CN109633494B - 航天器磁场分布信息成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种航天器磁场分布信息成像方法，该方法将磁场测量空间按照航天器尺寸设为正方体，并按需求把正方体表面划分成测量网格，以网格交点作为数据采集点，得到每个测量面的网格点的磁场数据并计算磁场梯度张量信息，从而获得各测量平面磁信息图像；再利用三面法和垂向梯度张量Bzz极值点法得到磁源的坐标位置及磁矩大小；再以磁源所在网格作为输出图像，得到内部各磁源位置的磁信息成像。本发明操作简单，获取的航天器磁信息丰富完整，无论磁场测量精度还是内部磁结构的分辨能力都得到了显著提高。

Description

航天器磁场分布信息成像方法

技术领域

本发明属于航天器磁性分析技术领域，具体涉及航天器产品和小尺度物体的磁信息采集与磁性分析。

背景技术

空间磁场是构成航天器在轨运行环境的要素之一，而航天器自身带有多种磁性部件，表现出一定的磁性，空间磁场对航天器的磁力作用，会严重影响航天器一些重要部件的运转，以及自身的姿态控制，同时会对在轨磁试验产生巨大影响。因此，对航天器的磁性作出准确的描述和评估，使其保持在一定范围内至关重要。

目前，航天器地面磁性试验，主要采用的试验方法有磁偶极子法、赤道法等，这些方法通过测量航天器周围一圈多个位置的磁场信息，计算分析整体磁矩，其结果实为航天器内部多个磁部件的整体效果，不能真实分辨航天器空间磁场和内部磁源磁矩与位置信息，且操作复杂费时。随着航天技术的发展，航天器磁性分析面临更高的要求，这就使得航天器磁测试验不仅要评估整体磁矩，而且还要分析其内部关键磁源与周围磁场的分布情况，提取更加丰富的磁信息，还可以监控主要磁性部件的异常变化。

针对上述问题，需要开发一种全面分析航天器磁场信息的方法，以准确监控航天器磁性部件的异常变化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种航天器空间磁场分布测量方法和航天器磁信息成像方法，该方法利用磁成像数据采集系统，对航天器测量面的磁场信息进行记录和成像，经过计算处理，从而得到航天器丰富、完整的内部、测量面及外部空间的磁信息，然后得到相应磁信息的图像。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

航天器磁场分布信息成像方法，包括以下步骤：

1)将磁信息测量空间按航天器尺寸设置为正方体，设航天器位于正方体内，这样就有了六个测量面，然后设置坐标系，把测量面按需划分成测量网格，网格交点为数据采集点，然后放置于布满磁强计阵列的测量系统中待测；

2)测量每个测量面的网格点的磁场数据，包括磁场总场强度，磁场分量，每个测量平面为包含航天器产品的最小六面体外表面(六个面)，最后利用如下差分法计算磁场梯度张量信息：

其中，B_ij为磁场梯度分量，i，j为坐标x、y、z；B_i为磁场强度分量；

3)根据测量得到每个测量面各网格点的磁场总强度、磁场各分量、以及对应计算得到的磁场梯度张量数据，连接测量面内各网格点磁信息相同的数据，利用插值公式(2)渲染测量面，得到磁场总场强度、磁场分量及磁场梯度张量的平面磁信息图像；

其中，Nn(x)为n次牛顿插值多项式，x为函数Nn(x)的未知数，x₀,x₁…x_n为等距节点坐标，f₀为初始值,f[x₀,x₁…x_x]为n阶均差。

a)、如果能找出三个相邻面，在各自面内找到Bzz极值点，每个面内的极值点个数相同，三点汇合的网格即为磁源位置；

b)、如果三个相邻面Bzz个数不对应，则选择一个极值点最多的面，先确定极值点的坐标，这样可以得到航天器内部磁源在该测量面的水平位置，然后代入下列方程，求z，这样得到磁源的坐标位置；

(x-x₀)B_xx+(y-y₀)B_xy+(z-z₀)B_xz＝-N(B_x-b_x) (3)

其中x₀,y₀,z₀是测量点坐标，x,y,z为磁源位置信息；

4)将每个极值点处计算的磁源位置记录，其中计算位置落入某网格，以所述网格的中心坐标标记位置信息；得到航天器内部各磁源的位置信息后，根据磁场计算公式，计算磁矩大小；

5)以所述网格作为输出图像，得到内部各磁源位置的磁信息成像。

利用该方法，可快速完成测量面磁场总强度、磁场各分量、磁场梯度张量信息采集和图像，通过计算获得航天器测量面磁特性分布，航天器空间磁场和磁矩，及航天器内部磁源分布，相比目前采取的磁偶极子法、赤道法、动态环路法等方法，该方法操作简单，获取的航天器磁信息丰富完整，无论磁场测量精度还是内部磁结构的分辨能力都得到了显著提高。

附图说明

图1是本发明的航天器磁场分布信息成像方法流程图。

图2为本发明的航天器磁场分布信息成像方法中航天器网格化示意图。

图3为本发明的航天器磁场分布信息成像方法中航天器磁场总强度平面成像示意图。

图4为本发明的航天器磁场分布信息成像方法中航天器求解磁源三面法示意图。

图5为本发明的航天器磁场分布信息成像方法中航天器某测量面Bzz成像和极值示意图。

图6为本发明的航天器磁场分布信息成像方法中航天器三维磁源成像结果示意图。

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。

参见图1，图1显示了本发明的航天器磁场分布信息成像方法流程图，本发明的方法包括以下步骤：

将航天器按需划分测量网格，然后放置于测量系统中待测；

测量每个面网格点的磁场数据，包括磁场总场强度，磁场分量，一般测量平面为可包含航天器产品的最小六面体外表面(六个面)，最后利用如下差分法计算磁场梯度张量信息。

连接测量面内网格点相同数据，利用插值法渲染测量面，得到磁场总场强度，磁场分量及磁场梯度张量的平面磁信息图像。

然后计算航天器内部磁源信息：

1、如果能找出三个相邻面，在各自面内找到Bzz极值点，每个面内的极值点个数相同，三点汇合的网格即为磁源位置。

2、如果三个相邻面Bzz个数不对应，则选择一个极值点最多的面，先确定极值点的坐标，这样可以得到航天器内部磁源在该测量面的水平位置，然后代入下列方程，求z，这样得到磁源的坐标位置。

(x-x₀)B_xx+(y-y₀)B_xy+(z-z₀)B_xz＝-N(B_x-b_x) (3)

其中x₀,y₀,z₀是测量点坐标。可以计算出磁源位置信息x,y,z。

将每个极值点处计算的磁源位置记录，其中计算位置落入某网格，以该网格中心坐标标记位置信息(方便计算磁矩)，该网格作为输出图像。

得到航天器内部各磁源的位置信息后，根据磁场计算公式，计算磁矩大小。

具体结合附图而言，包括以下步骤：

第一步，设置航天器正方形测量空间，并按需划分六个面的测量网格，如图2所示，然后放置于测量系统中，建立坐标系，待测；

第二步，由磁传感器阵列测量每个面的网格点磁场信息，磁场梯度张量值由公式(1)近似计算，一般测量六个面(正方体)，测量精度要求越高，测量点越密集；

第三步，连接测量面内网格点磁信息相同的数据，利用插值公式(2)渲染测量面，得到磁场总场强度(如图3所示)，磁场分量及磁场梯度张量的平面磁信息图像；

第四步，找出三个相邻面，在各自面内找到Bzz极值点，保证这三个面内的极值点个数相同，然后三点汇合的网格即为磁源位置，如图4中的1、2、3号磁源极值信息；

第五步，如果三个相邻面Bzz个数不对应，则选择一个极值点最多的面，先确定极值点的坐标，这样可以得到航天器内部磁源在该测量面的水平位置，如图5所示，然后代入方程(3)，求z，这样得到磁源的坐标位置；

第六步，记录每个极值点处计算的磁源位置，其中计算位置落入某网格，以该网格中心坐标标记位置信息(方便计算磁矩)，该网格作为输出图像，如图6所示。

第七步，根据磁场计算公式(4)，计算每个磁源磁矩大小；

第八步，绘制所有图像，输出结果并保存。

本发明通过测量航天器测量面磁场状况，快速获得航天器至少四个面在一定距离下的磁场总强度、磁场各分量、磁场梯度张量信息，从而得到相应磁信息的图像，通过计算获得磁异常的分布位置、磁矩和航天器空间磁场，可为航天器的设计、制造、磁补偿、在轨运行等活动提供宝贵的参考信息，确保了航天器磁特性研究与地面磁试验在新形势下的新需求。

尽管上文对本发明的具体实施方式进行了详细的描述和说明，但应该指明的是，我们可以对上述实施方式进行各种改变和修改，但这些都不脱离本发明的精神和所附的权利要求所记载的范围。

Claims (1)

1.航天器磁场分布信息成像方法，包括以下步骤：

1)将磁信息测量空间按航天器尺寸设置为正方体，设航天器位于正方体内，这样就有了六个测量面，然后设置坐标系，把测量面按需划分成测量网格，网格交点为数据采集点，然后放置于布满磁强计阵列的测量系统中待测；

2)测量每个测量面的网格点的磁场数据，包括磁场总场强度，磁场分量，每个测量平面为包含航天器产品的最小六面体外表面，最后利用如下差分法计算磁场梯度张量信息：

其中，B_ij为磁场梯度分量，i，j为坐标x、y、z；B_i为磁场强度分量；

3)根据测量得到每个测量面各网格点的磁场总强度、磁场各分量、以及对应计算得到的磁场梯度张量数据，连接测量面内各网格点磁信息相同的数据，利用插值公式(2)渲染测量面，得到磁场总场强度、磁场分量及磁场梯度张量的平面磁信息图像；

其中，Nn(x)为n次牛顿插值多项式，x为函数Nn(x)的未知数，f₀为初始值,f[x₀,x₁…x_x]为n阶均差；其中，

a)、如果能找出三个相邻面，在各自面内找到垂向梯度张量Bzz极值点，每个面内的极值点个数相同，三点汇合的网格即为磁源位置；

b)、如果三个相邻面Bzz个数不对应，则选择一个极值点最多的面，先确定极值点的坐标，这样可以得到航天器内部磁源在该测量面的水平位置，然后代入下列方程，求z，这样得到磁源的坐标位置；

(x-x₀)B_xx+(y-y₀)B_xy+(z-z₀)B_xz＝-N(B_x-b_x) (3)

其中x₀,y₀,z₀是测量点坐标，x,y,z为磁源位置信息；

4)将每个极值点处计算的磁源位置记录，其中计算位置落入某网格，以所述网格的中心坐标标记位置信息；得到航天器内部各磁源的位置信息后，根据磁场计算公式，计算磁矩大小；

5)以所述网格作为输出图像，得到内部各磁源位置的磁信息成像。

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