способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления
Классы МПК: | G01V3/00 Разведка или обнаружение с помощью электрических или магнитных средств; измерение характеристик магнитного поля Земли, например магнитного склонения, девиации G01V3/16 устройства, специально предназначенные для использования вместе с летательным аппаратом G01V3/40 специально предназначенные для измерения параметров магнитного поля земли |
Автор(ы): | Антонов В.В., Григорьев Ю.И., Бержатый В.И., Медников Б.А., Пискунков А.Ф., Сазонов А.И., Снедков Б.А., Халов Г.Г., Юлдашев Э.М., Родионов Б.Н., Боголюбов Е.П., Рыжков В.И., Самарин В.А. |
Патентообладатель(и): | Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им.С.П.Королева |
Приоритеты: |
подача заявки:
1995-09-26 публикация патента:
20.10.1997 |
Использование: в области геофизики и космической физики, например, с целью оперативного прогнозирования землетрясений. Сущность изобретения: способ определения индукции B магнитного поля в ионосфере Земли основан на определении на борту космического аппарата (КА) направления вектора индукции
квазипостоянного магнитного поля Земли, инжекции ортогонально этому направлению пучка ионов и его детектировании на этом же КА. Инжекцию и детектирование пучка ионов осуществляют в импульсном режиме и одновременно определяют величину поля Bз, магнитную составляющую электромагнитного поля Bн вдоль вектора
и их суперпозицию
в области ларморовской орбиты ионов. При этом задают скорость инжекции Vинж пучка ионов относительно КА и частоту следования f пучка ионов, согласованную с ожидаемой частотой изменения Bн, измеряют время t движения ионов от инжектора до детектора, а также определяют вектор орбитальной скорости аппарата
. Устройство определения индукции B в ионосфере Земли содержит размещенные на борту КА инжектор и детектор пучка ионов и векторный магнитометр. В устройство введены регистратор момента вылета пучка ионов на выходе инжектора, блок измерения времени движения пучка ионов от инжектора до детектора, блок определения вектора орбитальной скорости КА, блок памяти и блок обработки и выдачи результатов с вычислением индукции магнитного поля B. При этом выходы регистратора вылета ионов и детектора подключены через блок измерения времени движения ионов к входу блока обработки и выдачи результатов, на другие входы которого через блок памяти подключены выходы векторного магнитометра и блока определения вектора орбитальной скорости аппарата. В качестве регистратора вылета ионов из инжектора на его выходе может быть использован тороидальный охватывающий пучок ионов на выходе инжектора соленоид. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 2 табл., 5 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093861/2093861t.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093861/2093861-2t.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093861/2093861-3t.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093861/2093861-4t.gif)
Формула изобретения
1. Способ определения индукции В магнитного поля в ионосфере Земли, основанный на определении на борту космического аппарата (КА) направления вектора индукции![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093861/2093861-34t.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093861/2093861-35t.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093861/2093861-36t.gif)
B = Bн+Bз= 2
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093066/960.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093012/183.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093012/183.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093012/183.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093012/183.gif)
sin(
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093066/960.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093012/183.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093012/183.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093012/183.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093861/2093861-37t.gif)
где q заряд иона;
с скорость света в вакууме;
Z = t/
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093068/964.gif)
Ео энергия покоя иона;
Тср средняя кинетическая энергия ионов;
n количество полных ларморовских оборотов, соответствующих условиям встречи иона с детектором (величина n ближайшее целое число к величине Z, определенной по результатам измерения t и вычисления
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093068/964.gif)
vaQ проекция абсолютной скорости иона (скорости иона относительно Земли) на плоскость Q, перпендикулярную
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093861/2093861-38t.gif)
vинж скорость инжекции иона (относительно КА)
vинж=с
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093012/183.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093012/183.gif)
K +1 для случая, когда ион "догоняет" КА (Z > n);
K -1 для случая, когда ион "встречает" КА (Z < n);
vорбQ проекция орбитальной скорости КА на плоскость Q
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093861/2093861-39t.gif)
2. Устройство для осуществления способа определения индукции В в ионосфере Земли, содержащее размещенные на борту космического аппарата (КА) инжектор и детектор пучка ионов и векторный магнитометр, отличающееся тем, что в него введены регистратор момента вылета пучка ионов на выходе инжектора, блок измерения времени движения пучка ионов от инжектора до детектора, блок определения вектора орбитальной скорости КА, блок памяти и блок обработки и выдачи результатов с вычислителем индукции магнитного поля В, при этом выходы регистратора вылета ионов и детектора подключены через блок измерения времени движения ионов к входу блока обработки и выдачи результатов, на другие входы которого через блок памяти подключены выходы векторного магнитометра и блока определения вектора орбитальной скорости аппарата. 3. Устройство для осуществления способа по п.2, отличающееся тем, что в качестве регистратора вылета ионов из инжектора на его выходе установлен тороидальный охватывающий пучок ионов на выходе инжектора соленоид.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области геофизики и космической физики и может быть использовано при магнитных измерениях на борту космического аппарата (КА). Особенно целесообразно использование изобретения для определения с высокой точностью в реальном масштабе времени индукции магнитного поля в ионосфере Земли с целью оперативного прогнозирования землетрясений, цунами и других катаклизмов естественного и искусственного прохождения. Одной из важнейших задач экологического мониторинга является прогнозирование районов и сроков возникновения природных катастрофических явлений и, прежде всего, землетрясений, тайфунов и цунами. Результаты исследований космического пространства показывают, что в районах землетрясений за несколько часов до их начала регистрируются возмущения квазипостоянных и переменных (до 20 кГц) электрических и магнитных полей. В частности, в качестве предвестников землетрясений классифицировались следующие регистрируемые явления:эффект повышения интенсивности волновых излучений в КНЧ/ОНЧ-диапазонах (0,1-15 кГц) в магнитных силовых трубках, опирающихся на эпицентральную область надвигающегося землетрясения;
генерация квазипостоянных электрических полей и магнитных пульсаций на частотах порядка 1 кГц в ионосфере над очагом землетрясения и в магнитосопряженном районе;
возбуждение пульсаций магнитного поля с частотами более 8 Гц в магнитных силовых трубках, соответствующих эпицентральным областям, за 1,5-4 часа до начала землетрясений и др. Данные измерения относятся к диапазону ультранизких частот (УНЧ), представляющему особый интерес ввиду достаточно низкого уровня помех и возможности использования для предсказания землетрясений, цунами и тайфунов. В этом диапазоне (1-10 Гц) потоки энергии излучения в ионосфере (H
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093189/8776.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093189/8776.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093189/8776.gif)
Систематическое исследование явлений, являющихся предвестниками землетрясений, классическими методами с использованием датчиковой аппаратуры для измерения электрических и магнитных полей на стандартных космических объектах оказывается малоэффективным вследствие высокого уровня электромагнитных помех самих изделий, которые, как правило, превышают уровень электромагнитных возмущений, связанных с исследуемыми физическими явлениями. Решение этих задач может быть реализовано путем использования нетрадиционных способов измерения электрических и магнитных полей с помощью импульсных пучков заряженных частиц ионов как дистанционных диагностических приборов. Известны способы определения околоземных магнитных полей с помощью магнитометров трехкомпонентного магнитометра с магнитонасыщенными датчиками, рубидиевого магнитометра и двухкомпонентного магнитометра с феррозондовыми датчиками [1]
Использование этих способов с применением технически реализуемых на штангах магнитометров на современных космических объектах оказывается малоэффективным вследствие высокого уровня электромагнитных (магнитных) помех самих изделий, превышающих, как правило, уровень электромагнитных излучений, связанных с исследуемыми физическими явлениями. Известен способ измерения параметров магнитосферы Земли с помощью бариевых облаков [2] Идея способа состоит в создании в магнитосфере сгустка разреженной плазмы путем выброса нейтрального бария с борта космического аппарата и его последующей ионизации солнечным излучением. Поведение ионизированного облака в магнитосфере определяется двумя основными процессами диффузией и дрейфом в электрическом и магнитном полях. Измерение скорости дрейфа сгустка разреженной плазмы позволяет определить радиальную составляющую электрического поля (в направлении наблюдатель бариевое облако), а наблюдение за деформацией разреженного бариевого облака установить направление магнитных силовых линий. Однако эксперименты с бариевыми облаками обладают рядом недостатков, а именно
эксперимент с бариевыми облаками необходимо проводить сразу после захода Солнца или перед его восходом, когда облако бария освещается лучами Солнца (для ионизации атомов бария) и когда солнечное излучение, рассеянное на молекулах воздуха, не попадает в объектив фотоаппарата;
эксперимент не позволяет определить величину магнитного поля Земли и его градиенты;
эксперимент не позволяет определить перпендикулярную составляющую электрического поля, т.к. наблюдать за перемещением облака плазмы вдоль луча зрения невозможно, использование для этой цели эффекта доплеровского смещения спектральных линий (пропорционального радиальной скорости электрического дрейфа) невозможно вследствие его малости для реально существующих электрических полей;
невозможна интерпретация процессов, происходящих при расширении бариевого облака в магнитосфере Земли. Анализ условий реализации, точности и темпов обработки информации в экспериментах с бариевыми облаками на современном этапе развития ионосферной физики не позволяет оперативно и достоверно определять параметры магнитного поля, например, для прогноза землетрясения. Более перспективным для магнитных измерений в реальном масштабе времени является предложение [3] использовать для исследования возмущений магнитного поля в ионосфере инжекцию ионных пучков поперек силовой линии магнитного поля с последующим анализом ларморовской окружности ионов. Более детальная проработка предложенной идеи с подробным расчетным обоснованием требований к инжектору и детектору заряженных частиц в устройстве для реализации предложенного способа на орбитальной станции (ОС) МИР изложена в докладе [4] Там рассмотрен эксперимент "Арфа", который предполагалось провести на орбитальной станции (ОС) МИР с использованием транспортного корабля (ТГК) "Прогресс" при полете ТГК в составе ОС МИР, заключающийся в том, что инжектированные ионы аппаратурой "Арфа", установленной на ТГК "Прогрес", после ларморовского оборота в магнитном поле Земли принимаются детектором, который установлен на модуле "Квант" ОС МИР. Там же определен угол инжекции угол между направлением инжекции иона и проекцией орбитальной скорости ОС МИР на плоскость, перпендикулярную вектору индукции локального магнитного поля Земли Bз, при котором реализуется попадание иона в детектор; определен также угол попадания иона в детектор. Однако в докладе не рассмотрены вопросы, связанные с пролетным временем иона от инжектора до детектора, которое заметно отличается от времени ларморовского оборота иона в магнитном поле Земли. Предложенные в [3-4] технические решения наиболее близки заявляемым способу и устройству к нему. Способ согласно [3] предполагает инжекцию ионов с одинаковой массой и заданной кинетической энергией в различных направлениях в плоскости, перпендикулярной магнитному полю, которое предварительно необходимо определить с помощью векторного магнитометра на КА. Приемник ионов с анализатором, определяющим энергию ионов, устанавливается на другом КА, совершающим совместный полет с первым КА. В способе-прототипе [4] фактически проводится оптимазация и конкретизация эксперимента с ионным пучком на борту КА путем выбора фиксированных направлений инжекции ионов с заданной средней кинетической энергией с целью обеспечения максимального тока пучка ионов на приемный детектор после их ларморовского оборота в магнитном поле Земли с индукцией Вз. Однако способ-прототип [4] не позволяет в реальном масштабе времени на борту КА определить с приемлемой точностью суммарный вектор В, характеризующий возмущенное состояние магнитного поля на орбите и состоящий из векторов индукции Вз и магнитной компоненты Вн электромагнитного поля в ионосфере Земли. Устройство-прототип согласно [4] содержит инжектор ионного пучка, векторный магнитометр и детекторы, показания которых по телеметрическим каналам транслируются на Землю. Оперативный контроль магнитной обстановки с использованием перечисленных средств не предусматривался. Таким образом, наиболее существенным недостатком прототипа [4] является недостаточная точность и невозможность оперативного анализа магнитной обстановки на орбите в зоне пролета КА, которые необходимы, например, для эффективного прогноза экологических катастроф, связанных с землятрясениями, тайфунами, цунами и т.п. Задачей изобретения является оперативное с высокой точностью определение магнитной компоненты электромагнитного поля Вн и индукции квазипостоянного магнитного поля Bз для, например, эффективного прогноза надвигающегося землетрясения за счет измерения времени движения иона от инжектора до детектора и учета фактора пространственного смещения КА за время t движения иона от источника до детектора. Решение поставленной задачи достигается тем, что пучок ионов испускают в виде импульсов с заданными длительностью tи и частотой их следования f (согласованной с ожидаемой частотой изменения Bн), ограничивая при этом величину разброса кинетических энергий ионов-varT (путем задания скорости инжекции ионов Vинж), измеряют с заданными точностями время t движения ионов от инжектора до детектора, вектор индукции локального магнитного поля Земли Bз, вектор орбитальной скорости КА
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093861/2093861-6t.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093861/2093861-7t.gif)
(здесь символ sqrt определяет операцию извлечения квадратного корня)
где q заряд иона;
c скорость света в вакууме;
Z = t/
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093068/964.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093068/964.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093068/964.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093012/183.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093066/960.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093012/183.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093012/183.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093012/183.gif)
Eo энергия покоя иона;
Tср средняя кинетическая энергия ионов;
n количество полных ларморовских оборотов, соответствующих условиям встречи иона с детектором (величина n ближайшее целое число к величине Z, определенной по результатам измерения t и вычисления
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093068/964.gif)
VaQ проекция абсолютной скорости иона (скорости иона относительно Земли) на плоскость Q, перпендикулярную
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093861/2093861-8t.gif)
Vинж скорость инжекции иона (относительно КА), Vинж=c
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093012/183.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093012/183.gif)
k +1 для случая, когда ион "догоняет" КА (Z>n),
k -1 для случая, когда ион "встречает" КА (Z<n);
орбQ проекция орбитальной скорости КА на плоскость Q,
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093861/2093861-9t.gif)
Сущность данного способа определения магнитной компоненты электромагнитного поля Вн и индукции квазипостоянного магнитного поля Вз в ионосфере Земли состоит и испускании инжектором, расположенном на КА, пучка ионов, его регистрации детектором, расположенном на этом же КА, измерении времени t движения ионов от инжектора до детектора и вычислении величины В, являющейся суперпозицией полей Вн и Bз, из следующего выражения:
B = (T+Eo)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093012/183.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093012/183.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093066/960.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093012/183.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093012/183.gif)
где T кинетическая энергия заряженных частиц;
E0 энергия покоя заряженных частиц;
q заряд частицы;
c скорость света в вакууме;
t время между моментом инжекции частицы и моментом ее регистрации на приемнике. Формула для величины В применена на основании известного выражения для периода ларморовского обращения заряженной частицы в магнитном поле Земли (МПЗ):
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093068/964.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093012/183.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093066/960.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093012/183.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093012/183.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093012/183.gif)
векторные диаграммы на фиг. 1 и фиг. 2, поясняющие возможность реализации способа определения компонент магнитного поля Земли на борту КА, где X, Y, Z оси декартовой и цилиндрической системы координат с началом в точке инжекции ионов, оси X, Y размещены в плоскости листа (плоскости Q), а для оси Z показан направленный от листа след (
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093861/8857.gif)
Вз (+) след силовой линии индукции Вз квазистатического магнитного поля, направленного перпендикулярно за плоскость Q;
UинжQ, UaQ, UopбQ компоненты вектора скорости иона *
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093129/950.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093129/981.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093129/981.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093861/2093861-10t.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093861/2093861-11t.gif)
где q заряд иона;
c скорость света в вакууме;
Z = t/
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093068/964.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093068/964.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093068/964.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093012/183.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093066/960.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093012/183.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093012/183.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093012/183.gif)
E0 энергия покоя иона;
Tср средняя кинетическая энергия ионов;
n количество полных ларморовских оборотов, соответствующих условиям встречи иона с детектором (величина n ближайшее целое число к величине Z, определенной по результатам измерения t и вычисления
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093068/964.gif)
VаQ проекция абсолютной скорости иона (скорости иона относительно Земли) на плоскость Q, перпендикулярную
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093861/2093861-12t.gif)
Vинж скорость инжекции иона (относительно КА), Vинж c
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093012/183.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093012/183.gif)
k +1 для случая, когда ион "догоняет" КА (Z>n),
k -1 для случая, когда ион "встречает" КА (Z<n);
орбQ проекция орбитальной скорости КА на плоскость Q,
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093861/2093861-13t.gif)
Сущность способа определения магнитной компоненты электромагнитного поля Bн и индукции квазипостоянного магнитного поля Bз в ионосфере Земли состоит в испускании инжектором, расположенным на КА, пучка ионов, его регистрации детектором, расположенным на этом же КА, измерении времени t движения ионов от инжектора до детектора и вычислении величины B, являющейся суперпозицией полей Bн и Bз, из следующего выражения:
B = (T+Eo)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093012/183.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093012/183.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093066/960.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093012/183.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093012/183.gif)
где T кинетическая энергия заряженных частиц;
E0 энергия покоя заряженных частиц;
q заряд частицы;
c скорость света в вакууме;
t время между моментом инжекции частицы и моментом ее регистрации на приемнике. Формула (5) применена на основании известного выражения для периода ларморовского обращения заряженной частицы в магнитном поле Земли (МПЗ):
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093068/964.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093012/183.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093066/960.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093012/183.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093012/183.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093012/183.gif)
Однако использование в выражении (5) величины t вместо
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093068/964.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093861/2093861-14t.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093861/2093861-15t.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093861/2093861-16t.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093861/2093861-17t.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093861/2093861-18t.gif)
где n число полных оборотов, совершенных ионом до встречи с детектором;
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093129/981.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093129/969.gif)
Rлар ларморовский радиус обращения иона в магнитном поле Земли. Для рассматриваемого нерелятивистского случая Tкин<E имеем [4]
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093129/969.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093012/183.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093012/183.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093012/183.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093066/960.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093012/183.gif)
Rлар m
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093012/183.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093012/183.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093012/183.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093012/183.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093012/183.gif)
Bз(f) Bо
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093012/183.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093012/183.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093012/183.gif)
где q заряд иона;
Bз индукция локального магнитного поля Земли;
iо угол наклона орбиты, iо 51,6o;
f текущий угол положения изделия на орбите, f = 2
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093012/183.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093066/960.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093012/183.gif)
t текущий момент времени, определяющий положение изделия на орбите и отсчитываемый от момента tо 0 нахождения изделия в восходящем узле орбиты;
Tорб период орбитального движения изделия;
c скорость света в вакууме;
VаQ составляющая абсолютной скорости иона в плоскости Q;
m масса иона;
m0 масса покоя иона (для нерелятивистского случая m m0, E E0). Уравнения движения детекторов КА в той же системе координат имеют вид
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093129/981.gif)
rд(t) DорбQ
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093012/183.gif)
Условия встречи иона с детектором имеют вид
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093129/981.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093129/981.gif)
rи(t) rд(t). (15)
После подстановки в (14) и (15) выражений (7), (8), (12), (13) получаем
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093861/2093861-19t.gif)
Добавим к уравнениям (16), (17) выражения, полученные на основании применения теоремы синусов и косинусов (фиг. 1 и фиг. 2), а также известные соотношения, связывающие циклическую частоту ларморовского обращения
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093129/969.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093068/964.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093861/2093861-20t.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093861/2093861-21t.gif)
При этом следует иметь в виду, что только ионы, инжектированные перпендикулярно к
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093861/2093861-22t.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093129/981.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093129/969.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093068/964.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093068/964.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093861/2093861-23t.gif)
где K +1 для случая фиг. 1а (ион "догоняет" детектор) и K -1 для случая фиг. 1б (ион "встречает" детектор). Из выражений (5), (6) легко получить, что относительная погрешность определения Bз по формуле (5), связанная с неучетом фактора движения КА на орбите, в способе-прототипе дается выражением
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093861/2093861-24t.gif)
В табл. 1 приведена относительная погрешность
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093129/951.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093861/2093861-25t.gif)
Как видно из табл. 1, без учета фактора движения КА по орбите нельзя получить относительную погрешность измерения магнитного поля ниже значения 6
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093012/183.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093861/2093861-26t.gif)
Как видно из выражения (26), относительная погрешность вычисления магнитного поля по формуле (5) зависит от погрешностей определения (измерения) следующих величин:
кинетической энергии инжектируемого иона T (var T);
времени t на изделии (vart). Рассмотрим каждый из этих двух факторов, влияющих на относительную точность определения магнитного поля B, и оценим ожидаемые значения этих величин при реализации указанного выше способа в космическом эксперименте с помощью аппаратурных средств, которые могут быть созданы в настоящее время. Рассмотрение проведем для низкоорбитальных космических средств (высота орбиты H<R, где Rз радиус Земли). Ниже приведены результаты для источников ионов ускорителей с вынесенным полем с кинетической энергией T1 1 кэВ и T2 10 кэВ при их установке на орбитальном комплексе (ОК) МИР (орбита функционирования ОК H 350-400 км). В созданном в настоящее время источнике ионов (ИИ-1) для проведения космического эксперимента "Оптика" с рабочим телом кислородом не предъявлялось требований к монохроматичности пучка ионов, которая по экспериментальным данным определяется величинами varT < 1 КэВ и относительной погрешностью
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093129/951.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093861/2093861-27t.gif)
поэтому влиянием немонохроматичности пучка (первый член выражения (26) на точность измерения магнитного поля можно пренебречь. Погрешность vart измерения времени tи на изделии определяется длительностью импульса тока инжектируемого пучка t и минимальным временем формирования импульса тока пучка ионов vart tформ. Время формирования импульса тока пучка ионов tформ определим, как время пролета ионом ускоряющего промежутка. Оценки проведем в пренебрежении собственным полем заряда (поле ионов в ускоряющем промежутке принималось равным десятой части от величины приложенного внешнего поля это условие обеспечивает приемлемую монохроматичность ионов в импульсе и плотность тока ионов). Тогда
tформ (L/c)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093012/183.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093012/183.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093012/183.gif)
Iион 0,2
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093012/183.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093012/183.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093012/183.gif)
где Iион плотность тока ионов;
L размер ускоряющего промежутка;
U0 величина приложенного напряжения;
e0 диэлектрическая проницаемость вакуума;
E0 энергия покоя иона. В табл. 1 приведены расчетные значения погрешности
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093129/951.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093068/964.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093129/951.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093861/8810.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093129/951.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093129/951.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093012/183.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093034/8773.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093861/2093861-28t.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093861/2093861-29t.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093861/2093861-30t.gif)
блока 4 измерения о времени движения импульса ионов от инжектора до детектора;
магнитометра 5 о векторе магнитной индукции
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093861/2093861-31t.gif)
измерительной аппаратуры 6 о векторе орбитальной скорости КА - VорбQ;
блока 7 памяти основные параметры, определяющие математическую модель предлагаемого способа (Tср, E0, q, c, Vинж). Блок 8 обработки информации определяет VорбQ и вычисляет значение B (из системы уравнений (1), (2), (3)) и через систему ТМ передает информацию на Землю. Для скорейшей реализации натурного эксперимента и подтверждения промышленной применимости и эффективности данного способа при минимальных экономических затратах в качестве блока источника ионов и блока доускорения могут быть использованы прошедшие лабораторные испытания технологический образец инжектора на базе ускорителя с вынесенным полем УВП и технологические образцы научной аппаратуры (НА) "Источник" или НА "Арфа-Э", как источник коротких высоковольтных импульсов напряжения (штабные образцы НА "Источник" и НА "Арфа-Э" в настоящее время успешно функционируют в составе ОС МИР). В качестве векторного магнитомера, аппаратуры измерения вектора орбитальной скорости КА и блока измерения времени движения импульсов сгустка ионов от инжектора до детектора могут быть использованы штатные системы орбитальной станции МИР. Обработка данных о магнитном поле Земли с помощью БЦВМ отработана на станции МИР при выполнении программы геофизических экспериментов "Фокус". Для реализации эксперимента требуется дополнить алгоритмы БЦВМ гибкими циклограммами с данными о магнитном поле Земли и векторе орбитальной скорости станции МИР. Информация в каждой точке орбиты о величинах
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093861/2093861-32t.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093129/950.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093861/2093861-33t.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093029/177.gif)
![способ определения индукции магнитного поля в ионосфере земли и устройство для его осуществления, патент № 2093861](/images/patents/379/2093029/177.gif)
Класс G01V3/00 Разведка или обнаружение с помощью электрических или магнитных средств; измерение характеристик магнитного поля Земли, например магнитного склонения, девиации
Класс G01V3/16 устройства, специально предназначенные для использования вместе с летательным аппаратом
Класс G01V3/40 специально предназначенные для измерения параметров магнитного поля земли