低轨卫星磁测及全球地磁场建模

低轨卫星磁测因其覆盖范围广、精度高、无疆域限制等优点,已逐步成为全球高精度地磁探测和全球地磁场模型更新的主要手段.本文首先对国内外低轨卫星磁测发展历史、主要特征、测量精度、发展趋势等做了总结和回顾.其次介绍了低轨卫星磁测的在轨定标流程和方法,详细描述了作为重点和难点的矢量磁场在轨正交校正和坐标转换算法,并展示了主要磁测卫星在轨定标结果.文章最后介绍了全球地磁场建模理论,并对主要的全球地磁场模型、空间分辨率等进行了总结,展示了主磁场、不同分辨率岩石圈磁场、磁层和电离层电流体系外源场的全球分布形态和主要特征.得益于低轨卫星磁测技术,全球地磁场建模得到了快速发展,并在科学研究、资源探测、通讯导航、自然灾害防治等领域得到了广泛应用,但目前仍然面临时空分辨率有限等问题,解决这一问题需要融合近地表观测数据,并不断优化场源描述能力和建模技术.

拓展全球地球物理场和空间环境感知建模能力-张衡一号卫星在轨运行五周年

1跨世纪争论催生的科学计划中国是世界上地震活动十分严重的国家之一。强烈地震以其突发性、毁灭性和链生性,对人民生命财产安全和社会经济活动造成巨大影响,但地震预测至今仍然是一个世界性科学难题。20世纪末至21世纪初,国际学术界围绕地震能否预报展开了一场大讨论,困惑中的地震预报与巨大的地震灾难触动了关于地震预报方法论的思考。2003年2月18-19日,中国地震局、国家国防科技工业局、科学技术部、中国科学院等共同组织香山会议,正式启动地震卫星规划论证工作,并多种渠道支持地球物理场卫星计划科学论证和关键技术预研,积极推进空间对地观测技术在防灾减灾领域应用,并明确以推进张衡一号电磁监测试验卫星计划实施为契机,打造我国自主的地球物理场卫星系统。

中国电磁监测试验卫星工程研制进展

中国电磁监测试验卫星工程项目于2013年正式批准立项,卫星预计于2017年8月发射入轨,设计在轨运行5年,这是我国地震立体观测体系的第一个专用天基平台.本文简要介绍了电磁卫星工程设计和卫星工程六大系统的功能与任务,并对卫星系统和应用系统的研制情况予以阐述.目前,已基本完成卫星平台和有效载荷设计初样阶段的研制,将于2016年6月转入正样研制阶段.应用系统基础平台的建设工作按计划进行,将在卫星发射前半年开始试运行,以确保电磁监测试验卫星数据的有效应用.

地震立体观测体系空间段发展规划框架与进展

中国位于全球两大巨型地震活动带的汇而不交部位，地震分布范围广、强度大、震源浅、破坏性强、灾害异常严重。

圆轨道星座全球覆盖的充分必要条件

对采用圆轨道的星座， 目前的研究基本上局限于实际应用方面， 很少进行理论方面的研究。本文首次提出并证明了达到全球连续多重覆盖的充要条件。这对进行星座设计具有积极的指导意义。

卫星时钟信号功分网络对锁相环电路干扰分析

在多颗卫星测试中,连接在功分网络上的设备在各自加断电的瞬间,会造成锁相环电路输入信号的相位瞬时变化,引发锁相环电路的相位跟踪,导致瞬时失锁。文章通过理论推导和公式仿真,明确了产生干扰的各设备时钟信号入口的反射系数和功分网络各输出端口的隔离度是影响干扰强弱的主要因素。提出了使各设备时钟信号入口的驻波不相等,且反射系数相位趋于同相,同时提高网络各输出端口的隔离度的消除干扰方法,并通过设备的系统联试进行了验证。结果表明:此方法可以有效抑制此类干扰,可为卫星时钟信号功分网络设计提供参考。

中国电磁卫星工程计划进展

地震预测目前仍是困扰全世界地震科学家的一个难题。其中主要原因，一是地震孕育、发生的机理仍不清楚，二是观测技术的限制。卫星具有覆盖全球范围、提供更多的震例研究经验以及实时监测地震前动态变化信息等特点。卫星观测与地面观测系统相结合，能形成天地一体化的立体观测系统。中国目前正在开展“中国地震电磁卫星工程计划”（CSES）。第一颗用于地震试验监测的试验卫星预期2014年底发射。本文简要介绍了中国电磁卫星计划的研究现状、相关的地而廊用系鲚诗计以及下犀平台和彗荷的枯术指标．

在轨发动机射流的电离层效应

卫星等航天器在轨运行期间,通过喷气实现姿态控制、轨道调整等特定需求.喷气射流与电离层相互作用,能够引起电离层环境改变,对星载设备产生重要影响.通过研究航天器在轨发动机喷气射流在电离层中的动力学及化学反应过程,建立射流的电离层效应物理模型,模拟了不同射流量及高度条件下喷气射流的运动过程、密度分布及电离层扰动效应.仿真结果表明,相同高度下,随着射流量增加,电离层扰动效应逐渐增强;相同射流量条件下,随着高度增加,电离层扰动效应逐渐减弱,扰动区域逐渐扩大.

多重覆盖的定倾角最佳星座设计

采用覆盖带技术，在全球多重连续覆盖、定倾角的条件下进行了星座设计。星座形式采用１８０°升交点分布，并考虑相邻轨道间的相对相位。文章介绍了覆盖带方法的基本概念，推导了同向区、反向区的约束方程，给出了其它必要的约束条件和解算方法。

基于IRI模型的卫星环境仿真方法研究

针对卫星所运行电离层等离子体环境的分析要求,搭建了一个以MATLAB软件为核心,以国际参考电离层(IRI)模型的MEX封装、卫星工具包(STK)为计算仿真模块的多源交互环境。以一颗500km高的太阳同步轨道卫星为例,结合卫星的实际任务运行,对卫星运行的等离子体中的电子密度、电子温度、离子温度等重要参数进行了仿真分析。仿真结果表明,此方法可以基于IRI模型较为精确、高效地分析卫星的等离子体环境参数。该方法还能推广到地磁场、大气层、磁层、地球辐射带、太阳风等其他卫星运行环境的分析,为卫星的总体任务分析提供直接的支持。

星载电场探测仪的传感器空间布局研究

电场探测仪是卫星进行高精度电场探测的关键载荷,其传感器的空间布局对探测精度影响很大。文章对传感器空间布局的影响因素和分析方法进行了研究,并以轨道高度500km的太阳同步轨道卫星为例,结合卫星的实际任务运行,对虚假光电场控制、电场探测仪传感器的几何布局构型、传感器与卫星的相互遮挡和干涉关系进行了分析,并最终优化确定了传感器的空间布局。研究结果表明,优化的传感器空间布局可以在设计阶段就针对多种误差,有效地提高其探测精度。

多重覆盖的定倾角最佳星座的设计

采用覆盖带技术,在全球多重连续覆盖、定倾角的条件下进行了星座设计。星座形式采用180°升交点分布,并考虑相邻轨道问卫星的相对相位。文章给出了必要的约束条件和解算方法,并在设计结果上有了较大的改进。

低轨卫星月影事件预报优化

针对卫星月影问题,提出了一种低轨卫星优化的月影预报策略,可以有效提高目前低轨卫星在轨管理时对月影事件预报的效率。结合仿真对产生月影事件的太阳、地球、月球的三体关系进行了分析,首先给出了月影产生的解析分析方法,并通过对一个三维月影影响模型的分析,得到了月影影响区间的判定要素——月影临界角;然后进一步通过对月影临界角的分析,提出了基于太阳与白道面的位置关系和月影临界角对低轨卫星月影事件的优化预报方法;最后基于大量的随机低轨卫星场景对本方法的正确性进行了验证。研究结果表明,此方法能够较大地提高月影预报效率,可以将月影预报频率从每月1次降低到每年2次,从而简化了低轨卫星在轨运行管理的任务复杂度,为卫星的在轨可靠运行提供支持。

中国的地球空间双星探测计划

中国的科学探测与技术试验卫星系列从卫星研制初期的上世纪70年代开始发展,历经实践一号、实践二号卫星群、实践四号以及实践五号卫星,初步形成了实践科学探测与技术试验卫星系列。在充分利用东方红一号卫星技术的基础上,在东方红一号卫星发射成功不到一年的时间内,我国发射了科学探测与技术试验卫星系列的第一颗卫星即实践一号。80年代初，我国进行了一箭多星技术试验．即利用一枚运载火箭将3颗卫星送上天，分别是实践二号、实践二号甲和实践二号乙。

低轨星载粒子探测器布局优化研究

基于卫星工具包(STK)、MATLAB软件和国际地磁参考场(IGRF)模型,对粒子探测器在低轨卫星任务中的投掷角测量范围进行了仿真,并给出了其探测器的星上布局优化方法。研究结果表明:粒子探测器的星上布局选择与任务的探测目标相关。如果探测目标是束缚在磁场中作弹跳运动的粒子,应将探测器在朝向卫星轨道坐标系±Y轴的基础上向卫星的前进方向偏转;如果探测目标是处于损失锥中的沉降粒子,应将探测器在朝向卫星轨道坐标系-Y轴的基础上向天顶方向偏转;为实现全投掷角探测范围的探测,要使用多个探测器通过构型布局优化进行联合探测。文章提出的投掷角测量范围分析与优化方法,可推广到多种轨道高度的粒子探测卫星总体设计中,为提升卫星的总体分析设计水平提供支持。

中国“张衡一号”电磁监测卫星计划进展

世纪之交,国际上围绕地震是否可以预测开展了一场学术大讨论。以这次大讨论为契机,国内外科学家前所未有地展示了大量的观测数据和分析结果并开展了系统深入的交流互动,陈运泰院士借用戈达德的话总结认为:"慎言不可能,昨日之梦想,今日有希望,明日变现实。"2003年2月18—19日,中国地震局联合国家国防科工局、科技部和国家自然基金委在北京组织香山论坛,叶叔华、许厚泽、宁津生、刘经南、马宗晋、马瑾等院士专家与会讨论并呼吁发展专用的地震卫星,以建设地震立体观测系统,提升多物理场三维观测能力,为推进地震预测科学研究突破奠定基础(图1)。

卫星低频电磁辐射在轨探测研究

利用地球空间探测双星计划探测一号卫星上的磁场波动分析仪的原始数据,分析了探测一号卫星在轨电磁辐射的特性.结果显示卫星的电磁辐射主要集中在30Hz以下.在30Hz以上,卫星的电磁辐射最多延伸到190Hz左右,而且强度明显减弱.在190Hz以下的卫星电磁辐射具有与卫星姿态相关的长周期变化.在190～830Hz的范围的电磁辐射有不明显的长周期变化特征.830～3990Hz范围的电磁辐射没有长周期变化特征.卫星电磁辐射的长周期变化是由卫星姿态变化造成的.卫星姿态变化引起卫星太阳方位角变化.卫星太阳方位角越大,卫星电磁辐射越大.卫星太阳方位角从90.6增加到93.6,低于10Hz以下的电磁辐射约增大为原来的9倍,10～190Hz范围的电磁辐射大约增加到原来的1.6倍.卫星在<10和10～190Hz范围内的电磁辐射强度与卫星太阳方位角的相关系数分别达到0.90和0.91.卫星在光照情况下的电磁辐射要比卫星在阴影情况下大.卫星太阳能帆板电流产生的电磁辐射是卫星电磁辐射主要来源,约占整个卫星电磁辐射的87%(低频段<150Hz)和94%(高频段>150Hz).这些中国首次对卫星电磁辐射的在轨探测结果对于我国未来相关科学和应用卫星的设计方案的优化具有重要的参考价值.

电磁监测试验卫星(张衡一号)系统设计与关键技术

电磁监测试验卫星(张衡一号)是中国地震立体监测体系的首个天基电磁平台,是中国地球物理场探测卫星计划首发星,用于获取地球磁场、空间电磁波场、电离层等离子体原位和结构参数及其变化信息,为探索地震前兆信息、空间环境监测预报和地球系统科学研究提供新的技术手段,为未来建立地震前兆电磁监测卫星业务化系统进行技术准备。介绍张衡一号卫星的系统设计、研制历程,特别卫星特殊的轨道设计、工作模式设计、磁电洁净度设计以及伸杆机构设计等关键技术特点。