Ground-based comparative observation system in China Seismo-Electromagnetic Satellite mission
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摘要: 针对我国即将发射的电磁监测试验卫星观测物理量和观测频段， 结合我国现有地基观测基础和对比观测需求， 本文提出了地面对比观测系统设计方案， 包括观测对象、 观测频段和观测区域的选取以及台网布局方式． 在此基础上， 根据该方案在甘肃省天祝前兆台阵区域建立了古丰、 寺滩和坪城等3个台站的地面对比观测原型系统， 并取得了电磁场的初步观测资料． 对观测资料的分析结果表明， 地电场和地磁场观测数据呈典型的日变化形态， 具有较好的同步性和一致性， 能够真实地反映小区域地电场和地磁场的变化． 该结果可为今后开展试验性的星地联合观测和建立我国地震电离层立体监测体系提供技术支撑.Abstract: Considering satellite observation physical quantities and frequency-bands of China Seismo-Electromagnetic Satellite (CSES) as well as present situation of ground-based observation and comparative observation requirements in China, this paper proposed a design scheme for ground-based comparative observation system in CSES mission. According to the design scheme, three ground-based comparative observation systems Gufeng, Sitan and Pingcheng were established in Tianzhu area of Gansu Province, and preliminary observation data of electric field and magnetic field were obtained. The data analysis results show that the curves of electric field and magnetic field exhibit typical diurnal variation waveform with good synchronization and consistency, which can really reflect the intensities of electric and magnetic fields as well as their changes in a small region. Therefore, the result provides technical basis for satellite-ground joint observation and develop of stereo seismo-ionospheric monitoring system.
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Keywords:
- CSES /
- observation system /
- comparative observation /
- prototype system /
- electromagnetic field
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图 2 垂直地电场观测系统建设示意图
Figure 2. Schematic diagram of vertical geo-electric field observation system
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图 3 2015年7月13日寺滩、 坪城和古丰3个台站的地磁场(B)三分量相对变化曲线
Figure 3. Relative change curves of geomagnetic field observation recorded by the stations Sitan (blue lines), Pingcheng (red lines) and Gufeng (green lines) on 13 July 2015
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图 4 2015年7月12日古丰台地电场相对变化曲线
Figure 4. Relative change curves of geo-electric field observation recorded by Gufeng station on 12 July 2015
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图 5 2015年7月12日地电场南北测向相对变化曲线
Figure 5. Relative change curves of geo-electric field observation in NS direction recorded by the stations Gufeng (green lines), Sitan (blue lines) and Pingcheng (red lines) on 12 July 2015
表 1 中国电磁监测试验卫星的载荷配置和探测物理量
Table 1 Payloads and detected physical quantities of CSES
探测对象 载荷配置 探测物理量 探测频段或范围 高精度磁强计 磁场强度 DC—15 Hz 电磁场 感应式磁力仪 磁场强度 10 Hz—20 kHz 电场探测仪 电场强度 DC—3.5 MHz GNSS掩星接收机 TEC， 峰值电子密度 三频信标发射机 TEC， 峰值电子密度 电离层
等离子体离子密度 102—107 cm-3 等离子体分析仪 离子温度 500—10000 K 朗缪尔探针 离子成分 O+， H+， He+， N+ 电子密度 102—107 cm-3 电子温度 500—10000 K 高能粒子 高能粒子探测器 质子通量 1.5—200 MeV 电子通量 0.2—10 MeV 
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表 2 地面对比观测系统的观测仪器配置和观测物理量
Table 2 Instruments and detected physical quantities of ground-based comparative observation system
观测对象 地面观测仪器 观测物理量 观测频段 地电场仪 电场强度 DC—0.01 Hz 电磁场 电磁扰动仪 电场强度， 磁场强度 DC—20 Hz 磁通门磁力仪 磁场强度 DC—15 Hz 等离子体 GPS/北斗接收机
电离层垂测仪电离层参数
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表 3 磁通门磁力仪技术指标
Table 3 Technical indicators of flux gate magnetometer
测量分量 地磁场三分量(Bx， By， Bz) 测量范围 (-65 knT， 65 knT) 频带/Hz DC—15 采样率/Hz 60 分辨率/nT 0.1 噪声水平/nT ≤0.1(RMS)
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表 4 电场仪技术指标
Table 4 Technical indicators of geoelectric field instrument
电压准确度/mV ±(0.1%读数+0.02%满度) 电压分辨力/μV 优于10 动态范围/dB ≥100 输入阻抗/MΩ ≥10 频带范围/Hz DC—0.01 测量范围/V (-1， 1) 工频共模抑制比/dB ＞146 工频串模抑制比/dB ＞80 测量通道数 26 采样率/(次·分-1·道-1) 1
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表 5 电磁扰动观测仪技术指标
Table 5 Technical indicators of electromagnetic disturbance instrument
通带范围/Hz DC—20 采样率/Hz 100 主机 通道数 6 (三分量磁场+三分量电场) 动态范围/dB ≥80 分辨力 电场优于1 μV/m, 磁场优于0.01 nT 频率范围/Hz DC—20 磁传感器 输出灵敏度/(mV·nT-1) ≥10 当10<f<100 Hz
≥1 当0.1<f<1 Hz
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Bleier T, Dunson C. 2005. ELF magnetic field monitoring of the San Simeon M6.4 quake from both QuakeSat and a ground network[C/OL]//Proceedings of the International Workshop on Seismo-Electromagnetics. [2015-11-10]. http://www.calmagnet.com/research/pdf/QuakeFinderIWSE.pdf.
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