[发明专利]航天器磁性的仿真方法

摘要

本发明公开了一种磁性仿真方法，该方法包括获取航天器部组件的初始磁试验数据；构建航天器部组件的多偶极子模型；建立航天器部组件的磁试验仿真系统后台数据库；建立三维交互系统；航天器磁性的仿真等步骤。本发明方法中，多偶极子建模本身引入的误差小于5％，每组数据建模所需时间大约为0-1分钟左右，改进后的算法运算速度大大提高，满足了建模的时间要求。

主权项

1.一种航天器的磁性仿真方法，包括以下步骤：1)获取航天器部组件的初始磁试验数据将航天器部组件设置在磁试验平台中心上，磁试验平台外部设置有三台等间距直线排列的三分量磁通门磁强计探头，旋转磁试验平台，从0-360°每隔10°由三台三分量磁通门磁强计探头分别获取36组试验数据，每组包括9个数值，并由磁场数据采集系统记录磁试验数据；2)构建航天器部组件的多偶极子模型(a)根据磁场边值问题及其唯一性定理，设有一闭合面S将各磁源完全包于其内，称S为边界面，S之外的空间为场域。设U_m为标量磁位，如果在边界S上，U_m或U_m的法向导数是已知的，则场域中任意一点的U_m都是唯一存在的；(b)磁场边值问题的多磁偶极子模拟法：当试件为一个结构复杂的物体，它在周围空间产生的磁场不可能用一个简单的解析式去计算，但可以采用多磁偶极子模拟法作近似计算。设试件所在的空间内有m个磁偶极子，当这些模拟体的磁矩已知时，它们在空间产生的磁场是可以用解析式计算的；在试件周围选n个匹配点，在这些匹配点上测量试件磁场。设想这m个模拟体的磁矩存在着这样的一种组合：它们在所有匹配点上产生的磁场之和恰好等于试件的磁场，而匹配点上的磁场是可以测得的。据此可将这m个模拟体的磁矩计算出来，并认为在场域中的任何点上，m个模拟体的磁场之和都等于试件的磁场；(c)模型优化：记3m维向量M为m个磁源的未知磁矩，3m维向量r为磁源的未知位置，3n维向量B_c为理论计算磁场值，3n维向量B_t为n个测量点的磁场测量值。则按照磁性模型(M，r)，可以由下式计算理论磁场值：其中为3n×3m维矩阵，定义磁场计算值和测量值的方差函数：C(M，r)＝(B_t-B_c)^T(B_t-B_c)＝e^Te。其中，e＝B_t-B_c，模型参量M和r的优化值由函数C(M，r)的最小化原理确定；(d)磁矩优化根据最小化原理，要求解方程得到，这是一个线性方程，若已知，很容易求得优化磁矩M。(e)位置优化根据最小化原理，要求得到其中为3n×3m维Jacobi矩阵，分量表达形式为此为变量r的非线性方程组，得不到解析解，采用Newton迭代法求解数值近似解；对磁场计算值函数进行Taylor展开B‾c(r‾)=B‾c(r‾0)+A‾‾(r‾-r‾0)+Θ((r‾-r‾0)2)+···≈B‾c(r‾0)+A‾‾(r‾-r‾0)]]>，则可得到近似解并将r₁作为下一次迭代近似解，重新计算矩阵和r₂值，经多次迭代，最后得到一个对函数C收敛的r_N，即为方程的解；此迭代计算量很大，为减小计算次数，最直接的做法是将迭代中的矩阵用固定的代替，则可得到系数k可使用折半法或Fibonacci数列进行迭代选取，最后求得最优化位置；(f)重复迭代根据以上磁矩优化、位置优化的结果获得初步建模结果，若建模结果达到精度要求则得最终磁仿真模型；若精度未达到要求，则继续迭代过程，重复进行磁矩优化、位置优化的过程，直至建模结果达到精度要求，获得最终磁仿真模型；3)建立航天器部组件的磁试验仿真系统后台数据库磁试验仿真系统后台数据库采用Oracle 9i数据库管理系统构建，该数据库的存储信息包括：各部组件的初始磁试验数据；与之存在对应关联关系的相对于部组件本体坐标系的多偶极子模型数据；各部组件的位置信息(用相对于航天器的三维坐标系的位置坐标值加以表征)和方位信息(用相对于航天器的三维坐标系的角度坐标值表征)；4)建立三维交互系统利用EON ActiveX控件构建三维交互系统，EON ActiveX控件与磁试验仿真系统后台数据库的数据进行交互，后台数据库将其存储的相关数据传给EON ActiveX控件，并接收EON ActiveX控件中改变的数据信息，EON中的形状模型是由CAD或PRO/E中做好的模型导入的；EON ActiveX控件与数据库交互的数据包括步骤2)中构建的磁多偶极子模型数据；三维交互系统能够实现人机交互，接收输入系统对三维模型位置和方位信息的改变并能将改变进行三维实时显示，EON ActiveX控件与后台数据库交互的数据还包括三维模型位置和方位信息；5)航天器磁性的仿真根据从后台数据库中获得的航天器整体中各部组件相对于航天器本体坐标系的位置信息和方位信息，和部组件本体的多偶极子模型，利用航天器本体坐标系与部组件本体坐标系之间的转换关系得到所有部组件对应的多偶极子在航天器本体坐标系下的位置分布和方位分布，根据B＝GM公式得出航天器整体的磁场分布，B代表磁场强度、G是根据部组件多偶极子模型相对于航天器本体坐标系的坐标和所求磁场分布点的坐标得出的系数因子，M为部组件多偶极子模型的磁矩；同时将所有部组件的多偶极子模型的磁矩进行叠加，得出航天器整体的磁矩；根据上述磁场分布利用赤道作图法得出整体磁矩的大小和位置；利用步骤2)中的方法将航天器整体视为一个部件并结合其磁场分布构建多偶极子模型；利用上述航天器磁场、磁矩以及多偶极子模型信息获取航天器外任意点、任意面或任意区域内的磁场分布并以一维曲线、二维或三维磁场分布图的形式加以表示。