一种不借助零磁线圈的星载磁强计校准方法

吴卫权，陈 丽，孙晓春，王 浩，郑祥敏，王 韬，周雪琴

（上海卫星装备研究所，上海 200240）

0 引言

星载磁强计是装载在卫星上的向量型磁敏感器，其没有活动部件，不受视场范围限制，具有质量小、功耗低、使用寿命长的特点，既可作为有效载荷类仪器用于空间磁场探测（本文不涉及该类仪器讨论），又可作为低地球轨道卫星姿态控制系统的重要测量部件，用来测定卫星所处位置地磁场的大小和方向，以测得的数据信号与地磁场模型比对即可推算出卫星姿态信息。星载磁强计测量数据的正确与否是影响卫星在轨姿态运行控制的重要因素之一，直接影响卫星运行的可靠性。星载磁强计的输出包含3 个部分：卫星轨道位置上地磁场强度的真实值；卫星自身剩余磁场对磁强计的干扰值（也称常值偏置）；磁强计测量噪声（也称零偏）。在某些情况下，卫星姿态算法常把磁强计偏置（零偏+常值偏置）扩充为新的状态量来估计，因此必须确定和控制影响磁强计测量精度的偏置值。

为提高磁强计测量精度，减少姿态估算误差，磁强计研制完成后须在地面进行严格校准，以控制磁强计本身的零偏误差（由仪器量程、分辨率、稳定性等技术特性引起），验证其是否符合任务书提出的技术要求。

针对以往类似磁测仪器标定必须在零磁实验室条件下（或中、小型零磁线圈中）进行检测的技术条件限制和缺陷[1-2]，本文借助于高精度地面磁强计磁传感器及由螺线管、高精度电源、多层屏蔽筒构成的标准磁场发生装置，即时进行星载磁强计的比对校准试验。下文详细介绍校准装置技术要求和校准方法。

1 星载磁强计技术指标

低地球轨道（1000 km 以下）卫星所处地球磁场环境为[3]：当卫星星下点处于最高纬度时场强最大，在赤道附近场强较弱，|B|min=30 μT，|B|max=70 μT。星载磁强计的量程范围一般为0～±100 μT（覆盖地磁场范围），测量精度优于1%F.S.。

考虑到卫星姿态角速度阻尼的效率，如果星载磁强计的分辨率太低，一旦卫星姿态发生变化（旋转与非旋转）而磁强计读数没有响应，将影响卫星姿态控制的判断和实施；综合量程范围等因素，通常星载磁强计分辨率与稳定性指标应满足[4]：系统分辨率优于10 nT；系统稳定性优于10 nT/30 min。

2 星载磁强计校准装置

常规的星载磁强计主要由三分量磁传感器和电子线路盒两部分构成，结构上分为两者独立分体式或组合一体式。在星上，磁强计输出接口与卫星姿态控制系统相连，完成磁场数据采集、编码、通信交换等功能；地面校准试验时，磁强计机盒背面接口通过控制电缆与后端数据处理系统相连，对磁强计输出的数据进行采集控制、计算处理和判读。磁强计的校准项目通常包括量程、分辨率和稳定性，校准采样周期为1 min（针对量程、分辨率校准）或30 min（针对稳定性校准）。

2.1 校准装置组成

星载磁强计校准装置包含：1）高精度地面磁强计（由主机箱、高精度三分量磁传感器（见图1）和电缆等组成）；2）高精度地面磁强计后端数据处理系统（由计算机主机、显示器以及控制、检测软件等组成）；3）标准磁场发生装置（由多层屏蔽筒、螺线管、高精度电源和电缆等组成，见图2）。

图 1 高精度三分量磁传感器Fig. 1 High-precision three-component magnetic sensor

图 2 标准磁场发生装置Fig. 2 The standard magnetic field generator

2.2 校准装置技术指标要求[5]

校准装置的主要技术指标如下：

1）地面高精度磁强计：量程-100～100 μT，精度5‰F.S.，分辨率0.5 nT，噪声＜0.5 nT，稳定性±1 nT/24 h，传感器正交度误差＜0.15°，不确定度0.02%（k=2）；

2）多层屏蔽筒（由5 层坡莫合金制成）：内径240 mm，外径290 mm，长度550 mm；

3）螺线管：直径200 mm，长度500 mm；

4）高精度电源：分辨率10 fA/100 nV，不确定度优于0.02%

3 校准方法

3.1 量程、分辨率校准[6]

3.1.1 量程校准

量程校准步骤如下：

1）将高精度电源与标准螺线管、电缆搭接好，参见图2；沿地磁东西向放置多层屏蔽筒，螺线管插入屏蔽筒内，构成标准磁场发生装置。

2）如图3 所示，将高精度地面磁强计三分量磁传感器置于标准磁场发生装置中，并调整到螺线管中心位置；调节磁传感器转台水平度与角度，使磁传感器转台水平泡处于中心位置；调整磁传感器转台上的蜗杆，使磁传感器的x向（y、z向同理）沿地磁东西方向并与螺线管中轴一致，东向为正。

图 3 标准磁场基准源（线圈常数）校准装置Fig. 3 The equipment for reference source calibration of standard magnetic field

3）启动高精度地面磁强计及其后端数据处理系统（并系统归零）。

4）标准磁场发生装置施加电流Ii（i=1～9，为量程范围档数）；磁传感器以每档量程上限为基准采集得到标准磁场信号值Bi；Bi取±100、±50、±20、±10、±5、±2、±1、±0.5、±0.1 μT，获取每档量程的“准”螺线管线圈常数Ci，Ci=Bi/Ii。

5）如图4 所示，用星载磁强计更换高精度地面磁强计三分量磁传感器，并使其处于后者“准”相同位置上；调节星载磁强计角度与水平度，使其x轴（y、z轴同理）与螺线管中轴一致。

6）启动星载磁强计及其后端数据处理系统（并系统归零）；标准磁场发生装置根据螺线管线圈常数Ci值施加不同量程电流Ii；星载磁强计以每档的量程上限为基准读取不同磁场信号值di。

图 4 星载磁强计量程、分辨率校准装置Fig. 4 The equipment for range & resolution calibration for onboard magnetometer

3.1.2 分辨率校准

分辨率校准步骤如下：

1）同量程校准步骤1）；

2）按图4 所示，将星载磁强计置于螺旋管线圈中心位置上；

3）调节星载磁强计角度与水平度，使其x轴（y、z轴同理）与螺线管中轴一致；

4）启动星载磁强计及其后端数据处理系统，显示器显示采得的标准磁场数据，得到多层屏蔽筒内的背景场值（本底值），记录初始值；

5）以星载磁强计分辨率指标（10 nT）3 倍的场值为起始点、以螺线管线圈常数C9值为基准，设置高精度电源电流值I1，获取并观察星载磁强计后端数据处理系统获得的磁场信号值B1；

6）按星载磁强计分辨率指标2 倍的场值和C9设置高精度电源电流值I2，获取并观察星载磁强计后端数据处理系统获得的磁场信号值B2；

7）按星载磁强计分辨率指标1 倍的场值和C9设置高精度电源电流值I3，获取并观察星载磁强计后端数据处理系统获得的磁场信号值B3；

8）逐步减小Ii(i=4～n)值，获取并观察星载磁强计后端数据处理系统获得的磁场信号值Bi(i=4～n)，直至所获得的磁场信号值不再减小并保持恒定（与本底值一致、无变化）；

9）记录In-1时星载磁强计获得的磁场信号值Bn-1，其与本底值之差的绝对值

即为星载磁强计分辨率值。式中Q、R、S分别为x、y、z方向的磁场本底值。

3.2 稳定性校准

稳定性校准步骤如下：

1）如图5 所示，将星载磁强计放置于屏蔽筒中间；

图 5 星载磁强计稳定性校准装置Fig. 5 The equipment for stability calibration for onboard magnetometer

2）启动星载磁强计后端数据处理系统；

3.3 小结

综上，借助于高精度地面磁强计磁传感器以及由螺线管、高精度电源、多层屏蔽筒构成的标准磁场发生装置，以螺线管线圈常数Ci作为基准，通过细化和优化不同量程档次下的螺线管线圈常数Ci，修正和避免屏蔽筒对螺线管线圈常数标定产生的微弱偏差影响，可提高数据校准精确性，实现高精度地面磁强计和星载磁强计各参数之间的数据比对校准。

4 校准结果的合格性判定[7]

根据量程校准数据（表1）、分辨率校准数据（表2）和稳定性校准数据（表3），将测得的星载磁强计测量所得的各量程磁场数据、分辨率值和稳定性值分别与标准磁场值进行比对，并参照设计指标和不确定度评估值判定星载磁强计的各项技术指标是否合格。

表 1 量程校准数据Table 1 Data of calibration of range

表 2 分辨率校准数据Table 2 Data of calibration of resolution

表 3 稳定性校准数据Table 3 Data of calibration of stability

具体判定方式如下：

对于分辨率和稳定性值，若：[星载磁强计实测值±星载磁强计实测值×相对扩展不确定度]≤指标值，即为合格；

对于量程误差，若：{[|(星载磁强计实测值±星载磁强计实测值×相对扩展不确定度)-标准磁场值|/标准磁场值]×100%}≤指标值，即为合格。

5 不确定度评估

根据校准过程引入的各分量的标准不确定度与不确定度的传递关系，星载磁强计校准结果不确定度评估主要包括：由高精度地面磁强计测量重复性引入的测量不确定度分量u(S)评估；由高精度地面磁强计测量磁场引入的不确定度分量u(B)评估；由高精度电源电流测量引入的不确定度分量u(I)评估；由高精度电源稳定性引入的不确定度分量u(δI)评估；由高精度地面磁强计磁传感器磁轴对准引入的不确定度分量u(θ)评估；由工作区环境磁场噪声引入的不确定度分量u(δB)评估；合成标准不确定度评估；相对扩展不确定度评估[8]。

5.1 各分量标准不确定度评估分析

1）由高精度地面磁强计测量重复性引入的测量不确定度分量u(S)

测量重复性引入的测量不确定度分量用测量结果的实验标准差表示，即

式中：S(Bi)为多次测量结果的实验标准差；B为多次测量结果的平均值；n为重复测量次数，n≥6。根据经验，可设urel(S)=0.03%。

2）由高精度地面磁强计测量磁场引入的不确定度分量u(B)

假设经过校准的高精度地面磁强计按包含系数k=2 给出的相对扩展不确定度为0.05%，则由高精度地面磁强计引入的不确定度分量为urel(B)=0.05%/2=0.025%。

3）由高精度电源电流测量引入的不确定度分量u(I)

假设经过校准的高精度电源按包含系数k=2给出的相对扩展不确定度为0.02%，则由电流测量引入的不确定度分量为urel(I)=0.02%/2=0.01%。根据不确定度传递关系，urel(I)按二次叠加计算。

4）由高精度电源稳定性引入的不确定度分量u(δI)

5）由高精度地面磁强计磁传感器磁轴对准引入的不确定度分量u(θ)

根据经验，磁轴对准误差一般不超过1°，且服从均匀分布，则由磁轴对准引入的不确定度分量为urel(θ)=(1-cos 1°)/ 3=0.01%。

6）由工作区环境磁场噪声引入的不确定度分量u(δB)

磁传感器处于多层屏蔽筒内，故可视工作区环境磁场噪声为0 nT，即由环境磁场噪声引入的不确定度分量urel(δB)=0。

5.2 合成标准不确定度

各个不确定度分量独立不相关，考虑它们的影响度和影响次数后，被校准星载磁强计获取的场强值的相对合成标准不确定度为u=[urel(S)2+urel(B)2+2urel(I)2+2urel(δI)2+urel(θ)2+urel(δB)2]1/2=0.06%。

5.3 相对扩展不确定度

综上，取包含系数k=2，本文所述校准项目所有参数的校准结果不确定度为u=2×0.06%=0.12%。

6 结束语

用本文所述校准方法，可在任意地点（包括野外场所）、任意空间磁场环境条件、任意时间段对星载磁强计或类似体积大小的磁敏感设备进行校准和即时比对标定；校准设备维护简单，可避免以往类似磁测仪器检测校准时必须在零磁实验室条件下（或中、小型零磁线圈中）进行以及由保障设备——组合零磁线圈、恒流源、环境条件（温度、磁场波动）等干扰因素——产生的综合误差较大的技术缺陷；细化和优化了屏蔽筒方式下螺线管线圈常数的确定方法，提高了校准方法的精确性、灵活性、简便性和可操作性；改善了磁传感器、螺线管等产品在不同零磁线圈尺寸条件下被检测时各项参数传递误差大的问题。通过不确定度的评估，实现误差传递和校准数据合格及有效性的判定。

该校准方法已成功应用于航空航天领域磁性检测设备的标定试验，也可应用于船舶、海洋、地质等相关领域类似仪器设备的校准，具有较高的经济性和实用性。