Авторы
Эспиноза Валлес А.С.(1), Николаев П.Н.(1)
Организации
(1) Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева
Сессия
Космическое приборостроение и эксперимент
Форма представления
Устный
Научный руководитель
Николаев П.Н.
Место работы научного руководителя
Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева
Текст тезисов
Калибровка бортовых магнитометров на стенде полунатурного моделирования динамики углового движения наноспутника
В задаче управления космическими аппаратами важное место занимает определение их ориентации. В этих задачах, на протяжении многих лет использовалось большое многообразие измерительных приборов, среди которых выделяются магнитометрические, измеряющие компоненты магнитного поля Земли. В силу этого, возникает необходимость оценить направление и величину напряжённости магнитного поля с высокой точностью. Основная проблема любого датчика заключается в необходимости его предварительной калибровки. Например, большой вклад в погрешность измерений магнитометров вносит смещение нуля, связанное с технологией их изготовления и внешними магнитными возмущениями.
Для калибровки бортовых магнитометров в данной работе предлагается использовать стенд полунатурного моделирования движения наноспутников. На межвузовской кафедре космических исследований Самарского университета данный стенд применяется для отработки и тестирования создаваемых малогабаритных космических аппаратов. В состав стенда входят комплекс имитации магнитного поля (КИМП) Земли, воздушный подвес, имитатор звёздного неба и имитатор Солнца. КИМП включает три пары магнитных катушек, расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях. Катушки позволяют создать магнитное поле в центре стенда, соответствующее положению космического аппарата на орбите. Для измерения заданного магнитного поля стенд оснащается эталонным магнитометром. Величина и направление создаваемого поля изменяется за счёт изменения силы тока, подаваемого на катушки. Величина тока устанавливается с помощью программно-управляемого источников тока.
Для определения составляющих смещения нуля по трём осям задаётся постоянный по модулю профиль магнитного поля, направление которого меняется по окружности в горизонтальной плоскости. Так, составляющие задаваемого поля, лежащие в горизонтальной плоскости, имеют гармонический характер. В этом случае смещения нуля магнитометров по каждой из осей представляют собой отклонения наибольшего значения заданного профиля от наименьшего.
Проведена калибровка магнитометрических средств наноспутника SamSat-ION. Измерительные средства SamSat-ION включают в себя МЭМС-датчики MPU-9255, состоящие из трёхосевых гироскопов, трёхосевых акселерометров, трёхосевых магнитометров, и высокоточные трёхосевые магнитометры MMC5883. Наноспутник располагался в центральной части стенда на воздушном подвесе, так чтобы измерительные оси датчиков были параллельны основным осям стенда. Чтобы не брать в расчёт влияние опоры аэродинамического подвеса на измерения магнитометров, поле генерировалось только по горизонтальной плоскости, в плоскости X-Y наноспутника. Затем наноспутник переворачивался и эксперимент повторялся в плоскости X-Z. В ходе испытаний был получен набор измерений магнитного поля с привязкой ко времени, по которым были оценены смещения нуля компонент магнитного поля.
В работе предложен подход к калибровке магнитометров на стенде полунатурного моделирования динамики углового движения наноспутника. На основе предложенного подхода оценены смещения нуля МЭМС-магнитометров MPU-9255 и ММС5883 наноспутника SamSat-ION. Данный подход обеспечивает оценку вектора смещения нуля измерений магнитометров с погрешностью порядка 2 нТл.
Работа выполнена в рамках проекта 0777-2020-0018, финансируемого из средств государственного задания победителям конкурса научных лабораторий образовательных организаций высшего образования, подведомственных Минобрнауки России.
В задаче управления космическими аппаратами важное место занимает определение их ориентации. В этих задачах, на протяжении многих лет использовалось большое многообразие измерительных приборов, среди которых выделяются магнитометрические, измеряющие компоненты магнитного поля Земли. В силу этого, возникает необходимость оценить направление и величину напряжённости магнитного поля с высокой точностью. Основная проблема любого датчика заключается в необходимости его предварительной калибровки. Например, большой вклад в погрешность измерений магнитометров вносит смещение нуля, связанное с технологией их изготовления и внешними магнитными возмущениями.
Для калибровки бортовых магнитометров в данной работе предлагается использовать стенд полунатурного моделирования движения наноспутников. На межвузовской кафедре космических исследований Самарского университета данный стенд применяется для отработки и тестирования создаваемых малогабаритных космических аппаратов. В состав стенда входят комплекс имитации магнитного поля (КИМП) Земли, воздушный подвес, имитатор звёздного неба и имитатор Солнца. КИМП включает три пары магнитных катушек, расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях. Катушки позволяют создать магнитное поле в центре стенда, соответствующее положению космического аппарата на орбите. Для измерения заданного магнитного поля стенд оснащается эталонным магнитометром. Величина и направление создаваемого поля изменяется за счёт изменения силы тока, подаваемого на катушки. Величина тока устанавливается с помощью программно-управляемого источников тока.
Для определения составляющих смещения нуля по трём осям задаётся постоянный по модулю профиль магнитного поля, направление которого меняется по окружности в горизонтальной плоскости. Так, составляющие задаваемого поля, лежащие в горизонтальной плоскости, имеют гармонический характер. В этом случае смещения нуля магнитометров по каждой из осей представляют собой отклонения наибольшего значения заданного профиля от наименьшего.
Проведена калибровка магнитометрических средств наноспутника SamSat-ION. Измерительные средства SamSat-ION включают в себя МЭМС-датчики MPU-9255, состоящие из трёхосевых гироскопов, трёхосевых акселерометров, трёхосевых магнитометров, и высокоточные трёхосевые магнитометры MMC5883. Наноспутник располагался в центральной части стенда на воздушном подвесе, так чтобы измерительные оси датчиков были параллельны основным осям стенда. Чтобы не брать в расчёт влияние опоры аэродинамического подвеса на измерения магнитометров, поле генерировалось только по горизонтальной плоскости, в плоскости X-Y наноспутника. Затем наноспутник переворачивался и эксперимент повторялся в плоскости X-Z. В ходе испытаний был получен набор измерений магнитного поля с привязкой ко времени, по которым были оценены смещения нуля компонент магнитного поля.
В работе предложен подход к калибровке магнитометров на стенде полунатурного моделирования динамики углового движения наноспутника. На основе предложенного подхода оценены смещения нуля МЭМС-магнитометров MPU-9255 и ММС5883 наноспутника SamSat-ION. Данный подход обеспечивает оценку вектора смещения нуля измерений магнитометров с погрешностью порядка 2 нТл.
Работа выполнена в рамках проекта 0777-2020-0018, финансируемого из средств государственного задания победителям конкурса научных лабораторий образовательных организаций высшего образования, подведомственных Минобрнауки России.