袁仕耿1
,
朱兴鸿1
,
黄建平2
|
收稿日期: 2018-06-21
基金项目: 国家重点研发计划政府间国际科技创新合作重点专项(编号：2016YFE0122200)；民用航天科研工程“电磁监测试验卫星工程数据地面验证”项目
第一作者简介: 袁仕耿，1971年生，男，研究员，卫星总师总指挥，研究方向为卫星总体设计。E-mail：sgyuan@sina.com
通信作者简介: 黄建平，1975年生，男，副研究员，研究方向为地震电离层监测和理论。E-mail：xhhjp@126.com
中图分类号: TP73
文献标识码: A
|
摘要
电磁监测试验卫星(张衡一号)是中国地震立体监测体系的首个天基电磁平台，是中国地球物理场探测卫星计划首发星，用于获取地球磁场、空间电磁波场、电离层等离子体原位和结构参数及其变化信息，为探索地震前兆信息、空间环境监测预报和地球系统科学研究提供新的技术手段，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。介绍张衡一号卫星的系统设计、研制历程，特别卫星特殊的轨道设计、工作模式设计、磁电洁净度设计以及伸杆机构设计等关键技术特点。
关键词
电磁监测试验卫星(张衡一号), 地球物理场, 电离层, 地震, 磁洁净度, 电洁净度, 伸杆机构
YUAN Shigeng1
,
ZHU Xinghong1
,
HUANG Jianping2
Abstract
China Seismo-Electromagnetic Satellite (CSES) is the first space-based electromagnetic platform of China’s stereo seismic monitoring system and the first satellite of China’s geophysical field exploration satellite program that will be used to obtain the in-situ structural parameters and their effects on Earth’s magnetic field, space electromagnetic wave field, and ionospheric plasma. According to the objective of CSES, the parameters of the satellite orbit, satellite platform, and payloads, including the satellite footprint, magnetic and charging cleanliness control and boom design, and the isoelectric potential on the platform surface, are analyzed and tested. On February 2, CSES was launched, and the commission test proved that the system works well. The entire team has overcome difficulties in the R&D phase. The platform and payload can work in orbit, and the preliminary test shows that the main function and performance meet the demand and index designed by the project.
Key words
China Seismo-Electromagnetic Satellite (CSES), geophysical field, ionosphere, earthqueke, magnetic cleanliness, charging cleanliness, boom mechanism
1 引 言
电磁监测试验卫星(张衡一号)是中国第一颗专业进行电离层电磁扰动监测的卫星，其目标是要建立一个监测全球空间电磁波/场(Shen 等，2017；Zhang 等，2012；Xu，2003)、电离层等离子体(Shen 等，2011；Shen和Zhang，2017；Tao 等，2017；Liu 等，2016)、高能粒子沉降(Fidani和Battiston，2008；Zhang 等，2013)等物理量的空间试验平台，为探索地震前兆信息(Pulinets 等，2000；Pulinets和Ouzounov，2011)、空间环境监测预报和地球系统科学研究提供新的技术手段，为未来建立地震电磁监测卫星业务化系统进行技术准备，为构建地震立体观测体系的空间段奠定基础(Zhang 等，2016)。
张衡一号卫星从2013年8月开始正式启动立项研制，经历一年的方案设计和摸样验证工作，2014年6月进行初样阶段研制工作。卫星在2015年完成了电性星、力学星、热控星以及卫星系统与地面系统和测控系统的对接试验，在2016年7月完成了所有鉴定产品的验证标定工作后，卫星从2016年8月开始进入正样研制阶段。
2016年12月，卫星系统完成星上所有正样产品验收交付。2017年1—4月，正样星先后完成了电性能测试、整星EMC试验、力学试验、大系统对接试验、热平衡及热真空试验，并于5—6月完成了整星磁标定试验、老炼试验以及卫星出厂改装工作，在地面存储5个月后，卫星于2017年11—12月重新进行了出厂状态确认和合板状态下的100 h老炼试验，出厂前整星加电时间超过1100 h。
2017年12月25日，卫星运抵发射场，在经历40 d的发射场测试准备工作后，2018年2月2日由长征二号丁运载火箭在酒泉卫星发射基地成功发射入轨。
2 科学目标和探测任务分析
张衡一号卫星的目标包括科学研究、工程建设和实践应用，具体是：
(1)科学目标。在实时监测空间电磁环境状态变化的基础上，探索地震前后电离层响应变化的信息特征及其机理，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。
(2)工程目标。建设重点监测中国全境，并能获取全球电磁信息的试验卫星及其地面、应用系统，检验卫星电磁监测新技术设备的效能和空间适应可靠性。
(3)应用目标。对中国及其周边邻近区域开展电离层动态实时监测和地震前兆跟踪；开展全球7级以上地震、中国6级以上地震电磁信息分析研究，总结地震电离层扰动特征，开展大地震短临预报的判定指标研究，为大震预测研究、预报实践提供有价值的前兆信息；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。
围绕目标，需要实现星上各个载荷的独立同步观测。由于系统设计复杂性高、平台载荷耦合因素多并且存在较多的新技术运用等因素，对卫星的任务分析设计提出了非常大的挑战。
在任务设计层面，卫星除了需要考虑常规的卫星设计要素外，还重点综合考虑了卫星的探测对象以及对应的相互作用，包括地磁场、低频磁场、等离子体、高能粒子等，图1为卫星在等离子体中运动的尾迹效应原理图与有限元仿真结果对比图。
在全面梳理所有载荷的任务特性与探测机理后，共梳理出卫星在磁控制、电位控制、结构布局要求、能源以及热控等方面共16个设计要求。卫星系统为了满足载荷需求，进行了一系列的深度优化，特别是为了满足磁洁净度、电洁净度的要求，对大量成熟平台产品进行了改进，并且专门制定整星洁净度控制规范对卫星研制模式进行调整，最终保障了整星的磁、电洁净度等性能，并确保了在轨载荷的协同有效观测。
3 卫星系统设计方案
张衡一号卫星基于CAST2000小卫星平台，使用CZ-2D火箭发射，运行于高度507 km、降交点地方时为14:00的太阳同步轨道。卫星起飞质量约730 kg，整星功耗约900 W，设计寿命5 a(Shen 等，2018)。卫星有效载荷由8种科学探测仪器组成，包括电场探测仪、感应式磁力仪(Cao 等，2018)、高精度磁强计、朗缪尔探针、等离子体分析仪、GNSS掩星接收机、三频信标发射机、高能粒子探测器(Ambrosi 等，2018)，同时还搭载了1台由意大利研制的高能粒子探测设备。整星每天能够获取17.6 h的科学探测数据，具备全天时进行南北纬65°区间内连续探测的能力。
卫星采用对地三轴稳定的姿态方式、USB体制的测控系统以及码速率120 Mbps的X频段的对地数传，卫星使用GPS配合星地测控实现定位授时，并采用+Y侧的单太阳电池阵和80 Ah的蓄电池联合保障整星能源供应。星上共配置了6根伸杆，其中2根4.5 m长铰链式伸杆用于高精度磁强计和感应式磁力仪探头的伸展，其余4根4.15 m长卷筒式伸杆用于电场探测仪探头的伸展，最大程度降低卫星本体对载荷传感器的电磁干扰。卫星的载荷与伸杆布局如图2所示。
卫星的主要性能指标如表1所示。
表 1 张衡一号卫星主要性能指标
Table 1 Main specifications of CSES satellite
| 项目 | 技术性能指标 |
| 轨道 | 轨道类型：太阳同步轨道 |
| 轨道倾角：97.4° | |
| 降交点地方时：14:00 | |
| 回归周期：5 d | |
| 寿命期内的轨迹漂移不超过150 km | |
| 质量 | 724 kg |
| 卫星尺寸 | 发射状态最大包络：Φ2850 × 2016 mm |
| 在轨机构展开后跨度：10495 mm | |
| 姿态控制 | 姿控方式：对地三轴稳定 |
| 指向精度：三轴≤0.1°(3σ) | |
| 测量精度：三轴≤0.05°(3σ) | |
| 姿态稳定度：0.005°/s(3σ) | |
| 测控 | 体制：USB |
| 遥控码速率：2000 bps | |
| 遥测码速率:16384 kbps | |
| 数传 | 频段:X频段 |
| 下行码速率:码速率120 Mbps | |
| 固存容量:160 Gbit | |
| EIRP:19.3 dBW | |
| 国境内及周边数据实时下传 | |
| 等电位要求 | 通常等离子体条件下： |
| 卫星本体任意两点之间电位差优于1 V | |
| 卫星本体的绝对电位优于±2 V | |
| 磁洁净度 | 保证高精度磁强计的三轴测量精度优于1 nT |
| 寿命 | 不小于5 a |
| 可靠性 | 寿命末期可靠度不小于0.6 |
4 星上有效载荷
发射张衡一号卫星，是为研究地球系统各圈层相互作用及其效应、发展地震电离层前兆信息提取算法、探索地震电离层信息特征及其机理、探索建立具有自主知识产权的地磁场模型和电离层模型积累观测数据，实现地震监测从点到面的突破，构建对地球物理场的3维、连续、动态、实时观测，全面提升国家防震减灾业务能力和科学研究水平，增强空间天气预警、电波环境监测和空间科学研究的能力。因此星上的8个载荷主要分为3大类：
(1)电磁类。包括高精度磁强计、电场探测仪和感应式磁力仪，具体信息见表2。
表 2 电磁类载荷主要性能指标
Table 2 Main specifications of electromagnetic payloads onboard CSES satellite
| 载荷名称 | 主要参数 | 研制单位 |
| 感应式
磁力仪 |
频带：10 Hz—20 kHz | 北京航空航天大学 |
| 灵敏度：5.0×10–5 nT·Hz–1/2@
2 kHz |
||
| 电场探
测仪 |
频带：~DC-3.5 MHz | 兰州空间
技术物理研究所 |
| 典型分辨率：1 μV/m
(~DC-16 Hz) |
||
| 灵敏度：优于
0.1 μV·m–1·Hz–1/2 |
||
| 高精度磁强计 | 频带：DC~15 Hz | 中国科学院空间
科学与应用中心 |
| 分辨率：0.15 nT | ||
| 灵敏度：0.05 nT·Hz–1/2@1 Hz |
(2)原位类。包括等离子体分析仪，朗缪尔探针和高能粒子探测包，具体信息见表3。其中，等离子体分析仪由离子漂移计、离子捕获计、阻滞式分析仪3个探头组成。高能粒子探测包分为高能段探头、低能段探头和X射线探头3部分。同时，在星上还搭载了意大利空间局提供的高能粒子探测器，探测高能段粒子。
表 3 原位类载荷主要性能指标
Table 3 Main specifications of insite payloads onboard CSES satellite
| 载荷名称 | 主要参数 | 研制单位 |
| 等离子体
分析仪 |
离子成份：H+、He+、O+ | 中国科学院空间科学与应用中心 |
| 离子密度：5×102—1×107 cm–3 | ||
| 离子温度：500 —10000 K | ||
| 朗缪尔
探针 |
电子密度：5×102—1×107 cm–3 | 中国科学院空间
科学与应用中心 |
| 电子温度：500—10000 K | ||
| 高能粒子
探测器 |
能谱：质子能谱：2—200 MeV
电子能谱：100 keV—50 MeV |
中国科学院高能
物理研究所 |
| 典型投掷角分辨率：5° | ||
| X射线探测能区：1—20 keV |
(3)结构类。包括GNSS掩星接收机和信标机，信息见表4。GNSS掩星接收机能够接收导航卫星的直达信号、电离层掩星信号和大气掩星信号。信标机依靠星上发射信标信号，通过地面的信标接收机接收信号，获取电离层的TEC、闪烁和电子密度等信息。
表 4 结构类载荷主要性能指标
Table 4 Main specifications of Structure payloads onboard CSES satellite
| 载荷名称 | 主要参数 | 研制单位 |
| GNSS掩星
接收机 |
工作频带：GPS：L1/L2BD-
2：B1/B2 |
航天恒星科技
有限公司 |
| 采样率：20 Hz/100 Hz | ||
| 信标机 | VHF/UHF/L频段(150 MHz/
400 MHz/1067 MHz) |
中国电子科技集团公司
第二十二研究所 (中国电波传播研究所) |
5 卫星的关键技术特点与创新设计
5.1 卫星轨道设计
在综合考虑卫星对空间电磁场、电离层等离子体、高能粒子的探测任务需求后，选取了轨道高度为507 km的太阳同步轨道，降交点地方时选择了下午14:00，轨道回归周期为5 d，每5 d星下点轨迹相同，卫星一个5 d周期的星下点轨迹如图3所示，在一个回归周期内能够实现全球约500 km空间分辨率的观测(Anderson和Smith，1994；Bilitza，2006；ESA，2008)。
为了减小寿命期内由于太阳引力摄动引起的倾角变化及其带来的地方时漂移影响，卫星首次在轨实现了地方时和倾角双偏置的轨道设计方案，能够保证在不进行倾角主动调整的条件下5 a寿命期内地方时偏差不超过12 min。
为了更好实现对国内地震带的覆盖监测，卫星针对中国地震带进行了地面轨迹优化，并特别设计了轨迹捕获策略来完成轨迹对准。中国的地震带除了南北地震带、山西地震带、郯庐地震带和台湾地震带等是南北走向外，其他基本上是东西或近东西走向，张衡一号卫星倾角为97.4°，因此，校准后的卫星轨迹能够确保在最大程度上实现过顶角度覆盖南北走向的地震带，从而能够更好地对国内的地震带形成回归覆盖观测。
目前卫星已经于2018年3月15日完成了轨迹捕获和对准工作，配合卫星轨迹维持能够达到寿命期内轨迹漂移误差不超过50 km的水平，为地震带的回归观测奠定良好的基础。
5.2 特殊工作模式设计
为了满足有效载荷提出的在探测期间停止卫星机构转动和停止卫星磁卸载的要求，将卫星的工作模式分为载荷工作模式和平台调整模式两种。在载荷工作模式下，平台帆板停转、磁卸载停止，最大限度保证平台对有效载荷的扰动；在平台调整模式中，有效载荷停止工作，平台帆板对日跟踪来补充能量，同时进行动量轮的磁卸载来保证整星的三轴零动量稳定系统的平衡。
卫星在工作模式的界限划分中选择了地理坐标系的南北纬65°为模式分界线。图4 中使用黄色界线给出了工作模式区域的划分情况。此外卫星针对中国陆地全境和周边以及全球两个主要地震带设计了详查模式来进行重点观测，图4中采用绿色区域标记了卫星按照5°经纬度网格在轨的详查区域选取情况，每天详查区域工作时间长度约为2 h，除了覆盖中国全境和周边区域外，还满足了环太平洋和地中海—喜马拉雅两大地震带的观测需求。
5.3 磁洁净度设计
为了满足磁场的优于1 nT的高精度探测，在进行系统测量误差分解后，整星的磁洁净度控制目标转化为卫星在磁传感器处产生的不可控磁场干扰不大于0.5 nT。在此控制目标指导下，卫星研制团队自主摸索研发并实现了贯穿卫星研制全流程的磁洁净度控制保证技术，对整星剩磁、感磁以及变化磁场等方面进行了严格地控制。
2015年5月25日—2017年5月15日，卫星利用磁平静时间系统开展了整星磁标定试验，试验现场如图5所示，磁标定试验结果表明整星干扰不确定度达到了0.33 nT的水平，能够保障磁场探测载荷在轨的高精度探测任务。
5.4 电洁净度设计
张衡一号卫星上配置了原位等离子体探测载荷，为保证整星的电洁净，必须将卫星对周围环境的影响降到最低，基于工程探测任务分析也提出了卫星本体绝对电位优于±2 V的严苛要求。卫星与等离子体交互作用复杂，电位控制难度很大，特别是太阳电池阵电池片间正电极的电压将从周围的等离子体环境中吸收大量的电子，给卫星整体电流平衡带来很大的影响。研制团队自主开发了基于蒙特卡洛分析和数值模拟的低轨卫星电位分布仿真系统，并基于仿真结果制定了卫星全研制周期的电洁净度控制规范，利用卫星发射前阻抗网络实测数据对整星在轨电位进行了仿真预估，典型的整星绝对电位的分布情况如图6所示。结果表明在张衡一号卫星轨道的通常等离子体条件下，整星在18个不同飞行状态的绝对电位优于–1.45 V，能够为等离子体探测载荷提供良好的电洁净度条件。
5.5 伸杆机构设计
张衡一号卫星上配置了铰链式和卷筒式两种共6根伸杆展开机构，两种伸杆的展开长度大于4 m，在国内均为首次研制，其中两根铰链式伸杆分别用于感应式磁力仪和高精度磁强计的探头，4根卷筒式伸杆用于电场探测仪的探头，这也使张衡一号成为国内配置伸杆展开机构最多的卫星。研制团队在伸杆机构的开发过程中克服了研制生产、地面验证、在轨状态仿真预估等各个方面的困难，如图7所示为卷筒式伸杆机构的卷筒组件成型试验图。星上全部6根伸杆在卫星发射后均成功展开到位锁定，为载荷的高精度探测提供了保障。
6 结 语
作为中国地震立体监测体系的首个天基电磁平台，也是地球物理场探测卫星计划的首发星，张衡一号卫星首次将电场、磁场、等离子体、高能粒子等多种有效载荷集成在同一个卫星上，并针对任务特点对卫星进行了一系列的特殊设计优化，结合自主研发的全流程磁电洁净度控制技术实现了卫星的磁洁净度与电洁净度保证，将CAST2000平台应用能力拓展到了空间探测领域。
在卫星系统设计验证过程中突破了一系列关键技术，特别在卫星特殊轨道设计、工作模式设计、磁洁净度、电洁净度以及伸杆机构设计等方面积累了丰富的经验。目前卫星正处于在轨测试阶段，根据迄今完成的性能测试初步评价认为：卫星平台电磁洁净度满足设计要求，各载荷性能指标总体满足设计要求。相信通过卫星全面获取的有关地球磁场、电离层电子、离子密度温度以及高能粒子的观测数据，将填补中国在地震监测领域中天基监测的空白，推动中国地震监测预报科技化水平的发展，为中国建立自主的全球模型奠定必要的基础数据，并为导航、通信等领域提供数据服务。
参考文献(References)
-
Ambrosi G, Bartocci S and Basara L. 2018. Seismo-induced perturbations of the inner Van Allen belt: the particle detector of the CSES mission for the investigation. Science China (SERIES E-Technological Sciences), [R]NASA:USA, 643–652
-
Anderson B J and Smith R E. 1994. Natural orbital environment guidelines for use in aerospace vehicle development. NASA-TM-4527. NASA
-
Bilitza D. 2006. The international reference ionosphere-climatological stand-ard for the ionosphere. RTO-MP-IST-056. NASA
-
Cao J B, Zeng L, Zhan F, Wang Z G, Wang Y, Chen Y, Meng Q C, Ji Z Q, Wang P F, Liu Z W and Ma L Y. 2018. The electromagnetic wave experiment for CSES mission: search coil magnetometer. Science China Technological Science, 61 (5): 653–658. [DOI: 10.1007/s11431-018-9241-7]
-
ESA. 2008. ECSS-E-ST-10-04C Space engineering·space environment. Paris: ESA
-
Fidani C and Battiston R. 2008. Analysis of NOAA particle data and correla-tions to seismic activity. Natural Hazards and Earth System Sciences, 8 (6): 1277–1291. [DOI: 10.5194/nhess-8-1277-2008]
-
Liu J, Zhang X M, Novikov V and Shen X H. 2016. Variations of ionospheric plasma at different altitudes before the 2005 Sumatra Indonesia Ms7.2 earthquake . Journal of Geophysical Research: Space Physics, 121 (9): 9179–9187. [DOI: 10.1002/2016JA022758]
-
Pulinets S A, Boyarchuk K A, Hegai V V, Kim V P and Lomonosov A M. 2000. Qua-sielectrostatic model of atmosphere-thermosphere-ionosphere coupling. Ad-vances in Space Research, 26 (8): 1209–1218. [DOI: 10.1016/S0273-1177(99)01223-5]
-
Pulinets S and Ouzounov D. 2011. Lithosphere-atmosphere-ionosphere coupling (LAIC) model－an unified concept for earthquake precursors validation. Journal of Asian Earth Sciences, 41 (4/5): 371–382. [DOI: 10.1016/j.jseaes.2010.03.005]
-
Shen X H, Zhang X M, Wang L W, Chen H R, Wu Y, Yuan S G, Shen J F, Zhao S F, Qian J D and Ding J H. 2011. The earthquake-related disturbances in ionosphere and project of the first China seismo-electromagnetic satellite. Earthquake Science, 24 (6): 639–650. [DOI: 10.1007/s11589-011-0824-0]
-
Shen X H and Zhang X M. 2017. The spatial distribution of hydrogen ions at topside ionosphere in local daytime. Terrestrial Atmospheric and Oceanic Sciences, 28 (6): 1009–1017. [DOI: 10.3319/TAO.2017.06.30.01]
-
Shen X H, Zhima Z, Zhao S F, Qian G, Ye Q and Ruzhin Y. 2017. VLF radio wave anomalies associated with the 2010 Ms 7.1 Yushu earthquake. Advances in Space Research, 59 (10): 2636–2644. [DOI: 10.1016/j.asr.2017.02.040]
-
Shen X H, Zhang X M, Yuan S G, Wang L W, Cao J B, Huang J P, Zhu X H, Piergiorgio P and Dai J P. 2018. The state-of-the-art of the China seismo-electromagnetic satellite mission. Science China Technological Sciences, 61 (5): 634–642. [DOI: 10.1007/s11431-018-9242-0]
-
Tao D, Cao J B, Battiston R, Li L, Ma Y, Liu W, Zhima Z, Wang L and Dunlop M W. 2017. Seismo-ionospheric anomalies in ionospheric TEC and plasma density before the 17 July 2006 M7.7 south of Java earthquake . Annales Geophysicae, 35 (3): 589–598. [DOI: 10.5194/angeo-35-589-2017]
-
Xu W Y. 2003. Geomagnetism[M]. Beijing: Seismological Press: 98 (徐文耀. 2003. 地磁学[M]. 北京: 地震出版社: 98)
-
Zhang X, Fidani C, Huang J, Shen X, Zeren Z and Qian J. 2013. Burst increases of precipitating electrons recorded by the DEMETER satellite before strong earthquakes. Natural Hazards and Earth System Science, 13 (1): 197–209. [DOI: 10.5194/nhess-13-197-2013]
-
Zhang X, Shen X, Parrot M, Zeren Z, Ouyang X, Liu J, Qian J, Zhao S and Miao Y. 2012. Phenomena of electrostatic perturbations before strong earthquakes (2005-2010) observed on DEMETER. Natural Hazards and Earth System Science, 12 (1): 75–83. [DOI: 10.5194/nhess-12-75-2012]
-
Zhang X M, Shen X H, Zhao S F, Liu J, Ouyang X Y, Lou W Y, Zeren Z M, He J H and Qian G. 2016. The seismo-ionospheric monitoring technologies and their application research development. Acta Seismologica Sinica, 38 (3): 356–375. [DOI: 10.11939/jass.2016.03.004] ( 张学民, 申旭辉, 赵庶凡, 刘静, 欧阳新艳, 娄文宇, 泽仁志玛, 何建辉, 钱庚. 2016. 地震电离层探测技术及其应用研究进展. 地震学报, 38 (3): 356–375. [DOI: 10.11939/jass.2016.03.004] )
