衛(wèi)星磁載荷現(xiàn)場校準(zhǔn)技術(shù)研究

翟晶晶 李 享 張海波

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七一○研究所，國防科技工業(yè)弱磁一級計(jì)量站，湖北宜昌 443003)

1 引 言

近地空間磁場探測一直是空間科學(xué)探測的主要領(lǐng)域之一，已經(jīng)有近五十年的歷史。通過衛(wèi)星磁測，人們在很短的時間里，就能取得整個地球磁場的資料。根據(jù)衛(wèi)星磁測資料，可以建立全球范圍的地磁場模型，研究全球范圍的磁異常，并可以研究地磁場的空間結(jié)構(gòu)[1]。我國在“雙星計(jì)劃”“風(fēng)云四號”“螢火蟲一號”“張衡星”等衛(wèi)星上搭載有磁通門磁傳感器、標(biāo)量磁強(qiáng)計(jì)等磁場探測載荷，對空間磁場進(jìn)行測試。為了保證磁場探測載荷在衛(wèi)星主體上安裝完成后及發(fā)射后可正常開展工作，測試數(shù)據(jù)可信，需要在磁場探測載荷研制的各個階段：電性件、鑒定件、正樣件等對其性能進(jìn)行校準(zhǔn)。

目前的校準(zhǔn)體系可在磁場探測載荷的初樣、正樣階段提供校準(zhǔn)服務(wù)，但在衛(wèi)星總體裝配完成后，整星電測、整星大型試驗(yàn)階段、模擬飛行試驗(yàn)階段尚無測試設(shè)備，不能對磁場探測載荷的性能指標(biāo)進(jìn)行現(xiàn)場校準(zhǔn)。

本文針對衛(wèi)星總裝完成后的測試提供穩(wěn)定的磁場環(huán)境及校準(zhǔn)手段，為磁場探測載荷提供計(jì)量保障。

2 衛(wèi)星磁載荷現(xiàn)場校準(zhǔn)裝置的組成及工作原理

2.1 校準(zhǔn)裝置組成

衛(wèi)星磁場探測載荷現(xiàn)場校準(zhǔn)裝置主要由拆分式磁場線圈、交直流激勵系統(tǒng)、三維調(diào)節(jié)支架、測試系統(tǒng)等組成，現(xiàn)場校準(zhǔn)裝置示意圖如圖1所示。在進(jìn)行現(xiàn)場校準(zhǔn)工作時，由交直流激勵系統(tǒng)激勵拆分式磁場線圈，產(chǎn)生校準(zhǔn)需要的標(biāo)準(zhǔn)磁場，三維調(diào)節(jié)支架可進(jìn)行三維調(diào)節(jié)，在校準(zhǔn)過程中可用于磁傳感器對軸，測試系統(tǒng)測量線圈繞組通過的電流值，計(jì)算得到標(biāo)準(zhǔn)磁場，校準(zhǔn)磁通門磁傳感器的靈敏度、線性度、頻率響應(yīng)特性等技術(shù)指標(biāo)。

圖1 現(xiàn)場校準(zhǔn)裝置示意圖Fig.1 On-site calibration device sketch

2.2 工作原理

測試時，將線圈置于導(dǎo)軌上，保持拆分式狀態(tài)，并鎖定線圈，防止線圈晃動；線圈安放穩(wěn)固后同時調(diào)節(jié)兩個三角支架的高度，使線圈緩慢勻速升高，接近伸桿高度；當(dāng)線圈接近衛(wèi)星伸桿時，調(diào)整三角支架的位置使被校磁傳感器位于線圈中心；搖動支架中軸齒輪，繼續(xù)升高線圈高度，使得被校磁傳感器置于線圈中心。線圈到達(dá)預(yù)定高度后，鎖定三角支架的高度，然后繼續(xù)調(diào)節(jié)三角支架，使得被校磁傳感器的被測軸與線圈磁軸基本重合；最后合攏線圈，并鎖定。

線圈安裝到位后，與激勵系統(tǒng)連接，通過改變激勵系統(tǒng)的電流實(shí)現(xiàn)任意方向、任意大小磁場的復(fù)現(xiàn)，對磁載荷進(jìn)行校準(zhǔn)。工作狀態(tài)下的校準(zhǔn)裝置如圖2所示。

圖2 工作狀態(tài)下的校準(zhǔn)裝置示意圖Fig.2 Calibration device under working condition

3 校準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)過程

3.1 拆分式磁場線圈

在整星測試時，磁通門磁傳感器、標(biāo)量磁強(qiáng)計(jì)的安裝位置如圖3所示，受吊裝線的影響，在對磁通門磁傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)時，磁場線圈需要穿過吊裝線，因此磁場線圈需要設(shè)計(jì)為可拆卸式。拆分式磁場線圈主要功能是產(chǎn)生均勻的磁場環(huán)境，具有可拆卸、可移動的特點(diǎn)。

圖3 衛(wèi)星磁場探測載荷安裝環(huán)境示意圖Fig.3 Schematic diagram of installation environment for satellite magnetic field detection load

1)基本原理

根據(jù)畢奧-薩瓦(Biot-Savart)定律[2]，圓形線圈軸線上與中心點(diǎn)相距x處的磁場大小為

(1)

式中：B——線圈軸線上距離中心點(diǎn)x處的磁場大小，T；I——線圈通過的電流，A；R——線圈繞組半徑，m；x——線圈軸線上某一點(diǎn)距離中心點(diǎn)的長度，m。

根據(jù)此基本定律，如圖4所示的兩圓形線圈，軸線上任一點(diǎn)P的磁場大小為[3]

圖4 亥姆霍茲線圈Fig.4 Helmholtz coil

(2)

式中：D——兩圓形線圈的間距，m；x——點(diǎn)P與中心點(diǎn)的距離，m。

中心點(diǎn)附近某一點(diǎn)P(r,θ)處的磁場均勻度為[4]

(3)

(4)

(5)

(6)

為了提高均勻度，可令其高階磁場系數(shù)為零，即令L2(β)=0，有

(7)

解為

(8)

或

R=D

(9)

滿足以上條件的一對圓環(huán)線圈即為亥姆霍茲線圈。亥姆霍茲線圈結(jié)構(gòu)簡單，尤其在制作三維磁場線圈時，更易于工藝實(shí)施，比如加工、定位、組裝等。經(jīng)過計(jì)算，在r/R=0.1條件下，亥姆霍茲線圈的均勻性誤差能達(dá)到10-4，可以滿足一般情況下的磁場復(fù)現(xiàn)均勻性需求[6]。

2)線圈結(jié)構(gòu)

基于亥姆霍茲線圈簡單的結(jié)構(gòu)，對其做可拆卸設(shè)計(jì)難度較其他結(jié)構(gòu)的線圈較小，斷開的繞組可用接插件連接，因此繞組匝數(shù)需要盡可能的低。

拆分式磁場線圈的設(shè)計(jì)圖如圖5所示。

圖5 拆分式磁場線圈結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure chart of split magnetic field coil

線圈除接插件部分外均由環(huán)氧板、聚甲醛等非金屬材料制作。同時為了方便線圈的拆卸，避免大力拆卸引起的與衛(wèi)星伸桿碰撞、摩擦等事故隱患，在線圈的兩端設(shè)計(jì)了開合凸輪，拆分線圈時掰開凸輪把手，即可分離線圈上下兩部分，此設(shè)計(jì)具有省力、方便等優(yōu)點(diǎn)，在測試過程中也得到了驗(yàn)證，可十分輕便的分離線圈。

3)線圈參數(shù)測試

線圈繞制組裝完成后對線圈常數(shù)、均勻區(qū)等參數(shù)進(jìn)行了測試[6]，測試結(jié)果見表1。

表1 拆分式線圈繞組線圈參數(shù)測試數(shù)據(jù)Tab.1 test data of split coil winding parameters繞組繞組半徑R/m匝數(shù)N線圈常數(shù)KB/(μT/A)均勻區(qū)δ外框0.2001428.2550.1%中框0.1791231.4940.1%內(nèi)框0.1581128.0660.1%

3.2 無磁支架設(shè)計(jì)

在對衛(wèi)星磁場探測載荷進(jìn)行現(xiàn)場校準(zhǔn)的過程中，由于磁載荷安裝于衛(wèi)星伸桿頂部，距離地面約(2～3)m的高度，因此在校準(zhǔn)過程中需要支架將校準(zhǔn)線圈升高，使得被校磁載荷位于校準(zhǔn)線圈中心工作區(qū)。結(jié)合現(xiàn)場校準(zhǔn)的需要，線圈支架在設(shè)計(jì)時需要滿足以下要求。

1)無磁性；

2)升降高度(2～3)m；

3)承重不小于20kg；

4)輕便，可便攜；

5)可移動。

根據(jù)以上要求，項(xiàng)目組對線圈支架進(jìn)行了設(shè)計(jì)，采用了兩個三角支架加滑動平臺的形式，以滿足線圈對不同安裝位置的磁載荷進(jìn)行校準(zhǔn)的需求[7]，如圖6所示。

圖6 線圈測試支架示意圖Fig.6 Schematic diagram of coil test bracket

線圈安裝在滑動平臺底座的轉(zhuǎn)盤上，通過轉(zhuǎn)盤可進(jìn)行轉(zhuǎn)動，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤的位置可使被校磁載荷的敏感軸與線圈磁軸重合。平臺底座通過兩根碳纖維制的直桿與兩三角支架相連，底座可在平臺上滑動，通過調(diào)節(jié)底座在平臺上的位置，使得被校磁載荷位于線圈中心工作區(qū)，同時，在對下一個磁載荷進(jìn)行校準(zhǔn)時也可通過滑動底座位置實(shí)現(xiàn)。

3.3 交直流激勵及測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

交直流磁場激勵系統(tǒng)主要為標(biāo)準(zhǔn)磁場復(fù)現(xiàn)提供激勵源[6]。針對線圈的線圈常數(shù)、復(fù)現(xiàn)磁場強(qiáng)度范圍等設(shè)計(jì)電源功率、輸出電流值。為了滿足磁場穩(wěn)定性、磁場噪聲等指標(biāo)要求，對電源的紋波、穩(wěn)定性等進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時根據(jù)現(xiàn)場校準(zhǔn)的需求對激勵系統(tǒng)及測試模塊進(jìn)行便攜性設(shè)計(jì)。

拆分式磁場線圈的線圈常數(shù)基本在30μT/A左右，若在地磁場環(huán)境下復(fù)現(xiàn)±65μT的磁場，則磁場線圈需復(fù)現(xiàn)的磁場強(qiáng)度為(0～110)μT(恒定磁場)，則恒流源的輸出電流范圍為(0～4)A，在本項(xiàng)目中恒流源的設(shè)計(jì)電流范圍為(0～5)A，電源的穩(wěn)定性優(yōu)于1×10-4。交變磁場的復(fù)現(xiàn)范圍為65μT(峰值)，交變電流值的峰值約2A，頻率范圍(1～60)Hz。

復(fù)現(xiàn)磁場按式(10)計(jì)算得到

B=KBI

(10)

式中：B——磁場線圈復(fù)現(xiàn)的磁場；KB——磁場線圈的線圈常數(shù)；I——磁場激勵電源的電流值。

通過線圈繞組的電流值可通過串聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)電阻，測量標(biāo)準(zhǔn)電阻電壓降的方式得到。

3.4 不確定度分析

該套裝置的不確定度來源主要有線圈常數(shù)、拆分式線圈穩(wěn)定性、磁場非均勻性、磁軸不一致、直流電源穩(wěn)定性、磁場波動等[6]，主要影響量見表2。

假設(shè)各不確定度分量獨(dú)立不相關(guān)，合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

uc=7×10-4Br+3nT

(11)

表2 磁場測量不確定度分量一覽表Tab.2 List of uncertainty components in magnetic field measurement序號不確定度主要來源評定方法分布k值標(biāo)準(zhǔn)不確定度1線圈常數(shù)B正態(tài)分布25×10-5Br2拆分式線圈穩(wěn)定性B均勻分布33×10-4Br3磁場非均勻性B均勻分布36×10-4Br4磁軸不一致性B均勻分布33×10-5Br5激勵電源(直流)B均勻分布36×10-5Br6地磁場波動B均勻分布33nT

取置信因子k=2，則擴(kuò)展不確定度為

U=uc×2=1.4×10-3Br+6nT

(12)

4 結(jié)束語

通過對衛(wèi)星磁場探測載荷現(xiàn)場校準(zhǔn)技術(shù)的研究，研制了相應(yīng)的校準(zhǔn)裝置，該套裝置已在“張衡一號”電磁監(jiān)測試驗(yàn)衛(wèi)星上進(jìn)行了應(yīng)用，在整星測試、

發(fā)射前等多個階段對磁通門傳感器載荷進(jìn)行了校準(zhǔn)，為高質(zhì)量測試數(shù)據(jù)的獲取奠定了基礎(chǔ)。該衛(wèi)星已于2018年發(fā)射成功，目前已通過磁通門磁強(qiáng)計(jì)測得的數(shù)據(jù)繪制了地磁圖，包括全球地磁場總場及南北向、東西向、垂直項(xiàng)三個分量的分布，并同步比對了國際地磁參考場(IGRF)以及同時期SWARM星座的全球數(shù)據(jù)分布[8]，三者的磁場變化趨勢及主要特征完全一致。