鄧佳欣，孟立飛，肖 琦，陳金剛，耿曉磊

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

基于LabVIEW的航天器磁試驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

鄧佳欣，孟立飛，肖 琦，陳金剛，耿曉磊

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

針對(duì)現(xiàn)有航天器磁試驗(yàn)測(cè)控手段自動(dòng)化程度低、操作復(fù)雜的問(wèn)題，基于LabVIEW軟件以及磁試驗(yàn)流程和現(xiàn)有設(shè)備，研制了新的磁試驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)，并進(jìn)行了測(cè)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)測(cè)控電源、磁強(qiáng)計(jì)探頭的靈活自動(dòng)配置和控制，對(duì)線(xiàn)圈磁場(chǎng)的一鍵式遠(yuǎn)程控制，磁場(chǎng)波動(dòng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，磁場(chǎng)數(shù)據(jù)的并行采集和處理。試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明，該測(cè)控系統(tǒng)具有測(cè)量與控制精度高、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、自動(dòng)化程度高、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。

航天器；磁試驗(yàn)；測(cè)控系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集與處理；LabVIEW

0 引言

在航天器發(fā)射前，需要在地面完成航天器整星或部組件磁試驗(yàn)，以控制或利用航天器磁性[1-2]。航天器磁試驗(yàn)流程是：首先通過(guò)磁環(huán)境模擬設(shè)備在地面產(chǎn)生零磁場(chǎng)環(huán)境[1]；然后將航天器置于其中，通過(guò)磁強(qiáng)計(jì)采集航天器的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳入磁矩計(jì)算軟件；最后計(jì)算得到航天器的磁矩，進(jìn)而評(píng)估航天器的磁潔凈度和穩(wěn)定性，并判讀數(shù)據(jù)決定是否采用磁補(bǔ)償?shù)姆椒▽⒑教炱鞯拇判钥刂圃谀繕?biāo)范圍內(nèi)。其中磁矩測(cè)量是航天器磁試驗(yàn)的重要環(huán)節(jié)[3-4]。磁試驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)在零磁場(chǎng)調(diào)節(jié)、磁場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、磁矩計(jì)算等方面都起到關(guān)鍵的作用。現(xiàn)有的磁試驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)雖然能夠完成航天器的磁場(chǎng)測(cè)試任務(wù)，但手動(dòng)操作多，自動(dòng)化程度和測(cè)量精度不高，無(wú)法滿(mǎn)足高磁潔凈衛(wèi)星磁試驗(yàn)的需要。

LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工作平臺(tái)）由美國(guó)國(guó)家儀器（National Instrument, NI）公司研發(fā)，是基于圖形化的、用圖標(biāo)來(lái)代替文本行創(chuàng)建應(yīng)用程序的一種功能強(qiáng)大而又靈活的儀器與分析軟件應(yīng)用開(kāi)發(fā)工具[5-6]。它具有數(shù)據(jù)交互功能強(qiáng)大、編程便捷、界面友好、可擴(kuò)展性高等顯著優(yōu)點(diǎn)[7]，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于航空航天系統(tǒng)、工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室的儀器控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析及數(shù)據(jù)顯示等領(lǐng)域[8]。

為了提高航天器磁試驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)的自動(dòng)化程度和測(cè)量精度，本文基于LabVIEW軟件研發(fā)了新的測(cè)控系統(tǒng)，不僅可實(shí)現(xiàn)并行的數(shù)據(jù)采集、地磁場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、一鍵式零磁場(chǎng)調(diào)節(jié)，還加入了數(shù)據(jù)處理功能；并將該系統(tǒng)成功應(yīng)用于電磁衛(wèi)星的磁試驗(yàn)，完成了衛(wèi)星高精度磁場(chǎng)測(cè)量、磁矩計(jì)算任務(wù)。

1 磁試驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)磁試驗(yàn)流程，將磁試驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)分為磁場(chǎng)電源控制、磁場(chǎng)數(shù)據(jù)采集控制、磁矩計(jì)算及存儲(chǔ)3個(gè)獨(dú)立的功能模塊。測(cè)控系統(tǒng)的硬件部分主要包括磁場(chǎng)線(xiàn)圈、通信網(wǎng)絡(luò)接口、程控電源、磁強(qiáng)計(jì)、控制計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)采集器，軟件部分包括磁矩計(jì)算軟件，其組成見(jiàn)圖1。

磁場(chǎng)電源控制模塊的主要功能有：1）接收來(lái)自用戶(hù)的指令，并按用戶(hù)指令配置程控電源；2）根據(jù)目標(biāo)磁場(chǎng)換算線(xiàn)圈的輸入電流值；3）控制線(xiàn)圈電源完成目標(biāo)磁場(chǎng)的線(xiàn)圈加電；4）讀取、記錄、顯示當(dāng)前電源的電流值、電壓值以及電源狀態(tài)；5）監(jiān)測(cè)參試電源的狀態(tài)，對(duì)故障電源發(fā)出警報(bào)。

磁場(chǎng)數(shù)據(jù)采集控制模塊的主要功能有：1）在測(cè)控系統(tǒng)界面配置參試磁強(qiáng)計(jì)；2）設(shè)置數(shù)據(jù)采集的參數(shù)，并完成磁場(chǎng)數(shù)據(jù)采集；3）實(shí)時(shí)顯示磁強(qiáng)計(jì)探頭測(cè)量值并保存采集數(shù)據(jù)。

磁矩計(jì)算及存儲(chǔ)模塊的主要功能有：1）讀取采集的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)；2）設(shè)置磁矩計(jì)算參數(shù)；3）完成磁矩計(jì)算，顯示并保存結(jié)果。

2 磁試驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

磁試驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)軟件主要由電源控制、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)計(jì)算3個(gè)模塊組成，如圖2所示。軟件主界面如圖3所示。

圖3 磁試驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)軟件主界面Fig. 3 Main interface of the software of measurement and control system in magnetic test

2.1 磁場(chǎng)電源控制模塊

線(xiàn)圈是磁試驗(yàn)的主要設(shè)備，通過(guò)調(diào)節(jié)線(xiàn)圈電源可產(chǎn)生特定的磁場(chǎng)環(huán)境。電源控制模塊實(shí)現(xiàn)了對(duì)線(xiàn)圈3臺(tái)電源（X、Y、Z電源）的遠(yuǎn)程控制，界面內(nèi)即可完成電源的開(kāi)啟、關(guān)閉與調(diào)節(jié)，并且只需要輸入磁場(chǎng)值即可控制電源自動(dòng)調(diào)節(jié)，在線(xiàn)圈中產(chǎn)生所需的磁場(chǎng)環(huán)境。電源控制模塊包括恒場(chǎng)電源控制和零場(chǎng)電源控制，圖4為零場(chǎng)電源控制界面，包括電源開(kāi)啟/關(guān)閉按鍵，磁強(qiáng)計(jì)探頭測(cè)量值、目標(biāo)磁場(chǎng)值以及自動(dòng)調(diào)零場(chǎng)時(shí)磁場(chǎng)和電源電流變化的顯示。

零場(chǎng)電源控制實(shí)現(xiàn)了線(xiàn)圈自動(dòng)調(diào)零磁場(chǎng)環(huán)境的功能。在線(xiàn)圈中設(shè)置1個(gè)磁場(chǎng)探頭，軟件讀取探頭測(cè)得的磁場(chǎng)值，磁場(chǎng)值由X、Y、Z共 3個(gè)分量值組成；比較3個(gè)分量值的大小，如果X值最大，將該磁場(chǎng)值換算成電流值A(chǔ)；如果電流值A(chǔ)小于電源一次加電最大值B，則給X電源加相應(yīng)的反向電流-A，否則給X電源加-B；加電完成后，軟件繼續(xù)讀取探頭測(cè)量的磁場(chǎng)值，重復(fù)上面的工作，直到所讀取的磁場(chǎng)值在目標(biāo)值范圍內(nèi)，自動(dòng)調(diào)零磁場(chǎng)結(jié)束。零場(chǎng)電源控制的實(shí)現(xiàn)代碼如圖5所示。自動(dòng)調(diào)零磁場(chǎng)的功能提高了線(xiàn)圈磁場(chǎng)調(diào)節(jié)的效率和可靠性，避免了由人工調(diào)節(jié)帶來(lái)的誤差。

圖4 零場(chǎng)電源控制界面Fig. 4 Interface of power control of zero magnetic field

圖5 零場(chǎng)電源控制代碼Fig. 5 Code of power control of zero magnetic field

2.2 磁場(chǎng)數(shù)據(jù)采集模塊

磁場(chǎng)數(shù)據(jù)采集用到的硬件有磁強(qiáng)計(jì)探頭和數(shù)據(jù)采集器。本測(cè)控系統(tǒng)可控制10余臺(tái)磁通門(mén)磁強(qiáng)計(jì)探頭，每個(gè)探頭分別與一個(gè)并行數(shù)據(jù)采集器相連，其中一臺(tái)數(shù)據(jù)采集器的CAN總線(xiàn)數(shù)據(jù)接口與計(jì)算機(jī)USB接口相連。數(shù)據(jù)采集器可實(shí)時(shí)讀取探頭采集的電壓數(shù)據(jù)，并將電壓值換算成磁場(chǎng)值顯示出來(lái)。數(shù)據(jù)采集模塊的功能就是同時(shí)讀取若干臺(tái)數(shù)據(jù)采集器上的數(shù)據(jù)并保存。本模塊包括實(shí)時(shí)采集和數(shù)據(jù)回放2部分。

實(shí)時(shí)采集界面如圖6所示，界面內(nèi)可顯示試驗(yàn)用探頭及探頭實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的磁場(chǎng)X、Y、Z分量值、保存的數(shù)據(jù)曲線(xiàn)和用戶(hù)設(shè)置參數(shù)按鈕。完成探頭配置后用戶(hù)填寫(xiě)“新建項(xiàng)目”、“項(xiàng)目名稱(chēng)”、“項(xiàng)目路徑”、“保存周期”后便可開(kāi)始數(shù)據(jù)保存。數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)代碼如圖7所示。

圖6 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集界面Fig. 6 Interface of data acquisition

圖7 數(shù)據(jù)采集代碼Fig. 7 Code of data acquisition

2.3 磁場(chǎng)數(shù)據(jù)計(jì)算模塊

磁試驗(yàn)方法為赤道作圖法，在被測(cè)物一側(cè)水平面上設(shè)置3臺(tái)磁強(qiáng)計(jì)，采集被測(cè)物一周的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，磁場(chǎng)數(shù)據(jù)計(jì)算模塊讀入這些數(shù)據(jù)并計(jì)算得到被測(cè)物的磁矩。為了考察環(huán)境干擾對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，采集被測(cè)物磁場(chǎng)時(shí)，首次同時(shí)采集了環(huán)境干擾數(shù)據(jù)，計(jì)算結(jié)果給出了去干擾和不去干擾2種情況下的磁矩，以方便試驗(yàn)人員進(jìn)行判斷。磁場(chǎng)數(shù)據(jù)計(jì)算模塊有零磁場(chǎng)磁矩計(jì)算和地磁場(chǎng)磁矩計(jì)算2部分功能。圖8為零磁場(chǎng)磁矩計(jì)算界面，用戶(hù)只需輸入計(jì)算磁矩的探頭參數(shù)，選擇旋轉(zhuǎn)角度，即可在界面右側(cè)得到磁矩結(jié)果。零磁場(chǎng)磁矩計(jì)算的實(shí)現(xiàn)代碼見(jiàn)圖9。

圖8 零磁場(chǎng)磁矩計(jì)算界面Fig. 8 Interface of magnetic moment calculation for zero magnetic field

圖9 零磁場(chǎng)磁矩計(jì)算代碼Fig. 9 Code of magnetic moment calculation for zero magnetic field

3 磁試驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)的改進(jìn)

3.1 使用了并行的數(shù)據(jù)采集方式

磁試驗(yàn)中一般使用 3臺(tái)磁強(qiáng)計(jì)探頭在赤道面上采集被測(cè)物一周的磁場(chǎng)值。以往使用串行數(shù)據(jù)采集方式時(shí)，每臺(tái)磁強(qiáng)計(jì)可采集3個(gè)磁場(chǎng)分量，在相鄰分量采集間存在時(shí)間差，即當(dāng)使用3臺(tái)磁強(qiáng)計(jì)采集磁場(chǎng)值時(shí)，第一臺(tái)的1分量和最后一臺(tái)的3分量間的采集時(shí)間將相差2.39 s（如表1所示），由時(shí)間差帶來(lái)的磁場(chǎng)平均誤差范圍在0.2～2 nT/s。而新的測(cè)控系統(tǒng)采取并行數(shù)據(jù)采集的方式，即使用獨(dú)立的探頭控制模塊，使得不同探頭能在同一時(shí)刻采集同一狀態(tài)的磁場(chǎng)值，從而消除了以往探頭數(shù)據(jù)采集不同步的問(wèn)題，保證了磁場(chǎng)測(cè)量的準(zhǔn)確性。

表1 串行數(shù)據(jù)采集存在的時(shí)間差Table 1 Time difference with serial data acquisition

3.2 考慮了環(huán)境干擾對(duì)測(cè)量的影響

磁試驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)在數(shù)據(jù)處理算法上首次考慮了環(huán)境干擾對(duì)測(cè)量值的影響。環(huán)境磁場(chǎng)波動(dòng)是隨著外界干擾時(shí)刻變化的，并且一直存在，例如汽車(chē)、路燈等，因此在進(jìn)行磁場(chǎng)測(cè)量時(shí)外界干擾是影響測(cè)量準(zhǔn)確性的首要因素。為了消除環(huán)境的磁場(chǎng)干擾，在算法上設(shè)置了環(huán)境干擾項(xiàng)，將磁強(qiáng)計(jì)探頭放置于線(xiàn)圈的邊緣位置，只測(cè)量環(huán)境波動(dòng)，與被測(cè)物磁強(qiáng)計(jì)探頭數(shù)據(jù)一同進(jìn)行保存。磁矩計(jì)算時(shí)，去掉環(huán)境干擾后進(jìn)行計(jì)算。利用該系統(tǒng)對(duì)比了不去除干擾和去掉干擾的標(biāo)準(zhǔn)磁塊磁矩計(jì)算值，如表2所示，可以看出，去掉干擾后的磁矩計(jì)算精度更高。

表2 x方向100 mA·m2的標(biāo)準(zhǔn)磁塊磁矩計(jì)算Table 2 The magnetic moment calculation of the standard magnetic block with 100 mA·m2 in x direction

4 磁試驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)的應(yīng)用

電磁星是我國(guó)首顆進(jìn)行地磁場(chǎng)測(cè)量的科學(xué)衛(wèi)星，精度要求非常高，為了降低環(huán)境干擾對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，試驗(yàn)安排在凌晨進(jìn)行。本次試驗(yàn)首次對(duì)13臺(tái)磁通門(mén)磁強(qiáng)計(jì)數(shù)據(jù)并行采集，測(cè)量工況多，數(shù)據(jù)處理任務(wù)重；數(shù)據(jù)采集的同時(shí)，實(shí)時(shí)顯示了磁場(chǎng)的波動(dòng)曲線(xiàn)；恒場(chǎng)電源和零場(chǎng)電源控制功能在測(cè)量工況多的情況下大大提高了試驗(yàn)效率和可靠性；通過(guò)比較，均采用了去干擾的磁場(chǎng)值進(jìn)行磁矩計(jì)算，降低環(huán)境干擾對(duì)測(cè)量和計(jì)算的影響，保證了測(cè)量的高精度。圖10為磁強(qiáng)計(jì)布置示意圖，其中1～13代表13個(gè)磁強(qiáng)計(jì)。

圖10 電磁星磁場(chǎng)測(cè)量磁強(qiáng)計(jì)布置Fig. 10 The magnetometer positions in magnetic measurement test for an electromagnetic star

電磁星磁試驗(yàn)中，使用磁試驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)磁試驗(yàn)流程的集中控制；磁試驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)工作穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)便，大大提高了試驗(yàn)效率和可靠性。電磁星磁試驗(yàn)任務(wù)最終圓滿(mǎn)完成。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文的基于LabVIEW軟件平臺(tái)的磁試驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)充分利用了LabVIEW的強(qiáng)大功能，實(shí)現(xiàn)了磁場(chǎng)電源控制、磁場(chǎng)數(shù)據(jù)采集控制和磁矩計(jì)算功能。與以前的磁試驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)的功能更完備，自動(dòng)化程度高，大大簡(jiǎn)化了操作，降低了科研人員的工作強(qiáng)度，提高了測(cè)控的精度和效率，增強(qiáng)了測(cè)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高了衛(wèi)星磁試驗(yàn)的可靠性，并在電磁星的磁試驗(yàn)中發(fā)揮了巨大的作用。該系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中取得的經(jīng)驗(yàn)，可在其他測(cè)試設(shè)備的測(cè)控系統(tǒng)中應(yīng)用推廣。

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[1] 齊燕文. 空間磁環(huán)境模擬技術(shù)[J]. 航天器環(huán)境工程,2005, 22(1): 19-23 QI Y W. Space magnetic environment simulation technology[J]. Spacecraft Environment Engineering,2005, 22(1): 19-23

[2] NARVAEZ P. The magnetostatic cleanliness program for the Cassini spacecraft[J]. Space Science Reviews, 2004,114(1/4): 385-394

[3] 陳斯文, 黃源高, 李文曾. 雙星星上部件磁測(cè)及磁測(cè)設(shè)備[J]. 地球物理學(xué)進(jìn)展, 2004, 19(4): 893-897 CHEN S W, HUANG Y G, LI W Z. Magnetic measurement of double star instrument and magnetic measuring equipment[J]. Progress in Geophysics, 2004,19(4): 893-897

[4] 陳俊杰, 易忠, 孟立飛, 等. 基于歐拉方法的多磁偶極子分辨技術(shù)[J]. 航天器環(huán)境工程, 2013, 30(4):401-406 CHEN J J, YI Z, MENG L F, et al. Multi-dipoles discrimination technique based on Euler inverse method[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2013,30(4): 401-406

[5] 劉輝. 基于無(wú)線(xiàn)通道的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用研究[D]. 濟(jì)南: 山東大學(xué), 2011

[6] 侯國(guó)屏, 王珅, 葉齊鑫. LabVIEW7.1編程與虛擬儀器設(shè)計(jì)[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2005: 4-6

[7] 錫輝, 張銀鴻. LabVIEW_8.20程序設(shè)計(jì)從入門(mén)到精[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2007: 2-6

[8] 劉勝, 張?zhí)m勇, 章佳榮, 等. LabVIEW2009程序設(shè)計(jì)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2010: 12-13

Design and application of measurement and control system used in spacecraft magnetic test based on LabVIEW

DENG Jiaxin, MENG Lifei, XIAO Qi, CHEN Jin’gang, GENG Xiaolei
(Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering, Beijing 100094, China)

To enhance the level of automation and simplify the complicated operations of measurement and control in the spacecraft magnetic test, a new measurement and control system based on LabVIEW software is developed, with consideration of the magnetic test’s process and the available facility. In this system, the power supply and the magnetometer probes can be configured and controlled automatically, the telecontrol of the coil magnetic field can be achieved by one click, and the real-time monitoring of the magnetic field’s fluctuations as well as the sampling & acquisition of the magnetic data are realized. The results of test show that this system has a satisfactory precision, a reliable stability and a high degree of automation. In addition, it is easy to use this sytem.

spacecrafts; magnetic test; measurement and control system; data acquisition and process;LabVIEW

V416.8; V416.5

B

1673-1379(2017)05-0522-06

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.05.012

2017-06-11；

2017-09-04

鄧佳欣, 孟立飛, 肖琦, 等. 基于LabVIEW的航天器磁試驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J]. 航天器環(huán)境工程, 2017,34(5): 522-527

DENG J X, MENG L F, XIAO Q, et al. Design and application of measurement and control system used in spacecraft magnetic test based on LabVIEW[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2017, 34(5): 522-527

（編輯：許京媛）

鄧佳欣（1984—）女，碩士學(xué)位，從事空間磁試驗(yàn)研究。E-mail: djx1002@163.com。