中国首颗电磁监测试验卫星全扫描

文/ 代振莹

▲ “张衡一号”在轨示意图

2月2日，中国第一颗电磁监测试验卫星“张衡一号”在长二丁火箭的托举下，于酒泉卫星发射中心成功发射入轨。作为我国第一颗观测与地震活动相关电磁信息的卫星，“张衡一号”格外受人关注。它能不能预测地震？在世界上处于什么地位？有哪些技术上的创新突破？未来还会有更多电磁监测试验卫星吗？……

发射前夕，“张衡一号”总指挥、总设计师袁仕耿对这颗卫星的功能作了最为凝练的总结：张衡一号卫星的任务是要做得足够灵敏，去监测6级以上地震引起的电离层的微弱变化，积累足够多的高质量观测数据，以期建立相关的模型。因此，张衡一号卫星是地震科学家心中的“望远镜”。

“如果没有第谷丰富的高质量的天体运动观测数据，就不会有开普勒的三大运动定律；如果没有开普勒的三大运动定律，就不会有牛顿万有引力的终极解释。”袁仕耿说。

不积跬步无以至千里，不积小流无以成江海。张衡一号卫星传回的观测数据以及带来今后的重大发现，更加值得期待。

跳出地球观测地震

在张衡一号卫星工程首席科学家、副总师、中国地震局地壳应力研究所总工程师申旭辉看来，观测地震，无非上天入地。

15年前刊发在《中国航天报》上的一篇文章，至今让他印象深刻，“2003年2月18—19日，在一个地震卫星的研讨会上，多位院士专家共同呼吁发展地震监测星，那是地震监测卫星的开端。”

时至今日，“张衡一号”的发射成功让我国终于能够从天上来观测地震。

一方面，电磁监测试验卫星可以弥补我国境内观测的不足，包括青藏高原在内的200万平方公里的国土和300万平方公里的海域地区。而这两块区域恰恰是位于两个地震带：地中海-喜马拉雅地震带和环太平洋地震带上。

另一方面，“张衡一号”能够监测全球电磁场和电离层，可以收集全球的震例信息。

按照规划，“张衡一号”将开展全球7级、中国6级以上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。

不仅如此，“张衡一号”还能支持地球系统特别是电离层与其它相关圈层相互作用及其效应研究，能向航空航天、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。

积累震例 服务研究

“张衡一号”不是直接观看地震的发生过程，而是通过收集震前短期、临震期释放到空中的电场、磁场、高能粒子、等离子体等的变化数据来进一步观测地震。

针对不同的物理变化，“张衡一号”配备了不同的观测手段，通过积累震例数据，为科学家提炼规律提供依据，从而进一步总结出相应的理论结论。

统计数据显示，目前7级以上地震，中国3年2次，全球每年18次；6级以上地震，中国每年4次，全球每年150次。

“天上一天，地上25年”，申旭辉介绍，张衡一号在天上一天得到的数据可能是在地面上25年才能获得的数据，将为地震科学家开展研究提供极大的数据资料支撑。

申旭辉认为，地震预测领域想要有跨越式发展，需要观测能力、数据分析处理能力、地震领域科技理论的大幅度提升，“张衡一号”做的就是第一步，提升观测能力。

8台有效载荷和谐相处

张衡一号卫星上搭载了3种8台有效载荷，分别是探测电磁场的高精度磁强计、感应式磁力仪和电场探测仪；探测等离子体的朗缪尔探针、等离子体分析仪、GNSS掩星接收机和三频信标机；探测高能粒子的高能粒子探测器。

它们就像卫星的触角一样，能够感受到各种来自地球磁场、电场、等离子体、高能粒子的变化。

▲ 试验队员在工作中 陈楚文摄

不过，在距离地球500公里的高空观测磁场变化，相当于在大象身上测出一只蚂蚁的重量变化，并且描述大象的情况，其误差不能超过蚂蚁的重量。这对载荷的灵敏度、准确性和稳定性都提出了极高的要求。

以高精度磁强计为例，它的探测灵敏度极高，可以分辨出背景磁场百万分之一的信号。同时它的矢量准确度可以优于0.5纳特，该产品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，并以此为基础建立我国首个全球磁场数据库。

要把这么多载荷有机地集成在一起，并取得有效的科学数据，需要考虑非常多的技术指标。作为航天东方红公司研制小卫星中载荷种类、数量最多的卫星，张衡一号卫星在研制过程中经过了大量的设计和验证工作，最终使得这些需求各异的载荷在同一颗卫星上能够“和谐相处”。

据介绍，“张衡一号”的设计指标和载荷配置均超过国外同类卫星。

打造首颗磁洁净卫星平台

除了有效载荷，在近地轨道地球磁场很强大的情况下，要精确探测地球磁场的细微变化，对卫星本体的电磁洁净度也提出了非常高的要求。

▲ 精心测试 陈楚文摄

俗话说“没有金刚钻，不揽瓷器活”、“打铁还需自身硬”。卫星本体磁性对磁场测量影响不确定性要控制在0.5纳特，这相当于地球表面磁场强度的十万分之一。

▲ “张衡一号”两总袁仕耿（左）讲解卫星观测地震原理 陈楚文摄

▲ “张衡一号”发射状态结构图

围绕卫星本体自身磁洁净度的极高要求，卫星研制单位东方红公司进行了一系列创新探索。其中之一就是，国内首次自主研制具有轻质、低磁、一维展开特点的卷筒式伸杆机构，首次实现弹性卷筒国产化，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。

伸杆机构包括两种，一种类似魔术表演中的魔术棒，收拢时只有手掌大小，展开后可以长达5米；另一种就像我们的手臂，张开后长度可达到5米，收纳比为39，达到国际领先水平。

如果把我们这次任务比作孙悟空西天取经，那么伸杆机构就是孙悟空的法宝“金箍棒”，它能缩能伸，发射时收拢在“孙悟空”耳朵里，以承受发射过程力学载荷。

“金箍棒”的材料可谓是精挑细选，为了满足磁洁净度要求，伸杆机构上的每种材料都经历过筛选和测试；“金箍棒”在地面上经历了多次高低温循环试验，能够确保它在遥远的轨道上可靠展开，可谓是“真金不怕火炼”；更重要的是，“金箍棒”展开后还能纹丝不动，在轨经历超过200℃温度交变后，有效载荷位置变化不会大于一枚硬币的厚度。

最终，“张衡一号”打造了我国首颗磁洁净卫星平台，卫星整星磁洁净度达到了0.33纳特，达到国际先进水平。

地球物理场动态监测

张衡一号卫星是我国地震立体观测体系第一个天基平台，同时也是我国地球物理场探测卫星计划的首发星。其意义一是在于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。

目前，我国主要以光学、雷达进行对地观测，张衡一号卫星发射运行补齐了我国对地观测的有效手段，填补对地电磁观测空白，将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，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根据地球岩石层-大气层-电离层耦合机理。

未来国内电磁监测卫星发展

地震预测是世界性的未解难题，“张衡一号”从数据观测做起，离预报地震还有很长的路要走，袁仕耿解释说。

“张衡一号”的回归周期是5天，在一次较大地震发生前后的一段时间内，它可能飞过地震震中上空的次数会很少，每次略过的时间又很短，可以获得的观测数据非常有限，另外还会受到干扰因素的影响，所以仅凭单颗卫星获得的数据来判断地震的时间、位置和强度有很大的困难。

未来，以张衡一号卫星为基础，我国还将继续推进综合空间信息应用研究，跨越式提高防震减灾空间信息业务应用能力。目前，国防科工局、中国地震局、发改委、财政部等正在加快推动电磁监测卫星张衡一号02星的论证工作，计划于2020年发射。

此次“张衡一号”的科学研究得到了多国的共同支持，法国、俄罗斯、欧空局等向张衡一号卫星科学团队提供了大量历史及在轨的电磁卫星数据，分享了他们的研究成果和研制经验，意大利空间局和奥地利空间所研制提供了相应的有效载荷。

未来，张衡一号卫星的观测数据也将为国际合作提供服务。

▲ 长二丁火箭转运 谢诚灵摄

相关链接：国际同类卫星现状

国际上，基于卫星的空间电磁探测从20世纪50年代起就一直在进行。其中，美国、俄罗斯、法国等国发射了多颗围绕电离层空间电磁环境探测的卫星。

◆20世纪60年代，美国国防部启动国防气象卫星项目，提供地球空间环境信息。

◆2000年，德国发射了一颗Champ卫星，主要目的包括测定全球磁场和电场，实现大气和电离层探测。

◆2003年，美国发射了一颗重4.5千克的地震卫星，用于研究磁场信号与地震岩石破裂关系机理。该卫星在轨运行1年半。

◆2004年，法国发射了一颗Demeter卫星，研究与地震有关的电离层扰动及引起电离层扰动的机理，探测全球尺度的卫星高度上的电磁环境。这颗卫星连续在轨运行6年半，积累了许多观测数据资料，为地震电磁耦合机理研究提供了宝贵的资料，取得了巨大成功。

◆2013年，欧空局Swarm卫星星座采用3颗卫星3个不同的极轨轨道，研究地核动力学、岩石圈磁场及地质背景等。

◆目前，美国、俄罗斯、乌克兰、意大利等国都有发射地震电磁卫星的计划。