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中国首颗自主研发建造的电磁监测试验卫星——“张衡一号”发射成功
发布时间:[ 2018-02-14 16:33 ] 文章来源:< 综合 > 浏览量: 2352
    2018年2月2日,我国首颗自主研发建造的电磁监测试验卫星——“张衡一号”在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭发射升空,顺利进入预定轨道。
    “张衡一号”是我国全新研制的科学试验卫星,主要用于地球物理场探测和研究,是我国首颗观测与地震活动相关电磁信息的卫星,也是国家地球物理场探测卫星的首发星。通过监测全球空间电磁场、电离层等离子体、高能粒子沉降等物理现象,为地震机理研究、空间环境监测和地球系统科学研究提供新的技术手段,为研究地震电磁电离层特征及机理提供新的途径,是我国构建天空地一体化地震立体监测体系的重要里程碑。“张衡一号”卫星具有覆盖范围广,电磁环境好、动态信息强、无地域限制等优势,使用卫星进行地球电磁环境的研究能够从更大的尺度上提高对地震孕育发生规律的研究和认识,弥补常规地面地震监测手段的不足。统计结果表明,空间电磁扰动与地震具有明显的相关性,构建空间电磁监测体系对研究地震机理与空间电磁扰动耦合关系、探索地震预测新方法有着重要意义。
    “张衡一号”将运行于高度500公里左右的太阳同步轨道,卫星构型是一个1.4米×1.4米×1.4米的立方体,总重量约730公斤,设计寿命为5年,装载高精度磁强计、感应式磁力仪、高能粒子探测仪等8种科学探测有效载荷、可实现在低地球轨道对空间电磁场、电离层等离子体、高能粒子的监测。
    “张衡一号”卫星是由中国航天科技集团五院航天东方红卫星有限公司抓总研制,是我国地震立体观测体系的第一个天基平台。旨在建造全球电磁场和电离层监测平台,对中国及其周边地区开展电离层多种物理量动态准时实时监测;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;研究地球体系特别是电离层与其他相关圈层相互作用及其效应,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。“张衡一号”每5天实现对地球上同一地点的重访,卫星观测区域可覆盖地球南北纬65º内的区域,重点观测区域覆盖我国陆地全境和陆地周边约1000公里区域以及全球两个主要地震带。
    “张衡一号”创造了我国卫星研制领域的多项首次,总体技术指标达到国际先进水平,部分技术指标达到国际领先水平。该星在国内首次实现低地球轨道卫星高精度电磁洁净度控制,达到国际先进水平,弥补了我国天基科学探测领域发展的一大短板,对后续空间探测任务的发展具有重要意义。国内首次实现在轨精确磁场探测,卫星装载高精度磁强计、感应式磁力仪载荷,有望使我国第一次获取十分宝贵的全球地磁场数据。此外,该星还在国内首次实现高精度电离层电子、离子原位探测。以“张衡一号”命名电磁检测试验卫星,主要是为纪念中国古代科技代表人物张衡在地震观测方面的杰出贡献,传承以张衡为代表的中国古代科学家群体崇尚科学、追求真理的精神内质。
    公元132年,我国东汉时期著名天文学家张衡发明候风地动仪,可测知地震震中的大概方位,引起举国震动。候风地动仪被认为是世界上最早的地动仪,先于西方国家用仪器记录地震的历史约1800年,开创了世界地震勘测研究的先河。这正是将卫星定名为“张衡一号”的渊源。取名“张衡一号”一是为纪念中国古代科技代表人物张衡杰出的科技贡献;二是体现了卫星工程地震监测的主要特点,具有科技、历史、文化意义,易于传播;三是为了更好普及地球物理场及地震有关知识,弘扬科学精神,培育社会公众尤其是青少年崇尚科学、热爱航天的良好风气。
    “张衡一号”发射运行具有重要的科学意义。首先是获取全球地磁场和电离层环境及其变化信息,填补相关研究领域的空白,支撑构建全球地磁场和电离层模型,有助于我们进一步了解地震孕育发展规律;其次是基于天基观测优势,提升我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的观测不足。此外,还为空间天气预警、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。同时也显著提升我国在地球物理场研究领域的国际影响力。这颗卫星的发射和投入使用,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的技术能力,使我国成为世界上拥有在轨运行多载荷、高精度地球物理场探测卫星的少数国家之一。
    一、填补我国地震监测空白
    科学研究表明,一旦发生地震,地球内部的电磁信息就会发生异常。因此,构建空间电磁监测体系对研究地震机理与空间电磁扰动的耦合关系、探索地震监测新方法有着重要意义。
    众所周知,地震监测是世界性难题。我国境内地震分布广、强度大、震源浅,是世界上大陆地震活动最强烈、灾害最严重的国家之一。然而,长期以来,受自然环境限制,我国地震监测主要依靠陆地上的监测台站设备,地面监测台网在以青藏高原为主的近200万平方公里陆地面积,缺乏地震前兆监测能力;在国境线和约300万平方公里的海域,地震监测能力也几乎为零。“张衡一号”发射入轨,将迅速填补上述空白。
    地球周围有一层薄薄的“壳”——空间等离子体环境。从某种程度上说,等离子体态物质就像水,当受到地壳运动、人类活动等影响时,电磁波会如同涟漪般在等离子体环境里传播。近些年,科学家发现地震也会对空间等离子体环境中的电磁场产生影响,有些影响甚至可能出现在地震发生前。因此,科学家希望通过研究等离子体变化与地震活动的关联规律,探索如何攻克地震预报这一千年难题。
    目前,科研人员可以利用地质方法、统计方法和前兆方法来预测地震。但是地震呈现出极大的复杂性,能够做出的地震预报,都是短临预报,主要依靠经验。通过卫星电磁监测的方法发现地壳异动,从而获得地震即将发生的信息在学界被认为是一个很有希望的尝试。地震发生前,地球岩石的摩擦破裂会产生电磁波,这些电磁波会往大气传播。另一方面,地壳的运动会切割磁力线,造成磁力线的扭曲。也就是说,一旦发生强烈地震,地球内部的电磁信息就会出现异常。发射“张衡一号”电磁监测试验卫星,是要建立一个监测全球空间电磁场、电磁波、电离层等离子、高能粒子沉降等物理量的空间试验平台,为探索地震前兆信息、空间环境监测预报和地球系统科学研究提供新的技术手段服务,为未来建立地震前兆电磁监测卫星业务化系统进行技术准备。利用卫星观测地震,将突破许多限制,例如青藏高原、海洋等地震台网不能完全覆盖地区,通过卫星就可以实现全疆域的实时观测。“张衡一号”电磁监测试验卫星在轨运行的5年中,将以标准手段对我国6级以上、全球7级以上的地震进行电磁监测,通过大量的数据积累和震例分析,有望找到其中规律,推动我国地震观测预测技术的发展。
    除了为地震电磁立体观测提供更多种类、更加海量的电磁类信息,“张衡一号”投入使用后还将带动其他空间信息技术在防震减灾领域的应用,加快地震立体观测体系建设,提高地震监测能力。利用该卫星获取的数据,可以提高地球物理场反演能力,自主建立全球基本地球物理场模型,取得具有自主知识产权的研究成果。
    二、卫星研制达到国际先进水平
    “张衡一号”在技术领域创造了我国卫星研制领域的多项首次,总体技术指标达到国际先进水平,部分技术指标领先国际先进水平。其中,最难攻克的就是卫星对电磁洁净度的要求。卫星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提出非常高的要求。卫星本体磁性对磁场测量影响不确定性需控制在0.5纳特,相当于地球表面磁场强度的十万分之一。为了达到这一要求,卫星平台的各个单机、系统都进行了无磁化的更改。比如,去掉了有磁的红外地球敏感器,整个飞行程序都要改变;再比如,无磁化要求太阳能帆板不能转动,但为了保证卫星能源,又必须让帆板对日,如何找到平衡点,研究团队想了很多办法。
    目前在轨运行的高磁洁净度卫星全部由国外研制,我国经过艰苦攻关,卫星整星磁洁净度达到了0.33纳特,实现了国内低轨道卫星磁洁净度控制的最好水平,达到国际先进水平。让仪器载荷离卫星本体远一点,既是低磁化的要求,也能提高有效载荷探测精度。这次卫星采用的卷筒式伸杆机构,收拢时只有手掌大小,展开后长度约5米。这是国内首次自主研制的具有轻质、低磁、一维展开特点的卷筒式伸杆机构,伸杆指向精度、展开状态基频等关键性能指标达国际先进水平。
    “张衡一号”的首次还有不少。比如,国内首次实现在轨精确磁场探测,卫星装载的高精度磁强计、感应式磁力仪载荷,填补了我国在近地磁场精确探测领域的空白,达到国际先进水平,使我国第一次有望获取十分宝贵的全球地磁场数据。再如,首次实现高精度电离层电子、离子原位探测等等。
    “张衡一号”电磁监测试验卫星是中国地震立体观测体系天基观测平台的首颗卫星,它能够发挥空间对地观测的大动态、宽视角、全天候优势,通过获取全球电磁场、电离层等离子体、高能粒子观测数据,对中国及其周边区域开展电离层动态实时监测和地震前兆跟踪,弥补地面观测的不足,进一步推进中国立体地震观测体系建设,开设探索地震监测预测新途径。
    “张衡一号”覆盖范围广、电磁环境好、动态信息强、无地域限制,将开展全球空间电磁场、电离层等离子体、高能粒子沉降等物理现象的监测,为地震机理研究、空间环境监测和地球系统科学研究提供新的技术手段。它通过获取全球电磁场、电离层等离子体、高能粒子观测数据,对中国及其周边区域的电离层动态变化进行实时监测,探索性开展全球7级、中国6级以上地震点及电磁信息研究,总结电离层扰动特征,同时,可为国家安全、航空航天、导航通讯等领域提供空间电磁环境监测服务。
    “张衡一号”的成功发射使我国成为世界上少数拥有在轨运行高精度地球物理探测卫星的国家之一。“张衡一号”是我国全新研制的国家民用航天科研试验卫星,也是我国地球物理探测卫星计划的首发星。统计结果表明,空间电磁扰动与地震发生具有明显的相关性,构建空间电磁监测体系以研究地震机理与空间电磁扰动的耦合关系,提高地震孕育发生规律的研究和认识,探索地震预测新方法有着重要意义。同时,该星探测数据也能为空间物理和地球物理研究提供重要数据支持。
    三、“张衡一号”的研发历程
    2008年学界曾经就电磁监测试验卫星项目有过深入的讨论,初步的思路是通过国际合作尽快拥有中国自己的电磁监测卫星。电磁监测卫星项目在中国酝酿多年。从最初有这个想法,到统一认识,到研讨论证,到技术储备,再到项目落实,这个等待和准备的时间至少有15年。实际上,早在“九五”期间,中国就开始卫星预报地震的研究和应用,并取得初步成果,不过整体来说在地震监测方面卫星建设仍显缓慢。
    2008年,学界曾经就电磁监测试验卫星项目有过深入讨论,当时甚至有媒体报道称2009年卫星就要发射了。但是这一计划后来被延缓,其中固然有国际金融危机的影响,但最重要的是中国在技术储备上还没能达到需要的水平。此后,科学家们经历了日积月累的攻关路。直到2013年,各方面条件日渐成熟,中国电磁监测试验卫星工程项目被正式批准立项。2014年11月,由中国国家航天局、中国地震局和意大利空间局共同主办的中国监测试验卫星工程第一届国际学术研讨会在北京召开。2016年8月,中国监测试验卫星工程第二届国际学术研讨会在北京召开,来自意大利、法国、俄罗斯、美国、日本、希腊、奥地利、墨西哥及国内的百余位专家和学者参中了此次会议。外界从这两次研讨会可以窥见中国在电磁监测试验卫星项目上正在进行不懈地努力。
    “张衡一号”是我国地球物理场探测卫星计划首发星,它开启了我国全疆域和全球三维地球动态监测新时代。“张衡一号”的设计指标和载荷配置均超过国外同类卫星。“张衡一号”采用通用小卫星平台、搭载感应式磁力仪、高精度磁强计、电场探测仪、GNSS掩星接收机、等离子体分析仪、高能粒子探测器、朗缪尔探针和三频信标发射机等8种载荷。“张衡一号”汇聚了众多科学家的智慧。工程实施3年多来,中国地震局、航天科技集团公司、教育部、中国科学院、中电集团所属的几十家单位参加攻关研制。大家始终坚持航天科技与地震科技创新相结合,攻克了平台设计、载荷研发、数据模型开发等多项关键技术难题。
    四、国际空间合作的典范
    “张衡一号”发射成功后,将迎来为期半年的在轨测试,通过星地比测和国际联测的“模拟考试”,检验数据质量,之后“转正上岗”。
    “张衡一号”得益于国际合作,卫星上装载有意大利提供的高能粒子探测器和奥地利提供的绝对磁场校准装置。其中,意大利载荷与中方研制的高能粒子探测器互为补充,联合完成空间高能粒子的探测;奥地利载荷为中方研制载荷的矢量磁场探测数据提供标量的校准。2011年11月,中国国家航天局与意大利航天局签署了《中国国家航天局和意大利航天局关于和平利用外空的协议》,明确了电磁监测试验卫星的合作事项。2013年9月,中国国家航天局与意大利航天局签署《中国国家航天局与意大利空间局关于中国电磁监测试验卫星的谅解备忘录》,中意双方多次召开双边工作组会议,明确后续载荷研制与数据处理工作的合作内容与计划、卫星数据国际合作政策。
    据介绍,为充分发挥卫星数据应用效能,遵循公开共享的原则,中国国家航天局会同中国地震局已制定电磁监测试验卫星的数据国际合作政策。同时,中国国家航天局已牵头组建电磁监测试验卫星计划国际科学委员会,国际科学委员会各成员国的科学工作者都可按规定研究和使用该卫星的数据,共同加强人类对地球和宇宙的认识,造福世界各国人民。
    这颗卫星另有一个洋名字,意大利空间局局长巴蒂斯通以该国传教士利玛窦的名字为其命名,彰显其国际合作。明清时期,利玛窦曾在中国参与绘制首张世界地图《坤舆万国全图》。多个国别共同支持了这颗卫星的研制。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。法国、俄罗斯、欧洲空间局等同行向“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,亚太空间合作组织、国际空间科学研究所、国际宇航科学院也分别立项支持相关基础科研工作。
    “投我以桃李,报之以琼瑶。”中国国家航天局牵头、组建了包含意大利、法国、俄罗斯、美国、日本等国共同参与的国际科学委员会。他们将建立观测数据的共享和发布机制,有效提高卫星数据应用效率和科学成果产出,加强国际交流合作提升全球地震科学研究水平。随着“张衡一号”成功发射,据了解国防科工局正在会同中国地震局、发改委、财政部加快推动电磁监测卫星“张衡一号”(02星)论证工作,并深化与意大利航天局的进一步合作;后续还将规划安排电磁、重力梯度等地球物理场探测科学卫星持续发展。
    五、“张衡一号”还不能直接预测预报地震
    地震预测一直是一个世界性难题。多年来,世界各国的科学家们尝试过各种预测方法,但都被现实否定。通过电磁监测的方法发现地壳异动,从而获得地震即将发生的信息在学界被认为是一个很有希望的尝试。正因为如此,首颗电磁监测试验卫星承载着人们对于实现地震预测的殷切期待。   
    “张衡一号”的主要工作是数据收集和经验积累,真正预测地震还需要在大量的数据积累和方法理论研发之后逐步推进。
    中国处于两大地震带之间,自古以来就对地震研究十分重视。其中最有名的当属东汉时期伟大的科学家张衡在公元132年发明的候风地动仪。这是世界上的第一架地动仪,奠定了中国地震科学的发展。正因为如此,中国首颗电磁监测试验卫星便命名为“张衡一号”。
    其实,在全世界范围内,对地震的认知还不够深入。虽然都叫地震,但是单独一次其实没什么共通性的特征。我们只知道地壳受压到一定程度,积聚的压力就会以地震的形式释放出来。那么,这个压力到多少算是临界点?到达临界点会有什么先兆?没有人知道。地震到底能不能预测,在学界争议较大。在本世纪之交,还曾对这个问题有过一次大讨论。当时著名地球物理学家、中科院院士陈运泰曾经表示,对地震预报应该持有审慎的乐观。许多科学家相信,自然科学毕竟是有解的,经过几代人的艰苦努力,加快科学探索的征途,地震预报有可能在未来某个时候实现。地震预报难在哪?现阶段主要有三大障碍需要跨越:
    第一,地震事例太少,不足以帮助科学家形成完整的科学体系和方法体系。比如六级地震在中国每年只能遇到三四次,七级地震在中国每三年才能遇到两次,这样的数据连统计分析都不够。
    第二,地震科学研究的方法和手段受到很多制约。地震发生在地下,科学家们很难去地下看怎么回事,而地面的探测站点毕竟分散。很难把全球的地球物理场搞清楚。
    第三,地震研究的基本理论本身起源于早期的牛顿物理学,而如今物理学发展很快,基础理论学科相互交叉渗透,地震研究迫切需要吸收其他相关学科的理论。
    这三大障碍随着科学研究的深入将会慢慢得到解决,“张衡一号”的发射就是一次新的探索和尝试。卫星具有覆盖范围广、电磁环境好、动态信息强、无地域限制等优势,使用卫星进行地球电磁环境的研究,能够从更大的尺度上提高对地震孕育发生规律的认识,弥补常规地面地震监测手段的不足。
    但是对于地震研究而言,指望一两颗星远远不够。“张衡一号”是我国地球物理场探测卫星计划的首发星,未来将以该卫星为基础,继续推进综合空间信息应用研究,加快推进张衡一号02卫星研制研发进程和后续地球物理场探测卫星规划论证,全面提高我国全球物理场信息获取能力。(白林)