一种用于行星表面微型磁层的动态调控方法

本发明涉及电磁场自动测控，具体涉及一种用于行星表面微型磁层的动态调控方法。

背景技术：

1、随着深空探测技术快速迭代发展，各类行星在轨探测载荷、航天电子器件的地面环境验证需求持续增多，行星周边磁层环境地面等效模拟成为航天预研试验的关键环节。通过人工搭建可控磁场发生系统复现行星原位磁层分布，能够在地面条件下完成元器件抗磁干扰性能考核，磁场模拟的动态可调能力与仿真精准度直接影响航天产品试验可靠性，高精度闭环式磁层模拟调控装置的研发需求愈发迫切。

2、目前常规行星磁场模拟设备主要采用单一种类线圈固定励磁结构，配套开环控制模式开展磁场生成，预先设定线圈励磁参数后固定输出，仅能够实现单一稳态磁场输出；磁场采集环节普遍采用单一种类滤波处理采样数据，依靠出厂预设参数完成线圈标定，无法依据工况需求动态调整目标磁场。现有设备可满足基础均匀磁场简易试验，但整体控制架构单一，缺少多工况自适应匹配逻辑。

3、而现有方案缺少背景抵消、微型磁层生成双工况自适应配置机制，不能按需切换目标磁场类型；同时开环控制无双层串级控制逻辑，无法依据实测磁场与目标磁场偏差实时修正线圈励磁电流，磁场仿真误差偏大，难以复现行星磁层受太阳风扰动后的动态畸变特征，无法真实还原行星原位磁层环境，制约深空载荷试验的仿真真实性。

技术实现思路

1、为了解决以上技术问题，本发明提供了一种用于行星表面微型磁层的动态调控方法，所述方法包括以下步骤：

2、s1、构建多扰动耦合磁场映射模型，经由多工况激励与智能优化算法辨识模型参数，补偿多源非线性误差，得到标定完成的磁场模型；

3、s2、采集原始磁场数据，基于步骤s1所得标定模型确定滤波模型与滤波参数，经复合滤波降噪处理后，输出实测磁场矢量；

4、s3、划分为背景场抵消和微型磁层生成两类工作工况，根据所选工况匹配对应的目标磁场数值并输出待用；

5、s4、基于目标磁场数值和实测磁场矢量，并调用磁场模型，依托双层串级控制策略求解霍氏线圈和环形线圈的电流修正量，同时依据误差变化规律调整系统采样周期；

6、s5、根据步骤s4输出的电流修正量，分别通过对应电控单元调节三维霍氏线圈阵列和环形线圈的励磁电流，改变空间合成磁场；

7、常态下周期性循环执行步骤s2~步骤s5，以实现闭环控制。

8、作为本发明的进一步改进，在步骤s1中，具体包括以下步骤：

9、s101、建立包含静态梯度背景场、霍氏线圈温变动态场、环形线圈高阶非线性场、双线圈张量形式互感场、jiles-atherton磁滞场、有色噪声场的多扰动耦合磁场映射模型，模型表达式为：

10、

11、式中，为空间任意位置瞬时合成磁场，为位置相关静态背景场；为霍氏线圈生成磁场；为霍氏线圈工作电流；为环境温度；为霍氏线圈电流变化率；为温度梯度；为环形线圈生成磁场；为环形线圈工作电流；为环形线圈电流变化率；为双线圈耦合磁场；为磁滞等效磁场；为时变有色噪声；

12、s102、交替向霍氏线圈和环形线圈施加阶跃与斜坡类型多组激励电流，同步利用红外热像仪阵列采集全域空间温度分布数据；

13、s103、采用非线性最小二乘结合粒子群优化算法辨识模型全部张量参数，补偿装配机械偏差、温度漂移、线圈互感、材料磁滞引发的非线性误差，得到标定完成的磁场模型。

14、作为本发明的进一步改进，步骤s2具体包括以下步骤：

15、s201、依托步骤s1标定后的噪声模型，确定分数阶低通滤波和自适应卡尔曼滤波两类滤波的模型参数与卡尔曼滤波初始协方差；

16、s202、采用分数阶低通滤波与自适应卡尔曼滤波串联构成复合滤波处理原始采样磁场数据，分数阶低通滤波滤除高频随机杂波，自适应卡尔曼滤波抑制低频有色漂移干扰，输出校正后实测磁场矢量。

17、作为本发明的进一步改进，在步骤s4中，双层串级控制策略具体包括以下步骤：

18、s401、利用步骤s3输出的目标磁场与步骤s2输出的实测磁场矢量求取磁场偏差，计算公式为：

19、

20、式中：为瞬时磁场误差；为目标磁场；为实测磁场矢量；

21、s402、基于所得磁场偏差计算外环基准控制量，借助模糊神经网络根据误差及分数阶微分项实时修正增益系数，积分环节增设抗积分饱和，计算公式为：

22、

；

23、式中：为外环控制输出量；依次为比例、积分、微分自适应增益矩阵；为分数阶积分算子；为分数阶微分算子；分别为积分、微分阶次；

24、s403、引入步骤s1标定磁场模型对应的雅可比矩阵，结合tikhonov正则伪逆算法分别求解两类线圈电流修正量，同时依据误差变化率区间修改采样周期，计算公式为：

25、

26、

27、式中：为霍氏线圈电流修正量；为环形线圈电流修正量；为霍氏线圈对应的雅可比矩阵；为正则化系数；为差分平滑算子

；分别为两类线圈外环控制量；为剔除耦合项后的非线性磁场；为分项耦合量；为环形线圈模型系数；为环形非线性系数。

28、作为本发明的进一步改进，步骤s3具体包括以下步骤：

29、s301、背景抵消工况配置，将目标磁场赋值为零矢量，使闭环收敛后线圈中心残余磁场满足预设限值；

30、s302、微型磁层工况配置，调取预存的行星实测异常场数据构建偶极场，计算公式：

31、

32、式中：为空间偶极磁场；为真空磁导率；为等效偶极矩；为空间位置矢量；为位置单位矢量；为预存行星局部异常磁场。

33、作为本发明的进一步改进，当步骤s3中切换至微型磁层生成工况时，还执行偶极磁场非机械式定向调控步骤：

34、结合实时太阳风磁场、粒子流向更新等效偶极矩，计算公式：

35、

36、式中：为基准偶极矩；为耦合灵敏度张量；为实时太阳风磁场；为太阳风粒子流向单位矢量；

37、以磁层顶正对太阳风来流为约束条件，反算霍氏线圈所需偏置电流，依靠叠加偏置磁场实现偶极轴线无机械旋转偏转。

38、作为本发明的进一步改进，还包括应急切换控制步骤，

39、收到太阳风暴预警信号后系统切换应急工况，环形线圈提升输出电流，目标偶极磁场相较于常规状态提高，运行结束后自动切回步骤s2~步骤s5的常规闭环。

40、作为本发明的进一步改进，在步骤s101中，采用jiles-atherton磁滞微分模型、采用一阶指数有色噪声模型进行参数拟合。

41、在此基础上，本发明还提供了一种用于行星表面微型磁层的动态调控系统，所述系统用于实现上述的方法，其包括行星表面局部磁场模拟器系统、人造强磁模拟器系统；

42、所述行星表面局部磁场模拟器系统包括三维线圈阵列、电流控制器、三维磁通门磁强计；

43、所述三维线圈阵列采用不等径嵌套结构布置，所述电流控制器与三维线圈阵列电性连接，电流控制器用于接收电流修正量并驱动三维线圈阵列励磁；

44、所述三维磁通门磁强计安装在三维线圈阵列的几何中心，用于实时采集空间磁场并向外反馈实测磁场数据；

45、所述人造强磁模拟器系统包括环形线圈和电流调节装置；

46、所述环形线圈采用非均匀变匝密绕制工艺，线圈导线采用多股并绕结构，用于生成轴向梯度可控且贴近理想形态的偶极磁场；

47、所述电流调节装置与环形线圈电性相连，电流调节装置采用滞环电流控制架构，用于接收电流修正量并调控环形线圈的励磁工况。

48、在此基础上，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，当所述计算机程序被执行时，实现如上述的方法。

49、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

50、本发明通过预先离线标定建立磁场映射模型，搭配双级复合滤波优化采样数据，同时划分两类工况实现目标磁场灵活选配；依靠外环分数阶pid、内环正则解耦的双层串级闭环控制实时修正励磁电流，微型磁层工况结合太阳风参数动态调节偶极磁场偏转。整套闭环调控方案解决了传统设备工况固定、磁场模拟精度差、难以复现磁层扰动形变的弊端，提升磁场仿真贴合度，适配深空产品地面试验，具有较好的实用价值与应用前景。