基于虛擬儀器的衛星磁測試系統設計

趙江萍 宋 歌

(1.上海衛星裝備研究所，上海 200240; 2.上海裕達實業有限公司，上海 200240; 3.浙江大學，浙江 杭州 310058)

在航空航天領域，磁性材料被大量使用，典型元件與部件有行波管、飛輪和陀螺等。航天器磁性的大小，將直接影響到其姿態測控系統以及空間磁場探測儀表的精度。這是因為起源于地球內部地磁場的近地空間磁場對航天器的運行影響很大，其作用在航天器上的力矩，將改變航天器的姿態[1-3]。為了滿足航天器姿態測控的要求，就必須對航天器本身的磁性能進行精確測試[4]。高精度磁測試系統用于對各類航天器進行磁狀態測試，驗證其是否達到測控的要求，以便實施磁性控制措施。本文依據GJB 7679-2012 《 航天器磁設計及磁試驗方法 》[5]對磁試驗的相關要求，基于PXI平臺研制了一種衛星高精度磁測試系統，通過LabVIEW軟件平臺下開發的測試控制軟件，可實現測試過程控制、數據采集處理、報表生成及測試數據庫管理等功能。通過對標準磁塊和穩定磁場開展的試驗結果表明，該系統可滿足國軍標中對衛星磁測試要求，實現測試過程的自動化。

1 測試方法

對航天器的磁測試主要是對其磁矩的測定。通過磁矩，可以了解航天器內部磁特性，確定航天器磁性大小和方向。航天器主磁矩由剩磁矩、雜散磁矩和感生磁矩構成。由于軌道地磁場產生的感磁矩不構成姿態控制的干擾力矩，航天器磁矩測試值應不包含地磁場產生的感磁矩。因此，對航天器的磁測試一般選擇在可控磁場中進行，磁場環境要保持穩定，測試不受外界磁場干擾[6-7]。

磁測試的方法主要有偶極子法(遠場分析法)、球面做圖法和赤道做圖法(近場分析法)。對航天器進行磁測試時，主要采用近場分析法[8-9]。選擇近場分析法時，在距離上應盡量滿足式(1)要求[10]。

(1)

式中，D為試件的包絡直徑，r為探頭中心到試件中心的距離，單位均為m。

采用近場分析法對航天器進行磁矩測試，首先在至無磁轉臺中心一定距離處放置4個三軸磁通門傳感器，可以對X、Y、Z三個方向的磁感應強度進行測量。將航天器放置在無磁轉臺之前，需要對磁傳感器進行調節，并對環境的背景磁場進行測試。背景磁場測試完畢后，將航天器(或試件)放置在無磁轉臺上，如圖1所示。開始測量后，通過旋轉無磁轉臺，獲取各個角度下所測得的磁感應強度值。

圖1 被測件及傳感器安裝示意圖

傳感器測得每個角度下的磁感應強度后，利用式(2)進行數學反演運算，求得磁矩值[11]。

(2)

式中,k為試件多極子的極數；a2k-1,1為航天器(或試件)X向磁偶極子矩和多極子矩，A·m2k(MX=a1,1)；b2k-1,1為航天器(或試件)Y向磁偶極子矩和多極子矩，A·m2k(MY=b1,1)；a2k-1,0為航天器(或試件)Z向磁偶極子矩和多極子矩，A·m2k(MZ=a1,0)。

利用式(2)進行計算時，A0、A1、A2為傅里葉級數展開系數，其數值根據每個磁感應傳感器所測得磁感應數據，利用式(3)進行計算。

(3)

式中，N為航天器(或試件)繞垂直軸旋轉一周的測點數；i為磁傳感器所處位置號；j為磁傳感器X、Y、Z分量號(j=1代表X分量；j=2代表Y分量；j=3代表Z分量)；B(ri,j,φ)位置ri處第j個磁傳感器測得的磁感應強度值，nT；ri為位置i處磁傳感器與航天器(或被測件)中心的距離，m；φ為航天器(或試件)繞無磁轉臺垂直軸旋轉的角度。

計算磁矩的過程中，通過兩個傳感器的測得值求得一組磁矩值，以求MX(1,2)為例。將1號和2號傳感器測得數據代入式(3)，可以求得A1(1,1,0)和A1(2,1,0)。再將求得值代入式(2)，可求得a11，即所需要計算的MX(1,2)值。對于其他傳感器以及不同方向的值，可以用同樣的方法進行求解。

2 測試硬件系統

2.1 硬件系統組成

高精度磁測試系統基于NI PXI平臺開發，它結合了PCI的電氣總線特性與緊湊PCI的堅固性、模塊化及Eurocard機械封裝等特性，是測量和自動化系統的高性能、低成本運載平臺。圖2所示為該系統硬件連接框圖，主要由PXI機箱、電纜轉接盒和磁傳感器等組成。

圖2 硬件連接框圖

系統中選擇了NI PXI-1031機箱作為采集控制的硬件平臺，包含PXI-8820嵌入式控制器、PXI-2570開關模塊和NI PXI-4071數字萬用表模塊等。其中， PXI-2570是一款40通道通用采樣開關模塊，擁有獨立的單刀雙擲繼電器，其主要功能是切換不同的測量及數據傳輸通道；PXI-4071是一款7位半數字萬用表，主要用于傳感器輸出數據的A/D變換和處理。

2.2 測試工作原理

三軸磁通門傳感器利用高導磁鐵芯在交變的飽和激勵下其磁感應強度與被測磁場強度之間存在非線性關系的原理來測量磁場值的大小，可以對靜止磁場和交變磁場進行三分量、高精度測量，并將磁場強度轉換為電壓值輸出。

磁傳感器通過航空插頭與電纜轉接盒連接，PXI-2570開關模塊則通過NI LFH200電纜與電纜轉接盒連接。經轉接盒內部線路，可實現開關模塊內不同編號開關與各傳感器的輸出通道的一對一連接。如圖3所示，COM和NCi(i為序號)為PXI-2570開關模塊中的開關端，通過程序可以控制其閉合或斷開。默認所有開關均處于斷開狀態，當需要對某一傳感器的某一方向信號進行采集時，將控制當前通道的開關閉合。此時，傳感器的信號即可傳遞至PXI-4071的7位半數字萬用表DC+和DC-端進行電壓測量，經軟件換算即可獲得指定通道的磁測量值。利用此方式進行測量，開關切換將并行測量轉換為串行測量，可有效減少信號測量實際所需物理通道數，從而大大地降低了硬件成本。

圖3 傳感器通道選擇原理圖

3 軟件結構

高精度磁測試系統軟件部分基于虛擬儀器軟件LabVIEW開發。LabVIEW是美國國家儀器(NI)公司研制的程序開發環境。LabVIEW是一種圖形化編程語言[12]。該語言的核心是數據流，通過數據在連線上的流動，可以清楚知道數據的來源和去處。將LabVIEW用于測試系統的開發，既可以縮短開發周期，也符合 “軟件即儀器”的理念。

3.1 軟件體系架構

高精度磁測試系統的核心是磁感應強度測量以及實驗數據分析，此外還包括用戶管理以及實驗數據交互，軟件流程如圖4所示。從軟件流程圖中可以看到，測試系統的運行過程為：用戶登錄，登錄成功后新建測試任務并進行測試，測試完成后進行數據分析存儲，最后結束退出。可以看到各個狀態跳轉以單向為主，所以在軟件設計中采用整體順序結構，在每一個狀態，則采用循環事件結構，以滿足程序功能設計的要求。

圖4 軟件流程圖

循環事件結構的程序結構如圖5所示，從圖中可以看到，程序外層為While循環結構，內層為事件結構，兩者的結合組成了循環事件結構。通過將事件結構內嵌于循環結構，程序能夠一直監視用戶的操作，從而按用戶需求完成測試等相關運作，直至程序停止運行。

圖5 循環事件結構程序框圖

3.2 “一字型”測試程序

針對程序的循環事件結構，以“一字型”測試程序為例進行說明。 “一字型”測試指的是測試時磁通門傳感器的排列方式呈“一字型”，如圖1所示，測試程序的界面如圖6所示。

在該測試程序下，用戶可以按照測試順序進行操作。選擇“新建任務”，對傳感器測量通道、靈敏度和采樣率等信息進行設置。

完成任務新建后，需要對背景磁場進行反復測試。點擊“背景測試”按鈕，獲取背景磁場值，根據測得值，對傳感器進行微調，使得傳感器Y向的磁感應強度在±20 nT以內。傳感器調整完畢后，通過旋轉無磁轉臺，對每一個角度下的磁感應強度進行測量。測試過程中，通過控制開關模塊的切換，依次讀取傳感器的輸出信號。信號采集過程中，為避免錯誤信號被讀取，采用了濾波算法對信號進行處理。

圖6 “一字型”測試界面

測試完成后，程序將自動完成磁矩值的計算，并在表格中顯示，用戶可以選擇是否將數據存入數據庫。此外，用戶還可以通過查看數據，對試驗數據進行繪圖或報表打印。

4 試驗分析

根據GJB 7679-2012的要求，用于磁試驗的數據采集系統必須滿足穩定性小于2 nT/2 h，其不確定度應小于量程的1‰。為了對高精度磁測試系統的性能做出評價，利用該測試系統對標準磁場和磁塊進行測試，對實驗數據進行分析并給出結論。

4.1 標準磁場實驗

磁測試系統對航天器的磁矩進行測試，首先要保證所測得的磁感應強度值的準確性和穩定性，將磁傳感器接入系統之后，需要對其進行穩定性實驗。穩定性實驗在穩定的磁場中進行，穩定磁場由磁屏蔽筒提供。根據國軍標要求，對其進行2 h穩定性實驗，通過分析測得數據的波動大小來對穩定性和不確定度進行評價。實驗所得的其中一個通道數據如圖7所示。

從圖中可以看到，在2 h內，所測得最大的磁感應強度為10.94 nT，最小的磁感應強度為9.62 nT，故最大浮動為1.32 nT，滿足磁測試系統穩定度要小于2 nT/h的技術要求。通過對其他通道進行實驗，同樣可以獲得相關的實驗數據來對磁傳感器的穩定性做出評價。最終得出該系統的測量穩定度為1.5 nT/h，滿足測試系統技術指標。

圖7 單通道測試數據

利用實驗數據對系統的測量不確定度進行評定。系統的A類不確定度即為測量的標準差，標準差根據貝塞爾公式求解，如式(4)所示。

(4)

將實驗數據代入式(4)，可以求得，uA=0.34 nT。對于該測試系統，B類不確定度主要來自磁傳感器，根據廠家的出廠檢定證書，uB=0.1 nT。利用式(5)求得合成不確定度為0.35 nT。故系統的相對不確定度為0.02‰。

(5)

以同樣的方式對其余通道進行實驗，可得最大相對不確定度為0.1‰，滿足國軍標對數據采集系統不確定度要求1‰的技術要求。

4.2 標準磁塊實驗

高精度測試系統最終要給出被測試對象的磁矩，故需要對該測試系統的準確性做出評價。實驗中，利用該系統對標準磁塊進行測試，將系統的測得值與磁塊的標準值進行比對，從而對系統做出評價。以磁矩為2972 mA·m2的標準磁塊為實驗對象，進行3組測量，所測得的數據如圖8所示。

圖8 標準磁塊3次測試結果

根據表中的試驗數據，對結果進行分析。首先根據3次測量的所得值，計算測量均值為3031.7 mA·m2，從而計算得到標準差為8.08 mA·m2，最后根據式(6)計算重復性誤差。

(6)

由計算可得，測試結果的重復性為0.27%，對于測試設備而言，一般要求重復性小于0.3%，由計算所得的數據可知，該測試設備滿足重復性要求，可用于磁矩測量。

5 結束語

本文對高精度磁測試系統的測試方法和開發進行了詳細介紹。高精度磁測試系統主要涉及硬件和軟件兩部分，硬件以NI-PXI設備為核心，結合磁通門傳感器完成磁場數據的采集；軟件利用虛擬儀器軟件LabVIEW開發，實現了測試過程控制、磁矩計算、數據分析。該系統具有使用方便靈活、開發周期短等優點。通過實驗對該系統的驗證，說明該測試系統具有足夠的準確性和穩定性，可用于對衛星、單機等航天器的磁測試。