“引力波暴高能電磁對應體全天監測器”衛星任務概況

熊少林 張科科 李超 鄭耀昕 吳季

（1 中國科學院高能物理研究所 2 中國科學院微小衛星創新研究院 3 中國科學院國家空間科學中心）

天文學是一門觀測驅動的科學，天文學的重大進展往往源自于新的觀測發現。2015年9月14日，美國激光干涉引力波天文臺（LIGO）首次直接探測到來自雙黑洞并合的引力波信號，開辟了人類探索宇宙奧秘的新窗口，該發現完成了愛因斯坦廣義相對論的最后一塊拼圖，揭開了引力波天文學時代的序幕。

引力波發現之后，伴隨引力波產生的電磁輻射（即引力波電磁對應體）的探測研究變得更加重要和緊迫。鑒于引力波電磁對應體的高能輻射（即引力波伽馬暴）具有獨特的重要作用，以及國內外探測引力波伽馬暴設備的不足，針對引力波伽馬暴獨特的探測需求，提出了“引力波暴高能電磁對應體全天監測器”（GECAM）項目。

2017年8月17日，人類首次發現雙中子星并合產生的引力波及其電磁對應體，直接證實了引力波電磁對應體的存在及其在引力波相關研究中的重要作用，取得了一系列重大突破，開啟了多信使引力波天文學時代。引力波電磁對應體的探測研究已成為國際上最熱門的研究領域之一，預期將產生更多重大原創成果。

2018年12月，中國科學院正式批復立項GECAM 衛星任務。該任務是中國科學院空間科學（二期）A 類戰略性先導科技專項[簡稱空間科學（二期）先導專項]繼“太陽風-磁層相互作用全景成像”衛星計劃（SMILE）、“先進天基太陽天文臺”（ASO-S）和“愛因斯坦探針”（EP）之后部署實施的第4 個科學衛星任務[1-3]。GECAM采用兩顆共軛運行在低傾角低軌道的微小衛星方案[4-7]，主要探測引力波伽馬暴等各種空間高能輻射現象，不僅具有全時全天視場、高靈敏度、良好定位精度和寬能段覆蓋，而且具備在軌觸發定位以及準實時下傳探測結果的能力，可引導其他望遠鏡進行后隨觀測。

1 科學目標與任務

GECAM 衛星任務的科學目標主要包括：全天監測引力波伽馬暴，發現最大樣本的引力波伽馬暴和新的輻射現象，研究中子星、黑洞等致密天體及其并合過程；全天監測快速射電暴可能的高能輻射，揭示其物理起源和輻射機制；全時監測各類特殊伽馬暴和磁星爆發，深入研究它們的爆發機制。

GECAM 衛星任務的工程目標包括：研制兩顆衛星，采用一發固體運載火箭，在發射場、測控系統的支持下，將衛星發射至預定軌道并完成雙星部署；完成地面支撐系統適應性改造和科學應用系統研制建設，為科學觀測與研究提供支持。衛星在軌開展對引力波伽馬暴等高能輻射現象進行全時全天視場、寬能段、高靈敏度和良好定位的監測，研究黑洞、中子星和引力波等物理現象。

GECAM 衛星任務的主要創新點包括[8]：

1）采用溴化鑭晶體（LaBr3）和硅光電倍增器（SiPM）的方案，實現空間伽馬射線探測器的小型化、非高壓、低能閾、低熱敏、強抗振設計；

2）采用層疊式模塊化微納衛星平臺和單翼斜置電池翼對日自主隨動方案，實現微納衛星2：1 的平臺載荷比和長時高功率能源供給；

3）利用北斗導航系統的全球短報文功能實現星地間的準實時（延遲時間小于幾分鐘）科學數據通信。

GECAM 衛星具有在軌快速觸發和定位功能，在北斗短報文系統的支持下，GECAM 衛星可準實時下傳觸發信息至科學應用系統，然后通過“伽馬暴坐標網絡”（GCN）等系統發布引力波伽馬暴、伽馬暴以及其他暫現源的觸發時間和定位等信息，引導多波段望遠鏡進行后隨觀測。

2 有效載荷配置

為實現其科學目標，每顆GECAM 衛星配置了25 個伽馬射線探測器（GRD）和8 個荷電粒子探測器（CPD），分別探測8keV～2MeV 的伽馬射線和300keV～5MeV 的電子。每顆GECAM 衛星的25個伽馬射線探測器分別指向不同方向，從而使每顆衛星可監測除地球遮擋之外的所有天區。兩顆GECAM衛星運行在地球兩側，從而具有全時全天視場，可監測包括引力波伽馬暴在內的全天隨機發生的高能暫現源。

除了實現上述科學目標，GECAM 衛星也將探測太陽耀斑（SFL）和地球伽馬閃（TGF）等來自太陽和地球的高能輻射現象。針對地球伽馬閃的探測需求，伽馬射線探測器采取了縮短死時間、增加探測器個數等優化措施，盡量避免地球伽馬閃高流強導致的脈沖堆積等效應，準確測量地球伽馬閃的能譜和光變曲線。為了探測地球伽馬閃伴隨產生的地球電子束（TEB）現象，荷電粒子探測器采用逐事例探測模式，縮短死時間，而且多個荷電粒子探測器指向不同方向，從而可以判定地球電子束的入射方向。綜合伽馬射線探測器和荷電粒子探測器等多個探測器的信息，GECAM 將聯合測量地球伽馬閃和地球電子束的輻射性質，從而全面研究地球伽馬閃產生過程中伽馬射線和電子的產生機制。

伽馬射線探測器的主要技術指標：

1）探測面積（單體）：＞40cm2；

2）探測能區（伽馬射線）：8keV～2MeV；

3）能量分辨率（FWHM）：＜18%@59.5 keV。

荷電粒子探測器的主要技術指標：

1）塑閃尺寸（單體）：＞15cm2；

2）探測能區（電子）：300keV～5MeV。

載荷處理器的主要技術指標：

1）在軌觸發、定位計算時間：≤1min；

2）探測器相對時間精度：＜0.5μs。

GECAM 衛星布局示意圖

GECAM 衛星星座及軌道示意圖

GECAM 衛星構型圖

3 GECAM 衛星工程方案

GECAM 衛星工程任務由衛星系統、運載火箭系統、發射場系統、測控系統、地面支撐系統和科學應用系統六大系統組成。GECAM 以“一箭雙星”的方式發射，兩顆衛星同時入軌后，通過相位調整，運行于地球兩側，從而可監測全部天區。GECAM 雙星共軛運行在軌道高度600km、傾角29°的低軌圓軌道上，相位差180°±5°。

衛星系統

GECAM 衛星系統由衛星平臺和有效載荷分系統兩部分組成，衛星平臺以成熟的WN100 微納平臺為基礎，包括結構分系統、熱控分系統、姿軌控分系統、綜合電子分系統、星務分系統。單星發射包絡尺寸不大于580mm（X）×1050mm（Y）×1364mm（Z）。衛星采用三軸穩定姿態和天頂主平面對日指向策略。數據傳輸在X 頻段，碼速率不小于300Mbit/s，測控為S 頻段統一載波系統。雙星總質量小于360kg，在軌壽命不小于3年。衛星平臺由中國科學院微小衛星創新研究院負責研制，有效載荷由中國科學院高能物理研究所負責研制。

運載火箭系統

采用長征十一號固體運載火箭，以航天發射服務形式委托給中國航天科工信息技術研究院。

發射場系統和測控系統

發射場預計在西昌衛星發射中心，主要完成衛星發射的適應性改造及衛星與火箭的發射技術保障任務；測控工作由西安衛星測控中心負責，主要完成火箭發射階段外測、遙測、安控等任務，完成衛星發射及在軌運行期間對衛星的跟蹤測軌、遙測、遙控等任務。

地面支撐系統

地面支撐系統的主要任務是實施衛星和有效載荷在軌運行管理及狀態監視，完成科學數據的接收、預處理以及數據產品的管理與歸檔，提供長期的科學數據產品共享與科普宣傳服務。該系統由中國科學院國家空間科學中心負責研制，其中科學數據地面接收由中國科學院空天信息研究院負責。

科學應用系統

科學應用系統負責制定觀測計劃，對觀測數據進行科學管理，生產和發布科學數據產品，研發并提供科學分析軟件，為科學用戶提供支持和服務。該系統由中國科學院高能物理研究所負責研制。

4 研制進展及發射計劃

GECAM 衛星任務于2019年3月完成了衛星方案研制總結暨初樣設計評審，于2019年11月轉入正樣研制階段，計劃2020年年底前發射。

5 結束語

GECAM 是針對2020年多信使引力波天文學新時代的重大研究機遇而提出的空間科學任務。在各種波段的引力波電磁對應體中，高能電磁對應體（即引力波伽馬暴）在獨立證認引力波信號、縮小引力波定位區域、引導其他電磁波段的后隨觀測、研究致密星及其并合過程、測量引力波速度等方面，具有不可取代的重要地位。GECAM 具有獨一無二的全時全天區覆蓋和高精度探測能力，將獲得最大樣本的引力波伽馬暴，使我國在引力波高能電磁對應體探測研究領域快速占有重要的優勢地位。GECAM也將探測快速射電暴的高能輻射、特殊伽馬暴、磁星暴發，以及太陽耀斑和地球伽馬閃等，預期將取得一系列重要成果。