《Acta Astronautica》：Concept of small mission for space weather investigations of magnetosphere-ionosphere-thermosphere coupling
编辑推荐：
帕维尔·尤耶奇科（Pawe? Jujeczko）、帕维尔·克纳普基维奇（Pawel Knapkiewicz）、汉娜·罗斯卡赫尔（Hanna Rothkaehl）、罗曼·瓦夫扎塞克（Roman Wawrzaszek）、谢尔盖·别利亚耶夫（Serhiy Belyayev）、马雷克·莫
帕维尔·尤耶奇科（Pawe? Jujeczko）、帕维尔·克纳普基维奇（Pawel Knapkiewicz）、汉娜·罗斯卡赫尔（Hanna Rothkaehl）、罗曼·瓦夫扎塞克（Roman Wawrzaszek）、谢尔盖·别利亚耶夫（Serhiy Belyayev）、马雷克·莫拉夫斯基（Marek Morawski）、阿加塔·楚赫拉（Agata Chuchra）、阿格涅什卡·吉尔-斯维德尔斯卡（Agnieszka Gil-?widerska）、德米特罗·科托夫（Dmytro Kotov）、多罗塔·普热皮奥尔卡-斯库普（Dorota Przepiórka-Skup）、玛丽娜·雷兹尼琴科（Maryna Reznychenko）、雅罗斯瓦夫·邦卡拉（Jaros?aw B?ka?a）、扬·布莱茨基（Jan B??cki）、奥莱克谢·杜德尼克（Oleksii Dudnyk）、托马斯·格热比克（Tomasz Grzebyk）、米罗斯瓦夫·科瓦林斯基（Miros?aw Kowaliński）、托马斯·科瓦尔斯基（Tomasz Kowalski）、拉尼亚·库特（Rania Kout）、芭芭拉·马蒂亚西亚克（Barbara Matyjasiak）、博莱斯瓦夫·梅勒罗维奇（Boles?aw Mellerowicz）、托马斯·扎维斯托夫斯基（Tomasz Zawistowski）
波兰科学院空间研究中心（CBK PAN），地址：Bartycka 18A，00-716，华沙，波兰
摘要 本文介绍了SAWA任务的概念设计和可行性分析，这是一个旨在提升空间天气监测能力的波兰小型卫星项目。该任务重点通过现场测量和遥感技术研究磁层-电离层-热层（MIT）之间的相互作用。SAWA与欧洲航天局的SSA和S2P计划相一致，并为分布式空间天气传感器系统（D3S）做出贡献。卫星载荷包括用于测量地磁场、等离子体波以及热层中性和原子氧密度的仪器。研究概述了科学背景、技术权衡、任务架构以及所提出测量的实际应用价值，强调了这些测量对于改进空间天气预报和增强基础设施抵御能力的重要性。
引言 分布式空间天气传感器系统（D3S）是在欧洲航天局（ESA）的空间态势感知（SSA）和空间安全（S2P）计划框架下开发的。该系统利用多颗小型观测卫星及其搭载的载荷来监测空间天气，这种方式能够以较低的成本实现高效的数据收集。所获得的空间天气数据将与其他空间任务和地面观测站的数据相结合。
空间天气不仅影响在太空中运行的物体（及系统），也影响地球上的设施。其影响包括全球导航卫星系统的可靠性、卫星故障（例如由于辐射导致的计算错误、轨道下降）、宇航员在空间站及高纬度地区飞行的辐射风险、电网老化以及停电等问题。
由于我们无法控制空间天气的主要驱动因素——太阳活动，因此准确测量和预测空间天气对人类福祉至关重要。为此，需要改进现有的观测网络并建立新的数据采集点。目前，地球-太阳系统的大部分区域都在进行相关测量；然而仍存在一些需要填补的空白。COSPAR、ILWS [1] 和 NASF [2] 的报告展示了为填补这些空白并规划未来基础设施所做的工作。这些空白在非城市化地区（如海洋、沙漠）和卫星星座中尤为明显。此外，欧洲航天局（ESA）和世界气象组织（WMO）也发布了所需的空间天气服务清单（见
https://space.oscar.wmo.int/applicationareas ）。提高空间天气意识也是政府层面工作的重点，例如《国家空间天气战略和行动计划》[4]、[5]。
近年来，小型卫星和立方体卫星在空间态势感知（SSA）领域的应用受到了越来越多的关注[6]、[7]。2017年和2022年分别在华盛顿和博尔德举办了两次关于空间天气研究与预报的小型卫星研讨会，第三次研讨会计划于2026年5月在华盛顿举行[8]。使用小型卫星和立方体卫星具有诸多优势：降低成本、可重复使用、交付周期短，并支持大规模卫星星座的部署。近年来，小型卫星和立方体卫星的成本逐渐降低，预计这一趋势在未来几年将继续发展。
本文介绍了由欧洲航天局资助的“空间天气纳米卫星系统增强研究阶段0/A”（Space Weather Nanosatellite System Enhancement Study Phase 0/A）的研究成果，该项目旨在开发一颗用于分析近地轨道（LEO）下磁层-电离层-热层（MIT）相互作用的小型卫星。该卫星名为SAWA，将成为D3S计划的一部分。这一新任务的目标与全球空间科学界的最新路线图[2]、[9]完全一致，这些路线图强调了长期专门测量场对齐电流（FACs）、等离子体密度、热层中性粒子的必要性，以及改进原子和分子数据的必要性。特别是，可靠的FACs和原子氧密度观测对于减少模型不确定性、加深对MIT相互作用的理解以及提高空间天气影响预测的准确性至关重要。本文展示了SAWA任务的规划过程，同时兼顾了科学研究的需求。
“SAWA”这个名字来源于“SpAce WeAther”，同时也是华沙建城传说中的一个角色名称。在某些版本的传说中，Sawa被描绘成一条美人鱼。
章节摘录 阶段0/A研究 SAWA任务的阶段0和A的目标是对小型卫星任务进行可行性研究，以探讨热层、磁层及其相互作用。任务架构（包括需求整理、任务设计、系统要求）的确定需在严格遵守时间表和预算限制的前提下完成。
磁层对电离层-热层系统的影响 该任务旨在测量磁层-电离层-热层（MIT）系统中的相互作用。
在近地轨道（LEO）高度上，通过卫星星座测量的地球磁场可以提供场对齐电流（FACs）和电离层电流的信息，这些数据是MIT建模的重要输入。这些电流与空间天气现象（如地磁感应电流GICs）和热层加热有关，进而影响热层密度的变化。
所提供测量的空间天气应用 本节阐述了SAWA任务测量结果在空间天气应用方面的具体用途，与前述理论背景相呼应。
需求权衡 以下是概念化阶段进行的权衡分析结果，这些分析为SAWA任务的基线设计提供了依据，详见表2。
ITT中提出的初始任务目标是研究磁层，预期测量低频等离子体波（1 kHz - 500 kHz），而这些频率对应的轨道高度远高于LEO。分析表明，提供同时满足磁层和热层测量需求的轨道成本过高。
任务设计 为了严格遵守预算和时间表限制，新技术的开发被尽量减少，而是优先使用现有的成熟技术（如POLARIS平台和COTS组件MFD、ANDREW、PIC）。
电源系统由1块机载太阳能板和2块可展开的太阳能板组成，总发电量可达187.2瓦。通信系统依赖S波段和现有的全球地面网络基础设施（如KSAT）。具体任务配置详见表4。
从操作角度来看……
总结与未来计划 本文介绍了SAWA任务初步设计和需求准备的工作成果。这项研究是针对欧洲航天局（ESA）发布的ITT要求进行的。通过权衡分析，确定了任务设计及各项需求，包括磁场、等离子体波和热层粒子测量等方面。
缩写词列表 ADELPHI 高纬度电离层的安培导出电动力学参数 AKR 极光千米辐射 AMGeO 地球空间观测的协同映射 AMIE 电离层电动力学的协同映射 AMPERE 主动磁层与行星电动力学响应实验 AO 原子氧 CBK PAN 波兰科学院空间研究中心 CIR 共旋相互作用区 CME 日冕物质抛射 COSPAR 空间研究委员会 COTS 商用现成产品 CPU 中央处理器
CRediT作者贡献声明 帕维尔·尤耶奇科（Pawe? Jujeczko）： 撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、项目监督、方法论研究、资金获取、形式化分析、概念构思。帕维尔·克纳普基维奇（Pawel Knapkiewicz）： 撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、项目监督、方法论研究、概念构思。汉娜·罗斯卡赫尔（Hanna Rothkaehl）： 项目监督、方法论研究、概念构思。罗曼·瓦夫扎塞克（Roman Wawrzaszek）： 初稿撰写、可视化、项目监督。
手稿制作过程中生成式AI和AI辅助技术的使用声明 在撰写本文期间，作者使用了Microsoft Copilot工具来构建摘要、审查结构、提出改进意见及未来规划。使用该工具后，作者对内容进行了必要的修改，并对发表文章的内容负全责。
资金来源 本研究是在与欧洲航天局（ESA）的合作下进行的，合同编号为4000146628/24/D/SR。
利益冲突声明 作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢 我们感谢欧洲航天局（ESA）团队对项目的监督和支持。
