CN101923122A - 一种提高双探针式星载电场传感器探测精度的方法 - Google Patents

Abstract

一种提高双探针式星载电场传感器探测精度的方法，该方法通过对支撑星载电场传感器球形探头的伸杆进行主动电位控制，确切地说就是使伸杆相对于卫星平台或者球形探头带一定的负电位。计算机模拟结果表明，这种对伸杆进行主动电位控制的方法，可以显著地减小卫星飞行时伸杆切割磁力线产生的感应电动势对电离层和磁层电场测量精度的影响。

Description

一种提高双探针式星载电场传感器探测精度的方法

技术领域

本发明属于传感器领域，具体地涉及一种双探针式星载电场传感器和提高探测精度的方法。

背景技术

电场强度是一个十分重要的跨学科特性参量。电场强度的测量在航空航天、地学与环境检测和工业生产等领域都具有十分重要的应用。星载电场传感器作为卫星的载荷，主要用于实现对电离层或磁层环境电场的测量。采用星载电场传感器对电离层或磁层电场进行探测在下列研究领域具有重大意义：

(1)用于地震、火山等自然灾害的预报研究；

(2)用于空间天气及其对人类活动(包括通讯、导航和GPS定位等)的影响研究；

(3)对电离层、磁层电场的探测有助于科学家进一步深入研究日地关系中的一系列重大物理过程；

(4)在光学与雷达遥感成像观测的基础上，发展电磁非成像遥感技术手段，有助于建立完善的对地观测系统；

(5)可以获取全球的电场分布信息，从而有助于建立全球电磁场模型和全球电离层模型。

双探针式星载电场传感器是通过两个球形探头测量电离层或磁层中两点之间的电位差除以它们之间的距离得到沿这两点方向的电场，通过在卫星平台周围布置不共面的四个或四个以上的传感器敏感探头实现对电离层或磁层三维电场的测量。伸杆用于将球形探头伸出卫星平台一定距离，以减小卫星本体带电对电场探测精度的影响。像法国的Demeter卫星上使用的星载电场传感器(ICE)一样，目前星载电场传感器的伸杆与卫星平台之间采取的都是非绝缘安装，伸杆表面电位与卫星平台的表面电位相等。当伸杆在太空中飞行时，由于切割磁力线的原因，会在伸杆的表面产生一定的感应电动势分布，伸杆上的感应电动势会影响电离层和磁层电场的测量精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种提高双探针式星载电场传感器和提高探测精度的方法，通过对伸杆进行主动电位控制来减小伸杆切割磁力线对电场测量精度的影响。

为实现上述目的，本发明提供的双探针式星载电场传感器，在卫星平台的四周安装不共面的四个或四个以上星载电场传感器敏感探头，每一星载电场传感器敏感探头由球形探头、球形探头两侧的圆柱形电极，以及将球形探头伸出卫星平台外面的伸杆组成；圆柱形电极包括第一圆柱形电极和第二圆柱形电极，第一圆柱形电极和第二圆柱形电极对称地安装在球形探头轴线的两端，以保持传感器结构对称，减小卫星飞行尾迹效应对探测精度的影响，根据实际需要，两个圆柱形电极的长度可以相等或不相等；第一圆柱形电极的另一端与伸杆连接，伸杆连接在卫星平台上。第一圆柱形电极与第二圆柱形电极和球形探头之间采用绝缘连接。伸杆与卫星平台之间采用绝缘连接。

本发明提供的提高上述双探针式星载电场传感器探测精度的方法，是使第一圆柱形电极和第二圆柱形电极表面的电位等于球形探头的表面电位，且对伸杆相对于卫星平台或者球形探头施加一负电位，进行主动电位控制以减小卫星飞行时伸杆切割磁力线引起的测量误差。

第一圆柱形电极和第二圆柱形电极表面的电位是通过自举电路等于球形探头的表面电位。

本发明可以显著地减小卫星飞行时伸杆切割磁力线产生的感应电动势对电离层和磁层电场测量精度的影响。

附图说明

图1单个星载电场传感器敏感探头的结构及其仿真模型图；

图2四个星载电场传感器敏感探头在卫星平台上的安装布局图；

图3等离子体浓度为10⁸/m³时球形探头电流收集特性的计算机模拟结果；

图4等离子体浓度为10¹⁰/m³时球形探头电流收集特性的计算机模拟结果；

图5伸杆相对于卫星平台进行负电位主动控制的示意图；

图6伸杆相对于球形探头进行负电位主动控制的示意图。

具体实施方式

本发明是在双探针式星载电场传感器的基础上，提出了一种减小地磁场对电场测量精度影响的方法，具体地说，就是将伸杆与卫星平台之间采取绝缘安装，然后对伸杆上的电位进行主动电位控制，使伸杆上的电位相对于卫星平台或球形探头带上一定的负电位。计算机模拟结果表明这样可以显著减小由于伸杆切割磁力线引起伸杆带电对电场测量精度的影响。

双探针式星载电场传感器如图1所示，单个的星载电场传感器敏感探头由球形探头1、第一圆柱形电极2、第二圆柱形电极3和伸杆4组成，5是计算机模拟中用到是星载电场传感器周围的等离子体及其边界。球形探头1的作用是探测其周围电离层或磁层中等离子体的电位；第一圆柱形电极2和第二圆柱形电极3通过自举电路使其表面电位与球形探头的表面电位相等，第一圆柱形电极2的作用是用于隔离球形探头与伸杆，减小伸杆带电对电场测量精度的影响，第二圆柱形电极3的作用是保持结构的对称，避免由于结构不对称和尾迹效应引起的误差；伸杆4的作用是将球形探头支出卫星平台外一定的距离，一方面可以减小卫星本体带电对电场测量精度的影响，另一方面根据双探针式星载电场传感器的测量原理，可以提高电场探测的分辨力。

如图2所示，可以通过四根伸杆4a、4b、4c和4d在卫星平台6的四周安装不共面的四个球形探头1a、1b、1c和1d，就可以实现对电离层或磁层中三维电场的测量，在实际运用中，有时为了做冗余设计，可以使用四个以上的探头，相应地需要四根以上的伸杆。由于地磁场的存在以及卫星飞行的影响，伸杆会切割磁力线，从而在伸杆上产生一定的感应电动势。伸杆上的电压会引起探头收集电流的变化，从而影响球形探头对等离子体电位的测量精度。本发明采用航天器与等离子体相互作用软件(SpacecraftPlasma Interaction System)对不同伸杆电位下探头的电流收集特性进行了模拟，图3是当等离子浓度为10⁸/m³时的模拟结果，从图中可以看出，伸杆电位朝负方向变化对球形探头收集电流特性的影响要远小于伸杆电位朝正方向变化。图4是当等离子浓度为10¹⁰/m³时的模拟结果，从图中可以看出，当伸杆相对于等离子体带负电时，伸杆上电位的变化对探头的电流收集特性几乎没有影响，但和等离子体浓度比较低的情况一样，如果伸杆相对于等离子体带正电，其正电位大小的变化会显著影响球形探头的电流收集特性，从而影响电场的测量精度。

当卫星的飞行方向与磁场方向如图2所示时，探头1a和探头1b附近伸杆的感应电动势由于切割磁力线的作用正好相反，一个带正电(假如探头1a附近的伸杆感应电场势为+2伏，具体的大小取决于地磁场、卫星飞行速度以及伸杆长度的大小和方向)，一个带负电(假如探头1b附近的伸杆感应电场势为-2伏)。如果不对伸杆进行主动电位控制，探头1a对等离子体电位的测量精度较差，球形探头1b对等离子体电位的测量精度较高。由于双探针式星载电场传感器是通过电位差除以距离得到电场，从而对电场的测量精度有较大的影响。

如果此时对伸杆上的电位进行主动控制，使其相对于周围的等离子体带负电，例如使其相对于周围的等离子电位为-2时，由于切割磁力线的作用，探头1a附近伸杆的感应电动势为+2伏，而探头1b附近伸杆的感应电动势为-2伏，由于对伸杆施加了主动电位控制，叠加以后，探头1a附近伸杆相对于等离子体的电位为0伏，探头1b附近伸杆相对于等离子体的电位为-4伏，根据前面的模拟结果，由于伸杆上的电位都在负的方向变化，从而对电场测量精度的影响较小。

由于等离子体的电位是未知的，所以较难以对伸杆上的电位相对于周围的等离子体进行主动控制，具体实施时，可以如图5那样使四根伸杆相对于卫星平台进行负的主动电位控制，也可以如图6那样，使四根伸杆相对于球形探头进行负的主动电位控制。

Claims (6)

1.一种双探针式星载电场传感器，在卫星平台的四周安装不共面的四个或四个以上星载电场传感器敏感探头，每一星载电场传感器敏感探头由球形探头、球形探头两侧的圆柱形电极，以及将球形探头伸出卫星平台外面的伸杆组成；圆柱形电极包括第一圆柱形电极和第二圆柱形电极，第一圆柱形电极和第二圆柱形电极对称地安装在球形探头轴线的两端，以保持传感器结构对称，减小卫星飞行尾迹效应对探测精度的影响；第一圆柱形电极的另一端与伸杆连接，伸杆连接在卫星平台上。

2.如权利要求1所述的双探针式星载电场传感器，其中，第一圆柱形电极与第二圆柱形电极和球形探头之间采用绝缘连接。

3.如权利要求2所述的双探针式星载电场传感器，其中，伸杆与卫星平台之间采用绝缘连接。

4.如权利要求1或2所述的双探针式星载电场传感器，其中，第一圆柱形电极和第二圆柱形电极的长度相等或不相等。

5.一种提高如权利要求1-4任一项所述双探针式星载电场传感器探测精度的方法，第一圆柱形电极和第二圆柱形电极表面的电位等于球形探头的表面电位，且对伸杆相对于卫星平台或者球形探头施加一负电位，进行主动电位控制以减小卫星飞行时伸杆切割磁力线引起的测量误差。

6.如权利要求5所述的方法，其中，第一圆柱形电极和第二圆柱形电极表面的电位是通过自举电路等于球形探头的表面电位。

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