3He原子磁强计技术

~3He原子磁强计利用~3He核自旋的拉莫尔进动测量磁场,具有高精度、小体积等特点,可以满足未来网络化磁异常探测对高性能磁强计的需求。围绕~3He原子磁强计的技术特点,重点介绍了该磁强计的基本工作原理及其硬件组成,分析了其理论灵敏度,给出了该磁强计的国内外研究情况,最后对该磁强计技术的未来发展进行了展望。     

用于微小卫星自主导航控制系统地面仿真的磁强计数学模型

对基于磁强计自主导航微小卫星控制系统地面仿真的磁强计数学模型建立进行了研究。给出了地磁场理论数据的生成模型及磁强计的测量模型,并据此建立了磁强计测量数据生成的数学模型。对低轨圆轨道微小卫星的仿真计算结果表明：由该磁强计数学模型获得的磁场强度测量值与文献中真实磁强计测量数据差异很小,验证了模型的有效性和准确性。     

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1nT的准确度.     

面向空间应用的高精度磁阻磁强计设计及性能测试

文章基于磁阻磁强计的工作原理,提出了高精度磁阻磁强计三分量探头和电子电路设计方案:改进磁强计三分量探头结构,以消除三分量磁畴间的相互干扰所引起的测量误差;采用交流耦合和闭环控制工作模式,以消除磁畴排列紊乱带来的影响,稳定磁强计的工作状态。关键性能指标的测试结果表明,磁阻磁强计在1 Hz点处的频谱噪声达到38 pT/(Hz)~(1/2),其噪声性能显著提高。另外,该磁阻磁强计采用微型化结构设计,便于安装,满足微小卫星的空间磁场探测的需求。     

空间环境探测卫星用磁强计误差分析及在线标定

用于探测日地空间磁环境的磁强计多数安装在伸杆的末端,长期受太阳辐射等空间环境干扰力矩以及机动等影响,磁强计安装矩阵随时间发生较大的变化,从而导致卫星定姿精度下降。为此,在分析空间环境干扰力矩和磁强计定姿误差特性的基础上,建立了19维高精度的磁强计误差模型,结合卫星的运动学和姿态动力学特性,采用EKF滤波方法对安装矩阵进行实时估计与修正补偿,并利用该磁强计模型实现卫星的姿态确定,最后利用实验进行验证。实验结果表明,该方法能够在满足星载计算机的计算量要求的同时,在线估计安装矩阵误差,显著提高了磁强计的误差估计精度与定姿精度。     

微小卫星轨道姿态一体化确定算法研究

突破卫星轨道和姿态参数分别确定的传统模式,提出了以三轴磁强计和太阳敏感器为测量元件的轨道姿态一体化确定算法.由于地磁场是时间和位置的函数,而三轴磁强计指向又与卫星姿态相关,所以三轴磁强计的测量值既与轨道有关,又与姿态有关.充分利用磁强计和太阳敏感器的测量值中包含的轨道和姿态信息,推导出卫星轨道姿态一体化确定的扩展卡尔曼滤波算法.在太阳不可见区域,由于太阳敏感器没有输出信息,只采用磁强计为测量敏感器,按传统模式对卫星轨道和姿态分别确定.最后对2种模式下的滤波算法进行数学仿真验证,结果表明该算法的可行性与有效性.     

磁强计在航天器上的应用与前景

随着科学的进步,磁强计已被广泛地应用于航天器.本文首先根据磁强计测量原理的不同,对其进行分类.分别介绍各类磁强计的物理测量原理,描述其特性、精度、适用范围.同时概括目前在航天器得到较广泛应用的磁强计.在此基础上,进一步具体分析磁强计作为卫星载荷、姿态测量和控制以及自主导航轨道计算的方法、作用和特点.然后,针对这三个方面应用指出其在航天器上应用存在主要问题和关键技术.最后,对磁强计在航天器上的应用进行总结.同时对其未来的发展进行展望,磁强计在航天器上仍有着良好发展前景.     

地磁测量卫星的矢量磁场在轨标定算法仿真

以SWARM为代表的高精度地磁测量卫星对地球磁场探测精度经过标定之后优于0.5 nT,对于开展地磁科学研究具有重要意义。地磁测量卫星通过安装在伸展杆上的矢量磁通门磁强计、标量磁强计和高精度星敏感器,获取测量方向的惯性空间姿态的地磁信息,其中高精度标量磁强计主要用于对磁通门矢量磁强计进行标定。针对地磁测量卫星,研究了矢量磁强计在轨测量误差的校正方法。考虑到矢量磁强计非正交角、标度因子以及偏差的影响,建立磁场矢量线性输出模型;结合标量磁强计的测量值分别设计基于小量近似的线性校正算法和基于参数辨识更新的非线性校正算法;校验两种算法的标定精度,并通过Tukey权重函数改善算法的鲁棒性。仿真结果表明,两种算法校正结果相似,磁场三轴误差可校正至0.5 nT以内,在标量磁强计存在异常值时仍具有较好的校正效果。      

基于光纤耦合金刚石NV色心系综磁强计的电路诊断方法

为考查应用新型磁强计——金刚石氮空穴（nitrogen-vacancy, NV）色心系综磁强计进行电路诊断的可行性和可靠性,从金刚石NV色心系综磁强计的基本原理出发,搭建了一套光纤耦合金刚石NV色心系综磁强计测试实验系统,将探头紧贴于电路导线外壳,通过测量磁强计处磁场信号的变化实现对电路的诊断。实验结果表明,金刚石NV色心系综磁强计对电路异常引起的磁场变化响应明显,对电流的分辨率优于50 mA;当探头和导线距离发生变化时,观测信号曲线呈现明显的台阶,空间分辨率优于0.4 mm。本系统采用更加简洁的方案实现了10 μT量级磁场分辨率的性能指标,能够诊断出电路的电流变化并进行精确定位,可广泛应用电路无损检测及可靠性评估。     

基于磁强计的卫星自主定轨

针对低轨小卫星 ,提出一种低成本的自主导航方法。该方法采用一个三轴磁强计作为测量手段 ,通过卫星所在位置的地磁场强度的量测值与国际地磁场模型 (IGRF)之间的差值来提供导航信息 ,利用推广的卡尔曼滤波技术来确定卫星的轨道。仿真研究的结果验证了该方法的可行性。