASTRO-E2）

2005年7月10日，日本發射了ASTRO-E2—第5顆X射線天文觀測衛星。它攜帶3臺科學載荷：X射線微熱量計、X射線成像光譜儀（XIS）和硬X射線探測器（HIS）。

2.1.12 日本天文觀測衛星（ASTRO-F）

2006年2月22日，日本成功發射ASTRO-F，該衛星的主要任務是探測銀河系的演變，研究恒星和行星黑物質和褐矮星的形成。衛星安裝了1臺紅外太空望遠鏡和2臺焦平面儀器—遠紅外測量儀（FIS）和紅外相機（IRC）。

2.1.13 日本高功能科學小衛星（INDEX）

2005年8月24日，日本發射INDEX小衛星，其科學任務是觀測極光的精細結構。載有多光譜極光相機（MAC）、電子/離子能譜分析儀（ESA / ISA）、電流監視儀（CRM）以及科學數據處理單元（SHU）。

2.1.14 印度天文衛星（ASTROSAT）

天文衛星是印度的多波段天文觀測衛星，科學載荷包括：3臺X射線儀器——大區域氙填充均衡計數器（LAXPC）、軟X射線望遠鏡（SXT）和鎘-鋅-碲化物陣列、紫外線成像望遠鏡（UVIT）、X射線掃描天空監視器（SSM）。

2.1.15 印度熱帶云衛星（Megha-Tropiques）

印度熱帶云衛星將裝載3臺科學載荷：MADRAS多頻微波掃描輻射計、SAPHIR多通道微波儀器、SCARAB多通道儀器。

2.1.16 韓國科學技術衛星（STSAT-3）

STSAT-3衛星是一顆多用途微衛星，其主要任務是：在紅外譜段拍攝銀河系的天文圖像和宇宙背景圖像；提供對地觀測的紅外圖像和高光譜圖像以及進行新技術驗證。衛星上裝載科學載荷主要有多用途紅外成像儀（MIRIS）和成像光譜儀（COMIS）。

2.1.17 俄羅斯小型科學衛星（CHIBIS—M）

CHIBIS—M衛星包括X和γ射線探測器、紫外線探測器、等離子波檢測儀、無線電頻率分析儀和光學數碼相機。

2.2 空間物理探測衛星技術應用現狀

空間物理是空間科學的重要研究內容，主要研究太陽系中各行星的物理現象與規律，研究空間環境及其對人、對空間活動和生態環境的影響。

2.2.1 月球探測

1998年1月7日美國發射了“月球勘探者”探測器，這標志著重返月球計劃的真正實施。“月球勘探者”攜帶γ譜儀、中子譜儀、電子反射儀和磁強計等科學載荷。

歐洲第1個月球探測器——斯瑪特-1（SMART-1）主要有效載荷有：先進月球成像實驗儀（AMIE）、紅外光譜儀（SIR）、小型X射線光譜儀（DCIXS）等7臺科學載荷。

2007年9月14日，日本“月亮女神”繞月探測衛星升空，開始了它為期一年的探月之旅。“月亮女神”共攜帶熒光X射線分光計、月球雷達探測器、伽馬射線分光計、多頻帶成像儀、光譜剖面儀、地形照相機、激光高度計、月球磁力計、帶電粒子頻譜儀、等離子觀測裝置、中繼衛星、高層大氣等離子成像儀、甚長基線干涉測量電波源、高清晰度影像拍攝系統等14種科學載荷。

美國的“月球勘測軌道器”（LRO）、“月球坑觀測與遙感衛星”（LCROSS）于2009年6月18日成功發射。LRO上的科學載荷有：LRO相機（LROC）、月球軌道器激光高度計（LOLA）、微型雷達（Mini RF）、月球探測中子探測器（LEND）、月球輻射計（DLRE）、紫外成像光譜儀（LAMP）、宇宙射線輻射效應望遠鏡（CRTER）；LCROSS上的科學載荷有5臺相機（1臺VIS，2臺NIR，2臺MIR）、3臺光譜儀（1臺VSP，2臺NSP）和1臺總亮度光度計（TLP）。

2011年9月10日，美國發射了“月球重力場反演與內部實驗室”（GRAIL）科學探測器。其上裝載有月球重力測距系統（LGRS）和小型月球成像系統（Moon KAM）兩類載荷。

印度“月球初航”- 1裝載的科學載荷有：地形繪圖立體相機（TMC）、超光譜楔型濾光器相機、校準低能X射線分光計、高能X射線繪圖儀、太陽X射線監視器、激光測距儀、月球沖擊探針、成像X射線分光計、近紅外分光計、低能原子反射分析儀、輻射劑量監視器、袖珍型合成孔徑雷達、月球礦物學制圖儀。

2013年10月6日，美國成功發射“月球大氣與塵埃環境探測器”（LADEE）科學探測器。其上裝載有月球塵埃分析儀、中性粒子質譜儀、紫外光和可見光光譜儀。

2.2.2 火星探測

在火星探測方面，蘇聯起步很早，1960年10月10日發射的火星- 1（Mars1）號探測器是人類第一個飛往火星的探測器；1971年5月28日發射的火星-3（Mars3）號探測器是蘇聯第一個在火星表面著陸的探測器。

1996年11月7日美國發射的“火星全球勘測者”（Mars Global Surveyor），于1997年9月12日進入火星軌道，成為近20年第一個成功登陸火星的探測器。主要科學載荷有：火星軌道器相機（MOC）、火星軌道器激光高度計（MOLA）、熱輻射光譜儀（TES）、磁強計、射電科學儀（重力場試驗）。

1996年12月4日，美國發射了“火星探路者探測器”（Mars Pathfinder），于1997 年7月4 日到達火星并成功軟著陸。火星探路者攜帶的科學載荷包括大氣結構測量儀器/氣象包（ASI/MET）、立體照相機（成像儀）、α質子X射線光譜儀（APXS）。

1998年12月發射的“火星氣候軌道器”（Mars Climate Orbiter）著陸器上的主要科學載荷是壓力調節紅外輻射計和彩色成像儀。

1999 年1 月3 日發射的“火星極地著陸器”（Mars Polar region Lander）主要科學載荷有火星揮發物和氣候觀測儀（MVACS）、火星極地著陸器火星降落相機（MARDI）、激光雷達（LIDAR）等。

2001年4月7日，“奧德賽”火星探測器（Mars Odyssey）主要科學載荷：熱輻射成像系統（THEMIS）、γ射線光譜儀（GRS）、火星輻射環境實驗儀器（MARIE）。

“勇氣號” 于2003年6月10日成功發射并飛向火星，“機遇”號隨后于2003年7月7日發射。勇氣號和機遇號攜帶的科學載荷包括：高分辨率的彩色立體CCD全景攝像機、顯微成像儀、莫氏分光儀（MB）、微型熱輻射光譜儀、α粒子和X射線光譜儀、巖石研磨工具。

“火星勘查軌道器”（Mars Research Orbiter）是美國于2005年8月10發射升空，主要科學載荷有：高分辨率相機（HiRISE）、高光譜成像光譜儀（CRISM）、背景相機（CTX）、彩色相機（MARCI）、氣候探測儀（MCS）、淺層探測雷達（SHARAD）。

美國新一代火星探測器“火星大氣與揮發物演變”（MAVEN）于2013年11月18日成功發射。MAVEN探測器有中性氣體和離子質譜儀（NGIMS）和紫外成像光譜儀（IUVS）。

2013年11月5日，印度成功發射了第一個火星探測器“曼加里安”（Mangalyaan）。探測器上的5臺科學探測儀器有萊曼-阿爾法光度計（LAP）、火星甲烷探測儀（MSM）、火星外大氣層成分探測器分析儀（MENCA）、彩色相機（MCC）、火星紅外光譜探測儀（PRISM）。

歐洲發射的火星探測器不多，但參與了大部分的美國探測器的研究工作。歐洲發射的最著名的火星探測器是火星快車（Mars Express）。主要科學載荷有：高分辨率立體相機（HRSC）、紅外礦物繪制光譜儀（OMEGA）、紅外和紫外大氣分光計（SPICAM）、行星傅立葉分光計（PFS）、空間離子和高能原子分析儀（ASPERA）、火星射電科學試驗儀器（MARS）、火星地下探測雷達/高度計（MARSIS）。

中俄聯合火星探測項目中俄方探測器上計劃裝載的科學載荷有）等離子體—磁場探測系統（PhPMS）、微小粒子監測器（METEOR）、土壤含氣質譜分析載荷系統、紅外分析儀、中子及γ射線分析儀、次級離子質譜儀、長波雷達、紅外顯微鏡等。

2.2.3 其它行星探測

“金星快車”（Venus Express）是歐洲航天局（ESA）第1個金星探測器，也是世界第1個對金星大氣和等離子環境進行全球研究的探測器。“金星快車”的科學載荷包括：空間等離子和高能原子分析儀- 4 （ASPERA - 4）、磁力計（MAG）、行星傅里葉分光計（PFS）、金星大氣特性研究分光計（SPICAV）、金星無線電探測儀（VeRa）、可見光-紅外熱成像分光計（VIRTIS）、金星監測相機（VMC）。

MESSENGER水星探測器是NASA“發現計劃”的第7項任務，于2004年8月3日發射。MESSENGER攜帶8臺科學載荷：水星雙重成像系統（MDIS）、γ射線和中子分光計（GRNS）、X射線分光計（XRS）、磁力計（MAG）、水星激光高度計（MLA）、水星大氣和表面成分分光計（MASCS）、高能粒子和等離子體分光計（EPPS）、無線電科學研究（RS）。

1997年10月15日發射的Cassini是世界第1個專用土星探測器。“卡西尼”號攜帶的科學載荷有：圖像科學分系統（ISS）、可見光和紅外測繪光譜儀（VIMS）、復合紅外光譜儀（CIRS）、紫外圖像聲譜攝制儀（UVIS）、雷達（Radar）、無線電科學研究（Radio Science）、卡西尼等離子光譜儀（CAPS）、離子和中性物質質量光譜儀（INMS）、宇宙灰塵分析儀（CDA）、雙磁力計（MAG）、磁力圈圖像質譜儀（MIMI）、無線電和等離子波分系統（RPWS）。

“惠更斯”號攜帶的科學載荷有：懸浮物收集器和裂解器（ACP）、下降圖像器和光譜輻射計（DISR）、多普勒風試驗（DWE）、氣體色譜儀和質譜儀（GCMS）、惠更斯大氣結構儀（HASI）、表面科學儀器包（SSP）。

2006年1月19日，NASA的“新地平線”（New Horizons）冥王星探測器發射升空。它攜帶了7臺科學載荷:3架照相機分別用于拍攝可見光、紅外線和紫外線照片；2臺光譜儀和1臺無線電設備用來研究冥王星大氣及地表物質的成分和溫度；還有1部塵埃計數器。

2005年1月12日，NASA發射“深入撞擊”（Deep Impact）的彗星探測器。主要科學載荷有：高分辨率成像儀（HRI）、中分辨率成像儀（MRI）、撞擊器目標遙感器（ITS）。

歐洲的羅塞塔彗星探測器（Rosetta）由軌道器和著陸器兩部分組成。其中軌道器攜帶11臺科學載荷：光學分光與紅外遙感成像系統（OSIRIS）、紫外成像光譜儀（ALICE）、可見與紅外熱成像光譜儀（VIRTIS）、羅塞塔軌道器微波儀（MIRO）、羅塞塔軌道器離子與中子分析光譜儀（ROSINA）、彗星輔助離子質量分析儀（COSIMA）、微型成像塵埃分析系統（MIDAS）、利用無線電波傳輸探測彗核的實驗（CONSERT）、微粒撞擊分析與塵埃收集器（GIADA）、羅塞塔等離子探測器包（PRC）、無線電科學研究（RSI）。著陸器攜帶的9 臺科學載荷分別是α和X 射線光譜儀（APXS）、彗核紅外和可見光分析器（CIVA）、彗核探測儀（CONSERT）、彗星取樣和成分實驗（COSAC）、同位素成分氣體分析器（MODULUS）、多用途傳感器（MUPUS ）、“羅塞塔”著陸器成像系統（ROLIS）、鉆探取樣和分布子系統（SD2）、表面電和地震及聲學監測實驗（SESAME）。

美國“朱諾”（Juno）木星探測器于2011年8月5日發射成功，預計2016年7月到達木星軌道。探測器上的科學載荷有磁力計（MAG）、微波輻射計（MWR）、重力科學裝置（GS）、木星高能粒子探測儀（JEDI）、木星極光分布裝置（JADE）、紫外線光譜儀（UVS）、無線電和等離子體波試驗裝置（Waves）、可見光相機（Juno Cam）、紅外極光光譜儀（JIRAM）。

2012年5月2日，歐洲空間科學決策機構科學計劃委員會批準了由歐空局空間科學顧問委員會提出的木星探測任務建議。該任務中的“木星冰月探測器”將于2022年發射，預計2030年初抵達木星，對木星及其3顆衛星進行至少3年的科學探測。

3 空間科學探測衛星技術發展趨勢

3.1 空間天文探測衛星技術發展趨勢

總結國際空間天文衛星的技術發展，空間天文衛星有效載荷技術發展趨勢主要包括以下幾個方面：

3.1.1 探測距離越來越遠

航天推進技術的持續改進提高，在初次始發動力上給予有力保障，同時伴隨著空間在軌服務技術，特別是空間在軌燃料加注技術的逐漸發展，使得探測器二次能源供應得到解決，從而可以飛行更遠更長。

3.1.2 探測項目越來越多

衛星探測技術的發展有效的促進了空間天文學學科的發展，并且學科理論的發展要快于實踐工具（衛星探測技術）的發展，于是首先從理論上提出了許多希望要進行探測的項目。

3.1.3 探測裝備越來越強

在強大需求牽引下，未來的天文探測衛星載荷必定會具有更加豐富的功能，會采用更加高級先進的探測技術、采用新型的敏感器件等等，才能滿足要求，實現更為復雜強大的探測。

3.1.4 光學系統越來越大

為了實現極高的靈敏度和空間分辨率，天文觀測衛星需要越來越大的光學系統口徑，為實現大口徑的光學系統，引出一系列相關的鏡面制造技術、拼接技術、測試技術及自主光學技術。

3.1.5 系統溫度越來越低

為了實現高靈敏度天文物理探測、特別是紅外譜段的天文探測，要求望遠鏡和探測器的溫度越來越低，目前要求望遠鏡的溫度達到幾十K、甚至幾K，探測器的溫度要求在幾K，甚至幾十mK的量級，而且由于壽命和振動的要求，需要更多的先進低溫技術。包括主動低溫制冷技術、儲能式低溫控制技術、大型太陽屏技術、低溫傳熱部件、低溫機構部件、低溫測量技術、低溫測試技術等。

3.1.6 系統精度越來越高

為了實現高靈敏度天文物理探測，對各系統的精度要求越來越高，包括系統級和分系統級。主要包括高精度編隊飛行技術、高精度姿態控制技術、高精度授時技術、高精度測量技術、高精度熱控技術、高精度鏡面面型控制技術、及相關的試驗測試技術等。

3.2 空間物理探測衛星技術發展趨勢

未來空間物理探測任務將不再局限于單顆衛星在某一局部區域的探測。空間物理衛星將覆蓋在整個太陽-地球連線進行全范圍的探測，一方面，在衛星任務實現中，許多空間物理衛星技術和探測載荷直接應用于未來的空間物理探測任務；另一方面，未來的許多空間物理衛星任務會是多星任務，還有一些任務需要在太陽軌道進行探測研究。同時，空間物理衛星有效載荷的發展仍需要在許多技術方面進行改進和關鍵技術攻關，主要的技術趨勢包括以下幾個方面：

3.2.1 低質量、低成本的有效載荷技術

空間物理衛星主要以小衛星平臺為主，在未來的空間物理探測中，多星任務設計已經成為一種趨勢，在一個任務周期內完成幾十個探測衛星及多種有效載荷是衛星研制部門將要面對的巨大挑戰。必須通過技術研發，實現低質量、低成本衛星及有效載荷的設計，及制造、裝配和測試技術。

3.2.2 質量、功耗、高密度數據存儲技術

空間物理衛星不僅僅只在地球軌道，許多衛星要發射到拉格朗日點或者太陽軌道。成像載荷的廣泛使用給衛星的數據壓縮和存儲技術提出了苛刻的要求，為了滿足空間物理衛星任務的需求，需開發小質量、低功耗、高密度的數據存儲技術。

3.2.3 大區域星座探測技術

未來的許多空間物理衛星任務將是由許多顆小衛星組成的覆蓋大區域的星座探測計劃。為了實現多衛星的空間物理探測任務，需要開展衛星通訊系統、導航、控制等技術的研究，實現衛星星座的優化設計和自主運行控制。

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［12］張月、焦建超 “韓國搭載首個紅外相機的‘科學技術衛星3號’成功發射” 《航天返回與遙感》 2013年第34卷第6期 pp95-96