一种数字磁通门磁强计及地磁测量系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种磁强计，尤其涉及一种磁通门磁强计，属于地磁场测量技术领域。
【背景技术】
[0002] 磁场是宇宙中天体的基本属性。地磁场是地球具有的磁场，地球周围任一点的地 磁场强度都是具有一定的大小和方向的矢量，且一般认为地球周围任一点的磁场强度是不 同的。从数学模型角度，地球的磁场满足拉普拉斯方程，因此只要对若干位置的地球磁场进 行观测，再使用拉普拉斯方程求解就可以得到地球表面，尤其是距离地球1000km以内的空 间的任意一点的磁场。国际地磁和高层大气物理学组织IAGA维护的IGRF(国际地磁参考 场）模型是一种广泛使用的能够比较精确的描述地磁场的参考模型。低轨卫星的轨道高度 一般不超过l〇〇〇Km，携带有能够测量卫星所在位置地球磁场的磁强计，将测量结果与IGRF 模型的计算结果对比，就可以得到卫星的姿态信息。因此，使用星载磁强计进行卫星姿态测 量已经成为低轨卫星广泛使用的一种姿态测量手段，具有廉价、低功耗的特点，且在星箭分 离初期卫星尚未建立稳定姿态前，星载磁强计具有不可替代性。目前在卫星上使用最广泛 的磁强计是磁通门磁强计，磁通门磁强计的精度、功耗、体积使得其非常适合在一般卫星上 使用。设计一个高性能的星载磁强计面临很多挑战，包括需要克服三轴正交度的影响，克服 探头温度漂移的影响以及克服电路系统温度漂移的影响。其中探头温度对磁强计的输出结 果有较大影响，通常温度每变化一摄氏度，磁强计输出变化约万分之一。因此，为克服探头 温度变化的影响，通常将探头放置于卫星内部温度特性稳定的地方，但随着卫星的集成度 不断提高，卫星内部电子系统对探头的影响越来越大，因此，找到从磁强计自身的角度克服 探头温度变化影响的方法就显得非常重要。此外，磁强计电路主要是模拟电路，其核心器件 为运算放大器，运算放大器的温度漂移特性也是影响磁强计性能的一个主要因素。
【发明内容】
[0003] 有鉴于此，对于集成度高而功率较大的低轨卫星，确有必要提供一种能够自主矫 正探头温度漂移和电路系统温度漂移的数字磁通门磁强计。
[0004] 一种数字磁通门磁强计，包括：探头、模拟电路模块、数字电路模块；所述探头包 括探头X轴、探头Y轴、探头Z轴，分别感应环境磁场在X轴、Y轴、Z轴的分量，并将感应到 的磁场分量信号输出到所述模拟电路模块；所述模拟电路模块对所述磁场分量信号进行直 流信号隔离、二倍频信号放大、相敏检波、积分运算，获得正比于环境磁场的三轴模拟信号， 所述模拟电路模块还通过探头激励信号线与所述探头连接，将自身生成的探头激励信号馈 给所述探头；所述数字电路模块接收所述模拟电路模块输出的三轴模拟信号，并将其转换 为三轴数字信号，所述数字电路模块还生成一个参考电压信号，用于纠正电路温度漂移误 差，该参考电压信号与所述三轴模拟信号的电路温度漂移具有一致性。
[0005] 一种地磁测量系统，包括：两个本发明提供的数字磁通门磁强计，分别用做主份磁 强计与备份磁强计，交叉连接线；所述主份磁强计模拟电路模块的输出通过交叉连接线连 接备份磁强计数字电路模块的输入，所述备份磁强计模拟电路模块的输出通过交叉连接线 连接到主份磁强计数字电路模块的输入。
[0006] -种地磁测量系统，包括：两个本发明提供的数字磁通门磁强计，分别用做主份磁 强计与备份磁强计，交叉备份连接系统；所述交叉备份连接系统通过外部控制信号同时控 制主份磁强计模拟电路模块输出与备份磁强计数字电路模块输入的开断，以及备份磁强计 模拟电路模块输出与主份磁强计数字电路模块输入的开断。
[0007] 与现有技术相比，本发明所提供的数字磁通门磁强计与地磁测量系统方便用户对 磁强计的测量值进行矫正和校验，提高测量精度，此外所述地磁测量系统还进一步提高了 系统的可靠性，特别适用于低轨卫星如低轨通信卫星的地磁测量。
【附图说明】
[0008] 图1是本发明第一实施例提供的数字磁通门磁强计结构框图。
[0009] 图2是本发明数字磁通门磁强计的探头及模拟电路模块结构框图。
[0010] 图3是本发明数字磁通门磁强计的模拟电路模块供电电路结构框图。
[0011] 图4是本发明数字磁通门磁强计的数字电路模块结构框图。
[0012] 图5是本发明数字磁通门磁强计的数字电路模块供电电路结构框图。
[0013] 图6是本发明第二实施例提供的星载地磁测量系统结构框图。
[0014]图7是本发明第三实施例提供的星载地磁测量系统中的交叉连接电路。
[0015]图8是本发明第二与第三实施例提供的星载地磁测量系统中数字电路模块结构 框图。
[0016] 主要元件符号说明_1_1
【主权项】
1. 一种数字磁通门磁强计，其特征在于，包括：探头、模拟电路模块、数字电路模块；所 述探头包括探头X轴、探头Y轴、探头Z轴，分别感应环境磁场在X轴、Y轴、Z轴的分量，并 将感应到的磁场分量信号输出到所述模拟电路模块；所述模拟电路模块对所述磁场分量信 号进行直流信号隔离、二倍频信号放大、相敏检波、积分运算，获得正比于环境磁场的三轴 模拟信号，所述模拟电路模块还通过探头激励信号线与所述探头连接，将自身生成的探头 激励信号馈给所述探头；所述数字电路模块接收所述模拟电路模块输出的三轴模拟信号， 并将其转换为三轴数字信号，所述数字电路模块还生成一个参考电压信号，用于纠正电路 温度漂移误差，该参考电压信号与所述三轴模拟信号的电路温度漂移具有一致性。
2. 如权利要求1所述的数字磁通门磁强计，其特征在于，所述探头进一步包括：温度传 感器，所述温度传感器输出的探头温度信号被送入所述数字电路模块进行模数转换，所述 温度传感器用于采集探头温度，所述探头温度用于判断或纠正探头温度漂移误差。
3. 如权利要求1所述的数字磁通门磁强计，其特征在于，所述模拟电路模块包括： 探头激励电路，产生遵守磁通门磁强计原理的探头激励信号，并将其馈给探头X轴、探 头Y轴、探头Z轴； 三个单轴信号处理电路，分别为X轴、Y轴、Z轴信号处理电路，上述三个单轴信号处理 电路结构相同且相互独立，依次对探头输出的磁场分量信号进行直流信号隔离、二倍频信 号放大、相敏检波、积分运算，输出正比于环境磁场的模拟输出信号。
4. 如权利要求3所述的数字磁通门磁强计，其特征在于，所述每一单轴信号处理电路 进一步包括： 隔直电路，所述隔直电路的输入与探头的输出连接，隔直电路的输出与二倍频滤波放 大电路连接，用于对探头输出的磁场分量信号中的直流信号进行隔离； 二倍频滤波放大电路，所述二倍频滤波放大电路的输入连接隔直电路的输出，输出连 接相敏检波电路，用于选择性的将探头输出的二倍频信号放大，而将其他频率的信号尽量 滤除； 相敏检波电路，所述相敏检波电路的输入连接二倍频滤波放大电路的输出，相敏检波 电路的输出连接到积分电路，对输入信号进行相敏检波； 积分电路，所述积分电路的输入连接相敏检波电路的输出，对输入信息进行积分运算， 输出正比于环境磁场的模拟输出信号； 反馈电路，所述反馈电路的输入连接积分电路的输出，所述反馈电路输出的反馈信号 连接探头的输出，实现负反馈功能。
5. 如权利要求1所述的数字磁通门磁强计，其特征在于，所述数字电路模块依次对所 述模拟电路模块输出的三轴模拟信号进行滤波处理、模数转换，并向外输出模数转换后的 数字信号。
6. 如权利要求5所述的数字磁通门磁强计，其特征在于，所述数字电路模块包括： 模拟多选一电路，所述模拟多选一电路的输入连接X轴、Y轴、Z轴模拟信号，参考电压、 探头温度信号，所述模拟多选一电路在微控制器电路的控制下将上述信号中的一个输出到 后级滤波电路； 滤波电路，所述滤波电路对所述模拟多选一电路输出端信号进行滤波，并将滤波后的 信号输出到模数转换电路； 模数转换电路，所述模数转换电路将来自滤波电路的模拟信号转换为数字信号并输出 到微控制器电路； 微控制器电路，所述微控制器电路向外输出使能信号、通道选择信号、控制信号，所述 使能信号连接到温度测量驱动电路，控制所述温度测量驱动电路向所述温度传感器发送驱 动信号，所述通道选择信号连接到所述模拟多选一电路，对该模拟多选一电路的通道进行 选择，所述控制信号连接到所述模数转换电路，控制该模数转换电路完成模数转换； 接口电路，所述接口电路将来自微控制器电路的数字信号转换为某一特定协议的电气 特性后输出，所述协议可以是通用串行总线协议、RS232协议、RS485协议； 温度测量驱动电路，所述温度测量驱动电路向所述温度传感器发送驱动信号，获取探 头温度。
7. 如权利要求6所述的数字磁通门磁强计，其特征在于，所述微控制器电路利用所述 参考电压对所述磁强计的电路温度漂移进行纠正。
8. 如权利要求6所述的数字磁通门磁强计，其特征在于，所述微控制器电路利用所述 探头温度信号对所述磁强计的探头温度漂移进行纠正。
9. 一种地磁测量系统，包括：两个如权利要求1所述的数字磁通门磁强计，分别用做主 份磁强计与备份磁强计，交叉连接线；所述主份磁强计模拟电路模块的输出通过交叉连接 线连接备份磁强计数字电路模块的输入，所述备份磁强计模拟电路模块的输出通过交叉连 接线连接到主份磁强计数字电路模块的输入。
10. -种地磁测量系统，包括：两个如权利要求1所述的数字磁通门磁强计，分别用做 主份磁强计与备份磁强计，交叉备份连接系统；所述交叉备份连接系统包括： 第一连接开关，所述备份磁强计模拟电路模块的输出通过该第一连接开关连接到主份 磁强计数字电路模块的输入； 第二连接开关，所述主份磁强计模拟电路模块的输出通过该第二连接开关连接到备份 磁强计数字电路模块的输入； 交叉连接控制电路，用于控制所述第一连接开关和第二连接开关的开关动作，所述交 叉连接控制电路由主份磁强计电源输入和备份磁强计电源输入同时供电； 外部控制输入，连接所述交叉连接控制电路，通过向所述交叉连接控制电路发送指令 实现对第一连接开关和第二连接开关的控制。
【专利摘要】本发明涉及一种数字磁通门磁强计，包括：探头、模拟电路模块、数字电路模块。所述探头包括探头X轴、探头Y轴、探头Z轴，分别感应环境磁场在X轴、Y轴、Z轴的分量，并将感应到的磁场分量信号输出到模拟电路模块；所述模拟电路模块处理探头输出的磁场分量信号，获得与X轴、Y轴、Z轴磁场强度成正比的三轴模拟信号；所述数字电路模块将该三轴模拟信号与参考电压信号及探头温度信号转换为数字信号向外输出，方便用户对磁强计的测量值进行矫正和校验，提高测量精度与系统稳定性。
【IPC分类】G01R33-04, G01V3-40
【公开号】CN104698407
【申请号】CN201510098779
【发明人】陈曦, 王嘉博, 高文云
【申请人】清华大学
【公开日】2015年6月10日
【申请日】2015年3月6日