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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:kobv:517-opus-41201
URL: http://opus.kobv.de/ubp/volltexte/2010/4120/


Yin, Fan

Mathematic approaches for the calibration of the CHAMP satellite magnetic field measurements

Mathematische Ansätze für die Kalibrierung des Satelliten CHAMP Magnetfeldmessungen

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Dokument 1.pdf (1.982 KB) (SHA-1:c2de7c102cd0c8d0cc0acaa9b14b7eeab4e051af)


Kurzfassung in Englisch

CHAMP (CHAllenging Minisatellite Payload) is a German small satellite mission to study the earth's gravity field, magnetic field and upper atmosphere. Thanks to the good condition of the satellite so far, the planned 5 years mission is extended to year 2009. The satellite provides continuously a large quantity of measurement data for the purpose of Earth study. The measurements of the magnetic field are undertaken by two Fluxgate Magnetometers (vector magnetometer) and one Overhauser Magnetometer (scalar magnetometer) flown on CHAMP. In order to ensure the quality of the data during the whole mission, the calibration of the magnetometers has to be performed routinely in orbit. The scalar magnetometer serves as the magnetic reference and its readings are compared with the readings of the vector magnetometer. The readings of the vector magnetometer are corrected by the parameters that are derived from this comparison, which is called the scalar calibration. In the routine processing, these calibration parameters are updated every 15 days by means of scalar calibration. There are also magnetic effects coming from the satellite which disturb the measurements. Most of them have been characterized during tests before launch. Among them are the remanent magnetization of the spacecraft and fields generated by currents. They are all considered to be constant over the mission life.

The 8 years of operation experience allow us to investigate the long-term behaviors of the magnetometers and the satellite systems. According to the investigation, it was found that for example the scale factors of the FGM show obvious long-term changes which can be described by logarithmic functions. The other parameters (offsets and angles between the three components) can be considered constant. If these continuous parameters are applied for the FGM data processing, the disagreement between the OVM and the FGM readings is limited to \pm1nT over the whole mission. This demonstrates, the magnetometers on CHAMP exhibit a very good stability. However, the daily correction of the parameter Z component offset of the FGM improves the agreement between the magnetometers markedly. The Z component offset plays a very important role for the data quality. It exhibits a linear relationship with the standard deviation of the disagreement between the OVM and the FGM readings. After Z offset correction, the errors are limited to \pm0.5nT (equivalent to a standard deviation of 0.2nT).

We improved the corrections of the spacecraft field which are not taken into account in the routine processing. Such disturbance field, e.g. from the power supply system of the satellite, show some systematic errors in the FGM data and are misinterpreted in 9-parameter calibration, which brings false local time related variation of the calibration parameters. These corrections are made by applying a mathematical model to the measured currents. This non-linear model is derived from an inversion technique. If the disturbance field of the satellite body are fully corrected, the standard deviation of scalar error \triangle B remains about 0.1nT.

Additionally, in order to keep the OVM readings a reliable standard, the imperfect coefficients of the torquer current correction for the OVM are redetermined by solving a minimization problem. The temporal variation of the spacecraft remanent field is investigated. It was found that the average magnetic moment of the magneto-torquers reflects well the moment of the satellite. This allows for a continuous correction of the spacecraft field. The reasons for the possible unknown systemic error are discussed in this thesis. Particularly, both temperature uncertainties and time errors have influence on the FGM data. Based on the results of this thesis the data processing of future magnetic missions can be designed in an improved way. In particular, the upcoming ESA mission Swarm can take advantage of our findings and provide all the auxiliary measurements needed for a proper recovery of the ambient magnetic field.

Kurzfassung in Deutsch

CHAMP (CHAllenging Minisatellite Payload) ist eine deutsche Kleinsatellitenmission für die Forschung und Anwendung in Bereich der Geowissenschaften und Atmosphärenphysik. Das Projekt wird vom GFZ geleitet. Mit seinen hochgenauen, multifunktionalen, sich ergänzenden Nutzlastelementen (Magnetometer, Akzelerometer, Sternsensor, GPS-Empfänger, Laser-Retroreflektor, Ionendriftmeter) liefert CHAMP erstmalig gleichzeitig hochgenaue Schwere- und Magnetfeldmessungen (seit Mitte 2000). Dank des bisherigen guten Zustandes des Satelliten ist die auf 5 Jahre ausgelegte Mission bis 2009 verlängert geworden. An Board befinden sich ein skalares Overhauser-Magnetometer(OVM) für Kalibrierungszwecke sowie zwei Fluxgate-Magnetometer(FGM) zur Messung des magnetischen Feldvektors. Die Messungen vom FGM werden immer verglichen mit denen vom OVM und korregiert im Fall von Widersprüche, das ist die sog. Skalar-Kalibrierung. Um eine zuverlässige Datenqualität während der 8 jährigen Mission zu garantieren, ist die Nachkalibrierung implementiert. Im Rahmen der standard mäßigen Datenverarbeitung werden die Instrumentenparameter des FGM alle 15 Tage neu bestimmt. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, eine Verbesserung der Vektormagnetfelddaten zu erzielen durch eine neue Methode der Kalibrierung, die die Eigenschaften der Sensoren und Störung vom Raumfahrzeug mit berücksichtigt. Die Erfahrung aus den zurückliegenden Jahren hat gezeigt, dass sich die Skalenfaktoren des FGM stark mit der Zeit ändern. Dieser Verlauf lässt sich gut durch eine Logarithmuskurve anpassen. Andere Parameter wie die Winkel und die Offsets scheinen stabil zu sein. Eine Ausnahme macht der Offset der Z-Komponent. Dieser bedarf einer regelmäßigen Korrektur. Während die Standardverarbeitung eine undifferenzierte Bestimmung aller 9 FGM Parameter durch nicht-lineare Inversion der skalar Daten vornimmt, beziehen wir jetzt die langzeitlichen Eigenschaften der Parameter in die Bestimmung mit ein. Eine weitere Verbesserung der CHAMP-Magnetfelddaten konnte erreicht werden durch geeignete Berücksichtigung von Störung vom Raumfahrzeug. Die verbleibenden Unsicherheiten konnten durch diese Maßnahmen auf eine Standardabweichung von 0.1nT reduziert werden.

Freie Schlagwörter (Deutsch): Magnetische Feldmessungen , Magnetometer-Kalibrierung , Magnetfeld-Satellit
Freie Schlagwörter (Englisch): Magnetic field measurements , magnetometer calibration , magnetic field satellites
RVK - Regensburger Verbundklassifikation: UT 2700
Institut 1: Institut für Physik und Astronomie
Institut 2: Interdisziplinäres Zentrum Dynamik komplexer Systeme
Fakultät: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: a Dissertation
Hauptberichter: Holschneider, Matthias (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 14.01.2010
Erstellungsjahr: 2010
Publikationsdatum: 05.02.2010
Bemerkung: MSC-Klassifikation: 86A99
Lizenz: Dieses Werk ist unter einer Creative Commons-Lizenz lizenziert.
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