2008年4月，申旭輝在“張衡一號”衛星計劃用戶需求大會上作報告

1976年7月28日拂曉，河北唐山。一場“沒有任何徵兆”的災難襲擊了這裡，強度高達芮氏7.8級的大地震瞬間讓這座曾經充滿生機的城市變成了滿目瘡痍的廢墟，24萬多條鮮活的生命葬身瓦礫之中。這場災難，連同20世紀接踵而至的重大地震事件，推進了地震預測科學的發展， “地震能否預測？”成為國際科學界面臨的主要難題之一。

“君子以思患而豫防之。”數千年前，人類即開始記錄地震的現象，並逐步展開對地震成因、特徵等方面的研究總結。然而面對“威力巨大”的地震，如何在災難發生前有效預警、最大限度地降低地震帶來的損失，一直是一個世界性的科學難題。時間進入20世紀，隨著“彈性回跳”“板塊構造”學説的興起，地震預測理論和實踐都收穫了一些成果，1975年中國海城地震的成功預報更是給予了學界極大的信心。然而很快，1976年唐山大地震的不期而至，又給了學術界當頭一棒。隨後一系列地震“突如其來”的情況更讓地震預測的相關研究陷入迷茫。1997年，國際地震學界爆發了一張著名的論戰：羅伯特·蓋勒（Robert J. Geller）等4名地震學者聯名在《科學》雜誌發表了《地震無法被預測》的論文。很快，同樣發表于《科學》的一篇名為《地震無法被預測嗎？》的文章，與其打起了“對臺”。就此，相關研究的核心問題回到了“地震是否能被預測”。而對於這個根本性問題，陳運泰院士撰文表態：“慎言不可能。昨日之夢想，今日有希望，明日變現實。”他認為，雖然地震預報現在還有難度，但未來是“可有作為”的領域，應該繼續去探索。許紹燮院士也認為：“地震應可預測。”

2018年，電磁監測試驗衛星“張衡一號”發射升空，打開了飛到天上“看”地震的地震監測新思路，這也讓我國成為世界上少數擁有在軌運作高精度地球物理場探測衛星的國家之一。這顆“星”背後，沉澱著電磁監測試驗衛星計劃首席科學家、工程副總設計師申旭輝二十年如一日的研究時光和辛勤汗水。回首來時路，申旭輝常説：“人生，挺得住，才精彩。”為此，他帶領團隊“白手起家”，將研究從“地下”搬到了“天上”。而如今閃耀于太空的“張衡一號”，亦成為他“昨日之夢想，今日有希望，明日變現實”的最佳注腳。

昨日之夢想：

從零開始的新世界

2003年，世界範圍內有關地震預測的論戰仍在持續，國內學界即已抱定“更進一步”的念頭，不斷探索地震預測研究發展的新方向。當年2月，中國地震局、科技部、國家國防科工局等有關部委聯合在北京召開香山會議，而“震星”一詞則成為這場學術大會當之無愧的主題詞。

統計震例太少、機理認識不清、觀測能力有限且標準不一，是地震預測亟須解決的主要難點問題，而震例太少更是讓相關研究陷入“巧婦難為無米之炊”窘境的最主要原因。“我們可用於研究的數據太少。實際的情況是，我們多年來一直圍著十分有限的破壞性震例做研究，缺乏對地震機制的普適性認知和了解。”申旭輝解釋道。如何突破一時一地的研究限制？就在此時，可提供大範圍、高動態、多參數、不受地麵條件限制觀測且可執行全球統一標準的“空間對地觀測技術”進入專家的視野。

以衛星作為觀測媒介，將觀測範圍拓寬至全球尺度，並克服地面環境條件所帶來的影響，關注地震發生的全過程並將地震全程數據完整地收集起來，統一全球觀測數據標準，是空間對地觀測技術的優勢所在。據統計，中國每3年有2次7級以上地震、每年有4次6級以上地震；而全球每年則有18次7級以上地震。從震例觀測、收集的角度來講，“天上一年，等於地面二三十年”，借由空間對地觀測技術，地震預測研究有望實現跨越式發展，這也是香山會議與會院士殷切呼喚“中國震星”的原因所在。而打造這顆“中國震星”的任務，就交到了致力於中國地震立體觀測系統建立和發展、時任中國地震局分析預報中心科技處處長申旭輝手上。

2010年10月，“張衡一號”衛星工程項目建議書評審會現場

萬事開頭難，對於當時的申旭輝來説尤為如此。“20年前，中國第一次做這類衛星。我們不光‘沒吃過豬肉’，甚至‘沒見過豬跑’。對外要在國際上大量學習，對內要解釋‘震星’的重要性和必要性，確實走過了一段非常艱難的時光。”申旭輝回憶道。甚至由於涉及領域眾多，很多人不能理解“地震是地下的事情，為什麼要到天上去搞？”一次又一次地解釋地震前兆的表現形式、闡釋空間電磁擾動與地震發生具有明顯的相關性，成了申旭輝初始的重要工作內容之一。對於他個人來説，這同樣是一場極大的挑戰，空間對地觀測技術是典型的跨學科交叉融合技術，“惡補知識”也成了申旭輝的常態：“我首先要從地質學去了解地球物理學，還需要了解空間物理學、航太工程和電漿體物理。再加上團隊的管理、調度等一系列工作，我有時開玩笑説，這十多年把自己熬成了一個‘老弱病殘’。”不過，當問及這段“造星”前的艱苦時光，科學、技術、管理3個崗位一肩挑，有過積勞成疾甚至在手術後不到一週就坐著輪椅主持評審會議經歷的申旭輝仍然無悔地表示，這一切都是值得的。“在項目預研的過程中，我們又經歷了一場極為慘烈的大地震。2008年的汶川地震讓我和團隊更加意識到地震預測研究的緊迫性，與法國、俄羅斯、義大利、日本等國展開積極的國際合作也順勢被加入整個項目的進程中。”

經過幾番週折沉浮，在中國地震局、國家國防科工局、發展改革委等部門的大力支援下，申旭輝團隊及其合作單位經過10年沉澱深耕，終於在2013年7月30日早上收穫了好消息：“那天我還在病休中，科工局的朋友給我打電話説，國務院已經批准了中國電磁監測試驗衛星工程項目。”回想當初得知項目通過的瞬間，申旭輝仍然難掩激動：“這10年花了國家很多錢，有一大批人在裏邊奉獻，終於上了一個臺階。我覺得我已經很堅強了，但當時還是控制不住大哭了一場。”

興奮的心情還未散去，申旭輝團隊就緊鑼密鼓地走入了下一個5年——從2013年下半年開始的衛星研製階段。作為一顆承載著重要使命的衛星，中國電磁監測試驗衛星從立項之初就設定了兩個目標：其一，要直接面對地震預測這一科學難題，借助衛星提高地震孕育發生規律的研究和認識，積累地震震例，探索地震短臨預測新方法；其二，越來越多的研究表明自然災害的孕育不是孤立存在的，要以探索地震的多圈層前兆擾動為契機，系統觀測和研究地球岩石層-大氣層-電離層等多圈層、多物理場相互作用。基於這一情況，申旭輝團隊將使用衛星探測及獲取地球地磁場、電磁波、電離層電漿體原位和結構資訊列入“目標清單”。“司南、指南針，這都是很早的人類利用地球磁場性質進行‘導航’的例子。當然，地球磁場的作用遠不止於此。”申旭輝依舊深入淺出地解釋道，“它既可以是指引方向的天然導航基準，也可以是了解地球的一把鑰匙。”據了解，對地球磁場及受到地球磁場和日地相互作用強烈約束的地球電離層的觀測，是人類系統認識地球內部結構、探索地球圈層耦合過程、探查地球資源、解析災害環境變化的重要手段。然而當時，全球地磁場、電離層建模以歐美國家為主，其所提供共用的全球地球物理場空間模型解析度“很差”，“電離層模型在部分地區大概有60%的誤差，這樣産生的數據實際上是沒有太大實際應用價值的”。“關鍵核心技術是要不來、買不來、討不來的”，面對“外來數據不好用”的狀況，申旭輝及其團隊下定決心，要通過自己正在研製的這顆電磁監測衛星，獲取全球地磁場和電離層環境並建立覆蓋全球的高精度、高解析度、自主可控的地球物理場模型，進而研究空間天氣活動及地球岩石層-大氣層-電離層耦合機制，為我國相關領域科學研究提供精準可靠的數據服務。

確定了目標，便只顧風雨兼程。儘管“造星”過程中涉及眾多科學問題、技術問題和工藝問題，走過了“國際合作—國內研製—再國內研製—再國際合作”的曲折過程，申旭輝仍保持著自己的科研初心和堅定信心。在他看來，不斷向前思考、勇於探索未知，是自然科學領域研究者的使命所在。“在我看來，地震預測歸根結底是自然科學問題，而自然科學問題必然有解。回到最初的問題，地震是否能被預測？我認為地震預測是有可能實現突破的，但現在還沒有突破。這就需要新技術、新方法的‘加持’。”而凝結了他多年研究心血和團隊努力成果的中國電磁監測試驗衛星，即將以“新技術、新方法”結合體的形式，開啟中國看世界的全新曆程。

今日之希望：

天基測震顯神通

2018年2月2日15時51分，中國在酒泉衛星發射中心用“長征二號丁”運載火箭成功將“張衡一號”電磁監測試驗衛星發射升空。這顆以候風地動儀發明者張衡命名的衛星，承載著汗水與夢想，正式打開了我國“從空間看地震”的新視野。“這是中國地震立體觀測體系的首發星，也是中國地球物理場探測衛星計劃的第一顆衛星。進入太空後，它的表現將會怎樣？那時候的我很忐忑。”申旭輝回憶，“2018年2月17日，‘張衡一號’衛星在軌開機工作3天后，就成功記錄到墨西哥7.1級地震。這是個特別好的信號，它證明了我們走的技術路線是對的。收到這條記錄，我才放下心來，覺得這個衛星不會太差，對得起國家對我們研究工作的持續支援和投入。”

“張衡一號”01衛星帶來的驚喜遠不止於此。基於“張衡一號”衛星數據，我國成功建立了首個全球參考地磁場模型CGGM 2020.0。模型經國際地磁與高空物理聯合會評估，符合全球地磁參考場IGRF建模精度要求，達到國際同期水準併入選新一代IGRF模型IGRF-13。曾經，中國在IGRF建模領域有長達一個多世紀的“缺位”，而CGGM 2020.0則是IGRF一個多世紀以來唯一由中國科學家牽頭，且唯一完全採用中國數據製作的全球參考地磁場模型。

“張衡一號”衛星發射現場

“張衡一號”衛星發射成功後，申旭輝（右一）與陳運泰院士（中）合影留念

CGGM 2020.0的建立，同樣是一個醒目的里程碑。它標誌我國已經全面掌握全球地磁場建模關鍵技術，填補了我國在全球地磁場戰略資訊資源獲取領域的能力空白，具有重大戰略意義。通過融合多種數據、構建高解析度高精度全球和區域地磁場模型，申旭輝及其團隊正在為應急組合導航、全球資源探查、國家安全，以及“一帶一路”倡議和人類命運共同體建設提供重要的戰略資訊資源保障。

回歸到“看地震”的層面，經由“張衡一號”01衛星的海量觀測數據和由此開展的大量數學物理模擬，申旭輝團隊構建了基於全波方法的低頻電磁波跨圈層傳播模型，系統證實地下低頻電磁波能夠穿透岩石層、大氣層和電離層到達衛星高度，精細倣真了低頻電磁波傳播滲透特徵，修正了前人關於地球岩石層-大氣層-電離層間電磁波傳播問題“高頻波出不來，低頻波上不去”的認識局限，發展了低頻電磁波跨電離層傳播滲透模型。“地表或地下的電磁輻射經過層層‘折損’，到達電離層的電磁波能量可能僅有原始能量的5%，最多不超過10%。這樣微小的能量，在過去的研究中經常被忽略。而現在我們通過衛星的幫助，可以將原本大家都忽略的東西‘抓出來’研究，這就成為我們的特色和優勢，從而獲取一些我們獨有的成果。”申旭輝解釋道。目前，相關成果在理論上將空間對地觀測能力從地表拓展到地下，為發展天基隱伏地物高解析度探測技術、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。

此外，“張衡一號”01衛星還初步證實地震電磁輻射能夠到達電離層高度被衛星接收到，為地震預測科學探索提供了新的途徑。除了在軌工作3天即記錄下墨西哥7.1級地震的“首功”，在隨後近5年的時間裏，“張衡一號”01衛星也兢兢業業地記錄著世界範圍內地震的各項數據。截至目前，“張衡一號”01衛星共記錄到全球7級以上地震50多次、6級以上地震500多次。根據這些震例的跟蹤研究及統計分析，申旭輝團隊初步認為對於大部分強地震，“張衡一號”衛星均記錄到了與其相關的電磁波和電漿體異常擾動現象，6級以上地震的可探測概率達到60%以上；且隨著發震時刻臨近，可能檢測到的概率也明顯提高。地震預測作為一個世界性科學難題，其主要原因之一在於大地震的小概率特性。而“張衡一號”01衛星憑藉其全球觀測能力，得以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，提供了全新的數據和可能。

與此同時，“張衡一號”01衛星服役以來，也成為空間天氣活動的精準記錄者，支撐形成空間天氣災害監測預警能力，為我國通信導航環境管理和重大帶電生命線工程安全運作提供保障。申旭輝強調：“‘張衡一號’是一個新理論、新技術、新工藝、新儀器的集合體，其搭載的很多儀器和技術都屬於國內首例，‘全面突破’是‘張衡一號’不折不扣的主題詞。”具體來講，“張衡一號”衛星各個載荷具備了對空間天氣災害事件的精準響應能力，例如2018年8月發生的大磁暴是“張衡一號”衛星發射以來遇到的最大的磁暴，衛星各個載荷觀測到了磁暴初始相、主相和恢復相的各個階段全球多種地球物理場物理參量的擾動，是全時空尺度觀測和理解空間天氣活動的重要手段。除此之外，衛星在軌期間，發生的火山、日食、海嘯、風暴潮、南大西洋磁異常活動及多種空間電磁波活動也被“張衡一號”01衛星逐一精準記錄，顯示出其在空間天氣災害、極端天氣災害和火山活動監測預警方面的良好應用前景。

提及空間天氣災害監控記錄的重要性，申旭輝為記者介紹了許多“前車之鑒”：1989年冬季加拿大魁北克600萬人停電、2011年日本3.11地震後GPS導航信號中斷46個小時、2017年北美太陽風暴-颶風-地震複合災害期間應急通信系統失效……這些都是空間天氣災害影響現代技術系統穩定運作和社會經濟可持續發展的實證。在這一領域，“張衡一號”01衛星的作用也十分明確：它將形成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，密切配合國家戰略和國家安全需要，為我國“兩個一百年目標”的實現，以及現代技術系統穩定運作提供強大推力。

2020年1月，歐洲空間局局長訪問“張衡一號”衛星中心後留影

儘管是我國地球物理領域的“首星”，“厚積薄發”的“張衡一號”01衛星依然憑藉其優異表現獲得了國內外的一致讚譽。衛星入軌以來，“張衡一號”衛星團隊聯合國內外科研機構，開展了系統的科學研究和廣泛的國際合作，取得豐碩研究成果。2018年2月2日和2019年3月23日，習近平總書記兩次高度評價“張衡一號”01衛星研製和合作成果；榮獲2019年度中國國際科技合作獎的義大利空間局前局長羅伯托·巴蒂斯通教授盛讚“中國科學家是可靠的合作夥伴”；國際大地測量學和地球物理學聯合會地震與火山電磁學跨協會工作組前後兩任主席均表示“熱切期待與‘張衡一號’衛星的合作”。申旭輝不無感慨地説：“現在國際上對中國電磁星的評價很高，説數據非常好。‘張衡一號’衛星也被國際學界稱為‘未來10年地球電磁學研究領域國際合作之橋’。20年圓夢，還能收穫這樣的認可，對於我和我的團隊來説，這既是動力，同樣也是鞭策。除了地震研究，我們還在不斷思考，‘張衡一號’衛星可以參與到哪些其他的應用中？如何讓其在交叉領域發光發熱？想到這些，我們就得繼續前行，一步也不能鬆懈。”

明日變現實：

幸運和勇敢缺一不可

申旭輝常常説，自己是個很幸運的人。“我家有6個兄弟姊妹，生活條件很艱苦，叔伯們也經常勸父母讓我們務農。”然而，中小學教師出身的父親卻並未因此放棄讓孩子們讀書看世界的追求。待到申旭輝上初中時，因他要去遠在10公里外的學校就讀，忙於工作的父親特意勻出時間，每天求學路的半程之處，便成了父親接送他的“渡口”。

辰星與晚霞的交替中，3年倏忽而過，申旭輝憑藉自身的努力把崎嶇的山路走成了坦途，以優異的成績進入湖南省重點中學——新民中學。在這裡，申旭輝遇見了一大批學識淵博、遠見卓識的老師，而這些老師也給求知若渴的申旭輝打下了堅實的基礎。後來，他雖然在高考中失利，但母校河北地質學院（今河北地質大學）給予了這個成績優異的年輕人極大的自由——因為被允許不計考勤分，申旭輝將大量的時間投注到相關書籍的閱讀中。“學校老師甚至給了我一把圖書館的鑰匙，我可以隨時進去看書。那時候我幾乎天天泡在圖書館，從地質學開始不斷學習新的知識。地質學涉及很多基礎理論，我也在這個過程中不斷‘查漏補缺’。數學、物理學的著作，還有一些跟地學有關的經典著作，我基本都在大學4年的時間裏看完了。可以説，高中為我打好了底子，大學給了我一個開放的環境，這才成就了後來的我。”

隨後在中國地震局攻讀碩士和博士期間，導師汪一鵬研究員和丁國瑜院士言傳身教，給予了申旭輝觸摸地質專業前沿研究的機會，並在實踐操作中敢於讓他“放手一搏”，承擔起地質研究與數理模型相結合、地質研究與遙感技術相結合等多項重要項目。“在這個過程中，我得以接觸到不同的研究領域，也獲得了大型項目管理的經驗。”申旭輝回憶道。申旭輝個人的豐富積累、導師的有力引導，以及紮實的科研成果，也成為他被推選為“張衡一號”衛星計劃牽頭人的主要原因——“年輕、有一定學術水準、有交叉學科研發背景和重大項目管理經驗”，這正是當時申旭輝的真實寫照。

而當申旭輝進入“張衡一號”衛星研發團隊時，團隊的有效協作成為他這一階段前行的重要動力。“我們這個團隊實際上工作壓力蠻大的，待遇也並不豐厚，是對科學的熱愛將我們凝聚在一起。現在回想起來，團隊能夠協同發展、並肩作戰，一方面靠的是‘三力’——親和力、執行力、創造力。在我看來，團隊首先要有親和力，沒有親和力就不是團隊；其次團隊一定要有執行力，這是我們研究工作能夠順利完成的根本保障；第三要有創造力，要有求新求變的魄力和膽量，也需試錯認錯從頭再來的勇氣。另一方面就要靠‘三度’，即厚度、寬度、高度。對於團隊中的個人來説，不能人云亦云、隨著大流走，個人也還要不斷地積累厚度，這才是科學家該有的求真態度。如果想要走得遠一些，還需要有一定的寬度，要不斷拓展自己的知識範圍，這也是我的切身體會。此外，還要不斷提升高度，無論是科研水準，或是技術方法，都要有高度的要求。在‘三力’和‘三度’的基礎上，我們分工明確、精誠合作，這也是我們最終能獲得一些不錯成果的根本原因。對於我個人而言，能夠與這樣的團隊合作，是我最大的幸運。”

提及未來發展，申旭輝坦言，“張衡一號”就像自己的團隊一樣，從來不是一個孤立的點，其最終形態也將是一支“並肩作戰、效率高、精度高、服務範圍廣的精銳之師”。目前，“張衡一號”01衛星已經順利完成設計的5年在軌運作任務，並以其優良性能繼續延壽運作，“張衡一號”02衛星及其姊妹星“澳科一號”科學衛星將於近期發射入軌，與“張衡一號”01衛星在軌接續並組網觀測，以提升我國在全球地磁場和電離層環境獲取建模的能力。考慮到我國空間地球物理技術發展趨勢和全球地球物理場建模及其科學數據應用的需求，“張衡一號”衛星在高時空解析度全球地磁場和電磁環境測量、基於量子原理的磁場梯度及梯度張量測量、地球物理場衛星系列發展及地球磁場重力場聯合反演、地球系統科學與地球關鍵帶災害環境效應研究4個方面持續發力，面向全球地殼運動、全球變化、地球系統科學，以及資源調查、環境管理、災害監測預警需求，大力發展地球全系統、多物理場聯合精細反演技術，全面推進和支撐相關領域科技創新。

“張衡一號”衛星高清在軌飛行倣真效果圖

在2018年2月“張衡一號”衛星發射升空時，申旭輝這樣概括自己的研究生涯：“十五載嘔心瀝血，讀數據、窮機理、鑽技術，百千同仁竭力鑄造張衡星；五千天殫精竭慮，問名師、找外援、尋後生，幾代學者聯手共圓科學夢。”他很推崇伽利略的一句話——“追求科學，需要特殊的勇敢。”而他也正是這樣，在數十年如一日的研究中，以自己的赤子之心，長久地踐行著這句箴言。

專家簡介

申旭輝，博士研究生導師，中國科學院國家空間科學中心二級研究員，國際宇航科學院院士，“張衡一號”電磁監測衛星計劃首席科學家、工程副總設計師兼國際科學家委員會主席。兼任國家遙感技術標準化委員會委員、中國地震局科學技術委員會委員、中國地震學會空間對地觀測專業委員會榮譽主任、中國地球物理學會航空航太地球物理專業委員會副主任、中國地球物理學會流體地球物理專業委員會副主任，中國科學院大學、北京航空航太大學、中南大學兼職教授;中法、中意、中歐航太合作電磁衛星聯合工作組中方組長，中歐航太合作重力衛星聯合工作組中方組長，國際地震火山電磁方法委員會—國際大地測量學與地球物理學聯合會執委會委員，國際地磁和高空大氣物理協會—國際大地測量學與地球物理學聯合會中國委員會委員，地球觀測組織中國委員會專家組成員，亞太空間合作組織（APSCO）專家委員會委員。他長期從事空間地球物理、災害遙感及通導遙一體化技術整合研究，承擔了國家重大科技計劃、國家科技支撐計劃、國家重點研發計劃、國家民用航太科研計劃重點項目，以及“973”、“863”和國際合作計劃重點課題，公開發表各類科研論文200余篇，獲省部級科技成果獎3項，發明專利十余項。