中國(guó)電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星工程研制進(jìn)展*

王蘭煒 申旭輝 張 宇 張興國(guó)胡 哲 顏 蕊 袁仕耿 朱興鴻

1) 中國(guó)北京100085中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所 2) 中國(guó)北京100085北京市地震觀測(cè)工程技術(shù)研究中心3) 中國(guó)北京100094航天東方紅衛(wèi)星有限公司

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中國(guó)電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星工程研制進(jìn)展*

1) 中國(guó)北京100085中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所 2) 中國(guó)北京100085北京市地震觀測(cè)工程技術(shù)研究中心3) 中國(guó)北京100094航天東方紅衛(wèi)星有限公司

中國(guó)電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星工程項(xiàng)目于2013年正式批準(zhǔn)立項(xiàng)， 衛(wèi)星預(yù)計(jì)于2017年8月發(fā)射入軌， 設(shè)計(jì)在軌運(yùn)行5年， 這是我國(guó)地震立體觀測(cè)體系的第一個(gè)專用天基平臺(tái). 本文簡(jiǎn)要介紹了電磁衛(wèi)星工程設(shè)計(jì)和衛(wèi)星工程六大系統(tǒng)的功能與任務(wù)， 并對(duì)衛(wèi)星系統(tǒng)和應(yīng)用系統(tǒng)的研制情況予以闡述. 目前， 已基本完成衛(wèi)星平臺(tái)和有效載荷設(shè)計(jì)初樣階段的研制， 將于2016年6月轉(zhuǎn)入正樣研制階段. 應(yīng)用系統(tǒng)基礎(chǔ)平臺(tái)的建設(shè)工作按計(jì)劃進(jìn)行， 將在衛(wèi)星發(fā)射前半年開(kāi)始試運(yùn)行， 以確保電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的有效應(yīng)用.

電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星 衛(wèi)星平臺(tái) 應(yīng)用系統(tǒng) 研制進(jìn)展

引言

20世紀(jì)90年代以來(lái)， 隨著空間探測(cè)技術(shù)在地球科學(xué)中的應(yīng)用發(fā)展， 國(guó)際上一些國(guó)家開(kāi)始利用包括電磁、 GPS、 InSAR和重力衛(wèi)星在內(nèi)的衛(wèi)星技術(shù)進(jìn)行地震監(jiān)測(cè)研究， 初步顯示了空間對(duì)地觀測(cè)技術(shù)在地震預(yù)測(cè)研究中的應(yīng)用前景(Gokhbergetal， 1982； Parrot， 1994； Hayakawaetal， 1996； Liuetal， 2004)， 其中電磁監(jiān)測(cè)衛(wèi)星作為研究地球電磁環(huán)境的重要手段， 在地震監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)研究方面具有廣闊的應(yīng)用前景．

電磁監(jiān)測(cè)衛(wèi)星通過(guò)星上裝載的電磁場(chǎng)、 等離子體和高能粒子原位探測(cè)載荷， 獲取衛(wèi)星軌道高度上的地球空間電磁場(chǎng)和電離層環(huán)境及其擾動(dòng)信息， 并通過(guò)與全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)及地面信標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)協(xié)同工作， 獲取衛(wèi)星軌道以下的電離層結(jié)構(gòu)及其變化信息， 從而為研究與地震相關(guān)的電磁擾動(dòng)、 認(rèn)識(shí)電離層擾動(dòng)規(guī)律和機(jī)理、 推進(jìn)空間物理及地球多圈層相互作用研究提供支撐．

近年來(lái)， 電磁衛(wèi)星的相關(guān)技術(shù)及其應(yīng)用發(fā)展迅速． 2004年法國(guó)發(fā)射了專門(mén)用于地震監(jiān)測(cè)的DEMETER衛(wèi)星， 觀測(cè)到了較為明顯的震前電磁擾動(dòng)信息(Parrotetal， 2006； Zlotnickietal， 2006， 2010； B?ckietal， 2011； 朱濤， 王蘭煒， 2011; Pí?aetal， 2013)． 此外， 俄羅斯COMPASS-Ⅱ衛(wèi)星、 歐空局Cluster衛(wèi)星以及Swarm衛(wèi)星星座的發(fā)射(Mikhailovetal， 2010; Baloghetal， 2001; Macmillan， Olsen, 2013)， 均為電離層地震前兆觀測(cè)研究積累了更多的觀測(cè)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)．

中國(guó)電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星(China Seismo-Electromagnetic Satellite， 簡(jiǎn)寫(xiě)為CSES)項(xiàng)目， 是我國(guó)地震立體觀測(cè)體系的第一個(gè)專用天基平臺(tái)， 主要用于監(jiān)測(cè)與地震相關(guān)的空間電離層電磁異常． 該項(xiàng)目通過(guò)獲取中國(guó)和全球電磁場(chǎng)、 等離子體、 高能粒子的觀測(cè)數(shù)據(jù)， 針對(duì)全球M>7.0地震、 中國(guó)M>6.0地震的衛(wèi)星電磁信息進(jìn)行分析研究， 總結(jié)地震電離層的擾動(dòng)特征， 并在此基礎(chǔ)上研究大震短臨預(yù)測(cè)新方法， 深入探究地震發(fā)生機(jī)制， 為地震預(yù)報(bào)實(shí)現(xiàn)突破提供基礎(chǔ)資料．

中國(guó)電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星工程于2013年經(jīng)國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)立項(xiàng)， 目前進(jìn)展順利， 已經(jīng)基本完成衛(wèi)星初樣階段的研制工作， 將于2016年6月轉(zhuǎn)入衛(wèi)星正樣研制階段； 試驗(yàn)衛(wèi)星預(yù)計(jì)于2017年8月發(fā)射入軌， 衛(wèi)星設(shè)計(jì)在軌運(yùn)行5年． 該衛(wèi)星的在軌運(yùn)行將建立我國(guó)首個(gè)空間電磁場(chǎng)和等離子體監(jiān)測(cè)平臺(tái)， 為探索地震前兆信息、 推進(jìn)空間環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)和地球物理場(chǎng)研究提供新的技術(shù)手段， 為未來(lái)建立電磁監(jiān)測(cè)衛(wèi)星業(yè)務(wù)化系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)準(zhǔn)備． 鑒于此， 本文將重點(diǎn)介紹衛(wèi)星平臺(tái)和應(yīng)用系統(tǒng)的研制進(jìn)展情況， 以期更好地發(fā)揮電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星的效益， 實(shí)現(xiàn)科學(xué)數(shù)據(jù)的有效應(yīng)用.

1 電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星工程系統(tǒng)構(gòu)成

電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星工程分為空間段和地面段兩個(gè)部分， 空間段包括衛(wèi)星系統(tǒng)、 運(yùn)載火箭系統(tǒng)， 地面段包括應(yīng)用系統(tǒng)、 地面接收系統(tǒng)、 測(cè)控系統(tǒng)和發(fā)射場(chǎng)系統(tǒng)， 總體構(gòu)成如圖1所示. 下面將逐一介紹各分系統(tǒng)的主要任務(wù)．

圖1 中國(guó)電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星工程總體構(gòu)成Fig.1 Schematic diagram for composition of CSES project

1) 衛(wèi)星系統(tǒng). 主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星在軌正常運(yùn)行， 為各載荷的正常運(yùn)行提供平臺(tái)和保障， 獲取全球范圍的空間電場(chǎng)、 磁場(chǎng)和電磁輻射數(shù)據(jù)， 電離層等離子體的離子密度、 離子溫度、 離子成分、 電子密度、 電子溫度、 漂移速度等數(shù)據(jù)以及電離層電子密度剖面數(shù)據(jù)和高能粒子通量、 能譜、 投射角等數(shù)據(jù)． 為確保觀測(cè)數(shù)據(jù)的有效性， 須具備必要的星上存儲(chǔ)和數(shù)傳能力， 能夠按照使用要求將觀測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)傳回地面．

2) 運(yùn)載火箭系統(tǒng). 主要任務(wù)是將衛(wèi)星送入預(yù)定軌道， 采用一箭一星方式發(fā)射．

3) 發(fā)射場(chǎng)系統(tǒng). 主要任務(wù)是負(fù)責(zé)電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星、 運(yùn)載火箭以及地面設(shè)備的卸車和轉(zhuǎn)載， 為衛(wèi)星的測(cè)試及轉(zhuǎn)場(chǎng)提供保障， 并完成運(yùn)載火箭的測(cè)試、 轉(zhuǎn)場(chǎng)、 加注和發(fā)射．

4) 測(cè)控系統(tǒng). 主要任務(wù)是利用國(guó)內(nèi)測(cè)控資源， 為電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星在發(fā)射和運(yùn)行各階段中的測(cè)控任務(wù)提供支持． 在衛(wèi)星發(fā)射階段， 負(fù)責(zé)完成運(yùn)載火箭的各項(xiàng)測(cè)控任務(wù)； 在衛(wèi)星在軌運(yùn)行階段， 為測(cè)定軌、 遙測(cè)、 遙控和衛(wèi)星故障情況下的測(cè)控提供支持．

5) 地面接收系統(tǒng). 主要任務(wù)是承擔(dān)電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)的接收、 預(yù)處理及轉(zhuǎn)發(fā)等． 該系統(tǒng)能接收衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)送的全球延時(shí)數(shù)據(jù)和中國(guó)全境并外擴(kuò)約1 000 km范圍內(nèi)的實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)， 具備海量數(shù)據(jù)管理以及快速轉(zhuǎn)發(fā)給應(yīng)用系統(tǒng)的能力．

6) 應(yīng)用系統(tǒng). 主要任務(wù)是負(fù)責(zé)電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星的科學(xué)任務(wù)計(jì)劃制定、 科學(xué)數(shù)據(jù)處理、 數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)以及數(shù)據(jù)應(yīng)用、 共享等．

在電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星工程的6個(gè)分系統(tǒng)中， 運(yùn)載火箭系統(tǒng)、 發(fā)射場(chǎng)系統(tǒng)、 測(cè)控系統(tǒng)和地面接收系統(tǒng)由于技術(shù)相對(duì)成熟， 依托現(xiàn)有的條件能夠完成電磁衛(wèi)星工程任務(wù)， 不存在太多技術(shù)難點(diǎn)； 而對(duì)于衛(wèi)星平臺(tái)技術(shù)和應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和驗(yàn)證技術(shù)來(lái)說(shuō)， 由于電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星是我國(guó)實(shí)際意義上的第一顆非成像類遙感衛(wèi)星， 這些技術(shù)均屬首次研制， 因而具有較大的技術(shù)難度．

2 衛(wèi)星系統(tǒng)研制進(jìn)展

2.1 衛(wèi)星觀測(cè)要求

中國(guó)電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星是我國(guó)第一顆具有明確科學(xué)目標(biāo)的電磁衛(wèi)星， 主要任務(wù)是監(jiān)測(cè)全球空間電磁場(chǎng)、 電離層等離子體密度、 溫度和高能粒子能譜等物理量， 以捕捉和監(jiān)測(cè)地震異常信息． 從觀測(cè)需求上來(lái)說(shuō)， 衛(wèi)星系統(tǒng)應(yīng)滿足以下觀測(cè)要求：

1) 時(shí)空分辨率. 5天實(shí)現(xiàn)對(duì)同一地點(diǎn)的重訪， 連續(xù)兩天內(nèi)最近軌道的經(jīng)向間距約為5°．

2) 重點(diǎn)觀測(cè)區(qū)域. 對(duì)全球緯度±65°區(qū)域內(nèi)進(jìn)行全天候觀測(cè)， 重點(diǎn)觀測(cè)區(qū)為我國(guó)全境并外擴(kuò)1000 km以及全球的兩個(gè)主要地震帶(環(huán)太平洋地震帶和歐亞地震帶)．

3) 數(shù)傳時(shí)效性. 探測(cè)數(shù)據(jù)能夠在我國(guó)全境并外擴(kuò)約1000 km范圍內(nèi)實(shí)時(shí)下傳．

4) 觀測(cè)模式. 為了確保對(duì)地震重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域的有效觀測(cè)， 重點(diǎn)觀測(cè)區(qū)域采用提高采樣率詳查觀測(cè)模式， 非重點(diǎn)區(qū)域采用巡查觀測(cè)模式． 將衛(wèi)星觀測(cè)區(qū)域網(wǎng)格化， 如圖2所示， 其中綠色網(wǎng)格為詳查觀測(cè)的重點(diǎn)觀測(cè)區(qū)域．

為滿足上述觀測(cè)要求， 衛(wèi)星軌道高度設(shè)計(jì)為507 km的太陽(yáng)同步軌道， 軌道傾角為97°， 軌道降交點(diǎn)為14時(shí)， 重訪周期為5天． 圖3給出了該衛(wèi)星的運(yùn)行軌跡圖， 相鄰軌道間距約為4.6°．

圖2 中國(guó)電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星重點(diǎn)觀測(cè)區(qū)域(綠色網(wǎng)絡(luò))示意圖

圖3 衛(wèi)星星下點(diǎn)軌跡

2.2 衛(wèi)星系統(tǒng)構(gòu)成及設(shè)計(jì)

電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星由衛(wèi)星平臺(tái)和有效載荷兩部分組成， 如圖4所示． 衛(wèi)星平臺(tái)采用CAST2000(China Academy of Space Technology 2000)小衛(wèi)星平臺(tái)， 主要由結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)、 熱控、 姿軌控、 星務(wù)、 測(cè)控、 天線、 電源、 總體電路等8個(gè)分系統(tǒng)和伸桿展開(kāi)機(jī)構(gòu)組成． 圖5給出了衛(wèi)星發(fā)射狀態(tài)和飛行狀態(tài)下的平臺(tái)構(gòu)型圖．

有效載荷部分由8種載荷探測(cè)儀器和數(shù)傳分系統(tǒng)組成． 載荷探測(cè)儀器包括電場(chǎng)探測(cè)儀、 感應(yīng)式磁力儀、 高精度磁強(qiáng)計(jì)(包括磁通門(mén)磁力儀和光泵磁力儀)、 GNSS (global navigation satellite system)掩星接收機(jī)、 朗繆爾探針、 等離子體分析儀、 三頻信標(biāo)機(jī)和高能粒子探測(cè)器(低能段和高能段兩部分組成)， 各載荷探測(cè)物理量及其探測(cè)范圍詳見(jiàn)表1．

圖4 衛(wèi)星系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖5 發(fā)射狀態(tài)(a)和飛行狀態(tài)(b)下的衛(wèi)星平臺(tái)構(gòu)型圖

探測(cè)對(duì)象載荷探測(cè)儀器 物理量 探測(cè)范圍感應(yīng)式磁力儀磁場(chǎng)強(qiáng)度頻帶:10Hz—20kHz電磁場(chǎng) 高精度矢量磁強(qiáng)計(jì)磁場(chǎng)強(qiáng)度頻帶:DC—15Hz電場(chǎng)探測(cè)儀電場(chǎng)強(qiáng)度頻帶:DC—3.5MHz等離子體分析儀離子密度離子溫度離子成分:H+,He+,O+離子密度:500—107cm-3離子溫度:500—104K等離子體朗繆爾探針電子密度電子溫度電子密度:500—107cm-3電子溫度:500—104KGNSS掩星接收機(jī)電子總含量GNSS掩星信號(hào)三頻信標(biāo)機(jī)電子總含量150,400,1067MHz頻率信號(hào)高能粒子高能粒子探測(cè)器(含高能段、低能段和太陽(yáng)X射線探測(cè))質(zhì)子通量電子通量質(zhì)子:2—200MeV電子:100keV—50MeV

電磁監(jiān)測(cè)衛(wèi)星上裝載6根伸桿， 其中2根4.5 m長(zhǎng)的鉸鏈?zhǔn)缴鞐U用于高精度矢量磁強(qiáng)計(jì)和感應(yīng)式磁力儀探頭的伸展， 其余4根4 m長(zhǎng)的卷筒式伸桿用于電場(chǎng)探測(cè)儀探頭的伸展． 為最大程度地降低星體對(duì)8種科學(xué)載荷的電磁干擾， 實(shí)現(xiàn)高精度電磁探測(cè)目標(biāo)， 對(duì)于整星和各設(shè)備均采取了嚴(yán)格的磁控制和電位控制措施．

衛(wèi)星工作模式分為載荷工作模式和平臺(tái)調(diào)整模式兩種． 南北緯65°以內(nèi)區(qū)域采用載荷工作模式， 該模式下停止衛(wèi)星機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)和磁卸載， 最大限度地降低衛(wèi)星平臺(tái)對(duì)有效載荷的擾動(dòng)； 南北緯65°以外區(qū)域則采用平臺(tái)調(diào)整模式， 該模式下有效載荷停止工作， 通過(guò)平臺(tái)帆板對(duì)日跟蹤來(lái)補(bǔ)充能量， 并通過(guò)動(dòng)量輪的磁卸載來(lái)保證整星的三軸零動(dòng)量穩(wěn)定系統(tǒng)的平衡．

2.3 衛(wèi)星系統(tǒng)研制進(jìn)展

對(duì)于中國(guó)電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星平臺(tái)的各個(gè)分系統(tǒng)而言， 已于2015年底全部完成其初樣階段的研制總結(jié)和正樣設(shè)計(jì)． 其中衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)、 星務(wù)、 測(cè)控、 總體電路、 姿軌控、 電源、 天線等7個(gè)分系統(tǒng)已完成正樣產(chǎn)品的研制和驗(yàn)收交付； 按照整星研制流程安排， 伸桿機(jī)構(gòu)、 太陽(yáng)翼機(jī)構(gòu)和電池陣將于2016年底完成， 直接參與整星的后續(xù)大型試驗(yàn)．

目前， 包括高精度磁強(qiáng)計(jì)、 等離子體分析儀、 朗繆爾探針、 GNSS掩星接收機(jī)、 三頻信標(biāo)發(fā)射機(jī)在內(nèi)的衛(wèi)星載荷已經(jīng)完成了鑒定件的研制總結(jié)和正樣設(shè)計(jì)， 預(yù)計(jì)正樣產(chǎn)品將于2016年8-10月陸續(xù)交付衛(wèi)星總體， 之后開(kāi)始整星階段的總裝測(cè)試． 感應(yīng)式磁力儀、 高能粒子探測(cè)器和電場(chǎng)探測(cè)儀正在開(kāi)展鑒定件的驗(yàn)收， 預(yù)計(jì)于2016年7月底完成．

3 應(yīng)用系統(tǒng)研制進(jìn)展

3.1 應(yīng)用系統(tǒng)功能

電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星的應(yīng)用系統(tǒng)主要是為了滿足我國(guó)電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星的運(yùn)行和業(yè)務(wù)應(yīng)用需求， 實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁衛(wèi)星數(shù)據(jù)和三頻信標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)的接收、 處理、 管理和應(yīng)用． 應(yīng)用系統(tǒng)負(fù)責(zé)制定載荷工作、 數(shù)據(jù)接收、 業(yè)務(wù)測(cè)控計(jì)劃并傳送給地面系統(tǒng)， 同時(shí)實(shí)時(shí)接收地面系統(tǒng)推送的遙測(cè)遙控?cái)?shù)據(jù)和解包后的觀測(cè)數(shù)據(jù)． 該系統(tǒng)以電磁衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)源， 并結(jié)合其它遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)源和地面觀測(cè)數(shù)據(jù)， 開(kāi)展地震監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)、 應(yīng)急觀測(cè)等方面的科學(xué)應(yīng)用研究， 為逐步建立天地一體化地震觀測(cè)業(yè)務(wù)體系提供支持． 與此同時(shí)， 應(yīng)用系統(tǒng)還將與國(guó)內(nèi)外的相關(guān)學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和共享服務(wù)， 開(kāi)展科學(xué)交流和技術(shù)開(kāi)發(fā)．

3.2 應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)成及設(shè)計(jì)

根據(jù)電磁衛(wèi)星應(yīng)用系統(tǒng)的功能要求， 應(yīng)用系統(tǒng)包括衛(wèi)星地震應(yīng)用中心、 三頻信標(biāo)接收站網(wǎng)和比測(cè)校驗(yàn)場(chǎng)等3部分， 可滿足地震監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)對(duì)電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星運(yùn)行管理和調(diào)度的需求． 圖6給出了衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖．

3.2.1 衛(wèi)星地震應(yīng)用中心

衛(wèi)星地震應(yīng)用中心是支持地面應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)展各項(xiàng)任務(wù)的首要基礎(chǔ)設(shè)施， 也是電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星綜合業(yè)務(wù)管理與應(yīng)用的中心機(jī)構(gòu)， 主要承擔(dān)電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸、 業(yè)務(wù)運(yùn)控、 電磁衛(wèi)星下傳數(shù)據(jù)以及三頻信標(biāo)測(cè)量數(shù)據(jù)的處理、 產(chǎn)品校驗(yàn)與質(zhì)量評(píng)價(jià)、 數(shù)據(jù)管理與服務(wù)、 地震監(jiān)測(cè)應(yīng)用等任務(wù)． 該中心由10個(gè)業(yè)務(wù)分系統(tǒng)構(gòu)成， 各個(gè)分系統(tǒng)的功能詳述如下：

1) 數(shù)據(jù)傳輸分系統(tǒng). 確保衛(wèi)星地震應(yīng)用中心與比測(cè)校驗(yàn)場(chǎng)、 三頻信標(biāo)測(cè)量站網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)傳輸， 實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星地震應(yīng)用系統(tǒng)外場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的暢通與高效．

2) 業(yè)務(wù)運(yùn)控分系統(tǒng). 負(fù)責(zé)衛(wèi)星狀態(tài)的監(jiān)控、 有效載荷工作計(jì)劃和業(yè)務(wù)應(yīng)用計(jì)劃的制定和任務(wù)調(diào)度， 各分系統(tǒng)之間的業(yè)務(wù)流程與數(shù)據(jù)流程控制以及網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控管理等， 提供數(shù)據(jù)的三維可視化支持功能．

圖6 中國(guó)電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖 Fig.6 Design diagram for application system of the CSES

3) 數(shù)據(jù)管理分系統(tǒng). 實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)實(shí)時(shí)接入和數(shù)據(jù)產(chǎn)品的分類有序管理， 滿足業(yè)務(wù)化生產(chǎn)對(duì)數(shù)據(jù)快速獲取的要求， 提供數(shù)據(jù)產(chǎn)品服務(wù)．

4) 電磁場(chǎng)數(shù)據(jù)應(yīng)用處理與分析分系統(tǒng). 實(shí)現(xiàn)對(duì)電場(chǎng)探測(cè)儀、 感應(yīng)式磁力儀、 高精度磁強(qiáng)計(jì)共3種載荷的數(shù)據(jù)處理， 產(chǎn)出全國(guó)和全球范圍內(nèi)的3—5級(jí)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品．

5) 電離層層析成像數(shù)據(jù)應(yīng)用處理與分析分系統(tǒng). 實(shí)現(xiàn)對(duì)GNSS掩星接收機(jī)和三頻信標(biāo)機(jī)兩種載荷的數(shù)據(jù)應(yīng)用處理與分析， 產(chǎn)出全球范圍內(nèi)的3—5級(jí)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品和電離層層析成像產(chǎn)品．

6) 原位等離子體數(shù)據(jù)應(yīng)用處理與分析分系統(tǒng). 實(shí)現(xiàn)對(duì)朗繆爾探針、 等離子體分析儀兩種載荷的數(shù)據(jù)處理， 產(chǎn)出全國(guó)和全球范圍內(nèi)的3—5級(jí)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品和電離層動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)產(chǎn)品等．

7) 高能粒子數(shù)據(jù)應(yīng)用處理與分析分系統(tǒng). 實(shí)現(xiàn)對(duì)高能粒子低能段、 高能段-1(國(guó)產(chǎn))、 高能段-2(意大利)共3個(gè)載荷的數(shù)據(jù)處理， 產(chǎn)出全國(guó)和全球范圍內(nèi)的高能粒子3—5級(jí)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品．

8) 產(chǎn)品校驗(yàn)與質(zhì)量評(píng)價(jià)分系統(tǒng). 建設(shè)野外校驗(yàn)場(chǎng)和定標(biāo)實(shí)驗(yàn)室， 通過(guò)交叉檢驗(yàn)、 對(duì)比觀測(cè)等方式對(duì)電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星的觀測(cè)數(shù)據(jù)和產(chǎn)品進(jìn)行檢驗(yàn)和質(zhì)量評(píng)價(jià)．

9) 三頻信標(biāo)測(cè)量分系統(tǒng). 建設(shè)三頻信標(biāo)測(cè)量站網(wǎng)， 接收星載三頻信標(biāo)發(fā)射的三頻信標(biāo)信號(hào)， 并將其通過(guò)地震信息網(wǎng)上傳至衛(wèi)星地震應(yīng)用中心．

10) 地震監(jiān)測(cè)應(yīng)用分系統(tǒng). 依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品和科學(xué)應(yīng)用產(chǎn)品， 同時(shí)參考地面電磁觀測(cè)數(shù)據(jù)及其它遙感觀測(cè)資料， 去除電離層電磁背景， 排除非震擾動(dòng)， 獲得可能的地震短臨異常信息．

3.2.2 三頻信標(biāo)接收站網(wǎng)

三頻信標(biāo)接收站網(wǎng)的主要任務(wù)是接收星載三頻信標(biāo)發(fā)射機(jī)發(fā)射的頻率為150， 400和1067 MHz的3個(gè)頻率信號(hào)， 完成測(cè)量數(shù)據(jù)的短期存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)傳輸， 并根據(jù)接收數(shù)據(jù)反演電離層電子密度． 為了滿足電離層電子密度反演精度不低于10%的要求， 觀測(cè)鏈路中的臺(tái)站間距應(yīng)小于400 km， 同時(shí)應(yīng)盡可能地覆蓋地震重點(diǎn)監(jiān)視防御區(qū)， 因此， 選擇在華北地震帶和南北地震帶建設(shè)由34個(gè)臺(tái)站構(gòu)成的6條觀測(cè)鏈路． 圖7給出了計(jì)劃布設(shè)的三頻信標(biāo)測(cè)量站點(diǎn)分布圖， 所有接收站均在現(xiàn)有地震臺(tái)站的基礎(chǔ)設(shè)施上經(jīng)改擴(kuò)建完成．

3.2.3 比測(cè)校驗(yàn)場(chǎng)

電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)周邊的空間電磁場(chǎng)特征和電離層變化進(jìn)行探測(cè)， 屬非成像遙感系統(tǒng)， 因此其有效載荷觀測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性檢驗(yàn)不同于其它遙感成像衛(wèi)星， 需要建設(shè)地面比測(cè)校驗(yàn)場(chǎng)， 通過(guò)地面同步對(duì)比觀測(cè)和真實(shí)性檢驗(yàn)實(shí)現(xiàn)對(duì)星上有效載荷觀測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性判斷． 電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星觀測(cè)的物理量包括空間電磁場(chǎng)、 等離子體參數(shù)和高能粒子能譜等3類共11種． 地面對(duì)比觀測(cè)需要考慮衛(wèi)星觀測(cè)頻段和相應(yīng)的物理量， 目前地面可開(kāi)展對(duì)比觀測(cè)的手段包括地電場(chǎng)、 地磁場(chǎng)、 電磁擾動(dòng)等地基電磁觀測(cè)與空間電磁場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比， 電離層測(cè)高和GPS/北斗觀測(cè)等地基電離層觀測(cè)與衛(wèi)星GNSS掩星接收機(jī)和三頻信標(biāo)反演結(jié)果的對(duì)比分析．

圖7 34個(gè)三頻信標(biāo)接收站的分布圖

比測(cè)校驗(yàn)場(chǎng)的主要目的是通過(guò)地面觀測(cè)數(shù)據(jù)與衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比來(lái)驗(yàn)證衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性， 同時(shí)為異常信號(hào)從地面到電離層的傳播研究提供基礎(chǔ)觀測(cè)數(shù)據(jù)， 實(shí)現(xiàn)與地震

圖8 比測(cè)校驗(yàn)場(chǎng)臺(tái)站分布圖Fig.8 Distribution of the ground stations for comparison and validation

相關(guān)的電磁信號(hào)的監(jiān)測(cè)． 我國(guó)地磁監(jiān)測(cè)衛(wèi)星的比測(cè)校驗(yàn)場(chǎng)以甘肅省天祝地震前兆科學(xué)臺(tái)陣為依托， 擴(kuò)展至陜西、 寧夏的部分區(qū)域， 計(jì)劃建設(shè)15個(gè)地面電磁觀測(cè)臺(tái)站， 其空間分布如圖8所示．

3.3 應(yīng)用系統(tǒng)基礎(chǔ)平臺(tái)建設(shè)

電磁衛(wèi)星應(yīng)用系統(tǒng)目前尚未立項(xiàng)， 為了滿足電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星現(xiàn)階段和發(fā)射后的業(yè)務(wù)運(yùn)行需求， 在電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上簡(jiǎn)化各系統(tǒng)功能， 開(kāi)展電磁衛(wèi)星工程科學(xué)任務(wù)運(yùn)行管理的基礎(chǔ)平臺(tái)建設(shè)工作． 該基礎(chǔ)平臺(tái)包括業(yè)務(wù)運(yùn)控、 數(shù)據(jù)管理、 數(shù)據(jù)應(yīng)用處理與分析、 產(chǎn)品校驗(yàn)與質(zhì)量評(píng)價(jià)和三頻信標(biāo)測(cè)量等5個(gè)分系統(tǒng)， 其中三頻信標(biāo)接收站選擇華北地區(qū)6個(gè)觀測(cè)站組成鏈路．

應(yīng)用系統(tǒng)基礎(chǔ)平臺(tái)為滿足衛(wèi)星在軌業(yè)務(wù)的運(yùn)控需求， 須具備電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星、 三頻信標(biāo)站網(wǎng)的數(shù)據(jù)接入和處理能力， 能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品的基礎(chǔ)存檔和管理服務(wù)、 對(duì)數(shù)據(jù)產(chǎn)品進(jìn)行校驗(yàn)與質(zhì)量評(píng)價(jià)以及保障電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星工程按照預(yù)定計(jì)劃推進(jìn)的功能．

3.4 電磁衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品分級(jí)

電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星是我國(guó)首顆非成像遙感衛(wèi)星， 探測(cè)數(shù)據(jù)包括空間電場(chǎng)、 磁場(chǎng)的分頻段波形和頻譜數(shù)據(jù)， 電離層等離子體原位電子、 離子溫度和離子密度數(shù)據(jù)， 電離層等離子體結(jié)構(gòu)層析成像數(shù)據(jù)， 電離層高能粒子通量、 能譜數(shù)據(jù)， 以及地震監(jiān)測(cè)跟蹤數(shù)據(jù)產(chǎn)品． 在參考國(guó)內(nèi)相關(guān)衛(wèi)星數(shù)據(jù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(國(guó)家國(guó)防科技工業(yè)局，2011； 中國(guó)氣象局， 2012)的基礎(chǔ)上， 結(jié)合電磁衛(wèi)星載荷特點(diǎn)給出了電磁衛(wèi)星各載荷觀測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)品分級(jí)．

數(shù)據(jù)產(chǎn)品包括各載荷的科學(xué)數(shù)據(jù)、 輔助數(shù)據(jù)和工程參數(shù)． 地面接收到的衛(wèi)星數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)解調(diào)得到原始探測(cè)數(shù)據(jù)， 對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理得到各載荷的各級(jí)科學(xué)數(shù)據(jù)． 輔助數(shù)據(jù)是指進(jìn)行科學(xué)數(shù)據(jù)相關(guān)處理所需的諸如包完整信息、 GPS、 姿態(tài)、 時(shí)間等信息數(shù)據(jù)； 工程參數(shù)是指有效載荷在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)出的與設(shè)備探測(cè)狀態(tài)、 運(yùn)行狀態(tài)等方面相關(guān)的表征載荷工作健康狀態(tài)的參數(shù)． 科學(xué)數(shù)據(jù)分為0-4級(jí)， 各級(jí)產(chǎn)品定義如下：

1) 0級(jí)數(shù)據(jù)產(chǎn)品： 經(jīng)幀同步、 解擾、 糾錯(cuò)、 去重、 按時(shí)間排列得到的各個(gè)載荷的觀測(cè)數(shù)據(jù)、 輔助數(shù)據(jù)和遙測(cè)數(shù)據(jù)， 以及三頻信標(biāo)地面站接收到的觀測(cè)數(shù)據(jù)．

2) 1級(jí)數(shù)據(jù)產(chǎn)品： 對(duì)0級(jí)數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、 定標(biāo)處理后得到的按時(shí)間排列的物理量數(shù)據(jù)．

3) 2級(jí)數(shù)據(jù)產(chǎn)品： 分為2A和2B兩個(gè)級(jí)別． 前者是指對(duì)1級(jí)數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)變換、 反演后生成的帶有時(shí)間、 位置和姿態(tài)信息的物理量數(shù)據(jù)； 后者對(duì)于電場(chǎng)儀觀測(cè)數(shù)據(jù)而言， 是指在2A級(jí)衛(wèi)星坐標(biāo)系電場(chǎng)波形數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上， 去除衛(wèi)星運(yùn)行切割磁力線所造成的附加電場(chǎng)影響后生成的數(shù)據(jù)， 對(duì)于GNSS掩星觀測(cè)數(shù)據(jù)， 則是指對(duì)1級(jí)數(shù)據(jù)進(jìn)行精密定軌、 反演后生成的帶有時(shí)間、 位置和姿態(tài)信息的物理量數(shù)據(jù)．

4) 3級(jí)數(shù)據(jù)產(chǎn)品： 在2級(jí)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上， 進(jìn)行重采樣生成重訪軌道指定區(qū)域的時(shí)序數(shù)據(jù)， 或反演得到的電離層、 大氣層二維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)．

5) 4級(jí)數(shù)據(jù)產(chǎn)品： 在2級(jí)和3級(jí)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上， 進(jìn)行空間差值生成指定區(qū)域的電離層環(huán)境及其動(dòng)態(tài)變化， 或反演得到的電離層三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)．

上述電磁衛(wèi)星數(shù)據(jù)分級(jí)定義了科學(xué)數(shù)據(jù)各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品， 為后續(xù)應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)中數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)和數(shù)據(jù)處理、 管理和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)， 有利于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的資源共享．

4 討論與結(jié)論

中國(guó)電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星的發(fā)射將填補(bǔ)我國(guó)在地震監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中天基監(jiān)測(cè)設(shè)施的空白， 為我國(guó)地震監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)水平的提高與發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)， 該工程的實(shí)施將為今后建立“天、 空、 地”一體化的地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供重要的技術(shù)保障． 本文簡(jiǎn)要介紹了中國(guó)電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星工程的研制進(jìn)展， 并重點(diǎn)闡述了衛(wèi)星系統(tǒng)和應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研制進(jìn)展．

目前， 電磁衛(wèi)星工程按照預(yù)定計(jì)劃順利實(shí)施． 電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)射后， 將檢驗(yàn)各科學(xué)載荷的探測(cè)能力， 為后續(xù)電磁衛(wèi)星計(jì)劃的實(shí)施積累經(jīng)驗(yàn)． 借助衛(wèi)星觀測(cè)范圍廣的優(yōu)勢(shì)將有效積累國(guó)內(nèi)外震例數(shù)據(jù)， 也為我國(guó)相關(guān)空間科學(xué)領(lǐng)域研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)． 需要指出的是， 電磁衛(wèi)星觀測(cè)機(jī)理、 觀測(cè)模型、 數(shù)據(jù)應(yīng)用等方面仍存在需要深入研究的科學(xué)問(wèn)題， 現(xiàn)階段將在電磁衛(wèi)星數(shù)據(jù)分級(jí)的基礎(chǔ)上， 集中力量突破數(shù)據(jù)處理方法和流程， 提升衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)在地震監(jiān)測(cè)科學(xué)應(yīng)用方面的研究水平， 保障電磁衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)的有效應(yīng)用．

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Zlotnicki J, Le Mou?l J L, Kanwar R, Yvetot P, Vargemezis G, Menny P, Fauquet F. 2006. Ground-based electro-magnetic studies combined with remote sensing based on DEMETER mission: A way to monitor active faults and volcanoes[J].PlanetSpaceSci, 54(5): 541--557.

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Developing progress of China Seismo-Electromagnetic Satellite project

1)InstituteofCrustalDynamics,ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100085，China2)BeijingEngineeringResearchCenterofEarthquakeObservation，Beijing100085，China3)DFHSatelliteCo.,Ltd.，Beijing100094，China

China Seismo-Electromagnetic Satellite (CSES) project was approved in 2013. The satellite will be launched by the end of August, 2017, and its lifetime is five years. It is the first space-based platform of three-dimensional earthquake monitoring system in China. This paper first briefly introduces the design and task of six systems in the CSES project, then gives recent progresses of satellite system and data application system. At present, satellite platform and payloads prototype developing work have been completed. At the end of June 2016, flight model phase is to start. The development of application system foundation platform will be carried out as planned, and it will begin half-year trial before satellite launch so as to ensure the effective application of CSES data.

CSES； satellite platform； application system； developing progress

民用航天科研項(xiàng)目“電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星數(shù)據(jù)地面驗(yàn)證技術(shù)研發(fā)”和國(guó)家自然科學(xué)基金(41374127)聯(lián)合資助.

2016-03-23收到初稿， 2016-04-15決定采用修改稿.

e-mail: wanglw829@126.com

10.11939/jass.2016.03.005

P315.72

A

王蘭煒， 申旭輝， 張宇， 張興國(guó)， 胡哲， 顏蕊， 袁仕耿， 朱興鴻. 2016. 中國(guó)電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星工程研制進(jìn)展. 地震學(xué)報(bào), 38(3): 376--385. doi:10.11939/jass.2016.03.005.

Wang L W, Shen X H, Zhang Y, Zhang X G, Hu Z, Yan R, Yuan S G, Zhu X H. 2016. Developing progress of China Seismo-Electromagnetic Satellite project.ActaSeismologicaSinica, 38(3): 376--385. doi:10.11939/jass.2016.03.005.