一种共面轨道的空间探测方法及卫星载荷

本发明属于空间物理观测领域，更具体的说涉及一种共面轨道的空间探测方法及卫星载荷。

背景技术：

1、极光区是太阳系行星空间环境的关键区域:它是连接太阳风驱动的无碰撞磁层和地球大气顶部更高密度电离层环境的交界面和过渡区。太阳风注入磁层的大量能量通过这个交界面耗散，而且经常在亚暴期间发生爆发性现象。极光加速区的物理是极其动态和复杂的过程，并且演化尺度在分、秒或者更小的时间尺度。受到观测手段的限制，目前对极光加速区的研究还存在很多未解的问题，如平行加速机制的有效性，阿尔芬加速机制的有效性，电离层离子上行规律等。这些问题的解决，将大大拓展对太阳风-磁层-电离层耦合过程认识，厘清太阳风和磁层能量注入地球的有效机制和途径，为构建完善的空间天气预报系统奠定核心的理论和观测基础。

2、然而，目前仍在轨运行的，具备极光、粒子、或电磁场探测的卫星主要包括美国dmsp卫星、欧洲的swarm卫星、我国的风云三号卫星等。dmsp卫星搭载了远紫外光谱成像仪、低能极光粒子沉降探测器、矢量磁场探测器，运行于固定的公里千米高度圆轨道。swarm卫星运行于约公里千米高度轨道，搭载了磁场探测器。我国风云三号卫星搭载了远紫外广角极光成像仪和中高能粒子探测器，运行于固定的840 km高度圆轨道。正在研发中的smile卫星搭载了远紫外极光相机、能量粒子探测器，运行于远地点约20个地球半径（12万km）的极轨大椭圆轨道。这些探测器均各自独立运行，无法实现对极光区的立体、磁共轭探测（磁共轭探测是指卫星准同步地在不同高度穿越同一条磁通量管）。

3、因此，如何提供一种共面轨道的空间探测方法及卫星载荷，实现完整的空间环境参数覆盖，实现立体、磁共轭探测，成为本领域科学和技术人员亟待解决的重要技术问题。

技术实现思路

1、发明提供一种共面轨道的空间探测方法及卫星载荷，以达到使其对极光区实现完整的空间环境参数覆盖，实现立体、磁共轭探测的目的。

2、为了实现上述目的，本发明是采用以下技术方案实现的：空间探测方法是将相同载荷配置的三颗卫星采用对地三轴稳定方式运行在非冻结轨道中，三颗卫星包括卫星ⅰ、卫星ⅱ和卫星ⅲ，三颗卫星的卫星星座为一颗圆轨道和两颗椭圆轨道，非冻结轨道中的卫星的轨道倾角均为90°。

3、进一步地，非冻结轨道为使不同高度和轨道偏心率的卫星保持在同一轨道面内共同进行地方时漂移的轨道。

4、进一步地，圆轨道高度为2500 km，椭圆轨道的近地点分别为550 km和900 km，远地点分别为5200 km和4600 km。

5、进一步地，卫星星座内的不同卫星间的轨道面共面误差小于正负0.2°。

6、再一方面，载荷配置包括多波段极光相机、磁场探测器、电场探测器、波动探测器、能量粒子探测器、电子密度探针、背景离子探测器。

7、进一步地，多波段极光相机安装在卫星本体对地面或侧面且光轴指向地球；磁场探测器、电场探测器和波动探测器通过伸杆方式安装在卫星本体外部；电子密度探针和背景离子探测器安装在卫星本体飞行的迎风面；能量粒子探测器共配置两台，分别安装在卫星本体的朝天面和对地面。

8、进一步地，多波段极光相机的工作波长至少包含557.7 nm、630 nm和140nm-180nm，视场角为20°，星下点空间分辨率达到1 km。

9、进一步地，磁场探测器的磁场探测精度为0.1 nt。

10、进一步地，电场探测器的电场探测精度为1 mv/m，探测频率达到20 khz。

11、进一步地，能量粒子探测器的能量范围为5 ev～30 kev，角度分辨率为15°

12、本发明有益效果：

13、本发明提供了一种共面轨道的空间探测方法及卫星载荷，三颗卫星运行于同一轨道平面内，同时开展极光辐射强度、沉降极光电子和离子、三维电场、三维磁场、电场波动、磁场波动、背景冷等离子体密度与漂移速度探测，实现完整的空间环境参数覆盖。三颗卫星入轨以后，通过轨道相位调整，实现三颗卫星在不同高度磁共轭穿越极区，解析空间物理现象随高度变化特征，最终实现对极光区的完整的空间环境参数覆盖，实现立体、磁共轭探测，对于对极光区的研究具有重要的科学价值。

技术特征：

1.一种共面轨道的空间探测方法，其特征在于：所述的空间探测方法是将相同载荷配置的三颗卫星采用对地三轴稳定方式运行在非冻结轨道中，所述三颗卫星包括卫星ⅰ、卫星ⅱ和卫星ⅲ，所述三颗卫星的卫星星座为一颗圆轨道和两颗椭圆轨道，所述非冻结轨道中的所述卫星的轨道倾角均为90°。

2.根据权利要求1所述的一种共面轨道的空间探测方法，其特征在于，所述非冻结轨道为使不同高度和轨道偏心率的卫星保持在同一轨道面内共同进行地方时漂移的轨道。

3.根据权利要求1所述的一种共面轨道的空间探测方法，其特征在于，所述圆轨道高度为2500 km，椭圆轨道的近地点分别为550 km和900 km，远地点分别为5200 km和4600 km。

4.根据权利要求1所述的一种共面轨道的空间探测方法，其特征在于，所述方法的不同卫星间的轨道面共面误差小于正负0.2°。

5.一种共面轨道的空间探测卫星载荷，所述的卫星载荷适用于如权利要求1-4中任意一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述载荷配置包括多波段极光相机、磁场探测器、电场探测器、波动探测器、能量粒子探测器、电子密度探针、背景离子探测器。

6.根据权利要求5所述的一种共面轨道的空间探测卫星载荷，其特征在于，所述多波段极光相机安装在卫星本体对地面或侧面且光轴指向地球；所述磁场探测器、电场探测器和波动探测器通过伸杆方式安装在所述卫星本体外部；所述电子密度探针和背景离子探测器安装在所述卫星本体飞行的迎风面；所述能量粒子探测器共配置两台，分别安装在所述卫星本体的朝天面和对地面。

7.根据权利要求5所述的一种共面轨道的空间探测卫星载荷，其特征在于，所述多波段极光相机的工作波长至少包含557.7 nm、630 nm和140nm-180 nm，视场角为20°，星下点空间分辨率达到1 km。

8.根据权利要求5所述的一种共面轨道的空间探测卫星载荷，其特征在于，所述磁场探测器的磁场探测精度为0.1 nt。

9.根据权利要求5所述的一种共面轨道的空间探测卫星载荷，其特征在于，所述电场探测器的电场探测精度为1 mv/m，探测频率达到20 khz。

10.根据权利要求5所述的一种共面轨道的空间探测卫星载荷，其特征在于，所述能量粒子探测器的能量范围为5 ev～30 kev，角度分辨率为15°。

技术总结
本发明公开了一种共面轨道的空间探测方法及卫星载荷，空间探测方法是将相同载荷配置的三颗卫星采用对地三轴稳定方式运行在非冻结轨道中，三颗卫星包括卫星Ⅰ、卫星Ⅱ和卫星Ⅲ，三颗卫星的卫星星座为一颗圆轨道和两颗椭圆轨道，非冻结轨道中的卫星的轨道倾角均为90°。三颗卫星在同一轨道平面内同时开展极光辐射强度、沉降极光电子和离子、三维电场、三维磁场、电场波动、磁场波动、背景冷等离子体密度与漂移速度探测，实现完整的空间环境参数覆盖，入轨后通过轨道相位调整，实现三颗卫星在不同高度磁共轭穿越极区，解析空间物理现象随高度变化特征，最终实现对极光区的完整的空间环境参数覆盖，实现立体、磁共轭探测。

技术研发人员：何飞,魏勇,尧中华,葛亚松
受保护的技术使用者：中国科学院地质与地球物理研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/4/24