地磁测量卫星探测技术前沿研究进展

刘建宏 文谦 王兆魁（清华大学航天航空学院）

地球磁场与地球上的生命体息息相关，不仅保护了地球免受太阳风侵蚀，而且在现代工程应用中扮演着至关重要的角色。人们对地磁场进行探索已有漫长的历史，自20 世纪以来发展的地磁测量卫星（简称磁测卫星），成为当今探测地磁场的主要工具，具备全球覆盖、全天候、实时性的磁测优势。磁测卫星从最初的单星单点低轨磁场标量测绘，演变至多点同源小尺度三维特征的精密探测，为相关学科和实际工程应用的发展作出了巨大的贡献。

1 引言

地磁场可粗略描述为与地球自转轴呈11°夹角的磁偶极子，其场源包括主磁场、地壳磁场、感应磁场、电离层磁场和磁层磁场，在太阳风的压缩下，地磁线往背向太阳一面的空间延伸形成磁尾。探测地磁活动可协助地球物理学的建设，其磁测数据同时可支持气象观测、灾害预警、矿产勘探、导航控制等实际工程应用。人们对于地磁场的认识和应用可以追溯到古希腊时期及中国古代的罗盘，而18 世纪初所开展的精确测绘任务可以视为近代地磁学发展的开端。

磁测工作的开展包括地面磁测、井中磁测、海洋磁测和航空磁测等。早期人们利用前两种技术，针对性地探测某个区域内的磁场数据，但受限于复杂地形的限制，因此发展了更高效率的海洋磁测及航空磁测技术。虽然解决了地磁探测的效率问题，但是这四种磁测技术仍具有较大的时空局限性。因此，学界又发展出卫星磁测技术，能够提供探测和绘制几百千米以上量级的大尺度磁测特征所需的同源数据集，同时具备全球性、全天候、实时性的磁场探测优势，从根源上解决了时空局限性的问题。

磁测卫星的关键技术在于利用高精度的星载磁强计和精密定轨、定姿技术，以获得卫星运行轨道处的空间地磁矢量、强度等信息，并经过位置标定、噪声滤除及数据处理，最终得出具有价值的数据。磁测卫星所获取的在轨探测数据一般与地面观测数据相结合，用以建立或更新主磁场及岩石圈磁场模型，同时为地核动力学、地幔电导率、地震前的异常情况等研究提供了可靠的数据，近年来，还促进了空间等离子体物理学（如：研究空间天气、磁重联现象，以及电离层和磁层电流特点等）的发展。

2 磁测卫星发展概述

磁测卫星任务从单颗单点探测模式发展至多颗协同全局探测模式，从侧重于主磁场探测的目标转移至磁层-磁尾区域的地球空间物理环境。早期磁测卫星的发展非常迅速，从第一颗磁测卫星升空伊始，短短十年内磁测精度已可达到约10nT 的量级。但受限于当时的轨道定位误差、绝对时间误差、数字化误差等影响，地磁场测量数据的输出精度相对于仪器测量精度依然存在着巨大的差距。随着技术的发展，后续的磁测卫星已具备了高精度的磁测能力，还搭载了其他仪器来对磁场以外的重力场、电离层等进行综合探测，推动了地球物理学的发展。

国际发展概况

（1）早期磁测卫星

早期磁测卫星的发射任务主要由苏美两国主导。1958 年，苏联发射了全球首颗磁测卫星—人造地球卫星-3（Sputnik-3），然而受该卫星磁带故障影响无法进行数据记录，仅能实时回传磁测数据。8 年后，苏联再次发射两颗相似的宇宙-26，49（Kosmos-26，49）卫星，并成功记录下磁测数据，证实了利用地磁场数据确定航天器方位的可能性。美国则从1965 年至1969 年陆续发射了“极地轨道地球物理台”（POGO）系列，由轨道地球物理台-2，4，6（OGO-2，4，6）这3 颗卫星组成。虽然这3 颗卫星仅能测量磁场的标量强度，但依然是当时最为准确和连续的，为国际地磁参考场1965（IGRF1965）的建立、全球磁异常图的构建、磁场外源电离层的研究等提供了极具价值的数据。1979 年“地磁卫星”（Magsat）发射，首次提供了矢量的磁测数据，其更低的轨道为磁场的研究提供了更高的信号分辨率，并提供了方向特征的信息，但其数据仅限于当地黎明和黄昏时刻。

此时，磁测卫星已具备较为成熟的技术，欧洲各国也逐渐加入发射行列，较具代表的包括丹麦于1999 年发射“奥斯特”（Orsted）及2000 年由德国发射的“挑战性小卫星有效载荷”（CHAMP）。前者通过将矢量磁强计与星敏感器结合，达到了对磁场三分量约5nT 的测量精度。其探测数据为IGRF2000模型提供了参考基准，并与Magsat 卫星数据组合成高精度地磁数据库，为地球内部电流的动态特性、内核与地幔之间的耦合、与磁场变化有关的日长变化等研究提供支持。后者则同时搭载了“全球定位系统”（GPS）、三轴加速度计、激光回复反射器、数字离子漂移计等设备，使其具备探测多物理场的能力。因此，为重力场反演、磁力位势测绘、大气层和电离层剖面测绘提供数据支持。

（2）现代磁测卫星集群

为了满足更高精度、更小尺度的磁测需求，随后21 世纪的磁测任务从单颗磁测模式逐步发展至协同探测模式，其中包括：

1）欧洲航天局（ESA）的星簇-Ⅱ（Cluster-Ⅱ）及“蜂群”（Swarm）计划。Cluster-Ⅱ计划由4 颗卫星组成，主要用于研究地球磁层，如：弓激波、磁鞘、磁尾、极光带等区域内的三维小尺度结构和宏观的湍流现象。截至2023 年12 月，在设计寿命为2 年的基础上，该计划仍持续在轨服务。Swarm 计划由3颗卫星组成，预计在轨服务至2025 年，其携带的载荷如图1 所示。其主要科学目标是：①研究地核动力学、地球发电机过程和地核与地幔的相互作用；②绘制岩石圈磁化图；③确定地幔的三维导电率；④调查磁层和电离层中的电流。

图1 Swarm 卫星的载荷布局方案（来源：ESA 网站）

2）美国的“西弥斯”（THEMIS）及“多任务模块化航天器”（MMS）计划。THEMIS 计划的第一个阶段（“黎明”阶段），5 颗THEMIS 卫星在地球磁尾收集数据，并证实了磁重联现象是磁层亚暴的触发因素。一年后，两颗卫星离开编队进入月球轨道，对月球与太阳相互作用的加速、再连接、湍流和电动力学开展研究，获称“阿尔特弥斯-西弥斯”（ARTEMIS-THEMIS）计划。MMS 计划具有独特的四面体飞行编队，为研究电子扩散区域发生的动力学过程提供了手段，可用于解释有关地磁层在等离子体无碰撞的情况下发现磁重联现象的原因。该计划也将拓展到地磁场以外的范围，提供人们了解在行星际空间和日冕中的磁重联现象（如：太阳耀斑和日冕抛射物质的途径）。

国内发展概况

“地球空间双星探测计划”（简称双星计划），由两颗轨道面相互垂直的卫星构成。该计划作为我国空间科学卫星的先河，推动了国内行星际空间环境的研究，并提升了与欧洲航天局的合作层次、扩大了合作范围。其与Cluster-Ⅱ计划相配合，对地球空间进行“六点”探测，为研究地磁层整体变化规律、磁层空间暴机理、磁流体力学、等离子体物理学等问题提供宝贵的数据。

2018 年，中国第一颗近地轨道电场磁场监测试验卫星——张衡一号在酒泉成功发射，工作在高度为507km、倾角为97.4°、回归周期为5 天的太阳同步轨道，在一个回归周期内可以达到约500km 全球空间分辨率。张衡一号搭载了各类科学仪器（见图2），旨在实时监测空间电磁环境变化并获取相关数据，为地震预测、地球物理学及空间科学提供研究基础。

图2 张衡一号卫星载荷布局方案[1]

澳门科学一号卫星是国家航天局和澳门特别行政区政府共同联合组织研究的空间科学卫星，于2023 年5 月21 日在酒泉发射升空。A 星装载了高精度磁强计，具备监测赤道附近南大西洋磁场异常区和岩石圈磁场的能力，旨在为研究地球发电机、磁极倒转、空间天气预报、航天器空间运行安全等领域提供手段。B 星采用对日定向工作模式，搭载了太阳X 射线探测器、能量电子谱仪等设备，旨在检测太阳耀斑爆发，以研究第25 个太阳周期的太阳活动，并评估其对日-地空间环境的影响，以及地球磁层和电离层的响应。澳门科学一号A、B 星如图3 所示。

图3 澳门科学一号A 星（左）及B 星（右）（来源：澳门空间技术与应用研究院）

“太阳风磁层电离层链接探测器”（SMILE）是欧洲航天局和中国科学院合作的一项科学任务，预计将于2025 年由欧洲研制的火箭发射。SMILE 卫星选取高度为500km×121000km、倾角不小于63°的高椭圆率和高倾角工作轨道。其有效载荷包括软X射线成像仪、紫外极光成像仪、低能离子分析仪和高精度数字磁强计。主要目标在于测量太阳风对地磁的影响，创新性地通过磁层顶和磁层尖的软X 射线成像，与北部极光的同步紫外线成像结合，来了解日侧磁层边界的形态、耦合效应和动态响应，从而实现有史以来第一次对驱动空间天气事件链进行观测。

3 磁测卫星载荷与相关技术

磁测技术属于工程问题，需要针对任务目标需求对卫星的总体设计、轨道选择等方面进行相应的优化。基于磁场卫星的典型技术难点，本文集中于磁强计设计指标、静态磁场噪声的在轨标定技术和动态磁场建模与噪声消除技术三个方面进行讨论。

具备应用前景的高精度磁强计

在地磁探测任务中，可供选择的星载磁强计种类繁多，其中因磁通门磁强计具有结构紧凑、稳定性好、动态范围大、灵敏度高等综合性优点，被广泛应用于各类任务[2]。但是，它仍存在着若干缺点，如：零偏特性、仪器噪声和温度依赖性等。为了减弱这些缺点的影响，在磁测任务中经常对磁通门磁强计的性能进行有针对性的取舍优化，或采用混合型磁强计方案，以获得更好的综合探测性能。

近年来，学者们主要从新型磁芯材料、集成电路技术等方面着手，瞄准小体积、高精度、大带宽、低噪声等目标，对磁强计技术进行研究。本文着重介绍3 类具有前瞻性和潜在发展前景的磁强计技术，探讨其应用场景及未来发展方向。

（1）正交基模磁通门磁强计（FM-OFG）

FM-OFG 属于正交式磁通门磁强计的一类，通过引入偏置激励，有效地抑制了磁芯的主要噪声源巴克豪森噪声（Barkhausen），并提供更大的测量带宽。这些优势提供给FM-OFG 能够适应不同频率范围的地磁场变化能力，为捕捉地球磁场中的快速变化和微弱信号创造了更为广泛的应用场景。目前，学者们主要通过研究磁芯材料的选型、优化磁芯的几何布局、标定适当的激励电流等，来深度剖析噪声来源的机理，为FM-OFG 的噪声优化提供理论支持。但是，FM-OFG 仍停留在单独部件的理论研究阶段，缺乏对其集成化技术的探索，产品的工艺技术相对不成熟。因此，如何对其封装形成设计闭环，并装载到卫星上开展实际工程应用，是有待解决的关键难点。

（2）各向异性磁电阻效应（AMR）磁强计

AMR 磁强计以其芯片大小的体积、卓越的热稳定性和高度灵敏的特性，在磁测卫星中的应用呈现出引人注目的发展势头。微小卫星平台的兴起使得AMR 磁强计成为研究者们探索更灵活、经济高效的地磁测量方案的首选。相较于传统的磁通门磁强计，AMR 磁强计在微小卫星平台上的部署有助于解决高成本、大功耗和体积大等问题。目前，AMR 磁强计在磁测卫星中常与其他磁强计协同工作，例如：与磁通门磁强计搭配，以辅助探测行星际磁场或地外天体磁场[3]，这为科学家提供了探索宇宙中不同区域磁场特性的有力工具。为了攻克AMR 磁强计在亚-nT量级内的较弱探测能力，学界的研究集中在提高其磁场分辨率和频率响应上，主要通过磁阻薄膜材料的选择和结构参数的优化来实现。这些不懈的努力为未来磁测卫星的设计和研发奠定了坚实的基础，预示着AMR 磁强计在卫星应用领域将继续发挥重要作用。

（3）超导量子干涉器件（SQUID）磁强计

SQUID 磁强计具备fT/Hz1/2级的超高探测灵敏度、从直流至GHz 的超宽频响特性和低至nm 级的大范围空间分辨率。基于SQUID 磁强计出色的性能，近年来被广泛应用到航空及地面磁测领域中，如：矿产资源探测、磁场梯度张量测量和地质结构测绘等[4]。然而，将SQUID 磁强计应用于卫星系统面临一系列挑战，包括极低的温度环境、精密的磁屏蔽装置等，这对于卫星系统而言是一项巨大的工程挑战，增加了卫星整体的复杂性和成本。尽管如此，SQUID 磁强计在卫星磁测领域的应用仍具有潜在的重大优势，其超高灵敏度和宽频响特性，使其对极低强度或高频变化的磁场有着迅速的响应。未来，需要对SQUID 技术进一步优化，满足卫星功率要求，并寻找更有效的制冷方法，从而推动其更广泛的卫星应用。

基于环境磁场特征的磁强计在轨标定技术

磁测卫星的静态磁场和磁强计的零偏一同被视为卫星的静态磁场噪声，需要进行定期的在轨标定（或称磁补偿）。较为成熟且广泛应用的方法是：通过磁强计自身测量坐标系在已知环境磁场中的转动来获取误差信息，并通过算法进行标定。显然，此方法要求卫星具备三轴稳定自旋的能力，且标定精度也依赖于所选择的地磁模型，在抗噪能力及稳定性方面均有待提升。

基于环境磁场特征的在轨标定技术，利用测量坐标系不动而观测环境磁场变化的逆向思维，为上述问题提供了解决手段，常用的磁场特征包括Alfven波和磁镜结构。在已有的标定技术中，基于Alfven波特性的David-Smith 方法被认为是最优的手段。然而在实际应用中，这些标定技术依赖于卫星所处环境的磁场特征，取决于选定的磁场波动事件当中对应特征的强度和“纯度”，给标定的周期和精度引入了一定的限制。另外，如何选取数据集来进行标定在目前也没有给出统一的标准判据，严重依赖于经验参数的取值，进一步使得标定技术具有强烈的主观性。

随着Wang-Pan 系列标定方法的提出，学界抛弃了利用磁场特征物理假设的传统概念，由此各类新技术也被不断开发，且在国内尤为活跃。Wang-Pan系列方法创新性地引入几何方法，通过补偿立方的概念计算磁通门磁强计的磁补偿值，在提升标定精度的同时简化了计算量，且能够兼容不同的磁场特征[5-6]。另外，也有学者借鉴了随机信号处理的概念，利用环境磁场的数字特征作为判定依据，协助磁强计的在轨标定。这些新技术因具备对不同特征的兼容性和非主观性的数据集选取，体现出明显的优势。但是，这些新的标定方法也需要进一步优化，如Wang-Pan 系列方法的标定精度受磁场长期变化和压缩特征影响，且对于磁镜结构的适应性较差。

总的来说，基于环境磁场特征在轨标定技术的发展趋势在于需要更大程度利用磁场的不同特性，在保证兼容性和标定精度的前提下提升标定方法自适应性，并降低其对判定事件集选取的主观依赖性，以适应现有磁测卫星处于多变性工作环境的应用需求。

具备自适应性的盲源噪声消除技术

卫星上搭载的电子元器件（如：飞轮、太阳翼等）产生的动态感应磁场会对磁测卫星的探测数据引入噪声。在数据处理阶段，需要识别并消除这些噪声，来获得更为精确的磁测数据。利用双探头测量磁场梯度或多点测量磁场梯度张量，再配合算法来消除动态磁噪声，是目前发展较为成熟的技术，具备较短伸杆要求和测量数据备份的益处[7]。但是这些技术要求卫星平台杂散磁场可以利用多磁偶极子模型来描述，否则将无法有效剔除噪声数据。为了解决这些问题，也有学者提出从频域的角度出发，或利用多变量奇异谱分析，基于信号处理的手段来辨别并消除噪声，且有效地提高磁强计数据的保真度，但存在着不能滤除与被测环境磁场同频的机载噪声的缺点。

在未知的条件下，对卫星平台的杂散磁场噪声分离是一个亟须攻克的难题。现代信号处理技术中的盲源分离（BSS）手段，可以在不事先知道杂散磁场大小的情况下对其进行去除。同时，它们不依赖于伸杆机构的优点，也适配现在卫星平台微小化的发展趋势，成为了目前磁噪声消除的研究热点。为了解决BSS 原理不能分离比磁强计数量多的杂散噪声源的缺点，有学者由此引入了欠定盲源分离法（UBSS），但受其假设环境磁场均匀分布于所有磁强计的前置条件，UBSS 对杂散磁场的分离能力有待在后续工作中加以改进。其次，这些分离技术对信噪比的要求较高，且在计算复杂度和方法普适性方面有待改进，其理论研究及发展还尚未成熟。

具备自适应性的盲源噪声分离技术是未来的发展趋势，需要充分挖掘并应用磁测信号的时/频域特性、统计特性等数学特征，来开展相关技术的理论研究。随着机器学习在各个领域的成功应用，在动态磁场干扰消除领域中也出现了相关模型或深度学习网络的建立，如：基于深度学习的磁偶极子建模神经网络（MDMnet）[8]及用以进行奇异谱分析的卷积神经网络（SSA-CNN)[9]。机器学习的高速发展为盲源分离技术提供了一个途径，可以作为协助训练各类算法进行整合，并使其具备更强的环境自适应性的工具。但是，现有的模型都具有很大的局限性，对噪声的考虑相对简单，有待进一步拓展。

4 磁测卫星的展望

1）低噪声、高精度的混合宽带磁强计。虽然磁强计种类繁多，然而都具有鲜明的优缺点，应用场景相对单调，无法同时兼顾多个性能指标。为此，需要研制一套混合宽带磁强计，基于多传感器信息融合、互补滤波数据融合等技术，对两种或以上的磁强计的优势进行互补，以达到宽频带、低噪声、高精度的测量目标。其中，对不同磁强计进行数据融合需要考虑输出信号的相位差、惯性环节的输出延迟、频带混叠引入的噪声等问题。对传感器电路设计进行优化，并引入对应的滤波手段，同时使融合算法具有较强的自适应性能也是需要进一步细化和探讨的方向。

2）多指标融合、多星交叉在轨标定技术。对磁强计进行在轨标定，应从磁测卫星的姿态、磁强计输出信息、所处轨道环境等多维度出发，基于星上资源及算力，研究能够有机融合各个磁场波动特性，且具备快速响应、低误差的线性算法。其中，基于磁补偿立方体求出最优零位补偿值的Wang-Pan 方法是目前稳定性最强、精度最高、基于多磁场波动指标的标定方法。为了进一步优化Wang-Pan 方法，可以引入多星数据交叉对比，以识别并去除磁场的压缩特性和长期变化趋势。同时，还应对事件窗口的筛选判据给出参考基准，使标定过程自动化、标准化。

3）卫星动态磁干扰的多偶极子建模、识别与分离。对整星磁偶极子进行标定建模，应当研究非线性、多指标迭代的反演算法，避免陷入局部最优或奇异点收敛的情况，以寻求多磁偶极子的最优解。还应构建高分辨率、高磁屏蔽、高稳定性的磁线圈设施，通过磁特征近场标定、卫星部件磁性指标分解与分配、磁污染的补偿控制，考虑太阳翼、飞轮、线束布局等交流磁干扰建模，对卫星的磁设计方案进行优化。此外，需训练鲁棒性更强的非线性滤波模型，解决磁测信号与星载噪声的模态混叠现象，构建更精确的误差补偿方法，使其具备识别盲源的多源噪声的自适应性，提高不同任务中多源杂散噪声分离的通用性。

4）基于低轨星座构型的联合磁测卫星系统。多星协同式磁测模式（如：Swarm 计划）可以进行多维度、小尺度的地磁探测，建立更高精度的磁场模型。通过合理地设计轨道，可以获得磁场的东西或南北指向梯度，为了解地壳磁场异常、岩石圈磁性、地幔流体和电离层等场源提供手段。当前，多星协同式探测模式一般不超过5 颗卫星，虽然提供了高质量的同源同步多点磁测数据，但仍需要综合数个磁测任务的数据进行联合反演。日益发展的低轨卫星星座为多点连续磁测模式提供可能性，可以提供更全面、分辨率更高、时间同步的全空间覆盖信息。这也要求磁测卫星在保证高精度探测的前提下实现无伸杆化和低成本设计，以满足微小卫星平台的发展趋势。

5 结束语

地磁探测为导航控制、地震预测、矿产勘测等重要的实际应用领域提供了宝贵的数据，推动了地球物理学、空间物理学等理论学科的发展。其中，磁测卫星为地磁探测领域作出了杰出的贡献，磁强计的探测精度与频带、数据处理过程中的噪声滤除与卫星的总体设计方案是决定磁测任务质量的关键。针对这些关键技术，本文对磁强计的设计指标、静态磁场噪声在轨标定技术，以及动态磁场建模与噪声消除技术三个方面的研究进展进行了系统性分析。FM-OFG、AMR 及SQUID 三种类型磁强计，相对磁通门磁强计展现出更出色的探测性能，具有潜在的应用前景，也可搭配磁通门磁强计来获取更高的磁测精度和带宽。其次，卫星平台引起的静态和动态噪声也需要进行相应的处理。静态磁场噪声标定技术的发展趋势，随着Wang-Pan 方法的建立，逐步转向更具兼容性和客观性的多源特征标定手段。BSS 技术为杂散噪声的滤除提供了思路，但发展相对不成熟，亟须从算法的层面继续深入研究，也可引入机器学习手段来训练算法的自适应性。

未来，磁强计应当具备宽频带、高精度、低噪声的性能，通过设计混合宽带磁强计可达到上述目标。另外，磁场数据的处理算法应具备自适应性、盲源识别能力、强鲁棒性等特征，辅以低误差、快速响应、高稳定性的自动化磁强计在轨标定技术，以观察更小尺度的磁场波动特性。最后，日益发展的低轨星座提供了多点同源同步的全空间覆盖磁测手段，走向低成本化、无伸杆化的紧凑型微小卫星平台是实现上述发展的必由之路。