Cluster 联测设备介绍

沈超 马永辉中国科学院空间科学与应用技术研究中心

Cluster 卫星概述• 1985 年，欧空局 (ESA) 提出 Cluster-I 计划，计

划于 1992-1996 年期间正式实施，其科学目标主要是用来探测太阳风与磁层相互作用的关键区域，如太阳风、弓激波、极尖区、磁尾以及极光卵等，很不幸的是， Cluster-I 四颗卫星在1996 年 6 月 4 日发射失败。

• 1997 年 4 月， ESA 又通过了新的 Cluster 计划（ Cluster-II ），其科学目标不变，并于 2000年 8 月全部发射成功。 Cluster 的近地点是 4Re ，远地点是 19.6Re ，倾角为 90 度，四颗卫星各载有 11 个探测设备。

• 卫星的自旋周期是 4 秒；忽略卫星的进动，卫星在轨运行一圈是 57 小时；忽略卫星姿态控制和相互间距离变化的因素，卫星的远地点绕地球一圈是 1 年。

• 每年 1-4 月份，卫星远地点位于向阳面，可用来研究太阳风与磁层的相互作用；每年 7-10 月份，远地点主要位于磁尾，可用来研究磁暴，磁层亚暴，重联以及磁尾的其他动力学过程。

• 设计寿命是 5 年，很多仪器已延期到 2010 年，现在很多设备还在运行Cluster 四颗卫星在一年中的轨

道示意图 （ Escoubet et al., 2001 ）

Evolution of the Cluster orbit in the x–z GSE plane during the period 2001–2009

Cluster 星族轨道示意

ASPOC （ Active Spacecraft Potential Control ，卫星电位动态控制器）

• 发射 5-8KeV 的铟离子实现卫星电位稳定处于较低水平，从而保证其他仪器对冷等离子体的精确测量

• 仪器 PI ： W. Riedler and K. Torkar (Austria)• 可用数据： 2000/12/09 - 2008/06/30 • 用来测量离子电流（ the net current

flowing from the emitter into space ）

CIS （ Cluster Ion Spectrometry ，离子谱仪）

• 包含两个探测器：其一是 CODIF （ Composition Distribution Function ），探测 0-40KeV/q 内的主要成分的速度分布，角分辨率为 22.5 度 *10.25度；另一台是 HIA （ Hot Ion Analyser ），不区分成分地探测 5eV/q-32KeV/q 内的离子分布，角分辨率为 5.6 度 *5.6 度。

• 仪器 PI ： H. Reme （ France ）• 可用数据： 2000/12/09 - 2011/03/31 • 可用来测量质子，氧离子，氦离子以及热离子

的数密度，质子，热离子的速度和温度

EDI （ Electron Drift Instrument ，电子漂移探测器）

• 通过发射和追踪电子运动来反演局地的电场和磁场

• 仪器 PI ： G. Paschmannn （ Germany ）• 可用数据： 2000/12/09 - 2010/04/30 • 可用来测量电子漂移速度和局地电场

FGM （ Fluxgate Magnetometer ，磁通门磁强计）

• 四颗卫星的四点矢量磁场测量可用来计算空间的电流密度，波矢方向以及间断面的几何结构，每秒采集 67 次，最高精度能达8 pT

• 仪器 PI ： A. Balogh （ U.K. ）• 可用数据： 2001/01/30 - 2010/02/01 • 用来测量磁场的三分量和总磁场值，对不

同磁场测量范围，其数据精度是不同的

PEACE （ Plasma Electron and Current Experiment ，电子电流测量仪）

• 分为高能和低能两台电子分析仪，可以测量 0.7eV-30KeV 内电子的三维速度分布，角分辨率为 2.8 度 *5.3 度

• 仪器 PI ： A. Fazakerley （ U. K. ）• 可用数据： 2000/12/09 - 2009/07/31 • 用来测量高能和低能电子的数密度，速度

和温度以及平行电子热通量

RAPID （ Research with Adaptive Particle Imaging Detectors ，捕获粒子成像仪）

• 探测高能离子（ 30-1500KeV ）和高能电子（ 20-450KeV ）分布，主要用于追踪粒子加速源区和磁力线拓扑形态

• 仪器 PI ： B. Wilken and P. W. Daly （ Germany ）

• 可用数据： 2000/12/09 - 2011/03/31• 可用来测量电子、质子、氦离子、重离子

的通量以及场向电子、质子的各向异性

DWP （ Digital Wave Processing Experiment ，数字波动处理器）

• 探测频率从 DC 直至 100kHz 的电磁波，可以综合各种波动探测器和离子探测，建立相关函数，用于波粒相互作用的研究

• 仪器 PI ： H. Alleyne （ U.K. ）• 可用数据： 2000/11/01 - 2009/12/30• 用于分析粒子相关性的 能量范围，频率范

围以及显著性？

EFW （ Electric Field and Waves ，电场波动探测仪 ）

• 探测电场，可用于对流和波动的研究，其每秒 36000 次取样的高分辨率，利于研究速度为 ~1000km/s 的结构和波动。

• 仪器 PI ： G. Gustafsson （ Sweden ）• 可用数据： 2000/12/09 - 2009/07/31 • 可用于测量电场和等离子体密度的变化

STAFF （ Spatio-Temporal Analysis ofField Fluctuations ，波动时空分析器）• 可以探测电磁波中的磁场成份以及电磁场相

关，可用于研究小尺度电流结构的形状，电流密度以及运动，确定等离子体波动的源区

• 仪器 PI ： N. Cornilleau-Wehrlin （ France ）• 可用数据： 2000/12/09 - 2011/04/25 • 可用于测量不同频率范围的磁场波动（ 0.3-

10Hz ， 10-180Hz ， 180-4000Hz ）

WHISPER （ Waves of High Frequency and Sounder for Probing of the Electron Density by Relaxation ，高

频波和电子密度混相计 ）• 发射并接收脉冲探测电子密度• 仪器 PI ： P. W. E. Decreau （ France ）• 可用数据： 2000/12/10 - 2011/05/02 • 主要测量在 0.1-80cm-3 范围内的总电子密度，也可测量 4-80kHz 的波电场

WBD （ Wide Band Data instrumentation ，宽带接收器）

• 高分辨率地探测电场波形，等离子体波频谱和传输频率，用于诸如极光千米波的研究

• 仪器 PI ： D. A. Gurnett （ U.S.A ）• 不提供科学数据产品