CN104210677A - 一种用于磁控小卫星的磁强计补偿因子的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种用于磁控小卫星的磁强计补偿因子的确定方法，包括步骤如下：整星放置在零磁试验室，调整卫星本体坐标系与试验室磁场坐标系三轴指向一致，利用磁强计测量得到在剩磁场环境下的整星剩磁场值；在零磁试验室中模拟真实的地磁场，通过线圈通电流的方法产生可控磁场，在卫星的三轴方向别加载模拟的地磁场强度值，并利用磁强计测量得到该模拟地磁场环境下的整星的磁感应强度；确定磁强计补偿因子。本发明最大的创新点在于解决了磁控小卫星的磁场测量精度问题，该问题的解决是该类需要磁强计的测量值以定姿的小卫星能够圆满完成航天任务的必要前提，具有非常关键的工程实际意义。

Description

一种用于磁控小卫星的磁强计补偿因子的确定方法

技术领域

本发明涉及一种用于磁控小卫星的磁强计补偿因子的确定方法，属于空间环境试验测试技术领域。

背景技术

利用空间磁场环境控制卫星的姿态的技术，由于节省能源燃料、减轻卫星质量，降低发射成本而受到微小卫星平台的青睐。地磁场采用国际参考地磁场模型(IGRF)来描述，地磁场的强度和矢量是位置的函数，当确定了卫星的轨道，就可以求得地磁场矢量在轨道坐标系的分量(可记为B_O).而磁强计的测量值是地磁场矢量在卫星本体的坐标系的分量(可记为B_b)，理论上两者的关系应为：

B_b＝C_boB_O

式中C_bo是卫星姿态方向余弦矩阵，这样就可以在磁强计测量值与卫星姿态运动学方程之间建立数学关系，再利用滤波算法即可得到卫星姿态角。

同时，卫星由于结构和性能的需要总要使用一些永磁材料和感磁材料，因此总会有一定的剩磁矩，卫星上仪器内和仪器之间连线中的电流也会产生磁矩。剩磁特性，可近似认为不随外界磁场变化而变，相当于有一个固定不变的磁矩，该剩磁可通过添加相反的硬磁性材料方式对剩磁进行补偿。感磁特性，是随外界磁场变化而变化的磁场，磁性的方向、大小都与外界磁场有关。

对于只能使用磁强计的数据进行定姿的一类磁控小卫星，磁强计的测量值是地磁场矢量在卫星本体的坐标系的分量，在磁强计探测器位置处的航天器固有磁场必须很低和稳定，以便估计仪器的探测精度，否则被测量的弱小值以及在时间和空间上的变化，会被航天器本身的磁场所淹没。因此，在该类卫星的磁试验中，必须要解决在轨运行中整星剩磁矩、动态磁矩对磁强计测量数据的磁噪声干扰问题；以及磁感应器件的测量精度问题。所以现在急需一种在卫星轨道运行中对磁强计测量结果进行补偿从而获得能够对真实磁场情况进行描述的方法。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种用于磁控小卫星的磁强计补偿因子的确定方法，通过地面模拟地磁场试验得到在卫星轨道运行中磁强计测量结果的补偿，从而能够实现空间环境地磁场环境的真实描述。

本发明的技术解决方案是：

一种用于磁控小卫星的磁强计补偿因子的确定方法包括步骤如下：

(1)整星放置在零磁试验室，调整卫星本体坐标系与试验室磁场坐标系三轴指向一致，利用磁强计测量得到在剩磁场环境下的整星剩磁场值B_x0、B_y0、B_z0；

(2)在零磁试验室中模拟真实的地磁场，通过线圈通电流的方法产生可控磁场，在卫星的三轴方向X、Y、Z分别加载模拟的地磁场强度值B_mx、B_my、B_mz，并利用磁强计测量得到该模拟地磁场环境下的整星的磁感应强度B_xc、B_yc、B_zc；

(3)确定磁强计补偿因子；

磁强计补偿因子K的计算公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{B}_{\mathrm{xc}}-B_{x0}=K_{\mathrm{xx}}\·B_{\mathrm{mx}}+K_{\mathrm{yx}}\·B_{\mathrm{my}}+K_{\mathrm{zx}}\·B_{\mathrm{mz}}\\ B_{\mathrm{yc}}-B_{y0}=K_{\mathrm{xy}}\·B_{\mathrm{mx}}+K_{\mathrm{yy}}\·B_{\mathrm{my}}+K_{\mathrm{zy}}\·B_{\mathrm{mz}}\\ B_{\mathrm{zc}}-B_{z0}=K_{\mathrm{xz}}\·B_{\mathrm{mx}}+K_{\mathrm{yz}}\·B_{\mathrm{my}}+K_{\mathrm{zz}}\·B_{\mathrm{mz}}\end{array}\right.$

$K=\frac{B_C-B_0}{B_M}$

其中， $K=\left[\begin{array}{c}{K}_{\mathrm{xx}},K_{\mathrm{yx}},K_{\mathrm{zx}}\\ K_{\mathrm{xy}},K_{\mathrm{yy}},K_{\mathrm{zy}}\\ K_{\mathrm{xz}},K_{\mathrm{yz}},K_{\mathrm{zz}}\end{array}\right],B_0=\left[\begin{array}{c}{B}_{x0}\\ B_{y0}\\ B_{z0}\end{array}\right],B_C=\left[\begin{array}{c}{B}_{\mathrm{xc}}\\ B_{\mathrm{yc}}\\ B_{\mathrm{zc}}\end{array}\right],B_m=\left[\begin{array}{c}{B}_{\mathrm{mx}}\\ B_{\mathrm{my}}\\ B_{\mathrm{mz}}\end{array}\right].$

所述步骤(1)中测量得到整星剩磁场值B_x0、B_y0、B_z0的具体方式如下：

(1a)将整星置于零磁场环境；

(1b)将卫星本体坐标系的三个坐标轴与零磁场环境的三个坐标轴对应；

(1c)对整星加电，利用磁强计测量出卫星不同的在轨工作模式下的整星剩磁场值B_x0、B_y0、B_z0，同时将测量得到多组剩磁场值B_x0、B_y0、B_z0进行求平均计算，得到一组整星剩磁场平均值，测量得到的多组剩磁场值B_x0、B_y0、B_z0与平均值误差在一定范围内的剩磁场值B_x0、B_y0、B_z0即可作为最终的整星剩磁场值B_x0、B_y0、B_z0。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明最大的创新点在于解决了磁控小卫星的磁场测量精度问题，该问题的解决是该类需要磁强计的测量值以定姿的小卫星能够圆满完成航天任务的必要前提，具有非常关键的工程实际意义。

(2)本发明通过模拟实验计算得到了磁强计测量结果的补偿因子，解决了在轨运行中整星剩磁矩、动态磁矩对磁强计测量数据的磁噪声干扰问题；以及磁感应器件的测量精度问题，本发明简单可行，易于实现，尤其对于空间复杂环境来说，越简单的方法，运行的可靠性越高。

(3)在目前现有的地磁场环境的模拟中，是通过加载一个三轴叠加的电磁场，而本发明在零磁环境中模拟真实的地磁场，在磁强计的三轴分别加载模拟的地磁场强度值，并利用磁强计分别测量得到该模拟地磁场环境下的整星的三轴磁感应强度，这是本发明的一大亮点，能够准确分析三轴电磁场的强度值，进而能够分析三轴补偿因子，分析更加准确，大大提高了工作效率。

附图说明

图1为本发明方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。

如图1所示，本发明一种用于磁控小卫星的磁强计补偿因子的确定方法，包括步骤如下：

(1)整星放置在零磁试验室，调整卫星本体坐标系与试验室磁场坐标系三轴指向一致，利用磁强计测量得到在剩磁场环境下的整星剩磁场值B_x0、B_y0、B_z0；

测量得到整星剩磁场值B_x0、B_y0、B_z0的具体方式如下：

(1a)将整星置于零磁场环境；

(1b)将卫星本体坐标系的三个坐标轴与零磁场环境的三个坐标轴对应；

(1c)对整星加电，利用磁强计测量出卫星不同的在轨工作模式下的整星剩磁场值B_x0、B_y0、B_z0，同时将测量得到多组剩磁场值B_x0、B_y0、B_z0进行求平均计算，得到一组整星剩磁场平均值，测量得到的多组剩磁场值B_x0、B_y0、B_z0与平均值误差在一定范围内的剩磁场值B_x0、B_y0、B_z0即可作为最终的整星剩磁场值B_x0、B_y0、B_z0。

(2)在零磁试验室中模拟真实的地磁场，通过线圈通电流的方法产生可控磁场，在卫星的三轴方向X、Y、Z分别加载模拟的地磁场强度值B_mx、B_my、B_mz，并利用磁强计测量得到该模拟地磁场环境下的整星的磁感应强度B_xc、B_yc、B_zc；

例如：模拟地磁场环境的具体输出如下：

(2a)模拟地磁场，使得磁场Y、Z轴输出磁场为零，在磁强计的X轴分别加0、-10000、-20000、-30000、-40000nT；在星上各部件处于正常工作状态时利用磁强计进行测量，得到B_xc、B_yc、B_zc如表1所示：

表1 X轴磁场数据

从表1中可以看出 $B_{\mathrm{xc}}=\left(\begin{array}{c}-18.1\\ -9903.6\\ -19813.5\\ -29730.9\\ -39619.2\end{array}\right);B_{\mathrm{yc}}=\left(\begin{array}{c}297.2\\ 348.1\\ 367.4\\ 414.0\\ 414.0\end{array}\right);B_{\mathrm{zc}}=\left(\begin{array}{c}98.1\\ 129.5\\ 131.4\\ 177.7\\ 188.1\end{array}\right)$

(2b)模拟地磁场，使得磁场X、Z轴输出磁场为零，在磁强计的Y轴分别加0、-20000、-10000、10000、20000nT；在星上各部件处于正常工作状态时利用磁强计进行测量，得到B_xc、B_yc、B_zc如表2所示：

表2 Y轴磁场数据

从表2中可以看出 $B_{\mathrm{xc}}=\left(\begin{array}{c}-12.1\\ -13.0\\ -16.0\\ -16.0\\ -16.0\end{array}\right);B_{\mathrm{yc}}=\left(\begin{array}{c}-19564.5\\ -9633.6\\ 297.2\\ 10229.4\\ 20158.9\end{array}\right);B_{\mathrm{zc}}=\left(\begin{array}{c}-41.6\\ 43.3\\ 128.2\\ 188.1\\ 247.9\end{array}\right)$

(2c)模拟地磁场，使得磁场X、Y轴输出磁场为零，在Z轴分别加0、10000、20000、30000、40000nT；在星上各部件处于正常工作状态时利用磁强计进行测量，得到B_xc、B_yc、B_zc如表3所示：

表3 Z轴磁场数据

从表1中可以看出 $B_{\mathrm{xc}}=\left(\begin{array}{c}-17.9\\ -18.6\\ -18.6\\ -22.5\\ -31.6\end{array}\right);B_{\mathrm{yc}}=\left(\begin{array}{c}331.0\\ 414.0\\ 472.5\\ 569.5\\ 647.7\end{array}\right);B_{\mathrm{zc}}=\left(\begin{array}{c}127.6\\ 10054.2\\ 20040.0\\ 29995.9\\ 39878.3\end{array}\right)$

(3)确定磁强计补偿因子；

磁场是一个矢量叠加场，要完全描述它需要3个完全独立的坐标，同时，对于测量元件磁强计的测量结果也表示为直角坐标系中X、Y、Z三个方向的场的相互叠加量。因此，在有剩磁矩的环境下，磁强计的零位会发生变化，但是由于剩磁矩不随环境磁场变化而变化，因此确定了该磁强计补偿因子算法。

另外，在有感磁的环境下，感应磁矩是随环境磁场变化而变化的，并且其变化与环境磁场大小或正负、方向有关，感应磁场对磁强计测量的关系表示为下式中矩阵K和模拟地磁场强度值B_mx、B_my、B_mz。其中，矩阵K的物理意义在于K_xx为整星X轴的感磁引起的磁强计X方向的自感应系数，K_yx为整星Y轴的感磁引起的磁强计X方向的自感应系数、K_zx整星Z轴的感磁引起的磁强计X方向的自感应系数(包含了磁强计产品在整星的安装误差、产品自身的不平行度影响)；K_xy、K_yy、K_zy、K_xz、K_yz、K_zz的物理意义以此类推。

磁强计补偿因子K的计算公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{B}_{\mathrm{xc}}-B_{x0}=K_{\mathrm{xx}}\·B_{\mathrm{mx}}+K_{\mathrm{yx}}\·B_{\mathrm{my}}+K_{\mathrm{zx}}\·B_{\mathrm{mz}}\\ B_{\mathrm{yc}}-B_{y0}=K_{\mathrm{xy}}\·B_{\mathrm{mx}}+K_{\mathrm{yy}}\·B_{\mathrm{my}}+K_{\mathrm{zy}}\·B_{\mathrm{mz}}\\ B_{\mathrm{zc}}-B_{z0}=K_{\mathrm{xz}}\·B_{\mathrm{mx}}+K_{\mathrm{yz}}\·B_{\mathrm{my}}+K_{\mathrm{zz}}\·B_{\mathrm{mz}}\end{array}\right.$

$K=\frac{B_C-B_0}{B_M}$

其中， $K=\left[\begin{array}{c}{K}_{\mathrm{xx}},K_{\mathrm{yx}},K_{\mathrm{zx}}\\ K_{\mathrm{xy}},K_{\mathrm{yy}},K_{\mathrm{zy}}\\ K_{\mathrm{xz}},K_{\mathrm{yz}},K_{\mathrm{zz}}\end{array}\right],B_0=\left[\begin{array}{c}{B}_{x0}\\ B_{y0}\\ B_{z0}\end{array}\right],B_C=\left[\begin{array}{c}{B}_{\mathrm{xc}}\\ B_{\mathrm{yc}}\\ B_{\mathrm{zc}}\end{array}\right],B_m=\left[\begin{array}{c}{B}_{\mathrm{mx}}\\ B_{\mathrm{my}}\\ B_{\mathrm{mz}}\end{array}\right].$

例如，本发明已经成功应用在相应的型号上，以下面一组具体数例进行说明：表4为磁强计补偿因子K的值：

表4 K阵系数

利用磁强计补偿因子K补偿磁强计后对于模拟磁场的测量结果：

表5 模拟磁场的测量结果

可以明显看出，三方向加任意磁场，修正前磁场测量最大误差为712nT，修正后三轴最大误差不超过83.1nT，补偿效果明显，达到了工程预期试验目的。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (2)

1.一种用于磁控小卫星的磁强计补偿因子的确定方法，其特征在于步骤如下：

(1)整星放置在零磁试验室，调整卫星本体坐标系与试验室磁场坐标系三轴指向一致，利用磁强计测量得到在剩磁场环境下的整星剩磁场值B_x0、B_y0、B_z0；

(2)在零磁试验室中模拟真实的地磁场，通过线圈通电流的方法产生可控磁场，在卫星的三轴方向X、Y、Z分别加载模拟的地磁场强度值B_mx、B_my、B_mz，并利用磁强计测量得到该模拟地磁场环境下的整星的磁感应强度B_xc、B_yc、B_zc；

(3)确定磁强计补偿因子；

磁强计补偿因子K的计算公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{B}_{\mathrm{xc}}-B_{x0}=K_{\mathrm{xx}}\·B_{\mathrm{mx}}+K_{\mathrm{yx}}\·B_{\mathrm{my}}+K_{\mathrm{zx}}\·B_{\mathrm{mz}}\\ B_{\mathrm{yc}}-B_{y0}=K_{\mathrm{xy}}\·B_{\mathrm{mx}}+K_{\mathrm{yy}}\·B_{\mathrm{my}}+K_{\mathrm{zy}}\·B_{\mathrm{mz}}\\ B_{\mathrm{zc}}-B_{z0}=K_{\mathrm{xz}}\·B_{\mathrm{mx}}+K_{\mathrm{yz}}\·B_{\mathrm{my}}+K_{\mathrm{zz}}\·B_{\mathrm{mz}}\end{array}\right.$

$K=\frac{B_C-B_0}{B_M}$

其中， $K=\left[\begin{array}{c}{K}_{\mathrm{xx}},K_{\mathrm{yx}},K_{\mathrm{zx}}\\ K_{\mathrm{xy}},K_{\mathrm{yy}},K_{\mathrm{zy}}\\ K_{\mathrm{xz}},K_{\mathrm{yz}},K_{\mathrm{zz}}\end{array}\right],B_0=\left[\begin{array}{c}{B}_{x0}\\ B_{y0}\\ B_{z0}\end{array}\right],B_C=\left[\begin{array}{c}{B}_{\mathrm{xc}}\\ B_{\mathrm{yc}}\\ B_{\mathrm{zc}}\end{array}\right],B_m=\left[\begin{array}{c}{B}_{\mathrm{mx}}\\ B_{\mathrm{my}}\\ B_{\mathrm{mz}}\end{array}\right].$

2.根据权利要求1所述的一种用于磁控小卫星的磁强计补偿因子的确定方法，其特征在于在：所述步骤(1)中测量得到整星剩磁场值B_x0、B_y0、B_z0的具体方式如下：

(1a)将整星置于零磁场环境；

(1b)将卫星本体坐标系的三个坐标轴与零磁场环境的三个坐标轴对应；

(1c)对整星加电，利用磁强计测量出卫星不同的在轨工作模式下的整星剩磁场值B_x0、B_y0、B_z0，同时将测量得到多组剩磁场值B_x0、B_y0、B_z0进行求平均计算，得到一组整星剩磁场平均值，测量得到的多组剩磁场值B_x0、B_y0、B_z0与平均值误差在一定范围内的剩磁场值B_x0、B_y0、B_z0即可作为最终的整星剩磁场值B_x0、B_y0、B_z0。