CN113985327A - 一种基于多点磁场传感的在轨磁扰动信号监测***及方法 - Google Patents

一种基于多点磁场传感的在轨磁扰动信号监测***及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于多点磁场传感的在轨磁扰动信号监测***及方法。所述监测***为无伸杆高精度弱磁场探测技术，能够实时获得卫星平台的磁扰动探测数据。即在卫星上安装多个磁场传感器，其中主磁场传感器远离卫星本体，以尽量消除或减小平台剩磁影响；剩余磁场传感器安装在卫星平台上。由于每一个电子学单元的工作电流和电流环随着工作状态的改变而出现变化。因此通过卫星平台上安装的多个磁场探测器能够感知平台内电子学单元的电流和电流环的变化，并且能够定位产生电流和电流环变化的位置。此方法可大幅度降低磁场探测的重量需求和研制成本需求。还能够突破卫星平台的剩磁干扰对磁场探测精度的影响，拓展磁场探测的应用范围。适用于卫星平台的剩磁和磁扰动信号的实时获取，也可用于空间磁场测绘、卫星姿态控制、空间站等。

Description

一种基于多点磁场传感的在轨磁扰动信号监测***及方法
技术领域
本发明涉及空间环境测量领域，具体涉及卫星在轨磁场测量技术领域，高精度弱磁场探测技术。适用于卫星平台的在轨故障监测、卫星平台剩磁和磁扰动信号测量、空间磁场测量等。
背景技术
磁场是地球重要的物理场之一，它有复杂的空间结构和时间演化，近地空间磁场延伸到地球周围很远的空间。地磁场存在的空间就是磁层。磁层处于行星际磁场的包围之中，并受其控制。磁场的变化灵敏地反映近地空间环境的变化。它是近地空间环境状态的重要指标。磁层中大部分气体为电离状态。空间磁场及其扰动对它们的分布和行为有决定性影响并起控制作用。例如，等离子体的分区边界几乎都是磁力线组成的。空间磁场环境会影响航天器轨道姿态，还会对磁性仪器的测量精度产生影响。因此，空间磁场环境是航天器的设计过程中必须考虑的重要因素。卫星平台上每一个电子学单元的工作电流和电流环随着工作状态的改变而出现变化。可以通过监测卫星平台的磁场变化监测平台的工作状态。
磁场矢量测量技术不仅获得磁场的总量，还可以探测到磁场的矢量三分量，具有更高的空间分辨率和信息量，是复杂电磁环境下现代多兵种联合作战不可或缺的空间地理要素。在空间探测研究领域，磁通门传感器由于体积小、重量轻、可靠性高，是矢量磁场探测的传统载荷。对于更加关注准确性的磁场测绘卫星，在部署了磁通门磁强计的同时，还会增加基于量子效应的磁场探测载荷进行辅助测量，利用它的标量磁场探测准确性校正磁通门矢量磁场探测结果。随着磁强计探测精度的提高，卫星上的磁强计非常容易感受卫星平台上多个电子学单元的电流变化的影响。
在轨运行期间，卫星本体及载荷单元中电流等不确定因素将会产生多种不稳定干扰磁场。这些干扰磁场与卫星各部件的材料、工作状态、所处的背景磁场和自身的运动姿态等都有关系。卫星平台上每一个电子学单元的工作电流和电流环随着工作状态的改变而出现变化。因此，可以通过监测卫星平台的磁场变化监测平台的工作状态。
本发明提出一种基于多点磁场传感的在轨磁扰动信号监测***及方法。其所设计的多点磁场监测***属无伸杆高精度弱磁场探测技术，能够实时获得卫星平台的磁扰动探测数据。即在卫星上安装多个磁场传感器，其中主磁场传感器远离卫星本体，以尽量消除或减小平台剩磁影响；剩余磁场传感器安装在卫星平台上。由于每一个电子学单元的工作电流和电流环随着工作状态的改变而出现变化。因此通过卫星平台上安装的多个磁场探测器能够感知平台内电子学单元的电流和电流环的变化，并且能够定位产生电流和电流环变化的位置。此方法可大幅度降低磁场探测的重量需求和研制成本需求。还能够突破卫星平台的剩磁干扰对磁场探测精度的影响，拓展磁场探测的应用范围。适用于卫星平台的剩磁和磁扰动信号的实时获取，也可用于空间磁场测绘、卫星姿态控制、空间站等。
本发明结合在轨磁场探测工程实施和技术发展需求,紧跟未来卫星平台的剩磁和磁扰动信号的实时获取的趋势和重点，提出了一种基于多点磁场传感***的在轨磁扰动信号监测技术。
发明内容
1.目的：
本发明提出了一种基于多点磁场传感的在轨磁扰动信号监测***及方法。可用于卫星平台的在轨故障实时监测、卫星平台剩磁和磁扰动信号测量、空间磁场测量，突破卫星平台的在轨磁扰动信号的监测技术，拓展磁场探测的应用范围。本发明提出的基于多点磁场传感的在轨磁扰动信号监测***及方法具有以下优势：
(1)本方法基于多点磁场监测***，提出一种高精度无伸杆在轨磁扰动信号监测技术，可大幅度降低磁场探测的重量需求和研制成本需求。对比现有专用伸杆的磁场测量方法，其可节约成本多达几千万。更重要的是突破卫星平台在轨磁扰动信号的监测技术，拓展磁场探测的应用范围。
(2)本发明可用于卫星平台的工作状态监测。卫星平台内有多个电子学单元在工作，每一个电子学单元的工作电流和电流环随着工作状态的改变而出现变化。通过上述卫星平台上安装的多点磁场监测***能够感知平台内电子学单元的电流和电流环的变化，并且能够定位产生电流和电流环变化的位置。实现卫星平台工作状态监测，满足在轨故障诊断需求。
(3)本发明所提出的监测***，也可用于卫星平台剩磁提取，利用分子电流观点来分析卫星平台的剩磁，测量精度能够达到0.1nT(卫星平台剩磁M＝10Am2)。可实现卫星平台的剩磁和磁扰动信号的测量和提取，磁测精度高。可满足空间站等对磁场探测信号的在轨实时提取的应用需求。
2.技术方案：
本发明提出一种基于多点磁场传感的在轨磁扰动信号监测***及方法。可用于卫星平台的剩磁和磁扰动信号的实时获取，突破卫星平台的剩磁干扰对磁场探测精度的影响。通过上述卫星平台上安装的监测***还可以感知和定位平台内电子学单元的电流和电流环的变化，实现卫星平台工作状态的监测。
一种基于多点磁场传感的在轨磁扰动信号监测***，包括5个磁场传感器，所述磁场传感器安装在卫星上，其中1个磁场传感器为主磁场传感器，安装位置远离卫星本体，来尽量消除或减小平台剩磁，其它所述磁场传感器为副磁场传感器，安装在卫星平台上；
所述主磁场传感器安装在卫星平台的太阳能帆板的中轴线未端位置；
所述副磁场传感器包括副磁场传感器A、副磁场传感器B、副磁场传感器C、副磁场传感器D，所述副磁场传感器C安装在太阳能帆板中轴线与卫星本体连接处，副磁场传感器A和副磁场传感器B安装在太阳能帆板中轴线上所述主磁场传感器和所述副磁场传感器C之间，主磁场传感器与副磁场传感器A、副磁场传感器B、副磁场传感器C四个所述磁场传感器等间隔排列，四个所述磁场传感器的三个机械坐标轴向方向一致，且X轴向重合；所述副磁场传感器D安装在上下顶面的其中一个顶面上，所述副磁场传感器C和所述副磁场传感器D的连线垂直于太阳能帆板中轴线。5个所述磁场传感器上电工作时分别测量所在位置的磁场值。
多点磁场监测***磁场传感器安装如图1所示。
所述监测***还包括中控单元，所述中控单元安装在卫星本体内部，用于接收卫星指令、控制磁场传感器开关机、采集和存储磁场数据、执行在轨磁扰动信号监测、发送磁场探测值等。
所述中控单元采用FPGA作为主控单元，FPGA控制多路ADC对五路磁场传感器进行数字采集，采集的数据经电平转换后传输至FPGA进行存储，执行在轨磁扰动信号监测算法后，实时输出磁场值和卫星平台的剩磁和磁扰动的探测数据。
基于所述检测***的监测方法，包括：
(一)磁场测量数据采集和发送：
当5个所述磁场传感器进入工作状态，同时采集和输出所在位置的实时磁场数据，五个所述磁场传感器的输出端与所述中控单元的输入端相连接。
(二)在轨磁扰动信号监测：
在轨运行期间，所述监测***能够感知平台内电子学单元的电流和电流环的变化，当5个所述磁场传感器的所述实时磁场数据传输至所述中控单元并存储后，将执行在轨磁扰动信号监测算法，所述在轨磁扰动信号监测算法为：所述FPGA预存通过地面定标试验所构建的基于分子电流观点的卫星平台偶极子场模型；所述实时磁场数据与卫星平台偶极子场模型实时比对，监测和发现磁扰动信号；若出现磁扰动信号，利用梯度法再次确认和定位磁扰动发生位置。定位精度在5cm左右，电流变化的探测精度在10mA左右。
附图说明
图1是本发明磁场传感器的安装示意图；
图2是本发明中控单元的硬件电路设计框图；
其中，1是卫星本体；2是太阳能帆板；3是主磁场传感器；4是副磁场传感器A；5是副磁场传感器B；6是副磁场传感器C；7是副磁场传感器D；8是中控单元。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明提出了一种基于多点磁场传感的在轨磁扰动信号监测***及方法。适用于卫星平台的剩磁和磁扰动信号的实时获取，可用于卫星平台故障监测、空间磁场测量、卫星姿态控制、空间站等。
图1是本发明磁场传感器的安装示意图。多点磁场监测***是一种无伸杆高精度弱磁场探测技术，用于实时获取卫星平台的磁扰动和剩磁信号，实时开展卫星平台故障监测。具体包括：
一、构建卫星平台多点磁场监测***。如图1，多点磁场监测***磁场传感器安装示意图所示。在太阳能帆板2的中轴线未端位置安装主磁场传感器3，在太阳能帆板2的中轴线与卫星本体1连接处安装副磁场传感器C6，在太阳能帆板2的中轴线上且主磁场传感器3和副磁场传感器C6之间安装副磁场传感器A4和副磁场传感器B5，主磁场传感器3、副磁场传感器A4、副磁场传感器B5和副磁场传感器C6四者等间距排列，保证主磁场传感器3、副磁场传感器A4、副磁场传感器B5和副磁场传感器C6的三个机械坐标轴向方向一致，要求三个轴向误差均不超过0.01％，且主磁场传感器3、副磁场传感器A4、副磁场传感器B5和副磁场传感器C6的X轴向重合。在卫星本体1的其中一个顶面上安装副磁场传感器D7，副磁场传感器C6和副磁场传感器D7的连线垂直于太阳能帆板2的中轴线。所安装的五个磁场传感器，同时上电，同步开始工作，分别测量所在位置的磁场值。
二、磁场测量数据采集和发送。中控单元8接收卫星指令，控制主磁场传感器3、副磁场传感器A4、副磁场传感器B5、副磁场传感器C6和副磁场传感器D7启动并同时进入工作状态。主磁场传感器3、副磁场传感器A4、副磁场传感器B5、副磁场传感器C6和副磁场传感器D7启动后同时输出所在位置磁场值，中控单元8对主磁场传感器3、副磁场传感器A4、副磁场传感器B5、副磁场传感器C6和副磁场传感器D7输出信号进行数字采集，采集后的数据经电平转换后传输至FPGA存储，执行在轨磁扰动信号监测算法，还实时输出磁场值和卫星平台的磁扰动定位信息等。如图2所示。
三、在轨磁扰动信号监测。中控单元8对上述采集的数据执行在轨磁扰动信号监测算法。算法即：通过地面试验构建了基于卫星平台的偶极子场模型，FPGA将上述所存储的磁场数据与模型实时比对，若发现磁扰动信号，将主磁场传感器3和副磁场传感器A4、副磁场传感器A4和副磁场传感器B5、主磁场传感器3和副磁场传感器B5、副磁场传感器C6和副磁场传感器D7的磁场数据做两两差分计算，并确认和定位磁扰动发生位置。

Claims (5)

1.一种基于多点磁场传感的在轨磁扰动信号监测***，其特征在于，包括至少5个磁场传感器，所述磁场传感器安装在卫星上，其中1个磁场传感器为主磁场传感器，安装位置远离卫星本体，来尽量消除或减小平台剩磁，其它所述磁场传感器为副磁场传感器，安装在卫星平台上。
2.根据权利要求1所述的监测***，其特征在于，所述主磁场传感器安装在卫星平台的太阳能帆板的中轴线未端位置；所述副磁场传感器包括副磁场传感器A、副磁场传感器B、副磁场传感器C、副磁场传感器D，所述副磁场传感器C安装在太阳能帆板中轴线与卫星本体连接处，副磁场传感器A和副磁场传感器B安装在太阳能帆板中轴线上所述主磁场传感器和所述副磁场传感器C之间，主磁场传感器与副磁场传感器A、副磁场传感器B、副磁场传感器C四个所述磁场传感器等间隔排列，三个机械坐标轴向方向一致，且X轴向重合；所述副磁场传感器D安装在上下顶面的其中一个顶面上，所述副磁场传感器C和所述副磁场传感器D的连线垂直于太阳能帆板中轴线，5个所述磁场传感器上电工作时分别测量所在位置的磁场值。
3.根据权利要求1所述的监测***，其特征在于，所述监测***还包括中控单元，所述中控单元安装在卫星本体内部，用于接收卫星指令、控制磁场传感器开关机、采集和存储磁场数据、执行在轨磁扰动信号监测、发送磁场探测值等。
4.根据权利要求3所述的监测***，其特征在于，所述中控单元采用FPGA作为主控单元，FPGA控制多路ADC对五路磁场传感器进行数字采集，采集的数据经电平转换后传输至FPGA进行存储，执行在轨磁扰动信号监测算法后，实时输出磁场值和卫星平台的剩磁和磁扰动的探测数据。
5.基于权利要求1-4所述监测***的监测方法，包括：
（一）磁场测量数据采集和发送：
当所述磁场传感器进入工作状态，同时采集和输出所在位置的实时磁场数据，所述磁场传感器的输出端与所述中控单元的输入端相连接；
（二）在轨磁扰动信号监测：
在轨运行期间，所述监测***能够感知平台内电子学单元的电流和电流环的变化，当所述磁场传感器的所述实时磁场数据传输至所述中控单元并存储后，将执行在轨磁扰动信号监测算法，所述在轨磁扰动信号监测算法为：所述FPGA预存通过地面定标试验所构建的基于分子电流观点的卫星平台偶极子场模型；所述实时磁场数据与卫星平台偶极子场模型实时比对，监测和发现磁扰动信号；若出现磁扰动信号，利用梯度法再次确认和定位磁扰动发生位置，定位精度在5cm左右，电流变化的探测精度在10mA左右。
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Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS62272114A (ja) * 1986-05-20 1987-11-26 Japan Radio Co Ltd Ｇｐｓ航法装置
CN104535941A (zh) * 2014-12-04 2015-04-22 上海卫星装备研究所 一种地磁环境下卫星磁测试外干扰磁场闭环控制方法
CN104335716B (zh) * 2005-07-06 2015-04-29 上海卫星装备研究所 地磁环境磁场中卫星磁矩测量方法
CN105259529A (zh) * 2015-11-23 2016-01-20 上海卫星装备研究所 卫星磁场测试***校准装置及校准方法
CN108802653A (zh) * 2018-06-15 2018-11-13 上海卫星工程研究所 基于地磁场特性的卫星磁强计磁环境分析方法
CN108919368A (zh) * 2018-04-03 2018-11-30 北京航天控制仪器研究所 一种用于消除微小卫星剩磁干扰的***及方法
CN109591804A (zh) * 2018-11-22 2019-04-09 湖南大学 考虑通信时延的车辆队列稳定性控制方法
CN111950144A (zh) * 2020-07-31 2020-11-17 上海卫星工程研究所 一种低剩磁卫星平台布局方法

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS62272114A (ja) * 1986-05-20 1987-11-26 Japan Radio Co Ltd Ｇｐｓ航法装置
CN104335716B (zh) * 2005-07-06 2015-04-29 上海卫星装备研究所 地磁环境磁场中卫星磁矩测量方法
CN104535941A (zh) * 2014-12-04 2015-04-22 上海卫星装备研究所 一种地磁环境下卫星磁测试外干扰磁场闭环控制方法
CN105259529A (zh) * 2015-11-23 2016-01-20 上海卫星装备研究所 卫星磁场测试***校准装置及校准方法
CN108919368A (zh) * 2018-04-03 2018-11-30 北京航天控制仪器研究所 一种用于消除微小卫星剩磁干扰的***及方法
CN108802653A (zh) * 2018-06-15 2018-11-13 上海卫星工程研究所 基于地磁场特性的卫星磁强计磁环境分析方法
CN109591804A (zh) * 2018-11-22 2019-04-09 湖南大学 考虑通信时延的车辆队列稳定性控制方法
CN111950144A (zh) * 2020-07-31 2020-11-17 上海卫星工程研究所 一种低剩磁卫星平台布局方法

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