CN104535941A - 一种地磁环境下卫星磁测试外干扰磁场闭环控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种地磁环境下卫星磁测试外干扰磁场闭环控制方法，将影响卫星磁测试精度的外干扰磁场值(地磁场波动和工业磁场的随机干扰值自动补偿)控制在3nT以下，在不建大型零磁试验设备条件下；实现地磁环境下卫星磁测试局域动态外干扰磁场的有效闭环控制、自动跟踪、补偿和修正，获得地磁环境下卫星24小时“准零磁”环境试验条件。
Description
技术领域
本发明涉及卫星测量技术领域，具体涉及一种地磁环境下卫星磁测试外干扰磁场闭环控制方法。
背景技术
地磁场中影响卫星磁试验精度的因素很多，如果不考虑磁测仪器、控制设备、测试方法等引起的误差，仅从磁环境变化角度来考虑，影响卫星磁测量的外干扰磁场主要有地磁场波动和环境磁场干扰。地磁场背景噪声增大就会淹没被测卫星磁场的部分真实信号，尤其是测量某些小磁矩卫星，情况更是如此。环境磁场干扰(下称：工业磁场干扰)主要来自卫星磁试验设备附近的输电线、公路上运动的车辆、大型工厂、变电站等所有产生磁性的物体对卫星磁试验产生的干扰。地磁场波动和工业磁场干扰是影响卫星磁测试精度的主要因素。
原低磁实验室，经长期24小时监测白天外干扰磁场波动达20nT以上，当附近技术厂房行车等机器运转后，磁场波动达40nT左右。使得试验在白天无法进行(根据国内外试验标准规定：外干扰磁场波动小于3nT是卫星磁试验数据有效性的判据)。因此，如何避免和控制地磁场波动和工业磁场干扰对地磁环境下卫星磁测试的影响，保证卫星全天时磁测试试验精度，是地磁环境下卫星磁测试试验中必须解决的重要内容。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对地磁环境下卫星磁矩测试时，外干扰磁场影响卫星磁试验精度问题，通过增设监测外干扰磁场传感器，外干扰场源和卫星近场特性分析，采集卫星磁场传感器和监测外干扰磁场传感器之间的合理布局，新的数据处理方法和控制软件使用，解决监测外干扰场源传感器接收信号和采集卫星磁场传感器接收信号之间同步性、等效性、一致性等关键技术；在不建大型零磁试验设备条件下，实现卫星磁测试局域动态磁环境下，外干扰磁场有效闭环控制、自动跟踪、补偿和修正；使卫星整星磁试验在白天能够避免受各种外干扰场的影响；获得地磁环境下卫星24小时“准零磁”环境试验条件。
为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种地磁环境下卫星磁测试外干扰磁场闭环控制方法，包括如下步骤：
S1、地磁环境下卫星磁测试误差模型分析；
S2、地磁环境下卫星磁测试外干扰场源分析；
S3、地磁环境下卫星磁测试外干扰场源控制方法；
S4、地磁环境下卫星磁测试外干扰场闭环控制方法的试验验证。
作为优选，所述的磁测试误差模型为：
M＝M真+M误差＝α(B真+B波动)×r3
式中：
M——试验获取的卫星磁矩，A·m2；
M真——卫星实际磁矩，A·m2；
M误差——试验误差产生的磁矩，A·m2；
α——与测试距离相关的常数；
B真——卫星实际产生的磁感应强度，nT；
B波动——外干扰磁场(地磁场波动和工业干扰场)引起的磁感应强度，nT；
r——探头中心到试件中心的距离，m。
作为优选，所述的步骤S1包括如下步骤：
S11、按磁试验要求和设备操作规程调试测试设备；
S12、在起吊区(距测试中心较远)把卫星置于无磁转台上；
S13、在测试中心区地磁东西(Y向)轴线上，根据卫星尺寸、估算的磁矩和磁传感器灵敏度，在规定的距离范围内放置若干台三分量采集磁传感器；
S14、调节采集磁传感器Y轴使其输出小于50nT；
S15、按监测传感器布局距离规则放置监测传感器；
S16、调节监测磁传感器Y轴使其输出小于50nT
S17、启动控制模块使各磁传感器输出归零；
S18、按试验技术文件要求，选择卫星工作状态；
S19、推入转台至中心区；
S110、绕Z轴每隔10°作360°旋转，磁强计测量卫星实际产生的磁感应强度值；
S111、观测采集传感器0度与360度的磁场变化值；
S112、使得转台绕0°至360°一周后磁传感器测得的磁场数据波动小于3nT；
S113、卫星磁矩值获取。
作为优选，所述外干扰场源主要分析要素包括外干扰源场(地磁场波动、工业干扰场)的静动态物理模型、干扰源场特性分析，交直流、磁性物体等外干扰源量值分析，外干扰源场均匀性、梯度特性分析。
作为优选，所述监测传感器与采集传感器所感应得到的外干扰场变化值必须保持一致性；另一方面，所述监测传感器与采集传感器二者必须满足不相干性。
作为优选，所述监测传感器布局距离规则为：根据卫星磁矩评估值M(Am2)及外干扰波动场值B＜3nT约束条件，由B＝200M/R3，推算传感器距卫星距离R(m)；不同工况下卫星磁场对其影响为零时的实测距离。
作为优选，所述步骤S4包括以下步骤：
S41、所在地磁环境下(白天恶劣外干扰磁场背景)连续12小时外干扰场实时跟踪、补偿、控制试验验证；
S42、在地磁环境下(白天恶劣外干扰磁场背景)在研型号卫星磁测试实际试验验证。
其中，
零磁环境试验：采用大型零磁线圈系统等设备，它可以在一个相当大(3m×3m×3m)的容积内建立一个均匀、稳定的近零磁环境，卫星置于近零磁环境中可24小时全天时磁试验；但大型零磁线圈设备造价高、设备技术指标(均匀度、稳定度)实现难度大、建成后也存在着外干扰场变化对设备稳定性影响等问题，有很高的研制风险。对于大尺度、高功耗卫星，目前零磁线圈设备尺寸有限已不能满足磁试验所需零磁环境空间条件，只能在地磁环境下进行试验。
地磁环境试验：通过选择适当的试验场所，提供一个均匀稳定的环境磁场，卫星置于该磁环境中进行相关磁试验。由于试验必须在稳定的环境磁场条件下进行，而白天外干扰磁场波动随机性大(B波动＞3nT)而无法试验，磁试验只能在晚上12点至凌晨4点这一时间段进行；因为仅在这一时间段，地磁场波动及工业干扰场波动能稳定在1nT左右(试验数据有效性的必要条件)，试验有效时间较短且晚上试验增加参试人员工作强度
本发明具有以下有益效果：
卫星磁试验主要在零磁环境和地磁环境下进行；地磁环境下卫星磁测试外干扰磁场闭环控制方法避免建造高均匀度、高稳定度大型零磁设备，解决以往地磁环境下磁试验有效时间短的缺陷，满足卫星24小时全天时“准”零磁环境试验条件，具有很高经济性、实用性。该项技术已应用于航空航天领域磁性检测、监测，也可应用于船舶、海洋、地质等相关领域
附图说明
图1为本发明地磁环境下卫星磁测试外干扰闭环控制方法单点传感器布局下工业磁场干扰不一致性简图。
图2为本发明地磁环境下卫星磁测试外干扰闭环控制设备布局图。
图3为本发明地磁环境下卫星磁测试外干扰闭环控制方法流程图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明实施例提供了一种地磁环境下卫星磁测试外干扰磁场闭环控制方法，包括如下步骤：
第1步：地磁环境下卫星磁测试误差模型；
由近场法测试原理，磁矩误差模型如下：
M＝M真+M误差＝α(B真+B波动)×r3………………………(1)
式中：
M——试验获取的卫星磁矩，A·m2；
M真——卫星实际磁矩，A·m2；
M误差——试验误差产生的磁矩，A·m2；
α——与测试距离相关的常数；
B真——卫星实际产生的磁感应强度，nT；
B波动——外干扰磁场(地磁场波动和工业干扰场)引起的磁感应强度，nT；
r——探头中心到试件中心的距离，m。
根据磁测试误差模型分析，在测试距离确定的条件下，地磁环境下卫星磁测试试验主要误差因素为B波动。
在测试周期内，以转台绕0°至360°一周后磁传感器测得的磁场数据波动小于3nT为测试有效性判据。下表1列出了测试距离确定条件下，外干扰磁场波动与试验结果磁矩M不确定度的关系。
表1测试距离确定下，外干扰场波动与试验不确定度关系
第2步：地磁环境下卫星磁测试外干扰场源分析
外干扰场源主要分析要素如下：外干扰源场(地磁场波动、工业干扰场)的静动态物理模型、干扰源场特性分析，交直流、磁性物体等外干扰源量值分析，外干扰源场均匀性、梯度特性分析。
1.外干扰源种类
1)地磁场波动变化
地磁场的波动一般来说可分为由于各种天体原因而引起磁爆等的短期变化和由于地球本身原因的长期变化。
2)工业磁场干扰源
工业磁场干扰，就是在卫星磁试验设备附近通过的输电线、公路上运动的汽车、铁路、大型工厂、变电站等所有产生磁性的设备所产生的干扰。工业磁场干扰源很复杂，根据场随时间变化的情况，可分为静态扰动和动态扰动：
静扰动：一些物体中具有铁磁物质，它能扰动地磁场，在物体的周围出现较强的磁场梯度，这个扰动的量级取决于铁磁物质的质量、形状等，铁磁物质源的场随距离衰减较快(场值以1/r3变化)，对磁试验设备的稳定性和磁测量影响不大，但它产生的磁场梯度较大。
动态扰动：动态扰动对卫星磁测量有较大的影响，它可以起因于铁路和公路运输、机器运转、接地电流、传输电流(电流又有交流和直流之分)等，当然大多数的干扰是由这几种因素的迭加而成。
2.外干扰场的频率特性
1)地磁场波动变化
地磁场的短期波动是不固定的，它只能称之为随机波动，小到几秒一次，长的几分钟等等；短期变化周期一般几秒、几分钟、几个小时，而长期变化的周期可以是几天、几个月甚至几十年。长期变化缓慢，对一次磁测量来说可以不考虑。
2)工业磁场干扰源的频率特性
工业磁场干扰源中动态扰动对磁测量有较大影响，它的振幅和频率取决于干扰源的类型。
表2一些常见工业磁场干扰源频率特性参考值
大多数的工业磁场干扰场源是由直流干扰源，交流干扰源，铁磁物质干扰源叠加生成。
3.外干扰场的数值量级
1)地磁场波动量级
地磁日变化是指地磁一天中发生的规则变化，其变化范围大约50nT，一般约为该地区总磁场强度的千分之一左右。白天有几十nT变化，深夜12点至凌晨4点时间段为最佳平静期，磁场波动约为1nT。
2)常见工业磁场干扰源与距离的量值关系
表3一些常见工业磁场干扰源与距离的量值关系
4.外干扰源场均匀性、梯度特性
1)地磁场的均匀性、梯度特性
在一个有限的测试区域环境中(几百平方米的磁实验室)，地磁场变化可以认为是均匀的，不存在梯度场。
2)工业干扰场的均匀性、梯度特性
一般认为工业干扰场存在空间梯度，对于某一种特定工业干扰源场来说，场值随距离衰减较快(场值以1/r3变化)；干扰源和传感器有一定距离时，可以将不同的干扰源场在空间进行线性叠加或合成计算。
第3步：地磁环境下卫星磁测试外干扰场补偿控制方法
(1)基本原理
按图2当外干扰磁场有变化时，监测传感器感受外干扰磁场变化，按图3外干扰场控制模块可以同步自动跟踪消除采集传感器中所受到的外干扰磁场并将卫星有效磁场数据进行保留和另行处理。因此，一方面，监测传感器与采集传感器所感应得到的外干扰场变化值必须保持一致性；另一方面，监测传感器与采集传感器二者必须满足不相干性，也即监测传感器仅测得外干扰场信号，而不受卫星磁场信号影响，采集传感器仅得到去除外干扰场后的纯卫星磁场。即必须使监测传感器与采集传感器所接受的外干扰磁场信号变化值相等，如二者不等则数据处理控制模块就将产生误差。
(2)地磁波动控制方法
按图1在单点传感器布局方式下，当地磁场变化时，按图3控制模块将监测器测得的地磁波动外干扰场信号反馈给数据处理模块去补偿抵消采集传感器获得的磁场信号(卫星磁场+地磁波动场)，由于监测传感器与采集传感器的控制线路串联闭环、二者信号同步；由外干扰场源特性分析：地磁场在实验室区域空间内是近似均匀的，即：监测传感器与测量传感器两处获得的地磁场的波动变化值可认为是相同的，只要监测磁传感器(三分量)与采集传感器(三分量)每个分量轴的方向严格一一对应保持一致，单点布局方式对控制地磁场变化是有效的，在去除地磁波动变化部分后，采集传感器获得的磁场即为卫星磁场值。
(3)工业磁场干扰控制方法
对于工业磁场干扰，按图1如果工业磁场干扰源距离监测传感器与测量传感器的距离不一样，由于工业干扰场存在空间梯度，对于单点布局方式，同一干扰源两种传感器所受干扰值不相等，即干扰不一致性。此时，若近似将干扰源场看做随空间线性变化，则按图2采用在卫星两边对称布局监测传感器模式及均值数据处理方法可以大大减轻梯度场引起的工业磁场干扰场的不一致性。且与单点布局方式相比，对称布局均值处理方法对地磁场波动更加有效可控。至此，对称布局模式下均值法对地磁环境下卫星磁测试外干扰控制是有效的，可以成功解决工业磁场干扰的不一致性，尽管实际的工业干扰场是上述特性分析中各种模型源的叠加，根据场的可叠加性，平均值外干扰控制法对于实际叠加的工业磁场干扰也是有效的。
(4)交流干扰场控制方法
通过工业磁场干扰特性、干扰量值分析及公式1、表1、表2、表3所示，分析工业磁场干扰对于磁试验设备的影响其根源是对于磁矩测量的影响，其中对于磁试验影响最大的工业干扰场源因素主要是交流干扰源。
常规三分量磁通门磁强计探测器频率响应为10～30HZ，在测磁仪器及相关硬件一定的条件下，可通过测量方法和数据处理方法控制工业交流磁场干扰。具体方法：将交流干扰源分为高频交流干扰源和低频交流干扰源，高频信号按图3由控制模块采用滤波处理方式将其处理。解决高频交流场引起的外干扰不一致性；低频部分仍由控制模块采用均值法数据处理方式消除进一步减轻工业磁场干扰引起的不一致问题。
通过上述外干扰源分类和特性分析、外干扰场频率特性分析、磁传感器频率响应特征分析，采用对称布局、均值、滤波等数据处理方法，可获得地磁环境下外干扰场控制的最佳方法。
第4步：地磁环境下卫星磁测试外干扰闭环控制方法的试验验证
(1)在地磁环境下(白天恶劣外干扰磁场背景)连续12小时外干扰场实时跟踪、补偿、控制试验验证；
(2)在地磁环境下(白天恶劣外干扰磁场背景)在研型号卫星磁测试实际试验验证。
实施例
第1步：地磁环境下卫星磁测试采集与监测磁传感器布局
按图2布置卫星磁场采集传感器阵列A及卫星磁场采集传感器阵列B，布置监测传感器A及监测传感器器B；
采集传感器布局距离规则：
监测传感器布局距离规则：
①根据卫星磁矩评估值M(Am2)及外干扰波动场值B＜3nT约束条件，由B＝200M/R3，推算传感器距卫星距离R(m)；
②不同工况下卫星磁场对其影响为零时的实测距离；
按图2监测传感器(三分量)与采集传感器(三分量)各轴方向一致性调节；传感器Y轴与地磁磁东西方向一致(BY＜50nT)；
第2步：按图3建立地磁环境下卫星磁测试外干扰闭环控制软件界面
初始功能参数设置(包括布点方式、测试距离、采样频率、采样路数、通道端口设置、测试方式等)；设置控制模块参数(包括信号统计、滤波、均值处理等)。
第3步：地磁环境下卫星磁测试外干扰闭环控制方法的测试与验证。
在地磁环境(白天恶劣外干扰磁场背景)连续12小时外干扰场实时跟踪、补偿、控制试验验证及对某型号卫星进行的实际试验验证
验证试验时间段选择在KM5B真空设备(该设备距磁实验室中心区30m)运行情况下进行连续12小时外干扰场实时跟踪、补偿、控制。试验周期内，本方法对外干扰环境磁场波动控制约为1～2nT，在采集传感器与卫星之间测试距离3.475m～4.630m范围内，卫星的磁矩测试误差在几十到200A·m2范围内变化，外干扰场控制值满足GJB7679-2012规定的卫星磁试验环境要求。
具体步骤如下：
S11、按磁试验要求和设备操作规程调试测试设备；
S12、在起吊区(距测试中心较远)把卫星置于无磁转台上；
S13、在测试中心区地磁东西(Y向)轴线上，根据卫星尺寸、估算的磁矩和磁传感器灵敏度，在公式(2)规定的距离范围内放置若干台三分量采集磁传感器；
S14、调节采集磁传感器Y轴使其输出小于50nT；
S15、监测传感器布局距离规则放置监测传感器；
S16、调节监测磁传感器Y轴使其输出小于50nT
S17、启动控制模块使各磁传感器输出归零；
S18、按试验技术文件要求，选择卫星工作状态；
S19、推入转台至中心区；
S20、绕Z轴每隔10°作360°旋转，磁强计测量B(ri，j，φ)值；
S21、观测采集传感器0度与360度的磁场变化值；
S22、|B0-B360|＜3nT；
S23、卫星Mx，MY，Mz磁矩值获取。
表412小时地磁环境下卫星磁测试外干扰闭环控制方法外干扰场监测结果
在地磁环境下卫星磁测试时，由于采用了外干扰磁场波动闭环跟踪补偿控制技术，即：卫星磁矩测试时，计算机根据监测传感器获得的干扰源磁场数据对测试卫星磁场的采集传感器同步获得的磁场数据进行实时补偿和修正，大大的减少外干扰磁场波动对测试精度影响，实际外干扰磁场波动控制在0.5nT～1.0nT范围内
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (7)
1.一种地磁环境下卫星磁测试外干扰磁场闭环控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、地磁环境下卫星磁测试误差模型分析；
S2、地磁环境下卫星磁测试外干扰场源分析；
S3、地磁环境下卫星磁测试外干扰场源控制方法；
S4、地磁环境下卫星磁测试外干扰场闭环控制方法的试验验证。
2.根据权利要求1所述的一种地磁环境下卫星磁测试外干扰磁场闭环控制方法，其特征在于，所述的磁测试误差模型为：
M＝M真+M误差＝α(B真+B波动)×r3
式中：
M——试验获取的卫星磁矩，A·m2；
M真——卫星实际磁矩，A·m2；
M误差——试验误差产生的磁矩，A·m2；
α——与测试距离相关的常数；
B真——卫星实际产生的磁感应强度，nT；
B波动——外干扰磁场引起的磁感应强度，nT；
r——探头中心到试件中心的距离，m。
3.根据权利要求1所述的一种地磁环境下卫星磁测试外干扰磁场闭环控制方法，其特征在于，所述的步骤S1包括如下步骤：
S11、按磁试验要求和设备操作规程调试测试设备；
S12、在起吊区(距测试中心较远)把卫星置于无磁转台上；
S13、在测试中心区地磁东西轴线上，根据卫星尺寸、估算的磁矩和磁传感器灵敏度，在规定的距离范围内放置若干台三分量采集磁传感器；
S14、调节采集磁传感器Y轴使其输出小于50nT；
S15、按监测传感器布局距离规则放置监测传感器；
S16、调节监测磁传感器Y轴使其输出小于50nT
S17、启动控制模块使各磁传感器输出归零；
S18、按试验技术文件要求，选择卫星工作状态；
S19、推入转台至中心区；
S110、绕Z轴每隔10°作360°旋转，磁强计测量卫星实际产生的磁感应强度值；
S111、观测采集传感器0度与360度的磁场变化值；
S112、使得转台绕0°至360°一周后磁传感器测得的磁场数据波动小于3nT；
S113、卫星磁矩值获取。
4.根据权利要求1所述的一种地磁环境下卫星磁测试外干扰磁场闭环控制方法，其特征在于，所述外干扰场源主要分析要素包括外干扰源场的静动态物理模型、干扰源场特性分析，交直流、磁性物体等外干扰源量值分析，外干扰源场均匀性、梯度特性分析。
5.根据权利要求3所述的一种地磁环境下卫星磁测试外干扰磁场闭环控制方法，其特征在于，所述监测传感器与采集传感器所感应得到的外干扰场变化值必须保持一致性；另一方面，所述监测传感器与采集传感器二者必须满足不相干性。
6.根据权利要求3所述的一种地磁环境下卫星磁测试外干扰磁场闭环控制方法，其特征在于，所述监测传感器布局距离规则为：根据卫星磁矩评估值M(Am2)及外干扰波动场值B＜3nT约束条件，由B＝200M/R3，推算传感器距卫星距离R(m)；不同工况下卫星磁场对其影响为零时的实测距离。
7.根据权利要求1所述的一种地磁环境下卫星磁测试外干扰磁场闭环控制方法，其特征在于，所述步骤S4包括以下步骤：
S41、所在地磁环境下连续12小时外干扰场实时跟踪、补偿、控制试验验证；
S42、在地磁环境下在研型号卫星磁测试实际试验验证。
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