欧洲“盖亚”天文卫星升空

夏亚茜（北京空间科技信息研究所）

欧洲“盖亚”天文卫星升空

夏亚茜（北京空间科技信息研究所）

欧洲航天局（ESA）的“盖亚”（Gaia）天文卫星已于2013年12月19日发射，它是一项具有开拓性的天文学任务，旨在通过对银河系10亿颗恒星的详细观测，最终绘制银河系最大、最精确的三维图像。

1 任务概述

“盖亚”任务于2000年10月被确定为科学项目。该卫星在对银河系绘制期间，将对围绕银河系中心运行的每颗恒星的移动轨迹进行探测和精确测量。每颗恒星的运行轨迹在产生时已经被确定，因此通过研究其运行可以使天文学家及时推断银河系最初形成的情况。通过构建一个详细的恒星三维图，“盖亚”卫星将为银河系形成的研究提供重要数据。

“盖亚”在测量宇宙的同时，势必还会有其他发现。在其设计的5年寿命里，将对大约10亿颗恒星进行70次观测，按照时间顺序形成每颗恒星的亮度和位置记录。结合精确的天文测量，“盖亚”可以发现围绕在其他恒星周围的行星、太阳系中的小行星、外太阳系中的冰质天体、褐矮星，以及遥远的超新星和类星体。“盖亚”在科学领域的潜在发现将使该任务显得独一无二。

天文学家将从“盖亚”获取大量数据信息，通过搜索存档找到相似的天体或事件以及天体之间的相互关系，从而为解决特殊的、看似棘手的科学难题提供必要线索。

2 任务目标

（1）银河系结构

完整的宇宙调查可以为银河系结构和动态变化提供必要的细节内容，包括不同恒星成分的形成。恒星速度和位置的详细知识能够让科学家洞悉由于重力相互作用（包括与较小星系的合并）引起银河系的动态变化，能够从当前观测到的恒星分布类型中得到银河系恒星的演变历史。

（2）星系演变

恒星模型能够描述恒星组成的演变和内部过程引起的恒星年龄变化。在一颗恒星的寿命期间，其表面温度和发光度是该恒星的能量源，主要通过一系列元素在其核心和壳内发生变化引起的。“盖亚”汇集的大量不同恒星类型的样本信息，将会大大扩展人类对恒星结构和演变的理解，进一步促进恒星内部理论模型的改进。

（3）太阳系

“盖亚”对太阳系的考察包括：①小行星轨道测量。“盖亚”对小行星位置和速度的精确测量能够让科学家预测出未来小行星的运行轨道。②质量确定。在两个小行星较近接触时产生的微小引力就会改变它们的飞行路径。“盖亚”的天体测量将记录下这个微小的改变，从而计算出被观测物体的质量。③光度测量。“盖亚”将对太阳系较小星体进行多角度光度观测。这些观测将通过测量小星体反射不同波长光的亮度来揭露其表面特性和组成。庞大的数据库将对小星体的数量进行精确分类，表征小行星、近地天体和陨星之间的关系。另外，还将对其与太阳距离的物理参数变化进行研究。

（4）外行星

“盖亚”得到的数据有助于改进我们对行星轨道参数以及外行星质量分布的理解。这些数据可以为行星系统的形成、迁移和动态变化的理论模型提供参考。同时，“盖亚”还将测量外行星轨道平面的倾角，估计行星的真实质量，建立类地球行星的形成以及适合生存的动态关系模型。

3 卫星概况

“盖亚”由一个有效载荷舱、一个机械服务舱和一个电子组件服务舱组成，总发射质量为2029kg，其中有效载荷舱质量为524kg，机械服务舱和电子组件服务舱总质量为868kg，推进剂质量为237kg。“盖亚”运行在L2拉格朗日点轨道上。

有效载荷舱

“盖亚”的有效载荷舱采用直径约为3m的六边形热防护结构，为单一集成仪器提供结构支持，该仪器具有天体测量仪、光度测量仪和光谱仪三种功能，采用双望远镜概念，拥有同样的结构和共用的焦平面。两个望远镜的孔径均为1.45m×0.5m，焦距为35m，两个镜头采用三镜消像散（TMA）设计，利用一个装有小型光束合成器的图像空间实现光束组合。这种设计节省了光束合成器的质量，简化了空间，消除了物体探测时出现的方向模糊情况。镜面和望远镜结构采用碳化硅（SiC）超稳定材料，在两个望远镜指向之间采用了高稳定性的基本角测量系统。两个望远镜的光路由6个反射镜组成，其中最后两个是共用的。

望远镜巨大的共用焦平面由106个CCD阵列组成，有5个主要功能：①波前敏感器（WFS）和基本角监测（BAM）系统；②天空测绘仪（SM），可以自动探测进入视场的目标，并向后续CCD传输详细恒星信息；③主天体视场（AF），用于天体测量；④蓝色光度计（BP）和红色光度计（EP），分别在320～660nm和650～1000nm波长范围内提供每个目标的低分辨率光谱测量；⑤径向速度光谱仪，记录所有光谱亮度超过17级的目标。

（1）天体测量仪

天体测量仪可以在恒星密度为3×106颗/(°)2的情况下进行精确测量，其主要目标就是通过“盖亚”卫星两个望远镜的重合区域对所有目标的相对位置进行精确测量，获得的数据可以提供星位置（2个角度）、自身移动（2次衍生位置）、平行视差（距离）等天体测量参数。

天体测量仪由两个望远镜组成，这两个望远镜重合的区域为天体测量视场（AF），由62个CCD构成，可以综合到单个焦平面上。每个CCD的读取方式为时间延迟一体化（TDI）模式，与卫星扫描移动同步。一个物体的位置和光度信息在星上进行实时处理，从而让CCD可以识别出物体周围区域的信息。天体测量仪的测量精度主要取决于恒星类型和两个望远镜之间106.5°这个基本角的稳定性，该角度由基本角监测（BAM）系统负责监测。

“盖亚”的机械服务舱

（2）光度测量仪

光度测量仪将对所有探测物体的光谱能量分布（SED）进行测量，从而进行天体物理学研究和天体测量仪的色度校准。其主要用于实现两个目标：①通过光谱能量分布测量，可以获得天体的光度、温度效应、质量、年龄和化学成分等信息；②为了满足天体性能要求，测量重心位置必须根据光学系统出现的系统色彩变化进行修正。这可能仅仅可以获得CCD覆盖波长范围内（320～1000nm）的观测目标的光谱能量分布。

（3）光谱仪

“盖亚”的径向速度光谱仪可以提供847～874nm窄波长范围的光栅，在5年任务寿命期间，将对每个观测目标进行约40次的视场重叠观测。所有CCD都采用时间延迟一体化模式。

另外，有效载荷舱还包括管理仪器操作和原始数据处理的所有必要电子组件，如视频处理单元、时钟分配单元（管理参考原子钟）和有效载荷数据处理单元（负责两个下行链路之间的数据存储）。

机械服务舱

正在安装的可展开遮阳板

卫星功率分配情况

“盖亚”的机械服务舱内装有支撑仪器和航天器电子组件的机械、结构和热控元件，以及微推进系统、可展开遮阳板、有效载荷隔热层、太阳电池和电缆。用于姿态调整的微推进系统主要采用一定比例的冷气推进剂。服务舱与“盖亚”的所有通信都通过X频段完成，同时还采用了遥测、遥控、上/下行链路容量较小的低增益天线和全向覆盖等技术。

机械服务舱具有管理基本角稳定性，是满足科学要求的最佳设计，有一组均衡分布的可展开遮阳板，采用多层绝缘材料制成，这些遮阳板和平台能够阻止正常任务期间太阳对航天器，尤其是有效载荷舱的照射。密封的热结构能够对科学仪器进行更进一步的防护。

电子组件舱

“盖亚”的电子组件舱装有为“盖亚”和有效载荷提供指向、电源控制和分配、中央数据管理和与地球进行无线电通信的设备。

该卫星上安装一个面积为12.8m2的三结砷化镓太阳电池，其中7.3m2以固定太阳电池形式出现，另外5.5m2被分成6块，安装在可展开遮阳板组件上。在发射和早期运行期间，卫星的电源主要由一个60A的锂电池提供。

4 地面段

“盖亚”由位于德国达姆施塔特市的欧洲空间操作中心（ESOC）负责运营，同时依托西班牙塞夫雷罗斯（cebreros）、澳大利亚新诺舍（new norcia）和阿根廷马拉圭（Malarguee）三个地面站。科学操作由位于西班牙维拉弗朗卡（Villaranca）的欧洲空间天文学中心（ESAC）执行。

“盖亚”采用了先进星上自主系统，但任务的特性需要有很多地面站来下传卫星产生的大量数据。卫星在5年任务中将持续观测，在与地面失去联系时可利用星上固态大容量存储器进行数据存储。“盖亚”每天通过欧洲航天局位于西班牙塞夫雷罗斯、澳大利亚新诺舍和阿根廷马拉圭的35m深空地面站网络与欧洲空间操作中心取得联系。通常情况下，每天只需要一个地面站对卫星发布指令和控制，进行数据下传。虽然星上产生的科学数据会随着观测区域而变化，但下传数据所需的大量时间也会随之改变。在卫星扫描银河平面期间，尤其是恒星密度较为密集的时候所需时间更长。即使有3个地面站，仍不能保证卫星24h可见。

正在进行电性能测试的“盖亚”

阿根廷马拉圭地面站天线

“盖亚”的地面段主要由以下部分组成：①任务操作中心（MOC），位于德国达姆施塔特的欧洲空间操作中心内，负责所有任务的操作计划、执行、监测和控制。②属于欧洲航天局跟踪网的地面站都受任务操作中心和欧洲空间操作中心的控制。该网络主要由深空网天线和一套15m天线装置组成。③科学操作中心（SOC），位于维拉弗朗卡的欧洲空间天文学中心内，负责科学操作规划，同时利用任务操作中心提交的卫星和仪器遥测信息来进行有效载荷的性能监测。