城市與減災 | 申旭輝：中國“張衡一號”電磁監測衛星計劃進展

本文節選改編自《城市與減災》2021年第4期，原文題目：中國“張衡一號”電磁監測衛星計劃進展，作者：申旭輝、澤仁志瑪、袁仕耿等。

作者簡介

申旭輝，博士，國家自然災害防治研究院總工程師，二級研究員、博士生導師，“張衡一號”電磁監測衛星計劃首席科學家兼工程副總設計師，中法、中意、中歐航天合作電磁衛星聯合工作組中方組長，中歐航天合作重力衛星聯合工作組中方組長，EMSEV-IUGG 執委會委員，IAGA-IUGG 中國委員會委員，亞太空間合作組織專家委員會委員。

在20年前的世紀之交，國際上圍繞地震是否可以預測開展了一場學術大討論。以這次大討論為契機，國內外科學家前所未有地展示了大量的觀測資料和分析結果，並開展了系統深入的交流互動，陳運泰院士借用戈達德的話總結認為：“慎言不可能，昨日之夢想，今日有希望，明日變現實。”

2003年2月18—19日，中國地震局聯合國家國防科工局、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、劉經南、馬宗晉、馬瑾等院士專家與會討論，並呼籲發展專用的地震衛星，以建設地震立體觀測系統，提升多物理場三維觀測能力，為推進地震預測科學研究突破奠定基礎。

2003年2月26日，中國航天報刊發《院士呼喚地震監測星》

香山論壇後，中國地震局迅速組織專家工作團隊，吳雲研究員和申旭輝研究員分別擔任專家組組長和副組長。由於吳雲研究員工作單位在武漢，為便於工作，中國地震局協調後於2005年底對專家組進行了調整，改由申旭輝研究員擔任組長，吳雲研究員任副組長，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援下，廣泛調研了國際上衛星電磁觀測技術發展，系統梳理了國家防震減災能力建設需求，連續承擔了一系列衛星系統規劃和衛星關鍵技術研究及研發任務，密切跟蹤了國家民用航天技術佈局，於2005 年正式提出了以地震預測科學探索為重點、兼顧國家戰略需求，發展地球物理場衛星計劃的建議，得到中國地震局、國家國防科工局、發展改革委等部門的一致支援。

在此基礎上，2007年10月國家國防科技工業局正式啟動張衡一號電磁監測試驗衛星（以下簡稱“張衡一號01衛星”）工程預研和立項綜合論證，2009年9月中國地震局與義大利國家核物理研究院簽署張衡一號01衛星合作協議，2009年9月底時任國務院總理溫家寶同志做出重要批示，2013年7月國務院正式批覆張衡一號01衛星工程立項，2013年9月中國國家航天局與義大利空間局簽署張衡一號01衛星工程合作研製備忘錄，張衡一號01衛星工程研製工作全面推進。

工程概況

科學目標：張衡一號01衛星用於探測空間地磁場、電磁波、電離層等離子體原位和結構資訊，獲取全球地磁場和電離層環境及重建其動態模型，積累地震電離層震例，探索地震短臨預測新方法，發展地震科學理論，研究空間天氣活動及地球岩石層—大氣層—電離層耦合機制，併為相關領域科學研究提供資料服務。

工程大系統組成：張衡一號01衛星工程由衛星系統、運載火箭系統、發射場系統、測控系統、地面系統和應用系統組成。衛星設計運行於高度507km的太陽同步軌道，軌道傾角97.4°，降交點地方時14:00，軌道迴歸週期5天。工程設計壽命5 年。

張衡一號01衛星工程大系統組成

有效載荷配置：星上裝載高精度磁強計、感應式磁力儀、電場儀、等離子體分析儀、朗繆爾探針、GNSS 掩星接收機、信標發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製，高能粒子探測器與義大利合作研製。

張衡一號01衛星有效載荷配置表

主要資料產品資料產出：張衡一號產出的資料型別：電磁場波形和譜、地磁場向量及標量；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 種產品。在此基礎上，應用系統還將不斷產出全球尺度的地磁場和電離層模型及其區域增強模型，並提供地磁場、電離層動態資訊產出。

取得的主要科技成就

2021年2月2日，張衡一號01衛星成功在軌執行3週年。衛星入軌3年來，應急管理部國家自然災害防治研究院聯合國內外科研團隊，開展了系統的科學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，習近平總書記兩次高度評價張衡一號01衛星研製和合作成果，獲得2019年度中國國際科技合作獎的義大利空間局前局長羅伯託·巴蒂斯通教授評價“中國科學家是可靠的合作伙伴”，IUGG 地震與火山電磁學跨協會工作組前後兩任主席均表示“熱切期待與張衡一號衛星的合作”。

1、成功構建我國首個全球參考地磁場模型，達到國際同期水平，具有重大戰略意義

基於張衡一號01 衛星資料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，符合全球地磁參考場IGRF 建模精度要求併入選新一代IGRF 模型IGRF2020.0。全球參考地磁場模型CGGM 2020.0是IGRF 一個多世紀以來唯一由中國科學家牽頭且唯一完全採用中國資料製作的全球參考地磁場模型。

全球參考地磁場模型CGGM 2020.0

目前，該模型係數及模型計算器已在中國地震局衛星地震應用中心網站www.leos.ac.cn 和國家自然災害防治研究院網站www.ninhm.ac.cn 釋出，免費提供使用者下載使用。

CGGM 2020.0 的建立，標誌著我國已經全面掌握全球地磁場建模關鍵技術，填補了我國在全球地磁場戰略資訊資源獲取領域的能力空白。張衡一號01 衛星團隊正在融合多種資料，構建高解析度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資訊資源保障。

​2、發展了地球岩石層—大氣層—電離層耦合模型，突破了現有勘探地球物理理論的侷限，為地球系統科學和地球關鍵圈層研究奠定重要科學基礎

基於張衡一號01 衛星海量觀測，開展了大量數學物理模擬，構建了基於全波方法的低頻電磁波跨圈層傳播模型。

系統證實地下低頻電磁波能夠穿透岩石圈和電離層到達衛星高度，精細模擬了低頻電磁波傳播滲透特徵，修正了前人關於地球岩石層—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”認識的侷限，發展了低頻電磁波跨電離層傳播滲透模型。

基於全波方法的低頻電磁波跨圈層傳播模

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，衛星地球物理反演解析度從百公里尺度提高到百米尺度，為發展天基隱伏地物高解析度探測技術，規劃發展下一代地球物理場探測衛星，完善地球系統科學理論奠定了科學基礎。

3、初步證實地震電磁輻射能夠到達電離層高度被衛星接收到，為地震預測科學探索提供了新的途徑

2018年2月17日，張衡一號01衛星在軌開機工作3天后即記錄到墨西哥7.1級地震。截止到2020年12月31日，全球共發生7級以上地震33個，6 級以上地震315 個，其中中國境內6 級以上地震9個。

根據對這些震例的跟蹤研究及統計分析，初步認為對於絕大部分強地震，張衡一號01衛星均記錄到了與地震相關的電磁波和等離子體異常擾動現象，6 級以上地震的探測機率達到60%以上，並且隨著發震時刻臨近，可能檢測到的機率也明顯提高。

上：張衡一號衛星記錄的墨脫地震電離層擾動現象

下：全球4.8級以上地震電離層前兆擾動統計特徵

地震預測作為一個世界性科學難題，其主要原因之一在於大地震的小機率特性。張衡一號01衛星以其全球觀測能力，突破了地面觀測侷限，能夠有效捕捉全球震例，從而為探索地震預測科學理論和方法，提供了全新的資料和可能。

4、精準記錄空間天氣活動，支撐形成空間天氣災害監測預警能力，為重大帶電生命線工程安全提供保障

張衡一號01 衛星各個載荷具備了對空間天氣災害事件的精準響應能力。2018年8月發生的大磁暴是張衡一號01衛星發射以來遇到的最大的磁暴（Dst 值到達-174 nT）。衛星各個載荷觀測到了磁暴初相、主相和恢復相的各個階段多種地球物理場物理參量的擾動。

張衡一號衛星對2018年8月26日的強磁暴的記錄

衛星在軌期間，還精確記錄了日食、海嘯、風暴潮、南大西洋磁異常活動以及多種空間電磁波活動，在空間天氣災害和極端天氣災害監測預警方面具有良好的應用前景。

空間天氣災害是影響現代技術系統穩定執行和社會經濟可持續發展的重要因素。1989年冬季加拿大魁北克600萬人停電、2011年日本311地震後GPS 導航訊號中斷46個小時、2017年北美磁暴—颶風—地震複合災害期間應急通訊系統失效。

張衡一號01衛星將形成生命線工程的空間天氣災害效應和極端條件下應急通訊導航環境監測預警能力，密切配合國家戰略和國家安全需要，有效保障“兩個一百年目標”實現。