拓展全球地球物理场和空间环境感知建模能力——张衡一号卫星在轨运行五周年

申旭辉 袁仕耿 泽仁志玛

（1 中国科学院国家空间科学中心空间天气学国家重点实验室 2 航天东方红卫星有限公司 3 应急管理部国家自然灾害防治研究院）

1 跨世纪争论催生的科学计划

中国是世界上地震活动十分严重的国家之一。强烈地震以其突发性、毁灭性和链生性，对人民生命财产安全和社会经济活动造成巨大影响，但地震预测至今仍然是一个世界性科学难题。20 世纪末至21 世纪初，国际学术界围绕地震能否预报展开了一场大讨论，困惑中的地震预报与巨大的地震灾难触动了关于地震预报方法论的思考。2003年2月18-19日，中国地震局、国家国防科技工业局、科学技术部、中国科学院等共同组织香山会议，正式启动地震卫星规划论证工作，并多种渠道支持地球物理场卫星计划科学论证和关键技术预研，积极推进空间对地观测技术在防灾减灾领域应用，并明确以推进张衡一号电磁监测试验卫星计划实施为契机，打造我国自主的地球物理场卫星系统。

经历了长达10年的预研，2013年8月，国家国防科技工业局正式批复电磁监测试验卫星工程立项，并命名为张衡一号。作为我国地球物理场卫星计划的首发星，张衡一号电磁监测试验卫星于2018年2月2日在酒泉卫星发射中心顺利升空。截至2023年2月2日，张衡一号卫星已经圆满完成设计目标，并将继续在轨超期服役。

2 张衡一号卫星概况

主要科学目标和功能

张衡一号电磁监测试验卫星是我国地球物理场卫星计划首发星，也是地震立体观测体系首个天基平台。其主要科学目标是：在实时监测空间电磁环境状态变化的基础上，开展全球7 级以上、中国6 级以上地震电磁信息分析研究，初步探索地震前后电离层响应变化信息特征及其机理，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，向国家安全、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。

研制发射张衡一号卫星的意义：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，同时获取全球震例，大幅增加震例检验机会，为地震预测科学突破奠定基础。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的不足。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数据支持。目前，我国已经形成功能齐全的光学、雷达对地观测系统，张衡一号卫星填补了我国对地电磁观测空白，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。

张衡一号电磁监测试验卫星的成功研制，突破了超高磁洁净卫星平台技术、超高电位洁净卫星平台技术、卷筒式伸杆技术、双暗态标量磁场探测技术、在轨磁场校准技术、高能粒子探测器、电场探测仪技术等多项核心关键技术，极大推动了我国空间科学探测卫星工程水平的提升。

卫星构型与载荷配置

张衡一号电磁监测试验卫星的构型设计采用分舱式，整星分为平台舱和载荷舱两个舱段，并且尽量保证不同舱段布放不同设备，即平台舱布放平台部分设备，载荷舱布放有效载荷分系统设备。卫星构形设计尺寸如下：

1）卫星结构本体：1451.2mm（Y）×1451.2mm（Z）×1506.8mm（X）；

2）发射状态最大包络：Φ2850mm×2022mm（含太阳翼、伸杆和天线，高度从星箭对接面计算）；

3）在轨太阳翼展开后的跨度：10465mm（太阳翼和伸杆均展开状态）；

4）对接环：Φ937mm×80mm。

张衡一号电磁监测试验卫星上配置了电场探测仪、感应式磁力仪、高精度磁强计、等离子体分析仪、朗缪尔探针、高能粒子探测器、GNSS 掩星接收机、三频信标发射机共八种有效载荷，从而获取中国和全球电磁场、等离子体、高能粒子观测数据。

星上有效载荷配置

张衡一号卫星上配置的科学探测载荷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。不过，在距离地球500km 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 nT。要把这么多不同的科学探测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。由于卫星配置载荷种类、数量较多，各载荷探测原理和观测需求各不相同，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。经过在轨测试和长期数据质量评价跟踪研究表明，张衡一号卫星各载荷在轨实际探测能力达到了国际同期水平，部分探测能力达到了国际领先水平。

卫星轨道设计

张衡一号卫星采用太阳同步圆轨道，轨道高度507km，倾角97.4°，回归周期为5 天，降交点为地方时14：00。

电磁监测试验卫星轨道参数

卫星设计为5 天回归的轨道，每5 天星下点轨迹严格重复，1 天赤道上相邻的轨迹间距约为2650km，在一个回归周期内，赤道上两条相邻轨迹的间距为530km。

3 在轨运行五周年取得丰硕成果

张衡一号卫星已经顺利完成5年的在轨设计任务。张衡一号在轨期间，我国首次成功获取了覆盖全球的地磁场和低频电磁频谱两套基础数据集，完整记录了全球500 多次6 级以上，近60 次7 级以上强震信息。在此基础上，首次系统构建了全球参考地磁场和岩石圈—大气层—电离层耦合机理两个科学模型，达到国际领先水平；全面开展了全球显著性地震的震例解剖和统计分析，取得了地震电磁和电离层前兆的时空统计规律的初步认识，同步还开展了空间天气灾害、火山灾害效应等的分析研究，为进一步推进地震预测科学探索和多灾种灾害链监测预警提供了正面支持。

全球地磁场和低频电磁频谱数据采集填补国内空白

自发射以来，卫星记录了全球地磁场和从ULF到HF 频段的低频电磁频谱。基于卫星观测的低频电磁频谱数据可以建立一个自主可控、精细、时变的低频电磁辐射背景场，并动态感知低频电磁辐射扰动，有效提高电离层环境监测预警能力。观测的电磁波动在DC-3.5MHz 频段，涵盖了ULF、ELF、VLF、HF 多频段的信号，包括哨声波、嘶声、准周期离散波动等丰富的波动。其中一些电磁波动还通过波粒相互作用机制导致了高能粒子加速和沉降现象。这些地磁场和低频电磁频谱数据的采集填补了国内空白，在我国地球空间物理和自然灾害防治的研究方面发挥重要作用。

张衡一号卫星给出的全球ULF 频段电磁频谱背景

卫星电磁数据应用研究取得突破性进展

1）系统研究了卫星在轨期间全球震例，初步结论认为6 级以上地震较大概率存在电磁电离层前兆异常。2018年2月17日，墨西哥发生了7.1 级强烈地震。2月15日、16日，张衡一号卫星连续记录到了这次地震前的低频电磁辐射现象，也是张衡一号卫星记录到的首个7 级以上地震现象。2023年2月6日土耳其7.8 级双震，张衡一号卫星数据分析也发现震前约20 天断续出现电磁波和等离子体前兆异常。截至目前，张衡一号卫星共记录到全球6 级以上地震500多次，7 级以上地震60 余次。震例解剖和综合统计结果初步表明：6 级以上地震孕育过程中，较大概率在震前几天、距离震中数百千米范围内出现明显的电磁辐射和电离层扰动异常。其中，异常出现的位置余震中的偏差与所处的地磁经纬度相关，6 级以上地震前出现低频电磁辐射和电离层扰动前兆的概率在60%以上，可能达到80%。

必须注意的是：并不是每次地震都会在预期的时空范围内出现异常，利用单一参量开展地震预测研究仍是巨大的挑战。因此，利用电磁卫星观测数据开展更多、更深入的研究是非常必要的。研究地震-电离层机制需要涉及地球物理学、大气/电离层物理学、地球化学/大气化学等多学科知识，我们的研究成果尚处于初步阶段。

2）张衡一号卫星对多种自然灾害事件具备良好的响应能力。当前，空间天气灾害已经成为影响社会经济的重要因素。张衡一号卫星在轨期间，完整记录了多次空间天气灾害事件的时空发展过程。如2018年8月发生的大磁暴，电磁场、等离子体、能量粒子等各类载荷都观测到了磁暴初相、主相和恢复相期间地球物理场参量的扰动及其全球分布特征。张衡一号卫星搭载的太阳X 射线监测器也观测到了太阳耀斑和日冕物质抛射期间的X 射线的增强和太阳质子事件的发生。这些太阳活动的观测结果与“诺阿”气象卫星（NOAA）、地球静止轨道环境卫星（GOES）的观测结果具有很好的一致性。张衡一号卫星在轨还观测到汤加火山爆发前后的电离层变化和通信导航环境强烈扰动。

3）成功构建我国首个全球参考地磁场模型，达到国际领先水平。基于张衡一号卫星数据，建立了全球参考地磁场模型CGGM 2020.0。该模型经国际地磁与高空物理联合会（IAGA）评估，符合国际全球地磁参考场IGRF 建模精度要求并入选新一代IGRF模型IGRF2020.0。目前，该模型系数及模型计算器已在张衡一号卫星网站和国家自然灾害防治研究院网站发布，提供用户下载使用。

张衡一号卫星对2018年8月26日强磁暴期的响应情况

全球参考地磁场模型CGGM 2020.0 是自IGRF开始更新一个多世纪以来唯一由中国科学家牵头制作且唯一采用中国数据制作的全球参考地磁场模型。该模型的建立，标志着我国已经全面掌握全球地磁场建模的关键技术，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。在建立全球参考地磁场模型CGGM 2020.0 基础上，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。

系统发展低频电磁波跨圈层传播模型，为空间地球物理科学发展奠定理论基础

基于张衡一号卫星海量观测约束，建立了低频电磁波从地下/地表向大气层和电离层传播渗透的全波模型，结论认为：低频电磁波的部分波模、部分能量能够到达电离层高度并被卫星接收到。该模型系统突破了低频电磁波跨圈层耦合传播机理，创新发展了地球岩石层-大气层-电离层耦合模型，并借助地面低频通信、散射雷达和相关卫星观测信号验证了模型的科学性和可靠性，证实地震等产生的低频电磁波能够穿透岩石圈、大气层和电离层到达张衡一号卫星高度，从而被卫星观测到。该模型的建立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认识的局限，为我国发展全球重特大自然灾害全过程监测预警，开展天基低频电磁波近地表隐伏地物高分辨率探测提供理论支撑，为重大自然灾害监测、地下资源开发和地下空间管理奠定了重要基础，同时从科学上拓宽了地球系统科学和地球关键圈层研究。

低频电磁波跨岩石层-电离层间传播模型及其在电离层波导中的衰减

4 统筹发展地球物理场卫星系列任重道远

如前所述，张衡一号卫星在轨运行五年，我国首次获取了全球地磁场和低频电磁频谱两套宝贵的基础数据，全新构建了全球参考地磁场和低频电磁波跨圈层传播耦合两个科学模型并达到国际领先水平，系统开展了地震等重特大自然灾害监测预警技术的持续探索并取得非常正面的阶段性认识，填补了国内战略需求和科学研究空白，在相关科学和技术方向走出了关键性的一步。

张衡一号卫星全球参考地磁场模型CGGM 2020.0

对标国家战略需求和国际科学前沿，张衡一号卫星和地球物理场卫星计划的发展尚属起步，在系统发展光学、微波技术基础上，加快发展地球物理场卫星计划、构建自主的高分辨率、高精度地球物理场动态模型，对于打造全球自然灾害监测预警、极端条件通信导航环境管理及宜居地球可持续发展支撑能力，推进地球系统科学、全球变化创新研究和人类命运共同体建设具有非常重要的意义。

统筹发展地球物理场卫星计划，当前应该重点考虑如下几个方面的问题。

1）全球三维、动态、多维地球物理场和空间环境的精确感知和精细建模需要综合性地球物理场卫星星座支持。在张衡一号卫星成功在轨运行基础上，张衡一号02 卫星及其“姊妹星”澳门科学一号卫星正在研制，重力场相关卫星研制工作也在有序推进。这些卫星项目的实施将不断提升我国自主的高分辨率高精度全球磁场、重力场、低频电磁频谱和电离层环境管理能力。在此基础上，同步强化国际合作，充分利用国际资源，加快科技创新能力储备。

2）张衡一号卫星旨在系统获取全球地磁场、低频电磁频谱和电离层动态参数。这些参数的获取当然将在很大程度上推进地震等重特大自然灾害的监测预警科学研究水平和业务能力提升。同时更要意识到，这些地球物理场参数是国家重要战略信息资源，在国防安全、资源环境管理、电波环境监测预警、地球系统科学研究和全球变化及宜居地球可持续发展等领域均具有不可或缺的重要科学意义和应用价值。为此，迫切需要创新地球物理场卫星和张衡一号卫星计划发展思路，面向地球全系统和地球关键圈层认识、探测和反演需求，加强地球物理场卫星计划顶层设计，统筹地球物理场卫星计划发展。

3）与传统的空间对地观测不同，地球物理场卫星数据特性突出表现为处理过程的复杂性和反演结果的多解性。为了让宝贵的地球物理场卫星数据充分发挥效能，需要积极鼓励不同领域的专业技术人员共同攻关，持续开发数据定标处理反演算法，积极推进数据研究和应用。同时要加强大数据、人工智能等现代数据技术的应用，提升数据管理能力，打通数据关键环节，确保有限数据应用效益最大化。

4）创新机制，交叉融合，积极支持多源多元数据融合应用。地球物理场卫星数据一方面具有多解性，也没有传统的空间对地观测数据那样的直观效果，但地球物理场数据包含了更多真实世界的多维信息。加强地球物理场卫星数据与多种空间对地观测数据融合，是推进地球物理场卫星数据应用，提升人们深入认识多维世界，保护宜居地球的关键行动。