李磊,王勁東,周斌,程炳鈞,張藝騰,馮永勇,陳思文

（中國科學(xué)院 國家空間科學(xué)中心,北京 100190）

0 引 言

太陽系行星周邊的磁場主要有4個來源：

1）行星內(nèi)部發(fā)電機過程產(chǎn)生的全球性磁場,又稱為主磁場。地球、木星、土星具有較強的主磁場,這些行星通常擁有一個液態(tài)金屬的核,內(nèi)核溫度很高,熱流驅(qū)動導(dǎo)電流體對流,在外核以及核與幔的交界處形成電流,電流產(chǎn)生行星的主磁場[1]。而有的巨行星,如天王星和海王星,可能并沒有形成金屬內(nèi)核,但它們的殼層具有較高的電導(dǎo)率,且呈現(xiàn)液態(tài),殼層中流動的電流,也可成為主磁場的源頭。

2）行星殼層內(nèi)物質(zhì)的剩余磁場。類地行星,地球和火星以及月球,主磁場可造成殼層物質(zhì)磁化,形成局部磁異常。即便是內(nèi)部的發(fā)電機過程停止了,全球性的主磁場隨之消失了,行星的殼層仍然會保留很強的剩余磁化。這就是火星當(dāng)前的狀態(tài),沒有全球性的主磁場,但很多區(qū)域,尤其是南半球的臺地具有很強的剩余磁場[2]。而在月球,剩磁主要分布在撞擊盆地的對峙區(qū),這點很是讓人困惑[3]。

3）太陽風(fēng)與行星相互作用產(chǎn)生的外源場。超聲速的太陽風(fēng)攜帶著行星際磁場到達行星,與行星的磁場、電離層/大氣層、表面相互作用,形成各種空間電流體系,這些電流產(chǎn)生磁場,磁場強度、形態(tài)取決于太陽風(fēng)與行星之間的作用性質(zhì),如與主磁場相互作用形成的磁層（地球、木星等）、與電離層相互作用形成的感應(yīng)磁層（金星、火星）、與表面相互作用形成的尾跡（月球）。

4）隨時間變化的外源場在導(dǎo)電的行星內(nèi)部產(chǎn)生的感應(yīng)磁場。太陽風(fēng)是高度動態(tài)的,太陽風(fēng)與行星的相互作用形成的外源場也是時變的。如果行星內(nèi)部具有較高的電導(dǎo)率,根據(jù)電磁感應(yīng)定律,外場的時變即可能在行星內(nèi)部誘導(dǎo)磁場。

上述4種磁源產(chǎn)生的磁場,在不同的行星,對總磁場的貢獻有很大的不同。有主磁場的行星,主磁場通常是最強的場。在地球的高緯度地區(qū),地表磁場強度在5萬nT,而木星是太陽系中主磁場最強的行星,低緯度表面的磁場是3 G,而高緯度可達14 G（1 G=105nT）。對于沒有主磁場的行星,從全球角度,太陽風(fēng)與行星相互作用產(chǎn)生的外源場,是主要的磁場,但通常小于數(shù)百nT。從區(qū)域性的角度,剩磁可能占主導(dǎo)地位,如火星,南半球臺地的剩磁高達上萬nT。行星磁場探測的主要任務(wù)之一就是區(qū)分各種場源產(chǎn)生的磁場,確定其對總磁場的貢獻。

磁場測量是遙感行星內(nèi)部、研究行星演化歷史的重要手段。從磁場的測量數(shù)據(jù)可以推斷行星磁場的起源,反演行星內(nèi)部的構(gòu)造。另外,從巖石剩余磁場中,還可研究行星的演化歷史,例如從月球和火星磁場異常的分布中,看到了大撞擊在太陽系形成和演化過程中的作用,使得對40億年前的過程有限的認知,達到了一個新的高度。

由于洛倫茲力的作用,帶電粒子的運動受到磁場的約束。變化的磁場和運動的帶電粒子相互作用,產(chǎn)生復(fù)雜的能量、動量和質(zhì)量交換過程。因此,磁場測量對于分析空間等離子體分布及其動力學(xué)過程至關(guān)重要,是認知太陽系天體空間環(huán)境不可或缺的手段。

深空磁場探測,通常都會需要同時滿足多個目標(biāo)測量的需求,磁強計必須具備大的動態(tài)范圍。如美國木星探測器Juno上的磁強計,量程范圍分了6檔,從±1 600～±16×105nT,既能在巡航段測量幾nT的行星際磁場,又能在木星環(huán)繞軌道上測量上百萬nT木星的磁場[4]。深空任務(wù)面臨各種復(fù)雜的環(huán)境,如大的溫度變化、強輻射等。另外,探測器任務(wù)周期都比較長,“伽利略號”木星探測器1989年發(fā)射,1995年入軌,工作8年,總共歷時14年；而“旅行者1號”“旅行者2號”,20世紀(jì)70年代末發(fā)射,目前已經(jīng)飛至日球?qū)舆吔?壽命更是長達40載。

磁場探測的手段多種多樣。磁通門技術(shù)最早于20世紀(jì)30年代由德國開發(fā),并在第二次大戰(zhàn)期間進入實用階段。與磁阻效應(yīng)技術(shù)、光泵技術(shù)、超導(dǎo)效應(yīng)、磁光效應(yīng)技術(shù)相比,磁通門技術(shù)具有技術(shù)成熟性高、適應(yīng)性強、綜合技術(shù)經(jīng)濟水平好等特點,是目前應(yīng)用最為廣泛的磁測量技術(shù)。同時由于磁通門技術(shù)具有在各種惡劣環(huán)境和復(fù)雜工作條件下的適應(yīng)性,以及其體積、重量、可靠性、分辨力和精度上的綜合優(yōu)勢,世界各國90%以上的航天器選用三軸磁通門磁強計作為磁場測量的載荷,在深空探測任務(wù)中也得到了廣泛應(yīng)用。

1 測量原理

磁通門磁強計測量的基本原理是法拉第電磁感應(yīng)定律。傳感器由繞在磁芯上的初級繞組和包圍磁芯的次級線圈組成。在初級線圈上加載一定頻率的激勵電流脈沖,每個激勵電流脈沖在磁芯中產(chǎn)生磁感應(yīng)強度B,由于磁場過強,每個周期內(nèi)磁芯飽和2次。次級線圈中的感應(yīng)電動勢由2部分組成,激勵脈沖產(chǎn)生的奇次諧波和外磁場產(chǎn)生的偶次諧波,偶次諧波的幅度正比于外場的大小。磁通門磁強計利用次級線圈中二次諧波正比于外磁場的原理,將磁信號轉(zhuǎn)換為電信號,實現(xiàn)外磁場的測量。

典型的磁通門磁強計由三軸磁通門傳感器和信號處理電路組成,工作原理如圖1所示。磁通門傳感器分為3個線圈,激勵線圈、信號線圈和反饋線圈。激勵線圈通過交變電流產(chǎn)生交變磁場,內(nèi)部磁芯反復(fù)飽和。信號線圈將外磁場產(chǎn)生的二次諧波轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動勢信號。反饋線圈的作用是產(chǎn)生與外界相反的磁場,使激勵線圈和信號線圈始終工作在零場下。信號處理電路包括輸入放大器、帶通濾波器、移相器、同步解調(diào)器、積分器、低通濾波器等。為實現(xiàn)整機正常工作,還需要配備電源、磁場反饋補償器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、遙測遙控時鐘數(shù)據(jù)接口、數(shù)據(jù)處理電路等部件。

圖1 磁通門磁強計工作原理圖Fig.1 System schematic of the fluxgate magnetometer

空間磁場探測往往需要磁通門磁強計同時滿足大動態(tài)范圍、高分辨率等的要求。傳統(tǒng)的磁通門磁強計通常需要通過復(fù)雜的分步補償技術(shù)才能滿足量程與分辨率的雙重要求。近年來,隨著低功耗、高分辨率的A/D的上市,數(shù)字磁強計技術(shù)采用過采樣∑-△調(diào)制方式解決了此問題,實現(xiàn)了空間磁場探測的低噪聲、高采樣率、高分辨率[5]。

2 空間應(yīng)用

在深空探測任務(wù)中,磁強計通常安裝在軌道器、著陸區(qū)或巡視器等平臺上。平臺由復(fù)雜的機、電、電子學(xué)等部件組成,這些部件自身都會產(chǎn)生磁場。對于有高精度測量要求的深空磁場探測任務(wù)來說,平臺的磁潔凈設(shè)計和剩磁控制是極為重要的。為了盡可能地減少平臺的雜散場對環(huán)境磁場測量的影響,電池、太陽翼、電機、電路、結(jié)構(gòu)材料等都需要經(jīng)過專門的設(shè)計或選擇。

實際上,一般的平臺都不可能將雜散場控制到滿足磁場精密測量的要求,因此只能考慮用伸桿將磁場傳感器放置到遠離平臺本體的地方。伸桿的基本出發(fā)點是平臺的剩磁隨距離r至少以r–3衰減,如果選用長桿,可以有效降低平臺在傳感器處的剩磁。例如,“旅行者1號”“旅行者2號”磁強計的伸桿長達14 m。然而,磁場矢量測量又對傳感器的測量坐標(biāo)系的方位有要求,要求長桿還必須具有很高的剛性,以保證平臺與磁場傳感器之間的姿態(tài)傳遞。伸桿的高要求使得衛(wèi)星在設(shè)計制造過程中,需要綜合考慮桿的長度以及衛(wèi)星的磁潔凈方案。

20世紀(jì)70年代初,在空間磁場測量任務(wù)中引入了雙探頭技術(shù)[6],降低了對伸桿長度的要求。雙探頭的基本原理是平臺的雜散場在距離平臺一定距離后可近似為偶極子磁場,強度隨距離的3次方衰減。將2個磁場傳感器沿著徑向分別安裝在距離平臺r1、r2處,如圖2所示,平臺在2個傳感器上產(chǎn)生不同的測量值,而環(huán)境磁場的空間變化尺度遠大于衛(wèi)星尺度,2個傳感器上測量值相同。

圖2 雙探頭梯度法測量空間磁場Fig.2 Measuring space magnetic field by dual sensor gradiometer

2個探頭的測量值B1和B2分別為

其中：B0為環(huán)境磁場；Bsc1和Bsc2分別為傳感器1和2處的平臺雜散磁場。

如果平臺的雜散磁場可以用位于平臺中心O的偶極子模型表示。那么,就可由2個傳感器的測量值計算得到環(huán)境磁場B0為

其中：x由探頭1和2的位置決定,x=（r1/r2）3

從計算過程可以看到,利用式（2）計算環(huán)境磁場B0,既不需要已知平臺的剩磁,也不需要假設(shè)平臺剩磁為0,即：并不需要用很長的伸桿將平臺的剩磁降低至0,這就是雙探頭技術(shù)的最大好處。然而,這并不等于可以對伸桿的長度不做要求。因為只有當(dāng)平臺剩磁可以用中心位于O的偶極子磁場模型來描述時,式（1）方能嚴(yán)格成立。否則,雙探頭技術(shù)得到的外磁場仍然受到平臺剩磁的干擾[7]。為了滿足偶極子磁場的要求,一般要求傳感器距離平臺中心O的距離是平臺自身尺寸的2.5倍以上（r≥ 2.5dsc,其中：dsc為平臺有效直徑）[8]。

雙探頭法的另外一個用處是判斷磁場波動信號的來源。當(dāng)磁場數(shù)據(jù)出現(xiàn)波動時,從單探頭上,無法判斷這種波動來自外部環(huán)境還是來自衛(wèi)星平臺。由式（1）可知

式（3）是與環(huán)境磁場無關(guān)的量,這就成為了判斷磁場波動來源的依據(jù)。在數(shù)據(jù)處理時,如發(fā)現(xiàn)磁場測量值B1–B2=0,則可以判斷波動是來自于環(huán)境；如果B1–B2≠ 0,則表明Bsc1–Bsc2≠ 0,波動來自平臺,是需要剔除的干擾場。這種方法已經(jīng)被成功應(yīng)用到短伸桿的平臺上,用于判斷衛(wèi)星干擾事件,結(jié)合衛(wèi)星工程參數(shù),可定位干擾的來源,從而根據(jù)干擾信號的特點并對數(shù)據(jù)作相應(yīng)的處理或剔除[8]。

雙探頭還有一個顯而易見的優(yōu)點,就是磁場測量系統(tǒng)的備份。這對于工作時間動輒十幾年甚至幾十年的深空探測來說,雙探頭可提高系統(tǒng)的長期可靠性。

3 地面標(biāo)定和在軌標(biāo)定

假定磁通門磁強計測量輸出與外磁場之間為線性關(guān)系,其測量方程可以寫作

其中：B為外磁場,單位為nT；Y為磁強計輸出量,單位為電壓V；A為轉(zhuǎn)換系數(shù)；M為外磁場坐標(biāo)系xyz到磁強計測量坐標(biāo)系x’y’z’的轉(zhuǎn)換矩陣；O為磁強計的測量零點。

磁通門磁強計必須要經(jīng)過嚴(yán)格的標(biāo)定,方能進行磁場的精密測量。地面標(biāo)定的參數(shù)主要有式（5）中的零點O、比例因子A和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣M,及其上述參數(shù)隨溫度、時間的穩(wěn)定性。深空任務(wù)一般任務(wù)壽命周期較長,進入空間后,由于空間輻照等引起的器件老化變性,熱應(yīng)力、真空下的應(yīng)力變化導(dǎo)致的支撐結(jié)構(gòu)、參考坐標(biāo)系的變形等,測量方程中的諸系數(shù)還會發(fā)生變化,因此,需要開展在軌標(biāo)定。

地面和在軌標(biāo)定一般通過磁強計和外磁場之間的相對運動來實現(xiàn)[9-11]。如磁強計的性能在短時間內(nèi)不變,根據(jù)方程（1）,當(dāng)外場B不變或已知時,通過改變測量坐標(biāo)系和外磁場坐標(biāo)系的之間的相對關(guān)系,由一組測量值可建立一個線性方程組,其中方程（1）的A、O和M為方程組的未知數(shù),求解線性方程組,即可得到磁強計的關(guān)鍵參數(shù)。

3.1 地面標(biāo)定

磁強計的地面標(biāo)定通常是在精密控制的外磁場（包括方向、強度）環(huán)境下進行。轉(zhuǎn)動磁強計的傳感器,獲取磁強計的若干組測量值,求解方程（1）,即可得到需要標(biāo)定的參數(shù)[9]。

3.2 在軌標(biāo)定

在軌標(biāo)定的基本條件有2個：①磁強計測量坐標(biāo)系和外磁場矢量之間必須有相對幾何關(guān)系的變化,且方向覆蓋盡可能地大；②外磁場不變或已知。

按照這2個基本條件,標(biāo)定方法一般又可分為2類：一是磁強計的測量坐標(biāo)系在外磁場中轉(zhuǎn)動；二是平臺及磁強計的測量坐標(biāo)系不動,利用外磁場的特定波動進行在軌標(biāo)定。

3.3 磁強計標(biāo)定方法在深空中的應(yīng)用

1）通過磁強計測量坐標(biāo)系的運動進行在軌標(biāo)定

磁強計測量坐標(biāo)系的運動可通過衛(wèi)星平臺的旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)。利用平臺的旋轉(zhuǎn)標(biāo)定磁強計,最為直接便利的就是自旋衛(wèi)星。在衛(wèi)星常規(guī)的工作過程中,就可實現(xiàn)自旋平面內(nèi)磁強計2個磁場分量的標(biāo)定[9]。當(dāng)然,標(biāo)定的精度還與外磁場條件有關(guān),如果外磁場變化劇烈,由多個測量值建立的線性方程組是無法求解的。因此,在軌標(biāo)定一般都選擇在磁場變化平緩的區(qū)域進行,例如在行星的磁層內(nèi)。對于垂直衛(wèi)星自旋平面的第三個磁場測量分量,按照這種方法,則需要通過衛(wèi)星主動調(diào)整姿態(tài),改變自旋軸進行旋轉(zhuǎn)才能進行相應(yīng)的標(biāo)定。

對于三軸穩(wěn)定的衛(wèi)星,則只能由衛(wèi)星進行主動的姿態(tài)控制,在短時間內(nèi)圍繞衛(wèi)星的2個軸分別進行旋轉(zhuǎn),進行磁強計的在軌標(biāo)定。為了平抑空間環(huán)境磁場的波動,一般需要積累幾圈的數(shù)據(jù),才能保證一定的標(biāo)定精度。例如,美國的火星探測器MAVEN以2°/s的角速度圍繞2個軸分別旋轉(zhuǎn)了12圈,在近80 min的時間內(nèi)完成了磁強計的一次在軌標(biāo)定[10]。

無論是三軸穩(wěn)定衛(wèi)星或自旋衛(wèi)星,如需衛(wèi)星圍繞非自旋軸進行旋轉(zhuǎn),都需要事先制定詳細的在軌標(biāo)定計劃,選擇空間磁場較為平靜的時段或區(qū)域,同時還需要協(xié)調(diào)星上其他工作單元,避免工作或觀測上的時間沖突。所幸的是,磁強計需要標(biāo)定的參量一般都是緩變的,常規(guī)情況下,在軌標(biāo)定每2～3個月進行1次即可。

2）利用磁場的變化進行在軌標(biāo)定

在軌標(biāo)定的基本出發(fā)點是磁場測量坐標(biāo)系和外磁場矢量之間幾何關(guān)系的相對變化。在測量坐標(biāo)系不動時,如果外磁場矢量的方向發(fā)生改變,同樣也可實現(xiàn)相對幾何關(guān)系的變化,實現(xiàn)磁強計的在軌標(biāo)定。

利用外場的變化進行標(biāo)定的想法,最初來自于對行星際磁場觀測任務(wù)。地球軌道上行星際磁場很微弱,典型值只有幾個nT,平臺剩磁或者磁強計的零點漂移都可能對測量結(jié)果有重大影響,因此行星際磁場測量任務(wù)具有迫切的在軌標(biāo)定需求。觀測發(fā)現(xiàn),太陽風(fēng)中存在著阿爾文波,其主要特點是行星際磁場的大小基本不變,而磁場的方向在不斷變化。這個波動特征符合磁強計在軌標(biāo)定的基本條件,因此,阿爾文波被應(yīng)用到了行星際衛(wèi)星磁場測量的在軌標(biāo)定中[11]。

現(xiàn)實中“純”阿爾文波是不存在的,利用阿爾文波在軌標(biāo)定磁強計,其精度很大程度上取決于數(shù)據(jù)的選取。另外,某一段磁場數(shù)據(jù)即便符合阿爾文波判斷準(zhǔn)則,其方向變化的覆蓋范圍可能是非常有限的。為了得到較高的標(biāo)定精度,就需要在較長時間內(nèi)積累阿爾文波數(shù)據(jù),增加方向覆蓋,這給標(biāo)定的精度、標(biāo)定的周期就帶來了一定的限制,尤其是對于偶爾進入太陽風(fēng)的磁層探測衛(wèi)星,就不一定能找到合適的阿爾文波數(shù)據(jù)對磁強計進行在軌標(biāo)定。另外,由于太陽風(fēng)中磁場脈動均方值的徑向變化正比于r–1.5,其中：r為日心距離。太陽風(fēng)阿爾文波比較適合于太陽系內(nèi)行星軌道附近的磁強計標(biāo)定,如金星快車磁強計[12]。而對于外行星探測任務(wù),太陽風(fēng)阿爾文波可能就不很適于標(biāo)定了。

另外,深空探測器在飛越地球時,利用地磁場模型也可對磁強計的性能進行評估。但地磁場模型本身精度有限,同時磁場還受到空間各種電流系的干擾,單靠地磁場模型進行精準(zhǔn)的標(biāo)定是不可能的。

4 結(jié)束語

磁通門技術(shù)具有技術(shù)成熟度高、適應(yīng)性強,綜合技術(shù)經(jīng)濟水平好等特點,是空間應(yīng)用最為廣泛的磁場測量技術(shù)。我國在20世紀(jì)70年代就開始星載磁通門磁強計的研制,并于1981年在“實踐2號”衛(wèi)星上成功搭載。此后,磁強計為多顆衛(wèi)星上提供了衛(wèi)星姿態(tài)服務(wù)。近年來,首臺應(yīng)用于深空探測的磁通門磁強計——火星探測器“螢火1號”高精度磁強計性能指標(biāo)達到國際先進水平[13-14]。遺憾的是,由于俄羅斯發(fā)射失利,“螢火1號”未能抵達火星。目前,火星、月球等探測任務(wù)正在醞釀中,期待著磁通門磁強計在未來的深空探測中發(fā)揮重要作用。

[1]ACUNA M H,BEHANNON K W,CONNERNEY J E P.Jupiter’s magnetic field and magnetosphere,in physics of the Jovian magnetosphere[M].Cambridge,UK：Cambridge U.Press,1983：1-50.

[2]ACUNA M H,CONNERNEY J E P,WASILEWSKI P,et al.Magnetic field of Mars：summary of results from the aerobraking and mapping orbits[J].Journal of Geophysical Research,2001,106（E10）：23403-23418.

[3]BINDER A B.Lunar prospector overview[J].Science,1998,281（5382）：1475-1476.

[4]CONNERNEY J E P,BENN M,BJARNO J B,et al.The Juno magnetic field investigation[J].Space Science Review,2017（213）：39-138.

[5]PRIMDAHL F,HERNANDO B,PETERSEN J R,et al.Digital detection of the flux-gate sensor output signal[J].Measurement Science and Technology,1994,5（4）：359-362.

[6]NESS N F,BEHANNON K W,LEPPING R P,et al.Use of tow magnetometers for magnetic field measurement on a spacecraft[J].Journal of Geophysical Research,1971,76（16）：3564-3573.

[7]周斌,王勁東.衛(wèi)星磁部件分布對梯度法消除剩磁的影響分析[J].中國空間科學(xué)技術(shù),2013,33（5）：29-34.ZHOU B,WANG J D.Influence of magnetic component distribution of satellite on eliminating remanant magnetic field by gradient method[J].Chinese Space Science and Technology,2013,33（5）：29-34.

[8]張朝陽,肖昌漢,高俊吉,等.磁性物體磁偶極子模型適用性的試驗研究[J].應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報,2010,18（5）：862-867.ZHANG Z Y,XIAO C H,GAO J J,et al.Experiment research of magnetic dipole model applicability for a magnetic object[J].Journal of Basic Science and Engineering,2010,18（5）：862-867.

[9]BALOGH A,CARR C M,ACU?A M H,et al.The cluster magnetic field investigation：overview of in-flight performance and initial results[J].Annales Geophysicae,2001,19（10）：1207-1217.

[10]CONNERNEY J E P,ESPLEY J,LAWTON P,et al.The MAVEN magnetic field investigation[J].Space Science Reviews,2015,195（1-4）：257-291.

[11]BELCHER J W.A variation of the Davis-Smith method for in-flight determination of spacecraft magnetic fields[J].Journal of Geophysical Research,1973,78（22）：6480-6489.

[12]ZHANG T L,BERGHOFER G,W.MAGNES,et al.MAG：the fluxgate magnetometer of Venus express[J].ESA Special Publication,2007（SP 1295）：1-10.

[13]王勁東,趙華,周斌,等.火星空間環(huán)境磁場探測研究––“螢火一號”磁強計的研制與應(yīng)用[J].物理,2009,38（11）：785-792.WANG J D,ZHAO H,ZHOU B,et al.Martian space environment magnetic field research：development and application of the YH-1 precision magnetometer[J].Physics,2009,38（11）：785-792.

[14]周斌,趙華,王勁東,等.火星空間環(huán)境磁場探測研究––高精度磁強計[J].空間科學(xué)學(xué)報,2009,29 （5）：467-474.ZHOU B,ZHAO H,WANG J D,et al.Martian space environment magnetic field investigation––high accuracy magnetometer[J].Chinese Journal of Space Science,2009,29（5）：467-474.