东半球空间环境地基综合监测子午链简介

东半球空间环境地基综合监测子午链简介
王赤;冯学尚;万卫星;腾云田;窦贤康;史建魁;袁庆智
【摘要】"东半球空间环境地基综合监测子午链"(简称子午工程)是我国空间科学领域开工建设的第一个国家重大基础设施项目. 子午工程利用沿东半球120°E子午线附近和北纬30°N附近的15个综合性观测台站, 运用无线电、地磁、光学和探空火箭等多种探测手段, 连续监测地球表面20～30 km以上到几百公里的中高层大气、电离层和磁层, 以及十几个地球半径以外的行星际的空间环境参数. 它将为我国各类用户提供完整、连续、可靠的多学科、多层次的空间环境地基综合监测数据. 子午工程总投资1.67亿元, 建设期3年, 子午工程整体科学寿命预计超过11年.%A mega-project of science research on space weather monitoring, namely the Meridian Space Weather Monitoring Project (Meridian Project for short), proposed by several research institutes and universities in China has been approved recently by the Chinese government. The construction period of this project is three years, the total investment is 167 million yuan, the scientific life will be more than 11 years. With the objectives of investigating the space weather cause-consequence chain in the solar-terrestrial space, understanding the processes of the catastrophic space weather events, and the regional characteristics of the environment above China's territory so as to help ensuring the safety of space activities such as satellite operation etc., the project will set up a large-scale ground-based monitoring system composed of 15 stations along the longitude of 120°E and the latitude of 30°N.
【期刊名称】《国际地震动态》
【年(卷),期】2009(000)006
【总页数】7页(P32-38)
【关键词】子午工程;空间天气;地基;监测
【作者】王赤;冯学尚;万卫星;腾云田;窦贤康;史建魁;袁庆智
【作者单位】中国科学院空间科学与应用研究中心,北京,100190;中国科学院空间科学与应用研究中心,北京,100190;中国科学院地质与地球物理研究所,北
京,100029;中国地震局地球物理研究所,北京,100081;中国科技大学,合肥,430079;中国科学院空间科学与应用研究中心,北京,100190;中国科学院空间科学与应用研究中心,北京,100190
【正文语种】中文
【中图分类】P35
子午工程由中国科学院牵头，教育部、信息产业部、中国地震局、国家海洋局、中国气象局等共同参与建设，中国科学院空间科学与应用研究中心(简称空间中心)作为项目法人，牵头子午工程具体建设工作。

子午工程项目构想最早形成于上世纪90年代初期，并作为中国空间物理发展规划建议附件于1994年初上报国家科委。

1997年6月国家科技教育领导小组会议纪要确定子午工程为国家重大科学工程。

2005年8 月，国家发改委批复子午工程项目建议书，子午工程项目正式立项。

2005年10 月，子午工程项目领导小组、项目建设工程经理部和项目科技委等项目领导、执行和咨询机构相继成立。

2006年10 月，国家发改委批复子午工程国家重大科技基础设施项目可行性研究
报告，将子午工程列入国家高科技产业发展项目计划。

2007年9 月，中国科学院和国家发改委分别批复子午工程项目建设初步设计和概算，子午工程建设进入实施阶段。

2008年1 月，子午工程开工典礼在京召开，子午工程正式开工建设。

空间已经被普遍认为是地球除陆地、海洋、大气之外的第四环境，与人类活动和发展息息相关。

空间环境一般是指地球表面20～30 km以上的中高层大气、电离层、磁层、行星际和太阳大气。

它是由太阳不断向外输出巨大的能量和物质与地球相互作用形成。

它的形态、结构和变化主要受到太阳活动制约。

此外，地球系统动力学过程，如地震过程和火山活动等，以及人类的各种生产、空间和军事等活动也对地球空间环境施以重要影响，它是空间科学探测与研究的主要空间范围，也是现代人类航天、通信、导航定位和空间军事等高科技活动的重要场所。

空间环境中的地球磁场力线接近地球子午线的分布，太阳电磁辐射(可见光、X射线、紫外辐射等)沿子午线的天顶角效应，以及地球自转和绕日的公转效应，使地
球空间环境具有随时间、随地域的全球三维结构。

它们对磁层结构、电离层结构、带电粒子和等离子体输运过程等起重要的调控作用，使许多基本的物理过程是沿子午圈发生的，随着地球的自转，子午圈上的空间环境将经历白天和黑夜的变化，可以对地球上空的空间环境进行全球扫描。

因而沿地球的子午线经圈配置空间环境监测链，对于了解近地空间环境的全球结构的时间和空间变化规律具有重要的科学意义。

我国空间环境的地基监测历史悠久，但是过去的地基监测多属单个台站对空间环境的特定区域或特定现象进行孤立的监测和研究，没有形成协调统一的观测体系。

子午工程是对沿东半球120°E子午线附近，利用北起漠河、经北京、武汉，南至海
南并延伸到南极中山站，以及东起上海、经武汉、成都、西至拉萨的沿北纬30°N
附近共15个综合性观测台站，建成一个以链为主、链网结合的，运用无线电、地磁、光学和探空火箭等多种探测手段，连续监测地球表面20～30 km以上到几百公里的中高层大气、电离层和磁层，以及十几个地球半径以外的行星际空间环境中的地磁场、电场、中高层大气的风场、密度、温度和成分，电离层、磁层和行星际空间中的有关参数，联合运作的大型空间环境地基监测系统。

子午工程为研究空间环境中灾害性天气变化规律，为我国航天、通信、导航和国家安全等高科技领域的空间天气预报和服务的需求，提供观测和科学的基础。

3．1 子午工程的目标
子午工程的科学目标是了解空间环境中的灾害性空间天气的变化规律，逐步弄清我国东经120°E子午链附近和30°N纬度链上空空间环境的区域性特征和全球变化的关系，与天基探测相结合，建立相应的空间天气因果链模式，发展综合性的预报方法，做出有重要原始性创新的科学成果。

子午工程的工程目标是建设与国际接轨，由具有世界先进水平的空间环境监测系统(包括非相干散射雷达、激光雷达、全天空成像光学干涉仪和探空火箭等大型先进科学装置)、数据与信息系统、研究与预报系统组成的东半球120°E附近空间环境地基综合监测子午链。

未来将通过国际合作和西半球60°W附近的子午链构成环绕地球一周的、完整的空间环境地基监测子午圈，监测地球空间环境的全球变化。

子午工程的应用目标是为我国社会各类用户提供子午工程的地基观测数据、有关的空间天气模式、产品和成果;为减少或避免空间和地面技术系统以及人类健康遭受灾害性空间天气的损伤和破坏、为提高我国空间天气预报能力和服务水平做出重要贡献。

3．2 子午工程主要性能指标
(1)监测东经120°子午线附近(北起漠河，经北京，南到海南并延伸到南极中山站)和北纬30°附近(东起上海，西至拉萨)我国区域内地表及上空从20 km到1000
km范围的中高层大气、电离层、磁层和行星际空间环境参数以及全球变化及其变化。

(2)利用网络准实时(不超过25小时)传输子午工程各台站(除南极中山站)监测数据。

数据处理能力达到每日10 GB，三年实现有效存储达到12 TB。

在50个并发用户下，5 MB的数据下载时间不超过2分钟。

(3)具有独立开展研制空间天气预报模式的能力，预测提前量至少为1天。

提供相
应的空间天气业务初级产品和预报产品，日处理数据6 GB以上，每天给出空间天气的预报、警报或现报，满足专门用户的需求。

3．3 子午工程的建设内容
遵循空间环境变化的规律在子午工程初步设计以科学目标、工程目标和应用目标为指引，采取总体设计、分布实施、逐步到位和适度超前的设计思想。

整个工程到从台站布局选址和监测仪器的选择;到监测数据的汇集、加工处理和存储与数据服务;
再到数据的分析、研究建模;最后形成空间天气预报产品，提供预报服务，实现子
午工程的科学、经济和社会效益。

子午工程按照了解空间环境变化规律的要求，组织多个监测台站和多种不同类型的科学装置，对空间不同层次的环境进行同时性监测、研究和预报。

子午工程的对象是整个空间环境，需要考虑空间环境现象的空间特性——不同地域上空及不同空
间层次上现象的空间特征;相关特性——不同地域上空及不同空间层次的现象间的
相关性;时间特性——空间环境中不同现象有一定的时序因果关系，既有长期变化
也有突发性的瞬时变化。

子午工程的总体设计必须考虑上述基本特性。

子午工程建设的系统按功能分为空间环境监测系统、数据与通信系统和研究与预报系统。

子午工程系统组成如图2所示。

子午工程空间环境监测系统主要利用分布于东经120°附近的11个台站和北纬30°附近的4监测台站，采用地磁(电)、无线电、光学和探空火箭等监测手段，随着地
球的自转在子午链上对地表、中高层大气、电离层和行星际实现三维立体观测。

空间环境监测系统由四个分系统组成:地磁(电)监测分系统;无线电监测分系统;光学监
测分系统;探空火箭综合监测分系统。

地磁(电)分系统对地磁场进行绝对观测和相对观测、地磁脉动观测、空间电场、地球内部感应电场监测。

无线电监测分系统采用无线电手段监测中高层大气、电离层和行星际等空间环境。

光学监测分系统采用钠荧光/瑞利激光雷达、全天空气辉成像仪、光学干涉仪和极光光谱仪，实现台链覆
盖区域的中高层大气的环境要素的联合观测。

在海南建立以探空火箭为中心的我国低纬度空间环境综合监测站。

数据与通信系统把分散在东经120°E和北纬30°N附近的15个地面台站的95台
监测仪器有机地联系在一起，实现地面台站的联合观测、数据传输和数据集中存储。

数据与通信系统包括三个分系统:数据通信分系统、数据库分系统和数据服务分系统。

为了促进空间科学领域重大科研产出和满足空间天气预报的需求，子午工程建设研究与预报系统进行监测数据的综合利用。

研究与预报系统由科学运行、研究建模和预报服务三个分系统组成。

科学运行分系统负责整个系统的日常管理，制定子午工程科学监测计划，协调各台站空间天气信息的探测;通过研究建模分系统结合已有
探测数据(如天基探测数据、气象探测台网数据和全军水文信息网数据)，为进行空间天气过程和规律的研究提供数据基础;建立空间天气预报模式，生成相应的空间
天气初级产品;预报服务分系统通过数据与通信系统，获得空间环境监测系统监测
数据，结合已有的数据信息，经过加工处理，为公众、民用、军用提供空间天气预报产品和服务。

空间环境监测系统、数据与通信系统和研究与预报系统紧密相联，构成一个有机整体，共同实现子午工程科学和应用目标。

空间环境监测系统是子午工程的基础，子午工程空间环境监测数据全部由该系统提供。

系统、准确的监测数据是研究与预报
系统发现空间天气规律、保证空间天气产品真实有效的前提。

数据与通信系统是连接空间环境监测系统和研究与预报系统的桥梁和纽带，它利用现代通信技术把空间环境监测系统的监测数据汇集到各个节点站，并传送至子午工程数据中心。

研究与预报系统对空间环境监测台站下达科学监测计划;研究与预报系统以数据与通信系
统存储的空间天气科学数据为基础开展空间天气研究和建模，配合国家有关业务部门开展空间天气预报保障服务。

三大系统的关系在一定程度上好比人体的肢体、神经和大脑，空间环境监测系统如同肢体感受外界环境的变化;数据与通信系统仿佛
传递信息的神经网络;研究与预报系统就是子午工程的大脑。

3．4 承建单位承担任务
子午工程由隶属七部委的十二家法人单位共同承担建设，具体承担任务如下表1
所示。

子午工程为我国社会各类用户提供子午工程的地基观测数据、有关的空间天气模式、产品和成果;为了减少或避免空间和地面的技术系统以及人类健康遭受灾害性空间
天气的损伤和破坏，为提高我国空间天气预报能力和服务水平做出重要贡献，为我国构建和谐社会、发展高科技保驾护航。

子午工程对我国空间环境地基综合监测系统的建设具有基础性、先导性的作用，它为在空间天气国际前沿重大自主创新提供平台，对于发展我国空间科学、增强综合国力、提高国家安全保障能力具有重要的意义，并可为国际空间科学合作做出重大贡献。

子午工程将为我国建设独立自主的空间环境监测体系和空间天气保障体系奠定重要的地基方面的基础，符合我国赢得空间优势和信息优势，提高国家安全保障能力的战略需求，更加加强国家重大基础设施建设、增强综合国力、提高国家创新能力的一项重要举措。

子午工程建设由中国科学院牵头，成立子午工程项目建设领导小组(简称领导小组)、下辖项目建设工程经理部和项目科学技术委员会(简称科技委)，对子午工程项目建
设进行管理和指导。

领导小组是工程的领导机构，由中国科学院分管副院长任组长，成员包括国家发改委、各参加部委职能部门负责人和工程挂靠单位中国科学院空间中心负责人。

领导小组下设办公室，负责日常联络和沟通。

项目建设工程经理部是工程的实施机构，挂靠空间中心，空间中心即项目法人。

项目建设工程经理部设总经理、总工程师、总经济师和总工艺师，其成员由领导小组审批。

科技委是工程建设的科学与技术咨询机构，由相关科技领域学术造诣高的学者、专家组成。

科技委听取工程进展情况报告，研究工程中出现的重大关键科技问题并提出建议，确保工程建设能够实现预期的科学设想和目标。

工程建设过程中实行合同管理。

有关管理和共享政策可以保证实现观测数据的共享。

以子午工程为基础，通过国际合作，向北延伸至俄罗斯，向南经过澳大利亚等国，并和西半球60°经线附近的子午链构成第一个环绕地球一周的空间环境监测子午圈，可实施由中国科学家率先创意并具有牵头引领地位的“国际空间天气子午圈计划”。

这对大幅度提升我国在日地关系这一重要基础科学领域的国际地位具有重要战略意义，将使我国成为世界空间领域的先进国家之一。

国际空间天气子午圈计划将对增强全球空间环境监测能力具有深远的意义，其建成后将实现以下目标:协调全球空间天气联测及共同研究;向全世界科学界提供可使用
的观测数据;支持基于空间天气科学公关和观测所需的密切协作;推动空间科学和技
术的公众教育和科学普及。

子午工程于2008年1月5日正式开工建设，将在3年内完成子午工程建设任务，包括建成15座空间环境地基监测站，配置一批具有国际先进水平的空间环境监测设备;建设数据与通信系统完成监测设备数据的汇集、处理、发布、共享;建设研究
与预报系统开展空间天气变化规律和应用模式研制，配合开展空间天气预报与保障服务。

子午工程整体科学寿命预计超过11年。

子午工程建成后组建“国家空间天气科学中心”，负责子午工程的运行管理和发展，成立由国内外著名的空间天气监测专家组成的学术委员会，协助理事会确定中心的重要研究领域和发展方向，审议中心运行的目标、任务，以及国际、国内联测计划等重大科学事项，并提出咨询意见和建议。

成立用户委员会，保证数据的共享共用，充分发挥数据效益。

国家空间天气科学中心所属各台站的运行管理参照科学技术部“国家实验室”的运行管理模式，实行开放、流动和竞争的机制，联合全国空间天气领域的监测、研究力量，充分发挥子午工程基础设施的支撑作用，使其成为开展空间天气高水平基础研究和应用基础研究、聚集和培养优秀科学家、开展学术交流的重要基地，获取空间天气研究的原始创新成果和自主知识产权，使其逐步成为该领域有重要国际影响的科学研究中心。

(作者电子信箱，袁庆智:yqzh@cssar．ac．cn)。