张衡-1卫星的先进有效载荷

正1引言2018年2月2日成功发射的张衡-1卫星是我国地震立体观测体系第一个天基平台,它的主要科学目标是为未来建立地震前兆电磁监测卫星业务化系统进行技术准备。该卫星由中国空间技术研究院航天东方红卫星有限公司抓总研制。根据地震电磁辐射及其传播特征,张衡-1卫星配置了3类8种有效载荷:一是探测电磁场的有效载荷,包括高精度磁强计、感应式磁力仪和电场探测仪;二是探测等离子体的有效载荷,包括等离子体分析仪、朗缪尔探针、全球导航卫星系统掩星接收机(GNSS掩星接收机)和三频信标机;三是探测高能     

中国首颗电磁监测试验卫星全扫描

正2月2日,中国第一颗电磁监测试验卫星"张衡一号"在长二丁火箭的托举下,于酒泉卫星发射中心成功发射入轨。作为我国第一颗观测与地震活动相关电磁信息的卫星,"张衡一号"格外受人关注。它能不能预测地震?在世界上处于什么地位?有哪些技术上的创新突破?未来还会有更多电磁监测试验卫星吗?……发射前夕,"张衡一号"总指挥、总设计师袁仕耿对这颗卫星的功能作了最为凝练的总结:张衡一号卫星的任务是要做     

DEMETER卫星记录到的电离层加热现象

在法国DEMETER卫星运行期间, 地基电离层加热装置SURA和HAARP开展了一系列加热试验, 记录到各类电离层异常信息, 发现电离层加热过程中卫星观测的电离层扰动信号包括HF发射泵波及边带泵波、VLF人工源增强及频谱拓展、ULF/ELF/VLF调制波、ELF电磁扰动、ULF谐振波、等离子体特征参量扰动及高能粒子沉降等. 由于传播及耦合机制的差异, 发射泵波可以穿透电离层直达卫星高度, 其观测概率最高达到68%以上, 其他扰动受发射调制模式及当地电磁环境等影响,观测概率相对较低, 均在40%左右, 有些甚至是某次试验中出现的个别事例. 结合中国地震电磁监测试验卫星飞行轨道设计及载荷配置等,对未来开展加热试验进行了分析论证, 并参考DEMETER卫星试验结果给出了一些建议.      

地震电磁卫星的发展与思考

大量的震例表明, 地震与电离层之间存在一定的耦合关系, 这为地震电磁卫星的发展提供了理论依据. 文章分析了各国地震电磁卫星的发展动态和发展趋势, 对目前地震电磁卫星研究工作提出了建议, 建立多种类型、多种手段、多颗卫星组成的综合卫星星座观测是实现地震预报的必要手段.      

首颗电磁监测试验卫星下半年发射

<正>首颗由我国自主研制的电磁监测试验卫星"张衡一号"将于今年8月前后发射、投入使用。届时我国将首次具备全疆域和全球三维地球物理场动态监测能力,也是唯一拥有在轨运行的多载荷、高精度地震监测试验卫星的国家。电磁监测试验卫星项目在我国酝酿多年,因其在地震预测上可能大有作为而广受关注。     

基于北斗GEO卫星双频观测值连续监测电离层延迟

利用北斗GEO卫星观测数据直接计算电离层延迟。由于GEO卫星具有固定穿刺点和静地的特性,使得观测站监测电离层变化时可不考虑空间变化,并可进行连续不间断监测。通过分析北斗GEO卫星三种频率码伪距和载波相位观测值不同组合,选取B1&B2双频计算电离层延迟为最优组合,采用相位平滑伪距的方法计算电离层延迟TEC,相较其他电离层模型,该方法的优点是不会引入模型误差,可得到连续的高精度的电离层延迟监测结果。     

玉树地震前的电离层异常现象分析

分析了玉树地震前地基电离层探测临界频率、GPS TEC和卫星探测原位等离子体参量等多个参数的扰动变化信息, 研究了不同高度异常变化的时空关联性. 分析发现, 在地震前一天的4月13日, 多个电离层参量出现同步扰动异常, 电离层临界频率f₀F₂异常相对滑动中值增大40%, 异常空间上存在从震中东南向西南漂移的特性; GPS TEC异常增强15TECU (1TECU=1016m-2)左右, 分布于震中南部经度15°范围内, 且有明显的磁共轭效应; DEMETER观测的原位氧离子密度N_i(O+) 4月13日为1-4月中最强的一天, 异常分布偏向赤道区, 但仅局限在30°-50°左右的经度范围内. 综合三个参量的异常特征发现, 无论是空间的局地性还是时间上的密切关联均反映这次电离层扰动可能与玉树地震孕育有关. 结合其他观测信息, 进一步探讨了这次地震孕育过程的地震电离层耦合机理.      

基于FPGA的高性能电离层测高仪数控系统设计

为建立天地一体化电磁观测系统,实现电离层等的实时准确观测,为地震机理的研究与地震预报工作提供科学有效的数据,提出了一种高性能电离层测高仪数控系统设计方案将应用于电磁卫星的地面同步验证系统中,给出了数控系统的时序控制单元、发射单元和接收单元等的具体实现.在收发延迟可变的雷达时序控制下,发射单元利用直接数字合成技术产生1～30MHz的脉冲信号,40位类巴克码对脉冲信号进行二进制相位调制编码,随后交替发射正交极化波;接收单元利用高速模数转换器实现信号的数字化,采用FPGA技术进行下变频处理.本数控系统的设计可直接获取回波信号的极化信息,高度分辨率为1.5km,探测周期小于2min.实验结果表明,该数控系统方案切实可行.      

电离层数字测高仪被动接收观测模式研究

利用CADI(Canadian Advanced Digital Ionosonde)电离层数字测高仪平台,实现了新的电离层数字测高仪被动接收观测模式.利用新开发的观测模式,在观测台站开展了一系列实验观测研究,经过信号处理和信息提取,获得了电离层特征参量f0F2回归方程,高频信道背景噪声分布,电离层D层对电波的吸收等电离层探测信息.实验观测结果表明,所获取的f0F2与主动探测结果相关性在0.84以上,高频信道背景噪声分布以及电离层D层吸收状况与电离层实际分析结果相吻合.     

上行离子源区卫星探测的轨道需求分析

极区从电离层到磁层的上行粒子流探测研究是空间天气建模中的重要问题,其起源和加速机制是磁层-电离层-热层耦合小卫星星座计划的主要科学目标. 磁层-电离层-热层耦合小卫星星座计划拟定由两颗磁层星和两颗电离层/热层星组成星座对极区进行联合观测. 其中,上行粒子源区附近的就位探测是电离层-热层耦合机制研究的重点,也是电离层/热层星轨道设计的关键. 根据相关空间探测计划和卫星观测结果,通过比较圆轨道和椭圆轨道两种方案,确定电离层/热层星采用椭圆轨道.      

国内动态

<正>我国首颗生态环境综合高光谱观测业务卫星投入使用4月4日，高光谱观测卫星在轨投入使用仪式举行，我国首颗具备业务化应用能力的生态环境综合监测卫星正式交付。高光谱观测卫星由生态环境部作为牵头单位组织研制建设。该卫星于2021年9月7日成功发射。卫星发射入轨后，圆满完成全部测试任务，各项功能、性能指标均满足工程研制建设总要求。高光谱观测卫星在轨投入使用，对于推动构建现代化生态环境监测体系，动态监测我国大气污染状况，有效监测全球二氧化碳、甲烷等温室气体柱浓度和分布，     

地震监测卫星——从太空预报地震

2008年5月12日14时28分发生的汶川地震,如果我们事先有该地区连续的空间监测的热和电磁效应的图像,可能会有预报.发展中国的地震电磁卫星对地观测技术,将伫间手段与地基监洲相结合,建立"天地一体化"的立体地震电磁监测系统,将明显增加地震前兆的信息量,为地震预测预报提供重要的科学依据.     

基于极大验后推估理论的全球电离层地图预报

提出了一种基于极大验后估计理论的全球电离层预报方法，基于中国科学院电离层分析中心（CAS）提供的快速全球电离层地图（GIM），实现了1天、2天和5天GIM的预报。以国际GNSS服务组织（IGS）最终GIM、Jason测高卫星提供的电离层观测信息及全球GNSS基准站实测电离层总电子含量（TEC）为基准，评估了2008－2017年CAS电离层预报GIM在全球大陆及海洋区域的精度，并与欧洲定轨中心（CODE）、欧洲空间局（ESA）和西班牙加泰罗尼亚理工大学（UPC）的预报GIM进行对比。在评估时段内，与IGS-GIM相比，CAS预报GIM精度为2.4~3.1 TECU；与测高卫星TEC相比，CAS预报GIM的精度为5.1~6.6 TECU；与全球基准站实测TEC相比，CAS预报GIM的电离层延迟修正精度优于80%。总体来看，CAS预报GIM与CODE预报GIM精度相当，显著优于ESA和UPC预报GIM。      

新疆于田7.2 级地震前的电离层电磁扰动

利用法国DEMETER 卫星观测的电磁、等离子体等参量的观测数据分析了2008 年3 月21日新疆于田7.2 级地震前离子温度Ti、离子密度Ni、甚低频(VLF) 磁场等出现的异常变化. Ti分析显示震中区上空出现的突变信号在更大空间多次重复出现, 作为地震异常的信度不高. 通过多次重访轨道对比发现H+ 离子密度整体变化形态一致, 但夏秋季节的峰值变化幅度是冬春季节的1 倍. 通过把2008 年的数据与2007 年和2006 年同期的重访轨道数据进行对比, 发现2008 年在于田地震前1 个月左右Ni 在峰值区呈现了显著增强的变化趋势, 并一直持续到地震前, 2008 年2 月以后的峰值幅度是其他两年同期的~1 倍多. 对于磁场频谱数据, 抽取了震中区域上空2000 km 范围内多个轨道的单频(400 Hz)信息, 并在研究区域统一纬度空间(0~60°N) 进行了时间序列对比, 结果发现地震前2 日内震中区域上空400 Hz 谱密度增加了近一个数量级, 反映空间存在明显的VLF 电磁辐射现象. 对于3 月20 日极低频段(ELF) 三分量电磁场的矢量分析显示观测时段内存在一些左旋极化电磁信号, 反映了空间电离层离子密度变化伴随ELF 电磁辐射信息. 综合分析认为, 这次地震前各参量的变化过程与目前地震孕育及电离层耦合机理相吻合.      

Galileo卫星导航系统广播Nequick模型及其参数拟合

提出了基于IGRF模型的Galileo广播Nequick模型及其参数拟合算法, 解决了Galileo信号仿真中地理场景映射与地磁坐标下的电离层延时修正参数拟合问题. 应用IGRF模型, 可计算出任意给定位置和时间点的地磁参数以及E层、 F₁层、F₂层的电子密度, 从而计算出Galileo电离层修正参数. 仿真结果表明, 该算法拟合的全球电离层延时与IGS提供的实际观测值基本一致, 仿真精度高于一般的经验电离层模型, 实现了Galileo卫星信号的电离层延时修正参数的精确仿真.      

利用北斗观测数据实时监测中国区域电离层变化

北斗卫星导航信号采用三个频点工作,可以利用伪距双频组差方法解算电离层电子含量,为实时监视中国区域电离层变化提供新的技术手段.中国中低纬度处于电离层赤道异常变化区,在北纬20°±5°区域时常发生较大梯度的电离层变化.利用北斗实时多频伪距和相位观测数据,采用相位平滑伪距方法计算电离层穿刺点电子含量,分析通过北斗系统GEO卫星监测的电离层周日变化特性;采用多面函数方法拟合中国区域1°×1°分辨率的电离层延迟量,每5min绘制一幅中国区域电离层图,观测区域所有电离层穿刺点拟合残差RMS为2.778TECU;分析北斗系统实时监测中国区域电离层异常情况,当发生电离层异常变化时,相邻两天的VTEC（Vertical Total Electronic Content）峰值相差约60TECU.      

利用COSMIC数据构建的全球垂直TEC图的验证研究

在日固坐标系(地磁纬度和地方时)下, 累积地方时过去24h的COSMIC(Constellation Observing System for Meteorology Ionosphere andClimate)观测资料, 通过对110$sim$750km高度范围内的电子密度进行数值积分得到各掩星点的垂直TEC值, 进而利用Kriging方法插值产生近实时的全球地方时MAGLat2.5°×2h的COSMIC TEC图. 利用2008年1月1日至2010年6月30日共30个月的COSMIC数据, 逐日构建COSMICTEC图, 将其与全球导航卫星系统服务组织(International GNSS Service,IGS)发布的全球电离层TEC图(Global Ionospheric Maps, GIMs)以及OSTM/JASON-2卫星高度计观测值分别进行比对,证明利用COSMIC掩星资料构建全球电离层垂直TEC图是可行的.      

欧洲“哥白尼”计划的首颗卫星哨兵-1A入轨

2014年4月3日,哨兵-1A（Sentinel-1）卫星从法属圭亚那发射场由联盟-ST火箭发射升空。该卫星是欧洲“哥白尼”计划[Copernicus Programme,原名“全球环境与安全监测”（GMES）计划]专用卫星的首颗星,由欧洲航天局（ESA）设计和研制,欧洲委员会（EC）投资。“哥白尼”计划共规划了哨兵-1A和1B两颗完全相同的卫星,卫星装载C频段合成孔径雷达,以接替欧洲刚刚失效的“环境卫星”（Envisat）,保持高分辨率雷达成像观测数据的连续性。     

中性原子成像探测的物理设计与仿真

研究了磁层-电离层-热层耦合星座(MIT)卫星计划中高能中性原子成像仪(NAIS-H)探测方案的原理设计和模拟仿真. 以双星中性原子成像仪设计思想为基础,依据MIT卫星计划的总体科学目标和磁层卫星的轨道环境及相应自旋姿态,给出中性原子成像仪的技术架构,并针对地磁偶极场的环电流模型进行了模拟仿真. 仿真结果表明,所研制的NAIS-H以其高时空分辨能力适用于监测和反演磁暴期间磁层等离子体的全球动力学过程.      

“梅花2”号卫星停止工作

由于电离层观察卫星“梅花1”号电源系统发生故障,“梅花2”号作为备用星不得不于1978年2月16日相继发射,它运行一年半,取得了电离层和电波噪声的重要观测数据。但由于卫星的电源输出功率降低,使它