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欧洲空间局的赫歇尔(Herschel)空间天文台

欧洲空间局的赫歇尔(Herschel)空间天文台

 

(原发表于《深空探测研究2005年12期》)

黄茂海

中国科学院国家天文台

北京市朝阳区 大屯路甲20号 100012


摘要:赫歇尔空间天文台是欧洲空间局长期发展计划中的基石项目,反应了欧洲航天和科学领域组织、设计、制造能力。本文介绍赫歇尔空间天文台的历史背景、望远镜主体、航天器平台、第二拉格朗日点(L2)轨道、姿态控制、制冷设施、地面测控支持、星上数据管理和软件、有效载荷地面段设计和实现等方面。

1         前言

随着我国国力增强和科技进步,多个中、大型空间科学探测项目已经被提出来。国家主管部门已经开始进行适合我国国情的中国空间科学探测的长期规划。欧洲空间局的赫歇尔空间天文台是典型的现代大型空间科学探测设施。本文介绍赫歇尔空间天文台的航天器平台、第二拉格朗日点(L2)轨道、地面测控支持、星上数据管理等方面,希望对我国大型科学探测和深空探测计划的构想、制定,以及具体探测计划的设计起到参考作用。

赫歇尔空间天文台的科学目标和载荷实现,应用地面段设计和特点等方面的详细介绍将另文发表。

2         背景和历史

二十世纪80年代中欧洲空间局为了实现持续稳定的发展,制定了名为“Horizon 2000”的20年长期科学探测计划,这个宏大计划包括了从90年代中到2007年以前的ESA科学探测项目,其项目选择和确定原则包括科学目标的优秀性、整个项目一致性、领域平衡、技术含量、现实的经费等[1]。Horizon 2000在科学上利用空间的特别观测环境,对人类关于宇宙和地球附近空间的重大问题作出最有说服力的回答,并通过满足科学探测在技术上的尖端要求,对ESA和欧盟的空间技术能力进行了空前的提升,而且随着一个个既定里程碑的达到,欧空局在世界空间探测领域上树立起了很高的信誉。

Horizon2000有四个旗帜性的“基石”(Corner Stone)项目,包括一个观测太阳和日地环境的SOHO/CLUSTER计划,一个彗星观测采样项目Rosetta,一个X射线天文观测计划(ESA独立建造的最大航天器XMM- Newton),和一个红外线及亚毫米波段微波观测计划。在红外线和亚毫米波段,由于地球大气层的吸收和干扰,人类无论使用多大口径、多么灵敏的地面观测设备,也难以有效观测宇宙。也恰巧正这个波段的宇宙辐射能穿透星际尘埃,能反应出银河系中的恒星是怎么形成的,以及古老的星系是怎么演化至今的。这个红外项目就是于1993年决策,1997年完成可行性论证并正式立项,计划于2007年发射的Herschel空间天文台[2],其名称来自天王星发现者,英国天文学家威廉Ÿ赫歇尔。

赫歇尔空间天文台是多用户的大型红外和亚毫米波空间天文台,参加组织包括欧盟、美国、加拿大、日本等国。它继承ESA以前在IUE、哈勃望远镜、XMM、 Integral、Rosetta、以及红外领域的上一代卫星(包括80年代的IRAS, 90年代的ISO)等多个大型航天项目的经验,具有空前的复杂性,体现了科学探测航天器和航天科学仪器在功能、性能、可靠性等方面的世界顶级设计水准和实现能力,在工程管理和规划方面体现了欧洲有条不紊、严密细致、贯穿一致、使用有限经费精耕细作的风格。

3         航天器和望远镜

赫歇尔空间天文台(以下简称赫歇尔)由法国阿尔卡特(Alcatel)公司在2000中标进行总承,其总体结构决定于它的巨大的主镜和杜瓦瓶。赫歇尔拥有一个面积空前的3.5米口径(哈勃望远镜为2.4米),表面精度误差只有6微米的反射镜面。这个轻质主镜由Astrium公司用碳化硅材料制成,整个反射镜重量只有210公斤,靠近边缘的地方仅约1厘米厚。通过在自由空间自然冷却,它和支撑部分保持在90K以下温度,加上只有4%的本底辐射率,这面主镜为探测仪器提供了捕捉宇宙微弱信号的基本保证。整个望远镜采用R-C式卡塞格林设计,系统焦比为f8.6。[3]

hershchel-structure

图一 赫歇尔空间天文台结构

因为望远镜的主镜和杜瓦瓶需要保持低温,不能被太阳直接照射,所以赫歇尔空间天文台使用了一个兼作太阳电池帆板的遮阳板。这个帆板为整个系统提供不低于1500W电能,望远镜从星箭分离开始到使命结束都要用这块帆板对着太阳。

赫歇尔空间天文台配备了三台功能互补的大型探测仪器,公用同一个主镜。由于需要探测天体暗弱的红外辐射,这些仪器的所有焦面观测设器件都要制冷到接近绝对零度的0.3K ~ 1.7K,焦面探测器总散热为30mW。探测敏感部件的放大混拼设备也需要工作在不同程度的低温状态,所以赫歇尔装备了一个容纳2160升超流液体氦II的杜瓦瓶,通过蒸发和回收式弘吸制冷器为各种设备提供了不同等级的低温环境,其制冷系统的设计通过90年代中期ISO (Infrared Space Observatory)卫星验证使用,有效可靠。[4][5]

观测仪器的放大、控制、辅助部分,以及星上数据管理、通信、姿态控制、温度控制等设备放置在航天器服务仓内的八块面板上。图1显示了赫歇尔空间天文台的基本结构,表一列出了其主要大小、重量、功耗参数。

表一 望远镜和平台主要参数

望远镜口径

3.5米

长度

7.5米

运行寿命

3.5 ~ 4.5 年

直径

4米

姿态

三轴稳定

重量

3200千克

制冷剂

2160升液体氦-2

功耗

> 1500 W

为匹配整个望远镜超高的分辨本领,赫歇尔对其航天器的姿态和望远镜的指向精度,包括指向执行精度和指向测量精度,都有具有很高的要求。为达到这些要求,赫歇尔在常规操作中使用反作用轮进行姿态转换和调整,使用星敏感器并辅助以高性能固态半球共振陀螺仪进行姿态和望远镜指向测量。星敏感器具有包括3500颗星的星表,视场16度,可以在姿态信息完全丧失情况下在任何位置获得3.7角秒精度的望远镜姿态,在全天68%以上的方向精度达到0.8角秒精度。(指标见表二)

表二 全天姿态和指向精度

绝对指向执行精度

相对指向执行精度

绝对测量精度

盯视 3.7″ (力争1.5″)

盯视0.3″

盯视3.1″ (力争1.2″)

扫测3.7″+0.05″/秒

扫测1.2″/秒

扫测3.1″+0.03″/秒

漂移1.2″/24小时

转向:10″

姿态调整一般使用三个反作用轮加一个备份,角动量释放为自主进行。调姿和调轨火箭在非日常操作情况下使用。

4         运行轨道、入轨策略、和测控支持

为了克服地球热辐射对观测的的干扰,赫歇尔在围绕地-日系统的第二拉格郎日点(L2)的轨道上运行。如图二所示,从地球观察,第二拉格郎日点位于距离地球1.5百万公里和太阳相反的位置,赫歇尔在这个轨道沿利萨茹曲线的作周期性运动,于L2角距不大于40度。航天器距离地球1.2~1.8百万公里,平均是月地距离的四倍左右,地球相对航天器张角仅为20~35角分,因此第二拉格郎日点附近不但提供长时间不受限制地连续对任何方向观测的优势,而且具有异常稳定的热环境、辐射环境、和电磁和杂光干扰环境、引力场变化缓慢,严格说已经是行星轨道,属于“深空”范畴,成为包括接替哈勃望远镜的James-Webb空间天文台等多个天文观测空间望远镜的首选轨道。

L2-orbit

图二 赫歇尔环绕L2点的轨道

按照计划赫歇尔和ESA的一个名为普朗克(Planck)的宇宙背景辐射探测器一起由一枚亚利亚娜-5(Ariane V-ECA)火箭从法属圭亚那的库鲁空间基地发射。发射时两个探测器的总高度为11米,直径4.5米,总重4700千克。发射后探测器为避免望远镜主体受太阳照射,需要在星箭分离时就开始三轴稳定姿态控制,所以不进行环地飞行而直接奔向L2轨道。

herschel+planck

图三 赫歇尔和普朗克两个探测器将由一枚阿利亚娜-5火箭发射

由于从近地轨道到进入环L2轨道要120~130天时间,而探测器上的液氦在发射时就开始消耗,所以在进入工作轨道前航天器平台和有效载荷就计划进行测试和指标验证。因此航天器在奔向L2轨道时需要避免进入日食阴影、保证太阳不接近望远镜视野。考虑到以上因素,以及为尽量减少对速度增量的需求和机动次数,赫歇尔/普朗克的入轨飞行操作和发射时间安排方面的选择成为整个飞行计划的一个需要仔细论证的问题。目前根据研究发射时间选在2007年2月到10月。

在任务的不同阶段,ESA优化分配了其地球站对航天器和有效载荷的遥测遥控和数据接收任务。在发射和初轨阶段(Launch and Initial Orbit Phase), ESA使用法属圭亚那、澳大利亚和西班牙地面站进行监控;在向L2转移和初始操作阶段 (Commissioning Phase)和指标复核阶段(Performance Verification Phase)使用法属圭亚那、澳大利亚站;在日常运行阶段,只使用澳大利亚New Norcia的35直径深空天线每天进行3小时通讯,在这期间进行其中包括测距测速、数据下传、和指令上行、数据注入等操作;在紧急情况下法属圭亚那、澳大利亚和西班牙站都将投入使用。

5         星上数据和通讯系统及软件

星上数据处理和管理单元(DHPU)采用双备份1553B总线与星上有效载荷、大容量固态存储器、姿态控制系统、数据收发系统联结。大容量存储器每天存储3.125G字节新数据,并可以在地面数据接收站出现问题的情况下连续存储48小时。

赫歇尔具有两个全向天线和一个中增益天线,和地面采用X波段通讯,常规下行数据传输率为130kbps,最高1.5mbps。编码调制方式在低速率(如果使用低增益天线组合)NRZ-L/BPSK/PM,中高速为SP-L/PM和GMSK。放大器、指令解码和数据编码器等都使用双路热备份。星上数据按照CCSDS标准使用多个虚拟信道下传不同紧要程度的数据。勤务(House Keeping)数据分类为:紧要的、关键的、常规的、快视的;勤务和探测数据都还有实时的和存储的之分。数据的传送顺序从高到低排列为:

Ÿ     实时紧要航天器勤务和关键仪器勤务

Ÿ     实时常规航天器勤务和常规仪器勤务

Ÿ     存储的航天器勤务+关键仪器勤务+事件遥测信息

Ÿ     实时科学数据

Ÿ     存储科学数据 (绝大多数科学数据)

星上软件系统,不包括有效载荷的控制和处理单元里的软件,按功能分为中央数据管理软件和姿态控制测量软件两部分,其中后者包括星敏感器软件和陀螺仪软件。软件架构为“操作系统+公用服务层 ”加“ 应用层”结构,每个层面的功能有明确规定,由不同承制方开发。赫歇尔星上软件满足ESA对此类软件共同性的要求,即星上软件在开发过程中使用共同的开发环境,在运行时使用中央数据管理,并由操作系统和公用服务层完成启动、I/O、多任务分时等软件系统工作,其他功能,包括姿态、数据处理等属应用层范畴。按指令可下传内存镜像,上载镜像和补丁,对软件进行维护。

6         有效载荷简介

赫歇尔具有的三台焦面观测设备不但反映了天文界对回答重大宇宙问题的观测需要,也同样反映了欧洲空间科学观测仪器设计和制造的最高水准。这三台设备[2,3]是成像光谱与测光仪(Spectral and Photometric Imaging Receiver 简称SPIRE),光电阵列和射谱仪(Photodetector Array Camera and Spectrometer Instrument 简称PACS),远红外外差接收机(Heterodyne Instrument for the Far Infrared 简称HIFI)。SPIRE与PACS在观测波段上互补,HIFI与前两者功能互补。这三台设备的选择是经过广泛征求提案后经过竞争挑选出来的,挑选出的载荷提案由首席研究员(Principle Investigator)联合所需要的组织组成团队,负责研制和操作。

SPIRE由英国负责研制,首席研究员为QWM大学的Matt Griffin教授,其设计、制造、测试主要由英国卢瑟福-阿博顿实验室承担。SPIRE包括三个直接成像热敏器(bolometer)阵列和两个傅立叶变换谱仪阵列。成像观测波段为250~500微米,视场4x8角分;谱仪波段为200~670微米,谱分辨率为R=20~1000。

PACS由德国负责研制,首席研究员为德国马克斯-普朗克学会的Albrecht Poglitsch教授,主要由马克思-普朗克学会的地外所(MPE)承担设计、制造、测试。PACS由两个半导体测光成像阵列和一个5x5裂像分光摄谱仪组成。测光成像波段为60-90 90-130 + 13-210 μm,裂像摄谱仪的谱分辨率典型值为R~1500。PACS具有五种仪器模式供观测者使用。

HIFI由荷兰负责研制,首席研究员为荷兰的Thijs de Graauw教授,设计、制造、测试主要由荷兰空间研究院(SRON)承担。从主镜聚集来的入射信号经为分配器可以进入七个SIS或HEB结构混频单元,探测波段为450~1910GHz,混频信号可以输入一个宽带频谱仪WBS (频带4GHz,分辨率1MHz)和高分辨频谱仪HRS(频带4~2GHz,分辨率达0.14MHz )。与SPIRE和PACS的阵列结构相比,HIFI更接近传统的射频接收设备。

赫歇尔的科学目标为:

Ÿ           研究宇宙早期星系形成和演化

Ÿ           恒星形成和星际介质(巡天和高分辨观测)

Ÿ           彗星、行星和卫星的大气层

其三台设备每一台都在规划、设计、指标、操作模式上为实现以上目标提供了令人振奋的观测可能性,不愧为红外天文学里程碑式的项目。有关赫歇尔科学仪器更详细的情况将另文介绍。

7         应用地面段

按照欧洲空间标准[9],地面段是所有在飞行任务准备和执行中涉及到的设备和人员的总称,包括设施系统和相应组织。地面段包括工程地面段和科学地面段。由于赫歇尔采用国际通行首席研究员负责制实现科学目标,其科学地面段由位于荷兰的ESTEC(欧洲空间科学与技术中心)与各个有效载荷的首席研究员团队共同建设和运行。ESA各个项目的工程地面段由位于德国的ESOC(欧洲航天器操作中心)统一建设和运行,进行数据接收、转发、基本上行操作和遥测等工作。各个项目在ESOC设有联系机构

Herschel Ground Segment - small

图4赫歇尔科学地面段的主要结构极、及其与系统其他部分的关系

图4显示了赫歇尔科学地面段的主要结构及其与系统其他部分的关系[10]。赫歇尔科学中心(HSC)位于ESTEC,而赫歇尔的三台仪器分别在各自的仪器控制中心(ICC)进行研制、组装、测试、定标、控制和进行数据处理。就是说科学地面段要满足从仪器研制到项目结束各个阶段的要求。同时,由于仪器控制中心位于分布在各国的相应研制单位,而且赫歇尔的用户不但是首席研究员团队和HSC,更包括了广大天文学界。这对科学地面段不但从设备研制阶段的功能提出了要求,还对其部署提出了分布式结构的要求。

赫歇尔科学地面段为项目各个阶段提供的支持可按任务阶段归纳为:

Ÿ           有效载荷研制阶段:调试、组装、测量、定标、操作模式的制定;

Ÿ           整星集成和联调阶段:测试、验证;

Ÿ           在轨测试阶段:功能检验、性能核实、各种标定;

Ÿ           日常运行阶段:提供数据快视、实时分析、科学操作计划生成、数据回放、问题诊断、星上软件的维护;

Ÿ           数据处理:长期提供高效、易用、灵活、可追踪的处理环境、数据管理环境、数据发布功能;

Ÿ           长期成果保存:保证项目数据的长期贮存和开放。

地面系统基本上下行操作由ESA所有空间项目通用的“空间操作系统”SCOS2000在完成,大量赫歇尔非通用的、各个载荷都需要的功能由“赫歇尔公共科学系统”(Herschel Common Science System,简称HCSS)实现。

8         应用地面段平台HCSS

赫歇尔公共科学系统(HCSS,见上节)设计特点和原则为:

(1)     纵向无缝,即在项目生命周期各个阶段间平滑过渡;

(2)     横向一致:即使广泛分布的各有关单位都可以一致地部署;

(3)     灵活高效:即不但为满足广大天文学家提供易于根据处理要求配置、开放的平台,而且能应付海量数据处理要求;

(4)     强调继承:即提取各个有效载荷的共用性部分共同开发,并为将来项目提供继承性。

HCSS使用面向对象,体系结构围绕一个对象数据库(Object Oriented Database Management System)建立,同时使用隔离层来减小厂家的数据库产品非标准部分对系统的风险。系统包括公共上行系统、观测提案处理系统、观测任务调度系统、标准数据产品生成和质量控制系统、数据库浏览器、配置管理系统,数据处理分析系统,快视和快速分析系统等。

HCSS的开发方式也值得介绍。在以保守著称的航天工程领域,软件开发方式经常是采用的瀑布模式,分析、设计、实现、运行要各个子系统要一起进行。这虽然使管理简单,但由于在复杂、前沿项目开始阶段,系统需求往往不能完全明确,瀑布模式为开发工作带来巨大的困难。加上从项目生命周期从头到尾HCSS都需要供支持服务,这样的软件系统是不可能用瀑布模式开发的。HCSS的开发模式是裁减过的极限编程模式,系统由最基本、最紧迫需要的部分做起,每天晚上都进行系统集成和回归测试。在开发的同时有效载荷的工程人员就开始使用系统。这个系统在载荷上天后将已经经过多年使用,通过千锤百炼,所以能最大程度地保证在飞行阶段顺利运行。

中国科学院国家天文台的“应用地面段研究”组和SPIRE ICC进行合作,在国家天文台成功安装、配置、运行HCSS,并成功地与欧洲同行进行了协作开发,为我国空间科学探测地面系统的现代化迈出切实一步。HCSS的详细情况极其开发经验将在另文详细介绍。

9         总结

赫歇尔空间天文台是长期发展计划中欧洲空间局的基石项目,反应了欧洲航天和科学领域组织、设计、制造能力。赫歇尔空间天文台的望远镜将是世界上最大口径的空间天文探测设备。主体航天器平台、第二拉格朗日点(L2)轨道、制冷设施、地面测控支持、星上数据管理、地面段设计和实现等方面都有独到之处。

[1] ESA Information Note N° 12-1995:  1995: EUROPEAN SPACE SCIENCE SCALES NEW HEIGHTS

[2] THE HERSCHEL MISSION, SCIENTIFIC OBJECTIVES, AND THIS MEETING, The Promise of FIRST, Göran L. Pilbratt

[3] A Φ 3.5 M SiC telescope for HERSCHEL Mission, Emmanuel SEIN et al, SPIE 2002

[4] The FIRST / Planck Mission. Cryogenic systems, B. Collaudin, Th. Passvogel , Proc. of SPIE conference “Astronomical Telescopes & Instrumentation, Space Telescopes and Instruments V”, vol.3556, 1998.

[5] FIRST Payload Module and Accommodation of Instruments. B. Collaudin et al..

[6] SPIRE instrument for FIRST, M.J. Griffin, B.M. Swinyard, L.G. Vigrou, Proc. of SPIE conference “Astronomical Telescopes & Instrumentation, Space Telescopes and Instruments V”, vol.4013-10, 2000.

[7] Photo-conductor array camera (PACS) for FIRST, A. Poglitsch, N. Geis, C. Waelkens , Proc. of SPIE conference “Astronomical Telescopes & Instrumentation, Space Telescopes and Instruments V”, vol.4013-13, 2000.

[8] Heterodyne instrument for FIRST (HIFI): design and development status, T. de Graauw et al , Proc. of SPIE conference “Astronomical Telescopes & Instrumentation, Space Telescopes and Instruments V”, vol.4013-15, 2000.

[9] ECSS-E-70P Ground systems and operations

[10] HERSCHEL GROUND SEGMENT DESIGN DESCRIPTION, HGSSE group, 2004


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