张衡－1卫星的先进有效载荷

1 引言

2018年2月2日成功发射的张衡－1卫星是我国地震立体观测体系第一个天基平台，它的主要科学目标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。该卫星由中国空间技术研究院航天东方红卫星有限公司抓总研制。

根据地震电磁辐射及其传播特征，张衡－1卫星配置了3类8种有效载荷：一是探测电磁场的有效载荷，包括高精度磁强计、感应式磁力仪和电场探测仪；二是探测等离子体的有效载荷，包括等离子体分析仪、朗缪尔探针、全球导航卫星系统掩星接收机（GNSS掩星接收机）和三频信标机；三是探测高能粒子的有效载荷，包括高能粒子探测器等。同时，根据相关国际合作协议，卫星上还安装有意大利提供的高能粒子探测器和奥地利提供的绝对磁场校准装置，其中意大利高能粒子探测器与中方研制的高能粒子探测器互为补充，联合完成空间高能粒子的探测；奥地利绝对磁场校准装置为中方研制载荷的磁通门磁强计提供校准。

张衡－1卫星

2 探测电磁场的有效载荷

高精度磁强计

高精度磁强计由磁通门磁强计和绝对磁场校准装置组成。高精度磁强计采用我们最熟悉的电磁感应原理，通过一系列设计好的线圈系统，在电和磁的交替感应过程中将空间磁场的信息调制为最终的电信号；绝对磁场校准装置利用铷87原子与磁场有关的量子效应进行磁场测量。第一种可以准确测量磁场方向，第二种可以准确测量磁场大小，两种结合就可以准确测量磁场的大小和方向，也就是磁场“矢量”。

高精度磁强计的探测非常灵敏、准确。它灵敏到可以分辨出背景磁场百万分之一的信号，打个比方说，相当可以分辨一只蚊子落在人身上产生的重量变化；它的准确度可以优于0.5nT，相当于对一辆轿车的长度测量准确度精确到一根头发。

地球可以近似为一个巨大的磁铁，产生的磁场保护了地球免受太阳风的破坏，同时它在太阳风吹动下也会发生变形。地球磁场的精细结构能够反映地球内部构造、海洋、空间环境等多方面的信息，对地球磁场的探测是进行这些方面研究非常重要的基础数据。

高精度磁强计将为我国首次对全球矢量磁场进行准确探测，并绘制全球地磁图，以此为基础有望建立我国首个全球磁场模型。对地震带地区磁场进行长期稳定的监测，研究地震前后地磁变化特征。对电离层磁场进行准确探测，为我国空间科学研究、空间环境预报提供支持。

感应式磁力仪

感应式磁力仪基于“变化磁场产生电场”的原理，通过两两互相垂直的3副磁芯将空间中变化的磁场矢量转换为三通道电压而进行测量。在磁暴、亚暴和电离层扰动等空间天气条件下，空间中存低频变化磁场，我们可以利用感应式磁力仪测量其磁场矢量三分量的频谱和随时间变化的波形。

张衡－1卫星感应式磁力仪对标世界先进水平，具有对变化磁场的测量频带更宽、200Hz以下灵敏度更高、输出数据量更大，而且感应式磁力仪自身具有同时产生2个标准频率磁场进行在轨定标的能力。

感应式磁力仪具有详查、巡查和定标等3种工作模式，在轨预期可以获得空间中变化磁场矢量三分量的频谱和随时间变化的波形。在定标模式下，感应式磁力仪可以通过自身的标定。因此，感应式磁力仪可以获得高可信度的原始数据。

电场探测仪

电场探测仪旨在探测卫星轨道环境空间电场。为了感知空间三维电场，探测仪通过卷筒式伸杆机构向卫星本体外伸出4个传感器，正如四个灵敏的触角，每个触角都能准确的感知其所在周围等离子体环境电势，而两触角间电势差与距离的商就是两触角方向的电场，多组不共面方向的电场便能换算出空间三维电场；而供给触角能量、接收触角信息并指挥触角运行的便是探测仪的信号处理单元，它发挥着大脑和心脏的作用，还具有指挥探测仪以何种模式运行、打包压缩信息、与卫星沟通等功能；连接触角和信号处理单元的是4根特制具有承力特性的传输电缆，既保证了触角能够接收命令、传输信息，也为将触角伸展至指定位置的卷筒式伸杆提供了拉紧力。

电场探测仪是目前国际上运行在太阳同步轨道上功能配置最齐全的空间电场探测仪器，采用了先进的主动式电场探测技术—在空间等离子环境中，传感器周围会产生鞘层阻抗，相当于给触角罩上了一层屏蔽，触角便不能准确感知其周围的等离子体电势，当给触角施加一个主动“激励”，便可将屏蔽减弱，触角便可准确工作；另外，探测仪频带范围宽—覆盖了与地震信息相关的敏感频段，其中既包含了研究学者多关注报道的低频段，也包含了探测到的偶发地震现象的高频段。

电场探测仪的国际先进指标有：动态范围大（达120dB以上）且分辨率高（低频段达到1μV/m）—如果将电场探测仪比作一把度量电场的尺子，动态范围大首先说明这把尺子可以测的范围大—比如我们拥有一把长度为10m的尺子来丈量土地，分辨率高说明尺子上的最小刻度小，就是说我们用10m的尺子丈量土地还能精确到微米的精度。国际上先进的电场探测仪的动态范围在90dB左右，低频的分辨率在40μV/m，而张衡－1卫星电场探测仪的指标都领先该水平。

在轨期间，获得的空间电场数据不仅可用于日地物理研究、空间天气研究、气象预报，并为航天活动提供空间电磁环境状态数据；还能为地震监测、电波传播、雷暴监测等应用领域提供准确的基础数据和背景，提高对重大自然灾害的监测预警与评估能力。

3 探测等离子体的有效载荷

等离子体分析仪

等离子体分析仪传感器由阻滞势分析器、离子漂移计和离子捕获器3个传感器组成。阻滞势分析器主要用来测量离子的密度、成份和温度；离子漂移计用来测量离子的垂直轨道方向漂移速度；离子捕获器用来测量离子总密度的涨落。

进一步说，阻滞势分析器是由法拉第杯发展而来，其传感器为圆筒形，前端开口呈圆形，内部设有多层栅网，最后端为电流收集极。阻滞势分析器的栅网加载扫描电压，随着阻滞栅网的扫描偏压随时间逐渐变化，收集极可以得到离子电流随扫描偏压变化的伏安特性曲线，从而获得等离子体的离子参数。

离子漂移计的传感器窗口为方形，传感器的后端收集极分为均等的4块。当等离子体垂直入射，则后面4块收集极上的电流彼此相等。当等离子体以一定的角度入射，则可以通过四块收集极上电流大小的互相比较来判断离子的入射角，并根据阻滞势分析器得到的轨道方向的速度参数，可计算得到离子垂直轨道方向漂移速度。

离子捕获计安装于三轴稳定卫星的迎风面，传感器开口与卫星迎风面蒙皮保持齐平，收集轨道方向上的高时间、空间分辨率的离子电流，由收集到的离子电流信号强度的变化，得到离子密度涨落。

张衡－1卫星载荷等离子体分析仪的性能指标达到了或超过了国际同类仪器的水平。比如，离子密度测量，DEMETER卫星为102～5×105cm-3，张衡－1卫星为5×102～1×107cm-3，离子温度测量，DEMETER卫星为500～5000K，张衡－1卫星为500～10000K，还有很多方面均不同程度优于现有主要的在轨卫星。

等离子体分析仪能够实现对等离子体环境的离子温度、密度等参数微小变化的准确识别，可以获得卫星轨道空间的等离子体离子温度、离子密度以及离子成分的全球分布，精准捕获电离层等离子体离子密度涨落、离子温度、离子速度等异常信息，有效配合其它载荷在轨探测和地面观测台网资料，探索形成大地震短临预测与预警新方法。

朗缪尔探针

张衡－1卫星朗缪尔探针的基本工作原理是，将探针（传感器）伸入到等离子体中之后，探针就会收集等离子体中的电子和离子，形成从等离子体到探针的电流，该电流包含了等离子体电子密度、温度等特性参数的信息。如果给探针施加一个扫描电压，探针收集的等离子体电流（I）就会随着给探针施加的偏压（Vb）的变化而变化，得到探针和等离子体相互作用的伏安（I-V）特性曲线。通过分析该I-V特性曲线，就可得到等离子体密度、温度、悬浮电位和等离子体电位等多个参数。

目前，国际上的很多卫星均搭载有朗缪尔探针，相比较而言，我国张衡－1卫星载荷朗缪尔探针的性能指标达到了国际同类仪器的先进水平。

通过测量和分析，可以获得卫星轨道空间的等离子体电子温度、电子密度的全球分布，精准捕获电离层等离子体电子异常信息，有效配合其他载荷在轨探测和地面观测台网资料，探索形成大地震短临预测与预警新方法。

GNSS掩星接收机

我们所说的全球导航卫星系统（GNSS）泛指所有的卫星导航系统，包括全球的、区域的和增强的，比如美国的“全球定位系统”（GPS）、俄罗斯的“格洛纳斯”（GLONASS）系统、欧洲的“伽利略”（Galileo）系统，还有我国的“北斗卫星导航系统”。

张衡－1卫星所携带的GNSS掩星接收机主要不是用于卫星导航，而是进行GNSS掩星测量和数据分析工作。GNSS掩星测量是利用地球轨道上“GNSS导航星座-地球-LEO卫星”之间发生的掩星现象进行地球电离层与大气测量的气象遥感技术。GNSS导航信号切割地球的大气层与电离层剖面，穿过该剖面的GNSS导航信号由于受到电离层电子密度影响而发生传播特性的变化，利用这些变化可以完成地球的电离层和中性大气层的探测。

相比于其他国家掩星探测产品，GNSS掩星接收机产品具有以下先进指标：第一、兼顾中国北斗系统，可通过北斗导航星完成电离层及大气层探测；第二、GNSS掩星接收机用于掩星探测的通道数远大于其他国家产品，产品内部具有10个GPS、5个北斗掩星通道，通道可进行自由配置；第三、自研的工字型天线具有高增益高相位中心稳定度等特点，相位中心稳定度优于2mm，增益优于20dB。

GNSS掩星产品可通过探测多个导航星座的电离层与中性大气掩星信号，获取全球有关区域的电离层电子密度和中性大气温湿压等垂直分布信息，在轨预期成果主要有：第一、每天完成不低于500次掩星事件的探测工作，数据可用率不低于60%；第二、电离层探测产品F2层峰值电子密度探测精度优于10%；第三、大气层探测产品折射率探测精度优于1%。

三频信标机

三频信标机从星上发射甚高频（V H F，150MHz)、 特高频(UHF，400MHz)、L频段(1067MHz)三个频段的信标信号，结合地面三频信标接收机组网观测，基于差分多普勒和电离层层析成像原理，可实现对电离层的大范围、高时间分辨率、高水平分辨率的立体扫描，并能对F2层以上电离层的状态以及对小尺度电离层不均匀体结构进行测量，获取高精度电离层总电子含量和电离层电子密度剖面信息，是一种天基电离层探测新技术。

三频信标机第一阶段在指定区域工作，覆盖我国首都圈地区和南北地震构造带，目前已经在甘肃、宁夏以及云南、四川等区域建设了几条观测带，随着地面系统建设的发展以及国际合作的开展，将陆续开展其他区域的观测。

4 探测高能粒子的有效载荷

高能粒子探测器

能量的高低是相对的，卫星所探测的高能粒子主要是广泛存在于地球外太空的以接近光速快速运行的电子和质子。这些粒子被地磁场所束缚，其能量可达数百兆电子伏，由于他们能量很高，数量庞大，具有强辐射性，在他们所存在的地球外太空的很大范围形成强辐射区域，叫做“地球辐射带”。这些高能带电粒子的运动形态和分布对电磁波十分敏感，这其中就包括地震、火山、雷暴等发出的天然电磁波，也包括人类活动所发射的电磁波等。

这里特别提到地震活动所发射的电磁波可以传播到太空，引起高能粒子运动和分布的变化。因此这些高能粒子可以作为探索从空间监测和研究地震的一条有益途径。

高能粒子探测器主要探测粒子的能量、种类和入射方向。

1）由于高能粒子能量很高，他们可以和粒子探测器的灵敏材料发生相互作用，比如可以在硅半导体探测材料中使其发生电力而形成很多电子-空穴对，他们在外加电场的作用下向两级漂移，从而产生电信号；再比如可以在晶体探测器中沉积能量激发出荧光，再通过对荧光的收集和光电转换转化成电信号，根据对电信号的计算和处理后形成原始数据。通过标定得到数据与粒子入射能量的关系之后，重建粒子的能量。

2）粒子鉴别则主要基于不同种类的粒子在探测器中的物理过程的不同，使得他们在各层探测器中的沉积能量之间的关系具有显著差异，同时这也需要结合标定来实现。

3）而入射方向的探测原理则比较简单，可以简单的理解为通过记录粒子的入射痕迹反推而得。

高能粒子探测器的探测粒子能量范围分别是电子0.1～50MeV、质子2～200MeV，覆盖了辐射带高能带电粒子的主要能区。其粒子种类鉴别能力可达90%以上，角分辨能力在主要能区可达5°以下，能量分辨率在主要能区可达10%以下。上述指标均达到了国际同类探测器的先进水平。

地球辐射带存在大量高能带电粒子，这些高能粒子的强辐射性对运行中的航天器和宇航员都有很大威胁，因此自从人们意识到这个问题之后，对辐射带的研究一直饱受关注。高能粒子探测器将探测空间高能粒子的分布与异常沉降事件，为我国首次以宽能区、高角度和能量分辨率对全球空间辐射环境进行准确探测，并绘制全球高能粒子分布图。同时对地震带地区磁场进行长期稳定的检测，研究其动态演化规律和地震期间的变化特征，对近地空间辐射环境进行准确探测，为我国空间科学研究、空间环境预报提供基础数据。

5 小结

作为国内地震立体观测体系首个天基平台和首个地球物理场探测卫星，张衡－1卫星主要用于获取全球空间电磁场、电磁波、电离层等离子体和高能粒子沉降等科学数据，为地震机理研究、空间环境监测和地球系统科学研究提供新的技术手段，为研究地震电磁电离层信息特征及机理提供新的途径。同时，该卫星探测数据也能为空间物理和地球物理研究提供重要数据支持。