專利名稱：一種提高雙探針式星載電場(chǎng)傳感器探測(cè)精度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于傳感器領(lǐng)域，具體地涉及一種雙探針式星載電場(chǎng)傳感器和提高探測(cè)精 度的方法。
背景技術(shù)：
電場(chǎng)強(qiáng)度是一個(gè)十分重要的跨學(xué)科特性參量。電場(chǎng)強(qiáng)度的測(cè)量在航空航天、地學(xué) 與環(huán)境檢測(cè)和工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域都具有十分重要的應(yīng)用。星載電場(chǎng)傳感器作為衛(wèi)星的載荷， 主要用于實(shí)現(xiàn)對(duì)電離層或磁層環(huán)境電場(chǎng)的測(cè)量。采用星載電場(chǎng)傳感器對(duì)電離層或磁層電場(chǎng) 進(jìn)行探測(cè)在下列研究領(lǐng)域具有重大意義(1)用于地震、火山等自然災(zāi)害的預(yù)報(bào)研究；(2)用于空間天氣及其對(duì)人類活動(dòng)(包括通訊、導(dǎo)航和GPS定位等)的影響研究；(3)對(duì)電離層、磁層電場(chǎng)的探測(cè)有助于科學(xué)家進(jìn)一步深入研究日地關(guān)系中的一系 列重大物理過程；(4)在光學(xué)與雷達(dá)遙感成像觀測(cè)的基礎(chǔ)上，發(fā)展電磁非成像遙感技術(shù)手段，有助于 建立完善的對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)；(5)可以獲取全球的電場(chǎng)分布信息，從而有助于建立全球電磁場(chǎng)模型和全球電離 層模型。雙探針式星載電場(chǎng)傳感器是通過兩個(gè)球形探頭測(cè)量電離層或磁層中兩點(diǎn)之間的 電位差除以它們之間的距離得到沿這兩點(diǎn)方向的電場(chǎng)，通過在衛(wèi)星平臺(tái)周圍布置不共面的 四個(gè)或四個(gè)以上的傳感器敏感探頭實(shí)現(xiàn)對(duì)電離層或磁層三維電場(chǎng)的測(cè)量。伸桿用于將球 形探頭伸出衛(wèi)星平臺(tái)一定距離，以減小衛(wèi)星本體帶電對(duì)電場(chǎng)探測(cè)精度的影響。像法國(guó)的 Demeter衛(wèi)星上使用的星載電場(chǎng)傳感器(ICE) —樣，目前星載電場(chǎng)傳感器的伸桿與衛(wèi)星平 臺(tái)之間采取的都是非絕緣安裝，伸桿表面電位與衛(wèi)星平臺(tái)的表面電位相等。當(dāng)伸桿在太空 中飛行時(shí)，由于切割磁力線的原因，會(huì)在伸桿的表面產(chǎn)生一定的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)分布，伸桿上的 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)會(huì)影響電離層和磁層電場(chǎng)的測(cè)量精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種提高雙探針式星載電場(chǎng)傳感器和提高探測(cè)精度的方法， 通過對(duì)伸桿進(jìn)行主動(dòng)電位控制來(lái)減小伸桿切割磁力線對(duì)電場(chǎng)測(cè)量精度的影響。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的雙探針式星載電場(chǎng)傳感器，在衛(wèi)星平臺(tái)的四周安 裝不共面的四個(gè)或四個(gè)以上星載電場(chǎng)傳感器敏感探頭，每一星載電場(chǎng)傳感器敏感探頭由球 形探頭、球形探頭兩側(cè)的圓柱形電極，以及將球形探頭伸出衛(wèi)星平臺(tái)外面的伸桿組成；圓柱 形電極包括第一圓柱形電極和第二圓柱形電極，第一圓柱形電極和第二圓柱形電極對(duì)稱地 安裝在球形探頭軸線的兩端，以保持傳感器結(jié)構(gòu)對(duì)稱，減小衛(wèi)星飛行尾跡效應(yīng)對(duì)探測(cè)精度 的影響，根據(jù)實(shí)際需要，兩個(gè)圓柱形電極的長(zhǎng)度可以相等或不相等；第一圓柱形電極的另一 端與伸桿連接，伸桿連接在衛(wèi)星平臺(tái)上。第一圓柱形電極與第二圓柱形電極和球形探頭之間采用絕緣連接。伸桿與衛(wèi)星平臺(tái)之間采用絕緣連接。本發(fā)明提供的提高上述雙探針式星載電場(chǎng)傳感器探測(cè)精度的方法，是使第一圓柱 形電極和第二圓柱形電極表面的電位等于球形探頭的表面電位，且對(duì)伸桿相對(duì)于衛(wèi)星平臺(tái) 或者球形探頭施加一負(fù)電位，進(jìn)行主動(dòng)電位控制以減小衛(wèi)星飛行時(shí)伸桿切割磁力線引起的
測(cè)量誤差。第一圓柱形電極和第二圓柱形電極表面的電位是通過自舉電路等于球形探頭的 表面電位。本發(fā)明可以顯著地減小衛(wèi)星飛行時(shí)伸桿切割磁力線產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)對(duì)電離層 和磁層電場(chǎng)測(cè)量精度的影響。


圖1單個(gè)星載電場(chǎng)傳感器敏感探頭的結(jié)構(gòu)及其仿真模型圖；圖2四個(gè)星載電場(chǎng)傳感器敏感探頭在衛(wèi)星平臺(tái)上的安裝布局圖；圖3等離子體濃度為108/m3時(shí)球形探頭電流收集特性的計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果；圖4等離子體濃度為IOltVm3時(shí)球形探頭電流收集特性的計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果；圖5伸桿相對(duì)于衛(wèi)星平臺(tái)進(jìn)行負(fù)電位主動(dòng)控制的示意圖；圖6伸桿相對(duì)于球形探頭進(jìn)行負(fù)電位主動(dòng)控制的示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明是在雙探針式星載電場(chǎng)傳感器的基礎(chǔ)上，提出了一種減小地磁場(chǎng)對(duì)電場(chǎng)測(cè) 量精度影響的方法，具體地說，就是將伸桿與衛(wèi)星平臺(tái)之間采取絕緣安裝，然后對(duì)伸桿上的 電位進(jìn)行主動(dòng)電位控制，使伸桿上的電位相對(duì)于衛(wèi)星平臺(tái)或球形探頭帶上一定的負(fù)電位。 計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果表明這樣可以顯著減小由于伸桿切割磁力線引起伸桿帶電對(duì)電場(chǎng)測(cè)量精 度的影響。雙探針式星載電場(chǎng)傳感器如圖1所示，單個(gè)的星載電場(chǎng)傳感器敏感探頭由球形探 頭1、第一圓柱形電極2、第二圓柱形電極3和伸桿4組成，5是計(jì)算機(jī)模擬中用到是星載電 場(chǎng)傳感器周圍的等離子體及其邊界。球形探頭1的作用是探測(cè)其周圍電離層或磁層中等離 子體的電位；第一圓柱形電極2和第二圓柱形電極3通過自舉電路使其表面電位與球形探 頭的表面電位相等，第一圓柱形電極2的作用是用于隔離球形探頭與伸桿，減小伸桿帶電 對(duì)電場(chǎng)測(cè)量精度的影響，第二圓柱形電極3的作用是保持結(jié)構(gòu)的對(duì)稱，避免由于結(jié)構(gòu)不對(duì) 稱和尾跡效應(yīng)引起的誤差；伸桿4的作用是將球形探頭支出衛(wèi)星平臺(tái)外一定的距離，一方 面可以減小衛(wèi)星本體帶電對(duì)電場(chǎng)測(cè)量精度的影響，另一方面根據(jù)雙探針式星載電場(chǎng)傳感器 的測(cè)量原理，可以提高電場(chǎng)探測(cè)的分辨力。如圖2所示，可以通過四根伸桿4a、4b、4c和4d在衛(wèi)星平臺(tái)6的四周安裝不共面 的四個(gè)球形探頭la、lb、lc和ld，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電離層或磁層中三維電場(chǎng)的測(cè)量，在實(shí)際 運(yùn)用中，有時(shí)為了做冗余設(shè)計(jì)，可以使用四個(gè)以上的探頭，相應(yīng)地需要四根以上的伸桿。由 于地磁場(chǎng)的存在以及衛(wèi)星飛行的影響，伸桿會(huì)切割磁力線，從而在伸桿上產(chǎn)生一定的感應(yīng) 電動(dòng)勢(shì)。伸桿上的電壓會(huì)引起探頭收集電流的變化，從而影響球形探頭對(duì)等離子體電位的 測(cè)量精度。本發(fā)明采用航天器與等離子體相互作用軟件(SpacecraftPlasma InteractionSystem)對(duì)不同伸桿電位下探頭的電流收集特性進(jìn)行了模擬，圖3是當(dāng)?shù)入x子濃度為108/m3 時(shí)的模擬結(jié)果，從圖中可以看出，伸桿電位朝負(fù)方向變化對(duì)球形探頭收集電流特性的影響 要遠(yuǎn)小于伸桿電位朝正方向變化。圖4是當(dāng)?shù)入x子濃度為IOltVm3時(shí)的模擬結(jié)果，從圖中可 以看出，當(dāng)伸桿相對(duì)于等離子體帶負(fù)電時(shí)，伸桿上電位的變化對(duì)探頭的電流收集特性幾乎 沒有影響，但和等離子體濃度比較低的情況一樣，如果伸桿相對(duì)于等離子體帶正電，其正電 位大小的變化會(huì)顯著影響球形探頭的電流收集特性，從而影響電場(chǎng)的測(cè)量精度。當(dāng)衛(wèi)星的飛行方向與磁場(chǎng)方向如圖2所示時(shí)，探頭Ia和探頭Ib附近伸桿的感應(yīng) 電動(dòng)勢(shì)由于切割磁力線的作用正好相反，一個(gè)帶正電(假如探頭Ia附近的伸桿感應(yīng)電場(chǎng)勢(shì) 為+2伏，具體的大小取決于地磁場(chǎng)、衛(wèi)星飛行速度以及伸桿長(zhǎng)度的大小和方向)，一個(gè)帶負(fù) 電(假如探頭Ib附近的伸桿感應(yīng)電場(chǎng)勢(shì)為_2伏)。如果不對(duì)伸桿進(jìn)行主動(dòng)電位控制，探 頭Ia對(duì)等離子體電位的測(cè)量精度較差，球形探頭Ib對(duì)等離子體電位的測(cè)量精度較高。由 于雙探針式星載電場(chǎng)傳感器是通過電位差除以距離得到電場(chǎng)，從而對(duì)電場(chǎng)的測(cè)量精度有較 大的影響。如果此時(shí)對(duì)伸桿上的電位進(jìn)行主動(dòng)控制，使其相對(duì)于周圍的等離子體帶負(fù)電，例 如使其相對(duì)于周圍的等離子電位為-2時(shí)，由于切割磁力線的作用，探頭Ia附近伸桿的感應(yīng) 電動(dòng)勢(shì)為+2伏，而探頭Ib附近伸桿的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為_2伏，由于對(duì)伸桿施加了主動(dòng)電位控 制，疊加以后，探頭Ia附近伸桿相對(duì)于等離子體的電位為0伏，探頭Ib附近伸桿相對(duì)于等 離子體的電位為-4伏，根據(jù)前面的模擬結(jié)果，由于伸桿上的電位都在負(fù)的方向變化，從而 對(duì)電場(chǎng)測(cè)量精度的影響較小。由于等離子體的電位是未知的，所以較難以對(duì)伸桿上的電位相對(duì)于周圍的等離子 體進(jìn)行主動(dòng)控制，具體實(shí)施時(shí)，可以如圖5那樣使四根伸桿相對(duì)于衛(wèi)星平臺(tái)進(jìn)行負(fù)的主動(dòng) 電位控制，也可以如圖6那樣，使四根伸桿相對(duì)于球形探頭進(jìn)行負(fù)的主動(dòng)電位控制。
權(quán)利要求
一種雙探針式星載電場(chǎng)傳感器，在衛(wèi)星平臺(tái)的四周安裝不共面的四個(gè)或四個(gè)以上星載電場(chǎng)傳感器敏感探頭，每一星載電場(chǎng)傳感器敏感探頭由球形探頭、球形探頭兩側(cè)的圓柱形電極，以及將球形探頭伸出衛(wèi)星平臺(tái)外面的伸桿組成；圓柱形電極包括第一圓柱形電極和第二圓柱形電極，第一圓柱形電極和第二圓柱形電極對(duì)稱地安裝在球形探頭軸線的兩端，以保持傳感器結(jié)構(gòu)對(duì)稱，減小衛(wèi)星飛行尾跡效應(yīng)對(duì)探測(cè)精度的影響；第一圓柱形電極的另一端與伸桿連接，伸桿連接在衛(wèi)星平臺(tái)上。
2.如權(quán)利要求1所述的雙探針式星載電場(chǎng)傳感器，其中，第一圓柱形電極與第二圓柱 形電極和球形探頭之間采用絕緣連接。
3.如權(quán)利要求2所述的雙探針式星載電場(chǎng)傳感器，其中，伸桿與衛(wèi)星平臺(tái)之間采用絕 緣連接。
4.如權(quán)利要求1或2所述的雙探針式星載電場(chǎng)傳感器，其中，第一圓柱形電極和第二圓 柱形電極的長(zhǎng)度相等或不相等。
5.一種提高如權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述雙探針式星載電場(chǎng)傳感器探測(cè)精度的方法，第 一圓柱形電極和第二圓柱形電極表面的電位等于球形探頭的表面電位，且對(duì)伸桿相對(duì)于衛(wèi) 星平臺(tái)或者球形探頭施加一負(fù)電位，進(jìn)行主動(dòng)電位控制以減小衛(wèi)星飛行時(shí)伸桿切割磁力線 引起的測(cè)量誤差。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中，第一圓柱形電極和第二圓柱形電極表面的電位是 通過自舉電路等于球形探頭的表面電位。
全文摘要
一種提高雙探針式星載電場(chǎng)傳感器探測(cè)精度的方法，該方法通過對(duì)支撐星載電場(chǎng)傳感器球形探頭的伸桿進(jìn)行主動(dòng)電位控制，確切地說就是使伸桿相對(duì)于衛(wèi)星平臺(tái)或者球形探頭帶一定的負(fù)電位。計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果表明，這種對(duì)伸桿進(jìn)行主動(dòng)電位控制的方法，可以顯著地減小衛(wèi)星飛行時(shí)伸桿切割磁力線產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)對(duì)電離層和磁層電場(chǎng)測(cè)量精度的影響。
文檔編號(hào)G01R29/12GK101923122SQ20091008712
公開日2010年12月22日 申請(qǐng)日期2009年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月10日
發(fā)明者任仁, 周杰, 夏善紅, 楊集, 陳賢祥 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所