火星空间环境探测用高精度磁强计

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1、火星空间环境探测用高精度磁强计王劲东赵华陈斯文廖怀哲周斌余明锋周敬萱（中国科学院空间科学与应用研究中心北京100190）摘要：高精度磁通门磁强计是火星探测器的主要载荷之一，用于探测火星空间环境的磁场矢量。高精度磁强计传感器的低噪声是获得高精度磁场探测的关键因素之一，为此在研制磁强计的过程中充分考虑引起噪声的各种因素并采取多种措施抑制噪声。研制的航天级高精度磁通门磁强计采用双探头探测方案，可以克服卫星自身剩磁的干扰，同时进行三分量空间磁场探测，其最高分辨率优于0.01nT。系统重量2.8kg，传感器工作温度范围-150℃～+90℃,满足深空探测的空间环境要求。关键词：磁通门磁强计高精度

2、标定1、研制背景要求近年来我国航天事业发展迅猛，随着载人航天飞行的实现，以及“嫦娥一号”探月计划成功发射，行星探测也被列入我国的航天计划。行星探测是我国航天技术发展的重要推动力之一,是实现我国“和平发展”的战略目标之一。而由于火星具有很多与地球相似的特性，所以火星探测成为近十年及未来二十年行星探测的重要目标。在众多的火星探测研究方向中，火星空间环境探测是近年来研究中的一个热点，包括研究火星空间环境的大尺度结构及其对太阳风扰动的相应过程和变化规律；研究火星大气中粒子逃逸机制及其对火星水体损失的影响。为完成上述研究内容，火星探测的主要科学目标设定为：（1）探测火星空间磁场、电离层和粒子分

3、布及其变化规律；利用磁强计探测火星空间磁场的分布、结构及其随太阳风变化的特性；利用等离子体探测包和磁强计探测火星弓激波、磁鞘、磁场堆积区、电离层的粒子分布特性及其对太阳风扰动的响应过程和变化规律；（2）探测火星离子逃逸率，研究离子逃逸的物理过程和输运机制，探索太阳风与火星大气相互作用对火星水体损失的影响；和地球一样，火星附近的磁场分布对火星附近的粒子分布起着关键的作用。要研究火星附近等离子体的分布、研究火星离子的逃逸、太阳风传入火星电离层、火星磁尾内粒子的加速机制、火星磁尾电子的沉降等，都需要了解火星附近的磁场分布。具体研究的主要内容有：（1）研究火星空间环境中诱导磁场的模式，有望形

4、成类似Tsyganeko模式的火星磁场模式C11（CSSAR2011）；（2）火星弓激波形状与结构随太阳风变化的特性；（3）火星诱导磁场在太阳风传输到近火电离层所起的作用（4）火星磁场对火星离子逃逸的影响223正是因为磁场探测在火星空间环境研究中的重要作用，高精度磁通门磁强计是获得高精度磁场探测关键因素之一，在此次火星空间环境探测任务中显得非常重要。2、研制目标与性能为了适应火星空间磁场探测的要求，同时满足深空探测的需求，高精度磁通门磁强计的性能指标为：测量范围：-256～+256nT，高分辨率在轨测量用；-64000～+64000nT，地面测试用；噪声水平：≤0.01nT/Hz@1

5、Hz；带内总噪声：≤0.1nT(RMS)；分辨率：≤0.01nT；传感器重量：≤0.250kg传感器尺寸：102.2×58×50mm工作温度：-150℃～90℃仪器总质量：2.8kg系统功耗：6.5W3、设计方案为满足火星空间环境探测的需求，探测器将穿过火星磁层，磁鞘区，火星尾流和磁尾、火星的弓形激波和前兆激波区。根据MarsGlobalSurveyor，MAG/ER的探测结果，火星空间环境磁场磁场强度很小（<100nT），因此高精度磁强计量程范围初步定为±256nT，以提高测量分辨率与精度，满足科学探测目标。同时为满足地面调试需求，增设一档±64000nT量程，以实现地磁场环境下的

6、全量程磁场测量。火星探测是一项重大的科学探测工程，探测数据要求准确可靠。尤其磁矢量探测仪器，要求尽可能的降低卫星剩磁干扰，除了对卫星的剩磁要求相当严格（卫星剩磁不超过2500mAm）外，高精度磁强计系统必须采取双探头测量方案。通过安装与卫星主体距离不同的两个探头A、B，实现消除卫星剩磁干扰的目的。BA图1高精度磁强计探头布置示意图由于火星探测高精度磁强计采用双探头测量方案，因此仪器整体方案采用双单机设计，将两组探头与两套信号处理电路完全分离，在电气上形成完全独立的磁强计A、B线路。机械方面，高精度磁强计测量系统由两只舱外的探头与一套舱内电子学箱共同构成，每只探头分别通过一根独立的电缆

7、与电子学箱连接，尽量降低双机间的干扰。为降低系统重量，磁强计A、B机电路部分共用一套外壳，A、B机分别通过独立的电缆与卫星数管系统相连接，参见图2。224三轴磁强磁强计A电子线路单元计探头A卫星数管系统三轴磁强磁强计B电子线路单元计探头B卫星舱外舱内磁强计电子学线路箱图2高精度磁强计组成结构示意图采用完全分离的两套磁强计电子线路，一方面可以消除卫星本身的剩磁干扰；另一方面考虑冗余设计，对于提高系统的可靠性至关重要，在一台仪器失效的情况下仍然能够得到测量数据