代佳龍，易 忠，曹 馨，孟立飛，肖 琦，王 斌，劉超波

（1.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094；2.中國科學(xué)院 地質(zhì)與地球物理研究所，北京 100029）

驅(qū)動機(jī)構(gòu)動態(tài)磁場干擾處理技術(shù)

代佳龍1，易 忠1，曹 馨2，孟立飛1，肖 琦1，王 斌1，劉超波1

（1.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094；2.中國科學(xué)院 地質(zhì)與地球物理研究所，北京 100029）

空間磁場探測器在工作過程中會受到附近其他設(shè)備的磁干擾，影響磁場探測精度。文章通過對磁場探測器工作環(huán)境的干擾分析，并利用地面設(shè)備模擬磁干擾源進(jìn)行評價試驗(yàn)。文章使用小波分析方法對磁場探測器的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，評估驅(qū)動機(jī)構(gòu)的電機(jī)工作時對磁場探測器的測量影響。磁場探測器通過多探頭配置及在軌標(biāo)定和數(shù)據(jù)處理等方法，可以對平臺的靜態(tài)剩磁及動態(tài)磁干擾進(jìn)行有效處理。

磁場探測器；動態(tài)干擾；磁場；小波分析法

0 引言

空間磁場探測主要是通過在衛(wèi)星上搭載磁強(qiáng)計實(shí)現(xiàn)。1958年5月，蘇聯(lián)發(fā)射了世界上首顆磁場探測衛(wèi)星 Sputnik-3，開啟了地球磁場和行星磁場探測的新階段。1979年，美國地質(zhì)調(diào)查局和NASA合作研制的“地磁衛(wèi)星”（MagSat）首次實(shí)現(xiàn)了地磁三分量高精度測量。20年后，在國際地磁學(xué)與高層大氣物理學(xué)協(xié)會（IAGA）發(fā)起的“國際重力位（重力、磁力）場10年研究”（IDGFR）計劃下，歐洲主導(dǎo)掀起了新一輪的地磁場探測高峰，例如1999年2月丹麥發(fā)射了“奧斯特”（Orsted）衛(wèi)星，2000年7月德國發(fā)射了CHAMP衛(wèi)星等。目前，美國、俄羅斯、法國、德國、澳大利亞、日本、瑞典、南非、巴西和丹麥等國家都相繼發(fā)射了載有磁場測量載荷的衛(wèi)星，其中有一些是專用地磁探測的，一些是利用氣象衛(wèi)星搭載磁場測量載荷探測地球高層磁場。

為了保證磁場的精確測量，主要有兩方面的技術(shù)措施：提高測量傳感器的靈敏度和消除平臺及其他設(shè)備帶來的磁干擾。隨著磁場探測技術(shù)的發(fā)展，磁測儀器性能不斷提高，磁場探測器的靈敏度已經(jīng)不再是阻礙磁場測量精度提高的主要因素，而消除平臺和其他設(shè)備的磁干擾就成為關(guān)鍵[1]。為此要求對航天器進(jìn)行嚴(yán)格的磁控制設(shè)計和制造，例如德國 CHAMP衛(wèi)星本體及各個分系統(tǒng)和載荷通過嚴(yán)格的設(shè)計和制造以減小自身磁場[2]。除此之外，目前普遍采用的布置方式是將磁場探測器的探頭布置于航天器桁架結(jié)構(gòu)或外伸展機(jī)構(gòu)上，并盡可能增加探頭與航天器本體的距離。

本文采用雙磁強(qiáng)計探頭的梯度測量方法，通過地面磁干擾源模擬試驗(yàn)，評價該測量方法的可行性。

1 磁通門探測技術(shù)

磁通門磁強(qiáng)計的原理是基于法拉第電磁感應(yīng)定律，利用高磁導(dǎo)率鐵心在交變的過飽和電磁激勵下選通鐵心中DC磁場分量，并將DC磁場分量轉(zhuǎn)換為交變電壓輸出值而進(jìn)行磁場測量。三軸磁通門磁強(qiáng)計以其測量靈敏度高、體積小巧、重量輕、可進(jìn)行矢量測量等特點(diǎn)已廣泛應(yīng)用于磁場的空間探測，并實(shí)現(xiàn)了科學(xué)探測目標(biāo)[3-4]。本文所選用的空間磁場探測器是以三軸磁強(qiáng)計為主體，探測器探頭由激勵線圈、感應(yīng)線圈、反饋線圈及支撐骨架和其他附件組成，如圖1所示。通過由多組線圈組成的三軸同心嵌套式結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)磁場的高分辨率、寬量程測量。

圖1 磁傳感器探頭構(gòu)型Fig.1 Probe structure of fluxgate magnetometer

2 空間磁場探測干擾分析

空間探測到的磁場包括來自空間、星球的磁場源和來自航天器自身的磁場。為了在復(fù)雜背景磁場下獲取目標(biāo)磁場，空間磁場探測器的磁噪聲控制技術(shù)及背景磁場與待測磁場分離技術(shù)成為關(guān)鍵。

磁場源按照時間演化速度和空間分布可視為以下兩部分的疊加：1）近“干擾”源磁場，包括來自星球磁源和平臺上的干擾源；2）遠(yuǎn)“干擾”源磁場，主要來自空間的磁場源。

可采用地面試驗(yàn)標(biāo)定并建模、在軌標(biāo)定及多探頭相關(guān)分析等綜合手段以有效地消除平臺干擾。

磁場模型修正方法為

其中：Bamb為背景磁場；Bsc為平臺干擾磁場；下標(biāo)1、2、3分別代表不同的探頭。探測到的磁場的每個分量均由背景磁場和平臺設(shè)備的干擾磁場組成。

可以由下式計算任意 2個探頭磁場強(qiáng)度三分量的差異（假設(shè)探頭的零漂已知），即

其中Δ為一個特定的值。當(dāng)計算結(jié)果大于Δ時，我們認(rèn)為這是一個跳躍值，記錄下次跳躍值。在地面標(biāo)定階段，假定背景場已知，記錄特定工況下探頭之間的畸變。最后制定包含所有狀態(tài)的工況流程圖。

在真實(shí)數(shù)據(jù)處理過程中，先計算任意2個探測頭之間磁場強(qiáng)度的差異；然后查找磁場跳變，評估不同工況下的磁場差異，并與工況表之間的差異做對比，確定離工況表中最近的差異狀態(tài)；重復(fù)此步驟，直到所有跳變均被修復(fù)，最終得到背景場。

3 試驗(yàn)過程

本試驗(yàn)結(jié)合空間磁場探測器的真實(shí)工作環(huán)境，以空間探測器車輪的驅(qū)動機(jī)構(gòu)電機(jī)作為干擾源，評價電機(jī)工作時對磁場探測器產(chǎn)生的動態(tài)干擾[5-7]。

模擬部分主要包括電機(jī)及其控制裝置，電機(jī)轉(zhuǎn)速在0.1～2 r/s范圍內(nèi)可調(diào)。磁場測量的采樣頻率為100 Hz，探測器分辨率為0.1 nT。試驗(yàn)分別在電機(jī)關(guān)機(jī)及工作2種工況下進(jìn)行，磁場探測器探頭1和探頭2距離電機(jī)分別為0.5 m和1 m，具體試驗(yàn)步驟如下：

1）測量環(huán)境磁場。在電機(jī)關(guān)閉狀態(tài)下，將探測器探頭如圖2位置擺放好，1號、2號探測器開機(jī)并記錄磁場數(shù)據(jù)，連續(xù)測量5 min。

2）測量電機(jī)工作時的干擾。保持探頭位置不變，開啟電機(jī)，1號、2號探測器開機(jī)并記錄磁場數(shù)據(jù)，連續(xù)測量5 min。

圖2 模擬干擾試驗(yàn)布置Fig.2 Configuration of the interference simulation test

4 試驗(yàn)結(jié)果

1）電機(jī)關(guān)閉狀態(tài)下的磁場測量

圖3顯示了電機(jī)關(guān)閉狀態(tài)下連續(xù)測量3 min的磁場測量值隨時間的變化情況，共計 18 000個測量數(shù)據(jù)點(diǎn)。其中：上圖中紅線為探頭2（S2）磁場總強(qiáng)度加6544 nT后的值，黑線為探頭1（S1）的測量值；中圖及下圖分別是探頭2和探頭1磁場測量值的小波功率譜圖，以不同顏色代表不同時間、不同頻率的磁場擾動功率。從圖3可以看出，2個探頭的測量值在電機(jī)關(guān)閉狀態(tài)下保持固定的差值6544 nT。這說明磁干擾屬于遠(yuǎn)距離干擾源磁場，對2個探頭的影響保持一致。

圖3 電機(jī)關(guān)機(jī)工況下磁場探測器測試結(jié)果Fig.3 Test results of the magnetic detector under motor shutdown state

2）電機(jī)開啟狀態(tài)下的磁場測量

電機(jī)開啟狀態(tài)下的磁場測量值隨時間的變化見圖4。圖線格式與圖3相同：上圖中紅線為探頭2磁場總強(qiáng)度加6570 nT后的值，黑線為探頭1的測量值；中圖及下圖分別是探頭2和探頭1磁場測量值的小波功率譜圖，不同顏色代表不同時間、不同頻率的磁場擾動功率。從圖4可以看到：探頭1（上圖黑線）測量數(shù)據(jù)中磁場擾動振幅明顯大于探頭 2的；中圖及下圖的小波功率譜圖上有以0.5 Hz為中心的紅色橫條帶圖案，說明磁場擾動存在0.5 Hz頻率的周期性。該周期擾動在2個探頭位置的振幅分別為20 nT和5 nT，表明擾動對探頭1影響更明顯，擾動的影響與距擾動源的距離相關(guān)。據(jù)此可以判斷，該電機(jī)的旋轉(zhuǎn)周期約為2 s。該旋轉(zhuǎn)周期得到了現(xiàn)場電機(jī)試驗(yàn)參數(shù)的驗(yàn)證。

圖4 電機(jī)開機(jī)工況下磁場探測器測試結(jié)果Fig.4 Test results of the magnetic detector under motor run state

5 數(shù)據(jù)處理結(jié)果

采用本文所述的磁場梯度測量方法對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，繪制小波功率譜圖，如圖5所示。

根據(jù)2個探頭測量的磁場值的相關(guān)分析，可以有效地消除電機(jī)對測量的磁干擾。根據(jù)單電流源畢奧-薩伐爾定律，在低頻近似下，不同頻率的電流磁場對應(yīng)成比例。因此，通過小波分解得到不同頻率上的時間變化強(qiáng)度比值，可以識別出干擾源對2個探頭在某個頻率上的比值。對于試驗(yàn)數(shù)據(jù)來說，就是在圖4中的0.5 Hz處的波動值。根據(jù)比值及差值可以消去這個頻率上的干擾。除此頻率干擾外，還有直流分量的靜態(tài)疊加場。可以通過2個探頭的相關(guān)分析得到探頭 1的去除靜態(tài)干擾的磁場值。圖5顯示了2個探頭的數(shù)據(jù)經(jīng)過在線標(biāo)定后的分析結(jié)果，其圖線格式與圖3相同。

從圖5可以看到，探頭1測量值（上欄黑線）不再有0.5 Hz頻率的約20 nT振幅的擾動現(xiàn)象，探頭1和探頭2的數(shù)據(jù)趨于一致。

圖5 采用小波分析法處理后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.5 Processed results by the wavelet analysis method

通過以上分析可以得出，根據(jù)麥克斯韋方程，本方法適用于低頻電流源及直流源的干擾；對于高頻的干擾，會有電場項(xiàng)引入，該影響可以根據(jù)2個探頭間距和電磁擾動的特征波長的關(guān)系來確定，即探頭間距遠(yuǎn)小于擾動波長。

6 結(jié)論

本文使用小波分析方法對磁場探測器的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，評估驅(qū)動機(jī)構(gòu)運(yùn)動時真空電機(jī)對磁場探測器的測量干擾。經(jīng)上述試驗(yàn)結(jié)果分析，可以得出以下結(jié)論：

1）空間磁場探測利用多探頭配置及在軌標(biāo)定和數(shù)據(jù)處理方法，有效去除了平臺的靜態(tài)剩磁及動態(tài)磁干擾；

2）磁場探測器可以清晰地檢測到電機(jī)的工作狀態(tài)，包括電機(jī)轉(zhuǎn)動周期等工作參數(shù)信息；

3）本次試驗(yàn)空間磁場探測器放置在用于支撐電機(jī)的鋼板上，表明該載荷可以適應(yīng)復(fù)雜的安裝環(huán)境，包括無規(guī)律鐵磁材料部件分布環(huán)境。

本文提出的使用磁場探測器處理空間干擾磁場的技術(shù)既可以對平臺的靜態(tài)剩磁及動態(tài)磁干擾進(jìn)行有效處理，為科學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)，也為磁場反演載荷工作狀況提供了新的思路。

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（編輯：許京媛）

A dynamic magnetic interference processing technology for drive mechanism

DAI Jialong1, YI Zhong1, CAO Xin2, MENG Lifei1, XIAO Qi1, WANG Bin1, LIU Chaobo1
(1.Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering, Beijing 100094, China; 2.Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China)

The efficiency of a spaceborne magnetometer is affected by various kinds of interference on the satellite platform.A high-precision detector for the space magnetic field detection is used to evaluate the magnetic disturbance, produced by some drive mechanisms of ground simulated devices in a complex background environment.Magnetic field measurement data are processed by using the wavelet analysis method.With a multi-probe configuration, the calibration on orbit and the data processing method, the space magnetic field detector can effectively remove the static remanence of the platform and the dynamic magnetic disturbance.

magnetometer; dynamic interference; magnetic field; wavelet analysis method

O441.5

：A

：1673-1379(2016)06-0676-04

10.3969/j.issn.1673-1379.2016.06.019

代佳龍（1984—），男，碩士學(xué)位，主要從事磁場探測載荷研制與海洋磁場分析工作。E-mail: daijialong@163.com。

2016-07-26；

：2016-12-13

國家重大科技專項(xiàng)工程