国外磁力探测卫星的发展

徐冰 （北京空间科技信息研究所）

精确探测磁力场对军事战争，研究地磁场、太阳活动和电离层的相互作用，进一步了解空间环境，以及了解电离层活动对通信和导航卫星的干扰等都具有十分重要的意义。截至目前，国外相继发射了多颗磁力探测卫星，对地核场（主要磁场）、地壳场（异常场、磁异常）、电离层磁场和磁层磁场等地磁场的各个部分进行了全面探测，获取了距地表100km到数千千米范围内的地磁数据，进而建立了精确的全球地磁场模型，形成了卫星地磁学，将地磁学研究向前推进了一大步。

1 国外磁力探测卫星发展历程

1958年5月，苏联发射了人造地球卫星－3（Sputnik－3），成为世界上首颗磁力探测卫星，揭开了国外探测地球磁场和行星磁场的序幕。该星上载有1台磁通门磁强计，受星体磁场较强影响，其近似磁场测量精度只有100nT。随后，美苏又相继发射了若干颗磁力探测卫星。20世纪50-70年代，磁场探测主要处于探索阶段，卫星和磁强计的技术水平都较低。

1979年，美国地质调查局和美国航空航天局（NASA）合作研制的“地磁卫星”（MagSat）成功发射，首次实现了高精度地磁三分量绝对测量，标志着磁场探测新的发展阶段。随后，美国、俄罗斯、法国、德国、澳大利亚、日本、瑞典、南非、巴西和丹麦等国家相继发射了载有磁场测量载荷的卫星，其中一些是专用地磁探测卫星，一些是利用气象卫星搭载磁场测量载荷、探测地球高层磁场。

国外磁力探测任务

专用地磁探测卫星表现优异，多国规划后续卫星任务

鉴于地磁探测的重要性，美国、丹麦、德国和阿根廷先后研制并发射了“地磁卫星”、“奥斯特”、“挑战性小卫星有效载荷”和科学应用卫星－C等专用地磁探测卫星，实现了地磁场的高精度测量，取得了比较优异的成果。根据德国“挑战性小卫星有效载荷”卫星获取的磁场测量数据，可求出卫星运行区域的地磁场14～65阶次球谐展开系数，编制了首幅标量磁异常图，显示出了微弱的岩石圈磁场。

（1）德国“挑战性小卫星有效载荷”卫星

“挑战性小卫星有效载荷”卫星是德国波茨坦地学研究中心（GFZ）和德国航空航天局（DLR）合作发展的卫星，除了探测地球重力场外，还能探测地磁场，是世界上唯一一颗同时探测地球重力场和磁力场的卫星。卫星载有磁强计组合系统，由1个标量质子旋进磁强计、2个矢量磁通门磁强计，以及先进恒星罗盘载荷（用于为矢量磁强计提供高精度姿态信息）组成，用于对地磁场进行测量。

（2）欧洲“空间气象先进研究任务”卫星星座

“空间气象先进研究任务”小卫星星座是早期“地磁卫星”、“奥斯特”、“挑战性小卫星有效载荷”和科学应用卫星－C等专用地磁探测卫星的后续任务，基于已有经验进行建造，主要科学目标是以空前的高精度测量地磁场（多点测量）及其随时间、空间的变化，使人们对地球内部、大气与气候和气象有关的变化过程，以及空间气象和辐射危害有新的认识。“空间气象先进研究任务”卫星星座是欧洲航天局的首个用于测量来自地球核心、地幔、地壳、海洋、电离层和磁气圈磁场信息的地磁探测卫星星座，可为科学家提供数据研究磁场的复杂性。“空间气象先进研究任务”项目提案最早于1998年提出，2002年开始进行可行性研究，随后欧洲航天局于2004年将其选为“地球探测者”机会任务，由丹麦技术大学负责领导和管理。

“空间气象先进研究任务”卫星于2013年11月22日发射，由3颗小卫星组成星座，单星质量472kg，设计寿命4年。其中空间气象先进研究任务－A、B卫星组成卫星队，近距离编队飞行，运行在高度450km、87.4°的极轨道，升交点赤经相差1°～1.5°，在轨最大差分延迟为10s，主要测量磁场东西方向梯度，空间气象先进研究任务－C卫星运行在高度530km、倾角88°的极轨道。在轨期间，“空间气象先进研究任务”星座通过轨道维持，保证卫星精确构型。

“空间气象先进研究任务”星座

在卫星设计方面，主要考虑以下几方面要求：

1）磁洁净度方面：将磁强计安装在可展开桁架上，为磁场测量提供高磁洁净度环境；

2）矢量磁强计姿态方面：矢量磁通门磁强计与星相机高稳定性地安装在光具座上；

3）迎风面积方面：采用较小迎风面，减小大气阻力。卫星体积5.1m×1.5m×0.85m，迎风面积约0.7m2。

在平台结构设计方面，3颗小卫星基本相同，采用对称的结构设计，采用三轴稳定控制方式，太阳电池片敷装在卫星外表面，减少卫星本体振动引起姿态扰动影响磁场矢量测量。在姿态控制方面，利用3个星跟踪器、3个磁强计和1个粗地球敏感器和1个太阳敏感器测量卫星姿态，再采用24个冷气推力器（20mN和40mN）和磁力矩器进行姿态控制，卫星姿态控制精度需优于5°（偏航、俯仰和滚动），姿态稳定度优于0.1°/s。

每颗“空间气象先进研究任务”卫星搭载绝对标量磁强计（ASM）、紧凑球形线圈（CSC）、矢量磁通门磁强计等新一代磁场探测载荷，用于高精度、高分辨率测量磁场强度、方向和变化。绝对标量磁强计主要用于测量磁场强度，并校准矢量磁通门磁强计。矢量磁通门磁强计与3个星相机（相互夹角90°）安装在一个稳定的光具座后，再安装在长4m桁架上，3个星相机为矢量磁通门磁强计提供全方向高精度姿态信息。除了这些磁场探测载荷外，卫星还携带了电场设备（EFI）、加速度计和激光后向反射器，以为区分和建模地磁场不同源影响提供必要测量信息。

与早前的专用地磁探测卫星采用单星不同，“空间气象先进研究任务”采用三星星座构型，利用不同轨道面的卫星星座探测磁场可以有效克服磁场测量的时空模糊问题，改进空间采样的时间，更好地区分不同源（电场、电离层传导性）对地磁场的作用和贡献。另外，在磁场探测能力方面，“空间气象先进研究任务”卫星也空前优异，能够以更高精度展现地磁场的强度、方向，以及随时间演化过程。

（3）美国已规划的未来地磁探测卫星星座任务

“磁层多尺度任务”（MMS）卫星是美国航空航天局戈达德空间中心（GSFC）研制的磁力探测卫星项目，用于调查和研究太阳磁场与地球磁场之间的关系，也称为“磁重接”现象（方向相反的磁力线因互相靠近而发生的重新联结现象），能够获取地球磁场的三维信息。该卫星已于2015年3月13日发射。

“地理空间电力学连接”卫星是美国航空航天局的太阳陆地探测项目的一部分，已经处于方案形成阶段，计划于“磁层多尺度任务”卫星之后发射。“地理空间电力学连接”由3颗卫星组成星座，设计寿命2年，计划“一箭三星”发射进入近地点200km、远地点2000km、倾角83°的轨道。3颗卫星构型一致，采用三轴稳定控制方式，搭载探测线圈磁强计、三轴磁通门磁强计等设备，用于测量磁场分布等。每颗卫星携带约100kg的燃料，用于降低轨道高度（约130km或更低），与地基测量手段协同配合，首次实现对大气与磁层的电力学连接进行原位测量。

美、俄利用气象卫星搭载磁强计，探测地球高层磁场

除了开发专用地磁探测卫星外，美国还在多颗“国防气象卫星计划”军用气象卫星，以及“地球静止环境业务卫星”民用气象卫星上搭载磁强计，俄罗斯也在其地球静止轨道电子－L1（Elektro－L1）气象卫星上搭载了磁强计，辅助对地磁场进行探测。

“国防气象卫星计划”卫星搭载的三轴磁通门磁强计的主要目标是测量电离层和磁气圈电流流动产生的磁场，次要目标是测量固体地球产生的磁场；“地球静止环境业务卫星”搭载的三轴矢量磁强计主要用于测量卫星周围地磁场的强度、方向和变化；电子－L卫星搭载的磁强计主要用于测量磁感应矢量三分量。

国外典型地磁探测卫星参数对比

2 磁力探测卫星发展趋势

采取标量、矢量磁强计协同配置方式，共同实现对地磁场的高精度探测

从欧洲“空间气象先进研究任务”等未来磁力探测卫星任务来看，未来，国外还将继续采用标量磁强计和矢量磁强计（多数为磁通门磁强计）对地球磁场和行星磁场进行探测。随着相关技术的不断发展和成熟，磁强计的探测能力将进一步提高，例如“空间气象先进研究任务”卫星的绝对标量磁强计分辨率将优于0.1nT。

磁力探测卫星星座具有独特优势，成为未来高精度探测磁场的主要手段

早期的“地磁卫星”、“奥斯特”、“挑战性小卫星有效载荷”和科学应用卫星－C等专用地磁探测卫星均采用单星探测方式，不能区分不同源对磁场的作用。美国于2006年发射了空间技术－5卫星星座，成功验证了利用星座探测磁场的可行性。欧洲航天局新发射的“空间气象先进研究任务”卫星任务，采用三星星座构型，分布于2个轨道面，利用不同轨道面的卫星星座探测磁场，可以有效克服磁场测量的时空模糊问题，改进空间采样的时间，更好地区分不同源对地磁场的作用和贡献。