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地球静止轨道环境业务卫星系列——GOES


        GOES系列卫星从1975年开始,为空间环境监测、预报、建模提供了大量探测数据,为我们了解空间环境提供了一个窗口,其家族最新的卫星为GOES-16。这里我们将详细介绍GOES系列卫星,以便您了解它们的全貌。

l   GOES系列卫星

        GOES系列卫星由美国国家海洋与大气局(NOAA)管理,用于天气预报、空间环境监测等业务和气象学的研究,为地球同步轨道卫星。GOES采用双星运行机制,双星分别定位于135°W75°W赤道上空,覆盖范围为20°W~165°W,约占全球面积的1/3面积,可以每天24小时连续对西半球上空进行气象观测。GOES卫星算得上是个大家族,至今已经发展了三代,从最早的SMS衍生系列到第二代共计十五颗。GOES-1卫星于19751016日在美国卡纳维拉尔角空军基地发射,卫星重294千克。SMS衍生系列(GOES-1~3)和第一代(GOES-4~7)为自旋稳定卫星,都装载了可见光/红外扫描辐射计和大气探测器。1994413日首颗第二代业务卫星GOES-8发射成功,它采用了三轴稳定系统。最新的一颗GOES系列卫星是于2016年11月19日发射的GOES-16GOES虽然属于气象卫星系列,但从GOES-1开始的每颗卫星都搭载了空间环境监测器SEM子系统,2001723日发射的GOES-12开始携带用于监视太阳大气层的太阳X射线成像仪SXI

▲ GOES系列卫星定点位置

2  GOES卫星的使命

        GOES卫星所处的地球同步轨道位于赤道面上高度约为36000公里处,该轨道上的卫星与地球的相对位置不变,并且数据可连续、稳定、实时下行,是空间卫星的高密度区,同时也是监测太阳风暴与近地空间环境的理想平台。该区域的空间环境受太阳活动影响非常大,当强太阳风时,磁层被压缩,地球同步轨道区完全暴露在太阳宇宙线、高速太阳风之中。在磁暴或亚暴时,从磁尾注入的高温等离子体也使得该区域成为航天器异常的高发区。如此恶劣的空间环境也彰显了GOES卫星的“英雄”本色,在过去的三十多年中,GOES卫星已成为国际上开展同步轨道空间环境探测的典型代表,出色的完成了人类赋予它的使命。

        GOES探测的内容涉及到太阳活动、空间带电粒子和空间磁场三部分。GOES卫星监测数据是美国空间天气预报中心SWPC给出当前空间天气情况和发布空间环警报的重要依据,如利用GOES-13提供的质子通量数据,GOES-1315提供的电子通量和磁场的水平分量数据,绘制成图,进行实时发布。同样地球同步轨道的太阳质子事件警报的数据来源也是GOES卫星能量大于10MeV的五分钟平均高能质子通量。此外,国际上广泛采用的利用1~8埃软X射线辐射强度对X射线耀斑进行定级,参照的正是GOES卫星观测的软X射线峰值流量的量级。

   ▲ GOES-13/15卫星环境(3天)

▲ GOES-13卫星太阳质子通量

3  GOES卫星上监测空间环境的仪器

    在GOES卫星上搭载的仪器中,与监测太阳风暴有关的子系统有空间环境监测器SEM和太阳X射线成像仪SXI,下面的介绍以GOES-N系列(GOES-131415,属改进型第二代GOES卫星)仪器为主。

    空间环境监测器SEM主要用于测量X射线与极紫外波段的太阳辐射,同步轨道处的磁场和高能粒子环境,包括三个仪器组:X射线和极紫外射线探测仪XRS/EUV,它由一个数字处理器控制的2通道X射线探测器和5通道极紫外探测器组成,用于测量近地轨道处的射线环境;能量粒子探测器和高能质子、阿尔法粒子探测器EPS/HEPAD,主要测量起源太阳而被地磁场捕获的高能质子、电子和阿尔法粒子通量;磁力仪组MAGNETOMETERS,由两台磁力仪组成,分别测量卫星所处区域磁场的三个正交分量。太阳X射线成像仪SXI由洛克西德马丁公司太阳与天体物理实验室研制,旨在通过X射线监测太阳耀斑活动,及时地发布警报,降低太阳风暴给人类生活带来的影响。它由集成于控制台上一个CCD探测器和一个望远镜组成。

  ▲ X射线和极紫外射线监测范围

▲ GOES-14的结构图

4  新一代GOES-R卫星计划

    当地时间2016年11月19日,新一代的GOES系列卫星的第一颗卫星GOES-16,由“宇宙神-5号”火箭在佛罗里达州卡纳维拉尔空军基地将其送入太空。GOES-16搭载的设备有空间环境监测仪、磁力计、极紫外/X射线辐射传感器、太阳紫外成像仪等。与其他GOES卫星相比,GOES-16在太阳X射线、太阳耀斑、日冕物质抛射方面的监测精度有很大提高。GOES-R系列的第二颗卫星GOES-S计划于2018年3月发射升空。

▲ 新一代GOES卫星计划


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