王蘭煒 申旭輝 張 宇 張興國胡 哲 顏 蕊 袁仕耿 朱興鴻

1) 中國北京100085中國地震局地殼應(yīng)力研究所 2) 中國北京100085北京市地震觀測工程技術(shù)研究中心3) 中國北京100094航天東方紅衛(wèi)星有限公司

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中國電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星工程研制進展*

1) 中國北京100085中國地震局地殼應(yīng)力研究所 2) 中國北京100085北京市地震觀測工程技術(shù)研究中心3) 中國北京100094航天東方紅衛(wèi)星有限公司

中國電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星工程項目于2013年正式批準立項， 衛(wèi)星預(yù)計于2017年8月發(fā)射入軌， 設(shè)計在軌運行5年， 這是我國地震立體觀測體系的第一個專用天基平臺. 本文簡要介紹了電磁衛(wèi)星工程設(shè)計和衛(wèi)星工程六大系統(tǒng)的功能與任務(wù)， 并對衛(wèi)星系統(tǒng)和應(yīng)用系統(tǒng)的研制情況予以闡述. 目前， 已基本完成衛(wèi)星平臺和有效載荷設(shè)計初樣階段的研制， 將于2016年6月轉(zhuǎn)入正樣研制階段. 應(yīng)用系統(tǒng)基礎(chǔ)平臺的建設(shè)工作按計劃進行， 將在衛(wèi)星發(fā)射前半年開始試運行， 以確保電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星數(shù)據(jù)的有效應(yīng)用.

電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星 衛(wèi)星平臺 應(yīng)用系統(tǒng) 研制進展

引言

20世紀90年代以來， 隨著空間探測技術(shù)在地球科學(xué)中的應(yīng)用發(fā)展， 國際上一些國家開始利用包括電磁、 GPS、 InSAR和重力衛(wèi)星在內(nèi)的衛(wèi)星技術(shù)進行地震監(jiān)測研究， 初步顯示了空間對地觀測技術(shù)在地震預(yù)測研究中的應(yīng)用前景(Gokhbergetal， 1982； Parrot， 1994； Hayakawaetal， 1996； Liuetal， 2004)， 其中電磁監(jiān)測衛(wèi)星作為研究地球電磁環(huán)境的重要手段， 在地震監(jiān)測預(yù)測研究方面具有廣闊的應(yīng)用前景．

電磁監(jiān)測衛(wèi)星通過星上裝載的電磁場、 等離子體和高能粒子原位探測載荷， 獲取衛(wèi)星軌道高度上的地球空間電磁場和電離層環(huán)境及其擾動信息， 并通過與全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)及地面信標(biāo)測量系統(tǒng)協(xié)同工作， 獲取衛(wèi)星軌道以下的電離層結(jié)構(gòu)及其變化信息， 從而為研究與地震相關(guān)的電磁擾動、 認識電離層擾動規(guī)律和機理、 推進空間物理及地球多圈層相互作用研究提供支撐．

近年來， 電磁衛(wèi)星的相關(guān)技術(shù)及其應(yīng)用發(fā)展迅速． 2004年法國發(fā)射了專門用于地震監(jiān)測的DEMETER衛(wèi)星， 觀測到了較為明顯的震前電磁擾動信息(Parrotetal， 2006； Zlotnickietal， 2006， 2010； B?ckietal， 2011； 朱濤， 王蘭煒， 2011; Pí?aetal， 2013)． 此外， 俄羅斯COMPASS-Ⅱ衛(wèi)星、 歐空局Cluster衛(wèi)星以及Swarm衛(wèi)星星座的發(fā)射(Mikhailovetal， 2010; Baloghetal， 2001; Macmillan， Olsen, 2013)， 均為電離層地震前兆觀測研究積累了更多的觀測數(shù)據(jù)和經(jīng)驗．

中國電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星(China Seismo-Electromagnetic Satellite， 簡寫為CSES)項目， 是我國地震立體觀測體系的第一個專用天基平臺， 主要用于監(jiān)測與地震相關(guān)的空間電離層電磁異常． 該項目通過獲取中國和全球電磁場、 等離子體、 高能粒子的觀測數(shù)據(jù)， 針對全球M>7.0地震、 中國M>6.0地震的衛(wèi)星電磁信息進行分析研究， 總結(jié)地震電離層的擾動特征， 并在此基礎(chǔ)上研究大震短臨預(yù)測新方法， 深入探究地震發(fā)生機制， 為地震預(yù)報實現(xiàn)突破提供基礎(chǔ)資料．

中國電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星工程于2013年經(jīng)國務(wù)院批準立項， 目前進展順利， 已經(jīng)基本完成衛(wèi)星初樣階段的研制工作， 將于2016年6月轉(zhuǎn)入衛(wèi)星正樣研制階段； 試驗衛(wèi)星預(yù)計于2017年8月發(fā)射入軌， 衛(wèi)星設(shè)計在軌運行5年． 該衛(wèi)星的在軌運行將建立我國首個空間電磁場和等離子體監(jiān)測平臺， 為探索地震前兆信息、 推進空間環(huán)境監(jiān)測預(yù)報和地球物理場研究提供新的技術(shù)手段， 為未來建立電磁監(jiān)測衛(wèi)星業(yè)務(wù)化系統(tǒng)進行技術(shù)準備． 鑒于此， 本文將重點介紹衛(wèi)星平臺和應(yīng)用系統(tǒng)的研制進展情況， 以期更好地發(fā)揮電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星的效益， 實現(xiàn)科學(xué)數(shù)據(jù)的有效應(yīng)用.

1 電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星工程系統(tǒng)構(gòu)成

電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星工程分為空間段和地面段兩個部分， 空間段包括衛(wèi)星系統(tǒng)、 運載火箭系統(tǒng)， 地面段包括應(yīng)用系統(tǒng)、 地面接收系統(tǒng)、 測控系統(tǒng)和發(fā)射場系統(tǒng)， 總體構(gòu)成如圖1所示. 下面將逐一介紹各分系統(tǒng)的主要任務(wù)．

圖1 中國電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星工程總體構(gòu)成Fig.1 Schematic diagram for composition of CSES project

1) 衛(wèi)星系統(tǒng). 主要任務(wù)是實現(xiàn)衛(wèi)星在軌正常運行， 為各載荷的正常運行提供平臺和保障， 獲取全球范圍的空間電場、 磁場和電磁輻射數(shù)據(jù)， 電離層等離子體的離子密度、 離子溫度、 離子成分、 電子密度、 電子溫度、 漂移速度等數(shù)據(jù)以及電離層電子密度剖面數(shù)據(jù)和高能粒子通量、 能譜、 投射角等數(shù)據(jù)． 為確保觀測數(shù)據(jù)的有效性， 須具備必要的星上存儲和數(shù)傳能力， 能夠按照使用要求將觀測數(shù)據(jù)及時傳回地面．

2) 運載火箭系統(tǒng). 主要任務(wù)是將衛(wèi)星送入預(yù)定軌道， 采用一箭一星方式發(fā)射．

3) 發(fā)射場系統(tǒng). 主要任務(wù)是負責(zé)電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星、 運載火箭以及地面設(shè)備的卸車和轉(zhuǎn)載， 為衛(wèi)星的測試及轉(zhuǎn)場提供保障， 并完成運載火箭的測試、 轉(zhuǎn)場、 加注和發(fā)射．

4) 測控系統(tǒng). 主要任務(wù)是利用國內(nèi)測控資源， 為電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星在發(fā)射和運行各階段中的測控任務(wù)提供支持． 在衛(wèi)星發(fā)射階段， 負責(zé)完成運載火箭的各項測控任務(wù)； 在衛(wèi)星在軌運行階段， 為測定軌、 遙測、 遙控和衛(wèi)星故障情況下的測控提供支持．

5) 地面接收系統(tǒng). 主要任務(wù)是承擔(dān)電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星數(shù)據(jù)的接收、 預(yù)處理及轉(zhuǎn)發(fā)等． 該系統(tǒng)能接收衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)送的全球延時數(shù)據(jù)和中國全境并外擴約1 000 km范圍內(nèi)的實時觀測數(shù)據(jù)， 具備海量數(shù)據(jù)管理以及快速轉(zhuǎn)發(fā)給應(yīng)用系統(tǒng)的能力．

6) 應(yīng)用系統(tǒng). 主要任務(wù)是負責(zé)電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星的科學(xué)任務(wù)計劃制定、 科學(xué)數(shù)據(jù)處理、 數(shù)據(jù)質(zhì)量評價以及數(shù)據(jù)應(yīng)用、 共享等．

在電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星工程的6個分系統(tǒng)中， 運載火箭系統(tǒng)、 發(fā)射場系統(tǒng)、 測控系統(tǒng)和地面接收系統(tǒng)由于技術(shù)相對成熟， 依托現(xiàn)有的條件能夠完成電磁衛(wèi)星工程任務(wù)， 不存在太多技術(shù)難點； 而對于衛(wèi)星平臺技術(shù)和應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和驗證技術(shù)來說， 由于電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星是我國實際意義上的第一顆非成像類遙感衛(wèi)星， 這些技術(shù)均屬首次研制， 因而具有較大的技術(shù)難度．

2 衛(wèi)星系統(tǒng)研制進展

2.1 衛(wèi)星觀測要求

中國電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星是我國第一顆具有明確科學(xué)目標(biāo)的電磁衛(wèi)星， 主要任務(wù)是監(jiān)測全球空間電磁場、 電離層等離子體密度、 溫度和高能粒子能譜等物理量， 以捕捉和監(jiān)測地震異常信息． 從觀測需求上來說， 衛(wèi)星系統(tǒng)應(yīng)滿足以下觀測要求：

1) 時空分辨率. 5天實現(xiàn)對同一地點的重訪， 連續(xù)兩天內(nèi)最近軌道的經(jīng)向間距約為5°．

2) 重點觀測區(qū)域. 對全球緯度±65°區(qū)域內(nèi)進行全天候觀測， 重點觀測區(qū)為我國全境并外擴1000 km以及全球的兩個主要地震帶(環(huán)太平洋地震帶和歐亞地震帶)．

3) 數(shù)傳時效性. 探測數(shù)據(jù)能夠在我國全境并外擴約1000 km范圍內(nèi)實時下傳．

4) 觀測模式. 為了確保對地震重點監(jiān)測區(qū)域的有效觀測， 重點觀測區(qū)域采用提高采樣率詳查觀測模式， 非重點區(qū)域采用巡查觀測模式． 將衛(wèi)星觀測區(qū)域網(wǎng)格化， 如圖2所示， 其中綠色網(wǎng)格為詳查觀測的重點觀測區(qū)域．

為滿足上述觀測要求， 衛(wèi)星軌道高度設(shè)計為507 km的太陽同步軌道， 軌道傾角為97°， 軌道降交點為14時， 重訪周期為5天． 圖3給出了該衛(wèi)星的運行軌跡圖， 相鄰軌道間距約為4.6°．

圖2 中國電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星重點觀測區(qū)域(綠色網(wǎng)絡(luò))示意圖

圖3 衛(wèi)星星下點軌跡

2.2 衛(wèi)星系統(tǒng)構(gòu)成及設(shè)計

電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星由衛(wèi)星平臺和有效載荷兩部分組成， 如圖4所示． 衛(wèi)星平臺采用CAST2000(China Academy of Space Technology 2000)小衛(wèi)星平臺， 主要由結(jié)構(gòu)機構(gòu)、 熱控、 姿軌控、 星務(wù)、 測控、 天線、 電源、 總體電路等8個分系統(tǒng)和伸桿展開機構(gòu)組成． 圖5給出了衛(wèi)星發(fā)射狀態(tài)和飛行狀態(tài)下的平臺構(gòu)型圖．

有效載荷部分由8種載荷探測儀器和數(shù)傳分系統(tǒng)組成． 載荷探測儀器包括電場探測儀、 感應(yīng)式磁力儀、 高精度磁強計(包括磁通門磁力儀和光泵磁力儀)、 GNSS (global navigation satellite system)掩星接收機、 朗繆爾探針、 等離子體分析儀、 三頻信標(biāo)機和高能粒子探測器(低能段和高能段兩部分組成)， 各載荷探測物理量及其探測范圍詳見表1．

圖4 衛(wèi)星系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖5 發(fā)射狀態(tài)(a)和飛行狀態(tài)(b)下的衛(wèi)星平臺構(gòu)型圖

探測對象載荷探測儀器 物理量 探測范圍感應(yīng)式磁力儀磁場強度頻帶:10Hz—20kHz電磁場 高精度矢量磁強計磁場強度頻帶:DC—15Hz電場探測儀電場強度頻帶:DC—3.5MHz等離子體分析儀離子密度離子溫度離子成分:H+,He+,O+離子密度:500—107cm-3離子溫度:500—104K等離子體朗繆爾探針電子密度電子溫度電子密度:500—107cm-3電子溫度:500—104KGNSS掩星接收機電子總含量GNSS掩星信號三頻信標(biāo)機電子總含量150,400,1067MHz頻率信號高能粒子高能粒子探測器(含高能段、低能段和太陽X射線探測)質(zhì)子通量電子通量質(zhì)子:2—200MeV電子:100keV—50MeV

電磁監(jiān)測衛(wèi)星上裝載6根伸桿， 其中2根4.5 m長的鉸鏈式伸桿用于高精度矢量磁強計和感應(yīng)式磁力儀探頭的伸展， 其余4根4 m長的卷筒式伸桿用于電場探測儀探頭的伸展． 為最大程度地降低星體對8種科學(xué)載荷的電磁干擾， 實現(xiàn)高精度電磁探測目標(biāo)， 對于整星和各設(shè)備均采取了嚴格的磁控制和電位控制措施．

衛(wèi)星工作模式分為載荷工作模式和平臺調(diào)整模式兩種． 南北緯65°以內(nèi)區(qū)域采用載荷工作模式， 該模式下停止衛(wèi)星機構(gòu)轉(zhuǎn)動和磁卸載， 最大限度地降低衛(wèi)星平臺對有效載荷的擾動； 南北緯65°以外區(qū)域則采用平臺調(diào)整模式， 該模式下有效載荷停止工作， 通過平臺帆板對日跟蹤來補充能量， 并通過動量輪的磁卸載來保證整星的三軸零動量穩(wěn)定系統(tǒng)的平衡．

2.3 衛(wèi)星系統(tǒng)研制進展

對于中國電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星平臺的各個分系統(tǒng)而言， 已于2015年底全部完成其初樣階段的研制總結(jié)和正樣設(shè)計． 其中衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)機構(gòu)、 星務(wù)、 測控、 總體電路、 姿軌控、 電源、 天線等7個分系統(tǒng)已完成正樣產(chǎn)品的研制和驗收交付； 按照整星研制流程安排， 伸桿機構(gòu)、 太陽翼機構(gòu)和電池陣將于2016年底完成， 直接參與整星的后續(xù)大型試驗．

目前， 包括高精度磁強計、 等離子體分析儀、 朗繆爾探針、 GNSS掩星接收機、 三頻信標(biāo)發(fā)射機在內(nèi)的衛(wèi)星載荷已經(jīng)完成了鑒定件的研制總結(jié)和正樣設(shè)計， 預(yù)計正樣產(chǎn)品將于2016年8-10月陸續(xù)交付衛(wèi)星總體， 之后開始整星階段的總裝測試． 感應(yīng)式磁力儀、 高能粒子探測器和電場探測儀正在開展鑒定件的驗收， 預(yù)計于2016年7月底完成．

3 應(yīng)用系統(tǒng)研制進展

3.1 應(yīng)用系統(tǒng)功能

電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星的應(yīng)用系統(tǒng)主要是為了滿足我國電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星的運行和業(yè)務(wù)應(yīng)用需求， 實現(xiàn)對電磁衛(wèi)星數(shù)據(jù)和三頻信標(biāo)觀測數(shù)據(jù)的接收、 處理、 管理和應(yīng)用． 應(yīng)用系統(tǒng)負責(zé)制定載荷工作、 數(shù)據(jù)接收、 業(yè)務(wù)測控計劃并傳送給地面系統(tǒng)， 同時實時接收地面系統(tǒng)推送的遙測遙控數(shù)據(jù)和解包后的觀測數(shù)據(jù)． 該系統(tǒng)以電磁衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)源， 并結(jié)合其它遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)源和地面觀測數(shù)據(jù)， 開展地震監(jiān)測預(yù)測、 應(yīng)急觀測等方面的科學(xué)應(yīng)用研究， 為逐步建立天地一體化地震觀測業(yè)務(wù)體系提供支持． 與此同時， 應(yīng)用系統(tǒng)還將與國內(nèi)外的相關(guān)學(xué)術(shù)機構(gòu)進行數(shù)據(jù)交換和共享服務(wù)， 開展科學(xué)交流和技術(shù)開發(fā)．

3.2 應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)成及設(shè)計

根據(jù)電磁衛(wèi)星應(yīng)用系統(tǒng)的功能要求， 應(yīng)用系統(tǒng)包括衛(wèi)星地震應(yīng)用中心、 三頻信標(biāo)接收站網(wǎng)和比測校驗場等3部分， 可滿足地震監(jiān)測業(yè)務(wù)對電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星運行管理和調(diào)度的需求． 圖6給出了衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計框圖．

3.2.1 衛(wèi)星地震應(yīng)用中心

衛(wèi)星地震應(yīng)用中心是支持地面應(yīng)用系統(tǒng)開展各項任務(wù)的首要基礎(chǔ)設(shè)施， 也是電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星綜合業(yè)務(wù)管理與應(yīng)用的中心機構(gòu)， 主要承擔(dān)電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸、 業(yè)務(wù)運控、 電磁衛(wèi)星下傳數(shù)據(jù)以及三頻信標(biāo)測量數(shù)據(jù)的處理、 產(chǎn)品校驗與質(zhì)量評價、 數(shù)據(jù)管理與服務(wù)、 地震監(jiān)測應(yīng)用等任務(wù)． 該中心由10個業(yè)務(wù)分系統(tǒng)構(gòu)成， 各個分系統(tǒng)的功能詳述如下：

1) 數(shù)據(jù)傳輸分系統(tǒng). 確保衛(wèi)星地震應(yīng)用中心與比測校驗場、 三頻信標(biāo)測量站網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)傳輸， 實現(xiàn)衛(wèi)星地震應(yīng)用系統(tǒng)外場數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的暢通與高效．

2) 業(yè)務(wù)運控分系統(tǒng). 負責(zé)衛(wèi)星狀態(tài)的監(jiān)控、 有效載荷工作計劃和業(yè)務(wù)應(yīng)用計劃的制定和任務(wù)調(diào)度， 各分系統(tǒng)之間的業(yè)務(wù)流程與數(shù)據(jù)流程控制以及網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控管理等， 提供數(shù)據(jù)的三維可視化支持功能．

圖6 中國電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計框圖 Fig.6 Design diagram for application system of the CSES

3) 數(shù)據(jù)管理分系統(tǒng). 實現(xiàn)衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)的準實時接入和數(shù)據(jù)產(chǎn)品的分類有序管理， 滿足業(yè)務(wù)化生產(chǎn)對數(shù)據(jù)快速獲取的要求， 提供數(shù)據(jù)產(chǎn)品服務(wù)．

4) 電磁場數(shù)據(jù)應(yīng)用處理與分析分系統(tǒng). 實現(xiàn)對電場探測儀、 感應(yīng)式磁力儀、 高精度磁強計共3種載荷的數(shù)據(jù)處理， 產(chǎn)出全國和全球范圍內(nèi)的3—5級標(biāo)準數(shù)據(jù)產(chǎn)品．

5) 電離層層析成像數(shù)據(jù)應(yīng)用處理與分析分系統(tǒng). 實現(xiàn)對GNSS掩星接收機和三頻信標(biāo)機兩種載荷的數(shù)據(jù)應(yīng)用處理與分析， 產(chǎn)出全球范圍內(nèi)的3—5級標(biāo)準數(shù)據(jù)產(chǎn)品和電離層層析成像產(chǎn)品．

6) 原位等離子體數(shù)據(jù)應(yīng)用處理與分析分系統(tǒng). 實現(xiàn)對朗繆爾探針、 等離子體分析儀兩種載荷的數(shù)據(jù)處理， 產(chǎn)出全國和全球范圍內(nèi)的3—5級標(biāo)準數(shù)據(jù)產(chǎn)品和電離層動態(tài)結(jié)構(gòu)產(chǎn)品等．

7) 高能粒子數(shù)據(jù)應(yīng)用處理與分析分系統(tǒng). 實現(xiàn)對高能粒子低能段、 高能段-1(國產(chǎn))、 高能段-2(意大利)共3個載荷的數(shù)據(jù)處理， 產(chǎn)出全國和全球范圍內(nèi)的高能粒子3—5級標(biāo)準數(shù)據(jù)產(chǎn)品．

8) 產(chǎn)品校驗與質(zhì)量評價分系統(tǒng). 建設(shè)野外校驗場和定標(biāo)實驗室， 通過交叉檢驗、 對比觀測等方式對電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)和產(chǎn)品進行檢驗和質(zhì)量評價．

9) 三頻信標(biāo)測量分系統(tǒng). 建設(shè)三頻信標(biāo)測量站網(wǎng)， 接收星載三頻信標(biāo)發(fā)射的三頻信標(biāo)信號， 并將其通過地震信息網(wǎng)上傳至衛(wèi)星地震應(yīng)用中心．

10) 地震監(jiān)測應(yīng)用分系統(tǒng). 依據(jù)標(biāo)準數(shù)據(jù)產(chǎn)品和科學(xué)應(yīng)用產(chǎn)品， 同時參考地面電磁觀測數(shù)據(jù)及其它遙感觀測資料， 去除電離層電磁背景， 排除非震擾動， 獲得可能的地震短臨異常信息．

3.2.2 三頻信標(biāo)接收站網(wǎng)

三頻信標(biāo)接收站網(wǎng)的主要任務(wù)是接收星載三頻信標(biāo)發(fā)射機發(fā)射的頻率為150， 400和1067 MHz的3個頻率信號， 完成測量數(shù)據(jù)的短期存儲和實時傳輸， 并根據(jù)接收數(shù)據(jù)反演電離層電子密度． 為了滿足電離層電子密度反演精度不低于10%的要求， 觀測鏈路中的臺站間距應(yīng)小于400 km， 同時應(yīng)盡可能地覆蓋地震重點監(jiān)視防御區(qū)， 因此， 選擇在華北地震帶和南北地震帶建設(shè)由34個臺站構(gòu)成的6條觀測鏈路． 圖7給出了計劃布設(shè)的三頻信標(biāo)測量站點分布圖， 所有接收站均在現(xiàn)有地震臺站的基礎(chǔ)設(shè)施上經(jīng)改擴建完成．

3.2.3 比測校驗場

電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星對衛(wèi)星平臺周邊的空間電磁場特征和電離層變化進行探測， 屬非成像遙感系統(tǒng)， 因此其有效載荷觀測數(shù)據(jù)的可靠性檢驗不同于其它遙感成像衛(wèi)星， 需要建設(shè)地面比測校驗場， 通過地面同步對比觀測和真實性檢驗實現(xiàn)對星上有效載荷觀測數(shù)據(jù)的可靠性判斷． 電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星觀測的物理量包括空間電磁場、 等離子體參數(shù)和高能粒子能譜等3類共11種． 地面對比觀測需要考慮衛(wèi)星觀測頻段和相應(yīng)的物理量， 目前地面可開展對比觀測的手段包括地電場、 地磁場、 電磁擾動等地基電磁觀測與空間電磁場觀測數(shù)據(jù)的對比， 電離層測高和GPS/北斗觀測等地基電離層觀測與衛(wèi)星GNSS掩星接收機和三頻信標(biāo)反演結(jié)果的對比分析．

圖7 34個三頻信標(biāo)接收站的分布圖

比測校驗場的主要目的是通過地面觀測數(shù)據(jù)與衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)的對比來驗證衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)的可靠性， 同時為異常信號從地面到電離層的傳播研究提供基礎(chǔ)觀測數(shù)據(jù)， 實現(xiàn)與地震

圖8 比測校驗場臺站分布圖Fig.8 Distribution of the ground stations for comparison and validation

相關(guān)的電磁信號的監(jiān)測． 我國地磁監(jiān)測衛(wèi)星的比測校驗場以甘肅省天祝地震前兆科學(xué)臺陣為依托， 擴展至陜西、 寧夏的部分區(qū)域， 計劃建設(shè)15個地面電磁觀測臺站， 其空間分布如圖8所示．

3.3 應(yīng)用系統(tǒng)基礎(chǔ)平臺建設(shè)

電磁衛(wèi)星應(yīng)用系統(tǒng)目前尚未立項， 為了滿足電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星現(xiàn)階段和發(fā)射后的業(yè)務(wù)運行需求， 在電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)上簡化各系統(tǒng)功能， 開展電磁衛(wèi)星工程科學(xué)任務(wù)運行管理的基礎(chǔ)平臺建設(shè)工作． 該基礎(chǔ)平臺包括業(yè)務(wù)運控、 數(shù)據(jù)管理、 數(shù)據(jù)應(yīng)用處理與分析、 產(chǎn)品校驗與質(zhì)量評價和三頻信標(biāo)測量等5個分系統(tǒng)， 其中三頻信標(biāo)接收站選擇華北地區(qū)6個觀測站組成鏈路．

應(yīng)用系統(tǒng)基礎(chǔ)平臺為滿足衛(wèi)星在軌業(yè)務(wù)的運控需求， 須具備電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星、 三頻信標(biāo)站網(wǎng)的數(shù)據(jù)接入和處理能力， 能夠?qū)崿F(xiàn)對標(biāo)準數(shù)據(jù)產(chǎn)品的基礎(chǔ)存檔和管理服務(wù)、 對數(shù)據(jù)產(chǎn)品進行校驗與質(zhì)量評價以及保障電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星工程按照預(yù)定計劃推進的功能．

3.4 電磁衛(wèi)星數(shù)據(jù)產(chǎn)品分級

電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星是我國首顆非成像遙感衛(wèi)星， 探測數(shù)據(jù)包括空間電場、 磁場的分頻段波形和頻譜數(shù)據(jù)， 電離層等離子體原位電子、 離子溫度和離子密度數(shù)據(jù)， 電離層等離子體結(jié)構(gòu)層析成像數(shù)據(jù)， 電離層高能粒子通量、 能譜數(shù)據(jù)， 以及地震監(jiān)測跟蹤數(shù)據(jù)產(chǎn)品． 在參考國內(nèi)相關(guān)衛(wèi)星數(shù)據(jù)分級標(biāo)準(國家國防科技工業(yè)局，2011； 中國氣象局， 2012)的基礎(chǔ)上， 結(jié)合電磁衛(wèi)星載荷特點給出了電磁衛(wèi)星各載荷觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)品分級．

數(shù)據(jù)產(chǎn)品包括各載荷的科學(xué)數(shù)據(jù)、 輔助數(shù)據(jù)和工程參數(shù)． 地面接收到的衛(wèi)星數(shù)據(jù)經(jīng)過解調(diào)得到原始探測數(shù)據(jù)， 對原始數(shù)據(jù)進行標(biāo)準化處理得到各載荷的各級科學(xué)數(shù)據(jù)． 輔助數(shù)據(jù)是指進行科學(xué)數(shù)據(jù)相關(guān)處理所需的諸如包完整信息、 GPS、 姿態(tài)、 時間等信息數(shù)據(jù)； 工程參數(shù)是指有效載荷在運行過程中產(chǎn)出的與設(shè)備探測狀態(tài)、 運行狀態(tài)等方面相關(guān)的表征載荷工作健康狀態(tài)的參數(shù)． 科學(xué)數(shù)據(jù)分為0-4級， 各級產(chǎn)品定義如下：

1) 0級數(shù)據(jù)產(chǎn)品： 經(jīng)幀同步、 解擾、 糾錯、 去重、 按時間排列得到的各個載荷的觀測數(shù)據(jù)、 輔助數(shù)據(jù)和遙測數(shù)據(jù)， 以及三頻信標(biāo)地面站接收到的觀測數(shù)據(jù)．

2) 1級數(shù)據(jù)產(chǎn)品： 對0級數(shù)據(jù)進行格式轉(zhuǎn)換、 定標(biāo)處理后得到的按時間排列的物理量數(shù)據(jù)．

3) 2級數(shù)據(jù)產(chǎn)品： 分為2A和2B兩個級別． 前者是指對1級數(shù)據(jù)進行坐標(biāo)變換、 反演后生成的帶有時間、 位置和姿態(tài)信息的物理量數(shù)據(jù)； 后者對于電場儀觀測數(shù)據(jù)而言， 是指在2A級衛(wèi)星坐標(biāo)系電場波形數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上， 去除衛(wèi)星運行切割磁力線所造成的附加電場影響后生成的數(shù)據(jù)， 對于GNSS掩星觀測數(shù)據(jù)， 則是指對1級數(shù)據(jù)進行精密定軌、 反演后生成的帶有時間、 位置和姿態(tài)信息的物理量數(shù)據(jù)．

4) 3級數(shù)據(jù)產(chǎn)品： 在2級數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上， 進行重采樣生成重訪軌道指定區(qū)域的時序數(shù)據(jù)， 或反演得到的電離層、 大氣層二維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)．

5) 4級數(shù)據(jù)產(chǎn)品： 在2級和3級數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上， 進行空間差值生成指定區(qū)域的電離層環(huán)境及其動態(tài)變化， 或反演得到的電離層三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)．

上述電磁衛(wèi)星數(shù)據(jù)分級定義了科學(xué)數(shù)據(jù)各級標(biāo)準化產(chǎn)品， 為后續(xù)應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)中數(shù)據(jù)庫的建設(shè)和數(shù)據(jù)處理、 管理和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)， 有利于實現(xiàn)數(shù)據(jù)的資源共享．

4 討論與結(jié)論

中國電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星的發(fā)射將填補我國在地震監(jiān)測領(lǐng)域中天基監(jiān)測設(shè)施的空白， 為我國地震監(jiān)測預(yù)測水平的提高與發(fā)展奠定堅實基礎(chǔ)， 該工程的實施將為今后建立“天、 空、 地”一體化的地震監(jiān)測系統(tǒng)提供重要的技術(shù)保障． 本文簡要介紹了中國電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星工程的研制進展， 并重點闡述了衛(wèi)星系統(tǒng)和應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計和研制進展．

目前， 電磁衛(wèi)星工程按照預(yù)定計劃順利實施． 電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星發(fā)射后， 將檢驗各科學(xué)載荷的探測能力， 為后續(xù)電磁衛(wèi)星計劃的實施積累經(jīng)驗． 借助衛(wèi)星觀測范圍廣的優(yōu)勢將有效積累國內(nèi)外震例數(shù)據(jù)， 也為我國相關(guān)空間科學(xué)領(lǐng)域研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)． 需要指出的是， 電磁衛(wèi)星觀測機理、 觀測模型、 數(shù)據(jù)應(yīng)用等方面仍存在需要深入研究的科學(xué)問題， 現(xiàn)階段將在電磁衛(wèi)星數(shù)據(jù)分級的基礎(chǔ)上， 集中力量突破數(shù)據(jù)處理方法和流程， 提升衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)在地震監(jiān)測科學(xué)應(yīng)用方面的研究水平， 保障電磁衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)的有效應(yīng)用．

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Developing progress of China Seismo-Electromagnetic Satellite project

1)InstituteofCrustalDynamics,ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100085，China2)BeijingEngineeringResearchCenterofEarthquakeObservation，Beijing100085，China3)DFHSatelliteCo.,Ltd.，Beijing100094，China

China Seismo-Electromagnetic Satellite (CSES) project was approved in 2013. The satellite will be launched by the end of August, 2017, and its lifetime is five years. It is the first space-based platform of three-dimensional earthquake monitoring system in China. This paper first briefly introduces the design and task of six systems in the CSES project, then gives recent progresses of satellite system and data application system. At present, satellite platform and payloads prototype developing work have been completed. At the end of June 2016, flight model phase is to start. The development of application system foundation platform will be carried out as planned, and it will begin half-year trial before satellite launch so as to ensure the effective application of CSES data.

CSES； satellite platform； application system； developing progress

民用航天科研項目“電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星數(shù)據(jù)地面驗證技術(shù)研發(fā)”和國家自然科學(xué)基金(41374127)聯(lián)合資助.

2016-03-23收到初稿， 2016-04-15決定采用修改稿.

e-mail: wanglw829@126.com

10.11939/jass.2016.03.005

P315.72

A

王蘭煒， 申旭輝， 張宇， 張興國， 胡哲， 顏蕊， 袁仕耿， 朱興鴻. 2016. 中國電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星工程研制進展. 地震學(xué)報, 38(3): 376--385. doi:10.11939/jass.2016.03.005.

Wang L W, Shen X H, Zhang Y, Zhang X G, Hu Z, Yan R, Yuan S G, Zhu X H. 2016. Developing progress of China Seismo-Electromagnetic Satellite project.ActaSeismologicaSinica, 38(3): 376--385. doi:10.11939/jass.2016.03.005.