隨著我國(guó)空間技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星應(yīng)用的廣度和深度也不斷得到拓展。當(dāng)下，衛(wèi)星應(yīng)用已廣泛服務(wù)于我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域，成為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展不可或缺的重要技術(shù)手段。
風(fēng)云、海洋、北斗、電磁……一系列我國(guó)自主研制的各類應(yīng)用衛(wèi)星的成功，都離不開有效載荷發(fā)揮的重要作用。長(zhǎng)期以來，中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心，經(jīng)過一代又一代的繼承與創(chuàng)新，通過先進(jìn)有效載荷的研制，將論文和成果寫在了祖國(guó)的大地上，將凱歌奏響在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和人民日常生活的衛(wèi)星應(yīng)用中。
氣象衛(wèi)星看“風(fēng)云”
1960年，美國(guó)發(fā)射了第一顆TIROS氣象衛(wèi)星，從而拉開了衛(wèi)星氣象學(xué)觀測(cè)研究的大幕。彼時(shí)，空間中心創(chuàng)始人趙九章先生敏銳地察覺到此事對(duì)于氣象事業(yè)發(fā)展的重大意義，于是決定在國(guó)內(nèi)開展預(yù)先研究�？臻g中心也由此與我國(guó)的氣象衛(wèi)星事業(yè)結(jié)下了不解之緣。
從風(fēng)云一號(hào)到風(fēng)云四號(hào)，不管是極軌衛(wèi)星還是靜止衛(wèi)星，空間中心從不缺位，在我國(guó)氣象衛(wèi)星發(fā)展史上發(fā)揮了無可替代的重要作用。
2012年1月13日，風(fēng)云二號(hào)F星在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射。與此前不同的是，從此顆衛(wèi)星開始，空間環(huán)境監(jiān)測(cè)器正式由搭載設(shè)備提升為主要有效載荷之一。
空間環(huán)境監(jiān)測(cè)器是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)太陽(yáng)大氣活動(dòng)變化及地球靜止軌道空間環(huán)境帶電粒子擾動(dòng)、對(duì)災(zāi)害性空間天氣事件進(jìn)行預(yù)警的重要探測(cè)設(shè)備，風(fēng)云二號(hào)F星的空間環(huán)境監(jiān)測(cè)器正是由空間中心研制的。
伴隨著風(fēng)云二號(hào)F星的順利升空，空間中心打造的空間環(huán)境監(jiān)測(cè)器也大顯身手：在國(guó)際上首次獲得了地球同步軌道帶電粒子輻射環(huán)境的變化規(guī)律，首次實(shí)現(xiàn)了在強(qiáng)太陽(yáng)質(zhì)子事件時(shí)對(duì)地球同步高度高能電子的有效測(cè)量。
2008年5月27日，我國(guó)首顆新一代極軌氣象衛(wèi)星風(fēng)云三號(hào)成功升空，標(biāo)志著我國(guó)全面進(jìn)入國(guó)際氣象衛(wèi)星先進(jìn)國(guó)家行列，開始與美國(guó)、歐洲一同在提供衛(wèi)星氣象數(shù)據(jù)方面發(fā)揮主導(dǎo)作用。
此次風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星共搭載有11臺(tái)有效載荷，空間中心承擔(dān)了其中的微波濕度計(jì)、臭氧總量探測(cè)儀、空間環(huán)境監(jiān)測(cè)儀等3項(xiàng)有效載荷的研制工作。
其中，微波濕度計(jì)是風(fēng)云三號(hào)衛(wèi)星的主載荷之一，也是我國(guó)首臺(tái)用于氣象衛(wèi)星探測(cè)大氣濕度垂直分布的毫米波輻射計(jì)；臭氧總量探測(cè)儀使我國(guó)首次具備每天獲取一幅高精度臭氧總量全球分布的能力；空間環(huán)境監(jiān)測(cè)儀首次在約860公里的高度上開展高能粒子及輻射劑量、電位和單粒子等環(huán)境效應(yīng)的綜合監(jiān)測(cè)。
2016年12月11日，我國(guó)新一代靜止氣象衛(wèi)星風(fēng)云四號(hào)衛(wèi)星搭乘長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭，在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射成功。
風(fēng)云四號(hào)上搭載了多通道掃描成像輻射計(jì)、干涉式大氣垂直探測(cè)儀、閃電成像儀和空間環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器包等4個(gè)探測(cè)載荷。其中“觀天象、測(cè)風(fēng)云”靠的是前三臺(tái)儀器，而監(jiān)測(cè)空間環(huán)境靠的是空間環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器包。
由空間中心研制的該分系統(tǒng)包含了高能粒子探測(cè)器A、B、C3臺(tái)，磁強(qiáng)計(jì)，輻照劑量?jī)x，充電電位探測(cè)器和環(huán)境遠(yuǎn)置單元共計(jì)7臺(tái)單機(jī)21件產(chǎn)品，是目前我國(guó)在氣象衛(wèi)星上布局空間環(huán)境探測(cè)單機(jī)數(shù)量較多的型號(hào)。
風(fēng)云四號(hào)堪稱是世界上性能先進(jìn)甚至是領(lǐng)先的氣象衛(wèi)星，未來，其將在天氣監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)、氣象防災(zāi)減災(zāi)、應(yīng)對(duì)氣候變化、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)、航空和空間天氣等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。而空間中心也將持續(xù)耕耘在這一領(lǐng)域，為人類守望“冷暖”。
風(fēng)浪預(yù)測(cè)靠“海洋”
從古人“斷虹現(xiàn)，天要變”的經(jīng)驗(yàn)推測(cè)，到運(yùn)用氣象衛(wèi)星開展監(jiān)測(cè)，在監(jiān)測(cè)和調(diào)查海洋環(huán)境上，科學(xué)扮演著越來越重要的角色。
2011年8月16日，載有海洋二號(hào)A星的長(zhǎng)征四號(hào)乙運(yùn)載火箭在太原衛(wèi)星發(fā)射中心點(diǎn)火升空。
海洋二號(hào)是我國(guó)第一顆海洋動(dòng)力環(huán)境監(jiān)測(cè)衛(wèi)星，其主要任務(wù)是監(jiān)測(cè)和調(diào)查海洋環(huán)境，直接為災(zāi)害性海況預(yù)警報(bào)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)服務(wù)，并為海洋科學(xué)研究、海洋環(huán)境預(yù)報(bào)和全球氣候變化研究提供衛(wèi)星遙感信息。
在本次任務(wù)中，空間中心承擔(dān)了海洋二號(hào)雷達(dá)高度計(jì)、校正輻射計(jì)等儀器的研制工作。其中，雷達(dá)高度計(jì)系統(tǒng)是用來測(cè)量海面高度、有效波高及海面風(fēng)速等數(shù)據(jù)的主要儀器系統(tǒng)�？臻g中心研制的該系統(tǒng)采用了Ku波段和C波段雙頻測(cè)量體制，由此消除了電離層對(duì)高度測(cè)量的影響；采用大時(shí)帶積線性調(diào)頻信號(hào)，提高了系統(tǒng)的壓縮比；采用全去斜坡技術(shù)實(shí)現(xiàn)脈沖壓縮和海陸兼容的高度跟蹤系統(tǒng)，大大增強(qiáng)了高度計(jì)的跟蹤能力。
校正輻射計(jì)則是為雷達(dá)高度計(jì)提供大氣路徑延時(shí)校正的微波輻射計(jì)�？臻g中心打造的校正輻射計(jì)接收機(jī)采用了全功率微波輻射計(jì)方案，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、可靠性高，且由于全功率微波輻射計(jì)工作時(shí)在整個(gè)積分時(shí)間內(nèi)都對(duì)觀測(cè)目標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，因而也成為目前全球靈敏度最高的輻射計(jì)之一。
在海洋二號(hào)任務(wù)中，空間中心研制的雷達(dá)高度計(jì)、校正輻射計(jì)等儀器運(yùn)行狀態(tài)正常，性能良好，在軌數(shù)據(jù)得到用戶高度評(píng)價(jià)，有效載荷性能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。另外，由空間中心承擔(dān)的海洋二號(hào)B星、C星雷達(dá)高度計(jì)及校正輻射計(jì)，目前也已作為主載荷交付正樣。
另一邊，在北京懷柔國(guó)家航天局懷柔總裝集成測(cè)試中心，一群穿著白大褂的中法兩國(guó)技術(shù)人員正圍著一顆重700多公斤的應(yīng)用衛(wèi)星載荷做測(cè)試。這顆衛(wèi)星，正是預(yù)計(jì)于2018年下半年上天的中國(guó)與法國(guó)合作的首顆衛(wèi)星——中法海洋衛(wèi)星（CFOSAT）。
2009年，在中法兩國(guó)的共同支持下，中法海洋衛(wèi)星立項(xiàng)。這顆衛(wèi)星作為海洋觀測(cè)項(xiàng)目，目的是研究海洋表面風(fēng)場(chǎng)和海浪相互作用，以提高海洋氣象預(yù)報(bào)能力和人類對(duì)氣候變化的認(rèn)知。
為此，衛(wèi)星攜帶了兩個(gè)主要儀器，一臺(tái)是由中國(guó)研制的測(cè)量風(fēng)的散射計(jì)，一臺(tái)是由法國(guó)研制的測(cè)量浪的波譜儀。
從技術(shù)上看，中方和法方研制的兩個(gè)有效載荷都是全新的，這是海洋遙感技術(shù)的重要突破；從科學(xué)角度講，我國(guó)對(duì)地觀測(cè)發(fā)展到今天，很多觀測(cè)模型都是跟蹤和模仿國(guó)外成果，這顆衛(wèi)星有助于科學(xué)家在風(fēng)浪研究上獲得史無前例的一手科學(xué)數(shù)據(jù)，形成新的海浪預(yù)報(bào)模型等新觀測(cè)模型。
衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)“北斗”
北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)行，與世界其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容共用的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，其可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時(shí)為各類用戶提供高精度、高可靠的定位、測(cè)速、授時(shí)服務(wù)，并兼具短報(bào)文通信能力。
2015年3月30日，我國(guó)首顆北斗二代導(dǎo)航試驗(yàn)高軌衛(wèi)星成功發(fā)射，標(biāo)志著中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由區(qū)域運(yùn)行向全球拓展的啟動(dòng)實(shí)施。
新一代北斗導(dǎo)航衛(wèi)星是中科院承擔(dān)的首顆長(zhǎng)壽命、高可靠業(yè)務(wù)星，其采用一體化設(shè)計(jì)方法，獨(dú)創(chuàng)性地提出了功能鏈設(shè)計(jì)理念，整顆星分為有效載荷、結(jié)構(gòu)熱、電子學(xué)和姿軌控等功能鏈，極大地提高了系統(tǒng)的可靠性和功能密度。
衛(wèi)星在技術(shù)特點(diǎn)方面實(shí)現(xiàn)了多個(gè)首創(chuàng)：首次使用中科院導(dǎo)航衛(wèi)星專用平臺(tái)，首次采用遠(yuǎn)征一號(hào)上面級(jí)直接入軌發(fā)射方式，首次驗(yàn)證相控陣星間鏈路與自主導(dǎo)航體制，首次大量使用國(guó)產(chǎn)化器部件以實(shí)現(xiàn)自主可控。
在過去的3年多時(shí)間里、1251個(gè)日日夜夜，空間中心的研制團(tuán)隊(duì)夜以繼日地圍繞著這顆新一代北斗衛(wèi)星殫精竭慮地工作，技術(shù)難度之大、任務(wù)要求之高、研制進(jìn)度之緊前所未有。
最終，空間中心順利完成了數(shù)據(jù)處理終端、自主運(yùn)行單元、導(dǎo)航任務(wù)處理器（導(dǎo)航載荷計(jì)算機(jī)）3臺(tái)重要星上電子設(shè)備的全部研制工作，而這3臺(tái)設(shè)備也已成為北斗二代導(dǎo)航試驗(yàn)衛(wèi)星和北斗三號(hào)裝備衛(wèi)星的標(biāo)配，目前已經(jīng)完成裝備星8顆。
除此之外，北斗二代導(dǎo)航試驗(yàn)衛(wèi)星和北斗三號(hào)裝備衛(wèi)星還采用了空間中心和中科院計(jì)算所聯(lián)合開發(fā)的“萬戶”系列抗輻照宇航專用處理器，為我國(guó)核心器件的自主可控和可持續(xù)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
電磁監(jiān)測(cè)有“張衡”
空間電磁擾動(dòng)與地震發(fā)生具有明顯的相關(guān)性。因此，構(gòu)建空間電磁監(jiān)測(cè)體系對(duì)研究地震機(jī)理與空間電磁擾動(dòng)的耦合關(guān)系、探索地震預(yù)測(cè)新方法有著重要意義。
2018年2月2日，我國(guó)首顆電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星“張衡一號(hào)”成功發(fā)射。這是我國(guó)首顆觀測(cè)與地震活動(dòng)相關(guān)電磁信息的衛(wèi)星，也是國(guó)家地球物理場(chǎng)探測(cè)衛(wèi)星計(jì)劃的首發(fā)星，其發(fā)射成功被認(rèn)為是我國(guó)構(gòu)建天空地一體化地震立體監(jiān)測(cè)體系的重要里程碑。
“張衡一號(hào)”采用通用小衛(wèi)星平臺(tái)，共搭載了8種載荷，其中高精度磁強(qiáng)計(jì)、朗繆爾探針和等離子體分析儀3臺(tái)載荷由空間中心研制。
朗繆爾探針和等離子體分析儀分別用于電離層電子密度溫度、離子密度溫度和漂移速度的原位探測(cè)�？臻g中心是空間等離子體探測(cè)技術(shù)開展最早的單位，也是國(guó)內(nèi)該領(lǐng)域技術(shù)最先進(jìn)、經(jīng)驗(yàn)最豐富的優(yōu)勢(shì)單位和引領(lǐng)者。
研制過程中，朗繆爾探針和等離子體分析儀開發(fā)團(tuán)隊(duì)集智攻關(guān)，填補(bǔ)了我國(guó)兩項(xiàng)載荷技術(shù)空白：提出了影像法精確檢測(cè)透過率的方案，實(shí)現(xiàn)了高密度、高精度柵網(wǎng)透過率的精確測(cè)定；突破了理想球形設(shè)計(jì)、極弱電流監(jiān)測(cè)（pA級(jí)）等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了空間等離子體信息的精密收集。
自2018年2月6日開機(jī)工作以來，兩臺(tái)儀器的工程參數(shù)正常，科學(xué)數(shù)據(jù)連續(xù)穩(wěn)定。與DEMETER數(shù)據(jù)相比，朗繆爾探針、等離子體分析儀數(shù)據(jù)能準(zhǔn)確反應(yīng)電離層分布特征，精細(xì)結(jié)構(gòu)更加豐富和具有科研價(jià)值。
2018年5月12日，在汶川地震十周年國(guó)際研討會(huì)暨第四屆大陸地震國(guó)際研討會(huì)上，中國(guó)地震局和中國(guó)國(guó)家航天局首次對(duì)外公布了我國(guó)首顆電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星“張衡一號(hào)”的初步結(jié)果。
其中，朗繆爾探針和等離子體分析儀獲取的我國(guó)首個(gè)全球原位電離層分布圖也公開面世。這份分布圖為電離層動(dòng)力學(xué)研究、地震前兆研究、航天工程研究等提供了必要數(shù)據(jù)支撐，促進(jìn)了空間天氣學(xué)、地震科學(xué)等多學(xué)科發(fā)展，具有非常重要的科學(xué)和工程意義�！�