基本介紹
- 中文名：挑戰性小衛星有效載荷衛星
- 外文名：Challenging Minisatellite Payload
- 國家：德國
- 發射時間：2000年
- 簡稱：CHAMP衛星
- 銷毀時間：2010年
- 主要功能：地球科學及大氣研究
衛星概況,主要性能參數,有效載荷,科學任務,
衛星概況
CHAMP(CHAllenging Minisatellite Payload)計畫是由德國空間管理局支持，GFZ(GeoForschungs Zentrum Potsdam)的科學家於1994年提出的小衛星計畫，主要用以改善地球重力場和磁場模型。CHAMP衛星於2000年7月15日12:00UTC在俄羅斯的Plesetsk(62.5°N，40.3°E)用COSMOS火箭發射升入454km高的第一軌道(圓軌道)；並於2001年2月11日實現第一次掩星觀測。經過幾年的運行，現在已經有高質量的數據和分析結果。衛星設計壽命為5年，用戶可以有多年高精度數據流用以地球科學和大氣科學的研究。從2001中期開始，已經以有效且友好的方式向廣大用戶傳送各種觀測類型、各種層次的觀測數據，其中包括：軌道和重力處理系統(SOS-OG)、電磁場處理系統(SOS-ME)、及大氣/電離層剖面系統(SOS-AP/IP)。從事地球科學和大氣研究的用戶可得到連續幾年的高精度數據流。
主要性能參數
CHAMP衛星主體為正四稜體，長約4.3m，高0.75m，下底邊寬約1.6m，上底邊寬0.4m，衛星從底部伸出一個長約4m的懸臂，指向衛星飛行方向。CHAMP衛星性能指標見下表。
| 參數 | 指標 |
|---|---|
衛星質量/kg | 522，其中推進劑質量30，有效載荷質量32 |
幾何尺寸 | 8333mm×1621mm×750mm |
面積質量比/（㎡/㎏） | 0.00138 |
姿態控制 | 三軸姿態穩定，地球指向 |
太陽電池功率/W | 150 |
星上電池 | 鎳氫電池，容量16A·h |
設計壽命/年 | 5 |
軌道 | 太陽同步軌道，高度454km，傾角87°，周期94min |
姿態控制精度 | 優於2° |
星上數據存儲能力/Gbit | 1 |
數據傳輸 | 下行頻率2.28GHz，數據率1Mbit/s |
遙測、跟蹤與指令 | 上行：2.093GHz，4kbit/s 下行：2.28GHz，32kbit/s |
有效載荷
CHAMP衛星主要有效載荷包括“雙頻高精度GPS接收機”、“空間三軸加速度計”、“先進恆星羅盤”、“磁強計組合系統”、“數字離子偏流計和雷射後向反射器”等。
“雙頻高精度GPS接收機”由NASA噴氣推進實驗室(JPL)研製．定位精度可達厘米級．它配備4副接收天線，1副指向天頂方向，1副指向天底方向，2副指向衛星尾部，具有跟蹤、掩星和測高3種工作模式。
“空間三軸加速度計”由法國國家航空航天研究局(ONERA)研製，目標是測量衛星受到的所有非重力加速度(阻力、太陽和地球輻射壓)，高精度地確定地球重力場變化對衛星軌道的影響．
“先進恆星羅盤”由丹麥技術大學研製，為衛星和星上儀器提供姿態基準：CHAMP衛星採用2部“先進恆星羅盤系統”，每部由2台相機和1個共用的數據處理單元組成，2部先進恆星羅盤分別安裝在懸臂和衛星本體上 安裝在懸臂上的“先進恆星羅盤”提供磁場矢量測量所需的高姿態精度；安裝在衛星本體上的“先進恆星羅盤”提供空間三軸加速度計和數字離子偏流計高姿態精度。
“磁強計組合系統”由1部“質子旋進磁強計”、2部“磁通門矢量磁力儀”以及為“磁通門矢量磁力儀”提供姿態信息的星敏感器組成。“質子旋進磁強計”由法國研製，其動態測量範圍16000～64000nT，解析度0.1 nT，絕對精度0.5nT，取樣速率1Hz。
“數字離子偏流計”由美國空軍研究實驗室提供，用於測量衛星周轉離子的速度矢量，以及離子密度與溫度．利用電場、離子漂移速度和磁場的關係可獲得當地的電場強度．“數字離子偏流計”質量2.3kg，幾何尺寸150mm×128mm×112mm，功率5W。
“雷射後向反射器”由德國地球科學研究中心研製，用於地面對衛星的精確跟蹤與測距。“雷射後向反射器”由4個雷射反射器組成，用於反射地面雷射測距站發射的雷射脈衝，地面雷射脈衝持續時間35～100ps，測距精度2cm。
科學任務
CHAMP衛星的主要科學任務有：
(1)重力研究方面：由GPS星座完成低軌道衛星軌道攝動的連續、精確監測。低軌道衛星上載有高精度的新一代GPS接收器、用於測量表面重力加速度的高精度三軸加速度計，同時有一對確定飛船姿態的攝像裝置。
(2)磁場研究方面：衛星搭載一個用於測量環境磁場三個分量的高性能磁通門磁力儀、一對用於測定星體姿態的攝像頭、標量磁力儀。
(3)大氣層和電離層研究方面：用於觀測重力和磁場的儀器同時組成一個很強的感測器組，它可用於相關的地球中性大氣層和電離層參數的測量：從GPS/CHAMP無線電掩星測量，可以推導出大氣的溫度和水汽分布；數字離子漂移計，用於測量電場；GPS/CHAMP掩星也可確定電離層中的電子密度分布，高解析度的加速度計可確定CHAMP軌道上的大氣密度變化。
CHAMP計畫也使用JPL提供的BlackJack GPS接收機，它的後向高增益、螺旋形、多方位天線(相比GPS/MET增加5db)提高了信號的質量，從而使先進的信號跟蹤技術得以套用。從2001年2月11日，第一次接收到了CHAMP衛星的掩星測量數據，到2001年2月底的3000個剖面中，並對438個剖面作了比較(其中55%達到lkm以下的高度)。從反演的結果與相應ECMWF數據比較中看出兩者具有很好的一致性。對流層頂以上的溫度偏差小於1K(標準偏差在1.5左右)，高於北緯30°地區12～209m高度上偏差要小於0.5K，目前每天能提供230個左右0～50km的觀測序列，垂直解析度在低對流層為0.5km，到平流層為1.5km，在沿軌跡的解析度為數百千米。目前已經實現地面和空間資料處理，以及德國天氣預報服務同化的自動化處理(Wickea et a1．2001)。從短期上講，CHAMP的數據將有助於改善GPS無線電掩星技術和提高對流層的回歸算法技術；從長期上講，將有利於增強全球氣候變化的研究能力。
