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張衡一號

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電磁監測試驗衞星「張衡一號」
China CSES Logo.jpg
電磁監測試驗衞星任務徽章
所屬組織 中國地震局
主製造商 中國航天科技集團五院航天東方紅衞星有限公司
衞星平台 CAST2000[1]
任務類型 地震波電磁監測、高精度地球物理場探測
環繞物件 地球
發射時間 2018年2月2日15時51分00秒[2]
運載火箭 長征二號丁運載火箭 遙十三
發射地點 酒泉衞星發射中心[2]
任務時長 5年[3]
COSPAR ID 2018-015C
官方網站 cses.roma2.infn.it
質素 730公斤[4]
動力 太陽能供電[4]
軌道參數
軌道類型 太陽同步軌道[4]
離心率 0.0015801[5]
傾角 97.3308°[5]
遠拱點 509公里[6]
近拱點 487公里[6]
回歸日數 5日[4]
日環繞數 15.22617914圈[5]

張衡一號,是中華人民共和國的一顆人造地球衞星,亦是中國首顆電磁監測試驗衞星(英語:China Seismo-Electromagnetic Satellite,縮寫為CSES[7]。該衞星質素為730公斤,設計壽命為五年。電磁監測試驗衞星專案由中國航天科技集團五院航天東方紅衞星有限公司抓總研製。張衡一號衞星於2018年2月2日15時51分在酒泉衞星發射中心長征二號丁運載火箭發射升空,並在太陽同步軌道上執行。

張衡一號電磁監測試驗衞星是中國地球物理場探測衞星計劃的首發星[7],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[8]。該衞星將在高度約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[7]意大利太空總署意大利國家核物理研究所意大利語Istituto nazionale di fisica nucleare通過「利瑪竇」計劃參與了張衡一號專案[4],星上載荷也有奧地利機構參與研製。

研製背景[編輯]

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[9]。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[3]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[3]。張衡一號專案專家委員會主任、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[3]。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檢視。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[3]。」

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[10]。與此同時,地殼運動會切割磁力線,造成磁力線扭曲[10]。學術界觀點認為,通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」[3]。1960年代,蘇聯科學家分析一顆衞星電磁訊號時,發現衞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[11]。1976年唐山大地震時,科研人員也曾通過無線雷達系統發現了相應的電離層擾動現象[11]

專案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,再到專案落實,這個等待和準備的時間至少有15年[3]。早在1996至2000年的「九五」計劃期間,中華人民共和國就開始了衞星預報地震的研究和應用,並取得一定成果,但總體行程仍顯緩慢[3]。2008年,中國科學界就已電磁監測試驗衞星專案有過深入的討論[3]。專家意見認為,中國可以在國際合作的基礎上完成衞星地震電磁監測計劃[3]。2009年,電磁監測試驗衞星的論證工作得以開始[4]。2009年和2013年,中國地震局與意大利國家核物理研究院、中國國家航天局與意大利空間局分別簽署了電磁監測試驗衞星的合作意向與協定[12]

2013年,在主要關鍵技術完成攻關後,中國電磁監測試驗衞星工程專案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[3][13]。專案研發耗時達五年,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衞星的攻關研製[3]。2014年11月,由中國國家航天局、中國地震局和意大利太空總署共同主辦的中國電磁監測試驗衞星工程第一屆國際學術研討會在北京召開[3]。同月,三方又聯合成立了中國電磁監測衞星計劃國際科學家委員會,旨在推廣電磁衞星應用[12]。此後又於2016年8月在北京召開了電磁衞星工程二屆會議[3]。有媒體指出,中國在電磁監測試驗衞星專案上進行了不懈的努力[3]

作為電磁監測試驗衞星01星,張衡一號衞星於2016年完成了初樣研製,並轉入正樣研製階段[14]。2018年2月2日,張衡一號發射升空並交付使用,衞星設計壽命為5年,其中計劃在軌測試期6個月[15][16]。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,星上定標數據與無線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[17][8]。同日,中國地震局地殼應力研究所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群組簽署數據合作協定,宣佈與之分享所取得的地震與火山監測數據[18]

國家國防科技工業局表示,「張衡一號」及其後續衞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衞星的在軌測試及相關應用,提升民用衞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[11]。同時,電磁監測試驗衞星02星「張衡二號」業已通過可研評估,預計2020年發射[14]

科研任務[編輯]

電磁衞星豐富的載荷為天地聯合觀測模式開啟了通道,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,為地基和衞星地震電離層立體監測提供理論指導和科學建議。

中國地震局局長鄭國光[19]

「張衡一號」衞星在軌執行五年期間將達成三項科學目標[20]。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即時監測[20];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[20];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[20]

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[20]。實現每5天對地球上同一地點的重訪,衞星觀測區亦可覆蓋南北緯65°內的區域[20]。該衞星的重點觀測區域主要是中國陸地全境和陸地周邊約1000公里區域以及全球兩個主要地震帶[20]

該衞星所攜帶的科學儀器能夠取得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[20]。此外,該星還能填補無線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援[20]。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科技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」[21]

2018年5月12日,中國地震局宣佈「張衡一號」電磁監測試驗衞星在軌測試期間完成了全軌道觀測週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[16]。該局表示,截至5月12日0時,「張衡一號」衞星已獲安排了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級數據檔案38萬個,數據量8.22TB[17]

該衞星交付使用後,星上搭載的感應式磁力儀在軌工作期間已監測到了來自無線NWC(澳洲)、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訊號,且對全球功率譜分佈進行了分析[8]。與此同時,衞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、垂直向三分量分佈,並同步比對了國際地磁參考場英語International Geomagnetic Reference FieldIGRF)以及同時期SWARM星座的全球數據分佈[22]。分析人員認為,三者的磁場變化趨勢及主要特徵完全一致[22]

有效載荷[編輯]

張衡一號衞星有效載荷示意圖。其中,三頻信標機因位於衞星背面而未能顯示。

總重量約730公斤的電磁監測試驗衞星將執行於太陽同步軌道[3]。衞星軌道傾角為97°,屬圓極地軌道[3]。軌道降交點地方時為下午14時,重訪週期為5天[3]。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[4]。報道指,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[4]

在電磁場探測方面,該衞星所攜帶的高精度磁強計系由中國科學院國家空間科學中心奧地利科學院空間研究所德語Institut für Weltraumforschung格拉茨技術大學德語Technische Universität Graz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,後者也是衞星上唯一的奧地利酬載[23][4]。高精度磁強計用於探測DC-15Hz向量磁場,用於開展電離層軌道對地磁場探測工作,取得空間磁場測量數據[22]。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訊號,以此積累觀測數據[9]。衞星裝配的電場探測儀由中國空間技術研究院(航天五院)510研究所研製[21]。儀器通過伸杆向衞星本體外伸出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,能用於探測衞星軌道環境空間電場[10]。報道指,該電場探測儀是國際上執行在太陽同步軌道功能組態最全的空間電場探測儀器[21]

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[24]。同時,安放在衞星上的朗繆耳探針,能夠探測等離子體中電子密度、電子溫度參數[24]。據研發前述兩台裝置的中國科學院國家空間科學中心表示,這兩台裝置配合工作,有助於科學家精確監測地球電離層的等離子體,兩裝置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[24]。張衡一號衞星另外還組態了GNSS掩星接收機和三頻信標機[7]

高能粒子英語Particle physics探測方面,電磁監測試驗衞星配備了兩台高能粒子探測器,分別由中國和意大利提供[25]。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[25]

此外,為了保障電磁監測裝置的正常執行,衞星製造商還不得不對CAST2000衞星平台的各個單機、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,調整了衞星飛行控制程式[4]。受制於無磁化要求,該衞星的太陽能帆板亦不能轉動[4]。與此同時,該衞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[14]。在進行諸項改造後,「張衡一號」衞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[21]。科學家表示,這相當於地球表面磁場強度的十萬分之一[4]

中國航天科技集團五院航天東方紅衞星有限公司抓總負責電磁監測試驗衞星工程[13]。衞星發射和測控任務由中國衞星發射測控系統部負責[13],衞星應用系統由中國地震局建設和執行[13]上海航天技術研究院則負責製造搭載衞星的運載火箭[13]

衞星命名[編輯]

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」。有媒體報道指,該系列衞星之所以以此命名,「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」[26]

相關搭載[編輯]

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衞星外,還搭載了少年星一號教育共用衞星、風馬牛一號私人衞星等6顆微小衞星[7][27]

  • 少年星一號教育共用衞星重量為3公斤,是中國第一顆教育共用衞星[28]。該星由中國宋慶齡基金會中國科學技術協會中國教育學會聯合發起,共吸引10多萬名中小學生參與衞星功能的設計[28]。衞星投入使用後,設有測控分站的合作學校,將可為中小學生提供測控真實衞星的體驗,並可利用該星數據開展航天科普教育[28]
  • 風馬牛一號私人衞星重量為4公斤,是中國第一顆私人衞星[27]。該星配備了4K高清全景網絡攝影機和無線電接收裝置,可以拍攝360度太空高清相片並收聽來自太空的聲音。該衞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[27]
  • GomX-4A和GomX-4B衞星分別由丹麥國防部歐洲太空總署提供,兩星將保持4500公里的相對距離,並同時測試衞星間的通訊鏈路。這兩顆衞星基於CubeSat平台架構設計,屬10×10厘米標準單位的納米衞星[29]
  • NuSat-4「Ada」和NuSat-5「Maryam」兩顆衞星重量皆為37公斤,是由阿根廷Satellogic SA公司開發和運營的Aleph-1系列衞星的一部分[30]。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[30]

參考資料[編輯]

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外部連結[編輯]

參見[編輯]