美國空間天氣探測衛(wèi)星——TIMED

姚好海，蔡夕方，王 睿，郝志娟

海軍海洋水文氣象中心，北京 100161

0 引言

位于地球表層上空大約60km～180km之間的MLTI（散逸層和低熱成層/電離層大氣）區(qū)域是地球環(huán)境和外層空間的一個通道，很容易受到來自太陽和低層大氣層的影響。由于受探測技術(shù)的限制，過去人們從來沒有對全球的MLTI區(qū)域進(jìn)行過全面的研究。地面設(shè)備只能觀測到測站上空一小部分上層大氣的情況，而試探性火箭也只能在火箭飛行區(qū)域附近迅速拍攝MLTI區(qū)域活動的簡單照片，其它衛(wèi)星也只是部分地研究MLTI區(qū)域。

為了針對MLTI區(qū)域進(jìn)行全面深入的研究，美國約翰斯霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實驗室成功地研制了熱成層—電離層—散逸層—能量學(xué)與動力學(xué)衛(wèi)星（TIMED）。該衛(wèi)星于2001年12月7日太平洋標(biāo)準(zhǔn)時間早上7：07（美國東部時區(qū)10：07）在加利福尼亞州范登堡空軍基地的德耳塔二號發(fā)射臺成功發(fā)射。TIMED在發(fā)射后的兩個小時零五分成功進(jìn)入預(yù)定軌道。其主要目的是了解能量是如何在地球大氣層中的散逸層和低熱成層/電離層（MLTI）之間轉(zhuǎn)移的，以及導(dǎo)致這一現(xiàn)象的基本因素（例如：壓力、溫度和風(fēng)）。 TIMED是第一個獲得全球MLTI區(qū)域照片的衛(wèi)星。

TIMED衛(wèi)星啟用了先進(jìn)的遙感技術(shù)，針對相關(guān)尚未探測過的外層空間大氣進(jìn)行全球觀測，分析MLTI區(qū)域的多種能量的輸入輸出的直接測量方法并研究其中風(fēng)、密度和溫度等元素的測量方法。這些測量方法將為科學(xué)家更好地了解該區(qū)域能量平衡提供重要的有參考價值的數(shù)據(jù)。

本文主要介紹了TIMED衛(wèi)星的地面系統(tǒng)和衛(wèi)星系統(tǒng)是如何緊密協(xié)調(diào)工作的；詳細(xì)介紹了衛(wèi)星攜帶的儀器設(shè)備的工作原理和主要技術(shù)性能。

圖1 TIMED衛(wèi)星工作示意圖

1 TIMED衛(wèi)星系統(tǒng)工作原理

TIMED地面系統(tǒng)已具備了與空間站聯(lián)系的所有常規(guī)設(shè)備，例如操作中心和地面站點。但是TIMED當(dāng)初為流線型任務(wù)而設(shè)計成空間—地面核心系統(tǒng)的，因此，通過這個地面系統(tǒng)科學(xué)家可以全面地了解到衛(wèi)星上組成相應(yīng)系統(tǒng)的一系列組成設(shè)備的情況。

圖2具體描述了這一綜合系統(tǒng)是如何緊密聯(lián)系在一起工作的。圖的左側(cè)是衛(wèi)星部分，右側(cè)是地面系統(tǒng)部分。當(dāng)衛(wèi)星和地面兩個系統(tǒng)相互傳輸數(shù)據(jù)資料時，由于它們之間的物理距離相距遙遠(yuǎn)而使系統(tǒng)操縱變得復(fù)雜。

圖2 TIMED衛(wèi)星系統(tǒng)終端對終端的數(shù)據(jù)傳輸流程圖

在圖2中綠色的外部循環(huán)圈里，右側(cè)的一方框內(nèi)描述的是皮露德操作中心（POC）的工作人員正在操作一臺計算機(jī)。命令可以以信息包的方式通過POC的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)計算機(jī)發(fā)送出去；信息包由APL的任務(wù)操作中心（MOC）的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)計算機(jī)接收，待確認(rèn)該信息包中的操作命令可行后，立即通過衛(wèi)星無線電發(fā)送裝置發(fā)送到衛(wèi)星上的數(shù)據(jù)命令處理系統(tǒng)（C&DH）。C&DH系統(tǒng)自動將命令傳輸?shù)綀?zhí)行命令的儀器上，這個儀器把收集到的科學(xué)數(shù)據(jù)輸入到與APL的數(shù)據(jù)任務(wù)中心（MDC）互通的遙感勘測信息包中。下行線啟用時可以將其遙感勘測信息包傳回到地面的MDC。兩天之內(nèi)，在POC或其它地方都可以通過網(wǎng)絡(luò)以信息包文件或是以連續(xù)信息流的方式接受到信息包。此時，操作人員可以第一時間看到信息包；當(dāng)MDC將所有遙感勘測信息存檔并公布后，它將成為歷史數(shù)據(jù)流資料。

仔細(xì)觀察內(nèi)部紅色的循環(huán)流程，幾乎全部的系統(tǒng)設(shè)備連接器都是為了使載有衛(wèi)星信息包的“傳輸公車”能暢通無阻。而在這輛“傳輸公車”里正好提供了通往地面系統(tǒng)的四個設(shè)備站所必需的“通行證”。在這部分循環(huán)流程中，MOC的任務(wù)專家為“傳輸公車”輸入診斷測試命令信息包后，這輛“傳輸公車”就可以將其傳回到MOC進(jìn)行驗證。

通過總結(jié)這一系統(tǒng)構(gòu)造的基本特征，我們可以看到“傳輸公車”和設(shè)備數(shù)據(jù)在整個系統(tǒng)的上行線和下行線的服務(wù)器上是無處不在、不可或缺的；由于這些服務(wù)器都是完全獨(dú)立操作的，這樣就降低了“傳輸公車”和設(shè)備操作員之間日常繁瑣的協(xié)調(diào)工作。在整個過程中系統(tǒng)設(shè)備連接器充當(dāng)了可靠的信息存儲器的作用，同時也簡化了操作流程。

圖3是地面系統(tǒng)設(shè)備之間內(nèi)部聯(lián)系流程圖。衛(wèi)星和地面之間是通過APL地面主站或是其中一個備用地面網(wǎng)絡(luò)站保持通信的。圖中所示的地面支持設(shè)備（GSE）是衛(wèi)星發(fā)射前測試的特殊設(shè)備。紅色和綠色標(biāo)注的流行線代表的是任務(wù)操作所需的命令信息和遙感勘測信息的傳輸線。

圖3 TIMED地面系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3所示的科學(xué)數(shù)據(jù)系統(tǒng)（SDS）是地面系統(tǒng)的一個特殊部分，TIMED衛(wèi)星探測的所有科學(xué)數(shù)據(jù)分析都是在這里執(zhí)行的。圖上所示的四個POC設(shè)備實際上可以分為兩個部分，一個是任務(wù)操作（MO），另一個是數(shù)據(jù)分析（DA）。綠色和紫色流線所示的是許多相關(guān)設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)互換的流程。

2 TIMED衛(wèi)星攜帶的儀器設(shè)備

TIMED衛(wèi)星的儀器裝置是由四組先進(jìn)的高精度儀器設(shè)備緊密結(jié)合組成的。包括全球紫外線成像儀（GUVI）、用于大氣探測的寬帶輻射計（SABER）、太陽遠(yuǎn)紫外輻射儀（SEE）、TIMED多普勒干涉儀（TIDI）。這些設(shè)備的技術(shù)性能在TIMED衛(wèi)星上得到了充分的利用（如圖4)。

圖4 TIMED衛(wèi)星攜帶的儀器：全球紫外線成像儀（GUVI）；寬帶輻射計（SABER）；太陽遠(yuǎn)紫外輻射儀（SEE）；TIMED多普勒干涉儀（TIDI）

2.1 全球紫外線成像儀（GUVI）

GUVI是設(shè)計用來觀察地球上層大氣層中紫外光發(fā)熱情況的。利用GUVI，科學(xué)家可以更好地了解該層大氣的各種屬性。眾所周知，上層大氣層承受著雙層外界的影響，太陽因素的各類變化和來自近地球表面大氣層的內(nèi)部運(yùn)動等都會對其產(chǎn)生影響。

GUVI經(jīng)常用來測量太陽給上層大氣層帶來的能量，在該區(qū)域內(nèi)紫外光使各原子和分子電離化。而該層地球大氣層正是極光和電流的集聚地；當(dāng)磁能風(fēng)暴來臨之際，它們會加熱該層大氣。地球上的無線電波正是通過該層大氣反射回來，從而實現(xiàn)了遠(yuǎn)距離的無線電通信。

GUVI通過分析上層大氣遠(yuǎn)紫外線光譜來測量MLTI區(qū)域內(nèi)的成分，確定溫度參數(shù)以及極光能量的輸入。目前，GUVI觀察著來自地球上層大氣的遠(yuǎn)紫外光資源，例如極光等；而且用計數(shù)法測定由大氣層發(fā)射出來的光的微粒或是光子的放射性強(qiáng)度。實際上，GUVI是第一部能夠觀測到上層大氣層成分變化的儀器。

GUVI每隔一個半小時就在全球范圍內(nèi)對MLTI區(qū)域內(nèi)觀測到的極光和其它紫外光源進(jìn)行一次搜尋，在這段時間內(nèi)衛(wèi)星正好繞地球軌道一圈。衛(wèi)星每繞一圈，GUVI都會收集到關(guān)于白天、晚上和極光的一些觀測資料?？茖W(xué)家依靠先進(jìn)的光學(xué)設(shè)備可以在第一時間內(nèi)極其詳細(xì)地觀察到來自太空的光，并且針對上層大氣層成分的變化制作出相應(yīng)的觀測圖。

2.2 寬帶輻射計（SABER）

SABER是一種多波段紅外線輻射計，用來測量某海拔高度上大氣層和光散發(fā)的熱量。其主要科學(xué)目標(biāo)是：1）探索MLTI區(qū)域內(nèi)能量的平衡；2）隨著海拔高度的變化，大氣的溫度、密度和氣壓是如何變化的；3）由氫氧兩種元素組成的重要?dú)怏w的化學(xué)變化；4）空氣流動或是大氣層間的動學(xué)原理（低海拔地區(qū)到高海拔地區(qū)、極地到赤道和東西方向所構(gòu)成的三維空間）。同時，也測量大氣冷卻源，例如能量被反射回太空時所產(chǎn)生的“空氣光”等。

在寬帶輻射計SABER發(fā)明之前，人們還從未如此詳細(xì)地研究過大氣層的MLTI區(qū)域。SABER每58秒就會把地球表面搜索一遍，收集大約海拔180km（合計112英里）以上區(qū)域大氣的數(shù)據(jù)資料，同時觀測基本大氣元素，例如臭氧、水蒸氣、二氧化碳和氮?dú)錃怏w及其溫度的垂直分布狀況。

衛(wèi)星每環(huán)繞地球一周，SABER就會一直從南（北）半球的極地地區(qū)到北（南）半球高緯度地區(qū)沿路觀察。SABER每天會對15個經(jīng)度帶進(jìn)行探測。在整個任務(wù)過程中，SABER可以收集到全球性的關(guān)于MLTI區(qū)域隨海拔、經(jīng)緯度和時間不同而產(chǎn)生變化的觀測圖。

通過對SABER觀測結(jié)果的分析，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一個新的輻射平衡區(qū)域。在一個分子微粒稀少的低層大氣層中，放射物和化學(xué)物質(zhì)有明顯的不同，科學(xué)家可以得到相關(guān)的測量數(shù)據(jù)。

二氧化碳是一種由自然排放、發(fā)熱而燃燒化石燃料、電能產(chǎn)物和一系列工業(yè)加工而產(chǎn)生的溫室氣體，它由地球表面上升到地球上層大氣中，對大氣環(huán)境有非常大的影響。SABER是第一個測量出MLTI區(qū)域二氧化碳全球分布狀況的儀器。如今，SABER正在研究含氮氧化物的放射性物質(zhì)，科學(xué)家預(yù)測它是一種能“冷卻”MLTI區(qū)域的重要?dú)怏w之一。

2.3 太陽遠(yuǎn)紫外輻射儀（SEE）

SEE是由一個分光計和一組光度計組成的，用來觀測太陽紫外放射線。太陽紫外放射線是MLTI區(qū)域的主要能量來源。SEE所觀測的太陽紫外放射線主要有：太陽軟X射線（比醫(yī)學(xué)中所指的傳統(tǒng)X射線所含的能量要少）和遠(yuǎn)紫外放射線。

SEE的主要作用是觀測太陽紫外線，研究它是如何變化以及如何影響大氣層的以及如何加熱大氣層致使大氣層的成分發(fā)生改變的。同時，概括太陽各類變化的指標(biāo)，建立相關(guān)索引，以便在TIMED任務(wù)終結(jié)后，科學(xué)家也能了解到在MLTI區(qū)域內(nèi)太陽紫外線的變化。

衛(wèi)星每環(huán)繞地球一次，SEE會在能看見太陽全景的情況下大約連續(xù)觀察太陽三分鐘。SEE還可以通過大氣層觀察到“日出”，可幫助科學(xué)家測量出大氣層的密度。SEE所收集的太陽觀測資料可以觀察到太陽能量或放射物的變化，它們是波長作用以及波長隨著時間的變化而產(chǎn)生的。

2.4 TIMED多普勒干涉儀（TIDI）

TIDI在全球范圍內(nèi)觀察MLTI區(qū)域的風(fēng)和溫度參數(shù)。通過觀察由大氣層中獨(dú)立化學(xué)元素（氧原子、氧分子、氫氧氣體和鈉）所發(fā)出的光的顏色的細(xì)微變化，科學(xué)家可以測量出大氣層中風(fēng)的速度及其方向。

TIDI使用了一個超強(qiáng)性能的光學(xué)元件，可以非常精確地測量出光的顏色和波長。它的四個望遠(yuǎn)鏡同時在垂直方向內(nèi)對光進(jìn)行觀測，其中兩個在衛(wèi)星前側(cè)成45度角，另外兩個在衛(wèi)星后側(cè)成135度角。因此，所得出的觀測資料是非常精確的，且敏感度也很強(qiáng)。

同衛(wèi)星上所有其它設(shè)備一樣，在整個任務(wù)過程中TIDI將連續(xù)不斷地收集數(shù)據(jù)資料，最大程度上利用好大氣中的可見光。

3 前景展望

美國國家航空航天局和美國國家科學(xué)基金會正在共同發(fā)起策劃一項合作計劃，使TIMED衛(wèi)星工作小組與其他正在研究MLTI區(qū)域的科學(xué)協(xié)會緊密合作。這樣他們就可以充分利用地面系統(tǒng)和太空系統(tǒng)，發(fā)揮數(shù)據(jù)同化和數(shù)值模擬帶來的優(yōu)勢。這個合作計劃的一個最重要的貢獻(xiàn)就是補(bǔ)充了TIMED衛(wèi)星計劃所欠缺的地面數(shù)據(jù)資料。

地面系統(tǒng)參與者也能觀察到一些TIMED衛(wèi)星將要在MLTI區(qū)域內(nèi)觀察到的相同的大氣現(xiàn)象，例如極光、風(fēng)和溫度及其成分的變化。但是由于地面站點數(shù)量及其位置的局限性和每一站點只能提供單站數(shù)據(jù)資料。因此，要想獲得全球范圍內(nèi)的MLTI區(qū)域資料還是只能通過TIMED衛(wèi)星。衛(wèi)星和地面站正一起合作分析相關(guān)數(shù)據(jù)在時間地點上的變化，以確保TIMED任務(wù)中所提供的數(shù)據(jù)具備最高的精確度。

[1]軍事空間天氣.中國軍事百科全書（第二版），2010，1.

[2]焦維新.空間天氣學(xué).氣象出版社，2003，1.

[3]http://www.timed.jhuapl.edu.

[4]NASA`s Solar Terrestrial Probes program.