拓展全球地球物理場和空間環境感知建模能力
——張衡一號衛星在軌運行五周年

申旭輝 袁仕耿 澤仁志瑪

（1 中國科學院國家空間科學中心空間天氣學國家重點實驗室 2 航天東方紅衛星有限公司 3 應急管理部國家自然災害防治研究院）

1 跨世紀爭論催生的科學計劃

中國是世界上地震活動十分嚴重的國家之一。強烈地震以其突發性、毀滅性和鏈生性，對人民生命財產安全和社會經濟活動造成巨大影響，但地震預測至今仍然是一個世界性科學難題。20 世紀末至21 世紀初，國際學術界圍繞地震能否預報展開了一場大討論，困惑中的地震預報與巨大的地震災難觸動了關于地震預報方法論的思考。2003年2月18-19日，中國地震局、國家國防科技工業局、科學技術部、中國科學院等共同組織香山會議，正式啟動地震衛星規劃論證工作，并多種渠道支持地球物理場衛星計劃科學論證和關鍵技術預研，積極推進空間對地觀測技術在防災減災領域應用，并明確以推進張衡一號電磁監測試驗衛星計劃實施為契機，打造我國自主的地球物理場衛星系統。

經歷了長達10年的預研，2013年8月，國家國防科技工業局正式批復電磁監測試驗衛星工程立項，并命名為張衡一號。作為我國地球物理場衛星計劃的首發星，張衡一號電磁監測試驗衛星于2018年2月2日在酒泉衛星發射中心順利升空。截至2023年2月2日，張衡一號衛星已經圓滿完成設計目標，并將繼續在軌超期服役。

2 張衡一號衛星概況

主要科學目標和功能

張衡一號電磁監測試驗衛星是我國地球物理場衛星計劃首發星，也是地震立體觀測體系首個天基平臺。其主要科學目標是：在實時監測空間電磁環境狀態變化的基礎上，開展全球7 級以上、中國6 級以上地震電磁信息分析研究，初步探索地震前后電離層響應變化信息特征及其機理，研究地球系統特別是電離層與其他相關圈層相互作用及其效應，向國家安全、航空航天、導航通信等相關領域提供空間電磁環境監測數據應用服務。

研制發射張衡一號衛星的意義：一是獲取全球地磁場和電離層環境及其變化信息，填補我國在該領域信息獲取能力空白，支撐構建全球地磁場和電離層模型，同時獲取全球震例，大幅增加震例檢驗機會，為地震預測科學突破奠定基礎。二是基于天基觀測優勢，提升中國全境電磁場和電離層監測能力，填補地面觀測臺網在青藏高原和海域地區觀測的不足。三是為空間天氣預警、通信導航環境監測、空間物理和地球物理研究提供數據支持。目前，我國已經形成功能齊全的光學、雷達對地觀測系統，張衡一號衛星填補了我國對地電磁觀測空白，將使我國首次具備全疆域和全球三維地球物理場動態監測能力。

張衡一號電磁監測試驗衛星的成功研制，突破了超高磁潔凈衛星平臺技術、超高電位潔凈衛星平臺技術、卷筒式伸桿技術、雙暗態標量磁場探測技術、在軌磁場校準技術、高能粒子探測器、電場探測儀技術等多項核心關鍵技術，極大推動了我國空間科學探測衛星工程水平的提升。

衛星構型與載荷配置

張衡一號電磁監測試驗衛星的構型設計采用分艙式，整星分為平臺艙和載荷艙兩個艙段，并且盡量保證不同艙段布放不同設備，即平臺艙布放平臺部分設備，載荷艙布放有效載荷分系統設備。衛星構形設計尺寸如下：

1）衛星結構本體：1451.2mm（Y）×1451.2mm（Z）×1506.8mm（X）；

2）發射狀態最大包絡：Φ2850mm×2022mm（含太陽翼、伸桿和天線，高度從星箭對接面計算）；

3）在軌太陽翼展開后的跨度：10465mm（太陽翼和伸桿均展開狀態）；

4）對接環：Φ937mm×80mm。

張衡一號電磁監測試驗衛星上配置了電場探測儀、感應式磁力儀、高精度磁強計、等離子體分析儀、朗繆爾探針、高能粒子探測器、GNSS 掩星接收機、三頻信標發射機共八種有效載荷，從而獲取中國和全球電磁場、等離子體、高能粒子觀測數據。

星上有效載荷配置

張衡一號衛星上配置的科學探測載荷就像衛星的觸角一樣，能夠感受到各種來自地球磁場、電場、等離子體、高能粒子的變化。不過，在距離地球500km 的高空觀測磁場變化，相當于在大象身上測出一只螞蟻的重量變化，并且描述大象的情況，其誤差不能超過螞蟻的重量。這對載荷的靈敏度、準確性和穩定性都提出了極高要求。以高精度磁強計為例，它的探測靈敏度極高，可以分辨出背景磁場百萬分之一的信號，同時它的矢量準確度可以優于0.5 nT。要把這么多不同的科學探測載荷有機地集成在一起，并取得有效的科學數據，需要考慮非常多的技術指標。由于衛星配置載荷種類、數量較多，各載荷探測原理和觀測需求各不相同，張衡一號衛星在研制過程中經過了大量的設計和驗證工作，最終使得這些需求各異的載荷在同一顆衛星上能夠和諧相處。經過在軌測試和長期數據質量評價跟蹤研究表明，張衡一號衛星各載荷在軌實際探測能力達到了國際同期水平，部分探測能力達到了國際領先水平。

衛星軌道設計

張衡一號衛星采用太陽同步圓軌道，軌道高度507km，傾角97.4°，回歸周期為5 天，降交點為地方時14：00。

電磁監測試驗衛星軌道參數

衛星設計為5 天回歸的軌道，每5 天星下點軌跡嚴格重復，1 天赤道上相鄰的軌跡間距約為2650km，在一個回歸周期內，赤道上兩條相鄰軌跡的間距為530km。

3 在軌運行五周年取得豐碩成果

張衡一號衛星已經順利完成5年的在軌設計任務。張衡一號在軌期間，我國首次成功獲取了覆蓋全球的地磁場和低頻電磁頻譜兩套基礎數據集，完整記錄了全球500 多次6 級以上，近60 次7 級以上強震信息。在此基礎上，首次系統構建了全球參考地磁場和巖石圈—大氣層—電離層耦合機理兩個科學模型，達到國際領先水平；全面開展了全球顯著性地震的震例解剖和統計分析，取得了地震電磁和電離層前兆的時空統計規律的初步認識，同步還開展了空間天氣災害、火山災害效應等的分析研究，為進一步推進地震預測科學探索和多災種災害鏈監測預警提供了正面支持。

全球地磁場和低頻電磁頻譜數據采集填補國內空白

自發射以來，衛星記錄了全球地磁場和從ULF到HF 頻段的低頻電磁頻譜。基于衛星觀測的低頻電磁頻譜數據可以建立一個自主可控、精細、時變的低頻電磁輻射背景場，并動態感知低頻電磁輻射擾動，有效提高電離層環境監測預警能力。觀測的電磁波動在DC-3.5MHz 頻段，涵蓋了ULF、ELF、VLF、HF 多頻段的信號，包括哨聲波、嘶聲、準周期離散波動等豐富的波動。其中一些電磁波動還通過波粒相互作用機制導致了高能粒子加速和沉降現象。這些地磁場和低頻電磁頻譜數據的采集填補了國內空白，在我國地球空間物理和自然災害防治的研究方面發揮重要作用。

張衡一號衛星給出的全球ULF 頻段電磁頻譜背景

衛星電磁數據應用研究取得突破性進展

1）系統研究了衛星在軌期間全球震例，初步結論認為6 級以上地震較大概率存在電磁電離層前兆異常。2018年2月17日，墨西哥發生了7.1 級強烈地震。2月15日、16日，張衡一號衛星連續記錄到了這次地震前的低頻電磁輻射現象，也是張衡一號衛星記錄到的首個7 級以上地震現象。2023年2月6日土耳其7.8 級雙震，張衡一號衛星數據分析也發現震前約20 天斷續出現電磁波和等離子體前兆異常。截至目前，張衡一號衛星共記錄到全球6 級以上地震500多次，7 級以上地震60 余次。震例解剖和綜合統計結果初步表明：6 級以上地震孕育過程中，較大概率在震前幾天、距離震中數百千米范圍內出現明顯的電磁輻射和電離層擾動異常。其中，異常出現的位置余震中的偏差與所處的地磁經緯度相關，6 級以上地震前出現低頻電磁輻射和電離層擾動前兆的概率在60%以上，可能達到80%。

必須注意的是：并不是每次地震都會在預期的時空范圍內出現異常，利用單一參量開展地震預測研究仍是巨大的挑戰。因此，利用電磁衛星觀測數據開展更多、更深入的研究是非常必要的。研究地震-電離層機制需要涉及地球物理學、大氣/電離層物理學、地球化學/大氣化學等多學科知識，我們的研究成果尚處于初步階段。

2）張衡一號衛星對多種自然災害事件具備良好的響應能力。當前，空間天氣災害已經成為影響社會經濟的重要因素。張衡一號衛星在軌期間，完整記錄了多次空間天氣災害事件的時空發展過程。如2018年8月發生的大磁暴，電磁場、等離子體、能量粒子等各類載荷都觀測到了磁暴初相、主相和恢復相期間地球物理場參量的擾動及其全球分布特征。張衡一號衛星搭載的太陽X 射線監測器也觀測到了太陽耀斑和日冕物質拋射期間的X 射線的增強和太陽質子事件的發生。這些太陽活動的觀測結果與“諾阿”氣象衛星（NOAA）、地球靜止軌道環境衛星（GOES）的觀測結果具有很好的一致性。張衡一號衛星在軌還觀測到湯加火山爆發前后的電離層變化和通信導航環境強烈擾動。

3）成功構建我國首個全球參考地磁場模型，達到國際領先水平。基于張衡一號衛星數據，建立了全球參考地磁場模型CGGM 2020.0。該模型經國際地磁與高空物理聯合會（IAGA）評估，符合國際全球地磁參考場IGRF 建模精度要求并入選新一代IGRF模型IGRF2020.0。目前，該模型系數及模型計算器已在張衡一號衛星網站和國家自然災害防治研究院網站發布，提供用戶下載使用。

張衡一號衛星對2018年8月26日強磁暴期的響應情況

全球參考地磁場模型CGGM 2020.0 是自IGRF開始更新一個多世紀以來唯一由中國科學家牽頭制作且唯一采用中國數據制作的全球參考地磁場模型。該模型的建立，標志著我國已經全面掌握全球地磁場建模的關鍵技術，填補了我國在全球地磁場戰略信息資源獲取領域的能力空白。在建立全球參考地磁場模型CGGM 2020.0 基礎上，正在融合多種數據，構建高分辨率高精度全球和區域地磁場模型，為應急組合導航、全球資源探查、國家安全以及“一帶一路”和人類命運共同體建設提供重要的戰略信息資源保障。

系統發展低頻電磁波跨圈層傳播模型，為空間地球物理科學發展奠定理論基礎

基于張衡一號衛星海量觀測約束，建立了低頻電磁波從地下/地表向大氣層和電離層傳播滲透的全波模型，結論認為：低頻電磁波的部分波模、部分能量能夠到達電離層高度并被衛星接收到。該模型系統突破了低頻電磁波跨圈層耦合傳播機理，創新發展了地球巖石層-大氣層-電離層耦合模型，并借助地面低頻通信、散射雷達和相關衛星觀測信號驗證了模型的科學性和可靠性，證實地震等產生的低頻電磁波能夠穿透巖石圈、大氣層和電離層到達張衡一號衛星高度，從而被衛星觀測到。該模型的建立修正了前人關于地球巖石層-大氣層-電離層間電磁波傳播問題認識的局限，為我國發展全球重特大自然災害全過程監測預警，開展天基低頻電磁波近地表隱伏地物高分辨率探測提供理論支撐，為重大自然災害監測、地下資源開發和地下空間管理奠定了重要基礎，同時從科學上拓寬了地球系統科學和地球關鍵圈層研究。

低頻電磁波跨巖石層-電離層間傳播模型及其在電離層波導中的衰減

4 統籌發展地球物理場衛星系列任重道遠

如前所述，張衡一號衛星在軌運行五年，我國首次獲取了全球地磁場和低頻電磁頻譜兩套寶貴的基礎數據，全新構建了全球參考地磁場和低頻電磁波跨圈層傳播耦合兩個科學模型并達到國際領先水平，系統開展了地震等重特大自然災害監測預警技術的持續探索并取得非常正面的階段性認識，填補了國內戰略需求和科學研究空白，在相關科學和技術方向走出了關鍵性的一步。

張衡一號衛星全球參考地磁場模型CGGM 2020.0

對標國家戰略需求和國際科學前沿，張衡一號衛星和地球物理場衛星計劃的發展尚屬起步，在系統發展光學、微波技術基礎上，加快發展地球物理場衛星計劃、構建自主的高分辨率、高精度地球物理場動態模型，對于打造全球自然災害監測預警、極端條件通信導航環境管理及宜居地球可持續發展支撐能力，推進地球系統科學、全球變化創新研究和人類命運共同體建設具有非常重要的意義。

統籌發展地球物理場衛星計劃，當前應該重點考慮如下幾個方面的問題。

1）全球三維、動態、多維地球物理場和空間環境的精確感知和精細建模需要綜合性地球物理場衛星星座支持。在張衡一號衛星成功在軌運行基礎上，張衡一號02 衛星及其“姊妹星”澳門科學一號衛星正在研制，重力場相關衛星研制工作也在有序推進。這些衛星項目的實施將不斷提升我國自主的高分辨率高精度全球磁場、重力場、低頻電磁頻譜和電離層環境管理能力。在此基礎上，同步強化國際合作，充分利用國際資源，加快科技創新能力儲備。

2）張衡一號衛星旨在系統獲取全球地磁場、低頻電磁頻譜和電離層動態參數。這些參數的獲取當然將在很大程度上推進地震等重特大自然災害的監測預警科學研究水平和業務能力提升。同時更要意識到，這些地球物理場參數是國家重要戰略信息資源，在國防安全、資源環境管理、電波環境監測預警、地球系統科學研究和全球變化及宜居地球可持續發展等領域均具有不可或缺的重要科學意義和應用價值。為此，迫切需要創新地球物理場衛星和張衡一號衛星計劃發展思路，面向地球全系統和地球關鍵圈層認識、探測和反演需求，加強地球物理場衛星計劃頂層設計，統籌地球物理場衛星計劃發展。

3）與傳統的空間對地觀測不同，地球物理場衛星數據特性突出表現為處理過程的復雜性和反演結果的多解性。為了讓寶貴的地球物理場衛星數據充分發揮效能，需要積極鼓勵不同領域的專業技術人員共同攻關，持續開發數據定標處理反演算法，積極推進數據研究和應用。同時要加強大數據、人工智能等現代數據技術的應用，提升數據管理能力，打通數據關鍵環節，確保有限數據應用效益最大化。

4）創新機制，交叉融合，積極支持多源多元數據融合應用。地球物理場衛星數據一方面具有多解性，也沒有傳統的空間對地觀測數據那樣的直觀效果，但地球物理場數據包含了更多真實世界的多維信息。加強地球物理場衛星數據與多種空間對地觀測數據融合，是推進地球物理場衛星數據應用，提升人們深入認識多維世界，保護宜居地球的關鍵行動。