中国电磁监测试验卫星工程研制进展*

王兰炜 申旭辉 张 宇 张兴国胡 哲 颜 蕊 袁仕耿 朱兴鸿

1) 中国北京100085中国地震局地壳应力研究所 2) 中国北京100085北京市地震观测工程技术研究中心3) 中国北京100094航天东方红卫星有限公司



中国电磁监测试验卫星工程研制进展*

1) 中国北京100085中国地震局地壳应力研究所 2) 中国北京100085北京市地震观测工程技术研究中心3) 中国北京100094航天东方红卫星有限公司

中国电磁监测试验卫星工程项目于2013年正式批准立项， 卫星预计于2017年8月发射入轨， 设计在轨运行5年， 这是我国地震立体观测体系的第一个专用天基平台. 本文简要介绍了电磁卫星工程设计和卫星工程六大系统的功能与任务， 并对卫星系统和应用系统的研制情况予以阐述. 目前， 已基本完成卫星平台和有效载荷设计初样阶段的研制， 将于2016年6月转入正样研制阶段. 应用系统基础平台的建设工作按计划进行， 将在卫星发射前半年开始试运行， 以确保电磁监测试验卫星数据的有效应用.

电磁监测试验卫星 卫星平台 应用系统 研制进展

引言

20世纪90年代以来， 随着空间探测技术在地球科学中的应用发展， 国际上一些国家开始利用包括电磁、 GPS、 InSAR和重力卫星在内的卫星技术进行地震监测研究， 初步显示了空间对地观测技术在地震预测研究中的应用前景(Gokhbergetal， 1982； Parrot， 1994； Hayakawaetal， 1996； Liuetal， 2004)， 其中电磁监测卫星作为研究地球电磁环境的重要手段， 在地震监测预测研究方面具有广阔的应用前景．

电磁监测卫星通过星上装载的电磁场、 等离子体和高能粒子原位探测载荷， 获取卫星轨道高度上的地球空间电磁场和电离层环境及其扰动信息， 并通过与全球导航卫星系统及地面信标测量系统协同工作， 获取卫星轨道以下的电离层结构及其变化信息， 从而为研究与地震相关的电磁扰动、 认识电离层扰动规律和机理、 推进空间物理及地球多圈层相互作用研究提供支撑．

近年来， 电磁卫星的相关技术及其应用发展迅速． 2004年法国发射了专门用于地震监测的DEMETER卫星， 观测到了较为明显的震前电磁扰动信息(Parrotetal， 2006； Zlotnickietal， 2006， 2010； Bęckietal， 2011； 朱涛， 王兰炜， 2011; Píšaetal， 2013)． 此外， 俄罗斯COMPASS-Ⅱ卫星、 欧空局Cluster卫星以及Swarm卫星星座的发射(Mikhailovetal， 2010; Baloghetal， 2001; Macmillan， Olsen, 2013)， 均为电离层地震前兆观测研究积累了更多的观测数据和经验．

中国电磁监测试验卫星(China Seismo-Electromagnetic Satellite， 简写为CSES)项目， 是我国地震立体观测体系的第一个专用天基平台， 主要用于监测与地震相关的空间电离层电磁异常． 该项目通过获取中国和全球电磁场、 等离子体、 高能粒子的观测数据， 针对全球M>7.0地震、 中国M>6.0地震的卫星电磁信息进行分析研究， 总结地震电离层的扰动特征， 并在此基础上研究大震短临预测新方法， 深入探究地震发生机制， 为地震预报实现突破提供基础资料．

中国电磁监测试验卫星工程于2013年经国务院批准立项， 目前进展顺利， 已经基本完成卫星初样阶段的研制工作， 将于2016年6月转入卫星正样研制阶段； 试验卫星预计于2017年8月发射入轨， 卫星设计在轨运行5年． 该卫星的在轨运行将建立我国首个空间电磁场和等离子体监测平台， 为探索地震前兆信息、 推进空间环境监测预报和地球物理场研究提供新的技术手段， 为未来建立电磁监测卫星业务化系统进行技术准备． 鉴于此， 本文将重点介绍卫星平台和应用系统的研制进展情况， 以期更好地发挥电磁监测试验卫星的效益， 实现科学数据的有效应用.

1 电磁监测试验卫星工程系统构成

电磁监测试验卫星工程分为空间段和地面段两个部分， 空间段包括卫星系统、 运载火箭系统， 地面段包括应用系统、 地面接收系统、 测控系统和发射场系统， 总体构成如图1所示. 下面将逐一介绍各分系统的主要任务．

图1 中国电磁监测试验卫星工程总体构成Fig.1 Schematic diagram for composition of CSES project

1) 卫星系统. 主要任务是实现卫星在轨正常运行， 为各载荷的正常运行提供平台和保障， 获取全球范围的空间电场、 磁场和电磁辐射数据， 电离层等离子体的离子密度、 离子温度、 离子成分、 电子密度、 电子温度、 漂移速度等数据以及电离层电子密度剖面数据和高能粒子通量、 能谱、 投射角等数据． 为确保观测数据的有效性， 须具备必要的星上存储和数传能力， 能够按照使用要求将观测数据及时传回地面．

2) 运载火箭系统. 主要任务是将卫星送入预定轨道， 采用一箭一星方式发射．

3) 发射场系统. 主要任务是负责电磁监测试验卫星、 运载火箭以及地面设备的卸车和转载， 为卫星的测试及转场提供保障， 并完成运载火箭的测试、 转场、 加注和发射．

4) 测控系统. 主要任务是利用国内测控资源， 为电磁监测试验卫星在发射和运行各阶段中的测控任务提供支持． 在卫星发射阶段， 负责完成运载火箭的各项测控任务； 在卫星在轨运行阶段， 为测定轨、 遥测、 遥控和卫星故障情况下的测控提供支持．

5) 地面接收系统. 主要任务是承担电磁监测试验卫星数据的接收、 预处理及转发等． 该系统能接收卫星系统发送的全球延时数据和中国全境并外扩约1 000 km范围内的实时观测数据， 具备海量数据管理以及快速转发给应用系统的能力．

6) 应用系统. 主要任务是负责电磁监测试验卫星的科学任务计划制定、 科学数据处理、 数据质量评价以及数据应用、 共享等．

在电磁监测试验卫星工程的6个分系统中， 运载火箭系统、 发射场系统、 测控系统和地面接收系统由于技术相对成熟， 依托现有的条件能够完成电磁卫星工程任务， 不存在太多技术难点； 而对于卫星平台技术和应用系统的数据处理和验证技术来说， 由于电磁监测试验卫星是我国实际意义上的第一颗非成像类遥感卫星， 这些技术均属首次研制， 因而具有较大的技术难度．

2 卫星系统研制进展

2.1 卫星观测要求

中国电磁监测试验卫星是我国第一颗具有明确科学目标的电磁卫星， 主要任务是监测全球空间电磁场、 电离层等离子体密度、 温度和高能粒子能谱等物理量， 以捕捉和监测地震异常信息． 从观测需求上来说， 卫星系统应满足以下观测要求：

1) 时空分辨率. 5天实现对同一地点的重访， 连续两天内最近轨道的经向间距约为5°．

2) 重点观测区域. 对全球纬度±65°区域内进行全天候观测， 重点观测区为我国全境并外扩1000 km以及全球的两个主要地震带(环太平洋地震带和欧亚地震带)．

3) 数传时效性. 探测数据能够在我国全境并外扩约1000 km范围内实时下传．

4) 观测模式. 为了确保对地震重点监测区域的有效观测， 重点观测区域采用提高采样率详查观测模式， 非重点区域采用巡查观测模式． 将卫星观测区域网格化， 如图2所示， 其中绿色网格为详查观测的重点观测区域．

为满足上述观测要求， 卫星轨道高度设计为507 km的太阳同步轨道， 轨道倾角为97°， 轨道降交点为14时， 重访周期为5天． 图3给出了该卫星的运行轨迹图， 相邻轨道间距约为4.6°．

图2 中国电磁监测试验卫星重点观测区域(绿色网络)示意图

图3 卫星星下点轨迹

2.2 卫星系统构成及设计

电磁监测试验卫星由卫星平台和有效载荷两部分组成， 如图4所示． 卫星平台采用CAST2000(China Academy of Space Technology 2000)小卫星平台， 主要由结构机构、 热控、 姿轨控、 星务、 测控、 天线、 电源、 总体电路等8个分系统和伸杆展开机构组成． 图5给出了卫星发射状态和飞行状态下的平台构型图．

有效载荷部分由8种载荷探测仪器和数传分系统组成． 载荷探测仪器包括电场探测仪、 感应式磁力仪、 高精度磁强计(包括磁通门磁力仪和光泵磁力仪)、 GNSS (global navigation satellite system)掩星接收机、 朗缪尔探针、 等离子体分析仪、 三频信标机和高能粒子探测器(低能段和高能段两部分组成)， 各载荷探测物理量及其探测范围详见表1．

图4 卫星系统结构图

图5 发射状态(a)和飞行状态(b)下的卫星平台构型图

探测对象载荷探测仪器 物理量 探测范围感应式磁力仪磁场强度频带:10Hz—20kHz电磁场 高精度矢量磁强计磁场强度频带:DC—15Hz电场探测仪电场强度频带:DC—3.5MHz等离子体分析仪离子密度离子温度离子成分:H+,He+,O+离子密度:500—107cm-3离子温度:500—104K等离子体朗缪尔探针电子密度电子温度电子密度:500—107cm-3电子温度:500—104KGNSS掩星接收机电子总含量GNSS掩星信号三频信标机电子总含量150,400,1067MHz频率信号高能粒子高能粒子探测器(含高能段、低能段和太阳X射线探测)质子通量电子通量质子:2—200MeV电子:100keV—50MeV

电磁监测卫星上装载6根伸杆， 其中2根4.5 m长的铰链式伸杆用于高精度矢量磁强计和感应式磁力仪探头的伸展， 其余4根4 m长的卷筒式伸杆用于电场探测仪探头的伸展． 为最大程度地降低星体对8种科学载荷的电磁干扰， 实现高精度电磁探测目标， 对于整星和各设备均采取了严格的磁控制和电位控制措施．

卫星工作模式分为载荷工作模式和平台调整模式两种． 南北纬65°以内区域采用载荷工作模式， 该模式下停止卫星机构转动和磁卸载， 最大限度地降低卫星平台对有效载荷的扰动； 南北纬65°以外区域则采用平台调整模式， 该模式下有效载荷停止工作， 通过平台帆板对日跟踪来补充能量， 并通过动量轮的磁卸载来保证整星的三轴零动量稳定系统的平衡．

2.3 卫星系统研制进展

对于中国电磁监测试验卫星平台的各个分系统而言， 已于2015年底全部完成其初样阶段的研制总结和正样设计． 其中卫星的结构机构、 星务、 测控、 总体电路、 姿轨控、 电源、 天线等7个分系统已完成正样产品的研制和验收交付； 按照整星研制流程安排， 伸杆机构、 太阳翼机构和电池阵将于2016年底完成， 直接参与整星的后续大型试验．

目前， 包括高精度磁强计、 等离子体分析仪、 朗缪尔探针、 GNSS掩星接收机、 三频信标发射机在内的卫星载荷已经完成了鉴定件的研制总结和正样设计， 预计正样产品将于2016年8-10月陆续交付卫星总体， 之后开始整星阶段的总装测试． 感应式磁力仪、 高能粒子探测器和电场探测仪正在开展鉴定件的验收， 预计于2016年7月底完成．

3 应用系统研制进展

3.1 应用系统功能

电磁监测试验卫星的应用系统主要是为了满足我国电磁监测试验卫星的运行和业务应用需求， 实现对电磁卫星数据和三频信标观测数据的接收、 处理、 管理和应用． 应用系统负责制定载荷工作、 数据接收、 业务测控计划并传送给地面系统， 同时实时接收地面系统推送的遥测遥控数据和解包后的观测数据． 该系统以电磁卫星观测数据为主要数据源， 并结合其它遥感卫星数据源和地面观测数据， 开展地震监测预测、 应急观测等方面的科学应用研究， 为逐步建立天地一体化地震观测业务体系提供支持． 与此同时， 应用系统还将与国内外的相关学术机构进行数据交换和共享服务， 开展科学交流和技术开发．

3.2 应用系统构成及设计

根据电磁卫星应用系统的功能要求， 应用系统包括卫星地震应用中心、 三频信标接收站网和比测校验场等3部分， 可满足地震监测业务对电磁监测试验卫星运行管理和调度的需求． 图6给出了卫星地面应用系统的设计框图．

3.2.1 卫星地震应用中心

卫星地震应用中心是支持地面应用系统开展各项任务的首要基础设施， 也是电磁监测试验卫星综合业务管理与应用的中心机构， 主要承担电磁监测试验卫星应用系统的数据传输、 业务运控、 电磁卫星下传数据以及三频信标测量数据的处理、 产品校验与质量评价、 数据管理与服务、 地震监测应用等任务． 该中心由10个业务分系统构成， 各个分系统的功能详述如下：

1) 数据传输分系统. 确保卫星地震应用中心与比测校验场、 三频信标测量站网之间的数据传输， 实现卫星地震应用系统外场数据传输网络的畅通与高效．

2) 业务运控分系统. 负责卫星状态的监控、 有效载荷工作计划和业务应用计划的制定和任务调度， 各分系统之间的业务流程与数据流程控制以及网络监控管理等， 提供数据的三维可视化支持功能．

图6 中国电磁监测试验卫星应用系统设计框图 Fig.6 Design diagram for application system of the CSES

3) 数据管理分系统. 实现卫星观测数据的准实时接入和数据产品的分类有序管理， 满足业务化生产对数据快速获取的要求， 提供数据产品服务．

4) 电磁场数据应用处理与分析分系统. 实现对电场探测仪、 感应式磁力仪、 高精度磁强计共3种载荷的数据处理， 产出全国和全球范围内的3—5级标准数据产品．

5) 电离层层析成像数据应用处理与分析分系统. 实现对GNSS掩星接收机和三频信标机两种载荷的数据应用处理与分析， 产出全球范围内的3—5级标准数据产品和电离层层析成像产品．

6) 原位等离子体数据应用处理与分析分系统. 实现对朗缪尔探针、 等离子体分析仪两种载荷的数据处理， 产出全国和全球范围内的3—5级标准数据产品和电离层动态结构产品等．

7) 高能粒子数据应用处理与分析分系统. 实现对高能粒子低能段、 高能段-1(国产)、 高能段-2(意大利)共3个载荷的数据处理， 产出全国和全球范围内的高能粒子3—5级标准数据产品．

8) 产品校验与质量评价分系统. 建设野外校验场和定标实验室， 通过交叉检验、 对比观测等方式对电磁监测试验卫星的观测数据和产品进行检验和质量评价．

9) 三频信标测量分系统. 建设三频信标测量站网， 接收星载三频信标发射的三频信标信号， 并将其通过地震信息网上传至卫星地震应用中心．

10) 地震监测应用分系统. 依据标准数据产品和科学应用产品， 同时参考地面电磁观测数据及其它遥感观测资料， 去除电离层电磁背景， 排除非震扰动， 获得可能的地震短临异常信息．

3.2.2 三频信标接收站网

三频信标接收站网的主要任务是接收星载三频信标发射机发射的频率为150， 400和1067 MHz的3个频率信号， 完成测量数据的短期存储和实时传输， 并根据接收数据反演电离层电子密度． 为了满足电离层电子密度反演精度不低于10%的要求， 观测链路中的台站间距应小于400 km， 同时应尽可能地覆盖地震重点监视防御区， 因此， 选择在华北地震带和南北地震带建设由34个台站构成的6条观测链路． 图7给出了计划布设的三频信标测量站点分布图， 所有接收站均在现有地震台站的基础设施上经改扩建完成．

3.2.3 比测校验场

电磁监测试验卫星对卫星平台周边的空间电磁场特征和电离层变化进行探测， 属非成像遥感系统， 因此其有效载荷观测数据的可靠性检验不同于其它遥感成像卫星， 需要建设地面比测校验场， 通过地面同步对比观测和真实性检验实现对星上有效载荷观测数据的可靠性判断． 电磁监测试验卫星观测的物理量包括空间电磁场、 等离子体参数和高能粒子能谱等3类共11种． 地面对比观测需要考虑卫星观测频段和相应的物理量， 目前地面可开展对比观测的手段包括地电场、 地磁场、 电磁扰动等地基电磁观测与空间电磁场观测数据的对比， 电离层测高和GPS/北斗观测等地基电离层观测与卫星GNSS掩星接收机和三频信标反演结果的对比分析．

图7 34个三频信标接收站的分布图

比测校验场的主要目的是通过地面观测数据与卫星观测数据的对比来验证卫星观测数据的可靠性， 同时为异常信号从地面到电离层的传播研究提供基础观测数据， 实现与地震

图8 比测校验场台站分布图Fig.8 Distribution of the ground stations for comparison and validation

相关的电磁信号的监测． 我国地磁监测卫星的比测校验场以甘肃省天祝地震前兆科学台阵为依托， 扩展至陕西、 宁夏的部分区域， 计划建设15个地面电磁观测台站， 其空间分布如图8所示．

3.3 应用系统基础平台建设

电磁卫星应用系统目前尚未立项， 为了满足电磁监测试验卫星现阶段和发射后的业务运行需求， 在电磁监测试验卫星应用系统设计基础上简化各系统功能， 开展电磁卫星工程科学任务运行管理的基础平台建设工作． 该基础平台包括业务运控、 数据管理、 数据应用处理与分析、 产品校验与质量评价和三频信标测量等5个分系统， 其中三频信标接收站选择华北地区6个观测站组成链路．

应用系统基础平台为满足卫星在轨业务的运控需求， 须具备电磁监测试验卫星、 三频信标站网的数据接入和处理能力， 能够实现对标准数据产品的基础存档和管理服务、 对数据产品进行校验与质量评价以及保障电磁监测试验卫星工程按照预定计划推进的功能．

3.4 电磁卫星数据产品分级

电磁监测试验卫星是我国首颗非成像遥感卫星， 探测数据包括空间电场、 磁场的分频段波形和频谱数据， 电离层等离子体原位电子、 离子温度和离子密度数据， 电离层等离子体结构层析成像数据， 电离层高能粒子通量、 能谱数据， 以及地震监测跟踪数据产品． 在参考国内相关卫星数据分级标准(国家国防科技工业局，2011； 中国气象局， 2012)的基础上， 结合电磁卫星载荷特点给出了电磁卫星各载荷观测数据产品分级．

数据产品包括各载荷的科学数据、 辅助数据和工程参数． 地面接收到的卫星数据经过解调得到原始探测数据， 对原始数据进行标准化处理得到各载荷的各级科学数据． 辅助数据是指进行科学数据相关处理所需的诸如包完整信息、 GPS、 姿态、 时间等信息数据； 工程参数是指有效载荷在运行过程中产出的与设备探测状态、 运行状态等方面相关的表征载荷工作健康状态的参数． 科学数据分为0-4级， 各级产品定义如下：

1) 0级数据产品： 经帧同步、 解扰、 纠错、 去重、 按时间排列得到的各个载荷的观测数据、 辅助数据和遥测数据， 以及三频信标地面站接收到的观测数据．

2) 1级数据产品： 对0级数据进行格式转换、 定标处理后得到的按时间排列的物理量数据．

3) 2级数据产品： 分为2A和2B两个级别． 前者是指对1级数据进行坐标变换、 反演后生成的带有时间、 位置和姿态信息的物理量数据； 后者对于电场仪观测数据而言， 是指在2A级卫星坐标系电场波形数据基础上， 去除卫星运行切割磁力线所造成的附加电场影响后生成的数据， 对于GNSS掩星观测数据， 则是指对1级数据进行精密定轨、 反演后生成的带有时间、 位置和姿态信息的物理量数据．

4) 3级数据产品： 在2级数据的基础上， 进行重采样生成重访轨道指定区域的时序数据， 或反演得到的电离层、 大气层二维结构数据．

5) 4级数据产品： 在2级和3级数据基础上， 进行空间差值生成指定区域的电离层环境及其动态变化， 或反演得到的电离层三维结构数据．

上述电磁卫星数据分级定义了科学数据各级标准化产品， 为后续应用系统建设中数据库的建设和数据处理、 管理和应用奠定了基础， 有利于实现数据的资源共享．

4 讨论与结论

中国电磁监测试验卫星的发射将填补我国在地震监测领域中天基监测设施的空白， 为我国地震监测预测水平的提高与发展奠定坚实基础， 该工程的实施将为今后建立“天、 空、 地”一体化的地震监测系统提供重要的技术保障． 本文简要介绍了中国电磁监测试验卫星工程的研制进展， 并重点阐述了卫星系统和应用系统的设计和研制进展．

目前， 电磁卫星工程按照预定计划顺利实施． 电磁监测试验卫星发射后， 将检验各科学载荷的探测能力， 为后续电磁卫星计划的实施积累经验． 借助卫星观测范围广的优势将有效积累国内外震例数据， 也为我国相关空间科学领域研究提供基础数据． 需要指出的是， 电磁卫星观测机理、 观测模型、 数据应用等方面仍存在需要深入研究的科学问题， 现阶段将在电磁卫星数据分级的基础上， 集中力量突破数据处理方法和流程， 提升卫星观测数据在地震监测科学应用方面的研究水平， 保障电磁卫星观测数据的有效应用．

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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

民用航天科研项目“电磁监测试验卫星数据地面验证技术研发”和国家自然科学基金(41374127)联合资助.

2016-03-23收到初稿， 2016-04-15决定采用修改稿.

e-mail: wanglw829@126.com

10.11939/jass.2016.03.005

P315.72

A

王兰炜， 申旭辉， 张宇， 张兴国， 胡哲， 颜蕊， 袁仕耿， 朱兴鸿. 2016. 中国电磁监测试验卫星工程研制进展. 地震学报, 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.