Ανάπτυξη μεθόδων μαγνητικής καθαρότητας σε διαστημικές αποστολές για στατικά και χαμηλής συχνότητας μαγνητικά πεδία

Abstract

In the present PhD thesis, specific issues in the scientific field of electromagnetic compatibility and electromagnetic interference are identified and investigated. In particular, the aim is to develop various methods and techniques for achieving magnetic cleanliness in space missions that involve units or instruments susceptible to magnetic fields. For this purpose, methods are envisaged and developed for predicting multiple magnetic dipoles based on near field measurements of the magnetic signature of a unit under test. The methods are verified and validated both via simulated and real measurements by employing sources with well-known magnetic behavior. The focus of this analysis is to produce equivalent magnetic models for all subsystems of the spacecraft and estimate the distributed magnetic dipoles and quadrupoles that may represent the magnetic signature of the original unit or equipment. Initially, existing methods of prediction of magnetic sources from near field measurements are described, as well as the sensitive equipment (magnetometers), the magnetic facilities and the test measurement methodology used to conduct these measurements on ground are presented and discussed. Moreover, the basic principles of electromagnetism and the mathematical background supporting this analysis are analyzed, identifying possible assumptions, limitations and approximations in the modeling approach of potential magnetic sources with multiple magnetic dipoles. The dependence of the generated magnetic field on the parameters of the magnetic loops placed within a unit is extensively covered. In Chapter 3, the Particle Swarm Optimization stochastic method is presented and its implementation on the problem of multiple magnetic dipoles prediction from near field magnetic measurements is described. The study of the various multi-magnetometer configurations that obtain a snap-shot of the magnetic signature of a test equipment is conducted and presented in Chapter 4. The study includes the optimization of the number of magnetometers, as well as the location of these sensors around the equipment under test in order to increase the reproducibility of the test results of the prediction and reduce uncertainty due to environmental changes during the measurement process, thus significantly enhancing the accuracy of measurements and estimated models. In Chapter 5, the construction of an innovative Multi Magnetometer Facility consisting of 12 Fluxgate magnetometers, based on the above study, is verified by real measurements test results from sources with known magnetic behavior. In Chapter 6, an efficient method for accurately predicting the magnetic behavior of a device at remote extrapolation points is presented, preventing the over-estimation or under-estimation of the magnetic field at the location of the magnetometers and allowing the determination of magnetically clean points near the spacecraft where the sensitive measuring equipment may be safely installed. This technique is very useful for accurately predicting the magnetic signature of complex devices composed of multiple magnetic sources. Finally, in Chapter 7 standard techniques for DC magnetic cleanliness are extended to meet requirements slowly time varying magnetic fields at unit and system level. Additionally, in Chapter 8 the method is validated via real measurements of a dipole source with well-known magnetic behavior, i.e. a current-fed coil.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή, προσδιορίζονται και διερευνώνται ειδικά θέματα στο πλαίσιο των εφαρμογών της ηλεκτρομαγνητικής συμβατότητας και παρεμβολής. Συγκεκριμένα, ο στόχος είναι η ανάπτυξη διαφόρων μεθόδων και τεχνικών για την επίτευξη μαγνητικής καθαρότητας σε διαστημικές αποστολές που περιλαμβάνουν μονάδες ή όργανα ευαίσθητα σε μαγνητικά πεδία. Για το σκοπό αυτό, μελετώνται και αναπτύσσονται μέθοδοι για την πρόβλεψη πολλαπλών μαγνητικών διπόλων από μετρήσεις του μαγνητικού πεδίου μιας συσκευής υπό εξέταση. Οι μέθοδοι επαληθεύονται και επιβεβαιώνονται με προσομοιωμένες και πραγματικές μετρήσεις από πηγές με γνωστή μαγνητική συμπεριφορά. Ο σκοπός της ανάλυσης αυτής είναι η παραγωγή ισοδύναμων μαγνητικών μοντέλων για όλα τα υποσυστήματα του διαστημικού οχήματος και η εκτίμηση των κατανεμημένων μαγνητικών διπόλων και τετραπόλων που αντιπροσωπεύουν το μακρινό μαγνητικό τους πεδίο. Αρχικά, δίνεται μια εισαγωγή στην έννοια της μαγνητικής καθαρότητας, εστιάζοντας σε υπάρχουσες σύγχρονες μεθόδους πρόβλεψης μαγνητικών πηγών από μετρήσεις κοντινού πεδίου καθώς και στον εξοπλισμό, στις εγκαταστάσεις και στη μεθοδολογία που χρησιμοποιούνται για την διεξαγωγή των μαγνητικών μετρήσεων πάνω στη Γη. Έπειτα, περιγράφονται οι βασικές αρχές ηλεκτρομαγνητισμού και το μαθηματικό υπόβαθρο που στηρίζει την παρούσα ανάλυση, προσδιορίζοντας τους περιορισμούς στην προσέγγιση των πιθανών μαγνητικών πηγών με πολλαπλά μαγνητικά δίπολα. Η εξάρτηση του παραγόμενου μαγνητικού πεδίου από τις παραμέτρους των μαγνητικών βρόχων που είναι τοποθετημένοι μέσα σε μια συσκευή μελετάται εκτενώς. Στο κεφάλαιο 3 περιγράφεται η στοχαστική μέθοδος βελτιστοποίησης σμήνους σωματιδίων (PSO) και η εφαρμογή της στο πρόβλημα πρόβλεψης πολλαπλών μαγνητικών διπόλων από μετρήσεις σταθερού μαγνητικού πεδίου. Η μελέτη διαφόρων διατάξεων μέτρησης πολλαπλών μαγνητομέτρων για τη λήψη ενός στιγμιότυπου της μαγνητικής υπογραφής μιας συσκευής υπό εξέταση διεξάγεται και παρουσιάζεται στο κεφάλαιο 4. Η μελέτη περιλαμβάνει τη βελτιστοποίηση του αριθμού των μαγνητομέτρων, καθώς και των θέσεων των αισθητήρων γύρω από τη συσκευή, προκειμένου να αυξηθεί η επαναληψιμότητα των αποτελεσμάτων πρόβλεψης και να εξαλειφθεί η αβεβαιότητα των περιβαλλοντικών μεταβολών κατά τη διάρκεια της διαδικασίας μέτρησης, ενισχύοντας έτσι σημαντικά την ακρίβεια των μετρήσεων και των εκτιμώμενων μοντέλων. Στο κεφάλαιο 5, η κατασκευή μιας πρωτοτύπης Εγκατάστασης Πολλαπλών Μαγνητομέτρων (Multi Magnetometer Facility) αποτελούμενης από 12 μαγνητόμετρα τύπου Fluxgate, η οποία βασίζεται στην παραπάνω μελέτη, επαληθεύεται με πραγματικές μετρήσεις από πηγές με γνωστή μαγνητική υπογραφή. Στο κεφάλαιο 6 παρουσιάζεται μια αποτελεσματική μέθοδος για την ακριβή πρόβλεψη της μαγνητικής συμπεριφοράς μιας συσκευής σε απομακρυσμένα σημεία, αποτρέποντας την υπερεκτίμηση ή υποεκτίμηση του μαγνητικού πεδίου στη θέση των μαγνητομέτρων και επιτρέποντας τον προσδιορισμό μαγνητικά καθαρών σημείων κοντά στο διαστημικό σκάφος, όπου ο ευαίσθητος εξοπλισμός μέτρησης μπορεί να τοποθετηθεί με ασφάλεια. Η τεχνική αυτή είναι πολύ χρήσιμη για την ακριβή πρόβλεψη της μαγνητικής υπογραφής σύνθετων συσκευών που αποτελούνται από πολλές μαγνητικές πηγές. Τέλος, στο κεφάλαιο 7 οι καθιερωμένες τεχνικές για τις μεθόδους μαγνητικής καθαρότητας σταθερών μαγνητικών πεδίων επεκτείνονται για να καλύψουν τις απαιτήσεις μαγνητικής καθαρότητας αργά μεταβαλλόμενων πεδίων σε επίπεδο μονάδας και συστήματος. Επιπροσθέτως, στο κεφάλαιο 8 η μέθοδος επαληθεύεται με πραγματικές μετρήσεις μιας χαμηλόσυχνης πηγής με γνωστή μαγνητική συμπεριφορά (πηνίο τροφοδοτούμενο από ρεύμα).