王 赤，陳志青，胡連歡，胡澤駿，薛向輝，徐輕塵，張賢國，李發(fā)泉，王 威，宗位國，杜麗芳，袁 偉，王一楠，劉正寬，丁宗華，郝永強0，張清和，羅冰顯，王喜珍，龔晚林

（1. 中國科學院 國家空間科學中心，北京 100190；2. 中國科學院 地質與地球物理研究所，北京 100029；3. 中國極地研究中心，上海 200136；4. 中國科學技術大學 地球與空間科學學院，合肥 230026；5. 中國科學院 精密測量科學與技術創(chuàng)新研究院，武漢 430071；6. 中國科學院 國家天文臺，北京 100101；7. 中國氣象局 國家衛(wèi)星氣象中心，北京 100081；8. 中國科學院 大氣物理研究所，北京 100029；9. 中國電波傳播研究所，青島 266107；10. 北京大學 地球與空間科學學院，北京 100871；11. 山東大學 空間科學與物理學院，濟南 250100；12. 中國地震局 地球物理研究所，北京 100081；13. 武漢大學 電子信息學院，武漢 430072；14. 中國科學院大學 地球與行星科學學院，北京 100049）

0 引言

空間一般是指地球大氣平流層以外的區(qū)域，也稱為太空，在語義上強調與人類生存的關系。隨著人類空間探索活動的延伸，有現(xiàn)實意義的“空間”所涵蓋的范圍逐漸擴展，目前最為人們關注和熟悉的是日地空間，包括太陽大氣、行星際、地球磁層、電離層和中高層大氣，其中地球磁層、電離層和中高層大氣稱為地球空間[1]。中高層大氣與低層大氣以十幾km 高度的對流層頂為界。

空間環(huán)境被稱為除陸地、海洋和大氣以外的第四環(huán)境。日地空間環(huán)境受太陽活動（太陽黑子、耀斑、日冕物質拋射等）及內部耦合關系的影響，產生不同時間尺度的變化，這些變化分別被稱為“空間天氣”（短時間尺度變化）和“空間氣候”（長時間尺度變化）。

從1859 年導致北半球電報系統(tǒng)幾乎完全癱瘓的卡林頓事件以來[2]，隨著各類高技術系統(tǒng)的布局，災害性空間天氣導致的變電站燒毀、輸油管道腐蝕、衛(wèi)星異?；驌p毀、通信中斷、導航失準等事件日益增多。通過對美國航空航天局（NASA）和美國空軍以前發(fā)射的航天器的研究表明，大約有20%～25%的航天器故障與其和空間環(huán)境的相互作用有關[3]?？臻g天氣的影響逐漸被人們所認知，各航天大國紛紛將空間天氣研究與預報作為重要的國家空間發(fā)展戰(zhàn)略之一。

人類對空間環(huán)境的觀測有比較長的歷史。較可信的太陽黑子觀測數(shù)據(jù)可追溯到18 世紀50 年代；英國科學家吉爾伯特在16 世紀對地磁場開展了較系統(tǒng)的測量和研究，1600 年發(fā)表《磁論》專著；對極光的觀測有著更悠久的歷史，如古代朝鮮的極光觀測[4]。第二次世界大戰(zhàn)以后，隨著火箭、雷達、數(shù)字信號等現(xiàn)代技術的發(fā)展，無論是地基還是天基空間環(huán)境觀測都進入快速發(fā)展階段——美國的“探索者1 號”（1958 年）發(fā)現(xiàn)地球輻射帶，歐洲非相干散射雷達（ESCAT）的建設等，都是標志性事件。但這些觀測都是偶發(fā)的、針對某一區(qū)域開展的單個物理現(xiàn)象的觀測，未能對空間環(huán)境從整體上構成系統(tǒng)觀測。

從20 世紀90 年代開始，人們逐漸認識到把日地空間作為一個有機因果鏈進行研究的重要性。各空間強國和國際組織紛紛制定系統(tǒng)性的空間環(huán)境監(jiān)測計劃，著重發(fā)展成體系的空間環(huán)境監(jiān)測能力。

20 世紀90 年代，美國制定國家空間天氣計劃，預期21 世紀前葉建立空間天氣監(jiān)測體系，在物理和數(shù)值模擬上建立從太陽到地面的空間天氣預報模式，實現(xiàn)常規(guī)和可靠的空間天氣預報。歐洲空間局（ESA）主持制定了歐洲空間天氣計劃，而法國、德國、英國、意大利、俄羅斯、加拿大、瑞典、日本、澳大利亞等國家也都制定了各自的空間天氣計劃，瞄準對日地空間進行系統(tǒng)性監(jiān)測的目標。與此同時，各國際組織也聯(lián)合多國資源開展規(guī)模更大、綜合性更強的空間天氣探測研究。如：國際空間局協(xié)調組織（IACG）整合各國的空間探測衛(wèi)星，形成新的“國際日地能量計劃”（ISTP）全球聯(lián)測；以NASA為首、多國參加的“國際與日同在”（ILWS）計劃將在日地空間配置20 余顆衛(wèi)星；2007 年—2008 年，為紀念國際地球物理年（IGY）50 周年，開展了國際日球物理年（IHY）、國際極地年（IPY）等活動；從2010 年開始，聯(lián)合國外空委在IHY 的基礎上發(fā)起“國際空間天氣倡議”（ISWI）；國際日地物理委員會（SCOSTEP）于近期發(fā)起了動態(tài)日地耦合變化可預報性（PRESTO, 2020—2024）計劃，主要瞄準時間尺度從秒到日、月的日地空間天氣預報。

在天基監(jiān)測方面，美國獨占鰲頭，優(yōu)勢明顯，已經建立了覆蓋太陽、行星際空間、磁層以及電離層的空間環(huán)境天基監(jiān)測網，具有空間環(huán)境探測功能的在軌衛(wèi)星超過40 顆，覆蓋低、中、高軌以及日地引力平衡L1 點，可探測目前空間環(huán)境研究關注的所有要素。為了維持強大的監(jiān)測和預報能力，美國計劃將磁層監(jiān)測衛(wèi)星增加到100 顆。2018 年8 月發(fā)射的太陽探測器（Solar Probe+）標志著美國成為第一個對太陽進行抵近探測的國家。

在地基監(jiān)測方面，國際上綜合能力較強的地基監(jiān)測設施主要有美國地基監(jiān)測網、日本的地磁監(jiān)測計劃（MAGDAS）、加拿大地基監(jiān)測網（CGSM），以及澳大利亞、歐洲和巴西的地基監(jiān)測設施。美國的地基監(jiān)測超越了其國境的限制，其南美地磁監(jiān)測子午鏈（SAMBA）、中大陸地磁監(jiān)測鏈（MCMAC）、數(shù)字測高儀網、太陽光學監(jiān)測網（ISOON）等基本實現(xiàn)了全球監(jiān)測。日本的MAGDAS由赤道監(jiān)測鏈、子午線監(jiān)測鏈組成，擁有遍布全球的50多個地磁監(jiān)測站點。加拿大、俄羅斯、澳大利亞、歐洲和巴西主要在各自境內建立設施，監(jiān)測要素較全面，整合程度不一。各國際組織也積極開展地基監(jiān)測能力的整合，成功的項目包括INTERMAGNET、CEDAR、SuperDARN等[5]。

可見，多國的空間環(huán)境監(jiān)測能力發(fā)展迅速，且呈現(xiàn)出空間天氣連鎖變化多要素、網絡化、天地一體化、資源整合及國際合作等發(fā)展趨勢。我國的空間環(huán)境天/地基監(jiān)測能力正是在這樣的國際大背景下逐步發(fā)展起來的。

1 發(fā)展歷史

1.1 國際地球物理年（IGY）之前的情況

對空間環(huán)境的記錄，在我國有很久遠的歷史：世界最早的太陽黑子記錄出現(xiàn)在東漢建武四年（公元28年）；北宋的沈括（1031—1095）在《夢溪筆談》中對磁偏角現(xiàn)象做出過描述；1405年—1433年，鄭和七下西洋期間進行了詳細的磁偏角記錄[2]。但正式持續(xù)的空間環(huán)境觀測，在我國起步很晚。

19世紀40年代至新中國成立，我國處于積貧積弱的狀態(tài)，地基觀測臺站的建立由外國人發(fā)端。1870年俄國人在北京建成第一個地磁臺，1874年法國人在上海徐家匯（1933年遷至佘山）建立地磁臺（佘山臺觀測至今）。此外，英國人在香港（1884年）、德國人在青島（1898年）、日本人在臺灣（1915年）等地設立了地磁臺。20世紀三四十年代，中國學者曾在南京紫金山、廣西桂林雁山、重慶北碚（臨時的）等地設臺開展地磁觀測[6]。

新中國建立之前，我國科學家在電離層觀測研究方面做出了努力，自主研制垂測儀，并在多地開展了觀測[7]；1943年，國民政府在重慶建設電離層測高儀，開展電離層觀測并為飛虎隊短波通信提供保障；1946年，武漢大學設立武漢觀測站。新中國建立后，1957年中國科學院（中科院）地球物理研究所與武漢大學合作，建設武漢電離層觀象臺（現(xiàn)為中科院地質與地球物理所觀測站，位于武漢市黃陂區(qū)）。武漢地區(qū)的電離層觀測從1946年一直延續(xù)至今，積累了70多年的電離層垂測數(shù)據(jù)[8]。

近代中國的太陽觀測研究可上溯至20世紀初的佘山觀象臺開始的太陽黑子觀測。該臺站為法國天主教耶穌會于1900年建造，當年裝備了號稱“遠東第一”的40 cm 雙筒折射望遠鏡。1898年，由德國軍隊建立的青島觀象臺（后為日本占據(jù)，1957年劃歸紫金山天文臺）開展了太陽黑子觀測。1934年，紫金山天文臺初步建成后，開始系統(tǒng)進行太陽黑子和色球單色光目視觀測。云南天文臺（1972年前為昆明天文工作站）在新中國建立后不久也恢復了太陽黑子觀測。

我國積極參與了1957年—1958年的IGY。IGY以及隨后以衛(wèi)星上天為標志的太空時代的開啟，對我國空間科學特別是空間環(huán)境監(jiān)測能力的發(fā)展起到至關重要的“催化”作用。此后，我國在天基和地基方面的空間環(huán)境監(jiān)測能力開始并行發(fā)展。

1.2 國際地球物理年(IGY)之后的天基監(jiān)測

1.2.1 衛(wèi)星監(jiān)測

1958年，中科院成立“581組”開展人造衛(wèi)星的研制。1970年4月24日，我國第一顆人造地球衛(wèi)星“東方紅一號”發(fā)射成功。經過幾十年的發(fā)展，我國的航天事業(yè)取得了舉世矚目的成就。但到目前為止，專門用于空間環(huán)境探測的衛(wèi)星很少，探測主要集中在“實踐”系列科學實驗衛(wèi)星（1971年起）、“大氣一號”衛(wèi)星（1990年）、地球空間雙星探測計劃（“雙星計劃”，2003年、2004年）和電磁監(jiān)測衛(wèi)星（2018年）上。另外，一些返回式衛(wèi)星，“風云”（1988年起）、“資源”（1999年起）、“北斗”（2007年“北斗二號”起）、“云?！保?016年起）等應用衛(wèi)星以及“神舟”飛船（2001年“神舟二號”起）、“嫦娥”探測器（2007年起）搭載空間環(huán)境監(jiān)測儀器開展了空間環(huán)境探測[9-10]。起初，受制于衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量，這種機會相當少，如“實踐”系列衛(wèi)星從一號（1971年）至二號（1981年）、四號（1994年），間隔都超過10年。從1990年代起，隨著各類業(yè)務衛(wèi)星的發(fā)展，空間環(huán)境天基監(jiān)測能力才逐漸形成一定規(guī)模。

2011年，中科院空間科學先導專項啟動，標志著我國空間科學事業(yè)進入新的發(fā)展階段[11]。該專項按照預先研究、背景型號、工程任務3個大的階段來推進各項空間科學衛(wèi)星任務的實施。在空間環(huán)境探測方面，中歐合作的太陽風-磁層相互作用全景成像（SMILE）計劃和先進天基太陽天文臺（ASO-S）分別于2016年、2018年進入工程任務階段，磁層-電離層-熱層耦合小衛(wèi)星星座探測計劃（MIT）正處于背景型號階段。

1.2.2 探空火箭與氣球探測

伴隨“兩彈一星”的成功，我國具備了利用火箭開展探空的能力。1960年3月，上海航天局603 基地在上海南匯老港發(fā)射了我國第一枚自主研制的探空火箭T-7M。隨后移師安徽省廣德縣誓節(jié)鎮(zhèn)（中國航天第一鎮(zhèn)，入選國家工業(yè)遺產）。此后6年間，進行了30多次各種類型和用途的探空火箭發(fā)射試驗。位于海南省的發(fā)射基地從1988年就開始了火箭探空，陸續(xù)發(fā)射了幾次。但20世紀90年代后，火箭探空活動基本上進入了停滯狀態(tài)。“子午工程”一期[2,12]于2010年、2011年在海南開展火箭探空，并對發(fā)射場進行改造，為火箭探空事業(yè)的發(fā)展提供了有力支撐。中科院國家空間科學中心（空間中心）分別于2013年和2016年在海南探空火箭發(fā)射場發(fā)射了探空火箭。

除固定在探空火箭上的載荷外，我國從20世紀60年代開始利用從火箭上釋放探空儀和膨脹落球的方式對臨近空間開展探測，成功完成80多次探測試驗，其中包括2011年“子午工程”發(fā)射的氣象火箭。2015年，空間中心在“863計劃”等的支持下開展新一代主/被動膨脹落球載荷的研制。2017年1 月，在新疆庫爾勒完成膨脹落球飛行試驗，獲取了30～100 km 臨近空間大氣密度、溫度、氣壓和風場原位探測數(shù)據(jù)。這是世界上首次結合GNSS（全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)）技術和主動膨脹落球技術的臨近空間原位探測試驗。在中科院空間科學先導專項支持下，空間中心從2018年起開展浮空氣球平臺的臨近空間原位探測載荷研制工作，研制出電磁場探測器、電導率儀、太陽高能電磁輻射探測器、寬能譜中子探測器、中子輻射效應探測器、大氣NOx氣體分析儀、臭氧探測儀和聲波瞬時風速計等臨近空間原位探測載荷[13]，并在青藏高原開展了多次飛行科學觀測試驗。

1.3 國際地球物理年（IGY）之后的地基監(jiān)測

1.3.1 地磁監(jiān)測

為了參加IGY 全球地磁聯(lián)合觀測，中科院地球物理研究所在20世紀五六十年代先后建立了北京、長春、拉薩、廣州、武漢、蘭州、烏魯木齊等地磁臺，與原有的佘山臺共8個基準地磁臺并稱為中國地磁臺網“老八臺”[6]。地磁觀測作為地震前兆的一種觀測手段，在1966年邢臺地震后得到迅速發(fā)展，陸續(xù)建立的地磁臺站和測點逾百個。1981年，國家地震局（現(xiàn)中國地震局）對地磁臺站進行規(guī)范，將地磁觀測劃分為基準臺、基本臺、區(qū)域臺網和流動磁測，當時確定基準臺15個、基本臺28個。到2021年，中國地震局地磁臺網總計約150 個地磁觀測站[14]。另外，中科院地質與地球物理研究所也陸續(xù)在北京十三陵（始于1985年）、漠河（始于1988年）、三亞（始于1998 年）、南極中山站（始于1991年）、南極長城站（始于1987年）建立了地磁設備[15]。從1995年起，中國極地研究中心先后在南極中山站、北極黃河站、北極朗伊爾站、中國-冰島北極科考站（冰島站）建設地磁設備，并于2007年建立了南極中山站至昆侖站的地磁監(jiān)測鏈。

1.3.2 中高層大氣監(jiān)測

因中高層大氣探測困難，設備昂貴，我國對中高層大氣的探測研究起步較晚。中科院大氣物理研究所的香河站于1976年建成，針對中高層大氣先后開展了臭氧總量觀測、平流層高空氣球科學實驗，1980 年代末開始興建大型VHF/MST 雷達。1990年代后，特別是進入21世紀以來，中高層大氣地基監(jiān)測快速發(fā)展，先后研制和部署了多部激光雷達、中頻雷達、MST 雷達和流星雷達等設備。

1.3.3 電離層監(jiān)測

我國于1953年至1956年期間，趕在IGY 之前，研制設備并先后建設了滿洲里、長春、武漢、廣州、?？?、蘭州和烏魯木齊等臺站，主要開展電離層垂測，形成由9個站組成的電離層垂測網。1959年，利用這些臺站和蘇聯(lián)部分臺站的數(shù)據(jù)，建立了電離層騷擾預報業(yè)務。1965年，中國電波傳播研究所成立，基本接管了當時全國的電離層觀測站。該所陸續(xù)建立的觀測臺站截至2020年已達到18個，其中主要部署自行研制的電離層測高儀。

其他開展電離層觀測較多的單位包括中科院地球物理研究所（中科院國家空間科學中心、中科院地質與地球物理所、中科院大氣物理研究所等單位的前身）、武漢大學、北京大學、中國科學技術大學、中國極地研究中心、中國氣象局國家空間天氣監(jiān)測預警中心。中科院地球物理研究所于1952年在佘山建立垂測站，1956年為迎接IGY，在蘭州、武漢和廣州建立地球物理觀象臺，與武漢大學合作在武漢大學校園內建立武漢地球物理觀象臺。1986年，空間中心在海南儋州建立火箭探空基地，1987年該基地引入美國的電離層數(shù)字測高儀。中科院地質與地球物理研究所在2004年后陸續(xù)在漠河、北京十三陵、三亞等臺站增加了電離層觀測設備。北京大學于1984年成功研制了電離層高頻多普勒頻移監(jiān)測儀，從1986年起長期運行于北京大學校園內[16-17]。中國極地研究中心先后建立南極長城站（1985年）、南極中山站（1989年）、北極黃河站（2004年），陸續(xù)設立了測高儀、閃爍儀等電離層觀測設備。2009年起，中國氣象局國家空間天氣監(jiān)測預警中心主要采用國內研發(fā)的電離層數(shù)字測高儀，并將其部署在新疆克州、青海都蘭、廣西南寧、陜西西安、湖北武漢、四川甘孜、福建廈門等觀測站。

1.3.4 太陽、行星際及宇宙線監(jiān)測

新中國成立以后，隨著多個天文臺的成立，我國的太陽監(jiān)測能力大步提升。到20世紀70年代，這些單位基本都具備太陽白光、Hα、射電觀測能力，在北京、南京、昆明形成多個太陽觀測基地。20世紀80年代，又在烏魯木齊建立了太陽觀測設施。1966年國家天文臺開始著手太陽磁場望遠鏡研制，1986年于北京懷柔建設成功。2016 年，“新一代厘米-分米波射電日像儀”（MUSER）在內蒙古通過驗收并投入觀測，為耀斑和日冕物質拋射等太陽活動研究提供了新的先進觀測手段。目前國內還在使用的太陽射電頻譜儀主要建設在北京（1996年）、南京（1999年）、昆明（1999年）、安徽蒙城（2014年）和山東槎山（2018年）。中國氣象局國家空間天氣監(jiān)測預警中心基于業(yè)務需求，建設了太陽光球色球望遠鏡（山東石島，2010年）、太陽射電望遠鏡（山東石島，2011年）和太陽磁場望遠鏡（新疆溫泉，2013年）。

行星際監(jiān)測方面，國家天文臺利用設在北京密云的50 m 口徑天線開展了行星際閃爍監(jiān)測（2010年起，屬“子午工程”），也利用設在新疆的多個大口徑天線開展了嘗試性工作。

宇宙線監(jiān)測方面，空間中心、中科院高能物理研究所、貴州民族大學等單位開展了宇宙線的監(jiān)測研究工作，在廣州越秀（1987年）、北京西北旺（1984年）、西藏羊八井（2007年）、南極中山站（2014年）、貴州民族大學（2015年）建立了宇宙線監(jiān)測站。

1.3.5 綜合監(jiān)測系統(tǒng)

20世紀90年代，人們逐漸認識到把日地空間作為一個整體系統(tǒng)進行研究的重要性，著重考慮建立綜合性的地基臺站和觀測鏈網。1993年，“子午工程”的概念提出，2008年作為國家重大科技基礎設施開工建設，2012年一期建成運行?！白游绻こ獭币黄诎?5個綜合性臺站、87臺監(jiān)測設備，實現(xiàn)對地磁、中高層大氣、電離層以及行星際空間的持續(xù)監(jiān)測，是迄今為止全世界地理跨度最大、綜合性最強的空間環(huán)境地基監(jiān)測設施。

進入21世紀，多個單位開始整合已有臺站、形成網絡化的監(jiān)測能力，并補充監(jiān)測手段、向綜合臺站的方向發(fā)展。

空間中心自主研發(fā)了全天空氣輝成像儀和氣輝光譜儀等設備。從2011年開始，30余臺設備陸續(xù)安裝在全國15個臺站。在國際上首次構建了OH氣輝觀測網和OI氣輝觀測網[18]。

2004年，在中科院“知識創(chuàng)新工程”的支持下，武漢電離層觀象臺與中科院地質與地球物理研究所地磁臺鏈整合，形成了北起漠河，經北京和武漢，南到三亞的縱貫我國南北的空間環(huán)境觀測子午臺鏈。2006年，在中科院“知識創(chuàng)新工程”三期野外臺站網絡建設中，中科院建立“日地空間環(huán)境觀測研究網絡”，包括漠河、北京、武漢、羊八井、儋州等10個臺站，擁有電離層測高儀、流星雷達、激光雷達、地磁儀、重力儀和宇宙線監(jiān)測儀等設備。

2012年，空間環(huán)境監(jiān)測預警系統(tǒng)進一步整合中科院空間環(huán)境監(jiān)測網、電科集團電波環(huán)境觀測網等監(jiān)測網絡，融合39個臺站、129臺套設備。

2012年，中國大陸構造環(huán)境監(jiān)測網絡通過國家驗收。該監(jiān)測網絡建立了260個GNSS基準站和2000個區(qū)域站，數(shù)據(jù)對外開放，為空間環(huán)境研究做出了重要貢獻。從2014年起，中科院日地空間環(huán)境觀測研究網絡利用國內自主研制的設備，在我國和周邊區(qū)域建立了流動GNSS電離層監(jiān)測站點，目前站點數(shù)量超過50個[19-20]。

伴隨綜合監(jiān)測鏈網的建設，承擔數(shù)據(jù)處理、存儲、貢獻與應用的信息系統(tǒng)迅速發(fā)展。各監(jiān)測網絡都建立了自己的數(shù)據(jù)匯集、存儲系統(tǒng)?？萍疾空苿訃铱茖W數(shù)據(jù)中心建設，2019年獲批的國家空間科學數(shù)據(jù)中心、國家極地科學數(shù)據(jù)中心將在我國空間環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的管理方面發(fā)揮重要作用。

在監(jiān)測數(shù)據(jù)的業(yè)務應用方面，日地物理預報中心于1992年在北京天文臺成立，中國氣象局國家空間天氣監(jiān)測預警中心、中科院空間環(huán)境研究預報中心分別于2002年、2003年成立。數(shù)據(jù)應用出口的打通為天/地基空間環(huán)境監(jiān)測平臺的融合發(fā)展創(chuàng)造了條件。

1.4 小結

綜上所述，我國空間環(huán)境天/地基監(jiān)測平臺的發(fā)展歷史可大致分為如下幾個階段：

1）早期萌芽階段（20世紀50年代前）：主要在地磁、太陽、電離層等方面開展了零星的觀測，臺站和設施的建設大多以外國人為主，很多觀測數(shù)據(jù)沒有留存下來。

2）現(xiàn)代起步階段（20世紀50—90年代）：天基監(jiān)測開始發(fā)展，但不成規(guī)模，也不持續(xù)；地基監(jiān)測方面，多個單位開始有目的地建立空間環(huán)境監(jiān)測臺站，并持續(xù)運行。

3）綜合發(fā)展階段（21世紀）：天基監(jiān)測逐漸具備一定規(guī)模，地基監(jiān)測進入門類齊全、鏈網資源整合或綜合規(guī)劃建設的階段，天地一體化發(fā)展的基礎得到夯實。

2 能力與現(xiàn)狀

2.1 天基監(jiān)測

目前，我國沒有在軌運行的空間環(huán)境監(jiān)測專用衛(wèi)星。天基監(jiān)測能力主要體現(xiàn)在“北斗”“資源”“風云”“云?！奔半姶判l(wèi)星等業(yè)務衛(wèi)星，以及“神舟”飛船、“嫦娥”探測器搭載的空間環(huán)境探測儀器。這些航天器覆蓋LEO、MEO、GEO以及探月軌道，搭載多類儀器，探測的環(huán)境主要包括高能帶電粒子、低能帶電粒子、中高層大氣、磁場、太陽X 射線，關注的效應包括單粒子效應、衛(wèi)星表面充放電、總劑量輻射等。在軌衛(wèi)星數(shù)目超過30顆并將持續(xù)升級補充予以維持，對近地空間環(huán)境形成了初步的穩(wěn)定監(jiān)測能力。但對太陽和行星際關鍵點位（如L1點）的監(jiān)測缺失，對高度100～300 km 左右的臨近空間監(jiān)測能力嚴重不足，導致我國在空間環(huán)境建模和預報方面還依賴于國外的數(shù)據(jù)[21]。

2.2 地基監(jiān)測

2.2.1 地磁（電）監(jiān)測

我國的地磁監(jiān)測能力主要體現(xiàn)在中國地震局地磁臺網（如表1所示[14]）。該地磁臺網由基準網、基本網和流動網3級構成，均采用規(guī)范的儀器配置。

表1 中國地震局地磁臺網的基本能力Table 1 Main capabilities of geomagnetic monitoring network of China Seismological Bureau

基準網的主要功能是監(jiān)測全國地磁基本場及其長期變化?，F(xiàn)有46個基準站，在中東部地區(qū)平均站間距約600 km，在西部地區(qū)站點分布相對稀疏?；鶞收九渲玫卮沤^對觀測儀器和相對觀測儀器。

基本網的主要功能是在全國地磁基本場基礎上監(jiān)測變化磁場及其短周期變化。現(xiàn)有97個基本站，在中東部地區(qū)平均站間距約200 km，在西部地區(qū)站點分布相對稀疏?；菊九渲眠B續(xù)記錄地磁場要素隨時間變化情況的相對觀測儀器和總強度絕對觀測儀器。

流動網的主要功能是在地磁基準網基礎上定期開展地磁場絕對觀測，以提高地磁基本場及其長期變化的空間分辨力?，F(xiàn)有1385個觀測點，在中東部地區(qū)平均間距為70 km，在新疆、西藏地區(qū)平均間距150～200 km。流動網配備地磁絕對觀測儀器。

其他地磁監(jiān)測儀器包括：中科院地質與地球物理研究所在漠河、北京十三陵、三亞、南極中山站部署的地磁絕對觀測儀器（磁通門經緯儀、Overhauser磁力儀）和相對觀測儀器（磁通門磁力儀）；空間中心在海南儋州和河北廊坊部署的磁通門磁力儀；中國極地研究中心在南、北極區(qū)部署的地磁觀測儀器。

2.2.2 中高層大氣監(jiān)測

對中高層大氣的監(jiān)測主要采用MST 雷達、ST 雷達、激光雷達、流星雷達、氣輝成像儀和氣輝干涉儀等設備，獲取大氣溫度、密度、風場或金屬原子密度等參數(shù)。我國主要的中高層大氣監(jiān)測設備分布及探測能力如表2所示。

表2 中高層大氣監(jiān)測設備分布及探測能力Table 2 Distributions and abilities of Mid-upper atmosphere instruments

另外，精密測量科學與技術創(chuàng)新研究院、空間中心、中國科學技術大學等單位建設了車載多普勒測風激光雷達，可依據(jù)任務需求部署到指定地點開展觀測。

2.2.3 電離層監(jiān)測

電離層的觀測設備主要包括測高儀、GNSSTEC與閃爍監(jiān)測儀、高頻多普勒頻移監(jiān)測儀、甚高頻相干散射（VHF）雷達、非相干散射雷達（ISR）和高頻（HF）雷達等設備，獲取電離層電子密度、TEC、大氣溫度、密度、風場或金屬原子密度等參數(shù)。我國主要的電離層監(jiān)測設備分布及探測能力如表3所示。

表3 電離層監(jiān)測設備分布及探測能力Table 3 Distributionsand abilitiesof ionospheric monitoring instruments

2.2.4 太陽、行星際和宇宙線監(jiān)測

對太陽的監(jiān)測可采用光學或射電的方式；對行星際的監(jiān)測主要是利用行星際閃爍來測量太陽風速度等參數(shù)；宇宙線的監(jiān)測針對繆子和中子進行計數(shù)測量（區(qū)分方向或不區(qū)分方向）。我國太陽、行星際和宇宙線監(jiān)測設備分布及探測能力如表4所示。

表4 太陽、行星際和宇宙線監(jiān)測設備分布及探測能力Table 4 Distributions and abilities of instruments for probing solar,interplanetary and cosmic rays

2.2.5 極地與海外拓展

中國極地研究中心建立了南極長城站、南極中山站、北極黃河站，并通過國際合作在北極冰島站和北極朗伊爾站進行了空間環(huán)境地基監(jiān)測設備的部署。目前處于運行中的極地站點監(jiān)測設備如表5[22]所示。

表5 極地站點的主要監(jiān)測設備Table 5 Polar stations and major instruments

基于“子午工程”，空間中心與巴西國家空間研究院（INPE）聯(lián)合建設“中國-巴西空間天氣聯(lián)合實驗室”（簡稱中科院南美實驗室），率先在巴西INPE園區(qū)內及附近布局了鈉鉀雙波長激光雷達、電離層數(shù)字測高儀、電離層GPS-TEC與閃爍監(jiān)測儀以及磁通門磁力儀。與巴西空間天氣監(jiān)測研究項目（EMBRACE）的監(jiān)測資源聯(lián)合，初步形成南美地區(qū)空間環(huán)境綜合監(jiān)測研究應用平臺。

2.3 綜合地基監(jiān)測鏈網

隨著我國地基探測技術能力的提升和野外臺站的全國布站，針對特定科學目標和應用需求的觀測鏈網應運而生。

2.3.1 東半球空間環(huán)境地基綜合監(jiān)測子午鏈（“子午工程”一期）[12]

“子午工程”一期于2008年開工建設，2012年建成，是迄今為止我國在空間天氣領域唯一的國家重大科技基礎設施，也是全世界地理跨度最大、綜合性最強的空間環(huán)境地基監(jiān)測網鏈。該工程沿東經120°、北緯30°布局15個綜合性臺站、87臺監(jiān)測設備，綜合運用地磁（電）、無線電、光學和探空火箭等多種監(jiān)測手段，可連續(xù)監(jiān)測地球表面20～30 km以上到幾百km 的中高層大氣、電離層和磁層，以及十幾個地球半徑以外的行星際空間的磁場、電場、大氣風速、密度、溫度、成分、太陽風速度等空間環(huán)境參數(shù)（如表6所示）。

表6 “子午工程”一期臺站與設備布局Table 6 Stations and instrument distributions in the China’s Meridian Project phase one

表6（續(xù)）

2.3.2 中科院日地空間環(huán)境觀測研究網絡[23-24]

中科院日地空間環(huán)境觀測研究網絡是通過整合中科院內各有關野外臺站資源而建立的野外臺站網絡。其臺站分布從北端的漠河，經北京和武漢，到南端的海南島，采用多手段綜合觀測研究地球空間環(huán)境中的磁層、電離層、中高層大氣以及地球磁場與重力場等空間環(huán)境狀態(tài)和物理過程（如表7所示）。

另外，中科院地質與地球物理研究所基于中科院日地空間環(huán)境觀測研究網絡進行拓展，沿東經120°，北緯30°、北緯40°左右布局50多臺兼容“北斗”信號的GNSS-TEC與閃爍監(jiān)測儀，形成網絡化監(jiān)測能力。

中科院日地空間環(huán)境觀測研究網絡的數(shù)據(jù)中心由中科院地質與地球物理研究所負責運行，對網絡中各臺站的數(shù)據(jù)進行實時收集和分析，發(fā)布我國空間環(huán)境實時觀測狀態(tài)，并對各野外臺站儀器進行管理。

表7 中科院日地空間環(huán)境觀測研究網絡站點和設備分布Table 7 Stations and instruments of Solar-Terrestrial Environment Research Network (STERN)

2.3.3 中科院空間環(huán)境監(jiān)測網

中科院空間環(huán)境監(jiān)測網包括19個臺站和40多臺地基監(jiān)測設備，能夠提供太陽、宇宙線、地磁、電離層和中高層大氣等多種空間環(huán)境要素的監(jiān)測信息（如表8所示）。所有臺站設備的數(shù)據(jù)都通過專線網絡傳輸?shù)娇臻g環(huán)境監(jiān)測預報中心。

表8 中科院空間環(huán)境監(jiān)測網站點和設備分布Table 8 Stationsand instrumentsof Space Environment Monitoring Network of CAS

2.3.4 多層次氣輝監(jiān)測網

由空間中心建設的氣輝監(jiān)測網，在全國15個地點布局氣輝成像儀和光學干涉儀。通過觀測不同波長的氣輝輻射，可對85、94或250 km 高度上的氣輝輻射進行觀測，在250 km 高度上基本實現(xiàn)了全國覆蓋。

2.3.5 中國地震局地磁臺網

中國地震局地磁臺網的設備布局和監(jiān)測能力如前文所述。中國地震局地球物理研究所建立了地磁臺網中心，負責數(shù)據(jù)的匯集、存儲和共享（涵蓋中國地震局地電監(jiān)測網絡）。

2.3.6 中國地震局地電監(jiān)測網絡

經過“十五”地震網絡項目、地震背景場項目等計劃的實施，中國地震局建立了世界上獨具特色的規(guī)?；?、規(guī)范化運行的地電觀測網絡，具有地電阻率、地電場及地磁擾動等觀測手段。地電監(jiān)測站網由83個地電阻率和112個地電場觀測站構成，主要圍繞大型活動斷裂帶分布，重點分布在南北地震帶、華北地區(qū)和東北地區(qū)等地震多發(fā)區(qū)，在新疆和華東南地區(qū)也有少量分布。

2.3.7 中國氣象局GNSS、閃爍監(jiān)測網絡

中國氣象局建設的GNSS 觀測站約900個，由氣象專網匯集到氣象信息中心，再分發(fā)給中國氣象局大氣探測中心和衛(wèi)星中心，用于水汽和電離層TEC的解算。另外在我國遼寧、吉林、黑龍江、廣東、福建和湖北等省份建立了包含30多個站點的閃爍監(jiān)測網絡。

2.3.8 中國大陸構造環(huán)境監(jiān)測網絡（陸態(tài)網）

陸態(tài)網擁有260個GNSS連續(xù)觀測站和2000個不定期觀測站點，以及數(shù)據(jù)匯集、處理、共享系統(tǒng)。雖然陸態(tài)網的業(yè)務目標并不是空間環(huán)境監(jiān)測，但其獲取的電離層TEC數(shù)據(jù)可用于空間環(huán)境研究和應用。

3 發(fā)展規(guī)劃

3.1 空間科學衛(wèi)星

依托于中科院空間科學先導專項的SMILE、ASO-S等衛(wèi)星計劃已經進入工程研制階段，MIT衛(wèi)星計劃正在進行背景型號論證。

SMILE衛(wèi)星計劃（如圖1所示）的目標是探測太陽風-磁層相互作用的大尺度結構和基本模式。其采用軟X 射線成像實現(xiàn)磁層頂大尺度成像探測，采用其他粒子和場探測器實現(xiàn)對太陽風和磁層的局地探測。SMILE 衛(wèi)星預計2023年發(fā)射。ASO-S的科學目標為“一磁兩暴”——“一磁”為太陽磁場，“兩暴”為太陽耀斑和日冕物質拋射。ASO-S衛(wèi)星預計于2021年年底至2022年上半年發(fā)射。

圖1 SMILE 衛(wèi)星計劃Fig.1 SMILE satellite program

另外，在日地引力平衡點（L1點）部署衛(wèi)星進行上游太陽風監(jiān)測的衛(wèi)星計劃也已列入相關部門的規(guī)劃。這類衛(wèi)星計劃在促進原創(chuàng)科學研究的同時，將為空間天氣預報提供支撐。

3.2 “子午工程”二期[25]

“子午工程”二期于2019年開工建設，計劃2023 年建成驗收。二期將在一期工程的基礎上，新增16個臺站，形成沿東經100°、120°，北緯40°、30°的“井”字型布局，由31 個臺站、近300臺監(jiān)測設備組成空間環(huán)境監(jiān)測網絡（如圖2所示）。

圖2 “子午工程”監(jiān)測網絡布局Fig.2 Deployment in the China’s Meridian Project, phase one and phase two

“子午工程”二期由空間環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)和科學應用系統(tǒng)組成?？臻g環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)采用地磁、無線電、光學等手段，對我國上空的電離層、中高層大氣、地磁形成網絡化的監(jiān)測能力（“三網”）；在極區(qū)高緯、北方中緯、海南（南方）低緯、青藏高原4個重點區(qū)域建設國際先進的大型設備，開展對空間環(huán)境的精細“顯微”監(jiān)測（“四聚焦”）；建設一系列先進的太陽-行星際監(jiān)測設備，形成對日地空間全鏈條的監(jiān)測能力（“一鏈”）?！耙绘?、三網、四聚焦”的架構首次從地面實現(xiàn)對日地空間環(huán)境全圈層、多要素綜合的立體式探測。

“子午工程”二期空間環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)布局地磁監(jiān)測設備、電離層數(shù)字測高儀、流星雷達、大氣密度風場探測激光雷達、GNSS電離層TEC/閃爍監(jiān)測儀、太陽射電頻譜儀等大量常規(guī)監(jiān)測設備。同時，自主研制和建設多臺技術先進、探測能力強大的大型探測設備：在海南島相距約150 km 的3個站點建設一發(fā)三收相控陣非相干散射雷達，探測三維對流速度等電離層參量；在海南儋州建設陣列式大口徑激光雷達，實現(xiàn)對上至1000 km 高度大氣的探測；在四川稻城建設圓環(huán)陣太陽風射電成像望遠鏡，在300～450 MHz 頻帶上形成對太陽射電輻射大視場無混疊的探測能力；在吉林、內蒙古、新疆三地建設高頻雷達陣，實現(xiàn)對我國北方中緯地區(qū)電離層的大范圍探測?！白游绻こ獭倍谶€將發(fā)射2枚探空火箭，分別開展電離層和熱層大氣的就位探測。

為實現(xiàn)監(jiān)測網絡的科學高效運行、多學科綜合監(jiān)測數(shù)據(jù)的集成融合，“子午工程”二期還將建設數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)實時匯集、加工和分發(fā)服務；建設科學應用系統(tǒng)完成科學運行管理，研究與建模支撐，預報方法研究以及空間環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)交叉應用示范等任務。

3.3 國際子午圈大科學計劃及海外拓展

基于“子午工程”，空間天氣國際子午圈計劃沿東經120°/西經60°子午圈拓展，聯(lián)合子午圈上國家或地區(qū)，有望形成1000余臺監(jiān)測設備的聯(lián)合觀測能力。中科院南美實驗室的建立即為國際子午圈計劃的實施行動之一。

中科院南美實驗室將在已有基礎上，以空間天氣監(jiān)測和研究為核心，逐步拓展大氣科學、遙感科學、空間碎片、微小衛(wèi)星等領域合作。在空間天氣領域將依托國際子午圈計劃在南美地區(qū)大范圍新增GNSS監(jiān)測儀、電離層數(shù)字測高儀、激光雷達、氣輝成像儀、光學干涉儀、流星雷達、大氣電場儀和磁通門磁力儀等，實現(xiàn)南美地區(qū)電離層、中高層大氣、地磁的“三網”監(jiān)測；在巴西建設太陽射電望遠鏡，與“子午工程”二期稻城太陽風射電成像望遠鏡聯(lián)合實現(xiàn)對太陽的晝夜連續(xù)觀測。

3.4 中國地震局地磁臺網能力升級

中國地震局地磁臺網規(guī)劃采取基準網和基本網二級布局架構，在地震重點監(jiān)視防御區(qū)加密觀測，實現(xiàn)對我國地磁基本場及其動態(tài)變化的精細描述。到2030年，地磁臺網基準站的數(shù)量將擴展到約60個，基本站的數(shù)量將擴展到300多個，主磁場分布圖的更新周期將縮短到1個月，對變化磁場的測量精度將提升至0.5 nT。

4 趨勢和展望

4.1 發(fā)展趨勢

從發(fā)展歷史、現(xiàn)狀以及需求驅動因素等方面，可以看出我國空間環(huán)境天/地基監(jiān)測能力發(fā)展呈現(xiàn)出如下的鮮明趨勢。

1）綜合一體化監(jiān)測

我國從地磁監(jiān)測、電離層有限參量的監(jiān)測起步，經過幾十年的發(fā)展，目前已經基本建立了針對整個日地空間的多參量監(jiān)測能力。在深空探測需求（包括已經和正在開展的月球探測、火星探測，已經開展論證的太陽系邊界探測等）的驅動下，對行星空間環(huán)境、日球層空間環(huán)境的探測也已經起步。

從20世紀90年代發(fā)展起來的空間天氣學科讓人們進一步認識到將日地空間乃至太陽系空間作為一個整體研究的必要性。日地空間包含物理特性和變化規(guī)律迥異的太陽大氣、行星際空間、磁層、電離層、中高層大氣等圈層區(qū)域，有必要對各區(qū)域進行全面的監(jiān)測，才可能開展各圈層耦合研究，把握日地空間的整體行為。因此，對空間環(huán)境開展多參量、多圈層、多區(qū)域的綜合監(jiān)測是必然的發(fā)展趨勢。

2）網絡化布局

近地空間環(huán)境受地方時、緯度、地形地貌等因素的強烈影響，不同地理區(qū)域的空間環(huán)境呈現(xiàn)出不同的特征，單點監(jiān)測數(shù)據(jù)很難同時反映參量隨時間和空間的變化，因此多點同時監(jiān)測意義重大。前述各地基監(jiān)測鏈網，特別是“子午工程”一期、二期的陸續(xù)建設，正是著眼于多點監(jiān)測的巨大優(yōu)勢，順應網絡化監(jiān)測的發(fā)展趨勢。

同樣，網絡化也是天基監(jiān)測發(fā)展的必然趨勢。如“風云”系列多顆衛(wèi)星的監(jiān)測能力可以構成不同緯度、不同地方時的協(xié)同配合。

3）天/地基監(jiān)測融合

天基監(jiān)測具有探測范圍廣、精度高等優(yōu)點，但重訪周期長、連續(xù)性不足；地基監(jiān)測具有長時間、連續(xù)、定點監(jiān)測的優(yōu)點，且造價相對較低。目前，我國在天基和地基監(jiān)測方面均可實現(xiàn)對日地空間主要區(qū)域和大多數(shù)參量的監(jiān)測。天/地基監(jiān)測數(shù)據(jù)的相互驗證、聯(lián)合分析在空間環(huán)境監(jiān)測研究中發(fā)揮了重要作用。涵蓋天/地基監(jiān)測的數(shù)據(jù)中心、空間天氣預報/預警平臺陸續(xù)建立，正處于工程研制階段的SMILE 衛(wèi)星計劃也將與地基（特別是極區(qū)）協(xié)同監(jiān)測作為其重要任務。

4）國際協(xié)作

空間環(huán)境天基監(jiān)測是非常復雜的任務。各國之間往往在資源投入或人才隊伍上均存在取長補短的合作需求。我國的“嫦娥四號”任務就搭載了與瑞典合作研發(fā)的中性原子探測儀，地球空間“雙星計劃”、SMILE衛(wèi)星計劃更是中歐合作的典范。

在地基監(jiān)測方面，特別是對近地空間環(huán)境的監(jiān)測，為了獲取全球不同經緯度、不同地方時的監(jiān)測數(shù)據(jù)，開展國際合作是必然的選擇?；凇白游绻こ獭蓖苿拥膰H子午圈大科學計劃展示了我國地基監(jiān)測國際協(xié)作的大趨勢。

4.2 展望

我國空間環(huán)境天基監(jiān)測到目前主要利用業(yè)務衛(wèi)星的搭載機會，已經具備一定的規(guī)模，覆蓋多類軌道，監(jiān)測參數(shù)較為齊全。隨著業(yè)務衛(wèi)星數(shù)量的增加，天基監(jiān)測的規(guī)模將逐步提升。但我國業(yè)務衛(wèi)星的門類已經基本齊全，衛(wèi)星系列在比較長的時間內會保持穩(wěn)定，將在一定程度上限制天基監(jiān)測規(guī)模的提升。且監(jiān)測設備搭載并非這些業(yè)務衛(wèi)星的主任務目標，因此其對于空間環(huán)境重點區(qū)域和空間天氣關鍵過程的觀測不能做到有的放矢。

我國天基監(jiān)測最為欠缺、亟需加強的是針對太陽和行星際空間的監(jiān)測，以及對中高層大氣的監(jiān)測。我國已經提出了相應的太陽觀測衛(wèi)星（ASO-S）、太陽風-磁層觀測衛(wèi)星（SMILE）計劃，L1點太陽風監(jiān)測衛(wèi)星也已有相應的規(guī)劃，有望在不久的將來適當緩解空間天氣預報需求與源頭監(jiān)測能力不足之間的矛盾，提升我國空間天氣預報的自主能力。對中高層大氣的天基監(jiān)測，也已經有單位開始新型載荷（如星載激光雷達）的研制以及衛(wèi)星或氣球探測項目的論證工作，有望取得突破。

鑒于美國等國家的經驗，組建專用的空間環(huán)境天基監(jiān)測網絡是非常困難或者不合適的。我國的空間環(huán)境天基監(jiān)測通過積極爭取業(yè)務衛(wèi)星搭載機會，在關鍵軌道上補充專用監(jiān)測衛(wèi)星，有望構建基本完備的天基監(jiān)測網絡。

在地基監(jiān)測方面，進入21世紀以來，多個監(jiān)測網絡、一批綜合臺站快速建立起來，特別是“子午工程”二期將建成我國的空間環(huán)境地基綜合監(jiān)測網，充分顯示了地基監(jiān)測網絡化、綜合化的發(fā)展趨勢，也支撐我國空間環(huán)境地基監(jiān)測能力進入世界前列。但受限于基礎條件，地基監(jiān)測臺站的布局在西部地區(qū)還相當稀疏，在重要的南海地區(qū)基本上還是空白，對空間天氣關鍵區(qū)域——極區(qū)的監(jiān)測也受到站點數(shù)量少的限制，應當有針對性地予以補強。

隨著監(jiān)測能力的發(fā)展，各類數(shù)據(jù)匯集、存儲、應用平臺建立起來，特別是國家空間科學數(shù)據(jù)中心同時匯集了天基和地基監(jiān)測數(shù)據(jù)，對天/地基數(shù)據(jù)融合起到促進作用；多個空間天氣預報/預警平臺也同時將地基和天基監(jiān)測數(shù)據(jù)作為業(yè)務應用的重要輸入，對天/地基監(jiān)測融合發(fā)展提出了需求。因此，我國空間環(huán)境監(jiān)測能力的發(fā)展必將走天/地基融合發(fā)展的道路，有望在不久的將來實現(xiàn)自主業(yè)務能力的大幅提升。

5 結束語

空間環(huán)境是人類生存的“第四環(huán)境”，也是我國需要力爭的戰(zhàn)略制高點?？臻g環(huán)境監(jiān)測能力的發(fā)展對我國繼續(xù)發(fā)展空間能力、保障各類高技術系統(tǒng)的安全和效益、實現(xiàn)經濟社會可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

目前我國天基監(jiān)測已經具備一定的規(guī)模、覆蓋多類軌道、監(jiān)測參數(shù)較為齊備；地基監(jiān)測手段齊全、地理覆蓋較完整，監(jiān)測能力進入世界前列；各類應用對天/地基監(jiān)測的融合發(fā)展提出了需求?？梢灶A見，我國空間環(huán)境監(jiān)測將繼續(xù)朝資源整合、天地一體化的方向發(fā)展。

致謝

感謝子午工程、國家空間科學數(shù)據(jù)中心提供相關數(shù)據(jù)信息。