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(dòng)和電離層的相互作用，進(jìn)一步了解空間環(huán)境，以及了解電離層活動(dòng)對通信和導(dǎo)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(gè)部分進(jìn)行了全面探測，獲取了距地表100km到數(shù)千千米范圍內(nèi)的地磁數(shù)據(jù)，進(jìn)而建立了精確的全球地磁場模型，形成了衛(wèi)星地磁學(xué)，將地磁學(xué)研究向前推進(jìn)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(qiáng)計(jì)，受星體磁場較強(qiáng)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(jì)50-70年代，磁場探測主要處于探索階段，衛(wèi)星和磁強(qiáng)計(jì)的技術(shù)水平都較低。

1979年，美國地質(zhì)調(diào)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(shí)現(xiàn)了高精度地磁三分量絕對測量，標(biāo)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(wù)

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(wù)

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(xué)應(yīng)用衛(wèi)星－C等專用地磁探測衛(wèi)星，實(shí)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(yùn)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(biāo)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(xué)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(shí)探測地球重力場和磁力場的衛(wèi)星。衛(wèi)星載有磁強(qiáng)計(jì)組合系統(tǒng)，由1個(gè)標(biāo)量質(zhì)子旋進(jìn)磁強(qiáng)計(jì)、2個(gè)矢量磁通門磁強(qiáng)計(jì)，以及先進(jìn)恒星羅盤載荷（用于為矢量磁強(qiáng)計(jì)提供高精度姿態(tài)信息）組成，用于對地磁場進(jìn)行測量。

（2）歐洲“空間氣象先進(jìn)研究任務(wù)”衛(wèi)星星座

“空間氣象先進(jìn)研究任務(wù)”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(xué)應(yīng)用衛(wèi)星－C等專用地磁探測衛(wèi)星的后續(xù)任務(wù)，基于已有經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行建造，主要科學(xué)目標(biāo)是以空前的高精度測量地磁場（多點(diǎn)測量）及其隨時(shí)間、空間的變化，使人們對地球內(nèi)部、大氣與氣候和氣象有關(guān)的變化過程，以及空間氣象和輻射危害有新的認(rèn)識?！翱臻g氣象先進(jìn)研究任務(wù)”衛(wèi)星星座是歐洲航天局的首個(gè)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(xué)家提供數(shù)據(jù)研究磁場的復(fù)雜性?！翱臻g氣象先進(jìn)研究任務(wù)”項(xiàng)目提案最早于1998年提出，2002年開始進(jìn)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(jī)會任務(wù)，由丹麥技術(shù)大學(xué)負(fù)責(zé)領(lǐng)導(dǎo)和管理。

“空間氣象先進(jìn)研究任務(wù)”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(zhì)量472kg，設(shè)計(jì)壽命4年。其中空間氣象先進(jìn)研究任務(wù)－A、B衛(wèi)星組成衛(wèi)星隊(duì)，近距離編隊(duì)飛行，運(yùn)行在高度450km、87.4°的極軌道，升交點(diǎn)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(jìn)研究任務(wù)－C衛(wèi)星運(yùn)行在高度530km、傾角88°的極軌道。在軌期間，“空間氣象先進(jìn)研究任務(wù)”星座通過軌道維持，保證衛(wèi)星精確構(gòu)型。

“空間氣象先進(jìn)研究任務(wù)”星座

在衛(wèi)星設(shè)計(jì)方面，主要考慮以下幾方面要求：

1）磁潔凈度方面：將磁強(qiáng)計(jì)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(qiáng)計(jì)姿態(tài)方面：矢量磁通門磁強(qiáng)計(jì)與星相機(jī)高穩(wěn)定性地安裝在光具座上；

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

在平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，3顆小衛(wèi)星基本相同，采用對稱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(dòng)引起姿態(tài)擾動(dòng)影響磁場矢量測量。在姿態(tài)控制方面，利用3個(gè)星跟蹤器、3個(gè)磁強(qiáng)計(jì)和1個(gè)粗地球敏感器和1個(gè)太陽敏感器測量衛(wèi)星姿態(tài)，再采用24個(gè)冷氣推力器（20mN和40mN）和磁力矩器進(jìn)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(dòng)），姿態(tài)穩(wěn)定度優(yōu)于0.1°/s。

每顆“空間氣象先進(jìn)研究任務(wù)”衛(wèi)星搭載絕對標(biāo)量磁強(qiáng)計(jì)（ASM）、緊湊球形線圈（CSC）、矢量磁通門磁強(qiáng)計(jì)等新一代磁場探測載荷，用于高精度、高分辨率測量磁場強(qiáng)度、方向和變化。絕對標(biāo)量磁強(qiáng)計(jì)主要用于測量磁場強(qiáng)度，并校準(zhǔn)矢量磁通門磁強(qiáng)計(jì)。矢量磁通門磁強(qiáng)計(jì)與3個(gè)星相機(jī)（相互夾角90°）安裝在一個(gè)穩(wěn)定的光具座后，再安裝在長4m桁架上，3個(gè)星相機(jī)為矢量磁通門磁強(qiáng)計(jì)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(shè)備（EFI）、加速度計(jì)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(jìn)研究任務(wù)”采用三星星座構(gòu)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(shí)空模糊問題，改進(jìn)空間采樣的時(shí)間，更好地區(qū)分不同源（電場、電離層傳導(dǎo)性）對地磁場的作用和貢獻(xiàn)。另外，在磁場探測能力方面，“空間氣象先進(jìn)研究任務(wù)”衛(wèi)星也空前優(yōu)異，能夠以更高精度展現(xiàn)地磁場的強(qiáng)度、方向，以及隨時(shí)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(wù)

“磁層多尺度任務(wù)”（MMS）衛(wèi)星是美國航空航天局戈達(dá)德空間中心（GSFC）研制的磁力探測衛(wèi)星項(xiàng)目，用于調(diào)查和研究太陽磁場與地球磁場之間的關(guān)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(jié)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(xué)連接”衛(wèi)星是美國航空航天局的太陽陸地探測項(xiàng)目的一部分，已經(jīng)處于方案形成階段，計(jì)劃于“磁層多尺度任務(wù)”衛(wèi)星之后發(fā)射?！暗乩砜臻g電力學(xué)連接”由3顆衛(wèi)星組成星座，設(shè)計(jì)壽命2年，計(jì)劃“一箭三星”發(fā)射進(jìn)入近地點(diǎn)200km、遠(yuǎn)地點(diǎn)2000km、傾角83°的軌道。3顆衛(wèi)星構(gòu)型一致，采用三軸穩(wěn)定控制方式，搭載探測線圈磁強(qiáng)計(jì)、三軸磁通門磁強(qiáng)計(jì)等設(shè)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(shí)現(xiàn)對大氣與磁層的電力學(xué)連接進(jìn)行原位測量。

美、俄利用氣象衛(wèi)星搭載磁強(qiáng)計(jì)，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(jì)劃”軍用氣象衛(wèi)星，以及“地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星”民用氣象衛(wèi)星上搭載磁強(qiáng)計(jì)，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(qiáng)計(jì)，輔助對地磁場進(jìn)行探測。

“國防氣象衛(wèi)星計(jì)劃”衛(wèi)星搭載的三軸磁通門磁強(qiáng)計(jì)的主要目標(biāo)是測量電離層和磁氣圈電流流動(dòng)產(chǎn)生的磁場，次要目標(biāo)是測量固體地球產(chǎn)生的磁場；“地球靜止環(huán)境業(yè)務(wù)衛(wèi)星”搭載的三軸矢量磁強(qiáng)計(jì)主要用于測量衛(wèi)星周圍地磁場的強(qiáng)度、方向和變化；電子－L衛(wèi)星搭載的磁強(qiáng)計(jì)主要用于測量磁感應(yīng)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(biāo)量、矢量磁強(qiáng)計(jì)協(xié)同配置方式，共同實(shí)現(xiàn)對地磁場的高精度探測

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

磁力探測衛(wèi)星星座具有獨(dú)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(xué)應(yīng)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(shù)－5衛(wèi)星星座，成功驗(yàn)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(jìn)研究任務(wù)”衛(wèi)星任務(wù)，采用三星星座構(gòu)型，分布于2個(gè)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(shí)空模糊問題，改進(jìn)空間采樣的時(shí)間，更好地區(qū)分不同源對地磁場的作用和貢獻(xiàn)。