張衡－1衛(wèi)星的先進(jìn)有效載荷

1 引言

2018年2月2日成功發(fā)射的張衡－1衛(wèi)星是我國地震立體觀測體系第一個天基平臺，它的主要科學(xué)目標(biāo)是為未來建立地震前兆電磁監(jiān)測衛(wèi)星業(yè)務(wù)化系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)準(zhǔn)備。該衛(wèi)星由中國空間技術(shù)研究院航天東方紅衛(wèi)星有限公司抓總研制。

根據(jù)地震電磁輻射及其傳播特征，張衡－1衛(wèi)星配置了3類8種有效載荷：一是探測電磁場的有效載荷，包括高精度磁強(qiáng)計(jì)、感應(yīng)式磁力儀和電場探測儀；二是探測等離子體的有效載荷，包括等離子體分析儀、朗繆爾探針、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)掩星接收機(jī)（GNSS掩星接收機(jī)）和三頻信標(biāo)機(jī)；三是探測高能粒子的有效載荷，包括高能粒子探測器等。同時，根據(jù)相關(guān)國際合作協(xié)議，衛(wèi)星上還安裝有意大利提供的高能粒子探測器和奧地利提供的絕對磁場校準(zhǔn)裝置，其中意大利高能粒子探測器與中方研制的高能粒子探測器互為補(bǔ)充，聯(lián)合完成空間高能粒子的探測；奧地利絕對磁場校準(zhǔn)裝置為中方研制載荷的磁通門磁強(qiáng)計(jì)提供校準(zhǔn)。

張衡－1衛(wèi)星

2 探測電磁場的有效載荷

高精度磁強(qiáng)計(jì)

高精度磁強(qiáng)計(jì)由磁通門磁強(qiáng)計(jì)和絕對磁場校準(zhǔn)裝置組成。高精度磁強(qiáng)計(jì)采用我們最熟悉的電磁感應(yīng)原理，通過一系列設(shè)計(jì)好的線圈系統(tǒng)，在電和磁的交替感應(yīng)過程中將空間磁場的信息調(diào)制為最終的電信號；絕對磁場校準(zhǔn)裝置利用銣87原子與磁場有關(guān)的量子效應(yīng)進(jìn)行磁場測量。第一種可以準(zhǔn)確測量磁場方向，第二種可以準(zhǔn)確測量磁場大小，兩種結(jié)合就可以準(zhǔn)確測量磁場的大小和方向，也就是磁場“矢量”。

高精度磁強(qiáng)計(jì)的探測非常靈敏、準(zhǔn)確。它靈敏到可以分辨出背景磁場百萬分之一的信號，打個比方說，相當(dāng)可以分辨一只蚊子落在人身上產(chǎn)生的重量變化；它的準(zhǔn)確度可以優(yōu)于0.5nT，相當(dāng)于對一輛轎車的長度測量準(zhǔn)確度精確到一根頭發(fā)。

地球可以近似為一個巨大的磁鐵，產(chǎn)生的磁場保護(hù)了地球免受太陽風(fēng)的破壞，同時它在太陽風(fēng)吹動下也會發(fā)生變形。地球磁場的精細(xì)結(jié)構(gòu)能夠反映地球內(nèi)部構(gòu)造、海洋、空間環(huán)境等多方面的信息，對地球磁場的探測是進(jìn)行這些方面研究非常重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

高精度磁強(qiáng)計(jì)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，以此為基礎(chǔ)有望建立我國首個全球磁場模型。對地震帶地區(qū)磁場進(jìn)行長期穩(wěn)定的監(jiān)測，研究地震前后地磁變化特征。對電離層磁場進(jìn)行準(zhǔn)確探測，為我國空間科學(xué)研究、空間環(huán)境預(yù)報提供支持。

感應(yīng)式磁力儀

感應(yīng)式磁力儀基于“變化磁場產(chǎn)生電場”的原理，通過兩兩互相垂直的3副磁芯將空間中變化的磁場矢量轉(zhuǎn)換為三通道電壓而進(jìn)行測量。在磁暴、亞暴和電離層擾動等空間天氣條件下，空間中存低頻變化磁場，我們可以利用感應(yīng)式磁力儀測量其磁場矢量三分量的頻譜和隨時間變化的波形。

張衡－1衛(wèi)星感應(yīng)式磁力儀對標(biāo)世界先進(jìn)水平，具有對變化磁場的測量頻帶更寬、200Hz以下靈敏度更高、輸出數(shù)據(jù)量更大，而且感應(yīng)式磁力儀自身具有同時產(chǎn)生2個標(biāo)準(zhǔn)頻率磁場進(jìn)行在軌定標(biāo)的能力。

感應(yīng)式磁力儀具有詳查、巡查和定標(biāo)等3種工作模式，在軌預(yù)期可以獲得空間中變化磁場矢量三分量的頻譜和隨時間變化的波形。在定標(biāo)模式下，感應(yīng)式磁力儀可以通過自身的標(biāo)定。因此，感應(yīng)式磁力儀可以獲得高可信度的原始數(shù)據(jù)。

電場探測儀

電場探測儀旨在探測衛(wèi)星軌道環(huán)境空間電場。為了感知空間三維電場，探測儀通過卷筒式伸桿機(jī)構(gòu)向衛(wèi)星本體外伸出4個傳感器，正如四個靈敏的觸角，每個觸角都能準(zhǔn)確的感知其所在周圍等離子體環(huán)境電勢，而兩觸角間電勢差與距離的商就是兩觸角方向的電場，多組不共面方向的電場便能換算出空間三維電場；而供給觸角能量、接收觸角信息并指揮觸角運(yùn)行的便是探測儀的信號處理單元，它發(fā)揮著大腦和心臟的作用，還具有指揮探測儀以何種模式運(yùn)行、打包壓縮信息、與衛(wèi)星溝通等功能；連接觸角和信號處理單元的是4根特制具有承力特性的傳輸電纜，既保證了觸角能夠接收命令、傳輸信息，也為將觸角伸展至指定位置的卷筒式伸桿提供了拉緊力。

電場探測儀是目前國際上運(yùn)行在太陽同步軌道上功能配置最齊全的空間電場探測儀器，采用了先進(jìn)的主動式電場探測技術(shù)—在空間等離子環(huán)境中，傳感器周圍會產(chǎn)生鞘層阻抗，相當(dāng)于給觸角罩上了一層屏蔽，觸角便不能準(zhǔn)確感知其周圍的等離子體電勢，當(dāng)給觸角施加一個主動“激勵”，便可將屏蔽減弱，觸角便可準(zhǔn)確工作；另外，探測儀頻帶范圍寬—覆蓋了與地震信息相關(guān)的敏感頻段，其中既包含了研究學(xué)者多關(guān)注報道的低頻段，也包含了探測到的偶發(fā)地震現(xiàn)象的高頻段。

電場探測儀的國際先進(jìn)指標(biāo)有：動態(tài)范圍大（達(dá)120dB以上）且分辨率高（低頻段達(dá)到1μV/m）—如果將電場探測儀比作一把度量電場的尺子，動態(tài)范圍大首先說明這把尺子可以測的范圍大—比如我們擁有一把長度為10m的尺子來丈量土地，分辨率高說明尺子上的最小刻度小，就是說我們用10m的尺子丈量土地還能精確到微米的精度。國際上先進(jìn)的電場探測儀的動態(tài)范圍在90dB左右，低頻的分辨率在40μV/m，而張衡－1衛(wèi)星電場探測儀的指標(biāo)都領(lǐng)先該水平。

在軌期間，獲得的空間電場數(shù)據(jù)不僅可用于日地物理研究、空間天氣研究、氣象預(yù)報，并為航天活動提供空間電磁環(huán)境狀態(tài)數(shù)據(jù)；還能為地震監(jiān)測、電波傳播、雷暴監(jiān)測等應(yīng)用領(lǐng)域提供準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和背景，提高對重大自然災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)警與評估能力。

3 探測等離子體的有效載荷

等離子體分析儀

等離子體分析儀傳感器由阻滯勢分析器、離子漂移計(jì)和離子捕獲器3個傳感器組成。阻滯勢分析器主要用來測量離子的密度、成份和溫度；離子漂移計(jì)用來測量離子的垂直軌道方向漂移速度；離子捕獲器用來測量離子總密度的漲落。

進(jìn)一步說，阻滯勢分析器是由法拉第杯發(fā)展而來，其傳感器為圓筒形，前端開口呈圓形，內(nèi)部設(shè)有多層?xùn)啪W(wǎng)，最后端為電流收集極。阻滯勢分析器的柵網(wǎng)加載掃描電壓，隨著阻滯柵網(wǎng)的掃描偏壓隨時間逐漸變化，收集極可以得到離子電流隨掃描偏壓變化的伏安特性曲線，從而獲得等離子體的離子參數(shù)。

離子漂移計(jì)的傳感器窗口為方形，傳感器的后端收集極分為均等的4塊。當(dāng)?shù)入x子體垂直入射，則后面4塊收集極上的電流彼此相等。當(dāng)?shù)入x子體以一定的角度入射，則可以通過四塊收集極上電流大小的互相比較來判斷離子的入射角，并根據(jù)阻滯勢分析器得到的軌道方向的速度參數(shù)，可計(jì)算得到離子垂直軌道方向漂移速度。

離子捕獲計(jì)安裝于三軸穩(wěn)定衛(wèi)星的迎風(fēng)面，傳感器開口與衛(wèi)星迎風(fēng)面蒙皮保持齊平，收集軌道方向上的高時間、空間分辨率的離子電流，由收集到的離子電流信號強(qiáng)度的變化，得到離子密度漲落。

張衡－1衛(wèi)星載荷等離子體分析儀的性能指標(biāo)達(dá)到了或超過了國際同類儀器的水平。比如，離子密度測量，DEMETER衛(wèi)星為102～5×105cm-3，張衡－1衛(wèi)星為5×102～1×107cm-3，離子溫度測量，DEMETER衛(wèi)星為500～5000K，張衡－1衛(wèi)星為500～10000K，還有很多方面均不同程度優(yōu)于現(xiàn)有主要的在軌衛(wèi)星。

等離子體分析儀能夠?qū)崿F(xiàn)對等離子體環(huán)境的離子溫度、密度等參數(shù)微小變化的準(zhǔn)確識別，可以獲得衛(wèi)星軌道空間的等離子體離子溫度、離子密度以及離子成分的全球分布，精準(zhǔn)捕獲電離層等離子體離子密度漲落、離子溫度、離子速度等異常信息，有效配合其它載荷在軌探測和地面觀測臺網(wǎng)資料，探索形成大地震短臨預(yù)測與預(yù)警新方法。

朗繆爾探針

張衡－1衛(wèi)星朗繆爾探針的基本工作原理是，將探針（傳感器）伸入到等離子體中之后，探針就會收集等離子體中的電子和離子，形成從等離子體到探針的電流，該電流包含了等離子體電子密度、溫度等特性參數(shù)的信息。如果給探針施加一個掃描電壓，探針收集的等離子體電流（I）就會隨著給探針施加的偏壓（Vb）的變化而變化，得到探針和等離子體相互作用的伏安（I-V）特性曲線。通過分析該I-V特性曲線，就可得到等離子體密度、溫度、懸浮電位和等離子體電位等多個參數(shù)。

目前，國際上的很多衛(wèi)星均搭載有朗繆爾探針，相比較而言，我國張衡－1衛(wèi)星載荷朗繆爾探針的性能指標(biāo)達(dá)到了國際同類儀器的先進(jìn)水平。

通過測量和分析，可以獲得衛(wèi)星軌道空間的等離子體電子溫度、電子密度的全球分布，精準(zhǔn)捕獲電離層等離子體電子異常信息，有效配合其他載荷在軌探測和地面觀測臺網(wǎng)資料，探索形成大地震短臨預(yù)測與預(yù)警新方法。

GNSS掩星接收機(jī)

我們所說的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）泛指所有的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，包括全球的、區(qū)域的和增強(qiáng)的，比如美國的“全球定位系統(tǒng)”（GPS）、俄羅斯的“格洛納斯”（GLONASS）系統(tǒng)、歐洲的“伽利略”（Galileo）系統(tǒng)，還有我國的“北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)”。

張衡－1衛(wèi)星所攜帶的GNSS掩星接收機(jī)主要不是用于衛(wèi)星導(dǎo)航，而是進(jìn)行GNSS掩星測量和數(shù)據(jù)分析工作。GNSS掩星測量是利用地球軌道上“GNSS導(dǎo)航星座-地球-LEO衛(wèi)星”之間發(fā)生的掩星現(xiàn)象進(jìn)行地球電離層與大氣測量的氣象遙感技術(shù)。GNSS導(dǎo)航信號切割地球的大氣層與電離層剖面，穿過該剖面的GNSS導(dǎo)航信號由于受到電離層電子密度影響而發(fā)生傳播特性的變化，利用這些變化可以完成地球的電離層和中性大氣層的探測。

相比于其他國家掩星探測產(chǎn)品，GNSS掩星接收機(jī)產(chǎn)品具有以下先進(jìn)指標(biāo)：第一、兼顧中國北斗系統(tǒng)，可通過北斗導(dǎo)航星完成電離層及大氣層探測；第二、GNSS掩星接收機(jī)用于掩星探測的通道數(shù)遠(yuǎn)大于其他國家產(chǎn)品，產(chǎn)品內(nèi)部具有10個GPS、5個北斗掩星通道，通道可進(jìn)行自由配置；第三、自研的工字型天線具有高增益高相位中心穩(wěn)定度等特點(diǎn)，相位中心穩(wěn)定度優(yōu)于2mm，增益優(yōu)于20dB。

GNSS掩星產(chǎn)品可通過探測多個導(dǎo)航星座的電離層與中性大氣掩星信號，獲取全球有關(guān)區(qū)域的電離層電子密度和中性大氣溫濕壓等垂直分布信息，在軌預(yù)期成果主要有：第一、每天完成不低于500次掩星事件的探測工作，數(shù)據(jù)可用率不低于60%；第二、電離層探測產(chǎn)品F2層峰值電子密度探測精度優(yōu)于10%；第三、大氣層探測產(chǎn)品折射率探測精度優(yōu)于1%。

三頻信標(biāo)機(jī)

三頻信標(biāo)機(jī)從星上發(fā)射甚高頻（V H F，150MHz)、 特高頻(UHF，400MHz)、L頻段(1067MHz)三個頻段的信標(biāo)信號，結(jié)合地面三頻信標(biāo)接收機(jī)組網(wǎng)觀測，基于差分多普勒和電離層層析成像原理，可實(shí)現(xiàn)對電離層的大范圍、高時間分辨率、高水平分辨率的立體掃描，并能對F2層以上電離層的狀態(tài)以及對小尺度電離層不均勻體結(jié)構(gòu)進(jìn)行測量，獲取高精度電離層總電子含量和電離層電子密度剖面信息，是一種天基電離層探測新技術(shù)。

三頻信標(biāo)機(jī)第一階段在指定區(qū)域工作，覆蓋我國首都圈地區(qū)和南北地震構(gòu)造帶，目前已經(jīng)在甘肅、寧夏以及云南、四川等區(qū)域建設(shè)了幾條觀測帶，隨著地面系統(tǒng)建設(shè)的發(fā)展以及國際合作的開展，將陸續(xù)開展其他區(qū)域的觀測。

4 探測高能粒子的有效載荷

高能粒子探測器

能量的高低是相對的，衛(wèi)星所探測的高能粒子主要是廣泛存在于地球外太空的以接近光速快速運(yùn)行的電子和質(zhì)子。這些粒子被地磁場所束縛，其能量可達(dá)數(shù)百兆電子伏，由于他們能量很高，數(shù)量龐大，具有強(qiáng)輻射性，在他們所存在的地球外太空的很大范圍形成強(qiáng)輻射區(qū)域，叫做“地球輻射帶”。這些高能帶電粒子的運(yùn)動形態(tài)和分布對電磁波十分敏感，這其中就包括地震、火山、雷暴等發(fā)出的天然電磁波，也包括人類活動所發(fā)射的電磁波等。

這里特別提到地震活動所發(fā)射的電磁波可以傳播到太空，引起高能粒子運(yùn)動和分布的變化。因此這些高能粒子可以作為探索從空間監(jiān)測和研究地震的一條有益途徑。

高能粒子探測器主要探測粒子的能量、種類和入射方向。

1）由于高能粒子能量很高，他們可以和粒子探測器的靈敏材料發(fā)生相互作用，比如可以在硅半導(dǎo)體探測材料中使其發(fā)生電力而形成很多電子-空穴對，他們在外加電場的作用下向兩級漂移，從而產(chǎn)生電信號；再比如可以在晶體探測器中沉積能量激發(fā)出熒光，再通過對熒光的收集和光電轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)化成電信號，根據(jù)對電信號的計(jì)算和處理后形成原始數(shù)據(jù)。通過標(biāo)定得到數(shù)據(jù)與粒子入射能量的關(guān)系之后，重建粒子的能量。

2）粒子鑒別則主要基于不同種類的粒子在探測器中的物理過程的不同，使得他們在各層探測器中的沉積能量之間的關(guān)系具有顯著差異，同時這也需要結(jié)合標(biāo)定來實(shí)現(xiàn)。

3）而入射方向的探測原理則比較簡單，可以簡單的理解為通過記錄粒子的入射痕跡反推而得。

高能粒子探測器的探測粒子能量范圍分別是電子0.1～50MeV、質(zhì)子2～200MeV，覆蓋了輻射帶高能帶電粒子的主要能區(qū)。其粒子種類鑒別能力可達(dá)90%以上，角分辨能力在主要能區(qū)可達(dá)5°以下，能量分辨率在主要能區(qū)可達(dá)10%以下。上述指標(biāo)均達(dá)到了國際同類探測器的先進(jìn)水平。

地球輻射帶存在大量高能帶電粒子，這些高能粒子的強(qiáng)輻射性對運(yùn)行中的航天器和宇航員都有很大威脅，因此自從人們意識到這個問題之后，對輻射帶的研究一直飽受關(guān)注。高能粒子探測器將探測空間高能粒子的分布與異常沉降事件，為我國首次以寬能區(qū)、高角度和能量分辨率對全球空間輻射環(huán)境進(jìn)行準(zhǔn)確探測，并繪制全球高能粒子分布圖。同時對地震帶地區(qū)磁場進(jìn)行長期穩(wěn)定的檢測，研究其動態(tài)演化規(guī)律和地震期間的變化特征，對近地空間輻射環(huán)境進(jìn)行準(zhǔn)確探測，為我國空間科學(xué)研究、空間環(huán)境預(yù)報提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

5 小結(jié)

作為國內(nèi)地震立體觀測體系首個天基平臺和首個地球物理場探測衛(wèi)星，張衡－1衛(wèi)星主要用于獲取全球空間電磁場、電磁波、電離層等離子體和高能粒子沉降等科學(xué)數(shù)據(jù)，為地震機(jī)理研究、空間環(huán)境監(jiān)測和地球系統(tǒng)科學(xué)研究提供新的技術(shù)手段，為研究地震電磁電離層信息特征及機(jī)理提供新的途徑。同時，該衛(wèi)星探測數(shù)據(jù)也能為空間物理和地球物理研究提供重要數(shù)據(jù)支持。