2022年10月7日先进天基太阳天文台ASO-S将揭开中国日地空间探测时代

9月7日 13:44 引自:aso-s.pmo.ac.cn

先进天基太阳天文台(Advanced Space-based Solar Observatory, 简称ASO-S)是我国太阳物理界在2011年自主提出的一个太阳空间探测卫星计划方案。ASO-S计划以太阳活动第25周峰作为契机,实现我国太阳卫星探测零的突破。


ASO-S 的科学目标简称为"一磁两暴",

"一磁"即太阳磁场,

"两暴"即指太阳上两类最剧烈的爆发现象—耀斑爆发和日冕物质抛射,即观测和研究太阳磁场、太阳耀斑和日冕物质抛射的起源及三者之间可能存在的因果关系。


根据先进天基太阳天文台的科学目标和任务,为了获得尽可能多的观测时间,先进天基太阳天文台卫星拟采用高度720km左右、周期约99分钟的太阳同步晨昏轨道。这样的轨道只有在每年的5月中旬到8月共约2.5个月的时间存在阴影, 每轨最长阴影时间18分钟。拟采用CZ-2D火箭将卫星送入轨道,卫星入轨后太阳矢量与轨道面夹角接近98°。整个卫星保持对日定向且三轴稳定的姿态。


ASO-S上共安排三个主要载荷:

  • 全日面矢量磁像仪(Full-disc vector MagnetoGraph,简称 FMG)用来观测太阳光球矢量磁场;
  • 太阳硬 X 射线成像仪(Hard X-ray Imager, 简称 HXI)用来观测太阳耀斑非热物理过程;
  • 莱曼阿尔法太阳望远镜(Lyman-alpha Solar Telescope, 简称 LST)主要用来观测日冕物质抛射的形成和早期演化。


ASO-S 独特的载荷组合将首次实现在一颗卫星上同时观测太阳全日面矢量磁场、太阳耀斑高能辐射成像和日冕物质抛射的近日面传播,力争在当代太阳物理前沿领域"一磁两暴"观测和研究方面取得重大突破,揭示太阳`磁场演变导致太阳耀斑爆发和日冕物质抛射的内在物理机制,在拓展人类知识疆野的同时,也为严重影响人类生存环境的空间天气提供预报的物理基础。


ASO-S所产生的数据要经过大量的初级处理才能达到科学使用的标准。这就需要一个用户友好的“科学应用系统”,它是连接卫星数据和科学用户的桥梁。

来源:中国科学院紫金山天文台

科学应用系统就像一个繁忙的数据加工厂,由卫星科学团队把原始观测数据加工成高级的科学数据产品,供用户下载。其主要职能还包括根据科学用户需求并结合卫星和载荷状态制定合理的科学观测计划,开发科学数据生产软件和数据分析软件,为科学用户提供服务和支持等。同时,科学应用系统还将配合地面支撑系统完成卫星和载荷的在轨监测与运行管理,确保卫星能够安全、高效地进行科学观测。


科学应用系统作为卫星工程的重要组成之一,目前已建成卫星运控室、具有2048计算核心和6PB有效存储容量的数据中心,以及对应的数据库支持,各种数据生产、处理和分析所需要的软件和卫星网站的开发也已近尾声。经过卫星发射后在轨测试期的不断完善,这个数据工厂将日处理500 GB的原始数据。


科学应用系统的宗旨是“全心全意为用户服务”,将提供观测、生产和发布等一条龙服务,具体包括:


  • 数据的及时发布与免费获取;
  • 用户观测策略的制定和实现;
  • 高级标定数据及分析说明书;
  • 配套程序和高等级应用软件;
  • 实时数据和快视产品的展示。




ASO-S先后得到中国科学院空间科学先导专项预先研究支持(2011 - 2013)、中国科学院空间科学先导专项背景型号阶段支持(2014 - 2016),期间还得到国家基金委面上基金、国家重大科研仪器专项、以及财政部天文专项的支持。ASO-S目前已经纳入中国科学院空间科学先导专项科学卫星工程项目。按计划,2017年上半年ASO-S完成立项综合论证后,将经历18个月的方案设计阶段、20个月的工程初样阶段和18个月的工程正样阶段,并于2022年10月7日发射到高度为720公里的太阳极轨,设计寿命不少于4年。


有效载荷的详情:

先进天基太阳天文台上配置了三台有效载荷,分别为:全日面矢量磁像仪、莱曼阿尔法太阳望远镜和太阳硬X射线成像仪。


全日面矢量磁像仪(FMG)


全日面矢量磁像仪(FMG)用于开展太阳光球矢量磁场的成像观测。全日面矢量磁像仪由成像光学系统、偏振光学系统、数据采集与处理系统三大功能块组成。其望远镜采用口径140mm的远心光路设计;探测器采用4K×4K像元、帧频16 fps的CMOS相机;偏振光学系统由经典的里奥(Lyot)型双折射滤光器和液晶型偏振分析器系统组成,滤光器工作波长532.4 nm,带宽(FWHM)为0.01 nm。


为了获得足够高的测量精度,拟采用"深积分"观测方式提高灵敏度,在常规观测模式下,单磁场分量观测由256×2帧图像完成,一组矢量磁图用时2分钟,纵向分量灵敏度5G,横向分量精度150G。在一个分量观测中要求图像稳定度优于0.25角秒,但由于卫星平台无法满足这一图像稳定度要求,全日面矢量磁像仪将自带稳像系统


全日面矢量磁像仪基于双折射滤光器而成。由于斯托克斯(Stokes)参数仪不能实时成像,采用类似于Hinode/SP的观测系统对于太阳活动现象的跟踪和预报研究是非常不利的,相比较而言,全日面矢量磁像仪具有更高的观测效率和时间分辨率,更契合先进天基太阳天文台的科学需求。而相较于SDO/HMI和SOHO/MDI,全日面矢量磁像仪设备相对简化,观测模式简单,磁场测量精度更高。


莱曼阿尔法太阳望远镜 (LST)


莱曼阿尔法太阳望远镜包含三台仪器,即一台口径60毫米莱曼阿尔法全日面成像仪(SDI)、一台口径60毫米的日冕仪(SCI)、一台口径80毫米兼做导行镜的白光望远镜(WST)和一个30毫米口径的导行镜(GT)。


莱曼阿尔法全日面成像仪在莱曼阿尔法波段(121.6±7.5nm)以4-60秒的时间间隔对太阳从日面中心到1.2个太阳半径进行成像观测。莱曼阿尔法全日面成像仪使用4096×4096像元的探测器以获得0.56角秒的像元分辨率。莱曼阿尔法全日面成像仪的结构类似于中法太阳爆发探测小卫星(SMESE)中的全日面成像仪(LADI),但口径更大。同时,莱曼阿尔法全日面成像仪和日冕仪都将通过压电陶瓷驱动稳像系统来实现太阳的稳定以满足高分辨率成像观测的要求。


日冕仪使用2048×2048像元的探测器对1.1 – 2.5个太阳半径的内日冕以3-120秒的时间间隔在莱曼阿尔法波段(121.6±10nm)进行成像观测并白光波段(700±20nm)进行偏振亮度观测。在日冕仪光路中加入分光镜,将入射的日冕光分成透射和反射两部分。反射部分经过莱曼阿尔法滤光片后成像在莱曼阿尔法波段探测器;透射部分在经过宽带滤光片、线偏振片后成像在白光波段探测器上,在0°及60°三个方向进行日冕偏振亮度测量。


白光望远镜采用4096×4096像元的CMOS探测器在通常模式下以3-60秒的时间间隔对太阳从日面中心到1.2个太阳半径进行紫外连续谱(360±2.0 nm)成像观测,在快速的爆发事件模式下通过开窗输出的方式使时间间隔小于0.2秒。白光望远镜的成像观测的空间分辨率与莱曼阿尔法全日面成像仪相同。


导行镜工作波段为675.8±5nm,通过四象限光电二极管对太阳边缘进行探测,实时计算太阳边缘的偏移量并将偏移量转化成导行信号。导行信号最终转化成驱动信号驱动安装在莱曼阿尔法全日面成像仪和日冕仪主镜后面的压电陶瓷晶体实现太阳的稳定。


太阳硬X射线成像仪(HXI)


太阳硬X射线成像仪在30 – 200 keV的高能段以优于0.5秒的时间分辨率对全日面进行高时间分辨率成像观测。太阳硬X射线成像仪的视场达到1度(从日面中心到1.875太阳半径),能量分辨率在30keV和1467keV分别为27%和5.6%,在30 keV的角分辨率为6角秒。太阳硬X射线成像仪的设计以太阳耀斑为主要观测目标。太阳硬X射线成像仪采用与日本阳光(YOHKOH)卫星上的硬X射线望远镜(HXT)和太阳轨道探测器(Solar Orbiter)上X射线成像光谱望远镜(STIX)相同的空间调制间接成像技术。这不同于Reuven Ramaty太阳高能光谱成像(RHESSI)所用的旋转调制间接成像技术。 太阳硬X射线成像仪自带导行望远镜,它在白光波段对太阳进行监视并提供太阳硬X射线成像仪的定位信息。同时,它还可以提供太阳爆发的位置信息。

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