衛星磁載荷現場校準技術研究

翟晶晶 李 享 張海波

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

1 引 言

近地空間磁場探測一直是空間科學探測的主要領域之一，已經有近五十年的歷史。通過衛星磁測，人們在很短的時間里，就能取得整個地球磁場的資料。根據衛星磁測資料，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構[1]。我國在“雙星計劃”“風云四號”“螢火蟲一號”“張衡星”等衛星上搭載有磁通門磁傳感器、標量磁強計等磁場探測載荷，對空間磁場進行測試。為了保證磁場探測載荷在衛星主體上安裝完成后及發射后可正常開展工作，測試數據可信，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行校準。

目前的校準體系可在磁場探測載荷的初樣、正樣階段提供校準服務，但在衛星總體裝配完成后，整星電測、整星大型試驗階段、模擬飛行試驗階段尚無測試設備，不能對磁場探測載荷的性能指標進行現場校準。

本文針對衛星總裝完成后的測試提供穩定的磁場環境及校準手段，為磁場探測載荷提供計量保障。

2 衛星磁載荷現場校準裝置的組成及工作原理

2.1 校準裝置組成

衛星磁場探測載荷現場校準裝置主要由拆分式磁場線圈、交直流激勵系統、三維調節支架、測試系統等組成，現場校準裝置示意圖如圖1所示。在進行現場校準工作時，由交直流激勵系統激勵拆分式磁場線圈，產生校準需要的標準磁場，三維調節支架可進行三維調節，在校準過程中可用于磁傳感器對軸，測試系統測量線圈繞組通過的電流值，計算得到標準磁場，校準磁通門磁傳感器的靈敏度、線性度、頻率響應特性等技術指標。

圖1 現場校準裝置示意圖Fig.1 On-site calibration device sketch

2.2 工作原理

測試時，將線圈置于導軌上，保持拆分式狀態，并鎖定線圈，防止線圈晃動；線圈安放穩固后同時調節兩個三角支架的高度，使線圈緩慢勻速升高，接近伸桿高度；當線圈接近衛星伸桿時，調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，繼續升高線圈高度，使得被校磁傳感器置于線圈中心。線圈到達預定高度后，鎖定三角支架的高度，然后繼續調節三角支架，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，與激勵系統連接，通過改變激勵系統的電流實現任意方向、任意大小磁場的復現，對磁載荷進行校準。工作狀態下的校準裝置如圖2所示。

圖2 工作狀態下的校準裝置示意圖Fig.2 Calibration device under working condition

3 校準裝置設計過程

3.1 拆分式磁場線圈

在整星測試時，磁通門磁傳感器、標量磁強計的安裝位置如圖3所示，受吊裝線的影響，在對磁通門磁傳感器進行校準時，磁場線圈需要穿過吊裝線，因此磁場線圈需要設計為可拆卸式。拆分式磁場線圈主要功能是產生均勻的磁場環境，具有可拆卸、可移動的特點。

圖3 衛星磁場探測載荷安裝環境示意圖Fig.3 Schematic diagram of installation environment for satellite magnetic field detection load

1)基本原理

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

(1)

式中：B——線圈軸線上距離中心點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——線圈軸線上某一點距離中心點的長度，m。

根據此基本定律，如圖4所示的兩圓形線圈，軸線上任一點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P與中心點的距離，m。

中心點附近某一點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線圈即為亥姆霍茲線圈。亥姆霍茲線圈結構簡單，尤其在制作三維磁場線圈時，更易于工藝實施，比如加工、定位、組裝等。經過計算，在r/R=0.1條件下，亥姆霍茲線圈的均勻性誤差能達到10-4，可以滿足一般情況下的磁場復現均勻性需求[6]。

2)線圈結構

基于亥姆霍茲線圈簡單的結構，對其做可拆卸設計難度較其他結構的線圈較小，斷開的繞組可用接插件連接，因此繞組匝數需要盡可能的低。

拆分式磁場線圈的設計圖如圖5所示。

圖5 拆分式磁場線圈結構圖Fig.5 Structure chart of split magnetic field coil

線圈除接插件部分外均由環氧板、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星伸桿碰撞、摩擦等事故隱患，在線圈的兩端設計了開合凸輪，拆分線圈時掰開凸輪把手，即可分離線圈上下兩部分，此設計具有省力、方便等優點，在測試過程中也得到了驗證，可十分輕便的分離線圈。

3)線圈參數測試

線圈繞制組裝完成后對線圈常數、均勻區等參數進行了測試[6]，測試結果見表1。

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

3.2 無磁支架設計

在對衛星磁場探測載荷進行現場校準的過程中，由于磁載荷安裝于衛星伸桿頂部，距離地面約(2～3)m的高度，因此在校準過程中需要支架將校準線圈升高，使得被校磁載荷位于校準線圈中心工作區。結合現場校準的需要，線圈支架在設計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。

根據以上要求，項目組對線圈支架進行了設計，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行校準的需求[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盤上，通過轉盤可進行轉動，通過調節轉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，通過調節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，同時，在對下一個磁載荷進行校準時也可通過滑動底座位置實現。

3.3 交直流激勵及測試系統設計

交直流磁場激勵系統主要為標準磁場復現提供激勵源[6]。針對線圈的線圈常數、復現磁場強度范圍等設計電源功率、輸出電流值。為了滿足磁場穩定性、磁場噪聲等指標要求，對電源的紋波、穩定性等進行設計，同時根據現場校準的需求對激勵系統及測試模塊進行便攜性設計。

拆分式磁場線圈的線圈常數基本在30μT/A左右，若在地磁場環境下復現±65μT的磁場，則磁場線圈需復現的磁場強度為(0～110)μT(恒定磁場)，則恒流源的輸出電流范圍為(0～4)A，在本項目中恒流源的設計電流范圍為(0～5)A，電源的穩定性優于1×10-4。交變磁場的復現范圍為65μT(峰值)，交變電流值的峰值約2A，頻率范圍(1～60)Hz。

復現磁場按式(10)計算得到

B=KBI

(10)

式中：B——磁場線圈復現的磁場；KB——磁場線圈的線圈常數；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標準電阻，測量標準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、拆分式線圈穩定性、磁場非均勻性、磁軸不一致、直流電源穩定性、磁場波動等[6]，主要影響量見表2。

假設各不確定度分量獨立不相關，合成標準不確定度為

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值標準不確定度1線圈常數B正態分布25×10-5Br2拆分式線圈穩定性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，則擴展不確定度為

U=uc×2=1.4×10-3Br+6nT

(12)

4 結束語

通過對衛星磁場探測載荷現場校準技術的研究，研制了相應的校準裝置，該套裝置已在“張衡一號”電磁監測試驗衛星上進行了應用，在整星測試、

發射前等多個階段對磁通門傳感器載荷進行了校準，為高質量測試數據的獲取奠定了基礎。該衛星已于2018年發射成功，目前已通過磁通門磁強計測得的數據繪制了地磁圖，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星座的全球數據分布[8]，三者的磁場變化趨勢及主要特征完全一致。