CN101452063A - 地磁场中卫星剩磁矩的测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于地磁场中的卫星剩磁矩的测量系统及测量方法。测量系统由承载待测卫星的转台、探测器支架、探测器、与探测器相连接的磁强计和与磁强计相连接的数据采集系统组成。被测卫星固定于转台上，从0°开始旋转转台，每旋转10°停止，进行数据采集，以此类推直至360°。根据测量数据，用偶极子法计算出卫星感磁矩的X分量和Y分量，用赤道法计算出卫星剩磁矩的X分量和Y分量。然后利用感磁矩同地磁场方向一致的特性，推导出感磁矩的Z分量，最后利用感磁矩的Z分量计算出卫星剩磁矩的Z分量。本发明简单易行，可以在地磁场环境中测量卫星的剩磁矩。

Description

地磁场中卫星剩磁矩的测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及一种卫星剩磁矩的测量系统及测量方法，特别涉及一种用于地磁场中的卫星剩磁矩的测量系统及测量方法。

背景技术

地球周围有磁场，我们称之为地磁场。近地轨道卫星运行在地磁场的环境中。如果卫星上有铁磁物质或者环电流，它们就会受到地磁场的作用。这个作用的长期累积会对卫星姿态产生影响。因此，有必要在卫星发射之前，对卫星的磁性状态进行测量。

由于卫星结构和性能的要求，其结构或部、组件需要采用一些硬磁材料和软磁材料。硬磁材料的磁性为自身特性，不会受到地磁场的影响，而软磁材料会因地磁场的存在而被磁化。目前测量卫星剩磁矩的环境主要有在零磁场环境中测量和在地磁场环境中测量两种。在零磁场环境中测量，可以基本避免地磁场对卫星磁性的影响。但是由于一些特殊原因，某些卫星不能够被运输到航天城磁环境模拟试验室进行零磁场环境中的磁性测量，因此这些卫星的剩磁矩测量不得不在地磁场环境中进行。

在地磁场环境中测量卫星磁矩时，测量结果包含两部分，即卫星的剩磁矩和由于地磁场造成的感磁矩，在数据处理的时候必须将这两部分分离，才能得到卫星姿态控制所需要的卫星剩磁矩的数据。以前，在地磁场环境中测量卫星剩磁矩的方法主要有两种，一种是航天工业总公司509所的翻转测量方法，另一种是航天工业总公司511所的斜置测量方法，由于条件限制和安全因素考虑，这两种方法均不适用于航天五院的卫星。

发明内容

本发明的目的是提供一种既简单又易于实现的在地磁场中测量卫星剩磁矩的测量系统及测量方法，这种测量方法我们称之为地磁取向法。根据测量数据，用偶极子法计算出卫星感磁矩的X分量和Y分量，用赤道法计算出卫星剩磁矩的X分量和Y分量。然后利用感磁矩同地磁场方向一致的特性，推导出感磁矩的Z分量，最后利用感磁矩的Z分量计算出卫星剩磁矩的Z分量。

本发明的目的可由以下技术方案完成：

一种地磁场中测量卫星剩磁矩的测量系统，由可沿垂直轴水平360°旋转的具有刻度的承载待测卫星的转台、对称布置于卫星中心连线两侧的两个探测器支架、分别安装于两个探测器支架上的两组探测器、与探测器相连接的磁强计和与磁强计相连接的数据采集系统组成。探测器将感应到的信号传递给对应的磁强计，磁强计将信号传递给数据采集与数据处理系统进行卫星剩磁矩的计算。

其中，两组探测器对称布置于卫星中心连线的两侧，每组探测器包括三个探测器，以一定的间隔依次一字排列在探测器支架上，三个探测器之间的间隔两两相等。

其中，探测器的中心和卫星的中心高度基本平齐，距离卫星最近的探测器与卫星中心的距离为卫星包络球域半径的1.0～1.5倍，距离卫星次近的探测器与卫星中心的距离为距离卫星最近的探测器与卫星中心距离的1.3～1.4倍。

其中，探测器是三分量磁场探测器。

其中，测量系统还可以对卫星的部、组件的剩磁矩进行测量。

一种地磁场中测量卫星剩磁矩的测量方法，卫星固定于转台上，从0°开始旋转转台，每旋转10°停止，探测器进行数据采集，以此类推直至360°。全部数据采集完毕后，将载有卫星的转台推离试验区10米以外，探测器采集地磁场值。

计算卫星剩磁矩。利用旋转过程的测量数据，用偶极子法计算出卫星感磁矩的X分量M_gx和Y分量M_gy；利用感磁矩同地磁场方向一致的特性，计算出卫星感磁矩的Z分量M_gz，即 $M_{\mathrm{gz}}={(M_{\mathrm{gx}}^2+M_{\mathrm{gy}}^2)}^{1/2}\mathrm{tg\Φ},$ 其中φ为地磁场倾角，φ值通过地磁场值求出，即 $\mathrm{\Φ}=\mathrm{arctg}\left(\frac{B_{\mathrm{ez}}}{\sqrt{B_{\mathrm{ex}}^2+B_{\mathrm{ey}}^2}}\right),$ 其中B_ez为地磁场的Z分量，B_ex为地磁场的X分量，B_ey为地磁场的Y分量；用赤道法计算出卫星剩磁矩的X分量M_sx和Y分量M_sy；利用旋转过程的测量数据，用赤道法计算出卫星Z方向磁矩M_z，从中减去已求出的卫星感磁矩的Z分量，得到卫星剩磁矩的Z分量，即M_sz＝M_z-M_gz；卫星的剩磁矩就是 $M_s={(M_{\mathrm{sx}}^2+M_{\mathrm{sy}}^2+M_{\mathrm{sz}}^2)}^{1/2}.$

其中，测量方法还可以对卫星的部、组件的剩磁矩进行测量和计算。

附图说明

图1为卫星剩磁矩的测量系统示意图；

图2为卫星剩磁矩的测量方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细说明。

参照图1，一种地磁场中测量卫星剩磁矩的测量系统，由可沿垂直轴水平360°旋转的具有刻度的承载待测卫星的转台1、置于卫星2中心连线两侧对称位置的两个探测器支架3、分别安装于两个探测器支架3上的两组三分量磁场探测器4、与探测器相连接的磁强计(图1未示出)和与磁强计相连接的数据采集系统(图1未示出)组成。每组探测器包括三个三分量磁场探测器4，三个三分量磁场探测器4之间的距离两两相等，两组三分量磁场探测器4以卫星中心为轴成对称分布。探测器4的中心和卫星2的中心基本平齐，距离卫星2最近的探测器与卫星中心的距离为卫星包络球域半径的1.0～1.5倍，距离卫星次近的探测器与卫星中心的距离为距离卫星最近的探测器与卫星中心距离的1.3～1.4倍。探测器4与磁强计相连接，磁强计与数据采集系统相连接。探测器将感应到的信号传递给对应的磁强计，磁强计将信号传递给数据采集与数据处理系统进行卫星剩磁矩的计算。

卫星固定于转台上，从0°开始旋转转台，每旋转10°停止，进行数据采集，以此类推直至360°。全部数据采集完毕后，将载有卫星的转台推离试验区10米以外，探测器采集地磁场值。

在地磁场中测量的卫星磁矩包含两部分，即剩磁矩和感磁矩，要得到卫星的剩磁矩则必须将测量结果中的剩磁矩和感磁矩分离。

在测量过程中，卫星剩磁矩的X分量和Y分量随卫星的旋转而旋转，卫星感磁矩的X分量和Y分量在卫星旋转过程中不发生变化。因此，可以利用偶极子方法逐点平均，得到卫星感磁矩的X分量M_gx和Y分量M_gy。

在求出感磁矩的X分量和Y分量后，可以利用感磁矩同地磁场方向一致的特性，计算出卫星感磁矩的Z分量，即

$M_{\mathrm{gz}}={(M_{\mathrm{gx}}^2+M_{\mathrm{gy}}^2)}^{1/2}\mathrm{tg\Φ}$

其中φ为地磁场倾角，φ值通过地磁场值求出，即

$\mathrm{\Φ}=\mathrm{arctg}\left(\frac{B_{\mathrm{ez}}}{\sqrt{B_{\mathrm{ex}}^2+B_{\mathrm{ey}}^2}}\right)$

其中B_ez为地磁场的Z分量，B_ex为地磁场的X分量，B_ey为地磁场的Y分量。

接下来利用旋转过程的测量数据，用赤道法计算出卫星剩磁矩的X分量M_sx和Y分量M_sy；用赤道法计算出卫星Z方向磁矩M_z，从中减去已求出的卫星感磁矩的Z分量，得到卫星剩磁矩的Z分量，即M_sz＝M_z-M_gz；卫星的剩磁矩合量为 $M_s={(M_{\mathrm{sx}}^2+M_{\mathrm{sy}}^2+M_{\mathrm{sz}}^2)}^{1/2}.$

本发明的测量系统和测量方法还可以应用到卫星的部、组件的剩磁矩测量上。

尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1、一种地磁场中测量卫星剩磁矩的测量系统，由可沿垂直轴水平360°旋转的具有刻度的承载被测卫星的转台(1)、对称布置于卫星(2)中心连线两侧的两个探测器支架(3)、分别固定于两个探测器支架(3)上的两组探测器(4)、与探测器(4)相连接的磁强计和与磁强计相连接的数据采集与数据处理系统组成，其特征在于，探测器(4)将感应到的信号传递给对应的磁强计，磁强计将信号传递给数据采集与数据处理系统进行卫星剩磁矩的计算。

2、如权利要求1所述的测量系统，其特征在于，两组探测器(4)对称布置于卫星(2)中心连线的两侧，每组包括三个探测器(4)，以一定的间隔依次一字排列在探测器支架(3)上，三个探测器(4)之间的间隔两两相等。

3、如权利要求2所述的测量系统，其特征在于，探测器(4)的中心和卫星(2)的中心高度基本平齐，距离卫星最近的探测器(4)与卫星中心的距离为卫星包络球域半径的1.0～1.5倍，距离卫星次近的探测器与卫星中心的距离为距离卫星最近的探测器与卫星中心距离的1.3～1.4倍。

4、如权利要求1～3中任意一项所述的测量系统，其特征在于，探测器(4)是三分量磁场探测器。

5、如权利要求1～3中任意一项所述的测量系统，其特征在于，所述测量系统还可以对卫星的部、组件的剩磁矩进行测量。

6、一种应用权利要求1-4任一项的系统来测量地磁场中卫星剩磁矩的测量方法，其特征在于，测量方法包括以下步骤：

卫星固定于转台上，从0°开始旋转转台(1)，每旋转10°停止，探测器(4)进行数据采集，以此类推直至360°；

将载有卫星的转台推离试验区10米以外，探测器(4)采集地磁场值；

计算卫星感磁矩的X、Y、Z分量：利用旋转过程的测量数据及感磁矩方向在旋转测量过程中方向不变的特点，用偶极子法计算出卫星感磁矩的X分量M_gx和Y分量M_gy；利用公式 $M_{\mathrm{gz}}={(M_{\mathrm{gx}}^2+M_{\mathrm{gy}}^2)}^{1/2}\mathrm{tg\Φ}$ 计算出卫星感磁矩的Z分量M_gz，其中φ为地磁场倾角；

计算卫星剩磁矩的X、Y、Z分量：利用旋转过程的测量数据及剩磁矩的X、Y分量在旋转测量过程中方向随卫星旋转而旋转的特点，用赤道法计算出卫星剩磁矩的X分量M_sx和Y分量M_sy；用赤道法计算出卫星Z方向磁矩M_z，利用公式M_sz＝M_z-M_gz得到卫星剩磁矩的Z分量M_sz；

计算卫星剩磁矩合量：利用公式 $M_s={(M_{\mathrm{sx}}^2+M_{\mathrm{sy}}^2+M_{\mathrm{sz}}^2)}^{1/2}$ 计算卫星剩磁矩M_s。

7、如权利要求6所述的测量方法，其特征在于，所述测量方法还可以对卫星的部、组件的剩磁矩进行测量和计算。

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