探测总体方案创新获得国际上高度认可和参与

一个空间探测科学卫星计划的提出，最重要的是其探测总体思路。人类自1957年发射第一颗人造卫星后开始进入空间探测时代。经过几十年的探测，人类已经认识到，地球附近的太空中并非真空，充满着非均匀分布的、稀薄的等离子体。这些等离子体在地磁场和太阳风的相互作用下形成磁层。从上世纪80年代后期开始，人类逐渐认识到，磁层的结构不是稳定的，它会随太阳活动发生变化。要想研究磁层动态变化的规律，采用常规的单颗卫星的探测方法就无法分辨所测信号是来自于时间的变化还是空间变化。

为此，多点探测的概念被提了出来。首先是80年代中期由欧洲科学家提出的四颗星组成编队飞行的星簇（CLUSTER）计划。1997年，根据国际上磁层探测计划几颗卫星的轨道都很高，不能覆盖地球空间暴发生的磁层重要活动区的情况，以刘振兴院士为首的科学家小组提出了地球空间双星探测计划。

双星计划的总体探测方案创新，它利用了大椭圆轨道卫星在远地点飞行速度慢、停留时间长的特点，高效率地覆盖了地球磁层空间中最重要的两个区域：赤道区和极区，并与欧洲空间局星簇计划的轨道进行了联合设计，获得了最佳覆盖和联合探测效果，通过两个计划相互合作，从2004年至2007年形成了人类历史上第一次对地球空间的六点探测。

正是由于这一创新性的探测方案，双星计划一经提出得到了世界各国科学家的支持和参与，特别是欧洲空间局主动提出了在先进有效载荷以及地面数据接收方面给与无偿支持，因此使得双星计划成为一个重要的国际合作计划。此外，由双星计划和欧空局的星簇计划形成的对地球空间的多点探测，引发了国际上研究磁层整体动态行为的新热潮，从2002年—2007年，几乎所有空间科学领域的重大国际会议上均有以此为专题的分会场，使双星探测计划成为中国空间科学发展的重要里程碑。

探测一号卫星（TC-1）设计寿命18个月，2003年12月30日发射，在轨运行了46个月，是我国嫦娥一号卫星发射之前轨道最高的卫星；探测二号卫星（TC-2）设计寿命12个月，2004年7月25日发射，实际在轨运行了48个月。

卫星系统由航天东方红卫星公司抓总研制，突破了高磁洁净度技术和高静电洁净度技术、抗辐射加固技术、安全有效的长地影对策和远距离测控的技术难点，获得多项自主知识产权的创新技术，带动了我国航天技术的发展。

两颗卫星共配置16台科学探测载荷，覆盖了宽能谱粒子、磁场和低频波等空间环境物理参数。其中8台由中科院空间科学与应用研究中心自主研制，7台由ESA免费提供，1台中欧合作研制。为将中外不同数据率和数据格式的探测器集成在一起，中方还自主研制高效的有效载荷公用设备。

自主研制的有效载荷中，低能离子探测器和TC-2卫星三台高能粒子探测器的技术水平与国外同类仪器的技术水平相当；低频电磁波探测器从整体上达到国内领先、国际先进水平；合作研制的中性原子成像仪，部分技术指标超过美国同类仪器，达到了国际领先水平。实现了我国空间科学探测载荷技术的跨越。有效载荷公用设备与欧空局CLUSTER卫星数据管理系统技术相当，也达到了国际先进水平，使我国空间科学探测仪器实现了跨越式的发展。

作为科学卫星计划的重要组成部分，双星计划的应用系统开发了支持远程测试和科学运行管理系统，科学运行中心和科学数据中心也很先进，首次实现了中、欧科学家在自己的实验室里即可参与在轨测试和运行管理、获取科学探测数据，得到欧洲科学家的高度评价。

刘振兴院士表示，双星计划整体上是一个非常成功的科学卫星计划，到目前为止，利用双星计划的探测数据发表的研究论文已达一百余篇，绝大部分被SCI收录，其中75篇论文经初步统计已经被他人引用130次。

数据分析成果丰富，人类对太空的认识实现突破

刘振兴院士作为双星计划首席科学家，如数家珍般地谈到了利用双星计划的探测数据在近年来取得的部分研究成果。

在北京召开的36届国际COSPAR大会上，通过分析双星和CLUSTER联合观测数据，刘振兴院士首次提出了亚暴的“锋面触发”理论，引起了很大的反响。会议主持人、亚暴“近地中性线模型”的提出者、国际著名空间物理学家Mcpherron教授立即对刘的报告作了评价：“中国学者利用双星的数据，对如此重要的科学问题（指亚暴触发过程）进行了研究，取得了一些重要的新结果，我特向他们表示热烈的祝贺。我恳切地希望大家对这项研究下一步的进展给予关注。”

刘振兴院士在近地层大气物理、高空大气物理、行星际物理和磁层物理研究，在流星与高空大气的相互作用、地球辐射带理论、太阳风湍流结构、木星磁层模式、磁层亚暴过程和磁层重联理论等方面都曾做出过创新性的研究成果，并获得过包括何梁何利科学进步奖在内的多项奖励。在分析双星CLUSTER和其他卫星的探测数据的过程中，刘振兴院士提出了“电离层风”的新概念，发现了来自电离层的电离层风尾向流与来自中磁层的地向流相互作用形成的锋面，对亚暴触发起着关键的作用，对研究亚暴的触发过程开创了新的途径。

在锋面触发理论的引导下，刘振兴院士领导科学家小组还观测到了许多新的现象，如首次观测到了亚暴锋面触发的时序演化过程，并利用双星和CLUSTER联合观测了6个亚暴事件，并通过分析发现了亚暴膨胀相的锋面触发过程的三个阶段，这对了解亚暴膨胀相触发的时序演化机制具有重大科学意义。此外，还首次观测到了近地地向流在11.5Re处的缺失现象。对这一现象，论文评审人的评价是：“令人感兴趣的是：利用探测一号数据得到了原创结果，这些结果是非常重要的。”科学家小组还首次观测到了强磁暴期间系列亚暴的锋面触发过程，这对研究目前尚不了解的磁暴与亚暴的相互影响过程和两者之间的关系提供了新的思路。

在磁层顶磁场重联观测和研究方面，刘振兴院士领导的小组还首次直接观测到了行星际磁场北向时向阳面低纬磁重联；首次观测到了反平行重联与分量重联同时发生的现象;首次观测到了高纬区南北方向的重联线；以及首次获得磁层顶大尺度S-形重联区域形态的观测证据等等。

在辐射带和环电流探测和研究方面，该研究小组首次探测到了环电流区中性原子的三维分布和带电粒子投掷角的双环结构，以及探测到了低频电磁波导致的暴时高能电子通量剧烈减少现象等。

这些观测结果和发现，对人类更深入的认识地球空间中的电磁场和粒子运动规律具有重要意义，使得中国的空间科学研究一步跨越到世界前沿，为今后的更大发展做好了铺垫。

双星计划收到了显著科学、技术和社会效益

双星计划自实施以来已经收到了显著的科学、技术和社会效益。双星计划是我国空间探测史上里程碑式的空间科学计划，创造了多个第一。它是我国第一个由科学目标牵引的空间科学卫星计划，也是我国在国际顶尖核心刊物发表专集和论文产出最多的空间计划，产生了许多重大的理论突破和新的发现，如磁层亚暴锋面触发理论等。双星计划与欧空局的星簇计划密切配合，在地球空间开展了多空间层次和多时空尺度的联合探测实验活动，产生了重大国际影响，是我国在空间科学领域第一次在计划层面与航天先进国家合作，推动了我国空间科学探测有效载荷研制水平、科学应用系统水平的跨越式发展，同时培养了一支可以在国际层面开展技术和研究合作的高水平队伍。特别是由刘振兴院士带领的双星计划科研团队，已经从原来只在国内知名的优势团队发展成国际上该领域知名的团队，使他们所取得的科学研究成果和贡献不但代表了我国在这一领域的最高水平，也赢得了国际同行的认同和赞誉。双星计划的科学用户数据中心目前已将数据产品向全世界的研究者开放，中心的访问总数达289万次，平均每天访问1700余次，下载数据超过20MB/天，有力推动了我国和国际上磁层物理研究的迅速发展。

通过双星计划，我国在高电磁洁净度的卫星研制方面实现了技术跨越，直到嫦娥一号卫星发射前，探测一号卫星是我国测控和数传距离最远的卫星，带动了我国远距离测控技术的发展。由双星计划建立的首席科学家负责的科学目标管理模式，也已经在后来的嫦娥一号、萤火一号等计划中采用。

《“探测二号卫星”发射成功，“双星探测”计划实现》在2005年被两院院士评选为“2004年中国十大科学进展新闻”，产生了巨大的社会影响。

进入“十二五”，我国政府将统筹规划合理安排空间技术、空间应用和空间科学的发展。空间科学卫星将迎来新的发展机遇，我国空间天文、空间物理、空间地球科学、空间微重力科学和空间生命领域的科学家的创新思想将纷纷在太空中实施并得到验证，创造新的理论获得新的发现。在这一过程中，如果再来回顾双星计划所开创的道路和经验，它在我国空间科学发展历史上的作用将更加鲜明地显现出来。刘振兴院士的脸上，如同他自己获得了重大发现时一样，也将再次露出欣慰的笑容。

地球磁层三维示意图

 

　　TC-1、TC-2与星簇计划(Cluster)在极隙区（a）和磁尾区（b）联合探测图

 　
　（a）低能离子探测器

　
　（b）低频电磁波探测器

　
　（c）中性原子成像仪

　　部分科学探测有效载荷