CN106885997A - 地磁场中进行星载磁强计干扰补偿的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供地磁场中进行星载磁强计干扰补偿的方法，避免传统方法中需在零磁空间内进行的不足，降低试验成本和外场试验风险。同时相比其他地磁场中的干扰补偿方法，采用剩磁、感磁同步补偿，有效提升地磁场中星载磁强计干扰补偿精度。步骤包括：步骤一、建立磁强计误差补偿模型M＝H^‑1·B，其中M＝[M_xx M_yx M_zx M_xy M_yy M_zy M_xz M_yz M_zz b_x b_y b_z]^T，M为同时包含剩磁系数B'＝[b_x b_y b_z]^T和感磁系数

Description

地磁场中进行星载磁强计干扰补偿的方法

技术领域

本发明涉及航天技术领域，特别涉及地磁场中进行星载磁强计干扰补偿的方法。

背景技术

星载磁场计在空间会产生剩磁干扰和感磁干扰，需要进行补偿。在现有技术中，星载磁强计的干扰补偿需要在零磁空间内进行，且剩磁和感磁分开补偿。公开号为CN104210677A的中国专利申请中提供了一种磁干扰补偿方法，包括：首先，整星放置在零磁空间，调整卫星本体坐标系与试验室磁场坐标系三轴指向一致；其次，利用磁强计测量得到在剩磁场环境下的整星剩磁；接着，利用环境磁场模拟器模拟真实的地磁场，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，从而确定磁强计感磁系数。所述方法需要在零磁空间进行，设备复杂，成本高。

一些方法提出利用感磁和地磁场同向的原理，通过星体绕竖直轴在水平面旋转180度的方法，来分离平面内两轴的剩磁和感磁。然而，该方法并未考虑到地向磁场对其他两轴的感磁的影响无法消除的问题。传统大卫星，感磁较小，该做法的误差可以接受。对于感磁较大的微小卫星，该方法误差较大，并不适用。

发明内容

本发明解决的问题是现有星载磁强计磁干扰补偿方法在零磁空间进行，实验复杂，成本高；为解决所述问题，本发明提供地磁场地磁场中进行星载磁强计干扰补偿的方法。步骤一、根据剩磁及感磁特性，对干扰进行补偿建模，并通过模型推导获得12参数磁强计误差补偿模型M＝H^-1·B。其中H为4组采样点处标准磁场组成的矩阵，B为4组采样点处星载磁强计测量磁场所组成的矩阵，M为同时包含剩磁和感磁参数的待求矩阵。

步骤二：水平放置标准磁强计，确定地磁北向指向(X轴读数最大，Y轴读数几乎为0时的X轴指向定义为正北)，同时获取地磁场的北向、东向、地向磁场值。

步骤三：改变卫星放置方位，分别获取4组星载磁强计的采样点处磁场测量值，形成测量值矩阵B。并根据各向磁场真实值和卫星的放置方位，分别推算出四组采样点的理论真实磁场值，形成矩阵H。采样点选取需保证同时满足：一、4组采样点中心基本重合，保证星载磁强计任一轴垂直于地平面，同时另有一轴平行于地磁场正北向(符合条件的一组如X轴指向正北、Y轴指向正东，Z轴垂直地平面指向天)。且要考虑卫星不同放置状态下工装的难易程度。二、4组采样点处标准磁场形成的矩阵H可逆，且矩阵H的条件数须小于一定值(具体数值根据补偿精度要求以及现场测量误差情况而定，一般取50以下)。

步骤四：根据推导公式和相关参数，完成对剩磁、感磁系数的同时求解。

本发明的优点包括：

实现在地磁场中进行星载磁强计的高精度补偿，解决了现有技术中，高精度补偿必须在零磁空间内进行，对试验环境要求高，且需要昂贵的亥姆霍兹线圈等大型设备支持的问题。

实现对剩磁、感磁的同步补偿，解决了现有技术中，地磁场下进行磁干扰补偿所存在的剩磁、感磁无法完全分离的问题，极大提高了地磁场下进行磁干扰补偿的适用范围和精度。

本方案详细实施步骤，相比现有技术，详细提出了解决了地磁场梯度对补偿影响，并提出避免参数拟合失真的具体解决方案。

具体实施方式

下文中，结合实施例对本发明的精神和实质作进一步阐述。

本发明实施例提供的地磁场中进行星载磁强计干扰补偿的方法，包括：

步骤一：建立磁强计干扰综合补偿值计算方程M＝H^-1·B

其中M＝[M_xx M_yx M_zx M_xy M_yy M_zy M_xz M_yz M_zz b_x b_y b_z]^T；M包含感磁系数以及剩磁系数B'＝[b_x b_y b_z]^T；H为真实地磁场值矩阵；B为星载磁强计测量值矩阵。

磁强计干扰补偿值计算方程的建立过程包括：

步骤1.1：根据剩磁和感磁的不同特性，建立星载磁强计测量值[B_x B_y B_z]^τ和真实地磁场[H_x H_y H_z]^τ的关系为：

式(1)目前形式暂无法对参数进行求解。因此对该式进行改写。

步骤1.2：令三次测量结果分别为B₁、B₂、B₃、B₄，标准地磁场记为H₁、H₂、H₃、H₄，三轴剩磁分别为b_x、b_y、b_z，可将三组数据联立，并写为矩阵形式:

可简写为：

[B]＝[H]·[M]

于是有：

[M]＝[H]^-1·[B]

由于每组数据包含3个方程，即总计4组数据便可求得M内的12个未知数。

综上，本发明在地磁场中，通过标准地磁分量值，以及选取典型位置的星载磁强计采样值，根据推导得出的12参数磁强计干扰补偿值计算方程，实现在地磁场中对剩磁、感磁系数的一次求解。

步骤二：水平放置标准磁强计，确定地磁北向指向(X轴读数最大，Y轴读数几乎为0时的X轴指向定义为正北)，同时获取地磁场的北向、东向、地向磁场值。

根据步骤二获取的各向地磁场是用来确定后续步骤中，采样点处真实地磁场的值，例如，采样点一处X轴与地磁北向平行，则采样点一处X轴真实地磁场值即为地磁北向磁场值。该做法可以避免标准磁强计放置4次测量真实地磁场，通过放置一次，从而推算出4个采样点的真实地磁场值，简化试验流程，同时也避免多次放置带来的测量误差。

本实施例中，首先，利用标准磁强计获得无磁转台中心固定高度处的地向、北向、东向的真实磁场值。完成后，标记地磁北向为转台0度，并拆卸标准磁强计。

步骤三：改变卫星放置方位，分别获取4组星载磁强计的采样点处磁场测量值，形成测量值矩阵B。并根据各向磁场真实值和卫星的放置方位，分别推算出四组采样点的理论真实磁场值，形成矩阵H。矩阵B和矩阵H的表达形式应为步骤一中所示。

步骤3.1：采样点选取

采样点选取指的是确认4个采样点处，星载磁强计X、Y、Z各轴朝向，采样点的确认直接关系到H矩阵的具体形式。

总的来说，采样点方位选取需满足以下几个条件：

一、4组采样点中心基本重合，保证星载磁强计任一轴垂直于地平面，同时另有一轴平行于地磁场正北向(符合条件的一组如X轴指向正北、Y轴指向正东，Z轴垂直地平面指向天)。且要考虑卫星不同放置状态下工装的难易程度。该考虑主要是为了减小地磁梯度对测量值的影响，同时通过正方向放置，使得推算H矩阵相对容易。

二、4组采样点处标准磁场形成的矩阵H可逆，且矩阵H的条件数须小于一定值(具体数值根据补偿精度要求以及现场测量误差情况而定，一般取50以下)。

设定条件数阈值的目的是确保矩阵不会因为接近于奇异，而对微小测量误差过于敏感。为减小条件数数值，典型点应尽可能包含X、Y、Z三轴正向和反向分别达到地磁北向或地向最大值，且采样点应至少包含星体两种工装下的读数值，即4个采样点朝天轴不完全相同。

符合要求的一组采样点选取如下：

序号	磁强计X轴	磁强计Y轴	磁强计Z轴
				1	北	天	东
2	西	天	北
				3	地	南	西
4	地	东	南

步骤3.2：确定真实地磁场矩阵H

根据选取的采样点和步骤二中的各向地磁场，即可推算出四个采样点处，磁强计坐标系下的三轴真实地磁场值，分别记作：H₁、H₂、H₃、H₄,并且得到标准地磁场矩阵H。

步骤3.3：确定星载磁强计测量值矩阵B

将卫星置于地磁场中，利用星载磁强计测量所述四个采样点的磁场强度，得到测量矩阵B；B＝[B₁ B₂ B₃ B₄]^T,B_i＝[B_ix B_iy B_iz],i＝1,2,3,4；

具体做法是，将星体安装于转台，使得星载磁强计探头中心位于转台中心轴线，探头中心高度与标准磁强计放置高度基本一致。调整转台及工装，完成对4个典型位置的采样，采样过程中，需保持磁强计始终位于探头中心处，以减小磁场梯度引起的测量误差。记4次采样分别为B₁、B₂、B₃、B₄。

步骤四、根据输入参数，对该数学模型进行求解。

本发明无需零磁场环境的支持，只需在试验厂房内地磁环境相对稳定处进行，极大降低试验设备成本。在干扰补偿过程中，对剩磁、感磁进行一次补偿，避免了地磁场下进行磁试验过程中，剩磁、感磁无法完全分离的问题，同时，简化了试验流程。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (4)

1.地磁场中进行星载磁强计干扰补偿的方法，其特征在于，包括：

步骤一、建立磁强计误差补偿模型M＝H^-1·B，其中M＝[M_xx M_yx M_zx M_xy M_yy M_zy M_xz M_yzM_zz b_x b_y b_z]^T，M为同时包含剩磁系数B'＝[b_x b_y b_z]^T和感磁系数的综合干扰补偿模型；B为4组采样点处星载磁强计测量磁场所组成的矩阵，M为同时包含剩磁和感磁参数的待求矩阵；

步骤二、利用标准磁强计确定地磁正北方向，并获取北向、地向、东向理论真实磁场值；

步骤三、获取4组采样点的星载磁强计的采样值以及理论真实磁场值；

步骤四：根据所述模型和步骤二、三获取的参数，完成对剩磁、感磁系数的同时求解。

2.依据权利要求1所述的地磁场中进行星载磁强计干扰补偿的方法，其特征在于，建立同时包含剩磁和感磁参数的磁强计干扰补偿模型，M＝H^-1·B，其中

M＝[M_xx M_yx M_zx M_xy M_yy M_zy M_xz M_yz M_zz b_x b_y b_z]^T

$H=\left[\begin{array}{cccccccccccc}{H}_{1x}& H_{1y}& H_{1z}& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& H_{1x}& H_{1x}& H_{1x}& 0& 0& 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& H_{1x}& H_{1x}& H_{1x}& 0& 0& 1\\ H_{2x}& H_{2y}& H_{2z}& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& H_{2x}& H_{2y}& H_{2z}& 0& 0& 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& H_{2x}& H_{2y}& H_{2z}& 0& 0& 1\\ H_{3x}& H_{3y}& H_{3z}& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& H_{3x}& H_{3y}& H_{3z}& 0& 0& 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& H_{3x}& H_{3y}& H_{3z}& 0& 0& 1\\ H_{4x}& H_{4y}& H_{4z}& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& H_{4x}& H_{4y}& H_{4z}& 0& 0& 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& H_{4x}& H_{4y}& H_{4z}& 0& 0& 1\end{array}\right]$

M同时包含剩磁系数B'＝[b_x b_y b_z]^T和感磁系数H_i＝[H_ix H_iyH_iz]为第i个采样点得到的真实地磁场值,i＝1,2,3,4。

3.依据权利要求1所述的地磁场中进行星载磁强计干扰补偿的方法，其特征在于，4组采样点的选取需满足以下条件：一、4组采样点中心基本重合，保证星载磁强计任一轴垂直于地平面，同时另有一轴平行于地磁场正北向；二、4组采样点处理论标准磁场形成的矩阵H可逆，且矩阵H的条件数须小于一定值，具体数值根据补偿精度要求以及现场测量误差情况而定；四个采样点选取可按以下选取：采样点一X、Y、Z三轴分别指向北、天、东；采样点二X、Y、Z三轴分别指向西、天、北；采样点三X、Y、Z三轴分别指向地、南、西；采样点四X、Y、Z三轴分别指向地、东、南。

4.依据权利要求3所述的地磁场中进行星载磁强计干扰补偿的方法，其特征在于，卫星星载磁强计、标准磁强计均安装于地磁场中的无磁砖台，不同放置方位时，尽可能保证星载磁强计的探头中心与标准磁强计探头中心重合，且位于转台中心轴线，用以减小地磁场梯度对于测量的影响。