到外太空幫人類探路，這顆衛星能"看到"中國6級以上地震

出品| 網易新聞

作者| 杭添仁，航天學者

　　自古以來，地震就是危害性極強的災害之一，據聯合國統計，20世紀以來，全世界因地震死亡的人數高達260多萬。儘管早在東漢時期，一位名叫張衡的中國科學家發明的地動儀就能用來測知地震震中的大概方位，但迄今為止，地震預報仍是一個世界性難題。

　　今年的2月2日，被命名為「張衡一號」的中國電磁監測試驗衛星在酒泉衛星發射中心成功發射，隨後在2月5日，中國遙感衛星地面站成功接收到張衡－1發回的數據。聽名字想必大家已經知道，這顆衛星與地震監測有關。

　　那麼，這顆衛星究竟牛在哪兒？讓我們來一一解答。

（一）為什麼要到太空「看」地震？

　　目前，世界各國監測地震的主要手段仍是地面台站觀測，中國也已建立了覆蓋全國的數字地震台網、數字前兆台網、數字強震台網和國家GPS觀測網路等。

　　不過，用地面台站觀測地震具有很大的局限性。

　　受觀測環境和生活環境等諸多客觀條件的限制，在國境邊界、海洋、高山和原始森林等地區建台比較困難，全球的觀測台網密度很不均勻，存在許多監測空白區。另外，現有的地面觀測台站受到越來越嚴重的干擾。這些都會導致地震監測區域空白和觀測資料不足。

　　還有，用地面台站觀測，存在全天候、全球性和動態性較差等先天不足，不利於地震預報和地震科學研究的進一步發展。

　　地球周圍存在空間等離子體環境，當受到地殼運動、人類活動等影響時，其中的電磁波就會像水中的漣漪一樣在等離子體環境里傳播。科學家已發現，地震也會對空間等離子體環境的電磁場產生影響，這種影響甚至在地震發生前就會出現，因此，科學家希望通過研究空間等離子體變化與地震活動的關聯規律，來探索如何攻克「地震預報」這一千年難題。

　　利用衛星進行對地觀測正好可以彌補地面台站的不足，它具有覆蓋範圍廣、電磁環境好、動態信息強、無地域限制，以及全天候、全天時、周期短、效率高和動態性強等優點，能夠從更大的尺度上提高對地震孕育發生規律的研究和認識。

　　並且，用空間技術手段進行地震監測有其自身優勢。首先，地震是個小概率事件，所以需要儘可能多的觀測到地震，積累數據，如果利用衛星來觀測地震的話，地震事件經驗的積累可比只在國內地表觀測提高二三十倍。其次，利用空間技術手段，能觀測地球板塊之間的相互作用，提高板塊動力學研究能力，推進地震預測研究。

　　現在，用衛星直接預報地震的方法主要有兩種：一種是用氣象衛星通過監測某地地表熱紅外輻射的異常變化來預報地震；另一種是用電磁監測衛星（也簡稱地震衛星）監測某地電磁場的異常變化來預報地震，且後者已成為發展主流。

（二）一兩顆衛星就能研究地震？

　　大量的觀測事實顯示，在多數大地震發生前，均在震中及其鄰區發現過大量與電磁波有關的異常現象，而這些電磁場的變化會最終反映在大氣的電離層中，因此，使用衛星監測電離層變化，可以為人們準確預報地震提供參考。

　　國外利用衛星進行地震前空間電磁異常現象的研究已經有多年的歷史。早在冷戰時期，由於地下核試驗產生的強震會引起電磁異常，所以為了監測有關國家地下核試驗的情況，蘇聯發射過多顆可監測電磁異常的衛星。後來，這種電磁監測衛星又逐漸被用於地震預報，轉化成為專門的地震衛星。

　　2001年，俄羅斯發射了世界首顆地震衛星Predvestnik－E。它裝有電場強度測量儀、FM-4磁力計、高能粒子監視器和紅外光譜儀等，用於監測震源區上空200～450km處電離層電子濃度、電磁波反射頻率以及電磁輻射參數異常，不過該衛星的目標因故並沒有完全實現。

　　隨後，包括俄羅斯在內的多國先後發射了多顆地震衛星，如俄羅斯2006年發射的指南針-2衛星、烏克蘭的西奇-1M衛星、法國的「震區電磁輻射探測衛星」以及歐航局的「蜂群」衛星。縱觀各國已發射的地震衛星，它們主要用於探測感應電場、感應磁場、基本磁場和高能粒子等電離層參數。

　　而受到運行周期、衛星性能等的影響，用一顆地震衛星觀測只能獲取有限的地震前兆信息，在一次較大地震發生前的一月時間內，一顆衛星飛過地震震中上空的次數也就幾次，而且持續時間非常短，可以獲得的觀測數據非常少，僅憑這些數據來判斷地震的時間、空間和強度是非常困難的。

　　如果能建立包括監測電磁、重力、熱紅外輻射等多種不同類型衛星組成的星座，則可滿足地震預報要求。衛星數量和種類越多，資料積累就越多，越有利於地震電磁耦合機理、地震前兆特徵和干擾研究。

（三）中國地震衛星有哪些獨門秘籍？

　　這次中國發射的張衡一號衛星採用中國自主研發的CAST2000平台進行設計，並針對性地進行改進，發射質量約730kg，外形為1.4m×1.4m×1.4m的立方體，裝載了6根伸展長度4m多的伸桿，採用單太陽電池翼及三軸對地穩定姿態，設計壽命為5年。

　　它裝載了高精度磁強計、感應式磁力儀、電場探測儀、等離子體分析儀、朗繆爾探針、全球導航衛星系統掩星接收機、三頻信標機和高能粒子探測器8種科學探測有效載荷，可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。

　　它每5天對地球上同一地點進行重訪，觀測區域可覆蓋地球南北緯65°內的區域，重點觀測區域覆蓋中國陸地全境和陸地周邊約1000km區域以及全球兩個主要地震帶。

　　張衡－1創造了中國衛星研製領域的多項首次，總體技術指標達到國際先進水平，部分技術指標達到國際領先水平。

　　根據地球岩石層-大氣層-電離層耦合機理，結合地震電磁輻射及其傳播特徵，張衡－1搭載了3類8種有效載荷。

　　一是探測電磁場的高精度磁強計、感應式磁力儀和電場探測儀，它們用於測量直流和低頻電磁場及其變化信息。

　　高精度磁強計測量磁場時是用感測器將它轉變為電信號，這台儀器有兩種感測器：一種採用電磁感應原理，即通過一系列設計好的線圈系統，在電和磁的交替感應過程中將空間磁場的信息調製為最終的電信號；另一種是利用銣87原子，一種與磁場有關的量子效應進行磁場測量。第一種可以準確測量磁場方向，第二種能準確測量磁場大小，兩種結合就可以準確測量磁場的大小和方向，也就是磁場「矢量」。

　　電場探測儀用於探測衛星軌道環境空間電場，它是目前國際上運行在太陽同步軌道上功能配置最全的空間電場探測儀器。為了感知空間三維電場，該探測儀通過伸桿向衛星本體外伸出4台感測器，每個感測器都能準確地感知其所在周圍等離子體環境電勢，而2台感測器間電勢差與距離的商就是2台感測器方向的電場，多組不共面方向的電場便能換算出空間三維電場，探測到非常微小的等離子體電勢變化，如同在喜馬拉雅山那麼高的浪頭上分辨出一滴水珠一樣。

　　然後，衛星的信號處理分系統把感測器探測到的微小「波動」細分成十幾個通道進一步精細處理，變成數字量，分成頻譜，再依靠衛星的通信分系統把科學數據傳到地面進行研究。

　　二是測量電離層原位參數的朗繆爾探針、等離子體分析儀和高能粒子探測器，它們用於測量電離層電子和離子的密度、溫度、漂移速度以及帶電高能粒子通量與運動方向。

　　朗繆爾探針主要探測等離子體中電子密度、電子溫度參數；等離子體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。這兩台載荷配合工作，可精確監測地球電離層等離子體，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，也能精確捕捉地殼活動引起的電離層等離子體擾動。

　　高能粒子探測器擁有優異的方向測量和粒子鑒別能力，探測能段覆蓋輻射帶高能帶電粒子的主要能區，能測量高能粒子的能量、入射方向和軌跡，並能鑒別粒子的種類，從而繪製全球高能粒子分布圖，監測地震帶地區磁場動態演化規律和地震期間的變化特徵。

　　其中的高能粒子探測器高能段由義大利國家核物理研究院提供，絕對磁場校準裝置由奧地利空間研究所提供。

　　三是電離層結構層析成像載荷，包括全球導航衛星系統掩星接收機和三頻信標機，它們用於測量電離層二維、三維等離子體精細結構及其變化。

　　該掩星接收機是利用地球軌道上「全球導航衛星星座—地球—近地軌道衛星」之間發生掩星現象進行地球電離層與大氣測量的氣象遙感技術。導航衛星信號切割地球大氣層與電離層剖面時，穿過該剖面的導航衛星信號由於受到電離層電子密度影響會發生傳播特性的變化，從而探測成地球的電離層和中性大氣層。

　　三頻信標機用於實現空間電離層全維層析成像，是中國自主創新實現的天體一體空間電離層三頻信標測量技術。其測量原理類似於醫學CT對人體進行射線掃描成像，通過從太空發射三個頻段的相干信號，在地面接收處理，實現對電離層的立體掃描，形成電離層CT，從而獲得大範圍、高精度的電子總含量及電子密度等電離層參量。

　　它與衛星上裝載的電磁場、等離子體和高能粒子等探測設備協同工作，能獲取地球電磁場和電離層環境及其擾動信息，為研究地震相關的電磁和電離層擾動的機理，以及空間物理及地球多圈層相互作用原理提供技術手段。

　　利用上述科學探測有效載荷，能獲取全球低頻電磁場和電離層等離子體及高能粒子觀測數據，研究與地震相關的電離層變化現象，總結地震電離層前兆特徵，探索地震電離層耦合機理和地震預測方法，為空間科學、電波科學以及地球物理研究等提供數據信息服務。

　　為了滿足高精度磁強計等有效載荷探測要求，衛星的工作模式分兩種：載荷工作模式和衛星平台調整模式。在載荷工作模式下，太陽電池翼停轉、磁卸載停止，最大限度保證衛星平台對有效載荷的擾動；在衛星平台調整模式中，有效載荷停止工作，太陽電池翼對日跟蹤來補充能量，同時進行動量輪的磁卸載來保證整星的三軸零動量穩定系統的平衡。

　　該衛星在軌期間，可提供全球地震觀測能力，建成中國立體觀測體系中第一個電磁立體觀測系統；製作中國第一張自主的全球地磁圖；構建中國第一個自主的全球電離層模型，對通信、導航、空間天氣預警、地球物理勘探等戰略應用具有重要作用。

　　常言道。「沒有金剛鑽，不攬瓷器活」，張衡－1有以下一些亮點。

　　一是在國內首次實現了在軌精確磁場探測。衛星裝載高精度磁強計、感應式磁力儀載荷，填補了中國在近地磁場精確探測領域的空白，達到國際先進水平，使中國第一次有望獲取十分寶貴的全球地磁場數據。

　　二是在國內首次實現了低地球軌道衛星高精度電磁潔凈度控制。俗話說、「打鐵還需自身硬」。張衡－1運行在近地軌道地球磁場很強大的情況下，要精確探測6級以上地震引起的電離層的微弱變化，積累高質量的觀測數據，對衛星本體的電磁潔凈度提出了非常高的要求，該衛星採用了國內首顆控制整星磁潔凈度小於0.5nt的衛星平台，整星磁潔凈度達到了0.33nt，具備獨一無二的高磁潔凈度的特性，達到國際先進水平。

　　三是在國內首次實現了高精度電離層電子、離子原位探測。張衡－1裝載的中國自主研發的等離子體分析儀和朗繆爾探針，實現等離子體原位探測，突破了高精度、大動態範圍的微弱電流測量技術。該技術還可直接應用於中國其它地球電離層探測的航天器和對其它行星的電離層探測。另外，它在國內還首次實現了利用三頻信標技術進行空間電離層探測，填補了中國在星載無線電信標探測電離層領域的空白。

　　四是建立了中國首個天基地震電磁綜合觀測平台。張衡－1是中國首個天基地震電磁綜合觀測平台，開闢了中國地震監測研究的新途徑。

　　張衡－1採用了多載荷集成技術，把8台套3類載荷有機地集成在一起，在國內首次將電場、磁場、等離子體和高能粒子等多種有效載荷集成在同一個衛星上，這是相當不易的，需要充分考慮衛星軌道運動與太陽的關係，衛星與空間等離子體的相互作用關係，衛星與空間磁場、高能粒子的相互關係，以及每個載荷工作時是否通過等離子環境的相互作用進而影響別的載荷，所以衛星系統設計難度大。

　　五是採用了高精度標定技術，這對驗證科學載荷實現性能、實現定量化測量十分關鍵。在張衡－1研製中，解決了極低雜訊、超大動態範圍和極高靈敏度的動態標定問題以及直流/交流磁場、等離子體和粒子的定量標定技術，全面驗證了各載荷性能，確保了各載荷在軌科學數據質量滿足要求。

　　六是在國內首次研製了超高收納比（伸開機構展開後長度與收攏狀態長度之比）的伸桿機構，它可將有效載荷展開至遠離星體的位置，從而提高有效載荷的探測精度。

　　張衡－1在國內首次自主研製了具有輕質、低磁、一維展開特點的捲筒式伸桿機構，首次實現了彈性捲筒國產化，機構的伸桿指向精度、展開狀態基頻等關鍵性能指標達到國際先進水平。

　　該衛星有兩類新機構，一種類似魔術棒，即捲筒式伸桿機構，其收攏時只有手掌大小；另一種類似人的手臂，即鉸鏈式伸桿機構，這兩種機構展開後長度均可超過5m。前者收納比為39，達到國際領先水平

　　這兩類伸桿機構有幾大特點:一是能縮能伸，發射時牢固壓緊在衛星表面以承受發射過程中的巨大力學載荷而不損壞，入軌展開後將端部產品運送至指定位置；二是伸桿機構在軌展開可靠，在經歷超過200℃的溫度交變時，5m左右的機構端部位置變化量不大於2mm，大約為一枚硬幣的厚度。三是用料更精，由於伸桿機構距離終端載荷產品距離更近，其磁潔凈度要求也更為苛刻，伸桿機構上的每種材料都經歷過嚴格篩選和測試。

　　多伸桿機構衛星的在軌有效應用，極大的突破了衛星本體尺寸對載荷探測需求的約束。在CAST2000小衛星平台基礎上，張衡－1將星上探測載荷之間的距離由不到2m延展至超過10m，創造了國內小衛星伸展載荷的新紀錄，具有良好的經濟可行性和龐大的市場背景。

結語

　　張衡一號衛星的發射和投入使用，可使中國首次具備全疆域和全球三維地球物理場動態監測的技術能力，將使中國成為世界上擁有在軌運行多載荷、高精度地球物理場探測衛星的少數國家之一。

　　雖然目前利用電磁監測試驗衛星尚不能直接預測預報地震，但是隨著研究的深入和觀測數據資料的積累，地震預測科學研究將逐步取得進步。今後，中國還可以與國外的衛星合作，組成星座編隊飛行，提高電磁監測的時間解析度，相信中國的地震衛星在後續空間探測任務中會帶給我們更大的驚喜。

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編輯| 曹雪、史文慧

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