СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРАВЛЕНИЯ ВЕКТОРА ИНДУКЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ В ИОНОСФЕРЕ ЗЕМЛИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2001 года по МПК G01V3/40 G01V3/16 G01R33/02 

Изобретение относится к области космической физики, в частности к способам и устройствам определения направления вектора индукции магнитного поля в ионосфере Земли.

Изобретение может быть использовано для определения магнитной ориентации космического аппарата (КА); в области геофизики для определения с высокой точностью в реальном масштабе времени магнитных компонент переменного электромагнитного поля в диапазоне сверхнизких частот с целью оперативного прогнозирования землетрясений, цунами и других катаклизмов естественного и искусственного происхождения.

Известен способ определения направления вектора индукции магнитного поля в ионосфере Земли, заключающийся в измерении в трех взаимно перпендикулярных измерительных катушках трех ЭДС ε_x,ε_y,ε_z, являющихся функциями трех компонент B_x, B_y, B_z, определяемого вектора В₀ индукции магнитного поля в ионосфере Земли ε_x= f₁(B_x),ε_y= f₂(B_y),ε_z= f₃(B_z), что позволяет судить о векторе В₀, а следовательно, и о его направлении ([1], стр. 55-56, рис. 2.7 в).

Недостатком способа является недостаточная точность определения направления вектора магнитной индукции магнитного поля из-за влияния на результаты измерения магнитных возмущений от приборов и систем КА, которые можно разделить на три категории:
элементы из магнитотвердых материалов;
элементы из магнитомягких материалов;
токовые контуры.

К первой категории этих источников относятся постоянные магниты поляризованных реле, магнитных замков, электродвигателей и прочих электромеханизмов, ферромагнитные элементы конструкции КА, и в особенности, магнитные системы электровакуумных СВЧ приборов, таких как, например, лампы бегущей волны, содержащие мощные постоянные магниты. Суммарный магнитный момент этих элементов и устройств сравнительно постоянен и может составлять величину от десятых долей А•м² до многих десятков А•м².

Второй тип источников магнитных возмущений включает элементы из магнитомягких материалов и их сплавов: железа, никеля, кобальта, сталей, пермаллоев, ферритов и т. п. Это - реле, сердечники трансформаторов, дросселей, магнитоприводы электромеханизмов и т. п. В отличие от элементов из магнитотвердых материалов элементы их магнитомягких материалов имеют, как правило, во много раз меньший магнитный момент, причем он не постоянен, зависит от режима функционирования и от внешнего магнитного поля Земли (МПЗ) и трудно предсказуем, причем таких элементов на борту КА обычно бывает много. Все это может внести достаточно сильные возмущения в управление КА.

Последним видом источников магнитных возмущений являются токовые контуры. Величина их магнитного момента, а следовательно, возмущающих полей зависит от их площади, величины тока и количества витков. Возмущающие эффекты токовых контуров трудно поддаются расчету ввиду сложности электрической схемы борта и ее режимов работы.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является способ определения направления вектора индукции магнитного поля в ионосфере Земли, в котором производят измерение компонент магнитного поля магнитометрическими датчиками (МД) и далее определяют направление вектора индукции магнитного поля, при этом осуществляют компенсацию вышеописанных магнитных возмущений от приборов и систем КА ([2], стр.74-79).

При этом используются несколько способов компенсации этих возмущений:
разнесение МД и источников помех;
соответствующая взаимная компоновка МД и источников помех;
компенсация помех.

Первые два способа тесно связаны друг с другом. Удаление МД от источников помех в пределах корпуса КА или вынесение за пределы корпуса хотя и является довольно эффективным средством уменьшения помех, но не всегда возможно по конструктивным и компоновочным соображениям. При вынесении МД за пределы корпуса КА их устанавливают на специальных выдвижных или откидных штангах, фермах и других трансформируемых конструкциях, например, панелях солнечных батарей. Использование в этих случаях дополнительных конструкций (штанг с механизмами выдвижения и фиксации, ферм и т.д.) приводит к заметному увеличению массы системы, в том числе и за счет усложнения кабельной сети, подводимой к датчикам.

При этом дополнительно возникает недостаток такой установки МД, связанный с тем, что существенно усложняется процесс юстировки МД осями чувствительности вдоль соответствующих строительных осей КА, так как имеет место сильное влияние различных видов деформаций этих конструкций на точность измерений.

Что касается компенсации созданного служебными системами магнитного поля, то она, как правило, обеспечивается установкой в районе МД небольших компенсирующих постоянных магнитов. Однако, в крупногабаритных КА (ОС "МИР", МКС) имеет место постоянное и существенное изменение возмущающих магнитное поле факторов, вследствие наличия большого количества токовых потребителей, а также их непрерывной замены в процессе достаточно длительного времени функционирования таких КА. Поэтому при магнитном поле Земли, меняющемся по орбите от ~ 0,3 Гс до ~ 0,5 Гс, возмущение, вносимое системами КА, не позволяет определить направление вектора индукции магнитного поля Земли (МПЗ), измеряемое МД, точнее, чем 2^o. Для высокоорбитальных систем точное определение направления вектора индукции МПЗ осложняется тем, что сама величина МПЗ оказывается существенно меньшей, чем для низкоорбитальных объектов, и получение точностей направления вектора в несколько градусов оказывается непростой задачей. Таким образом, прототип также не обладает достаточной точностью.

Известно устройство для определения направления вектора индукции магнитного поля в ионосфере Земли на основе трехкомпонентных феррозондов ([1], с. 54-56).

Недостатком таких устройств является низкая точность определения направления вектора индукции магнитного поля Земли ввиду того, что результаты измерения включают погрешность, связанную с наличием магнитных возмущений от приборов и систем КА, которую крайне трудно выделить.

Наиболее близким аналогом устройства является техническое решение, описанное в источнике ([2], с. 51-52), где используются магнитометрические датчики. Однако, несмотря на компенсацию погрешности измерений с помощью установки компенсирующих постоянных магнитов, точность всего устройства недостаточна, так как имеет место изменение возмущающих магнитное поле факторов вследствие наличия большого количества меняющихся в процессе полета КА токовых потребителей, изменение магнитных свойств источников магнитных полей в результате эффекта старения их от температурных изменений. Таким образом, устройство прототип имеет недостаточную точность.

Задачей изобретения является повышение точности определения направления вектора индукции магнитного поля в ионосфере Земли.

Существо предлагаемого способа определения заключается в том, что предварительно определяют в выбранной системе координат текущее значение вектора индукции магнитного поля в окрестности КА, определяют в выбранной системе координат положение единичного вектора , нормального к плоскости P, образованной пересекающимися под заданным углом Φ геометрическими осями определенных в заданной системе координат, двух инжекторов электронов, определяют угол β между вышеупомянутыми вектором и нормалью и при выполнении условий β≅β₀, либо 180^°-β≅β₀, где β₀ - угол, определяемый параметрами системы сканирования электронов, инжектируют два импульсных электронных пучка вышеупомянутыми инжекторами и с этого же момента времени осуществляют сканирование каждым пучком в плоскостях, проходящих через вектор соответственно через оси при этом фиксируют направления инжекции при которых достигаются максимумы интенсивности электронов на обоих детекторах, расположенных так, что геометрические оси инжекторов противоположны направлениям соответствующих геометрических осей входных окон детекторов по полученным значениям векторов определяют вектор дающий истинное направление вектора из выражения при этом направление вектора совпадает с направлением вектора , и с направлением вектора
Для решения поставленной задачи повышения точности определения направления вектора индукции магнитного поля в ионосфере Земли предлагается устройство для его реализации, включающее магнитометрический датчик, два инжектора электронов, два детектора электронов, две системы сканирования электронных пучков, два анализатора максимумов интенсивности детектируемых пучков электронов, две системы контроля инжектируемых электронных пучков, блок формирования команд на включение и выключение электронных систем, блок памяти, задающий в выбранной системе координат направление векторов и нормали к плоскости P, в которой располагаются геометрические оси инжекторов и детекторов электронов, блок определения угла β между векторами блок памяти угла β₀, определяемого параметрами системы, блок контроля работы блоков и систем, блок сравнения углов β и β₀, блок обработки, анализа информации и выдачи данных о направлении вектора при этом выходы блока формирования команд на включение и выключение электронных систем подключены ко входам двух инжекторов электронов, двух детекторов электронов, двух систем сканирования электронных пучков, двух анализаторов максимумов интенсивности детектируемых пучков электронов, двух систем контроля инжектируемых электронных пучков, выходы детекторов электронов подключены к соответствующим входам анализаторов максимумов интенсивности детектируемых пучков электронов, выходы которых подсоединены к соответствующим входам систем сканирования электронных пучков, выходы блока памяти, задающего в выбранной системе координат направление векторов и нормали к плоскости P, в которой располагаются геометрические оси инжекторов и детекторов электронов, и магнитометрического датчика подсоединены ко входам блока определения угла между векторами и выход которого, а также выход блока памяти угла β₀, определяемого параметрами системы, подсоединены ко входам блока сравнения углов β и β₀, при этом выход этого блока подключен ко входу блока формирования команд на включение и выключение электронных систем, выходы систем сканирования электронных пучков, а также блока памяти, задающего в выбранной системе координат направление векторов и нормали к плоскости P, в которой располагаются геометрические оси инжекторов и детекторов электронов, подсоединены ко входу блока обработки, анализа информации и выдачи данных о направлении вектора а выходы всех блоков и систем подсоединены ко входу блока контроля работы блоков и систем.

На орбите КА длина ларморовской окружности электронов в МПЗ с индукцией В₃ определяется выражением [3, стр.26, 27]:
(1)
где E₀ - энергия покоя электронов, E₀ = 0,51 мэВ;
С - скорость света в вакууме, С = 3•10⁸ м/с;
q - заряд электрона.

Приняв диаметр окна детектора Д = 4 см, угловая точность определения направления вектора индукции магнитного поля в ионосфере Земли для В₃=0,4 Гс (орбита ОС "Мир", Международной космической станции) оценивается следующей величиной:
0,8•10^-3рад ≈3' для Т_кин = 10 кэВ;
α ≈ 1′ для Т_кин= 100 кэВ.

Задаваясь угловой расходимостью пучка α ≈ 10^° для I = I А и α ≈ 1^° для I₀ = 1 мА и длительностью импульса τ_и≈ 1 мкс, определим ток и заряд, приходящий в окно детектора за время одного импульса:

q_дет= I_детτ_и.

Для I₀ = 1 А имеем: I_дет = 0,64 мА; q_дет = 0,64 нК;
Для I₀ = 1 мА имеем: I_дет = 64 мкА; q_дет = 0,064 нК.

Определим зависимость задаваемого угла β₀ от параметров системы и проверим техническую реализацию необходимой системы сканирования.

Пусть система сканирования состоит из двух пар плоскопараллельных пластин длиной L_x (вдоль оси X) и расстоянием между пластинами d (вдоль оси Y) и пусть между пластинами приложено напряжение U_y, создающее в промежутке между пластинами напряженность электрического поля , где V₀=V_x - скорость влета частиц в систему сканирования, выражающаяся через массу m_e и кинетическую энергию электронов T_кин выражением:

Очевидны следующие соотношения:
время τ пролета электрона системы сканирования:
(3)
E_y=U_y/d; (4)
(в предположении однородности электрического поля, что имеет место при L>>d);
ускорение a_y электронов в системе сканирования:
a_y=qE_y/m_e=qU_y/dm_e; (5)
составляющая скорости V_y электрона при вылете его из системы сканирования на основании (3) и (5):

тангенс максимального угла β₀ наклона вектора скорости электрона к оси X в точке вылета из системы сканирования (2) и (6):

Из (7) для U_yмакс имеем:

Отклонение на максимальный угол β₀ в выбранной системе сканирования возможно, если отклонение Δy электрона вдоль оси Y за время τ пролета не превышает d/2, то есть на основании (3), (7):

Итак: d > Ltgβ_0/(9)
Задавшись, например, L = 20 см для β₀₁= 5^° и β₀₂= 10^°, из (9) имеем:
итак выберем d₁ =2 см;
итак выберем d₂ =8 см.

Для максимального напряжения сканирования из (8) для T_кин = 10 кэВ получаем:


Для выбранных режимов работы τ_имп≈ 1 мкс техническая реализация системы сканирования на угол β₀₁= 5^° не представляет трудностей, для β₀₂= 10^° более сложна.

Минимальное значение угла Φ между осями двух инжекторов (а следовательно, между геометрическими осями входных окон детекторов) должно быть не меньше допустимого угла входа электронов в окно детектора.

Блок-схема устройства для осуществления способа определения направления вектора индукции магнитного поля в ионосфере Земли представлена на чертеже, где
1, 2 - инжекторы электронов (ИЭ1) и (ИЭ2);
3, 4 - детекторы электронов (ДЭ1) и (ДЭ2);
5, 6 - системы сканирования электронных пучков (ССЭП1) и (ССЭП2);
7, 8 - анализаторы максимумов интенсивности детектируемых пучков электронов (АМИДПЭ1) и (АМИДПЭ2);
9, 10 - система контроля инжектируемых электронных пучков (СКИЭП1) и (СКИЭП2);
11 - блок формирования команд на включение и выключение электронных систем (БФКВВЭС);
12 - блок памяти, задающий в выбранной системе координат направление векторов и нормали к плоскости P, в которой располагаются геометрические оси инжекторов и детекторов электронов (БПЗВ);
13 - блок определения в выбранной системе координат текущего значения вектора индукции магнитного поля в окрестности КА; (БОТЗВИМП);
14 - блок определения угла β между векторами (БОУ);
15 - блок памяти угла β₀, определяемого параметрами системы (БПУ);
16 - блок сравнения углов β и β₀, (БСУ);
17 - блок обработки, анализа информации и выдачи данных о направлении вектора (БОАИВД);
18 - блок контроля работы блоков и систем (БКРБС).

Выходы БФКВВЭС (11) подключены ко входам ИЭ1 (1), ИЭ2 (2), ДЭ1 (3), ДЭ2 (4), ССЭП1 (5), ССЭП2 (6), АМИДПЭ1 (7), АМИДПЭ2 (8), СКИЭП1 (9), СКИЭП2 (10); выходы ДЭ1 (3) и ДЭ2 (4) подключены соответственно ко входам АМИДПЭ1 (7) и АМИДПЭ2 (8), выходы которых соответственно подключены ко входам ССЭП1 (5) и ССЭП2 (6); ко входу БФКВВЭС (11) подключен выход БСУ (16) β,β₀, ко входам которого подключены выходы БПУ (15) β₀ и БОУ (14) β, ко входам которого подключены выходы БПУ (15) β₀ и МД (13); наконец, выходы ССЭП1 (5), ССЭП2 (6) и БПЗВ (12) подключены ко входам БОАИВД (17), и, наконец, выходы всех блоков и систем (1-17) подсоединены ко входу БКБРС (18).

Работа всего устройства для определения направления вектора индукции магнитного поля в ионосфере Земли осуществляется следующим образом. При выполнении условий β≅β₀, либо 180^°-β≅β₀, которое производится в БСУ (16) β,β₀ путем сравнения сигналов, приходящих в БСУ (16) β,β₀ от БПУ (15) β₀ и БОУ (14) β, где:
β - угол между предварительно определяемым в МД (13) вектором и находящимся в памяти БПЗВ (12) и вектором
β₀ - задаваемый угол, определяемый параметрами системы и находящийся в памяти БПУ (15) β₀.
В блок БФКВВЭС (11) из блока БСУ (6) β,β₀ подается сигнал на включение электронных систем, в результате чего инжектируют два импульсных электронных пучка инжекторами электронов ИЭ1 (1), ИЭ2 (2) и с этого же момента времени осуществляют сканирование системами ССЭП1 (5), ССЭП2 (6) каждым пучком в плоскостях, проходящих через вектор и соответственно через вектора при этом фиксируют те направления инжекции при которых достигаются максимумы интенсивности электронов, регистрируемых анализаторами АМИДПЭ1 (7), АМИДПЭ2 (8) на обоих детекторах ДЭ1 (3), ДЭ2 (4), и по полученным значениям векторов определяют вектор из выражения при этом направление вектора совпадает с направлением вектора , и с направлением вектора
В блок БОАИВД (17) приходит информация:
от блока БПЗВ (12) о направлении вектора относительно некоторых строительных осей КА;
от систем сканирования ССЭП1 (5), ССЭП2 (6) - о величинах напряжений сканирования электронных пучков, которые с учетом информации, полученной от блока БПЗВ (12) в блоке БОАИВД (17) пересчитываются в углы между вектором и строительными осями КА.

При отсутствии выполнения условий β≅β₀, либо 180^°-β≅β₀, проверяемого в БСУ (16) β,β₀ на основании сигналов, пришедших от БОУ (14) β, и БПУ (15) β₀, БСУ (16) β,β₀ дает сигнал в блок БФКВВЭС (11), который производит выключение всех электронных систем (1)-(10).

Для скорейшей реализации натурного эксперимента и подтверждения промышленной применимости и эффективности данного способа:
в качестве инжектора электронов может быть выбран используемый в настоящее время в рамках работ по ПИР "Кольцо" инжектор ионов дейтерия; для использования его как инжектора электронов необходимо провести переполюсовку анода и сетки; такие работы предполагается провести в 1999 году в рамках НИР "Кольцо";
в качестве детектора электронов могут быть использованы либо многосетчатый детектор, лабораторные испытания которого проводятся в настоящее время на стенде "Пламорс" в ЦНИИМАШ, либо импульсный трансформатор - тороидальный охватывающий определенную часть возвращающихся электронов соленоид; аналогичный импульсный трансформатор (с более грубой чувствительностью) может быть использован в качестве системы контроля инжектируемых электронных пучков;
в качестве системы сканирования может быть использована двухкоординатная система сканирования, применявшаяся ранее в лабораторном образце научной аппаратуры "Источник", разработанной в МИРЭА; в этом же лабораторном образце использована тороидальная система контроля инжектируемого электронного пучка;
аналог магнитометрического датчика в настоящее время используется в натурных исследованиях на ОС "МИР";
анализаторы максимумов интенсивности детектируемых пучков электронов, блок определения угла β между векторами блок памяти угла β₀, определяемого параметрами системы, блок сравнения углов β и β₀, блок формирования команд на включение и выключение электронных систем, блок памяти, задающий в выбранной системе координат направление векторов и нормали к плоскости P, в которой располагаются геометрические оси инжекторов и детекторов электронов и блок обработки, анализа информации и выдачи данных о направлении вектора а также блок контроля работы блоков и систем, могут быть созданы на основе стандартных схемотехнических решений и освоенных промышленностью цифровых и аналоговых микросхем.

Литература
1. Афанасьев Ю. В. "Феррозондовые приборы", г. Ленинград, Энергоатомиздат, Ленинградское отделение, 1986 г.

2. Коваленко А.П. "Магнитные системы управления космическими летательными аппаратами", М., Машиностроение, 1975 г.

3. Редерер X. "Динамика радиации, захваченной геомагнитным полем", М., "Мир", 1972 г.

Использование: для определения магнитной ориентации космического аппарата (КА), в области геофизики для определения с высокой точностью в реальном масштабе времени магнитных компонент переменного электромагнитного поля в диапазоне сверхнизких частот. Технический результат: повышение точности определения направления вектора индукции магнитного поля в ионосфере Земли. Сущность изобретения: предварительно определяют в выбранной системе координат текущее значение вектора индукции магнитного поля в окрестности КА. Определяют положение единичного вектора , нормального к плоскости Р, образованной пересекающимися под заданным углом Φ геометрическими осями двух инжекторов электронов. Определяют угол β между вышеупомянутыми вектором и нормалью и при выполнении условий β ≅ β_o, либо 180^°-β ≅ β_o, где β_o - задаваемый угол, определяемый параметрами системы, инжектируют два импульсных электронных пучка. С этого же момента времени осуществляют сканирование каждым пучком в плоскостях, проходящих через вектор и соответственно через оси при этом фиксируют направления инжекции при которых достигаются максимумы интенсивности электронов на обоих детекторах. По полученным значениям векторов определяют вектор из выражения при этом направление вектора совпадает с направлением вектора , и с направлением вектора если 180^°-β ≅ β_o. Устройство для реализации способа содержит магнитометрический датчик, два инжектора электронов, два детектора электронов, две системы сканирования электронных пучков, два анализатора максимумов интенсивности детектируемых пучков электронов, две системы контроля инжектируемых электронных пучков, блок формирования команд на включение и выключение электронных систем, блок памяти, задающий в выбранной системе координат направление векторов и нормали к плоскости Р, в которой располагаются геометрические оси инжекторов и детекторов электронов, блок определения угла β между векторами блок памяти угла β_o, блок контроля работы блоков и систем, блок сравнения углов β и β_o, блок обработки, анализа информации и выдачи данных о направлении вектора 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ определения направления вектора индукции магнитного поля в ионосфере Земли, включающий предварительное определение в выбранной системе координат текущего значения вектора индукции магнитного поля в окрестности КА, отличающийся тем, что определяют положение единичного вектора нормального к плоскости Р, образованной пересекающимися под заданным углом Φ геометрическими осями двух инжекторов электронов, определяют угол β между вышеупомянутыми вектором и нормалью и при выполнении условий β ≅ β_o, либо 180^°-β ≅ β_o, где β_o - угол, определяемый параметрами систем сканирования электронов, инжектируют два импульсных электронных пучка вышеупомянутыми инжекторами и с этого же момента времени осуществляют сканирование каждым пучком в плоскостях, проходящих через вектор и соответственно через оси при этом фиксируют направления инжекции при которых достигаются максимумы интенсивности электронов на обоих детекторах, расположенных так, что геометрические оси инжекторов противоположны направлениям соответствующих геометрических осей входных окон детекторов по полученным значениям векторов определяют вектор дающий истинное направление вектора из выражения при этом направление вектора совпадает с направлением вектора и с направлением вектора если 180^°-β ≅ β_o.
2. Устройство определения направления вектора индукции магнитного поля в ионосфере Земли, содержащее магнитометрический датчик, отличающееся тем, что в него введены два инжектора электронов, два детектора электронов, две системы сканирования электронных пучков, два анализатора максимумов интенсивности детектируемых пучков электронов, две системы контроля инжектируемых электронных пучков, блок формирования команд на включение и выключение электронных систем, блок памяти, задающий в выбранной системе координат направление векторов и нормали к плоскости Р, в которой располагаются геометрические оси инжекторов и детекторов электронов, блок определения угла β между векторами блок памяти угла β_o, определяемого параметрами системы сканирования электронов, блок контроля работы блоков и систем, входящих в устройство, блок сравнения углов β и β_o, блок обработки, анализа информации и выдачи данных о направлении вектора при этом выходы блока формирования команд на включение и выключение электронных систем подключены ко входам двух инжекторов электронов, двух детекторов электронов, двух систем сканирования электронных пучков, двух анализаторов максимумов интенсивности детектируемых пучков электронов, двух систем контроля инжектируемых электронных пучков, выходы детекторов электронов подключены к соответствующим входам анализаторов максимумов интенсивности детектируемых пучков электронов, выходы которых подсоединены к соответствующим входам систем сканирования электронных пучков, выходы блока памяти, задающего в выбранной системе координат направление векторов и нормали к плоскости Р, в которой располагаются геометические оси инжекторов и детекторов электронов, и магнитометрического датчика подсоединены ко входам блока определения угла β между векторами выход которого, а также выход блока памяти угла β_o, определяемого параметрами системы, подсоединены ко входам блока сравнения углов при этом выход этого блока подключен ко входу блока формирования команд на включение и выключение электронных систем, выходы систем сканирования электронных пучков, а также блока памяти, задающего в выбранной системе координат направление векторов и нормали к плоскости Р, в которой располагаются геометрические оси инжекторов и детекторов электронов, подсоединены ко входу блока обработки, анализа информации и выдачи данных о направлении вектора а выходы всех блоков и систем подсоединены ко входу блока контроля работы блоков и систем.