子午工程

子午工程是利用东经120度子午线附近，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度纬度线附近现有的15个监测台站，建成一个以链为主、链网结合的，运用地磁（电）、无线电、光学和探空火箭等多种手段的监测网络。这一大型空间环境地基监测系统由中国科学院牵头，国家发展和改革委员会、国家地震局以及信息产业部等七个部委都参与了这一项目。2011年5月7日7时整，“子午工程”首枚探空火箭发射成功。2012年10月23日，子午工程通过国家验收，为载人航天等提供空间环境保障。

1、立项背景

随着中国航天和空间技术的发展，对自主空间环境保障提出了日益迫切的需求。“子午工程”是我国“十一五”中期投资建设的一个能够在地面持续运行的、综合性的、跨区域的大型空间环境观测网络。工程综合运用地磁（电）、无线电、光学和探空火箭等多种手段，连续监测地球表面20公里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参数，将为增强我国空间科技的创新能力，保障空间活动安全做出贡献。

工程可行性研究报告专家评审会

“子午工程”最初的构想始于1993年。1995年，中国科学院、信息产业部、教育部、中国地震局、国家海洋局联合正式向国家提出建设子午工程的建议。项目建设领导小组组长为中国科学院副院长曹健林。

1997年6月，国家科技教育领导小组会议确定子午工程为国家重大科学工程。

2005—2007年，国家发展和改革委员会先后批复子午工程项目建议书、可行性研究报告和初步设计，将子午工程列入国家“十一五”重大科技基础设施项目。

2008年1月5日，子午工程正式开工建设，工程总投资1.672亿元，建设期为2008年1月——2011年1月，工期3年，整体科学寿命预计超过11年。

2、工程简介

中山站，以及东起上海、经武汉、成都、西至拉萨的沿北纬30°纬度线附近现有的15个监测台站，建成一个以链为主、链网结合的，运用地磁（电）、无线电、光学和探空火箭等多种手段，连续监测地球表面20——30km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。

超视距雷达工作原理示意图

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、中国气象局等共同建设，空间科学与应用研究中心为项目法人，牵头负责具体建设工作。项目建设领导小组组长为中国科学院秘书长*刚，吴季主任担任项目建设工程经理部总经理兼项目建设领导小组办公室主任，王赤副主任担任项目建设工程经理部副总经理兼总工程师。

3、项目介绍

在地球表面20公里以外的空间，尤其是在太阳和地球之间经常发生磁暴、太阳风等空间灾害性事件。这些事件就像地球上的狂风暴雨一样，不但会造成地球上的通讯中断等问题，还会危及航行其间的航天器和航天员的安全。为了了解空间环境灾害性天气变化规律、我国上空环境的区域性特征，更好地保证卫星的安全，“东半球空间环境地基综合监测子午链”（简称子午工程）的建设列入了国家重大科学工程建设计划。子午工程是一个大型空间环境地基综合监测系统，将为我国建立独立自主的空间环境监测和保障体系奠定重要基础，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意义，并可为国际空间科学合作做出重大贡献。

子午工程由中国科学院、教育部、信息产业部、中国地震局、国家海洋局、中国气象局等院（部、局）所属有关单位共同参加项目建设，中科院空间科学与应用研究中心担任项目法人，总投资约1.7亿元。

4、监测范围

子午工程主要监测的空间范围是从20-30公里以上到几百公里的中高层大气和电离层，以及十几个地球半径以外的行星际空间。

主要监测参数包括：

1、地表：地磁场、电场、宇宙线强度；

2、中高层大气：风、密度、温度、成份、气溶胶、波动、太阳辐射等；

3、电离层：电子和离子的浓度、温度、运动、频高图、不均匀结构等；

4、磁层：密度；

5、行星际：太阳风等离子体速度。

5、技术特点

关键技术

子午工程涉及了非相干散射雷达技术、高频相干雷达技术、中高层大气激光雷达技术、行星际闪烁探测技术、全天空干涉成像技术，以及通信和数据传输及处理技术等多项前沿关键技术。

工程先进性

子午工程在世界上是跨度最长（跨越地球纬度范围达130°）、功能最全、综合性最高的子午监测链，为世界仅有，可进行其它国家和地区难于开展的国际最前沿课题的研究。此外，它还体现了：

全球性——形成唯一可环绕地球一周的空间环境监测子午圈；

地域性——充分体现中国上空环境特性研究，为了解全球近地空间环境变化必不可缺；

综合性——综合无线电、地磁、光学、宇宙线、火箭等多种科学装置和手段进行多学科综合研究。

6、目标

科学

激光雷达

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，逐步弄清中国境内东经120°子午链和北纬30°纬度线上空的空间环境的区域性特征和全球变化的关系，与中国的“双星”计划（主要观测磁层）、有关应用卫星的搭载等天基空间探测系统相结合，构成分工合作、相辅相成的关系，通过各监测系统协同工作，可以全面获取空间环境各种信息，建立相应的空间天气因果链模式，发展综合性的预报方法，为做出有重要原创性的科学成果提供监测基础。

工程

子午工程的工程目标是建设与国际接轨、具有世界先进水平的东经120°附近空间环境地基综合监测子午链。它包括非相干散射雷达、激光雷达、全天空气辉成像仪和探空火箭等大型先进科学装置，以及空间物理学科的科学数据系统和研究与预报系统。在此基础上，通过国际合作与西经60°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，来监测地球空间环境的全球变化。

应用

子午工程的应用目标是为我国社会各类用户提供完整、连续、可靠的多学科、多空间层次的空间环境地基综合监测数据，以及有关的空间天气模式、产品和成果。

积极参加国内外有关单位共同开展的空间天气预报和服务，为减少或避免空基和地基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。

7、三大系统

空间环境监测

子午工程系统由地磁（电）分系统、无线电分系统、光学分系统和探空火箭综合监测分系统构成，用于监测中国境内东经120°子午链和北纬30°纬度线上空的空间环境。

8、建设内容

子午工程的第一步，是在中国境内，从北到南，利用在东经120度经线附近的漠河、哈尔滨、北京、新乡、武汉、广州等15个观测站，对近地空间环境展开监测。同时将在南极中山站建立综合观测站，对这条经线南端的近地空间环境进行监测。计划在2009年完成。

第二步是通过国际合作，与东经120度经线沿线的俄罗斯、澳大利亚等国的观测站合作，初步建成一个完整的东半球的观测体系。地球每自转一周，就可以对地球空间各个方向，包括向阳面和背阳面的空间环境完成一次比较全面的观测。东经120度的观测链建成后，科学家希望通过推动“国际子午圈计划”，与西经60度附近的子午链构成环绕地球一周的、完整的空间环境地面综合监测子午圈。

子子午工程计划在3年时间内完成建设，将建成空间环境监测、数据与通信、研究与预报三大系统：

1、空间环境监测系统

系统由地磁（电）分系统、无线电分系统、光学分系统和探空火箭（右图）综合监测分系统构成，用于监测我国境内东经120°子午链和北纬30°纬度线上空的空间环境。

2、数据与通信系统

系统由通信网络分系统和数据库分系统构成。系统以大型专用数据库为核心，以面向科学数据和事务管理的计算机系统为主体设施，利用公用或相关业务部门的专用通信网络作为信息主通道，配以连接子午工程台站到主干网的子午工程专用的子网，是一个面向用户的、可实现国际数据交换的科学支撑平台。

3、研究与预报系统

系统由科学运行分系统、研究建模分系统和预报服务分系统构成。科学运行分系统包括科学运行办公室、国际合作办公室、多功能演示厅、学术活动厅；研究建模分系统包括研究与建模虚拟平台（研究平台、建模平台）和专用高性能计算平台；预报服务分系统包括民用预报服务平台等。

9、进展和计划

工程进展

1997年6月，国务院科教领导小组确立子午工程为国家第二批重大科学工程。

2003年1月25日，“国际空间天气子午圈计划”筹备与推进会议在海南举办，国内外知名科学家和有关研究人员近四十人参加了会议，共商推进“国际空间子午圈计划”，并就“计划”的内容与预期目标、国际合作方案及合作方式等有关内容进行了研究与讨论。与会代表认为，由中国科学家建议的“国际空间天气子午圈计划”是以中国为主牵头组织实施的重大国际合作计划，它的建立与实施将为人类的空间天气事业做出巨大的贡献，建议尽快呈报中国科学院、国家科技部等有关部门，申请将其列入国家国际科技合作重点项目计划之中。与会代表到空间中心海南儋县电离层观测站进行了实地考察。

2005年8月25日，国家发改委批复了中科院报送的《东半球空间环境地基综合监测子午链（子午工程）项目建议书》，同意建设子午工程，并将该项目列入国家重大科学工程建设计划。

2005年9月11日，由中科院武汉物理与数学所等单位研制成功的用于探测太阳剧烈活动与空间灾害天气的“双波长高空探测激光雷达”通过了专家验收。该项专利技术被选定为子午工程高空探测激光雷达台站的共同方案。

2005年11月18日，子午工程项目建设领导小组召开第一次会议。国家发改委、财政部、科技部、中科院、教育部、信息产业部、中国地震局、国家海洋局、中国气象局等单位的领导参加了会议。会议听取了子午工程项目进展报告，审议了可研报告投资预算草案，提出了改进意见。各单位负责人表示积极配合牵头负责单位做好项目建设工作。

2005年12月21日，中科院主持召开了子午工程可行性研究报告专家评审会。科学技术部国家遥感中心、中国国际工程咨询公司、中国地震局、中国气象局、中国科学技术大学、中国地质大学、北京航天航空大学、中国航天科技集团公司第五研究院和中国科学院高技术局、资环局、综合计划局和基本建设局等部委的领导和专家出席了会议。与会代表听取了工程经理部所作的《东半球空间环境地基综合监测子午链项目可行性研究报告》。经质询和讨论，评审组认为该项目的可行性研究报告已经达到规定的深度和要求，同意通过评审，建议尽快报批后实施。

2006年5月15-16日，子午工程总工程师王赤对四川省成都市西北郊郫县的地磁台进行了实地考察，与副总经理吴健一起考察了重庆市沙坪坝区的电波观测站，并就子午工程空间环境监测系统的建设方案与当地有关主管部门的领导和台站工作人员进行了交流和沟通。

2006年5月26日，子午工程中科学E-science支撑系统需求分析调研会议在空间中心召开，会议讨论了建立子午工程的院属台站（海南等）到北京的网络传输系统；建设北京专业数据库，并作为子午工程的科学院数据节点；利用中俄生态系统网络作为子午工程北延俄罗斯的数据传输通道，实现北京到伊尔库斯克的国际数据交换，推动国际子午圈计划的实施。该支撑系统的实施，将会强化科学院作为子午工程牵头部委的骨干和引领作用，实质性地推动以我国为主的国际空间天气子午圈的大型国际合作的开展。

2006年7月，中国国际工程咨询公司（简称中咨公司）完成了对子午工程《可行性研究报告》的评估，重点对子午工程在我国空间环境综合监测体系中的定位、科学目标以及建设方案的可行性和合理性提出了评估意见。评估认为，《可研报告》提出的子午工程建设目标与系统构成方案总体合理，空间环境监测系统是子午工程的“躯干”，数据与通信系统、研究与预报系统分别是子午工程的“心脏”和“大脑”，三大系统的有效集成可以实现科学、工程和应用目标。子午工程的建设方案重点突出，建议部分项目作适当优化调整。

2007年4月12日，子午工程项目建设领导小组在北京举行了第二次工作会议。国家发改委、教育部、信息产业部、中国地震局、国家海洋局、中国气象局等子午工程项目建设领导小组成员单位的代表与会。会议听取了子午工程建设工作进展、项目初步设计和概算编制情况的汇报，对经理部在项目建议书、可研报告、初步设计工作过程中形成的精诚合作、相互支持、积极配合的协调与协作精神予以了高度评价。中科院秘书长*刚在总结中指出，作为多部委共建、共有、共享的国家重大科技基础设施项目，子午工程的前期工作表明它已成为一个各部委单位间精诚合作的范例。

2006年10月10-12日，国际空间天气子午圈重大科技合作计划研讨会在京举行。参加会议的除中国外，包括子午圈上最大的美国、俄罗斯，东亚的日本、韩国、马来西亚、加拿大、蒙古。与会代表就“国际空间天气子午圈计划将实施多边行动”达成共识。多边行动包括：延展中国空间天气子午圈计划，涵盖现有全部位于东经120°和西经60°的子午链，使空间环境的子午线观测能取得事半功倍甚至最大的科学产出；在与会各国现有的地磁子午链之间建立最紧密的合作，建议在西伯利亚、东南亚等区域新建若干台站，以弥补全球子午链的部分缺口；支持各个电离层、磁层和行星际观测台站间实施密切的协作；在欧洲非相干散射雷达网的框架内建立非相干散射雷达链。国际空间天气子午圈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攻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。

2007年6月26日，国家发改委国家投资项目评审中心在京召开了子午工程初步设计方案评估会。会议听取了工程工作汇报、子午工程初步设计方案报告，经讨论后与会专家对子午工程设计初步方案给予了肯定。

2008年1月5日，子午工程开工仪式在北京隆重举行，全国人大常委会副委员长、中科院院长*发来贺信，向参加工程建设的各部门表示衷心感谢。国家发改委、中科院、教育部、中国地震局、国家海洋局、中国气象局、信息产业部等子午工程共建单位的领导出席开工仪式并先后致辞。子午工程项目建设领导小组组长、中国科学院党组成员、秘书长*刚主持仪式。12家共建单位共同签署了《子午工程数据共享协议》。国家发展和改革委员会副主任张晓强和中科院院领导、院党组成员阴和俊共同为子午工程开工剪彩。

2008年5月13日，子午工程探空火箭综合监测分系统施工设计报告、项目实施及管理计划评审会在京召开。参加评审会的有航天科技集团一院、四院，国防科技大学，北京航空航天大学，中科院空间中心的专家和代表，空间中心主任、子午工程总经理吴季担任专家组组长。评审组听取了中科院空间中心子午工程探空火箭综合监测分系统的施工设计报告和项目实施及管理计划，经过讨论一致认为施工设计报告内容与初步设计一致，设计指标明确，主要接口关系明晰，具有工程可实施性；项目实施及管理计划合理可行，人员落实，建设进度计划符合总体进度计划要求。子午工程总工程师王赤在充分肯定子午工程探空火箭综合监测分系统工作成绩的基础上，希望该系统按计划进度、接口要求，加强总体协调、子系统间协作，做好技术风险控制，提高系统可靠性，确保子午工程探空火箭综合监测分系统建设顺利实施，并以子午工程建设为契机，为探空火箭的长远发展打下良好的基础。

2009年5月31日，子午工程经理部在北京组织召开了子午工程监测数据汇交要求评审会，会上来自子午工程科技委的专家、用户以及12家共建单位就该要求中监测设备的数据内容、格式、级别、数据文件存储时间分割等展开充分讨论。专家组充分肯定了子午工程监测数据汇交要求的重要性，一致认为《子午工程监测数据汇交要求》基本满足子午工程初步设计要求，可作为子午工程数据交付规范、子午工程数据交换协议和子午工程数据接口文件的编写依据，建议根据专家意见进一步完善该文件，为做好子午工程数据的规范管理打下坚实的基础。

监测数据汇交要求评审会

2009年11月4日，子午工程探空火箭综合监测分系统探空运载火箭和气象运载火箭两个总体方案的评审会在京举行，空间中心副总工程师朱光武研究员担任评审专家组组长。来自空间中心、太原卫星发射中心，航天科技集团公司一院、四院和航天科工集团公司二院的有关专家参加了评审会。专家组听取了航天科技集团公司四院所作的《子午工程探空火箭综合监测分系统探空运载火箭总体方案设计报告》和《子午工程探空火箭综合监测分系统气象运载火箭总体方案设计报告》，并就报告内容进行了质疑和讨论。专家组认为，子午工程探空火箭综合监测分系统探空、气象运载火箭总体方案合理可行，功能、性能技术指标满足任务书要求，同意通过评审。专家们对子午工程探空火箭分系统的建设也提出了许多积极的建议。运载火箭总体方案评审的通过，标志着子午工程探空火箭综合监测分系统的探空火箭和气象火箭可以转入下一阶段的研制工作。

2009年12月25日，子午工程项目办组织测试专家组对子午工程空间环境监测设备——北京宇宙线超中子堆记录仪进行了现场测试。

2009年12月，中科院空间中心组织专家对子午工程的空间环境激光雷达监测系统（北京延庆观测站）进行了验收前测试，成功获取了米散射、瑞利散射和钠荧光三通道后向散射回波信号，测试结果满足大科学工程给定的设计指标，标志着该系统成功完成研制及台站建设任务，可以进入试运行阶段。

2010年1月27日，子午工程项目办公室组织测试专家组在广州宇宙线观象台对子午工程空间环境监测系统无线电监测分系统——广州宇宙线望远镜进行了现场测试。

2010年2月4日，子午工程项目办公室主持召开了子午工程研究与预报系统的科学运行分系统和研究建模分系统测试和验收评审会。两个分系统测试和验收的通过，标志着子午工程研究与预报系统的科学运行分系统和研究建模分系统的建设目标已经顺利实现，将进入工程的试运行阶段。

2010年2月5日，子午工程经理部在北京主持召开了子午工程研究与预报系统八个标准规范的评审会。子午工程研究与预报系统的标准规范包括《子午工程数据共享和管理办法》、《子午工程空间探测实施规范》、《空间天气应用模式规范》和《空间天气预报服务规范》等八个规范，内容涉及子午工程运行管理、空间天气模式产品和空间天气预报服务等三大类，由中国气象局国家空间天气监测预警中心和中科院空间中心等三个单位共同完成。子午工程研究与预报系统标准规范的建设，对于开展我国空间天气学领域标准化工作，建立空间天气学领域基础性的标准和规范，包括术语、方法和安全性要求等的编制、修订工作，空间天气学名词的规范化译名等具有重要意义。

2010年初，子午工程专用高性能计算平台—12万亿次刀片式超级计算机通过空间中心组织的测试与验收（右图）。子午工程专用高性能计算平台是子午工程研究与预报系统的核心硬件设备，为子午工程的运行计划的制定、子午工程物理与应用预报模式的大规模计算以及空间环境数据的三维可视化提供支撑。

2010年3月22日，子午工程数据与通信系统测试大纲通过专家评审。标志着子午工程数据与通信系统的建设工作已经进入全面的系统测试阶段。

2010年3月26日，子午工程数据与通信系统节点站通过专家验收评审，参加本次评审的有北京节点站、海南节点站、中国科技大学节点站、地球物理所节点站、地质与地球物理所节点站和二十二研究所节点站。6个节点站验收评审的通过，是数据与通信系统建设的一个里程碑的进展，标志着子午工程数据与通信系统开始进入子午工程的试运行阶段。

2010年3月28日，子午工程全天空气辉成像仪和激光雷达通过专家组验收。其验收通过，实现了北京（北方地区）、合肥（中部地区）和海南（南方地区）为代表的我国中低纬地区子午工程主动和被动光学监测设备的联合探测，其观测资料将成为空间环境灾害性事件预报的重要基础，为认识中高层大气的光化学、动力过程，研究热层、电离层和中层大气的耦合过程以及探索日地系统的耦合机制等提供良好的观测基础。

2010年6月3日，子午工程首枚气象火箭在海南探空火箭发射场成功发射，并首次采用GPS技术获得了我国低纬度地区20至60公里高度的高精度临近空间大气温度、压力和风场的探测参数。

2010年7月20日至8月12日，空间中心VHF雷达项目组与广州高科中实通信技术有限公司、石家庄新元电子技术有限公司和北京理工大学等外协单位团结协作，在空间中心海南台站顺利完成子午工程重点项目之一——甚高频（VHF）相干散射雷达的安装及第一阶段调试工作。甚高频相干散射雷达是子午工程的重点监测设备，也是子午工程无线电监测分系统无线电雷达链的主要组成部分。该设备由中科院遥感技术重点实验室承建，是我国自主研制的第一部专用于电离层不规则体探测的雷达设备，采用了国际先进的相控扫描技术，基于分布式波形发生、分布式信号处理平台、具备先进的实时内定标能力、功能先进、控制灵活、易于功能扩展和规模扩展等独特优势。

2010年9月16日，子午工程探空火箭整箭测试试验队按计划圆满完成了在西安的整箭测试工作，为探空火箭有效载荷飞行件产品的研制提供了重要依据。

2010年11月8日，子午工程数据与通信系统通过专家预验收评审。验收专家认为，子午工程数据与通信系统全面完成了数据通信分系统、数据库分系统、数据服务分系统和节点站的项目工程建设任务，实现了系统预期建设目标。其中系统数据处理效率、系统可扩展性能力显着优于设计指标，是国内首个建成的以数据驱动、自动运行、状态可视、支持管理为典型特征的大型空间天气数据信息基础设施。该系统至2010年正常运行，并已开始向用户提供观测数据服务，这表明系统已经具备全面运行的能力与条件，一致同意通过系统预验收。

2010年12月3日，研究与预报系统测试大纲通过评审，标志着子午工程研究与预报系统的建设工作已经进入全面的系统级测试阶段，为子午工程系统联试奠定了基础。

2011年5月7日7时，子午工程首枚探空火箭在中国科学院海南探空部发射场成功发射。这一试验的成功将为中国自主监测空间环境、保障空间活动安全发挥重要作用。

2011年7月20日，子午工程研究与预报系统通过项目建设经理部预验收。

子午圈计划

地面上的观测现象都会与空间环境的变化有关，通过地球的磁力线把地球上的观测、空间发生的现象联系在一起。沿着地球子午圈布置台站可以监测空间环境的全球变化。通过国际合作，中国的子午监测系统可向北延伸至俄罗斯，向南经过东南亚的有关国家、澳大利亚等，并和西半球60°附近的子午链构成第一个、也是唯一一个环绕地球一周的空间环境监测子午圈，实施“国际空间天气子午圈计划”——这是由中国科学家率先创意、真正以我为主建设的国际科技合作，对于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，实现重点跨越、引领未来空间天气研究具有重要战略意义，将使中国成为世界空间天气领域的先进国家。中国将以子午工程为基础，牵领“国际空间天气子午圈计划”。

10、重大意义

子午工程的建成将使中国在空间环境的地基监测方面快速步入有重要国际影响的先进国家之列，在亚洲发挥主导（或中枢）作用几十年。中国卫星的故障40%都与空间环境有关，若故障率下降10%，效益将十分巨大；带给通信、导航、资源、气象、地震、减灾、防灾、GPS应用、电力、生态和人类健康以及国家安全等领域的长期累积效益更是难以计算的。

子午工程完成后，对于充分发挥中国地域优势，获取气球和卫星都无力探测的低电离层、热层区域的环境数据，了解中国上空空间天气变化规律并进行预报，都有极其重要的科学意义和应用价值。

子午工程遵循“边建设、边运行、边产出”的原则，已经为神舟八号、神舟九号和天宫一号等国家重大航天发射任务提供了空间环境预报、警报和现报。子午工程的建成，将大幅提高我国空间天气预报能力和服务水平，有力支撑我国空间科学取得重大原创性成果，为提升中国空间活动能力、保障空间活动安全做出重要贡献。

在子午工程的基础上，中国还推动了以我为主的重大国际科技合作——国际空间天气子午圈计划。该计划将中国的子午链向北延伸至俄罗斯，向南延伸到澳大利亚，并将分布于西经60度附近的地面观测台站纳入联网观测，形成了唯一一个能绕地球一周的地基空间环境子午圈。该计划已经得到了圈上绝大部分国家的响应。