卫星磁测进入成熟兴盛时期

卫星磁测进入成熟兴盛时期_重磁与时间域电磁

2.4　卫星磁测进入成熟兴盛时期

在磁测卫星发射活动沉寂了20年之后，1997年国际地磁学与高空物理学协会IAGA宣告，21世纪头十年为“国际地球位场调查研究十年”［International Decade for Geopotential Field Research（1999—2009）］，以促进各国关注这方面的工作。在这个十年中，丹麦、德国、阿根廷、美国和欧盟先后发射了一些重要的探测卫星，计有磁卫星Oersted、CHAMP和SACC，引力卫星CHAMP、GRACE和GOCE。其中CHAMP是两用卫星，我们在这里只讨论磁测，在第9章中再讨论CHAMP在引力测量方面的作用。上述3颗磁卫星都装有丹麦制造的矢量磁力仪，它是采用紧密球形线圈的磁通门磁力仪，配有星光照相机定向。Oersted和CHAMP装有法国制造的欧弗豪泽（Overhauser）效应质子磁力仪测量地磁场的模量，其特点是功耗小。SACC装有美国制造的氦4光泵磁力仪测量地磁场的模量。SACC发射后，矢量磁力仪不能工作，因此SACC只提供模量数据。

这个十年发射的三颗磁卫星中，CHAMP唱主角。原先期待它的寿命为4～5年，但是它超期服役，入轨后飞行了十年两个月零四天，于2010年9月19日在鄂霍次克海上空陨落。CHAMP绕近地轨道飞行了58 277圈，运行时间覆盖了整个“地球位场调查研究十年”，飞行高度由454km降到300km，取得了海量的长时间不间断的、均匀分布的、空间分辨率高、精确度高的数据。根据这些数据，不仅可以研究地磁场的空间变化，而且可以研究地磁场随时间的变化。因此可以说，CHAMP探测飞行开启了地球位场调查研究的新时期，也是对“地球位场十年”最重要的贡献。它也为即将发射的SWARM磁卫星提供了宝贵的经验，见图210和图211。

图2-10　CHAMP仪器位置正面图^［20］

图2-11　CHAMP仪器位置后视图^［20］

欧洲空间局（European Space Agency，ESA）计划于2013年发射磁测卫星SWARM。SWARM由三颗一模一样的卫星组成，两颗并排在极地轨道上飞行，左右、前后相隔一定距离，飞行高度450km，另一颗卫星在高度为530km的轨道上飞行，因此可以测量地磁场的梯度。SWARM仍采用丹麦制造的磁通门磁力仪测量地磁场的矢量，采用法国研制的⁴He光泵磁力仪作为绝对标量磁力仪（Absolute Scalar Magnetometer，ASM）测量地磁场的模量，同时还用这台⁴He磁力仪测量矢量^［22］，与磁通门磁力仪进行对比，这是一项创新的试验任务，为今后用同一台⁴He磁力仪同时测量标量和矢量提供依据，见图212^［22］、图213^［23］、图214^［24］。表21列出了半个世纪以来探测岩石圈磁场的磁卫星的技术指标。

图2-12　SWARM星座三颗卫星的排列［22］

SWARM A与SWARM B在450km起始高度上并排飞行，左右相距160km，飞行时间前后相距7s；SWARM C在起始高度550km高度上飞行，其轨道与SWARM A和SWARM B的轨道正交

图2-13　SWARM的每颗卫星长8m^［23］

图2-14　SWARM卫星磁力仪安置在星体磁场干扰最小的位置［24］

表2-1　近地轨道磁卫星技术指标简表

GFZ的科学家们根据CHAMP数据，构建了一系列的岩石圈磁场模型MF1～MF7，见表22。网址http://geomag.org/models/index.html提供了各类模型的图、文章、高斯系数及数据。举两个例子：图215显示MF4模型在地表以上50km高度处垂直磁力异常，可见塔里木盆地、准噶尔盆地以及四川盆地有明显的正负相伴的磁异常。图216显示岩石圈磁场模型MF7在地表的垂直分量，上述三个盆地也有明显的异常，最好在计算机上读图，可以放大，更清晰一些。

表2-2　德国GFZ科学家根据CHAMP磁测数据制作的岩石圈磁场模型

美国NOAA’s National Geophysical Data Center发布^［25］

图2-15　MF4模型在地表以上50km高度处垂直磁力异常［26］（东南亚地区）

总之，从20世纪50年代末开始，在卫星磁测方面，起先是苏联领先，美国急起直追（1958—1978年）并进而超过苏联，占据一星（MAGSAT）独秀的地位（1979—1998年），欧洲起步较晚，但步伐快，由于经济、技术实力雄厚，可以进行自主开发，现在达到与美国平分秋色的水平（1999年至今）。从1999年至今后若干年，在卫星磁测方面，也许欧洲处于略为领先地位［28～29］。