吴卫权，陈 丽，孙晓春，鞠秀亮，王根源，张义成

（上海卫星装备研究所，上海 200240）

地磁环境下卫星磁试验中的外干扰磁场控制补偿方法

吴卫权，陈 丽，孙晓春，鞠秀亮，王根源，张义成

（上海卫星装备研究所，上海 200240）

针对地磁环境下外干扰磁场影响卫星磁试验精度问题，综合分析外干扰源场和卫星近场特性；通过合理布局（包括位置和方式）外干扰磁场监测传感器和卫星磁场采集传感器，增设动态磁场采集的A/D取样扫描频率循环控制、信号统计、滤波、数据拟合等信号处理功能，解决了监测传感器和采集传感器所得到的干扰信号的同步性、等效性、一致性，以及采集传感器信号中卫星真实磁场与干扰磁场之间的不相干性；实现了卫星磁试验的外干扰磁场有效闭环控制、自动跟踪、补偿和修正。通过24 h实时监测，外干扰磁场波动控制在0.5～1.0 nT 范围内，获得地磁环境下卫星24 h“准零磁”环境磁试验条件，满足卫星磁试验对磁环境的技术要求。

卫星；磁试验；干扰磁场；闭环控制

0 引言

航天器磁测试可在零磁环境中或地磁场环境下进行。在测试方法、测试地点、测试布局等确定以及转台、测试仪器研制定型后，环境磁场波动（外干扰磁场）引起的随机误差是影响航天器（尤其是大尺寸航天器）磁测试精度的主要因素。

本文针对地磁环境下外干扰磁场影响卫星磁试验精度问题，通过综合分析外干扰源场特性及卫星近场特性，通过信号处理手段以及合理布局传感器等技术措施，实现卫星磁试验的外干扰磁场有效闭环控制、自动跟踪、补偿和修正，确保卫星磁试验测试结果的有效性。

1 航天器磁试验环境条件现状

1.1 零磁环境试验条件

大型零磁线圈设备可以在一个相当大（3 m× 3 m× 3m）的空间内建立均匀、稳定的近零磁环境。所谓近零磁环境是指零磁线圈自身磁场波动和环境磁场波动对试验的综合影响值小于3 nT，也是国内外有关标准规定作为航天器磁试验数据有效性的判据。随着航天器尺寸不断增大，建设大型零磁线圈设备造价高、技术指标（均匀度、稳定度等）实现难度大，即使建成后也同样存在着外干扰磁场影响等问题。对于超大型航天器，受目前的零磁线圈尺寸限制，已不能在零磁环境条件下完成试验，只能选择在地磁环境下试验。

1.2 地磁环境试验条件

地磁环境下影响卫星磁测量的外干扰磁场主要有地磁场波动和工业磁场干扰。地磁场波动可分为由空间磁暴引起的短期变化和地磁场本身的长期变化。工业磁场干扰主要来自卫星磁试验现场附近的输电线、公路上运动的车辆、大型工厂、变电站等产生的干扰。

为满足外干扰磁场波动小于3 nT的要求，地磁环境下航天器磁试验通常选择在午夜12点至凌晨4点时段内进行，此时段的地磁场波动及工业干扰场波动能稳定在1 nT左右。地磁环境下航天器磁试验有效时间较短，且夜间试验增加了参试人员工作强度。

对上海卫星装备研究所的磁实验室进行 24 h监测发现，白天外干扰磁场波动平均达20 nT以上；当附近技术厂房真空设备、行车等机器运转后，磁场波动可达40 nT左右，因此试验不能安排在白天进行。可见，如何控制地磁场波动和工业磁场干扰对卫星磁测试的影响并保证试验测试精度，是地磁环境下卫星磁试验必须要解决的重要问题。

2 地磁环境下卫星磁测试误差模型

2.1 磁矩模型

根据航天器近场法磁测试原理，卫星磁试验时，其磁矩模型可简单描述为[1]

式中：M为试验获取的卫星磁矩，A·m2；Mreal为卫星实际磁矩，A·m2；Merr为试验误差产生的磁矩，A·m2；α为与测试距离等相关的综合系数；Breal为卫星实际产生的磁感应强度，nT；Bfluc为外干扰磁场（地磁场波动和工业干扰场综合值）引起的磁感应强度，nT；r为探头中心到试件中心的测试距离，m。

根据上述误差模型分析，在测试距离确定的条件下，地磁环境下卫星磁测试主要误差因素为Bfluc。

2.2 外干扰场波动与试验不确定度关系

根据标准，在测试周期内，航天器在无磁转台上绕z轴旋转1周后由磁传感器测得的磁场数据波动小于3 nT作为测试有效性判据。表1列出了测试距离确定条件下，外干扰磁场波动与试验测量磁矩不确定度的关系。

表1 测试距离确定下，外干扰磁场波动与试验测量磁矩不确定度的关系Table 1 Relation between external interference field fluctuation and test uncertainty

表1数据表明：外干扰磁场波动越大，引起的试验测量磁矩不确定度也越大。

3 地磁环境下卫星磁测试外干扰场源分析

3.1 外干扰场的频率特性

1）地磁场波动变化

地磁场的短期波动是随机的，变化周期一般为几秒、几分钟、几个小时，而长期变化的周期可以是几天、几个月甚至几十年。长期变化缓慢，对一次磁测量来说可以不考虑。

2）工业磁场干扰源的频率特性（见表2）

工业磁场干扰源很复杂，大多数由直流干扰源、交流干扰源、铁磁物质干扰源叠加生成。根据磁场随时间变化的情况，可分为静态扰动[2]和动态扰动。其中动态扰动对磁测量有较大影响，它的振幅和频率取决于干扰源的类型[3]。

表2 一些常见工业磁场干扰源频率特性参考值Table 2 Reference value of frequency characteristics of some industrial magnetic interference sources

3.2 外干扰场的数值量级

1）地磁场波动量级

地磁日变化是指地磁一天中发生的规则变化，其变化范围大约50 nT，一般约为该地区总磁场强度的千分之一左右。地磁场白天有几十nT变化；深夜12点至凌晨4点时间段为最佳平静期，磁场波动约为1 nT。

2）常见工业磁场干扰源与距离的量值关系（见表3）

表3 一些常见工业磁场干扰源与距离的量值关系Table 3 The relation between some industrial magnetic interference resource and distance

表3（续）

3.3 外干扰源场均匀性、梯度特性

1）地磁场的均匀性、梯度特性

在一个有限的测试区域中（几百m2的磁实验室），地磁场变化可以认为是均匀的，不存在梯度场。

2）工业干扰场的均匀性、梯度特性

一般认为工业干扰场存在空间梯度，对于某一种特定工业干扰源场来说，场值随距离衰减较快（场值以1/r3变化）；干扰源和传感器有一定距离时，可以将不同的干扰源场在空间进行线性叠加或合成计算。

4 地磁环境下卫星磁测试外干扰场补偿控制方法

4.1 基本原理

按图1进行试验测试，当外干扰磁场有变化时，由监测传感器与采集传感器在不同距离（R1、R2）处采集外干扰磁场变化[4]。

如图2所示的外干扰场控制模块可以同步自动跟踪、消除采集传感器中所受到的外干扰磁场，并将卫星有效磁场数据进行保留和另行处理。因此，一方面，监测传感器与采集传感器所采集到的外干扰场变化值必须保持一致性；另一方面，两传感器必须满足不相干性，即监测传感器仅测得外干扰场信号，而不受卫星磁场信号影响；而采集传感器仅得到去除外干扰场后的纯卫星磁场。也就是说，必须使监测传感器与采集传感器所采集的外干扰磁场信号变化值相等，如二者不等则数据处理控制模块将产生误差。

4.2 地磁波动控制方法

按图1所示的单点传感器布局方式下，当地磁场变化时，图3所示的控制模块将监测传感器测得的地磁波动信号反馈给数据处理模块以补偿采集传感器获得的磁场信号（卫星磁场+地磁波动场）[5]。由于传感器的控制线路串联闭环、二者信号同步；由外干扰场源特性分析知，地磁场在实验室区域空间内是近似均匀的，即，监测传感器与采集传感器两处获得的地磁场的波动变化值可认为是相同的，只要传感器每个分量轴的方向严格以地磁东西向零磁为基准一一对应保持一致，则单点布局方式对控制地磁场变化是有效的，在去除地磁波动变化部分后，采集传感器获得的磁场即为卫星磁场值。

4.3 工业磁场干扰控制方法

对于工业磁场干扰，按图1进行测试。如果工业磁场干扰源距离监测传感器与采集传感器的距离不一样，由于工业干扰场存在空间梯度，对于单点布局方式，同一干扰源2种传感器所测得的值是不相等的，即干扰不一致。此时，若近似将干扰源场看作随空间线性变化，则按图2采用在卫星两边对称布置监测传感器及均值数据处理方法，可以大大减小梯度场引起的工业磁场干扰场的不一致性。且与单点布局方式相比，对称布置及均值处理方法对地磁场波动控制更加有效。

至此，可认为对称布置模式下均值法对地磁环境下卫星磁测试外干扰控制是有效的，可以成功解决工业磁场干扰的不一致性。尽管实际的工业干扰场是上述分析的各种特性场源的叠加，但是根据场的可叠加性，平均值外干扰控制法对于实际叠加的工业磁场干扰也是有效的。

4.4 交流干扰场控制方法

通过工业磁场干扰特性、干扰量值分析及式(1)、表1～表3所示，工业磁场干扰对磁试验设备的影响主要集中在磁矩测量上，其中对于磁试验影响最大的工业干扰场源因素主要是交流干扰源。

常规三分量磁通门磁强计频率响应为 10～30 Hz，在磁强计及相关硬件一定的条件下，可通过测量方法和数据处理方法控制工业交流磁场干扰。具体方法：将交流干扰源分为高频交流干扰源和低频交流干扰源，其中高频信号按图3[6-7]由控制模块采用滤波方式处理，解决高频交流场引起的外干扰不一致性；低频部分仍由控制模块采用均值法数据处理方式消除或减轻工业磁场干扰引起的不一致问题。

通过上述外干扰源分类和特性分析、外干扰场频率特性分析和磁传感器频率响应特征分析，采用对称布置、均值、滤波等数据处理方法，可获得地磁环境下外干扰场控制的最佳方案。

5 外干扰磁场控制方法的试验验证

为验证外干扰磁场控制方法的有效性，在地磁环境下（白天恶劣外干扰磁场背景）开展卫星磁试验验证，并进行连续12 h外干扰场实时跟踪、补偿、控制试验验证。

验证试验时间段选择在空间环境模拟设备（该设备距磁实验室中心区30 m）运行情况下进行。试验期间，本方法对外干扰环境磁场波动控制约为 0.5～1 nT（见表4），在采集传感器与卫星之间测试距离3.475～4.630 m范围内，卫星的磁矩测试误差在几十到 200 mA·m2范围内变化（见表5），外干扰场控制值满足GJB 7679—2012规定的卫星磁试验环境要求。

在地磁环境下卫星磁试验时，由于采用了外干扰磁场波动闭环跟踪补偿控制技术，即：卫星磁矩测试时，计算机根据监测传感器获得的干扰源磁场数据对采集传感器同步获得的磁场数据进行实时补偿和修正，大大地减少了外干扰磁场波动对测试精度影响，实际外干扰磁场波动控制在0.5～1.0 nT 范围内。

表4 12 h地磁环境下卫星磁试验外干扰磁场波动及控制监测结果Table 4 12-hour monitored results of external magnetic interference & control value for satellite test in geomagnetic environment

表5 12 h地磁环境下卫星磁试验外干扰磁场控制方法磁矩测试误差结果Table 5 12-hour magnetic-moment results with external magnetic interference control for satellite test in geomagnetic environment

6 结束语

卫星磁试验主要在零磁环境和地磁环境下进行。地磁环境下卫星磁试验外干扰磁场闭环控制方法可将实际环境磁场干扰波动控制在 0.5～1.0 nT 范围内，大大减小外干扰磁场波动对磁测试精度的影响。该方法在数十颗卫星研制中得到成功应用，在不具备高均匀度、高稳定度大型零磁设备条件下，很好解决了以往地磁环境下外干扰波动场影响卫星磁试验精度难题，满足卫星24 h“准”零磁环境试验条件，具有较高经济性、实用性。方法可应用于航空航天、船舶、海洋、地质等相关领域的磁性检测、监测。

（References）

[1]EICHHORN W L.Magnetic dipole moment determination by near-field analysis: NASA TN D-6685.19[S]: 10

[2]赵凯华, 陈熙谋.电磁学（上）[M].北京: 高等教育出版社, 1985: 335

[3]赵凯华, 陈熙谋.电磁学（下）[M].北京: 高等教育出版社, 1985: 460-670

[4]航天器磁场暴露情况的监测: NASA TM-4322 PD ED 1207[S], 1991: 5

[5]科学仪器的磁设计控制: NASA TM-4322 PD ED 1207[S], 1991: 8

[6]MOSKOWITZ R, LYNCH R.Magnetostatic measurement of spacecraft magnetic dipole moment[J].IEEE Trans Aerospace, 1974, 2(2): 110

[7]Assessment and control of spacecraft magnetic fields: NASA-SP8037[R], 1970: 66

（编辑：闫德葵）

Control and compensation of external magnetic field interference in magnetic-moment test for satellite in geomagnetic environment

WU Weiquan, CHEN Li, SUN Xiaochun, JU Xiuliang,WANG Genyuan, ZHANG Yicheng
(Shanghai Institute of Spacecraft Equipment, Shanghai 200240, China)

This paper analyzes the characteristics of the external interference field and the near-field of a satellite to see how the precision is affected by the outer interference magnetic field in the magnetic tests under geomagnetic environment.By properly placing the sensors monitoring the outer interference magnetic fields, arranging the satellite’s magnetic sensors, with the help of signal processing functions for the dynamic magnetic fields such as A/D sampling scan frequency cycle control, the signal statistics, the filtering waves, and the data fitting, we have achieved the synchronization, the equivalencies, the consistency of the interference signals between the monitoring sensors and the collection sensors, and the non-interference between the real and the interference magnetic fields in signal collection, the effectiveness of the closed-loop control, the auto-detection, and the compensation and the revision of the outer interference magnetic fields under dynamic magnetic environment.The outer interference effects are avoided in the magnetic tests.In the real-time monitoring under the harsh environment, the magnetic interference fluctuations are kept within the range of 0.5 - 1 nT.The test environment conditions of 24h quasi-zero magnetic field are achieved with satisfaction of the technical requirements of the magnetic environment for the magnetic tests of satellites.

satellite; magnetic test; interference of magnetic field; closed-loop control

P318.6+3

：A

：1673-1379(2017)01-0104-05

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.01.017

吴卫权（1965—），男，研究员，从事航天器磁设计、磁测试工作。E-mail: 13636581835@163.com。

2016-06-10；

：2017-01-24

吴卫权,陈丽,孙晓春,等.地磁环境下卫星磁试验中的外干扰磁场控制补偿方法[J].航天器环境工程, 2017,34(1): 104-108

WU W Q, CHEN L, SUN X C, et al.Control and compensation of external magnetic field interference in magnetic-moment test for satellite in geomagnetic environment[J].Spacecraft Environment Engineering, 2017, 34(1): 104-108