卫星磁载荷现场校准技术研究

本文介绍了一种卫星磁场探测载荷现场校准技术,设计了拆分式磁场线圈、无磁支架等,研制了校准装置。利用该技术实现了对卫星磁载荷在整星测试、发射前等多个阶段的测试校准,解决了卫星载荷在星体装配完成后无法测试的难题,提高了磁载荷测试数据可靠度,保证了科学实验的有效性。该校准技术已服务于我国首颗地磁监测试验卫星(张衡一号卫星),对其磁场探测载荷在整星测试、出厂测试、发射场技术确认等多个阶段进行了校准,取得了很好的应用效果。     

卫星磁载荷现场校准技术研究

本文介绍了一种卫星磁场探测载荷现场校准技术，设计了拆分式磁场线圈、无磁支架等，研制了校准装置。利用该技术实现了对卫星磁载荷在整星测试、发射前等多个阶段的测试校准，解决了卫星载荷在星体装配完成后无法测试的难题，提高了磁载荷测试数据可靠度，保证了科学实验的有效性。该校准技术已服务于我国首颗地磁监测试验卫星（张衡一号卫星），对其磁场探测载荷在整星测试、出厂测试、发射场技术确认等多个阶段进行了校准，取得了很好的应用效果。     

利用近地点磁场探测数据确定卫星自旋轴参数

阐述了利用近地点磁场探测数据确定卫星自旋轴参数的理论方法和实施步骤,并说明了这种研究对卫星运行和科学探测的重要性.特别强调了需要注意的基本条件,即卫星必须自旋稳定且近地点不很高(1000 km以下).这种方法关键的步骤是,根据卫星轨道数据定出模型磁场数值,比较近地点星载磁强计探测数据和近地点地磁模型数值确定卫星自旋轴的指向.通过对TC-1和TC-2卫星姿态的具体计算,对确定精度和应用效果进行了分析和比较.结果表明,在实际的卫星应用过程中此方法和措施非常有效,在科学分析和将来的卫星运行工程中具有重要的应用意义.      

电磁测力系统研究

介绍了电磁测力系统中静磁场分析与优化、通电线圈位置控制方法及提高线性度的自校准方法。运用Maxwell 3D进行仿真计算，得到了相对优化的磁密及磁均匀性，通过控制通电线圈在磁场中位置及分段线性微分技术，提高了电磁测力准确度。构建了试验装置，对比试验数据表明，该研究措施对于提高电磁测力准确度取得了较好效果。     

关于磁层中磁力线几何结构的研究

磁层磁场的几何结构是空间物理中的重要研究内容.本文采用曲率半径分析方法,结合Cluster立体探测的相关知识和背景,利用Cluster立体探测的优势,通过对Cluster 2001年的立体探测数据的研究,分析了磁层各区域的磁力线结构,包括背阳面、Cusp区以及昏侧,得出各区域中磁力线的曲率半径大小,曲率矢量以及磁力线密切面的法线矢量的方向.利用这些参量直接确定出该区域中磁力线的空间几何构型,进而揭示了该区域磁场的三维立体结构.所得结果也验证了曲率半径分析方法的正确性.在科学探测数据完备的情况下,将这一研究方法应用到磁层中其他所有区域,可以得到整个磁层的详细三维结构模型,这具有重要的科学意义.      

火星空间环境磁场探测研究

萤火一号卫星将对火星空间环境磁场实施探测. 火星磁场对火星弓激波、磁鞘、电离层、大气等绝大多数空间环境效应都具有重要影响, 萤火一号对火星磁场的探测是通过搭载于其上的科学载荷磁强计来实现的. 此磁强计在工作原理及具体设计上, 考虑了火星轨道严酷的工作环境和科学目标所需的测量要求. 通过装星前的地面标定测试, 验证了萤火一号磁强计可以在-130~75°C温度范围内测量±256 nT以内的磁场, 分辨率可达到0.01 nT, 带宽内总噪声小于0.03 nT, 能够满足萤火一号对火星空间环境探测的需求.      

星敏感器低频误差在轨校准方法研究

研究星敏感器低频误差在轨校准问题.星敏感器低频误差主要由周期性的空间热环境变化造成,会对卫星姿态确定精度造成显著影响.针对这一问题,提出一种星敏感器低频误差校准新方法,通过扩维卡尔曼滤波同时估计卫星姿态和低频误差参数.研究表明,采用所提低频误差校准方法能够显著提高姿态确定系统的性能.基于在轨卫星上的星敏感器遥测数据建立了用于数学仿真的星敏感器低频误差模型,数学仿真结果验证了低频误差校准方法的有效性.     

多点磁场协同探测反演电离层电流密度

相对于传统的单点磁场探测,多点磁场协同探测可以同时获得各测点磁场,消除探测磁场随时间的变化,能更好地计算空间电流密度.根据由多点磁场反演计算空间电流密度的计算方法,开展数值仿真,分析卫星编队数量、卫星编队构型、卫星定位偏差、卫星姿态测量误差、磁场测量误差、外部磁场强度及外部电流密度等对电流反演误差的影响.仿真结果表明,5星编队优于4星编队.在5星编队条件下,卫星姿态测量误差、卫星编队构型和外部磁场强度是反演误差的主要来源.根据仿真结果,当卫星姿态误差为0.001°,卫星编队尺度约为100km时,赤道区域电流密度的反演相对误差约为24%.      

地磁测量卫星的矢量磁场在轨标定算法仿真

以SWARM为代表的高精度地磁测量卫星对地球磁场探测精度经过标定之后优于0.5 nT,对于开展地磁科学研究具有重要意义。地磁测量卫星通过安装在伸展杆上的矢量磁通门磁强计、标量磁强计和高精度星敏感器,获取测量方向的惯性空间姿态的地磁信息,其中高精度标量磁强计主要用于对磁通门矢量磁强计进行标定。针对地磁测量卫星,研究了矢量磁强计在轨测量误差的校正方法。考虑到矢量磁强计非正交角、标度因子以及偏差的影响,建立磁场矢量线性输出模型;结合标量磁强计的测量值分别设计基于小量近似的线性校正算法和基于参数辨识更新的非线性校正算法;校验两种算法的标定精度,并通过Tukey权重函数改善算法的鲁棒性。仿真结果表明,两种算法校正结果相似,磁场三轴误差可校正至0.5 nT以内,在标量磁强计存在异常值时仍具有较好的校正效果。      

火星磁场产生的原因及其分布

构建了一个可以得到火星赤道面上磁场分布的模型. 模型根据卫星观测数据, 提出了火星电离层、磁层顶和磁尾电流片上都各自通有电流的假设. 由电流的连续性条件可知, 这三种背景条件下的电流之间满足一定关系, 即火星磁层顶上的总电流是电离层上的总电流与磁尾电流片上的总电流之和. 这些电流产生的磁场与太阳风磁场共同构成了火星赤道面上磁场分布. 通过计算发现, 采用这种磁场模型得到的结果与目前卫星所观测的结果以及与采用其他方法得到的结果符合得较好.      

电离层等离子体泡的磁场扰动特征与识别

等离子体泡是赤道区电离层常见的密度耗空结构,同时伴随着背景磁场的增强和垂直背景磁场方向上的扰动,这些扰动具有阿尔芬波的特征.本文利用Swarm卫星的标量、矢量磁场以及等离子体观测数据,考察了等离子体泡产生的磁场扰动信号特征,发现磁场强度和平均场向分量的增强均与等离子体泡密度下降有较强的负相关性,说明磁场标量和矢量(平均...     

基于绝对磁场测量的磁通门磁强计在轨标定方法

卫星在轨进行磁场测绘及监测时,需要高精度的磁场值,但由于磁通门磁强计三轴非正交性以及零点漂移所引起的误差大大降低了磁强计的测量精度,因而有必要对此进行校正.本文利用绝对标量磁强计,采用一种改进的最小二乘标定算法,通过不断迭代实现对磁通门三轴正交性和零点漂移的修正.结果表明,在考虑了磁强计本身噪声水平的实际情况下,磁通门磁强计的误差可由100nT左右修正到0.2nT以内.该算法为卫星在轨高精度磁场测量提供了一种可行的方法.      

基于全相位FFT的感应式磁力仪频谱校正方法研究

基于法拉第电磁感应定律的感应式磁力仪是用于测量低频磁场的空间探测仪器,常具有在轨FFT频谱分析功能,直接获得波动磁场的频率及幅度等信息.利用FFT方法对截断信号进行计算时,整周期采样会产生频谱泄露和栅栏效应,频谱信息产生偏差,而影响实时监测磁场变化的准确性.全相位FFT与常规FFT相比,有相位不变性和良好的抑制频谱泄露能力.采用基于全相位FFT的时移相位差方法(apFFT/apFFT)校正在研的某卫星感应式磁力仪直接采集的波形数据.仿真和实验结果表明,apFFT/apFFT方法可有效提高感应式磁力仪低频磁场测量的频谱准确性.研究工作为提高感应式磁力仪科学数据的应用水平奠定了基础,为下一代星载感应式磁力仪在轨频谱分析提供了一种可能的新方法.      

Current Status and Main Scientific Results of In-flight CSES Mission

The CSES (China Seismo-Electromagnetic Satellite) is the electromagnetism satellite of China's Zhangheng mission which is planned to launch a series of microsatellites within next 10 years in order to monitor the electromagnetic environment, gravitational field. The CSES 01 probe (also called ZH-1) was launched successfully on 2 February 2018, from the Jiuquan Satellite Launch Centre (China) and is expected to operate for 5 years in orbit. The second probe CSES 02 is going to be launched in 2022. The scientific objectives of CSES are to detect the electromagnetic field and waves, plasma and particles, for studying the seismic-associated disturbances. To meet the requirements of scientific objective, the satellite is designed to be in a sun-synchronous orbit with a high inclination of 97.4° at an altitude around 507 km. CSES carries nine scientific payloads including Search-coil magnetometer, Electric Field Detector, High precision Magnetometer, GNSS occultation Receiver, Plasma Analyzer, Langmuir Probe, two Energetic Particle Detectors (including an Italian one), and Tri-Band Transmitter. Up to now, CSES has been operating in orbit for 2 years with stable and reliable performance. By using all kinds of data acquired by CSES, we have undertaken a series of scientific researches in the field of global geomagnetic field re-building, the ionospheric variation environment, waves, and particle precipitations under disturbed space weather and earthquake activities, the Lithosphere-Atmosphere-Ionosphere coupling mechanism research and so on.      

三轴磁传感器正交性校正的矢量校准方法

提出一种基于误差分离的矢量校准法用于三轴感应式磁传感器的正交性校正.建立了正交性校正的矢量校准数学模型，针对校正过程中的安装误差进行误差项分离校正，结合卡尔曼滤波与最小二乘法对模型参数进行求解得到正交性校正矩阵.仿真和实验结果表明，基于矢量校准数学模型的校准方法可行且有效，在输入磁场2.5nT情况下，测量误差由传统方法的0.0962nT减小到0.0019nT.此方法已应用于某星载感应式磁力仪的正交性校正.      

Mapping the earth's magnetic and gravity fields from space: Current status and future prospects

Orbital potential field measurements are sensitive to regional variations in earth density and magnetization that occur over scales of a few hundred kilometers or greater. Global field models currently available are able to distinguish gravity variations of ±5 milligal over distances of ～1,000 km and magnetic variations of ±6 gamma over distances of ～300 km at the earth's surface. Regional variations in field strength have been detected in orbital measurements that are not apparent in higher resolution, low altitude surveys. NASA is presently studying a spacecraft mission known as GRAVSAT/MAGSAT, which would be the first satellite mission to perform a simultaneous survey of the earth's gravity and magnetic fields at low orbital altitudes. GRAVSAT/MAGSAT has been proposed for launch during the latter nineteen-eighties, and it would measure gravity field strength to an accuracy of 1 milligal and magnetic field strength to an accuracy of 2 gamma (scalar)/5 gamma (vector components) over a distance of roughly 100 km. Even greater improvements in the accuracy and spatial resolution of orbital surveys are anticipated during the nineteen-nineties with the development of potential field gradiometers and a tethered satellite system that can be deployed from the Space Shuttle to altitudes of 120 km above the earth's surface.     

Intense current structures during low geomagnetic activity and their relation to small-scale magnetic perturbations seen by the intercosmos Bulgaria-1300

This paper deals with the initial observational data on the field-aligned currents (FAC) and the small-scale transverse magnetic perturbations (SSTMD) in the cusp region obtained from the magnetometer on board the Intercosmos Bulgaria-1300 satellite. The magnetic field has been investigated by a high accuracy flux-gate magnetometer, IMAP, designed in the Central Laboratory for Space Research (CLSR), Sofia. For low geomagnetic activity 10 meridional passes (September–December 1981) have been examined. Intense FAC are observed in the noon sector of the summer auroral region. SSTMD are superimposed on a weak cusp current as a perturbation in the prenoon sector of the winter auroral region.