航天器磁环境试验研究进展

正1引言地球与星际空间的磁环境是影响航天器运行的重要环境之一,其影响程度与航天器自身的磁性大小有关。为满足各种性能要求,航天器需要使用一定量的磁性材料并存在一定的磁场。外界磁场的变化会引起航天器自身磁特性参数的改变,例如科学探测卫星,特别是进行磁场研究的卫星,要对卫星自身磁场加以限制,尤其是磁场监测器安装部位的磁场强度和稳定性的限制,才能保证探测数据的可靠性。对利用磁力矩器进行姿态控制和轨道定位的航天器,需要充     

磁力矩器的刚度控制技术及应用

使用磁力矩器控制俯仰轴带有偏置动量的卫星的姿态时,沿地磁场方向的控制力矩无法保证.刚度控制策略利用磁力矩器产生控制力矩,加速动量矩矢量绕轨道法线方向的旋转速度,使进动控制方向更快的与地磁场方向分离,进入进动控制的有利位置.针对运行在太阳同步轨道的偏置动量卫星,推导了加入刚度控制项后,其俯仰轴磁矩的表达式.利用蚁群算法ACA(Ant Colony Algorithm)对磁力矩器控制策略中进动反馈系数,章动反馈系数,刚度反馈系数3个反馈系数及相关的3个系数进行了寻优,利用优化的结果进行仿真实验.通过比较刚度控制策略和经典控制策略的仿真试验结果,证明在长期外部干扰力矩下,采用刚度控制可以改善进动控制效率,提高姿态控制精度.      

磁罗盘空间特性校准装置研究

磁罗盘在不同地磁场下使用的性能有差异，而常规手段只能对磁罗盘在实验室地磁场环境下的性能进行校准，所[JP2]以其校准结果在实际使用中是有风险的。介绍一种磁罗盘空间特性校准装置，主要由地磁场复现系统和三轴无磁转台组成，地磁场复现系统可模拟地球上不同经纬度和不同离地高度的地磁场，配合作为角度标准器的三轴无磁转台，对磁罗盘在地球上不同地磁场下的性能进行校准，确保磁罗盘在不同空间使用时的量值准确可靠。     

基于磁力矩器的GEO卫星角动量卸载方法

针对GEO卫星的角动量卸载,提出了利用磁力矩器进行卸载的方法.对静止轨道上地球磁场强度进行了分析,对于中国上空的静止轨道区域,静止轨道的磁场主要在卫星Y方向即南北方向,其次在X方向.对开关式磁力矩器的卸载方案进行了研究,列出了卸载需要满足的方程,对方程的解进行了讨论.最后,提出了磁卸载的四个工作模式并进行了仿真,证明该卸载方法具有良好的适用性.     

磁控小卫星周期时变的比例微分控制设计方法

在极地圆轨道上工作的对地定向磁控小卫星,其动力学方程是一个线性周期系统。根据极地轨道地磁场变化的特性,利用卫星的姿态角和姿态角速度作为反馈信号,提出也一种采用磁力矩器的比例微分控制规律设计方法。     

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。      

磁罗盘空间特性校准装置研究

磁罗盘在不同地磁场下使用的性能有差异,而常规手段只能对磁罗盘在实验室地磁场环境下的性能进行校准,所以其校准结果在实际使用中是有风险的。介绍一种磁罗盘空间特性校准装置,主要由地磁场复现系统和三轴无磁转台组成,地磁场复现系统可模拟地球上不同经纬度和不同离地高度的地磁场,配合作为角度标准器的三轴无磁转台,对磁罗盘在地球上不同地磁场下的性能进行校准,确保磁罗盘在不同空间使用时的量值准确可靠。     

低轨航天器磁推进及其能力估算

针对地球空间磁场分布特点,提出可用于实现低轨航天器轨道维持、轨道变更的无质消耗推进技术。从基本的磁学理论出发,建立了带磁航天器在地球空间磁场中的飞行磁推力模型,阐述了通过航天器磁性获取无工质消耗连续推力的磁推进概念和原理,阐明了作用机理,提出了磁力矩解耦的磁力线追踪推力策略,给出了磁推进的能力包络和轨道高度保持与提升的典型估算结果。分析表明,当飞行体磁矩达到10⁶Am²量级以上时,可以有效用于600~1000km范围内轨道高度保持或提升。此外,文章还简要分析了实现高磁矩的技术可行性。     

利用地磁场给飞轮卸载的新方法

通过对圆轨道地磁场强度的变化规律分析 ,将卫星磁力矩器产生的磁矩按傅立叶级数展开 ,根据卫星所需卸载角动量大小 ,按照最优控制理论求出三轴磁矩取值 ,得出飞轮卸载控制律。最后文章给出飞轮卸载稳定性分析和仿真结果 ,表明这种飞轮卸载方法简单而且省能量。     

中国地区MAGSAT卫星标量和矢量磁异常图

使用MAGSAT卫星资料,编绘中国及邻近地区的卫星磁异常图(10°N—60°N,70°E—140°E)。为了提取地壳异常场,必须从观测资料中消除主磁场、磁层场,感应场和电离层场。本文选用GSFC(12/83)地磁场模型,消除主磁场,磁层场和感应场。为了进一步消除电离层场的影响,改善相邻轨道磁异常的一致性,用纬度的二次多项式拟合每一条轨道的初始地壳异常,并从初始地壳磁异常值减去这一拟合值,从而获得最后的地壳异常值(△X,△Y,△Z,△F)。把研究地区分成1°×1°的网格,将每个网格内的磁异常进行平均,以获得网格中心点的异常值。根据这些网点值绘制中国及邻近地区的卫星标量和矢量磁异常图。等值线间隔为2nT。为了检验卫星磁异常图的可靠性,将卫星资料分成黎明组、黄昏组和联合组,分别进行处理和绘制卫星磁异常图。结果表明:根据上述资料绘制的卫星磁异常图有很好的一致性。中国地区的卫星磁异常值位于—10nT—10nT。卫星磁异常与区域构造特征有较好的一致性;塔里木地台、扬子地台和中朝地台是正磁异常区,西藏高原是负磁异常区。卫星磁异常反映出下地壳磁化强度的横向不均匀性。     

三轴稳定地球卫星外形、结构布局的力学设计

三轴稳定地球卫星在轨道上正常运行时,受到的主要外干扰力矩为气动、重力梯度、太阳辐射和电磁力矩。而它们都是由卫星的轨道参数、外形、星上设备的结构布局和磁矩所确定。因此,对要求在不同轨道上工作的卫星,应有不同的外形、结构布局和磁矩的力学设计,使作用在卫星上的外力矩最小,且是静稳定的。本文即汇总一些近年来这方面的工作体会,从对上述四种力矩的计算分析出发,提出四种轨道(400公里以下;400～800公里;1000公里左右;地球同步轨道)高度的卫星外形、结构布局的力学设计。     

国外磁力探测卫星的发展

<正>精确探测磁力场对军事战争,研究地磁场、太阳活动和电离层的相互作用,进一步了解空间环境,以及了解电离层活动对通信和导航卫星的干扰等都具有十分重要的意义。截至目前,国外相继发射了多颗磁力探测卫星,对地核场(主要磁场)、地壳场(异常场、磁异常)、电离层磁场和磁层磁场等地磁场的各个部分进行了全面探测,获取了距地表100km到数千千米范围内的地磁数据,进而建立了精确的全球地磁场模型,形成了卫星地磁学,将地磁学研究向前推进了一大步。     

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。      

高阶重力和力矩对空间太阳能电站运动的影响

相比于传统卫星,空间太阳能电站具有超大的尺寸,高阶重力和重力梯度对其轨道和姿态运动的影响将不能再忽略.文中以地球同步拉普拉斯轨道上的太阳塔式空间太阳能电站为例,研究了在考虑地球扁率的引力场中,高阶重力和力矩对空间太阳能电站姿轨运动的影响.首先将空间太阳能电站的重力势函数进行泰勒展开,并保留至四阶项;然后求出电站所受到的重力和重力梯度力矩,并给出其轨道和姿态运动方程;最后通过数值仿真来分析不同阶次的力和力矩对轨道运动的影响.结果表明:高阶力对卫星轨道的影响较大,可达到百米量级;高阶力矩对卫星姿态运动影响则较小,可忽略不计.     

Alfven波在微电离大气中的衰减特性研究

利用简单的偶极子地磁场模型以及大气电子密度和电导率模式, 分析地面产生的磁扰动以Alfven波的模式传播到近地空间区域. 这种地面的磁扰动可能干扰近地空间卫星对空间磁扰动的观测. 通过对地面磁扰动Alfven波模式1000 km高度内的衰减情况进行模拟, 认为在近地空间采用地磁偶极子模型是合理的. 由于衰减随扰动频率的增大而急剧增强, 分析还得到了近地卫星能够探测到地面磁扰动的最大频率. 计算结果表明, Alfven波的衰减主要集中在高度50 km以下, 这个区域内的大气电导率极其微弱, 使Alfven波的传播受到极大衰减. 0.4 Hz以下的Alfven波沿磁力线传播到1000 km高度后衰减结为原来扰动幅度的千分之一, 因此频率在0.4 Hz以下的Alfven波可能会干扰低轨卫星探测磁场脉动.      

利用TIE-GCM模式计算电离层电流及夜间电离层磁场

电离层电流产生的磁场是地磁场卫星测绘时需要剔除的干扰源.利用电离层热层模式TIE-GCM计算电离层中的中性风、重力驱动和压强梯度等形成的电离层电流的全球分布,分析电流在特定位置产生的磁场及磁场三分量随纬度的变化规律.结果表明,E层尤其是磁赤道和极区的电流密度较大,可达103nA·m-2量级,F层电流密度量级约为10nA·m-2.在磁静日（Kp≤ 1）夜间22:00LT-04:00LT,电离层电流在中低纬度（南北纬50°之间）产生的磁场量级为几个nT,且磁场的南北向分量和径向分量基本大于东西向分量.通过与CHAMP卫星磁测数据分析比较,发现TIE-GCM模式计算电离层干扰磁场在中低纬度可以取得较好的结果,但在高纬度地区的效果不理想,还需进一步改进模式以提高计算精度.      

地磁场模型简化计算方法

为了实现地磁导航在近地轨道卫星上的应用,需要解决传统的高斯球谐函数递推法在计算地磁场强度时存在方法复杂、计算量大、实时性难以保证等问题.针对上述问题,提出一种用地球磁场估计函数代替球谐函数的地磁场强度计算方法.该方法利用伪地心下的磁偶极子模型代替主磁场模型,通过多项式拟合离线得到高度范围内固定经纬度网格点的伪中心距系数,进而利用插值法和偶极子模型得到任意点的地磁场强度.仿真结果表明,轨道高度为300～500km,经纬度网格间隔为0.5°时,地球磁场估计函数法的导航精度与地球主磁场模型WMM精度一致的同时,降低了计算负担,提高了算法计算效率.      

磁异常干扰下基于约束策略的仿生导航方法

地磁场异常将会在导航空间中形成极值区域,扰乱磁趋性运动行为,容易造成基于搜索的地磁仿生导航方法陷入局域极小,使得载体迷失航向难以逃离异常区域,最终导致导航失败。针对这一问题,提出了一种基于行为约束策略的导航搜索方法,通过约束搜索行为强制载体扩大探索范围,进而摆脱异常区域干扰,促使载体进入正常地磁场环境。利用磁趋性统计特征与多目标函数的收敛状态构建行为约束的触发及终止条件,将磁趋性历史数据中较好的样本作为约束行为,实施导航搜索行为约束。伴随载体的移动,实现对进化种群的时序更新,最终引导载体到达目标位置,完成导航任务。仿真结果表明,该方法能够有效克服磁场异常环境对地磁仿生导航的干扰,完成导航任务,并能够有效提高远程自主导航的成功率。      

变卖轨道位置可以休矣

地球赤道上空３５８００千米高度上的地球静止轨道，是广阔的宇宙空间中唯一一条能使卫星保持定点的轨道。这是一种有限的轨道资源。为了避免这种轨道上的卫星信号相互干扰，卫星与卫星之间一般要相隔２°，即使卫星上采取一些先进的防干扰隔离措施，星间距离最小也只能减...     

基于Unscented卡尔曼滤波器的近地卫星磁测自主导航

建立了近地卫星高精度轨道动力学模型和10×10阶地磁场模型,分别以地磁场矢量和强度幅值作为观测量,通过Unscented卡尔曼滤波实现自主导航。在采样周期10s,磁强计测量噪声100nT情况下仿真,仿真结果显示以地磁场矢量为观测量时卫星导航误差在卫星前进方向(切向)、轨道法向、卫星径向的分量分别为1km、0.9km、0.3km,而以地磁场强度幅值为观测量时误差分别为1.6km、1.3km、0.5km。