摘要：

近期，一种新的星载磁通门磁强计在轨标定技术被研发出来。与传统在轨标定技术不同，该技术通过几何而非公式的方式计算磁补偿的值；此外，该技术能同时使用Alfvén波、磁镜结构和电流片来实施标定，有望进一步提高磁测精度，为深空探测卫星的磁测任务提供技术支撑。

磁场测量的重要性

磁场是表征空间环境的重要参数，也是研究日地空间环境中各种等离子体物理过程的基本参数之一，而行星磁场则更是与人类宜居性息息相关。所以在空间探测任务中，尤其是行星空间的探测，往往会携带探测磁场的载荷，其中最广泛应用的就是磁通门磁强计。

图1. 天问一号环绕器上携带的磁通门磁强计。左图：磁强计星上安装示意图。右图：磁强计实物部件。（图源：Liu et al., 2020）

星载磁通门磁强计需要在轨标定

三轴磁通门磁强计作为测量磁场的科学载荷仪器在深空探测任务中被广泛应用。该磁强计具有以下优势：

• 技术成熟性高（最早开发于20世纪30年代）；

• 抗环境干扰能力强；

• 体积小、重量轻，在可靠性、分辨率和精度等方面具有综合优势。

星载磁通门磁强计测量的磁场由三部分组成，即：环境磁场+卫星产生的磁场+磁强计的零漂。磁强计的零漂是仪器在绝对零场环境中的输出值。卫星产生的磁场可进一步分为瞬态磁场和静态磁场；其中瞬态磁场随时间变化较快，可通过“双点测量法”将其识别后剔除。卫星的静态磁场随时间变化非常缓慢，因此很难将其与磁强计的零漂区分开；一般地我们把这两部分磁场都视为磁强计的磁零点补偿值，简称磁补偿。由于磁补偿值会随时间缓慢变化，因此需要对其定期标定，尤其是在测量弱磁场时，标定磁补偿值的精度对磁场测量值的可靠性、准确性至关重要。

已有的在轨标定技术

太阳风中有丰富的Alfvén波和磁镜结构（如图2所示）。Alfvén波的特征是磁场分量上有显著的扰动，而总磁场幅值为常数。磁镜结构的一个重要特征为最大方差方向与背景磁场方向近似相同。利用Alfvén波或磁镜结构的上述性质，已有多种星载磁通门磁强计在轨标定技术被提出。

基于Alfvén波性质的在轨标定技术：

1. Davis–Smith方法： 1968年被提出，基于的假设是：总磁场与磁场任一分量的变化无相关性。

2. Belcher方法： 1973年被提出，基于的假设是：太阳风的磁场扰动在垂直于背景磁场方向占主导。

3. Hedgecock方法： 1975年被提出，基于的假设是：在合适的时段内，磁场幅度的变化与磁场和任一坐标轴的夹角变化无关。

基于磁镜结构性质的在轨标定技术：

1. 一维磁镜结构方法， 2016年被提出；

2. 三维磁镜结构方法， 2017年被提出。

上述五种方法中，Davis-Smith方法被认为是最优的在轨标定方法。然而，真实的行星际空间或太阳风中没有纯的Alfvén波动，即磁场扰动中除了Alfvén波动还有压缩波动。因此，Davis-Smith方法存在计算误差，该误差与所选取的磁场波动事件密切相关。

图2. 左图：阿尔芬波动示意图。右图：磁镜结构示意图。

新技术的研发历程

图3展示了在轨标定新技术的研发历程。

图3. 星载磁通门磁强计在轨标定新技术的研发历程。

新技术的原理

首先根据行星际磁场可能的取值范围，确定磁补偿值可能的取值范围，从而构建出磁补偿立方体空间。其次，利用单个Alfvén波动或磁镜结构性质，可获得磁补偿值在该立方体中位于一条直线上， 即最优补偿曲线；利用单个电流片，可获得磁补偿位于一个平面上，即 最优补偿平面。最后，找出多个非平行的最优补偿曲线或最优补偿平面的公共交点，该交点即为磁补偿值。最优补偿曲线/平面的获取方式可参考相应的文章。

该技术分为三个子类，分别是Alfvén波、磁镜结构和电流片，基于的假设如下：

1. 使用 Alfvén波来计算磁补偿，基于的假设是：Alfvén波动不影响总磁场强度。

2. 使用 磁镜结构来计算磁补偿，基于的假设是：磁场耗散只发生在L（最大方差）方向，而M（中间方差）和N（最小方差）方向磁场为0。

3. 使用 电流片来计算磁补偿，基于的假设是：磁场在电流片法向分量为0。

 

新技术计算磁补偿值的方式：

1. 对于Alfvén波或磁镜结构，多个最优补偿曲线在磁补偿误差空间中的公共交点即为磁强计的磁补偿值。

图4. 磁补偿立方体中非平行的最优补偿曲线（OOL）的公共交点即为磁强计的磁补偿值。

2. 对于电流片，多个最优补偿平面在磁补偿误差空间中的公共交点即为磁强计的磁补偿值。

图5. 利用电流片获得的三个最优补偿平面计算磁补偿的示意图。

新技术的优势

1. 兼容性好。传统方法只能利用Alfvén波或磁镜结构来计算磁强计的磁补偿值，而我们的新技术能够使用Alfvén波、磁镜结构和电流片这三种事件中任意一种或多种事件来做磁强计的在轨标定。

2. 计算过程简单直观。传统方法根据物理假设推导出计算磁补偿的公式；而新方法从磁补偿误差空间角度出发，通过几何方式寻找直线或平面的公共交点来计算磁补偿，从而使计算过程变得简单而直观。

3. 计算结果将更精确。新技术能够兼容Alfvén波、磁镜结构和电流片这三种事件来计算磁补偿值，从而在相同时段内显著增加用于计算磁补偿的物理事件个数，而物理事件个数的增加有助于进一步提高磁补偿的计算精度。

由此可见，我们提出的磁通门磁强计在轨标定新技术相比于传统在轨标定技术具有明显的优势。目前，我们正在对该新技术做进一步的优化，期待该技术在未来能应用于“天问一号”等深空探测任务中。

该新技术由哈尔滨工业大学（深圳）的王国强助理教授和中国科学技术大学空间物理教师党支部党员潘宗浩工程师合作研发。该成果获得了国家自然科学基金项目、中国科学院战略性先导科技专项(XDB41000000)、国防科工局民用航天预研项目和中央高校基本科研业务费专项资金等项目的资助。

参考文献：

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[3] 王国强，潘宗浩，胡小文，刘凯，孟立飞，易忠，张铁龙，2019. 磁场压缩波动幅度对卫星磁强计零位标定影响的数值仿真[J]. 航天器环境工程,2019(03).

[4] 王国强，程甚男，孟立飞，易忠，肖琦，潘宗浩，胡小文，刘凯，张铁龙，2020. 参考坐标系对Davis-Smith方法计算磁通门磁强计磁零点补偿值的影响[J]. 航天器环境工程, 37(06).

[5] Wang, G. Q., & Pan, Z. H. (2021a), A New Method to Calculate the Fluxgate Magnetometer Offset in the Interplanetary Magnetic Field, Journal of Geophysical Research: Space Physics, 126(4), doi:10.1029/2020ja028893.

[6] Wang, G. Q., & Pan, Z. H. (2021b), A new method to calculate the fluxgate magnetometer offset in the interplanetary magnetic field: 2. using mirror mode structures, Journal of Geophysical Research: Space Physics, doi:10.1029/2021ja029781.

[7] Liu, K., Hao, X., Li, Y., Zhang, T., Pan, Z., Chen, M., Hu, X., Li, X., Shen, C., & Wang, Y. (2020), Mars Orbiter magnetometer of China’s First Mars Mission Tianwen-1, Earth and Planetary Physics, 4(4), 384-389, doi:10.26464/epp2020058.