美国空间天气探测卫星——TIMED

姚好海，蔡夕方，王 睿，郝志娟

海军海洋水文气象中心，北京 100161

0 引言

位于地球表层上空大约60km～180km之间的MLTI（散逸层和低热成层/电离层大气）区域是地球环境和外层空间的一个通道，很容易受到来自太阳和低层大气层的影响。由于受探测技术的限制，过去人们从来没有对全球的MLTI区域进行过全面的研究。地面设备只能观测到测站上空一小部分上层大气的情况，而试探性火箭也只能在火箭飞行区域附近迅速拍摄MLTI区域活动的简单照片，其它卫星也只是部分地研究MLTI区域。

为了针对MLTI区域进行全面深入的研究，美国约翰斯霍普金斯大学应用物理实验室成功地研制了热成层—电离层—散逸层—能量学与动力学卫星（TIMED）。该卫星于2001年12月7日太平洋标准时间早上7：07（美国东部时区10：07）在加利福尼亚州范登堡空军基地的德耳塔二号发射台成功发射。TIMED在发射后的两个小时零五分成功进入预定轨道。其主要目的是了解能量是如何在地球大气层中的散逸层和低热成层/电离层（MLTI）之间转移的，以及导致这一现象的基本因素（例如：压力、温度和风）。 TIMED是第一个获得全球MLTI区域照片的卫星。

TIMED卫星启用了先进的遥感技术，针对相关尚未探测过的外层空间大气进行全球观测，分析MLTI区域的多种能量的输入输出的直接测量方法并研究其中风、密度和温度等元素的测量方法。这些测量方法将为科学家更好地了解该区域能量平衡提供重要的有参考价值的数据。

本文主要介绍了TIMED卫星的地面系统和卫星系统是如何紧密协调工作的；详细介绍了卫星携带的仪器设备的工作原理和主要技术性能。

图1 TIMED卫星工作示意图

1 TIMED卫星系统工作原理

TIMED地面系统已具备了与空间站联系的所有常规设备，例如操作中心和地面站点。但是TIMED当初为流线型任务而设计成空间—地面核心系统的，因此，通过这个地面系统科学家可以全面地了解到卫星上组成相应系统的一系列组成设备的情况。

图2具体描述了这一综合系统是如何紧密联系在一起工作的。图的左侧是卫星部分，右侧是地面系统部分。当卫星和地面两个系统相互传输数据资料时，由于它们之间的物理距离相距遥远而使系统操纵变得复杂。

图2 TIMED卫星系统终端对终端的数据传输流程图

在图2中绿色的外部循环圈里，右侧的一方框内描述的是皮露德操作中心（POC）的工作人员正在操作一台计算机。命令可以以信息包的方式通过POC的系统网络计算机发送出去；信息包由APL的任务操作中心（MOC）的系统网络计算机接收，待确认该信息包中的操作命令可行后，立即通过卫星无线电发送装置发送到卫星上的数据命令处理系统（C&DH）。C&DH系统自动将命令传输到执行命令的仪器上，这个仪器把收集到的科学数据输入到与APL的数据任务中心（MDC）互通的遥感勘测信息包中。下行线启用时可以将其遥感勘测信息包传回到地面的MDC。两天之内，在POC或其它地方都可以通过网络以信息包文件或是以连续信息流的方式接受到信息包。此时，操作人员可以第一时间看到信息包；当MDC将所有遥感勘测信息存档并公布后，它将成为历史数据流资料。

仔细观察内部红色的循环流程，几乎全部的系统设备连接器都是为了使载有卫星信息包的“传输公车”能畅通无阻。而在这辆“传输公车”里正好提供了通往地面系统的四个设备站所必需的“通行证”。在这部分循环流程中，MOC的任务专家为“传输公车”输入诊断测试命令信息包后，这辆“传输公车”就可以将其传回到MOC进行验证。

通过总结这一系统构造的基本特征，我们可以看到“传输公车”和设备数据在整个系统的上行线和下行线的服务器上是无处不在、不可或缺的；由于这些服务器都是完全独立操作的，这样就降低了“传输公车”和设备操作员之间日常繁琐的协调工作。在整个过程中系统设备连接器充当了可靠的信息存储器的作用，同时也简化了操作流程。

图3是地面系统设备之间内部联系流程图。卫星和地面之间是通过APL地面主站或是其中一个备用地面网络站保持通信的。图中所示的地面支持设备（GSE）是卫星发射前测试的特殊设备。红色和绿色标注的流行线代表的是任务操作所需的命令信息和遥感勘测信息的传输线。

图3 TIMED地面系统结构图

图3所示的科学数据系统（SDS）是地面系统的一个特殊部分，TIMED卫星探测的所有科学数据分析都是在这里执行的。图上所示的四个POC设备实际上可以分为两个部分，一个是任务操作（MO），另一个是数据分析（DA）。绿色和紫色流线所示的是许多相关设备通过网络进行数据互换的流程。

2 TIMED卫星携带的仪器设备

TIMED卫星的仪器装置是由四组先进的高精度仪器设备紧密结合组成的。包括全球紫外线成像仪（GUVI）、用于大气探测的宽带辐射计（SABER）、太阳远紫外辐射仪（SEE）、TIMED多普勒干涉仪（TIDI）。这些设备的技术性能在TIMED卫星上得到了充分的利用（如图4)。

图4 TIMED卫星携带的仪器：全球紫外线成像仪（GUVI）；宽带辐射计（SABER）；太阳远紫外辐射仪（SEE）；TIMED多普勒干涉仪（TIDI）

2.1 全球紫外线成像仪（GUVI）

GUVI是设计用来观察地球上层大气层中紫外光发热情况的。利用GUVI，科学家可以更好地了解该层大气的各种属性。众所周知，上层大气层承受着双层外界的影响，太阳因素的各类变化和来自近地球表面大气层的内部运动等都会对其产生影响。

GUVI经常用来测量太阳给上层大气层带来的能量，在该区域内紫外光使各原子和分子电离化。而该层地球大气层正是极光和电流的集聚地；当磁能风暴来临之际，它们会加热该层大气。地球上的无线电波正是通过该层大气反射回来，从而实现了远距离的无线电通信。

GUVI通过分析上层大气远紫外线光谱来测量MLTI区域内的成分，确定温度参数以及极光能量的输入。目前，GUVI观察着来自地球上层大气的远紫外光资源，例如极光等；而且用计数法测定由大气层发射出来的光的微粒或是光子的放射性强度。实际上，GUVI是第一部能够观测到上层大气层成分变化的仪器。

GUVI每隔一个半小时就在全球范围内对MLTI区域内观测到的极光和其它紫外光源进行一次搜寻，在这段时间内卫星正好绕地球轨道一圈。卫星每绕一圈，GUVI都会收集到关于白天、晚上和极光的一些观测资料。科学家依靠先进的光学设备可以在第一时间内极其详细地观察到来自太空的光，并且针对上层大气层成分的变化制作出相应的观测图。

2.2 宽带辐射计（SABER）

SABER是一种多波段红外线辐射计，用来测量某海拔高度上大气层和光散发的热量。其主要科学目标是：1）探索MLTI区域内能量的平衡；2）随着海拔高度的变化，大气的温度、密度和气压是如何变化的；3）由氢氧两种元素组成的重要气体的化学变化；4）空气流动或是大气层间的动学原理（低海拔地区到高海拔地区、极地到赤道和东西方向所构成的三维空间）。同时，也测量大气冷却源，例如能量被反射回太空时所产生的“空气光”等。

在宽带辐射计SABER发明之前，人们还从未如此详细地研究过大气层的MLTI区域。SABER每58秒就会把地球表面搜索一遍，收集大约海拔180km（合计112英里）以上区域大气的数据资料，同时观测基本大气元素，例如臭氧、水蒸气、二氧化碳和氮氢气体及其温度的垂直分布状况。

卫星每环绕地球一周，SABER就会一直从南（北）半球的极地地区到北（南）半球高纬度地区沿路观察。SABER每天会对15个经度带进行探测。在整个任务过程中，SABER可以收集到全球性的关于MLTI区域随海拔、经纬度和时间不同而产生变化的观测图。

通过对SABER观测结果的分析，科学家发现了一个新的辐射平衡区域。在一个分子微粒稀少的低层大气层中，放射物和化学物质有明显的不同，科学家可以得到相关的测量数据。

二氧化碳是一种由自然排放、发热而燃烧化石燃料、电能产物和一系列工业加工而产生的温室气体，它由地球表面上升到地球上层大气中，对大气环境有非常大的影响。SABER是第一个测量出MLTI区域二氧化碳全球分布状况的仪器。如今，SABER正在研究含氮氧化物的放射性物质，科学家预测它是一种能“冷却”MLTI区域的重要气体之一。

2.3 太阳远紫外辐射仪（SEE）

SEE是由一个分光计和一组光度计组成的，用来观测太阳紫外放射线。太阳紫外放射线是MLTI区域的主要能量来源。SEE所观测的太阳紫外放射线主要有：太阳软X射线（比医学中所指的传统X射线所含的能量要少）和远紫外放射线。

SEE的主要作用是观测太阳紫外线，研究它是如何变化以及如何影响大气层的以及如何加热大气层致使大气层的成分发生改变的。同时，概括太阳各类变化的指标，建立相关索引，以便在TIMED任务终结后，科学家也能了解到在MLTI区域内太阳紫外线的变化。

卫星每环绕地球一次，SEE会在能看见太阳全景的情况下大约连续观察太阳三分钟。SEE还可以通过大气层观察到“日出”，可帮助科学家测量出大气层的密度。SEE所收集的太阳观测资料可以观察到太阳能量或放射物的变化，它们是波长作用以及波长随着时间的变化而产生的。

2.4 TIMED多普勒干涉仪（TIDI）

TIDI在全球范围内观察MLTI区域的风和温度参数。通过观察由大气层中独立化学元素（氧原子、氧分子、氢氧气体和钠）所发出的光的颜色的细微变化，科学家可以测量出大气层中风的速度及其方向。

TIDI使用了一个超强性能的光学元件，可以非常精确地测量出光的颜色和波长。它的四个望远镜同时在垂直方向内对光进行观测，其中两个在卫星前侧成45度角，另外两个在卫星后侧成135度角。因此，所得出的观测资料是非常精确的，且敏感度也很强。

同卫星上所有其它设备一样，在整个任务过程中TIDI将连续不断地收集数据资料，最大程度上利用好大气中的可见光。

3 前景展望

美国国家航空航天局和美国国家科学基金会正在共同发起策划一项合作计划，使TIMED卫星工作小组与其他正在研究MLTI区域的科学协会紧密合作。这样他们就可以充分利用地面系统和太空系统，发挥数据同化和数值模拟带来的优势。这个合作计划的一个最重要的贡献就是补充了TIMED卫星计划所欠缺的地面数据资料。

地面系统参与者也能观察到一些TIMED卫星将要在MLTI区域内观察到的相同的大气现象，例如极光、风和温度及其成分的变化。但是由于地面站点数量及其位置的局限性和每一站点只能提供单站数据资料。因此，要想获得全球范围内的MLTI区域资料还是只能通过TIMED卫星。卫星和地面站正一起合作分析相关数据在时间地点上的变化，以确保TIMED任务中所提供的数据具备最高的精确度。

[1]军事空间天气.中国军事百科全书（第二版），2010，1.

[2]焦维新.空间天气学.气象出版社，2003，1.

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

[4]NASA`s Solar Terrestrial Probes program.