GB/T 44001-2024 空间环境 地磁场参考模型

ICS49020

CCSV.06

中华人民共和国国家标准

GB/T44001—2024

空间环境地磁场参考模型

Spaceenvironment—Geomagneticreferencemodels

ISO166952014Saceenvironmentnaturalandartificial—

[:,p()

GeomaneticreferencemodelsMOD

g,]

2024-04-25发布2024-04-25实施

国家市场监督管理总局发布

国家标准化管理委员会

GB/T44001—2024

目次

前言

…………………………Ⅲ

引言

…………………………Ⅳ

范围

1………………………1

规范性引用文件

2…………………………1

术语和定义

3………………1

参考系

4……………………1

概述

4.1…………………1

地心参考系

4.2…………………………2

大地参考系

4.3…………………………2

大地坐标到地心坐标的变换

4.4………………………3

地磁矢量规范

5……………3

概述

5.1…………………3

地心参考系中的地磁要素

5.2…………3

大地参考系中的地磁要素

5.3…………4

地磁矢量分量从地心坐标系到大地坐标系的变换

5.4………………5

地磁场参考模型规范

6……………………6

地磁势

6.1………………6

地磁场参考球面半径

6.2………………7

子模型的年代

6.3………………………7

子模型的有效性

6.4……………………7

高斯系数随时间的变化

6.5……………7

地心坐标系中地磁矢量分量的计算

6.6………………8

空间波长

6.7……………9

两个模型之间的均方根差

6.8…………9

地磁场参考模型使用方法

7………………9

计算地球表面附近的参考地磁要素

7.1………………9

计算近地空间的参考地磁矢量

7.2……………………10

计算磁层中的参考地磁矢量

7.3………………………10

附录资料性本文件与技术差异及其原因

A()ISO16695:2014……11

附录资料性可用的地磁场参考模型

B()………………12

参考文献

……………………17

Ⅰ

GB/T44001—2024

前言

本文件按照标准化工作导则第部分标准化文件的结构和起草规则的规

GB/T1.1—2020《1:》

定起草

。

本文件修改采用空间环境自然和人工地磁场参考模型

ISO16695:2014《()》。

本文件与相比做了下述结构调整

ISO16695:2014:

增加了规范性引用文件和术语和定义两章

———“”“”;

附录对应的附录

———BISO16695:2014A。

本文件与相比存在较多技术差异在所涉及的条款的外侧页边空白位置用垂直

ISO16695:2014,,

单线进行了标示这些技术差异及其原因一览表见附录

(|)。A。

本文件做了下列编辑性改动

:

将标准名称改为空间环境地磁场参考模型为与我国技术标准体系保持一致

———《》,;

将图的部分图注重新进行了标注将图中所有出现的字母和符号在正文

———1,(ISO16695:2014

中的部分符号定义都注明在图注中为与我国技术标准体系保持一致见图

),(1);

将地磁分量X'Y'和Z'的单位矢量分别指向φ'λ和r方向的表述进行了修改其中X

———“,,-”,'

分量指向φ向见

-'(5.2);

将公式的表述进行了修改这里是关于磁场Z分量时间导数的坐标变换在公式中各磁

———(24),,

场分量上部加入符号代表时间导数见公式

“.”()[(24)];

增加了中的示例见

———6.3(6.3);

mmmm

将公式公式公式中的外源场球谐系数gn和hn分别替换为jn和kn以便

———(26)、(32)~(42),

同内源场球谐系数进行区分见公式公式公式

[(26)、(32)~(42)];

根据用户需求在附录中更新了模型网址并增加了外源场模型

———,B,;

调整了参考文献根据增加内容加入了

———,[6]~[9]。

请注意本文件的某些内容可能涉及专利本文件的发布机构不承担识别专利的责任

。。

本文件由中国科学院提出

。

本文件由全国宇航技术及其应用标准化技术委员会归口

(SAC/TC425)。

本文件起草单位中国地震局地球物理研究所北京卫星环境工程研究所中国科学院国家空间科

:、、

学中心中国航天标准化研究所

、。

本文件主要起草人焦立果沈自才王馨悦赵军浩李昌宏钟秋珍

:、、、、、。

Ⅲ

GB/T44001—2024

引言

几个世纪以来地磁场参考模型作为位置和时间的函数用来描述地磁矢量场包含方向和强度

,()。

这些模型广泛应用于高层大气电离层和磁层的研究以及描述近地空间环境进而为航天器和地基系

、,;

统导航航线及姿态确定和子系统控制提供了必要的参考

、。

地磁场在这些模型中由标量地磁势的球谐展开来表示这种表示方法是由高斯年

。(Gauss)(1777—

年提出的此后一直被用来描述地磁场地磁场展开的球谐系数通常被称为高斯系数年国

1855),。。1969,

际地磁和高空物理协会提出了国际地磁场参考模型它采用高斯系数表示来描述地磁

(IAGA)(IGRF),

场本文件反映了这些模型的既定规范包括公式和计算程序

。,。

观测地磁场来自于地球内部和外部源所有这些源都影响科学或导航仪器但其中只有一部分在

。,

地磁场参考模型中得到体现目前地磁场中最主要的成分占比约来自于地球液态外核中的铁

。,(95%)

水流动所产生的磁场称为地核场主磁场地核场每年都有明显的变化使用高斯系数的线性外推可

,/。,

推测未来的地球磁场国际地磁场参考模型指定了起始日期年代的高斯系数并提供了一组未来

。(),

五年的长期变化系数由于地核场不可预测的非线性变化预测地磁场参考模型仅在特定时期内

(SV)。,

有效用户随后需更新到新版本

,。

其他源也会对地磁场带来影响地壳和上地幔中的磁性矿物产生了岩石圈磁异常在局部可能非常

:,

显著导电海水在背景磁场下流动切割磁力线所产生的电流对观测磁场也有一些弱贡献上层大气和

;,;

近地空间的时变电流产生外部磁场而外部磁场不会随时间平均而变为零其贡献可由使用线性时变高

,,

斯系数的外源场模型来计算时变外部磁场进一步在地球和海洋中诱发感应电流产生次级感应磁场

;,。

关于如何分离各种不同的内部源和外部源没有普遍共识因此由地磁场参考模型的制定者来指定哪些

,

内部和外部源包括在他们的模型中以及对模型中外源场的径向适用范围提出限制

,。

Ⅳ

GB/T44001—2024

空间环境地磁场参考模型

1范围

本文件规定了地磁场参考模型建模要求描述了任意位置和时间的地磁场参考模型包含各种内源

,(

场和外源场依模型制定者而定的计算方法

,)。

本文件适用于空间环境军事国防大地构造和自然灾害等各领域的应用

、、。

2规范性引用文件

下列文件中的内容通过文中规范性引用而构成本文件必不可少的条款其中注日期的引用文

。,

件仅该日期对应的版本适用于本文件不注日期的引用文件其最新版本包括所有的修改单适用于

,;,()

本文件

。

地理信息空间参考坐标

ISO19111(Geographicinformation—Referencingbycoordinates)

注地理信息基于坐标的空间参照

:GB/T30170—2013(ISO19111:2007,IDT)

空间系统空间环境自然和人工地球磁层磁场模型

ISO22009()[Spaceenvironment(natural

andartificial)—ModeloftheEarth’smagnetosphericmagneticfield]

3术语和定义

和界定的以及下列术语和定义适用于本文件

ISO19111ISO22009。

31

.

地磁势geomagneticpotential

描述地磁场能量做功属性的一种参量

/。

注地球周围某点地磁势的大小等于将一个假想的磁单极子极从无穷远处地磁势为零移到该处地磁场所做

:(N)()

之功的负值根据地磁势计算任一点地磁场值

。。

32

.

高斯系数Gausscoefficients

以球谐级数展开形式来描述场分布函数的地磁场模型的系数

。

33

.

地磁要素geomagneticelements

描述地磁场矢量的要素

。

注包括北向分量X东向分量Y垂向分量Z总强度F磁倾角I磁偏角D和水平强度H共个

:、、、、、7。

34

.

子模型sub-model

构成地磁场参考模型的一系列不同年代的模型

。

4参考系

41概述

.

对于远离地球的位置通常使用地心球球极坐标系并将磁场矢量分解为基于该地心坐标系的分

,/,

1

GB/T44001—2024

量对于地球表面及其附近的位置通常使用基于标准世界大地测量系统近似地球表面的旋

。,(WGS84)

转椭球体的大地坐标系并在此大地测量参考系的基础上将磁场矢量分解为各分量

,。

大地坐标系中的Z轴垂直于椭球体的表面由局部重力异常引起的垂直偏差由用户负

WGS84。

责本文件不包括这些偏差见地心坐标和大地坐标如图所示图是通过经度λ处的点P

,(7.1)。1。1

的轴向横截面点P在地心坐标中由其地心距r和地心纬度'表示而在大地坐标中则由高度h和大

。φ,

地纬度表示

φ。

标引序号说明

:

O地心坐标系和大地坐标系的共同坐标原点

———;

P地外空间任一点坐标位置

———;

r点P在地心球极坐标中的地心距单位为米

———,(m);

φ'地心纬度即线段OP在赤道XY平面上的入射角单位为弧度

———,,(rad);

ρ过点P的轴向圆柱体东西方向的曲率半径单位为米

———,(m);

z点P在大地直角坐标系中的垂向分量单位为米

———,(m);

A参考椭球半长轴单位为米

———WGS84,(m);

椭球扁率无量纲

f———,;

Af椭球半短轴单位为米

(1-)———,(m);

h点P在参考椭球体上方的高度单位为米

———WGS84,(m);

φ大地纬度即大地法线在XY平面上的入射角单位为弧度

———,,(rad);

ρ点P在大地纬度φ处法向截面的曲率半径单位为米

c———,(m)。

图1地心坐标系和大地坐标系

42地心参考系

.

地心直角坐标中点的位置由大地直角坐标中使用的坐标xyz给出应符合要求但

(,,),ISO19111(

请注意它使用的是大写的XY和Z同样可指定为地心球极坐标λ'r或大地坐标λr

,,)。(,φ,),(,φ,)。

其中带变量为地心术语

,“'”。

43大地参考系

.

大地坐标系基于参考椭球即一个半长轴为A在赤道平面内扁率为f的旋转椭球体

WGS84,()、

见图具体见公式公式

(1)。(1)~(3)。

A=

6378137m…………(1)

2

GB/T44001—2024

f=1

.…………(2)

298257

e2=f-f

(2)…………(3)

式中

:

e第一离心率无量纲

———(),。

大地坐标中点的位置由λφh给出大地经度和地心经度相同点的位置也可由参考

(,,)。。WGS84

系中的直角坐标xz指定其中Z轴正方向和X轴正方向分别指向赤道平面上的半短轴和本初子

(,y,),

午线λ的方向这与地心直角坐标系相同对于参考椭球体定义曲率半径ρ按公

(=0),。WGS84,(c)

式计算

(4)。

A

=

ρc…………()

-e22φ4

1sin

44大地坐标到地心坐标的变换

.

由于λ在两个坐标系中是相同的将大地坐标λh转换为地心坐标λ'r其中'r由

,(,φ,)(,φ,),(φ,)

φh根据公式公式计算

(,)(5)~(10)。

x=ρ+hφλ

(c)coscos…………(5)

y=ρ+hφλ

(c)cossin…………(6)

z=ρ-e2+hφ

[c(1)]sin…………(7)

ρ=x2+y2=ρ+hφ

()(c)cos…………(8)

r=ρ2+z2

…………(9)

z

φ'=

arcsinr…………(10)

5地磁矢量规范

51概述

.

当由高斯系数解算地磁场时输出场是在地心坐标系中给出但实际应用时通常需要在大地坐标系

,,

中给出本章规定并关联了地心坐标系和大地坐标系中的磁场

。。

52地心参考系中的地磁要素

.

在已知场点Pλ'r处地磁场矢量B