CN105425764B - 一种基于动态地磁场模拟的三轴磁强计闭环测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于动态地磁场模拟的三轴磁强计闭环仿真测试方法及系统，通过将三轴磁强计置于封闭的地磁场模拟器中，屏蔽外界环境电磁场和当地地磁场干扰，采用高精度IGRF地磁场模型，根据飞行器轨道信息计算出飞行器在轨所受的地磁场强度，并转化为电流输出驱动地磁场模拟器产生相应的磁场，三轴磁强计实时测量地磁场模拟器产生的磁场强度并输送给星载计算机辅助其它姿态敏感器进行姿态和导航解算，同时计算出姿控所需的磁控电流和控制指令，形成闭环控制。模拟器驱动电流和模拟器磁场强度之间的对应关系通过高精度三轴磁强计进行标定，外界干扰通过修正量进行补偿。闭环仿真测试过程中，通过实时监测和动态闭环修正的方式提高模拟器生成的磁场精度。

Description

一种基于动态地磁场模拟的三轴磁强计闭环测试系统及方法

技术领域

本发明属于飞行器姿轨控系统地面仿真试验与测试技术领域，具体地说是一种基于动态地磁场模拟的三轴磁强计闭环仿真测试系统及方法。

背景技术

三轴磁强计作为地磁场测量敏感部件，不仅具有功耗低、重量轻、寿命长的特点，还有不受太阳光照限制的优点，广泛应用于飞行器三轴姿态确定和导航，同时也可以作为冗余测量敏感部件提高飞行器姿态测量精度和导航精度。地球磁场分布于地球上空数万公里的范围内，并且随轨道高度的增加迅速衰减，在中低轨道高度的地球磁场相对较为稳定，因此，利用磁强计测量地磁场实现中低轨道飞行器姿态确定和导航，以及磁强计和磁力矩器组合实现飞行器姿态控制成为航天领域广泛研究的课题。

在飞行器姿轨控系统研制过程中，姿轨控系统地面半物理仿真测试是一个重要环节，通过接入实物产品和模拟相应的目标环境和特性进行系统接口测试、极性测试、开路测试、闭路测试和模飞测试，检验产品和系统功能及性能，发现系统设计缺陷和隐患，并进行相应完善，同时也可以对姿轨控系统在轨性能预估以指导飞行计划。

在以往的飞行器姿轨控系统中，三轴磁强计主要作为辅助姿态确定测量部件，在地面半物理仿真系统中一般不建立相应轨道的地磁场目标模拟系统进行闭环仿真，只是施加单方向磁场或者利用当地地磁场进行三轴磁强计的极性和开环测试；同时，对于低轨道飞行器，地球磁场模型也比较准确，一般采用磁场表代替三轴磁强计的方式来验证姿轨控系统磁控制策略对飞行器姿态控制的可行性，三轴磁强计不接入姿轨控系统闭环仿真。由于不能模拟飞行器在轨的真实磁环境，因此姿轨控系统地面仿真验证缺少了真实性和有效性，同时也不能对姿轨控系统的设计进行全覆盖性测试。只有在卫星整星级磁测试过程中，才建立相应的磁环境考核飞行器各部件和系统的性能。

为了模拟飞行器轨道地磁环境，传统整星测试产生大空间均匀磁场的办法有磁屏蔽法和亥姆霍兹线圈通电流法。磁屏蔽法能够提供相当稳定的弱磁环境，但建造需要高磁导率合金，造价较高，而且磁场不能控制，产生的磁场均匀性也不够理想。亥姆霍兹线圈通电流法可以通过调节线圈中的电流，在线圈系统中的一定区域内产生零磁场和稳恒磁场，但是受线圈大小、线圈尺寸偏差、形状偏差、安装误差，线圈绕制偏差等加工和安装误差的影响，三个轴方向产生的磁场存在耦合，均匀度和线性度都较差。用于整星级的磁环境模拟设备如德国IABG和美国哥达德航天航空中心的动态磁场模拟设备，以及我国的CM1和CM2磁场模拟设备，由于工程宏大，造价高，难以在姿轨控系统级的半物理仿真试验中推广。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足之处，以满足姿轨控系统将三轴磁强计接入系统半物理仿真测试环境进行姿态确定和控制，以及导航的地面仿真验证的需求，本发明提出了一种基于动态地磁场模拟的三轴磁强计闭环测试系统。

基于动态地磁场模拟的三轴磁强计闭环测试系统包括动态地磁场模拟器、目标模拟器/运动模拟器、PXI采集控制设备、动力学仿真机、数据分发单元、遥测遥控遥注机、测量敏感器、三轴磁强计、执行机构、星载计算机、数据库和显示终端、光纤反射内存网络、CAN总线网络、TCP/IP网络，动力学仿真机生成飞行器动力学数据和空间环境数据，通过反射内存网络驱动各目标模拟器和运动模拟器，目标模拟器模拟空间环境，运动模拟器模拟飞行器姿态运动，星载计算机系统根据各测量敏感器采集的测量数据进行姿态、导航和控制量的解算，输出控制指令给相应的执行机构，PXI采集控制设备采集执行机构的执行量和状态量，并通过反射内存网络将执行机构的状态信息反馈给动力学仿真机进行下一循环的计算，遥测遥控遥注机通过CAN总线网络与星载计算机进行数据和指令交互，数据分发单元通过TCP/IP网络将实验数据分发给数据库和显示终端进行数据的存储、显示，以及事后回放，从而构成一套基于动态地磁场模拟的三轴磁强计闭环仿真测试系统。

同时，本发明还提供了一套基于动态地磁场模拟的三轴磁强计闭环仿真试验系统的测试方法，包括以下步骤：

将三轴磁强计接入闭环仿真测试系统，星载计算机根据采集到的三轴磁强计（飞行器上产品）和其它敏感器的测量数据进行姿态和导航的解算，同时输出相应的控制指令，PXI采集控制指令和执行机构的状态数据并返回给动力学仿真机进行下一循环的计算，从而实现了将三轴磁强计接入地面半物理闭环仿真测试系统，为基于磁强计的姿态确定、导航和姿态控制算法的地面仿真验证提供了条件。

采用上述方案后，与现有技术相比，具有如下优点：

1）实现了飞行器在轨磁场的动态模拟，为姿轨控系统将三轴磁强计接入地面半物理仿真测试创造了条件，同时也为基于三轴磁强计的姿态确定和导航算法，以及基于磁强计和磁力矩器的姿态控制策略的地面闭环仿真验证创造了条件；

2）将各种误差因素和外界环境干扰磁场的影响统一为简化的修正量，简化了地磁场模拟器的标定，同时通过实时动态闭环修正和控制提高了地磁场的模拟精度；

3）不用将整个姿轨控系统都放置于地磁场模拟器中，减小了模拟器的建造规模，降低了制造难度和成本，也减小了模拟器操作控制的复杂度；

4）通过无磁手动可旋转升降平台和线圈组水平调整机构可以方便实现地磁场模拟器磁场方向和高精度三轴磁强计测量轴之间的精确调整和对准，能进一步提高标定的准确度。

附图说明

图1为三轴磁强计不接入姿轨控系统情况下的姿态确定和控制闭环仿真测试框图；

图2为三轴磁强计接入姿轨控系统情况下的姿态确定和控制闭环仿真测试框图；

图3为动态地磁场模拟器组成框图；

图4为零磁场环境模拟装置结构示意图；

图5无磁手动可旋转升降平台。

具体实施方式

一种基于动态地磁场模拟的三轴磁强计闭环仿真测试方法及系统的实施例及附图详细说明如下：

本发明提出的一种基于动态地磁场模拟的三轴磁强计闭环仿真试验系统组成框图如图1～2所示，包括动态地磁场模拟器、目标模拟器/运动模拟器、PXI采集控制设备、动力学仿真机、数据分发单元、遥测遥控遥注机、测量敏感器、执行机构、星载计算机、数据库和显示终端、光纤反射内存网络、CAN总线网络、TCP/IP网络。动力学仿真计算机计算生成飞行器动力学数据和空间环境数据，通过反射内存网络驱动各目标模拟器和运动模拟器，目标模拟器模拟空间环境（如地磁场、地球红外辐射、恒星、太阳入射矢量），运动模拟器模拟飞行器运动，星载计算机系统根据各测量敏感器采集的测量数据进行姿态和控制量的解算，并输出给相应的执行机构，PXI采集控制设备采集执行机构的执行量和变化量，并通过反射内存网络将执行机构的状态信息反馈给动力学仿真机进行下一循环的计算，遥测遥控遥注机通过CAN总线网络查询星载计算机的遥测数据，同时对星载计算机进行遥注遥控。数据分发单元通过TCP/IP网络将实验数据分发给数据库和显示终端进行试验数据的存储、显示，以及事后回放，从而构成一套基于动态地磁场模拟的三轴磁强计闭环仿真测试系统。

其中动态地磁场模拟器的组成框图如图3和图4所示，包括控制计算机、驱动电流源、三维亥姆霍兹线圈组、高精度三轴磁强计、坡莫合金屏蔽罩、无磁手动可旋转升降平台。动力学仿真机利用高精度IGRF地磁场模型，根据飞行器的轨道参数动态生成北东地坐标系的地磁场，并根据三轴磁强计在飞行器上的安装位置转换到三轴磁强计测量坐标系下的磁场强度，通过光纤反射内存网发送给地磁场模拟器控制计算机。控制计算机利用高精度三轴磁强计离线标定的地磁场模拟器驱动电流和磁场的关系式，将飞行器在轨磁场转化为驱动电流，通过同步控制三组亥姆霍兹线圈组的驱动电流，使模拟器产生相应的目标磁场。

在姿轨控系统闭环仿真测试时，模拟器控制计算机同时采集高精度三轴磁强计的测量值，根据测量值和飞行器在轨磁场目标的差值进行动态实时闭环修正，以提高模拟器磁场的精度。

坡莫合金屏蔽罩用于屏蔽试验场地周围的地磁场和外界电子设备等产生的干扰磁场，尽可能减小外界磁场对地磁场模拟器的影响。

无磁手动可旋转升降平台具备绕升降杆轴线360°旋转功能，三维亥姆霍兹线圈组可通过底部的四个调整基座和高精度水平仪调平，通过相互配合以调整高精度三轴磁强计在三维亥姆霍兹线圈中的位置和方向，确保磁强计的放置位置位于线圈组的中心，同时确保磁强计的三个测量轴和三组亥姆霍兹线圈组平面法线分别平行，以用于地磁场模拟器驱动电流和磁场的标定。在此基础上，由高精度三轴磁强计的放置位置和方向确定接入姿轨控系统闭环测试的三轴磁强计的摆放位置和方向，以确保测量的一致性。

同时，基于动态地磁场模拟的三轴磁强计闭环仿真测试方法实施步骤如下：

1）动力学仿真机根据IGRF地磁场模型动态生成北东地坐标系下的地磁场：

（1）

其中为地球半径；

为飞行器地心距；

为东经；

为地理余纬；

，为高斯系数；

为n次m阶的缔合勒让德多项式。

2）将北东地坐标系下的地磁场转换到三轴磁强计测量坐标系的地磁场；

（2）

其中为北东地到惯性系的转换矩阵；

为惯性系到飞行器本体坐标的转换矩阵；

为飞行器本体坐标系到三轴磁强计测量坐标系的转换矩阵。

3）采用高精度三轴磁强计对地磁场模拟器的磁场强度和驱动电流之间的关系进行标定，给出系数矩阵C和修正量；

（8）

其中C为标定出的系数矩阵；

为标定出的修正量，包括各种误差因素和外界干扰磁场的影响。

4）地磁场模拟器控制计算机根据标定的关系式，将动力学仿真机给出的目标磁场转换为驱动电流，控制模拟器产生相应的磁场。

5）试验过程中，地磁场模拟器控制计算机根据高精度三轴磁强计实际测得的磁场，将其和目标磁场作差得到，将差值实时反馈给控制计算机进行动态闭环修正，直到的三个分量为0，以达到精确控制地磁场模拟器生成的磁场。

将三轴磁强计接入闭环仿真测试系统，星载计算机根据采集到的三轴磁强计（飞行器上产品）和其它敏感器的测量数据进行姿态和导航的解算，同时输出相应的控制指令，PXI采集控制指令和执行机构的状态数据并返回给动力学仿真机进行下一循环的计算，从而实现了将三轴磁强计接入地面半物理闭环仿真测试系统，为基于磁强计的姿态确定、导航和姿态控制算法的地面仿真验证提供了条件。

本发明的具体实施例具有以下特点及良好效果：

本发明将动态地磁场模拟技术和姿轨控系统半物理仿真测试技术有机结合，实现了将三轴磁强计接入姿轨控系统进行姿态确定和控制，以及导航的地面半物理闭环仿真测试；

通过将三轴磁强计置于地磁场模拟器，而不是像整星磁测试一样将整个姿轨控系统都置于其中，其余测量敏感器、执行机构、星载计算机、目标模拟器，以及地面测试设备分布式布置于地磁场模拟器外面；

通过无磁手动可旋转升降平台和线圈组水平调整机构调整高精度三轴磁强计在地磁场模拟器中的位置及三个测量轴的方向并固定，综合考虑各种误差因素和外界干扰磁场，利用高精度三轴磁强计对模拟器驱动电流和三轴磁场进行标定，通过修正量对各种误差和干扰磁场进行补偿，简化了地磁场模拟器的标定；

模拟器控制计算机通过高精度三轴磁强计实时测量模拟器磁场，并进行动态闭环修正，以精确模拟飞行器在轨磁场强度。

以上结合附图对本发明的一种基于动态地磁场模拟的三轴磁强计闭环仿真测试方法和装置作了说明，但是这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围有随附的权利要求限定，任何在本发明权利要求基础上进行的改动都是本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于动态地磁场模拟的三轴磁强计闭环仿真测试系统，其特征在于：包括动态地磁场模拟器、目标模拟器、运动模拟器、PXI采集控制设备、动力学仿真机、数据分发单元、遥测遥控遥注机、测量敏感器、执行机构、星载计算机、数据库和显示终端、光纤反射内存网络、CAN总线网络、TCP/IP网络；

所述动力学仿真机生成飞行器动力学数据和空间环境数据，通过光纤反射内存网络驱动各目标模拟器和运动模拟器；

所述目标模拟器模拟空间环境，运动模拟器模拟飞行器姿态运动；

所述星载计算机系统根据各测量敏感器采集的测量数据进行姿态、导航和控制量的解算，输出控制指令给相应的执行机构；

所述PXI采集控制设备采集执行机构的执行量和状态量，并通过光纤反射内存网络将执行机构的状态信息反馈给动力学仿真机进行下一循环的计算；

所述遥测遥控遥注机通过CAN总线网络与星载计算机进行数据和指令交互，数据分发单元通过TCP/IP网络将实验数据分发给数据库和显示终端进行数据的存储、显示，以及事后回放，从而构成一套基于动态地磁场模拟的三轴磁强计闭环仿真测试系统。

2.根据权利要求1所述的基于动态地磁场模拟的三轴磁强计闭环仿真测试系统，其特征在于：所述地磁场模拟器包括控制计算机、驱动电流源、三维亥姆霍兹线圈组、高精度三轴磁强计、坡莫合金屏蔽罩、无磁手动可旋转升降平台；

所述无磁手动可旋转升降平台具备绕升降杆轴线360°旋转功能；所述三维亥姆霍兹线圈组具有水平仪和水平调整基座；无磁手动可旋转升降平台和三维亥姆霍兹线圈组水平调整基座为刚性连接；所述驱动电流源提供工作电流源；所述坡莫合金屏蔽罩屏蔽地球磁场和外磁场的干扰；所述控制计算机通过高精度三轴磁强计实时采集模拟器生成的磁场强度，并以此进行动态闭环反馈控制。

3.一种利用如权利要求1所述的基于动态地磁场模拟的三轴磁强计闭环仿真测试系统的测试方法,其特征在于，包括以下步骤：

1）动力学仿真机根据IGRF地磁场模型动态生成北东地坐标系下的地磁场，根据三轴磁强计的用途和精度，选择简化的IGRF地磁场模型；

2）将北东地坐标系下的地磁场转换到三轴磁强计测量坐标系的地磁场；

3）采用高精度三轴磁强计对地磁场模拟器的磁场强度和驱动电流之间的关系进行标定，给出系数矩阵C和修正量；

4）根据步骤３）给出的标定关系式，将动力学仿真机给出的地磁场转换为驱动电流，控制模拟器产生相应的磁场；

５）试验过程中，地磁场模拟器控制计算机实时采集高精度三轴磁强计的测量数据，并和三轴目标磁场强度作差求得反馈量，并反馈给控制计算机进行动态闭环修正，以达到精确控制磁场的目的。