一種數(shù)字磁通門磁強(qiáng)計(jì)及地磁測量系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種磁強(qiáng)計(jì)，尤其涉及一種磁通門磁強(qiáng)計(jì)，屬于地磁場測量技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 磁場是宇宙中天體的基本屬性。地磁場是地球具有的磁場，地球周圍任一點(diǎn)的地 磁場強(qiáng)度都是具有一定的大小和方向的矢量，且一般認(rèn)為地球周圍任一點(diǎn)的磁場強(qiáng)度是不 同的。從數(shù)學(xué)模型角度，地球的磁場滿足拉普拉斯方程，因此只要對若干位置的地球磁場進(jìn) 行觀測，再使用拉普拉斯方程求解就可以得到地球表面，尤其是距離地球1000km以內(nèi)的空 間的任意一點(diǎn)的磁場。國際地磁和高層大氣物理學(xué)組織IAGA維護(hù)的IGRF(國際地磁參考 場）模型是一種廣泛使用的能夠比較精確的描述地磁場的參考模型。低軌衛(wèi)星的軌道高度 一般不超過l〇〇〇Km，攜帶有能夠測量衛(wèi)星所在位置地球磁場的磁強(qiáng)計(jì)，將測量結(jié)果與IGRF 模型的計(jì)算結(jié)果對比，就可以得到衛(wèi)星的姿態(tài)信息。因此，使用星載磁強(qiáng)計(jì)進(jìn)行衛(wèi)星姿態(tài)測 量已經(jīng)成為低軌衛(wèi)星廣泛使用的一種姿態(tài)測量手段，具有廉價、低功耗的特點(diǎn)，且在星箭分 離初期衛(wèi)星尚未建立穩(wěn)定姿態(tài)前，星載磁強(qiáng)計(jì)具有不可替代性。目前在衛(wèi)星上使用最廣泛 的磁強(qiáng)計(jì)是磁通門磁強(qiáng)計(jì)，磁通門磁強(qiáng)計(jì)的精度、功耗、體積使得其非常適合在一般衛(wèi)星上 使用。設(shè)計(jì)一個高性能的星載磁強(qiáng)計(jì)面臨很多挑戰(zhàn)，包括需要克服三軸正交度的影響，克服 探頭溫度漂移的影響以及克服電路系統(tǒng)溫度漂移的影響。其中探頭溫度對磁強(qiáng)計(jì)的輸出結(jié) 果有較大影響，通常溫度每變化一攝氏度，磁強(qiáng)計(jì)輸出變化約萬分之一。因此，為克服探頭 溫度變化的影響，通常將探頭放置于衛(wèi)星內(nèi)部溫度特性穩(wěn)定的地方，但隨著衛(wèi)星的集成度 不斷提高，衛(wèi)星內(nèi)部電子系統(tǒng)對探頭的影響越來越大，因此，找到從磁強(qiáng)計(jì)自身的角度克服 探頭溫度變化影響的方法就顯得非常重要。此外，磁強(qiáng)計(jì)電路主要是模擬電路，其核心器件 為運(yùn)算放大器，運(yùn)算放大器的溫度漂移特性也是影響磁強(qiáng)計(jì)性能的一個主要因素。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 有鑒于此，對于集成度高而功率較大的低軌衛(wèi)星，確有必要提供一種能夠自主矯 正探頭溫度漂移和電路系統(tǒng)溫度漂移的數(shù)字磁通門磁強(qiáng)計(jì)。
[0004] 一種數(shù)字磁通門磁強(qiáng)計(jì)，包括：探頭、模擬電路模塊、數(shù)字電路模塊；所述探頭包 括探頭X軸、探頭Y軸、探頭Z軸，分別感應(yīng)環(huán)境磁場在X軸、Y軸、Z軸的分量，并將感應(yīng)到 的磁場分量信號輸出到所述模擬電路模塊；所述模擬電路模塊對所述磁場分量信號進(jìn)行直 流信號隔離、二倍頻信號放大、相敏檢波、積分運(yùn)算，獲得正比于環(huán)境磁場的三軸模擬信號， 所述模擬電路模塊還通過探頭激勵信號線與所述探頭連接，將自身生成的探頭激勵信號饋 給所述探頭；所述數(shù)字電路模塊接收所述模擬電路模塊輸出的三軸模擬信號，并將其轉(zhuǎn)換 為三軸數(shù)字信號，所述數(shù)字電路模塊還生成一個參考電壓信號，用于糾正電路溫度漂移誤 差，該參考電壓信號與所述三軸模擬信號的電路溫度漂移具有一致性。
[0005] 一種地磁測量系統(tǒng)，包括：兩個本發(fā)明提供的數(shù)字磁通門磁強(qiáng)計(jì)，分別用做主份磁 強(qiáng)計(jì)與備份磁強(qiáng)計(jì)，交叉連接線；所述主份磁強(qiáng)計(jì)模擬電路模塊的輸出通過交叉連接線連 接備份磁強(qiáng)計(jì)數(shù)字電路模塊的輸入，所述備份磁強(qiáng)計(jì)模擬電路模塊的輸出通過交叉連接線 連接到主份磁強(qiáng)計(jì)數(shù)字電路模塊的輸入。
[0006] -種地磁測量系統(tǒng)，包括：兩個本發(fā)明提供的數(shù)字磁通門磁強(qiáng)計(jì)，分別用做主份磁 強(qiáng)計(jì)與備份磁強(qiáng)計(jì)，交叉?zhèn)浞葸B接系統(tǒng)；所述交叉?zhèn)浞葸B接系統(tǒng)通過外部控制信號同時控 制主份磁強(qiáng)計(jì)模擬電路模塊輸出與備份磁強(qiáng)計(jì)數(shù)字電路模塊輸入的開斷，以及備份磁強(qiáng)計(jì) 模擬電路模塊輸出與主份磁強(qiáng)計(jì)數(shù)字電路模塊輸入的開斷。
[0007] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所提供的數(shù)字磁通門磁強(qiáng)計(jì)與地磁測量系統(tǒng)方便用戶對 磁強(qiáng)計(jì)的測量值進(jìn)行矯正和校驗(yàn)，提高測量精度，此外所述地磁測量系統(tǒng)還進(jìn)一步提高了 系統(tǒng)的可靠性，特別適用于低軌衛(wèi)星如低軌通信衛(wèi)星的地磁測量。
【附圖說明】
[0008] 圖1是本發(fā)明第一實(shí)施例提供的數(shù)字磁通門磁強(qiáng)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖。
[0009] 圖2是本發(fā)明數(shù)字磁通門磁強(qiáng)計(jì)的探頭及模擬電路模塊結(jié)構(gòu)框圖。
[0010] 圖3是本發(fā)明數(shù)字磁通門磁強(qiáng)計(jì)的模擬電路模塊供電電路結(jié)構(gòu)框圖。
[0011] 圖4是本發(fā)明數(shù)字磁通門磁強(qiáng)計(jì)的數(shù)字電路模塊結(jié)構(gòu)框圖。
[0012] 圖5是本發(fā)明數(shù)字磁通門磁強(qiáng)計(jì)的數(shù)字電路模塊供電電路結(jié)構(gòu)框圖。
[0013] 圖6是本發(fā)明第二實(shí)施例提供的星載地磁測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
[0014]圖7是本發(fā)明第三實(shí)施例提供的星載地磁測量系統(tǒng)中的交叉連接電路。
[0015]圖8是本發(fā)明第二與第三實(shí)施例提供的星載地磁測量系統(tǒng)中數(shù)字電路模塊結(jié)構(gòu) 框圖。
[0016] 主要元件符號說明_1_1
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種數(shù)字磁通門磁強(qiáng)計(jì)，其特征在于，包括：探頭、模擬電路模塊、數(shù)字電路模塊；所 述探頭包括探頭X軸、探頭Y軸、探頭Z軸，分別感應(yīng)環(huán)境磁場在X軸、Y軸、Z軸的分量，并 將感應(yīng)到的磁場分量信號輸出到所述模擬電路模塊；所述模擬電路模塊對所述磁場分量信 號進(jìn)行直流信號隔離、二倍頻信號放大、相敏檢波、積分運(yùn)算，獲得正比于環(huán)境磁場的三軸 模擬信號，所述模擬電路模塊還通過探頭激勵信號線與所述探頭連接，將自身生成的探頭 激勵信號饋給所述探頭；所述數(shù)字電路模塊接收所述模擬電路模塊輸出的三軸模擬信號， 并將其轉(zhuǎn)換為三軸數(shù)字信號，所述數(shù)字電路模塊還生成一個參考電壓信號，用于糾正電路 溫度漂移誤差，該參考電壓信號與所述三軸模擬信號的電路溫度漂移具有一致性。
2. 如權(quán)利要求1所述的數(shù)字磁通門磁強(qiáng)計(jì)，其特征在于，所述探頭進(jìn)一步包括：溫度傳 感器，所述溫度傳感器輸出的探頭溫度信號被送入所述數(shù)字電路模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，所述 溫度傳感器用于采集探頭溫度，所述探頭溫度用于判斷或糾正探頭溫度漂移誤差。
3. 如權(quán)利要求1所述的數(shù)字磁通門磁強(qiáng)計(jì)，其特征在于，所述模擬電路模塊包括： 探頭激勵電路，產(chǎn)生遵守磁通門磁強(qiáng)計(jì)原理的探頭激勵信號，并將其饋給探頭X軸、探 頭Y軸、探頭Z軸； 三個單軸信號處理電路，分別為X軸、Y軸、Z軸信號處理電路，上述三個單軸信號處理 電路結(jié)構(gòu)相同且相互獨(dú)立，依次對探頭輸出的磁場分量信號進(jìn)行直流信號隔離、二倍頻信 號放大、相敏檢波、積分運(yùn)算，輸出正比于環(huán)境磁場的模擬輸出信號。
4. 如權(quán)利要求3所述的數(shù)字磁通門磁強(qiáng)計(jì)，其特征在于，所述每一單軸信號處理電路 進(jìn)一步包括： 隔直電路，所述隔直電路的輸入與探頭的輸出連接，隔直電路的輸出與二倍頻濾波放 大電路連接，用于對探頭輸出的磁場分量信號中的直流信號進(jìn)行隔離； 二倍頻濾波放大電路，所述二倍頻濾波放大電路的輸入連接隔直電路的輸出，輸出連 接相敏檢波電路，用于選擇性的將探頭輸出的二倍頻信號放大，而將其他頻率的信號盡量 濾除； 相敏檢波電路，所述相敏檢波電路的輸入連接二倍頻濾波放大電路的輸出，相敏檢波 電路的輸出連接到積分電路，對輸入信號進(jìn)行相敏檢波； 積分電路，所述積分電路的輸入連接相敏檢波電路的輸出，對輸入信息進(jìn)行積分運(yùn)算， 輸出正比于環(huán)境磁場的模擬輸出信號； 反饋電路，所述反饋電路的輸入連接積分電路的輸出，所述反饋電路輸出的反饋信號 連接探頭的輸出，實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋功能。
5. 如權(quán)利要求1所述的數(shù)字磁通門磁強(qiáng)計(jì)，其特征在于，所述數(shù)字電路模塊依次對所 述模擬電路模塊輸出的三軸模擬信號進(jìn)行濾波處理、模數(shù)轉(zhuǎn)換，并向外輸出模數(shù)轉(zhuǎn)換后的 數(shù)字信號。
6. 如權(quán)利要求5所述的數(shù)字磁通門磁強(qiáng)計(jì)，其特征在于，所述數(shù)字電路模塊包括： 模擬多選一電路，所述模擬多選一電路的輸入連接X軸、Y軸、Z軸模擬信號，參考電壓、 探頭溫度信號，所述模擬多選一電路在微控制器電路的控制下將上述信號中的一個輸出到 后級濾波電路； 濾波電路，所述濾波電路對所述模擬多選一電路輸出端信號進(jìn)行濾波，并將濾波后的 信號輸出到模數(shù)轉(zhuǎn)換電路； 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將來自濾波電路的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并輸出 到微控制器電路； 微控制器電路，所述微控制器電路向外輸出使能信號、通道選擇信號、控制信號，所述 使能信號連接到溫度測量驅(qū)動電路，控制所述溫度測量驅(qū)動電路向所述溫度傳感器發(fā)送驅(qū) 動信號，所述通道選擇信號連接到所述模擬多選一電路，對該模擬多選一電路的通道進(jìn)行 選擇，所述控制信號連接到所述模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，控制該模數(shù)轉(zhuǎn)換電路完成模數(shù)轉(zhuǎn)換； 接口電路，所述接口電路將來自微控制器電路的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為某一特定協(xié)議的電氣 特性后輸出，所述協(xié)議可以是通用串行總線協(xié)議、RS232協(xié)議、RS485協(xié)議； 溫度測量驅(qū)動電路，所述溫度測量驅(qū)動電路向所述溫度傳感器發(fā)送驅(qū)動信號，獲取探 頭溫度。
7. 如權(quán)利要求6所述的數(shù)字磁通門磁強(qiáng)計(jì)，其特征在于，所述微控制器電路利用所述 參考電壓對所述磁強(qiáng)計(jì)的電路溫度漂移進(jìn)行糾正。
8. 如權(quán)利要求6所述的數(shù)字磁通門磁強(qiáng)計(jì)，其特征在于，所述微控制器電路利用所述 探頭溫度信號對所述磁強(qiáng)計(jì)的探頭溫度漂移進(jìn)行糾正。
9. 一種地磁測量系統(tǒng)，包括：兩個如權(quán)利要求1所述的數(shù)字磁通門磁強(qiáng)計(jì)，分別用做主 份磁強(qiáng)計(jì)與備份磁強(qiáng)計(jì)，交叉連接線；所述主份磁強(qiáng)計(jì)模擬電路模塊的輸出通過交叉連接 線連接備份磁強(qiáng)計(jì)數(shù)字電路模塊的輸入，所述備份磁強(qiáng)計(jì)模擬電路模塊的輸出通過交叉連 接線連接到主份磁強(qiáng)計(jì)數(shù)字電路模塊的輸入。
10. -種地磁測量系統(tǒng)，包括：兩個如權(quán)利要求1所述的數(shù)字磁通門磁強(qiáng)計(jì)，分別用做 主份磁強(qiáng)計(jì)與備份磁強(qiáng)計(jì)，交叉?zhèn)浞葸B接系統(tǒng)；所述交叉?zhèn)浞葸B接系統(tǒng)包括： 第一連接開關(guān)，所述備份磁強(qiáng)計(jì)模擬電路模塊的輸出通過該第一連接開關(guān)連接到主份 磁強(qiáng)計(jì)數(shù)字電路模塊的輸入； 第二連接開關(guān)，所述主份磁強(qiáng)計(jì)模擬電路模塊的輸出通過該第二連接開關(guān)連接到備份 磁強(qiáng)計(jì)數(shù)字電路模塊的輸入； 交叉連接控制電路，用于控制所述第一連接開關(guān)和第二連接開關(guān)的開關(guān)動作，所述交 叉連接控制電路由主份磁強(qiáng)計(jì)電源輸入和備份磁強(qiáng)計(jì)電源輸入同時供電； 外部控制輸入，連接所述交叉連接控制電路，通過向所述交叉連接控制電路發(fā)送指令 實(shí)現(xiàn)對第一連接開關(guān)和第二連接開關(guān)的控制。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種數(shù)字磁通門磁強(qiáng)計(jì)，包括：探頭、模擬電路模塊、數(shù)字電路模塊。所述探頭包括探頭X軸、探頭Y軸、探頭Z軸，分別感應(yīng)環(huán)境磁場在X軸、Y軸、Z軸的分量，并將感應(yīng)到的磁場分量信號輸出到模擬電路模塊；所述模擬電路模塊處理探頭輸出的磁場分量信號，獲得與X軸、Y軸、Z軸磁場強(qiáng)度成正比的三軸模擬信號；所述數(shù)字電路模塊將該三軸模擬信號與參考電壓信號及探頭溫度信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號向外輸出，方便用戶對磁強(qiáng)計(jì)的測量值進(jìn)行矯正和校驗(yàn)，提高測量精度與系統(tǒng)穩(wěn)定性。
【IPC分類】G01R33-04, G01V3-40
【公開號】CN104698407
【申請?zhí)枴緾N201510098779
【發(fā)明人】陳曦, 王嘉博, 高文云
【申請人】清華大學(xué)
【公開日】2015年6月10日
【申請日】2015年3月6日