驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)干擾處理技術(shù)

代佳龍，易 忠，曹 馨，孟立飛，肖 琦，王 斌，劉超波

（1.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094；2.中國(guó)科學(xué)院 地質(zhì)與地球物理研究所，北京 100029）

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)干擾處理技術(shù)

代佳龍1，易 忠1，曹 馨2，孟立飛1，肖 琦1，王 斌1，劉超波1

（1.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094；2.中國(guó)科學(xué)院 地質(zhì)與地球物理研究所，北京 100029）

空間磁場(chǎng)探測(cè)器在工作過(guò)程中會(huì)受到附近其他設(shè)備的磁干擾，影響磁場(chǎng)探測(cè)精度。文章通過(guò)對(duì)磁場(chǎng)探測(cè)器工作環(huán)境的干擾分析，并利用地面設(shè)備模擬磁干擾源進(jìn)行評(píng)價(jià)試驗(yàn)。文章使用小波分析方法對(duì)磁場(chǎng)探測(cè)器的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，評(píng)估驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的電機(jī)工作時(shí)對(duì)磁場(chǎng)探測(cè)器的測(cè)量影響。磁場(chǎng)探測(cè)器通過(guò)多探頭配置及在軌標(biāo)定和數(shù)據(jù)處理等方法，可以對(duì)平臺(tái)的靜態(tài)剩磁及動(dòng)態(tài)磁干擾進(jìn)行有效處理。

磁場(chǎng)探測(cè)器；動(dòng)態(tài)干擾；磁場(chǎng)；小波分析法

0 引言

空間磁場(chǎng)探測(cè)主要是通過(guò)在衛(wèi)星上搭載磁強(qiáng)計(jì)實(shí)現(xiàn)。1958年5月，蘇聯(lián)發(fā)射了世界上首顆磁場(chǎng)探測(cè)衛(wèi)星 Sputnik-3，開(kāi)啟了地球磁場(chǎng)和行星磁場(chǎng)探測(cè)的新階段。1979年，美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局和NASA合作研制的“地磁衛(wèi)星”（MagSat）首次實(shí)現(xiàn)了地磁三分量高精度測(cè)量。20年后，在國(guó)際地磁學(xué)與高層大氣物理學(xué)協(xié)會(huì)（IAGA）發(fā)起的“國(guó)際重力位（重力、磁力）場(chǎng)10年研究”（IDGFR）計(jì)劃下，歐洲主導(dǎo)掀起了新一輪的地磁場(chǎng)探測(cè)高峰，例如1999年2月丹麥發(fā)射了“奧斯特”（Orsted）衛(wèi)星，2000年7月德國(guó)發(fā)射了CHAMP衛(wèi)星等。目前，美國(guó)、俄羅斯、法國(guó)、德國(guó)、澳大利亞、日本、瑞典、南非、巴西和丹麥等國(guó)家都相繼發(fā)射了載有磁場(chǎng)測(cè)量載荷的衛(wèi)星，其中有一些是專用地磁探測(cè)的，一些是利用氣象衛(wèi)星搭載磁場(chǎng)測(cè)量載荷探測(cè)地球高層磁場(chǎng)。

為了保證磁場(chǎng)的精確測(cè)量，主要有兩方面的技術(shù)措施：提高測(cè)量傳感器的靈敏度和消除平臺(tái)及其他設(shè)備帶來(lái)的磁干擾。隨著磁場(chǎng)探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，磁測(cè)儀器性能不斷提高，磁場(chǎng)探測(cè)器的靈敏度已經(jīng)不再是阻礙磁場(chǎng)測(cè)量精度提高的主要因素，而消除平臺(tái)和其他設(shè)備的磁干擾就成為關(guān)鍵[1]。為此要求對(duì)航天器進(jìn)行嚴(yán)格的磁控制設(shè)計(jì)和制造，例如德國(guó) CHAMP衛(wèi)星本體及各個(gè)分系統(tǒng)和載荷通過(guò)嚴(yán)格的設(shè)計(jì)和制造以減小自身磁場(chǎng)[2]。除此之外，目前普遍采用的布置方式是將磁場(chǎng)探測(cè)器的探頭布置于航天器桁架結(jié)構(gòu)或外伸展機(jī)構(gòu)上，并盡可能增加探頭與航天器本體的距離。

本文采用雙磁強(qiáng)計(jì)探頭的梯度測(cè)量方法，通過(guò)地面磁干擾源模擬試驗(yàn)，評(píng)價(jià)該測(cè)量方法的可行性。

1 磁通門探測(cè)技術(shù)

磁通門磁強(qiáng)計(jì)的原理是基于法拉第電磁感應(yīng)定律，利用高磁導(dǎo)率鐵心在交變的過(guò)飽和電磁激勵(lì)下選通鐵心中DC磁場(chǎng)分量，并將DC磁場(chǎng)分量轉(zhuǎn)換為交變電壓輸出值而進(jìn)行磁場(chǎng)測(cè)量。三軸磁通門磁強(qiáng)計(jì)以其測(cè)量靈敏度高、體積小巧、重量輕、可進(jìn)行矢量測(cè)量等特點(diǎn)已廣泛應(yīng)用于磁場(chǎng)的空間探測(cè)，并實(shí)現(xiàn)了科學(xué)探測(cè)目標(biāo)[3-4]。本文所選用的空間磁場(chǎng)探測(cè)器是以三軸磁強(qiáng)計(jì)為主體，探測(cè)器探頭由激勵(lì)線圈、感應(yīng)線圈、反饋線圈及支撐骨架和其他附件組成，如圖1所示。通過(guò)由多組線圈組成的三軸同心嵌套式結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)的高分辨率、寬量程測(cè)量。

圖1 磁傳感器探頭構(gòu)型Fig.1 Probe structure of fluxgate magnetometer

2 空間磁場(chǎng)探測(cè)干擾分析

空間探測(cè)到的磁場(chǎng)包括來(lái)自空間、星球的磁場(chǎng)源和來(lái)自航天器自身的磁場(chǎng)。為了在復(fù)雜背景磁場(chǎng)下獲取目標(biāo)磁場(chǎng)，空間磁場(chǎng)探測(cè)器的磁噪聲控制技術(shù)及背景磁場(chǎng)與待測(cè)磁場(chǎng)分離技術(shù)成為關(guān)鍵。

磁場(chǎng)源按照時(shí)間演化速度和空間分布可視為以下兩部分的疊加：1）近“干擾”源磁場(chǎng)，包括來(lái)自星球磁源和平臺(tái)上的干擾源；2）遠(yuǎn)“干擾”源磁場(chǎng)，主要來(lái)自空間的磁場(chǎng)源。

可采用地面試驗(yàn)標(biāo)定并建模、在軌標(biāo)定及多探頭相關(guān)分析等綜合手段以有效地消除平臺(tái)干擾。

磁場(chǎng)模型修正方法為

其中：Bamb為背景磁場(chǎng)；Bsc為平臺(tái)干擾磁場(chǎng)；下標(biāo)1、2、3分別代表不同的探頭。探測(cè)到的磁場(chǎng)的每個(gè)分量均由背景磁場(chǎng)和平臺(tái)設(shè)備的干擾磁場(chǎng)組成。

可以由下式計(jì)算任意 2個(gè)探頭磁場(chǎng)強(qiáng)度三分量的差異（假設(shè)探頭的零漂已知），即

其中Δ為一個(gè)特定的值。當(dāng)計(jì)算結(jié)果大于Δ時(shí)，我們認(rèn)為這是一個(gè)跳躍值，記錄下次跳躍值。在地面標(biāo)定階段，假定背景場(chǎng)已知，記錄特定工況下探頭之間的畸變。最后制定包含所有狀態(tài)的工況流程圖。

在真實(shí)數(shù)據(jù)處理過(guò)程中，先計(jì)算任意2個(gè)探測(cè)頭之間磁場(chǎng)強(qiáng)度的差異；然后查找磁場(chǎng)跳變，評(píng)估不同工況下的磁場(chǎng)差異，并與工況表之間的差異做對(duì)比，確定離工況表中最近的差異狀態(tài)；重復(fù)此步驟，直到所有跳變均被修復(fù)，最終得到背景場(chǎng)。

3 試驗(yàn)過(guò)程

本試驗(yàn)結(jié)合空間磁場(chǎng)探測(cè)器的真實(shí)工作環(huán)境，以空間探測(cè)器車輪的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)電機(jī)作為干擾源，評(píng)價(jià)電機(jī)工作時(shí)對(duì)磁場(chǎng)探測(cè)器產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)干擾[5-7]。

模擬部分主要包括電機(jī)及其控制裝置，電機(jī)轉(zhuǎn)速在0.1～2 r/s范圍內(nèi)可調(diào)。磁場(chǎng)測(cè)量的采樣頻率為100 Hz，探測(cè)器分辨率為0.1 nT。試驗(yàn)分別在電機(jī)關(guān)機(jī)及工作2種工況下進(jìn)行，磁場(chǎng)探測(cè)器探頭1和探頭2距離電機(jī)分別為0.5 m和1 m，具體試驗(yàn)步驟如下：

1）測(cè)量環(huán)境磁場(chǎng)。在電機(jī)關(guān)閉狀態(tài)下，將探測(cè)器探頭如圖2位置擺放好，1號(hào)、2號(hào)探測(cè)器開(kāi)機(jī)并記錄磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，連續(xù)測(cè)量5 min。

2）測(cè)量電機(jī)工作時(shí)的干擾。保持探頭位置不變，開(kāi)啟電機(jī)，1號(hào)、2號(hào)探測(cè)器開(kāi)機(jī)并記錄磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，連續(xù)測(cè)量5 min。

圖2 模擬干擾試驗(yàn)布置Fig.2 Configuration of the interference simulation test

4 試驗(yàn)結(jié)果

1）電機(jī)關(guān)閉狀態(tài)下的磁場(chǎng)測(cè)量

圖3顯示了電機(jī)關(guān)閉狀態(tài)下連續(xù)測(cè)量3 min的磁場(chǎng)測(cè)量值隨時(shí)間的變化情況，共計(jì) 18 000個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)。其中：上圖中紅線為探頭2（S2）磁場(chǎng)總強(qiáng)度加6544 nT后的值，黑線為探頭1（S1）的測(cè)量值；中圖及下圖分別是探頭2和探頭1磁場(chǎng)測(cè)量值的小波功率譜圖，以不同顏色代表不同時(shí)間、不同頻率的磁場(chǎng)擾動(dòng)功率。從圖3可以看出，2個(gè)探頭的測(cè)量值在電機(jī)關(guān)閉狀態(tài)下保持固定的差值6544 nT。這說(shuō)明磁干擾屬于遠(yuǎn)距離干擾源磁場(chǎng)，對(duì)2個(gè)探頭的影響保持一致。

圖3 電機(jī)關(guān)機(jī)工況下磁場(chǎng)探測(cè)器測(cè)試結(jié)果Fig.3 Test results of the magnetic detector under motor shutdown state

2）電機(jī)開(kāi)啟狀態(tài)下的磁場(chǎng)測(cè)量

電機(jī)開(kāi)啟狀態(tài)下的磁場(chǎng)測(cè)量值隨時(shí)間的變化見(jiàn)圖4。圖線格式與圖3相同：上圖中紅線為探頭2磁場(chǎng)總強(qiáng)度加6570 nT后的值，黑線為探頭1的測(cè)量值；中圖及下圖分別是探頭2和探頭1磁場(chǎng)測(cè)量值的小波功率譜圖，不同顏色代表不同時(shí)間、不同頻率的磁場(chǎng)擾動(dòng)功率。從圖4可以看到：探頭1（上圖黑線）測(cè)量數(shù)據(jù)中磁場(chǎng)擾動(dòng)振幅明顯大于探頭 2的；中圖及下圖的小波功率譜圖上有以0.5 Hz為中心的紅色橫條帶圖案，說(shuō)明磁場(chǎng)擾動(dòng)存在0.5 Hz頻率的周期性。該周期擾動(dòng)在2個(gè)探頭位置的振幅分別為20 nT和5 nT，表明擾動(dòng)對(duì)探頭1影響更明顯，擾動(dòng)的影響與距擾動(dòng)源的距離相關(guān)。據(jù)此可以判斷，該電機(jī)的旋轉(zhuǎn)周期約為2 s。該旋轉(zhuǎn)周期得到了現(xiàn)場(chǎng)電機(jī)試驗(yàn)參數(shù)的驗(yàn)證。

圖4 電機(jī)開(kāi)機(jī)工況下磁場(chǎng)探測(cè)器測(cè)試結(jié)果Fig.4 Test results of the magnetic detector under motor run state

5 數(shù)據(jù)處理結(jié)果

采用本文所述的磁場(chǎng)梯度測(cè)量方法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，繪制小波功率譜圖，如圖5所示。

根據(jù)2個(gè)探頭測(cè)量的磁場(chǎng)值的相關(guān)分析，可以有效地消除電機(jī)對(duì)測(cè)量的磁干擾。根據(jù)單電流源畢奧-薩伐爾定律，在低頻近似下，不同頻率的電流磁場(chǎng)對(duì)應(yīng)成比例。因此，通過(guò)小波分解得到不同頻率上的時(shí)間變化強(qiáng)度比值，可以識(shí)別出干擾源對(duì)2個(gè)探頭在某個(gè)頻率上的比值。對(duì)于試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，就是在圖4中的0.5 Hz處的波動(dòng)值。根據(jù)比值及差值可以消去這個(gè)頻率上的干擾。除此頻率干擾外，還有直流分量的靜態(tài)疊加場(chǎng)?？梢酝ㄟ^(guò)2個(gè)探頭的相關(guān)分析得到探頭 1的去除靜態(tài)干擾的磁場(chǎng)值。圖5顯示了2個(gè)探頭的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)在線標(biāo)定后的分析結(jié)果，其圖線格式與圖3相同。

從圖5可以看到，探頭1測(cè)量值（上欄黑線）不再有0.5 Hz頻率的約20 nT振幅的擾動(dòng)現(xiàn)象，探頭1和探頭2的數(shù)據(jù)趨于一致。

圖5 采用小波分析法處理后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.5 Processed results by the wavelet analysis method

通過(guò)以上分析可以得出，根據(jù)麥克斯韋方程，本方法適用于低頻電流源及直流源的干擾；對(duì)于高頻的干擾，會(huì)有電場(chǎng)項(xiàng)引入，該影響可以根據(jù)2個(gè)探頭間距和電磁擾動(dòng)的特征波長(zhǎng)的關(guān)系來(lái)確定，即探頭間距遠(yuǎn)小于擾動(dòng)波長(zhǎng)。

6 結(jié)論

本文使用小波分析方法對(duì)磁場(chǎng)探測(cè)器的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，評(píng)估驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)真空電機(jī)對(duì)磁場(chǎng)探測(cè)器的測(cè)量干擾。經(jīng)上述試驗(yàn)結(jié)果分析，可以得出以下結(jié)論：

1）空間磁場(chǎng)探測(cè)利用多探頭配置及在軌標(biāo)定和數(shù)據(jù)處理方法，有效去除了平臺(tái)的靜態(tài)剩磁及動(dòng)態(tài)磁干擾；

2）磁場(chǎng)探測(cè)器可以清晰地檢測(cè)到電機(jī)的工作狀態(tài)，包括電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)周期等工作參數(shù)信息；

3）本次試驗(yàn)空間磁場(chǎng)探測(cè)器放置在用于支撐電機(jī)的鋼板上，表明該載荷可以適應(yīng)復(fù)雜的安裝環(huán)境，包括無(wú)規(guī)律鐵磁材料部件分布環(huán)境。

本文提出的使用磁場(chǎng)探測(cè)器處理空間干擾磁場(chǎng)的技術(shù)既可以對(duì)平臺(tái)的靜態(tài)剩磁及動(dòng)態(tài)磁干擾進(jìn)行有效處理，為科學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)，也為磁場(chǎng)反演載荷工作狀況提供了新的思路。

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[1]YIN F, HERMANN L.Recalibration of the CHAMP satellite magnetic field measurements[J].Measurement Science and Technology, 2011, 22: 055101.Doi: 10.1088/0957-0233/22/5/055101

[2]LV J W, YU Z T, HUANG J L, et al.The compensation method of vehicle magnetic interference for the magnetic gradiometer[J].Advances in Mathematical Physics, 2013(2): 1185-1216

[3]PRIMDAHL F.The fluxgate magnetometer[J].Journal of Physics E: Scientific Instruments, 2001,12(4): 241-253

[4]MERAYO J M G, BRAUER P, PRIMDAHL F, et al.Scalar calibration of vector magnetometers[J].Measurement Science & Technology, 2000, 11(2): 120-132

[5]齊燕文.空間磁環(huán)境模擬技術(shù)[J].航天器環(huán)境工程, 2005, 22(1): 19-23 QI Y W.Space magnetic environment simulation technology[J].Spacecraft Environment Engineering, 2005, 22(1): 19-23

[6]劉超波, 易忠, 肖琦.動(dòng)態(tài)環(huán)路法磁矩測(cè)量技術(shù)研究[J].航天器環(huán)境工程, 2012, 29(1): 55-60 LIU C B, YI Z, XIAO Q.Dynamic loop method for measuring the magnetic moment[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2012, 29(1): 55-60

[7]劉超波, 王斌, 陳金剛, 等.磁場(chǎng)全張量測(cè)量計(jì)算方法與誤差分析[J].航天器環(huán)境工程, 2015, 32(1): 63-66 LIU C B, WANG B, CHEN J G, et al.Measurement and calculation of magnetic field full tensor with error analysis[J].Spacecraft Environment Engineering, 2015, 32(1): 63-66

（編輯：許京媛）

A dynamic magnetic interference processing technology for drive mechanism

DAI Jialong1, YI Zhong1, CAO Xin2, MENG Lifei1, XIAO Qi1, WANG Bin1, LIU Chaobo1
(1.Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering, Beijing 100094, China; 2.Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China)

The efficiency of a spaceborne magnetometer is affected by various kinds of interference on the satellite platform.A high-precision detector for the space magnetic field detection is used to evaluate the magnetic disturbance, produced by some drive mechanisms of ground simulated devices in a complex background environment.Magnetic field measurement data are processed by using the wavelet analysis method.With a multi-probe configuration, the calibration on orbit and the data processing method, the space magnetic field detector can effectively remove the static remanence of the platform and the dynamic magnetic disturbance.

magnetometer; dynamic interference; magnetic field; wavelet analysis method

O441.5

：A

：1673-1379(2016)06-0676-04

10.3969/j.issn.1673-1379.2016.06.019

代佳龍（1984—），男，碩士學(xué)位，主要從事磁場(chǎng)探測(cè)載荷研制與海洋磁場(chǎng)分析工作。E-mail: daijialong@163.com。

2016-07-26；

：2016-12-13

國(guó)家重大科技專項(xiàng)工程