高精度磁强计数据处理方法及系统与流程

1.本发明涉及卫星遥感技术领域，特别是涉及一种高精度磁强计数据处 理方法及系统。


背景技术：

[0002]“张衡一号”电磁卫星是中国第一颗电磁类的卫星，卫星上有八大载荷。
ꢀ“
张衡一号”电磁卫星于2018年2月2日成功发射，该卫星搭载的高精度 磁强计(hpm)能够实现全球地磁场标量及矢量的观测。
[0003]
由“张衡一号”向地面回传的各类载荷数据，由于是原始的空间探测 数据，需要进行在轨定标处理，才能生成用于科学研究的科学数据。


技术实现要素：

[0004]
本发明要解决的技术问题是提供一种高精度磁强计数据处理方法及系 统，能够将卫星上高精度磁强计的原始探测数据进行处理，生成实际可用 的数据产品。
[0005]
为解决上述技术问题，本发明提供了一种高精度磁强计数据处理方法， 所述方法包括：系统接收0级数据后经过进制转换后得到载荷工程数据、 fgm矢量数据、cdsm标量数据的十进制数据，载荷工程数据可直接输出， fgm与cdsm数据需首先进行物理量的转换，cdsm数据还需要经过转向差的 消除，得到1级数据产品；1级科学数据首先经过时标对齐，再进行数据重 采样，计算得到正交校正矩阵后进行正交校正，然后消除卫星及矢量探头 的磁干扰，最后进行坐标变换后得到2级数据产品；利用获取的每条当前 轨道以及之前若干个重访周期的重访轨道，生成时序分析产品作为3级数 据产品；利用全球以及中国区域的当前轨道以及之前30天的重访数据，生 成空间产品数据，为4级数据产品；其中，高精度磁强计1级数据产品是 对0级数据产品进行格式转换、正交校正后得到的按时间排列的地磁场数 据；高精度磁强计2级数据产品是对1级数据产品进行坐标变换生成的带 有地理和地磁坐标系、时间、位置和姿态信息的地磁场数据；高精度磁强 计3级数据产品是在2级数据产品的基础上，进行重采样生成全球范围及 中国区域的重访轨道观测数据的时间序列产品，标注地震及空间天气指数 信息；高精度磁强计4级数据产品是在2级数据产品基础上，生成全球范 围及中国区域上空地磁场的动态变化及其相对于背景场的变化幅度。
[0006]
在一些实施方式中，1级数据产品包括：1级科学数据、1级图像产品 与1级数据处理报告；2级数据产品包括：2级科学数据、2级图像产品与 2级数据处理报告；3级数据产品包括：3级科学数据、3级图像产品与3 级数据处理报告；4级数据产品包括：4级科学数据、4级图像产品与4级 数据处理报告。
[0007]
在一些实施方式中，系统接收0级数据后经过进制转换后得到载荷工 程数据、fgm矢量数据、cdsm标量数据的十进制数据，载荷工程数据可直 接输出，fgm与cdsm数据需首先进行物理量的转换，cdsm数据还需要经过 转向差的消除，得到1级数据产品，包括：读取0级数据，分别对载荷的 工程数据、cdsm数据与fgm数据进行二进制到十进制的转换，得到相应
的 十进制数据；cdsm数据经过线性校正后即得到标量磁场，再消除转向差的 影响即得到修正后的标量磁场；fgm数据经过线性校正与温度校正后得到矢 量磁场；最终输出包括cdsm标量磁场、fgm矢量磁场、quickview图以及1 级数据处理报告。
[0008]
在一些实施方式中，线性校正包括：按照如下公式执行线性校正：
[0009]
s＝ax b。
[0010]
在一些实施方式中，1级科学数据首先经过时标对齐，再进行数据重采 样，计算得到正交校正矩阵后进行正交校正，然后消除卫星及矢量探头的 影响，最后进行坐标变换后得到2级数据产品，包括：读取1级科学数据 产品，先消除两探头间的互扰再进行重采样，使矢量磁场与标量磁场具有 相同的采样率，然后，利用多于1轨的数据进行拟合得到校正矩阵的参数 进行正交校正，得到cdsm处的矢量磁场，利用该矢量磁场消除卫星与探头 在cdsm处的干扰，即得到cdsm的矢量磁场，最后通过一系列坐标变换， 得到2级数据产品。
[0011]
在一些实施方式中，利用获取的每条当前轨道以及之前若干个重访周 期的重访轨道，生成时序分析产品作为3级数据产品，包括：获取本轨道 对应的前若干个重访轨道磁场总强及三分量，按一定纬度间隔进行间隔划 分；利用四分位等方法计算每个网格内的值；直接根据当前轨道号获取前 若干个重访周期相应的重访轨道数据。
[0012]
在一些实施方式中，直接根据当前轨道号获取前若干个重访周期相应 的重访轨道数据，包括：根据如下公式进行轨道重访：
[0013]
s＝l-n
×m[0014]
其中，s为重访轨道号，l为当前轨道号，m为重访轨道固定差，n为 cdsm跃变能级。
[0015]
在一些实施方式中，利用全球以及中国区域的当前轨道以及之前30天 的重访数据，生成空间产品数据，为4级数据产品，包括：按照若干重访 周期的时间(如30天)间隔及经纬度空间间隔，滑动选取全球和中国区域 (0-55
°
纬度；70-140
°
经度)上空的磁场总强及各分量2级数据，计算每 个空间间隔内所有轨道的中值、四分位点及分位差，以及上下界，并通过 对各个间隔内中值进行插值，得到全球及全国范围空间分布背景场；以当 前5天及空间间隔，计算观测得到磁场总强及各分量在每个空间间隔内所 有轨道的中值b
5i
；并通过对各个间隔内中值b
5i
进行插值，得到全球及全国 的空间分布图，滑动更新每天的全球及全国范围空间分布图；计算每天每 个间隔内磁场总强及各分量的中值b
5i
，与之前若干个重访周期(如30天) 的背景中值b
30i
的差值bi＝b
5i-b
30i
；对每个格子内的差值进行归一化处理，dbi＝ (b
5i-b
30i
)/b
30i
并通过对各个间隔内中值dbi进行插值，得到全球及全国的每 天动态变化空间分布图；计算每天每个间隔内电子密度、电子温度的中值 b
5i
，与前若干个重访周期的重访轨道上下界限d差值d，根据当前观测数据 是否超过上下界限，对每个间隔进行标记，正常为0，超出边界则标注出当 前观测值与上下边界的差值d，并将超出边界的间隔标注在动态变化图上； 标注地震记录、空间天气等信息生成4级数据，并完成数据处理报告。
[0016]
此外，本发明还提供一种高精度磁强计数据处理系统，所述系统包括： 一个或多个处理器；存储装置，用于存储一个或多个程序；当所述一个或 多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现 根据前文所述的高精度磁强计数据处理方法。
[0017]
采用这样的设计后，本发明至少具有以下优点：
[0018]
本发明提供的高精度磁强计数据处理方法及系统，通过对原始数据的 格式转换、
线性校正、正交校正、坐标转换等一系列运算，生成数据精度 及格式均符合科学研究要求的数据产品。
附图说明
[0019]
上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手 段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
[0020]
图1是0级数据命名规则的示意图；
[0021]
图2是1～4级数据命名规则的示意图；
[0022]
图3是科学数据处理报告命名的示意图；
[0023]
图4是科学数据产品图像命名的示意图；
[0024]
图5是1级数据产品图；
[0025]
图6是高精度磁强计2级矢量磁场文件组织格式；
[0026]
图7是高精度磁强计数据产品示意图；
[0027]
图8是高精度磁强计3级数据产品示意图(以中值及上下四分位分析结果 为例)；
[0028]
图9是高精度磁强计0-4级数据处理流程；
[0029]
图10是1级数据处理流程；
[0030]
图11是磁通门探头温度标定示意图；
[0031]
图12是2级数据处理流程；
[0032]
图13是正交变换角度关系图；
[0033]
图14是高精度磁强计3级数据处理流程(以四分位算法为例)；
[0034]
图15是高精度磁强计4级数据处理流程；
[0035]
图16是cdsm传感器的转向差示意图；
[0036]
图17是文件格式的示意图。
[0037][0038][0039]
具体实施方式
[0040]
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描 述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
[0041]
首先介绍下文中使用的缩略语。
[0042]
表1缩略语
[0043][0044]
1高精度磁强计简介及数据产出
[0045]
zh-1卫星高精度磁强计包含两个磁通门传感器、一个绝对磁场校准装 置传感器、电子学箱及相应的电缆，其中磁通门探头部分由中科院空间中 心研制，绝对磁场校准装置由奥地利科学院空间研究所研制高精度磁强计 在轨
±
65度以内产出数据含60hz的fgm数据以及30hz的cdsm数据，在轨
ꢀ±
65度以外，数据通过遥测数据下传。正常状态下，每个遥测数据包包含 fgm探头1、探头2和cdsm探头的一个采样，遥测数据是1秒一次。fgm数 据加密下传状态，将得到fgm一个探头(通过指令参数指定)的60hz和1hz 交替的数据。
[0046]
2数据产品
[0047]
2.1分级定义
[0048]
按照《卫星对地观测数据产品分类分级规则》(gb/t32453-2015)， 高精度磁强计标准数据产品定义见表2。
[0049]
表2高精度磁强计标准数据产品定义
[0050][0051]
2.2命名规则
[0052]
为了使各级数据产品检索查询方便，各级数据产品的命名应包含卫星 名称、载荷名称、轨道号、数据起止时间等其它必要的标识。高精度磁强 计0～4级数据产品、图像和处理报告的命名规则示例如图1及图2所示。
[0053]
其中：
[0054]
(1)卫星名称(4位字符)：用cses表示；
2payloadid仪器代码 3orbitnum轨道号 4orbitflag升降轨标识升轨、降轨5sampleratefgm:60hz采样率6freqrangefgm:dc～15hz频率范围
[0077] 表4数据表说明
[0078][0079]
高精度磁强计1级科学数据cdsm文件包含的内容有相对时间、utc时 间、dpu工程数据、cdsm工程数据、星务数据以及cdsm科学数据，详细构 成如表5与表6所示。
[0080]
表5文件属性说明
[0081][0082][0083]
表6数据表说明
[0084][0085]
2.3.1.21级图像产品
[0086]
高精度磁强计1级图像产品内容包括两个fmag探头的x、y、z矢量磁 场与cdsm标量磁场数据。
[0087]
2.3.1.31级处理报告
[0088]
1级数据处理报告组成要素：
[0089]
(1)处理软件版本号：v0.1
[0090]
(2)起始时间：yyyymmddhh:mm:ss.zzz
[0091]
(3)输入数据:0级数据文件名
[0092]
(4)辅助数据
[0093]
标定数据：
[0094]
校正参数：
[0095]
(5)处理过程:cdsm跃变能级n＝2
[0096]
结论：载荷温度正常、电压正常；处理正常与否，是否缺数(数据包 号-出错项)，数据文件损坏(包序号-时间)
[0097]
(6)结束时间:yyyymmddhh:mm:ss.zzz
[0098]
(7)输出数据：1级数据文件名
[0099]
2.3.22级数据产品
[0100]
2级数据是对1级数据进行坐标变换生成的带有地理和地磁坐标系、时 间、位置和姿态信息的地磁场数据。主要包括2级科学数据、2级图像产品 与2级数据处理报告。
[0101]
2.3.2.12级科学数据
[0102]
高精度磁强计2级科学数据文件属性h5，其中2级科学数据fgm内容 包括相对时间、修正时间、工况、校正后的矢量数据、高度、地理经纬度、 地磁经纬度，文件组成如表7、表8所示。两个fgm探头分成两个文件存储。
[0103]
表7文件属性说明
[0104][0105][0106]
表8矢量磁场数据表格式说明
[0107][0108]
高精度磁强计2级科学数据cdsm内容包括相对时间、修正时间、工况、 重采样后的矢量数据、高度、地理经纬度、地磁经纬度，文件组成如表9、 表10所示。
[0109]
表9文件属性说明
[0110]
序号属性名称属性内容备注1softversion程序版本号 2payloadid仪器代码 3orbitnum轨道号 4orbitflag升降轨标识升轨、降轨5sampleratecdsm:30hz采样率6freqrangecdsm：dc～1hz频带范围
[0111]
表10矢量磁场数据表格式说明
[0112]
序号表名称表内容表属性备注1verse_time相对时间
ꢀꢀ
2utc_time修正时间
ꢀꢀ
3a22cdsm磁场数据单位nt标量磁场数据4altitude高度单位km 5mag_lat地磁纬度 地磁纬度范围6mag_lon地磁经度 地磁经度范围7geo_lat地理纬度 地理纬度范围8geo_lon地理经度 地理经度范围
[0113]
矢量磁场hdf5文件组织格式如图6所示。
[0114]
2.3.2.22级图像产品
[0115]
高精度磁强计的图像产品(见图7)用于展示添加了空间坐标标注并经 过校正后的矢量磁场数据，内容包括标注地震与空间天气的经过标量磁场 校正后的矢量磁场三分量数据。
[0116]
2.3.2.32级处理报告
[0117]
2级数据处理报告组成要素：
[0118]
(1)处理软件版本号：v0.1
[0119]
(2)起始时间：yyyymmdd hh:mm:ss.zzz
[0120]
(3)输入数据：1级数据文件名
[0121]
(4)辅助数据
[0122]
拟合系数：a b c d e f g h i j
[0123]
空间天气指数异常
[0124]
地震有无标注
[0125]
(5)处理过程:
[0126]
(6)结论：处理正常与否，
[0127]
(7)结束时间:yyyymmddhh:mm:ss.zzz
[0128]
(8)输出数据:2级数据文件名
[0129]
2.3.33级数据产品
[0130]
高精度磁强计3级数据产品是在2级数据的基础上，进行重采样生成 全球范围及中国区域的重访轨道观测数据的时间序列产品，标注地震及空 间天气指数信息。3级数据利用fgm2的2级数据产品进行处理。
[0131]
2.3.3.13级科学数据
[0132]
以四分位算法为例，数据文件主要包括的物理量有：
[0133]
◆
b、bx、by、bz的中值(当前轨道)；
[0134]
◆
b、bx、by、bz的中值(前若干重访周期数据)；
[0135]
◆
b、bx、by、bz的上4分位(前若干重访周期数据)；
[0136]
◆
b、bx、by、bz的下4分位(前若干重访周期数据)；
[0137]
◆
b、bx、by、bz超出上下界限的标识(0为正常；超出边界则标注 出当前观测值与上下边界的差值)。
[0138]
3级数据产品格式详见表11、表12。
[0139]
表11高精度磁强计3级数据文件属性说明
[0140]
序号属性名称属性内容备注1payloadid仪器代码 2orbitnum轨道号 3orbitflag升降轨标识升轨、降轨4softversion程序版本号1.1
[0141]
表12高精度磁强计3级数据表格式说明(以四分位算法为例)
[0142]
[0143]
[0144][0145]
注：上表中a22的三分量数据在hdf5文件同一个表进行分层存储。
[0146]
2.3.3.23级图像产品
[0147]
高精度磁强计3级图像产品如图8所示。
[0148]
2.3.3.33级处理报告
[0149]
高精度磁强计3级数据处理报告组成要素：
[0150]
(1)处理软件版本号：v1.1
[0151]
(2)起始时间：yyyymmdd hh:mm:ss.zzz
[0152]
(3)输入数据
[0153]
①
当前轨道：当前轨道数据文件名
[0154]
②
前若干重访周期的2级数据：前若干重访周期的2级数据文件名
[0155]
③
缺失数据情况
[0156]
(4)辅助数据
[0157]
①
震目录：
[0158]
②
磁情指数：
[0159]
当前5天的kp(3小时)、dst(1小时)、ae(1分钟)
[0160]
③
f107(1天)
[0161]
(5)处理方法：
[0162]
沿纬度按照0.1
°
间隔采样，进而采样逐日滑动的四分位差方法；
[0163]
(6)结束时间:yyyymmdd hh:mm:ss.zzz
[0164]
(7)输出产品：3级数据文件名
[0165]
(8)处理结果
[0166]
①
处理过程正常
[0167]
②
处理过程中每个格子缺数情况；反演中存在问题；
[0168]
(9)异常情况说明
[0169]
①
连续3个点，在2020年3月23日01时34分至2020年3月23日 01时36分，星下点经纬度范围为(23
°‑
33
°
n，110
°‑
112
°
e)出现超界 现象。建议进一步分析。
[0170]
②
异常现象。
[0171]
2.3.44级数据产品
[0172]
高精度磁强计4级数据是在2级数据基础上，生成全球范围及中国区 域上空地磁
场的动态变化及其相对于背景场的变化幅度。4级数据利用fgm2 的2级数据产品进行处理。
[0173]
2.3.4.14级科学数据
[0174]
高精度磁强计4级数据产品以h5存储，以四分位算法为例，高精度磁 强计4级科学数据主要包含：
[0175]
◆
当前5天全球的bt、bx、by、bz中值；
[0176]
◆
当前5天前若干个重访周期的全球bt、bx、by、bz中值；
[0177]
◆
当前5天前若干个重访周期的全球bt、bx、by、bz上四分位；
[0178]
◆
当前5天前若干个重访周期的全球bt、bx、by、bz下四分位；
[0179]
◆
当前5天全球的bt、bx、by、bz中值与若干个重访周期中值的差 值；
[0180]
◆
当前5天全球的bt、bx、by、bz中值与前若干个重访周期中值的 差值除以前若干个重访周期中值；
[0181]
◆
超出界限的标注(上下界标识：0为正常；连续3个相邻格子超出 边界则标注出前观测值与上下边界的差值)。
[0182]
4级数据产品格式详见表13、表14。
[0183]
表13高精度磁强计4级数据文件属性说明
[0184]
序号属性名称属性内容备注1payloadid仪器代码 2softversion程序版本号1.13orbitflag升降轨标识 4region数据区域65
°
之内或之外
[0185]
表14高精度磁强计4级数据表格式说明
[0186]
[0187]
[0188][0189]
注：上表中a22三分量数据在hdf5表中分层存储。
[0190]
2.3.4.24级图像产品
[0191]
高精度磁强计4级图像产品为png格式，内容包含：
[0192]
◆
当前回归周期全球(或中国)的bt、bx、by、bz中值；
[0193]
◆
当前回归周期前若干个回归周期的全球(或中国)bt、bx、by、 bz中值；
[0194]
◆
当前回归周期全球(或中国)的bt、bx、by、bz中值与前30天 中值的差值除以前若干个回归周期中值。
[0195]
2.3.4.34级处理报告
[0196]
高精度磁强计数据4级数据处理报告组成要素：
[0197]
(1)处理软件版本号：v0.1
[0198]
(2)起始时间：yyyymmdd hh:mm:ss.zzz
[0199]
(3)输入数据
[0200]
②
前5天以及前若干回归周期内的所有2级数据文件
[0201]
③
缺失数据情况：例如，缺失2020年12月01日32312_1等共1个文 件。
[0202]
(4)辅助数据
[0203]
①
地震目录：
[0204]
②
空间天气指数：
[0205]
当前5天的kp(3小时)、dst(1小时)、f107(1天)、ae(1分钟)：
[0206]
(5)处理方法：
[0207]
全球网格处理，计算每个网格内数据中值相对背景值的变化，归一化 提取异常；
[0208]
(6)结束时间:yyyymmdd hh:mm:ss.zzz
[0209]
(7)输出数据：4级数据文件名
[0210]
处理结果
[0211]
①
处理过程正常
[0212]
②
处理过程发生数据冗余溢出，程序终止因发生冗余错误导致程序中 断，未生成相关图片和分析结果
[0213]
(8)异常情况说明
[0214]
①
在2020年3月23日01时34分至2020年3月23日01时36分， 星下点经纬度范围为(23
°‑
33
°
n，110
°‑
112
°
e)出现超界现象，超出 值为。此时dst＝-60nt，kp＝4，f107最大值＝150。
[0215]
②
建议进一步分析。
[0216]
3数据处理流程
[0217]
图9为高精度磁强计0-2级数据处理流程。具体为：系统接收0级数据后 经过进制转换后得到载荷工程数据、fgm矢量数据、cdsm标量数据的十进制数 据，载荷工程数据可直接输出，fgm与cdsm数据需首先进行物理量的转换， cdsm数据还需要经过转向差的消除，得到1级数据产品，包括1级科学数据 产品、两个fgm探头的数据产品图与1级数据处理报告。1级科学数据首先经 过时标对齐，再进行数据重采样，计算得到正交校正矩阵后进行正交校正，然 后消除卫星及矢量探头的影响，最后进行坐标变换后得到2级数据产品，主要 包括2级科学数据、矢量磁场的数据产品图与2级数据处理报告。利用获取的 每条当前轨道以及之前若干个重访周期的重访轨道，生成时序分析产品作为3 级标准数据；利用全球以及中国区域的当前轨道以及之前30天的重访数据， 生成空间产品数据，为4级标准产品。
[0218]
4数据处理方法
[0219]
4.1 0级数据生成1级数据
[0220]
图10为高精度磁强计从0级到1级数据的处理流程。具体为：首先，读 取0级数据，分别对载荷的工程数据、cdsm数据与fgm数据进行二进制到十 进制的转换，得到相应的十进制数据。cdsm数据经过线性校正后即得到标量 磁场，再消除转向差的影响即得到修正后的标量磁场。fgm数据经过线性校正 与温度校正后得到矢量磁场。最终输出包括cdsm标量磁场、fgm矢量磁场、 quickview图以及1级数据处理报告。
[0221]
4.1.1矢量场数据处理
[0222]
(1)进制转换
[0223]
◆
科学数据进制转换
[0224]
fgm的科学数据由ad7710进行采集，根据手册，双极性采集时0v采样 为0x800000，因此，定义原始fgm十进制采样数据x为：
[0225]
x＝s-2
23
ꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0226]
其中s为采样直接转换成的无符号24bit整型，x为有符号整型。
[0227]
◆
探头温度进制转换
[0228]
数传数据包中的w14～w18共计5个字节为传感器温度，按先后顺序为：
[0229]
·
磁通门探头1温度1.5字节，直接转换成的无符号12bit整型为s1；
[0230]
·
磁通门探头2温度1.5字节，直接转换成的无符号12bit整型为s2；
[0231]
·
电子学箱温度2字节，直接转换成的无符号16bit整型为s3。
[0232]
则转换成物理量过程为：
[0233][0234]
(2)线性校正
[0235]
测量值与物理量的转换关系：
[0236]
b＝ax b
ꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0237]
◆
fgm1/fgm2基准线性系数文件：
[0238]
文件形式如下,3行3列，详见后文。
[0239]
x a
0_1
x b
0_1
x
[0240]
y a
0_1
y b
0_1y[0241]
z a
0_1
z b
0_1z[0242]
其中xyz为影响的分量，a
0_1
x,b
0_1
x为x分量线性转换系数与初值； a
0_1
y,b
0_1
y为y分量线性转换系数与初值；a
0_1
z,b
0_1
z为z分量线性转换系数 与初值。
[0243]
则有：
[0244][0245]bx
、by、bz分别为转换后的矢量磁场。
[0246]
(3)温度校正
[0247]
两个矢量磁通门探头的转换系数均受温度的影响，温度标定数据见图11 所示(实际校正时按测量值进行校正，不按温度物理量)。
[0248]
◆
fgm1/fgm2转换系数温度漂移曲线：
[0249]
以fgm1x分量为例：
[0250][0251]
其中t1为fgm1探头温度，te为电子学箱温度，δa为变化率，δb为变化 量，修正后为：
[0252]b1x
＝a
1x
x b
1x
ꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0253]
探头温度范围-50℃～60℃，温度标定分辨率10℃。电子学温度范围
ꢀ‑
15～ 50℃，温度标定分辨率10℃,分辨率低，需要进行二维插值。
[0254]
δa＝interp2(t1,te,δ,t1,te)
ꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0255]
t1为给定的fgm1的温度序列，te为给定电子学箱温度序列，δ为变化 率序列，进行双线性插值得到对应t1与te时的变化率δa,从而根据式4-4 得到a
1x
。
[0256]
◆
fgm1/fgm2零点温度漂移曲线：
[0257]
探头温度范围-50℃～60℃，温度标定分辨率0.1℃。电子学温度范围
ꢀ‑
15～ 50℃，温度标定分辨率0.1℃，二维插值如下所示。
[0258]
δb＝interp2(t1,te,δ,t1,te)
ꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0259]
δ为变化量序列,得到对应t1,te的δb,从而得到b
1x
，最终得到 b
1x
＝a
1x
x b
1x
，同理fgm1的y、z与fgm2的x、y、z矢量均可以得到校正， 二维线性插值c参考代码见后文描述。
[0260]
4.1.2标量场数据处理
[0261]
(1)线性转换
[0262]
标量场为24bit无符号整型,转换为10进制后为x,绝对磁场校准装 置的物理量转换系数是固定的，这与绝对磁场校准装置的原理相关，它取 决于量子参数。具体的转换过程为：
[0263]
s＝ax b
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0264]
其中线性转换系数见cdsm标定数据包。
[0265]
对应不同的能级跃迁n，a与b是不同的。n＝2和n＝3对应能级跃迁在 频率扫描时产生的不同吸收峰，它们都与磁场成正比，区别在于磁场方向 与光轴方向不同时它们的信号强度不同，在磁场方向与光轴一致时，n＝2信 号最强，当磁场方向与光轴垂直时n＝3信号最强，所以cdsm在轨工作时会 根据磁通门给出的磁场方向与光轴方向的关系自动调整n＝2和n＝3。
[0266]
正样件在科学数据中增加n的标识状态直接使用。
[0267]
(2)转向差消除
[0268]
这种原理的原子磁力仪都具有一定的转向差，即在磁场方向与光轴方 向角度发生变化时，它的测量值也会发生变化。方向差在不同的模式下体 现也是不同的。
[0269]
1)n＝2模式下，磁场矢量在cdsm探头的纬度角，正负有稳定的偏差量。
[0270]
2)n＝3模式下，磁场矢量在cdsm探头的纬度角，有连续变化的偏差量。
[0271]
虽然在处理方向角时，准确磁场矢量还没有处理出来，转向差的修正 对角度的精度要求较低，精确到1度即可，单探头处理的磁场矢量方向可 以用来近似，故可利用任意一个探头进行校正，这个近似的误差对于解算 方向差来说是完全忽略不计的。
[0272]
◆
确认磁场方向角
[0273][0274]
θ0取值范围为[-90,90]，为使其应用在后续修正函数，修正θ00～360度, 因此需要进行如下转换：
[0275][0276]
◆
转向差的修正
[0277]
从cdsm的转向差标定文件中可以获取地面标定的不同模式(指n＝2或 n＝3)下不同角度对应的偏差函数d(θ)，修正过程如下式。
[0278]bs
＝s-d(θ)0
°
≤θ≤360
°ꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0279]
其中d(θ)可由标定数据包进行线性最小二乘拟合得到。
[0280][0281]
其中θi为转向角，di为标定偏差，n为标定数据个数
[0282]
d(θ)＝aθ b 0
°
≤θ≤360
°ꢀꢀꢀꢀ
(14)
[0283]
4.21级数据生成2级数据
[0284]
首先，读取1级科学数据产品，先消除两探头间的互扰再进行重采样， 使矢量磁场与标量磁场具有相同的采样率，然后，利用多于1轨的数据进 行拟合得到校正矩阵的参数进行正交校正，得到cdsm处的矢量磁场，利用 该矢量磁场消除卫星与探头在cdsm处的干扰，即得到cdsm的矢量磁场， 最后通过一系列坐标变换，得到2级数据产品，包括2级科学数据产品、2 级图像产品与2级数据处理报告。
[0285]
4.2.1 fgm去互扰
[0286]
磁通门传感器采用反馈工作原理，反馈线圈将传感器内部磁场(低频 磁场)控制在零场附近，这就意味着外界磁场有多大，反馈线圈在内部产 生的磁场就有多大。那么反馈线圈作为一个开放的螺线管线圈，磁场会影 响到线圈外部。因此磁通门探头之间会存在干扰。
[0287]
根据各自探头的测量值，计算对其他探头的干扰，fgm1的矢量减去fgm2 对其的干扰，fgm2的矢量减去fgm1对其的干扰。以fgm1的数据处理为例：
[0288][0289]
注：上面的x
2x
,x
2y
,x
2z
为fgm输出的原始数字量，为fgm2对fgm1的影响因子，b
1x_1
、b
1y_1
、b
1z_1
为去除互扰后的矢量磁场。
[0290]
探头间的的干扰可由地面传感器互扰试验测得，一个探头对另一个探 头的影响可以用一个矩阵来表示。数据处理过程中的干扰磁场大小，由探 头的采样数据(正比于反馈电流)和这个矩阵来获得(b
probe1-＞2
＝m
1-＞2
x1)。
[0291]
4.2.2数据重采样
[0292]
(1)时标对齐
[0293]
fgm提供了采样率为60hz与1hz的数据，cdsm采样率为30hz，两者磁 场数据采样率不一样，若利用标量磁场校正矢量磁场，需要两者采样率一 致，首先，利用1hz的fgm数据与30hz的cdsm进行时标对齐。通常，由 于cdsm数据变化不大，采用30hz数据与1hzfgm数据进行时标对齐时不 再做插值处理。
[0294]
(2)数字滤波
[0295]
考虑到利用fir滤波器滤波时会舍掉一部分数据，采用多轨数据进行 fir滤波。
fgm滤波器的设计指标为：等波纹滤波器，带宽范围dc－0.2hz, 过渡带0.2-0.5hz,带内衰减0.01db,带外衰减120db。
[0296]
cdsm滤波器设计指标：等波纹滤波器，带宽范围dc－0.2hz,过渡带 0.2-0.5hz,带内衰减0.01db,带外衰减120db。
[0297]
(3)数据重采样
[0298]
将滤波后的cdsm数据按与fgm相同的时标重采样为1hz的数据。
[0299]
4.2.3正交校正
[0300]
通过利用标量磁场数据对fgm的矢量磁场进行正交校正，可得到cdsm 的矢量磁场。采用多于一轨的数据拟合的方式获取磁通门探头正交矩阵和 零点偏差的绝对矢量磁场校准算法。
[0301]
绝对矢量磁场校准算法的基本原理是，标量磁场数据平方等于矢量磁 场分量数据平方和，利用在轨运行磁场相对方向旋转一周的特点，实现拟 合磁通门探头的解算正交矩阵和零点。
[0302]
高精度磁强计绝对磁场校准算法主要是针对这两个参数而设计的，在 满足如下假设条件的情况下，则下列方程组成立。
[0303]
①
绝对磁场校准装置是准确的
[0304]
②
传感器的正交误差是固定的
[0305]
③
矢量探测相对误差是固定的
[0306]
④
矢量传感器和绝对磁场校准装置是同步探测的。
[0307]
(1)正交变换
[0308][0309]
其中b
x
、by、bz为磁通门观测的矢量磁场，b
x_2
、b
y_2
、b
z_2
为校正后 的矢量磁场，
[0310]
为转换系数矩阵，为零偏矩阵。
[0311]
则有
[0312][0313]
其中
[0314][0315][0316]
根据已知条件，总场强度与矢量场分量之间的关系有
[0317]bx_22
b
y_22
b
y_22
＝b2ꢀꢀꢀꢀ
(18)
[0318]
展开如下形式：
[0319]
s2＝ax2 by2 cz2 dxy eyz fxz gx hy iz j
ꢀꢀꢀ
(19)
[0320]
系数分别如下：
[0321]
a＝α
x2
(1 k
212
k
312
)
ꢀꢀꢀꢀ
(20)
[0322]
b＝α
y2
(k
222
k
322
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(21)
[0323]
c＝α
z2k332
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(22)
[0324]
d＝2a
x
αy(k
21k22
k
31k32
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(23)
[0325]
e＝2αyα
zk32k33
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(24)
[0326]
f＝2a
x
α
zk31k33
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(25)
[0327]
g＝2(α
x2bx
(1 k
312
k
212
) a
x
α
yby
(k
21k22
k
31k32
) a
x
α
zbzk31k33
)＝2ab
x
dby fbzꢀꢀꢀ
(26)
[0328]
h＝2(α
y2by
(k
322
k
222
) αyα
zbzk32k33
a
x
α
ybx
(k
21k22
k
31k32
))＝2bby ebz db
x
ꢀꢀꢀ
(27)
[0329]
i＝2(α
z2bzk332
αyα
zbyk32k33
a
x
α
zbxk31k33
)＝2cbz eby fb
x
ꢀꢀꢀꢀ
(28)
[0330][0331]
根据三角函数关系以及已知条件最终可得到a
x
,ay,az,θ
11
,θ
31
,θ
32
,b
x
,by,bz。
[0332]
其中
[0333][0334][0335][0336]
已知0≤θ
11
≤90
°
,-90
°
≤θ
31
≤90
°
,0≤θ
32
＜360
°
[0337]
故k
21
＜0,k
22
＞0
[0338][0339]
若k
32
＞0则有
[0340]
若-90
°
≤θ
31
≤0
°
则
[0341][0342]
若0
°
≤θ
31
≤90
°
则
[0343][0344]
若k
32
＜0则有
[0345]
若-90
°
≤θ
31
≤0
°
则
[0346][0347]
若0
°
≤θ
31
≤90
°
则
[0348][0349][0350]
利用(19)分别对2个磁通门传感器的矢量磁场进行系数拟合，令
[0351][0352][0352]
则有
[0353]
x*k＝y
ꢀꢀꢀꢀ
(39)
[0354]
其中x、y、z分别为磁通门矢量磁场的三分量，s为光泵磁力仪标量 磁场列向量，采用最小二乘拟合出k值，则有
[0355]
k＝(x
t
x)-1
x
tyꢀꢀꢀꢀ
(40)
[0356]
根据拟合出的系数a－i，从而得到校正矩阵，然后再根据校正方程进 行矢量磁场的校正：
[0357][0358][0359]
其中
[0360]
最后得到校正后的矢量磁场和即为两个fgm在cdsm处 的矢量磁场。
[0361]
4.2.4消除卫星在cdsm处的干扰场
[0362]
整星状态由卫星产生的干扰磁场包括卫星剩磁和感磁产生的磁场，计 算式为：
[0363]bs
＝as·be
b
s0
cs·is
ꢀꢀꢀꢀ
(42)
[0364]
式中：
[0365]
◆as
为感磁系数矩阵；
[0366]
◆
为地磁场强度(卫星坐标系)；
[0367]
◆bs0
为磁力矩器正向断电卫星剩磁向量；
[0368]
◆cs
为磁力矩器负向断电系数矩阵；
[0369]
◆is
为磁力矩器负向断电单位向量。
[0370]
需要说明的是，正常状态磁力矩器始终保持正向断电，因此is均为0。 所以处理中就简化为：
[0371]bs
＝as·be
b
s0
ꢀꢀꢀꢀ
(43)
[0372]
消除卫星剩磁、感磁干扰场后利用fgm1计算得到的cdsm处矢量磁场 如下式所示。
[0373][0374]
其中为去除卫星剩磁、感磁干扰后的矢量磁场数据。
[0375]
4.2.5消除fgm1/fgm2在cdsm处的干扰场
[0376]
fgm对cdsm产生的干扰场的计算方法为：
[0377][0378]
注：上面的x
1x
,x
1y
,x
1z
,x
2x
,x
2y
,x
2z
为fgm输出的原始数字量， 为fgm1对cdsm的干扰影响因子， 为fgm2对cdsm的干扰影响因子。消除磁通门双探头 对cdsm处矢量场的干扰影响后得到下式所示：
[0379][0380]
其中为去除所有干扰后的矢量磁场。
[0381]
4.2.6坐标转换
[0382]
◆
地理坐标标注
[0383]
b1'＝m
esmspmpt_1b1_3
ꢀꢀꢀꢀ
(47)
[0384]
根据fgm1计算出的矢量场对应的地理坐标
[0385]
b2'＝m
esmspmpt_2b2_3
ꢀꢀꢀꢀ
(48)
[0386]
根据fgm2计算出的矢量场对应的地理坐标
[0387]
◆
地磁坐标标注
[0388]
b1"＝m
memesmspmpt_1b1_3
ꢀꢀꢀꢀ
(49)
[0389]
根据fgm1计算出的矢量场对应的地磁坐标
[0390]
b2"＝m
memesmspmpt_2b2_3
ꢀꢀꢀꢀ
(50)
[0391]
根据fgm2计算出的矢量场对应的地磁坐标
[0392]
其中，b1'、b2'为地理坐标标注的矢量磁场；b1"、b2"为地磁坐标标注的矢 量磁场；m
me
地理坐标系到地磁坐标系的转换矩阵；m
es
卫星坐标系到地理 坐标系的转换矩阵，根据卫星姿态(星敏数据)的处理结果获取；m
sp
为伸 杆到卫星的坐标转换矩阵；m
pt_1
与m
pt_2
分别为探头1与探头2磁轴到伸杆 的坐标转换矩阵；b
1_3
与b
2_3
分别为探头1与探头2去除磁干扰后的矢量磁 场；b1′
与b2′
分别为地理坐标系下的探头1与探头2的矢量磁场。
[0393]
对于每个探头如探头2有如下关系：
[0394]mpt_2
＝m
cp_2mbc_2
[0395]msp
＝m
tbmst
[0396]mcp_2
探头2磁轴到立方镜坐标系的转换矩阵
[0397]mbc_2
探头2立方镜到伸杆坐标系转移矩阵
[0398]mtb
伸杆坐标系到结构基准立方镜坐标系转移矩阵
[0399]mst
结构基准立方镜到卫星本体坐标系转移矩阵
[0400]
4.3 2级数据生成3级数据
[0401]
图14为高精度磁强计从2级到3级数据的处理流程。
[0402]
(1)获取本轨道对应的前若干个重访轨道磁场总强及三分量，按一定纬度 间隔进行间隔划分，示意图见图15，然后利用四分位等方法计算每个网格内 的值。其中，找重访轨道的方法为：直接根据当前轨道号获取前若干个重访周 期相应的重访轨道数据，具体公式为：
[0403]
s＝l-n*m(n＝1,2,3,4,5,6)
ꢀꢀꢀꢀ
(51)
[0404]
其中，s为重访轨道号，l为当前轨道号，m为重访轨道固定差。
[0405]
以四分位算法为例，对当前轨道，求落在每个网格点内的中值；对当 前轨道前若干重访轨道的所有重访轨道，求落在每个网格点内的中值及上、 下四分位值。计算方法为：
[0406]
假设每个网格内有从小到大排列的n个磁场数据b1,
…
,bn。当n 1为4的 整数倍数时，中值bm及第一、第三四分位数及第一、第三四分位数计算公式为式：
[0407][0408]
当不为4的整数倍数时，通过上式计算出来的四分位数位置带有小数， 这时，对该小数四舍五入取整。
[0409]
4.42级数据生成4级数据
[0410]
图16为高精度磁强计从2级到4级数据的处理流程。
[0411]
下面以四分位算法为例，介绍高精度磁强计4级数据处理方法。
[0412]
(1)按照若干重访周期的时间(如30天)间隔及经纬度空间间隔【如5
ꢀ°
(经度)
×1°
(纬度)】，如图17所示，滑动选取全球和中国区域(0-55
ꢀ°
纬度；70-140
°
经度)上空的磁场总强及各分量2级数据，计算每个空间间 隔内所有轨道的中值、四分位点及分位差，以及上下界；并通过对各个间隔内 中值进行插值，得到全球及全国范围空间分布背景场；
[0413]
(2)以当前5天及空间间隔【5
°
(经度)
×1°
(纬度)】，计算观 测得到磁场总强及各分量在每个空间间隔内所有轨道的中值b
5i
；并通过对 各个间隔内中值b
5i
进行插值，得到全球及全国的空间分布图；滑动更新每 天的全球及全国范围空间分布图；
[0414]
(3)计算每天每个间隔内磁场总强及各分量的中值b
5i
，与之前若干个 重访周期(如30天)的背景中值b
30i
的差值bi＝b
5i-b
30i
；
[0415]
(4)对每个格子内的差值进行归一化处理，dbi＝(b
5i-b
30i
)/b
30i
并通过 对各个间隔内中值dbi进行插值，得到全球及全国的每天动态变化空间分布 图；
[0416]
(5)计算每天每个间隔内电子密度、电子温度的中值b
5i
，与前若干个 重访周期的重访轨道上下界限d差值d；根据当前观测数据是否超过上下界 限，对每个间隔进行标记，正常为0，超出边界则标注出当前观测值与上下 边界的差值d，并将超出边界的间隔标注在第(4)步计算的动态变化图上。
[0417]
(6)标注地震记录、空间天气等信息生成4级数据，并完成数据处理 报告。4级数据产品包括：科学数据及其图像和数据处理报告。
[0418]
5星务数据格式说明
[0419]
表15 gps定位广播数据长度为37字节
[0420][0421][0422]
表16姿控陀螺和姿态广播共52字节
[0423]
[0424][0425]
5高精度磁强计辅助数据说明
[0426]
5.1标定数据包的组成
[0427]
表17高精度磁强计的标定数据包组成
[0428]
[0429]
[0430][0431]
5.2标定数据包的内容定义
[0432]
5.2.1物理量修正
[0433]
fgm基准线性系数
[0434]
表18 fgm基准线性系数格式定义
[0435][0436]
注：分量标识1：x分量。2：y分量。3：z分量
[0437]
fgm转换系数温度漂移曲线
[0438]
表19 fgm转换系数温度漂移曲线格式定义
[0439][0440]
[0441]
注：
①
探头温度范围-50℃～60℃，温度分辨率10℃。
[0442]
②
电子学温度范围-15～ 50℃，温度分辨率10℃。
[0443]
fgm零点温度漂移曲线
[0444]
表20 fgm零点温度漂移曲线格式定义
[0445][0446]
注：
①
探头温度范围-50℃～60℃，温度分辨率0.1℃。
[0447]
②
电子学温度范围-15～ 50℃，温度分辨率0.1℃。
[0448]
cdsm基准线性系数
[0449]
表21 cdsm基准线性系数格式定义
[0450][0451]
cdsm转向差数据
[0452]
表22 cdsm传感器的转向差定义
[0453][0454][0455]
注：
①
转向差角度分辨率1
°
，角度范围为0
°
～360
°
。
[0456]
②
分别在n＝2和n＝3的状态下给出转向差，由于cdsm在n＝2(死 区为光轴赤道面)/n＝3(死区为光轴两级)的死区位置不能进行锁定，因此 数据中将会在死区位置存在nan的数据，在实际使用中n会自动切换锁定， 不会出现落在nan区的情况。
[0457]
传感器互扰数据
[0458]
表23传感器互扰数据格式定义
[0459][0460]
注：
①
分量标识1：x分量。2：y分量。3：z分量
[0461]
②
根据星体坐标系与探测器坐标系的关系，使用中可以不考虑精测 数据的修正，假设10nt互扰强度，精测得到1
°
偏差计算，磁场影响为 0.02nt，实际互扰强度和角度偏差远小于上述假设值。
[0462]
整星感磁修正系数
[0463]
表24整星感磁修正系数定义
[0464][0465][0466]
整星剩磁修正系数
[0467]
表25整星感磁修正系数定义
[0468][0469]
整星磁力矩器负向断电系数矩阵
[0470]
表26整星磁力矩器负向断电系数矩阵定义
[0471][0472]
整星磁力矩器负向断电向量
[0473]
表27整星磁力矩器负向断电向量定义
[0474][0475]
5.2几何转换矩阵
[0476]
fgm正交转换矩阵
[0477]
表28 fgm正交转换矩阵格式定义
[0478][0479]
磁轴到立方镜转移矩阵
[0480]
表29 fgm磁轴到立方镜坐标系转移矩阵格式定义
[0481][0482]
立方镜到伸杆转移矩阵
[0483]
表30 fgm立方镜到伸杆坐标系转移矩阵
[0484][0485]
伸杆到结构转移矩阵
[0486]
表31伸杆坐标系到结构基准立方镜坐标系转移矩阵
[0487][0488]
结构到本体转系移矩阵
[0489]
表32结构基准立方镜到卫星本体坐标系转移矩阵
[0490][0491]
5.3标定数据包文件定义
[0492]
所有标定数据的文件格式分为三个部分：
[0493]
◆
数据说明
[0494]
◆
列标题
[0495]
◆
数据列表(csv格式)
[0496]
文件格式举例如图17所示。
[0497]
5.4坐标变换
[0498]
(1)卫星坐标系-地理坐标系转换矩阵
[0499]
由于卫星姿态的变化，设卫星坐标系相对于地理坐标系之间的三个欧 拉角度是φ、ψ、θ。由卫星坐标系到地理坐标系之间的转换矩阵设为m， 则m可表示为：
[0500][0501]
(2)地理坐标系-地磁坐标系的转换矩阵
[0502]
设地理坐标系geo到地磁坐标系mag之间的转换关系为：
[0503][0504]
其中，θ、分别为偶极轴的地理余纬度、经度。
[0505]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式 上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、 等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。