Ανάπτυξη αλγορίθμων αξιολόγησης μαγνητικής συμπεριφοράς διαστημικού εξοπλισμού σε χαμηλές συχνότητες με έμφαση στα μεταβατικά φαινόμενα

Abstract

The present PhD thesis aims at the development of methods and techniques for the study and characterization of magnetic sources in order to achieve magnetic cleanliness in space missions. Specifically, special algorithms are developed for processing and modeling of the magnetic sources that are located inside the spacecraft employing near field magnetic measurements. The suggested techniques are evaluated via real measurements of spacecraft equipment. Finally, the predicted equivalent models are capable of reproducing the measured magnetic field and can be used in order to calculate the magnetic emission of each unit under test at specific points of interest of the spacecraft where magnetic cleanliness is required.Initially, in chapter 1, the terms of electromagnetic compatibility and magnetic cleanliness are analyzed and existing techniques for the study and modeling procedure of the magnetic sources are then presented. Subsequently, in chapter 2, the mathematical background that this analysis is based on is presented and the necessary physical laws and approximations are also included. In chapter 3, the generated magnetic force in space missions is analyzed. Firstly, this effect is theoretically thoroughly described and then several simulations are realized with virtual magnetic sources considering appropriate magnetic moments that correspond to basic scenarios. Moreover, in chapter 4, the magnetic signature of units at steady state operation mode is studied. Specifically, a methodology of processing and modeling of the generated magnetic field from near field magnetic measurements is presented, extending already existing and verified techniques. Finally, the suggested methodology is validated with real magnetic measurements of spacecraft equipment. In chapter 5, the magnetic signature of devices during its transient mode operation is examined. Initially, a suggested approach that aims at the estimation of an equivalent model is presented by determining the special characteristics of the transient phenomenon. In order to describe the transient effect two modeling procedures are proposed. The first approach is based on the estimation of a small number of pulses that can be used to represent the unit’s magnetic emissions. The second modeling procedure aims at the determination of a spectral bounds model that confines the measured magnetic field, thus providing an estimation of maximum possible magnetic emissions of the unit under examination. The effectiveness of both ways of modeling is confirmed via real magnetic measurements of spacecraft devices.Subsequently, chapter 6 discusses the induced magnetization of magnetic sources that occurs when an external magnetic field with predefined properties is applied. The methodology that presented in chapter 4 can be also implemented in the case of the induced magnetization in order to determine a dipole model suitable to describe the source’s magnetic behavior. Finally, in chapter 7, a method that takes into account the contribution of the ground plane that may be present during a unit’s magnetic field measurements at the low frequency spectrum is presented. For this purpose, the image theory is taken into consideration in the modeling procedure in order the determined dipole model to be dissociated from the measuring facility.

Σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη μεθόδων και τεχνικών που έχουν ως στόχο να μελετήσουν και να χαρακτηρίσουν μαγνητικές πηγές με στόχο την επίτευξη μαγνητικής καθαρότητας σε διαστημικές αποστολές. Συγκεκριμένα, αναπτύσσονται αλγόριθμοι για την μελέτη και μοντελοποίηση μαγνητικών πηγών που βρίσκονται εντός του διαστημοπλοίου χρησιμοποιώντας μετρήσεις κοντινού μαγνητικού πεδίου. Οι προτεινόμενες μέθοδοι επαληθεύονται με πραγματικές μετρήσεις από συσκευές που αποτελούν εξοπλισμό διαστημικών σκαφών. Τελικά, τα παραγόμενα ισοδύναμα μαγνητικά μοντέλα είναι ικανά να αναπαράγουν το μετρούμενο μαγνητικό πεδίο και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να υπολογιστούν οι μαγνητικές εκπομπές της εξεταζόμενης συσκευής στα σημεία ενδιαφέροντος του διαστημοπλοίου όπου απαιτείται μαγνητική καθαρότητα. Αρχικά, στο κεφάλαιο 1, αναλύονται οι έννοιες της ηλεκτρομαγνητικής συμβατότητας και της μαγνητικής καθαρότητας και στη συνέχεια παρουσιάζονται ήδη υπάρχουσες τεχνικές για τη μελέτη και μοντελοποίηση των μαγνητικών πηγών. Έπειτα, στο κεφάλαιο 2, παρατίθεται όλο το μαθηματικό υπόβαθρο πάνω στο οποίο στηρίζεται η παρούσα μελέτη και περιλαμβάνει τους απαραίτητους φυσικούς νόμους και προσεγγίσεις που χρησιμοποιούνται. Στο κεφάλαιο 3, παρουσιάζεται το φαινόμενο της μαγνητικής δύναμης που αναπτύσσεται στα πλαίσια διαστημικών αποστολών. Αφού περιγραφεί θεωρητικά πλήρως το φαινόμενο αυτό, πραγματοποιούνται προσομοιώσεις με εικονικές μαγνητικές πηγές θεωρώντας κατάλληλες μαγνητικές ροπές που αντιστοιχούν σε βασικά σενάρια. Στη συνέχεια, στο κεφάλαιο 4, εξετάζεται η μαγνητική υπογραφή των συσκευών σε κατάσταση συνεχούς λειτουργίας. Συγκεκριμένα, παρουσιάζεται μια μεθοδολογία επεξεργασίας του παραγόμενου μαγνητικού πεδίου και μοντελοποίησης του με βάση μετρήσεις μαγνητικών εκπομπών κοντινού πεδίου της συσκευής, επεκτείνοντας ήδη υπάρχουσες και επικυρωμένες τεχνικές. Στο τέλος, η προτεινόμενη μεθοδολογία εφαρμόζεται σε μαγνητικές μετρήσεις πραγματικού διαστημικού εξοπλισμού. Στο κεφάλαιο 5, μελετάται η μαγνητική συμπεριφορά συσκευών κατά τη μεταβατική τους λειτουργία. Αρχικά, παρουσιάζεται μια προτεινόμενη προσέγγιση που έχει ως στόχο την παραγωγή ενός ισοδύναμου μοντέλου για τον προσδιορισμό των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών των μεταβατικών φαινομένων. Για την περιγραφή ενός μεταβατικού φαινομένου χρησιμοποιούνται δύο τρόποι μοντελοποίησης. Ο ένας τρόπος βασίζεται στην πρόβλεψη ενός μοντέλου τραπεζοειδών παλμών ικανών να αναπαραστήσει τις μαγνητικές εκπομπές της συσκευής. Ο δεύτερος τρόπος στοχεύει στην εκτίμηση ενός μοντέλου φασματικών ορίων τα οποία περικλείουν το μετρούμενο μαγνητικό πεδίο, αποτελώντας έτσι μια εκτίμηση των μέγιστων μαγνητικών εκπομπών της εκάστοτε εξεταζόμενης συσκευής. Η αποτελεσματικότητα των δύο αυτών τρόπων μοντελοποίησης επιβεβαιώνεται με τη βοήθεια πραγματικών μετρήσεων συσκευών που χρησιμοποιούνται σε διαστημικές αποστολές. Ακολούθως, στο κεφάλαιο 6, εξετάζεται η επαγόμενη μαγνήτιση μαγνητικών πηγών όπως αυτή προκύπτει με την εφαρμογή γνωστού εξωτερικού μαγνητικού πεδίου. Η μεθοδολογία που παρουσιάστηκε στο κεφάλαιο 4 εφαρμόζεται και στην περίπτωση της επαγόμενης μαγνήτισης ώστε να προσδιοριστεί ένα μοντέλο κατάλληλο για να περιγράψει τη συμπεριφορά αυτή με τη χρήση μαγνητικών δίπολων. Τέλος, στο κεφάλαιο 7, παρουσιάζεται η μέθοδος μοντελοποίησης μαγνητικών πηγών η οποία λαμβάνει υπόψιν τη συνεισφορά του επιπέδου γείωσης που δύναται να είναι παρόν κατά τη διάρκεια των μαγνητικών μετρήσεων μιας συσκευής στο χαμηλό εύρος συχνοτήτων. Γι’ αυτόν τον σκοπό, ο αλγόριθμος μοντελοποίησης χρησιμοποιεί τη θεωρία των ειδώλων, ώστε το παραγόμενο μοντέλο δίπολων να είναι αποσυσχετισμένο από τη μετρητική διάταξη. Τελικά, η προτεινόμενη προσέγγιση εφαρμόζεται με επιτυχία σε μαγνητικές μετρήσεις πηγών με γνωστά χαρακτηριστικά.