“独行”五年，“张衡一号”拓展全球地球物理场和空间环境感知建模能力

为推进破解地震预测科学难题，2003年2月18-19日，中国地震局、国家国防科技工业局、科技部、中国科学院等共同组织香山会议，正式启动了我国地球物理场卫星计划论证工作。2018年2月2日，作为我国地球物理场卫星计划的首发星和地震立体观测体系首个天基平台，“张衡一号”电磁监测试验卫星在酒泉卫星发射中心成功发射入轨。截至到2023年2月2日，“张衡一号”卫星已经圆满完成五年设计寿命，并将继续在轨超期服役。

“张衡一号”卫星的主要科学目标是：在实时监测空间电磁环境状态变化的基础上，开展全球7级以上、中国6级以上地震电磁信息分析研究，初步探索地震前后电离层响应变化信息特征及其机理，研究地球系统特别是电离层与其他相关圈层相互作用及其效应，向国家安全、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。

5年了，“张衡一号”卫星都做了些什么？

张衡一号在轨期间，我国首次成功获取了覆盖全球的地磁场和低频电磁频谱两套基础数据集，完整记录了全球500多次6级以上，近60次7级以上强震信息。在基础上，首次系统构建了全球参考地磁场和岩石圈-大气层-电离层耦合机理两个科学模型，达到国际领先水平；全面开展了全球显著性地震的震例解剖和统计分析，取得了地震电磁和电离层前兆的时空统计规律的初步认识，同步还开展了空间天气灾害、火山灾害效应等的分析研究为进一步推进地震预测科学探索和多灾种灾害链监测预警提供了正面支持。

1.全球地磁场和低频电磁频谱数据采集填补国内空白

自发射以来，卫星记录了全球地磁场和从ULF到HF频段的低频电磁频谱。基于卫星观测的低频电磁频谱数据可以建立一个自主可控的、精细的、时变的低频电磁辐射背景场（图1），并动态感知低频电磁辐射扰动，有效提高电离层环境监测预警能力。观测的电磁波动在DC-3.5MHz频段，涵盖了ULF、ELF、VLF、HF多频段的信号，包括哨声波、嘶声、准周期离散波动等丰富的波动。其中一些电磁波动还通过波粒相互作用机制导致了高能粒子加速和沉降现象。这些地磁场和低频电磁频谱数据的采集填补了国内空白，在我国地球空间物理和自然灾害防治的研究方面发挥重要作用。

图1 张衡卫星给出的全球ULF频段电磁频谱背景

2.卫星电磁数据应用研究取得突破性进展

系统研究了卫星在轨期间全球震例，初步结论认为6级以上地震较大概率存在电磁电离层前兆异常。2018年2月17日，墨西哥发生了7.1级强烈地震。2月15日和16日，张衡一号卫星连续记录到了这次地震前的低频电磁辐射现象，也是张衡一号卫星记录到的首个7级以上地震现象。2023年2月6日土耳其7.8级双震，张衡一号卫星数据分析也发现震前约20天断续出现电磁波和等离子体前兆异常。震例解剖和综合统计结果初步表明:6级以上地震孕育过程中，较大概率在震前几天、距离震中数百km范围内出现明显的电磁辐射和电离层扰动异常。其中，异常出现的位置余震中的偏差与所处的地磁经纬度相关，6级以上地震前出现低频电磁射和电离层扰动前兆的概率在60%以上。

图2“张衡一号”卫星的组成

张衡一号卫星对多种自然灾害事件具备良好的响应能力。当前，空间天气灾害已经成为影响社会经济的重要因素。张衡一号卫星在轨期间，完整记录了多次空间天气灾害事件的时空发展过程。如2018年8月发生的大磁暴，电磁场、等离子体、能量粒子等各类载荷都观测到了磁暴初相、主相和恢复相期间地球物理场参量的扰动及其全球分布特征（图3）。

图3 张衡一号卫星对2018年8月26日强磁暴期的响应情况

张衡一号卫星搭载的太阳X射线监测器也观测到了太阳耀斑和日冕物质抛射期间的X射线的增强和太阳质子事件的发生。这些太阳活动的观测结果与NOAA卫星、GOES卫星的观测结果具有很好的一致性。张衡一号卫星在轨还观测到汤加火山爆发前后的电离层变化和通信导航环境强烈扰动。

成功构建我国首个全球参考地磁场模型，达到国际领先水平。基于张衡一号卫星数据，建立了全球参考地磁场模型CGGM 2020.0（图4）。该模型经国际地磁与高空物理联合会（IAGA）评估，符合国际全球地磁参考场IGRF建模精度要求并入选新一代IGRF模型IGRF2020.0。这是自IGRF开始更新一个多世纪以来唯一的中国模型，标志着我国已经全面掌握全球地磁场建模的关键技术，填补了我国在全球地磁场战略信息资源获取领域的能力空白。

图4 张衡一号卫星全球参考地磁场模型CGGM 2020.0

目前，正在融合多种数据，构建高分辨率高精度全球和区域地磁场模型，为应急组合导航、全球资源探查、国家安全以及“一带一路”和人类命运共同体建设提供重要的战略信息资源保障。

3.系统发展低频电磁波跨圈层传播模型奠定空间地球物理科学发展理论基础

基于张衡一号卫星海量观测约束，建立了低频电磁波从地下/地表向大气层和电离层传播渗透的全波模型（图5），结论认为：低频电磁波的部分波模、部分能量能够到达电离层高度并被卫星接收到。该模型系统突破了低频电磁波跨圈层耦合传播机理，创新发展了地球岩石层-大气层-电离层耦合模型，并借助地面低频通信、散射雷达和相关卫星观测信号验证了模型的科学性和可靠性，证实地震等产生的低频电磁波能够穿透岩石圈、大气层和电离层到达张衡一号卫星高度，从而被卫星观测到。

图5 低频电磁波跨岩石层-电离层间传播模型及其在电离层波导中的衰减

该模型的建立修正了前人关于地球岩石层-大气层-电离层间电磁波传播问题认识的局限，为我国发展全球重特大自然灾害全过程监测预警，开展天基低频电磁波近地表隐伏地物高分辨率探测提供理论支撑，为重大自然灾害监测、地下资源开发和地下空间管理奠定了重要基础，同时从科学上拓宽了地球系统科学和地球关键圈层研究。

对标国家战略需求和国际科学前沿，张衡一号卫星和地球物理场卫星计划的发展尚属起步，在系统发展光学、微波技术基础上，加快发展地球物理场卫星计划、构建自主的高分辨率高精度地球物理场动态模型，打造全球自然灾害监测预警、极端条件通信导航环境管理及宜居地球可持续发展支撑能力。