为预报地震探路的张衡－1卫星升空

2018年2月2日，张衡－1电磁监测试验卫星（CSES）由长征－2D运载火箭从酒泉卫星发射中心成功送入太空。这次发射的张衡－1卫星是我国地震立体观测体系第一个天基平台，即首颗观测与地震活动相关电磁信息的卫星，也是我国地球物理场探测卫星计划的首发星。旨在建造全球电磁场和电离层监测平台，对我国及其周边地区开展电离层多种物理量动态准实时监测，使我国首次具备全疆域和全球三维地球物理场动态监测能力。张衡－1卫星将尝试开展地震电磁信息分析研究，探索地震电离层响应变化的信息特征及其机理，为地震观测研究提供有价值的信息；还将研究地球系统特别是电离层与其他相关圈层相互作用及其效应，向航空航天、导航通信等相关领域提供空间电磁环境监测数据应用服务。

1 居高临下优点多

目前，世界各国监测地震的主要手段仍采用地面台站观测的方式。不过，用地面台站观测的方式具有很大的局限性，这是因为受观测环境和生活环境等诸多客观条件的限制，在国境边界、海洋、高山和原始森林等地区建台比较困难，使全球的观测台网密度很不均匀，存在许多监测空白区。另外，现有的地面观测台站受到越来越严重的干扰。这些都会导致地震监测区域空白和观测资料不足。还有，用地面台站观测，存在全天候、全球性和动态性较差等先天不足，不利于地震预报和地震科学研究的进一步发展。

利用卫星进行对地观测可以克服地面台站观测的许多不足，因为它具有覆盖范围广、电磁环境好、动态信息强和无地域限制，以及全天候、全天时、周期短、效率高和动态性强等优点，能够从更大的尺度上提高对地震孕育发生规律的研究和认识，弥补常规地震监测手段的不足。例如，通过导航卫星可有效监测板块之间以及板内各块体之间的相对运动和地壳应力场变化，监测地质构造随时间的变化就能探索预报地震的可能性。另外，用卫星图像可描述地球的新构造运动结构，确定地震风险带的地质构造条件；用卫星遥感能克服地面测地勘探/测量中的许多限制，更好地评估地球断层/板块边界运动/位移情况精度，甚至可达毫米级；用卫星的“甚长基线干涉仪”，可精确地记录板块(沿数百千米基线)的移动情况，精度达厘米级；用星载合成孔径雷达能获得危险源目标的三维信息，用差分合成孔径雷达进行干涉测量还可提供有效的地球动力学信息，这种方法在长期监视断层缓慢运动方面的能力已得到验证。

所以，通过卫星监测地震，有望获取地震扰动信息，推进地震预测科学研究。我国地震卫星专家指出，用空间技术手段进行地震监测有其自身优势。首先，地震是个小概率事件，所以需要尽可能多地观测到地震，积累数据，如果利用卫星来观测地震的话，地震事件经验的积累可比只在国内地表观测提高二三十倍。其次，利用空间技术手段，能观测地球板块之间的相互作用，提高板块动力学研究能力，推进地震预测研究。

我国幅员辽阔，地震多发区多，已建和筹建的地震监测台还不能满足地震预报的需求。如果用人造地球卫星对地观测，由于卫星具有覆盖范围大，不受地面自然条件限制的特点，且空间电磁场动态信息强于地面电磁场信息，从而可对地震预报起到积极的推动作用。因此，我国发展地震卫星十分必要。

现在，用卫星直接预报地震的方法主要有两种：一种用气象卫星通过监测某地地表热红外辐射的异常变化来预报地震；另一种是用电磁监测卫星（简称地震卫星）监测某地电磁场的异常变化来预报地震，且后者已成为发展主流。

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地球周围存在空间等离子体环境，当受到地壳运动、人类活动等影响时，其中的电磁波就会像水中的涟漪一样在等离子体环境里传播。科学家已发现地震也会对空间等离子体环境的电磁场产生影响，甚至会在地震前就会影响。因此，科学家希望通过研究空间等离子体变化与地震活动的关联规律，来探索如何攻克“地震预报”这一千年难题。

2 监测电磁成趋势

20世纪80年代末，我国地震工作者开始利用气象卫星获取的热红外数据进行地震预报实验研究。1990-2000年，国家地震局和国家气象局借助气象卫星、资源卫星获取的红外实测数据，首创了地震短临预报技术，成果比较明显。大量的观测事实显示，在多数大地震发生前，均在震中及其邻区发现过大量与电磁波有关的异常现象。而这些电磁场的变化会最终反映在大气的电离层中，因此使用卫星监测电离层变化，可以为人们准确预报地震提供参考。

国外利用卫星进行地震前空间电磁异常现象的研究已经有多年的历史。统计结果表明，空间电磁扰动与地震发生具有明显的相关性，构建空间电磁监测体系对研究地震机理与空间电磁扰动的耦合关系、探索地震预测新方法有着重要意义。所以，我国研制和发射张衡－1卫星是顺应地震预报科学的发展潮流之举。

纵观各国已发射的地震卫星，它们主要用于探测感应电场、感应磁场、基本磁场和高能粒子等电离层参数。例如，2004年6月，法国发射了名为“震区电磁辐射探测卫星”的地震卫星，它可以在地震或火山活动发生前后对区域的电离层和电磁环境进行监测。其主要载荷有感应式磁力仪、电场探测仪、等离子体分析仪、朗缪尔探针和粒子探测仪。在轨飞行期间，该卫星能监测地球电磁信号的变化，即研究与地震、火山相关的电离层变化，研究与人类活动有关的电离层活动及引起电离层变化的机理等。该卫星为地震电磁耦合机理、地震前兆信息研究提供了宝贵的资料。

2004年6月升空的法国“震区电磁辐射探测卫星”用于监测地球电磁信号的变化，即研究与地震、火山相关的电离层变化，研究与人类活动有关的电离层活动及引起电离层变化的机理等

受到运行周期、卫星性能等的影响，用1颗地震卫星观测只能获取有限的地震前兆信息。在一次较大地震发生前的1个月时间内，1颗卫星飞过地震震中上空的次数也就几次，而且持续时间非常短，可以获得的观测数据非常少，仅凭这些数据来判断地震的时间、空间和强度是非常困难的。如果能建立包括监测电磁、重力、热红外辐射等多种不同类型卫星组成的星座，则可满足地震预报要求。卫星数量和种类越多，资料积累就越多，有利于地震电磁耦合机理、地震前兆特征和干扰研究。

3 名字来由与概况

我国首颗电磁监测卫星以“张衡”为名是为纪念东汉天文学家张衡在地震观测方面的杰出贡献，传承以张衡为代表的中国古代科学家群体的精神内质，牢固树立和充分彰显中国科技文化自信，为新时代中国科技发展与世界科技进步作出更大贡献！

张衡－1卫星是我国第一颗专业进行电离层电磁扰动监测的卫星，用于监测全球空间电磁场、电磁波、电离层等离子体和高能粒子沉降等物理量，为探索地震前兆信息、空间环境监测预报和地球系统科学研究提供新的技术手段服务，为未来建立地震前兆电磁监测卫星业务化系统进行技术准备。

张衡－1卫星的工程目标是：建设重点监测中国全境，并能获取全球电磁信息的试验卫星及其地面、应用系统，检验卫星电磁监测新技术设备的效能和空间适应性。同时搭载国际相关载荷，总结地震电离层扰动特征，为地震观测研究提供有价值的信息；为航空航天、导航通信等相关领域提供空间电磁环境监测数据应用服务。在监测空间电磁环境状态变化的基础上，研究地球系统特别是电离层与其他各圈层相互作用及其效应，初步探索地震前后电离层响应变化的信息特征及其机理。

其科学目标是：研究地震电磁电离层信息特征及机理，研究地震电磁电离层前兆信息提取方法；分析卫星在轨期间全球7级、中国6级以上地震电磁电离层信息特征，积累典型震例；初步建立全球电离层和地磁场模型，研究地球系统各圈层相互作用及其效应。总之，就是为未来建立地震前兆电磁监测卫星业务化系统进行技术准备。

发展张衡－1卫星的科学意义有三：一是获取全球地磁场和电离层环境及其变化信息，填补我国在该领域信息获取能力空白，支撑构建全球地磁场和电离层模型。二是基于天基观测优势，提升中国全境电磁场和电离层监测能力，填补地面观测台网在青藏高原和海域地区观测不足。获取全球震例，大幅增加震例检验机会。三是为空间天气预警、通信导航环境监测、空间物理和地球物理研究提供重要数据支持，服务于基础科学研究。

该卫星采用中国空间技术研究院航天东方红卫星有限公司自主研发的CAST2000平台进行设计，并针对性的进行改进，发射质量约730kg，外形为1.4m×1.4m×1.4m的立方体，装载了6根伸展长度4m多的伸杆，采用单太阳电池翼及三轴对地稳定姿态，设计寿命为5年。它装载了高精度磁强计、感应式磁力仪、电场探测仪、等离子体分析仪、朗缪尔探针、全球导航卫星系统掩星接收机、三频信标机和高能粒子探测器8种科学探测有效载荷，可实现在低地球轨道对空间电磁场、电离层等离子体、高能粒子的监测。每5天对地球上同一地点进行重访，观测区域可覆盖地球南北纬65°内的区域，重点观测区域覆盖我国陆地全境和陆地周边约1000km区域以及全球两个主要地震带。

张衡－1创造了我国卫星研制领域的多项首次，总体技术指标达到国际先进水平，部分技术指标达到国际领先水平。

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由于受到自然环境条件的限制，目前我国在以青藏高原为主的近2×106km2的陆地面积缺乏地震前兆监测能力，在国境线和海域地震等方面的监测能力也几乎处于空白。张衡－1入轨后，将迅速填补我国对上述地区地震前兆监测的空白，提高我国地震监测能力。它一方面将为地震电磁立体观测提供更多种类、更加海量的电磁类信息，同时还可带动其他空间信息技术在防震减灾领域的应用，加快地震立体观测体系建设，提高地震监测能力，进一步丰富地震预测预警手段。利用张衡－1卫星获取的数据，可以提高地球物理场反演能力，自主建立全球基本地球物理场模型，取得具有自主知识产权的研究成果。

4 技高一筹亮点多

国内首次实现了在轨精确磁场探测

卫星装载了高精度磁强计、感应式磁力仪载荷，填补了我国在近地磁场精确探测领域的空白，与国际上先进的执行地球磁场探测任务的德国“挑战性小卫星有效载荷”卫星和欧洲航天局“蜂群”卫星相比，载荷技术指标相当，达到国际先进水平，使我国第一次有望获取十分宝贵的全球地磁场数据。

张衡-1发射状态结构图

在国内首次实现了低地球轨道卫星高精度电磁洁净度控制

张衡－1运行在近地轨道地球磁场很强大的情况下，要精确探测6级以上地震引起的电离层的微弱变化，积累高质量的观测数据，对卫星本体的电磁洁净度提出了非常高的要求，即卫星本体磁性对磁场测量影响不确定性需控制在0.5nT，这相当于地球表面磁场强度的十万分之一。经过艰苦攻关，张衡－1实现了国内低轨道卫星磁洁净度控制的最好水平，为卫星开展精确的地球磁场测量打下坚实基础。

该卫星采用了国内首颗控制整星磁洁净度小于0.5nT的卫星平台，整星磁洁净度达到了0.33nT，具备独一无二的高磁洁净度的特性，达到国际先进水平。张衡－1弥补了我国天基科学探测领域发展的一大短板，对后续空间电磁场探测任务的发展具有重要意义。

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根据用户应用需求，要求卫星具备1nT精度的矢量磁场测量能力。引起卫星磁场测量误差的因素主要有三个：磁场测量仪器误差、姿态偏差引起的矢量磁场测量误差、卫星平台磁场干扰带来的测量误差。其中卫星平台磁场干扰带来的测量误差占比较大，所以其磁洁净度必须不大于0.5nT，才能保证卫星在轨磁场测量总误差不大于1nT。为此，采取了几种措施：一是采用折叠式伸杆，将磁场探测器安装在伸杆顶部，尽可能的衰减磁场干扰量；二是整星开展严格的磁洁净控制，减小磁性材料的使用量等；三是采用磁设计优化，通过整星磁性仿真和布局优化，减小磁场干扰量；四是在卫星出厂前开展整星级的磁试验。

德国“挑战性小卫星有效载荷”卫星

2013年11月,欧洲航天局3颗“蜂群”升空，对地球磁场进行勘察

在国内首次实现了高精度电离层电子、离子原位探测

张衡－1装载的我国自主研发的等离子体分析仪和朗缪尔探针，实现等离子体原位探测，突破了高精度、大动态范围的微弱电流测量技术。该技术还可直接应用于我国其他地球电离层探测的航天器和对其他行星的电离层探测。另外，它在国内还首次实现了利用三频信标技术进行空间电离层探测，填补了我国在星载无线电信标探测电离层领域的空白。

建立了我国首个天基地震电磁综合观测平台

张衡－1是我国首个天基地震电磁综合观测平台，开辟了我国地震监测研究的新途径。通过发挥卫星对地观测的大动态、宽视角和全天候的优势，可获取全球电磁场、电离层等离子体和高能粒子观测数据，研究地球系统特别是电离层与其他各圈层相互作用及其效应，能对中国及其周边区域开展电离层多种物理量动态准实时监测，弥补地面观测的不足，填补我国在该领域的空白。

张衡－1采用了多载荷集成技术，把8台套3类载荷有机地集成在一起，在国内首次将电场、磁场、等离子体和高能粒子等多种有效载荷集成在同一个卫星上，所以在总体设计中需要考虑对各个探测对象的无干扰独立同步观测，使得这些需求各异的载荷在同一颗卫星上能够“和谐相处”，并可取得有效的科学数据。这是相当不易的，需要充分考虑卫星轨道运动与太阳的关系，卫星与空间等离子体的相互作用关系，卫星与空间磁场、高能粒子的相互关系，以及每个载荷工作时是否通过等离子环境的相互作用进而影响别的载荷，所以卫星系统设计难度大。

张衡-1卫星在轨示意图

采用了高精度标定技术

这对验证科学载荷实现性能、实现定量化测量十分关键。在张衡－1研制中，解决了极低噪声、超大动态范围和极高灵敏度的动态标定问题以及直流/交流磁场、等离子体和粒子的定量标定技术，全面验证了各载荷性能，确保了各载荷在轨科学数据质量满足要求。

在国内首次研制了超高收纳比的伸杆机构

收纳比是指伸开机构展开后长度与收拢状态长度之比。本次采用的伸杆机构可将有效载荷展开至远离星体的位置，从而提高有效载荷的探测精度。

张衡－1在国内首次自主研制了具有轻质、低磁、一维展开特点的卷筒式伸杆机构，首次实现了弹性卷筒国产化，机构的伸杆指向精度、展开状态基频等关键性能指标达到国际先进水平。它是目前国内安装伸展机构最多的卫星，除太阳电池翼机构外，它有6套伸展机构，作用就是把有效载荷展开至远离星体所指定的位置，避免星体电磁环境对有效载荷测量精度的影响。

该卫星有两类新机构，一种类似魔术棒，即卷筒式伸杆机构，其收拢时只有手掌大小；另一种类似人的手臂，即铰链式伸杆机构，这两种机构展开后长度均可超过5m。前者收纳比为39，达到国际领先水平。这两类伸杆机构有几大特点：一是能缩能伸，发射时牢固压紧在卫星表面以承受发射过程中的巨大力学载荷而不损坏，入轨展开后将端部产品运送至指定位置；二是伸杆机构在轨展开可靠，在经历超过200℃的温度交变时，5m左右的机构端部位置变化量不大于2mm，大约为一枚硬币的厚度;三是用料更精，由于伸杆机构距离终端载荷产品距离更近，其磁洁净度要求也更为苛刻，伸杆机构上的每种材料都经历过严格筛选和测试。

多伸杆机构卫星的在轨有效应用，极大的突破了卫星本体尺寸对载荷探测需求的约束。在CAST2000小卫星平台基础上，张衡－1将星上探测载荷之间的距离由不到2m延展至超过10m，创造了国内小卫星伸展载荷的新纪录，具有良好的经济可行性和庞大的市场背景。

5 意义重大不一般

按照计划，张衡－1将安排6个月左右的在轨测试工作，并通过星地比测和国际联测，检验和评价卫星数据质量，之后交付中国地震局进行使用。此后，中国地震局通过张衡－1开展相关数据研究应用工作，加速构建天空地一体化的地震立体观测体系，为国家战略决策提供详实、可靠的依据，履行我国第一颗以地震电磁前兆研究为主要应用背景、专业进行电离层电磁扰动监测卫星的使命，使我国首次具备全球地磁场和电离层信息获取能力，构建具有完全自主知识产权的全球地磁场和电离层模型。

该卫星的发射和投入使用，可使我国首次具备全疆域和全球三维地球物理场动态监测的技术能力，将使我国成为世界上拥有在轨运行多载荷、高精度地球物理场探测卫星的少数国家之一。它具有如下重大意义：

一是首次基于天基电磁观测的平台可获取全球电磁信息。张衡－1是我国自主研制、具有高度创新性的天基电磁观测科学卫星，多项指标达到国际先进水平，首次实现了在低地球轨道对空间电磁场、电离层等离子体和高能粒子的监测，获得了高精度的全球地球物理探测量，填补了我国从空间电磁环境方面开展地震学、地质学等相关研究领域的空白，大幅提升了全球空间电磁场、电离层等探测数据获取能力。

二是大幅提升了空间电磁场和电离层监测水平。张衡－1是由我国完全自主研发的，以重大科学为牵引，围绕空间电磁场、电离层等离子体和高能粒子开展研究,实施创新性的空间对地观测科学任务。通过它可实现多项电磁场和等离子体探测技术的国产化，填补传统的地面监测手段的不足，大幅增加震例检验机会，对于提升空间电磁场和电离层水平具有重要意义，为地震机理研究和理论探索提供重要数据支撑。

三是为空间天气预警、空间物理和地球物理研究提供重要支撑。该卫星能够有效监测地球电离层环境、地球磁场及其扰动变化，为我国自主建立全球地磁场模型和电离层模型，开展空间天气预警及通信导航环境研究提供重要的基础数据，并有望取得重大突破，为服务我国空间物理等基础科学研究奠定重要基础。

四是提升我国在地球物理场研究领域的国际影响力。后续，国家航天局将对外发布张衡－1卫星数据国际合作政策，建立观测数据的共享和发布机制，并有效提高卫星数据的应用效率和科学成果的产出，加强国际交流与合作，提升全球地震科学研究水平，搭建国际合作平台，显著提升我国在地球物理场研究领域的国际影响力，为推动构建人类命运共同体作出贡献。

在国家主管部门的领导下，张衡－1将为全球用户提供电磁场、高能粒子、等离子体等多方面的数据，还将与国际上多个国家开展卫星应用和科学研究方面的深入合作，带动引领我国地震监测领域研究的国际化发展潮流。

虽然目前利用电磁监测试验卫星尚不能直接预测预报地震，现在它还主要是用于对地震前兆信息研究，为未来建立地震监测预报体系进行前期技术储备，但是，随着在地震电磁耦合机理的突破、观测数据资料的积累、地震前兆信息特征和干扰排除方法研究的深入，地震预测科学研究还将逐步取得进步。

今后，我国还可以与国外的卫星合作，组成星座编队飞行，提高电磁监测的时间分辨率。另外，张衡－1的02星正加快推动立项，计划将于2020年发射。