中國首顆電磁監(jiān)測試驗(yàn)衛(wèi)星全掃描

文/ 代振瑩

▲ “張衡一號”在軌示意圖

2月2日，中國第一顆電磁監(jiān)測試驗(yàn)衛(wèi)星“張衡一號”在長二丁火箭的托舉下，于酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射入軌。作為我國第一顆觀測與地震活動相關(guān)電磁信息的衛(wèi)星，“張衡一號”格外受人關(guān)注。它能不能預(yù)測地震？在世界上處于什么地位？有哪些技術(shù)上的創(chuàng)新突破？未來還會有更多電磁監(jiān)測試驗(yàn)衛(wèi)星嗎？……

發(fā)射前夕，“張衡一號”總指揮、總設(shè)計(jì)師袁仕耿對這顆衛(wèi)星的功能作了最為凝練的總結(jié)：張衡一號衛(wèi)星的任務(wù)是要做得足夠靈敏，去監(jiān)測6級以上地震引起的電離層的微弱變化，積累足夠多的高質(zhì)量觀測數(shù)據(jù)，以期建立相關(guān)的模型。因此，張衡一號衛(wèi)星是地震科學(xué)家心中的“望遠(yuǎn)鏡”。

“如果沒有第谷豐富的高質(zhì)量的天體運(yùn)動觀測數(shù)據(jù)，就不會有開普勒的三大運(yùn)動定律；如果沒有開普勒的三大運(yùn)動定律，就不會有牛頓萬有引力的終極解釋?！痹斯⒄f。

不積跬步無以至千里，不積小流無以成江海。張衡一號衛(wèi)星傳回的觀測數(shù)據(jù)以及帶來今后的重大發(fā)現(xiàn)，更加值得期待。

跳出地球觀測地震

在張衡一號衛(wèi)星工程首席科學(xué)家、副總師、中國地震局地殼應(yīng)力研究所總工程師申旭輝看來，觀測地震，無非上天入地。

15年前刊發(fā)在《中國航天報(bào)》上的一篇文章，至今讓他印象深刻，“2003年2月18—19日，在一個(gè)地震衛(wèi)星的研討會上，多位院士專家共同呼吁發(fā)展地震監(jiān)測星，那是地震監(jiān)測衛(wèi)星的開端。”

時(shí)至今日，“張衡一號”的發(fā)射成功讓我國終于能夠從天上來觀測地震。

一方面，電磁監(jiān)測試驗(yàn)衛(wèi)星可以彌補(bǔ)我國境內(nèi)觀測的不足，包括青藏高原在內(nèi)的200萬平方公里的國土和300萬平方公里的海域地區(qū)。而這兩塊區(qū)域恰恰是位于兩個(gè)地震帶：地中海-喜馬拉雅地震帶和環(huán)太平洋地震帶上。

另一方面，“張衡一號”能夠監(jiān)測全球電磁場和電離層，可以收集全球的震例信息。

按照規(guī)劃，“張衡一號”將開展全球7級、中國6級以上地震電磁信息分析研究，探索地震電離層響應(yīng)變化的信息特征及其機(jī)理，為地震觀測研究提供有價(jià)值的信息。

不僅如此，“張衡一號”還能支持地球系統(tǒng)特別是電離層與其它相關(guān)圈層相互作用及其效應(yīng)研究，能向航空航天、導(dǎo)航通信等相關(guān)領(lǐng)域提供空間電磁環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)。

積累震例 服務(wù)研究

“張衡一號”不是直接觀看地震的發(fā)生過程，而是通過收集震前短期、臨震期釋放到空中的電場、磁場、高能粒子、等離子體等的變化數(shù)據(jù)來進(jìn)一步觀測地震。

針對不同的物理變化，“張衡一號”配備了不同的觀測手段，通過積累震例數(shù)據(jù)，為科學(xué)家提煉規(guī)律提供依據(jù)，從而進(jìn)一步總結(jié)出相應(yīng)的理論結(jié)論。

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，目前7級以上地震，中國3年2次，全球每年18次；6級以上地震，中國每年4次，全球每年150次。

“天上一天，地上25年”，申旭輝介紹，張衡一號在天上一天得到的數(shù)據(jù)可能是在地面上25年才能獲得的數(shù)據(jù)，將為地震科學(xué)家開展研究提供極大的數(shù)據(jù)資料支撐。

申旭輝認(rèn)為，地震預(yù)測領(lǐng)域想要有跨越式發(fā)展，需要觀測能力、數(shù)據(jù)分析處理能力、地震領(lǐng)域科技理論的大幅度提升，“張衡一號”做的就是第一步，提升觀測能力。

8臺有效載荷和諧相處

張衡一號衛(wèi)星上搭載了3種8臺有效載荷，分別是探測電磁場的高精度磁強(qiáng)計(jì)、感應(yīng)式磁力儀和電場探測儀；探測等離子體的朗繆爾探針、等離子體分析儀、GNSS掩星接收機(jī)和三頻信標(biāo)機(jī)；探測高能粒子的高能粒子探測器。

它們就像衛(wèi)星的觸角一樣，能夠感受到各種來自地球磁場、電場、等離子體、高能粒子的變化。

▲ 試驗(yàn)隊(duì)員在工作中 陳楚文攝

不過，在距離地球500公里的高空觀測磁場變化，相當(dāng)于在大象身上測出一只螞蟻的重量變化，并且描述大象的情況，其誤差不能超過螞蟻的重量。這對載荷的靈敏度、準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性都提出了極高的要求。

以高精度磁強(qiáng)計(jì)為例，它的探測靈敏度極高，可以分辨出背景磁場百萬分之一的信號。同時(shí)它的矢量準(zhǔn)確度可以優(yōu)于0.5納特，該產(chǎn)品將為我國首次對全球矢量磁場進(jìn)行準(zhǔn)確探測，并繪制全球地磁圖，并以此為基礎(chǔ)建立我國首個(gè)全球磁場數(shù)據(jù)庫。

要把這么多載荷有機(jī)地集成在一起，并取得有效的科學(xué)數(shù)據(jù)，需要考慮非常多的技術(shù)指標(biāo)。作為航天東方紅公司研制小衛(wèi)星中載荷種類、數(shù)量最多的衛(wèi)星，張衡一號衛(wèi)星在研制過程中經(jīng)過了大量的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證工作，最終使得這些需求各異的載荷在同一顆衛(wèi)星上能夠“和諧相處”。

據(jù)介紹，“張衡一號”的設(shè)計(jì)指標(biāo)和載荷配置均超過國外同類衛(wèi)星。

打造首顆磁潔凈衛(wèi)星平臺

除了有效載荷，在近地軌道地球磁場很強(qiáng)大的情況下，要精確探測地球磁場的細(xì)微變化，對衛(wèi)星本體的電磁潔凈度也提出了非常高的要求。

▲ 精心測試 陳楚文攝

俗話說“沒有金剛鉆，不攬瓷器活”、“打鐵還需自身硬”。衛(wèi)星本體磁性對磁場測量影響不確定性要控制在0.5納特，這相當(dāng)于地球表面磁場強(qiáng)度的十萬分之一。

▲ “張衡一號”兩總袁仕耿（左）講解衛(wèi)星觀測地震原理 陳楚文攝

▲ “張衡一號”發(fā)射狀態(tài)結(jié)構(gòu)圖

圍繞衛(wèi)星本體自身磁潔凈度的極高要求，衛(wèi)星研制單位東方紅公司進(jìn)行了一系列創(chuàng)新探索。其中之一就是，國內(nèi)首次自主研制具有輕質(zhì)、低磁、一維展開特點(diǎn)的卷筒式伸桿機(jī)構(gòu)，首次實(shí)現(xiàn)彈性卷筒國產(chǎn)化，機(jī)構(gòu)的伸桿指向精度、展開狀態(tài)基頻等關(guān)鍵性能指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平。

伸桿機(jī)構(gòu)包括兩種，一種類似魔術(shù)表演中的魔術(shù)棒，收攏時(shí)只有手掌大小，展開后可以長達(dá)5米；另一種就像我們的手臂，張開后長度可達(dá)到5米，收納比為39，達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

如果把我們這次任務(wù)比作孫悟空西天取經(jīng)，那么伸桿機(jī)構(gòu)就是孫悟空的法寶“金箍棒”，它能縮能伸，發(fā)射時(shí)收攏在“孫悟空”耳朵里，以承受發(fā)射過程力學(xué)載荷。

“金箍棒”的材料可謂是精挑細(xì)選，為了滿足磁潔凈度要求，伸桿機(jī)構(gòu)上的每種材料都經(jīng)歷過篩選和測試；“金箍棒”在地面上經(jīng)歷了多次高低溫循環(huán)試驗(yàn)，能夠確保它在遙遠(yuǎn)的軌道上可靠展開，可謂是“真金不怕火煉”；更重要的是，“金箍棒”展開后還能紋絲不動，在軌經(jīng)歷超過200℃溫度交變后，有效載荷位置變化不會大于一枚硬幣的厚度。

最終，“張衡一號”打造了我國首顆磁潔凈衛(wèi)星平臺，衛(wèi)星整星磁潔凈度達(dá)到了0.33納特，達(dá)到國際先進(jìn)水平。

地球物理場動態(tài)監(jiān)測

張衡一號衛(wèi)星是我國地震立體觀測體系第一個(gè)天基平臺，同時(shí)也是我國地球物理場探測衛(wèi)星計(jì)劃的首發(fā)星。其意義一是在于獲取全球地磁場和電離層環(huán)境及其變化信息，填補(bǔ)我國在該領(lǐng)域信息獲取能力空白，支撐構(gòu)建全球地磁場和電離層模型。

二是基于天基觀測優(yōu)勢，提升中國全境電磁場和電離層監(jiān)測能力，填補(bǔ)地面觀測臺網(wǎng)在青藏高原和海域地區(qū)觀測不足。獲取全球震例，大幅增加震例檢驗(yàn)機(jī)會。

三是為空間天氣預(yù)警、通信導(dǎo)航環(huán)境監(jiān)測、空間物理和地球物理研究提供重要數(shù)據(jù)支持，服務(wù)于基礎(chǔ)科學(xué)研究。

目前，我國主要以光學(xué)、雷達(dá)進(jìn)行對地觀測，張衡一號衛(wèi)星發(fā)射運(yùn)行補(bǔ)齊了我國對地觀測的有效手段，填補(bǔ)對地電磁觀測空白，將使我國首次具備全疆域和全球三維地球物理場動態(tài)監(jiān)測能力，初步建立全球電離層和地磁場模型，研究地球系統(tǒng)各圈層相互作用及其效應(yīng)根據(jù)地球巖石層-大氣層-電離層耦合機(jī)理。

未來國內(nèi)電磁監(jiān)測衛(wèi)星發(fā)展

地震預(yù)測是世界性的未解難題，“張衡一號”從數(shù)據(jù)觀測做起，離預(yù)報(bào)地震還有很長的路要走，袁仕耿解釋說。

“張衡一號”的回歸周期是5天，在一次較大地震發(fā)生前后的一段時(shí)間內(nèi)，它可能飛過地震震中上空的次數(shù)會很少，每次略過的時(shí)間又很短，可以獲得的觀測數(shù)據(jù)非常有限，另外還會受到干擾因素的影響，所以僅憑單顆衛(wèi)星獲得的數(shù)據(jù)來判斷地震的時(shí)間、位置和強(qiáng)度有很大的困難。

未來，以張衡一號衛(wèi)星為基礎(chǔ)，我國還將繼續(xù)推進(jìn)綜合空間信息應(yīng)用研究，跨越式提高防震減災(zāi)空間信息業(yè)務(wù)應(yīng)用能力。目前，國防科工局、中國地震局、發(fā)改委、財(cái)政部等正在加快推動電磁監(jiān)測衛(wèi)星張衡一號02星的論證工作，計(jì)劃于2020年發(fā)射。

此次“張衡一號”的科學(xué)研究得到了多國的共同支持，法國、俄羅斯、歐空局等向張衡一號衛(wèi)星科學(xué)團(tuán)隊(duì)提供了大量歷史及在軌的電磁衛(wèi)星數(shù)據(jù)，分享了他們的研究成果和研制經(jīng)驗(yàn)，意大利空間局和奧地利空間所研制提供了相應(yīng)的有效載荷。

未來，張衡一號衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)也將為國際合作提供服務(wù)。

▲ 長二丁火箭轉(zhuǎn)運(yùn) 謝誠靈攝

相關(guān)鏈接：國際同類衛(wèi)星現(xiàn)狀

國際上，基于衛(wèi)星的空間電磁探測從20世紀(jì)50年代起就一直在進(jìn)行。其中，美國、俄羅斯、法國等國發(fā)射了多顆圍繞電離層空間電磁環(huán)境探測的衛(wèi)星。

◆20世紀(jì)60年代，美國國防部啟動國防氣象衛(wèi)星項(xiàng)目，提供地球空間環(huán)境信息。

◆2000年，德國發(fā)射了一顆Champ衛(wèi)星，主要目的包括測定全球磁場和電場，實(shí)現(xiàn)大氣和電離層探測。

◆2003年，美國發(fā)射了一顆重4.5千克的地震衛(wèi)星，用于研究磁場信號與地震巖石破裂關(guān)系機(jī)理。該衛(wèi)星在軌運(yùn)行1年半。

◆2004年，法國發(fā)射了一顆Demeter衛(wèi)星，研究與地震有關(guān)的電離層擾動及引起電離層擾動的機(jī)理，探測全球尺度的衛(wèi)星高度上的電磁環(huán)境。這顆衛(wèi)星連續(xù)在軌運(yùn)行6年半，積累了許多觀測數(shù)據(jù)資料，為地震電磁耦合機(jī)理研究提供了寶貴的資料，取得了巨大成功。

◆2013年，歐空局Swarm衛(wèi)星星座采用3顆衛(wèi)星3個(gè)不同的極軌軌道，研究地核動力學(xué)、巖石圈磁場及地質(zhì)背景等。

◆目前，美國、俄羅斯、烏克蘭、意大利等國都有發(fā)射地震電磁衛(wèi)星的計(jì)劃。