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对我国发展空间天气系列卫星的建议

星闪烁

对我国发展空间天气系列卫星的建议

焦维新　高超

(北京大学地球物理系空间物理专业)

□□随着科学技术的发展，研究空间天气也显得日益重要，因而发展空间天气系列卫星已成为我国国防现代化和科技进步的重要任务。

1　空间天气卫星的功能特点及类型

研究空间天气的主要目的是能对灾害性空间天气事件进行预测与预报。为了达到这个目的，要求空间天气卫星提供实时的、大的空间范围和动态范围的空间天气参数，并能对某些重要参数具有成像能力。

实时性是进行空间天气预报的基础。由于空间天气涉及的空间范围广阔，物理参数多，因此，空间天气卫星上的探测器要满足一定的时间分辨率，具有相当多的种类，并要求整个卫星系统具有较高的信息传输、处理和显示能力。

空间天气涉及的范围从中高层大气一直到太阳大气层的表面。测量如此巨大的空间范围的参数，要求分布在不同区域的多颗卫星同时工作。由于涉及的物理参数很多，并且参数变化的时间尺度也有很大差异，特别是发生空间暴时，许多空间天气参数变化激烈，因此要求星上探测仪器具有较大的动态范围。

成像能力强也是空间天气卫星的一个显著特点。众所周知，普通气象卫星提供的主要产品就是云图，研究人员根据这些云图，可清楚地看到降雨云系的运动趋势和强热带风暴的走向等。这些云图对于提供准确的气象预报是不可缺少的信息。同样，如果人类能对太阳爆发的过程，日冕物质抛射(C M E)的演变过程，高速太阳风状态，辐射带的动态变化，电离层和中高层大气的状态进行成像，使我们能象观看气象云图那样地观看空间天气，那么，空间天气预报就会提高到一个新水平。

传统的天气卫星基本上有2种类型，即极轨气象卫星和静止气象卫星，如我国的风云-1、2。由于空间天气涉及到的空间范围

(2)卫星转发器输出功率。国际上用于卫星电视直接到户(D TH)业务的Ku频段通信转发器输出功率一般为100W左右，用于电视直播卫星(DB S)业务的Ku频段广播转发器输出功率一般为100W～250W。当前，我国使用鑫诺-1通信卫星，开展面向全国的“村村通”卫星电视直接到户业务，使用的Ku频段通信转发器输出功率约为97W。我国直播卫星转发器输出功率应根据业务需要和卫星工作能力在100W～250W中进行选取。■(未完待续)

收稿日期:2000210208

巨大，涉及到的物理参数繁多，因而空间天气卫星种类也远比气象卫星多。

从所观测的主要对象分，空间天气卫星可分为太阳与太阳风观测卫星、磁层卫星、电离层卫星和中高层大气观测卫星。从对同一目标观测的方式分，它又可分为成像卫星及多卫星星座。

目前，国内外已发射了许多空间探测卫星。有些卫星，如“国际日地物理计划”(IST P)卫星所提供的测量数据，可用于空间天气研究。但根据上述对空间天气卫星特点的分析，严格地来说，它们一般不能称为空间天气卫星。世界上第1颗空间天气卫星是美国于2000年3月发射的“成像”卫星。这颗卫星携带有“中性原子成像仪”、“紫外成像仪”和“射频成像仪”等多种成像仪器，使人们可以“看得见”磁层的变化。2000年7月、8月发射的4颗团星-2也是著名的空间天气卫星，它们组成了1个星座，使人类第1次实现了对磁层三维结构的直接观测，直接测量了输入到磁层的太阳风能量和动量的变化。这些参数的测量，无疑会对准确预报空间天气起重要作用。

2　发展空间天气系列卫星的必要性和迫切性

211　空间天气对军事活动的影响

随着科学技术的发展，人类不断地扩大自身的活动空间，从陆地走向海洋、天空，并在50年代末进入

太空。战争的烽火也随之蔓延，充斥到人类所能到达的所有区域。有人在评价太空在海湾战争中的作用时认为,“太空给战争增加了第四维”。

从人类进入太空的第1天开始，太空就以特殊的环境条件在现代战争中发挥巨大作用：通信保障不仅依赖于在太空运行的通信卫星、气象卫星，还依赖于电离层条件：侦察和导弹预警任务的完成，不但需要侦察和导弹预警卫星，还需要从复杂的太空背景中识别和跟踪目标。

美国的太空军事活动一向走在世界的最前列，它有时是公开进行的，有时是半公开的、以空间科学为掩护进行的。例如，克莱门汀-1(C lem en tine-1)不仅探测了月球，还在紫外、可见光波段内测量了太空的背景，其数据收入了由弹道导弹防御组织和战略局支持的、设在海军研究实验室的背景数据中心。

从美国的军事建设可以看出，太空将成为未来战争的主导因素，对空间天气的研究也将成为国防建设中刻不容缓的一项重要工作。因为大量的事实已经表明，恶劣的空间天气可使各种卫星失效。卫星的作用越大，人们对其依赖越强，卫星一旦发生故障，它造成的损失越大。泛美卫星公司的银河-

4卫星因高能电子暴失效后，使美国4500万人的寻呼机中断工作。美国军方担心这就是“太空战开始之时”。军用卫星与民用卫星一样要受到空间天气的影响。由于军用卫星所担负的使命，所以它应比民用卫星有更强的抗御恶劣空间天气的能力。空间天气对卫星轨道有影响，对卫星姿态有影响，对卫星有

辐射损伤；空间碎片对卫星有机械损伤，高层大气氧原子对卫星有化学损伤，各种来源的带电粒子使卫星内部带电和表面带电，产生单粒子事件等软错误等。此外，空间天气对军事活动的影响还表现在：电离层对军事通信、定位和导航的影响，对侦察、预警的影响，对导弹、卫星轨道的影响等。空间天气将成为决定现代战争进程的重要条件。最典型的实例是1991年的海湾战争，在美国发动海湾战争之前，不但停止了常规的空间天气预报，连进行这项工作的科学家都消失得无影无踪。海湾战争结束后，空间天气预报业务才恢复了正常。

由此可见，太空对军事部门来说有双重

含义，其地位和作用极为特殊。一方面，它是空间天气研究最重要的用户；另一方面，它又是空间天气研究工作的重要力量。数十年来，美国国防部的研究机构既和民用部门合作开展大量的研究工作，又自成系统，独立地、完整地开展许多研究工作。其研究领域涉及空间环境探测、模式研究、效应研究和预报等各个方面，并早已是空间天气研究的重要力量。美国空军积极参加国家的空间天气计划，除与美国海洋和大气局(NOAA)的“空间环境中心”联合向民用部门发布空间天气预报外，又组织了“第55空间天气联队”与空军研究实验室一起专门向军事部门发布专用的空间天气预报。212　发展空间天气卫星的必要性

既然空间天气对军事活动的影响是如此巨大，发展空间天气卫星当然也应成为我国国防发展的优先考

虑。空间天气卫星同气象卫星一样，具有军民两用的功能，在目前，军事应用目的更为突出。发展我国的空间天气卫星具有以下方面的意义。

(1)为军事活动提供保障。探测高层大气状态、电离层最大可用频率等，这些信息对导弹的命中精度、军事通信等是至关重要的。

(2)了解空间环境背景，为侦察和预警服务。空间环境背景是复杂多变的，为了做好侦察和预警工作，需要对空间的各种环境背景有清楚的了解，如红外背景、射线辐射背景等。

(3)为提高军事卫星的技术性能积累经验。空间天气卫星所采用的许多遥感技术与军事卫星的相同，只是对空间分辨率等参数要求不同。为了提高我国军事卫星的技术水平，可通过发展空间天气卫星来不断提高。

(4)空间天气卫星可军民两用，既能为国防服务，也可推动我国空间科学的发展。

3　对发展我国空间天气系列卫星的具体建议

根据以上分析我们认为，发展我国空间天气系列卫星应遵循的原则是：优先发展国防急需的卫星，优先发展对航天系统有直接影响的卫星，优先发展在技术上有创新的卫星。下面是我们根据上述原则提出发展我国空间天气系列卫星的具体建议。

黄曲霉菌311　中高层大气探测卫星

发展中高层大气探测卫星是国防现代化的需要。根据需求的迫切性，建议我国在“十五”期间发射中高层大气探测卫星。31111　目的

(1)确定中高层大气(重点是中层大气)基本参数(密度、压强、温度、成分、风场)随太阳活动和地磁活动的变化，以及随高度、世界时、地方时、经度、纬度和季节的变化。

(2)了解地球空间的红外背景。

(3)建立中高层大气的月变化模式。

(4)确定热层和中层重力波、行星际波和大气潮汐特征。

31112　意义

(1)几十至200km高度的大气状态对远程导弹的精度有很大影响，而目前国内对此区域的探测是空白。国外的大气探测模式是静态统计模式，其平均误差大于15%，在太阳活动和地磁活动期间，有些参数将成倍变化，远不能适应现代战争实施远距离精确打击的需要。

(2)300～1000km高度的热层，是许多应用卫星和载人航天器飞行的区域，此区域的大气参数直接受太阳活动的影响，在太阳暴活动期间变化剧烈，严重地影响卫星的轨道和寿命。目前，国内外都缺乏有关高层大气参数随太阳活动及地磁活动变化的数据资料，而这方面的数据对保障载人航天器和应用卫星的正常运行是非常重要的。

在对中高层大气探测的基础上，建立大气月变化模式，对提高我国战略武器的射击精度和爆高精度是非常重要的，也是非常迫切的。

(3)准确了解中高层大气以及地球表面的红外辐射背景，是进行导弹侦察、识别和预警的基础。

(4)中层大气中一些微量气体的含量对全球温室效应有重要影响，准确测量这些气体含量，对研究全球变化有重要科学意义。

(5)直接探测中高层大气的各种波运过程，使中高层大气动力学研究增加了新的手段。

31113　测量要求

对热层和高中层大气的密度、风、温度和成分的测量精度要高于5%。对重要的热层和中层波的测量要有相当大的空间和时

。

31114　卫星的基本参数

(1)轨道参数：采用高850km的圆形轨道，倾角约90°。

(2)质量：低于1000kg。

(3)稳定方式：自旋稳定。

(4)卫星寿命:3年以上。

31115　主要探测仪器

・全球紫外成像仪

・红外光谱仪榆次五中

・多普勒测风仪

・星载GPS掩星探测仪

・微波辐射计

312　电离层与通信研究卫星

发射电离层与通信研究卫星也主要是基于军事方面的考虑。

31211　目的

(1)进行电离层中小尺度不均匀结构的监测，以及形成机理的实验研究。

(2)进行灾害性电离层扰动事件统计规律研究，以及灾害性电离层天气物理成因研究。

(3)监测电离层随机变化特征，进行统计特征研究，以及电离层与中性大气耦合的不稳定性非线性行为研究。

(4)进行H F、V H F、U H F、Ka波段电离层和中性大气的传播效应监测和预测方法研究。

31212　意义

(1)电离层对军事的影响主要是通过对无线电波传播的影响实现的，而电离层状态对所有波段的通信都有影响，严重时甚至会使通信中断。因此，必须加强对电离层动态变化的监测与研究。

(2)目前，我国只有地面监测设备，站点也比较少，而电离层所有区域的变化，对短波通信都有影响。

所以，必须发射我国自己的电离层探测卫星，以便在时间和空间上都连续地对电离层进行监测，从而建立电离层预报模式和区域电离层模型，确保在各种太阳活动条件下的通信畅通。

31213　主要探测仪器

(1)射频成像仪：它用于监测电离层的动态变化，并对这种变化成像。

(2)信标发射机：它与地面接收机相配合，测量电离层积分电子密度变化。

313　辐射带监测卫星

辐射带的高能粒子是对航天飞行器的重大威胁，因此，发射辐射带监测卫星将对我国的航天技术发展产生重大而深远的影响。

31311　目的

(1)研究辐射带结构随太阳活动和地磁活动的变化。

(2)测量内带高能质子、宇宙线和内外带杀伤电子(>1M eV)的分布。

(3)研究南大西洋异常区的辐射特性。31312　意义

(1)辐射带是地球空间最严重的辐射环境，而绝大多数卫星都要运行在此环境之中。辐射带会使卫星产生表面带电、深层带电及各种辐射效应。它轻则使卫星异常，重则使卫星失效。了解辐射带粒子的分布及时间、空间变化，是进行有效辐射防护的基础。

(2)现有的辐射带模型是静态的统计模型，主要根据70年代及其以前的卫星探测数据而制定的，存在的主要问题是精度低、不能反映粒子分布随太阳活动及地磁活动的变化。因此，不能满足卫星辐射防护的设计要求。

(3)高能电子常使卫星深层带电，导致电介质击穿，使卫星完全失效，这是一种最严重的辐射效应。因此，了解高通量高能电子在近地空间的分布规律，对保证卫星正常运行，提高卫星寿命有重要意义。

吉林大学法学院31313　卫星的主要参数

(1)轨道参数：高为300km×7R e(R e 为地球半径，即637112km)，倾角为30°。

(2)质量：约700kg。

(3)稳定方式：自旋。神狐海域

这不是戏

(4)预期发射时间:2006～2007年。31314　主要探测仪器

・质子望远镜

・电子与质子宽视场谱仪

・高能电子通量计

・重离子探测器

・飞行时间质谱仪(TO F)

・通量门磁强度

・三维离子分布函数探测器

314　C M E成像卫星

C M E成像仪器的研制成功将是空间探测发展史上的一次重大突破，是空间技术的重要创新。发展C M E成像卫星将使我国的空间天气预报水平更上一层台阶。

31411　目的

通过对C M E成像，研究C M E的演变和对地球空间的影响，为空间天气预测和预报服务。

31412　意义

统计研究表明，大多数非重现性大磁暴与C M E密切相关，但目前人类对C M E在行星际空间的演变了解甚少。如果能像拍摄地球上空云图那样对C M E进行成像，将大大提高空间天气预报的水平。

31413　卫星的主要参数

(1)轨道参数：运行在倾角约90°，高800km的太阳同步轨道。

(2)质量：约100kg。

旅游网站论文(3)稳定方式：三轴稳定。

(4)预期发射时间:2012～2013年。31414　主要观测仪器

日冕质量抛射成像仪(C M E I)■

收稿日期:2000209225