張衡一號(hào)電磁衛(wèi)星在軌情況及主要的科學(xué)成果

澤仁志瑪，劉大鵬，孫曉英，楊艷艷，趙庶凡，顏 蕊，張振霞，黃 河，楊德賀，王 婕，楚 偉，王 橋，許 嵩，胡云鵬，林 劍，譚 巧，黃建平，魯恒新，郭 峰，周 娜，李文靜，申旭輝

應(yīng)急管理部國(guó)家自然災(zāi)害防治研究院，北京 100085

0 引 言

眾所周知地球電磁場(chǎng)、重力場(chǎng)、電離層結(jié)構(gòu)和相關(guān)的模型是認(rèn)識(shí)地球各圈層特性及演變過(guò)程的重要媒介，是監(jiān)測(cè)自然災(zāi)害的直接手段.地球物理場(chǎng)也是重要的戰(zhàn)略信息資源，地球物理場(chǎng)的改變會(huì)對(duì)重要生命線系統(tǒng)和高科技設(shè)施等帶來(lái)明顯影響甚至破壞性作用.因此人類渴望能夠早日實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)地觀測(cè)地球物理場(chǎng)，充分認(rèn)識(shí)其變化規(guī)律.1960年左右，人類對(duì)地球物理場(chǎng)的探測(cè)從地表擴(kuò)展到了空間，蘇聯(lián)、美國(guó)等先后發(fā)射了Intercosmos 系列、MAGSAT、ORSTED、DEMETER、SWARM 星座等為代表的電磁衛(wèi)星、地磁衛(wèi)星和以CHAMP、GRACE、GOCE 等為代表的重力衛(wèi)星.地球物理場(chǎng)衛(wèi)星探測(cè)技術(shù)的發(fā)展改寫了人類對(duì)地球物理場(chǎng)狀態(tài)的認(rèn)識(shí)，人類先后獲得了全球地磁場(chǎng)、重力場(chǎng)及電離層環(huán)境觀測(cè)信息，開(kāi)始逐步嘗試將地球物理場(chǎng)衛(wèi)星觀測(cè)應(yīng)用于自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警、通信導(dǎo)航、國(guó)防安全等諸多領(lǐng)域.

在自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，最早在1964年阿拉斯加地震期間，科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)當(dāng)衛(wèi)星飛越震中上空時(shí)可以捕捉到異常的電磁輻射現(xiàn)象（Pulinets et al.,2018）.自此，大量衛(wèi)星、地基聯(lián)合研究不斷證明了巖石圈的地震、火山、人類活動(dòng)引起的電磁擾動(dòng)能夠從巖石圈耦合到電離層空間（Larkina et al.,1989）.2000年左右，很多國(guó)家均將電磁監(jiān)測(cè)衛(wèi)星列入航天發(fā)展計(jì)劃：如俄羅斯2001年發(fā)射的Predvestnik-E 衛(wèi)星、2001年和2006年發(fā)射的 COMPASS-I、II 衛(wèi)星；美國(guó)2003年發(fā)射的QUAKESAT 衛(wèi)星，法國(guó)2004年發(fā)射的DEMETER 衛(wèi)星.其中法國(guó)DEMETER 衛(wèi)星是最成功的地震電磁監(jiān)測(cè)衛(wèi)星（Parrot et al., 2006）.DEMETER 衛(wèi)星的主要科學(xué)目標(biāo)是研究由地震、火山噴發(fā)以及人類活動(dòng)（如電力線諧波輻射、甚低頻發(fā)射機(jī)、廣播站）引起的電離層擾動(dòng).

跟隨DEMETER 衛(wèi)星的腳步，我國(guó)于2003年啟動(dòng)了地震電磁衛(wèi)星計(jì)劃.經(jīng)過(guò)十年科學(xué)論證，2013年國(guó)家批準(zhǔn)了我國(guó)首顆電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星工程，又經(jīng)過(guò)五年攻關(guān)研制，于2018年2月2日我國(guó)首顆自主研制的電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星張衡一號(hào)成功發(fā)射（Shen et al., 2018a, 2018b）.張衡一號(hào)電磁監(jiān)測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星英文名稱為China Seismo-Electromagnetic Satellite，簡(jiǎn)稱CSES 或者ZH-1(01).迄今張衡一號(hào)衛(wèi)星在軌穩(wěn)定運(yùn)行4年多，在軌飛行超過(guò)22 400圈，各科學(xué)載荷在軌狀態(tài)穩(wěn)定.中國(guó)資源衛(wèi)星應(yīng)用中心地面系統(tǒng)和應(yīng)急管理部國(guó)家自然災(zāi)害防治研究院應(yīng)用系統(tǒng)保障了科學(xué)數(shù)據(jù)產(chǎn)品高效產(chǎn)出和及時(shí)共享.張衡一號(hào)衛(wèi)星的科學(xué)數(shù)據(jù)通過(guò)其數(shù)據(jù)共享網(wǎng)站（https://leos.ac.cn/數(shù)據(jù)服務(wù)，中英文版）或者離線方式提供共享服務(wù)，此外張衡一號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)可以根據(jù)合作單位協(xié)議，提供直接連續(xù)推送服務(wù)，目前已經(jīng)向中國(guó)地震科學(xué)數(shù)據(jù)中心、中國(guó)空間科學(xué)數(shù)據(jù)中心、國(guó)際地球觀測(cè)組織（GEO）中國(guó)秘書處及亞太空間合作組織等多個(gè)機(jī)構(gòu)定向提供標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品服務(wù).

1 張衡一號(hào)電磁衛(wèi)星簡(jiǎn)介

張衡一號(hào)電磁衛(wèi)星計(jì)劃的科學(xué)目標(biāo)是監(jiān)測(cè)全球空間電磁場(chǎng)、電離層等離子體、高能粒子沉降等，為地震機(jī)理研究、空間環(huán)境監(jiān)測(cè)和地球系統(tǒng)科學(xué)研究提供新的技術(shù)手段.張衡一號(hào)電磁衛(wèi)星計(jì)劃包括三個(gè)階段任務(wù)：第一階段是發(fā)射一顆試驗(yàn)衛(wèi)星，開(kāi)展地震監(jiān)測(cè)試驗(yàn)研究，該衛(wèi)星于2018年發(fā)射，簡(jiǎn)稱張衡一號(hào)01 星.第二階段的任務(wù)是發(fā)射一顆同類電磁衛(wèi)星張衡一號(hào)02 星，以“技術(shù)成熟，提供穩(wěn)定產(chǎn)品與服務(wù)”為主要特征，用以滿足地震監(jiān)測(cè)和全球基本地球物理場(chǎng)信息資源業(yè)務(wù)應(yīng)用需求.張衡一號(hào)02 星軌道和載荷配置繼承張衡一號(hào)01 星設(shè)計(jì)并做適當(dāng)優(yōu)化，衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命由5年增加至6年，觀測(cè)區(qū)域由01 星的南北緯65°以內(nèi)拓展到全球范圍，具備南北極地區(qū)觀測(cè)能力.目前張衡一號(hào)02 星工程建設(shè)工作正按計(jì)劃有序推進(jìn)，衛(wèi)星計(jì)劃于2023年發(fā)射入軌.第三階段的任務(wù)是計(jì)劃在“十四五”期間推動(dòng)張衡一號(hào)03 衛(wèi)星星座的立項(xiàng)，推進(jìn)地球物理場(chǎng)衛(wèi)星應(yīng)用及天地一體化系統(tǒng)研制建設(shè)與業(yè)務(wù)運(yùn)行，初步建成全球和“一帶一路”沿線重大自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警業(yè)務(wù)系統(tǒng)和全球地球物理場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng).

張衡一號(hào)01 星共配置八種有效載荷：感應(yīng)式磁力儀（Cao et al., 2018）、高精度磁強(qiáng)計(jì)（Zhou et al., 2018）、電場(chǎng)探測(cè)儀（Huang et al., 2018）、GNSS 掩星接收機(jī)（Lin et al., 2018）、等離子體分析儀（Liu et al., 2019）、朗繆爾探針（Liu et al.,2019）、高能粒子探測(cè)器（Li et al., 2019）和三頻信標(biāo)機(jī)（Lin et al., 2018）.衛(wèi)星設(shè)計(jì)運(yùn)行于高度507 km 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，衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命5年.張衡一號(hào)01 衛(wèi)星提供的標(biāo)準(zhǔn)科學(xué)數(shù)據(jù)產(chǎn)品類型如下：

（1）總磁場(chǎng)DC-15 Hz 的三分量矢量和標(biāo)量數(shù)據(jù)；

（2）變化磁場(chǎng)10 Hz～20 kHz，共計(jì)三個(gè)頻段ULF/ELF/VLF 波形和頻譜數(shù)據(jù)；

（3）空間電場(chǎng)DC～3.5 MHz，共計(jì)四個(gè)頻段ULF/ELF/VLF/HF 波形和頻譜數(shù)據(jù)；

（4）電離層等離子體原位電子密度：5×102～1×107cm-3，電子溫度：500～10 000 K；

（5）電離層等離子體原位離子成分：H+、He+、O+，離子密度：5×102～1×107cm-3， 離子溫度：500～10 000 K，離子漂移速度： -3～3 km/s；

（6）電離層高能質(zhì)子通量和能譜數(shù)據(jù)：2 MeV～200 MeV；

（7）電離層高能電子通量和能譜數(shù)據(jù)：25 keV～600 keV；

（8）電離層等離子體及大氣層結(jié)構(gòu)層析成像數(shù)據(jù)：TEC、電子密度剖面、大氣壓強(qiáng)、溫度、折射率等.

2 張衡一號(hào)電磁衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估

張衡一號(hào)電磁衛(wèi)星科學(xué)目標(biāo)是監(jiān)測(cè)地震等自然災(zāi)害，要想從空間電磁場(chǎng)擾動(dòng)中提取可靠的地震前兆信息，科學(xué)數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性是最重要的一步.因此張衡一號(hào)電磁衛(wèi)星團(tuán)隊(duì)在電磁衛(wèi)星數(shù)據(jù)定標(biāo)和質(zhì)量控制方面做了大量的研究.

在電磁場(chǎng)觀測(cè)載荷方面，Zeren 等（2022a）交叉定標(biāo)了高精度磁強(qiáng)計(jì)、感應(yīng)式磁力計(jì)和電場(chǎng)儀三個(gè)載荷在重疊觀測(cè)頻段上具有良好的一致性，論證了衛(wèi)星授時(shí)系統(tǒng)和電磁場(chǎng)載荷之間的采樣時(shí)間差異，發(fā)現(xiàn)了電磁場(chǎng)ULF/ELF 頻段采樣較穩(wěn)定的時(shí)間差并提出了高精度同步方法；Yang 等（2022）利用張衡一號(hào)衛(wèi)星三年數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析了電場(chǎng)儀和感應(yīng)式磁力儀在VLF 頻段上的采樣時(shí)間差穩(wěn)定地維持在0.5 s 以下，并提出了VLF 頻段詳查模式下電磁場(chǎng)波形數(shù)據(jù)精確時(shí)間同步算法.胡云鵬等（2020）研發(fā)了張衡一號(hào)電磁波的波矢量分析工具包，提供波形頻譜變換、奇異值分解（SVD）方法以及Poynting 能流計(jì)算功能，并通過(guò)與DEMETER 衛(wèi)星的對(duì)比觀測(cè)研究，驗(yàn)證了張衡一號(hào)衛(wèi)星在電磁場(chǎng)觀測(cè)方面具有良好的性能.Yang 等（2021b）對(duì)高精度磁強(qiáng)計(jì)數(shù)據(jù)產(chǎn)品中的磁力矩器、三頻信標(biāo)機(jī)以及出地影等磁干擾標(biāo)簽和磁干擾分布特征進(jìn)行了全面分析，并通過(guò)與同期在軌的Swarm 衛(wèi)星、CHAOS 模型以及地面觀測(cè)等開(kāi)展了多源數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估，并對(duì)科學(xué)數(shù)據(jù)增加了質(zhì)量標(biāo)簽.

在等離子體觀測(cè)載荷方面，Yan 等（2020）利用張衡一號(hào)衛(wèi)星與Swarm 衛(wèi)星三年同步觀測(cè)數(shù)據(jù)以及地基非相干散射雷達(dá)（ISR）觀測(cè)數(shù)據(jù)，交叉檢驗(yàn)了朗繆爾探針探測(cè)數(shù)據(jù)，證實(shí)了其數(shù)據(jù)質(zhì)量真實(shí)可靠，但是電子密度絕對(duì)值存在一定的差異.Yan 等（2022）發(fā)現(xiàn)了衛(wèi)星表面材料導(dǎo)電性能已隨著衛(wèi)星在軌壽命增加出現(xiàn)退化，進(jìn)而引起科學(xué)數(shù)據(jù)變化的情況，重新發(fā)布了帶有質(zhì)量標(biāo)簽的數(shù)據(jù)；關(guān)于衛(wèi)星表面材料退化等問(wèn)題已在后續(xù)張衡一號(hào)02星的研發(fā)過(guò)程中采取了相應(yīng)的解決方案.針對(duì)等離子體分析儀入軌4 個(gè)月后出現(xiàn)的污染情況，通過(guò)對(duì)VLF 地面發(fā)射站、強(qiáng)地磁暴、強(qiáng)地震引起的三種典型電離層擾動(dòng)事件觀測(cè)情況評(píng)估了其科學(xué)數(shù)據(jù)質(zhì)量（劉大鵬等, 2021; Liu et al., 2021），結(jié)果表明等離子體分析儀觀測(cè)數(shù)據(jù)的相對(duì)變化可適當(dāng)用于科學(xué)應(yīng)用.

在能量粒子觀測(cè)載荷方面，Li 等（2019）和Picozza 等（2019）分別對(duì)國(guó)產(chǎn)和意大利高能粒子探測(cè)器的載荷性能和在軌科學(xué)數(shù)據(jù)做了詳細(xì)的分析，評(píng)估了載荷參數(shù)以及地面、在軌標(biāo)定結(jié)果，并利用NWC 電子沉降帶的典型事例以及對(duì)空間天氣的響應(yīng)情況進(jìn)行了分析，證實(shí)了這兩種載荷良好的一致性.Chu 等（2018）研究了磁暴期間的高能電子通量的變化發(fā)展，證實(shí)了張衡一號(hào)衛(wèi)星能量粒子探測(cè)載荷具備不同空間天氣條件下的觀測(cè)能力.

在電離層結(jié)構(gòu)觀測(cè)載荷方面，Wang 等（2019,2020）和Lin 等（2018）利用COSMIC 衛(wèi)星、非相干散射雷達(dá)以及5 個(gè)不同經(jīng)緯度的電離層垂直測(cè)高儀數(shù)據(jù)，對(duì)張衡一號(hào)衛(wèi)星GNSS 掩星接收機(jī)峰值密度和峰值高度及電子密度廓線進(jìn)行了交叉檢驗(yàn)和質(zhì)量評(píng)估，證實(shí)了掩星接收機(jī)峰值密度和峰值高度及電子密度廓線與COSMIC 衛(wèi)星、非相干散射雷達(dá)以及電離層垂直測(cè)高儀的相關(guān)一致性，能夠反映出電離層特征客觀變化.

這些數(shù)據(jù)定標(biāo)工作表明張衡一號(hào)電磁衛(wèi)星與其它衛(wèi)星觀測(cè)結(jié)果一致，具備良好的數(shù)據(jù)質(zhì)量，可為地球物理、空間物理等相關(guān)領(lǐng)域持續(xù)提供可靠的數(shù)據(jù)支撐.

3 空間地球物理場(chǎng)建模方面的進(jìn)展

3.1 全球地磁場(chǎng)參考模型

2019年9月，Yang 等（2021a）利用張衡一號(hào)數(shù)據(jù)，綜合考慮地磁內(nèi)源場(chǎng)、外源場(chǎng)以及磁場(chǎng)長(zhǎng)期變化項(xiàng)，利用球諧分析方法，構(gòu)建了最大截止階數(shù)為15 階的全球地磁場(chǎng)參考模型CGGM 2020.0，模型空間分辨率約3 000 km（Yang et al., 2021a），并提交至國(guó)際地磁與高空物理聯(lián)合會(huì)（IAGA）.最終經(jīng)IAGA 組織國(guó)際同行專家評(píng)估認(rèn)為該模型符合國(guó)際全球地磁參考場(chǎng)（IGRF）建模精度要求，并入選第十三代IGRF 模型計(jì)算（已于2020年發(fā)布）.成為自1900年IGRF 建模一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)唯一由中國(guó)科學(xué)家牽頭制作且唯一采用中國(guó)數(shù)據(jù)制作的全球地磁場(chǎng)參考模型，也是本次全球12 個(gè)入選模型中唯一一個(gè)沒(méi)有采用歐空局Swarm 衛(wèi)星數(shù)據(jù)的模型（Alken et al., 2020, 2021）.該成果填補(bǔ)了我國(guó)在相關(guān)領(lǐng)域的空白，是我國(guó)首次自主構(gòu)建全球地磁場(chǎng)模型的標(biāo)志.模型輸出參數(shù)包含：（1）15 階主磁場(chǎng)系數(shù)，其中前8 階同時(shí)考慮時(shí)間線性變化；（2）外源場(chǎng)系數(shù)包含兩部分：第一部分是來(lái)自磁尾電流及磁層頂電流貢獻(xiàn)的系數(shù)，求解至2 階；第二部分是來(lái)自內(nèi)磁層環(huán)電流的貢獻(xiàn)，系數(shù)求解至2 階，其中基線系數(shù)每5 天更新一次和每30 天更新一次.目前該模型主磁場(chǎng)系數(shù)及模型計(jì)算器已在張衡一號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)共享網(wǎng)站（https://leos.ac.cn）發(fā)布，供用戶下載使用，用戶可以計(jì)算給定時(shí)間及位置處的主磁場(chǎng)值.圖1 為張衡一號(hào)衛(wèi)星全球地磁場(chǎng)模型CGGM 2020.0 結(jié)果圖.

圖1 張衡一號(hào)衛(wèi)星全球地磁場(chǎng)模型CGGM 2020.0（修改自Yang et al., 2021a）Fig.1 The global geomagnetic field model built by the Zhangheng-1 satellite (modified from Yang et al., 2021a)

3.2 電離層電子密度三維模型

Huang 等（2022）利用張衡一號(hào)衛(wèi)星掩星數(shù)據(jù)分別在地方時(shí)02:00/14:00 點(diǎn)構(gòu)建了電離層F2 層最大電子密度（NmF2）、峰高（hmF2）、Chapman 等效標(biāo)高（Hm）三個(gè)模型（Huang et al.,2022），如圖2 所示.三個(gè)模型很好地重現(xiàn)了張衡一號(hào)衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)的特征，如季節(jié)異常，經(jīng)度結(jié)構(gòu)等.與張衡一號(hào)觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，NmF2 模型的誤差在10%左右，hmF2模型的誤差在20 km 以內(nèi)，Hm 的誤差在6 km 左右.在此基礎(chǔ)上以α-Chapman剖面為基礎(chǔ)建立了電離層電子密度3D 模型CSES_ionPrf_model，該模型描述了電子密度隨太陽(yáng)活動(dòng)水平、地方時(shí)、經(jīng)緯度以及季節(jié)的變化.利用CSES_ionPrf_model 和IRI 模型重現(xiàn)第三方數(shù)據(jù)的最小均方根誤差分別為1.07×105/cm3和1.7×105/cm3，相關(guān)系數(shù)分別為0.907 和0.885.說(shuō)明CSES_ionPrf_model 對(duì)電離層電子密度的模擬能力優(yōu)于IRI 模型，尤其是對(duì)頂部電離層電子密度結(jié)構(gòu)的描述能力，表現(xiàn)在CSES_ionPrf_model 能重現(xiàn)IRI 模型無(wú)法模擬出的赤道異常雙峰融合現(xiàn)象.我們通過(guò)一個(gè)強(qiáng)磁暴事件和CSES_ionPrf_model 提供的背景電子密度對(duì)比（Huang et al., 2022），評(píng)估結(jié)論認(rèn)為CSES_ion-Prf_model 可以作為參考工具，為張衡一號(hào)衛(wèi)星多載荷進(jìn)行聯(lián)合觀測(cè)研究提供背景依據(jù).未來(lái)隨著張衡一號(hào)01 星數(shù)據(jù)的積累以及02 星的發(fā)射，更多的數(shù)據(jù)將會(huì)加入到CSES_ionPrf_model中來(lái)，屆時(shí)該模型描述高太陽(yáng)水平條件下電離層的能力將會(huì)大大提升.

圖2 張衡一號(hào)衛(wèi)星電子密度三維模型在春分時(shí)節(jié)電子密度隨高度的演變情況（修改自Huang et al., 2022）Fig.2 Evolution of electron density with height at the springequinox revealed by Zhangheng-1 satellite electron density 3D model (modified from Huang et al., 2022)

4 張衡一號(hào)衛(wèi)星記錄的地震空間電磁異?，F(xiàn)象

自張衡一號(hào)衛(wèi)星2018年發(fā)射以來(lái)，張衡一號(hào)衛(wèi)星團(tuán)隊(duì)科研人員對(duì)全球7 級(jí)以上、全國(guó)6 級(jí)以上地震開(kāi)展跟蹤監(jiān)測(cè)研究，在保證科學(xué)客觀的前提下探索地震前后電離層響應(yīng)變化信息特征.截止到2022年4月30日，張衡一號(hào)衛(wèi)星共觀測(cè)了全球7級(jí)以上地震53 個(gè)，中國(guó)境內(nèi)6 級(jí)以上地震19 個(gè).對(duì)于每個(gè)震例，團(tuán)隊(duì)利用張衡一號(hào)衛(wèi)星的多載荷多物理量開(kāi)展對(duì)比分析，并聯(lián)合紅外高光譜衛(wèi)星數(shù)據(jù)、地基GNSS 觀測(cè)深入分析.關(guān)于張衡一號(hào)電磁衛(wèi)星常規(guī)數(shù)據(jù)預(yù)處理和地震電離層信異常信息分析方法詳見(jiàn)Zeren 等（2022b）.常規(guī)的分析方法包括單軌道觀測(cè)分析、多軌道（重訪軌道）分析、背景場(chǎng)分析、多源星地遙感數(shù)據(jù)綜合對(duì)比等.如圖3a 顯示了2019年4月24日西藏墨脫6.3 級(jí)地震前3 天電子密度顯著增強(qiáng)（單軌道分析結(jié)果），圖3b 是地震電離層異常探測(cè)率隨震級(jí)增大，以及隨發(fā)震時(shí)刻接近而增大（圖3c）的統(tǒng)計(jì)結(jié)果（Li et al., 2020）.

圖3 張衡一號(hào)衛(wèi)星記錄的地震電離層擾動(dòng)事件（a）及初步統(tǒng)計(jì)結(jié)果（b, c）（修改自Li et al., 2020）Fig.3 The seismic-ionospheric disturbance events recorded by CSES (a) and the preliminary statistical results (b,c) (modified from Li et al., 2020)

在事件分析方面，Liu 等（2021）發(fā)現(xiàn)2018年8月21日委內(nèi)瑞拉MS7.3 地震前5 天，在震中西南方約50 km 處同時(shí)出現(xiàn)電子密度、氧離子密度數(shù)值大幅升高現(xiàn)象，離子垂向漂移速度由空對(duì)地方向迅速反轉(zhuǎn)為地對(duì)空方向，擾動(dòng)持續(xù)范圍約110 km.Huang 等（2022）發(fā)現(xiàn)在2021年9月8日墨西哥7.1 級(jí)地震前5～6 天，電子密度、氧離子密度變化均超過(guò)了50%，同時(shí)頂部電子密度與底部電子密度都有較大幅度的增加，三類不同載荷在同一時(shí)間段內(nèi)都顯示了相似的結(jié)果.Wang 等（2022）對(duì)2021年5月21日云南漾濞6.4 級(jí)地震和青?，敹?.4 級(jí)地震進(jìn)行了震前回溯分析與震后跟蹤分析，發(fā)現(xiàn)震前1～10 天出現(xiàn)了超過(guò)20%異常變化，震后5 天恢復(fù)平靜.Piersanti 等（2020）以及Marchetti等（2020）利用CSES 衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)了地震電離層前兆現(xiàn)象，深入探討了地震電離層耦合機(jī)理.在統(tǒng)計(jì)分析方面，Li 等（2020）和Zhu 等（2021）利用疊加時(shí)序分析統(tǒng)計(jì)法，對(duì)張衡一號(hào)衛(wèi)星和DEMETER 衛(wèi)星的長(zhǎng)期等離子體觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)研究.結(jié)果表明：MS≥5 地震對(duì)應(yīng)的夜側(cè)電離層異常擾動(dòng)明顯；與地震相關(guān)的異常變化主要發(fā)生在震前約1～7 天和13～15 天，以及距離震中200 km 范圍內(nèi).

根據(jù)這些震例的跟蹤研究及統(tǒng)計(jì)分析，初步認(rèn)為張衡一號(hào)衛(wèi)星能夠記錄與地震相關(guān)的異常現(xiàn)象.根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)積累，認(rèn)為地震電離層異?，F(xiàn)象的探測(cè)能力會(huì)隨著觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率的增高以及地震震級(jí)的增加而增強(qiáng)，但會(huì)隨著震源深度的增加而降低；擾動(dòng)現(xiàn)象在地震發(fā)生當(dāng)天出現(xiàn)的可能性最高，并會(huì)隨震前時(shí)間的增大而逐漸降低.但也必須注意，并不是每次地震都會(huì)在預(yù)期的時(shí)空范圍內(nèi)出現(xiàn)異常，利用單一參量開(kāi)展地震預(yù)測(cè)研究仍是巨大的挑戰(zhàn).因此，利用電磁衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)開(kāi)展更多、更深入的研究是非常必要的.研究地震-電離層機(jī)制需要涉及地球物理學(xué)、大氣/電離層物理學(xué)、地球化學(xué)/大氣化學(xué)等多學(xué)科知識(shí)，已有研究成果尚處于初步階段，呼吁國(guó)內(nèi)外科學(xué)家對(duì)這個(gè)最具挑戰(zhàn)性的科學(xué)問(wèn)題開(kāi)展研究（Zeren et al., 2022b）.

5 張衡一號(hào)衛(wèi)星對(duì)空間天氣事件的響應(yīng)能力

當(dāng)前，空間天氣災(zāi)害已經(jīng)成為影響社會(huì)經(jīng)濟(jì)的重要因素.1989年加拿大魁北克大停電事故、2011年日本3·11 地震后GPS 導(dǎo)航信號(hào)中斷、2017年北美颶風(fēng)災(zāi)害期間應(yīng)急通信系統(tǒng)失效等多起重大災(zāi)難事故表明：輸電線路、油氣管線、在軌飛行器等的安全運(yùn)行以及應(yīng)急通信導(dǎo)航環(huán)境管理，越來(lái)越依靠空間天氣環(huán)境和空間天氣災(zāi)害的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警.

張衡一號(hào)衛(wèi)星在軌期間，各個(gè)載荷在磁暴前后的觀測(cè)證實(shí)了該衛(wèi)星具備對(duì)空間天氣災(zāi)害事件及時(shí)精準(zhǔn)響應(yīng)的能力.如2018年8月發(fā)生的大磁暴是張衡一號(hào)衛(wèi)星發(fā)射以來(lái)遇到的第一個(gè)、也是迄今為止最大的磁暴（Dst 值到達(dá)-174 nT）.如圖4 所示，張衡一號(hào)衛(wèi)星的電磁場(chǎng)、等離子體、能量粒子等共計(jì)8 類載荷都觀測(cè)到了磁暴初相、主相和恢復(fù)相期間地球物理場(chǎng)參量的擾動(dòng).Yang 等（2020）利用地球總磁場(chǎng)數(shù)據(jù)估算了Dst 地磁暴指數(shù)，其結(jié)果與Swarm 衛(wèi)星和地基地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)的估算具有較好的一致性；通過(guò)對(duì)磁暴前后氧離子密度數(shù)值變化進(jìn)行時(shí)序分析，可見(jiàn)氧離子密度與Dst 指數(shù)變化趨勢(shì)具有較高的一致性（Liu et al., 2021）.Piersanti 等（2021）利用張衡一號(hào)電磁衛(wèi)星、Swarm 衛(wèi)星和THEMIS 衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)了一個(gè)巨大的等離子體泡，并提出了其觸發(fā)機(jī)制.

圖4 張衡一號(hào)衛(wèi)星對(duì)2018年8月26日強(qiáng)磁暴期的響應(yīng)情況（修改自Yang et al., 2020; Zeren et al., 2020; Zhang et al., 2021）Fig.4 The response capability of Zhangheng-1 satellite to the Aug.26, 2018 geomagnetic storm (modified from Yang et al., 2020;Zeren et al., 2020; Zhang et al., 2021)

磁暴期間還觀測(cè)到了ELF/VLF 頻段具有上聲調(diào)的準(zhǔn)周期擾動(dòng)現(xiàn)象以及能量粒子注入現(xiàn)象（Zeren et al., 2020），Zeren 等（2021）研究了電磁場(chǎng)、能量粒子在磁暴演化期間的變化情況，發(fā)現(xiàn)磁暴期間電磁場(chǎng)6 kHz 以下，能量粒子1.5 MeV 以下增強(qiáng)現(xiàn)象居多.Zhang 等（2020）通過(guò)張衡一號(hào)衛(wèi)星和其它衛(wèi)星聯(lián)合觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)磁暴期間內(nèi)、外輻射帶大量的高能粒子通量增強(qiáng)并填充了槽區(qū)，哨聲波在極低磁殼層加速相對(duì)論電子現(xiàn)象，與準(zhǔn)線性波粒耦合數(shù)值模擬具有很好的一致性，磁暴期間還觀測(cè)到由于磁場(chǎng)彎曲散射導(dǎo)致內(nèi)輻射帶外邊界的高能質(zhì)子發(fā)生了丟失現(xiàn)象（Zhang et al., 2021）.此外，張衡一號(hào)衛(wèi)星搭載的太陽(yáng)X 射線監(jiān)測(cè)器也觀測(cè)到了太陽(yáng)耀斑和日冕物質(zhì)拋射期間，X 射線的增強(qiáng)和太陽(yáng)質(zhì)子事件的發(fā)生.這些太陽(yáng)活動(dòng)的觀測(cè)結(jié)果與NOAA 衛(wèi)星、GOES 衛(wèi)星的觀測(cè)結(jié)果具有很好的一致性（Wang L et al., 2022）.

6 巖石圈-大氣層-電離層圈層耦合

雖然大量觀測(cè)證實(shí)了地震相關(guān)的地球物理場(chǎng)、化學(xué)場(chǎng)的改變能夠耦合到空間，然而如何解開(kāi)地球物理場(chǎng)在巖石圈-大氣層-電離層之間的耦合過(guò)程目前仍舊是難題.在這個(gè)圈層里，地殼的地震活動(dòng)、地球表面的甚低頻發(fā)射站、人類活動(dòng)、大氣層的閃電活動(dòng)、風(fēng)暴潮等相互作用（Liu et al, 2021; 袁靜等, 2021a, 2021b; 趙庶凡等, 2017），形成一個(gè)復(fù)雜的體系.

為研究地震活動(dòng)激發(fā)的超低頻/極低頻電磁波信號(hào)跨圈層傳播過(guò)程，趙庶凡等（2017）建立了基于反射系數(shù)和波模遞歸的電磁波跨圈層傳播全波計(jì)算方法，計(jì)算出了巖石圈-電離層波導(dǎo)及電離層中的電磁場(chǎng)變化，并應(yīng)用該模型對(duì)比了地面VLF 人工源在DEMETER 和張衡一號(hào)衛(wèi)星高度激發(fā)的電磁場(chǎng)，驗(yàn)證了模型計(jì)算效果（Zhao et al., 2019）.如圖5 所示，Zhao 等（2021）進(jìn)一步發(fā)展了超低頻/極低頻電磁波跨巖石層-大氣層-電離層傳播模型，并研究了位于巖石層不同類型輻射源在衛(wèi)星高度激發(fā)的電磁場(chǎng)強(qiáng)度，通過(guò)與張衡一號(hào)衛(wèi)星載荷探測(cè)靈敏度比較，證實(shí)了張衡一號(hào)衛(wèi)星電磁場(chǎng)載荷探測(cè)地震低頻電磁異常的能力；基于跨圈層傳播模型研究了不同高度的電離層擾動(dòng)對(duì)衛(wèi)星和地面觀測(cè)的影響，研究結(jié)果表明低電離層的擾動(dòng)對(duì)衛(wèi)星高度的電磁場(chǎng)強(qiáng)度有顯著影響（Zhao et al., 2020a, 2020b, 2020c）.

圖5 基于全波方法的低頻電磁波傳播模型與張衡一號(hào)衛(wèi)星觀測(cè)比較（修改自Zhao et al., 2019, 2021）Fig.5 The full-wave propagation model of the low-frequency electromagnetic waves model and comparison with CSES's observations (modified from Zhao et al., 2019, 2021)

大氣層的閃電活動(dòng)也能被張衡一號(hào)衛(wèi)星清晰記錄下來(lái)，為了有效從海量電磁場(chǎng)數(shù)據(jù)中識(shí)別閃電事件，袁靜等（2021b）建立了機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練庫(kù)，分別提出了計(jì)算機(jī)圖像視覺(jué)自動(dòng)識(shí)別閃電算法（袁靜等，2021a）、智能語(yǔ)音技術(shù)智能識(shí)別閃電算法（袁靜等，2022），極大提升了基于張衡一號(hào)衛(wèi)星電磁場(chǎng)數(shù)據(jù)開(kāi)展閃電哨聲波電離層研究的效率.Liu等（2021）對(duì)南北半球VLF 信號(hào)發(fā)射功率最大的澳大利亞NWC 站（1 000 kW）和美國(guó)NAA 站（885 kW）引起的電離層加熱擾動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)等離子體多種參量在發(fā)射站上空區(qū)域均同步出現(xiàn)了影響范圍約數(shù)百千米的加熱擾動(dòng)現(xiàn)象.另外張衡一號(hào)衛(wèi)星觀測(cè)能夠良好地反映出巖石圈磁異常特征（Wang et al., 2021），位于非洲中部Bangui 磁異常、中國(guó)陸域分別位于塔里木盆地、四川盆地、松遼盆地附近的3 個(gè)高值磁異常和1 個(gè)位于青藏高原南部的低值磁異常都能夠被張衡一號(hào)衛(wèi)星清晰地反映出來(lái)，其觀測(cè)結(jié)果與CHAOS-7 地磁場(chǎng)模型具有良好的一致性.

7 討論及結(jié)論

張衡一號(hào)電磁衛(wèi)星是中國(guó)地震立體觀測(cè)體系的天基觀測(cè)平臺(tái)，其科學(xué)目標(biāo)是獲取全球電磁場(chǎng)、電離層等離子體、高能粒子觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)中國(guó)及其周邊區(qū)域開(kāi)展電離層實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和地震前兆跟蹤，彌補(bǔ)地面觀測(cè)的不足，探索地震監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)新途徑.張衡一號(hào)衛(wèi)星系列的第一顆科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星于2018年2月發(fā)射，目前在軌穩(wěn)定運(yùn)行4年多，產(chǎn)出了翔實(shí)的地球物理場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)；第二顆衛(wèi)星是業(yè)務(wù)衛(wèi)星，預(yù)計(jì)2023年初發(fā)射.張衡一號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)定標(biāo)和質(zhì)量控制方面已有大量工作，分別論證了電磁場(chǎng)、等離子體、能量粒子和電離層結(jié)構(gòu)觀測(cè)載荷的可靠性，這些研究結(jié)果表明張衡一號(hào)電磁衛(wèi)星與其它觀測(cè)結(jié)果一致，具備良好數(shù)據(jù)質(zhì)量.

在科學(xué)產(chǎn)出方面，基于張衡一號(hào)的全球地磁場(chǎng)參考模型空間分辨率達(dá)3 000 km，經(jīng)國(guó)際地磁與高空物理聯(lián)合會(huì)組織評(píng)估認(rèn)定，該模型符合國(guó)際全球地磁參考場(chǎng)（IGRF）建模精度要求并選擇其參與2020年的第十三代IGRF 模型計(jì)算，成為自IGRF構(gòu)建一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)唯一由中國(guó)科學(xué)家牽頭制作且唯一采用中國(guó)數(shù)據(jù)制作的全球地磁場(chǎng)參考模型.另外我們利用張衡一號(hào)掩星數(shù)據(jù)構(gòu)建了電離層電子密度3D 模型CSES_ionPrf_model，可以描述電子密度隨太陽(yáng)活動(dòng)水平、地方時(shí)、經(jīng)緯度以及季節(jié)的變化.這兩個(gè)模型可以作為參考工具，為認(rèn)識(shí)地球物理場(chǎng)變化提供背景依據(jù).

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)衛(wèi)星以其全球觀測(cè)能力，能夠有效捕捉到比地面觀測(cè)系統(tǒng)多得多的觀測(cè)震例，從而為探索地震預(yù)測(cè)科學(xué)理論和方法，提供全新的數(shù)據(jù)和方式.張衡一號(hào)衛(wèi)星團(tuán)隊(duì)科研人員對(duì)全球7 級(jí)以上、全國(guó)6 級(jí)以上地震開(kāi)展跟蹤研究，在保證科學(xué)客觀的前提下探索地震前后電離層響應(yīng)變化信息特征及其機(jī)理.根據(jù)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)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，其中，7 級(jí)以上地震的探測(cè)概率比較高，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.

對(duì)于空間天氣事件，我們利用多載荷聯(lián)合研究了空間天氣物理過(guò)程，證實(shí)了該衛(wèi)星具備了對(duì)空間天氣災(zāi)害事件及時(shí)精準(zhǔn)響應(yīng)的能力.當(dāng)前，空間天氣災(zāi)害已經(jīng)成為影響現(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年加拿大魁北克大停電事故、2011年日本3·11 地震后GPS 導(dǎo)航信號(hào)中斷、2017年北美颶風(fēng)災(zāi)害期間應(yīng)急通信系統(tǒng)失效等多起重大災(zāi)難事故表明：輸電線路、油氣管線、在軌飛行器等安全運(yùn)行，應(yīng)急通信導(dǎo)航環(huán)境管理，越來(lái)越依靠空間天氣環(huán)境和空間天氣災(zāi)害的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警.張衡一號(hào)衛(wèi)星在軌運(yùn)行及其系列發(fā)展，將配合我國(guó)其他已有和在建觀測(cè)系統(tǒng)有效形成高壓輸電線路等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.

張衡一號(hào)衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)能夠良好地反映出巖石圈磁異常特征、甚低頻發(fā)射站及閃電活動(dòng).基于張衡一號(hào)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.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，發(fā)展了低頻電磁波跨電離層傳播滲透模型，為提升張衡一號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)應(yīng)用效能、發(fā)展天基隱伏地物探測(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).

綜上，這些研究結(jié)果表明張衡一號(hào)電磁衛(wèi)星與其它觀測(cè)結(jié)果一致，具備良好數(shù)據(jù)質(zhì)量，可為地球物理、空間物理等相關(guān)領(lǐng)域持續(xù)提供數(shù)據(jù)支撐.