卫星动态磁补偿方法及系统与流程

1.本发明涉及卫星磁补偿技术领域，具体地，涉及一种卫星动态磁补偿方法及系统。


背景技术：

2.近地轨道卫星在轨运行时，其磁矩将与地磁场作用产生磁干扰力矩。当卫星磁矩超出指标要求时，磁干扰力矩可能导致卫星偏离定向姿态。因此，为了检验和控制卫星磁矩并使其满足指标要求，在地面研制时需对卫星进行磁测试和磁补偿。
3.磁补偿作为卫星磁矩控制的重要手段，通常采用永磁材料安装于卫星上，以补偿(减小或抵消)卫星各方向上的磁矩，从而使卫星磁矩满足指标要求。由于永磁材料的磁矩为恒定值(忽略其衰变)，它对卫星各工况的磁补偿效果相同，即相当于，对各工况下的磁矩加上或减去一个相同的补偿磁矩值(常数)，所以该方式是一种静态磁补偿方法。当卫星在各工况下的磁矩较接近时，该方式可以有效补偿卫星的磁矩，使补偿后各工况下的磁矩均较小。此方法简单、成熟，目前各卫星一般采用这种方法进行磁补偿。
4.一些卫星配置了间歇工作的载荷，当载荷工作时，卫星在该工况下的磁矩可能较大，并远远偏离其他工况下的磁矩。例如，合成孔径雷达(sar)卫星上sar天线在轨每圈短时开机，当sar天线工作时，sar天线中电流将产生较大的杂散磁矩(指由电流引起的磁矩)；而sar天线不工作时，该部分不流经电流，因此不产生杂散磁矩。这些间歇动态出现的杂散磁矩将导致整星在sar工作时的磁矩远大于其他工况下的磁矩。对于这种情况，若利用上述静态磁补偿方法进行磁补偿，由于补偿磁矩为恒定值，可能出现：载荷工作时卫星磁矩满足要求时，而其他工况下卫星磁矩由于过补偿而无法满足要求；或其他工况下卫星磁矩满足要求，而载荷工作时卫星磁矩由于欠补偿而无法满足要求。即利用永磁材料进行静态磁补偿，可能无法补偿载荷工作时的动态磁矩使得卫星在各工况下的磁矩均满足要求。
5.针对上述问题，一般采用主动磁补偿设备以抵消载荷工作时的动态磁矩。该方法需改变或增加星上产品配套，这将增加卫星的成本、功耗和重量。经文献检索，易忠在论文《中低轨道卫星的磁补偿》(《环模技术》，1997，第4期)中总结了中低轨道卫星的磁补偿方法，包括地面利用永磁材料和在轨利用磁力矩器进行补偿两种。前者为静态磁补偿方法，无法解决上述问题；后者需要测量和计算卫星的轨道参数以确定卫星的实时磁矩干扰，然后通过控制磁力矩器的电流以提供所需的补偿磁矩。由于磁力矩器的主要作用是对反作用飞轮等设备进行力矩卸载或对卫星进行磁控，用于补偿卫星的磁矩势必会降低磁力矩器的效率。因此，该方法要求磁力矩器具有较大的额定输出磁矩。叶建成等人在论文《航天器内部磁场环境主动补偿方法》(《空间科学学报》，2020，第202001期)中提出了一种对航天器内部磁场进行测量、反演和主动补偿的方法，其中测量和反演结果作为补偿的输入，补偿采用线圈进行实现。楚中毅等人在论文《无自旋交换弛豫原子磁强计的主动磁补偿》(《光学密工程》，2014，第22卷第7期)和《空间探测原子磁强计的主动磁补偿实验》(《航空学报》，2014，第35卷第9期)中提出了一种主动磁补偿方法。该方法通过测量3个方向的磁场信息，然后以此为反馈调节电流源以控制线圈的电流，使线圈产生一个与外界扰动磁场大小相同、方向
相反的补偿磁场。赵瑜等人在《飞机磁干扰补偿技术》(《电子世界》，2018，第3期)中总结了国内外的磁干扰补偿技术，包括测干扰补干扰和测地磁补干扰两类。这两类技术均需要测量外界干扰磁场，然后通过设备产生补偿磁场用于抵消或减少干扰磁。上述方案可归纳为“测量-计算-控制-补偿”四个步骤。首先，对环境或干扰磁场进行测量，以获得相关数据；然后，利用磁场模型和获得的数据，计算环境或干扰磁场以及所需的磁补偿值；第三，根据计算的磁补偿值，控制电源以调节线圈(磁力矩器本质上也是线圈)的电流，使其产生与环境或干扰磁场大小相同、方向相反的补偿磁场；第四，补偿磁场抵消环境或干扰磁场，达到主动磁补偿的目的。这些方案需要测量传感器、计算设备、电流控制设备和磁补偿设备(线圈)等主动磁补偿设备。
6.专利文献cn113212811a(申请号：cn202110705542.9)公开了一种兼容动态磁补偿的热控制系统，包括：热控设计模块，被配置为根据磁补偿的功能要求和热控要求，获取热控电加热器的设计参数；以及热控电加热器，被配置为根据设计参数进行磁补偿和主动热控制。但该发明没有解决利用永磁材料对卫星进行静态磁补偿时，无法有效补偿载荷间歇工作时卫星的动态磁矩的问题。


技术实现要素：

7.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种卫星动态磁补偿方法及系统。
8.根据本发明提供的一种卫星动态磁补偿方法，包括：
9.步骤s1：对卫星进行磁测试，获得卫星在各工况下的磁矩；
10.步骤s2：确定载荷工作工况所需的动态磁补偿磁矩，使得补偿后载荷工作工况下的磁矩处于其他工况下的磁矩形成的区间内；
11.步骤s3：根据动态磁补偿磁矩和载荷工作工况下载荷供电电流，计算动态磁补偿环路面积，确定环路电流方向；
12.步骤s4：根据载荷供电电缆正线或负线，按环路面积和电流方向要求绕成电流回路，形成动态磁补偿环路；
13.步骤s5：对卫星进行磁测试，确认动态磁补偿效果。
14.优选地，在所述步骤s1中：
15.记卫星在各工况下的磁矩为{m
xi
,m
yi
,m
zi
|i＝1,2,
…
,n}；
16.其中，m
xi
,m
yi
,m
zi
为卫星在工况i下的磁矩在x、y、z三个正交轴上的分量；n为工况数，记i＝l为载荷工作工况，为其他工况；
17.载荷为间歇工作，载荷工作工况下载荷开机，而其他工况下载荷关机。
18.优选地，在所述步骤s2中：
19.选取一组动态补偿磁矩使得补偿后载荷工作工况下的磁矩位于其他工况下的磁矩所形成的区间内，满足：
[0020][0021]
[0022][0023]
其中，分别为动态补偿磁矩在x、y、z三个正交轴上的分量；m
xl
、m
yl
、m
zl
分别为补偿前卫星在载荷工作工况下，即i＝l时的磁矩在x、y、z三个正交轴上的分量；分别为除载荷工作工况外的其他工况，即时磁矩在x、y、z三个正交轴上分量的最小值；磁矩在x、y、z三个正交轴上分量的最小值；分别为除载荷工作工况外的其他工况，即时磁矩在x、y、z三个正交轴上分量的最大值；
[0024]
动态补偿磁矩影响载荷工作工况下的磁矩，对其他工况下的磁矩无影响。
[0025]
优选地，在所述步骤s3中：
[0026]
根据动态补偿磁矩和载荷工作工况下其供电电缆中流经的电流i，计算x、y、z三正交轴上的动态磁补偿环路的面积分别为：
[0027][0028][0029][0030]
其中，s
x
、sy、sz分别为x、y、z三个正交轴上的动态磁补偿环路的面积；i为载荷工作工况下其供电电缆中流经的电流；|
·
|表示取绝对值；
[0031]
各轴上环路中电流的方向根据其电流产生的磁矩的方向与动态补偿磁矩在该轴上的分量的方向一致进行确定。
[0032]
优选地，在所述步骤s4中：
[0033]
将载荷供电电缆正负线局部分开，利用正线或负线按所述步骤s3确定的环路面积和电流方向在x、y、z三正交轴上分别绕成电流回路，所述电流回路为动态磁补偿环路；
[0034]
单个轴上的动态磁补偿环路为单个或多个，对于多个环路，各环路面积之和为所述步骤s3中确定的环路面积，各环路中的电流方向与所述步骤s3确定的电流方向一致；
[0035]
动态磁补偿环路由载荷供电电缆绕成，载荷工作时，环路中电流产生磁矩，且磁矩大小随环路中电流增加而变大；载荷不工作时，环路中无电流，不产生磁矩；动态磁补偿环路实现对载荷工作工况的动态磁补偿，对其他工况下的磁矩无影响。
[0036]
根据本发明提供的一种卫星动态磁补偿系统，包括：
[0037]
模块m1：对卫星进行磁测试，获得卫星在各工况下的磁矩；
[0038]
模块m2：确定载荷工作工况所需的动态磁补偿磁矩，使得补偿后载荷工作工况下的磁矩处于其他工况下的磁矩形成的区间内；
[0039]
模块m3：根据动态磁补偿磁矩和载荷工作工况下载荷供电电流，计算动态磁补偿环路面积，确定环路电流方向；
[0040]
模块m4：根据载荷供电电缆正线或负线，按环路面积和电流方向要求绕成电流回路，形成动态磁补偿环路；
[0041]
模块m5：对卫星进行磁测试，确认动态磁补偿效果。
[0042]
优选地，在所述模块m1中：
[0043]
记卫星在各工况下的磁矩为{m
xi
,m
yi
,m
zi
|i＝1,2,
…
,n}；
[0044]
其中，m
xi
,m
yi
,m
zi
为卫星在工况i下的磁矩在x、y、z三个正交轴上的分量；n为工况数，记i＝l为载荷工作工况，为其他工况；
[0045]
载荷为间歇工作，载荷工作工况下载荷开机，而其他工况下载荷关机。
[0046]
优选地，在所述模块m2中：
[0047]
选取一组动态补偿磁矩使得补偿后载荷工作工况下的磁矩位于其他工况下的磁矩所形成的区间内，满足：
[0048][0049][0050][0051]
其中，分别为动态补偿磁矩在x、y、z三个正交轴上的分量；m
xl
、m
yl
、m
zl
分别为补偿前卫星在载荷工作工况下，即i＝l时的磁矩在x、y、z三个正交轴上的分量；分别为除载荷工作工况外的其他工况，即时磁矩在x、y、z三个正交轴上分量的最小值；磁矩在x、y、z三个正交轴上分量的最小值；分别为除载荷工作工况外的其他工况，即时磁矩在x、y、z三个正交轴上分量的最大值；
[0052]
动态补偿磁矩影响载荷工作工况下的磁矩，对其他工况下的磁矩无影响。
[0053]
优选地，在所述模块m3中：
[0054]
根据动态补偿磁矩和载荷工作工况下其供电电缆中流经的电流i，计算x、y、z三正交轴上的动态磁补偿环路的面积分别为：
[0055][0056][0057][0058]
其中，s
x
、sy、sz分别为x、y、z三个正交轴上的动态磁补偿环路的面积；i为载荷工作工况下其供电电缆中流经的电流；|
·
|表示取绝对值；
[0059]
各轴上环路中电流的方向根据其电流产生的磁矩的方向与动态补偿磁矩在该轴上的分量的方向一致进行确定。
[0060]
优选地，在所述模块m4中：
[0061]
将载荷供电电缆正负线局部分开，利用正线或负线按所述模块m3确定的环路面积和电流方向在x、y、z三正交轴上分别绕成电流回路，所述电流回路为动态磁补偿环路；
[0062]
单个轴上的动态磁补偿环路为单个或多个，对于多个环路，各环路面积之和为所
述模块m3中确定的环路面积，各环路中的电流方向与所述模块m3确定的电流方向一致；
[0063]
动态磁补偿环路由载荷供电电缆绕成，载荷工作时，环路中电流产生磁矩，且磁矩大小随环路中电流增加而变大；载荷不工作时，环路中无电流，不产生磁矩；动态磁补偿环路实现对载荷工作工况的动态磁补偿，对其他工况下的磁矩无影响。
[0064]
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0065]
1、本发明解决了利用永磁材料对卫星进行静态磁补偿时，无法有效补偿载荷间歇工作时卫星的动态磁矩的问题；
[0066]
2、本发明无需卫星额外配置磁补偿主动控制设备，具有简单、经济、可有效动态补偿载荷工作时的磁矩的优点。
附图说明
[0067]
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0068]
图1为本发明的步骤流程图。
具体实施方式
[0069]
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0070]
实施例1：
[0071]
本发明提供了一种简单、经济且有效的卫星动态磁补偿方法，该方法直接利用星上现有电缆对载荷间歇工作的卫星的磁矩进行动态磁补偿，无需额外配置主动磁补偿设备，也无需改变或增加卫星上产品配套，具有简单、经济、可有效动态补偿载荷工作时的磁矩的优点。
[0072]
本发明提供的一种卫星动态磁补偿方法，如图1所示，包括如下步骤：
[0073]
步骤1：对卫星进行磁测试，获得卫星在各工况下的磁矩；
[0074]
步骤2：确定载荷工作工况所需的动态磁补偿磁矩，使得补偿后该工况下的磁矩处于其他工况下的磁矩所形成的区间内；
[0075]
步骤3：根据动态磁补偿磁矩和载荷工作工况下载荷供电电流，计算动态磁补偿环路面积，并确定环路中电流方向；
[0076]
步骤4：利用载荷供电电缆正线或负线，按环路面积和电流方向要求绕成电流回路，即形成动态磁补偿环路；
[0077]
步骤5：对卫星再次进行磁测试，确认动态磁补偿效果。
[0078]
在所述步骤1中，具体地：记卫星在各工况下的磁矩为{m
xi
,m
yi
,m
zi
|i＝1,2,
…
,n}。其中，m
xi
,m
yi
,m
zi
为卫星在工况i下的磁矩在x、y、z三个正交轴上的分量；n为工况数。记i＝l为载荷工作工况，为其他工况。
[0079]
载荷为间歇工作，即载荷工作工况下载荷开机，而其他工况下载荷关机。
[0080]
在所述步骤2中，具体地：选取一组动态补偿磁矩使得补偿后载荷工作工况下的磁矩位于其他工况下的磁矩所形成的区间内，即满足
[0081][0082][0083][0084]
其中，分别为动态补偿磁矩在x、y、z三个正交轴上的分量；m
xl
、m
yl
、m
zl
分别为补偿前卫星在载荷工作工况下，即i＝l时的磁矩在x、y、z三个正交轴上的分量；分别为除载荷工作工况外的其他工况，即时磁矩在x、y、z三个正交轴上分量的最小值；磁矩在x、y、z三个正交轴上分量的最小值；分别为除载荷工作工况外的其他工况，即时磁矩在x、y、z三个正交轴上分量的最大值；
[0085]
动态补偿磁矩仅影响载荷工作工况下的磁矩，对其他工况下的磁矩无影响。
[0086]
在所述步骤3中，具体地：根据动态补偿磁矩和载荷工作工况下其供电电缆中流经的电流i，计算x、y、z三正交轴上的动态磁补偿环路(即其平面的法线在x、y、z三个正交轴上)的面积分别为：
[0087][0088][0089][0090]
其中，s
x
、sy、sz分别为x、y、z三个正交轴上的动态磁补偿环路的面积；i为载荷工作工况下其供电电缆中流经的电流；|
·
|表示取绝对值；
[0091]
各轴上环路中电流的方向根据其电流产生的磁矩的方向(遵循右手法则)与动态补偿磁矩在该轴上的分量的方向一致进行确定。
[0092]
在所述步骤4中，具体地：将载荷供电电缆正负线局部分开，利用正线或负线按所述步骤3要求的环路面积和电流方向在x、y、z三正交轴上分别绕成电流回路，该电流回路即为动态磁补偿环路。
[0093]
单个轴上的动态磁补偿环路可以为单个或多个。对于多个环路，各环路面积之和为所述步骤3中要求的环路面积，各环路中的电流方向均与所述步骤3要求的电流方向一致。
[0094]
动态磁补偿环路由载荷供电电缆绕成，载荷工作时，环路中电流将产生磁矩，且磁矩大小随环路中电流增加而变大；载荷不工作时，环路中无电流，故不产生磁矩。因此，动态磁补偿环路可实现所述步骤2要求的对载荷工作工况的动态磁补偿，而对其他工况下的磁
矩无影响。
[0095]
实施例2：
[0096]
实施例2为实施例1的优选例，以更为具体地对本发明进行说明。
[0097]
在本实施例中，本发明提供的卫星动态磁补偿方法包括如下步骤：
[0098]
步骤1：对卫星进行磁测试，获得卫星在各工况下的磁矩。
[0099]
卫星在各工况下的磁矩见表1。其中，工况2为载荷工作工况，此时载荷开机，而其他工况下载荷关机。该卫星磁矩指标要求为不大于6a
·
m2，从表1中可以看出，利用永磁材料不能将卫星在各工况下的磁矩都补偿到6a
·
m2以下(即对m
x
、my、mz分别加上或减去一个常数，不能确保各工况下的m
总
均不大于6a
·
m2)。
[0100]
表1动态磁补偿前卫星的磁矩
[0101][0102]
步骤2：确定载荷工作工况所需的动态磁补偿磁矩，使得补偿后该工况下的磁矩处于其他工况下的磁矩所形成的区间内。
[0103]
动态补偿磁矩应满足如下条件：
[0104][0105][0106][0107]
根据上述条件，选取一组动态补偿磁矩值为根据上述条件，选取一组动态补偿磁矩值为
[0108]
步骤3：根据动态磁补偿磁矩和载荷工作工况下载荷供电电流，计算动态磁补偿环路面积，并确定环路中电流方向。
[0109]
载荷工作工况下其供电电缆中流经的电流i＝100a，因此为了产生所述步骤2中要求的动态补偿磁矩，在x、y、z三正交轴上的动态磁补偿环路(即其平面的法线在x、y、z三个正交轴上)的面积分别为：
[0110][0111][0112][0113]
故x轴上动态磁补偿环路的面积为0.142m2，环路中电流产生的磁矩的方向应与一致，即朝卫星-x轴，由此按照右手法则可确定该环路中电流的方向。y、z轴上无需进行动态磁补偿。
[0114]
步骤4：利用载荷供电电缆正线或负线，按环路面积和电流方向要求绕成电流回
路，即形成动态磁补偿环路。
[0115]
将载荷供电电缆正负线局部分开，利用正线或负线按照按所述步骤3要求的电流方向绕成一个法线在x轴上、面积为0.142m2的电流回路(这里绕成半径约0.21m的圆)，该电流回路即为动态磁补偿环路。
[0116]
步骤5：对卫星再次进行磁测试，确认动态磁补偿效果。
[0117]
动态磁补偿后卫星的磁矩结果见表2。由于动态磁补偿环路由载荷供电电缆绕成，只有载荷工作时环路才流经电流，从而产生补偿磁矩。因此，动态磁补偿环路只对载荷工作工况进行磁补偿，而对其他工况下的磁矩无影响。从表2中可以出，经动态磁补偿后，卫星的磁矩最大为4.3a
·
m2，满足不大于6a
·
m2的指标要求。
[0118]
表2动态磁补偿后的卫星磁矩
[0119][0120]
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
[0121]
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。