阅读说明：本技术 一种保持磁强计最优灵敏度的系统及方法 (System and method for maintaining optimal sensitivity of magnetometer ) 是由 刘吉利 孟超 李建朋 付明睿 胡隽 李恺 李建鹏 谷宝娟 刘琦 岳文杰 于 2020-07-16 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种保持磁强计最优灵敏度的系统及方法,可用来实时自动校准、保持磁强计的最优灵敏度,适用于星载磁强计等长时间连续测试、无法进行人工校准的应用场合。通过增加斜置S磁传感器的方式,在残差模块不同的判断阈值下,对三个正交的磁传感器进行数据处理和置位、复位操作,使得系统能够实时地保持最优的灵敏度,同时显著减少了三正交磁传感器的置位、复位操作,大幅降低了系统的功耗。本发明能够显著地保持系统测量的准确性以及最优灵敏度,同时通过减少系统的置位、复位操作次数,降低了系统的功耗,同时还提高了系统的可靠性等。(The invention relates to a system and a method for keeping the optimal sensitivity of a magnetometer, which can be used for automatically calibrating in real time and keeping the optimal sensitivity of the magnetometer and are suitable for application occasions where the satellite-borne magnetometer is continuously tested for a long time and manual calibration cannot be carried out. By adding the oblique S magnetic sensors, under different judgment thresholds of the residual error module, data processing, setting and resetting operations are performed on the three orthogonal magnetic sensors, so that the system can keep optimal sensitivity in real time, the setting and resetting operations of the three orthogonal magnetic sensors are obviously reduced, and the power consumption of the system is greatly reduced. The invention can obviously keep the accuracy and the optimal sensitivity of system measurement, and simultaneously reduces the power consumption of the system and improves the reliability of the system and the like by reducing the times of setting and resetting operations of the system.)

一种保持磁强计最优灵敏度的系统及方法

技术领域

本发明涉及一种保持磁强计最优灵敏度的系统及方法，可用来实时自动校准、保持磁强计的最优灵敏度，适用于星载磁强计等长时间连续测试、无法进行人工校准的应用场合。

背景技术

基于各向异性磁阻效应(AMR)的磁强计具有灵敏度高、体积小、便于安装等优点，可以用来辅助测量低轨道微小卫星姿态的变化，此类磁强计通常由三个正交配置的AMR磁传感器构成。AMR磁传感器的基本结构是由四个磁阻组成的惠斯通电桥，当电桥上有外界偏置磁场施加时，两个相对放置的电阻的磁化方向就会朝着电流方向转动，相应的这两个电阻的阻值会增加；而另外两个相对放置的电阻的阻值会减小，通过测量电桥两输出端的差压信号，就可以得到外界磁场值。

基于AMR磁传感器的磁强计通过测量微小卫星与所处轨道地磁场夹角的变化，来测量卫星姿态的变化，通常需在轨连续工作数月或数年。随着长时间的加电工作，AMR磁传感器内部初始的磁畴极化方向会发生偏转，从而给磁场的测量带来附加偏置量，影响磁场测量的准确性，而且磁畴极化的强度也会衰退，造成磁强计测量灵敏度的下降。磁强计应用于低轨道卫星姿态测量时，还面临着空间辐射等特殊环境干扰，这也会造成磁强计测量灵敏度的下降。此外，低轨道处的地磁场相对于地表变得更加微弱，为保证卫星姿态的准确测量，同样需要磁强计实时保持最优的灵敏度。

磁强计应用于地表地磁场测量时，可以利用外部校准设备采用人工校准标定的方式，来保持磁强计的最优灵敏度。当磁强计应用于空间轨道长时间的地磁测量时，无法通过人工校准的方式来保证磁强计的最优灵敏度。

传统的磁强计都是在采集测量数据前，实时对磁传感器进行置位、复位操作。这种方式虽然能够保持磁强计测量的灵敏度，但是由于置位、复位操作需要大的脉冲电流，给系统带来了大的功率消耗。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种保持磁强计最优灵敏度的系统及方法：该系统及方法通过增加一个斜置的磁传感器，且与其它三个正交配置的磁传感器保持一定的夹角，该斜置的磁传感器在置位、复位模块的辅助下进行残差估计，进而对其它三个正交配置的磁传感器进行操作处理。本发明简单、可靠，无需人工校准，显著降低了系统功耗，提高了磁强计测量的准确性和可靠性。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：

一种保持磁强计最优灵敏度的系统，包括S磁传感器，X磁传感器，Y磁传感器，Z磁传感器，置位、复位模块，残差估计模块，开关1模块，开关2模块以及输出控制模块；

X磁传感器，Y磁传感器，Z磁传感器为两两互相正交安装；

所述的S磁传感器为斜置安装，与X磁传感器的固定夹角为α，与Y磁传感器的固定夹角为β，与Z磁传感器的固定夹角为γ；其中α、β以及γ三者之间两两不相等；

所述的置位、复位模块用于对S磁传感器以设定的周期进行置位和复位两种操作，置位、复位模块还用于在开关2模块处于开启状态时对X磁传感器、Y磁传感器和Z磁传感器同时进行置位和复位操作；

所述的S磁传感器用于输出置位后的输出信号S+，还用于输出复位后的输出信号S-，并将产生的输出信号S+和输出信号S-输出给残差估计模块；当开关1模块处于开启状态时，S磁传感器还用于将输出信号S-输出给输出控制模块；

所述的残差估计模块用于接收到输出信号S+和输出信号S-，并对接收到的输出信号S+和输出信号S-进行残差处理后输出判断阈值P1给开关1模块，输出判断阈值P2给开关2模块；当判断阈值P1为1时，开关1模块开启，当判断阈值P1不为1时，开关1模块处于关闭状态，当判断阈值P2为1时，开关2模块开启，当判断阈值P2不为1时，开关2模块处于关闭状态；

所述的输出控制模块用于接收当开关1模块处于开启状态时，S磁传感器输出的输出信号S-，输出控制模块还用于接收X磁传感器的输出信号S_x、Y磁传感器的输出信号S_y和Z磁传感器的输出信号S_z，当开关1模块处于开启状态时，输出控制模块对接收到的信号进行信号处理，产生修正的S_x’信号、S_y’信号和S_z’信号用于卫星的三轴控制；

置位、复位模块对S磁传感器的极化电阻带实时进行置位、复位两种操作，一个完整的操作周期为f₀＝48kHz，其中置位与复位操作所持续的时间均为：

所述的残差处理的过程为：

第一步，残差估计模块将置位后S磁传感器的输出信号S+处理为：

第二步，残差估计模块将复位后S磁传感器的输出信号S-处理为：

第三步，残差估计模块根据式(2)和式(3)，进行如下数据处理：

第四步，残差估计模块根据式(4)，进行判断，并给出判断阈值：

即残差估计模块根据式(2)～(5)，设定判断阈值P1以及P2的数值，其中Y₀为预设的残差常值；

当开关1模块处于开启状态时，输出控制模块对接收到的信号进行信号处理的方法为：

一种保持磁强计最优灵敏度的方法，步骤包括：

(1)置位、复位模块以设定的周期对S磁传感器进行置位和复位两种操作；

(2)S磁传感器在置位、复位模块作用下产生置位后的输出信号S+和复位后的输出信号S-，并将S+以及S-信号输出给残差估计模块；

(3)残差估计模块对接收到的输出信号S+和输出信号S-进行残差处理，计算得到输出判断阈值P1，输出给开关1模块，计算得到输出判断阈值P2，输出给开关2模块；

(4)当判断阈值P1为1时，开启开关1模块，当判断阈值P1不为1时，关闭开关1模块，当判断阈值P2为1时，开启开关2模块，当判断阈值P2不为1时，关闭开关2模块；

(5)当开关1模块开启时，输出控制模块将接收到的S磁传感器输出的输出信号S-，X磁传感器的输出信号S_x、Y磁传感器的输出信号S_y和Z磁传感器的输出信号S_z进行处理，产生修正的S_x’信号、S_y’信号和S_z’信号用于卫星的三轴控制；

(6)当开关2模块开启时，置位、复位模块对X磁传感器、Y磁传感器和Z磁传感器同时进行置位和复位操作。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

(1)本发明增加S磁传感器，实时进行残差估计，根据估计的判断阈值，对其它三个磁传感器进行控制、操作，本发明无需人工校准，能够实时地保持磁强计的最优灵敏度。

(2)S磁传感器实时进行置位、复位操作，输出控制模块进行S磁传感器与X磁传感器、Y磁传感器、Z磁传感器的输出操作处理，使X磁传感器、Y磁传感器、Z磁传感器的磁场测量更加准确。

(3)本发明降低了X磁传感器、Y磁传感器、Z磁传感器在长期使用过程中的置位、复位操作次数，即减少了大电流脉冲的使用，显著降低了系统的功率消耗。

(4)置位操作通过对S磁传感器的极化电阻带实施幅值为4安培、宽度为50纳秒的正相大电流实现，此时S磁传感器的输出信号记为S+；复位操作通过对S磁传感器的极化电阻带实施幅值为4安培、宽度为50纳秒的负相大电流实现，此时S磁传感器的输出信号记为S-；X磁传感器、Y磁传感器以及Z磁传感器的极化电阻带是串联连接的；实施幅值为4安培、宽度为50纳秒的正相大电流同时实现了X磁传感器、Y磁传感器以及Z磁传感器的置位操作；实施幅值为4安培、宽度为50纳秒的负相大电流同时实现了X磁传感器、Y磁传感器以及Z磁传感器的复位操作；

(5)本发明提出的保持磁强计最优灵敏度的系统及方法，通过增加斜置S磁传感器的方式，在残差模块不同的判断阈值下，对三个正交的磁传感器进行数据处理和置位、复位操作，使得系统能够实时地保持最优的灵敏度，同时显著减少了三正交磁传感器的置位、复位操作，大幅降低了系统的功耗。本发明能够显著地保持系统测量的准确性以及最优灵敏度，同时通过减少系统的置位、复位操作次数，降低了系统的功耗，同时还提高了系统的可靠性等。

附图说明

图1为本发明的S磁传感器与三正交磁传感器的安装配置示意图；

图2为本发明系统的组成框图；

图3为三正交磁传感器极化电阻带的串联连接方式示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。

一种保持磁强计最优灵敏度的系统，其具体实施方式为：

如图2所示，主要组成为S磁传感器1，置位、复位模块6，残差估计模块5，开关1模块7，开关2模块8以及输出控制模块9。

发明系统的四个磁传感器的安装配置方式如图1所示：X磁传感器2、Y磁传感器3以及Z磁传感器4为两两相互正交安装；S磁传感器1为斜置安装，且与X磁传感器2、Y磁传感器3以及Z磁传感器4之间的安装夹角分别为α、β以及γ，其中α、β以及γ三者之间两两不相等。

X磁传感器2、Y磁传感器3以及Z磁传感器4主要用来完成卫星三个轴向X轴、Y轴以及Z轴的偏转角度姿态；S磁传感器1通过残差估计模块5用来辅助和控制X磁传感器2、Y磁传感器3以及Z磁传感器4。

一种保持磁强计最优灵敏度的方法，其具体实施方式为：

置位、复位模块6对S磁传感器1的极化电阻带实时进行置位、复位两种操作。一个完整的操作周期为f₀＝48kHz，其中置位与复位操作所持续的时间均约为：

置位操作通过对S磁传感器的极化电阻带实施幅值为4安培、宽度为50纳秒的正相大电流实现，此时S磁传感器的输出信号记为S+；复位操作通过对S磁传感器的极化电阻带实施幅值为4安培、宽度为50纳秒的负相大电流实现，此时S磁传感器的输出信号记为S-；

残差估计模块5根据置位、复位后S磁传感器的输出信号进行残差估计，并给出判断阈值，具体方法为：

残差估计模块5首先将置位后S磁传感器的输出信号S+处理为：

残差估计模块5首先将复位后S磁传感器的输出信号S-处理为：

然后，残差估计模块5根据式(2)和式(3)，进行如下数据处理：

最后，残差估计模块5根据式(4)，进行判断，并给出判断阈值：

即残差模块5根据式(2)～(5)，设定判断阈值P1以及P2的数值，其中Y₀为预设的残差常值；

当判断阈值P1为1时，开关1模块7开启，此时输出控制模块9进行S磁传感器1与X磁传感器2、Y磁传感器3以及Z磁传感器4的输出操作处理，具体处理为：

其中，S_x、S_x以及S_z分别为X磁传感器2、Y磁传感器3以及Z磁传感器4的原始输出；S_x'、S_y'以及S_z'为系统磁强计最终的Z轴、Y轴以及Z轴的测量输出。

当判断阈值P2为1时，开关2模块8开启，置位、复位模块6对X磁传感器2、Y磁传感器3以及Z磁传感器4进行置位、复位操作。X磁传感器2、Y磁传感器3以及Z磁传感器4的极化电阻带是串联连接的，如图3所示。实施幅值为4安培、宽度为50纳秒的正相大电流同时实现了X磁传感器2、Y磁传感器3以及Z磁传感器4的置位操作；实施幅值为4安培、宽度为50纳秒的负相大电流同时实现了X磁传感器2、Y磁传感器3以及Z磁传感器4的复位操作；

综上所述，本发明提出的保持磁强计最优灵敏度的系统及方法，通过增加斜置S磁传感器的方式，在残差模块不同的判断阈值下，对三个正交的磁传感器进行数据处理和置位、复位操作，使得系统能够实时地保持最优的灵敏度，同时显著减少了三正交磁传感器的置位、复位操作，大幅降低了系统的功耗。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。