國外磁力探測衛(wèi)星的發(fā)展

徐冰 （北京空間科技信息研究所）

精確探測磁力場對軍事戰(zhàn)爭，研究地磁場、太陽活動和電離層的相互作用，進一步了解空間環(huán)境，以及了解電離層活動對通信和導航衛(wèi)星的干擾等都具有十分重要的意義。截至目前，國外相繼發(fā)射了多顆磁力探測衛(wèi)星，對地核場（主要磁場）、地殼場（異常場、磁異常）、電離層磁場和磁層磁場等地磁場的各個部分進行了全面探測，獲取了距地表100km到數(shù)千千米范圍內的地磁數(shù)據(jù)，進而建立了精確的全球地磁場模型，形成了衛(wèi)星地磁學，將地磁學研究向前推進了一大步。

1 國外磁力探測衛(wèi)星發(fā)展歷程

1958年5月，蘇聯(lián)發(fā)射了人造地球衛(wèi)星－3（Sputnik－3），成為世界上首顆磁力探測衛(wèi)星，揭開了國外探測地球磁場和行星磁場的序幕。該星上載有1臺磁通門磁強計，受星體磁場較強影響，其近似磁場測量精度只有100nT。隨后，美蘇又相繼發(fā)射了若干顆磁力探測衛(wèi)星。20世紀50-70年代，磁場探測主要處于探索階段，衛(wèi)星和磁強計的技術水平都較低。

1979年，美國地質調查局和美國航空航天局（NASA）合作研制的“地磁衛(wèi)星”（MagSat）成功發(fā)射，首次實現(xiàn)了高精度地磁三分量絕對測量，標志著磁場探測新的發(fā)展階段。隨后，美國、俄羅斯、法國、德國、澳大利亞、日本、瑞典、南非、巴西和丹麥等國家相繼發(fā)射了載有磁場測量載荷的衛(wèi)星，其中一些是專用地磁探測衛(wèi)星，一些是利用氣象衛(wèi)星搭載磁場測量載荷、探測地球高層磁場。

國外磁力探測任務

專用地磁探測衛(wèi)星表現(xiàn)優(yōu)異，多國規(guī)劃后續(xù)衛(wèi)星任務

鑒于地磁探測的重要性，美國、丹麥、德國和阿根廷先后研制并發(fā)射了“地磁衛(wèi)星”、“奧斯特”、“挑戰(zhàn)性小衛(wèi)星有效載荷”和科學應用衛(wèi)星－C等專用地磁探測衛(wèi)星，實現(xiàn)了地磁場的高精度測量，取得了比較優(yōu)異的成果。根據(jù)德國“挑戰(zhàn)性小衛(wèi)星有效載荷”衛(wèi)星獲取的磁場測量數(shù)據(jù)，可求出衛(wèi)星運行區(qū)域的地磁場14～65階次球諧展開系數(shù)，編制了首幅標量磁異常圖，顯示出了微弱的巖石圈磁場。

（1）德國“挑戰(zhàn)性小衛(wèi)星有效載荷”衛(wèi)星

“挑戰(zhàn)性小衛(wèi)星有效載荷”衛(wèi)星是德國波茨坦地學研究中心（GFZ）和德國航空航天局（DLR）合作發(fā)展的衛(wèi)星，除了探測地球重力場外，還能探測地磁場，是世界上唯一一顆同時探測地球重力場和磁力場的衛(wèi)星。衛(wèi)星載有磁強計組合系統(tǒng)，由1個標量質子旋進磁強計、2個矢量磁通門磁強計，以及先進恒星羅盤載荷（用于為矢量磁強計提供高精度姿態(tài)信息）組成，用于對地磁場進行測量。

（2）歐洲“空間氣象先進研究任務”衛(wèi)星星座

“空間氣象先進研究任務”小衛(wèi)星星座是早期“地磁衛(wèi)星”、“奧斯特”、“挑戰(zhàn)性小衛(wèi)星有效載荷”和科學應用衛(wèi)星－C等專用地磁探測衛(wèi)星的后續(xù)任務，基于已有經(jīng)驗進行建造，主要科學目標是以空前的高精度測量地磁場（多點測量）及其隨時間、空間的變化，使人們對地球內部、大氣與氣候和氣象有關的變化過程，以及空間氣象和輻射危害有新的認識?！翱臻g氣象先進研究任務”衛(wèi)星星座是歐洲航天局的首個用于測量來自地球核心、地幔、地殼、海洋、電離層和磁氣圈磁場信息的地磁探測衛(wèi)星星座，可為科學家提供數(shù)據(jù)研究磁場的復雜性?！翱臻g氣象先進研究任務”項目提案最早于1998年提出，2002年開始進行可行性研究，隨后歐洲航天局于2004年將其選為“地球探測者”機會任務，由丹麥技術大學負責領導和管理。

“空間氣象先進研究任務”衛(wèi)星于2013年11月22日發(fā)射，由3顆小衛(wèi)星組成星座，單星質量472kg，設計壽命4年。其中空間氣象先進研究任務－A、B衛(wèi)星組成衛(wèi)星隊，近距離編隊飛行，運行在高度450km、87.4°的極軌道，升交點赤經(jīng)相差1°～1.5°，在軌最大差分延遲為10s，主要測量磁場東西方向梯度，空間氣象先進研究任務－C衛(wèi)星運行在高度530km、傾角88°的極軌道。在軌期間，“空間氣象先進研究任務”星座通過軌道維持，保證衛(wèi)星精確構型。

“空間氣象先進研究任務”星座

在衛(wèi)星設計方面，主要考慮以下幾方面要求：

1）磁潔凈度方面：將磁強計安裝在可展開桁架上，為磁場測量提供高磁潔凈度環(huán)境；

2）矢量磁強計姿態(tài)方面：矢量磁通門磁強計與星相機高穩(wěn)定性地安裝在光具座上；

3）迎風面積方面：采用較小迎風面，減小大氣阻力。衛(wèi)星體積5.1m×1.5m×0.85m，迎風面積約0.7m2。

在平臺結構設計方面，3顆小衛(wèi)星基本相同，采用對稱的結構設計，采用三軸穩(wěn)定控制方式，太陽電池片敷裝在衛(wèi)星外表面，減少衛(wèi)星本體振動引起姿態(tài)擾動影響磁場矢量測量。在姿態(tài)控制方面，利用3個星跟蹤器、3個磁強計和1個粗地球敏感器和1個太陽敏感器測量衛(wèi)星姿態(tài)，再采用24個冷氣推力器（20mN和40mN）和磁力矩器進行姿態(tài)控制，衛(wèi)星姿態(tài)控制精度需優(yōu)于5°（偏航、俯仰和滾動），姿態(tài)穩(wěn)定度優(yōu)于0.1°/s。

每顆“空間氣象先進研究任務”衛(wèi)星搭載絕對標量磁強計（ASM）、緊湊球形線圈（CSC）、矢量磁通門磁強計等新一代磁場探測載荷，用于高精度、高分辨率測量磁場強度、方向和變化。絕對標量磁強計主要用于測量磁場強度，并校準矢量磁通門磁強計。矢量磁通門磁強計與3個星相機（相互夾角90°）安裝在一個穩(wěn)定的光具座后，再安裝在長4m桁架上，3個星相機為矢量磁通門磁強計提供全方向高精度姿態(tài)信息。除了這些磁場探測載荷外，衛(wèi)星還攜帶了電場設備（EFI）、加速度計和激光后向反射器，以為區(qū)分和建模地磁場不同源影響提供必要測量信息。

與早前的專用地磁探測衛(wèi)星采用單星不同，“空間氣象先進研究任務”采用三星星座構型，利用不同軌道面的衛(wèi)星星座探測磁場可以有效克服磁場測量的時空模糊問題，改進空間采樣的時間，更好地區(qū)分不同源（電場、電離層傳導性）對地磁場的作用和貢獻。另外，在磁場探測能力方面，“空間氣象先進研究任務”衛(wèi)星也空前優(yōu)異，能夠以更高精度展現(xiàn)地磁場的強度、方向，以及隨時間演化過程。

（3）美國已規(guī)劃的未來地磁探測衛(wèi)星星座任務

“磁層多尺度任務”（MMS）衛(wèi)星是美國航空航天局戈達德空間中心（GSFC）研制的磁力探測衛(wèi)星項目，用于調查和研究太陽磁場與地球磁場之間的關系，也稱為“磁重接”現(xiàn)象（方向相反的磁力線因互相靠近而發(fā)生的重新聯(lián)結現(xiàn)象），能夠獲取地球磁場的三維信息。該衛(wèi)星已于2015年3月13日發(fā)射。

“地理空間電力學連接”衛(wèi)星是美國航空航天局的太陽陸地探測項目的一部分，已經(jīng)處于方案形成階段，計劃于“磁層多尺度任務”衛(wèi)星之后發(fā)射?！暗乩砜臻g電力學連接”由3顆衛(wèi)星組成星座，設計壽命2年，計劃“一箭三星”發(fā)射進入近地點200km、遠地點2000km、傾角83°的軌道。3顆衛(wèi)星構型一致，采用三軸穩(wěn)定控制方式，搭載探測線圈磁強計、三軸磁通門磁強計等設備，用于測量磁場分布等。每顆衛(wèi)星攜帶約100kg的燃料，用于降低軌道高度（約130km或更低），與地基測量手段協(xié)同配合，首次實現(xiàn)對大氣與磁層的電力學連接進行原位測量。

美、俄利用氣象衛(wèi)星搭載磁強計，探測地球高層磁場

除了開發(fā)專用地磁探測衛(wèi)星外，美國還在多顆“國防氣象衛(wèi)星計劃”軍用氣象衛(wèi)星，以及“地球靜止環(huán)境業(yè)務衛(wèi)星”民用氣象衛(wèi)星上搭載磁強計，俄羅斯也在其地球靜止軌道電子－L1（Elektro－L1）氣象衛(wèi)星上搭載了磁強計，輔助對地磁場進行探測。

“國防氣象衛(wèi)星計劃”衛(wèi)星搭載的三軸磁通門磁強計的主要目標是測量電離層和磁氣圈電流流動產生的磁場，次要目標是測量固體地球產生的磁場；“地球靜止環(huán)境業(yè)務衛(wèi)星”搭載的三軸矢量磁強計主要用于測量衛(wèi)星周圍地磁場的強度、方向和變化；電子－L衛(wèi)星搭載的磁強計主要用于測量磁感應矢量三分量。

國外典型地磁探測衛(wèi)星參數(shù)對比

2 磁力探測衛(wèi)星發(fā)展趨勢

采取標量、矢量磁強計協(xié)同配置方式，共同實現(xiàn)對地磁場的高精度探測

從歐洲“空間氣象先進研究任務”等未來磁力探測衛(wèi)星任務來看，未來，國外還將繼續(xù)采用標量磁強計和矢量磁強計（多數(shù)為磁通門磁強計）對地球磁場和行星磁場進行探測。隨著相關技術的不斷發(fā)展和成熟，磁強計的探測能力將進一步提高，例如“空間氣象先進研究任務”衛(wèi)星的絕對標量磁強計分辨率將優(yōu)于0.1nT。

磁力探測衛(wèi)星星座具有獨特優(yōu)勢，成為未來高精度探測磁場的主要手段

早期的“地磁衛(wèi)星”、“奧斯特”、“挑戰(zhàn)性小衛(wèi)星有效載荷”和科學應用衛(wèi)星－C等專用地磁探測衛(wèi)星均采用單星探測方式，不能區(qū)分不同源對磁場的作用。美國于2006年發(fā)射了空間技術－5衛(wèi)星星座，成功驗證了利用星座探測磁場的可行性。歐洲航天局新發(fā)射的“空間氣象先進研究任務”衛(wèi)星任務，采用三星星座構型，分布于2個軌道面，利用不同軌道面的衛(wèi)星星座探測磁場，可以有效克服磁場測量的時空模糊問題，改進空間采樣的時間，更好地區(qū)分不同源對地磁場的作用和貢獻。