中国电磁卫星地面对比观测系统方案研究*

张 宇 王兰炜， 申旭辉张兴国 张世中 颜 蕊

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



中国电磁卫星地面对比观测系统方案研究*

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

针对我国即将发射的电磁监测试验卫星观测物理量和观测频段， 结合我国现有地基观测基础和对比观测需求， 本文提出了地面对比观测系统设计方案， 包括观测对象、 观测频段和观测区域的选取以及台网布局方式． 在此基础上， 根据该方案在甘肃省天祝前兆台阵区域建立了古丰、 寺滩和坪城等3个台站的地面对比观测原型系统， 并取得了电磁场的初步观测资料． 对观测资料的分析结果表明， 地电场和地磁场观测数据呈典型的日变化形态， 具有较好的同步性和一致性， 能够真实地反映小区域地电场和地磁场的变化． 该结果可为今后开展试验性的星地联合观测和建立我国地震电离层立体监测体系提供技术支撑．

电磁卫星 观测系统 对比观测 原型系统 电磁场

引言

随着空间技术的迅速发展， 多个国家已成功发射电离层电磁探测卫星． 自Alouette-1卫星观测到1964年阿拉斯加MS8.5大地震震前电离层异常(Davis, Barker, 1965)后， 各国科研人员针对卫星观测地震前兆异常开展了大量的研究工作， 并取得了很多有意义的研究成果(Gokhbergetal， 1982； Parrot， 1994； Shalimov， Gokhberg， 1998； Hayakawa， 1999； Liuetal， 2002； Kopytenkoetal， 2004； Pulinets， 2004； 张学民等， 2009； 安张辉等， 2011； 朱涛， 王兰炜， 2011)． 其中， Parrot(1994)， Pulinets(2004)和Liu等(2002)利用卫星数据开展了震前空间电磁场和电离层总电子含量(total electron content, 简写为TEC)异常扰动的研究； 张学民等(2009)及朱涛和王兰炜(2011)利用法国DEMETER卫星探测数据分析了智利MS7.0和汶川MS8.0大震前后的电磁扰动异常现象； 安张辉等(2011)利用边际谱方法对汶川地震前天基和地基电场变化进行了联合分析， 研究结果显示地基和空间电场的边际谱均出现了增强现象， 且二者的一致性较好, 这些研究成果均为空间地震前兆观测研究积累了经验．

我国即将发射专门应用于地震监测研究的电磁监测试验卫星(以下简称电磁卫星)， 将在我国地基电磁监测台网的基础上， 建立天地一体化立体地震电磁观测体系， 极大提高我国地震监测预测能力． 电磁卫星的科学载荷包括电场探测仪、 感应式磁力仪、 高精度磁强计、 全球导航卫星系统 (Global Navigation Satellite System， 简写为GNSS)掩星接收机、 三频信标机、 朗缪尔探针、 等离子体分析仪和高能粒子探测器共8种， 可对空间电磁场、 等离子体、 高能粒子能谱等参量的背景变化和扰动进行探测， 从而识别地球内部岩石圈所激发的信息．

电磁卫星通过空间探测的方式对地震前兆现象进行监测， 已成为地面前兆观测手段的有益补充． 卫星观测为覆盖全球的重访轨道观测， 其观测点位置随时间而改变， 而地基观测为固定点连续观测， 即二者观测的物理量类似， 但观测方法不同． 如何将卫星观测与地面观测相结合， 基于我国多年积累的地面前兆观测数据与即将发射的电磁卫星获取的电磁场和电离层等离子体探测数据进行对比观测研究， 是我国未来立体监测体系研究的关键． 法国和美国的科研人员曾就此进行相关的试验研究． 法国DEMETER卫星旨在探测与火山、 地震相关的电离层扰动现象， 其研究团队在留尼汪(Réunion)岛富尔奈斯(La Fournaise)火山和希腊地震多发区科林斯(Corinth)海湾建立了地面对比观测站． 观测结果显示， 2003年5月富尔奈斯火山喷发前记录到了电磁异常信号， 其电场幅值变化高达几百mV/km， 持续时间长达几个小时， 信号频率为几十赫兹， 但是并未记录到地震前兆信息(Zlotnickietal， 2006)． 为了与QuakeSat微纳卫星进行联合观测研究， 美国科研人员沿加州地区主要断裂带布设地面电磁台站， 构建成加利福尼亚磁观测网络(The California Magnetometer Network， 简写为CalMagNet)(Cutleretal, 2008)． QuakeSat卫星在轨运行期间， 捕捉到2004年12月22日加州圣西蒙MS6.4地震的电磁异常信息， 但是地面观测仍未记录到相关的异常信息(Bleier， Dunson， 2005)．

虽然国际上在星地同步对比观测方法方面的研究尚不够深入， 但其试验方法和布设方案为我国星地对比观测系统设计提供了经验与借鉴． 目前， 我国已建成大规模、 规范化的地面业务型监测台网， 相当多的台站连续观测长达30年之久， 积累了大量的观测数据和丰富的震例资料． 本文拟针对我国即将发射的电磁卫星和立体观测的需求， 提出我国地面对比观测系统的设计方案， 并通过建设地面对比观测原型系统验证该方案的合理性和科学性， 为我国天地立体监测体系的设计和建设提供技术支撑．

1 电磁卫星地面对比观测系统设计

电磁监测试验卫星地面对比观测系统旨在开展电磁场和电离层等离子体的地面与空间联合观测， 探索地面和卫星高度电磁信号的变化特征和相关性及其对磁暴、 地震等特定事件的响应特征． 该对比观测系统方案设计主要包括观测物理量、 观测频段和观测区域的选取以及台网布局方式的确定．

1.1 观测物理量与频段选取

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种物理量， 详细列于表1． 其中， 感应式磁力仪和电场探测仪用于测量电离层的电磁辐射变化信息， 高精度磁强计用于测量基本磁场变化， 等离子体分析仪和朗缪尔探针用于测量原位的等离子体参数， GNSS掩星接收机和三频信标发射机用于测量电离层的电子密度剖面和TEC， 高能粒子探测器用于测量电离层的高能粒子通量和能谱．

表1 中国电磁监测试验卫星的载荷配置和探测物理量

地面对比观测需要包含卫星观测频段和相应的物理量， 目前地面可开展的对比观测手段包括地电场、 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发射机的反演结果比对分析， 地面对比观测系统的仪器配置和所观测的物理量列于表2．

表2 地面对比观测系统的观测仪器配置和观测物理量

1.2 观测区域的选取及台网布局方式的确定

为便于对地震事件观测结果进行对比， 应选取地震危险区、 活动断裂带和卫星在轨运行5年内可获得较多地震事件的地区作为对比观测区域． 考虑到卫星重访周期为5天， 重访轨道间距为530 km， 卫星运行1分钟跨越距离约为450 km， 本研究选取500 km×500 km的范围作为地基同步对比观测区域．

进行星地对比观测的前提是必须保证地面观测设备正常运行且观测数据真实有效． 这就要求地面观测台站的数据能够进行相互验证， 在小区域范围内具有同步性和一致性， 能够反映相同的背景特征和事件响应规律． 为了获得小区域内电、 磁场分布情况， 并能有效获取地震信息， 参考QuakeSat卫星的地面对比观测经验， 台站距离地震断裂带或潜在震源位置应不超过30 km， 再加上建设经费、 场地、 通信等诸多因素的影响， 本研究设定我国电磁卫星地面对比观测台站的间距以50 km左右为宜． 此外， 为了从空间上实现地面与卫星的同步对比， 站点应尽量沿卫星运行轨道并位于卫星星下点．

2 电磁卫星地面对比观测原型系统

按照上节所述的区域选取要求， 结合我国主要断裂带分布和现有地基观测基础， 本研究在甘肃省天祝地震前兆科学台阵区域建设了配合卫星对比观测的地面系统， 以验证地面对比观测系统设计方案的合理性与可行性．

2.1 地面对比观测原型系统建设

甘肃省天祝地震前兆科学台阵位于我国南北地震带北端甘青交界的天祝地区， 观测场地开阔， 具有较好的电磁观测环境. 图1给出了天祝前兆台阵的台站分布， 可以看到该区域内断裂分布较多， 其中金强河断裂、 毛毛山断裂和老虎山断裂是昌马—祁连—海原断裂带的分支． 昌马—祁连—海原断裂带是青藏高原北部边缘地区最重要的巨型弧形断裂带， 其强震活动非常活跃， 1920年海原MS8.5， 1927年古浪MS8.0， 1932年昌马MS7.6， 1984年门源MS6.5， 1990年景泰MS6.2， 1999年景泰MS5.9， 1995年永登MS5.8， 1996年天祝MS5.4和2016年门源MS6.4等地震均发生在该断裂上． 在天祝建设地面对比观测系统， 有利于地震事件的观测和对比， 宜于开展地面对比观测试验．

通过台站实地勘选和场地测试， 选择古丰、 寺滩和坪城等3个台站建设地面对比观测系统， 包括地磁场、 地电场和电磁扰动观测． 这3个台站相距不超过100 km， 可满足小区域观测要求． 通过在典型构造背景条件下建设相应观测点或台阵， 结合同期在轨的卫星观

图1 天祝前兆台阵台站分布图

测量分量地磁场三分量(Bx,By,Bz)测量范围(-65knT,65knT)频带/HzDC—15采样率/Hz60分辨率/nT0.1噪声水平/nT≤0.1(RMS)

测数据， 对电磁场变化趋势进行综合分析研究．

2.1.1 地磁场观测系统

电磁卫星地磁场观测频段为DC—15 Hz， 地基观测采用磁通门磁力仪， 其技术指标如表3所示． 该设备是星载高精度磁强计针对地面观测的适应性改型， 其探测原理和探测频段与电磁卫星高精度磁强计设备完全一致，

图2 垂直地电场观测系统建设示意图Fig.2 Schematic diagram of vertical geo-electric field observation system

能够实现地磁场矢量的同频段同物理量对比． 将磁通门磁力仪探头埋设在地下3 m深处， 固定于无磁观测墩上， 以避免人文环境和自然环境的影响； 传感器引线采用地埋方式进入观测室．

2.1.2 地电场观测系统建设

星载电场仪观测DC—3.5 MHz频段内的三分量电场， 由于地面高频干扰较复杂， 地面电磁观测集中于低频段， 观测频段为DC—0.01 Hz． 本研究在我国已广泛开展的地表水平地电场观测基础上， 补充垂直地电场观测手段， 可满足三分量电场观测． 水平方向的观测极距约为50—100 m， 电极埋深为2 m； 垂直方向井深约100 m， 为了充分发挥深井利用效能， 将100 m深井划分为地表、 50 m和100 m共3层， 装置系统建设示意图如图2所示． 由于井下电极在出现故障时无法更换， 采取同一深度埋设多个电极的方式(3个Pb-PbCl2固体不极化

表4 电场仪技术指标

电极和1个铅板电极)， 以保证观测系统的可靠性和稳定性． 通过对比不同电极的测量结果， 来验证观测系统的可靠性．

地电场观测采用多通道GEF-Ⅰ地电场仪， 同时满足三分量多电极的观测需求， 其主要性能指标如表4所示．

2.1.3 电磁扰动观测系统建设

通常电磁扰动观测对象为电场强度E和磁场强度H(或磁感应强度B)的水平分量. 为了与星载感应式磁力仪三分量磁场探测进行对比， 本研究增加了垂直方向的观测试验， 并设观测频段为DC—20 Hz, 水平方向感应式磁传感器的埋深为2 m， 垂直方向埋深为3 m． 为了避免相互干扰， 磁传感器之间的距离须大于5 m， 并与磁通门磁力仪探头相隔5 m．

电磁扰动观测采用专门为对比观测研制的DCRD-2A电磁扰动观测仪， 其主要技术指标列于表5．

表5 电磁扰动观测仪技术指标

2.2 观测数据及初步分析结果

古丰、 寺滩和坪城这3个台站的地面对比观测系统于2015年7月开始运行． 图3给出了2015年7月13日3个台站同一测向磁通门磁力仪测量的地磁场相对变化曲线， 可以看出， 3个台站在小区域内的观测数据形态具有较好的一致性．

为了确保地电场测量数据的准确性和可靠性， 在不同测向布设两种不同极距进行对比观测， 此处以古丰台为例. 古丰台地电场观测系统东西测向长、 短极距分别为240 m和200 m， 南北测向长、 短极距分别为274 m和240 m， 垂直测向长、 短极距分别为100 m和50 m． 图4给出了2015年7月12日古丰台地电场东西、 南北和垂直3个分量的相对日变化曲线． 可以看出， 同一测向不同极距观测数据曲线形态一致， 呈双峰双谷形态． 经计算得到南北、 东西和垂直方向长、 短极距测道电场强度观测值的相关系数分别为0.9883， 0.9969和0.9435， 可见其观测曲线形态一致且相关性好． 由此看来， 该观测区域满足地电场观测条件， 具有典型地电场日变化特征．

图5给出了3个台站南北测向的地电场相对日变化曲线． 由于坪城台每日凌晨3：00—4：00对场地供直流电进行多极距地电阻率观测， 干扰较大， 因此将该时段干扰数据剔除．

我提前结束行程，匆匆赶回家。到了自家小区时，刚巧碰上妈妈在干活。妈妈在小区里找了份保洁的工作，每天负责扫十栋楼的楼梯。她见到我，觉得惊讶，一边拖地一边问：“你怎么回来得这么早，不是周末才回来吗？钱不够了？”

图3 2015年7月13日寺滩、 坪城和古丰3个台站的地磁场(B)三分量相对变化曲线

图4 2015年7月12日古丰台地电场相对变化曲线

可以看出， 小区域范围内地电场日变化曲线呈较好的同步性和互相关性， 说明该区域地电场具有同步变化特性．

古丰、 寺滩和坪城这3个台站电磁场观测资料的对比分析表明， 本研究所建设的地面对比观测系统工作正常， 地电场与地磁场观测数据的同步性和一致性较好， 能够真实地反映小区域的电磁场强度及其变化．

图5 2015年7月12日地电场南北测向相对变化曲线

3 讨论与结论

本文提出建设覆盖电磁卫星物理量和频段的地面对比观测系统， 并结合我国现有地基观测基础和对比观测需求， 来研究地面对比观测系统的设计方案．

地面对比观测原型系统的建设和运行， 验证了地面对比观测系统设计方案的合理性， 表明该区域地面观测数据的一致性较好， 观测数据正常， 能够真实反映小区域电、 磁场强度及其变化． 后续研究拟将该区域的观测数据与已在轨运行的欧空局Swarm卫星磁场探测数据相结合， 试验性地开展星地同步对比观测， 分析卫星与地面观测同类探测物理量的时空变化规律， 总结地面和卫星高度电磁信号变化特征和相关性， 以及对磁暴、 地震等特定事件的响应特征， 为我国电磁卫星在轨运行后星地观测数据的综合应用以及立体地震电磁监测体系的建立提供技术基础和观测经验．

对甘肃省地震局监测中心对本项目的大力支持表示衷心的感谢．

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Ground-based comparative observation system in China Seismo-Electromagnetic Satellite mission

1)InstituteofCrustalDynamics，ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100085，China2)BeijingEngineeringResearchCenterofEarthquakeObservation，Beijing100085，China

Considering satellite observation physical quantities and frequency-bands of China Seismo-Electromagnetic Satellite (CSES) as well as present situation of ground-based observation and comparative observation requirements in China， this paper proposed a design scheme for ground-based comparative observation system in CSES mission. According to the design scheme， three ground-based comparative observation systems Gufeng， Sitan and Pingcheng were established in Tianzhu area of Gansu Province， and preliminary observation data of electric field and magnetic field were obtained. The data analysis results show that the curves of electric field and magnetic field exhibit typical diurnal variation waveform with good synchronization and consistency， which can really reflect the intensities of electric and magnetic fields as well as their changes in a small region. Therefore， the result provides technical basis for satellite-ground joint observation and develop of stereo seismo-ionospheric monitoring system.

CSES; observation system; comparative observation; prototype system; electromagnetic field

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

2015-11-23收到初稿， 2016-02-20决定采用修改稿.

e-mail: wanglw829@126.com

10.11939/jass.2016.03.013

P315.73

A

张宇， 王兰炜， 申旭辉， 张兴国， 张世中， 颜蕊. 2016. 中国电磁卫星地面对比观测系统方案研究. 地震学报, 38(3): 458--466. doi:10.11939/jass.2016.03.013.

Zhang Y, Wang L W, Shen X H, Zhang X G, Zhang S Z, Yan R. 2016. Ground-based comparative observation system in China Seismo-Electromagnetic Satellite mission.ActaSeismologicaSinica, 38(3): 458--466. doi:10.11939/jass.2016.03.013.