一种应用于空间的电流传感器在轨校准方法及装置与流程

本发明涉及空间技术校准技术领域，特别是涉及一种应用于空间的电流传感器在轨校准方法及装置。

背景技术：

电流测量是航天器运行状态过程中的一种重要数据监控手段，而电流传感器则是航天器供配电分系统中重要的测量装置。在空间站、深空探测器的工程中，电流传感器在有效工作寿命中提出了更高的工作要求，需要定期在轨校准。

然而，实际情况是电流传感器在航天器发射入轨后长期运行，在此期间不再定期校准，甚至在发射之前的地面很长ait时段，也得不到校准，其测量结果的可信度存在风险。目前没有数据和先验知识证明其测量准确度能在空间环境中不发生变化，无法证明电流传感器长期在轨工作的性能指标与地面一致。将电流传感器在地面的校准作业与在空间环境的校准作业产生的偏差计入误差范围，如果这种累计误差不能及时校准，将可能带来严重的后果。这些误差对短期航天任务造成的影响并不明显，但在中长期航天任务中，如果不能够定期校准，随着时间的推移，电流传感器的误差和飘移将导致测量不确定度显著增大，这将给航天任务决策带来风险。严重时将导致航天任务降额或缩短寿命。

传统的电流传感器校准方法若简单移植到航天器平台上，则面临着巨额的发射成本和维护成本代价。

技术实现要素：

本发明提出了一种基于激励响法的空间用电流传感器在轨校准装置，其基本原理是给电流传感器施加已知增量的输入，通过原测量系统中的增量响应，与电流传感器系数理论增量比较，计算电流传感器系数的偏差。

具体的本发明提供了一种应用于空间的电流传感器在轨校准装置,包括：激励输入模块、电流传感器、遥控遥测模块；

所述激励输入模块与所述电流传感器连接，用于根据预设的校准间隔向所述电流传感器输出已知幅值的激励电流信号；

所述电流传感器与预测线路连接，用于测量所述预测线路的电流量，并将所述电流量转换成可被所述遥控遥测模块测量的电信号；

所述遥控遥测模块与所述电流传感器连接，用于监测所述电信号的数值变化，并将所述数值变化和所述已知幅值比较，获得所述电流传感器显示数值的误差。

优选的，所述激励输入模块包括定时激励单元、继电器和基准电流源；

所述定时激励单元与继电器链接，控制继电器的通断，所述定时激励单元用于根据所述预设的校准间隔，向所述继电器发出激活命令；

所述继电器用于根据所述定时激励单元的激活命令闭合，以激活所述基准电流源工作；

所述基准电流源与所述继电器连接，用于在所述继电器闭合时激活，产生所述激励电流信号，加载至所述电流传感器上。

优选的，所述定时激励单元包括计数器、数字逻辑控制器、继电器驱动电路；

所述计数器与所述数字逻辑控制器连接，用于计数和输出计数信号；

所述数字逻辑控制器继电器驱动电路连接，用于在所述计数信号和参考时钟的触发信号下，根据预设逻辑通过继电器驱动电路控制所述继电器的通断。

优选的，所述遥控遥测模块根据获得的所述误差计算所述电流传感器的电流数值，并将所述电流数值发送至地面站。

优选的，所述预测线路为航天器电源系统的电池充放电支路，所述支路一端与电源母线连接，另一端与蓄电池连接。

本发明的另一方面，还提供了一种应用于空间的电流传感器在轨校准方法,包括以下步骤：

根据预设的校准间隔向电流传感器输出已知幅值的激励电流信号；

测量预测线路的电流量，并将所述电流量转换成可被测量的电信号；

监测所述电信号的数值变化，并将所述数值变化和所述已知幅值比较，获得所述电流传感器显示数值的误差。

优选的，根据获得的所述误差计算所述电流传感器的电流数值，并将所述电流数值发送至地面站。

优选的，所述预测线路为航天器电源系统的电池充放电支路，所述支路一端与电源母线连接，另一端与蓄电池连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明提供的一种应用于空间的电流传感器在轨校准装置,包括：激励输入模块、电流传感器、遥控遥测模块；

所述激励输入模块与所述电流传感器连接，用于根据预设的校准间隔向所述电流传感器输出已知幅值的激励电流信号；

所述电流传感器与预测线路连接，用于测量所述预测线路的电流量，并将所述电流量转换成可被所述遥控遥测模块测量的电信号；

所述遥控遥测模块与所述电流传感器连接，用于监测所述电信号的数值变化，并将所述数值变化和所述已知幅值比较，获得所述电流传感器显示数值的误差。

本发明提供一种基于激励相应法的空间用电流传感器在轨校准装置。在nasa的设计指南提出的在轨校准技术手段中，结合“在操作量程中选定点上提供内嵌参考基准”，“使用多型多样的传感器可进行比较”以及“通过软件修正和调整”三种技术手段，并利用电流传感器校准的特点，提出用激励响应法进行电流传感器校准装置进行校准的方法，该装置具有以下优点及功效：

1）面对空间复杂环境的影响，该装置可适用于长在轨周期航天器，是一种空间用电流传感器在轨校准装置，免人工的定期校准作业，相对于地面实验预估平台，能更直接的反应在轨运行后电流传感器的相关性能变化。

2）该装置具备提升长寿命空间用电流传感器工作的可靠性和准确性的能力。通过对电流传感器的零点漂移和线性偏差进行修正，实现航天器电流参数的准确测量，并将长期在轨运行产生的误差和漂移实现预估，提升设备工作的可靠性和准确性。

本发明还提供了一种应用于空间的电流传感器在轨校准方法，该方法能提升长寿命空间用电流传感器工作的可靠性和准确性的能力，能较直接地反应在轨运行后电流传感器的相关性能变化。

附图说明

图1为本申请中所述空间用电流传感器在轨校准装置的示意图；

图2为本申请中所述定时激励单元的原理示意图；

图3为本申请中所述激励输入模块的结构示意图。

附图标号与各部件的对应关系如下：

1激励输入模块，

11定时激励单元，

111计数器，

112数字逻辑控制器，

12继电器，

13基准电流源，

2电流传感器，

3遥控遥测模块，

4预测线路，

5电源母线，

6蓄电池。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供了一种应用于空间的电流传感器在轨校准装置,一种具体的实施方式，请参考附图1，包括：激励输入模块、电流传感器、遥控遥测模块；

所述激励输入模块与所述电流传感器连接，用于根据预设的校准间隔向电流传感器输出已知幅值的激励电流信号；

电流传感器与预测线路连接，用于测量预测线路的电流量，并将电流量转换成可被遥控遥测模块测量的电信号；

遥控遥测模块与电流传感器连接，用于监测电信号的数值变化，并将数值变化和已知幅值比较，获得电流传感器显示数值的误差。

该装置的工作原理如下：

该装置应用在所有预测线路上的原理都相同。此处，以测量蓄电池电流充放电支路的电流传感器为例，激励输入单元加载至该电流传感器之上，在绝大部分运行时间内为待机状态，在经过预置校准间隔时间后，通过定时激励电路激活基准电流源，由基准电流源产生幅值已知的激励信号，加载至电流传感器上，遥控遥测单元通过监测的蓄电池电流充放电支路的读数变化和激励输入单元输出已知激励信号幅值进行比较，得到电流传感器示值误差的偏离情况。

本发明提供的一种基于激励相应法的空间用电流传感器在轨校准装置。在nasa的设计指南提出的在轨校准技术手段中，结合“在操作量程中选定点上提供内嵌参考基准”，“使用多型多样的传感器可进行比较”以及“通过软件修正和调整”三种技术手段，并利用电流传感器校准的特点，提出用激励响应法进行电流传感器校准装置进行校准的方法，该装置具有以下优点及功效：

1）面对空间复杂环境的影响，该装置可适用于长在轨周期航天器，是一种空间用电流传感器在轨校准装置，免人工的定期校准作业，相对于地面实验预估平台，能更直接的反应在轨运行后电流传感器的相关性能变化。

2）该装置具备提升长寿命空间用电流传感器工作的可靠性和准确性的能力。通过对电流传感器的零点漂移和线性偏差进行修正，实现航天器电流参数的准确测量，并将长期在轨运行产生的误差和漂移实现预估，提升设备工作的可靠性和准确性。

现有技术中在航天器电源系统中，包括电源母线，电源母线起着汇集、分配和传送电能的作用，是发电设备、储能设备和用电设备的传输纽带。

电流传感器是电流测量装置，用于将被测电流量转换成可被遥控遥测单元测量的电信号。

遥控遥测模块用于测量电流传感器的二次输出信号，即上述电流传感器输出的电信号，计算电流示值，并发送至地面站。

电流传感器是一种电信号转换装置，不能独立实现电流测量功能，它是将被测的电流信号转换成对应比例的电压信号，这个电压信号就是“二次输出信号”，即上述的电信号。

遥控遥测模块测量这个“二次输出信号”并且与预置的电流传感器的比例关系相乘，可计算出电流示值。

激励输入模块定时产生对被校电流传感器校准激励用电流信号。它包括三部分，定时激励单元、继电器和基准电流源；

定时激励单元与继电器链接，控制继电器的通断，定时激励单元用于根据预设的校准间隔，向继电器发出激活命令；

继电器用于根据定时激励单元的激活命令闭合，以激活基准电流源工作；

基准电流源与继电器连接，用于在继电器闭合时激活，产生激励电流信号，加载至电流传感器上。

使用激励输入模块校准电流传感器时，输出激励电流信号与正常信号同时加载至电流传感器上，在预置校准时间后，通过定时激励单元激活继电器导通，基准电流源激活，由基准电流源产生幅值已知的激励信号，加载至电流传感器上。由遥控遥测单元通过监测电流传感器读数变化，并和定时激励单元输出已知激励信号幅值比较，计算得到电流传感器示值误差的偏离情况。

基准电流源是采用精密金属箔电阻作为取样反馈由齐纳稳压二极管、运算放大器和场效应管组成的电压反馈型电流源。

基准电流源由定时激励单元控制，定时激励单元包括计数器、数字逻辑控制器与继电器驱动电路，实现输出基准电流信号的接通和断开功能。

具体的，计数器与数字逻辑控制器连接，用于计数和输出计数信号；

数字逻辑控制器继电器驱动电路连接，用于在计数信号和参考时钟的触发信号下，根据预设逻辑通过继电器驱动电路控制继电器的通断，从而实现输出基准电流信号的接通和断开功能。

控制原理如下：

请参考附图2，计数器、数字逻辑控制器、继电器驱动电路连接，用于控制基准电流源工作或停止工作状态。将设置的校准间隔转换为预置数n，置入计数器中，在参考时钟的激励下，技术其在第n个周期后变换输出状态，数字逻辑控制器在计数器输出信号边沿触发的条件下，根据预设逻辑控制继电器通断，使基准电流源工作并输出激励电流信号，开始校准过程。

需要说明的是，激励电路可由任意电路实现，只要符合可休眠，产生的激励电流稳定性高于被校电流传感器，电流量值可溯源即可。

可选的，遥控遥测模块根据获得的误差计算电流传感器的电流数值，并将电流数值发送至地面站。

或者，遥控遥测模块将误差直接发送至地面站，由地面站计算电流传感器的电流数值。

上述两种方式均可实现电流传感器的在轨校准，使地面站能够获得或计算出准确的电流数值。

具体的，预测线路可以为航天器电源系统的电池充放电支路，支路一端与电源母线连接，另一端与蓄电池连接。

在另一种具体的实施方式中，请参考附图2，系统包括激励输入模块、电流传感器、遥控遥测模块，还包括电源母线、电池充放电支路、蓄电池模块，各模块的功能和关系描述如下：

电源母线：在航天器电源系统中，电源母线起着汇集、分配和传送电能的作用，是发电设备、储能设备和用电设备的传输纽带。

激励输入模块：激励输入模块定时产生对被校电流传感器校准激励用电流信号。

使用激励输入模块校准电流传感器时，输出电流信号与正常信号同时加载至电流传感器上，在预置校准时间后，通过定时激励电路激活基准电流源，由基准电流源产生幅值已知的激励信号，加载至电流传感器上。由遥控遥测单元通过监测电流传感器读数变化，并和激励输入模块输出已知激励信号幅值比较，计算得到电流传感器示值误差的偏离情况。

遥控遥测单元：测量电流传感器的二次输出信号，计算电流示值，并发送至地面站。

蓄电池：航天器上的电能储能模块。

电池充放电支路：也就是待测线路，航天器电源系统蓄电池的充放电电流传输线，用于实现蓄电池充放电功能，是电源系统的重要组成部分。此处作为被测电流量所在的预测线路。

电流传感器：电流测量装置，用于将被测电流量转换成可被遥控遥测单元测量的电信号。

以上各模块关系图参考附图3所示，当进行在轨校准时，按照以下3个步骤进行：

步骤一：

上述各模块在发射后，处于无人维护状态，激励输入模块处于待机状态，其中的定时激励电路处于定时计数状态。

步骤二：

达到预置校准间隔周期后。激励输入模块激活，按照预置的程序向电流传感器发出激励电流信号，遥控遥测单元通过监测电流传感器读数变化。

步骤三：

比较遥控遥测单元测得读数变化，将激励输入模块输出与已知激励信号幅值比较，计算得到电流传感器示值误差的偏离情况。

完成校准后，系统恢复到步骤一状态。

本发明的另一方面，还提供了一种应用于空间的电流传感器在轨校准方法,包括以下步骤：

根据预设的校准间隔向电流传感器输出已知幅值的激励电流信号；

测量预测线路的电流量，并将电流量转换成可被测量的电信号；

监测电信号的数值变化，并将数值变化和已知幅值比较，获得电流传感器显示数值的误差。

该方法能提升长寿命空间用电流传感器工作的可靠性和准确性的能力，能较直接地反应在轨运行后电流传感器的相关性能变化。

优选的，根据获得的误差计算电流传感器的电流数值，并将电流数值发送至地面站；或者，遥控遥测模块将误差直接发送至地面站，由地面站计算电流传感器的电流数值。

具体的，预测线路可以为航天器电源系统的电池充放电支路，支路一端与电源母线连接，另一端与蓄电池连接。

预测线路还可以是其他线路，使用该校准方法皆可实现电流传感器在轨校准。

在本发明实施例所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器（rom，read-onlymemory）、随机存取存储器（ram，randomaccessmemory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。