申请/专利权人：北京大学

申请日：2019-01-31

公开（公告）日：2021-04-27

公开（公告）号：CN109799467B

主分类号：G01R33/02(20060101)

分类号：G01R33/02(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2021.04.27#授权;2019.06.18#实质审查的生效;2019.05.24#公开

摘要：本发明提供一种无需伸杆的空间磁场测量装置、测量系统及测量方法，测量装置包括磁强计，磁强计包括分布在不同的平面上呈立体分布的多个磁场探测器单体，用于测量待测空间内的磁场；以及与磁强计电连接的数据处理单元，其接收和处理磁强计测量的空间磁场的数据；磁强计直接固定连接至其支撑部件上，测量待测空间内的磁场。本发明采用无伸杆的磁强计，有利于三轴稳定型卫星，不会影响卫星的转动惯量，也就不会影响卫星姿态。在无需伸杆磁场测量系统中，磁强计的多个磁场探测器单体设置在不同的平面内，形成立体分布样式，使得能够根据球谐展开原理，将测量的磁场分为外源场和内源场两部分，获得更加精确的待测磁场分布。

主权项：1.一种无需伸杆的空间磁场测量装置，其特征在于，包括：磁强计，所述磁强计包括多个磁场探测器单体，多个所述磁场探测器单体分布在互不平行的不同的平面上，呈立体分布，用于测量待测空间内的磁场；以及数据处理单元，与所述磁场探测器单体电连接，所述数据处理单元接收所述磁场探测器单体测量的所述待测空间内的所述磁场的数据；其中所述磁场探测器单体及数据处理单元直接固定连接至其支撑部件上，直接测量所述待测空间内的所述磁场，所述磁场探测器单体包括外部壳体，所述外部壳体包括框架结构以及与所述框架结构闭合安装的盖板，所述外部壳体构成所述探测器单体的暗舱式结构，多个所述磁场探测器安装在所述框架结构的内部的不同平面上，并且呈三维分布，多个所述磁场探测器包括呈三维分布的三轴磁场探测器，所述三轴磁场探测器同时测量所述待测空间内的所述磁场的三个磁场分量。

全文数据：无需伸杆的空间磁场测量装置、测量系统及测量方法技术领域本发明涉及无需伸杆空间磁场测量领域，具体涉及一种无需伸杆的空间磁场测量装置、测量系统及测量方法。背景技术磁场是日地空间相互作用能量储存、传输和释放的主要媒介，且是带电粒子运动动力学过程的主要影响因素。对空间磁场的探测将有助于研究空间高能电子的加速机制，有助于人们提高对空间磁场的认识，完善国际地磁场参考模型IGRF。高精度空间磁场探测可以得到空间磁场的时空变化，分析背景磁场以及叠加在背景磁场上的磁场波动。其测量数据可用于确定空间磁场在地磁暴、磁层亚暴、高能粒子暴等主要灾害性空间天气过程中的时间演化和空间变化；可用于反演构建灾害性空间天气过程中的空间电流体系；为计算高能粒子的投掷角、粒子相空间密度提供直流磁场数据；更为重要的事，磁场测量数据还可以用来研究ELFULF电磁波的激发机制及波包结构。此前，国内也有部分大学和研究机构开展了基于卫星平台的空间磁场测量设备研究，但是，总体而言，目前我国空间磁场测量技术和经验与国际领先水平相比仍有较大差距。在卫星上进行空间磁场探测，需要去除卫星剩磁对磁场探测设备的影响，或者对卫星作剩磁要求。目前，大多数卫星都是采用伸杆的方法来去除卫星本底剩磁的影响。伸杆方法一般采用两点磁场测量，然后采用梯度的方法去除卫星本底磁场的干扰，由于测量点个数少，测量的磁场数据具有局限性，导致后续去除卫星本底磁场的干扰时精确度不够，也就使得最后得到的待测磁场数据不够精确。另外，传统的需要伸杆的磁强计会影响卫星的转动惯量，进而会影响卫星的转动惯量，影响卫星的姿态。另外，目前大部分空间磁场探测都是采用磁通门技术，磁通门技术存在一些方面的不足，例如在高频特性、稳定性、功耗等方面存在不足。随着磁场探测技术的发展，空间磁场探测也需要发展新的测手段。发明内容为了克服现有技术中需要伸杆所带来的问题及不足，提供新的无需伸杆空间磁场探测手段，本发明提供了一种无需伸杆的空间磁场测量装置、测量系统及测量方法。根据本发明的第一方面，提供了一种无需伸的杆空间磁场测量装置，包括：磁强计，所述磁强计包括多个磁场探测器单体，多个所述磁场探测器单体分布在不同的平面上，呈立体分布，用于测量待测空间内的磁场；以及数据处理单元，与所述磁场探测器单体电连接，所述数据处理单元接收所述磁场探测器单体测量的所述空间磁场的数据；其中所述磁场探测器单体直接固定连接至其支撑部件上，直接测量所述待测空间内的所述磁场。优选地，所述磁场探测器单体呈暗舱式结构，并且包括多个电路板，所述多个电路板包括多个磁场探测器，多个所述磁场探测器包括呈三轴分布的三轴磁场探测器，所述三轴探测器同时测量所述空间磁场的三个磁场分量。优选地，所述磁场探测器单体包括外部壳体，所述外部壳体包括框架结构以及与所述框架结构闭合安装的盖板，所述外部壳体构成所述探测器单体的暗舱式结构，多个所述磁场探测器安装在所述框架结构的内部的不同平面上，并且呈三维分布。优选地，多个所述电路板还包括信号拾取电路及放大器，所述信号拾取电路接收所述磁场探测器所测量的所述空间磁场的高频分量并输出所述高频分量的放大的模拟信号至所述数据处理单元；所述放大器对所述磁场探测器所测量的所述空间磁场的直流分量和低频分量进行放大后输出至所述数据处理单元。优选地，所述磁场探测器单体的数量包括4个或者多于4个，所述磁场探测单元中的所述磁场探测器包括磁阻探测器。根据本发明第二方面，提供了一种无需伸杆的空间磁场测量系统，包括本发明上述第一方面所述的无需伸杆的空间磁场测量装置以及搭载所述空间磁场测量装置的卫星；所述卫星外面的卫星桁架形成所述所述空间磁场测量装置中的所述磁强计的支撑部件，所述磁强计固定在所述卫星桁架上，其中，所述磁强计中的多个所述磁场探测器单体分别安装在所述卫星桁架组成的不同平面内；所述空间磁场测量装置中的所述数据处理单元以机箱的形式设置在所述卫星的内部。优选地，所述磁场探测器单体的外部壳体包括第一安装面，所述卫星桁架上设置有第二安装面；所述第一安装面和所述第二安装面均设置为四脚式，并且均包括绝热材料，所述绝热材料包括聚酰亚胺及热控多层，所述热控多层紧贴所述第一安装面，所述聚酰亚胺紧贴所述第二安装面。优选地，所述热控多层的层数介于15～25层，所述聚酰亚胺的厚度介于2～8mm。根据本发明第三方面，提供了一种无需伸杆的磁场测量方法，包括以下步骤：同时测量待测空间中多个测试点的磁场得到多个所述测试点的磁场数据；通过反演算法分析所述磁场数据，从中提取出待测磁场在所述待测空间内的磁场分布；其中，通过设置在卫星上的多个磁阻探测器同时测量所述磁场，测量的所述磁场由方程式①表示：其中，为测量到的磁场，为所述待测空间的待测磁场，为所述卫星的本底磁场；r,θ和为为球坐标系的三个坐标分量，分别代表径向距离、天顶角、方位角场。优选地，所述方法还包括采用球谐函数拟合得到优化的多极矩场的叠加，从而确定相应的卫星本底磁场模型，所述待测空间的磁场满足Laplace方式的标势描述，由此得到球坐标系中的方程式⑦：其中，Ψ为磁标势，r,θ和为为球坐标系的三个坐标分量，分别代表径向距离、天顶角、方位角，t为时间，为勒兰德函数，R为所述卫星的平均半径，所述卫星的本底磁场通过方程式⑧得到：当rR，所述卫星的本底磁场的三个分量有方程式表示：其中，Anm，Bnm为待定系数。优选地，通过反演算法分析所述磁场数据之前，还包括如下步骤：获取多个所述测试点的位置；以及测量所述卫星的各种工况磁源分布数据库。如上所述，本发明的无需伸杆的空间磁场测量装置、测量系统及测量方法方法具有如下技术效果：本申请的空间磁场测量装置、测量系统及测量方法采用无伸杆的磁强计，有利于三轴稳定型卫星，不会影响卫星的转动惯量，也就不会影响卫星姿态。这就可以在不影响卫星本身运动的情况下获得更加精确的空间磁场数据。本申请的无需伸杆的空间磁场测量装置采用磁阻探测器来探测空间磁场，磁阻探测器具有高频特性好、结构简单、响应快、稳定性好等特点，使得探测到的空间磁场的数据更加精确。在无需伸杆的磁场测量系统中，磁强计的多个磁场探测器单体设置在不同的平面内，形成立体分布样式，并且每个磁场探测器单体内的磁场探测器包括三轴探测器，这样，磁强计就可以在球形空间内测量更加精确的磁场数据。另外，本发明采用多点测量的方式，并且多个测试点分布在不同的平面内呈立体分布，使得能够根据球谐展开原理，将空间磁场分为外源场和内源场两部分，能够最终获得更加精确的待测磁场分布。附图说明通过参考附图会更加清楚地理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：图1显示为实施例一提供的无需伸杆的磁场测量装置的示意图。图2显示为图1中的磁场探测器单体的结构示意图。图3显示为图2的无需伸杆的磁场探测器单体内的磁场探测器的空间分布示意图。图4显示为实施例二提供无需伸杆的空间磁场测量系统的部分结构示意图。图5显示为实施例三提供的磁场测量方法的流程图。附图标记10磁场探测器单体101面板102框架结构103安装孔104筋板105安装螺栓106数据接口201第一电路板202第二电路板203第三电路板204第四电路板205第五电路板30卫星桁架具体实施方式为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域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，都属于本发明保护的范围。实施例一本实施例提供一种无需伸杆的空间磁场测量装置，如图1所示，磁场测量装置包括磁强计以及数据处理单元，该磁强计为无伸杆磁强计，磁强计直接固定连接在支撑部件上，并且与数据处理单元电连接，实现二者的数据传输。磁强计包括多个磁场探测器单体10，并且多个磁场探测器单体10分布在不同的面上，呈立体分布。磁场探测器单体10探测空间内的磁场并将磁场数据传输给数据处理单元。如图2所示，磁场探测器单体10具有立体结构，其外部是外部壳体，外部壳体有框架结构102和连接至所述框架结构102上的面板101构成。框架结构102的底部具有第一安装面，在本实施例的优选实施例中，第一安装面形成为安装孔103，例如可以是分别位于磁场探测器单体底部的四个角上的四个安装孔103，在本实施例的更优选的实施例中，安装孔103由热控多层形成。该安装孔形成固定并支撑探测器单体10的支脚，使其能够稳定地连接至支撑结构上。为了更好地屏蔽干扰磁场对磁场探测器单体10内的磁场探测器的影响，外部壳体采用屏蔽壳，例如采用无磁铝制作，以降低进入壳体内部的辐射剂量，例如在优选实施例中，采用4.0mm厚的等效铝。在图2中，面板101和框架结构102之间通过螺钉105安装在框架结构101上，使得磁场探测器单体10整体上形成封闭的暗舱式结构。所述磁场探测器单体10内部包括多个电路板，在本实施例的一优选实施例中，例如图3所示，磁场探测器单体10内部包括5块电路板——第一电路板201，第二电路板202、第三电路板203、第四电路板204及第五电路板205，各电路板固定在框架结构102上，例如可以同时通过螺钉105固定在框架结构102上，即螺钉105同时将面板101和电路板固定在框架结构102上。其中第一电路板201，第二电路板202、第三电路板203包括磁场探测器，并且在优选实施例中，磁场探测器包括三轴磁阻探测器，用于测量空间磁场的三个分量。例如在图3中，第一电路板201，第二电路板202、第三电路板203包括AICHI磁场探测器，用于测量空间磁场的高频分量，第五电路板205包括三轴HMC1001磁场探测器，用于测量空间磁场的直流分量和低频分量。如上所述，各电路板在同一时间点同时测量磁场的三个分量，即每一个磁场探测器单体10在同一时间点可同时测量磁场的三个分量，因此，对于分布在不同平面内的多个磁场探测器单体10，可以同时输出多个磁场分量，大大增加了磁场测量的精确度。例如对于4-6个磁场探测器单体10，可以在同一时间点测量12-18个磁场分量。仍然参照图3，多个电路板中还包括信号拾取电路及放大器，例如第四电路板204包括信号拾取电路，该信号拾取电路接收上述磁场探测器测量的空间磁场的高频分量并输出该高频分量的放大的模拟信号至数据处理单元。电路板205包括放大器，该放大器对例如由三轴HMC1001磁场探测器测量的空间磁场的直流分量和低频分量进行放大，并将放大后的磁场数据传输至数据处理单元。再次参照附图2，磁场探测器单体的外部设有数据接口106，在本实施例的优选实施例中，该数据接口106可以选择RS422接口。磁场探测器单体10通过该接口与数据处理单元电连接，实现数据的传输，例如可以通过电缆连接磁场探测器单体10和数据处理单元。实施例二本实施例提供一种无需伸杆的空间磁场测量系统，该系统包括实施例一所述的磁场探测装置以及搭载该磁场探测装置的卫星。如图4所示，多个磁场探测器单体10安装在卫星桁架30上，并且分别安装在卫星桁架30组成的不同平面内。多个磁场探测器单体10构成磁强计。如图4所示，在包括四个磁场探测器单体10的磁强计的情况下，四个磁场探测器单体10分别安装在卫星桁架30的不同的平面内，形成图4所示的立体结构，这样就可以在立体空间例如球形空间内的磁场。无需伸杆的空间磁场探测装置中的数据处理单元以机箱的形式设置在卫星的内部。为了安装上述磁场探测器单体10，磁场探测器单体10的外部壳体上形成有第一安装面，卫星桁架30上形成有第二安装面。第一安装面形成为图2所示的安装孔103，在优选实施例中，形成四个安装孔103，该四个安装孔103形成支脚。为了与该第一安装面想配合，卫星桁架30上形成的第二安装面同样形成为安装孔未示出。在安装过程中，第一安装面和第二安装面绝热安装，绝热材料包括聚酰亚胺和热控多层。热控多层紧贴第一安装面，聚酰亚胺紧贴第二。热控多层层数介于15-25层，在更加优选的实施例中可以是20层，聚酰亚胺厚度介于2-8mm，在更加优选的实施例中，聚亚酰胺的厚度可以是5mm。因为，第一和第二安装面采用绝热安装，因此可以有效减少卫星桁架的第二安装面到磁场探测器单体10的第一安装面的热量传递，从而减小温度变化对磁场探测器单体10的测量精度的影响。实施例三本实施例提供一种空间磁场测量方法，如图5所示，包括如下步骤：同时测量待测空间中多个测试点的磁场得到多个所述测试点的磁场数据；通过反演算法分析所述磁场数据，从中提取出待测磁场及卫星的本底磁场，进而得到待测磁场在所述待测空间内的磁场分布；其中，通过设置在卫星上的多个磁阻探测器同时测量所述磁场，测量的所述磁场由方程式①表示：其中，为测量到的磁场，为所述待测空间的待测磁场，为所述卫星的本底磁场；r,θ和为为球坐标系的三个坐标分量，分别代表径向距离、天顶角、方位角。所述反演算法的具体流程如下：采用球谐函数拟合得到优化的多极矩场的叠加，从而确定相应的卫星本底磁场模型，所述待测空间的磁场满足Laplace方式的标势描述，由此得到球坐标系中的方程式⑦：其中Ψ为磁标势，r,θ和为球坐标系的三个坐标分量，分别代表径向距离、天顶角、方位角，t为测量时间，为勒兰德函数，R为所述卫星的平均半径，所述卫星的本底磁场通过方程式⑧得到：当rR，所述卫星的本底磁场的三个分量有方程式表示：其中，Anm，Bnm为待定系数。在本实施例的另一优选实施例中，还包括通过反演算法分析所述磁场数据之前，还包括如下步骤：获取多个所述测试点的位置；以及测量所述卫星的各种工况磁源分布数据库。再次参照图5，在本实施例的更进一步的实施例中，通过所述反演算法还能够得到反演误差，从而进一步提高得到的待测磁场在待测空间内的磁场分布的精确度。如上所述，本发明的无需伸杆的空间磁场测量装置、测量系统及测量方法方法具有如下技术效果：本申请的空间磁场测量装置、测量系统及测量方法采用无伸杆的磁强计，有利于三轴稳定型卫星，不会影响卫星的转动惯量，也就不会影响卫星姿态。这就可以在不影响卫星本身运动的情况下获得更加精确的空间磁场数据。本申请的无需伸杆的空间磁场测量装置采用磁阻探测器来探测空间磁场，磁阻探测器具有高频特性好、结构简单、响应快、稳定性好等特点，使得探测到的空间磁场的数据更加精确。在磁场测量系统中，磁强计的多个磁场探测器单体设置在不同的平面内，形成立体分布样式，并且每个磁场探测器单体内的磁场探测器包括三轴磁场探测器，这样，磁强计就可以在球形空间内测量更加精确的磁场数据。另外，本发明采用多点测量的方式，并且多个测试点分布在不同的平面内呈立体分布，使得能够根据球谐展开原理，将空间磁场分为外源场和内源场两部分，能够最终获得更加精确的待测磁场分布。上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明，本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

权利要求：1.一种无需伸杆的空间磁场测量装置，其特征在于，包括：磁强计，所述磁强计包括多个磁场探测器单体，多个所述磁场探测器单体分布在不同的平面上，呈立体分布，用于测量待测空间内的磁场；以及数据处理单元，与所述磁场探测器单体电连接，所述数据处理单元接收所述磁场探测器单体测量的所述待测空间内的所述磁场的数据；其中所述磁场探测器单体及数据处理单元直接固定连接至其支撑部件上，直接测量所述待测空间内的所述磁场。2.根据权利要求1所述的无需伸杆的空间磁场测量装置，其特征在于，所述磁场探测器单体呈暗舱式结构，并且包括多个电路板，所述多个电路板包括多个磁场探测器，多个所述磁场探测器包括呈三维分布的三轴磁场探测器，所述三轴磁场探测器同时测量所述待测空间内的所述磁场的三个磁场分量。3.根据权利要求2所述的无需伸杆的空间磁场测量装置，其特征在于，所述磁场探测器单体包括外部壳体，所述外部壳体包括框架结构以及与所述框架结构闭合安装的盖板，所述外部壳体构成所述探测器单体的暗舱式结构，多个所述磁场探测器安装在所述框架结构的内部的不同平面上，并且呈三维分布。4.根据权利要求3所述的无需伸杆的空间磁场测量装置，其特征在于，多个所述电路板还包括信号拾取电路及放大器，所述信号拾取电路接收所述磁场探测器所测量的所述空间磁场的高频分量并输出所述高频分量的放大的模拟信号至所述数据处理单元；所述放大器对所述磁场探测器所测量的所述空间磁场的直流分量和低频分量进行放大后输出至所述数据处理单元。5.根据权利要求2所述的无需伸杆的空间磁场测量装置，其特征在于，多个所述磁场探测器单体的数量包括4个或者多于4个，所述磁场探测单元中的所述磁场探测器包括磁阻传感器。6.一种无需伸杆的空间磁场测量系统，其特征在于，包括权利要求1-4中任一项所述的无需伸杆的空间磁场测量装置以及搭载所述空间磁场测量装置的卫星；所述卫星外面的卫星桁架形成所述所述空间磁场测量装置中的所述磁强计的支撑部件，所述磁强计固定在所述卫星桁架上，其中，所述磁强计中的多个所述磁场探测器单体分别安装在所述卫星桁架组成的不同平面内；所述空间磁场测量装置中的所述数据处理单元以机箱的形式设置在所述卫星的内部。7.根据权利要求6所述的无需伸杆的磁场测量系统，其特征在于，所述磁场探测器单体的外部壳体包括第一安装面，所述卫星桁架上设置有第二安装面；所述第一安装面和所述第二安装面均设置为四脚式，并且均包括绝热材料，所述绝热材料包括聚酰亚胺及热控多层，所述热控多层紧贴所述第一安装面，所述聚酰亚胺紧贴所述第二安装面。8.根据权利要求7所述的无需伸杆的磁场测量系统，其特征在于，所述热控多层的层数介于15～25层，所述聚酰亚胺的厚度介于2～8mm。9.一种无需伸杆的磁场测量方法，其特征在于，包括如下步骤：同时测量待测空间中多个测试点的磁场得到多个所述测试点的磁场数据；通过反演算法分析所述磁场数据，从中区提取出待测磁场在所述待测空间内的磁场分布；其中，通过设置在卫星上的多个磁场探测器同时测量所述磁场，测量的所述磁场由方程式①表示：其中，为测量到的磁场，为所述待测空间的待测磁场，为所述卫星的本底磁场；r,θ和为为球坐标系的三个坐标分量，分别代表径向距离、天顶角、方位角。10.根据权利要求9所述的无需伸杆的空间磁场测量方法，其特征在于，所述方法还包括采用球谐函数拟合得到优化的多极矩场的叠加，从而确定相应的卫星本底磁场模型，所述待测空间的磁场满足Laplace方式的标势描述，由此得到球坐标系中的方程式⑦：其中，Ψ为磁标势，r，θ和为为球坐标系的三个坐标分量，分别代表径向距离、天顶角、方位角，t为测量时间，为勒兰德函数，R为所述卫星的平均半径，所述卫星的本底磁场通过方程式⑧得到：当rR，所述卫星的本底磁场的三个分量有方程式⑨-表示：其中，Anm，Bnm为待定系数。11.根据权利要求9或10所述的无需伸杆的空间磁场测量方法，其特征在于，通过反演算法分析所述磁场数据之前，还包括如下步骤：获取多个所述测试点的位置；以及测量所述卫星的各种工况磁源分布数据库。

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