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.      

火星车磁通门磁强计技术

火星磁场测量是国际火星探测任务的焦点之一,中国首次火星磁测任务通过在巡视器(即火星车)和环绕器上同时搭载磁强计,实现对火星磁场的火–空联合观测。巡视器磁强计载荷选用双探头三轴磁通门磁强计,采用亥姆霍兹补偿线圈型探头技术和全数字闭环反馈电路技术,实现空间磁场的高精度同点测量。单机在设计上考虑了可靠性安全性设计和空间环境适应性设计。经地面标定,单机量程可达到±6.5万nT,噪声水平优于0.01 nT/√Hz,分辨率达到了0.01 nT。     

火星等离子体环境探测

萤火一号(YH-1)探测器将对火星空间环境进行独立而深入的探测研究,探测各空间区域的等离子体特性及其对太阳风扰动的响应,以及火星离子逃逸过程,研究太阳风对火星水体损失的影响。为了实现这一目标,萤火一号搭载了等离子体探测包,包括2个离子分析器和1个电子分析器,具有较高的时间分辨率、能量分辨率,可以探测0.02～10 keV的离子、电子,同时能够对粒子的入射方向及1～44 au(1 au=9.1095×10~(-31)kg)质量范围内的离子成分进行分辨。本文阐述了萤火一号等离子体探测的科学意义,并对等离子体包的工作原理,仪器设计进行了介绍。     

磁通门磁强计在深空探测中的应用

磁场测量是深空探测的重要任务之一,通过磁场可以遥感行星内部、研究行星演化历史、认知太阳系天体空间环境。基于法拉第电磁感应原理的磁通门磁强计,因空间适应性强、技术成熟度高、可靠性高等特点,是深空磁场测量最为常用的载荷。简要描述了磁通门磁强计的基本测量原理,探讨了地面和在轨标定的原理和实施方法,并介绍了磁强计在空间任务中的应用方式。目前,我国已经具备了星载高精度磁通门磁强计的研制能力。在不久的将来,磁通门磁强计有望在深空探测任务中发挥重要作用。     

萤火一号火星探测计划的科学目标

与其他行星相比火星是与地球最为相似, 也是最有可能在其上发现地球以外生命现象的一颗行星, 因此特别受到人类的关注. 近年来, 有国家已经发射了火星探测器, 并启动了载人火星探测研究计划. 中国是世界上第五个具备自主发射人造卫星的国家, 也是世界上第三个具备自主开展载人航天活动的国家. 但是中国在深空探测领域才刚刚起步. 2007年中俄两国签署了联合探测火星计划, 俄罗斯负责将中国研制的一颗微小卫星------萤火一号发送至火星轨道. 萤火一号将开展自主探测, 并与俄罗斯的火卫一探测器开展联合探测. 本文综述了萤火一号任务提出的科学背景及科学目标, 简要介绍了为实现科学目标配置的有效载荷, 以及入轨后的主要探测任务, 并对其科学探测结果进行了初步的展望.      

萤火一号火星探测器轨道设计与科学探测事件分析

针对萤火一号火星探测器在2011年发射窗口的轨道进行初步设计.在此基础上,分析了萤火一号火星探测器绕火星飞行的轨道特性,预报其穿越火星弓激波和磁堆积区域、CCD相机拍照时刻,其与深空站进行星-地掩星试验和与俄罗斯Phobos-Grunt火星探测器进行星-星掩星试验的时刻.结果表明,萤火一号火星探测器在与俄罗斯Phobos-Grunt分离后一年的环火飞行时间里,存在大量的科学探测机会.     

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。      

电磁监测试验卫星矢量磁场探测方法

电磁监测试验卫星是中国第一颗近地轨道电磁场科学探测试验卫星, 探测空间背景磁场是其重要任务之一. 空间背景磁场探测需要在卫星平台上对空间矢量磁场进行长期稳定准确探测, 电磁监测试验卫星采用磁通门磁强计和基于CPT效应的绝对磁场校准装置(Coupled Dark State Magnetometer, CDSM)分别探测空间相对矢量磁场以及绝对标量磁场, 通过数据处理, 使最终的矢量磁场探测数据具有准确性. 这种数据处理方法在理想模型下拥有解析解, 实施过程中载荷的噪声、 准确度及稳定性影响模型的准确性, 会产生数据校准误差. 通过对在轨磁场探测的模拟确定了这种数据处理方法的性能, 验证了在载荷设计性能的基础上电磁监测试验卫星的磁场探测可以实现1 nT的准确度.      

萤火一号深空测控设备

深空测控通信是实施深空探测的关键技术, 萤火一号探测器是中国第一个深空探测器. 本文介绍了深空测控通信的特点、存在的技术困难及需要攻克的关键技术, 描述了萤火一号火星探测器的测控通信技术方案及星载测控设备的功能分配, 给出了星载测控设备的基本配置情况及主要技术指标. 萤火一号探测器的测控和数传采用一体化设计方案, 在10 kg重量约束条件下, 实现了上行遥控通道及下行遥测通道, 具备科学数据传输通道及测定轨信号发送的功能, 而且每个通道均具有冗余备份设备.      

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.      

基于铁基纳米晶带巨磁阻抗效应的磁强计设计

基于巨磁阻抗效应(GMI)的磁强计是近年来磁强计研究领域的热点. 相比其他类型磁强计, GMI磁强计具有微型化、高灵敏度、快速响应、高温度 稳定性和低功耗的优点. 本文以铁基纳米晶带材为敏感材料, 设计并实现了GMI 磁强计传感器与后续信号处理电路, 组成一台GMI磁强计. 实验结果表明, 该磁 强计在-25000~25000nT量程内灵敏度为0.176mV·nT-1, 满足实际弱磁场测量要求, 并且具有体积小及功耗低的特点, 有望应用于空间 探测等磁测量领域.      

祝融号火星车科学探测模式设计与验证

受通信能力低、能源不足等限制，祝融号火星车有效载荷科学探测需提高探测效率，以有限资源获取尽可能多的有效探测数据。祝融号火星车的巡视探测科学任务着眼于火星局部地区，包括火星车行驶时载荷探测和火星车停止时定点就位载荷探测两个主要工况。统筹考虑祝融号火星车移动能力、通信能力、能源能力、热控能力等约束，合理划分工程活动和科学探测活动可用的资源，协调使用火星车的桅杆和移动系统，优化组合各载荷工作模式，设计了高效载荷探测模式。该探测模式与基于工作模式表的自主探测控制方式相结合，解决了资源受限情况下的多载荷协同探测难题。祝融号火星车有效载荷系统圆满完成了预期探测任务，设计的科学探测模式全部得到在轨验证。结果表明这些模式设计合理有效，满足安全、自主、高效开展科学探测的需求。     

火星电离层探测

火星已经成为深空探测的重要目标之一, 登陆火星并在火星生存是人类探测火星的终极目标, 因此电离层是必须了解的火星电磁环境. 火星电离层探测包括直接探测和间接探测. 直接探测精度高, 有较高的空间分辨率, 但是观测时间短, 无法提供长期稳定的探测结果. 对火星电离层的间接探测结果主要来自无线电掩星探测和顶部雷达探测. 无线电掩星探测可实现对火星电离层整个电子密度剖面的长期稳定探测, 但其空间水平分辨率较低, 且可探测的电离层太阳天顶角范围受到地球与火星轨道的限制. 顶部雷达探测对火星电离层的探测具有很高的时间分辨率和空间分辨率, 且同样可进行长期稳定探测, 为火星电离层研究提供了最新的支持. 通过对火星电离层探测的基本方法及典型观测结果的分析, 提出通过几种探测方法适当结合的方式, 同时对火星电离层进行观测, 能够大大推进对火星电离层的研究.      

恒定弱磁标准装置设计原理

恒定弱磁标准装置是用来复现高稳定度的恒定弱磁场,并对所复现的弱磁场进行精确测量的装置。恒定弱磁标准装置是由线圈系统、光泵地磁补偿系统、恒流源系统、磁场测量系统等组成。装置采用先进的Cs光泵磁强计补偿技术,在线圈系统的工作区中产生高稳定度的恒定弱磁场,磁场波动均方差小于0.1 nT。通过高稳定度恒流源和线圈系统可以复现1~1.105nT的磁场。通过He-Cs光泵磁共振仪、频率计数器及计算机构成的磁场测量系统可以对所复现的弱磁感应强度量值进行精确的测量,标准测量不确定度为0.07~0.1 nT。     

嫦娥系列探月卫星无线电科学实验简介

在"嫦娥1/2/3号"系列探测任务中开展了行星无线电科学探测实验,这些工作包括:使用天文VLBI技术对探测器进行工程和科学测轨、定位观测,开环和闭环测速测距观测,基于微波观测重构和优化月球重力场模型,通过重力异常揭示质量瘤和撞击盆地。星载或器载主/被动雷达设备还用于探测月壤和月球内部结构。在"嫦娥2号"任务中,实现了对拉格朗日平动点利萨如轨道飞行的测控,以及对图塔蒂斯小行星的飞掠探测。在"嫦娥3号"任务中,实现了多通道开环3向相位测距和多普勒测速技术。该月球无线电相位测距技术LRPR作为一种新的空间测量技术,可以用于测定台站的位置、潮汐、星体的自转特性。还可以与月球激光测距技术LLR融合,监测月球动力学运动变化,并有潜力用于未来的火星探测任务。     

一种火星多模式组合探测任务设想

针对火星探测科学发现及任务创新需求,探索更先进的探测模式,提出了一种火星多模式组合探测任务设想。该任务设想的特点在于结合了轨道环绕、表面着陆、多点穿透和浮空探测,获取立体多层多源信息,一次任务实现深度科学探测。对火星开展多模式组合探测,不仅会开拓更加具有优势的火星探测新方式,发展新的探测能力和技术,也会加深对火星的全面了解,提高探测活动的综合效果。多模式探测设想不仅适用于火星,对金星、土星等地外天体探测也有很好的支撑作用。     

我国首次火星探测任务

我国首次火星探测任务于2016年立项实施。综合介绍了国际火星探测的历史和现状,我国首次火星探测任务的工程目标和科学目标、总体技术方案、关键技术难点、预期创新成果。我国首次火星探测任务将通过一次发射,实现火星环绕和着陆巡视,对火星开展全球性普查和局部的精细探测,推进火星地形地貌与地质构造、土壤特征与水冰分布、表明物质组成、大气电离层和气候环境、物理场与内部构造等方面的研究。实现火星探测任务目标,针对火星探测面临的各种特殊环境,需突破长期自主管理与控制等8类关键技术,取得的一系列创新成果,将为我国建立独立自主的深空探测基础工程体系,掌握深空探测基础共性技术,形成开展深空探测的基础工程能力。     

中国月球及深空空间环境探测

深空探测承载着人类航天技术发展、探索宇宙奥秘和寻找地外生命及人类宜居地的重任,成为各航天大国关注的热点。我国月球与深空探测虽然起步晚,但起点高,正在追赶并将实现领先。简要回顾了我国月球及深空空间环境探测的载荷情况、数据结果、理论和应用研究成果,简述了当前在研的自主火星空间环境探测目标以及规划中的未来深空探测任务,并根据当前国际发展态势,及我国在研、规划中的月球及深空探测任务情况,分析了我国月球及深空空间环境探测的关键科学问题、载荷技术发展趋势、理论与模拟的研究需求,最后对深空环境探测进行了展望。     

中国首次火星探测任务科学目标与有效载荷配置

中国首次火星探测任务将于2020年实施,科学目标和有效载荷配置是工程任务的重要顶层设计之一。简要回顾了国外已实施火星探测任务的主要科学目标,介绍了我国首次火星探测任务科学目标、有效载荷配置,分析了科学目标的创新性和特色。     

太阳系探测的发展趋势与科学问题分析

分析了太阳系探测的发展趋势,认为从月球到火星是未来太阳系探测的主线,太阳系探测将从普查性探测向重点天体探测转变,从技术实现为主向科学牵引转变,国际合作成为太阳系探测的必然趋势。归纳了太阳系探测的关键科学问题,认为太阳系与行星系统的起源和演化是探测的终极科学目标,寻找地外生命和宜居环境是探测的主要驱动力,预防太阳活动和小天体撞击对地球的灾害性影响是探测的现实意义。在探月工程取得进展之后,中国应以月球和火星探测为主线,以火星探测为切入点,有序开展火星、小行星、太阳、金星、木星系统等太阳系探测任务,牵引航天技术进步,推动行星科学发展。