驅動機構動態磁場干擾處理技術

代佳龍，易 忠，曹 馨，孟立飛，肖 琦，王 斌，劉超波

（1.北京衛星環境工程研究所，北京 100094；2.中國科學院 地質與地球物理研究所，北京 100029）

驅動機構動態磁場干擾處理技術

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.北京衛星環境工程研究所，北京 100094；2.中國科學院 地質與地球物理研究所，北京 100029）

空間磁場探測器在工作過程中會受到附近其他設備的磁干擾，影響磁場探測精度。文章通過對磁場探測器工作環境的干擾分析，并利用地面設備模擬磁干擾源進行評價試驗。文章使用小波分析方法對磁場探測器的測量數據進行處理，評估驅動機構的電機工作時對磁場探測器的測量影響。磁場探測器通過多探頭配置及在軌標定和數據處理等方法，可以對平臺的靜態剩磁及動態磁干擾進行有效處理。

磁場探測器；動態干擾；磁場；小波分析法

0 引言

空間磁場探測主要是通過在衛星上搭載磁強計實現。1958年5月，蘇聯發射了世界上首顆磁場探測衛星 Sputnik-3，開啟了地球磁場和行星磁場探測的新階段。1979年，美國地質調查局和NASA合作研制的“地磁衛星”（MagSat）首次實現了地磁三分量高精度測量。20年后，在國際地磁學與高層大氣物理學協會（IAGA）發起的“國際重力位（重力、磁力）場10年研究”（IDGFR）計劃下，歐洲主導掀起了新一輪的地磁場探測高峰，例如1999年2月丹麥發射了“奧斯特”（Orsted）衛星，2000年7月德國發射了CHAMP衛星等。目前，美國、俄羅斯、法國、德國、澳大利亞、日本、瑞典、南非、巴西和丹麥等國家都相繼發射了載有磁場測量載荷的衛星，其中有一些是專用地磁探測的，一些是利用氣象衛星搭載磁場測量載荷探測地球高層磁場。

為了保證磁場的精確測量，主要有兩方面的技術措施：提高測量傳感器的靈敏度和消除平臺及其他設備帶來的磁干擾。隨著磁場探測技術的發展，磁測儀器性能不斷提高，磁場探測器的靈敏度已經不再是阻礙磁場測量精度提高的主要因素，而消除平臺和其他設備的磁干擾就成為關鍵[1]。為此要求對航天器進行嚴格的磁控制設計和制造，例如德國 CHAMP衛星本體及各個分系統和載荷通過嚴格的設計和制造以減小自身磁場[2]。除此之外，目前普遍采用的布置方式是將磁場探測器的探頭布置于航天器桁架結構或外伸展機構上，并盡可能增加探頭與航天器本體的距離。

本文采用雙磁強計探頭的梯度測量方法，通過地面磁干擾源模擬試驗，評價該測量方法的可行性。

1 磁通門探測技術

磁通門磁強計的原理是基于法拉第電磁感應定律，利用高磁導率鐵心在交變的過飽和電磁激勵下選通鐵心中DC磁場分量，并將DC磁場分量轉換為交變電壓輸出值而進行磁場測量。三軸磁通門磁強計以其測量靈敏度高、體積小巧、重量輕、可進行矢量測量等特點已廣泛應用于磁場的空間探測，并實現了科學探測目標[3-4]。本文所選用的空間磁場探測器是以三軸磁強計為主體，探測器探頭由激勵線圈、感應線圈、反饋線圈及支撐骨架和其他附件組成，如圖1所示。通過由多組線圈組成的三軸同心嵌套式結構，實現磁場的高分辨率、寬量程測量。

圖1 磁傳感器探頭構型Fig.1 Probe structure of fluxgate magnetometer

2 空間磁場探測干擾分析

空間探測到的磁場包括來自空間、星球的磁場源和來自航天器自身的磁場。為了在復雜背景磁場下獲取目標磁場，空間磁場探測器的磁噪聲控制技術及背景磁場與待測磁場分離技術成為關鍵。

磁場源按照時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，包括來自星球磁源和平臺上的干擾源；2）遠“干擾”源磁場，主要來自空間的磁場源。

可采用地面試驗標定并建模、在軌標定及多探頭相關分析等綜合手段以有效地消除平臺干擾。

磁場模型修正方法為

其中：Bamb為背景磁場；Bsc為平臺干擾磁場；下標1、2、3分別代表不同的探頭。探測到的磁場的每個分量均由背景磁場和平臺設備的干擾磁場組成。

可以由下式計算任意 2個探頭磁場強度三分量的差異（假設探頭的零漂已知），即

其中Δ為一個特定的值。當計算結果大于Δ時，我們認為這是一個跳躍值，記錄下次跳躍值。在地面標定階段，假定背景場已知，記錄特定工況下探頭之間的畸變。最后制定包含所有狀態的工況流程圖。

在真實數據處理過程中，先計算任意2個探測頭之間磁場強度的差異；然后查找磁場跳變，評估不同工況下的磁場差異，并與工況表之間的差異做對比，確定離工況表中最近的差異狀態；重復此步驟，直到所有跳變均被修復，最終得到背景場。

3 試驗過程

本試驗結合空間磁場探測器的真實工作環境，以空間探測器車輪的驅動機構電機作為干擾源，評價電機工作時對磁場探測器產生的動態干擾[5-7]。

模擬部分主要包括電機及其控制裝置，電機轉速在0.1～2 r/s范圍內可調。磁場測量的采樣頻率為100 Hz，探測器分辨率為0.1 nT。試驗分別在電機關機及工作2種工況下進行，磁場探測器探頭1和探頭2距離電機分別為0.5 m和1 m，具體試驗步驟如下：

1）測量環境磁場。在電機關閉狀態下，將探測器探頭如圖2位置擺放好，1號、2號探測器開機并記錄磁場數據，連續測量5 min。

2）測量電機工作時的干擾。保持探頭位置不變，開啟電機，1號、2號探測器開機并記錄磁場數據，連續測量5 min。

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

4 試驗結果

1）電機關閉狀態下的磁場測量

圖3顯示了電機關閉狀態下連續測量3 min的磁場測量值隨時間的變化情況，共計 18 000個測量數據點。其中：上圖中紅線為探頭2（S2）磁場總強度加6544 nT后的值，黑線為探頭1（S1）的測量值；中圖及下圖分別是探頭2和探頭1磁場測量值的小波功率譜圖，以不同顏色代表不同時間、不同頻率的磁場擾動功率。從圖3可以看出，2個探頭的測量值在電機關閉狀態下保持固定的差值6544 nT。這說明磁干擾屬于遠距離干擾源磁場，對2個探頭的影響保持一致。

圖3 電機關機工況下磁場探測器測試結果Fig.3 Test results of the magnetic detector under motor shutdown state

2）電機開啟狀態下的磁場測量

電機開啟狀態下的磁場測量值隨時間的變化見圖4。圖線格式與圖3相同：上圖中紅線為探頭2磁場總強度加6570 nT后的值，黑線為探頭1的測量值；中圖及下圖分別是探頭2和探頭1磁場測量值的小波功率譜圖，不同顏色代表不同時間、不同頻率的磁場擾動功率。從圖4可以看到：探頭1（上圖黑線）測量數據中磁場擾動振幅明顯大于探頭 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，說明磁場擾動存在0.5 Hz頻率的周期性。該周期擾動在2個探頭位置的振幅分別為20 nT和5 nT，表明擾動對探頭1影響更明顯，擾動的影響與距擾動源的距離相關。據此可以判斷，該電機的旋轉周期約為2 s。該旋轉周期得到了現場電機試驗參數的驗證。

圖4 電機開機工況下磁場探測器測試結果Fig.4 Test results of the magnetic detector under motor run state

5 數據處理結果

采用本文所述的磁場梯度測量方法對試驗數據進行分析處理，繪制小波功率譜圖，如圖5所示。

根據2個探頭測量的磁場值的相關分析，可以有效地消除電機對測量的磁干擾。根據單電流源畢奧-薩伐爾定律，在低頻近似下，不同頻率的電流磁場對應成比例。因此，通過小波分解得到不同頻率上的時間變化強度比值，可以識別出干擾源對2個探頭在某個頻率上的比值。對于試驗數據來說，就是在圖4中的0.5 Hz處的波動值。根據比值及差值可以消去這個頻率上的干擾。除此頻率干擾外，還有直流分量的靜態疊加場?？梢酝ㄟ^2個探頭的相關分析得到探頭 1的去除靜態干擾的磁場值。圖5顯示了2個探頭的數據經過在線標定后的分析結果，其圖線格式與圖3相同。

從圖5可以看到，探頭1測量值（上欄黑線）不再有0.5 Hz頻率的約20 nT振幅的擾動現象，探頭1和探頭2的數據趨于一致。

圖5 采用小波分析法處理后的試驗數據Fig.5 Processed results by the wavelet analysis method

通過以上分析可以得出，根據麥克斯韋方程，本方法適用于低頻電流源及直流源的干擾；對于高頻的干擾，會有電場項引入，該影響可以根據2個探頭間距和電磁擾動的特征波長的關系來確定，即探頭間距遠小于擾動波長。

6 結論

本文使用小波分析方法對磁場探測器的測量數據進行處理，評估驅動機構運動時真空電機對磁場探測器的測量干擾。經上述試驗結果分析，可以得出以下結論：

1）空間磁場探測利用多探頭配置及在軌標定和數據處理方法，有效去除了平臺的靜態剩磁及動態磁干擾；

2）磁場探測器可以清晰地檢測到電機的工作狀態，包括電機轉動周期等工作參數信息；

3）本次試驗空間磁場探測器放置在用于支撐電機的鋼板上，表明該載荷可以適應復雜的安裝環境，包括無規律鐵磁材料部件分布環境。

本文提出的使用磁場探測器處理空間干擾磁場的技術既可以對平臺的靜態剩磁及動態磁干擾進行有效處理，為科學目標的實現奠定基礎，也為磁場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.空間磁環境模擬技術[J].航天器環境工程, 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.動態環路法磁矩測量技術研究[J].航天器環境工程, 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.磁場全張量測量計算方法與誤差分析[J].航天器環境工程, 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，碩士學位，主要從事磁場探測載荷研制與海洋磁場分析工作。E-mail: daijialong@163.com。

2016-07-26；

：2016-12-13

國家重大科技專項工程