翟晶晶 李 享 张海波

(中国船舶重工集团公司第七一○研究所，国防科技工业弱磁一级计量站，湖北宜昌 443003)

1 引 言

近地空间磁场探测一直是空间科学探测的主要领域之一，已经有近五十年的历史。通过卫星磁测，人们在很短的时间里，就能取得整个地球磁场的资料。根据卫星磁测资料，可以建立全球范围的地磁场模型，研究全球范围的磁异常，并可以研究地磁场的空间结构[1]。我国在“双星计划”“风云四号”“萤火虫一号”“张衡星”等卫星上搭载有磁通门磁传感器、标量磁强计等磁场探测载荷，对空间磁场进行测试。为了保证磁场探测载荷在卫星主体上安装完成后及发射后可正常开展工作，测试数据可信，需要在磁场探测载荷研制的各个阶段：电性件、鉴定件、正样件等对其性能进行校准。

目前的校准体系可在磁场探测载荷的初样、正样阶段提供校准服务，但在卫星总体装配完成后，整星电测、整星大型试验阶段、模拟飞行试验阶段尚无测试设备，不能对磁场探测载荷的性能指标进行现场校准。

本文针对卫星总装完成后的测试提供稳定的磁场环境及校准手段，为磁场探测载荷提供计量保障。

2 卫星磁载荷现场校准装置的组成及工作原理

2.1 校准装置组成

卫星磁场探测载荷现场校准装置主要由拆分式磁场线圈、交直流激励系统、三维调节支架、测试系统等组成，现场校准装置示意图如图1所示。在进行现场校准工作时，由交直流激励系统激励拆分式磁场线圈，产生校准需要的标准磁场，三维调节支架可进行三维调节，在校准过程中可用于磁传感器对轴，测试系统测量线圈绕组通过的电流值，计算得到标准磁场，校准磁通门磁传感器的灵敏度、线性度、频率响应特性等技术指标。

图1 现场校准装置示意图Fig.1 On-site calibration device sketch

2.2 工作原理

测试时，将线圈置于导轨上，保持拆分式状态，并锁定线圈，防止线圈晃动；线圈安放稳固后同时调节两个三角支架的高度，使线圈缓慢匀速升高，接近伸杆高度；当线圈接近卫星伸杆时，调整三角支架的位置使被校磁传感器位于线圈中心；摇动支架中轴齿轮，继续升高线圈高度，使得被校磁传感器置于线圈中心。线圈到达预定高度后，锁定三角支架的高度，然后继续调节三角支架，使得被校磁传感器的被测轴与线圈磁轴基本重合；最后合拢线圈，并锁定。

线圈安装到位后，与激励系统连接，通过改变激励系统的电流实现任意方向、任意大小磁场的复现，对磁载荷进行校准。工作状态下的校准装置如图2所示。

图2 工作状态下的校准装置示意图Fig.2 Calibration device under working condition

3 校准装置设计过程

3.1 拆分式磁场线圈

在整星测试时，磁通门磁传感器、标量磁强计的安装位置如图3所示，受吊装线的影响，在对磁通门磁传感器进行校准时，磁场线圈需要穿过吊装线，因此磁场线圈需要设计为可拆卸式。拆分式磁场线圈主要功能是产生均匀的磁场环境，具有可拆卸、可移动的特点。

图3 卫星磁场探测载荷安装环境示意图Fig.3 Schematic diagram of installation environment for satellite magnetic field detection load

1)基本原理

根据毕奥-萨瓦(Biot-Savart)定律[2]，圆形线圈轴线上与中心点相距x处的磁场大小为

(1)

式中：B——线圈轴线上距离中心点x处的磁场大小，T；I——线圈通过的电流，A；R——线圈绕组半径，m；x——线圈轴线上某一点距离中心点的长度，m。

根据此基本定律，如图4所示的两圆形线圈，轴线上任一点P的磁场大小为[3]

图4 亥姆霍兹线圈Fig.4 Helmholtz coil

(2)

式中：D——两圆形线圈的间距，m；x——点P与中心点的距离，m。

中心点附近某一点P(r,θ)处的磁场均匀度为[4]

(3)

(4)

(5)

(6)

为了提高均匀度，可令其高阶磁场系数为零，即令L2(β)=0，有

(7)

解为

(8)

或

R=D

(9)

满足以上条件的一对圆环线圈即为亥姆霍兹线圈。亥姆霍兹线圈结构简单，尤其在制作三维磁场线圈时，更易于工艺实施，比如加工、定位、组装等。经过计算，在r/R=0.1条件下，亥姆霍兹线圈的均匀性误差能达到10-4，可以满足一般情况下的磁场复现均匀性需求[6]。

2)线圈结构

基于亥姆霍兹线圈简单的结构，对其做可拆卸设计难度较其他结构的线圈较小，断开的绕组可用接插件连接，因此绕组匝数需要尽可能的低。

拆分式磁场线圈的设计图如图5所示。

图5 拆分式磁场线圈结构图Fig.5 Structure chart of split magnetic field coil

线圈除接插件部分外均由环氧板、聚甲醛等非金属材料制作。同时为了方便线圈的拆卸，避免大力拆卸引起的与卫星伸杆碰撞、摩擦等事故隐患，在线圈的两端设计了开合凸轮，拆分线圈时掰开凸轮把手，即可分离线圈上下两部分，此设计具有省力、方便等优点，在测试过程中也得到了验证，可十分轻便的分离线圈。

3)线圈参数测试

线圈绕制组装完成后对线圈常数、均匀区等参数进行了测试[6]，测试结果见表1。

表1 拆分式线圈绕组线圈参数测试数据Tab.1 test data of split coil winding parameters绕组绕组半径R/m匝数N线圈常数KB/(μT/A)均匀区δ外框0.2001428.2550.1%中框0.1791231.4940.1%内框0.1581128.0660.1%

3.2 无磁支架设计

在对卫星磁场探测载荷进行现场校准的过程中，由于磁载荷安装于卫星伸杆顶部，距离地面约(2～3)m的高度，因此在校准过程中需要支架将校准线圈升高，使得被校磁载荷位于校准线圈中心工作区。结合现场校准的需要，线圈支架在设计时需要满足以下要求。

1)无磁性；

2)升降高度(2～3)m；

3)承重不小于20kg；

4)轻便，可便携；

5)可移动。

根据以上要求，项目组对线圈支架进行了设计，采用了两个三角支架加滑动平台的形式，以满足线圈对不同安装位置的磁载荷进行校准的需求[7]，如图6所示。

图6 线圈测试支架示意图Fig.6 Schematic diagram of coil test bracket

线圈安装在滑动平台底座的转盘上，通过转盘可进行转动，通过调节转盘的位置可使被校磁载荷的敏感轴与线圈磁轴重合。平台底座通过两根碳纤维制的直杆与两三角支架相连，底座可在平台上滑动，通过调节底座在平台上的位置，使得被校磁载荷位于线圈中心工作区，同时，在对下一个磁载荷进行校准时也可通过滑动底座位置实现。

3.3 交直流激励及测试系统设计

交直流磁场激励系统主要为标准磁场复现提供激励源[6]。针对线圈的线圈常数、复现磁场强度范围等设计电源功率、输出电流值。为了满足磁场稳定性、磁场噪声等指标要求，对电源的纹波、稳定性等进行设计，同时根据现场校准的需求对激励系统及测试模块进行便携性设计。

拆分式磁场线圈的线圈常数基本在30μT/A左右，若在地磁场环境下复现±65μT的磁场，则磁场线圈需复现的磁场强度为(0～110)μT(恒定磁场)，则恒流源的输出电流范围为(0～4)A，在本项目中恒流源的设计电流范围为(0～5)A，电源的稳定性优于1×10-4。交变磁场的复现范围为65μT(峰值)，交变电流值的峰值约2A，频率范围(1～60)Hz。

复现磁场按式(10)计算得到

B=KBI

(10)

式中：B——磁场线圈复现的磁场；KB——磁场线圈的线圈常数；I——磁场激励电源的电流值。

通过线圈绕组的电流值可通过串联标准电阻，测量标准电阻电压降的方式得到。

3.4 不确定度分析

该套装置的不确定度来源主要有线圈常数、拆分式线圈稳定性、磁场非均匀性、磁轴不一致、直流电源稳定性、磁场波动等[6]，主要影响量见表2。

假设各不确定度分量独立不相关，合成标准不确定度为

uc=7×10-4Br+3nT

(11)

表2 磁场测量不确定度分量一览表Tab.2 List of uncertainty components in magnetic field measurement序号不确定度主要来源评定方法分布k值标准不确定度1线圈常数B正态分布25×10-5Br2拆分式线圈稳定性B均匀分布33×10-4Br3磁场非均匀性B均匀分布36×10-4Br4磁轴不一致性B均匀分布33×10-5Br5激励电源(直流)B均匀分布36×10-5Br6地磁场波动B均匀分布33nT

取置信因子k=2，则扩展不确定度为

U=uc×2=1.4×10-3Br+6nT

(12)

4 结束语

通过对卫星磁场探测载荷现场校准技术的研究，研制了相应的校准装置，该套装置已在“张衡一号”电磁监测试验卫星上进行了应用，在整星测试、

发射前等多个阶段对磁通门传感器载荷进行了校准，为高质量测试数据的获取奠定了基础。该卫星已于2018年发射成功，目前已通过磁通门磁强计测得的数据绘制了地磁图，包括全球地磁场总场及南北向、东西向、垂直项三个分量的分布，并同步比对了国际地磁参考场(IGRF)以及同时期SWARM星座的全球数据分布[8]，三者的磁场变化趋势及主要特征完全一致。