朝鲜4.13“光明星3号”卫星发射次声信号分析.pdf

监 测 与 评 价 朝鲜 4. 13“ 光明星 3 号” 卫星发射次声信号分析 * 唐伟刘俊民王晓明王海军石建芳王燕唐恒专刘哲函 禁核试北京国家数据中心， 北京 100085 摘要 朝鲜 4. 13 “光明星 3 号” 发射是一次包含火箭发射与爆炸次声信号的事件。对火箭发射激发次声信号的基本理 论、 影响火箭发射激发次声信号监测能力的因素等进行了简要阐述; 在分析火箭发射历史次声信号的基础上， 研究了 该类信号的信号走时、 频率及波形特征; 对 “光明星 3 号” 发射激发的次声信号从事前预判、 信号检测、 爆炸区域确定、 误差原因分析 等 方 面 进 行 了 详 细 分 析 说 明。研 究 分 析 结 果 表 明 朝 鲜“光 明 星 3 号” 的 爆 炸 疑 似 区 域 为 北 纬 35. 2756 ～ 36. 3887， 东经 125. 1675 ～ 126. 5487。 关键词 次声; 火箭发射; 光明星 3 号; 次声定位 ANALYSIS OF INFRASOUND GENERATED BY THE SATELLITE GUANGMINGXING 3 LAUNCHED ON 13TH APRIL Tang WeiLiu JunminWang XiaomingWang HaijunShi JianfangWang YanTang HengzhuanLiu Zhehan CTBT Beijing National Data Centre， Beijing 100085， China AbstractThe launch of Guangmingxing 3 is an interesting event which contains the infrasonic sound generated by both the rocket launch and the following explosion． The basic theory of infrasound generation by rockets，and the conditions which affect the monitoring ability are expatiated in the paper． The relationship of the transmission time and the detected signal frequency with the transmission range，and the wave characteristic are gotten by carefully analyzing of historical infrasound signals． The pre-estimated parameters are used for signal confirmation，the signals are detected by WinPMCC，and the possible explosion region is gotten by the infrasound monitoring signals，also the error of the signal parameters is illuminated． The results show that the satellite Guangmingxing 3 explosion latitude maybe between 35. 2756and 36. 3887and the longitude between 125. 1675and 126. 5487． Keywordsinfrasound; rocket launch; the Guangmingxing 3 Satellite; infrasound location * 国防预研基金资助项目。 0引言 火箭发射是一类具有重要研究价值的次声源， 由 于发射时间与发射地点明确， 对于检验与优化次声信 号检测方法、 研究次声信号传播路径与大气层结构等 具有重要意义。随着各国太空活动日益增多， 火箭发 射频率在逐年增加，2011 年全球各国共发射卫星 120 余次， 其中我国发射 18 次。 火箭和人造卫星发射次声信号主要产生于三个 阶段 发射阶段、 助推火箭与整流罩坠落、 卫星返回地 面。在气象条件允许的情况下， 火箭发射或返回产生 的次声信号最远可被 6 000 km 以外的次声台站记录 到。全面禁止核试验条约组织已经建立了一个覆盖 全球的次声监测网络， 截止 2012 年 4 月已有 45 个次 声台站投入运行， 另有 4 个次声台站处于建设阶段。 据国际数据中心 International Data Center， 简称 IDC 记录结果显示， 位于蒙古国的 I34MN 台站经常记录 到我国三大卫星发射中心火箭发射的次声信号， 位于 美国的 I57US 次声台站对范登堡空军基地火箭发射 产生的次声信号具有很强的监测能力。 利用次声监测技术监测火箭、 航天飞机等发射有 着近 60 余年的历史， 包括 1967 年 11 月 9 日美国“土 星五号” 火箭发射“阿波罗 4 号” 、 1971 年 1 月 31 日 发射“阿波罗 14 号” 产生的次声信号 ［1- 2］; 美国曾利 用北美地区的多个次声台站， 对 2003 年 2 月 1 日哥 伦比亚航天飞机失事事件进行了深入分析 ［3］。2012 年 4 月 13 日 6 时 38 分 55 秒 GMT 时间 22 时 38 分 18 环境工程 2013 年 2 月第 31 卷第 1 期 55 秒 ， 朝鲜从其位于平安北道铁山郡的西海卫星发 射场发射了首颗应用卫星“光明星 3 号” ， 借助于国 际监 测 系 统 International Monitoring System， 简 称 IMS 的次声监测数据 ［4］，禁核试北京国家数据中心 CTBT Beijing National Data Centre， 简称 NDC 对此 次发射事件次声信号进行了分析， 并从次声监测角度 对火箭爆炸疑似区域进行了估算。 1基本原理 火箭发射次声信号源于大截面锥体在大气层中 超音速飞行时产生的衰减程度小的 N 冲击波 ［5］或者 类似频率的锯齿状冲击波。Hubbard 等研究表明， 火 箭发射导致的气压变化取决于火箭飞行速度、 火箭长 度直径比等因素。 影响火箭发射激发次声信号监测能力的主要因 素包括 次声台站周边的背景噪声水平、 声传播路径 中的温度与风速结构、 信号源本身的特性 火箭类 型、 推进剂类别、 发射过程中单位时间内释放的能 量 等。通常情况下， 液体推进剂火箭产生的次声信 号频率范围为 0. 1 ～ 1 Hz， 固体推进剂火箭产生的信 号频率则在 1 ～ 2 Hz 之间。 气压、 温度、 风速及湿度等气象因素在次声信号 传播过程中有着举足轻重的作用， 其中， 次声信号在 大气层中传播主要受温度与风速影响 ［6］， 气压也是 研究 次 声 信 号 远 距 离 传 输 ［7］ 不 可 忽 视 的 因 素。 式 1 为大气中声速的计算方式。 c T γRT 槡 M 1 式中 γ 为比热; R 为气体常数， 为 8 314. 16 J/ kg K ; T 为大气温度; M 为大气平均分子量。当受风速 影响时， 有效声速是衡量次声信号传播波导的重要条 件， 计算方式如式 2 所示。 ceff c T u r ∧ 2 式中u 为东西向带状风速值;r ∧ 为风传播的矢量方 向。另外， 地面反射与衰减也影响次声信号的远距离 传播， 次声频带范围的绝大多数信号可以被地面反射 回大气中， 而衰减则接近为零， 这表明次声信号的折 射与衍射是造成能量衰减的主要因素。 2信号特征 次声信号从火箭发射点传播至次声台站需经过同 温层与热层一次或多次反射， 且由于声速是与温度相 关的物理量， 而大气层中温度呈分层变化， 因此， 可使 用等效传播速度描述次声信号传播情况， 其中等效速 度定义为 信号源和次声台站间的球面距离与传播时 间之比， 表 1 为次声信号等效传播速度与波导层 ［8- 9］对 应关系。图 1 为火箭发射次声信号等效速度随信号传 输距离的变化关系， 平均等效声速为 306. 9 m/s， 其中 半数以上次声信号的等效声速分布在 306. 9 8. 3 m/s 四分之一方差 之间， 即信号主要来自平流层反射。 表 1不同波导层次声信号等效传播速度范围 信号类型简称等效传播速度 / kms － 1 拉姆面波 ILm0. 33 ～ 0. 34 对流层波导 Iw0. 30 ～ 0. 32 平流层波导 Is0. 28 ～ 0. 31 平流层快速波导 Isf0. 31 ～ 0. 36 热层波导 It0. 22 ～ 0. 24 图 1火箭发射激发次声信号走时与球面射程关系 图 2 为导弹和火箭发射产生次声信号的频率与 球面射程的关系， 具有如下规律1 次声信号频率上 限满足关系式 F ＜ 2． 6 － 0． 026Δ 如图 2 实线所示， △为球面射程， 单位度 ; 2 火箭发射激发的次声信 号传播距离小于 80， 在监测数据分析过程应主要考 虑距发射场 60以内次声台站记录的信号 ［10］。 图 2导弹和火箭发射激发次声信号频率与球面射程关系 距离火箭发射场小于 1 000 km 的次声台站所记录 28 环境工程 2013 年 2 月第 31 卷第 1 期 信号的波形形态复杂; 距离发射场大于 1 000 km 台站所 记录信号通常持续时间较长， 可达 10 min 以上， 以近似 纺锤状的单声相与连续多声相两种形态为主， 如图 3 所 示。其中， 图3a 为 I10CA 台站记录的事件2008 －02 －07 次声信号， 图 3b 为 I44RU 记录的事件 2009 －12 －24 次 声信号， 两个次声信号的滤波频带为0. 5 ～1. 5 Hz。 图 3火箭发射产生的典型次声波形信号 3“光明星 3 号” 次声信号分析 朝鲜西海卫星发射场 39. 66N， 124. 7056E 距 离中朝边境不足 50 km。IMS 次声台网中的 I45RU 44. 1999 N，131. 9773 E 、I30JP 35. 3078 N， 140. 3138E 距离朝鲜西海卫星发射场分别为 780， 1 466 km。根据次声台站与西海卫星发射场间的地 理关 系， 估 算 信 号 走 时、 台 站 接 收 到 信 号 的 时 间 GMT 时间 、 信号方位角如表 2 所示。 表 2估算的信号参数与走时 台站 走时/0. 34 kms－1 走时/0. 3 kms－1 方位/ 距离/ km I45RU 38min14s 23 17 14 43min20s 23 22 20234780 I30JP71min52s 23 50 52 81min27s 00 00 272941 466 3. 1I45RU 次声台站信号分析 在 23 0023 59 时间段内， I45RU 台站共记录 到两组清 晰 次 声 信 号， 分 别 位 于 23 23、 23 45 附 近。图 4 为次声信号检测结果 ［11- 12］， 表 3 为检测次 声信号的关键参数。从检测结果可以看出， 23 23 记录的次声信号频率成分较高， 但总能量较小; 而 23 45 左右记录的信号频率较低， 信号能量较强， 由 于箭体爆炸在短时间内释放的能量较强， 而长距离 传输过程中低频信号衰减较小， 因此仍然保留了较 强的能量。 表 2 中 I45RU 台站记录朝鲜火箭发射次声信号 图 4I45RU 台站检测信号， 波形数据经 1. 5 ～ 5 Hz 滤波 表 3I45RU 次声台站记录火箭发射 次声信号的详细参数 时间 方位角 / 声速 / kms－1 最小频率 / Hz 最大频率 / Hz 平均幅值 / Pa 23 23 57230. 570. 32662. 243. 160. 0017 23 45 51210. 730. 33850. 41. 780. 0056 23 47 03210. 860. 33960. 42. 240. 0063 23 47 51210. 270. 33880. 42. 240. 0065 23 48 03220. 640. 32762. 242. 70. 0031 23 48 33211. 040. 33830. 42. 240. 0055 方位角理论值为 234， 而 23 23 57 监测的次声信号 方位 角 为 230. 57， 方 位 角 误 差 Δθ 为 3. 5， 其 中 Δθ θt － θ d ， θ t为理论方位角，θd为检测信号的视方 位角。多次检测实验结果显示， 表 3 中信号 1 的 Δθ 值在 3 ～ 10之间， 造成检测信号方位角与理论方位 差异的原因包括 信号检测参数的影响; 自西向东带 状风的存在; 火箭达到超音速运行并产生冲击波时已 经偏离理论方位。根据表 3 中信号 1 的走时， 估算出 信号的等效速度为 288. 7 m/s; 表 3 中检测信号 2 ～ 6 的视速度值与信号 1 相近， 因此， 可使用 288. 7 m/s 作为第 2 组信号的等效速度。“银河 3 号” 火箭从发 射至爆炸飞行约 1 ～ 2 min， 爆炸实际发生时间可在卫 星发射时间的基础上延迟 2 min， 即 22 40 55。结合 表 3 中检测 2 的信号到时， 确定信号传输时间约为 3 896 s， 估算爆炸源距 I45RU 台站约 1 125 km。考 虑到信号方位角存在误差 Δθ，因此， 23 45 记录的次 声信号的方位角真实值应为 θd Δθ 。利用信号方位 角及台站与信号源的间距， 可确定火箭爆炸 ［13］的疑 似区域Δθ 3时， 爆炸区域为 35. 275635. 5021 N， 125. 1675125. 7101E; Δθ 10时， 爆炸区域为 35. 275636. 1522N， 123. 9259125. 7101E。 38 环境工程 2013 年 2 月第 31 卷第 1 期 3. 2I30JP、 I45RU 两台监测信号交叉定位 位于日本筑波的 I30JP 次声台站在零点左右 北 京时间八点 记录有次声信号， 波形数据与信号检测 结果如图 5 所示， 其中上图为检测信号的方位角图 示， 该次声台站 6 个子台均记录有次声信号， 信号频 率在 0. 5 ～ 2Hz 之间， 持续约 3 min， 方位角为 278. 2 1. 3 ， 视速度 0. 362 0. 009km/s。从检测信号方位 分布来看， 该信号可能来自运载火箭的后续爆炸。 图 5I30JP 次声台站记录的信号 0. 5 ～ 2Hz 滤波 根据先前分析， I45RU 台站记录的第二组信号来 自运载火箭爆炸， 该信号方位角为 211 1. 3 。可 采用 I30JP、 I45RU 两台检测信号方位角进行交叉定 位， 表 4 为不同方位信号交叉点坐标。 表 4I30JP、 I45RU 台站信号不同方位角组合的交叉坐标 I30JP I45RU 278. 2279. 5276. 9 21136. 1265 126. 111136. 384 126. 275535. 8627 125. 9426 212. 336. 1256 125. 81436. 3887 125. 989835. 8558 125. 6343 209. 736. 1266 126. 3959 36. 3789 126. 548735. 8686 126. 2387 由 表 4 确 定 火 箭 爆 炸 疑 似 区 域 35. 8558 36. 3887N， 125. 6343126. 5487 E; 与利用 I45RU 单台推测区域接近， 略微偏东。影响单台定位精度的 主要因素为检测信号等效速度、 方位角及信号走时; 多台交叉定位时仅取决于检测信号方位角及误差。 综合两种不同定位方法结果， 确定火箭爆炸的疑似区 域为 35. 275636. 3887 N， 125. 1675126. 5487 E， 确定的爆炸区域与相关文献公布的区域吻合。 根据前述分析可知 此次火箭发射上升阶段激发 次声信号的有效传播距离在 780 ～ 1 466 km 之间， 根 据火箭推力与次声信号有效传播距离间的经验关系 1． 3 log10 R 0． 9 log10 NP ， 推测“银河 3 号” 运载火箭推力在 74 ～ 168 t 之间， 平均值为 121 t; 各 国常用运载火箭推重比平均值为 1. 4， 因此， 推测出 火箭质量为 53 ～ 120 t， 平均值为 86. 4 t。其中，R 为 次声信号最远传播距离， km;NP 为火箭推力， kN。 4总结 本文分析了火箭发射产生次声信号的基本原理， 着重研究了朝鲜 4. 13“光明星 3 号” 卫星发射次声信 号。统计分析了火箭发射产生次声信号的一些基本 规律， 与“光明星 3 号” 发射次声信号能较好地吻合。 本文根据次声台站记录信号的实际情况， 采用了两种 方法对火箭爆炸区域进行估算 利用 I45RU 台站记 录的火箭发射阶段次声信号方位误差， 矫正后续火箭 爆炸次声信号方位， 并单台进行信号源定位; 利用 I30JP、 I45RU 两个次声台站检测信号方位角进行射 线交叉定位。两种方法均取得了较好的定位效果， 与 相关文献公布的结果基本吻合。同时， 该事件的分析 结果也表明， 国际次声台站对火箭发射次声信号具有 较强的监测能力， 可记录火箭发射不同阶段的次声信 号。分析研究火箭发射次声信号的难点在于识别判 定不同发射阶段所产生的次声信号; 该次事件信号检 测结果也表明， 大气条件对次声信号传播有着重大影 响， 在分析研究次声信号时应考虑气象因素对次声信 号传播路径的影响。 参考文献 ［1］Nambath K Balachandran，William L Donn．Characteristics of infrasonicsignalsfromrockets ［J］．GeophysicalJournal International，1971， 26 1 135- 148． ［2］Eric S Posmentier．Preliminary observations of 1 ～ 16Hz natural background infrasound and signals from apollo 14 and aircraft［J］． Geophysical Journal International，1971， 26 1 173- 177． ［3］MiltonGarces，Claus Hetzer．Preliminary analysis of arriving phases associated with the Columbia Disaster of February 1， 2003 ［R］． Internal document of the US infrasound group， 2003． ［4］Brown P，Edwards N，Sukara O． The potential of the international monitoring system infrasound network for the detection of rocket launches［R］． 2006． ［5］Donald E Cotten，William L Donn，Alan Oppenheim．On the generation and propagation of shock waves from apollo rockets at orbital altitudes［J］． Geophysical Journal International，1971， 26 1 149- 159． ［6］Noble J M，Tenney S M． Long range detection and modeling of sounding rocket launches［C］/ /2003 battlespace atmospheric and cloud impacts on military operations BACIMOconf． Monterey， California，2003 202- 220． ［7］杨训仁． 台风次声射线寻迹［J］． 声学学报， 1981， 6 1 1- 8． 下转第 102 页 48 环境工程 2013 年 2 月第 31 卷第 1 期 表 3备选事故发生的概率 f i 计算结果 概率 35 盐酸储槽 泄漏事故 液氯储罐 泄漏事故 液氨储罐 泄漏事故 硫酸二甲酯计量罐 连接管线泄漏事故 fi 5 10 － 6 5 10 － 5 5 10 － 5 9. 9 10 － 6 m/m04. 607. 421. 600. 80 fi 2. 3 10 － 5 3. 71 10 － 4 8 10 － 5 7. 92 10 － 6 表 4备选事故发生后果 R i的计算结果 概率 35 盐酸储 槽泄漏事故 液氯储罐 泄漏事故 液氨储罐 泄漏事故 硫酸二甲酯计量 罐连接管线泄漏事故 D /m174. 5119. 440. 120. 2 Ri174. 5119. 440. 120. 2 表 5备选事故 Ei的 Si 风险排序风险指数 si 液氯储罐泄漏事故4. 43 10 － 2 35 盐酸储槽泄漏事故4. 01 10 － 3 液氨储罐泄漏事故3. 21 10 － 3 硫酸二甲酯计量罐连接管线泄漏事故1. 6 10 － 4 表 6平均风险指数计算结果及筛选出的重大事故 平均风险指数 Save重大事故风险指数 Si 筛选出的重大事故 1. 292 10 － 2 4. 43 10 － 2 液氯储罐泄漏事故 3计算结果的准确性分析 本方法是对风险严重度指数法的修正和应用范 围的推广。为了验证研究方法的准确性， 用原方法对 表 5 中的事故求算出了暴露时间为 30 min、 事故点下 风向 400 m 处的风险严重度指数 si tox 400 。同时依 据 si tox 400 对事故进行影响分级［6］， 结果见表 7。 表 7 中应用风险严重度指数法计算的事故影响 分级结果表明 35 盐酸储槽泄漏事故和液氨储罐泄 漏事故影响等级处在同一级别; 液氯储罐泄漏事故影 响级别最高， 为 3 级不可逆效应; 硫酸二甲酯计量罐 连接管线泄漏事故影响级别为 0， 事故效应小。以上 计算结果和表 5 计算的风险排序结果是一致的， 因此 本研究方法的计算结果准确、 可信。 表 7备选事故 Ei的 sitox 400 及影响分级结果 备选事故si tox 400划分依据 s i tox影响等级 效应描述 液氯储罐 泄漏事故 5550 ～ 743不可逆效应 35 盐酸储 槽泄漏事故 36. 2825 ～ 492可逆效应 液氨储罐 泄漏事故 23. 225 ～ 492可逆效应 硫酸二甲酯计量罐 连接管线泄漏事故 00 ～ 241小效应或 无效应 参考文献 ［1］Christian Delvosalle， Ccile Fievez， Aurore Pipart， et al． ARAMIS projectA comprehensive ology for the identification of reference accident scenarios in process industries［J］． Journal of Hazardous Materials， 2006，130 3 200- 219． ［2］Olivier Salvi，Bruno Debray． A global view on ARAMIS，a risk assessment ology for industries in the framework of the SEVESO II directive［J］． Journal of Hazardous Materials， 2006， 130 3 187- 199． ［3］多英全， 吴宗之， 魏利军， 等． 重大危险源事故风险排序研究 ［J］． 中国安全生产科学技术， 2006， 2 6 19- 23． ［4］张董莉， 刘茂， 李清水， 等． 风险严重度指数法在毒气泄漏评价 中的应用［J］． 安全与环境学报， 2008， 8 6 143- 147． ［5］周亚飞， 刘茂． 化工园区重大事故风险分析［J］． 防灾减灾工程 学报， 2011， 31 1 68- 73． ［6］Planas E， Arnaldos J， Silvetti B， et al．A risk severity index for industrial plants and sites［J］．Journal of Hazardous Materials， 2006， 130 3 242- 250． ［7］TNO． for determining and processing probabilities［M］． Commitee for the Prevention of Disasters， 1997． 作者通信处杨耀清730000兰州市兰州大学资源环境学院 电话 0931 8915611 E- maillzdxyangyq11 163． com 2012 － 05 － 22 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 上接第 84 页 ［8］Sven A Briels． Infrasound source location［D］． Delt University of Technology，2010． ［9］Alexis Le Pichon，Elisabeth Blanc，Alain Hauchecorne，et al． Infrasound Monitoring for Atmospheric Studies［M］． New York Springer， 2010 97- 100． ［ 10］Bass H E，Bhattacharyya J，Garces M A，et al． Acoustics today ［J］． Acoustical Society of America，2006 2 9- 19． ［ 11］唐伟， 刘俊民， 王晓民， 等． 互相关算法在次声监测数据处理中 的应用［J］． 环境工程， 2010， 28 6 83- 86． ［ 12］Cansi Y． An automatic seismic event processing for detection and locationthe PMCC ［J］． Geophy Res Lett， 1995， 22 9 1021- 1024． ［ 13］刘俊民， 唐伟， 王晓民， 等． 次声信号产生机理与特征分析［J］． 环境工程， 2010， 28 4 92- 96． 作者通信处唐伟100086北京海淀区禁核试北京国家数据中心 E- mailtangwei851 126． com 2012 － 07 － 20 收稿 201 环境工程 2013 年 2 月第 31 卷第 1 期