中國(guó)“張衡一號(hào)”電磁監(jiān)測(cè)衛(wèi)星計(jì)劃進(jìn)展

申旭輝 澤仁志瑪 袁仕耿 張學(xué)民 王蘭煒 吳云 黃建平 趙庶凡楊艷艷 顏蕊 張振霞 林劍 劉大鵬 郭峰 譚巧

世紀(jì)之交，國(guó)際上圍繞地震是否可以預(yù)測(cè)開(kāi)展了一場(chǎng)學(xué)術(shù)大討論。以這次大討論為契機(jī)，國(guó)內(nèi)外科學(xué)家前所未有地展示了大量的觀測(cè)數(shù)據(jù)和分析結(jié)果并開(kāi)展了系統(tǒng)深入的交流互動(dòng)，陳運(yùn)泰院士借用戈達(dá)德的話總結(jié)認(rèn)為：“慎言不可能，昨日之夢(mèng)想，今日有希望，明日變現(xiàn)實(shí)。”2003年2月18—19日，中國(guó)地震局聯(lián)合國(guó)家國(guó)防科工局、科技部和國(guó)家自然基金委在北京組織香山論壇，葉叔華、許厚澤、寧津生、劉經(jīng)南、馬宗晉、馬瑾等院士專家與會(huì)討論并呼吁發(fā)展專用的地震衛(wèi)星，以建設(shè)地震立體觀測(cè)系統(tǒng)，提升多物理場(chǎng)三維觀測(cè)能力，為推進(jìn)地震預(yù)測(cè)科學(xué)研究突破奠定基礎(chǔ)（圖1）。

圖1 2003年2月26日，中國(guó)航天報(bào)刊發(fā)《院士呼喚地震監(jiān)測(cè)星》

香山論壇后，中國(guó)地震局迅速組織專家工作團(tuán)隊(duì)，吳云研究員和申旭輝研究員分別擔(dān)任專家組組長(zhǎng)和副組長(zhǎng)。由于吳云研究員工作單位在武漢，為便于工作，中國(guó)地震局協(xié)調(diào)后于2005年底對(duì)專家組進(jìn)行了調(diào)整，改由申旭輝研究員擔(dān)任組長(zhǎng)，吳云研究員任副組長(zhǎng)，錢(qián)家棟研究員等一批老專家任顧問(wèn)。從2003年開(kāi)始，這個(gè)專家組在各部門(mén)的大力支持下，廣泛調(diào)研了國(guó)際上衛(wèi)星電磁觀測(cè)技術(shù)發(fā)展，系統(tǒng)梳理了國(guó)家防震減災(zāi)能力建設(shè)需求，連續(xù)承擔(dān)了一系列衛(wèi)星系統(tǒng)規(guī)劃和衛(wèi)星關(guān)鍵技術(shù)研究及研發(fā)任務(wù)，密切跟蹤了國(guó)家民用航天技術(shù)布局，于2005年正式提出了以地震預(yù)測(cè)科學(xué)探索為重點(diǎn)、兼顧國(guó)家戰(zhàn)略需求，發(fā)展地球物理場(chǎng)衛(wèi)星計(jì)劃的建議，得到中國(guó)地震局、國(guó)家國(guó)防科工局、發(fā)展改革委等部門(mén)的一致支持。

在此基礎(chǔ)上，2007年10月國(guó)家國(guó)防科技工業(yè)局正式啟動(dòng)張衡一號(hào)電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星（以下簡(jiǎn)稱“張衡一號(hào)01衛(wèi)星”）工程預(yù)研和立項(xiàng)綜合論證，2009年9月中國(guó)地震局與意大利國(guó)家核物理研究院簽署張衡一號(hào)01衛(wèi)星合作協(xié)議，2009年9月底時(shí)任國(guó)務(wù)院總理溫家寶同志做出重要批示，2013年7月國(guó)務(wù)院正式批復(fù)張衡一號(hào)01衛(wèi)星工程立項(xiàng)，2013年9月中國(guó)國(guó)家航天局與意大利空間局簽署張衡一號(hào)01衛(wèi)星工程合作研制備忘錄，張衡一號(hào)01衛(wèi)星工程研制工作全面推進(jìn)。

工程概況

科學(xué)目標(biāo)：張衡一號(hào)01衛(wèi)星用于探測(cè)空間地磁場(chǎng)、電磁波、電離層等離子體原位和結(jié)構(gòu)信息，獲取全球地磁場(chǎng)和電離層環(huán)境及重建其動(dòng)態(tài)模型，積累地震電離層震例，探索地震短臨預(yù)測(cè)新方法，發(fā)展地震科學(xué)理論，研究空間天氣活動(dòng)及地球巖石層—大氣層—電離層耦合機(jī)制，并為相關(guān)領(lǐng)域科學(xué)研究提供數(shù)據(jù)服務(wù)。

工程大系統(tǒng)組成：張衡一號(hào)01衛(wèi)星工程由衛(wèi)星系統(tǒng)、運(yùn)載火箭系統(tǒng)、發(fā)射場(chǎng)系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)、地面系統(tǒng)和應(yīng)用系統(tǒng)組成（圖2）。衛(wèi)星設(shè)計(jì)運(yùn)行于高度507km的太陽(yáng)同步軌道，軌道傾角97.4°，降交點(diǎn)地方時(shí)14:00，軌道回歸周期5天。工程設(shè)計(jì)壽命5年。

圖2 張衡一號(hào)01衛(wèi)星工程大系統(tǒng)組成

有效載荷配置：星上裝載高精度磁強(qiáng)計(jì)、感應(yīng)式磁力儀、電場(chǎng)儀、等離子體分析儀、朗繆爾探針、GNSS掩星接收機(jī)、信標(biāo)發(fā)射機(jī)和高能粒子探測(cè)器，其中高精度磁強(qiáng)計(jì)與奧地利合作研制，高能粒子探測(cè)器與意大利合作研制（表1）。

表1 張衡一號(hào)01衛(wèi)星有效載荷配置表

主要數(shù)據(jù)產(chǎn)品數(shù)據(jù)產(chǎn)出：張衡一號(hào)產(chǎn)出的數(shù)據(jù)類型：電磁場(chǎng)波形和譜、地磁場(chǎng)矢量及標(biāo)量；電離層原位觀測(cè)的電子密度、電子溫度、離子密度、離子溫度、離子漂移速度、高能電子通量、高能質(zhì)子通量；電離層總電子含量、電子密度剖面等共3大類59種產(chǎn)品。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用系統(tǒng)還將不斷產(chǎn)出全球尺度的地磁場(chǎng)和電離層模型及其區(qū)域增強(qiáng)模型，并提供地磁場(chǎng)、電離層動(dòng)態(tài)信息產(chǎn)出。

在軌運(yùn)行情況

（一）在軌測(cè)試工作圓滿成功

2018年2月2日15:51，張衡一號(hào)01衛(wèi)星在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心搭載長(zhǎng)征二號(hào)丁運(yùn)載火箭發(fā)射，成功進(jìn)入預(yù)定軌道（圖3）。經(jīng)9個(gè)月的在軌測(cè)試，2018年11月在軌測(cè)試工作評(píng)審認(rèn)為取得“圓滿成功”。國(guó)際同行評(píng)價(jià)認(rèn)為總體達(dá)到國(guó)際同類衛(wèi)星同期水平，部分國(guó)際領(lǐng)先水平。有效載荷在軌功能性能測(cè)試結(jié)論詳見(jiàn)表2，其中：

圖3 張衡一號(hào)01衛(wèi)星搭載CZ-2D運(yùn)載火箭點(diǎn)火升空

表2 張衡一號(hào)01衛(wèi)星有效載荷在軌功能性能測(cè)試結(jié)論一覽表

衛(wèi)星軌道形態(tài)、軌道高度、太陽(yáng)同步性、星下點(diǎn)軌跡與地震帶捕獲要求以及衛(wèi)星平臺(tái)電磁潔凈度、平臺(tái)表面等電位控制均達(dá)到工程指標(biāo)要求;星務(wù)分系統(tǒng)、測(cè)控分系統(tǒng)、電源分系統(tǒng)、數(shù)傳分系統(tǒng)均工作正常；星地鏈路包括接收范圍、傳輸穩(wěn)定性等，均符合工程指標(biāo)要求；常規(guī)情況下，在地面接收站可見(jiàn)范圍，衛(wèi)星開(kāi)始下傳數(shù)據(jù)，鏈路穩(wěn)定；在測(cè)試時(shí)，上注指令均能正常上注和正確執(zhí)行。

在軌測(cè)試期間增加了半球工作能力，表明衛(wèi)星平臺(tái)和載荷均具備極區(qū)工作和連續(xù)工作能力，為02星平臺(tái)和載荷全球連續(xù)工作提供了質(zhì)量參考。

8個(gè)有效載荷除了三頻信標(biāo)機(jī)一個(gè)頻點(diǎn)失效、等離子體分析儀離子密度絕對(duì)值偏低和電場(chǎng)探測(cè)儀高頻靈敏度性能略差外，其他指標(biāo)均符合預(yù)期，滿足工程指標(biāo)。搭載的意大利高能粒子探測(cè)器根據(jù)雙方交流和意方提供的數(shù)據(jù)判斷，數(shù)據(jù)能夠反映空間粒子基本特征，能與中方載荷在0°和90°兩個(gè)探測(cè)方向的互補(bǔ)。

（二）運(yùn)行穩(wěn)定，科學(xué)數(shù)據(jù)產(chǎn)出持續(xù)有效

張衡一號(hào)01衛(wèi)星自2018年2月2日發(fā)射入軌以來(lái)，運(yùn)行穩(wěn)定，科學(xué)數(shù)據(jù)產(chǎn)出持續(xù)有效。截至2021年7月1日，衛(wèi)星在軌穩(wěn)定運(yùn)行40個(gè)月，累計(jì)繞地球飛行18935圈。其間，國(guó)家自然災(zāi)害防治研究院與衛(wèi)星系統(tǒng)、地面系統(tǒng)和測(cè)控系統(tǒng)聯(lián)合，累計(jì)開(kāi)展了18次衛(wèi)星在軌常規(guī)軌控任務(wù)，開(kāi)展了15次星上載荷科學(xué)試驗(yàn)，3次半球工作模式觀測(cè)，通過(guò)上注指令實(shí)現(xiàn)載荷軟件更新或死機(jī)狀態(tài)重啟13次。

國(guó)家自然災(zāi)害防治研究院從地面系統(tǒng)累積獲取1～2級(jí)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品113.2TB。衛(wèi)星記錄全球6級(jí)以上地震371個(gè)(中國(guó)13個(gè)),其中全球7級(jí)以上地震41個(gè)(中國(guó)1個(gè)),記錄到了強(qiáng)磁暴事件1次,對(duì)外向意大利空間局、歐洲空間局、中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心、GEO數(shù)據(jù)重心等提供在線數(shù)據(jù)下載服務(wù)，目前在線注冊(cè)超過(guò)20余家單位，累積數(shù)據(jù)下載量近200TB。

基于張衡一號(hào)01衛(wèi)星數(shù)據(jù)，國(guó)際地球物理場(chǎng)建模歷史上首次產(chǎn)出了中國(guó)模型，填補(bǔ)了多項(xiàng)研究空白。我們的意大利合作伙伴榮獲“2019年度中國(guó)國(guó)際科技合作獎(jiǎng)”并稱贊中方是“可信賴的合作伙伴”，張衡一號(hào)01衛(wèi)星合作也于2020年獲評(píng)中意建交50周年最重大科技合作成果。

2020年底，張衡一號(hào)01衛(wèi)星正式完成了衛(wèi)星在軌交付。

取得的主要科技成果

2021年2月2日，張衡一號(hào)01衛(wèi)星成功在軌運(yùn)行3周年。衛(wèi)星入軌3年來(lái)，應(yīng)急管理部國(guó)家自然災(zāi)害防治研究院聯(lián)合國(guó)內(nèi)外科研團(tuán)隊(duì)，開(kāi)展了系統(tǒng)的科學(xué)研究和廣泛的國(guó)際合作，取得豐碩研究成果。2018年2月2日和2019年3月23日，習(xí)近平總書(shū)記兩次高度評(píng)價(jià)張衡一號(hào)01衛(wèi)星研制和合作成果，獲得2019年度中國(guó)國(guó)際科技合作獎(jiǎng)的意大利空間局前局長(zhǎng)羅伯托·巴蒂斯通教授評(píng)價(jià)“中國(guó)科學(xué)家是可靠的合作伙伴”，IUGG地震與火山電磁學(xué)跨協(xié)會(huì)工作組前后兩任主席均表示“熱切期待與張衡一號(hào)衛(wèi)星的合作”。

（一）成功構(gòu)建我國(guó)首個(gè)全球參考地磁場(chǎng)模型，達(dá)到國(guó)際同期水平，具有重大戰(zhàn)略意義

基于張衡一號(hào)01衛(wèi)星數(shù)據(jù)建立了全球參考地磁場(chǎng)模型CGGM2020.0（圖4）。該模型經(jīng)國(guó)際地磁與高空物理聯(lián)合會(huì)（IAGA）評(píng)估，符合全球地磁參考場(chǎng)IGRF建模精度要求并入選新一代IGRF模型IGRF2020.0。全球參考地磁場(chǎng)模型CGGM2020.0是IGRF一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)唯一由中國(guó)科學(xué)家牽頭且唯一完全采用中國(guó)數(shù)據(jù)制作的全球參考地磁場(chǎng)模型。目前，該模型系數(shù)及模型計(jì)算器已在中國(guó)地震局衛(wèi)星地震應(yīng)用中心網(wǎng)站www.leos.ac.cn和國(guó)家自然災(zāi)害防治研究院網(wǎng)站www.ninhm.ac.cn發(fā)布，免費(fèi)提供用戶下載使用。

圖4 全球參考地磁場(chǎng)模型CGGM2020.0

CGGM2020.0的建立，標(biāo)志著我國(guó)已經(jīng)全面掌握全球地磁場(chǎng)建模關(guān)鍵技術(shù)，填補(bǔ)了我國(guó)在全球地磁場(chǎng)戰(zhàn)略信息資源獲取領(lǐng)域的能力空白。張衡一號(hào)01衛(wèi)星團(tuán)隊(duì)正在融合多種數(shù)據(jù)，構(gòu)建高分辨率高精度全球和區(qū)域地磁場(chǎng)模型，為應(yīng)急組合導(dǎo)航、全球資源探查、國(guó)家安全以及“一帶一路”和人類命運(yùn)共同體建設(shè)提供重要的戰(zhàn)略信息資源保障。

（二）發(fā)展了地球巖石層—大氣層—電離層耦合模型，突破了現(xiàn)有勘探地球物理理論的局限，為地球系統(tǒng)科學(xué)和地球關(guān)鍵圈層研究奠定重要科學(xué)基礎(chǔ)

基于張衡一號(hào)01衛(wèi)星海量觀測(cè)，開(kāi)展了大量數(shù)學(xué)物理模擬，構(gòu)建了基于全波方法的低頻電磁波跨圈層傳播模型（圖5）。系統(tǒng)證實(shí)地下低頻電磁波能夠穿透巖石圈和電離層到達(dá)衛(wèi)星高度，精細(xì)仿真了低頻電磁波傳播滲透特征，修正了前人關(guān)于地球巖石層—大氣層—電離層間電磁波傳播問(wèn)題上“高頻波出不來(lái)，低頻波上不去”認(rèn)識(shí)的局限，發(fā)展了低頻電磁波跨電離層傳播滲透模型。該項(xiàng)成果在理論上將空間對(duì)地觀測(cè)能力從地表拓展到地下，衛(wèi)星地球物理反演分辨率從百公里尺度提高到百米尺度，為發(fā)展天基隱伏地物高分辨率探測(cè)技術(shù)，規(guī)劃發(fā)展下一代地球物理場(chǎng)探測(cè)衛(wèi)星，完善地球系統(tǒng)科學(xué)理論奠定了科學(xué)基礎(chǔ)。

圖5 基于全波方法的低頻電磁波跨圈層傳播模型

（三）初步證實(shí)地震電磁輻射能夠到達(dá)電離層高度被衛(wèi)星接收到，為地震預(yù)測(cè)科學(xué)探索提供了新的途徑

2018年2月17日，張衡一號(hào)01衛(wèi)星在軌開(kāi)機(jī)工作3天后即記錄到墨西哥7.1級(jí)地震。截止到2020年12月31日，全球共發(fā)生7級(jí)以上地震33個(gè)，6級(jí)以上地震315個(gè)，其中中國(guó)境內(nèi)6級(jí)以上地震9個(gè)。根據(jù)對(duì)這些震例的跟蹤研究及統(tǒng)計(jì)分析，初步認(rèn)為對(duì)于絕大部分強(qiáng)地震，張衡一號(hào)01衛(wèi)星均記錄到了與地震相關(guān)的電磁波和等離子體異常擾動(dòng)現(xiàn)象，6級(jí)以上地震的探測(cè)概率達(dá)到60%以上，并且隨著發(fā)震時(shí)刻臨近，可能檢測(cè)到的概率也明顯提高（圖6）。

地震預(yù)測(cè)作為一個(gè)世界性科學(xué)難題，其主要原因之一在于大地震的小概率特性。張衡一號(hào)01衛(wèi)星以其全球觀測(cè)能力，突破了地面觀測(cè)局限，能夠有效捕捉全球震例，從而為探索地震預(yù)測(cè)科學(xué)理論和方法，提供了全新的數(shù)據(jù)和可能。

（四）精準(zhǔn)記錄空間天氣活動(dòng)，支撐形成空間天氣災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警能力，為重大帶電生命線工程安全提供保障

張衡一號(hào)01衛(wèi)星各個(gè)載荷具備了對(duì)空間天氣災(zāi)害事件的精準(zhǔn)響應(yīng)能力。2018年8月發(fā)生的大磁暴是張衡一號(hào)01衛(wèi)星發(fā)射以來(lái)遇到的最大的磁暴（Dst值到達(dá)-174nT）。衛(wèi)星各個(gè)載荷觀測(cè)到了磁暴初相、主相和恢復(fù)相的各個(gè)階段多種地球物理場(chǎng)物理參量的擾動(dòng)（圖7）。衛(wèi)星在軌期間，還精確記錄了日食、海嘯、風(fēng)暴潮、南大西洋磁異?；顒?dòng)以及多種空間電磁波活動(dòng)，在空間天氣災(zāi)害和極端天氣災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警方面具有良好的應(yīng)用前景。

圖7 張衡一號(hào)衛(wèi)星對(duì)2018年8月26日的強(qiáng)磁暴的記錄

空間天氣災(zāi)害是影響現(xiàn)代技術(shù)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行和社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要因素。1989年冬季加拿大魁北克600萬(wàn)人停電、2011年日本311地震后GPS導(dǎo)航信號(hào)中斷46個(gè)小時(shí)、2017年北美磁暴—颶風(fēng)—地震復(fù)合災(zāi)害期間應(yīng)急通信系統(tǒng)失效。張衡一號(hào)01衛(wèi)星將形成生命線工程的空間天氣災(zāi)害效應(yīng)和極端條件下應(yīng)急通信導(dǎo)航環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警能力，密切配合國(guó)家戰(zhàn)略和國(guó)家安全需要，有效保障“兩個(gè)一百年目標(biāo)”實(shí)現(xiàn)。

發(fā)展展望

2015年5月，國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)《國(guó)家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃（2015—2025）》（國(guó)辦發(fā)〔2015〕39號(hào)），規(guī)劃“進(jìn)一步完善光學(xué)觀測(cè)、微波觀測(cè)、物理場(chǎng)探測(cè)手段，建設(shè)高分辨率光學(xué)、中分辨率光學(xué)和合成孔徑雷達(dá)三個(gè)觀測(cè)星座，發(fā)展地球物理場(chǎng)探測(cè)衛(wèi)星，圍繞地震、減災(zāi)、國(guó)土、測(cè)繪、海洋等行業(yè)對(duì)地球物理環(huán)境變化監(jiān)測(cè)需求，發(fā)展電磁監(jiān)測(cè)與重力梯度測(cè)量等手段，形成地球物理場(chǎng)探測(cè)能力”。按照《國(guó)家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃（2015—2025）》部署，在張衡一號(hào)01衛(wèi)星成功發(fā)射基礎(chǔ)上，2018年4月，發(fā)展改革委批復(fù)了張衡一號(hào)02衛(wèi)星工程可行性論證報(bào)告，作為我國(guó)地球物理場(chǎng)探測(cè)衛(wèi)星計(jì)劃的首發(fā)星。

張衡一號(hào)系列衛(wèi)星的發(fā)展，得到了國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人的高度關(guān)注，2018年2月2日，習(xí)近平總書(shū)記就張衡一號(hào)01衛(wèi)星成功入軌親致賀電，指出：“中意兩國(guó)在電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星項(xiàng)目合作中取得的重大成果，是中意全面戰(zhàn)略伙伴關(guān)系的重要體現(xiàn)，將有力提升兩國(guó)利用航天技術(shù)對(duì)地球電磁環(huán)境的監(jiān)測(cè)能力和水平，為地震預(yù)警、防災(zāi)減災(zāi)發(fā)揮重要作用，服務(wù)兩國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展?！?019年3月23日，習(xí)近平總書(shū)記國(guó)事訪問(wèn)意大利期間，再次高度評(píng)價(jià)電磁監(jiān)測(cè)衛(wèi)星成功合作，并表示“雙方愿進(jìn)一步深化電磁監(jiān)測(cè)02星任務(wù)的合作”。

兩年來(lái)，按照習(xí)近平總書(shū)記2019年3月23日指示，國(guó)家自然災(zāi)害防治研究院堅(jiān)決落實(shí)部領(lǐng)導(dǎo)要求，尤其是2020年12月1日尚勇副部長(zhǎng)、12月2日鄭國(guó)光工程總指揮批示要求，組織工程技術(shù)團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了系統(tǒng)深入的設(shè)計(jì)論證工作，及時(shí)跟蹤張衡一號(hào)01衛(wèi)星在軌測(cè)試和運(yùn)行成果，充分吸收國(guó)際同類型衛(wèi)星研制和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，積極落實(shí)和協(xié)調(diào)中意合作，有序推進(jìn)張衡一號(hào)02衛(wèi)星工程各項(xiàng)工作。目前，已經(jīng)完成工程初步設(shè)計(jì)工作，預(yù)計(jì)在2022年底前后完成衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)。

在此期間，以2019年澳門(mén)回歸祖國(guó)20周年為契機(jī)，國(guó)家航天局啟動(dòng)了澳門(mén)一號(hào)衛(wèi)星研制任務(wù)，設(shè)計(jì)運(yùn)行在低傾角的LEO軌道上，具備與張衡一號(hào)01衛(wèi)星、張衡一號(hào)02衛(wèi)星虛擬組網(wǎng)觀測(cè)能力。到2022年底，我國(guó)將初步具備高精度高分辨率地磁場(chǎng)和電離層建模能力，為地震科學(xué)探索、空間天氣災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警、通信導(dǎo)航環(huán)境管理提供寶貴的信息支持。