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空间院在星载磁强计在轨标定技术方面取得新进展
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发布时间:2021年10月22日 16:55

空间院在星载磁强计在轨标定技术方面取得新进展


近期,哈尔滨工业大学(深圳)空间科学与应用技术研究院磁测技术研发中心的王国强助理教授与中国科学技术大学的潘宗浩高级工程师共同合作,提出了一种全新的星载磁通门磁强计在轨标定技术,相关成果发表在空间物理权威期刊《Journal of Geophysical Research-Space Physics》上。


磁场测量是深空探测的重要任务之一,高精度的磁场测量对研究行星宜居性、日地空间环境等重大科学问题具有重要意义。磁强计所测量的磁场包括自然环境中的磁场、卫星磁场和磁强计零漂。因此,星载磁强计所测量的数据需要经过一系列处理之后才能应用于科学研究,相关处理包括坐标系转换、识别并剔除卫星磁场和去除磁强计的零漂等。卫星静态磁场变化缓慢,很难将其与磁强计的零漂区分开,因此,这两部分合在一起被视为磁强计的磁补偿。磁补偿随着时间缓慢变化,通常为几天甚至更长时间。所以,为获得高精度磁场测量数据,星载磁强计需要定期进行在轨标定。


传统在轨标定技术是利用空间中的Alfvén波或磁镜结构(如图1所示)来计算磁补偿的。Alfvén波的特征是磁场分量上有显著的扰动,而总磁场幅值为常数。磁镜结构的一个重要特征为最大方差方向与背景磁场方向近似相同。基于Alfvén波性质的在轨标定技术主要有如下三种:Davis–Smith方法(1968年被提出)、Belcher方法(1973年)和Hedgecock方法(1975年)。有学者于2016和2017年相继提出了一维和三维磁镜结构方法。上述在轨标定技术通过推导公式的方式获得磁强计的磁补偿,而这些技术不能同时使用Alfvén波和磁镜结构这两种物理现象来实施标定。



图1. 左图:阿尔芬波动示意图。右图:磁镜结构示意图。


与传统在轨标定技术不同,最近提出的新技术通过几何方式而非公式求解磁强计的磁补偿。新技术求解磁补偿的具体步骤如下:(1)根据行星际磁场可能的取值范围构建一个误差空间,该误差空间中任意一点均有可能是磁强计的磁补偿值;(2)利用Alfvén波或磁镜结构的性质,将磁补偿在误差空间中可能的取值范围压缩为一条直线,该直线对于纯的Alfvén波或磁镜结构而言在误差空间中经过磁强计真实的磁补偿值且具有特定的方向;该直线被称为最优补偿曲线;(3)多个Alfvén波或磁镜结构事件可获得多条最优补偿曲线,这些最优补偿曲线具有较高的线性度,其拟合直线的公共交点即为磁强计的磁补偿值(如图2所示)。

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图2. (A)行星际磁场中的阿尔芬扰动事件。(B)行星际磁场中的磁镜结构。(C)新技术计算磁补偿的方式,即获取磁补偿立方体中非平行的最优补偿曲线(OOL)的公共交点。


该新技术具有如下优势:(1)兼容性好:可单独或同时使用Alfvén波和磁镜结构;(2)计算过程简单直观;(3)计算结果将更精确:新技术能够兼容Alfvén波和磁镜结构这两类事件来计算磁补偿值,从而在相同时段内显著增加用于计算磁补偿的物理事件个数,而物理事件个数的增加有助于进一步提高磁补偿的计算精度。由此可见,该新技术相比于传统在轨标定技术具有明显的优势,期待该技术在未来能应用于“天问一号”等深空探测任务中。


该成果获得了国家自然科学基金项目、中科院比较行星学卓越创新中心项目和国防科工局民用航天预研项目等项目的资助。


论文信息:

[1] Wang, G. Q., & Pan, Z. H. (2021a), A New Method to Calculate the Fluxgate Magnetometer Offset in the Interplanetary Magnetic Field: 1. Using Alfvén Waves, Journal of Geophysical Research: Space Physics, 126(4), doi:10.1029/2020ja028893.

[2] Wang, G. Q., & Pan, Z. H. (2021b), A new method to calculate the fluxgate magnetometer offset in the interplanetary magnetic field: 2. using mirror mode structures, Journal of Geophysical Research: Space Physics, doi:10.1029/2021ja029781.

论文连接:

[1] https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2020JA028893

[2] https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2021JA029781