中国“张衡一号”电磁监测卫星计划进展

申旭辉 泽仁志玛 袁仕耿 张学民 王兰炜 吴云 黄建平 赵庶凡杨艳艳 颜蕊 张振霞 林剑 刘大鹏 郭峰 谭巧

世纪之交，国际上围绕地震是否可以预测开展了一场学术大讨论。以这次大讨论为契机，国内外科学家前所未有地展示了大量的观测数据和分析结果并开展了系统深入的交流互动，陈运泰院士借用戈达德的话总结认为：“慎言不可能，昨日之梦想，今日有希望，明日变现实。”2003年2月18—19日，中国地震局联合国家国防科工局、科技部和国家自然基金委在北京组织香山论坛，叶叔华、许厚泽、宁津生、刘经南、马宗晋、马瑾等院士专家与会讨论并呼吁发展专用的地震卫星，以建设地震立体观测系统，提升多物理场三维观测能力，为推进地震预测科学研究突破奠定基础（图1）。

图1 2003年2月26日，中国航天报刊发《院士呼唤地震监测星》

香山论坛后，中国地震局迅速组织专家工作团队，吴云研究员和申旭辉研究员分别担任专家组组长和副组长。由于吴云研究员工作单位在武汉，为便于工作，中国地震局协调后于2005年底对专家组进行了调整，改由申旭辉研究员担任组长，吴云研究员任副组长，钱家栋研究员等一批老专家任顾问。从2003年开始，这个专家组在各部门的大力支持下，广泛调研了国际上卫星电磁观测技术发展，系统梳理了国家防震减灾能力建设需求，连续承担了一系列卫星系统规划和卫星关键技术研究及研发任务，密切跟踪了国家民用航天技术布局，于2005年正式提出了以地震预测科学探索为重点、兼顾国家战略需求，发展地球物理场卫星计划的建议，得到中国地震局、国家国防科工局、发展改革委等部门的一致支持。

在此基础上，2007年10月国家国防科技工业局正式启动张衡一号电磁监测试验卫星（以下简称“张衡一号01卫星”）工程预研和立项综合论证，2009年9月中国地震局与意大利国家核物理研究院签署张衡一号01卫星合作协议，2009年9月底时任国务院总理温家宝同志做出重要批示，2013年7月国务院正式批复张衡一号01卫星工程立项，2013年9月中国国家航天局与意大利空间局签署张衡一号01卫星工程合作研制备忘录，张衡一号01卫星工程研制工作全面推进。

工程概况

科学目标：张衡一号01卫星用于探测空间地磁场、电磁波、电离层等离子体原位和结构信息，获取全球地磁场和电离层环境及重建其动态模型，积累地震电离层震例，探索地震短临预测新方法，发展地震科学理论，研究空间天气活动及地球岩石层—大气层—电离层耦合机制，并为相关领域科学研究提供数据服务。

工程大系统组成：张衡一号01卫星工程由卫星系统、运载火箭系统、发射场系统、测控系统、地面系统和应用系统组成（图2）。卫星设计运行于高度507km的太阳同步轨道，轨道倾角97.4°，降交点地方时14:00，轨道回归周期5天。工程设计寿命5年。

图2 张衡一号01卫星工程大系统组成

有效载荷配置：星上装载高精度磁强计、感应式磁力仪、电场仪、等离子体分析仪、朗缪尔探针、GNSS掩星接收机、信标发射机和高能粒子探测器，其中高精度磁强计与奥地利合作研制，高能粒子探测器与意大利合作研制（表1）。

表1 张衡一号01卫星有效载荷配置表

主要数据产品数据产出：张衡一号产出的数据类型：电磁场波形和谱、地磁场矢量及标量；电离层原位观测的电子密度、电子温度、离子密度、离子温度、离子漂移速度、高能电子通量、高能质子通量；电离层总电子含量、电子密度剖面等共3大类59种产品。在此基础上，应用系统还将不断产出全球尺度的地磁场和电离层模型及其区域增强模型，并提供地磁场、电离层动态信息产出。

在轨运行情况

（一）在轨测试工作圆满成功

2018年2月2日15:51，张衡一号01卫星在酒泉卫星发射中心搭载长征二号丁运载火箭发射，成功进入预定轨道（图3）。经9个月的在轨测试，2018年11月在轨测试工作评审认为取得“圆满成功”。国际同行评价认为总体达到国际同类卫星同期水平，部分国际领先水平。有效载荷在轨功能性能测试结论详见表2，其中：

图3 张衡一号01卫星搭载CZ-2D运载火箭点火升空

表2 张衡一号01卫星有效载荷在轨功能性能测试结论一览表

卫星轨道形态、轨道高度、太阳同步性、星下点轨迹与地震带捕获要求以及卫星平台电磁洁净度、平台表面等电位控制均达到工程指标要求;星务分系统、测控分系统、电源分系统、数传分系统均工作正常；星地链路包括接收范围、传输稳定性等，均符合工程指标要求；常规情况下，在地面接收站可见范围，卫星开始下传数据，链路稳定；在测试时，上注指令均能正常上注和正确执行。

在轨测试期间增加了半球工作能力，表明卫星平台和载荷均具备极区工作和连续工作能力，为02星平台和载荷全球连续工作提供了质量参考。

8个有效载荷除了三频信标机一个频点失效、等离子体分析仪离子密度绝对值偏低和电场探测仪高频灵敏度性能略差外，其他指标均符合预期，满足工程指标。搭载的意大利高能粒子探测器根据双方交流和意方提供的数据判断，数据能够反映空间粒子基本特征，能与中方载荷在0°和90°两个探测方向的互补。

（二）运行稳定，科学数据产出持续有效

张衡一号01卫星自2018年2月2日发射入轨以来，运行稳定，科学数据产出持续有效。截至2021年7月1日，卫星在轨稳定运行40个月，累计绕地球飞行18935圈。其间，国家自然灾害防治研究院与卫星系统、地面系统和测控系统联合，累计开展了18次卫星在轨常规轨控任务，开展了15次星上载荷科学试验，3次半球工作模式观测，通过上注指令实现载荷软件更新或死机状态重启13次。

国家自然灾害防治研究院从地面系统累积获取1～2级标准数据产品113.2TB。卫星记录全球6级以上地震371个(中国13个),其中全球7级以上地震41个(中国1个),记录到了强磁暴事件1次,对外向意大利空间局、欧洲空间局、中国地震台网中心、GEO数据重心等提供在线数据下载服务，目前在线注册超过20余家单位，累积数据下载量近200TB。

基于张衡一号01卫星数据，国际地球物理场建模历史上首次产出了中国模型，填补了多项研究空白。我们的意大利合作伙伴荣获“2019年度中国国际科技合作奖”并称赞中方是“可信赖的合作伙伴”，张衡一号01卫星合作也于2020年获评中意建交50周年最重大科技合作成果。

2020年底，张衡一号01卫星正式完成了卫星在轨交付。

取得的主要科技成果

2021年2月2日，张衡一号01卫星成功在轨运行3周年。卫星入轨3年来，应急管理部国家自然灾害防治研究院联合国内外科研团队，开展了系统的科学研究和广泛的国际合作，取得丰硕研究成果。2018年2月2日和2019年3月23日，习近平总书记两次高度评价张衡一号01卫星研制和合作成果，获得2019年度中国国际科技合作奖的意大利空间局前局长罗伯托·巴蒂斯通教授评价“中国科学家是可靠的合作伙伴”，IUGG地震与火山电磁学跨协会工作组前后两任主席均表示“热切期待与张衡一号卫星的合作”。

（一）成功构建我国首个全球参考地磁场模型，达到国际同期水平，具有重大战略意义

基于张衡一号01卫星数据建立了全球参考地磁场模型CGGM2020.0（图4）。该模型经国际地磁与高空物理联合会（IAGA）评估，符合全球地磁参考场IGRF建模精度要求并入选新一代IGRF模型IGRF2020.0。全球参考地磁场模型CGGM2020.0是IGRF一个多世纪以来唯一由中国科学家牵头且唯一完全采用中国数据制作的全球参考地磁场模型。目前，该模型系数及模型计算器已在中国地震局卫星地震应用中心网站www.leos.ac.cn和国家自然灾害防治研究院网站www.ninhm.ac.cn发布，免费提供用户下载使用。

图4 全球参考地磁场模型CGGM2020.0

CGGM2020.0的建立，标志着我国已经全面掌握全球地磁场建模关键技术，填补了我国在全球地磁场战略信息资源获取领域的能力空白。张衡一号01卫星团队正在融合多种数据，构建高分辨率高精度全球和区域地磁场模型，为应急组合导航、全球资源探查、国家安全以及“一带一路”和人类命运共同体建设提供重要的战略信息资源保障。

（二）发展了地球岩石层—大气层—电离层耦合模型，突破了现有勘探地球物理理论的局限，为地球系统科学和地球关键圈层研究奠定重要科学基础

基于张衡一号01卫星海量观测，开展了大量数学物理模拟，构建了基于全波方法的低频电磁波跨圈层传播模型（图5）。系统证实地下低频电磁波能够穿透岩石圈和电离层到达卫星高度，精细仿真了低频电磁波传播渗透特征，修正了前人关于地球岩石层—大气层—电离层间电磁波传播问题上“高频波出不来，低频波上不去”认识的局限，发展了低频电磁波跨电离层传播渗透模型。该项成果在理论上将空间对地观测能力从地表拓展到地下，卫星地球物理反演分辨率从百公里尺度提高到百米尺度，为发展天基隐伏地物高分辨率探测技术，规划发展下一代地球物理场探测卫星，完善地球系统科学理论奠定了科学基础。

图5 基于全波方法的低频电磁波跨圈层传播模型

（三）初步证实地震电磁辐射能够到达电离层高度被卫星接收到，为地震预测科学探索提供了新的途径

2018年2月17日，张衡一号01卫星在轨开机工作3天后即记录到墨西哥7.1级地震。截止到2020年12月31日，全球共发生7级以上地震33个，6级以上地震315个，其中中国境内6级以上地震9个。根据对这些震例的跟踪研究及统计分析，初步认为对于绝大部分强地震，张衡一号01卫星均记录到了与地震相关的电磁波和等离子体异常扰动现象，6级以上地震的探测概率达到60%以上，并且随着发震时刻临近，可能检测到的概率也明显提高（图6）。

地震预测作为一个世界性科学难题，其主要原因之一在于大地震的小概率特性。张衡一号01卫星以其全球观测能力，突破了地面观测局限，能够有效捕捉全球震例，从而为探索地震预测科学理论和方法，提供了全新的数据和可能。

（四）精准记录空间天气活动，支撑形成空间天气灾害监测预警能力，为重大带电生命线工程安全提供保障

张衡一号01卫星各个载荷具备了对空间天气灾害事件的精准响应能力。2018年8月发生的大磁暴是张衡一号01卫星发射以来遇到的最大的磁暴（Dst值到达-174nT）。卫星各个载荷观测到了磁暴初相、主相和恢复相的各个阶段多种地球物理场物理参量的扰动（图7）。卫星在轨期间，还精确记录了日食、海啸、风暴潮、南大西洋磁异常活动以及多种空间电磁波活动，在空间天气灾害和极端天气灾害监测预警方面具有良好的应用前景。

图7 张衡一号卫星对2018年8月26日的强磁暴的记录

空间天气灾害是影响现代技术系统稳定运行和社会经济可持续发展的重要因素。1989年冬季加拿大魁北克600万人停电、2011年日本311地震后GPS导航信号中断46个小时、2017年北美磁暴—飓风—地震复合灾害期间应急通信系统失效。张衡一号01卫星将形成生命线工程的空间天气灾害效应和极端条件下应急通信导航环境监测预警能力，密切配合国家战略和国家安全需要，有效保障“两个一百年目标”实现。

发展展望

2015年5月，国务院批准《国家民用空间基础设施中长期发展规划（2015—2025）》（国办发〔2015〕39号），规划“进一步完善光学观测、微波观测、物理场探测手段，建设高分辨率光学、中分辨率光学和合成孔径雷达三个观测星座，发展地球物理场探测卫星，围绕地震、减灾、国土、测绘、海洋等行业对地球物理环境变化监测需求，发展电磁监测与重力梯度测量等手段，形成地球物理场探测能力”。按照《国家民用空间基础设施中长期发展规划（2015—2025）》部署，在张衡一号01卫星成功发射基础上，2018年4月，发展改革委批复了张衡一号02卫星工程可行性论证报告，作为我国地球物理场探测卫星计划的首发星。

张衡一号系列卫星的发展，得到了国家领导人的高度关注，2018年2月2日，习近平总书记就张衡一号01卫星成功入轨亲致贺电，指出：“中意两国在电磁监测试验卫星项目合作中取得的重大成果，是中意全面战略伙伴关系的重要体现，将有力提升两国利用航天技术对地球电磁环境的监测能力和水平，为地震预警、防灾减灾发挥重要作用，服务两国经济社会发展。”2019年3月23日，习近平总书记国事访问意大利期间，再次高度评价电磁监测卫星成功合作，并表示“双方愿进一步深化电磁监测02星任务的合作”。

两年来，按照习近平总书记2019年3月23日指示，国家自然灾害防治研究院坚决落实部领导要求，尤其是2020年12月1日尚勇副部长、12月2日郑国光工程总指挥批示要求，组织工程技术团队开展了系统深入的设计论证工作，及时跟踪张衡一号01卫星在轨测试和运行成果，充分吸收国际同类型卫星研制和应用经验，积极落实和协调中意合作，有序推进张衡一号02卫星工程各项工作。目前，已经完成工程初步设计工作，预计在2022年底前后完成卫星发射任务。

在此期间，以2019年澳门回归祖国20周年为契机，国家航天局启动了澳门一号卫星研制任务，设计运行在低倾角的LEO轨道上，具备与张衡一号01卫星、张衡一号02卫星虚拟组网观测能力。到2022年底，我国将初步具备高精度高分辨率地磁场和电离层建模能力，为地震科学探索、空间天气灾害监测预警、通信导航环境管理提供宝贵的信息支持。