張衡一號電磁衛星在軌情況及主要的科學成果

澤仁志瑪，劉大鵬，孫曉英，楊艷艷，趙庶凡，顏 蕊，張振霞，黃 河，楊德賀，王 婕，楚 偉，王 橋，許 嵩，胡云鵬，林 劍，譚 巧，黃建平，魯恒新，郭 峰，周 娜，李文靜，申旭輝

應急管理部國家自然災害防治研究院，北京 100085

0 引 言

眾所周知地球電磁場、重力場、電離層結構和相關的模型是認識地球各圈層特性及演變過程的重要媒介，是監測自然災害的直接手段.地球物理場也是重要的戰略信息資源，地球物理場的改變會對重要生命線系統和高科技設施等帶來明顯影響甚至破壞性作用.因此人類渴望能夠早日實現系統地觀測地球物理場，充分認識其變化規律.1960年左右，人類對地球物理場的探測從地表擴展到了空間，蘇聯、美國等先后發射了Intercosmos 系列、MAGSAT、ORSTED、DEMETER、SWARM 星座等為代表的電磁衛星、地磁衛星和以CHAMP、GRACE、GOCE 等為代表的重力衛星.地球物理場衛星探測技術的發展改寫了人類對地球物理場狀態的認識，人類先后獲得了全球地磁場、重力場及電離層環境觀測信息，開始逐步嘗試將地球物理場衛星觀測應用于自然災害監測預警、通信導航、國防安全等諸多領域.

在自然災害監測領域，最早在1964年阿拉斯加地震期間，科學家首次發現當衛星飛越震中上空時可以捕捉到異常的電磁輻射現象（Pulinets et al.,2018）.自此，大量衛星、地基聯合研究不斷證明了巖石圈的地震、火山、人類活動引起的電磁擾動能夠從巖石圈耦合到電離層空間（Larkina et al.,1989）.2000年左右，很多國家均將電磁監測衛星列入航天發展計劃：如俄羅斯2001年發射的Predvestnik-E 衛星、2001年和2006年發射的 COMPASS-I、II 衛星；美國2003年發射的QUAKESAT 衛星，法國2004年發射的DEMETER 衛星.其中法國DEMETER 衛星是最成功的地震電磁監測衛星（Parrot et al., 2006）.DEMETER 衛星的主要科學目標是研究由地震、火山噴發以及人類活動（如電力線諧波輻射、甚低頻發射機、廣播站）引起的電離層擾動.

跟隨DEMETER 衛星的腳步，我國于2003年啟動了地震電磁衛星計劃.經過十年科學論證，2013年國家批準了我國首顆電磁監測試驗衛星工程，又經過五年攻關研制，于2018年2月2日我國首顆自主研制的電磁監測試驗衛星張衡一號成功發射（Shen et al., 2018a, 2018b）.張衡一號電磁監測試驗衛星英文名稱為China Seismo-Electromagnetic Satellite，簡稱CSES 或者ZH-1(01).迄今張衡一號衛星在軌穩定運行4年多，在軌飛行超過22 400圈，各科學載荷在軌狀態穩定.中國資源衛星應用中心地面系統和應急管理部國家自然災害防治研究院應用系統保障了科學數據產品高效產出和及時共享.張衡一號衛星的科學數據通過其數據共享網站（https://leos.ac.cn/數據服務，中英文版）或者離線方式提供共享服務，此外張衡一號衛星數據可以根據合作單位協議，提供直接連續推送服務，目前已經向中國地震科學數據中心、中國空間科學數據中心、國際地球觀測組織（GEO）中國秘書處及亞太空間合作組織等多個機構定向提供標準產品服務.

1 張衡一號電磁衛星簡介

張衡一號電磁衛星計劃的科學目標是監測全球空間電磁場、電離層等離子體、高能粒子沉降等，為地震機理研究、空間環境監測和地球系統科學研究提供新的技術手段.張衡一號電磁衛星計劃包括三個階段任務：第一階段是發射一顆試驗衛星，開展地震監測試驗研究，該衛星于2018年發射，簡稱張衡一號01 星.第二階段的任務是發射一顆同類電磁衛星張衡一號02 星，以“技術成熟，提供穩定產品與服務”為主要特征，用以滿足地震監測和全球基本地球物理場信息資源業務應用需求.張衡一號02 星軌道和載荷配置繼承張衡一號01 星設計并做適當優化，衛星設計壽命由5年增加至6年，觀測區域由01 星的南北緯65°以內拓展到全球范圍，具備南北極地區觀測能力.目前張衡一號02 星工程建設工作正按計劃有序推進，衛星計劃于2023年發射入軌.第三階段的任務是計劃在“十四五”期間推動張衡一號03 衛星星座的立項，推進地球物理場衛星應用及天地一體化系統研制建設與業務運行，初步建成全球和“一帶一路”沿線重大自然災害監測預警業務系統和全球地球物理場監測系統.

張衡一號01 星共配置八種有效載荷：感應式磁力儀（Cao et al., 2018）、高精度磁強計（Zhou et al., 2018）、電場探測儀（Huang et al., 2018）、GNSS 掩星接收機（Lin et al., 2018）、等離子體分析儀（Liu et al., 2019）、朗繆爾探針（Liu et al.,2019）、高能粒子探測器（Li et al., 2019）和三頻信標機（Lin et al., 2018）.衛星設計運行于高度507 km 的太陽同步軌道，軌道傾角97.4°，降交點地方時14:00，軌道回歸周期5 天，衛星設計壽命5年.張衡一號01 衛星提供的標準科學數據產品類型如下：

（1）總磁場DC-15 Hz 的三分量矢量和標量數據；

（2）變化磁場10 Hz～20 kHz，共計三個頻段ULF/ELF/VLF 波形和頻譜數據；

（3）空間電場DC～3.5 MHz，共計四個頻段ULF/ELF/VLF/HF 波形和頻譜數據；

（4）電離層等離子體原位電子密度：5×102～1×107cm-3，電子溫度：500～10 000 K；

（5）電離層等離子體原位離子成分：H+、He+、O+，離子密度：5×102～1×107cm-3， 離子溫度：500～10 000 K，離子漂移速度： -3～3 km/s；

（6）電離層高能質子通量和能譜數據：2 MeV～200 MeV；

（7）電離層高能電子通量和能譜數據：25 keV～600 keV；

（8）電離層等離子體及大氣層結構層析成像數據：TEC、電子密度剖面、大氣壓強、溫度、折射率等.

2 張衡一號電磁衛星數據質量評估

張衡一號電磁衛星科學目標是監測地震等自然災害，要想從空間電磁場擾動中提取可靠的地震前兆信息，科學數據的可靠性和準確性是最重要的一步.因此張衡一號電磁衛星團隊在電磁衛星數據定標和質量控制方面做了大量的研究.

在電磁場觀測載荷方面，Zeren 等（2022a）交叉定標了高精度磁強計、感應式磁力計和電場儀三個載荷在重疊觀測頻段上具有良好的一致性，論證了衛星授時系統和電磁場載荷之間的采樣時間差異，發現了電磁場ULF/ELF 頻段采樣較穩定的時間差并提出了高精度同步方法；Yang 等（2022）利用張衡一號衛星三年數據統計分析了電場儀和感應式磁力儀在VLF 頻段上的采樣時間差穩定地維持在0.5 s 以下，并提出了VLF 頻段詳查模式下電磁場波形數據精確時間同步算法.胡云鵬等（2020）研發了張衡一號電磁波的波矢量分析工具包，提供波形頻譜變換、奇異值分解（SVD）方法以及Poynting 能流計算功能，并通過與DEMETER 衛星的對比觀測研究，驗證了張衡一號衛星在電磁場觀測方面具有良好的性能.Yang 等（2021b）對高精度磁強計數據產品中的磁力矩器、三頻信標機以及出地影等磁干擾標簽和磁干擾分布特征進行了全面分析，并通過與同期在軌的Swarm 衛星、CHAOS 模型以及地面觀測等開展了多源數據質量評估，并對科學數據增加了質量標簽.

在等離子體觀測載荷方面，Yan 等（2020）利用張衡一號衛星與Swarm 衛星三年同步觀測數據以及地基非相干散射雷達（ISR）觀測數據，交叉檢驗了朗繆爾探針探測數據，證實了其數據質量真實可靠，但是電子密度絕對值存在一定的差異.Yan 等（2022）發現了衛星表面材料導電性能已隨著衛星在軌壽命增加出現退化，進而引起科學數據變化的情況，重新發布了帶有質量標簽的數據；關于衛星表面材料退化等問題已在后續張衡一號02星的研發過程中采取了相應的解決方案.針對等離子體分析儀入軌4 個月后出現的污染情況，通過對VLF 地面發射站、強地磁暴、強地震引起的三種典型電離層擾動事件觀測情況評估了其科學數據質量（劉大鵬等, 2021; Liu et al., 2021），結果表明等離子體分析儀觀測數據的相對變化可適當用于科學應用.

在能量粒子觀測載荷方面，Li 等（2019）和Picozza 等（2019）分別對國產和意大利高能粒子探測器的載荷性能和在軌科學數據做了詳細的分析，評估了載荷參數以及地面、在軌標定結果，并利用NWC 電子沉降帶的典型事例以及對空間天氣的響應情況進行了分析，證實了這兩種載荷良好的一致性.Chu 等（2018）研究了磁暴期間的高能電子通量的變化發展，證實了張衡一號衛星能量粒子探測載荷具備不同空間天氣條件下的觀測能力.

在電離層結構觀測載荷方面，Wang 等（2019,2020）和Lin 等（2018）利用COSMIC 衛星、非相干散射雷達以及5 個不同經緯度的電離層垂直測高儀數據，對張衡一號衛星GNSS 掩星接收機峰值密度和峰值高度及電子密度廓線進行了交叉檢驗和質量評估，證實了掩星接收機峰值密度和峰值高度及電子密度廓線與COSMIC 衛星、非相干散射雷達以及電離層垂直測高儀的相關一致性，能夠反映出電離層特征客觀變化.

這些數據定標工作表明張衡一號電磁衛星與其它衛星觀測結果一致，具備良好的數據質量，可為地球物理、空間物理等相關領域持續提供可靠的數據支撐.

3 空間地球物理場建模方面的進展

3.1 全球地磁場參考模型

2019年9月，Yang 等（2021a）利用張衡一號數據，綜合考慮地磁內源場、外源場以及磁場長期變化項，利用球諧分析方法，構建了最大截止階數為15 階的全球地磁場參考模型CGGM 2020.0，模型空間分辨率約3 000 km（Yang et al., 2021a），并提交至國際地磁與高空物理聯合會（IAGA）.最終經IAGA 組織國際同行專家評估認為該模型符合國際全球地磁參考場（IGRF）建模精度要求，并入選第十三代IGRF 模型計算（已于2020年發布）.成為自1900年IGRF 建模一個多世紀以來唯一由中國科學家牽頭制作且唯一采用中國數據制作的全球地磁場參考模型，也是本次全球12 個入選模型中唯一一個沒有采用歐空局Swarm 衛星數據的模型（Alken et al., 2020, 2021）.該成果填補了我國在相關領域的空白，是我國首次自主構建全球地磁場模型的標志.模型輸出參數包含：（1）15 階主磁場系數，其中前8 階同時考慮時間線性變化；（2）外源場系數包含兩部分：第一部分是來自磁尾電流及磁層頂電流貢獻的系數，求解至2 階；第二部分是來自內磁層環電流的貢獻，系數求解至2 階，其中基線系數每5 天更新一次和每30 天更新一次.目前該模型主磁場系數及模型計算器已在張衡一號衛星數據共享網站（https://leos.ac.cn）發布，供用戶下載使用，用戶可以計算給定時間及位置處的主磁場值.圖1 為張衡一號衛星全球地磁場模型CGGM 2020.0 結果圖.

圖1 張衡一號衛星全球地磁場模型CGGM 2020.0（修改自Yang et al., 2021a）Fig.1 The global geomagnetic field model built by the Zhangheng-1 satellite (modified from Yang et al., 2021a)

3.2 電離層電子密度三維模型

Huang 等（2022）利用張衡一號衛星掩星數據分別在地方時02:00/14:00 點構建了電離層F2 層最大電子密度（NmF2）、峰高（hmF2）、Chapman 等效標高（Hm）三個模型（Huang et al.,2022），如圖2 所示.三個模型很好地重現了張衡一號衛星觀測數據的特征，如季節異常，經度結構等.與張衡一號觀測數據對比，NmF2 模型的誤差在10%左右，hmF2模型的誤差在20 km 以內，Hm 的誤差在6 km 左右.在此基礎上以α-Chapman剖面為基礎建立了電離層電子密度3D 模型CSES_ionPrf_model，該模型描述了電子密度隨太陽活動水平、地方時、經緯度以及季節的變化.利用CSES_ionPrf_model 和IRI 模型重現第三方數據的最小均方根誤差分別為1.07×105/cm3和1.7×105/cm3，相關系數分別為0.907 和0.885.說明CSES_ionPrf_model 對電離層電子密度的模擬能力優于IRI 模型，尤其是對頂部電離層電子密度結構的描述能力，表現在CSES_ionPrf_model 能重現IRI 模型無法模擬出的赤道異常雙峰融合現象.我們通過一個強磁暴事件和CSES_ionPrf_model 提供的背景電子密度對比（Huang et al., 2022），評估結論認為CSES_ion-Prf_model 可以作為參考工具，為張衡一號衛星多載荷進行聯合觀測研究提供背景依據.未來隨著張衡一號01 星數據的積累以及02 星的發射，更多的數據將會加入到CSES_ionPrf_model中來，屆時該模型描述高太陽水平條件下電離層的能力將會大大提升.

圖2 張衡一號衛星電子密度三維模型在春分時節電子密度隨高度的演變情況（修改自Huang et al., 2022）Fig.2 Evolution of electron density with height at the springequinox revealed by Zhangheng-1 satellite electron density 3D model (modified from Huang et al., 2022)

4 張衡一號衛星記錄的地震空間電磁異?，F象

自張衡一號衛星2018年發射以來，張衡一號衛星團隊科研人員對全球7 級以上、全國6 級以上地震開展跟蹤監測研究，在保證科學客觀的前提下探索地震前后電離層響應變化信息特征.截止到2022年4月30日，張衡一號衛星共觀測了全球7級以上地震53 個，中國境內6 級以上地震19 個.對于每個震例，團隊利用張衡一號衛星的多載荷多物理量開展對比分析，并聯合紅外高光譜衛星數據、地基GNSS 觀測深入分析.關于張衡一號電磁衛星常規數據預處理和地震電離層信異常信息分析方法詳見Zeren 等（2022b）.常規的分析方法包括單軌道觀測分析、多軌道（重訪軌道）分析、背景場分析、多源星地遙感數據綜合對比等.如圖3a 顯示了2019年4月24日西藏墨脫6.3 級地震前3 天電子密度顯著增強（單軌道分析結果），圖3b 是地震電離層異常探測率隨震級增大，以及隨發震時刻接近而增大（圖3c）的統計結果（Li et al., 2020）.

圖3 張衡一號衛星記錄的地震電離層擾動事件（a）及初步統計結果（b, c）（修改自Li et al., 2020）Fig.3 The seismic-ionospheric disturbance events recorded by CSES (a) and the preliminary statistical results (b,c) (modified from Li et al., 2020)

在事件分析方面，Liu 等（2021）發現2018年8月21日委內瑞拉MS7.3 地震前5 天，在震中西南方約50 km 處同時出現電子密度、氧離子密度數值大幅升高現象，離子垂向漂移速度由空對地方向迅速反轉為地對空方向，擾動持續范圍約110 km.Huang 等（2022）發現在2021年9月8日墨西哥7.1 級地震前5～6 天，電子密度、氧離子密度變化均超過了50%，同時頂部電子密度與底部電子密度都有較大幅度的增加，三類不同載荷在同一時間段內都顯示了相似的結果.Wang 等（2022）對2021年5月21日云南漾濞6.4 級地震和青?，敹?.4 級地震進行了震前回溯分析與震后跟蹤分析，發現震前1～10 天出現了超過20%異常變化，震后5 天恢復平靜.Piersanti 等（2020）以及Marchetti等（2020）利用CSES 衛星發現了地震電離層前兆現象，深入探討了地震電離層耦合機理.在統計分析方面，Li 等（2020）和Zhu 等（2021）利用疊加時序分析統計法，對張衡一號衛星和DEMETER 衛星的長期等離子體觀測數據進行了統計研究.結果表明：MS≥5 地震對應的夜側電離層異常擾動明顯；與地震相關的異常變化主要發生在震前約1～7 天和13～15 天，以及距離震中200 km 范圍內.

根據這些震例的跟蹤研究及統計分析，初步認為張衡一號衛星能夠記錄與地震相關的異?，F象.根據我們的經驗積累，認為地震電離層異?，F象的探測能力會隨著觀測數據時間分辨率的增高以及地震震級的增加而增強，但會隨著震源深度的增加而降低；擾動現象在地震發生當天出現的可能性最高，并會隨震前時間的增大而逐漸降低.但也必須注意，并不是每次地震都會在預期的時空范圍內出現異常，利用單一參量開展地震預測研究仍是巨大的挑戰.因此，利用電磁衛星觀測數據開展更多、更深入的研究是非常必要的.研究地震-電離層機制需要涉及地球物理學、大氣/電離層物理學、地球化學/大氣化學等多學科知識，已有研究成果尚處于初步階段，呼吁國內外科學家對這個最具挑戰性的科學問題開展研究（Zeren et al., 2022b）.

5 張衡一號衛星對空間天氣事件的響應能力

當前，空間天氣災害已經成為影響社會經濟的重要因素.1989年加拿大魁北克大停電事故、2011年日本3·11 地震后GPS 導航信號中斷、2017年北美颶風災害期間應急通信系統失效等多起重大災難事故表明：輸電線路、油氣管線、在軌飛行器等的安全運行以及應急通信導航環境管理，越來越依靠空間天氣環境和空間天氣災害的動態監測預警.

張衡一號衛星在軌期間，各個載荷在磁暴前后的觀測證實了該衛星具備對空間天氣災害事件及時精準響應的能力.如2018年8月發生的大磁暴是張衡一號衛星發射以來遇到的第一個、也是迄今為止最大的磁暴（Dst 值到達-174 nT）.如圖4 所示，張衡一號衛星的電磁場、等離子體、能量粒子等共計8 類載荷都觀測到了磁暴初相、主相和恢復相期間地球物理場參量的擾動.Yang 等（2020）利用地球總磁場數據估算了Dst 地磁暴指數，其結果與Swarm 衛星和地基地磁觀測數據的估算具有較好的一致性；通過對磁暴前后氧離子密度數值變化進行時序分析，可見氧離子密度與Dst 指數變化趨勢具有較高的一致性（Liu et al., 2021）.Piersanti 等（2021）利用張衡一號電磁衛星、Swarm 衛星和THEMIS 衛星發現了一個巨大的等離子體泡，并提出了其觸發機制.

圖4 張衡一號衛星對2018年8月26日強磁暴期的響應情況（修改自Yang et al., 2020; Zeren et al., 2020; Zhang et al., 2021）Fig.4 The response capability of Zhangheng-1 satellite to the Aug.26, 2018 geomagnetic storm (modified from Yang et al., 2020;Zeren et al., 2020; Zhang et al., 2021)

磁暴期間還觀測到了ELF/VLF 頻段具有上聲調的準周期擾動現象以及能量粒子注入現象（Zeren et al., 2020），Zeren 等（2021）研究了電磁場、能量粒子在磁暴演化期間的變化情況，發現磁暴期間電磁場6 kHz 以下，能量粒子1.5 MeV 以下增強現象居多.Zhang 等（2020）通過張衡一號衛星和其它衛星聯合觀測，發現磁暴期間內、外輻射帶大量的高能粒子通量增強并填充了槽區，哨聲波在極低磁殼層加速相對論電子現象，與準線性波粒耦合數值模擬具有很好的一致性，磁暴期間還觀測到由于磁場彎曲散射導致內輻射帶外邊界的高能質子發生了丟失現象（Zhang et al., 2021）.此外，張衡一號衛星搭載的太陽X 射線監測器也觀測到了太陽耀斑和日冕物質拋射期間，X 射線的增強和太陽質子事件的發生.這些太陽活動的觀測結果與NOAA 衛星、GOES 衛星的觀測結果具有很好的一致性（Wang L et al., 2022）.

6 巖石圈-大氣層-電離層圈層耦合

雖然大量觀測證實了地震相關的地球物理場、化學場的改變能夠耦合到空間，然而如何解開地球物理場在巖石圈-大氣層-電離層之間的耦合過程目前仍舊是難題.在這個圈層里，地殼的地震活動、地球表面的甚低頻發射站、人類活動、大氣層的閃電活動、風暴潮等相互作用（Liu et al, 2021; 袁靜等, 2021a, 2021b; 趙庶凡等, 2017），形成一個復雜的體系.

為研究地震活動激發的超低頻/極低頻電磁波信號跨圈層傳播過程，趙庶凡等（2017）建立了基于反射系數和波模遞歸的電磁波跨圈層傳播全波計算方法，計算出了巖石圈-電離層波導及電離層中的電磁場變化，并應用該模型對比了地面VLF 人工源在DEMETER 和張衡一號衛星高度激發的電磁場，驗證了模型計算效果（Zhao et al., 2019）.如圖5 所示，Zhao 等（2021）進一步發展了超低頻/極低頻電磁波跨巖石層-大氣層-電離層傳播模型，并研究了位于巖石層不同類型輻射源在衛星高度激發的電磁場強度，通過與張衡一號衛星載荷探測靈敏度比較，證實了張衡一號衛星電磁場載荷探測地震低頻電磁異常的能力；基于跨圈層傳播模型研究了不同高度的電離層擾動對衛星和地面觀測的影響，研究結果表明低電離層的擾動對衛星高度的電磁場強度有顯著影響（Zhao et al., 2020a, 2020b, 2020c）.

圖5 基于全波方法的低頻電磁波傳播模型與張衡一號衛星觀測比較（修改自Zhao et al., 2019, 2021）Fig.5 The full-wave propagation model of the low-frequency electromagnetic waves model and comparison with CSES's observations (modified from Zhao et al., 2019, 2021)

大氣層的閃電活動也能被張衡一號衛星清晰記錄下來，為了有效從海量電磁場數據中識別閃電事件，袁靜等（2021b）建立了機器學習訓練庫，分別提出了計算機圖像視覺自動識別閃電算法（袁靜等，2021a）、智能語音技術智能識別閃電算法（袁靜等，2022），極大提升了基于張衡一號衛星電磁場數據開展閃電哨聲波電離層研究的效率.Liu等（2021）對南北半球VLF 信號發射功率最大的澳大利亞NWC 站（1 000 kW）和美國NAA 站（885 kW）引起的電離層加熱擾動現象進行了研究，發現等離子體多種參量在發射站上空區域均同步出現了影響范圍約數百千米的加熱擾動現象.另外張衡一號衛星觀測能夠良好地反映出巖石圈磁異常特征（Wang et al., 2021），位于非洲中部Bangui 磁異常、中國陸域分別位于塔里木盆地、四川盆地、松遼盆地附近的3 個高值磁異常和1 個位于青藏高原南部的低值磁異常都能夠被張衡一號衛星清晰地反映出來，其觀測結果與CHAOS-7 地磁場模型具有良好的一致性.

7 討論及結論

張衡一號電磁衛星是中國地震立體觀測體系的天基觀測平臺，其科學目標是獲取全球電磁場、電離層等離子體、高能粒子觀測數據，對中國及其周邊區域開展電離層實時動態監測和地震前兆跟蹤，彌補地面觀測的不足，探索地震監測預測新途徑.張衡一號衛星系列的第一顆科學試驗衛星于2018年2月發射，目前在軌穩定運行4年多，產出了翔實的地球物理場觀測數據；第二顆衛星是業務衛星，預計2023年初發射.張衡一號衛星數據定標和質量控制方面已有大量工作，分別論證了電磁場、等離子體、能量粒子和電離層結構觀測載荷的可靠性，這些研究結果表明張衡一號電磁衛星與其它觀測結果一致，具備良好數據質量.

在科學產出方面，基于張衡一號的全球地磁場參考模型空間分辨率達3 000 km，經國際地磁與高空物理聯合會組織評估認定，該模型符合國際全球地磁參考場（IGRF）建模精度要求并選擇其參與2020年的第十三代IGRF 模型計算，成為自IGRF構建一個多世紀以來唯一由中國科學家牽頭制作且唯一采用中國數據制作的全球地磁場參考模型.另外我們利用張衡一號掩星數據構建了電離層電子密度3D 模型CSES_ionPrf_model，可以描述電子密度隨太陽活動水平、地方時、經緯度以及季節的變化.這兩個模型可以作為參考工具，為認識地球物理場變化提供背景依據.

地震預測作為一個世界性科學難題，其主要原因之一在于大地震的小概率特性.張衡一號衛星以其全球觀測能力，能夠有效捕捉到比地面觀測系統多得多的觀測震例，從而為探索地震預測科學理論和方法，提供全新的數據和方式.張衡一號衛星團隊科研人員對全球7 級以上、全國6 級以上地震開展跟蹤研究，在保證科學客觀的前提下探索地震前后電離層響應變化信息特征及其機理.根據震例的跟蹤研究及統計分析，初步認為對于絕大部分強地震，張衡一號衛星均記錄到了與地震相關的電磁波和等離子體異常擾動現象，其中，7 級以上地震的探測概率比較高，并且隨著發震時刻臨近，可能檢測到的概率也明顯提高.

對于空間天氣事件，我們利用多載荷聯合研究了空間天氣物理過程，證實了該衛星具備了對空間天氣災害事件及時精準響應的能力.當前，空間天氣災害已經成為影響現代技術系統穩定運行和社會經濟可持續發展的重要因素.1989年加拿大魁北克大停電事故、2011年日本3·11 地震后GPS 導航信號中斷、2017年北美颶風災害期間應急通信系統失效等多起重大災難事故表明：輸電線路、油氣管線、在軌飛行器等安全運行，應急通信導航環境管理，越來越依靠空間天氣環境和空間天氣災害的動態監測預警.張衡一號衛星在軌運行及其系列發展，將配合我國其他已有和在建觀測系統有效形成高壓輸電線路等生命線工程的空間天氣災害效應和極端條件下應急通信導航環境監測預警能力.

張衡一號衛星觀測數據能夠良好地反映出巖石圈磁異常特征、甚低頻發射站及閃電活動.基于張衡一號衛星海量觀測，開展了大量數學物理模擬，構建了基于全波方法的低頻電磁波跨圈層傳播模型.證實地下低頻電磁波能夠穿透巖石圈和電離層到達衛星高度，精細仿真了低頻電磁波傳播滲透特征，發展了低頻電磁波跨電離層傳播滲透模型，為提升張衡一號衛星數據應用效能、發展天基隱伏地物探測技術、規劃發展下一代地球物理場探測衛星、完善地球系統科學理論奠定了科學基礎.

綜上，這些研究結果表明張衡一號電磁衛星與其它觀測結果一致，具備良好數據質量，可為地球物理、空間物理等相關領域持續提供數據支撐.