Μοντελοποίηση ηλεκτρομαγνητικών εκπομπών διατάξεων για διαστημικές εφαρμογές

Abstract

The subject of the thesis is the study and modelling of electromagnetic radiated emissions of equipment units and devices for use in systems for in satellite and space applications.In the thesis, the electromagnetic cleanliness issue is briefly presented and discussed along with the great importance it has, especially for scientific missions aiming to carrymeasurements far away from Earth. Afterwards, a methodology is proposed to achieve joint electric and magnetic cleanliness based on typical unit-level models of devicesextracted during testing and measurement phases. The proposed methodology achieves defining the optimal placement of the devices in order for the system to create simultaneously minimum electric and magnetic field at the selected locations for the sensitive sensors and various missions’ instruments. Finally, the aforementioned methodology is expanded in order to include the electrical interaction of the devices, due to their placement in a system formation inside the spacecraft hull.Chapter 1 presents an introduction in the concept of electromagnetic cleanliness and the main, up to date, techniques used to achieve it by the global engineering community.Electromagnetic cleanliness is a standard part of electromagnetic compatibility (EMC) but is of primary interest in the scientific community actively engaged in science missions dueto their nature, so it is mainly associated with them. Missions combine demands for high measurement sensitivity and zero error tolerance since once they are launched, it isimpossible to return back to earth for corrective measures. A major consideration is also the mission cost and timeframe. So, a great deal of effort is invested in the designing andimplementation phases of the system, as well as cost through constant testing, to satisfy very strict electromagnetic cleanliness requirements. Thus, the importance of achieving,with great accuracy, appropriate electromagnetic conditions near the sensors and important equipment units from the spacecraft system itself, is highlighted.In Chapter 2, a methodology based on a heuristic algorithm, specifically Differential Evolution (DE), is presented. The methodology is employed to extract the optimal unitallocation, placement and orientation, for the system devices of a simulated mission. In order to apply the methodology, the devices have to be measured and modelled in unitlevel, i.e. the corresponding electric and magnetic dipole moments, describing the electromagnetic behavior of the devices, along with the position of corresponding dipoles expressed in the device coordinate system have to be known. The proposed methodology aims to jointly minimize the electric and magnetic field at distinct, for each field, locations where highly mission related sensors are to be placed. It is shown that given the electric and magnetic device models the amplitudes of the fields produced by the device system (system-level) can be minimized at the selected locations of interest. Also, the methodology’s capability to support various conditions, limitations and rules for the devices placement according to mission requirements is highlighted.In Chapter 3, the methodology of the previous chapter is expanded in order to find the optimal placement of a simulated mission’s units aiming to minimize the electric fieldproduced at the location of sensitive electric field sensor. In order to use the methodology, the unit-level electric models of the units are prerequisites. The methodology of thischapter differentiates from the one in the previous chapter with the introduction and inclusion of the unit interaction in the total electric field calculation at the sensor location.Firstly, the need to include the interaction in the total field, as well as a means to calculate it, is discussed and then the details of the methodology for the unit placementoptimization, based on this interaction, are presented. It is demonstrated that the methodology, given the devices unit-models, can minimize the total electric field at thesensor location with proper unit relocation.Chapter 4 discusses briefly the next steps of future work in this research field.

Αντικείμενο της παρούσας διατριβής αποτελεί η μελέτη και η μοντελοποίηση της εκπεμπόμενης ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας συσκευών εξοπλισμού για χρήση σεεφαρμογές συστημάτων δορυφορικών και διαστημικών αποστολών. Στο πλαίσιο της διατριβής, αρχικά περιγράφεται συνοπτικά το πρόβλημα της ηλεκτρομαγνητικής καθαρότητας και η μεγάλη σημασία που παρουσιάζει ιδιαίτερα για τιςεπιστημονικές αποστολές που εκτελούν μετρήσεις σε τεράστιες αποστάσεις από την Γη. Στη συνέχεια παρουσιάζεται μια μεθοδολογία για την επίτευξη συνδυαστικής ηλεκτρικήςκαι μαγνητικής καθαρότητας βασισμένη στα συνήθη μοντέλα που εξάγονται κατά την φάση μετρήσεων και χαρακτηρισμού των συσκευών σε επίπεδο μονάδας. Η προτεινόμενημεθοδολογία επιτυγχάνει να καθορίσει την βέλτιστη χωροθέτηση των συσκευών ώστε το σύστημα των συσκευών να δημιουργεί ταυτόχρονα ελάχιστο ηλεκτρικό και μαγνητικόπεδίο στις επιλεγμένες θέσεις για τους υπεραισθητούς αισθητήρες και όργανα της αποστολής. Τέλος, η παραπάνω μεθοδολογία επεκτείνεται ώστε να συμπεριλάβει και τηνηλεκτρική αλληλεπίδραση των συσκευών κατά τη τοποθέτησή τους σε σύστημα εντός της ατράκτου μιας αποστολής.Στο Κεφάλαιο 1 της διατριβής παρουσιάζεται μια εισαγωγή στην έννοια της ηλεκτρομαγνητικής καθαρότητας και τις κυριότερες, έως σήμερα, τεχνικές επίτευξής της από τη παγκόσμια κοινότητα μηχανικών. Η ηλεκτρομαγνητική καθαρότητα αποτελεί τμήμα της κλάδου της ηλεκτρομαγνητικής συμβατότητας (EMC) αλλά παίζει ιδιαίτερο ρόλο στην επιστημονική κοινότητα που δραστηριοποιείται στις διαστημικές αποστολές λόγω της φύσεως τους και γι’ αυτό έχει συνδυασθεί ως έννοια με αυτές. Οι αποστολές συνδυάζουν απαιτήσεις για υψηλή ευαισθησία στις μετρήσεις και μηδενικό περιθώριο για λάθη μιας και οι αποστολές δεν δύνανται να επιστρέψουν για διορθωτικές δράσεις αφότου εκτοξευθούν. Σημαντικό παράγοντα επίσης διαδραματίζει το κόστος των αποστολών. Έτσι κατά τις φάσεις του σχεδιασμού και της υλοποίησης του συστήματος καταβάλλεται σημαντική προσπάθεια, αλλά και κόστος μέσω συνεχών δοκιμών, ναεπιτευχθούν ιδιαίτερα αυστηρές προδιαγραφές ηλεκτρομαγνητικής καθαρότητας. Έτσι λοιπόν, γίνεται ξεκάθαρη η σημασία της δυνατότητας επίτευξης με ακρίβεια κατάλληλωνηλεκτρομαγνητικών συνθήκων από το ίδιο το σύστημα για την υλοποίηση της αποστολής.Στο Κεφάλαιο 2 παρουσιάζεται μια μεθοδολογία βασισμένη σε έναν ευρεστικό αλγόριθμο, συγκεκριμένα τη διαφορική εξέλιξη (DE), για την ανεύρεση της βέλτιστης χωροθέτησης, δηλαδή τη θέση και τον προσανατολισμό, των συσκευών (DUT) του συστήματος μιας προσομοιωμένης αποστολής. Για να χρησιμοποιηθεί η μεθοδολογία απαιτείται οι συσκευές να έχουν πρότερα χαρακτηριστεί και μοντελοποιηθεί σε επίπεδο μονάδας εξοπλισμού (unit-level) ώστε να είναι γνωστή η ηλεκτρική και μαγνητική ροπή, οι οποίες περιγράφουν την ηλεκτρομαγνητική συμπεριφορά της συσκευής σε συνδυασμό με τη θέση των αντίστοιχων διπόλων στο σύστημα συντεταγμένων της συσκευής. Η προτεινόμενη μέθοδος αποσκοπεί στην συνδυαστική ελαχιστοποίηση του ηλεκτρικού και μαγνητικού πεδίου σε διαφορετικές για το κάθε πεδίο θέσεις, στις οποίες πρόκειται να τοποθετηθούν αισθητήρες υψηλής ευαισθησίας. Αποδεικνύεται ότι, με δεδομένα το ηλεκτρικό και μαγνητικό μοντέλο των συσκευών, τα πλάτη των πεδίων που παράγονται από το σύστημα των συσκευών (system-level) μπορούν να ελαχιστοποιηθούν στιςπροεπιλεγμένες και διαφορετικές περιοχές ενδιαφέροντος που θα τοποθετηθούν οι αισθητήρες. Επίσης, καταδεικνύεται η δυνατότητα της μεθόδου να υποστηρίξει διαφορετικές συνθήκες στις θέσεις των συσκευών ώστε να υποστηρίξει δυνητικούς περιορισμούς που μπορεί να υπάρχουν σε κάποια αποστολή.Στο Κεφάλαιο 3 παρουσιάζεται μια επέκταση της μεθοδολογίας του προηγούμενου κεφαλαίου για την ανεύρεση της βέλτιστης χωροθέτησης των συσκευών του συστήματος μιας προσομοιωμένης αποστολής με σκοπό την ελαχιστοποίηση του ηλεκτρικού πεδίου που παράγεται από τις συσκευές στην θέση ενός ευαίσθητου στο συγκεκριμένο πεδίο ανιχνευτή. Για να χρησιμοποιηθεί η μεθοδολογία απαιτείται οι συσκευές να έχουν πρότερα χαρακτηριστεί και μοντελοποιηθεί σε επίπεδο μονάδας (unit-level) εξοπλισμού ώστε να είναι γνωστή η ηλεκτρική ροπή, η οποία περιγράφει την ηλεκτρική συμπεριφορά της συσκευής σε συνδυασμό με τη θέση των αντίστοιχων διπόλων στο σύστημα συντεταγμένων της συσκευής (DCS). Η ουσιαστική διαφοροποίηση της μεθοδολογίας του συγκεκριμένου κεφαλαίου είναι η εισαγωγή και ο συνυπολογισμός της αλληλεπίδρασης των συσκευών στον υπολογισμό του ολικού ηλεκτρικού πεδίου στην θέση του αισθητήρα. Αρχικά καταδεικνύεται η ανάγκη συνυπολογισμού αυτής της αλληλεπίδρασης των συσκευών στο ολικό πεδίο καθώς και ο τρόπος υπολογισμού της και στην συνέχειαπροτείνεται μια μεθοδολογία βελτιστοποίησης της χωροθέτησης των συσκευών βασισμένη σε αυτή την αλληλεπίδραση. Αποδεικνύεται ότι, με δεδομένα τα ηλεκτρικά μοντέλα των συσκευών, το πεδίο μπορεί να ελαχιστοποιηθεί στην επιλεγμένη θέση ενδιαφέροντος που θα τοποθετηθεί ο ανιχνευτής πεδίου.Στο Κεφάλαιο 4 γίνεται ανασκόπηση των αποτελεσμάτων της διατριβής και παρουσιάζονται βήματα για την επέκταση της ερευνητικής εργασίας.