原子自旋陀螺气室加热电磁噪声抑制实验研究

原子自旋陀螺仪作为目前最新一类陀螺仪,具有超高的理论精度。碱金属气室是原子自旋陀螺仪承载原子自旋的敏感表头。通过电加热使碱金属达到饱和蒸气压,但是电加热过程中会引入电磁干扰等噪声,进而影响原子自旋陀螺仪的精度和灵敏度。为减小碱金属气室加热的电磁噪声对原子自旋陀螺仪的影响,从加热器结构与加热驱动信号2个方面进行了电磁噪声抑制实验研究。设计了具有磁场噪声抑制作用的异形加热膜,使高频正弦波作为加热驱动信号,构建了碱金属气室集成化无磁电加热单元。通过实验验证,系统的等效磁场噪声优于17 fT/Hz1/2,气室内部的温度稳定度优于±0.006 ℃,为原子自旋陀螺仪的性能提升提供了可靠保障。      

火星车磁通门磁强计技术

火星磁场测量是国际火星探测任务的焦点之一,中国首次火星磁测任务通过在巡视器(即火星车)和环绕器上同时搭载磁强计,实现对火星磁场的火–空联合观测。巡视器磁强计载荷选用双探头三轴磁通门磁强计,采用亥姆霍兹补偿线圈型探头技术和全数字闭环反馈电路技术,实现空间磁场的高精度同点测量。单机在设计上考虑了可靠性安全性设计和空间环境适应性设计。经地面标定,单机量程可达到±6.5万nT,噪声水平优于0.01 nT/√Hz,分辨率达到了0.01 nT。     

一种高性能控制力矩陀螺框架控制方法的仿真研究

由控制力矩陀螺群构成的姿态控制系统是目前敏捷卫星实现姿态快速机动和精确控制的最佳选择,而低速框架的控制精度、响应速度与稳定性直接决定了控制力矩陀螺的工作性能.针对敏捷卫星对控制力矩陀螺工作性能的高要求,本文提出了一种框架的高性能控制方案——基于永磁同步电机及磁场定向控制算法,并结合框架角速度观测器的直接驱动控制方案.在框架角速度极低时,为解决角度传感器的分辨率无法满足控制精度要求的问题,引入Luenberger状态观测器获得框架角速度的观测值,并将该观测值引入框架角速度闭环控制系统.理论分析、仿真实验的结果证明了该方案的有效性.随后,针对电机参数漂移对观测值的影响进行了仿真分析,仿真结果证明了基于观测器的角速度闭环控制系统的鲁棒性.     

火星空间环境磁场探测研究

萤火一号卫星将对火星空间环境磁场实施探测. 火星磁场对火星弓激波、磁鞘、电离层、大气等绝大多数空间环境效应都具有重要影响, 萤火一号对火星磁场的探测是通过搭载于其上的科学载荷磁强计来实现的. 此磁强计在工作原理及具体设计上, 考虑了火星轨道严酷的工作环境和科学目标所需的测量要求. 通过装星前的地面标定测试, 验证了萤火一号磁强计可以在-130~75°C温度范围内测量±256 nT以内的磁场, 分辨率可达到0.01 nT, 带宽内总噪声小于0.03 nT, 能够满足萤火一号对火星空间环境探测的需求.      

火星空间环境磁场探测研究——高精度磁强计

萤火一号卫星将对火星空间环境磁场实施探测。火星磁场对火星弓激波、磁鞘、电离层、大气等绝大多数空间环境效应都具有重要影响,萤火一号对火星磁场的探测是通过搭载于其上的科学载荷磁强计来实现的。此磁强计在工作原理及具体设计上,考虑了火星轨道严酷的工作环境和科学目标所需的测量要求。通过装星前的地面标定测试,验证了萤火一号磁强计可以在-130～75℃温度范围内测量±256nT以内的磁场,分辨率可达到0.01 nT,带宽内总噪声小于0.03 nT,能够满足萤火一号对火星空间环境探测的需求。     

电磁监测试验卫星矢量磁场探测方法

电磁监测试验卫星是中国第一颗近地轨道电磁场科学探测试验卫星, 探测空间背景磁场是其重要任务之一. 空间背景磁场探测需要在卫星平台上对空间矢量磁场进行长期稳定准确探测, 电磁监测试验卫星采用磁通门磁强计和基于CPT效应的绝对磁场校准装置(Coupled Dark State Magnetometer, CDSM)分别探测空间相对矢量磁场以及绝对标量磁场, 通过数据处理, 使最终的矢量磁场探测数据具有准确性. 这种数据处理方法在理想模型下拥有解析解, 实施过程中载荷的噪声、 准确度及稳定性影响模型的准确性, 会产生数据校准误差. 通过对在轨磁场探测的模拟确定了这种数据处理方法的性能, 验证了在载荷设计性能的基础上电磁监测试验卫星的磁场探测可以实现1 nT的准确度.      

用于铯光泵磁强计的无磁恒温控制系统设计

针对铯光泵磁强计对原子气室温度高稳定性及无磁干扰的要求，设计了一种用于铯光泵磁强计的无磁恒温控制系统。该系统主要包括无磁加热器件与无磁恒温控制电路。无磁加热器件采用微机电系统工艺的双层对称四线结构，可有效抑制电流产生的磁场；无磁恒温控制电路通过交流加热进一步减小恒定磁场干扰，以现场可编程门阵列为核心，使用直接数字式频率合成技术产生高频加热信号，再经功率放大进行无磁恒温控制，减少硬件电路资源。测试结果表明，气室恒温控制的温度噪声峰峰值可达到0.02 ℃，满足光泵磁强计的性能要求。     

控制力矩陀螺框架控制方法及框架转速测量方法

控制力矩陀螺是一种具有力矩放大特性的惯性执行机构,通常应用于大型航天器姿态控制。近年来,随着相关技术的发展,对基于控制力矩陀螺的中小卫星快速机动平台的需求日益迫切,这不仅需要控制力矩陀螺能够输出大力矩,而且要具有较高的力矩输出精度。本文结合工程实践,提出一种框架转速精度测量方法,以及一种采用正弦永磁同步电机,基于转子磁场定向的矢量控制方案。该框架控制方案中引入摩擦力矩观测器及其补偿算法,在控制回路中通过对摩擦力矩的补偿,可有效提高框架驱动控制系统的稳定性和动态性能。     

原子磁强计原子气室无磁加热温控系统设计

介绍一种用于原子磁强计原子气室的无磁加热温控系统设计。针对温控系统加热电流产生的磁场干扰,设计了双层加热丝加热膜结构的加热器件,该加热器件利用同层平行反向电流和层间平行反向电流产生的磁场相互抵消以减小加热电流磁场噪声;设计了滑动平均滤波器对采集的温度信号实施滤波以减小随机噪声的干扰;结合设计的高频加热信号的产生电路、幅度控制电路和功率放大电路开展了实验测试。测试结果表明,研制的双层加热丝加热膜结构加热器件相比单层加热丝加热膜结构加热器件的电流磁场噪声抑制能力提高了约16倍,实现的无磁加热温控系统的温控能力达到1. 2‰。     

恒定弱磁标准装置设计原理

恒定弱磁标准装置是用来复现高稳定度的恒定弱磁场,并对所复现的弱磁场进行精确测量的装置。恒定弱磁标准装置是由线圈系统、光泵地磁补偿系统、恒流源系统、磁场测量系统等组成。装置采用先进的Cs光泵磁强计补偿技术,在线圈系统的工作区中产生高稳定度的恒定弱磁场,磁场波动均方差小于0.1 nT。通过高稳定度恒流源和线圈系统可以复现1~1.105nT的磁场。通过He-Cs光泵磁共振仪、频率计数器及计算机构成的磁场测量系统可以对所复现的弱磁感应强度量值进行精确的测量,标准测量不确定度为0.07~0.1 nT。     

产生匀强磁场的圆柱形线圈组设计方法

在精密测量和航空航天领域,原子陀螺仪、原子磁强计等对线圈产生磁场的均匀度有很高的要求,而传统的亥姆霍兹线圈磁场均匀度较差,难以满足应用需求。为了设计产生高均匀度磁场的线圈组,基于线圈轴向磁场的泰勒展开式,提出了任意线圈数的圆柱形线圈组参数的计算方法,并给出了9线圈以内的线圈参数,分析了磁场均匀度、线圈尺寸、线圈最大安匝比随线圈个数的变化趋势。结果表明随着线圈个数的增加,均匀区面积几乎线性增大,9线圈组磁场均匀度优于0.01%的区域面积约为亥姆霍兹线圈的30倍。在要求各个线圈由整数匝线圈组成且各匝线圈电流相同的情况下,提出了一种线圈安匝比取整的方法,并给出2~9线圈组的安匝比取整结果,计算结果表明相同线圈个数下设计的线圈组产生磁场的均匀度优于已有文献。以5线圈组为例,对实际线圈组制作工艺产生的误差进行了仿真分析,仿真结果表明,考虑误差的情况下,设计的尺寸和磁场也满足原子陀螺仪、原子磁强计等的实际要求。      

磁屏蔽装置与磁场模拟器的耦合分析

地磁导航半实物仿真是地磁导航从理论走向工程应用的关键环节,而地磁场环境仿真技术是地磁导航由计算机仿真过渡到半实物仿真的桥梁。针对地磁场环境仿真系统中磁屏蔽装置与其内部磁场模拟器的耦合问题,采用仿真分析与实验验证相结合的方法,利用Ansoft Maxwell仿真软件设计仿真实验对二者的耦合关系进行了探索性研究,并基于小型地磁场环境仿真系统对仿真得到的结论进行了实验验证。仿真和实验结果均表明:磁场模拟器在大电流强磁场的工作情况下会对磁屏蔽装置造成严重的磁化,进而会影响其屏蔽效果;磁屏蔽装置不会影响磁场模拟器的线性度和均匀性,但是会增大轴线中心点附近的磁场值;磁屏蔽装置会使磁场模拟器的电感增大,从而使实时性变差。研究结论可以为地磁场环境仿真系统的设计提供理论依据。      

一种磁悬浮飞轮增益预调交叉反馈控制方法

磁悬浮飞轮转子在高转速下表现出的陀螺效应是影响系统稳定性的主要因素.为了提高磁悬浮飞轮的失稳转速,针对陀螺效应引起的系统章动失稳和进动失稳,提出了一种基于转速的增益预调交叉反馈控制方法,针对不同的转速段,建立在线控制相对应的交叉反馈通道增益和带宽参数表,对进动模态和章动模态分别实现交叉相位补偿.采用该控制方法用经典控制理论中的根轨迹法对系统的章动稳定性进行了仿真并对控制参数进行了优化.仿真和实验结果表明,采用这种基于转速的增益预调交叉反馈的控制算法,能够有效地抑制磁悬浮飞轮转子陀螺效应所导致的章动失稳,所设计的磁悬浮飞轮原理样机能够稳定运行在其额定转速30000r/min.      

MEMS谐振器的常用闭环驱动控制方法对比分析

微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)谐振器因其频率输出的特性被广泛应用于多种微机电传感器中。为提高其谐振工作状态的稳定性,普遍采用闭环控制的方法实现MEMS谐振器的静电驱动和检测。本文针对三类主流的MEMS谐振器闭环驱动方法开展研究,即分别对无自动增益控制、直流-交流自动增益控制和交流自动增益控制方法进行了原理分析和仿真建模。通过搭建仿真模型对比了三种闭环驱动控制方法的响应速度和稳幅效果,并总结了各类方法的优缺点。结果表明,无自动增益控制的闭环驱动方法结构简单,引入噪声源较少,稳幅效果较差,易造成谐振器的振动非线性;直流-交流自动增益控制和交流自动增益控制方法响应速度快,稳幅效果好。其中直流-交流自动增益控制方法稳定性好,功耗高,不利于低功耗、小型化发展。交流自动增益控制方法结构简单,但增益模块会导致噪声信号被放大,不利于信噪比的提高。本文的研究为未来对特定谐振器闭环驱动控制方法提供了较为具体的指导意见。     

一种抑制扰动的轴向磁轴承鲁棒控制新方法

从鲁棒稳定性和抑制扰动的动态性能角度,分析了干扰观测器应用到轴向磁轴承时其有效带宽较低的问题,指出磁轴承易受到低频干扰并提出了一种抑制扰动鲁棒控制方法.基于动态分析建立了轴向磁轴承的名义模型,并设计了内环控制的干扰观测器,采用标准H∞问题的方法设计抑制扰动鲁棒控制器作为外环控制.仿真分析与实验说明了该方法能够提高干扰观测器的带宽,同时,实验验证了对于系统参数不确定性具有较强的鲁棒性能,对比单一的控制方法具有良好的抑制扰动能力.     

基于绝对磁场测量的磁通门磁强计在轨标定方法

卫星在轨进行磁场测绘及监测时,需要高精度的磁场值,但由于磁通门磁强计三轴非正交性以及零点漂移所引起的误差大大降低了磁强计的测量精度,因而有必要对此进行校正.本文利用绝对标量磁强计,采用一种改进的最小二乘标定算法,通过不断迭代实现对磁通门三轴正交性和零点漂移的修正.结果表明,在考虑了磁强计本身噪声水平的实际情况下,磁通门磁强计的误差可由100nT左右修正到0.2nT以内.该算法为卫星在轨高精度磁场测量提供了一种可行的方法.      

磁场梯度张量测量法消除卫星磁干扰

在调查了消除卫星本体对磁场探测造成磁干扰的方法基础上,采用磁场梯度张量测量法替代传统的双探头梯度测量法消除卫星磁干扰,通过仿真分析和实测验证重点考察了基于欧拉反褶积算法的构造指数、伸杆长度与背景磁场反演误差之间的关系。仿真结果表明:对于本体边长1 m总剩磁1 A·m2的卫星而言,磁场梯度张量测量法在1~2 m的较短伸杆条件下,背景磁场反演误差较大;在3 m以上的较长伸杆条件下,具有较高的背景磁场反演精度,4 m条件下反演精度约0.5 nT。在长伸杆条件下,磁场梯度张量测量法比双探头梯度测量法的背景磁场反演精度提高约3倍。      

Installation and preliminary data analysis of Penang magnetic data Acquisition system (MAGDAS) in Malaysia

MAGDAS PEN was established on 19th September 2019 as one of the MAGDAS observatory arrays located at Universiti Sains Malaysia (USM) (5.15°, 100.50°). The main objective of the MAGDAS project is to monitor global electromagnetic and the ambient plasma density in the geospace environment. This installation has contributed to a better understanding of the Sun-Earth coupling system. This paper presents the installation process of one of the MAGDAS magnetometers named YU-8 T magnetic sensor and provides a preliminary analysis of geomagnetic HDZ components amplitude-time that was observed at PEN station. A one-month HDZ-geomagnetic field data was processed from 1st November to 30th November 2019. The daily variations with a consistent pattern in delta H geomagnetic field components are observed throughout the day with eastward electric field effects that are observed during solar peak hours. The delta H-component gradually increases around 0700LT and reaches the maximum reading at 1300LT with a range of value ~ 40-70nT. The value slowly decreases that started from 1400LT until the night time. The reading during the night time shows a constant variation with magnitude varies in between ?10nT to + 10nT. The average H-component value of the night time is used as the baseline for the observation system. Overall, the observed trends portray a good sign of solar quiet field and Sq with no solar-terrestrial disturbances.     

Relationship between substorm activity and the interplanetary medium parameters during the main phase of strong magnetic storms

In the present paper dependences of substorm activity on the solar wind velocity and southward component (Bz) of interplanetary magnetic field (IMF) during the main phase of magnetic storms, induced by the CIR and ICME events, is studied. Strong magnetic storms with close values of Dst_min?≈??100?±?10?nT are considered. For the period of 1979–2017 there are selected 26 magnetic storms induced by the CIR and ICME (MC?+?Ejecta) events. It is shown that for the CIR and ICME events the average value of the AE index (AE_aver) at the main phase of magnetic storm correlates with the solar wind electric field. The highest correlation coefficient (r?=?0.73) is observed for the magnetic storms induced by the CIR events. It is found that the AE_aver for magnetic storms induced by ICME events, unlike CIR events, increases with the growth of average value of the southward IMF Bz module. The analysis of dependence between the AE_aver and average value of the solar wind velocity (Vsw_aver) during the main phase of magnetic storm shows that in the CIR events, unlike ICME, the AE_aver correlates on the Vsw_aver.     

Science objectives of the magnetic field experiment onboard Aditya-L1 spacecraft

The Aditya-L1 is first Indian solar mission scheduled to be placed in a halo orbit around the first Lagrangian point (L1) of Sun-Earth system in the year 2018–19. The approved scientific payloads onboard Aditya-L1 spacecraft includes a Fluxgate Digital Magnetometer (FGM) to measure the local magnetic field which is necessary to supplement the outcome of other scientific experiments onboard. The in-situ vector magnetic field data at L1 is essential for better understanding of the data provided by the particle and plasma analysis experiments, onboard Aditya-L1 mission. Also, the dynamics of Coronal Mass Ejections (CMEs) can be better understood with the help of in-situ magnetic field data at the L1 point region. This data will also serve as crucial input for the short lead-time space weather forecasting models.The proposed FGM is a dual range magnetic sensor on a 6?m long boom mounted on the Sun viewing panel deck and configured to deploy along the negative roll direction of the spacecraft. Two sets of sensors (tri-axial each) are proposed to be mounted, one at the tip of boom (6?m from the spacecraft) and other, midway (3?m from the spacecraft). The main science objective of this experiment is to measure the magnitude and nature of the interplanetary magnetic field (IMF) locally and to study the disturbed magnetic conditions and extreme solar events by detecting the CME from Sun as a transient event. The proposed secondary science objectives are to study the impact of interplanetary structures and shock solar wind interaction on geo-space environment and to detect low frequency plasma waves emanating from the solar corona at L1 point. This will provide a better understanding on how the Sun affects interplanetary space.In this paper, we shall give the main scientific objectives of the magnetic field experiment and brief technical details of the FGM onboard Aditya-1 spacecraft.