基于LabVIEW的航天器磁试验测控系统设计及应用

邓佳欣，孟立飞，肖 琦，陈金刚，耿晓磊

（北京卫星环境工程研究所，北京 100094）

基于LabVIEW的航天器磁试验测控系统设计及应用

邓佳欣，孟立飞，肖 琦，陈金刚，耿晓磊

（北京卫星环境工程研究所，北京 100094）

针对现有航天器磁试验测控手段自动化程度低、操作复杂的问题，基于LabVIEW软件以及磁试验流程和现有设备，研制了新的磁试验测控系统，并进行了测控系统的软件设计。该系统实现了对测控电源、磁强计探头的灵活自动配置和控制，对线圈磁场的一键式远程控制，磁场波动的实时监测，磁场数据的并行采集和处理。试验验证结果表明，该测控系统具有测量与控制精度高、运行稳定可靠、自动化程度高、操作简便等特点。

航天器；磁试验；测控系统；数据采集与处理；LabVIEW

0 引言

在航天器发射前，需要在地面完成航天器整星或部组件磁试验，以控制或利用航天器磁性[1-2]。航天器磁试验流程是：首先通过磁环境模拟设备在地面产生零磁场环境[1]；然后将航天器置于其中，通过磁强计采集航天器的磁场数据并将数据传入磁矩计算软件；最后计算得到航天器的磁矩，进而评估航天器的磁洁净度和稳定性，并判读数据决定是否采用磁补偿的方法将航天器的磁性控制在目标范围内。其中磁矩测量是航天器磁试验的重要环节[3-4]。磁试验测控系统在零磁场调节、磁场数据采集、磁矩计算等方面都起到关键的作用。现有的磁试验测控系统虽然能够完成航天器的磁场测试任务，但手动操作多，自动化程度和测量精度不高，无法满足高磁洁净卫星磁试验的需要。

LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench，实验室虚拟仪器工作平台）由美国国家仪器（National Instrument, NI）公司研发，是基于图形化的、用图标来代替文本行创建应用程序的一种功能强大而又灵活的仪器与分析软件应用开发工具[5-6]。它具有数据交互功能强大、编程便捷、界面友好、可扩展性高等显著优点[7]，现已被广泛应用于航空航天系统、工业界、学术界和研究实验室的仪器控制、数据采集、数据分析及数据显示等领域[8]。

为了提高航天器磁试验测控系统的自动化程度和测量精度，本文基于LabVIEW软件研发了新的测控系统，不仅可实现并行的数据采集、地磁场的实时监测、一键式零磁场调节，还加入了数据处理功能；并将该系统成功应用于电磁卫星的磁试验，完成了卫星高精度磁场测量、磁矩计算任务。

1 磁试验测控系统总体设计

根据磁试验流程，将磁试验测控系统分为磁场电源控制、磁场数据采集控制、磁矩计算及存储3个独立的功能模块。测控系统的硬件部分主要包括磁场线圈、通信网络接口、程控电源、磁强计、控制计算机和数据采集器，软件部分包括磁矩计算软件，其组成见图1。

磁场电源控制模块的主要功能有：1）接收来自用户的指令，并按用户指令配置程控电源；2）根据目标磁场换算线圈的输入电流值；3）控制线圈电源完成目标磁场的线圈加电；4）读取、记录、显示当前电源的电流值、电压值以及电源状态；5）监测参试电源的状态，对故障电源发出警报。

磁场数据采集控制模块的主要功能有：1）在测控系统界面配置参试磁强计；2）设置数据采集的参数，并完成磁场数据采集；3）实时显示磁强计探头测量值并保存采集数据。

磁矩计算及存储模块的主要功能有：1）读取采集的磁场数据；2）设置磁矩计算参数；3）完成磁矩计算，显示并保存结果。

2 磁试验测控系统软件设计

磁试验测控系统软件主要由电源控制、数据采集和数据计算3个模块组成，如图2所示。软件主界面如图3所示。

图3 磁试验测控系统软件主界面Fig. 3 Main interface of the software of measurement and control system in magnetic test

2.1 磁场电源控制模块

线圈是磁试验的主要设备，通过调节线圈电源可产生特定的磁场环境。电源控制模块实现了对线圈3台电源（X、Y、Z电源）的远程控制，界面内即可完成电源的开启、关闭与调节，并且只需要输入磁场值即可控制电源自动调节，在线圈中产生所需的磁场环境。电源控制模块包括恒场电源控制和零场电源控制，图4为零场电源控制界面，包括电源开启/关闭按键，磁强计探头测量值、目标磁场值以及自动调零场时磁场和电源电流变化的显示。

零场电源控制实现了线圈自动调零磁场环境的功能。在线圈中设置1个磁场探头，软件读取探头测得的磁场值，磁场值由X、Y、Z共 3个分量值组成；比较3个分量值的大小，如果X值最大，将该磁场值换算成电流值A；如果电流值A小于电源一次加电最大值B，则给X电源加相应的反向电流-A，否则给X电源加-B；加电完成后，软件继续读取探头测量的磁场值，重复上面的工作，直到所读取的磁场值在目标值范围内，自动调零磁场结束。零场电源控制的实现代码如图5所示。自动调零磁场的功能提高了线圈磁场调节的效率和可靠性，避免了由人工调节带来的误差。

图4 零场电源控制界面Fig. 4 Interface of power control of zero magnetic field

图5 零场电源控制代码Fig. 5 Code of power control of zero magnetic field

2.2 磁场数据采集模块

磁场数据采集用到的硬件有磁强计探头和数据采集器。本测控系统可控制10余台磁通门磁强计探头，每个探头分别与一个并行数据采集器相连，其中一台数据采集器的CAN总线数据接口与计算机USB接口相连。数据采集器可实时读取探头采集的电压数据，并将电压值换算成磁场值显示出来。数据采集模块的功能就是同时读取若干台数据采集器上的数据并保存。本模块包括实时采集和数据回放2部分。

实时采集界面如图6所示，界面内可显示试验用探头及探头实时监测的磁场X、Y、Z分量值、保存的数据曲线和用户设置参数按钮。完成探头配置后用户填写“新建项目”、“项目名称”、“项目路径”、“保存周期”后便可开始数据保存。数据采集的实现代码如图7所示。

图6 实时数据采集界面Fig. 6 Interface of data acquisition

图7 数据采集代码Fig. 7 Code of data acquisition

2.3 磁场数据计算模块

磁试验方法为赤道作图法，在被测物一侧水平面上设置3台磁强计，采集被测物一周的磁场数据，磁场数据计算模块读入这些数据并计算得到被测物的磁矩。为了考察环境干扰对计算结果的影响，采集被测物磁场时，首次同时采集了环境干扰数据，计算结果给出了去干扰和不去干扰2种情况下的磁矩，以方便试验人员进行判断。磁场数据计算模块有零磁场磁矩计算和地磁场磁矩计算2部分功能。图8为零磁场磁矩计算界面，用户只需输入计算磁矩的探头参数，选择旋转角度，即可在界面右侧得到磁矩结果。零磁场磁矩计算的实现代码见图9。

图8 零磁场磁矩计算界面Fig. 8 Interface of magnetic moment calculation for zero magnetic field

图9 零磁场磁矩计算代码Fig. 9 Code of magnetic moment calculation for zero magnetic field

3 磁试验测控系统的改进

3.1 使用了并行的数据采集方式

磁试验中一般使用 3台磁强计探头在赤道面上采集被测物一周的磁场值。以往使用串行数据采集方式时，每台磁强计可采集3个磁场分量，在相邻分量采集间存在时间差，即当使用3台磁强计采集磁场值时，第一台的1分量和最后一台的3分量间的采集时间将相差2.39 s（如表1所示），由时间差带来的磁场平均误差范围在0.2～2 nT/s。而新的测控系统采取并行数据采集的方式，即使用独立的探头控制模块，使得不同探头能在同一时刻采集同一状态的磁场值，从而消除了以往探头数据采集不同步的问题，保证了磁场测量的准确性。

表1 串行数据采集存在的时间差Table 1 Time difference with serial data acquisition

3.2 考虑了环境干扰对测量的影响

磁试验测控系统在数据处理算法上首次考虑了环境干扰对测量值的影响。环境磁场波动是随着外界干扰时刻变化的，并且一直存在，例如汽车、路灯等，因此在进行磁场测量时外界干扰是影响测量准确性的首要因素。为了消除环境的磁场干扰，在算法上设置了环境干扰项，将磁强计探头放置于线圈的边缘位置，只测量环境波动，与被测物磁强计探头数据一同进行保存。磁矩计算时，去掉环境干扰后进行计算。利用该系统对比了不去除干扰和去掉干扰的标准磁块磁矩计算值，如表2所示，可以看出，去掉干扰后的磁矩计算精度更高。

表2 x方向100 mA·m2的标准磁块磁矩计算Table 2 The magnetic moment calculation of the standard magnetic block with 100 mA·m2 in x direction

4 磁试验测控系统的应用

电磁星是我国首颗进行地磁场测量的科学卫星，精度要求非常高，为了降低环境干扰对测量结果的影响，试验安排在凌晨进行。本次试验首次对13台磁通门磁强计数据并行采集，测量工况多，数据处理任务重；数据采集的同时，实时显示了磁场的波动曲线；恒场电源和零场电源控制功能在测量工况多的情况下大大提高了试验效率和可靠性；通过比较，均采用了去干扰的磁场值进行磁矩计算，降低环境干扰对测量和计算的影响，保证了测量的高精度。图10为磁强计布置示意图，其中1～13代表13个磁强计。

图10 电磁星磁场测量磁强计布置Fig. 10 The magnetometer positions in magnetic measurement test for an electromagnetic star

电磁星磁试验中，使用磁试验测控系统实现了对磁试验流程的集中控制；磁试验测控系统工作稳定，操作简便，大大提高了试验效率和可靠性。电磁星磁试验任务最终圆满完成。

5 结束语

本文的基于LabVIEW软件平台的磁试验测控系统充分利用了LabVIEW的强大功能，实现了磁场电源控制、磁场数据采集控制和磁矩计算功能。与以前的磁试验测控系统相比，该系统的功能更完备，自动化程度高，大大简化了操作，降低了科研人员的工作强度，提高了测控的精度和效率，增强了测控系统的稳定性，提高了卫星磁试验的可靠性，并在电磁星的磁试验中发挥了巨大的作用。该系统开发中取得的经验，可在其他测试设备的测控系统中应用推广。

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[1] 齐燕文. 空间磁环境模拟技术[J]. 航天器环境工程,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] 陈斯文, 黄源高, 李文曾. 双星星上部件磁测及磁测设备[J]. 地球物理学进展, 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

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[5] 刘辉. 基于无线通道的电能质量监测系统的应用研究[D]. 济南: 山东大学, 2011

[6] 侯国屏, 王珅, 叶齐鑫. LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计[M]. 北京: 清华大学出版社, 2005: 4-6

[7] 锡辉, 张银鸿. LabVIEW_8.20程序设计从入门到精[M]. 北京: 清华大学出版社, 2007: 2-6

[8] 刘胜, 张兰勇, 章佳荣, 等. LabVIEW2009程序设计[M]. 北京: 电子工业出版社, 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

邓佳欣, 孟立飞, 肖琦, 等. 基于LabVIEW的航天器磁试验测控系统设计及应用[J]. 航天器环境工程, 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

（编辑：许京媛）

邓佳欣（1984—）女，硕士学位，从事空间磁试验研究。E-mail: djx1002@163.com。