基于行星际磁场阿尔芬特性的...磁通门磁强计在轨标定新方法_孟立飞.pdf

第 卷 第期 年月地球物理学报 ，孟立飞，王国强 基于行星际磁场阿尔芬特性的星载磁通门磁强计在轨标定新方法地球物理学报，（）：，：，.（），（）：，：基于行星际磁场阿尔芬特性的星载磁通门磁强计在轨标定新方法孟立飞，王国强哈尔滨工业大学（深圳），深圳 北京卫星环境工程研究所，北京 摘要准确的磁场测量对深入研究空间等离子体环境具有重要意义星载磁通门磁强计的磁补偿随时间缓慢变化，因此，需要对其进行常规的在轨标定现有的在轨标定方法都依赖于磁扰动或磁结构事件的筛选，导致标定结果的频次受限于事件的筛选，且差的事件还会增大计算误差 为此，本文研发出一种不依赖于磁场事件筛选的在轨标定新方法 根据行星际磁场强度的取值范围，我们可建构一个磁补偿取值空间 不同的磁补偿值会影响行星际磁场的阿尔芬特性；于是，我们通过在磁补偿空间中找到使被调整之后的行星际磁场的阿尔芬特性最强的点作为磁补偿值的最优解 测试结果表明，我们的新方法可以利用时长的行星际磁场数据获得误差小于 的标定结果关键词磁通门磁强计；磁补偿；在轨标定；行星际磁场；阿尔芬特性 ：中图分类号 收稿日期 ，收修定稿基金项目国家自然科学基金（），广东省基础与应用基础研究基金项目（，），深圳市科技计划项目（），中央高校基本科研业务费专项资金（）资助第一作者简介孟立飞，主要从事航天器磁性设计、磁性控制、磁性测试等相关工作 ：通讯作者王国强，副教授，主要研究方向为行星磁层物理、空间探测中磁场测量技术 ：，地 球 物 理 学 报（）卷 ；，；引言空间等离子体环境由场和等离子体构成，其中有极为丰富的物理现象，如磁重联（，；，；，）、磁流体力学波动（，；，）、湍动（，）、电流体系（，；，）和各种磁结构（刘建坤等，；，；，；，；，；，）等 这些等离子体物理过程的研究离不开卫星的探测，其 中 磁 场 测 量 是 卫 星 探 测 的 重 要 内 容 之 一（，；，）精确的磁场测量对空间等离子体环境的研究具有重要意义磁通门磁强计被广泛地应用于深空探测中的磁场测量（，；，；，；，）该磁强计在磁场为零的条件下仍然有一个测量数据，其值被称为磁强计的零漂（，）磁强计的零漂、灵敏度和三轴夹角会在卫星发射之前进行地面标定（，；，）在卫星入轨之后，磁强计的测量值由环境磁场、卫星磁场和零漂构成，其中卫星磁场可进一步分为动态磁场和静态磁场 卫星静态磁场变化较为缓慢，很难将其与零漂区分开；因此，这两部分磁场合在一起被称为磁通门磁强计的磁补偿（，）卫星动态磁场可由双传感器测量技术将其识别并剔除（，）；而磁补偿随时间会缓慢变化，因此，星载磁强计需要进行常规的在轨标定（，；，）行星际空间中存在丰富的磁场扰动和磁结构，其中 波动、磁镜结构和电流片可被用来对星载磁通门磁强计实施在轨标定（，；，；，；，）波动是磁流体力学波动，该波动不改变总磁场强度（，；，；，）基于 波动的性质，有四种方法被研发出来，它们分别是 方法（，）、方法（，）、方 法（，）和 方法（，）基于磁镜结构切面磁场为零的假设，有两种方法相继被提出，它们分别是磁镜结构法（，；，）和 方法（，）基于电流片法向磁场为零的假设，方法被提出来计算磁补偿（，）行星际磁场扰动具有很强的阿尔芬特性，即总磁场无 显著 扰 动 而 磁 场分量上 存 在 显 著 的 扰 动（，）由于行星际空间中不存在纯的 波动，方法和 方法等基于纯 波动假设的在轨标定方法存在计算误差（王国强等，；，；，）磁补偿的计算精度依赖于阿尔芬特性强的磁场扰动事件的筛选（孟立飞等，；潘宗浩等，）为此，等人和 等人分别针对 方法和 方法提出了较为复杂的磁场扰动事件筛选判据（，；，）然而，这些筛选判据中存在经验参数，如 等人设置的最小压缩方差是一个经验值（，），这给计算磁补偿的过程引入了一定的主观性本文基于 波动性质提出了一种新的在轨标定方法，该方法不依赖于磁场波动事件的筛选本文第节介绍磁强计磁补偿对行星际磁场阿尔芬特性的影响，第节介绍我们的新方法及其测试结果，第节是本文的总结和讨论磁补偿对行星际磁场阿尔芬特性的影响（）卫星是于 期孟立飞等：基于行星际磁场阿尔芬特性的星载磁通门磁强计在轨标定新方法年月 日发射的旋转卫星，其主要目的是研究地球磁层中的磁重联（，）是由四颗卫星构成的一个四面体位型的卫星簇，卫星最小间距约 本文中，我们使用 卫星的数据分辨率为 的磁场数据，这些数据是 由 磁 通 门 磁 强 计 测 量 的（，）图展示了 在 年月日 期间观测到的磁场数据 在该时段，卫星位于太阳风中 磁场矢量的参考坐标系为 （）坐标系；在后文中若无特别说明，矢量的参考坐标系均为 坐标系 为减小高频噪音的影响，本文中的磁场数据均做了窗口的平滑处理在 期间从 增加至，然后在 至 期间从 减少至 此外，在和分量上有显著的幅度大于（波峰减去波谷）的周期小于 的扰动的值约为；相对和而言，无显著变化 这表明该时段内，行星际磁场呈现出阿尔芬特性强的特征图 卫星在 年月日 期间观测到的 坐标系下的磁场三分量和总磁场强度 为定量刻画图时段中行星际磁场的阿尔芬特性，我们采用了如下方式：（）以 时长作为时间窗口，计算出该窗口中、和的标准方差，分别记为、和；（）获取该时间窗口对应的参数，其中 ；（）以作为平移步长，以 作为窗口长度，遍历 年月日 至 时段的磁场数据；于是，我们可以获取 个的值此处的 窗口时长和的平移步长的设置具有一定的主观性，但也有如下依据：（）本文使用的 卫星磁场数据分辨率为 ，因此，的窗口时长已包含足够的磁场数据点数；（）行星际磁场中，阿尔芬特性强的磁场扰动持续时间不固定，短至几秒钟，长至几十分钟；因此，取一个适当短的时间窗口和平移步长，有利于评估某一数据段中阿尔芬特性强的磁场扰动占总时长的比例我们所使用的 卫星的磁场数据是已被标定的数据；因此，我们假设这些数据对应的磁补偿值 我们任意设置一个磁补偿值，记为，；于是用于计算的磁场数据被调整为 我们先以 为底取的对数，然后以 为步长，计算出在不同网格中的取值占所有值的百分比 图中的黑线展示了当时在不同取值范围中的百分比的分布 小于 的比例为 当的值增大时，小于 的比例趋于减小我们用参数表示小于 的百分比 为进一步分析磁补偿值对的影响，图 展地 球 物 理 学 报（）卷图参数在不同取值区间的百分比的分布其中代 表 总 磁 场 的 标 准 方 差，、和分别代表磁场三分量的标准方差不同颜色的曲线代表磁场数据被调整为，其中代表自然磁场，代表磁补偿值 ，示了当时，在平面上的分布在图中，、和的步长均为 在平面上，在和附近出现了一个极大值，且的值随着远离原点而有减小的趋势 图 和 中的呈现出与图 相似的特征 由此可见，参数在时会出现一个极大值新方法及测试结果我们可通过参数来判断给定一个时间段内磁场数据的阿尔芬特性的强弱，这里的强弱指的是阿尔芬特性强的磁场片段（如图中对应的 的磁场片段）数量占总数量的百分比的大小 对于不同的磁补偿值，参数会发生变化；一般情况下，只有当磁补偿值近似等于真实磁补偿值时，会出现一个极大值，如图所示 由此可见，可被视为一个在磁补偿取值空间中寻找磁补偿最优解的指示器 我们不需要筛选阿尔芬特性强的磁场扰动事件，通过分析一个足够长时段的磁场数据的参数在磁补偿取值空间中的分布，便可获得磁强计磁补偿值的最优解 具体计算思路如下：（）根据卫星所在的日心距离，明确行星际磁场强度的取值范围，从而构建一个磁补偿取值空间；对于待标定的磁场数据，在磁补偿取值空间中的任意一点，用于计算的磁场数据被调整为（）取某一时长的待标定数据，其持续时间时长为（如）；以时间窗口长度（如）的磁场数据片段作为一个磁场扰动事件，以时间步长为（如）遍历时长为的待标定数据，从而获取个磁场数据片段，记为个磁场扰动事件（）按某一步长将磁补偿取值空间划分为若干网格，对于某一个网格点，计算出个磁场扰动事件的的值；然后计算出该网格点中小于（如）的百分比，记为参数；（）获取整个磁补偿取值空间网格点的值，再找出为极大值的位置 作为磁强计磁补偿值的最优解；可用时长为的待标定磁场数据的平均时间作为 的时刻用未做磁补偿标定的磁场数据来测试上述新方法是最佳的方式；然而，这类数据很难从公开渠道获取 为此，我们使用 卫星已标定的磁场数据来 测试上述方法 我们用 坐标系下的磁场数图（）当时，随和的变化关系；（）当时，随和的变化关系；（）当时，随和的变化关系 （）；（）；（）期孟立飞等：基于行星际磁场阿尔芬特性的星载磁通门磁强计在轨标定新方法据来模拟三轴稳定卫星的待标定数据，并假设真实的磁补偿值 于是，用上述在轨标定方法计算出来的磁补偿值即为计算误差 我们通过卫星穿越地球弓激波来判断该卫星是否位于太阳风中（，；，），获得了 年月日至月 日这半个月期间 位于太阳风中的个时段，如表所示表 位于太阳风中的个时段 序号开始时刻（）结束时刻（）利用表提供的太阳风时段的磁场数据，我们按新方法的上述计算步骤进行了三次测试 磁补偿取值空间各方向的取值范围均设置为，步长设置为 在这三次测试中，我们对个参数的设置如表所示在第次测试中，我们用连续一个小时的磁场表三次测试中参数、和的设置 ，测试序号（）（）（）数据进行一次磁补偿值的计算；在计算下一次磁补偿值时，磁场数据的时段往后平移了 在第次和第次计算磁补偿时，磁场数据的时段往后分别平移了 和 计算出来的磁补偿结果记为 ，即相对于（）的偏差 图展示了三次测试结果中 各分量值的分布 当时，、和 的绝对值小于 的比例分别为、和 当时，、和 的绝对值小于 的比例分别为 、和 当时，、和 的绝对值小于 的比例分别为 、和 由此可见，当增大时，新方法的计算误差有减小的趋势 当时，、和 的绝对值小于 的比例分别为 、和 这表明，当足够大时，该方法能够获得高精度的标定结果图三轮测试中磁补偿三分量误差的分布，其中黑、红和蓝色分别代表、和分量 ，图展示了三次测试中 三分量随时间的分布 当时，一些 的值可高达 当时，大于 的值的个数显著减小当时，仅有个时段的 大于；且 大于 的时刻也倾向于集中出现除了这个时段之外的其余时段，的值都在附近；这表明当足够大时，该新方法的计算结果误差较为稳定，无显著的极端值出现 此外，该新方法能够在时间上进行连续标定，这可显著提供在轨标定的频次在磁补偿取值空间中，参数的极大值的点为磁强计磁补偿值的最优解；我们将的极大值记为值的大小可作为用于计算磁补偿的时长为的这段行星际磁场的阿尔芬特性强弱的参考值越大，则该段行星际磁场的阿尔芬特性趋于越强 磁补偿计算误差强度表示为图展示了三次测试结果中与参数的关系地 球 物 理 学 报（）卷图从上至下分别是当、和时，在 年月日至 年月 日期间的的三分量 ：，图测试（）、（）和（）的磁补偿误差与参数的关系 （），（）（），图显示出有随着增大而增大的趋势；由此可见，用于计算磁补偿的行星际磁场的阿尔芬特性越强，计算的磁补偿误差趋于更小 对比图、和，我们可发现如下规律：当用于标定的磁场数据时长从增至时，的取值整体上趋于减小总结和讨论基于 卫星的观测数据，我们测试了行星际磁场的阿尔芬特性 我们将某一段磁场数据按一定的时间步长提取若干个磁场扰动事件，发现这些扰动事件的阿尔芬特性与磁补偿的取值有关 在磁补偿取值空间中，这些事件的阿尔芬特性在真实磁补偿值的位置附近最强 基于此，我们提出了一种计算星载磁通门磁强计磁补偿值的新方法 该新方法能够实现磁补偿计算误差小于 此外，该新方法的计算不依赖于行星际磁场扰动事件的筛选，且计算频次比之前的方法更高 世纪 年代前后，有三种基于 波动假设的在轨标定方法相继被提出；其中 方法能够处理时间短的行星际磁场扰动事件，因而被广 泛 应 用（，；，）行星际磁场中没有纯的 波动，因此，该方法的计算精度依赖于阿尔芬特性强的行星际磁场扰动事件的筛选 结合 方程的特点，等人提出三个较为复杂的筛选判据：（）所选取的磁场扰动不能在同一个平面上，（）磁场扰动事件具有较低的磁场压缩水平，（）磁场分量相对于的平方具有足够高的线性度且斜率为（，）近期，和 提出了期孟立飞等：基于行星际磁场阿