国内外地磁场标准与模型初探

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1、@⑦00O00@⑦⑦半导小九张小逮(航天标准化研究所．北京．100071)文摘：对国内外地磁场相关标准和模型进行了研究，对比国内外地磁场标准和模型的主要内容，归纳和分析各种地磁场标准与模型的内容及其特点，提出修订GJB／Z19—1991的必要性和修订建议。关键词：地球磁场；地磁场模型；地磁场标准。地磁场会影响航天器的姿态．使航天器受到磁力矩(又称磁矩)的作用而改变姿态或者使自旋卫星消旋：在GEO轨道(地球同步轨道)，磁力矩有时可与气动力矩及重力梯度力矩相比．往往不可忽视：地磁场同时还影响地球轨道环境内的粒子运动．使航天器表面充电．

2、引起航天器系统的失效或干扰：地磁暴还会使卫星工作异常事件明显增多。这些影响都需要在航天器设计时认真考虑。考虑地磁场的影响．重要的是要获取地磁场的具体分布、状态、场强大小等，这些可以通过建立地磁场模型来解决。地磁场模型是地磁场参量空间分布的定量描述。通过建立模型(内源场模型或外源场模型)计算地磁场的分布和量值．可以更好的指导航天器设计。目前．国内外主要的有关地磁场模型／标准中，由于适用范围、模型类型、编写年代等不同，模型／标准之间存在着差异。对其进行分析，可优选出比较适合我国航天使用的模型／标准。以满足航天器设计参考的需要。1地磁场

3、模型目前。国内外著名的地磁场模型有：IGRF模型、WMM模型等。IGRF和WMM均为内源场模型。适用于低、中地球轨道以下的地球空间磁场计算表述。1．1lGRF(InternationalGeomagneticReferenceField)模型IGRF(国际地磁参考场)是目前国际公认的也是应用范围最广泛的地磁场模型．是由国际地磁与超高层大气物理学协会(IAGA)第五分会地磁场模型工作组制定的。以5年为间隔进行国际地磁参考场(IGRF)的研究。到目前为止。已有21个IGRF(1900～2000)资料供研究使用。其最新版本为IGRF一1

4、0。IGRF模型是基于高斯(Gauss)把球谐分析方法引进地磁学，建立地磁场的数学描述．以及1965年卡安(J．Cain)等研究了全球地磁资料的高斯分析．得出全球地磁场模型。目前方法已经定型，这方面的主要问题只是资料的选取。在20世纪60年代。因地磁观测站分布极不合理．在占全球表面积70％的海洋上几乎没有地磁观测站，只好采用航海的有关资料等。20世纪70年代后期开始．采用卫星磁测资料来弥补地磁观测站资料的不足。国际地磁参考场IGRF可简要表示如下b在近地空间的无源区。起源于地球内部的主·本文源于2007年国防科技工业技术基础课题(

5、计划编号M03xxxx0354)。《航天标准彳匕)2010年第1期一1一厘应坐丝绥垣蕴蕉复蕴型趁窿：至丛虚继丛兹磁场可以表示成标量磁势V的负梯度，V可以展开成公式(1)的球谐函数的形式：y(，∽A∽：R萋(争)”1耋[￡㈤c。。mA+^：㈤。in枞】群(p)(1)式(1)中，r、0、A为地心坐标(r是地心距。0是地理余纬，即0=900一地理纬度，A是地理经度)；R为地球半径(6371．2km)；g：：-(t)和^：(t)是t时刻的高斯系数，可查表得出；《(0)为，l阶m次的施密特准归一化缔合勒让德函数。国际地磁参考场将5年内主磁场

6、的变化假定为线性变化，在未来的5年时间内，变化率可通过长期变化预测系数￡(t)和^：(t)给出。1．2WMM(WorldMagneticmodel)模型WMM(世界磁场模型)是由美国国家地球空间情报机构(NGA)发布的。NGA与英国国防地理图像和情报机构(DGIA)共同提供资金支持。美国国家地球物理数据中心(NGDC)和英国地质调查所(BGS)负责制定工作。WMM是美国国防部DoD、英国国防部MD、北约组织NATO和世界水文组织WHO(WorldHydrographicOffice)均使用的标准模型，同样也广泛用于民用导航系统。模

7、型以及相关软件和文件等由NGDC代表NGA发布。WMM模型每5年发布一次．其最新版本WMM一2005的有效期截止到2009年12月3113。WMM一2005的数据主要来源于qbrsted卫星和CHAMP卫星获得的标量观测数据。磁赤道地区的矢量数据由WMM2000的一个修正版本计算。在近地表的自由源地区．磁场曰是一个标量势y的梯度见公式(2)：B=一VVr，0，A，t)(2)并且该标量势y满足Laplace方程，见公式(3)：2Vy(r，0，J)L，t)=0(3)在球坐标系中。Laplace方程的通解见公式(4)：y(rA¨向善(手

8、)委(z。)．c。s枞《鼢sinmA)·露(口№善(手)善(￡④．cosmw④．sinmA)·露㈣(4)由此。得到地磁场的观测方程见公式(5)-(7)：E一下OV=善(肘1)(手)善(z·c。smA吨ra．sin，从)露(p)一善凡(})善(9m‘