申旭輝 澤仁志瑪 袁仕耿 張學(xué)民 王蘭煒 吳云 黃建平 趙庶凡楊艷艷 顏蕊 張振霞 林劍 劉大鵬 郭峰 譚巧

世紀(jì)之交，國際上圍繞地震是否可以預(yù)測開展了一場學(xué)術(shù)大討論。以這次大討論為契機，國內(nèi)外科學(xué)家前所未有地展示了大量的觀測數(shù)據(jù)和分析結(jié)果并開展了系統(tǒng)深入的交流互動，陳運泰院士借用戈達德的話總結(jié)認為：“慎言不可能，昨日之夢想，今日有希望，明日變現(xiàn)實?！?003年2月18—19日，中國地震局聯(lián)合國家國防科工局、科技部和國家自然基金委在北京組織香山論壇，葉叔華、許厚澤、寧津生、劉經(jīng)南、馬宗晉、馬瑾等院士專家與會討論并呼吁發(fā)展專用的地震衛(wèi)星，以建設(shè)地震立體觀測系統(tǒng)，提升多物理場三維觀測能力，為推進地震預(yù)測科學(xué)研究突破奠定基礎(chǔ)（圖1）。

圖1 2003年2月26日，中國航天報刊發(fā)《院士呼喚地震監(jiān)測星》

香山論壇后，中國地震局迅速組織專家工作團隊，吳云研究員和申旭輝研究員分別擔(dān)任專家組組長和副組長。由于吳云研究員工作單位在武漢，為便于工作，中國地震局協(xié)調(diào)后于2005年底對專家組進行了調(diào)整，改由申旭輝研究員擔(dān)任組長，吳云研究員任副組長，錢家棟研究員等一批老專家任顧問。從2003年開始，這個專家組在各部門的大力支持下，廣泛調(diào)研了國際上衛(wèi)星電磁觀測技術(shù)發(fā)展，系統(tǒng)梳理了國家防震減災(zāi)能力建設(shè)需求，連續(xù)承擔(dān)了一系列衛(wèi)星系統(tǒng)規(guī)劃和衛(wèi)星關(guān)鍵技術(shù)研究及研發(fā)任務(wù)，密切跟蹤了國家民用航天技術(shù)布局，于2005年正式提出了以地震預(yù)測科學(xué)探索為重點、兼顧國家戰(zhàn)略需求，發(fā)展地球物理場衛(wèi)星計劃的建議，得到中國地震局、國家國防科工局、發(fā)展改革委等部門的一致支持。

在此基礎(chǔ)上，2007年10月國家國防科技工業(yè)局正式啟動張衡一號電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星（以下簡稱“張衡一號01衛(wèi)星”）工程預(yù)研和立項綜合論證，2009年9月中國地震局與意大利國家核物理研究院簽署張衡一號01衛(wèi)星合作協(xié)議，2009年9月底時任國務(wù)院總理溫家寶同志做出重要批示，2013年7月國務(wù)院正式批復(fù)張衡一號01衛(wèi)星工程立項，2013年9月中國國家航天局與意大利空間局簽署張衡一號01衛(wèi)星工程合作研制備忘錄，張衡一號01衛(wèi)星工程研制工作全面推進。

工程概況

科學(xué)目標(biāo)：張衡一號01衛(wèi)星用于探測空間地磁場、電磁波、電離層等離子體原位和結(jié)構(gòu)信息，獲取全球地磁場和電離層環(huán)境及重建其動態(tài)模型，積累地震電離層震例，探索地震短臨預(yù)測新方法，發(fā)展地震科學(xué)理論，研究空間天氣活動及地球巖石層—大氣層—電離層耦合機制，并為相關(guān)領(lǐng)域科學(xué)研究提供數(shù)據(jù)服務(wù)。

工程大系統(tǒng)組成：張衡一號01衛(wèi)星工程由衛(wèi)星系統(tǒng)、運載火箭系統(tǒng)、發(fā)射場系統(tǒng)、測控系統(tǒng)、地面系統(tǒng)和應(yīng)用系統(tǒng)組成（圖2）。衛(wèi)星設(shè)計運行于高度507km的太陽同步軌道，軌道傾角97.4°，降交點地方時14:00，軌道回歸周期5天。工程設(shè)計壽命5年。

圖2 張衡一號01衛(wèi)星工程大系統(tǒng)組成

有效載荷配置：星上裝載高精度磁強計、感應(yīng)式磁力儀、電場儀、等離子體分析儀、朗繆爾探針、GNSS掩星接收機、信標(biāo)發(fā)射機和高能粒子探測器，其中高精度磁強計與奧地利合作研制，高能粒子探測器與意大利合作研制（表1）。

表1 張衡一號01衛(wèi)星有效載荷配置表

主要數(shù)據(jù)產(chǎn)品數(shù)據(jù)產(chǎn)出：張衡一號產(chǎn)出的數(shù)據(jù)類型：電磁場波形和譜、地磁場矢量及標(biāo)量；電離層原位觀測的電子密度、電子溫度、離子密度、離子溫度、離子漂移速度、高能電子通量、高能質(zhì)子通量；電離層總電子含量、電子密度剖面等共3大類59種產(chǎn)品。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用系統(tǒng)還將不斷產(chǎn)出全球尺度的地磁場和電離層模型及其區(qū)域增強模型，并提供地磁場、電離層動態(tài)信息產(chǎn)出。

在軌運行情況

（一）在軌測試工作圓滿成功

2018年2月2日15:51，張衡一號01衛(wèi)星在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心搭載長征二號丁運載火箭發(fā)射，成功進入預(yù)定軌道（圖3）。經(jīng)9個月的在軌測試，2018年11月在軌測試工作評審認為取得“圓滿成功”。國際同行評價認為總體達到國際同類衛(wèi)星同期水平，部分國際領(lǐng)先水平。有效載荷在軌功能性能測試結(jié)論詳見表2，其中：

圖3 張衡一號01衛(wèi)星搭載CZ-2D運載火箭點火升空

表2 張衡一號01衛(wèi)星有效載荷在軌功能性能測試結(jié)論一覽表

衛(wèi)星軌道形態(tài)、軌道高度、太陽同步性、星下點軌跡與地震帶捕獲要求以及衛(wèi)星平臺電磁潔凈度、平臺表面等電位控制均達到工程指標(biāo)要求;星務(wù)分系統(tǒng)、測控分系統(tǒng)、電源分系統(tǒng)、數(shù)傳分系統(tǒng)均工作正常；星地鏈路包括接收范圍、傳輸穩(wěn)定性等，均符合工程指標(biāo)要求；常規(guī)情況下，在地面接收站可見范圍，衛(wèi)星開始下傳數(shù)據(jù)，鏈路穩(wěn)定；在測試時，上注指令均能正常上注和正確執(zhí)行。

在軌測試期間增加了半球工作能力，表明衛(wèi)星平臺和載荷均具備極區(qū)工作和連續(xù)工作能力，為02星平臺和載荷全球連續(xù)工作提供了質(zhì)量參考。

8個有效載荷除了三頻信標(biāo)機一個頻點失效、等離子體分析儀離子密度絕對值偏低和電場探測儀高頻靈敏度性能略差外，其他指標(biāo)均符合預(yù)期，滿足工程指標(biāo)。搭載的意大利高能粒子探測器根據(jù)雙方交流和意方提供的數(shù)據(jù)判斷，數(shù)據(jù)能夠反映空間粒子基本特征，能與中方載荷在0°和90°兩個探測方向的互補。

（二）運行穩(wěn)定，科學(xué)數(shù)據(jù)產(chǎn)出持續(xù)有效

張衡一號01衛(wèi)星自2018年2月2日發(fā)射入軌以來，運行穩(wěn)定，科學(xué)數(shù)據(jù)產(chǎn)出持續(xù)有效。截至2021年7月1日，衛(wèi)星在軌穩(wěn)定運行40個月，累計繞地球飛行18935圈。其間，國家自然災(zāi)害防治研究院與衛(wèi)星系統(tǒng)、地面系統(tǒng)和測控系統(tǒng)聯(lián)合，累計開展了18次衛(wèi)星在軌常規(guī)軌控任務(wù)，開展了15次星上載荷科學(xué)試驗，3次半球工作模式觀測，通過上注指令實現(xiàn)載荷軟件更新或死機狀態(tài)重啟13次。

國家自然災(zāi)害防治研究院從地面系統(tǒng)累積獲取1～2級標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)產(chǎn)品113.2TB。衛(wèi)星記錄全球6級以上地震371個(中國13個),其中全球7級以上地震41個(中國1個),記錄到了強磁暴事件1次,對外向意大利空間局、歐洲空間局、中國地震臺網(wǎng)中心、GEO數(shù)據(jù)重心等提供在線數(shù)據(jù)下載服務(wù)，目前在線注冊超過20余家單位，累積數(shù)據(jù)下載量近200TB。

基于張衡一號01衛(wèi)星數(shù)據(jù)，國際地球物理場建模歷史上首次產(chǎn)出了中國模型，填補了多項研究空白。我們的意大利合作伙伴榮獲“2019年度中國國際科技合作獎”并稱贊中方是“可信賴的合作伙伴”，張衡一號01衛(wèi)星合作也于2020年獲評中意建交50周年最重大科技合作成果。

2020年底，張衡一號01衛(wèi)星正式完成了衛(wèi)星在軌交付。

取得的主要科技成果

2021年2月2日，張衡一號01衛(wèi)星成功在軌運行3周年。衛(wèi)星入軌3年來，應(yīng)急管理部國家自然災(zāi)害防治研究院聯(lián)合國內(nèi)外科研團隊，開展了系統(tǒng)的科學(xué)研究和廣泛的國際合作，取得豐碩研究成果。2018年2月2日和2019年3月23日，習(xí)近平總書記兩次高度評價張衡一號01衛(wèi)星研制和合作成果，獲得2019年度中國國際科技合作獎的意大利空間局前局長羅伯托·巴蒂斯通教授評價“中國科學(xué)家是可靠的合作伙伴”，IUGG地震與火山電磁學(xué)跨協(xié)會工作組前后兩任主席均表示“熱切期待與張衡一號衛(wèi)星的合作”。

（一）成功構(gòu)建我國首個全球參考地磁場模型，達到國際同期水平，具有重大戰(zhàn)略意義

基于張衡一號01衛(wèi)星數(shù)據(jù)建立了全球參考地磁場模型CGGM2020.0（圖4）。該模型經(jīng)國際地磁與高空物理聯(lián)合會（IAGA）評估，符合全球地磁參考場IGRF建模精度要求并入選新一代IGRF模型IGRF2020.0。全球參考地磁場模型CGGM2020.0是IGRF一個多世紀(jì)以來唯一由中國科學(xué)家牽頭且唯一完全采用中國數(shù)據(jù)制作的全球參考地磁場模型。目前，該模型系數(shù)及模型計算器已在中國地震局衛(wèi)星地震應(yīng)用中心網(wǎng)站www.leos.ac.cn和國家自然災(zāi)害防治研究院網(wǎng)站www.ninhm.ac.cn發(fā)布，免費提供用戶下載使用。

圖4 全球參考地磁場模型CGGM2020.0

CGGM2020.0的建立，標(biāo)志著我國已經(jīng)全面掌握全球地磁場建模關(guān)鍵技術(shù)，填補了我國在全球地磁場戰(zhàn)略信息資源獲取領(lǐng)域的能力空白。張衡一號01衛(wèi)星團隊正在融合多種數(shù)據(jù)，構(gòu)建高分辨率高精度全球和區(qū)域地磁場模型，為應(yīng)急組合導(dǎo)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(shè)提供重要的戰(zhàn)略信息資源保障。

（二）發(fā)展了地球巖石層—大氣層—電離層耦合模型，突破了現(xiàn)有勘探地球物理理論的局限，為地球系統(tǒng)科學(xué)和地球關(guān)鍵圈層研究奠定重要科學(xué)基礎(chǔ)

基于張衡一號01衛(wèi)星海量觀測，開展了大量數(shù)學(xué)物理模擬，構(gòu)建了基于全波方法的低頻電磁波跨圈層傳播模型（圖5）。系統(tǒng)證實地下低頻電磁波能夠穿透巖石圈和電離層到達衛(wèi)星高度，精細仿真了低頻電磁波傳播滲透特征，修正了前人關(guān)于地球巖石層—大氣層—電離層間電磁波傳播問題上“高頻波出不來，低頻波上不去”認識的局限，發(fā)展了低頻電磁波跨電離層傳播滲透模型。該項成果在理論上將空間對地觀測能力從地表拓展到地下，衛(wèi)星地球物理反演分辨率從百公里尺度提高到百米尺度，為發(fā)展天基隱伏地物高分辨率探測技術(shù)，規(guī)劃發(fā)展下一代地球物理場探測衛(wèi)星，完善地球系統(tǒng)科學(xué)理論奠定了科學(xué)基礎(chǔ)。

圖5 基于全波方法的低頻電磁波跨圈層傳播模型

（三）初步證實地震電磁輻射能夠到達電離層高度被衛(wèi)星接收到，為地震預(yù)測科學(xué)探索提供了新的途徑

2018年2月17日，張衡一號01衛(wèi)星在軌開機工作3天后即記錄到墨西哥7.1級地震。截止到2020年12月31日，全球共發(fā)生7級以上地震33個，6級以上地震315個，其中中國境內(nèi)6級以上地震9個。根據(jù)對這些震例的跟蹤研究及統(tǒng)計分析，初步認為對于絕大部分強地震，張衡一號01衛(wèi)星均記錄到了與地震相關(guān)的電磁波和等離子體異常擾動現(xiàn)象，6級以上地震的探測概率達到60%以上，并且隨著發(fā)震時刻臨近，可能檢測到的概率也明顯提高（圖6）。

地震預(yù)測作為一個世界性科學(xué)難題，其主要原因之一在于大地震的小概率特性。張衡一號01衛(wèi)星以其全球觀測能力，突破了地面觀測局限，能夠有效捕捉全球震例，從而為探索地震預(yù)測科學(xué)理論和方法，提供了全新的數(shù)據(jù)和可能。

（四）精準(zhǔn)記錄空間天氣活動，支撐形成空間天氣災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警能力，為重大帶電生命線工程安全提供保障

張衡一號01衛(wèi)星各個載荷具備了對空間天氣災(zāi)害事件的精準(zhǔn)響應(yīng)能力。2018年8月發(fā)生的大磁暴是張衡一號01衛(wèi)星發(fā)射以來遇到的最大的磁暴（Dst值到達-174nT）。衛(wèi)星各個載荷觀測到了磁暴初相、主相和恢復(fù)相的各個階段多種地球物理場物理參量的擾動（圖7）。衛(wèi)星在軌期間，還精確記錄了日食、海嘯、風(fēng)暴潮、南大西洋磁異?；顒右约岸喾N空間電磁波活動，在空間天氣災(zāi)害和極端天氣災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警方面具有良好的應(yīng)用前景。

圖7 張衡一號衛(wèi)星對2018年8月26日的強磁暴的記錄

空間天氣災(zāi)害是影響現(xiàn)代技術(shù)系統(tǒng)穩(wěn)定運行和社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要因素。1989年冬季加拿大魁北克600萬人停電、2011年日本311地震后GPS導(dǎo)航信號中斷46個小時、2017年北美磁暴—颶風(fēng)—地震復(fù)合災(zāi)害期間應(yīng)急通信系統(tǒng)失效。張衡一號01衛(wèi)星將形成生命線工程的空間天氣災(zāi)害效應(yīng)和極端條件下應(yīng)急通信導(dǎo)航環(huán)境監(jiān)測預(yù)警能力，密切配合國家戰(zhàn)略和國家安全需要，有效保障“兩個一百年目標(biāo)”實現(xiàn)。

發(fā)展展望

2015年5月，國務(wù)院批準(zhǔn)《國家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施中長期發(fā)展規(guī)劃（2015—2025）》（國辦發(fā)〔2015〕39號），規(guī)劃“進一步完善光學(xué)觀測、微波觀測、物理場探測手段，建設(shè)高分辨率光學(xué)、中分辨率光學(xué)和合成孔徑雷達三個觀測星座，發(fā)展地球物理場探測衛(wèi)星，圍繞地震、減災(zāi)、國土、測繪、海洋等行業(yè)對地球物理環(huán)境變化監(jiān)測需求，發(fā)展電磁監(jiān)測與重力梯度測量等手段，形成地球物理場探測能力”。按照《國家民用空間基礎(chǔ)設(shè)施中長期發(fā)展規(guī)劃（2015—2025）》部署，在張衡一號01衛(wèi)星成功發(fā)射基礎(chǔ)上，2018年4月，發(fā)展改革委批復(fù)了張衡一號02衛(wèi)星工程可行性論證報告，作為我國地球物理場探測衛(wèi)星計劃的首發(fā)星。

張衡一號系列衛(wèi)星的發(fā)展，得到了國家領(lǐng)導(dǎo)人的高度關(guān)注，2018年2月2日，習(xí)近平總書記就張衡一號01衛(wèi)星成功入軌親致賀電，指出：“中意兩國在電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星項目合作中取得的重大成果，是中意全面戰(zhàn)略伙伴關(guān)系的重要體現(xiàn)，將有力提升兩國利用航天技術(shù)對地球電磁環(huán)境的監(jiān)測能力和水平，為地震預(yù)警、防災(zāi)減災(zāi)發(fā)揮重要作用，服務(wù)兩國經(jīng)濟社會發(fā)展。”2019年3月23日，習(xí)近平總書記國事訪問意大利期間，再次高度評價電磁監(jiān)測衛(wèi)星成功合作，并表示“雙方愿進一步深化電磁監(jiān)測02星任務(wù)的合作”。

兩年來，按照習(xí)近平總書記2019年3月23日指示，國家自然災(zāi)害防治研究院堅決落實部領(lǐng)導(dǎo)要求，尤其是2020年12月1日尚勇副部長、12月2日鄭國光工程總指揮批示要求，組織工程技術(shù)團隊開展了系統(tǒng)深入的設(shè)計論證工作，及時跟蹤張衡一號01衛(wèi)星在軌測試和運行成果，充分吸收國際同類型衛(wèi)星研制和應(yīng)用經(jīng)驗，積極落實和協(xié)調(diào)中意合作，有序推進張衡一號02衛(wèi)星工程各項工作。目前，已經(jīng)完成工程初步設(shè)計工作，預(yù)計在2022年底前后完成衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)。

在此期間，以2019年澳門回歸祖國20周年為契機，國家航天局啟動了澳門一號衛(wèi)星研制任務(wù)，設(shè)計運行在低傾角的LEO軌道上，具備與張衡一號01衛(wèi)星、張衡一號02衛(wèi)星虛擬組網(wǎng)觀測能力。到2022年底，我國將初步具備高精度高分辨率地磁場和電離層建模能力，為地震科學(xué)探索、空間天氣災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警、通信導(dǎo)航環(huán)境管理提供寶貴的信息支持。