CN112230174B - 一种适应中高轨星载强磁场输出设备的在轨健康确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种适应中高轨星载强磁场输出设备的在轨健康确定方法。按与强磁场输出设备距离最近原则，选取磁敏设备为参考对象，并按其工作原理，选取受磁场影响的性能指标为研究参数。在卫星地面磁试验中依次设置整星不同方向强磁场输出设备加电。采集上述工况磁敏设备位置的磁场测量值和磁敏设备电性能指标遥测值，辨识出磁敏设备位置的主要磁场源。以磁敏设备位置处磁场强度和电性能指标作为输入参数，采用拟合方法建立描述上述两个参数关系的数值模型。选取与地面试验工况对应的卫星在轨工作方式，将磁敏设备的电性能指标在轨遥测值，代入上面建立的数值模型，减去在轨误差项，计算得到所评估强磁场输出设备的在轨磁场特性指标。比较强磁场输出设备在轨磁矩计算值与其性能指标的差异，可确定该设备在轨健康状态。

Description

一种适应中高轨星载强磁场输出设备的在轨健康确定方法

技术领域

本发明涉及一种适应中高轨星载强磁场输出设备的在轨健康确定方法，属于航天器在轨诊断及健康评估技术领域。

背景技术

对于大部分运行在中高地球轨道(轨道高度大于20000km)的导航、通信等领域的航天器来说，频繁利用推力器喷气进行角动量卸载的常规方式将造成平台轨道误差，由此造成依赖高精度星历的载荷无法提供稳定的服务。因此对日常在轨维护期间姿轨控精度和运行寿命(主要涉及推进剂消耗量)的更高需求导致该类卫星只能采用磁力矩器进行动量轮卸载。由于中高地球轨道地磁场强度很低，因此航天器一般在平行本体坐标系三轴方向正交配置多根中等量级磁矩输出的磁力矩器以便完成任务。

磁力矩器基本结构是在柱状软磁合金上绕制一定数量的漆包线，通过控制绕线通过的电流大小从而控制输出磁矩的大小，该磁矩与地磁场相互作用产生控制卫星姿态的磁力矩。星载磁力矩器通电工作时内部漆包线和磁芯产生一个叠加磁场，会对附近安装的磁敏设备的正常工作性能造成影响，且该影响跟上述两者距离的立方成反比。

根据对中高地球轨道航天器磁场环境分析，磁敏设备在轨工作时所处磁场按照磁场强度量级从大到小排列主要有：磁力矩器通电引发的干扰磁场，整星电缆网通电引发的杂散磁场，地磁场。20000km轨道高度的地磁场强度约为6.6×10^-7T，36000km轨道高度的地磁场强度约为1.7×10^-7T，而中高轨道星载输出磁矩为400Am²磁力矩器0.1m处磁场强度达到约6×10^-3T，远大于地磁场强度。

目前对磁力矩器性能评估研究主要集中在地面部件或整星测试期间，评估方法一般是在零磁场环境中，根据磁力矩器工作时地面布置的高斯计对的磁敏设备位置磁场的测量，采用偶极子法或赤道法得出磁力矩器输出磁场和磁矩的性能。磁力矩器极性的检测方法分为地面磁强计测量和在轨对整星单轴消旋期间累计转动动能是否满足阈值判断。由于部分中高轨卫星未配置磁强计，或配置了磁强计但为避免受影响不能与磁力矩器同时开机，磁场测量信息的缺乏导致尚无方法对航天器在轨磁力矩器工作时输出的磁场强度及磁场梯度性能开展评估。

发明内容

本发明的技术解决问题：本发明提出了一种适应中高轨星载强磁场输出设备的在轨健康确定方法。主要解决在中高地球轨道运行的航天器内复杂磁场环境中，在缺少磁场有效测量信息条件下，利用磁敏部件性能参数变化，实现对磁力矩器输出磁场的性能指标稳定状态评估。

本发明通过如下技术方案予以实现：一种适应中高轨星载强磁场输出设备的在轨健康确定方法，步骤如下：

1)根据航天器内部结构布局数据，以不同方位配置的磁力矩器几何中心点所在整星机械坐标系中坐标为基准，按照与磁力矩器的距离由近及远梳理出整星磁敏部件，包含部件名称、类型、部件几何中心点所在机械坐标系中坐标、磁敏指标，并按照距离磁力矩器最近的原则确定典型磁敏电子部件作为研究参考对象；

2)根据磁敏部件类型和工作原理，辨识出受磁场影响显著的性能指标参数和表征该参数的卫星遥测量；

3)在地面零磁试验中设置五类组合工况，按照各种工况下同一磁敏部件位置处，由磁场测量计测得的磁场强度B_{磁敏部件n}，或磁场仿真计算值B_{磁敏部件n}′，辨识出对各个磁敏部件影响最大的磁场源；并记录各工况下磁敏部件表征性能指标参数的遥测值φ_{磁敏部件n}；

4)根据步骤3)中磁场测量计测得的磁敏部件位置处的磁场强度B_{磁敏部件n}和磁敏部件性能参数φ_{磁敏部件n}，采用数据拟合方法，建立表征磁敏部件性能参数与外界磁场关系的数值模型；

5)根据对空间环境平静期在轨磁力矩器未开机时段磁敏部件性能参数的统计，计算得到步骤4)模型的在轨修正项；

6)根据对空间环境平静期在轨磁力矩器开机时段磁敏部件性能参数的统计，计算得到在轨磁力矩器通电产生的磁力矩器在轨输出的磁场强度B_{磁力矩器在轨}；

7)将步骤6)计算出的磁力矩器在轨输出的磁场强度B_{磁力矩器在轨}与步骤3)中地面对应工况测得的磁力矩器输出磁场强度相减，得出磁力矩器在轨工作后输出磁场变化情况；

8)建立磁力矩器输出磁场模型；

9)将步骤6)计算出的磁力矩器在轨输出的磁场强度B_{磁力矩器在轨}代入步骤8)得到的磁力矩器输出磁场模型，计算出磁力矩器磁芯感应场强B_{磁芯感应场}；根据感应场与磁矩的换算关系，计算得出该感应磁场的磁矩M_感应，进而计算得出磁力矩器的输出磁矩M_磁力矩器；将该磁力矩器在轨磁矩计算量与磁力矩器设计磁矩指标进行比较，判断是否处于正常阈值范围内，若不在正常阈值范围内则判定为发生退化，将M_磁力矩器与磁矩指标的偏差量除以磁矩指标即可得该方向磁力矩器输出磁矩退化率。

所述典型磁敏电子部件包括原子钟、行波管、固放、应答机、陀螺、动量轮、配电器。

所述步骤3)的具体过程为：

在地面零磁试验中设置五类组合工况，分别为：

工况1：磁力矩器不工作，地面对卫星集中供电；

工况2：磁力矩器不工作、蓄电池充电，卫星转内电；

工况3：磁力矩器不工作、蓄电池放电，卫星转内电；

工况4：卫星的X、Y、Z不同方向磁力矩器分别单独工作、蓄电池放电，卫星转内电；

工况5：卫星的X、Y、Z任意两个方向磁力矩器同时工作、蓄电池放电，卫星转内电；

按照各种工况下同一磁敏部件位置处，由磁场测量计测得的磁场强度B_{磁敏部件n}，或磁场仿真计算值B_{磁敏部件n}′，辨识出对各个磁敏部件影响最大的磁场源；利用工况4中同一磁敏部件磁场测量值减去工况3中对应部件磁场测量值，确定同一磁敏部件处各方向磁力矩器的磁场大小；记录各工况下磁敏部件表征性能指标参数的遥测值φ_{磁敏部件n}。

所述表征磁敏部件性能参数与外界磁场关系的数值模型具体为：φ_{磁敏部件n}＝f(B_{磁敏部件n})。

所述步骤5)的具体过程为：根据对空间环境平静期在轨磁力矩器未开机时段磁敏部件性能参数的统计，代入步骤4)建立的模型，计算出在轨电缆网通电所引起杂散磁场在磁敏部件处的磁场强度B_在轨，该数值与步骤3)中电缆网通同向电流在磁敏部件处磁场测量值B_地面的偏差，即ΔB＝B_在轨-B_地面，作为步骤4)模型的在轨修正项。

所述步骤6)的具体过程为：根据对空间环境平静期在轨磁力矩器开机时段磁敏部件性能参数的统计，代入步骤4)建立的模型，计算出对应步骤3)中工况4或5下磁敏部件在轨所处磁场的磁场强度B_{磁敏部件在轨}，扣除步骤5)模型计算出的电缆网通电所引起杂散磁场B_{电缆网在轨}和步骤5)给出的在轨修正项ΔB之和，得出在轨磁力矩器通电产生的磁场在磁敏部件处的磁场强度：B_{磁力矩器在轨}＝B_{磁敏部件在轨}-B_{电缆网在轨}-ΔB。

所述磁力矩器输出磁场模型具体为：

B_磁力矩器＝B_螺线管+B_{磁芯感应场}

其中

式中：

N——螺线管匝数；

I——螺线管上的电流；

R₁——螺线管内半径；

R₂——螺线管外半径；

L——螺线管长度。

磁力矩器软磁合金磁芯的感应磁场B_{磁芯感应场}在磁场坐标系下两个分量B_r和B_t分别为：

式中：

x——距棒体中心的距离；

μ₀——磁化率；

R——棒体半径；

L——棒体长度；

M_感应——感应磁场磁矩；

θ——测量点到磁力矩器中心连线与其轴线的夹角；

P——磁力矩器系数。

所述磁力矩器的输出磁矩M_磁力矩器的计算公式为：

M_磁力矩器＝M_感应+M_螺线管＝M_感应+N·π·(R₂-R₁)²·I。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)不用对中高轨磁场复杂环境进行数学解析建模，简化分析对象和分析步骤；

(2)不引入轨道、姿态信息，避免了因航天器轨道和姿态误差导致磁场模型不精确，从而影响评估结果；

(3)采用地面零磁场测量数据拟合方法建立磁敏部件关键性能参数与周围磁场关系，简便快捷，避免地磁场的影响，不考虑磁敏部件本身磁屏蔽性能变化，同时加入在轨数据进行修正，满足了模型的准确性要求；

(4)不依赖在轨磁场测量信息，不受航天器磁测量设备配置性能约束，适用航天器类型范围广。

(5)本发明将地面测试、仿真数据和在轨数据相结合，解决了磁力矩器在轨输出磁场和磁矩性能评估问题，保证了评估有效性。

附图说明

图1是本发明中高轨星载强磁场输出设备的在轨健康诊断流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的实现步骤如下：

(1)根据航天器结构布局数据，如表1梳理出各个方向磁力矩器安装位置附件(对于输出磁矩400Am²的磁力矩器，磁敏部件距离＜1m)磁敏部件及相对磁力矩器几何中心坐标系的位置。

表1

(2)根据部件内所含元器件和材料类型，航天器典型的磁敏部件包括磁强计、配电器、行波管、原子钟、USB应答机、测控固放、陀螺、探测器等。磁敏部件受磁场影响显著的性能参数由单机生产商提供。如陀螺，根据其工作原理，陀螺的零偏为其磁敏关键性能参数。

(3)地面零磁试验中，设置航天器所处零磁场中心磁场强度不高于5nT，采用粘贴在磁敏部件外壳形心附近的高斯计测量磁场，磁场测量仪的测量分辨力不高于0.5nT。

在磁场仿真分析中，根据航天器结构布局建立磁敏部件和磁力矩器位置关系三维模型，将磁力矩器参数和电缆网参数输入磁场分析软件建立整器磁场数值模型。

在零磁试验或磁场仿真分析中航天器的工况可参照表2进行设置。

表2航天器地面零磁试验磁力矩器组合工况表

磁敏部件外界磁场测量结果B_MT或磁场仿真计算结果B'_MT可按表3进行统计，分析得出表4。

表3

表4

(4)设磁敏部件的磁敏性能参数为φ，读取地面零磁试验中表2工况下航天器遥测数据输出的磁敏部件X1性能参数遥测值φ_X1，与表3中记录的X1外界磁场测量值B_X1建立数值拟合关系式φ_X1＝f(B_X1)。以陀螺的零偏参数为例，由于磁场强度与其为正比关系，故按照一次多项式拟合，建立关系式φ_陀螺＝K·B_陀螺+δ₀，其中K为拟合系数，δ₀为固有零偏。

(5)空间无磁暴发生期间，选取航天器所有方向磁力矩器在轨输出均为零磁矩时段，对应表2工况3的磁敏部件X1的性能参数遥测值φ_X1。将该遥测量代入步骤(4)建立的磁敏部件外界磁场模型φ_X1＝f(B_X1)，得到对应表2工况3的磁场强度计算值

将该计算值与步骤(3)中零磁试验中对应表2工况3的磁敏部件磁场测量值B_X1相减，即为磁敏部件X1外界磁场模型的在轨修正量ΔB_X1。其它磁敏部件的磁场模型在轨修正量的求取以此类推。

(6)空间无磁暴发生期间，选取航天器单个方向磁力矩器加电或多个方向磁力矩器同时加电工况下磁敏部件X1的性能参数φ_X1遥测值，代入步骤(4)建立的磁敏部件外界磁场模型φ_X1＝f(B_X1)，可以计算出磁敏部件X1对应工况下的外界磁场强度

减去步骤(5)得出的

和ΔB_X1，即可得到对应工况下磁力矩器通电在磁敏部件X1处产生的磁场强度

其它磁敏部件处磁力矩器磁场模型的求取以此类推。

(7)将在轨单个方向磁力矩器加电或多个方向磁力矩器同时加电工况下通过步骤(6)计算出的磁敏部件X1处磁力矩器磁场

与步骤(3)中零磁场试验对应工况下高斯计测得的磁敏部件X1处磁力矩器磁场B_{MT_X1}相减，可得出对应方向磁力矩器在轨工作后输出磁场变化量ΔB_MT。

(8)建立磁力矩器输出磁场模型见公式(1)，

B_磁力矩器＝B_螺线管+B_{磁芯感应场} (1)

其中

式中：

N——螺线管匝数；

I——螺线管上的电流；

R₁——螺线管内半径；

R₂——螺线管外半径；

L——螺线管长度。

感应磁场B_{磁芯感应场}简化公式如下(令θ＝0)，

(9)将步骤(6)计算得出的磁敏部件X1处某方向磁力矩器磁场

减去步骤(8)中按照公式(2)得出的磁力矩器螺线管磁场B_螺线管，可以得出磁力矩器软磁合金磁芯的感应磁场B_{磁芯感应场}。根据步骤(8)的公式(3)，可以计算得出该感应磁场的磁矩M_感应，代入下面的公式(4)可以计算出磁力矩器总的输出磁矩M_磁力矩器。

M_磁力矩器＝M_感应+M_螺线管＝M_感应+N·π·(R₂-R₁)²·I (4)

通过判断M_磁力矩器是否满足该方向磁力矩器的输出磁矩指标，即可评估得出该方向磁力矩器的在轨健康状态。若M_磁力矩器低于磁矩指标，则将M_磁力矩器与磁矩指标的偏差量除以磁矩指标即可得该方向磁力矩器输出磁矩退化率。

本发明未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种适应中高轨星载强磁场输出设备的在轨健康确定方法，其特征在于步骤如下：

1)根据航天器内部结构布局数据，以不同方向配置的磁力矩器几何中心点所在整星机械坐标系中坐标为基准，按照与磁力矩器的距离由近及远梳理出整星磁敏部件，包含部件名称、类型、部件几何中心点所在机械坐标系中坐标、磁敏指标，并按照距离磁力矩器最近的原则确定典型磁敏电子部件作为研究参考对象；

2)根据磁敏部件类型和工作原理，辨识出受磁场影响显著的性能指标参数和表征该参数的卫星遥测量；

3)在地面零磁试验中设置五类组合工况，按照各种工况下同一磁敏部件位置处，由磁场测量计测得的磁场强度B_{磁敏部件n}，或磁场仿真计算值B_{磁敏部件n}′，辨识出对各个磁敏部件影响最大的磁场源；并记录各工况下磁敏部件表征性能指标参数的遥测值φ_{磁敏部件n}；

4)根据步骤3)中磁场测量计测得的磁敏部件位置处的磁场强度B_{磁敏部件n}和磁敏部件性能参数φ_{磁敏部件n}，采用数据拟合方法，建立表征磁敏部件性能参数与外界磁场关系的数值模型；

5)根据对空间环境平静期在轨磁力矩器未开机时段磁敏部件性能参数的统计，计算得到步骤4)模型的在轨修正项；

6)根据对空间环境平静期在轨磁力矩器开机时段磁敏部件性能参数的统计，计算得到在轨磁力矩器通电产生的磁力矩器在轨输出的磁场强度B_{磁力矩器在轨}；

7)将步骤6)计算出的磁力矩器在轨输出的磁场强度B_{磁力矩器在轨}与步骤3)中地面对应工况测得的磁力矩器输出磁场强度相减，得出磁力矩器在轨工作后输出磁场变化情况；

8)建立磁力矩器输出磁场模型；

9)将步骤6)计算出的磁力矩器在轨输出的磁场强度B_{磁力矩器在轨}代入步骤8) 得到的磁力矩器输出磁场模型，计算出磁力矩器磁芯感应场强B_{磁芯感应场}；根据感应场与磁矩的换算关系，计算得出该感应磁场的磁矩M_感应，进而计算得出磁力矩器的输出磁矩M_磁力矩器；将该磁力矩器在轨磁矩计算量与磁力矩器设计磁矩指标进行比较，判断是否处于正常阈值范围内，若不在正常阈值范围内则判定为发生退化，将M_磁力矩器与磁矩指标的偏差量除以磁矩指标即可得该方向磁力矩器输出磁矩退化率。

2.根据权利要求1所述的一种适应中高轨星载强磁场输出设备的在轨健康确定方法，其特征在于：所述典型磁敏电子部件包括原子钟、行波管、固放、应答机、陀螺、动量轮、配电器。

3.根据权利要求1所述的一种适应中高轨星载强磁场输出设备的在轨健康确定方法，其特征在于：所述步骤3)的具体过程为：

在地面零磁试验中设置五类组合工况，分别为：

工况1：磁力矩器不工作，地面对卫星集中供电；

工况2：磁力矩器不工作、蓄电池充电，卫星转内电；

工况3：磁力矩器不工作、蓄电池放电，卫星转内电；

工况4：卫星的X、Y、Z不同方向磁力矩器分别单独工作、蓄电池放电，卫星转内电；

工况5：卫星的X、Y、Z任意两个方向磁力矩器同时工作、蓄电池放电，卫星转内电；

按照各种工况下同一磁敏部件位置处，由磁场测量计测得的磁场强度B _{磁敏部件n}，或磁场仿真计算值B_{磁敏部件n}′，辨识出对各个磁敏部件影响最大的磁场源；利用工况4中同一磁敏部件磁场测量值减去工况3中对应部件磁场测量值，确定同一磁敏部件处各方向磁力矩器的磁场大小；记录各工况下磁敏部件表征性能指标参数的遥测值φ_{磁敏部件n}。

4.根据权利要求3所述的一种适应中高轨星载强磁场输出设备的在轨健康确定方法，其特征在于：所述表征磁敏部件性能参数与外界磁场关系的数值模型具体为：φ_{磁敏部件n}＝f(B_{磁敏部件n})。

5.根据权利要求3所述的一种适应中高轨星载强磁场输出设备的在轨健康确定方法，其特征在于：所述步骤5)的具体过程为：根据对空间环境平静期在轨磁力矩器未开机时段磁敏部件性能参数的统计，代入步骤4)建立的模型，计算出在轨电缆网通电所引起杂散磁场在磁敏部件处的磁场强度B_在轨，该数值与步骤3)中电缆网通同向电流在磁敏部件处磁场测量值B_地面的偏差，即ΔB＝B_在轨-B_地面，作为步骤4)模型的在轨修正项。

6.根据权利要求5所述的一种适应中高轨星载强磁场输出设备的在轨健康确定方法，其特征在于：所述步骤6)的具体过程为：根据对空间环境平静期在轨磁力矩器开机时段磁敏部件性能参数的统计，代入步骤4)建立的模型，计算出对应步骤3)中工况4或5下磁敏部件在轨所处磁场的磁场强度B_{磁敏部件在轨}，扣除步骤5)模型计算出的电缆网通电所引起杂散磁场B_{电缆网在轨}和步骤5)给出的在轨修正项ΔB之和，得出在轨磁力矩器通电产生的磁场在磁敏部件处的磁场强度：B_{磁力矩器在轨}＝B_{磁敏部件在轨}-B_{电缆网在轨}-ΔB。

7.根据权利要求6所述的一种适应中高轨星载强磁场输出设备的在轨健康确定方法，其特征在于：所述磁力矩器输出磁场模型具体为：

B_磁力矩器＝B_螺线管+B_{磁芯感应场}

其中

式中：

N——螺线管匝数；

I——螺线管上的电流；

R₁——螺线管内半径；

R₂——螺线管外半径；

L——螺线管长度；

磁力矩器软磁合金磁芯的感应磁场B_{磁芯感应场}在磁场坐标系下两个分量B_r和B_t分别为：

式中：

x——距棒体中心的距离；

μ₀——磁化率；

R——棒体半径；

L——棒体长度；

M_感应——感应磁场磁矩；

θ——测量点到磁力矩器中心连线与其轴线的夹角；

P——磁力矩器系数。

8.根据权利要求7所述的一种适应中高轨星载强磁场输出设备的在轨健康确定方法，其特征在于：所述磁力矩器的输出磁矩M_磁力矩器的计算公式为：

M_磁力矩器＝M_感应+M_螺线管＝M_感应+N·π·(R₂-R₁)²·I。

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