基于LabVIEW的航天器磁試驗測控系統設計及應用

鄧佳欣，孟立飛，肖 琦，陳金剛，耿曉磊

（北京衛星環境工程研究所，北京 100094）

基于LabVIEW的航天器磁試驗測控系統設計及應用

鄧佳欣，孟立飛，肖 琦，陳金剛，耿曉磊

（北京衛星環境工程研究所，北京 100094）

針對現有航天器磁試驗測控手段自動化程度低、操作復雜的問題，基于LabVIEW軟件以及磁試驗流程和現有設備，研制了新的磁試驗測控系統，并進行了測控系統的軟件設計。該系統實現了對測控電源、磁強計探頭的靈活自動配置和控制，對線圈磁場的一鍵式遠程控制，磁場波動的實時監測，磁場數據的并行采集和處理。試驗驗證結果表明，該測控系統具有測量與控制精度高、運行穩定可靠、自動化程度高、操作簡便等特點。

航天器；磁試驗；測控系統；數據采集與處理；LabVIEW

0 引言

在航天器發射前，需要在地面完成航天器整星或部組件磁試驗，以控制或利用航天器磁性[1-2]。航天器磁試驗流程是：首先通過磁環境模擬設備在地面產生零磁場環境[1]；然后將航天器置于其中，通過磁強計采集航天器的磁場數據并將數據傳入磁矩計算軟件；最后計算得到航天器的磁矩，進而評估航天器的磁潔凈度和穩定性，并判讀數據決定是否采用磁補償的方法將航天器的磁性控制在目標范圍內。其中磁矩測量是航天器磁試驗的重要環節[3-4]。磁試驗測控系統在零磁場調節、磁場數據采集、磁矩計算等方面都起到關鍵的作用。現有的磁試驗測控系統雖然能夠完成航天器的磁場測試任務，但手動操作多，自動化程度和測量精度不高，無法滿足高磁潔凈衛星磁試驗的需要。

LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，實驗室虛擬儀器工作平臺）由美國國家儀器（National Instrument, NI）公司研發，是基于圖形化的、用圖標來代替文本行創建應用程序的一種功能強大而又靈活的儀器與分析軟件應用開發工具[5-6]。它具有數據交互功能強大、編程便捷、界面友好、可擴展性高等顯著優點[7]，現已被廣泛應用于航空航天系統、工業界、學術界和研究實驗室的儀器控制、數據采集、數據分析及數據顯示等領域[8]。

為了提高航天器磁試驗測控系統的自動化程度和測量精度，本文基于LabVIEW軟件研發了新的測控系統，不僅可實現并行的數據采集、地磁場的實時監測、一鍵式零磁場調節，還加入了數據處理功能；并將該系統成功應用于電磁衛星的磁試驗，完成了衛星高精度磁場測量、磁矩計算任務。

1 磁試驗測控系統總體設計

根據磁試驗流程，將磁試驗測控系統分為磁場電源控制、磁場數據采集控制、磁矩計算及存儲3個獨立的功能模塊。測控系統的硬件部分主要包括磁場線圈、通信網絡接口、程控電源、磁強計、控制計算機和數據采集器，軟件部分包括磁矩計算軟件，其組成見圖1。

磁場電源控制模塊的主要功能有：1）接收來自用戶的指令，并按用戶指令配置程控電源；2）根據目標磁場換算線圈的輸入電流值；3）控制線圈電源完成目標磁場的線圈加電；4）讀取、記錄、顯示當前電源的電流值、電壓值以及電源狀態；5）監測參試電源的狀態，對故障電源發出警報。

磁場數據采集控制模塊的主要功能有：1）在測控系統界面配置參試磁強計；2）設置數據采集的參數，并完成磁場數據采集；3）實時顯示磁強計探頭測量值并保存采集數據。

磁矩計算及存儲模塊的主要功能有：1）讀取采集的磁場數據；2）設置磁矩計算參數；3）完成磁矩計算，顯示并保存結果。

2 磁試驗測控系統軟件設計

磁試驗測控系統軟件主要由電源控制、數據采集和數據計算3個模塊組成，如圖2所示。軟件主界面如圖3所示。

圖3 磁試驗測控系統軟件主界面Fig. 3 Main interface of the software of measurement and control system in magnetic test

2.1 磁場電源控制模塊

線圈是磁試驗的主要設備，通過調節線圈電源可產生特定的磁場環境。電源控制模塊實現了對線圈3臺電源（X、Y、Z電源）的遠程控制，界面內即可完成電源的開啟、關閉與調節，并且只需要輸入磁場值即可控制電源自動調節，在線圈中產生所需的磁場環境。電源控制模塊包括恒場電源控制和零場電源控制，圖4為零場電源控制界面，包括電源開啟/關閉按鍵，磁強計探頭測量值、目標磁場值以及自動調零場時磁場和電源電流變化的顯示。

零場電源控制實現了線圈自動調零磁場環境的功能。在線圈中設置1個磁場探頭，軟件讀取探頭測得的磁場值，磁場值由X、Y、Z共 3個分量值組成；比較3個分量值的大小，如果X值最大，將該磁場值換算成電流值A；如果電流值A小于電源一次加電最大值B，則給X電源加相應的反向電流-A，否則給X電源加-B；加電完成后，軟件繼續讀取探頭測量的磁場值，重復上面的工作，直到所讀取的磁場值在目標值范圍內，自動調零磁場結束。零場電源控制的實現代碼如圖5所示。自動調零磁場的功能提高了線圈磁場調節的效率和可靠性，避免了由人工調節帶來的誤差。

圖4 零場電源控制界面Fig. 4 Interface of power control of zero magnetic field

圖5 零場電源控制代碼Fig. 5 Code of power control of zero magnetic field

2.2 磁場數據采集模塊

磁場數據采集用到的硬件有磁強計探頭和數據采集器。本測控系統可控制10余臺磁通門磁強計探頭，每個探頭分別與一個并行數據采集器相連，其中一臺數據采集器的CAN總線數據接口與計算機USB接口相連。數據采集器可實時讀取探頭采集的電壓數據，并將電壓值換算成磁場值顯示出來。數據采集模塊的功能就是同時讀取若干臺數據采集器上的數據并保存。本模塊包括實時采集和數據回放2部分。

實時采集界面如圖6所示，界面內可顯示試驗用探頭及探頭實時監測的磁場X、Y、Z分量值、保存的數據曲線和用戶設置參數按鈕。完成探頭配置后用戶填寫“新建項目”、“項目名稱”、“項目路徑”、“保存周期”后便可開始數據保存。數據采集的實現代碼如圖7所示。

圖6 實時數據采集界面Fig. 6 Interface of data acquisition

圖7 數據采集代碼Fig. 7 Code of data acquisition

2.3 磁場數據計算模塊

磁試驗方法為赤道作圖法，在被測物一側水平面上設置3臺磁強計，采集被測物一周的磁場數據，磁場數據計算模塊讀入這些數據并計算得到被測物的磁矩。為了考察環境干擾對計算結果的影響，采集被測物磁場時，首次同時采集了環境干擾數據，計算結果給出了去干擾和不去干擾2種情況下的磁矩，以方便試驗人員進行判斷。磁場數據計算模塊有零磁場磁矩計算和地磁場磁矩計算2部分功能。圖8為零磁場磁矩計算界面，用戶只需輸入計算磁矩的探頭參數，選擇旋轉角度，即可在界面右側得到磁矩結果。零磁場磁矩計算的實現代碼見圖9。

圖8 零磁場磁矩計算界面Fig. 8 Interface of magnetic moment calculation for zero magnetic field

圖9 零磁場磁矩計算代碼Fig. 9 Code of magnetic moment calculation for zero magnetic field

3 磁試驗測控系統的改進

3.1 使用了并行的數據采集方式

磁試驗中一般使用 3臺磁強計探頭在赤道面上采集被測物一周的磁場值。以往使用串行數據采集方式時，每臺磁強計可采集3個磁場分量，在相鄰分量采集間存在時間差，即當使用3臺磁強計采集磁場值時，第一臺的1分量和最后一臺的3分量間的采集時間將相差2.39 s（如表1所示），由時間差帶來的磁場平均誤差范圍在0.2～2 nT/s。而新的測控系統采取并行數據采集的方式，即使用獨立的探頭控制模塊，使得不同探頭能在同一時刻采集同一狀態的磁場值，從而消除了以往探頭數據采集不同步的問題，保證了磁場測量的準確性。

表1 串行數據采集存在的時間差Table 1 Time difference with serial data acquisition

3.2 考慮了環境干擾對測量的影響

磁試驗測控系統在數據處理算法上首次考慮了環境干擾對測量值的影響。環境磁場波動是隨著外界干擾時刻變化的，并且一直存在，例如汽車、路燈等，因此在進行磁場測量時外界干擾是影響測量準確性的首要因素。為了消除環境的磁場干擾，在算法上設置了環境干擾項，將磁強計探頭放置于線圈的邊緣位置，只測量環境波動，與被測物磁強計探頭數據一同進行保存。磁矩計算時，去掉環境干擾后進行計算。利用該系統對比了不去除干擾和去掉干擾的標準磁塊磁矩計算值，如表2所示，可以看出，去掉干擾后的磁矩計算精度更高。

表2 x方向100 mA·m2的標準磁塊磁矩計算Table 2 The magnetic moment calculation of the standard magnetic block with 100 mA·m2 in x direction

4 磁試驗測控系統的應用

電磁星是我國首顆進行地磁場測量的科學衛星，精度要求非常高，為了降低環境干擾對測量結果的影響，試驗安排在凌晨進行。本次試驗首次對13臺磁通門磁強計數據并行采集，測量工況多，數據處理任務重；數據采集的同時，實時顯示了磁場的波動曲線；恒場電源和零場電源控制功能在測量工況多的情況下大大提高了試驗效率和可靠性；通過比較，均采用了去干擾的磁場值進行磁矩計算，降低環境干擾對測量和計算的影響，保證了測量的高精度。圖10為磁強計布置示意圖，其中1～13代表13個磁強計。

圖10 電磁星磁場測量磁強計布置Fig. 10 The magnetometer positions in magnetic measurement test for an electromagnetic star

電磁星磁試驗中，使用磁試驗測控系統實現了對磁試驗流程的集中控制；磁試驗測控系統工作穩定，操作簡便，大大提高了試驗效率和可靠性。電磁星磁試驗任務最終圓滿完成。

5 結束語

本文的基于LabVIEW軟件平臺的磁試驗測控系統充分利用了LabVIEW的強大功能，實現了磁場電源控制、磁場數據采集控制和磁矩計算功能。與以前的磁試驗測控系統相比，該系統的功能更完備，自動化程度高，大大簡化了操作，降低了科研人員的工作強度，提高了測控的精度和效率，增強了測控系統的穩定性，提高了衛星磁試驗的可靠性，并在電磁星的磁試驗中發揮了巨大的作用。該系統開發中取得的經驗，可在其他測試設備的測控系統中應用推廣。

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Design and application of measurement and control system used in spacecraft magnetic test based on LabVIEW

DENG Jiaxin, MENG Lifei, XIAO Qi, CHEN Jin’gang, GENG Xiaolei
(Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering, Beijing 100094, China)

To enhance the level of automation and simplify the complicated operations of measurement and control in the spacecraft magnetic test, a new measurement and control system based on LabVIEW software is developed, with consideration of the magnetic test’s process and the available facility. In this system, the power supply and the magnetometer probes can be configured and controlled automatically, the telecontrol of the coil magnetic field can be achieved by one click, and the real-time monitoring of the magnetic field’s fluctuations as well as the sampling & acquisition of the magnetic data are realized. The results of test show that this system has a satisfactory precision, a reliable stability and a high degree of automation. In addition, it is easy to use this sytem.

spacecrafts; magnetic test; measurement and control system; data acquisition and process;LabVIEW

V416.8; V416.5

B

1673-1379(2017)05-0522-06

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.05.012

2017-06-11；

2017-09-04

鄧佳欣, 孟立飛, 肖琦, 等. 基于LabVIEW的航天器磁試驗測控系統設計及應用[J]. 航天器環境工程, 2017,34(5): 522-527

DENG J X, MENG L F, XIAO Q, et al. Design and application of measurement and control system used in spacecraft magnetic test based on LabVIEW[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2017, 34(5): 522-527

（編輯：許京媛）

鄧佳欣（1984—）女，碩士學位，從事空間磁試驗研究。E-mail: djx1002@163.com。