Ανάπτυξη μεθόδων μέτρησης και ανάπτυξη αλγορίθμων μοντελοποίησης και ανάλυσης μαγνητικής συμπεριφοράς συσκευών για επίτευξη μαγνητικής καθαρότητας σε διαστημικές αποστολές

Abstract

The present PhD thesis aims at the development of stochastic algorithms for modeling and analyzing the magnetic behavior of equipment for magnetic cleanliness study in space missions. Additionally, several parameters of the magnetic field’s measuring procedure of Equipment under test (EUT) is studied, since the modeling of an EUT is based on the measured magnetic field it produces.At first, in chapter 1, the importance of the magnetic cleanliness in space missions is explained with reference to older space missions where it was attempted. Moreover, the procedure and the equipment that is been used for magnetic field measurements in certified facilities are presented along with the approach used for extracting models with equivalent magnetic behavior to the EUTs in a spacecraft.In chapter 2 the uncertainty in the measuring process is presented, analyzing its 2 types and the way to approach and calculate them with an indicative application of identifying uncertainty factors in the measuring process of a magnetic field in a certified facility.In chapter 3, the two stochastic optimization methods, PSO and GA, which are used in the present thesis for the development of the algorithms that will produce the equivalent models of EUTs by using the magnetic field measurements it produces, are presented.Chapter 4 presents the first stochastic algorithm, based on PSO, for modeling EUT. In this chapter the problem and the approach this thesis follows are described and the results that are produced for simulated EUTs are presented, confirming the algorithms performance.Afterwards, in chapters 5 and 6, two algorithms are developed, based on the approach in chapter 4, that are focused on a calibration method for magnetic field’s measuring facilities and on the modeling of EUT using simultaneously a dipole and a quadrupole to comprise the model respectively. Their performance is confirmed from the results that are produced and also presented in the chapter.Chapter 7 includes the second stochastic algorithm for modeling magnetic fields, in which the number of variables, to be determined for the model, is reduced. Thisalgorithm has been developed with GA, initially, and then with PSO and both implementations have similar performance on simulated EUTs with accurate results. Additionally in this chapter, using the aforementioned algorithm, four multi-magnetometer setups are studied in order to propose a more capable setup in obtaining a more “complete” magnetic signature of EUTs for the modeling.Finally, in chapter 8, the algorithms presented in chapters 4 and 7 are tested with real EUTs’ magnetic fields’ measurements and from the produced results their performance is, again, confirmed while, chapter 9 consists of the thesis conclusion and future work.

Σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη στοχαστικών αλγορίθμων μοντελοποίησης και ανάλυσης μαγνητικής συμπεριφοράς συσκευών με χρήση σε μελέτες μαγνητικής καθαρότητας σε διαστημικές αποστολές. Επιπλέον, γίνεται μελέτη παραμέτρων σχετικά με τη διαδικασία της μέτρησης του μαγνητικού πεδίου της συσκευής προς μοντελοποίηση (EUT), αφού από το μετρούμενο μαγνητικό πεδίο θα προκύψουν τα ισοδύναμα μοντέλα των συσκευών.Αρχικά, στο κεφάλαιο 1, περιγράφεται η σημασία της μαγνητικής καθαρότητας στις διαστημικές αποστολές με αναφορά σε διαστημικές αποστολές του παρελθόντος όπου έγιναν προσπάθειες να επιτευχτεί. Επιπλέον παρουσιάζονται η διαδικασία και ο εξοπλισμός που χρησιμοποιείται για τη μέτρηση του μαγνητικού πεδίου σε πιστοποιημένες εγκαταστάσεις καθώς και η προσέγγιση που χρησιμοποιείται για την δημιουργία μοντέλων με ισοδύναμη μαγνητική συμπεριφορά με τον εξοπλισμό των διαστημικών αποστολών.Στο κεφάλαιο 2 αναπτύσσεται η αβεβαιότητα στην διαδικασία μετρήσεων αναλύοντας τα είδη αβεβαιότητας και τον τρόπο προσέγγισης και υπολογισμού με ενδεικτική εφαρμογή αναγνώρισης παραγόντων αβεβαιότητας στην διαδικασία μέτρησης μαγνητικού πεδίου σε μία πιστοποιημένη εγκατάσταση.Στο κεφάλαιο 3 παρουσιάζονται οι δύο κατηγορίες στοχαστικών μεθόδων βελτιστοποίησης, PSO και GA, που θα χρησιμοποιηθούν στην παρούσα διατριβή για τη δημιουργία των αλγορίθμων που θα παράγουν τα ισοδύναμα μοντέλα του εξοπλισμού από μετρήσεις του κοντινού μαγνητικού πεδίου που παράγει.Στη συνέχεια, στο κεφάλαιο 4 παρουσιάζεται ο πρώτος στοχαστικός αλγόριθμος, που βασίζεται στην PSO, για δημιουργία μοντέλων με ισοδύναμη μαγνητική συμπεριφορά με ένα EUT. Στο κεφάλαιο αυτό αναπτύσσονται το πρόβλημα, ο τρόπος προσέγγισης του αλγορίθμου και παρουσιάζονται τα αποτελέσματα που παρήγαγε ο αλγόριθμος με προσομοιωμένα EUT, επιβεβαιώνοντας την αποδοτικότητα του αλγορίθμου.Ακολούθως, στα κεφάλαια 5 και 6 αναπτύσσονται δύο αλγόριθμοι, βασιζόμενοι στην προσέγγιση του κεφαλαίου 4, επικεντρωμένοι σε μεθοδολογία βαθμονόμησης (calibration) εγκαταστάσεων μέτρησης μαγνητικού πεδίου και σε δημιουργίαμοντέλου με ταυτόχρονη ύπαρξη διπόλου και τετραπόλου ενός EUT αντίστοιχα. Από τα αποτελέσματα των αλγορίθμων, επίσης, επιβεβαιώνεται η αποδοτικότητα τους.Το κεφάλαιο 7 περιλαμβάνει τον δεύτερο στοχαστικό αλγόριθμο για μοντελοποίηση μαγνητικών πεδίων, με τον οποίο γίνεται μείωση του αριθμού των μεταβλητών προς υπολογισμό για την παραγωγή του μοντέλου. Ο αλγόριθμος αυτός έχει υλοποιηθεί και με PSO και με GA με αντίστοιχη αποδοτικότητα που επιβεβαιώνεται από τα αποτελέσματα σε προσομοιωμένα EUT. Επιπλέον, με χρήση του αλγορίθμου αυτού, γίνεται μελέτη διατάξεων τοποθέτησης μαγνητομέτρων με σκοπό την πληρέστερη λήψη του μαγνητικού πεδίου ενός EUT δοκιμάζοντας 4 διαφορετικές διατάξεις και αξιολογώντας την ακρίβεια τους στη μοντελοποίηση ενός EUT.Τέλος, στο κεφάλαιο 8, οι αλγόριθμοι των κεφαλαίων 4 και 7 δοκιμάζονται σε πραγματικές μετρήσεις μαγνητικών πεδίων από EUT και παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της μοντελοποίησης, επιβεβαιώνοντας εκ νέου την ικανότητα τους στην λύση του προβλήματος, ενώ στο κεφάλαιο 9 παρουσιάζονται τα συμπεράσματα της διατριβής και τις μελλοντικές εργασίες.