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我院邹鸿、宗秋刚团队“中地球轨道中国导航卫星能量电子探测仪器包”研究成果被选为《Earth and Planetary Physics》封面文章

  日期:2021-03-05    
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Earth and Planetary Physics202131在线出版了威斯尼斯人6613com邹鸿、宗秋刚团队撰写的第5卷第2期封面文章Energetic electron detection packages on board Chinese navigation satellites in MEO(如图1所示)。该文章介绍了在中地球轨道中国导航卫星上搭载的能量电子探测仪器包简称EEDP的工作原理、地面测试最新研究成果威斯尼斯人6613com空间物理研究所邹鸿研究员为本文通讯作者,博士生叶雨光为第一作者,另外还包括中国航天员科研训练中心、山东航天电子研究所的合作者。

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1.Earth and Planetary Physics2021年第5卷第2期封面

 

能量电子探测仪器包EEDP是由北京大学威尼斯欢乐娱人城1099空间物理研究所长江学者宗秋刚教授领导的科学团队和邹鸿研究员领导的仪器研制团队通力合作自主研发而成如图2所示,EEDP包括中能电子谱仪(MES)、一高能粒子探测器(HED)和一深层介质充电监测仪(DDCM,包括电子学箱)。EEDP可以测量50keV~3.0MeV电子,采样率高达1秒钟1次,具有高时间、空间和能量分辨率、能量范围宽等特点

2. 能量电子探测仪器包飞行件实物图

 

EEDP的中能电子成像谱仪MES采用小孔成像技术继承自本团队研制的“北大成像电子谱仪”(BD-IES),其性能指标在同类型探测器中处于世界领先水平,可测量多个方向入射的50600keV中能电子能谱EEDP的高能电子探测器HED采用E-E探测器望远镜技术,可以测量0.5~3.0MeV的电子能谱。深层介质充电监测仪DDCM采用航天载荷常用的FR4电路板为基材设计传感器,可以测量入射到传感器的粒子流产生的充电电压和电流。

离地面高度为2000 km  (L~1.3) ~25,000 km (L~5) 的区域,称为中地球轨道 (Medium Earth Orbit,简称MEO),以区别于低轨道 (LEO) 地球同步轨道 (GEOL~6.6)。中地球轨道主要位于外辐射带的中心区域,是外辐射带中出现注入、加速、波和粒子相互作用等物理过程的主要区域,且相对性电子的辐射环境最恶劣,其通量比地球同步轨道高数倍至1个数量级。因此,在中地球轨道对能量电子及充电效应测量对于空间物理理论研究和空间天气应用具有重要意义。

搭载EEDP的中国中地球轨道导航卫星MEO1MEO22018年底一箭双星成功发射,其上搭载的EEDP已正常在轨运行超过2年。搭载另一套EEDP的中国中地球轨道导航卫星MEO32019年底成功发射,其上搭载的EEDP也已正常在轨运行超过1年。EEDP的高质量观测结果为我们研究地球辐射带提供了新的视角。

范阿伦探测器的一个重要发现就是地球辐射带的三带结构。三带结构的形成与外辐射带电子的产生和损失的动态过程有关。前一次事件产生的高能电子受到外辐射带电子损失机制影响,导致了外辐射带较高L值区域的电子显著损失,而低L 处仍然保留,随后新的高能电子带在高L值区域产生,则形成辐射带的三带结构。然而受到轨道远地点高度的限制,范阿伦探测器只能观测到L≤6的区域,通常观测不到新生产的高能电子带的外边界3显示了EEDPHED201911观测的辐射带三带结构其中可以看到完整的新电子带产生和发展过程,填补了范阿伦探测器的观测空白。这也是我国首次利用自主空间探测载荷实现对地球辐射带三带结构的观测和报导

3. EEDP201911月观测的地球辐射带三带结构

 

EEPD中能电子谱仪(MES可以对180视角内9个方向同时入射的50600keV电子通量进行测量,具有角度分辨能力。图4显示了MEO3星在2020210日地磁平静时期在L=4.6处观测的中能电子的投掷角分布。如图4所示,MES观测到的8个能档的中能电子投掷角分布曲线中最大通量出现在70~100之间,而在投掷角接近0180附近是通量降低,符合在外带磁赤道附近电子投掷角分布理论预期。这也是我国首次利用自主观测数据获得的中能电子投掷角分布。

4.  2020210MEO3星中能电子谱仪在L=4.6处观测的中能电子投掷角分布。不同颜色和符号代表中能电子谱仪的8个能档曲线。

 

中地球轨道是各国导航定位卫星系统的重要部署区域,而大的太阳风暴导致的强地磁暴可以导致卫星重要载荷的失效甚至整个卫星平台的失控,有可能导致一些重要系统的服务稳定性降低甚至中断,因此对中地球轨道空间天气连续高时空分辨率监测的需求日益迫切。随着范阿伦探测器任务2019结束,目前中地球轨道的辐射带科学研究卫星就只剩下日本的ERG卫星。ERG任务为单星,计划与范阿伦探测器及地面观测实现联合观测。范阿伦探测器任务结束后,对辐射带的科学观测也将出现缺口。因此三颗中地球轨道中国导航卫星上的能量电子探测包的观测对于空间科学研究及空间天气应用的将起到重要作用。而能量电子探测包的初步观测结果表明,该仪器的数据质量足以担当这一重任。

5. 北京大学团队研制的能量电子探测器构成的6星星座观测网络

 

风云三号05星和风云四号02星计划于2021发射。届时由北京大学团队研制的能量电子探测器将构成三颗MEO轨道卫星,一颗IGSO轨道卫星、一颗GEO轨道卫星和一颗LEO轨道卫星构成的6星星座观测网络,如图5所示。这一星座网络可以提供地球辐射带的全球高时空分辨率观测。随着下一个太阳活动高年的日益临近,这一星座监测网将为我国辐射带研究及空间天气监测提供重要支持。

 

参考文献:

Ye, Y. G., Zou, H., Zong, Q.-G., Chen, H. F., Zou, J. Q., Shi, W. H., Yu, X. Q., Zhong, W. Y., Wang, Y. F., Hao, Y. X., Liu, Z. Y., Jia, X. H., Wang, B., Yang, X. P. and Hao, X. Y. (2021). Energetic electron detection packages on board Chinese navigation satellites in MEO. Earth Planet. Phys., 5(2), 158–179doi: 10.26464/epp2021021.