應(yīng)用于皮衛(wèi)星的地球磁場測量系統(tǒng)設(shè)計*

蔡 波，王 昊，朱小豐，韓 柯，金仲和

(浙江大學(xué)信息與電子工程學(xué)系，杭州 310027)

地球磁場通常是低軌微小衛(wèi)星姿態(tài)確定系統(tǒng)中重要的參考依據(jù)之一。三軸磁強(qiáng)計體積小、重量輕、功耗低，具有較高的測量準(zhǔn)確度，是微小衛(wèi)星定姿的理想傳感器件［1］。實際應(yīng)用中一般沿星體坐標(biāo)系三軸方向安裝磁強(qiáng)計，測量空間中該位置的磁場矢量。衛(wèi)星的姿態(tài)確定系統(tǒng)利用磁強(qiáng)計采集到的磁場矢量，結(jié)合地球磁場模型就可以確定衛(wèi)星在地球磁場中的位置，實現(xiàn)衛(wèi)星的姿態(tài)角度解算［2］。

由于宇宙空間的輻射環(huán)境存在著多種粒子與宇宙射線，輻射會給器件帶來損傷，普通商用磁強(qiáng)計無法滿足皮衛(wèi)星長壽命工作的要求。針對商用磁強(qiáng)計的不足，在設(shè)計地球磁場測量系統(tǒng)可以采用兩份磁強(qiáng)計作冗余備份的方法，來提高地球磁場測量系統(tǒng)的空間抗輻照能力。

與此同時，皮衛(wèi)星的運(yùn)行狀態(tài)對磁強(qiáng)計的工作影響很大。在皮衛(wèi)星由于姿態(tài)控制系統(tǒng)的故障出現(xiàn)大角度翻滾的條件下，普通商用磁強(qiáng)計無法保證高準(zhǔn)確度的實時數(shù)據(jù)輸出，因此有必要對所設(shè)計的磁強(qiáng)計進(jìn)行動態(tài)響應(yīng)試驗，測試其輸出穩(wěn)定性。

浙江大學(xué)微小衛(wèi)星中心早期研制的地球磁場測量系統(tǒng)集成化程度低，功耗較大，受外界電磁干擾影響嚴(yán)重，測量誤差大。在大角度翻滾的情況下，無法保證準(zhǔn)確、穩(wěn)定的實時數(shù)據(jù)輸出，可靠性較低。

針對這些不足，本文根據(jù)皮衛(wèi)星體積小、功耗低、工作環(huán)境復(fù)雜的特點(diǎn)，設(shè)計了一種應(yīng)用于皮衛(wèi)星的地球磁場測量系統(tǒng)。該地球磁場測量系統(tǒng)中自行設(shè)計的磁強(qiáng)計體積小(60 mm×30 mm×5 mm)、重量輕(25 g)、功耗低(150 mW)、準(zhǔn)確度高(1σ測量誤差為10－8Tesla)，可以改善普通商用磁強(qiáng)計的抗輻照能力，能夠在10°/s的角速度旋轉(zhuǎn)的條件下工作正常，滿足皮衛(wèi)星的要求。

1 磁強(qiáng)計設(shè)計

本文設(shè)計的磁強(qiáng)計實物如圖1所示。磁強(qiáng)計設(shè)計框圖如圖2所示。

圖1 磁強(qiáng)計實物圖

圖2 磁強(qiáng)計設(shè)計框圖

該結(jié)構(gòu)主要由磁阻傳感器HMC1001和HMC1002、差分信號放大器、AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器、置位/復(fù)位信號發(fā)生部分和微控制器MCU組成［3］。其中磁阻傳感器通過惠斯頓電橋?qū)⒌厍虼艌鲂盘栟D(zhuǎn)化成差分電壓量，再通過差分信號放大器進(jìn)行放大，放大后的電壓信號經(jīng)過AD模數(shù)轉(zhuǎn)換后傳送至微控制器中進(jìn)行濾波處理。置位/復(fù)位信號發(fā)生部分產(chǎn)生大電流脈沖使磁阻傳感器的磁疇方向一致，來提高磁阻傳感器的靈敏度［4］。

1.1 置位/復(fù)位脈沖電路

本文設(shè)計的磁強(qiáng)計通過微控制器產(chǎn)生置位SET和復(fù)位RESET控制信號，控制HEXFET驅(qū)動器的P和N溝道產(chǎn)生TSR和TRS延時，在其旁路電容中進(jìn)行充放電，從而得到一電流脈沖，使得磁阻傳感器進(jìn)行了置位和復(fù)位。電路產(chǎn)生的置位/復(fù)位信號S/R如圖3所示。

圖3 置位復(fù)位信號波形圖

經(jīng)過置位或者復(fù)位以后，磁阻傳感器的輸出并不相同，從圖4中可以看出，磁阻傳感器在置位/復(fù)位以后，其斜率方向和大小均發(fā)生了改變［5］。

圖4 磁阻傳感器輸出特性曲線

當(dāng)需要高準(zhǔn)確度測量磁場的時候，需要結(jié)合置位/復(fù)位信號來獲取磁場信息。在每次測量磁阻傳感器的輸出時，先進(jìn)行置位，讀取磁阻傳感器置位輸出電壓Vset，然后進(jìn)行復(fù)位，讀取磁阻傳感器復(fù)位輸出電壓Vreset。再對兩者相加除以2來獲得如圖4所示的電橋偏置值Voffset，如式(1)所示。

然后用Vset減去Voffset來獲得磁阻傳感器的實際輸出值，這樣能夠消除因溫度漂移和電路參數(shù)漂移等共模信號造成的影響［6］，從而得出一個與待測磁場成正比例的輸出。

1.2 電橋補(bǔ)償

當(dāng)被測磁場強(qiáng)度為零時，惠斯頓電橋應(yīng)該平衡，兩個抽頭間的電壓差為零。但是實際上由于電阻本身的容差，以及傳感器電橋參考基準(zhǔn)電壓的誤差導(dǎo)致電橋不平衡。因此我們采用在磁阻傳感器的惠斯頓電橋的一個或多個臂上并聯(lián)電阻對固有失配進(jìn)行補(bǔ)償，來實現(xiàn)零點(diǎn)的校正。

圖5中Vin+、Vin－為磁阻傳感器的正向電橋和負(fù)向電橋輸出電壓，RG為差分放大器的增益電阻，VREF為差分放大器的參考電壓，本文中采用2.5V。其輸出Vout的值如式(2)所示:

圖5 差分放大器電路

通過置位/復(fù)位使得磁阻傳感器的輸出極性相反，但是輸出端上的電橋偏置電壓大小則保持恒定。圖6中表示置位/復(fù)位時的電橋偏置電壓輸出。

圖6 切換電橋偏置電壓輸出

置位/復(fù)位以后的磁阻傳感器輸出經(jīng)過差分放大后為Vset和Vreset，通過式(3)，可得經(jīng)過差分放大后的電橋偏置Vb_offset為:

從式(3)看出，可以通過檢測Vset和Vreset的值來判斷惠斯頓電橋是正向或負(fù)向偏置。在表1中可以看出補(bǔ)償前Vset和Vreset之和為3.8 V小于兩倍的VREF(5 V)，因此可以判斷磁阻傳感器存在負(fù)向電橋偏置，即當(dāng)被測磁場為零時，圖中的Vin－輸出要大于Vin+輸出。于是在Vin－輸出端為R4并聯(lián)一個接地的電阻R6來減小Vin－端的輸出電壓，阻值的確定可由式(3)和惠斯頓電橋公式算得。補(bǔ)償后的Vset和Vreset的輸出如表1所示:

表1 補(bǔ)償前后的Vset/V和Vreset/V

從表1中可以看出，補(bǔ)償后的Vset和Vreset之和接近5 V，由此反推出校準(zhǔn)后磁阻傳感器的電橋偏置接近于零。

1.3 采樣信號處理

磁阻傳感器檢測的地球磁場信號十分微弱，很容易受到外界工作環(huán)境的干擾。尤其是在地面進(jìn)行測試工作時，受到50 Hz左右的工頻以及其倍頻的干擾，使得檢測準(zhǔn)確度大大降低，甚至影響其正常工作［7］。從圖7中可以看出磁阻傳感器的輸出疊加了50 Hz左右的工頻干擾信號。

因此在本設(shè)計中選用的AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器為Cirrus Logic公司生產(chǎn)的20 bit串行模/數(shù)轉(zhuǎn)換器CS5513，其內(nèi)部包括一個4階Δ－Σ調(diào)制器和一個數(shù)字梳狀濾波器。CS5513內(nèi)部的梳狀濾波器在47 Hz～63 Hz的頻率范圍內(nèi)，存在－80 dB以下的衰減，同時在100 Hz時也有比較明顯的衰減［8］。通過梳狀濾波器的這種頻率響應(yīng)特性，對50 Hz工頻以及其倍頻起到了很好的衰減作用，極大程度上抑制了它帶來的干擾。在某一固定軸存在強(qiáng)工頻電磁干擾的情況下，采用普通AD轉(zhuǎn)換器和本文采用CS5513的磁強(qiáng)計的輸出結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖7 工頻干擾后的輸出

圖8 采用普通AD的磁強(qiáng)計的輸出

圖9 本文的磁強(qiáng)計的輸出

從上圖可以看出采用普通AD轉(zhuǎn)換器的磁強(qiáng)計的輸出受到很大的工頻干擾，波動較大。而采用CS5513的本文磁強(qiáng)計能夠有效的濾去干擾，輸出十分穩(wěn)定。

經(jīng)過AD采樣后的數(shù)據(jù)在單片機(jī)中進(jìn)行均值處理，其功能相當(dāng)于一個低通濾波器，濾去奇異點(diǎn)，減少由于置位/復(fù)位的開關(guān)動作和環(huán)境磁場干擾產(chǎn)生的噪聲，從而降低系統(tǒng)噪聲。

1.4 磁強(qiáng)計輸出標(biāo)定

為了能夠測量地球磁場的真實值，我們對本文磁強(qiáng)計的輸出值進(jìn)行歸一化標(biāo)定［9］。標(biāo)定過程中以HONEYWELL公司的HMR2300作為參照，該磁強(qiáng)計的輸出結(jié)果能夠真實反映所測磁場大小。

本文中磁強(qiáng)計的輸出大小取決于前端模擬放大部分的設(shè)定倍數(shù)?？梢酝ㄟ^改變運(yùn)算放大器的外接電阻RG來調(diào)整放大倍數(shù)，即調(diào)整磁強(qiáng)計的標(biāo)度因數(shù)。

實驗中將HMR2300和本文的磁強(qiáng)計分別水平置于轉(zhuǎn)臺上，通過實時采樣數(shù)據(jù)找出輸出值的最大值和最小值，計算它們之間的差值。假定HMR2300的標(biāo)度因數(shù)為1，由式(4)計算磁強(qiáng)計的標(biāo)度因數(shù)α。

式中Hmax、Hmin為本文設(shè)計的磁強(qiáng)計的最大值和最小值，H'max、H'min為HMR2300的最大值和最小值。

根據(jù)磁強(qiáng)計的標(biāo)度因數(shù)，計算替換所需的電阻值。調(diào)整后重新測試，檢查標(biāo)度因數(shù)是否在0.95～1.05之間，如不滿足要求，則需要再次進(jìn)行標(biāo)定。測得HMR2300和磁強(qiáng)計的極值如表2所示。

表2 磁強(qiáng)計的標(biāo)度因數(shù)

可以發(fā)現(xiàn)，補(bǔ)償過后磁強(qiáng)計的標(biāo)度因數(shù)在0.99左右，也即磁強(qiáng)計的測量值應(yīng)為實際待測磁場的真實大小。

2 磁強(qiáng)計測試及結(jié)果分析

2.1 磁強(qiáng)計標(biāo)度因數(shù)測試

為了驗證上文提及的磁強(qiáng)計輸出標(biāo)定方法的有效性，我們在北京某零磁場實驗室進(jìn)行了磁強(qiáng)計的標(biāo)度因數(shù)實驗。實驗過程中把磁強(qiáng)計固定在零磁環(huán)境下的轉(zhuǎn)臺上，使Z軸指向垂直方向，操作零磁場環(huán)境，設(shè)置系統(tǒng)位置的磁場強(qiáng)度，并通過采樣軟件采集數(shù)據(jù)。X軸和Y軸的測量過程與Z軸相似。

本文設(shè)計的磁強(qiáng)計的X軸輸出與環(huán)境磁場的線性關(guān)系如圖10所示，其它軸情況與之相似。

圖10 零磁環(huán)境下磁強(qiáng)計X軸輸出

實驗中測得本文磁強(qiáng)計與環(huán)境磁場的輸入輸出關(guān)系如表3所示。

表3 磁強(qiáng)計與環(huán)境磁場的關(guān)系

表中x為標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境磁場，y為磁強(qiáng)計輸出。

由上表可以看出本文磁強(qiáng)計的各軸輸出與標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境磁場有很好的線性關(guān)系，從而驗證該標(biāo)定方法的有效性。

2.2 磁強(qiáng)計輸出誤差測試

為了測試磁強(qiáng)計的準(zhǔn)確度，我們在室內(nèi)普通環(huán)境中進(jìn)行了地面測試。測試環(huán)境中存在諸多干擾因素，比如穩(wěn)壓源、星上通信器件以及其它用電設(shè)備的電磁干擾。實驗中將磁強(qiáng)計水平放置于測試平臺上，盡可能關(guān)閉其它用電設(shè)備，將環(huán)境干擾降到最小［10－11］。

磁強(qiáng)計的X軸測量誤差如圖11所示，其它軸與X軸相似。

圖11 磁強(qiáng)計X軸輸出

磁強(qiáng)計的測量誤差如表4所示。

表4 磁強(qiáng)計的測量誤差(1σ)

從表中可以看出磁強(qiáng)計在室內(nèi)電磁干擾的條件下，仍能夠保持高準(zhǔn)確度，三軸測量誤差接近10－8Tesla。

2.3 磁強(qiáng)計動態(tài)響應(yīng)測試

皮衛(wèi)星在太空運(yùn)行期間可能因為異常情況出現(xiàn)大角度翻滾，因此有必要在一定角速度旋轉(zhuǎn)的情況下，測量磁強(qiáng)計的動態(tài)響應(yīng)特性。實驗過程中將磁強(qiáng)計放置于轉(zhuǎn)臺上，設(shè)定轉(zhuǎn)臺的角速度，記錄一段時間的采樣數(shù)據(jù)。

轉(zhuǎn)臺的角速度為10°/s時磁強(qiáng)計的測試結(jié)果如圖12所示。

圖12 磁強(qiáng)計動態(tài)響應(yīng)曲線

由上圖可見磁強(qiáng)計在旋轉(zhuǎn)過程中X、Y軸的磁場測量值呈三角函數(shù)變化，Z軸測試結(jié)果與X、Y軸相似，與理論相吻合［12－13］。可以看出磁強(qiáng)計在角速度10°/s時可以正常完成磁場的測量任務(wù)。

3 結(jié)論

本文設(shè)計的地球磁場測量系統(tǒng)滿足了皮衛(wèi)星的各方面要求，該測量系統(tǒng)中所設(shè)計的磁強(qiáng)計體積小、重量輕、功耗低、接口簡單、測量準(zhǔn)確度高，能夠有效的抗空間復(fù)雜環(huán)境的干擾，滿足皮衛(wèi)星的要求。在2010年9月成功發(fā)射的浙江大學(xué)ZDPS－1A皮衛(wèi)星中，該地球磁場測量系統(tǒng)工作正常。

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