Μοντελοποίηση χαμηλόσυχνων ηλεκτρικών εκπομπών για διαστημικές αποστολές που απαιτούν ηλεκτρική καθαρότητα

Abstract

In the present PhD thesis, specific issues on the scientific field of electromagnetic cleanliness, electromagnetic interference and electromagnetic compatibility in a space equipment are identified and investigated. The aim is to develop methods and techniques for the characterization of electromagnetic behavior of a random space structure and achieving the maximum cleanliness conditions based on the current equipment. Space missions carry payload which consists of various scientific instruments in order to measure electromagnetic field and particle populations in space plasma. Such missions include instruments that are necessarily sensitive to magnetic and electric fields and set strict requirements on electromagnetic cleanliness and compatibility. Focusing on electrostatic cleanliness and LF electric cleanliness, the instruments are meant to measure slow time variant electric fields corresponding to frequencies below 200 kHz. Electric field variations show frequency dependence; thus these variations are useful to be characterized, measured and modelled. To manage this, the proposed methodology in chapter 2 describes the modeling using equivalent electric dipoles (Electric Dipole Modeling-EDΜ) for the EUT’s characterization. The modeling is validated both via simulated and real measurements by employing sources with well-known electromagnetic behavior. The main target is the extraction of dipole models for all the space subsystems and the correct extrapolation of the field in greater distances. Specifically, every source is represented by one electric dipole. In chapter 2, the basic principles of electromagnetism and the mathematical background supporting this analysis are analyzed, identifying possible assumptions, limitations and approximations in the modeling approach. Basically, the correlation of electric field with the quantities of electric moment and relative distance is demonstrated. Different measurement setups are elaborated for the electric field calculations in the various points to support the EDM methodology. Moreover, two optimization algorithms are proposed in order to solve the inverse problem which is the correct identification of the source that produces the electric field. The first one is the Particle Swarm Optimization (PSO) and the other one is the Differential Evolution Algorithm (DE). For every useful frequency component a different unique dipole is assigned. In the main part of the chapter, the results of the dipole modeling procedure are presented using different scenarios integrating real phenomena such as noise and uncertainty. Repeating the abovementioned process for the whole frequency range, a completed spectral model for each EUT is formed.In the third chapter, the EDM methodology is applied on real space equipment via measurements conducted from Thales Alenia in the context of THOR mission. More specifically, the models produced from the measurements based on the proposed methodology are compared with the real sources. Field comparison in greater distances is elaborated for validation purposes. In chapter 4 a study and evaluation about uncertainty factors is established in Multi Frequency Electric Dipole Modeling (MFEDM). Basic parameter in the methodology is the position accuracy of both EUT’s (and by extent the equivalent models) and measurement points. During the experiment all the moving parts of the setup may lead to untrustworthy models and altered electric field values in both measurement points and extrapolation distances. Using statistical distributions and other tools, the position errors are simulated to investigate how they affect the electric field values and afterwards the equivalent models. After extending simulations it is clearly indicated that even in the worst case scenario (maximum mismatch in position) either measuring instrument or source under test, the field is in good agreement in comparison with the field in the ideal case. In the last part of the thesis an effective methodology for a common electromagnetic problem is presented. This concern is the attainment of electromagnetic cleanliness in space or point inner and outer the space equipment and especially in the place where measuring sensor probes are located. The proposed methodology exploits the models from the MFEDM method and assures that with proper equipment ordinance, when necessary, the electromagnetic emissions are reduced significantly. For further improvement of electromagnetic conditions, an auxiliary source with known characteristics can be utilized. The algorithm uses heuristic procedures with successive iterations in order to find the optimum combination of the sources under the given equipment. There are specific and well defined criteria to decide whether the total field distribution is tolerable and ensures electromagnetic cleanliness or not. These criteria correlate the total field distribution with the contribution of each device separately. Depending on the kind of cleanliness (spatial or point) every case differs.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή εξετάζονται και διερευνώνται θέματα, που σχετίζονται με εφαρμογές ηλεκτρομαγνητικής καθαρότητας, συμβατότητας και ηλεκτρομαγνητικών παρεμβολών σε διαστημικό εξοπλισμό. Στόχος είναι η ανάπτυξη τεχνικών και μεθόδων για τον προσδιορισμό της ηλεκτρομαγνητικής συμπεριφοράς μιας τυχαίας διαστημικής δομής και την επίτευξη της μέγιστης δυνατής καθαρότητας με βάση τον υφιστάμενο διαστημικό εξοπλισμό. Οι διαστημικές αποστολές αποτελούνται από πληθώρα μετρητικών οργάνων. Οι διατάξεις αυτές είναι ευαίσθητες σε παρεμβολές ηλεκτρομαγνητικού πεδίου με αποτέλεσμα να απαιτείται η στάθμη του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου στα σημεία τοποθέτησης των οργάνων να είναι κάτω από ένα κατώφλι (ηλεκτρομαγνητική καθαρότητα). Το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο που παράγεται από τον εξοπλισμό του διαστημοπλοίου λειτουργεί σε μεγάλο εύρος συχνοτήτων, αλλά επειδή τα όργανα μέτρησης έχουν εύρος ζώνης 200-250 kΗz επιλέγεται η συγκεκριμένη περιοχή μελέτης για τον ανωτέρω εξοπλισμό. Οι μεταβολές του ηλεκτρικού πεδίου παρουσιάζουν εξάρτηση από τη συχνότητα, μεταβολές οι οποίες είναι χρήσιμο να χαρακτηριστούν, να μετρηθούν και να μοντελοποιηθούν. Για τον σκοπό αυτό, η μέθοδος που προτείνεται στο κεφάλαιο 2 περιλαμβάνει μοντελοποίηση με τη χρήση ισοδύναμων ηλεκτρικών διπόλων (Electric Dipole Modeling-EDM) για την περιγραφή των υπό μελέτη πηγών και επαληθεύεται με αποτελέσματα από πηγές με γνωστή ηλεκτρομαγνητική συμπεριφορά. Στόχος είναι η παραγωγή ισοδύναμων μοντέλων για όλα τα υποσυστήματα του αεροσκάφους και η εκτίμηση των εκπομπών τους στο μακρινό πεδίο. Πιο συγκεκριμένα, κάθε πηγή ηλεκτρικού πεδίου αναπαρίσταται με ένα ηλεκτρικό δίπολο. Στο κεφάλαιο 2 περιγράφεται το μαθηματικό υπόβαθρο που στηρίζει τη μεθοδολογία μαζί με τις εξισώσεις και τις ηλεκτρομαγνητικές σχέσεις που τη διέπουν. Πιο συγκεκριμένα, γίνεται η συσχέτιση του ηλεκτρικού πεδίου με τα μεγέθη της ροπής και της σχετικής απόστασης. Αναλύονται οι μετρητικές διατάξεις που χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό του ηλεκτρικού πεδίου στα διάφορα σημεία στον χώρο. Έπειτα, περιγράφονται οι στοχαστικές μέθοδοι βελτιστοποίησης σμήνους σωματιδίων (Particle Swarm Optimization-PSO) και διαφορικής εξέλιξης (Differential Evolution-DE) και η εφαρμογή που έχουν στη μεθοδολογία. Για κάθε χρήσιμη φασματική συνιστώσα παράγεται ένα διαφορετικό μοντέλο. Στο κύριο μέρος του κεφαλαίου 2 παρατίθενται τα βασικά αποτελέσματα της μοντελοποίησης με ισοδύναμα δίπολα χρησιμοποιώντας αρκετά σενάρια που προσεγγίζουν ρεαλιστικές συνθήκες, όπως θόρυβος και αβεβαιότητα. Επαναλαμβάνοντας τη διαδικασία για όλο το φασματικό περιεχόμενο του πεδίου διαμορφώνεται ένα ολοκληρωμένο μοντέλο για την υπό μελέτη συσκευή (Equipment Under Test -EUT). Στο κεφάλαιο 3 παρουσιάζεται η εφαρμογή της μεθοδολογίας σε πραγματικό διαστημικό εξοπλισμό μέσα από μετρήσεις που ήταν διαθέσιμες από την Thales Alenia στο πλαίσιο της διαστημική αποστολής THOR. Πιο συγκεκριμένα, τα μοντέλα που παράγονται από τις μετρήσεις αυτές με βάση την προτεινόμενη μεθοδολογία Multi Frequency Electric Dipole Modeling-MFEDM συγκρίνονται με τις πραγματικές συσκευές που έχουν γνωστή ηλεκτρομαγνητική συμπεριφορά και εξάγονται τα αντίστοιχα μοντέλα. Για επαλήθευση συγκρίνεται το πεδίο και σε απομακρυσμένες αποστάσεις. Στο κεφάλαιο 4 γίνεται μελέτη και αξιολόγηση της αβεβαιότητας στη μεθοδολογία MFEDM. Βασική παράμετρος στη μεθοδολογία είναι η ακρίβεια στη θέση τόσο των διαστημικών συσκευών (και κατ’ επέκταση των ισοδύναμων διπόλων) όσο και των σημείων μέτρησης. Κατά τη διάρκεια του πειράματος όλα τα κινούμενα στοιχεία της διάταξης μπορούν να οδηγήσουν σε λανθασμένα μοντέλα και σε μεταγενέστερο στάδιο σε διαφοροποιημένες τιμές πεδίου στα σημεία μέτρησης αλλά και στα σημεία παρέκτασης (extrapolation points). Με τη βοήθεια στατιστικών κατανομών και άλλων εργαλείων προσομοιώνεται το σφάλμα στη θέση και γίνεται έλεγχος κατά πόσο επηρεάζει την μέτρηση του πεδίου και κατ’ επέκταση τις τιμές του μοντέλου. Μετά από εκτενείς προσομοιώσεις προκύπτει με ασφάλεια ότι ακόμα και στη χειρότερη περίπτωση που χαθεί η ακριβής θέση (δεχόμενοι ένα μέγιστο σφάλμα) είτε του οργάνου μέτρησης είτε της εκάστοτε πηγής υπό μελέτη το πεδίο βρίσκεται σε αρκετά μεγάλη συμφωνία σε σύγκριση με το πεδίο στην ιδανική περίπτωση χωρίς σφάλματα. Στο τελευταίο κύριο κεφάλαιο της διδακτορικής διατριβής παρουσιάζεται μια αποτελεσματική μέθοδος για ένα σύνηθες ηλεκτρομαγνητικό πρόβλημα που είναι η επίτευξη ηλεκτρομαγνητικής καθαρότητας σε χώρο ή σημεία μέσα και έξω από το διαστημόπλοιο, ειδικά στα σημεία όπου τοποθετούνται τα όργανα μέτρησης. Η προτεινόμενη μεθοδολογία χρησιμοποιεί τα μοντέλα της προηγούμενης μεθόδου MFEDM και επιβεβαιώνει ότι με κατάλληλη αναδιάταξη των πηγών που βρίσκονται εντός του διαστημοπλοίου, όταν κρίνεται αναγκαίο, μειώνονται οι ηλεκτρομαγνητικές εκπομπές. Επίσης, για περαιτέρω βελτίωση των ηλεκτρομαγνητικών συνθηκών μπορεί να χρησιμοποιηθεί μια βοηθητική συμπληρωματική πηγή με γνωστά χαρακτηριστικά. Ο αλγόριθμος χρησιμοποιεί στοχαστικές διαδικασίες με συνεχείς επαναλήψεις ώστε να βρει τον βέλτιστο συνδυασμό των πηγών σύμφωνα με τον διαθέσιμο εξοπλισμό. Υπάρχουν συγκεκριμένα κριτήρια που αποφασίζουν αν η συνολική συνεισφορά των εκπομπών κρίνεται ότι είναι ανεκτή και εξασφαλίζει ηλεκτρομαγνητική καθαρότητα. Τα κριτήρια αυτά συσχετίζουν τη συνολική συνεισφορά του συστήματος με την συνεισφορά του κάθε εξοπλισμού ξεχωριστά. Ανάλογα με το αν εξετάζεται σημειακή ή χωρική καθαρότητα κάθε περίπτωση διαφέρει.