在地磁场中做卫星磁测量的几个问题

卫星地面磁测量是卫星环境试验的一个重要组成部分,精确的磁测量必须磁场或可控磁场中做。在没有大型磁设备的情况下,提出在地磁场中做磁测量题。本文分析了在地磁场中做磁测量的特点和影响测量精度的因素,指出了在场中做磁测量的应用范围,测量方法及在测量中应注意的问题,给出了在地磁做磁矩测量的几个试验测量结果。     

OGO和ERS卫星的磁试验

这篇文章描述了在位于 Malibu 的 TRW Malibu 磁试验设备中完成的 OGO 和 ERS 卫星磁特性的试验结果和使用的试验方法。最关心的卫星磁特性是在星载磁探测器位置处的卫星磁场,包括永磁场和感磁场。同时还关心星的"硬"磁场,即永磁场的大小和可以被一般磁化环境引起变化的"软"磁场的大小。一般磁化环境是指卫星在发射进入轨道前,会遇到的磁化环境。另外关心的磁特性是卫星磁场的分布图和位于卫星中心的偶极子矩和高阶的多极子矩,其中包括永磁矩和感磁矩。Malibu 试验室由安装在地下室6.4m 的三轴 Fanselau—Braunbeck 线圈系统和一些试验楼组成。转台位于其中的一座试验楼里,在这座试验楼里给卫星做没有线圈的磁试验。例如,OGO 卫星太大了,不能放入 Fanselau—Braunbeck 线圈系统中,因此就在此试验楼里进行试验。有线圈和没有线圈的试验方法是将卫星相对于固定的三轴磁通门探测器进行两轴旋转。旋转周期要比能觉察到的环境地磁场的变化周期短。可用一个远距离的探测器对地磁场的变化进行补偿,来满足上述的要求。磁通门探测器的输出由多通道 Sanborn 记录仪和 X—Y绘图仪记录,X—Y绘图仪可以立即按比例绘制旋转平面的磁矩大小,还可以给出在卫星座标系中的磁矩方向。卫星再绕另一相互垂直正交轴旋转,记录其数据。从这些数据中可以得到的总的磁矩矢量。ERS 卫星是一个280mm 的八面体,所以很容易将其放入 Fanselau—Braun-beck 线圈系统。在线圈系统中能够分别测量卫星场永磁分量和感磁分量。     

地磁场中测量卫星磁矩的一种新的方法

文章提出了地磁场中测量卫星磁矩的一种新方法。根据国内大部分卫星都不能翻转的情况,首次提出了地磁取向法。这种新方法测试简单,准确度比较高。     

基于标准磁块模型的赤道作图法误差分析

赤道作图法是卫星及其部件磁矩测量和计算的主要方法，其测试结果受到多种因素的影响。文章首先介绍赤道作图法（亦称近场分析法）的基本原理，分析该方法在测量和计算磁矩过程中的部分误差来源；然后基于标准磁块模型研究模型磁偏心距、环境磁场波动与赤道作图法测试误差的关系；同时提出近远场梯度差分的方法以提升磁矩计算结果的准确度。利用改进方法对标准磁块模型进行测量和数据处理的结果表明，该方法的测量（计算）误差可控制在3%以内。     

由磁矩计算磁场强度的公式在航天器磁矩测量中的应用

基于由磁矩计算磁场强度的反立方公式及其一般工程应用,文章提出将反立方公式与球面作图法结合,形成新球面作图法;并重点给出该方法在航天器磁试验磁矩测量中的应用,即在数据采集时应用球面作图法思路,数据处理时应用反立方公式由磁场强度测量值求磁矩.应用该方法对卫星内部有3个点磁矩情况下的总磁矩进行了仿真计算,结果表明,在测量点数...     

卫星磁性仿真模型建立

卫星的磁性仿真主要包括卫星的磁矩仿真计算和卫星周围磁场的仿真计算.这两种仿真计算都是利用卫星部件的实际测量结果对卫星整星的磁矩及周围磁场进行预估.这些预估结果对于卫星整星的磁性设计、磁性测量、磁补偿起到指导作用,对于卫星的磁性控制有重要意义.     

基于能量最优解析解的飞轮磁卸载方法

为改善传统卫星飞轮磁卸载,提出了一种基于能量最优解析解的磁卸载法。根据在轨卫星所处地磁场强度的变化规律,将卫星磁力矩器产生的磁矩作傅里叶级数展开,按卫星飞行一圈所需卸载的角动量由最优控制理论求出三轴磁矩的解析解。证明了该卸载法的稳定性,估算了干扰力矩及其作用,讨论了轨道倾角的影响,并给出了小倾角时的修正飞轮卸载控制律。理论分析和仿真结果表明,该飞轮卸载法简单且节能,效果明显优于传统的磁卸载法。     

强磁暴期间磁尾高速流的多卫星联合观测

使用多时空尺度的多卫星数据研究磁尾高速流,已经取得了很多重要成果。文章介绍了一次持续时间大约为3天的强磁暴期间的地磁台站和多卫星联合观测。IMAGE卫星的极光观测表明有14个孤立亚暴发生。运行在靠近磁尾的CLUSTER星簇（C1、C3卫星）和运行在靠近地球的DSP-1卫星均观测到了多次地向和尾向高速整体流。多卫星联合观测给出了不同位置处地向和尾向高速整体流的分布特征。     

关于磁强计与磁力矩器分时工作方案的研究

鉴于磁力矩器与磁强计同时工作会对磁强计地磁测量精度产生很大影响,本文提出一个磁强计与磁力矩器分时工作的方案,然后比较了卫星姿控系统采用不分时/分时两种方案的差异,最后研究了不同分时比例对卫星姿态控制的影响。通过仿真发现:当姿控系统采用分时方案时,电能消耗较少,早期阶段的控制精度较高,而后期稳态阶段的控制精度则相对较低;随着磁力矩器占用时间比例的下降,卫星姿态控制精度呈抛物线下降,卫星进入稳态控制阶段的时间也大大延长;分时比例存在一个相当大的范围,当在此范围内变化时,卫星姿态控制精度较高且变化幅值不大。此外,研究结果也反映出PD控制律良好的控制能力和鲁棒性。     

动态环路法磁矩测量技术研究

文章提出了一种新的航天器磁矩测量方法——动态环路法。首先,利用高斯电势级数公式建立了航天器的磁性偶极-四极模型。然后,针对模型中的8个磁矩分量,基于动态环路法的基本测量原理,设计了5组磁通感应线圈;根据8个磁矩分量的磁感应强度分布以及5组线圈的具体形状和位置,给出了各磁矩分量的磁通量表达式和利用积分法计算各个磁矩分量的公式。最后,对在推导过程中由于简化带来的近似误差和利用积分法计算公式理论计算误差进行了初步分析。当线圈间隔L为半径r的5%时,近似误差和积分法理论计算误差分别不超过2%和0.17%。结果表明,该方法不但能够获得航天器的磁矩大小并计算出其磁心坐标,而且还具有测量过程简单、测量速度较快以及测量精度高的优点。     

前言

随着空间事业的发展,科学研究和应用卫星将进一步得到发展,对磁敏感的星载探测器将广泛地被采用,长寿命卫星使用磁矩来控制其姿态是节能的控制方案之一,这样对卫星的磁特性测量被提到日程上来。为此,有必要建造一台大型地面磁设备,在卫星四周造成一个模拟的空间磁环境或无磁(零磁)环境,以能对卫星磁特性或星载磁敏感探测器进行精确的测量或标定。为配合地面磁设备的研制,我们再次出版一期有关航天器磁试验的     

某型号卫星磁环境兼容性分析与控制

某型号卫星的主探测器光电倍增管对卫星的磁环境非常敏感,因此卫星的磁兼容分析和磁设计非常重要。文章结合此卫星的特点对整星的磁场和磁矩等磁兼容性进行了分析计算;对载荷的磁屏蔽方案进行了分析和试验,并根据试验结果给出了磁屏蔽的优化方案;通过分析磁兼容性对姿轨控系统的影响,提出了卫星设计的约束条件,最后给出了磁兼容性分析的结论。     

动态环路法磁矩测量系统标定与误差评估

为保证磁矩和磁心位置测量精度,需要对动态环路法磁矩测量系统进行标定。在分析系统测量误差组成及其影响的基础上,提出了对动态环路法磁矩测量系统标定的方法,即采用以不同大小标准磁体为被测对象的标定方案,利用最小二乘法给出了5个标定系数值。通过测量2组用于模拟真实被测对象的组合磁体,评估了标定后动态环路法磁矩测量系统的实际测量性能。结果表明,标定后的动态环路法磁矩测量系统对偶极磁矩的测量误差不大于4.6%,磁心位置测量误差不大于7.2%。     

地磁环境下卫星磁试验中的外干扰磁场控制补偿方法

针对地磁环境下外干扰磁场影响卫星磁试验精度问题,综合分析外干扰源场和卫星近场特性;通过合理布局(包括位置和方式)外干扰磁场监测传感器和卫星磁场采集传感器,增设动态磁场采集的A/D取样扫描频率循环控制、信号统计、滤波、数据拟合等信号处理功能,解决了监测传感器和采集传感器所得到的干扰信号的同步性、等效性、一致性,以及采集传感器信号中卫星真实磁场与干扰磁场之间的不相干性;实现了卫星磁试验的外干扰磁场有效闭环控制、自动跟踪、补偿和修正。通过24 h实时监测,外干扰磁场波动控制在0.5~1.0 n T范围内,获得地磁环境下卫星24 h"准零磁"环境磁试验条件,满足卫星磁试验对磁环境的技术要求。     

根据线性迭加理论实现微小卫星姿态磁控制

根据地磁力矩定向阻尼特性和线性迭加理论,提出仅用磁力矩器实现对地指向微小卫星三轴姿态稳定的控制律。推导了采用迭加补偿,并考虑附加磁矩影响时改进的卫星姿态动力学方程。理论分析和仿真结果表明,该控制律简单、姿态控制精度高。     

低轨微波遥感卫星磁设计及试验验证

分析了低轨微波遥感卫星主要磁源分布特征,针对微波遥感卫星载荷功率大、装载的收发(TR)组件、有源天线阵、电源及SAR等系统间供电电流回路、接地回路可能产生较大杂散磁矩的因素,提出了一些有效减少大功率微波遥感卫星杂散磁矩的设计方法和工艺措施并进行相关试验验证。测试结果表明:卫星整星接地设计,小型化TR组件及有源天线阵、星体内电缆等结构工艺布局和走线设计合理;显著地减少了整星静态永磁矩、动态场杂散磁矩,卫星磁矩满足指标要求。     

磁力矩器在高低温变化环境下工作磁矩实时测试方法

采用赤道作图法等常规磁矩测试方法无法实现磁力矩器在热真空、热循环等空间环境模拟试验过程中的磁矩监测。针对这种情况,文章提出了一种通过磁通反演磁矩的测试方法。该方法通过建立磁力矩器的磁矩与通过测试线圈的磁通之间的对应关系数据库,进而根据测得的测试线圈内的磁通值来间接地得到磁力矩器的磁矩值,从而实现了磁力矩器在高低温变化环境下的磁矩实时测试。     

微小卫星磁测自主导航方法

本文提出了使用磁测方法实现近地微小卫星自主导航的方法，利用实时地磁场测量数据与根据ＩＧＲＦ计算出的地磁声数据之差作为新息量，使用推广Ｋａｌｍａｎ滤波算法确定卫星的位置和速度。给出了三种导航滤波算法。并使用模拟数据和ＭＡＧＳＴＡ卫星实测数据进行了仿真研究，证明了方法的有效性和实用性。     

航天器磁力矩器在高低温环境下工作性能变化

文章通过热梯度试验、冷热循环试验和老炼试验模拟航天器磁力矩器所经历的空间温度环境,并采用磁力矩器工作性能监测系统实时测量磁力矩器的工作磁矩和绕线电阻。通过对测试结果的分析发现,不同的温度环境、冷热循环时间和循环次数均会对磁力矩器的工作性能产生影响;且磁力矩器采用的磁心棒材料不同,空间温度环境对磁力矩器工作性能的影响不同。     

一种航天器磁特征全息成像方法

为准确描述和评估航天器的磁特性,建立航天器网格化磁模型,提出航天器磁场信息成像方法。利用立体阵列扫描系统,对航天器测量面的磁场信息进行采集和计算,联合磁梯度张量的模量极值和欧拉反演法确定其内部磁源的水平位置和深度,实现航天器内部、探测面和空间磁信息的可视化分析和展示。航天器模型（格距10 cm）三点磁源试验和计算结果显示,该方法对内部磁源单方向定位偏差小于0.05 m,单方向磁矩偏差小于0.02 A?m2;空间磁场强度和磁矩误差均小于5%。该方法为快速获取类长方体形航天器的磁信息提供了一种新的工程实践手段。