張衡一號

張衡一號，是中華人民共和國的一顆人造地球衛星，亦是中國首顆電磁監測試驗衛星（China Seismo-Electromagnetic Satellite，縮寫為CSES）。該衛星質量為730千克，設計壽命為五年。電磁監測試驗衛星項目由中國航天科技集團五院航太東方紅衛星有限公司抓總研製。張衡一號衛星於2018年2月2日15時51分在酒泉衛星發射中心由長征二號丁運載火箭發射升空，並在太陽同步軌道上運行。

張衡一號電磁監測試驗衛星是中國地球物理場探測衛星計劃的首發星，是中國天空地一體化地震立體監測體系下的首個空間觀測平台。該衛星將在高度約500公里的太陽同步軌道上，對全球震級7級以上和中國6級以上地震的電磁資訊進行分析，以此為地震機理研究、空間環境監測和地球系統科學研究提供天基平台和新技術手段。義大利航太局和義大利國家核物理研究所透過「利瑪竇」計劃參與了張衡一號項目，星上載荷也有奧地利機構參與研製。

## 研製背景

近一個世紀以來，儘管人類利用現代科學技術對地震活動進行了大量觀測和研究，但是由於受到地球內部的「不可入性」、大地震的「非頻發性」和地震物理過程的複雜性的制約，地震預測被認為是世界性的難題。歷史上科學家曾嘗試利用各種手段預測地震，但大都無疾而終。中國科學院院士、地球物理學家陳運泰曾表示，地震不可預報這樣的論斷要慎言。他認為，自然科學問題必有解決的辦法，需要尋找探索新的思路。張衡一號項目專家委員會主任、中國地震局地殼應力研究所總工程師申旭輝在接受媒體採訪時表示，「張衡一號」的發射就是一次新的探索和嘗試。他指出，「其實現階段地震預報主要是面臨三個難題，第一，地震事例比較少，一個科學家在一生碰到的就更少了。僅有的幾次震例很難幫助科學家完成數據統計和積累。第二，地震科學研究方法手段受到很多制約。以前我們一直想研究地殼，但我們又沒法到地下查看。第三，地震科學理論起源於牛頓物理學，需要吸收新的交叉學科理論，目前做得還不夠。」

地震發生前，地球岩石的摩擦破裂會產生電磁波，並傳播至大氣層。與此同時，地殼運動會切割磁力線，造成磁力線扭曲。學術界觀點認為，透過電磁監測的方法發現地殼異動，從而獲得地震即將發生的資訊是一個「很有希望的嘗試」。1960年代，蘇聯科學家分析一顆衛星電磁信號時，發現衛星記錄到地震低頻電磁輻射前兆現象，並將之稱為「地震電離層效應」。1976年唐山大地震時，科研人員也曾通過地面雷達系統發現了相應的電離層擾動現象。

項目專家委主任申旭輝表示，從最初有這個想法，到統一認識，到研討論證，到技術儲備，再到項目落實，這個等待和準備的時間至少有15年。早在1996至2000年的「九五」計劃期間，中華人民共和國就開始了衛星預報地震的研究和應用，並取得一定成果，但總體進程仍顯緩慢。2008年，中國科學界就已電磁監測試驗衛星項目有過深入的討論。專家意見認為，中國可以在國際合作的基礎上完成衛星地震電磁監測計劃。2009年，電磁監測試驗衛星的論證工作得以開始。2009年和2013年，中國地震局與義大利國家核物理研究院、中國國家航太局與義大利空間局分別簽署了電磁監測試驗衛星的合作意向與協議。

2013年，在主要關鍵技術完成攻關後，中國電磁監測試驗衛星工程項目被中華人民共和國財政部、國家國防科技工業局正式批准立項。項目研發耗時達五年，中國地震局、中國航天科技集團公司、中華人民共和國教育部、中國科學院、中國電子科技集團所屬的幾十家單位參加了衛星的攻關研製。2014年11月，由中國國家航太局、中國地震局和義大利航太局共同主辦的中國電磁監測試驗衛星工程第一屆國際學術研討會在北京召開。同月，三方又聯合成立了中國電磁監測衛星計劃國際科學家委員會，旨在推廣電磁衛星應用。此後又於2016年8月在北京召開了電磁衛星工程二屆會議。有媒體指出，中國在電磁監測試驗衛星項目上進行了不懈的努力。

作為電磁監測試驗衛星01星，張衡一號衛星於2016年完成了初樣研製，並轉入正樣研製階段。2018年2月2日，張衡一號發射升空並交付使用，衛星設計壽命為5年，其中計劃在軌測試期6個月。5月12日，中國地震局在汶川地震十周年國際研討會中表示，「張衡一號」各科學儀器工作情況良好，星上定標數據與地面實驗室定標數據完全一致，入軌以來已經完成的各項測試功能指標總體滿足工程設計要求。同日，中國地震局地殼應力研究所與國際大地測量學與地球物理學聯合會地震與火山電磁學跨協會工作組簽署數據合作協議，宣布與之分享所獲取的地震與火山監測數據。

國家國防科技工業局表示，「張衡一號」及其後續衛星計劃已經納入國家民用空間基礎設施中長期發展規劃，後續國防科工局將會同中國地震局開展電磁監測試驗衛星的在軌測試及相關應用，提升民用衛星對地震監測與應急服務能力，進一步提升天基資訊防震減災服務能力。同時，電磁監測試驗衛星02星「張衡二號」業已通過可研評估，預計2020年發射。

## 科研任務

電磁衛星豐富的載荷為天地聯合觀測模式打開了通道，與地基形成較好的補充和配合。希望通過立體監測體系深化不同探測參量之間的關聯，驗證完善地震電離層耦合理論模型，以數據發展校驗模型，以理論帶動技術的發展思路，最終實現理論模型下的多參量有機串聯和組合，在地震電離層立體監測體系的框架下，為地基和衛星地震電離層立體監測提供理論指導和科學建議。

「張衡一號」衛星在軌運行五年期間將達成三項科學目標。一是對全球電磁場和電離層的監測，尤其是對中國及其周邊地區的動態准實時監測；二是對中國震級6級以上、全球震級7級以上地震進行電磁資訊分析，進而了解電離層對地震的響應特徵，以期推動地震研究；三是對地球電離層，以及電離層與其他圈層的相互作用進行研究，並為相關領域提供電磁環境數據服務。

中國地震局表示，作為中國地震立體觀測體系的第一個天基平台，張衡一號將成為全球電磁場和電離層監測的重要平台。實現每5天對地球上同一地點的重訪，衛星觀測區亦可覆蓋南北緯65°內的區域。該衛星的重點觀測區域主要是中國陸地全境和陸地周邊約1000千米區域以及全球兩個主要地震帶。

該衛星所攜帶的科學儀器能夠獲取全球地磁場和電離層環境及其變化的資訊，支撐構建全球性的地磁場和電離層模型，並有利於科學家進一步了解孕震規律。此外，該星還能填補地面電磁場和電離層監測台網在青藏高原和中國近海海域的觀測盲區，為基礎科學研究提供數據支持。國家國防科技工業局系統工程司副司長趙堅介紹稱，「張衡一號投入使用後還將帶動其他空間資訊技術在防震減災領域的應用，加快地震立體觀測體系建設，提高地震監測能力」。

2018年5月12日，中國地震局宣布「張衡一號」電磁監測試驗衛星在軌測試期間完成了全軌道觀測周期的電磁場和電離層數據採集任務，這使得中國首次獲得地球南北緯65°範圍內高精度的地球地磁場和電離層模型。該局表示，截至5月12日0時，「張衡一號」衛星已獲安排了2個階段的全載荷觀測任務，並配合在軌測試任務，累計取得0級、1級和2級數據文件38萬個，數據量8.22TB。

該衛星交付使用後，星上搭載的感應式磁力儀在軌工作期間已監測到了來自地面NWC（澳大利亞）、HWU（法國）、GBZ（英國）和NPM（美國）等多個高功率長波台站發射的甚低頻電磁波信號，且對全球功率譜分布進行了分析。與此同時，衛星內的高精度磁強計載荷亦繪製的全球地磁場總場及南北向、東西向、垂直向三分量分布，並同步比對了國際地磁參考場（IGRF）以及同時期SWARM星座的全球數據分布。分析人員認為，三者的磁場變化趨勢及主要特徵完全一致。

## 有效載荷

總重量約730千克的電磁監測試驗衛星將運行於太陽同步軌道。衛星軌道傾角為97°，屬圓極地軌道。軌道降交點地方時為下午14時，重訪周期為5天。整星設計壽命為5年，呈立方體構型，裝載高精度磁強計、感應式磁力儀、電場探測儀、高能粒子探測儀等共3類8種科學探測有效載荷。報導指，該星主要任務是實現在低地球軌道對空間電磁場、電離層等離子體、高能粒子的監測。

在電磁場探測方面，該衛星所攜帶的高精度磁強計係由中國科學院國家空間科學中心與奧地利科學院奧地利科學院空間研究所、格拉茨技術大學實驗物理研究所合作研製，中方負責探測裝置、數據處理和電源，奧方提供絕對磁場校準裝置，後者也是衛星上唯一的奧地利酬載。高精度磁強計用於探測DC-15Hz矢量磁場，用於開展電離層軌道對地磁場探測工作，獲取空間磁場測量數據。而其搭載的感應式磁力儀則是由北京航空航天大學空間與環境學院研製，該儀器可探測空間電磁波動，搜尋可能的地震前兆電磁信號，以此積累觀測數據。衛星裝配的電場探測儀由中國空間技術研究院（航太五院）510研究所研製。儀器透過伸杆向衛星本體外伸出4個傳感器，運用多組不共面方向的電場便能換算出空間三維電場，能用於探測衛星軌道環境空間電場。報導指，該電場探測儀是國際上運行在太陽同步軌道功能配置最全的空間電場探測儀器。

在電離層等離子體探測方面，該星安裝了等離子體分析儀，該分析儀主要探測等離子體的密度、溫度、離子漂移速度、離子成分以及離子密度漲落等參數。同時，安放在衛星上的朗繆爾探針，能夠探測等離子體中電子密度、電子溫度參數。據研發前述兩台設備的中國科學院國家空間科學中心表示，這兩台設備配合工作，有助於科學家精確監測地球電離層的等離子體，兩設備不僅能探測磁暴等空間極端現象對電離層等離子體的影響，亦能精確捕捉地殼活動引起的電離層等離子體擾動。張衡一號衛星另外還配置了GNSS掩星接收機和三頻信標機。

在高能粒子探測方面，電磁監測試驗衛星配備了兩台高能粒子探測器，分別由中國和義大利提供。這兩台探測器能夠互為補充，以聯合完成空間高能粒子的探測。

此外，為了保障電磁監測設備的正常運行，衛星製造商還不得不對CAST2000衛星平台的各個單機、系統都進行了無磁化的更改，減少了磁性材料的用量。該星去除了原平台上裝有的紅外地球敏感器，調整了衛星飛行控制程序。受制於無磁化要求，該衛星的太陽能帆板亦不能轉動。與此同時，該衛星還運用了多伸杆機構，使星上探測載荷之間的距離由不到2米大幅延展到超過10米。在進行諸項改造後，「張衡一號」衛星本體磁性對磁場測量影響不確定性被控制在0.5納特以內，整星磁潔淨度達到了0.33納特斯拉。科學家表示，這相當於地球表面磁場強度的十萬分之一。

中國航天科技集團五院航太東方紅衛星有限公司抓總負責電磁監測試驗衛星工程。衛星發射和測控任務由中國衛星發射測控系統部負責，衛星應用系統由中國地震局建設和運行，上海航太技術研究院則負責製造搭載衛星的運載火箭。

## 衛星命名

張衡是中國東漢時期的天文學家、地理學家、數學家、發明家、文學家及地震學家。他於公元132年發明和製造了世界上第一部驗震器「候風地動儀」。有媒體報導指，該系列衛星之所以以此命名，「主要是為紀念中國古代科技代表人物張衡在地震觀測方面的傑出貢獻，傳承張衡為代表的中國古代科學家群體崇尚科學、追求真理的精神內質」。

## 相關搭載

長征二號丁運載火箭本次「一箭七星」除發射了張衡一號電磁監測試驗衛星外，還搭載了少年星一號教育共享衛星、風馬牛一號私人衛星等6顆微小衛星。

- 少年星一號教育共享衛星重量為3千克，是中國第一顆教育共享衛星。該星由中國宋慶齡基金會、中國科學技術協會和中國教育學會聯合發起，共吸引10多萬名中小學生參與衛星功能的設計。衛星投入使用後，設有測控分站的合作學校，將可為中小學生提供測控真實衛星的體驗，並可利用該星數據開展航太科普教育。
- 風馬牛一號私人衛星重量為4千克，是中國第一顆私人衛星。該星配備了4K高畫質全景攝像頭和無線電接收設備，可以拍攝360度太空高畫質照片並收聽來自太空的聲音。該衛星由中國商人馮侖投資運營，單星運維總投入約人民幣500萬元。
- GomX-4A和GomX-4B衛星分別由丹麥國防部和歐洲空間局提供，兩星將保持4500千米的相對距離，並同時測試衛星間的通信鏈路。這兩顆衛星基於CubeSat平台架構設計，屬10×10厘米標準單位的納米衛星。
- NuSat-4「Ada」和NuSat-5「Maryam」兩顆衛星重量皆為37千克，是由阿根廷Satellogic SA公司開發和運營的Aleph-1系列衛星的一部分。該任務的主要目標是向公眾提供地球紅外光和可見光觀測圖像。

## 基本資料

- 日語原文：電磁監測試驗衛星「張衡一號」
- 所屬組織：中國地震局
- 主製造商：中國航天科技集團五院航太東方紅衛星有限公司
- 衛星平台：CAST2000
- 任務類型：地震波電磁監測、高精度地球物理場探測
- 環繞對象：地球
- 發射時間：2018年2月2日15時51分00秒
- 運載火箭：長征二號丁運載火箭
- 運載火箭：遙十三
- 發射地點：酒泉衛星發射中心
- 任務時長：5年
- COSPAR_ID：2018-015C
- 質量：730千克
- 動力：太陽能供電
- 軌道類型：太陽同步軌道
- 離心率：0.0015801
- 傾角：97.3308°
- 遠拱點：509千米
- 近拱點：487千米
- 回歸日數：5日
- 日環繞數：15.22617914圈