0 引言

长期以来获得地磁场数据主要是依靠地面观测站，由于存在地面观测站数量有限、分布不均匀以及所在位置要避开人类活动干扰等问题，在局部研究有着很大作用(Matzka et al., 2010).航空测量和海洋测量扩展了地磁探测的空间范围，但是用来对全球磁场进行建模及研究仍然困难，主要原因是陆地、海洋和航空磁测使用不同的测量仪器导致数据相差比较大，特别是对全球不同地域不同时期的测量数据进行整合尤为困难.

卫星磁测的出现大大改变了这个状况(Olsen et al., 2010).卫星磁测相比其他磁测方式具有测量范围广，测量数据均匀，测量时间长，单次全球测量周期短，数据精度高质量好等许多优点，为研究地磁场提供了有力的支撑(Alken et al., 2014).这主要是因为卫星的运行环境相比其他方式受干扰少，磁测卫星通常都进行专门的消磁处理(Alcouffe et al., 2012)，并且携带着高性能矢量和标量仪器进行长期观测.卫星磁测能快速准确获取磁场的时空信息，从而强有力的支撑地球发动机模型(Christensen et al., 2012)、磁场形成机理、地磁极偏移反转以及地壳磁场分布特征等地球科学研究(Menard et al., 2012).因此，卫星磁探测技术的进步及其突出优势，大大激发了广大科学家研究地球磁场及其相关领域的热情.

卫星磁测始于1958年的苏联卫星，起初由于技术的限制以及认识的不足，磁测卫星主要进行地球部分区域磁场标量的测定(Backus，1970).真正意义上进行地磁场标量矢量全球测量的卫星是1979年美国的MAGSAT卫星，虽然仅运行了七个半月，但是科学家在它的测量数据上取得了很多阶段性成果(Langel et al., 1982)，直到1999年丹麦发射Ørsted卫星，代表卫星磁测进入了一个新的时代.Ørsted与随后发射的CHAMP和SAC-C卫星取得了一系列进展(Friis-Christensen et al., 2009).

以上发射的磁测卫星都是设计成单颗卫星，虽然它们搭载的科学仪器不同，但是都以测量磁场为主要目的(Acuña，2002).其中，矢量磁力仪与星象仪一起提供磁场的矢量数据，星象仪测量卫星的姿态信息，这可以把矢量磁力仪的数据转换为以地心为坐标的地磁分量；氦光泵磁力仪或者欧弗豪泽磁力仪进行磁场的标量测量，标量数据主要用来校正矢量磁力仪，以保证矢量数据的精度.这种矢量磁力仪与标量磁力仪的组合几乎是所有磁测卫星的通用配置(Primdahl et al., 2006；Tøffner-Clausen et al., 2016)，如图 1.

2013年11月Swarm卫星发射成功，这是欧洲航天局发射的最新地球磁场测量卫星.Swarm是世界上第一个设计成多颗磁测卫星的探测计划，由三颗磁测卫星组成(Ginati et al., 2005；Friis-Christensen et al., 2008).Swarm采用了多项先进技术和使用了更高精度的测量仪器，得到了高质量的磁场数据；由于三颗卫星独特的轨道设计和协同探测模式，所提供高质量时空分布的磁场数据信息是单颗卫星无法比拟的.

本文在概述卫星磁测的优势与卫星磁测发展的基础上，将重点论述最新星载光泵磁力仪的重大技术进步，用光泵磁力仪同时实现标量矢量测量的原理，Swarm多星协同地磁探测新技术和阶段成果.

1 星载光泵磁力仪的技术进步

Swarm的三颗卫星有完全相同的磁测设备，每一颗卫星都测量磁场的矢量和标量.氦光泵磁力仪进行标量的测定，它的探头位于卫星主体的最远端，从而减少卫星上的设备对探头的干扰，数据处理单元在卫星主体里.为了防止磁力仪发生意外不能使用，卫星中的设备进行冗余设计，一个磁力仪正常工作，另一个磁力仪备用.

氦光泵磁力仪主要是根据光泵作用和磁共振作用实现的(Gilles et al., 2001).首先氦室中的氦原子(⁴He)通过高频放电由基态变为亚稳态.能级在外磁场的作用下分成三个塞曼次能级，能级之间的间距与磁场的强度成比例.亚稳态的氦原子在三个次能级上几乎是均匀分布的.然后对氦室加一个调制的光(由激光或者氦灯处理得到)，这样可以改变不同次能级上亚稳态原子吸收能量跃迁到激发态的概率，然后原子从激发态随机落到三个次能级上，这样不断循环就可以使亚稳态的氦原子集中在特定的次能级上.最后，加一个射频场f，次能级上的氦原子就会在次能级间跃迁，趋向于使氦原子在三个次能级上均匀分布，当射频场f的频率等于拉莫尔频率f_Larmor时f=f_Larmor，此时吸收光的能量最大，透过吸收式的光强最弱，这样就可以根据公式f_Larmor=Y_HeB算出磁场的强度，Y_He=28 GH/T是一个常数.

用激光取代氦灯将使磁力仪的性能得到大幅度的提升(Groeger et al., 2005, 2006)，虽然已经实现多年，但是将激光氦光泵磁力仪应用在卫星上仍然需要解决很多问题.保证激光长期稳定的精确调制是应用激光的难点.Swarm卫星中的激光是通过压电控制装置来精确调整激光的波长，从而减少波长的温度漂移等问题.在卫星运行过程中，需要特别关注震动问题，这个问题通过一个钛桥单元(由钛桥、弹簧和特殊弹性体组成)解决.

卫星上氦光泵磁力仪的探头与地磁场方向的夹角是难以确定的，因此实现磁力仪的全方向性测量就十分必要.这通过一个精密的无磁电动机实现，这个电动机可以控制激光极化和射频场的方向，使他们与地磁场保持最佳测量角度，确保无死角测量(Léger et al., 2015).

最终激光氦光泵磁力仪达到了非常高的性能，主要有非常高的灵敏度，达到了1 pT/√Hz量级；测量磁场带宽范围从直流到300 Hz；绝对精度优于65 pT；测量磁场的强度从5000 nT到100000 nT并且在测量范围内没有信噪比的变化；测量中无死区位置；采样率可以高达250 Hz(Gravrand et al., 2001).

2 光泵磁力仪测量矢量的原理

Swarm中的氦光泵磁力仪不仅实现了传统的标量测量，还实现了矢量测量，这有几个优势：减少搭载仪器数量，降低卫星设计复杂度和成本；比磁通门磁力仪有更高的稳定性，标量磁力仪的矢量模式校准频率不超过一年一次，而磁通门磁力仪需要一周校准几次；避免了处理在两个测量设备(一个设备测矢量，一个设备测标量)之间的磁场梯度，提高了测量的精确性(Fratter et al., 2016).

矢量的实现原理如下(2001；Vershovskiǐ，2006；Leger et al., 2009；Wu et al., 2011).为了测得磁场的矢量B·e_j(j=x、y、z, j代表三个垂直的坐标轴)，在坐标轴上施加三个互相垂直的线圈，线圈产生的磁场叠加在地磁场B上，如图 2(2014)，线圈产生的磁场大小大约是地磁场强度的千分之一，产生的磁场频率大约是十几赫兹，三个线圈使用固定且互不相同频率避免混叠.高性能的激光氦光泵磁力仪能够准确跟踪由线圈引起的磁场变化，对测量结果经过去卷积操作之后进行实时的频谱分析，频谱上包括直流分量、与ω_j(ω_j是三个线圈上的交流频率)有关的基波和二次谐波等，同时对这个频谱进行分析可以得到地磁场在三个坐标轴上的投影大小(Gravrand et al., 2001)，公式为：

(1)

(2)

其中ω_j是调制脉冲，β_j(j=1, 2, 3)是指三个线圈产生的磁场幅度，e_j是指单位方向向量，B是指静态地磁场，B_t是指测量的总磁场.地磁场B随着时间变化很小，频谱分析中的直流成分可以看成是地磁场的模b=|B|，调制幅度是10^-3|B|，考虑到调制频率的影响，基波h^j(h^j代表在ω_j上的测量强度)与B在3个调制轴上的投影成比例，如公式(2).矢量磁力仪的目标是根据标量数据b和h_j得到B·e_j.因为β_j是已知的，根据公式(2)，就能得到B·e_j.

高精度的矢量结果需要精确地控制线圈产生的磁场，并且要避免波动干扰，这对实现的设计精度要求很高.实验结果与实际使用都表明，氦光泵磁力仪的标量测量不会受到这些矢量调制的影响，可以同时实现高质量的矢量标量测量(Jager et al., 2010；Hulot et al., 2015；Vigneron et al., 2015).

3 多星协同磁测技术及成果 3.1 单颗卫星磁测的局限

Ørsted、CHAMP、SAC-C都是设计成单颗磁测卫星，这三次探测任务取得了很多非常重要的科学成果(Lesur et al., 2010)，但是也暴露了单颗磁测卫星的一些问题(Friis-Christensen et al., 2006).一个问题是由于这三颗卫星都是单独设计的，各自有着不同的卫星结构、科学仪器和卫星轨道，所以它们测得的数据有很大的不同，数据之间的联系和可比较性比较差，没有充分发挥三颗卫星测量地磁场的协同优势.

另一个问题是单颗磁测卫星测量的是不同场源在同一点产生的总磁场，如图 3(Olsen et al., 2010)，不能分离出不同场源的磁场，这是由测量方法决定的，而与测量磁场仪器的精度和灵敏度没有太大关系.还有一个问题是，地磁场模型算法需要一个全球分布状态的瞬时数据，这就要求处理在采样过程中磁场发生的变化，主要的困难是对外场源的测量.因为外场源通常变化比较快(从几小时到几天不等)，当单颗卫星进行一次完整的地磁场测量时，外场源磁场在这期间可能发生明显变化，很可能导致建立的模型与实际磁场相差很大.

3.2 多星协同探测模式的优势

Swarm卫星就是为解决单颗磁测卫星的不足而设计的，根据研究的目标以及模拟的结果和经验最终确定3颗磁测卫星及其轨道(Maus et al., 2006；van den Ijssel et al., 2015；Fakoor et al., 2016).其中，Swarm A和Swarm B两颗卫星并排在低轨飞行，它们的初始高度是450 km，倾角87.4°，测量磁场的东西梯度，这个磁场梯度信息可以解决地壳场的一个关键参数，用来支持高阶岩石圈磁性的研究.在最后四年，这两颗卫星会降到低于300 km，能够更好的测量地壳磁场，可以建立精度更高的地壳磁场的模型.另一颗Swarm C在较高的轨道飞行，初始高度530 km，倾角88°.不同轨道高度的卫星测量的磁场数据是研究地幔传导性的关键参数，也是精确地分离内场源和外场源的关键(Sabaka et al., 2004; Olsen et al., 2006; Roh et al., 2009).这样通过多颗卫星的协同探测可以得到单颗卫星测不到的磁场东西梯度和水平高度等信息，并且可以在相同时间内测得比单颗卫星更多的磁场信息，从而可以建立更精确的模型.

Swarm卫星通过对地磁场及其随时间变化多方面高精度的测量，可以得到关于不同磁场源多方面的信息，根据不同场源特有的在时间和空间上的变化规律，确定来自地核、地幔、地壳、海洋、电离层和磁层等不同场源的磁场信号.这样多星协同测量模式不仅利用了现有仪器高精度高灵敏性等性能优势，而且实现了对地磁场高精度多方面的测量，从而对科学研究和相关应用产生巨大的推动作用.

3.3 多星协同探测模式的成果

Swarm卫星在轨运行三年多，测得了大量的数据，这些数据经过处理(Ritter et al., 2013)，产生了非常多的成果(Stolle et al., 2013).从发射半年以后，许多学者根据获得的阶段性数据进行地磁场及其相关的研究，取得了很多进展，证明了Swarm卫星设计的有效性.目前，这些阶段性的成果主要集中在地磁场及其相关场源建模方面，因为这是以后其他各方面利用数据进行研究的基础(Fournier et al., 2015; Thébault et al., 2015).

地磁场建模是研究的热点.Saturnino等(2015)用Swarm前10个月的数据建立地球磁场模型，为第十二个国际地磁参考场提供备用模型，虽然选取的时间比较短，但是建立的模型质量很高.Olsen等(2016)根据2015年的SIFM模型(Olsen et al., 2015)加入了更多的数据包括矢量梯度建立了SIFMplus模型.该模型描述了静态岩石圈磁场和地核磁场，这些成果表明通过合理设计的多颗卫星，短时间(几年)就可以获得高质量的磁场模型.

CHAOS系列模型主要依托在地球表面时间和空间上的高分辨率磁测数据来估计内部地磁场.Finlay等(2016)主要用两年的Swarm数据结合地磁观测站的数据得到了最新的地磁场模型CHAOS-6.这个模型反应了地球磁场内核产生磁场随时间变化的信息，该模型有利于研究地核运动等，而专为高阶岩石圈磁场建立的CHAOS-6h非常利于关于岩石圈模型的研究，对于寻求矿藏等非常有益.

岩石圈磁场反演模型也通过Swarm卫星的数据建立起来，特别是并排飞行的两颗低轨卫星测得的磁场梯度对此贡献很大.建立的模型与CHAMP卫星的数据进行比较得出，现在建立的模型有非常高的精度，而且会随着Swarm卫星高度的降低得到更高的精度(Kotsiaros，2016；Thébault et al., 2016).

借助于Swarm卫星的优势，科学家现在可以对一些现象进行更深入的分析(Astafyeva et al., 2016).De Michelis等(2016)研究了在2015年3月17日地磁场风暴中电离层和磁层电流产生的磁场波动特性.Michelis等人的发现不仅说明地磁场波动数据可以提供一个新的视野来研究电离层动态作用和电离层-磁层共同作用，而且说明在地磁场波动的尺度特性中动态变化可以作为磁层状态的局部预测器，这将会提供一个新的线索来建立更真实的磁场模型.

还有许多模型综合了其他卫星和其他方式(比如地面观测站等)的测量数据(Sabaka et al., 2015).通过Swarm建立的多种模型和研究与以前的模型保持了很好的一致性和连续性，证明了Swarm卫星的设计和测量数据的可信性，这为未来多星协同探测的优化设计与广泛应用奠定了基础.

4 总结与展望 4.1

磁测卫星对地球物理相关学科的研究具有重大的推动作用.卫星数据的利用需要多领域多学科的协同工作，这是由地磁场的复杂性和卫星设计的广泛性决定的.最新的磁测卫星已经发展为多颗，不仅在测量精度得到提升，而且通过多颗协同工作，可以得到单科卫星难以表达的信息，这是磁测卫星发展的必然趋势.激光氦光泵磁力仪的性能得到大幅度的提升，尤其是矢量标量双模式的实现，不仅简化了卫星设计，而且使数据更可靠.

4.2

卫星磁测是一个巨大的系统工程，从设计到实现需要一个漫长的过程，尤其是进行全过程的模拟与仿真(Sabaka and Olsen, 2006).模拟与仿真的完善性将大大降低实际设计与发射卫星以及卫星在整个运行过程(在轨运行时间通常要几年甚至十多年)的风险，使卫星能最终完成设计任务.这方面的资料是设计多颗卫星的必要条件，欧洲为多颗磁测卫星进行了十多年的仿真与验证，但是这方面资料比较少，需要尽早开始系统性的研究.

4.3

目前，在国外地磁卫星数据的基础上，我国相关学者也在磁场研究(康国发等，2009)、磁场建模(徐文耀等，2008)、地磁导航(周军等，2008；王向磊和田颜锋，2010)，国外地磁卫星进展研究(张昌达，2003；冯彦等，2010)等方面做了一些研究.我国发射了一些对地观测的卫星(张学民等，2016)，但是没有专门的地磁测量卫星，这就难以在实时获取地磁场数据、地球物理研究、地磁应用等方面取得突破性进展和领先优势.因此，发展专门的地磁测量卫星尤其是多颗卫星协同探测意义重大.

致谢 感谢国内外参考文献作者的贡献，感谢审稿专家提出的宝贵意见和建议，感谢国家自然科学基金(41304140)和国家重大科研装备研制项目(ZDYZ2012-1)的资助.