电磁卫星矢量磁场在轨定标算法的改进研究

The China Seismo-Electromagnetic satellite, namely ZH-1 has been launched successfully into orbit. The assembled high precision magnetometer (HPM) payload can achieve the detection of the vector and scalar of the geomagnetic field, which can bring valuable observations for geomagnetic modeling and the related scientific research. Through the commission test and cooperation study with Swarm team, the accuracy and quality of scalar data has been approved to reach the similar satellite. The accuracy of the magnetic vector data, however, needs to be further improved. Firstly, ‘ZH-1’ has no optical platform, the star imager is in the body of satellite, i.e., about 4.5 meters from the fluxgate magnetometer. So, it will cause large error when using the detected Euler angle to conduct the coordinate transformation. Secondly, the assembled Tri-Band Beacon (TBB) is found to have disturbance for the fluxgate magnetometer, which will also affect the accuracy of the vector magnetic field. Based on the above mentioned problem, this project will concentrate on the study for the in-orbit correction of Euler angle and the removal of disturbance from TBB, then updating the existing calibration method for the vector field.

我国首颗电磁监测试验卫星“张衡一号”成功发射入轨，其上搭载的高精度磁强计实现了对地磁场矢量和标量的探测，为地磁场的建模以及相关科学研究带来宝贵观测数据。经过在轨测试以及与欧空局Swarm卫星团队的合作对比研究，其标量场观测精度及数据质量达到国际同类卫星水平。然而矢量场的定标虽然经过在轨测试期间的不断完善，满足工程考核指标，但受某些因素的限制，目前数据的在轨定标处理方法还有一定的不足之处，数据处理精度还可以提高。主要原因是“张衡一号”没有专门的光学平台，星敏安装在卫星本体，距离矢量探头较远，导致通过探测欧拉角进行坐标转换时会带来很大误差；其次是搭载的三频信标机在开机工作时发现会对矢量磁场带来干扰，影响了探测精度。因此本项目将针对以上两个问题，深入、细致研究在轨修正欧拉角和去除三频信标机干扰的方法，更新和优化目前矢量磁场在轨定标处理算法，为后续相关科学研究服务提供可靠的矢量磁场数据

本项目针对我国首颗电磁监测试验卫星“张衡一号”矢量磁场数据处理中的不足，拟重点解决欧拉角的在轨修正和三频信标机在中国区开机时的磁干扰问题。项目按照既定研究目标，建立了相关数学模型，并基于迭代加权的最小二乘反演算法，完成了三频信标机对矢量磁场干扰的修正，经过修正后的矢量磁场数据精度从原有的20nT以内提高至1nT以内，彻底提升了中国区及周边矢量磁场数据质量；其次基于全球地磁场建模技术，建立了一套自恰的、适合于张衡一号卫星的欧拉角在轨修正算法，而不再依赖于其它卫星数据建立的地磁场模型。基于此方法，欧拉角更新周期可从原来的1天延长至10天，且不再日侧和夜侧单独计算，从而大大提高了载荷日常在轨运行期间数据处理的效率。在完成既定研究内容的同时，本项目还完成了基于多源数据的卫星磁测数据质量评估。目前这些定标和质量评估算法正逐步纳入01星日常数据处理和02星数据处理系统开发工作中，为张衡一号卫星应用系统建设提供了重要的技术支撑。此外，基于张衡一号卫星磁测数据，我们建立了首个具有我国完全自主知识产权的全球地磁场参考模型CGGM 2020.0，填补了我国在相关领域的研究空白，经国际地磁学与高空物理协会（IAGA）国际地磁参考场IGRF工作组评估，成功入选新一代国际地磁参考场IGRF-13的计算，为新一代国际地磁参考场的更新发挥了重要作用，并打破了我国全球地磁模型完全依赖欧美模型的现状。目前，模型正逐步在各领域实际需求中进行应用，随着后续模型的持续更新以及模型精度的不断提高，有望产生更高社会和经济效益。