一种三轴磁力矩器磁矩测量系统及方法

技术领域

本申请涉及卫星半物理仿真技术领域，具体涉及一种三轴磁力矩器磁矩测量系统及方法。

背景技术

三轴磁力矩器是卫星姿态控制系统的主要执行机构之一，被广泛的用于卫星角速率阻尼、姿态控制与动量轮卸载。在磁力矩器中通入指定大小和方向的磁电流，生成期望的磁矩，并与地磁场作用产生力矩。目前磁力矩器磁矩测量方法主要有平衡法和数学法，但是这两种方式的效果都较差，都存在操作复杂、实时性差等问题，并不适合应用于半物理仿真。

发明内容

本申请的主要目的在于提供一种三轴磁力矩器磁矩测量系统及方法，旨在解决现有技术中应用于半物理仿真中的磁力矩器的磁矩测量方法的效果较差的问题。

本申请采用的技术方案如下：

第一方面，本申请实施例提供一种三轴磁力矩器磁矩测量系统，包括测试装置、半物理仿真平台以及上位机，其中：

测试装置包括磁强计、安装单元以及调节单元，安装单元用于安装磁力矩器和磁强计，调节单元用于调节磁强计和磁力矩器，以使磁强计和磁力矩器的轴线共线，磁强计用于测量当前环境的地磁场强度数据；

半物理仿真平台用于接入磁力矩器，同时磁强计还用于采集磁感应强度数据并发送至上位机；

上位机用于接收磁感应强度数据，并根据磁感应强度数据和当前环境的地磁场强度数据，获得磁力矩器的磁矩。

可选的，测试装置还包括固定单元，固定单元用于固定磁力矩器和磁强计。

可选的，测量系统还包括主框架和多个置物板，多个置物板在主框架上分层设置，每一置物板上均设置一组测试装置。

可选的，多个磁强计沿置物板的层状堆叠方向上交错分布。

第二方面，本申请实施例提供一种三轴磁力矩器磁矩测量方法，采用如本申请实施例第一方面中任一项提供的三轴磁力矩器磁矩测量系统，包括以下步骤：

将测试装置置于无磁环境并安装磁力矩器；

调整测试装置的调整单元以使磁强计和磁力矩器的轴线共线；

连接电源和磁强计，在目标时间段内周期性获取磁强计的读数，并将读数的平均值作为当前环境的地磁场强度数据；

将磁力矩器接入半物理仿真平台，同时磁强计采集磁感应强度数据并发送至上位机；

上位机接收磁感应强度数据，并根据磁感应强度数据和当前环境的地磁场强度数据，获得磁力矩器的磁矩。

可选的，连接电源和磁强计，在目标时间段内周期性获取磁强计的读数，并将读数的平均值作为当前环境的地磁场强度数据之前，方法还包括：

调整测试装置的固定单元，以防止磁强计和磁力矩器沿法线方向以及水平方向窜动。

可选的，调整测试装置的调整单元以使磁强计和磁力矩器的轴线共线之前，方法还包括：

根据磁强计和磁力矩器的几何外形尺寸，获得轴线偏差；其中，轴线偏差包括垂直偏差和水平偏差；

调整测试装置的调整单元以使磁强计和磁力矩器的轴线共线，包括：

根据轴线偏差，调整测试装置的调整单元以使磁强计和磁力矩器的轴线共线。

可选的，根据磁感应强度数据和当前环境的地磁场强度数据，获得磁力矩器的磁矩，包括：

对磁感应强度数据进行正交分解，获得第一方向上的分量以及垂直分量；其中，第一方向为测量位置点向磁力矩器的中心的方向；

根据磁线圈的有效长度、测量位置点向磁力矩器的中心的距离、测量位置点与磁力矩器长度方向的水平夹角、第一方向上的分量、垂直分量以及磁场强度差数据，获得磁力矩器的磁矩；其中，磁场强度差数据根据当前环境的地磁场强度数据和磁感应强度数据获得。

可选的，根据磁线圈的有效长度、测量位置点向磁力矩器的中心的距离、测量位置点与磁力矩器长度方向的水平夹角、第一方向上的分量、垂直分量以及磁场强度差数据，获得磁力矩器的磁矩之前，方法还包括：

根据磁场强度差数据和当前环境的地磁场强度数据的差值，获得磁场强度差数据。

可选的，上位机接收磁感应强度数据，并根据磁感应强度数据和当前环境的地磁场强度数据，获得磁力矩器的磁矩之后，方法还包括：

将磁力矩器的磁矩输出给半物理仿真平台；

判断半物理仿真是否结束；

在没有结束的情况下，返回上位机接收磁感应强度数据，并根据磁感应强度数据和当前环境的地磁场强度数据，获得磁力矩器的磁矩的步骤。

与现有技术相比，本申请的有益效果是：

本申请实施例提出的一种三轴磁力矩器磁矩测量系统及方法，本申请通过测试装置、半物理仿真平台以及上位机构成测量系统，测试装置通过简单结构即可实现磁力矩器的安装，并使其与磁强计以所需要的姿态调整并安装，测量获得当前环境的地磁场强度数据后，将磁力矩器接入半物理仿真平台，提升测量的实时性，与此同时让磁强计采集当前的磁感应强度数据，上位机仅需要根据磁感应强度数据和当前环境的地磁场强度数据，做简单的代数运算即可计算出磁力矩器的磁矩，避免了现有技术中繁琐的运算方式以及复杂的设备操作过程，有效提升了磁力矩器的磁矩测量方法的效果。

附图说明

图1为本申请实施例提供的三轴磁力矩器磁矩测量系统的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的三轴磁力矩器磁矩测量系统中磁力矩器的安装示意图；

图3为本申请实施例提供的三轴磁力矩器磁矩测量系统中磁强计的安装示意图；

图4为本申请实施例提供的三轴磁力矩器磁矩测量方法的流程示意图；

图5为本申请实施例提供的三轴磁力矩器磁矩测量方法在一种实施方式下的流程示意图；

图6本申请实施例提供的三轴磁力矩器磁矩测量方法中对磁感应强度数据的正交分解示意图；

附图中标号说明：

1-主框架，2-L型板，3-垫片，4-置物板，5-电源，6-压紧块，7-磁力矩器，8-距离定位块，9-磁强计。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明，本申请实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

另外，若本申请实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。

随着微纳技术、一体化多功能结构、增材制造技术、集成化综合电子系统等技术的发展及其在小卫星上的应用，小卫星性能得到进一步的提高。磁力矩器是卫星姿态控制系统的主要执行机构之一，在磁力矩器中通入指定大小和方向的磁电流，生成期望的磁矩，并与地磁场作用产生力矩。磁力矩器被广泛的用于卫星角速率阻尼、姿态控制与动量轮卸载。磁力矩器的可靠性与寿命直接关系到卫星的可靠性与寿命。

目前磁力矩器磁矩测量方法主要有平衡法、数学法，其中平衡法原理为将磁力矩器动摆片上，再放上一磁性物质，测试时首先给磁力矩器通电，再通过动摆片的变化反算得到磁力矩器与磁性物质作用产生的磁力，最后通过磁力反算得到磁力矩器产生的磁矩，该方法测量繁琐、所需设备复杂、系统实时性差，不适用于半物理仿真测试中。数学法原理为测量磁力矩的多种参数信息，包括长度、线圈匝数、温度、通电电流与两端电压等，再通过数学的方法解算出磁力矩器产生的磁矩，但该方法同样操作繁琐，并且待测量多、数据处理复杂，实时性差，不适合应用于半物理仿真中。

因此，本申请实施例提供了一种三轴磁力矩器磁矩测量系统，如附图1-附图3所示，包括测试装置、半物理仿真平台以及上位机，其中：测试装置包括磁强计9、安装单元以及调节单元，安装单元用于安装磁力矩器7和磁强计9，调节单元用于调节磁强计9和磁力矩器7，以使磁强计9和磁力矩器7的轴线共线，磁强计9用于测量当前环境的地磁场强度数据；半物理仿真平台用于接入磁力矩器7，同时磁强计9还用于采集磁感应强度数据并发送至上位机；上位机用于接收磁感应强度数据，并根据磁感应强度数据和当前环境的地磁场强度数据，获得磁力矩器7的磁矩。

本实施例中，通过测试装置、半物理仿真平台以及上位机构成测量系统，测试装置通过简单结构即可实现磁力矩器7的安装，并使其与磁强计9以所需要的姿态调整并安装，测量获得当前环境的地磁场强度数据后，将磁力矩器7接入半物理仿真平台，提升测量的实时性，与此同时让磁强计9采集当前的磁感应强度数据，上位机仅需要根据磁感应强度数据和当前环境的地磁场强度数据，做简单的代数运算即可计算出磁力矩器的磁矩，避免了现有技术中繁琐的运算方式以及复杂的设备操作过程，有效提升了磁力矩器7的磁矩测量方法的效果。

在一种实施例中，如附图2所示，测试装置还包括固定单元，固定单元用于固定磁力矩器7和磁强计9。为了确保磁力矩器7和磁强计9的稳定安装，防止磁强计9和磁力矩器7沿法线方向以及水平方向窜动，如附图2中采用距离定位块8来保证磁强计9与磁力矩器7间距合适且不会发生法线方向窜动，使用压紧块6来防止磁强计9与磁力矩器7发生水平窜动。

在一种实施例中，如附图1所示，为了实现同时多组磁力矩器7的测量，为测量系统增加主框架1和多个置物板4，多个置物板4在主框架1上分层设置，每一置物板4上均设置一组测试装置，使得空间更为紧凑，并且通过前期的理论计算确认每组磁强计9互不干扰的最小间距，进而确定置物板4的层间间距。进一步的，多个磁强计9沿置物板4的层状堆叠方向上交错分布，通过交错布局的而方式，在保证互不干扰的情况下，进一步节省了空间，使得测量装置的整体结构能够更紧凑、简化。

在一种实施例中，如附图1、附图3所示，为了确保磁强计9和磁力矩器7安装的稳定，采用L型板2作为基板安装，将磁强计9、磁力矩器7紧贴于L型板侧面放置，选取合适的距离定位块8放置于磁强计9与磁力矩器7中间并紧贴L型板2侧面，防止磁强计9与磁力矩器7沿法线方向窜动，调整单元可采用如附图2所示的垫片3，将其与磁强计9、磁力矩器7一同紧贴L型板2侧面。

基于与前述实施例同样的发明构思，本申请实施例还提供一种三轴磁力矩器磁矩测量方法，如附图4所示，采用如本申请实施例提供三轴磁力矩器磁矩测量系统，包括以下步骤：

S10：将测试装置置于无磁环境并安装磁力矩器。

S20：调整测试装置的调整单元以使磁强计和磁力矩器的轴线共线。

S30：连接电源和磁强计，在目标时间段内周期性获取磁强计的读数，并将读数的平均值作为当前环境的地磁场强度数据。

S40：将磁力矩器接入半物理仿真平台，同时磁强计采集磁感应强度数据并发送至上位机。

S50：上位机接收磁感应强度数据，并根据磁感应强度数据和当前环境的地磁场强度数据，获得磁力矩器的磁矩。

本实施例的原理及有益效果可参考前述三轴磁力矩器磁矩测量系统的实施例，通过上述测量方法有效提升了测量的效果，一方面由于测试装置的结构优化，使得操作过程不再繁琐，仅需要通过简单的结构相互配合完成安装调整，另一方面数据处理得到简化，磁矩的计算不再包含复杂的三角函数与矩阵运算，仅需要简单的代数运算即可实现。

在一种实施例中，连接电源和磁强计，在目标时间段内周期性获取磁强计的读数，并将读数的平均值作为当前环境的地磁场强度数据之前，方法还包括：

调整测试装置的固定单元，以防止磁强计和磁力矩器沿法线方向以及水平方向窜动。

在具体实施过程中，对应测试装置中固定单元的设定，为了提升装置的稳定性，在连接电源5进行测试之前，通过固定单元来避免磁强计9和磁力矩器4沿法线方向以及水平方向的窜动。

在一种实施例中，调整测试装置的调整单元以使磁强计和磁力矩器的轴线共线之前，方法还包括：

根据磁强计和磁力矩器的几何外形尺寸，获得轴线偏差；其中，轴线偏差包括垂直偏差和水平偏差；

调整测试装置的调整单元以使磁强计和磁力矩器的轴线共线，包括：

根据轴线偏差，调整测试装置的调整单元以使磁强计和磁力矩器的轴线共线。

在具体实施过程中，磁强计9和磁力矩器4的轴线共线的调整依据其轴线的偏差决定，通过查询或量取磁强计和磁力矩器的几何外形尺寸，计算二者轴线的垂直与水平偏差，进而可以选取合适的调整单元，如对应厚度的铝合金的垫片3补偿误差，保证二者的轴线共线。

在一种实施例中，根据磁感应强度数据和当前环境的地磁场强度数据，获得磁力矩器的磁矩，包括：

对磁感应强度数据进行正交分解，获得第一方向上的分量以及垂直分量；其中，第一方向为测量位置点向磁力矩器的中心的方向；

根据磁线圈的有效长度、测量位置点向磁力矩器的中心的距离、测量位置点与磁力矩器长度方向的水平夹角、第一方向上的分量、垂直分量以及磁场强度差数据，获得磁力矩器的磁矩；其中，磁场强度差数据根据当前环境的地磁场强度数据和磁感应强度数据获得。

在具体实施过程中，在上位机中对数据展开处理，令M代表磁力矩器产生磁矩大小，θ是磁场测量点与磁力矩器长度方向的水平夹角，R为测量点与磁力矩器中心的距离，L是磁线圈的有效长度，B是测量点的磁场强度，将B正交分解，如附图6所示，得到R方向即第一方向上分量B

此公式的满足条件需要R>>L/2，在安装完成后，R>>L/2且θ＝0°，上述公式可简化为：

若当前磁强计测得磁场强度为B

其中B

参照附图5所示，在附图5所示的实施方式下，对本申请作进一步说明：

首先将测试装置置于一定范围内无铁磁性物质的环境中，比如周围两米内无磁铁性物质；

根据磁强计与磁力矩器的外形尺寸，计算两者轴线的垂直与水平偏差，并根据计算结果使用铝垫片补偿轴线的垂直与水平偏差，然后放置压紧块与距离定位块，防止出现水平或发线方向的窜动；

安装完成后使用电缆连接强磁计和稳压电源5，确认无误后开启电源，并在一段时间内周期性采集数据，比如重读读数180s，每5s读取一次数据，取测量结果的统计平均值作为当前环境的地磁场强度；

然后将磁力矩器接入半物理仿真平台进行闭环仿真操作，上位机根据此时磁强计的测量结果计算磁力矩器产生的磁矩，为了实现循环控制，可在上位机接收磁感应强度数据，并根据磁感应强度数据和当前环境的地磁场强度数据，获得磁力矩器的磁矩之后，将磁力矩器的磁矩输出给半物理仿真平台；

判断半物理仿真是否结束；

在半物理仿真结束的情况下，试验也直接结束；

在半物理仿真没有结束的情况下，返回上位机接收磁感应强度数据，并根据磁感应强度数据和当前环境的地磁场强度数据，获得磁力矩器的磁矩的步骤，继续获取实时测量计算的磁矩。

以上所述仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。