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.      

自旋小卫星姿态动力学建模与控制研究

研究探测近地空间自旋稳定小卫星姿态动力学建模与姿态控制问题,探测任务对该卫星姿态控制有着特殊要求。建模中特别考虑了自旋小卫星双侧伸杆扰动对其姿态运动的影响。利用自旋卫星的章动特性,设计了姿态一章动联合控制器,根据星体横向角速度相位和喷气力矩在惯性空间的方位来确定喷气时刻,采取先章动粗控与进动控制,后章动精控的策略。当卫星受空间扰动力矩长期作用产生较大章动角而需调姿进行轨道机动时,可以应用本控制器方便地调整自旋轴的指向。     

重力梯度力矩作用下近地卫星自旋运动规律分析

为研究近地卫星自旋运动规律,建立了近地卫星在受摄动影响的轨道上运行并受重力梯度力矩作用下的姿态运动模型,推导了自旋角速率满足一定条件下自旋运动的进动角、章动角、自旋角的解析解,对重力梯度作用下的自旋姿态运动规律进行了仿真分析,并用仿真计算结果验证了解析解的正确性。在轨道面缓慢进动情况下,当卫星绕最大主惯量轴自旋时,给出了自旋角速率取值范围表达式,在该取值范围内卫星自旋运动能够跟随轨道面一起进动,自旋轴以恒定的平均角速率进动,章动角在小范围内波动。建立的自旋姿态运动模型和分析结论可用于近地卫星姿态失控后的姿态确定和预测、在轨姿态设计及在轨备份等。     

2004年3月13日TC-1和Cluster卫星联合观测的磁通量传输事件

分析了2004年3月13日12:15到12:25UT期间TC-1和Cluster卫星簇的磁通门磁力计(FGM)和电子/电流试验仪(PEACE)的联合观测数据.在此期间,TC-1卫星位于日下点以南的磁层顶附近的磁鞘中,并在12:19UT左右观测到了一个典型的先正后负的磁鞘磁通量传输事件(FTE);而Cluster卫星簇位于北半球日侧高纬磁层项附近,并于12:23UT左右穿出磁层顶进入磁鞘,且在12:21 UT左右也观测到了一个典型的先正后负的磁层FTE.比较分析发现此两个FTE具有类似的磁场结构和等离子体特征,可能是同一个北向运动的FTE先后被TC-1和Cluster卫星观测到.利用Cluster 4颗卫星的多点同时观测数据,采用最小方向微分法和时空微分方法,推断Cluster卫星观测的这个FTE是尺度大小约为1.21Re的准二维结构,其运动方向为东北方向,与Cooling模型预测方向基本一致.利用Cooling模型的预测,推算了TC-1卫星在12:19UT观测的FTE的运动速度和尺度,进而得出随着通量管的极向运动,其速度和尺度均有所增加.     

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%.      

姿态异常下的星体自旋角速度确定方法

摘要： 针对在轨姿态异常后星体高速自旋情况,开展星体自旋角速度确定方法研究.提出一种基于太阳敏感器测量数据确定自旋角速度的方法,并对自旋角速率确定误差进行分析,得到各误差源对确定精度的影响关系;基于角速率确定误差分析结论,给出根据角速度大小选取不同时间间隔测量数据的策略,通过大时间间隔测量数据的选取,保证小角速度情况下的确定精度.所提出方法的有效性通过数学仿真验证,并在实际应用中基于太阳敏感器遥测数据获取在轨姿态异常卫星角速度.     

代数重建法反演环电流分布的初步结果

TC-2卫星携带了高能中性原子成像仪.在理论上可以根据对中性原子的探测通过反演获得磁层中环电流的空间分布.开发了一种新的反演技术和算法来反演环电流的分布.文中将层析成像技术引入反演环电流区离子分布,把磁层空间环电流区域划分为网格并依据层析成像常用的代数重建法反演环电流的分布.反演前后的电流离子分布具有一致性,证实了这种反演方法的可行性.通过对比反演结果与初始分布,模型通过较少的假设和简单的步骤就可以获得全面的环电流信息.      

一种基于连续星图观测的自旋姿态估计方法

传统的利用地球敏感器和太阳敏感器作为测量仪器的自旋卫星姿态确定方法存在系统误差和安装误差等,从而导致自旋姿态确定误差较大的问题,文章提出了一种利用星敏感器获取的连续星图估计卫星自旋姿态参数的新方法。该方法以卫星的自旋轴和旋转角速度作为状态变量,通过星敏感器连续跟踪拍摄的恒星的成像位置作为观测量,利用无迹卡尔曼滤波估计出卫星的自旋姿态参数。仿真结果表明,在星敏感器的精度为3″时,该方法的自旋轴估计精度为0.3448″,自旋角速度估计精度为10^-4(°)/s数量级。     

TC-1和Cluster对向阳侧磁层顶通量传输事件的联合观测研究

2004年2至4月期间,探测一号(TC-1)卫星和Cluster卫星有25次同时处在向阳侧磁层顶附近的磁鞘内,TC-1卫星在低纬区,Cluster卫星在中高纬区.利用这一期间两卫星探测到的27个通量传输事件(FTE),分析行星际磁场(IMF)横向分量BT={By,Bz}对磁层顶重联发生位置的影响,以及分量重联的观测事实,得到如下主要结果.(1)当IMF南向分量Bz占优势(|Bz|＞|By|)时,FTE大多(约占87.5%)能在低纬观测到,而当IMF By分量占优势(|Bz|＜|By|)时,则FTE大部分能在中高纬观测到(占84.2%);(2)很少观测到相关联的事件(关联事件指在低纬生成的FTE,向高纬运动中先后被TC-1卫星和Cluster卫星探测到的事件),表明在低纬形成的FTE可能大多沿磁层顶两侧滑向磁尾,只有少数可能运动到高纬地区;(3)中纬地区探测到的FTE大多是以分量重联方式产生于该区,而非来自磁赤道附近成对形成的FTE.      

TC-2卫星探测伸杆在技术状态更改设计中的仿真分析

讨论了TC-2卫星探测伸杆在技术状态更改中的结构和力学问题, 并对TC-2卫星 探测伸杆锁紧支座进行了模态分析、结构静强度计算和解锁机构展开的仿真分 析. 结果表明, 伸杆锁紧支座在更换火工切割器后, 支座频率变化不大, 不会 对整星的基频产生影响, 改进后的锁紧支座结构能够承受动载荷, 最大应力和 应变均在材料的许用范围之内, 锁紧支座在打开过程中不会与任何零件发生干 涉, 满足卫星对伸杆部件的要求.      

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。      

Alfven波在微电离大气中的衰减特性研究

利用简单的偶极子地磁场模型以及大气电子密度和电导率模式, 分析地面产生的磁扰动以Alfven波的模式传播到近地空间区域. 这种地面的磁扰动可能干扰近地空间卫星对空间磁扰动的观测. 通过对地面磁扰动Alfven波模式1000 km高度内的衰减情况进行模拟, 认为在近地空间采用地磁偶极子模型是合理的. 由于衰减随扰动频率的增大而急剧增强, 分析还得到了近地卫星能够探测到地面磁扰动的最大频率. 计算结果表明, Alfven波的衰减主要集中在高度50 km以下, 这个区域内的大气电导率极其微弱, 使Alfven波的传播受到极大衰减. 0.4 Hz以下的Alfven波沿磁力线传播到1000 km高度后衰减结为原来扰动幅度的千分之一, 因此频率在0.4 Hz以下的Alfven波可能会干扰低轨卫星探测磁场脉动.      

A Brief Introduction and Recent Progress of the Geospace Double Star Program

The Geospace Double Star Project (DSP) consists of two small satellites operating in the near-earth equatorial and polar regions, respectively. The goals of DSP are: (1) to provide high-resolution field, particle, and wave measurements in some important near-earth active regions which have not been covered by current ISTP missions, such as the near-earth plasma sheet and its boundary layer, the ring current, the radiation belts, the dayside magnetopause boundary layer, and the polar region; (2) to investigate the trigger mechanisms of magnetic storms, magnetospheric substorms, and magnetospheric particle events,as well as the responses of geospace storms to solar activities and interplanetary disturbances; (3) to set up the models describing the spatial and temporal variations of the near-earth space environment.To realize the above goals, the equatorial satellite TC-1 and the polar satellite TC-2 will accommodate, respectively, eight instruments on board. TC-1was launched successfully in December 2003 while the polar satellite (TC-2)will be launched in July 2004. The orbit of the equatorial satellite TC-1 consists of a perigee at 550 km, an apogee at 60 000 km, and an inclination of about 28.5; while the orbit of the polar satellite will have a perigee of 700 km, an apogee of 40 000 km, and an inclination of about 90. The two satellites will take coordinated measurements with Cluster Ⅱ and will first form a "six-point exploration" in geospace.The operational status of TC-1 are introduced in this paper.     

Wobble of a spin stabilized satellite with cross products of inertia and magnetic attitude control

Asymmetrical spin stabilized satellite dynamics in the vicinity of the required motion is considered. The principal axis of the maximum moment of inertia slightly deviates from its assumed direction in the satellite reference frame. This is formalized in the cross products of inertia. This inertial uncertainty results in a wobble, that is undesired angular velocity components perpendicular to the rotation axis, and oscillations of this axis near the required direction. The torque-free motion is investigated first. Expressions that explicitly relate satellite inertia parameters to wobble are provided. Wobble evolution under the action of magnetic damping control is analyzed next. Its amplitude approximate exponential decay behavior and residual unavoidable wobble level are derived. These expressions are compared with numerical simulation results of nonlinear equations of motion including various disturbance sources.     

Evaluation of geomagnetic field models using magnetometer measurements for satellite attitude determination system at low earth orbits: Case studies

In this study, different geomagnetic field models are compared in order to study the errors resulting from the representation of magnetic fields that affect the satellite attitude system. For this purpose, we used magnetometer data from two Low Earth Orbit (LEO) spacecraft and the geomagnetic models IGRF-12 (Thébault et al., 2015) and T89 (Tsyganenko, 1989) models to study the differences between the magnetic field components, strength and the angle between the predicted and observed vector magnetic fields. The comparisons were made during geomagnetically active and quiet days to see the effects of the geomagnetic storms and sub-storms on the predicted and observed magnetic fields and angles. The angles, in turn, are used to estimate the spacecraft attitude and hence, the differences between model and observations as well as between two models become important to determine and reduce the errors associated with the models under different space environment conditions. We show that the models differ from the observations even during the geomagnetically quiet times but the associated errors during the geomagnetically active times increase. We find that the T89 model gives closer predictions to the observations, especially during active times and the errors are smaller compared to the IGRF-12 model. The magnitude of the error in the angle under both environmental conditions was found to be less than 1°. For the first time, the geomagnetic models were used to address the effects of the near Earth space environment on the satellite attitude.     

关于HEO空间飞行体的轨道寿命问题

低轨地球卫星的轨道寿命主要取决于大气的耗散作用,其轨道在不断变小(即高度降低)变圆的状态下进入地球稠密大气层中陨落.但HEO(Highly Eccentric Orbit)类型的空间飞行体的运行轨道是一个近地点高度很低,远地点高度却很高的大偏心率椭圆轨道,其轨道寿命主要由第三体(日、月)引力摄动所决定,而且还与其轨道的初始状态有密切关系,特别是慢变量Ω(轨道升交点经度)和ω(轨道近地点幅角),决定了偏心率e的长周期变化状态,从而制约了HEO类型空间飞行体的轨道寿命.本文将根据地球卫星轨道变化规律进行理论分析,阐明这一力学机制,并给出相应的数值验证.      

基于Unscented卡尔曼滤波器的近地卫星磁测自主导航

建立了近地卫星高精度轨道动力学模型和10×10阶地磁场模型,分别以地磁场矢量和强度幅值作为观测量,通过Unscented卡尔曼滤波实现自主导航。在采样周期10s,磁强计测量噪声100nT情况下仿真,仿真结果显示以地磁场矢量为观测量时卫星导航误差在卫星前进方向(切向)、轨道法向、卫星径向的分量分别为1km、0.9km、0.3km,而以地磁场强度幅值为观测量时误差分别为1.6km、1.3km、0.5km。     

Lower thermospheric density structure derived from late decay phases of satellite orbits

In order to obtain new insight into the detailed structure of the lower thermosphere the long-established method of drag analysis again proves to be a powerful tool. For near-circular satellite orbits, in addition to the semi-major axis, the eccentricity and the argument of perigee are strongly influenced by atmospheric drag. With the help of a new computational scheme, which is based on fundamental equations of satellite drag analysis, the amplitudes and phases of global density variations are derived.     

一种空间协同探测系统的星座设计方法

研究了由多颗合成孔径雷达卫星和一颗可见光卫星构成的空间协同探测系统的工作模式.根据太阳同步轨道和冻结轨道的特点,结合近地轨道遥感卫星的应用需求,选择了轨道半长轴、偏心率、倾角、近心点幅角.考虑到卫星偏航控制对覆盖性能的影响,在不动的地心坐标系中推导了卫星观测方向与地表交点的表达式,提出了确定系统中各颗卫星的升交点赤经和过近心点时刻的算法.给出了包含两颗合成孔径雷达卫星与一颗可见光卫星的协同探测系统的星座设计结果,并利用国际公认的卫星软件工具包Satellite ToolKit进行了验证,表明该设计方法是正确的.