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Theses Year : 2019

ASM experimental vector measurements of the SWARM mission : from commissioning to the production of geomagnetic field models

Mesures vectorielles expérimentales des instruments ASM de la mission SWARM, : du commissioning à la production de modèles de champs géomagnétiques

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Abstract

The three satellites of the European Space Agency (ESA) SWARM mission were launched on 22 November 2013, with the central goal of investigating the Earth’s magnetic field. The main payload on each satellite consists of a relative vector magnetometer (VFM) close to a set of star cameras (STR) placed on a boom, at the very tip of which sits an absolute magnetometer (ASM). The nominal role of this ASM is to provide absolute scalar measurements of the field, for both scientific investigations and calibration of the data provided by the VFM, the attitude of which is reconstructed using the information provided by the STR. However, and thanks to an innovative design by CEA-Léti, the ASM instrument has the ability to also simultaneously provide self-calibrated vector measurements of the magnetic field. This instrument having been funded by CNES as a customer furnished instrument to ESA, the possibility was provided to test its vector capacity for the first time in operational mode in space. By taking advantage of the simultaneous availability of nominal vector data and experimental vector data provided by the ASM instruments, the quality and usefulness of the latter could successfully be tested. The present manuscript provides an account of all the work carried out along those lines, reporting on the « commissioning » type of activities that confirmed the validity of the operating principle of this experimental vector mode, as well as on the progressive demonstration of the scientific value of the data provided, most notably for the purpose of building high quality global geomagnetic field models. This work also provided the opportunity to identify the conditions best suited for operating the vector mode of the ASM instrument (as well as the perturbations potentially affecting the data), to improve the self- calibration strategy of the vector data, and even to contribute to the characterisation and remediation of problems affecting the mission as a whole (including nominal data). Many lessons could be drawn for this work, which CEA-Léti could take advantage of to design an improved miniaturized version of the ASM instrument, now proposed as the main payload for a new NanoMagSat nanosatellite constellation project, (jointly proposed by IPGP, CEA-Léti, the Open Cosmos company, and the University of Oslo in response to the recent ESA « Scout » ITT) for the purpose of complementing and next take over the Swarm mission.
Les trois satellites de la mission SWARM de l’agence spatiale européenne (ESA), lancés le 22 Novembre 2013, ont pour objectif central de mesurer le champ magnétique terrestre. Sur chaque satellite, la charge utile principale (dédiée à la magnétométrie) comporte un magnétomètre relatif (VFM) solidaire de caméras stellaires (STR) placé sur un bras, à l’extrémité duquel se trouve également un magnétomètre absolu (ASM). Le rôle nominal de l’ASM est de fournir une mesure scalaire absolue du champ, utilisée à la fois pour les besoins scientifiques de la mission et pour permettre la calibration des données fournies par le VFM, dont l’attitude est restituée grâce aux données fournies par les STR. En utilisant un concept innovant mis au point par le CEA-Léti, l’ASM a cependant aussi la capacité de fournir seul et simultanément une mesure vectorielle auto- calibrée du champ magnétique. La fourniture de cet instrument à l’ESA par le CNES a permis de tester ce mode pour la première fois de manière opérationnelle dans l’espace. En tirant parti de la disponibilité simultanée des données vectorielles nominales de la mission et des données expérimentales fournies par les ASM, il a été possible de tester avec succès la qualité et le potentiel scientifique de ces dernières. Cette thèse rapporte les travaux menés dans ce sens, depuis les travaux initiaux (de type « commissioning ») ayant permis de valider dans l’espace le principe même de cette mesure vectorielle expérimentale, jusqu’à la démonstration progressive de l’intérêt scientifique de telles données, pour notamment la construction de modèles géomagnétiques globaux de très bonne qualité. Ces travaux ont aussi été l’occasion d’identifier les conditions optimales de fonctionnement vectoriel de l’instrument ASM (et les perturbations pouvant affecter les données), d’améliorer la stratégie d’auto-calibration des données, et même de contribuer à la caractérisation et à la remédiation de problèmes affectant l’ensemble de la mission (y compris les données nominales). De nombreuses leçons ont été tirées de ces travaux et mises à profit par le CEA-Léti, qui travaille aujourd’hui à la conception d’une version miniaturisée de l’instrument ASM, désormais proposé comme charge utile principale sur un nouveau projet de constellation de nanosatellites, le projet NanoMagSat (déposé conjointement à l’appel d’offre « Scout » de l’ESA, par l’IPGP, le CEA-Léti, la Société Open Cosmos, et l’Université d’Oslo) pour compléter et prendre la suite de la mission Swarm.
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Dates and versions

tel-03139970 , version 1 (12-02-2021)

Identifiers

  • HAL Id : tel-03139970 , version 1

Cite

Pierre Vigneron. Mesures vectorielles expérimentales des instruments ASM de la mission SWARM, : du commissioning à la production de modèles de champs géomagnétiques. Sciences de la Terre. Université Paris Cité, 2019. Français. ⟨NNT : 2019UNIP7162⟩. ⟨tel-03139970⟩
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