隨著我國空間技術(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)于我國國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的各個領(lǐng)域，成為經(jīng)濟(jì)社會發(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。長期以來，中國科學(xué)院國家空間科學(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的大地上，將凱歌奏響在國民經(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)觀測研究的大幕。彼時，空間中心創(chuàng)始人趙九章先生敏銳地察覺到此事對于氣象事業(yè)發(fā)展的重大意義，于是決定在國內(nèi)開展預(yù)先研究�？臻g中心也由此與我國的氣象衛(wèi)星事業(yè)結(jié)下了不解之緣。
從風(fēng)云一號到風(fēng)云四號，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)測器是實(shí)時監(jiān)測太陽大氣活動變化及地球靜止軌道空間環(huán)境帶電粒子擾動、對災(zāi)害性空間天氣事件進(jìn)行預(yù)警的重要探測設(shè)備，風(fēng)云二號F星的空間環(huán)境監(jiān)測器正是由空間中心研制的。
伴隨著風(fēng)云二號F星的順利升空，空間中心打造的空間環(huán)境監(jiān)測器也大顯身手：在國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)太陽質(zhì)子事件時對地球同步高度高能電子的有效測量。
2008年5月27日，我國首顆新一代極軌氣象衛(wèi)星風(fēng)云三號成功升空，標(biāo)志著我國全面進(jìn)入國際氣象衛(wèi)星先進(jìn)國家行列，開始與美國、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)云三號衛(wèi)星共搭載有11臺有效載荷，空間中心承擔(dān)了其中的微波濕度計、臭氧總量探測儀、空間環(huán)境監(jiān)測儀等3項有效載荷的研制工作。
其中，微波濕度計是風(fēng)云三號衛(wèi)星的主載荷之一，也是我國首臺用于氣象衛(wèi)星探測大氣濕度垂直分布的毫米波輻射計；臭氧總量探測儀使我國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。
2016年12月11日，我國新一代靜止氣象衛(wèi)星風(fēng)云四號衛(wèi)星搭乘長征三號乙運(yùn)載火箭，在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射成功。
風(fēng)云四號上搭載了多通道掃描成像輻射計、干涉式大氣垂直探測儀、閃電成像儀和空間環(huán)境監(jiān)測儀器包等4個探測載荷。其中“觀天象、測風(fēng)云”靠的是前三臺儀器，而監(jiān)測空間環(huán)境靠的是空間環(huán)境監(jiān)測儀器包。
由空間中心研制的該分系統(tǒng)包含了高能粒子探測器A、B、C3臺，磁強(qiáng)計，輻照劑量儀，充電電位探測器和環(huán)境遠(yuǎn)置單元共計7臺單機(jī)21件產(chǎn)品，是目前我國在氣象衛(wèi)星上布局空間環(huán)境探測單機(jī)數(shù)量較多的型號。
風(fēng)云四號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)測與預(yù)報、氣象防災(zāi)減災(zāi)、應(yīng)對氣候變化、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、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)測靠“海洋”
從古人“斷虹現(xiàn)，天要變”的經(jīng)驗(yàn)推測，到運(yùn)用氣象衛(wèi)星開展監(jiān)測，在監(jiān)測和調(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A星的長征四號乙運(yùn)載火箭在太原衛(wèi)星發(fā)射中心點(diǎn)火升空。
海洋二號是我國第一顆海洋動力環(huán)境監(jiān)測衛(wèi)星，其主要任務(wù)是監(jiān)測和調(diào)查海洋環(huán)境，直接為災(zāi)害性海況預(yù)警報和國民經(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)了海洋二號雷達(dá)高度計、校正輻射計等儀器的研制工作。其中，雷達(dá)高度計系統(tǒng)是用來測量海面高度、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波段雙頻測量體制，由此消除了電離層對高度測量的影響；采用大時帶積線性調(diào)頻信號，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)了高度計的跟蹤能力。
校正輻射計則是為雷達(dá)高度計提供大氣路徑延時校正的微波輻射計�？臻g中心打造的校正輻射計接收機(jī)采用了全功率微波輻射計方案，結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)、可靠性高，且由于全功率微波輻射計工作時在整個積分時間內(nèi)都對觀測目標(biāo)進(jìn)行測量，因而也成為目前全球靈敏度最高的輻射計之一。
在海洋二號任務(wù)中，空間中心研制的雷達(dá)高度計、校正輻射計等儀器運(yùn)行狀態(tài)正常，性能良好，在軌數(shù)據(jù)得到用戶高度評價，有效載荷性能達(dá)到國際先進(jìn)水平。另外，由空間中心承擔(dān)的海洋二號B星、C星雷達(dá)高度計及校正輻射計，目前也已作為主載荷交付正樣。
另一邊，在北京懷柔國家航天局懷柔總裝集成測試中心，一群穿著白大褂的中法兩國技術(shù)人員正圍著一顆重700多公斤的應(yīng)用衛(wèi)星載荷做測試。這顆衛(wèi)星，正是預(yù)計于2018年下半年上天的中國與法國合作的首顆衛(wèi)星——中法海洋衛(wèi)星（CFOSAT）。
2009年，在中法兩國的共同支持下，中法海洋衛(wèi)星立項。這顆衛(wèi)星作為海洋觀測項目，目的是研究海洋表面風(fēng)場和海浪相互作用，以提高海洋氣象預(yù)報能力和人類對氣候變化的認(rèn)知。
為此，衛(wèi)星攜帶了兩個主要儀器，一臺是由中國研制的測量風(fēng)的散射計，一臺是由法國研制的測量浪的波譜儀。
從技術(shù)上看，中方和法方研制的兩個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，我國對地觀測發(fā)展到今天，很多觀測模型都是跟蹤和模仿國外成果，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)報模型等新觀測模型。
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、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠的定位、測速、授時服務(wù)，并兼具短報文通信能力。
2015年3月30日，我國首顆北斗二代導(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)的首顆長壽命、高可靠業(yè)務(wù)星，其采用一體化設(shè)計方法，獨(dú)創(chuàng)性地提出了功能鏈設(shè)計理念，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)了多個首創(chuàng)：首次使用中科院導(dǎo)航衛(wèi)星專用平臺，首次采用遠(yuǎn)征一號上面級直接入軌發(fā)射方式，首次驗(yàn)證相控陣星間鏈路與自主導(dǎo)航體制，首次大量使用國產(chǎn)化器部件以實(shí)現(xiàn)自主可控。
在過去的3年多時間里、1251個日日夜夜，空間中心的研制團(tuán)隊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)航載荷計算機(jī)）3臺重要星上電子設(shè)備的全部研制工作，而這3臺設(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)星和北斗三號裝備衛(wèi)星還采用了空間中心和中科院計算所聯(lián)合開發(fā)的“萬戶”系列抗輻照宇航專用處理器，為我國核心器件的自主可控和可持續(xù)發(fā)展奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。
電磁監(jiān)測有“張衡”
空間電磁擾動與地震發(fā)生具有明顯的相關(guān)性。因此，構(gòu)建空間電磁監(jiān)測體系對研究地震機(jī)理與空間電磁擾動的耦合關(guān)系、探索地震預(yù)測新方法有著重要意義。
2018年2月2日，我國首顆電磁監(jiān)測試驗(yàn)衛(wèi)星“張衡一號”成功發(fā)射。這是我國首顆觀測與地震活動相關(guān)電磁信息的衛(wèi)星，也是國家地球物理場探測衛(wèi)星計劃的首發(fā)星，其發(fā)射成功被認(rèn)為是我國構(gòu)建天空地一體化地震立體監(jiān)測體系的重要里程碑。
“張衡一號”采用通用小衛(wèi)星平臺，共搭載了8種載荷，其中高精度磁強(qiáng)計、朗繆爾探針和等離子體分析儀3臺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�？臻g中心是空間等離子體探測技術(shù)開展最早的單位，也是國內(nèi)該領(lǐng)域技術(shù)最先進(jìn)、經(jīng)驗(yàn)最豐富的優(yōu)勢單位和引領(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)隊集智攻關(guān)，填補(bǔ)了我國兩項載荷技術(shù)空白：提出了影像法精確檢測透過率的方案，實(shí)現(xiàn)了高密度、高精度柵網(wǎng)透過率的精確測定；突破了理想球形設(shè)計、極弱電流監(jiān)測（pA級）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值。
2018年5月12日，在汶川地震十周年國際研討會暨第四屆大陸地震國際研討會上，中國地震局和中國國家航天局首次對外公布了我國首顆電磁監(jiān)測試驗(yàn)衛(wèi)星“張衡一號”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首個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�！�