摘要:先进天基太阳天文台(ASO-S)是我国第一个获得批准立项的太阳空间探测卫星任务. 本专辑共包含了14篇文章, 着重介绍了卫星平台和有效载荷在研制过程中的一些重要的方面和具体的细节. 本中文专辑的14篇文章和ASO-S卫星英文专辑的13篇文章, 构成了ASO-S卫星从科学到仪器乃至分析方法较为完整的系统性介绍.

摘要:先进天基太阳天文台(Advanced Space-based Solar Observatory, ASO-S)卫星姿控分系统的主要任务是实现高精度、高稳定度对日指向控制. ASO-S卫星的科学载荷中, 白光望远镜(White-light Solar Telescope, WST)前端配置了太阳导行镜(Guide Telescope, GT)稳像系统, 利用正交分布光电二极管组成的边缘探测器测量导行镜光轴与太阳中心的偏差角. 提出了一种将GT测量值引入姿态控制闭环的控制方法: 利用星敏陀螺定姿算法获得卫星-太阳方向姿态偏差, GT测量值确定非卫星-太阳方向姿态偏差; 以4斜装反作用轮组为执行机构, 进行三轴零动量稳定姿态控制. 通过数学仿真验证, 基于GT测量值的姿态控制器在非卫星-太阳方向的绝对指向精度优于$2'$、相对姿态稳定度优于$1'/60$s, 满足ASO-S卫星高精度高稳定度的对日指向要求.

摘要:全日面矢量磁像仪(Full-disk vector Magnetograph, FMG)是先进天基太阳天文台(Advanced Space-based Solar Observatory, ASO-S)卫星的主要载荷之一,为确保其可获得高空间分辨率的全日面太阳矢量磁场图,FMG配备了一套高精度稳像控制系统. FMG稳像系统采用边缘探测器对太阳入射倾斜偏差进行测量. 基于FMG望远镜的太阳像仿真数据分析边缘探测器在太阳像能量分布下的输出特性以及太阳像尺寸与边缘探测器量程和灵敏度的关系. 最后, 在实验室搭建了一套验证系统对FMG稳像系统边缘探测器进行了相关性能验证实验. 实验结果与理论分析一致, 太阳像尺寸越大, 边缘探测器量程越大, 边缘探测器灵敏度越低.

摘要:全日面矢量磁像仪(Full-disk vector MagnetoGraph, FMG)是先进天基太阳天文台(Advanced Space-based Solar Observatory, ASO-S)的主载荷之一, 摆镜作为FMG稳像系统的重要组成部分, 其力学性能是决定载荷观测指标的重要一环, 需要对其进行仿真. 设计了一种侧面固定的柔性支撑镜体结构, 通过调整垫片厚度, 可以得到由弹性压片提供的不同大小支持力. 为了确定合理的支持力范围, 建立3种不同参数模型, 使用有限元软件对摆镜模型进行了在轨无重力环境的静力学仿真以及摆镜摆动频率为100Hz、摆幅为pm0.1mrad时的动力学仿真, 并进一步分析了地面有重力试验环境对面形的影响. 仿真结果表明所设计的摆镜机构模型均满足通光口径内静态和动态的面形波峰波谷差(Peak-Valley, PV)小于1/10波长, 面形均方根误差(Root Mean Square, RMS)小于1/40波长的光学系统要求, 地面有重力环境不会对面形产生显著影响. 在仿真结果的基础上, 对其中一种模型进行加工装配和实际测试, 测试结果表明摆镜结构设计合理, 仿真计算结果有效.

摘要:全日面矢量磁像仪(Full-disk vector MagnetoGraph, FMG)是先进天基太阳天文台(Advanced Space-based Solar Observatory, ASO-S)卫星的3台主载荷之一, 为开展FMG全系统性能测试和定标试验, 已搭建用于FMG外场测试的地面试观测平台. 利用该平台模拟FMG在轨跟踪状态, 研制了基于全日面太阳图像的望远镜导行系统. 该系统通过大面阵CCD (Charge Coupled Device)采集太阳像、多重逻辑条件判定、微调恒动跟踪速度校正偏移等策略, 实现了RMS (Root Mean Square)优于1$'$/30min的跟踪精度. 通过分析FMG方案阶段试观测的太阳纵向磁图, 开启导行30 min后磁图特征点在赤经方向的偏移比恒动条件下减少17.5$'$, 提升了磁图空间分辨率. 测试过程中该系统达到设计指标且工作稳定, 为FMG地面试观测提供了良好的技术支撑.

摘要:磁场是太阳物理的第1观测量, 当前太阳磁场观测研究正迈向大视场、高时空分辨率、高偏振测量精度以及空间观测的时代. 中国首颗太阳观测卫星---先进天基太阳天文台(ASO-S)也配置了具有高时空分辨率、高磁场灵敏度的全日面矢量磁像仪(FMG)载荷, 针对FMG载荷的需求, 讨论了大面阵、高帧频互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS)图像传感器应用于太阳磁场观测的可行性. 首先, 基于滤光器型太阳磁像仪观测的原理, 比较分析了目前CMOS图像传感器(可用的或是可选的两种快门模式)的特点, 指出全局快门类型更适合FMG; 其次搭建了CMOS传感器实验室测试系统, 测量了CMOS图像传感器的像素增益及其分布规律; 最后在怀柔太阳观测基地的全日面太阳望远镜上开展了实测验证, 获得预期成果. 在这些研究基础上, 形成了FMG载荷探测器选型方向.

摘要:先进天基太阳天文台(ASO-S)是计划于2021年底或2022年上半年发射的中国首颗综合性太阳探测卫星, 莱曼阿尔法太阳望远镜(LST)作为ASO-S的有效载荷之一,具体包括莱曼阿尔法全日面成像仪(SDI)、日冕仪(SCI)以及白光望远镜(WST) 3台科学仪器和2台导行镜(GT), 其主要目标是在多个波段对太阳上的两类剧烈爆发现象(太阳耀斑和日冕物质抛射)进行连续不间断的高分辨率观测. 为了实现这一观测目标, LST所有仪器的观测模式中均包含了一种针对爆发事件而设置的爆发模式. 该模式下, SCI将以更高的频率进行图像采集, SDI和WST则以更高的频率对爆发所在区域进行图像采集. 测试结果表明, 观测图像经过中值滤波、像元合并处理后, 可以通过监测图像各像元亮度的相对变化提取爆发事件的时间和位置信息. 这些信息将为LST观测模式间的相互切换提供重要电子学输入.

摘要:莱曼阿尔法太阳望远镜(LST)是先进天基太阳天文台(ASO-S)卫星的载荷之一, 它包括白光太阳望远镜(WST), 全日面太阳成像仪(SDI)和日冕仪(SCI)等仪器.1991年 Kuhn, Lin和Loranz提出的方法(简称KLL方法)是WST和SDI在轨平场定标的方法之一. 为了研究WST和SDI的平场定标精度对KLL方法的相邻位置时间间隔的敏感性,使用太阳动力学观测卫星(SDO)的日震和磁成像仪(HMI)及太阳大气成像仪(AIA)的全日面成像观测数据测试和分析在使用KLL方法时相邻位置时间间隔对所得平场精度的影响.结果显示在LST使用KLL方法进行平场定标时, 相邻位置时间间隔越短越好. 具体分析表明, WST平场精度对相邻位置采样时间间隔不敏感, 而SDI时间间隔需要在240s范围内. 分析结果对卫星姿态调整到稳定所需的时间给出了一定限制.

摘要:硬X射线成像是研究太阳耀斑等爆发现象的重要手段. 由于采用调制成像而非直接成像的原因, X射线图像在日面上的位置需要借助太阳指向镜提供的仪器指向的日面坐标来确定. 因此, 指向信息对于耀斑定位实现多波段研究, 理解太阳耀斑的物理过程具有重要的科学意义. 在此对两种太阳指向镜指向信息的获取算法进行了测试. 结合太阳指向镜的设计方案, 首先利用SDO (Solar Dynamics Observatory)/AIA (Atmospheric Imaging Assembly) 4500 \AA的数据产生测试图像, 其次对其进行二值化处理, 分别提取日面轮廓和4个边角指定区域面积; 最后分别利用最小二乘法和四象限法对太阳中心坐标进行反演. 初步结果显示最小二乘法受随机噪声影响小, 定位精度相对稳定约为0.25$'$, 并可提供四象限法解算的初值; 后者的精度可以优于0.14$'$, 但受随机噪声影响较大. 两种算法的精度都显著优于硬X射线成像仪(Hard X-ray Imager, HXI)太阳指向镜的设计要求, 可为指向数据在将来科学分析中的实际应用提供参考.

摘要:先进天基太阳天文台(ASO-S)卫星的3大载荷之一硬X射线成像仪(Hard X-ray Imager, HXI)是一套基于傅立叶变换调制成像技术的望远镜. 它利用91组不同摆放角和节距的光栅子准直器排列摆布, 获得45个基于空间调制的傅立叶变换对, 重建太阳耀斑源30--200keV的硬X射线像, 最高分辨率可达3.1'. 在光栅节距已经确定的前提下, 它的摆放角分布仍会影响成像质量.通过对HXI仪器傅立叶分量mu\nu分布与点扩散函数(PSF)的空间演化关系分析研究, 寻求HXI光栅摆放角的最优分布. 其结果将作为改进HXI仪器设计和开发相应科学分析软件的依据.

摘要:先进天基太阳天文台卫星(Advanced Space-based Solar Observatory, ASO-S)是中国科学院第2批空间科学先导专项之一, 其主要目标是同时观测太阳磁场、耀斑和日冕物质抛射,并对3者之间的相互关系和内在联系进行研究. 硬X射线成像仪(HXI)是ASO-S卫星的3大载荷之一, 它通过对太阳活动发射的硬X射线进行傅里叶调制成像, 实现高空间分辨率和高时间分辨率的太阳能谱成像观测. 量能器单机是HXI的关键单机之一, 其主要任务是精准测量通过每对光栅后太阳硬X射线的能量和通量. 主要介绍了量能器单机的工作原理及其关键指标要求、标定设备及标定方案, 最后给出了标定结果, 从而验证了量能器单机方案设计的合理性.

摘要:太阳磁场的极性反转线(Polarity Inversion Line, PIL)是研究太阳活动、分析太阳磁场结构演变和预测太阳耀斑最重要的日面特征之一. 磁场极性反转的位置是太阳耀斑和暗条可能出现的位置. ``先进天基太阳天文台(ASO-S)'是中国首颗空间太阳专用观测卫星, 其搭载的``全日面矢量磁像仪(Full-Disk Vector Magnetograph, FMG)'主要任务是探测高空间、高时间分辨率的全日面矢量磁场. 为了提高观测数据使用效率、快速监测太阳活动水平、提高太阳耀斑与日冕物质抛射的预报水平以及更好地服务于FMG数据处理与分析系统, 采用了图像自动识别与处理技术, 更加精确有效地检测极性反转线. 从支持向量机(Support Vector Machine, SVM)的模型出发, 将极性反转线位置的探测问题转化为一个模式识别中的二分类问题, 提出了一种基于支持向量机的极性反转线检测算法, 自动探测与识别太阳动力学天文台(Solar Dynamics Observatory, SDO)日震和磁成像仪(Helioseismic and Magnetic Imager, HMI)磁图的极性反转线位置. 与现有算法的对比结果表明, 此算法可以精确直观地检测太阳活动区的极性反转线.

摘要:日冕电流片是日冕磁重联发生的主要区域, 这一过程将磁能转化为等离子体的热能和动能. 通过选取大角度光谱日冕仪(Large Angle and Spectrometric Coronagraph, LASCO)的白光与远紫外日冕成像光谱仪(Ultraviolet Coronagraph Spectrometer, UVCS)的紫外观测, 研究了2003年1月3日观测到的冕流电流片. LASCO C2白光数据显示电流片中的等离子体团在视场中可从60km·s^-1加速至340km·s^-1, 加速度为 60m·s^-2; 假设视向深度为0.3--1.5R_⊙, 得到所研究电流片在UVCS狭缝高度处的平均电子数密度约为(1.52--7.60)×10⁷cm^-3. 对沿UVCS视场狭缝分布的[Fe xviii ] 974 ? A和Lyα谱线强度进行研究, 发现电流片处的[Fe xviii ]谱线强度比周围明显增大, 计算得到所研究时段内电流片的电子温度范围为(2.94–4.04)×10⁶K; 而在电流片处的Lyα谱线强度相对周围变化不大, 在电流片内部两侧强度比中心略高, 可能的主要原因是电流片内部中心处等离子体的运动速度要比两侧快, 这使得中心比两侧有更强的多普勒暗化作用. 以UVCS观测的Lyα和[Fe xviii ]谱线的辐射强度比和计算的电子温度为约束条件, 发现当狭缝电流片处等离子体运动速度约为237–254 km·s ^?1 时, 通过理论计算的Lyα和[Fe xviii ]谱线的辐射发射率比值和观测谱线强度比值相当. 在该速度范围内, 电流片内部Lyα辐射的碰撞项约为辐射项的42%–57%. 此事件中的冕流电流片比通常情形下的冕流电流片中等离子体温度更高、运动速度更大, 可能的原因在于其南侧爆发的两个日冕物质抛射促进了电流片中的磁重联过程, 更多的磁能释放用于等离子体的加热和加速. 所得研究结果可以为我国将要发射的先进天基太阳天文台(Advanced Space-based Solar Observatory, ASO-S)未来的资料处理提供重要参考.

摘要:日冕物质抛射(Coronal Mass Ejection, CME)的检测是建立CME事件库和实现对CME在行星际传播的预报的重要前提. 通过Visual Geometry Group (VGG) 16卷积神经网络方法对日冕仪图像进行自动分类. 基于大角度光谱日冕仪(Large Angle and Spectrometric Coronagraph Experiment, LASCO) C2的白光日冕仪图像, 根据是否观测到CME对图像进行标记. 将标记分类的数据集用于VGG模型的训练, 该模型在测试集分类的准确率达到92.5%. 根据检测得到的标签结果, 结合时空连续性规则, 消除了误判区域, 有效分类出CME图像序列. 与Coordinated Data Analysis Workshops (CDAW)人工事件库比较, 分类出的CME图像序列能够较完整地包含CME事件, 且对弱CME结构有较高的检测灵敏度. 未来先进天基太阳天文台(Advanced Space-based Solar Observatory, ASO-S)卫星的莱曼阿尔法太阳望远镜将搭载有白光日冕仪(Solar Corona Imager, SCI), 使用此分类方法将该仪器产生的日冕图像按有无CME分类. 含CME标签的图像将推送给中国的各空间天气预报中心, 对CME进行预警.

摘要:先进天基太阳天文台(Advanced Space-based Solar Observatory, ASO-S)卫星是我国首颗太阳观测卫星, 主要观测太阳耀斑和日冕物质抛射以及产生它们的磁场结构. ASO-S卫星的科学应用系统是科学卫星工程的6大系统之一, 它连接科学用户和卫星数据, 为将卫星的科学数据转化为科学成果提供保障. 科学应用系统的数据库是连接软件与海量数据的枢纽, 为科学数据生产和用户服务及运行提供数据层的支撑. 介绍了科学应用系统的数据库架构设计、数据库的选择以及数据库性能优化和表样例. 这里的数据库包括观测计划、工程参数、运维日志、科学数据、定标数据和特征事件识别等数据库. 这些数据库的建设将为ASO-S卫星工程科学应用系统的顺利运行提供数据支撑, 也可以为未来其他科学卫星类似数据库的搭建提供参考和借鉴.