科学研究
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电磁监测试验卫星工程
电磁监测试验卫星工程
电磁监测试验卫星工程于2013年经国务院批准立项,卫星子2017年6月完成正样研制,并完成出厂评审工作,2018年2月2日发射入轨,卫星设计在轨运行5年。
(1) 科学目标
提取地震电磁信息 ,研究大震短临预测新方法探索地震发生机制,为地震预报实现突破提供基础。
(2) 工程目标
获取中国和全球电磁场 、等离子体 、高能粒子观测数据;对中国区域进行实时观测;采用新技术 、新设备检验卫星电磁监测技术的效能与可靠性 ,为发展天地一体化地震监测系统提供基础。
(3) 应用目标
①针对全球7级以上地震 、中国6级以上地震的卫星电磁信息进行分析研究 ,总结地震电离层扰动特征 ;②开展试验性地震短临监测,检验卫星电磁信息的预报效能;③为相关领域应用与国际合作提供电磁数据信息服务。
有效载荷配置
根据中国地震电磁监测试验卫星的目标和探测物理量的需求 ,并结合地面地震前兆观测经验以及国外相关卫星发展状况 ,中国第一颗地震电磁监测试验卫星的科学探测载荷包括感应式磁力仪、高精度磁强计 、电场探测仪、G N SS掩星接收机、朗缪尔探针 、等离子体分析仪、高能粒子探测器和三频信标机。在这8种载荷中,感应式磁力仪和电场探测仪用于测量电离层的电磁辐射变化信息 ;高精度磁强计用于测量基本磁场变化 ;等离子分析仪和朗缪尔探针用于测量原位的等离子体参数 ;GNSS掩星接收机和三频信标机用于测量电离层的电子密度剖面和TEC ;高能粒子探测器用来测量电离层的高能粒子通量和能谱。
电磁卫星数据地面验证技术研发
本项目作为我国电磁监测试验卫星工程的重要组成部分,针对电磁监测试验卫星载荷及观测物理量的特点和应用需求,提出卫星数据地面验证方法和技术,为我国电磁卫星的正常运行和观测数据的有效应用提供技术支撑。
研究内容包括四个方面:
(1) 通过对国内外电磁卫星观测数据的统计分析和地震电离层效应机理研究,完善电磁卫星观测理论模型;
(2) 研究卫星在轨运行期间载荷在轨标定、在轨状态检查及交叉检验方法;
(3) 开展数据地面验证方法研究,提出地面验证技术原型系统建设方案,并通过地面验证技术原型系统搭建,验证方案的合理性和有效性;
(4) 开展星地对接试验和卫星在轨测试方法研究,研制地面验证软件原型系统。
目前该项目已基本完成所有研究工作,其中第(3)部分研究内容已完成课题的验收。各项研究成果已在张衡一号卫星应用系统中得以应用,为张衡一号卫星的正常运行和数据的真实性检验提供了支撑。
电离层波导传播模型计算
载荷在轨状态检查
卫星交叉检验
地面验证原型系统
等离子体地面验证软件
电离层电子密度反演验证系统
电磁卫星观测理论模型研究
电磁卫星观测理论模型研究
主要研究内容
1.电离层各参量的震前统计特征分析
基于已有的与地震相关的电离层参量,按照一定的规则进行分类总结,获得电离层参量的变化属性(变化时间、相对震中的时空方位、变化幅度等)与地震(类型、震级等)的统计特征,总结出定性、甚至定量的规律,作为后续数据处理、异常判定的标准参照。
异常特征总结
时间特征:最长的从震前20-30天开始,综合文献阅读的情况(图1),原位等离子体参量异常时间多集中在震前1天-6天,此外,地震当天数小时及震前7、8、9、10、11和2周都有异常出现。
空间特征:电离层原位等离子体参量震前空间异常范围较广,除震中周围有扰动外,其经度上也存在几度-几十度不等的扰动区域,离震中近的轨道扰动较明显,东侧和西侧均可能出现扰动,同时其磁共轭点上也会有一定的响应。此外,磁赤道附近的地震会造成赤道异常的增强及赤道驼峰结构变化等。
幅度特征:都在1倍标准差以上,相对变化从百分之几至百分之几十。
地震类型:海洋地震异常明显于陆地地震,浅源地震异常明显于深源地震。
2、高能粒子对附加电磁场的响应特征分析验证
基于回旋共振波粒相互作用理论的准线性扩散方程模型和径向扩散过程,假定地球磁场是偶极磁场,电磁波能量密度水平均匀,通过数值模拟方法,模拟辐射带的高能粒子受附加电磁波作用,定量计算粒子的投掷角散射效应、磁壳层L上的输运效应,以及进入损失锥的粒子比例大小,最后在局部的经纬度上划分网格,计算波粒耦合前后高能粒子的计数率变化分布。
求解扩散系数及其数值模拟
在共振扩散的限制和相对论构架下,构造场向电磁波的准线性扩散理论的波粒耦合模型。假定电离层是一个冷等离子体,不考虑粒子的热运动,认为背景地磁场是一个偶极磁场模型,只考虑附加电磁场沿场向传播,电磁波具有确定频率和带宽,电磁波功率谱满足高斯分布。推导准线性扩散方程及扩散系数求解过程,得到投掷角扩散系数D⍺⍺、动量扩散系数 Dpp及其之间的交叉相Dαp。然后,利用数值模拟求解的方法, 即交替方向隐格式方法(ADI),计算包含了准线性扩散系数的扩散函数的时间演化形式。具体的理论模型软件流程如下:
图1 原位等离子体参量异常时间分布图
TheoryModel_2.png
遥感地震监测与应急
高分遥感地震监测与应急应用示范系统
通过多平台、多传感器遥感试验与实地测量,并结合震例,分析了不同传感器图像的成像机理与数据特征,研究了典型建筑物、道路等震害光学遥感影像特征、微波后向散射特征、激光点云数据特征;开展了面向对象建筑物震害变化检测技术、基于极化SAR图像的建筑物震害识别技术、基于LiDAR数据的建筑物震害分析与识别技术、基于相位一致性的SAR图像道路震害识别技术以及GIS辅助的道路震害识别技术,综合多源遥感数据,实现了多源遥感数据震害联合分析,形成了系统性的震害综合评估方法体系。可在获得震后遥感影像的2-6小时内,给出灾区准确率达50%的灾情粗评估结果;24小时内给出准确率70%的灾情评估结果;2天内给出准确率达90%的道路/房屋破坏信息提取结果,并用于目标地物的识别与判读,将显著提高我国遥感震害评估精度。
研究成果已在四川芦山地震、甘肃岷县地震、云南盈江地震、云南昭通鲁甸地震、尼泊尔地震等地震应急评估中得到实际应用,具有较好的应用前景。
多源遥感震害机理分析
汶川地震北川、汉旺地震遗址高精度LiDAR地面调查
基于SAR图像变化检测的玉树地震、尼泊尔地震震害建筑物提取结果
震害遥感综合评估技术与示范应用
震害遥感综合评估技术与示范应用
基于SAR图像成像机理,采用相关性变化检测的方法来提取建筑物震害信息,重点研究了相关性与倒塌建筑物之间的对应关系,探索了高分辨率SAR建筑物震害信息分析与提取的工作流程,在此基础上研发用于建筑物震害提取的软件模块,提高SAR卫星数据,尤其是国产高分三号卫星数据在防震减灾业务中的应用水平。
相关性变化检测震害建筑物提取结果
相干性变化检测震害建筑物提取结果
地貌单元纹理特征分析
活动断层雷达图像提取流程
针对高分辨率SAR成像卫星,分析了不同性质活动断裂及相关地貌单元的雷达影像特征,建立了各活动构造要素解译标志,开展活动构造信息分析与提取研究,构建了活动断层及微地貌单元识别提取方法,综合制定了大比例尺活动构造与地貌单元雷达遥感信息提取技术方案与工作流程,提高了国产高分雷达卫星在活断层探测中的应用能力。
亚太地震项目一期
亚太地区地基电离层监测及地震扰动特征研究
本项目旨在发展地震前兆监测技术,弥补区域监测网络的局限性,以减轻一直受地震灾害困扰的亚太地区成员国。基于现有的长期电离层监测站和成员国的研究,建立“亚太地面电离层监测信息共享平台”,为亚太合作组织成员国的地震科学用户和电离层研究用户提供更好的服务。同时基于此共享平台,进行亚太地区的电离层干扰信息提取技术和地震案例研究,以改进亚太地区电离层模型,探索地震地电离耦合机制,并为地震电离层扰动监测提供技术支持。
研究内容包括整合亚太地区所有现有的地面电离层监测资源,建设“亚太地面电离层监测信息共享平台”,为会员国的服务用户提供基于亚太空间合作组织数据管理发布系统。研究电离层断层扫描技术,改进和优化区域电离层模型。开展多源电离层干扰信息提取方法研究,开展强震案例统计分析研究,获得地震电离层时空演化特征。深化地震电离层耦合机理模型。
成果展示
亚太地面电离层监测信息共享平台
亚太地面电离层监测信息共享平台网站:
http://123.127.64.18:8080/igmisp-admin/portal
电离层结构时空演化特征及反演技术
电离层结构时空演化特征及反演技术
张学民 中国地震局地震预测研究所;吴迎燕 中国地震局地震预测研究所;赵庶凡 中国地震局地震预测研究所;刘静 中国地震局地震预测研究所;陈一定 中国科学院地质与地球物理研究所;
本课题通过收集地基磁场、电离层垂测、斜测、COSMIC 掩星观测电子密度剖面、及DEMETER、ROCSAT 和DMSP 系列卫星观测的原位等离子体参量等多种数据源,形成多种参量的原始及二级产品数据集;研发电离层等效电流体系及电导率结构正反演计算软件,构建电离层特征参量的气候学模式及电离层区域预测模型,开展不同高度电离层电磁结构及特征参量的时空演化特征研究,为灾害性空间天气监测及地震监测应用提供了技术支撑。
课题利用全球地磁台站提供的地磁场观测数据,经自然正交分析方法提取太阳静日变化场后,通过球谐分析方法反演出电离层等效电流体系,实现逐月、日、时的快速反演及演示。利用COSMIC 卫星反演的电离层电子密度剖面,同时通过IRI 经验模型来补充空间上数据分布的不足,通过一定的数学方法实现两种数据间的融合,并进一步结合其他经验模型的结果,实现了对全球电离层90-500km 范围内电导率较为实时准确的计算。基于ROCSAT-1、DEMETER、DMSP-F13、DMSP-F15 卫星的离子密度、温度观测数据,利用经验正交函数(EOF)分析方法开展了中低纬顶部电离层离子密度、温度气候学经验模式的建模研究,获得三个高度层次(~600 km、~670 km、~840 km)中低纬顶部电离层离子密度、温度的主要气候学变化特征。
基于各类电离层结构及特征参量计算结果,总结了特征参量的空间分布特征及其随太阳活动指数F10.7 及磁情指数Dst 等的长期及短时响应,获得了特征参量的时空演化特征。通过华北电离层监测网和川滇地区架设的云南普洱和四川乐山的电离层观测,开展了电离层F2 层临界频率对极端空间天气事件的响应情况分析,并基于2009-2013 年电离层斜测数据,构建了遗传算法优化神经网络的中国区域电离层模型,提高了区域模型的预测精度,在背景场构建及电离层扰动信息提取方面发挥了重要作用。
图1 2005年10月1-4日电离层等效电流体系
图2 电离层背景演化模式(左)与实测结果(右)
图3 冬季卫星记录VLF电波空间分布图像(左:日侧;右:夜侧)
图4 中国区域电离层背景场预测模型
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