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。     

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。     

地磁场中卫星不侧置态下磁矩测试方法

对地磁场中卫星不倒置状态下分离卫星Z分量磁矩的测试及数据处理方法进行了研究。利用地球磁场方向特征、卫星剩磁矩与感磁矩在不同测量状态和测量过程中的变化,确定卫星Z分量磁矩含地磁垂直向感磁影响与不含地磁垂直向感磁影响的比例关系,基于积累的不同卫星水平和垂直向的磁测试数据,用近场法计算,获得了卫星Z分量的感磁系数。试验表明:用该法测得的Z分量磁矩测量相对误差不大于30%,工程上有较高的实用价值。     

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。     

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%。     

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。     

大口径非球面加工中最接近参考球面的精确计算

摆臂轮廓测量技术要求将摆臂精准的装调至待检测非球面的最接近参考球面上，需要精确确定非球面的最接近参考球半径及球心位置，而常规的近似法、精确公式法以及最小二乘法不能满足计算的精度和效率等要求。为了弥补现有算法的不足，文章介绍了一种分阶段逼近最接近参考球半径的计算方法，该算法在最小二乘法的基础上，通过精确线搜索技术以及牛顿迭代法，实现了最接近参考球半径求解的高精度、高效率，并且应用于大口径非球面计算时迭代效率有了较大提高。计算实例结果显示，该算法满足摆臂测量时大口径非球面的最接近参考球半径的求解要求。     

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。     

基于电磁力的集群航天器磁矩最优分配

针对期望控制力到各航天器各轴线圈电流的磁矩分配问题,提出了一种基于电磁力的集群航天器磁矩最优分配方法,将磁矩分配问题转化为一个有约束的非线性优化问题,采用模拟退火算法实现两航天器各轴线圈中电流的最优分配,使包括地磁场干扰力矩和航天器之间干扰力矩的总干扰力矩最小。仿真分析验证了该方法能够通过电流的最优分配,实现磁矩最优分配,进而实现电磁力最优分配,耗能均衡,且能够更加快速得到电流的最优分配。     

立方星带芯磁力矩器多目标优化设计与实现

针对立方星体积与功耗存在限制的情况下,如何得到磁矩大而体积小、重量轻、功耗低的带芯磁力矩器这一问题,采用多目标优化的方法进行磁力矩器的设计。首先,按照圆柱型磁芯上缠绕多层漆包线的结构,分别推导了磁矩、功耗与磁芯尺寸、漆包线直径以及绕线匝数之间的数学模型。其次,根据磁矩与功耗的数学模型,在质量与体积均存在约束的情况下,采用遗传算法对磁力矩器进行多目标优化设计。再次,根据带芯磁力矩器的磁感应强度与磁矩之间的关系,设计了磁矩的测试方法。最终,将所设计的参数进行了具体实现。对磁力矩器的测试结果可以看出,所设计的磁力矩器不仅输出磁矩线性度高、剩磁小,而且满足立方星标准的要求。所设计的磁力矩器在多颗立方星上的成功应用表明了该设计方案的有效性。     

The use of refined model of aerodynamic moment in the problem of reconstruction of the <Emphasis Type="Italic">Foton</Emphasis> satellite rotational motion

A new mathematical model of the uncontrolled rotational motion of the Foton satellite is presented. The model is based on the Euler dynamic equations of rigid body motion and takes into account the action upon the satellite of four external mechanical moments: gravitational, restoring aerodynamic, moment with constant components in the satellite-fixed coordinate system, and moment arising due to interaction of the Earth’s magnetic field with the satellite’s proper magnetic moment. To calculate the aerodynamic moment a special geometrical model of the outer satellite shell is used. Detailed form of the formulas giving above-mentioned moments in the equations of satellite motion is agreed with the form of the considered motion. Model testing is performed by determining with its help the rotational motion of the Foton M-2 satellite (it was in orbit from May 31, 2005 to June 16, 2005) using the data of the onboard measurements of the Earth’s magnetic field strength. The use of the new model has led to a relatively small improvement in the accuracy of the motion determination, but allowed us to obtain physically real estimates of some parameters.     

Magnetic dipole moment estimation and compensation for an accurate attitude control in nano-satellite missions

Nano-satellites provide space access to broader range of satellite developers and attract interests as an application of the space developments. These days several new nano-satellite missions are proposed with sophisticated objectives such as remote-sensing and observation of astronomical objects. In these advanced missions, some nano-satellites must meet strict attitude requirements for obtaining scientific data or images. For LEO nano-satellite, a magnetic attitude disturbance dominates over other environmental disturbances as a result of small moment of inertia, and this effect should be cancelled for a precise attitude control. This research focuses on how to cancel the magnetic disturbance in orbit. This paper presents a unique method to estimate and compensate the residual magnetic moment, which interacts with the geomagnetic field and causes the magnetic disturbance. An extended Kalman filter is used to estimate the magnetic disturbance. For more practical considerations of the magnetic disturbance compensation, this method has been examined in the PRISM (Pico-satellite for Remote-sensing and Innovative Space Missions). This method will be also used for a nano-astrometry satellite mission. This paper concludes that use of the magnetic disturbance estimation and compensation are useful for nano-satellites missions which require a high accurate attitude control.     

Attitude stabilization of a satellite by magnetic coils

Stabilization problem for a satellite is considered. The only measurement is of the geomagnetic field in the satellite coordinates. The control is carried out by a magnetic moment of current coils (magnetorquers) mounted on the satellite body. The stabilizer constructed in this work solves the problems of magnetic and gravitational stabilization. Qualitative analysis and results of numerical simulation are presented. The results of simulation show that the proposed stabilization system is reliable, and has an appropriate accuracy and does not need powerful sources of energy, and therefore can be used for attitude control of small satellites.     

基于全张量磁场梯度的磁偶极子定位及误差分析

为了对磁偶极子进行高精度的磁性定位,文章从磁偶极子模型出发,推导出磁偶极子的空间坐标与其产生的磁场及磁场梯度之间的关系式;针对模型及关系式,设计了一种全张量磁场梯度传感器,能够一次测量出精确定位所需的9个磁场梯度值和3个磁场强度值;对比仿真结果和实验结果,发现二者具有较好的一致性,证明了该理论模型的有效性。对于磁偶极子,用半径为0.05 m的梯度传感器对磁矩为2 A·m~2的磁偶极子进行定位测量,在0.5~1 m距离内定位误差不大于10%。文章还对定位测量误差的原因进行了分析,包括梯度测量基线距离及传感器半径对定位误差的影响。     

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。     

驱动机构动态磁场干扰处理技术

空间磁场探测器在工作过程中会受到附近其他设备的磁干扰,影响磁场探测精度。文章通过对磁场探测器工作环境的干扰分析,并利用地面设备模拟磁干扰源进行评价试验。文章使用小波分析方法对磁场探测器的测量数据进行处理,评估驱动机构的电机工作时对磁场探测器的测量影响。磁场探测器通过多探头配置及在轨标定和数据处理等方法,可以对平台的静态剩磁及动态磁干扰进行有效处理。     

基于旋翼无人机技术的近地磁测系统

为了提高无人机航空磁探测精度,文章利用大疆六旋翼无人机作为飞行平台,搭载三轴磁通门传感器及相应的数据采集子系统,组建了旋翼无人机磁场测量系统;分析和测量了六旋翼无人机本底磁性分布特征,优化了无磁伸杆的安装位置;采用综合系数法修正了三轴磁通门传感器的误差;最后进行了野外飞行试验,对旋翼无人机磁测系统的整体性能进行验证。结果表明,系统可持续飞行15 min,可有效完成低空磁场探测和磁矩计算,且飞行稳定性能高。文章进一步提出了技术改进方向。该研究可为无人机磁探技术和工程应用提供参考。