基于虛擬儀器的衛(wèi)星磁測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙江萍 宋 歌

(1.上海衛(wèi)星裝備研究所，上海 200240; 2.上海裕達(dá)實(shí)業(yè)有限公司，上海 200240; 3.浙江大學(xué)，浙江 杭州 310058)

在航空航天領(lǐng)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(tài)測(cè)控系統(tǒng)以及空間磁場(chǎng)探測(cè)儀表的精度。這是因?yàn)槠鹪从诘厍騼?nèi)部地磁場(chǎng)的近地空間磁場(chǎng)對(duì)航天器的運(yùn)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(tài)[1-3]。為了滿足航天器姿態(tài)測(cè)控的要求，就必須對(duì)航天器本身的磁性能進(jìn)行精確測(cè)試[4]。高精度磁測(cè)試系統(tǒng)用于對(duì)各類航天器進(jìn)行磁狀態(tài)測(cè)試，驗(yàn)證其是否達(dá)到測(cè)控的要求，以便實(shí)施磁性控制措施。本文依據(jù)GJB 7679-2012 《 航天器磁設(shè)計(jì)及磁試驗(yàn)方法 》[5]對(duì)磁試驗(yàn)的相關(guān)要求，基于PXI平臺(tái)研制了一種衛(wèi)星高精度磁測(cè)試系統(tǒng)，通過(guò)LabVIEW軟件平臺(tái)下開(kāi)發(fā)的測(cè)試控制軟件，可實(shí)現(xiàn)測(cè)試過(guò)程控制、數(shù)據(jù)采集處理、報(bào)表生成及測(cè)試數(shù)據(jù)庫(kù)管理等功能。通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)磁塊和穩(wěn)定磁場(chǎng)開(kāi)展的試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可滿足國(guó)軍標(biāo)中對(duì)衛(wèi)星磁測(cè)試要求，實(shí)現(xiàn)測(cè)試過(guò)程的自動(dòng)化。

1 測(cè)試方法

對(duì)航天器的磁測(cè)試主要是對(duì)其磁矩的測(cè)定。通過(guò)磁矩，可以了解航天器內(nèi)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(gòu)成。由于軌道地磁場(chǎng)產(chǎn)生的感磁矩不構(gòu)成姿態(tài)控制的干擾力矩，航天器磁矩測(cè)試值應(yīng)不包含地磁場(chǎng)產(chǎn)生的感磁矩。因此，對(duì)航天器的磁測(cè)試一般選擇在可控磁場(chǎng)中進(jìn)行，磁場(chǎng)環(huán)境要保持穩(wěn)定，測(cè)試不受外界磁場(chǎng)干擾[6-7]。

磁測(cè)試的方法主要有偶極子法(遠(yuǎn)場(chǎng)分析法)、球面做圖法和赤道做圖法(近場(chǎng)分析法)。對(duì)航天器進(jìn)行磁測(cè)試時(shí)，主要采用近場(chǎng)分析法[8-9]。選擇近場(chǎng)分析法時(shí)，在距離上應(yīng)盡量滿足式(1)要求[10]。

(1)

式中，D為試件的包絡(luò)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(chǎng)分析法對(duì)航天器進(jìn)行磁矩測(cè)試，首先在至無(wú)磁轉(zhuǎn)臺(tái)中心一定距離處放置4個(gè)三軸磁通門傳感器，可以對(duì)X、Y、Z三個(gè)方向的磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量。將航天器放置在無(wú)磁轉(zhuǎn)臺(tái)之前，需要對(duì)磁傳感器進(jìn)行調(diào)節(jié)，并對(duì)環(huán)境的背景磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試。背景磁場(chǎng)測(cè)試完畢后，將航天器(或試件)放置在無(wú)磁轉(zhuǎn)臺(tái)上，如圖1所示。開(kāi)始測(cè)量后，通過(guò)旋轉(zhuǎn)無(wú)磁轉(zhuǎn)臺(tái)，獲取各個(gè)角度下所測(cè)得的磁感應(yīng)強(qiáng)度值。

圖1 被測(cè)件及傳感器安裝示意圖

傳感器測(cè)得每個(gè)角度下的磁感應(yīng)強(qiáng)度后，利用式(2)進(jìn)行數(shù)學(xué)反演運(yùn)算，求得磁矩值[11]。

(2)

式中,k為試件多極子的極數(shù)；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(jìn)行計(jì)算時(shí)，A0、A1、A2為傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)系數(shù)，其數(shù)值根據(jù)每個(gè)磁感應(yīng)傳感器所測(cè)得磁感應(yīng)數(shù)據(jù)，利用式(3)進(jìn)行計(jì)算。

(3)

式中，N為航天器(或試件)繞垂直軸旋轉(zhuǎn)一周的測(cè)點(diǎn)數(shù)；i為磁傳感器所處位置號(hào)；j為磁傳感器X、Y、Z分量號(hào)(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(gè)磁傳感器測(cè)得的磁感應(yīng)強(qiáng)度值，nT；ri為位置i處磁傳感器與航天器(或被測(cè)件)中心的距離，m；φ為航天器(或試件)繞無(wú)磁轉(zhuǎn)臺(tái)垂直軸旋轉(zhuǎn)的角度。

計(jì)算磁矩的過(guò)程中，通過(guò)兩個(gè)傳感器的測(cè)得值求得一組磁矩值，以求MX(1,2)為例。將1號(hào)和2號(hào)傳感器測(cè)得數(shù)據(jù)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(jì)算的MX(1,2)值。對(duì)于其他傳感器以及不同方向的值，可以用同樣的方法進(jìn)行求解。

2 測(cè)試硬件系統(tǒng)

2.1 硬件系統(tǒng)組成

高精度磁測(cè)試系統(tǒng)基于NI PXI平臺(tái)開(kāi)發(fā)，它結(jié)合了PCI的電氣總線特性與緊湊PCI的堅(jiān)固性、模塊化及Eurocard機(jī)械封裝等特性，是測(cè)量和自動(dòng)化系統(tǒng)的高性能、低成本運(yùn)載平臺(tái)。圖2所示為該系統(tǒng)硬件連接框圖，主要由PXI機(jī)箱、電纜轉(zhuǎn)接盒和磁傳感器等組成。

圖2 硬件連接框圖

系統(tǒng)中選擇了NI PXI-1031機(jī)箱作為采集控制的硬件平臺(tái)，包含PXI-8820嵌入式控制器、PXI-2570開(kāi)關(guān)模塊和NI PXI-4071數(shù)字萬(wàn)用表模塊等。其中， PXI-2570是一款40通道通用采樣開(kāi)關(guān)模塊，擁有獨(dú)立的單刀雙擲繼電器，其主要功能是切換不同的測(cè)量及數(shù)據(jù)傳輸通道；PXI-4071是一款7位半數(shù)字萬(wàn)用表，主要用于傳感器輸出數(shù)據(jù)的A/D變換和處理。

2.2 測(cè)試工作原理

三軸磁通門傳感器利用高導(dǎo)磁鐵芯在交變的飽和激勵(lì)下其磁感應(yīng)強(qiáng)度與被測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度之間存在非線性關(guān)系的原理來(lái)測(cè)量磁場(chǎng)值的大小，可以對(duì)靜止磁場(chǎng)和交變磁場(chǎng)進(jìn)行三分量、高精度測(cè)量，并將磁場(chǎng)強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電壓值輸出。

磁傳感器通過(guò)航空插頭與電纜轉(zhuǎn)接盒連接，PXI-2570開(kāi)關(guān)模塊則通過(guò)NI LFH200電纜與電纜轉(zhuǎn)接盒連接。經(jīng)轉(zhuǎn)接盒內(nèi)部線路，可實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)模塊內(nèi)不同編號(hào)開(kāi)關(guān)與各傳感器的輸出通道的一對(duì)一連接。如圖3所示，COM和NCi(i為序號(hào))為PXI-2570開(kāi)關(guān)模塊中的開(kāi)關(guān)端，通過(guò)程序可以控制其閉合或斷開(kāi)。默認(rèn)所有開(kāi)關(guān)均處于斷開(kāi)狀態(tài)，當(dāng)需要對(duì)某一傳感器的某一方向信號(hào)進(jìn)行采集時(shí)，將控制當(dāng)前通道的開(kāi)關(guān)閉合。此時(shí)，傳感器的信號(hào)即可傳遞至PXI-4071的7位半數(shù)字萬(wàn)用表DC+和DC-端進(jìn)行電壓測(cè)量，經(jīng)軟件換算即可獲得指定通道的磁測(cè)量值。利用此方式進(jìn)行測(cè)量，開(kāi)關(guān)切換將并行測(cè)量轉(zhuǎn)換為串行測(cè)量，可有效減少信號(hào)測(cè)量實(shí)際所需物理通道數(shù)，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(jié)構(gòu)

高精度磁測(cè)試系統(tǒng)軟件部分基于虛擬儀器軟件LabVIEW開(kāi)發(fā)。LabVIEW是美國(guó)國(guó)家儀器(NI)公司研制的程序開(kāi)發(fā)環(huán)境。LabVIEW是一種圖形化編程語(yǔ)言[12]。該語(yǔ)言的核心是數(shù)據(jù)流，通過(guò)數(shù)據(jù)在連線上的流動(dòng)，可以清楚知道數(shù)據(jù)的來(lái)源和去處。將LabVIEW用于測(cè)試系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，既可以縮短開(kāi)發(fā)周期，也符合 “軟件即儀器”的理念。

3.1 軟件體系架構(gòu)

高精度磁測(cè)試系統(tǒng)的核心是磁感應(yīng)強(qiáng)度測(cè)量以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，此外還包括用戶管理以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)交互，軟件流程如圖4所示。從軟件流程圖中可以看到，測(cè)試系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程為：用戶登錄，登錄成功后新建測(cè)試任務(wù)并進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試完成后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析存儲(chǔ)，最后結(jié)束退出。可以看到各個(gè)狀態(tài)跳轉(zhuǎn)以單向?yàn)橹?，所以在軟件設(shè)計(jì)中采用整體順序結(jié)構(gòu)，在每一個(gè)狀態(tài)，則采用循環(huán)事件結(jié)構(gòu)，以滿足程序功能設(shè)計(jì)的要求。

圖4 軟件流程圖

循環(huán)事件結(jié)構(gòu)的程序結(jié)構(gòu)如圖5所示，從圖中可以看到，程序外層為While循環(huán)結(jié)構(gòu)，內(nèi)層為事件結(jié)構(gòu)，兩者的結(jié)合組成了循環(huán)事件結(jié)構(gòu)。通過(guò)將事件結(jié)構(gòu)內(nèi)嵌于循環(huán)結(jié)構(gòu)，程序能夠一直監(jiān)視用戶的操作，從而按用戶需求完成測(cè)試等相關(guān)運(yùn)作，直至程序停止運(yùn)行。

圖5 循環(huán)事件結(jié)構(gòu)程序框圖

3.2 “一字型”測(cè)試程序

針對(duì)程序的循環(huán)事件結(jié)構(gòu)，以“一字型”測(cè)試程序?yàn)槔M(jìn)行說(shuō)明。 “一字型”測(cè)試指的是測(cè)試時(shí)磁通門傳感器的排列方式呈“一字型”，如圖1所示，測(cè)試程序的界面如圖6所示。

在該測(cè)試程序下，用戶可以按照測(cè)試順序進(jìn)行操作。選擇“新建任務(wù)”，對(duì)傳感器測(cè)量通道、靈敏度和采樣率等信息進(jìn)行設(shè)置。

完成任務(wù)新建后，需要對(duì)背景磁場(chǎng)進(jìn)行反復(fù)測(cè)試。點(diǎn)擊“背景測(cè)試”按鈕，獲取背景磁場(chǎng)值，根據(jù)測(cè)得值，對(duì)傳感器進(jìn)行微調(diào)，使得傳感器Y向的磁感應(yīng)強(qiáng)度在±20 nT以內(nèi)。傳感器調(diào)整完畢后，通過(guò)旋轉(zhuǎn)無(wú)磁轉(zhuǎn)臺(tái)，對(duì)每一個(gè)角度下的磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量。測(cè)試過(guò)程中，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)模塊的切換，依次讀取傳感器的輸出信號(hào)。信號(hào)采集過(guò)程中，為避免錯(cuò)誤信號(hào)被讀取，采用了濾波算法對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。

圖6 “一字型”測(cè)試界面

測(cè)試完成后，程序?qū)⒆詣?dòng)完成磁矩值的計(jì)算，并在表格中顯示，用戶可以選擇是否將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)。此外，用戶還可以通過(guò)查看數(shù)據(jù)，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖或報(bào)表打印。

4 試驗(yàn)分析

根據(jù)GJB 7679-2012的要求，用于磁試驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)必須滿足穩(wěn)定性小于2 nT/2 h，其不確定度應(yīng)小于量程的1‰。為了對(duì)高精度磁測(cè)試系統(tǒng)的性能做出評(píng)價(jià)，利用該測(cè)試系統(tǒng)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)磁場(chǎng)和磁塊進(jìn)行測(cè)試，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并給出結(jié)論。

4.1 標(biāo)準(zhǔn)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

磁測(cè)試系統(tǒng)對(duì)航天器的磁矩進(jìn)行測(cè)試，首先要保證所測(cè)得的磁感應(yīng)強(qiáng)度值的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，將磁傳感器接入系統(tǒng)之后，需要對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)。穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)在穩(wěn)定的磁場(chǎng)中進(jìn)行，穩(wěn)定磁場(chǎng)由磁屏蔽筒提供。根據(jù)國(guó)軍標(biāo)要求，對(duì)其進(jìn)行2 h穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)，通過(guò)分析測(cè)得數(shù)據(jù)的波動(dòng)大小來(lái)對(duì)穩(wěn)定性和不確定度進(jìn)行評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)所得的其中一個(gè)通道數(shù)據(jù)如圖7所示。

從圖中可以看到，在2 h內(nèi)，所測(cè)得最大的磁感應(yīng)強(qiáng)度為10.94 nT，最小的磁感應(yīng)強(qiáng)度為9.62 nT，故最大浮動(dòng)為1.32 nT，滿足磁測(cè)試系統(tǒng)穩(wěn)定度要小于2 nT/h的技術(shù)要求。通過(guò)對(duì)其他通道進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，同樣可以獲得相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)磁傳感器的穩(wěn)定性做出評(píng)價(jià)。最終得出該系統(tǒng)的測(cè)量穩(wěn)定度為1.5 nT/h，滿足測(cè)試系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)。

圖7 單通道測(cè)試數(shù)據(jù)

利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)的測(cè)量不確定度進(jìn)行評(píng)定。系統(tǒng)的A類不確定度即為測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)差，標(biāo)準(zhǔn)差根據(jù)貝塞爾公式求解，如式(4)所示。

(4)

將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入式(4)，可以求得，uA=0.34 nT。對(duì)于該測(cè)試系統(tǒng)，B類不確定度主要來(lái)自磁傳感器，根據(jù)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(tǒng)的相對(duì)不確定度為0.02‰。

(5)

以同樣的方式對(duì)其余通道進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可得最大相對(duì)不確定度為0.1‰，滿足國(guó)軍標(biāo)對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不確定度要求1‰的技術(shù)要求。

4.2 標(biāo)準(zhǔn)磁塊實(shí)驗(yàn)

高精度測(cè)試系統(tǒng)最終要給出被測(cè)試對(duì)象的磁矩，故需要對(duì)該測(cè)試系統(tǒng)的準(zhǔn)確性做出評(píng)價(jià)。實(shí)驗(yàn)中，利用該系統(tǒng)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)磁塊進(jìn)行測(cè)試，將系統(tǒng)的測(cè)得值與磁塊的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比對(duì)，從而對(duì)系統(tǒng)做出評(píng)價(jià)。以磁矩為2972 mA·m2的標(biāo)準(zhǔn)磁塊為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，進(jìn)行3組測(cè)量，所測(cè)得的數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖8 標(biāo)準(zhǔn)磁塊3次測(cè)試結(jié)果

根據(jù)表中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。首先根據(jù)3次測(cè)量的所得值，計(jì)算測(cè)量均值為3031.7 mA·m2，從而計(jì)算得到標(biāo)準(zhǔn)差為8.08 mA·m2，最后根據(jù)式(6)計(jì)算重復(fù)性誤差。

(6)

由計(jì)算可得，測(cè)試結(jié)果的重復(fù)性為0.27%，對(duì)于測(cè)試設(shè)備而言，一般要求重復(fù)性小于0.3%，由計(jì)算所得的數(shù)據(jù)可知，該測(cè)試設(shè)備滿足重復(fù)性要求，可用于磁矩測(cè)量。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)高精度磁測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試方法和開(kāi)發(fā)進(jìn)行了詳細(xì)介紹。高精度磁測(cè)試系統(tǒng)主要涉及硬件和軟件兩部分，硬件以NI-PXI設(shè)備為核心，結(jié)合磁通門傳感器完成磁場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集；軟件利用虛擬儀器軟件LabVIEW開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了測(cè)試過(guò)程控制、磁矩計(jì)算、數(shù)據(jù)分析。該系統(tǒng)具有使用方便靈活、開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)該系統(tǒng)的驗(yàn)證，說(shuō)明該測(cè)試系統(tǒng)具有足夠的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，可用于對(duì)衛(wèi)星、單機(jī)等航天器的磁測(cè)試。