CN108572339B - 降低环境磁场干扰对磁通法测量影响的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种降低环境磁场干扰对磁通法测量影响的方法，通过标定磁通法磁矩测量设备的等效线圈面积，将环境磁场波动数据等效转换为磁通法感应线圈的磁通量数据，并在磁通法所测得磁通量数据中减掉磁场波动带来的磁通量，降低相应影响。本发明的方法可以有效的降低环境磁场波动对磁通法磁矩测量带来的误差影响，提高测量精度。

Description

降低环境磁场干扰对磁通法测量影响的方法

技术领域

本发明属于航天器磁试验中的磁性测量技术领域，具体来说，本发明涉及一种降低环境磁场波动对磁通法磁矩测量结果影响，提高磁通法测量精度的方法。

背景技术

磁矩测量技术研究是航天器磁试验技术研究中的重要组成部分。近年，为提高航天器的磁矩测量精度、缩短测量周期，北京卫星环境工程研究所研究了一种称为磁通法的新型航天器磁矩测试方法(参见CN 102540110 A)，参见图1，该方法以偏心偶极子模型为基础，通过测量航天器在五组磁通感应线圈中产生的磁通量来反演磁矩，这种磁通法共有A、B₁(即某一侧的第二个线圈，其作用为测量y方向磁矩)、B2(即某一侧开始的第三个线圈，其作用为测量z方向磁矩)、C1、C₂共5个线圈，磁通法磁矩测量设备包括纵长的导轨，分别竖立地套设在导轨中间使导轨从其穿过的感应线圈B₁和感应线圈B₂,导轨上设置用于承载航天器的转台，转台从导轨一侧从另一侧滑动并穿过两组感应线圈，感应线圈的直径要大于航天器的外部尺寸，从而测得航天器的八个磁矩分量，包括三个偶极磁矩分量和五个四极磁矩分量，并以此计算出航天器的磁心坐标。磁通法磁矩测量技术具有测量精度高、测量速度快、测量方式简便等优点。然而，由于磁通法磁矩测量设备在实际使用中，感应线圈B₁和感应线圈B₂会受到环境磁场波动带来的干扰，使得相应的测量结果值误差增大，而线圈A、C₁、C₂这三个基本不受环境干扰影响。

为此，降低环境磁场波动对航天器磁试验中磁通法测量的影响，提高测量结果的准确性是非常重要的工作，本发明的改进工作即针对中国专利CN 102540110 A技术方案上的再改进。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通过计算磁通法磁矩测量设备中感应线圈B₁和感应线圈B₂的等效线圈面积，并以此将环境磁场波动干扰从磁通法测量数据中消除，进而降低环境磁场干扰对磁通法测量结果影响的方法。

本发明目的是通过如下技术方案实现的：

降低环境磁场干扰对磁通法测量影响的方法，利用磁通法磁矩测量设备中感应线圈B₁和B₂的等效线圈面积，将环境磁场波动数据等效转换为磁通法感应线圈的磁通量数据，并在磁通法所测得磁通量数据中减掉磁场波动带来的磁通量，降低环境磁场波动对磁通法测量的影响。

感应线圈B₁和B₂的等效线圈面积的获得是实现本专利目的的基础，下面对等效线圈面积的计算方法进行了说明。

其中，磁通法磁矩测量所使用的磁通感应线圈结构采用双向串联结构，该结构等效线圈面积不能直接测量，需要通过对同时测量的感应线圈周围磁场波动和磁通量进行计算的方法获得等效线圈面积。

其中，等效线圈面积的计算包括如下步骤(以感应线圈B₁的等效线圈面积计算为例)：

首先，在感应线圈附近放置一台三轴磁强计，磁强计置于线圈B₁和B₂所处两竖立平面的中心平行面上，距离两个感应线圈中轴线的距离需要大于3倍线圈直径，磁强计测量坐标与磁通法磁矩测量设备坐标平行，对于感应线圈B₁,测量y方向磁场(对于感应线圈B₂,测量z方向磁场)；

其次，将空载的磁通法磁矩测量设备转台按照正常测试模式沿导轨从一端运动到另一端，并完成感应线圈B₁的磁通量采集，记为Φ_i，同时利用磁强计完成磁场数据的采集，记为B_i，测量点数为n，其中，i是指测量过程中的第i个测量点；

然后，若采用积分式磁通计进行磁通量测量，需要对Φ_i进行去漂移处理，处理方法见公式(1)，Φ′_i为去漂移后的磁通量测量值：

Φ′_i＝Φ_i-Φ₁-(i-1)(Φ_n-Φ₁)/(n-1) (1)

最后，将上述数据代入公式(2)进行计算，当变量s取某一值能够使得磁通量测量值和等效值的平方差ε值最小时，该s值就是感应线圈B₁的等效线圈面积，记为s_B1。

其中，

是磁场的均值。s是一个具有面积物理意义的变量；ε是磁通量测量值和等效面积为s时磁通量等效值的平方差；n是磁通量测量点个数。

通过上述方法，将感应线圈B₁换成B₂，磁场方向从y方向变成z方向磁场，可以计算出感应线圈B₂的等效线圈面积，记为s_B2。对于一套磁通法磁矩测量设备，s_B1和s_B2是个恒定值，在设备研制完成后计算标定一次即可，后期可定期标检。

获得设备的等效线圈面积后，在设备使用中，降低环境波动对磁通法磁矩测量的影响包括如下步骤：

首先，在磁通法磁矩测量设备附近放置一台三轴磁强计，其设置方法与计算等效线圈面积时的设置方法相同。

然后，将载有被测航天器的转台按照正常测试模式沿导轨从一端运动到另一端，并完成感应线圈的磁通量采集，测量点数为n。感应线圈B₁和B₂的所测磁通量利用公式(1)去漂移后记为Φ_B1-i和Φ_B2-i，同时利用磁强计完成磁场数据的采集，记为B_yi和B_zi，其中，i是指测量过程中的第i个测量点。

最后，利用公式(3)和(4)对Φ_B1-i和Φ_B2-i进行消噪处理，获得线圈B₁和线圈B₂消噪后的磁通量，并将其作为测量数据进行后续的磁矩计算。

其中，

s_B1是线圈B₁的等效线圈面积，s_B2是线圈B₂的等效线圈面积，n是磁通量的测量点数，也是磁场值的测量个数。

在普通地磁场环境中，由于环境磁场的波动会对磁通法磁矩测量设备中B₁和B₂线圈产生干扰，使得相应的磁矩分量测量结果产生误差。本专利根据磁场波动和感应线圈中磁通量的理论关系，提出了通过实时测量环境磁场波动干扰值，并将磁场干扰值换算成干扰磁通量，最后在磁矩计算中减去干扰磁通量，获得高精度测量结果的方法。

由于一般情况下，磁通法磁矩测量设备周围的环境干扰磁场空间均匀性比较好，监测磁强计所测得的磁场干扰值与感应线圈处的磁场干扰值基本相等。同时，磁场和磁通量是完全线性的关系。因此该方法可以有效的降低环境磁场波动对磁通法磁矩测量带来的误差影响，提高测量精度。

附图说明

图1是本发明的方法中磁通法磁矩测量设备与监测磁强计的位置关系示意图。

其中，1—感应线圈B₁；2—感应线圈B₂；3—导轨；4—转台；5—监测磁强计。

具体实施方式

以下介绍的是作为本发明所述内容的具体实施方式，下面通过具体实施方式对本发明的所述内容作进一步的阐明。当然，描述下列具体实施方式只为示例本发明的不同方面的内容，而不应理解为限制本发明范围。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

参照图1，图1为本发明的方法中磁通法磁矩测量系统与监测磁强计位置示意图，其中，1和2是磁通感应线圈B₁和B₂，用于感应航天器从中通过时产生的磁通量，3是导轨，4是转台，用于承载和水平旋转航天器，5是监测磁强计，用于测量环境干扰磁场的波动变化值。其中，磁通法磁矩测量设备包括纵长的导轨3，分别竖立地套设在导轨中间使导轨从其穿过的感应线圈B₁和感应线圈B₂,导轨上设置用于承载航天器的转台4，转台4从导轨3一侧从另一侧滑动并穿过两组感应线圈1,2，感应线圈1,2的直径要大于航天器的外部尺寸。

下面对降低环境干扰对磁通法测量影响的具体步骤进行详细说明。

第一步，在磁通法磁矩测量设备侧面放置一台三轴磁强计，磁强计测量坐标与磁通法磁矩测量设备坐标平行，磁强计置于线圈B₁和B₂所处两竖立平面的中心平行面上，距离两个感应线圈中轴线的距离需要大于3倍线圈直径。

第二步，启动磁通法磁矩测量设备，启动磁强计数据采集设备。

第三步，打开磁通法磁矩测量系统测试程序，控制空载转台沿导轨从一端运动到另一端，实时采集感应线圈B₁和B₂的磁通量，同时完成磁场数据的采集。

第四步，按照公式(1)，将感应线圈B₁和B₂的磁通量进行去漂移处理。

第五步，按照公式(2)，分别计算感应线圈B₁和B₂的等效线圈面积。

第六步，开始正式磁矩测量，将航天器放到磁通法磁矩测量系统转台上。

第七步，利用磁通法磁矩测量系统测试程序控制转台沿导轨从一端匀速运动到另一端并实时采集五组感应线圈的磁通量，同时采集监测磁强计的磁场数据。

第八步，利用公式(1)、公式(3)和公式(4)对感应线圈B₁和B₂的磁通量数据进行处理。其他三个线圈A、C₁、C₂的磁通量数据仅需做去漂移处理，不需要做降噪处理。

第九步，按照磁通法磁矩计算公式，计算航天器磁矩，参见专利CN 102540110 A。

第十步，试验结束，移走航天器，并关闭相关测量设备。

如果感应线圈B₁和B₂的等效线圈面积已知，则第三步至第五步可以省去。

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，本领域的技术人员可以依据本发明的精神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在未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明保护范围之内。

Claims (4)

1.降低环境磁场干扰对磁通法测量影响的方法，利用磁通法磁矩测量设备中感应线圈B₁和B₂的等效线圈面积，将环境磁场波动数据等效转换为磁通法感应线圈的磁通量数据，并在磁通法所测得磁通量数据中减掉磁场波动带来的磁通量，降低环境磁场波动对磁通法测量的影响，其中，磁通法磁矩测量所使用的磁通感应线圈结构采用双向串联结构，双向串联结构的等效线圈面积不能直接测量，要通过对同时测量的感应线圈周围磁场波动和磁通量进行计算的方法获得等效线圈面积。

2.如权利要求1所述的方法，其中，等效线圈面积的计算包括如下步骤：

首先，在感应线圈附近放置一台三轴磁强计，磁强计置于线圈B₁和B₂所处两竖立平面的中心平行面上，距离两个感应线圈中轴线的距离需要大于3倍线圈直径，磁强计测量坐标与磁通法磁矩测量设备坐标平行，对于感应线圈B₁,测量y方向磁场，其中对于感应线圈B₂,测量z方向磁场；

其次，将空载的磁通法磁矩测量设备转台按照正常测试模式沿导轨从一端运动到另一端，并完成感应线圈B₁的磁通量采集，记为Φ_i，同时利用磁强计完成磁场数据的采集，记为B_i，测量点数为n，其中，i是指测量过程中的第i个测量点；

然后，若采用积分式磁通计进行磁通量测量，需要对Φ_i进行去漂移处理，处理方法见公式(1)，Φ′_i为去漂移后的磁通量测量值：

Φ′_i＝Φ_i-Φ₁-(i-1)(Φ_n-Φ₁)/(n-1) (1)

最后，将上述数据代入公式(2)进行计算，当变量s取某一值使得磁通量测量值和等效值的平方差ε值最小时，该s值就是感应线圈B₁的等效线圈面积，记为s_B1，

其中，

是磁场的均值；s是一个具有面积物理意义的变量；ε是磁通量测量值和等效面积为s时磁通量等效值的平方差；n是磁通量测量点个数；

通过上述方法，将感应线圈B₁换成B₂，磁场方向从y方向变成z方向磁场，计算出感应线圈B₂的等效线圈面积，记为s_B2。

3.如权利要求2所述的方法，其中，对于一套磁通法磁矩测量设备，s_B1和s_B2是个恒定值，在设备研制完成后计算标定一次即可，后期可定期标检。

4.如权利要求3所述的方法，其中，获得设备的等效线圈面积后，在设备使用中，降低环境波动对磁通法磁矩测量的影响包括如下步骤：

首先，在磁通法磁矩测量设备附近放置一台三轴磁强计，其设置方法与计算等效线圈面积时的设置方法相同；

然后，将载有被测航天器的转台按照正常测试模式沿导轨从一端运动到另一端，并完成感应线圈的磁通量采集，测量点数为n，感应线圈B₁和B₂的所测磁通量利用公式(1)去漂移后记为Φ_B1-i和Φ_B2-i，同时利用磁强计完成磁场数据的采集，记为B_yi和B_zi，其中，i是指测量过程中的第i个测量点；

最后，利用公式(3)和(4)对Φ_B1-i和Φ_B2-i进行消噪处理，获得线圈B₁和线圈B₂消噪后的磁通量，并将其作为测量数据进行后续的磁矩计算：

其中，

s_B1是线圈B₁的等效线圈面积，s_B2是线圈B₂的等效线圈面积，n是磁通量的测量点数，也是磁场值的测量个数。

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