CN103698589A

CN103698589A - 一种卫星表面电位监测装置

Info

Publication number: CN103698589A
Application number: CN201310619169.0A
Authority: CN
Inventors: 薛玉雄; 安恒; 杨生胜; 秦晓刚; 汤道坦; 李存惠; 马亚莉; 柳青; 把得东; 石红
Original assignee: Lanzhou Institute of Physics of Chinese Academy of Space Technology
Current assignee: Lanzhou Institute of Physics of Chinese Academy of Space Technology
Priority date: 2013-11-28
Filing date: 2013-11-28
Publication date: 2014-04-02

Abstract

本发明属于空间辐射效应及加固技术领域，具体涉及一种卫星表面电位监测装置。包括电位传感器、采样电容、采样开关、高输入阻抗电压跟随器、电平偏移及比例变换器、可编程增益放大器、A/D采样及转换装置、微控制器、存储器和通信接口；本发明能够实现空间表面电位的实时监测，为进一步实现卫星在轨故障管理提供支撑，并为卫星抗辐射加固设计提供数据输入。

Description

一种卫星表面电位监测装置

技术领域

本发明属于空间辐射效应及加固技术领域，具体涉及一种卫星表面电位监测装置。

背景技术

运行于空间等离子体环境的卫星，其卫星表面材料与等离子体相互作用，使得卫星表面的电位与卫星结构体以及周围环境电位不一致，而表现出卫星的表面带有不同电位的电压，其电位高达数百伏特，甚至数千伏特。卫星的表面充电效应不仅会影响载荷的正常工作，而且会影响卫星自身的在轨安全，严重的会直接产生灾难性的故障，已成为制约我国卫星在轨安全运行的重要瓶颈问题之一。

“十二五”及后续几年，是我国航天重大工程实施和军用卫星批量装备的高峰时期，二代导航二期卫星将运行在更恶劣的新环境，“高分”工程将采用大型天线等新载荷，高功率和大尺寸卫星及二代导航全球定位系统将陆续投入使用，以及新型军用通信卫星将采用电推进和更大功率供配电系统等新技术，这些新变化将导致卫星充放电效应问题更加突出。另外，随着航天技术的不断发展，卫星防护技术也需要不断的进步。目前，我国在轨卫星多，而且分布的轨道空间也较以往有很大程度的扩展，这也迫使需要准确了解卫星在轨时的表面电位，以为航天器在轨管理和防护设计提供参考依据。因此，如何快速、准确、地监测卫星表面充电电位，已成为卫星防护设计中的一项重要内容。目前，现有的卫星表面充电电位探测方法，虽然能够实现表面电位的测量，但是其测量范围有限，精度也有待提高。为此，提出了一种测量范围宽，响应速度快的卫星表面电位监测装置，利用该装置可实现卫星表面电位的定时、精确监测，也可为卫星防护设计与研制提供有力的工程参考。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，设计一种卫星表面电位监测装置，该装置能够满足卫星表面带电辐射防护的需求，具有实时通断以及分段测量的特点，可实现卫星表面电位的在轨实时监测，也可为卫星在轨管理和辐射防护提供工程参考。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是设计一种卫星表面电位监测装置，包括电位传感器、采样电容、采样开关、高输入阻抗电压跟随器、电平偏移及比例变换器、可编程增益放大器、A/D采样及转换装置、微控制器、存储器和通信接口；

其连接关系在于：所述电位传感器与所述采样电容的一端相连，所述采样电容的另一端与所述采样开关、高输入阻抗电压跟随器、电平偏移及比例变换器、可编程增益放大器、A/D采样及转换装置、微控制器依次串联；所述微控制器还与所述通信接口和存储器相连；

所述电位传感器感应卫星表面电位，获取电压信号并将所述电压模拟信号传送至所述采样电容；

所述采样电容对接收到的电压模拟信号进行分压；

所述采样开关在微控制器的控制指令下，用于采集所述采样电容的分压电压模拟信号，并将该所述分压电压模拟信号传送至所述高输入阻抗电压跟随器；

所述高输入阻抗电压跟随器对所述分压电压模拟信号进行阻抗变换为等值等幅分压电压模拟信号，并将该等值等幅分压电压模拟信号传送至所述电平偏移及比例变换器；

所述电平偏移及比例变换器对接收到的等值等幅分压电压模拟信号进行基准偏移调整后，将其发送至所述可编程增益放大器；

所述可编程增益放大器将得到调整的等值等幅分压电压模拟信号进行数据放大，并将放大后的分压电压模拟信号发送至所述A/D采样及转换装置；

所述A/D采样及转换装置将接收到放大后的分压电压模拟信号转换为数字信号，并将该数字信号发送至所述微控制器；

所述微控制器为整个装置的信号采集控制指令，控制整个监测装置的时序；同时，控制所述A/D采样及转换装置进行模数转换，并接收所述数字信号，并将该数字信号发送至所述存储器存储或者通过通信接口向外输出。

还包括隔离装置，所述隔离装置设置在所述采样电容和采样开关之间。

所述采样开关为继电器的一种。

等离子体照射电位传感器，在电位传感器表面不断沉积电荷，其电压不断累积升高，在微控制器的指令控制下，采样开关根据电位的大小实时切换不同分压比的采样电容，进行分压处理。由于电位传感器部分具有较高的容性阻抗，为了使得后续电子电路能够得到准确且分压后经高输入阻抗电压跟随器进行阻抗变换，然后由电平偏移及比例变换对电位进行基线调整，再由可编程比例放大器对电位进行合理的比例放大，得到适合后续处理的电压信号，经A/D采样及转换后得到数字式的电压信号，进而由微控制器进行后续的信号处理及变换，并进行存储和显示。

本发明的优点和有益效果在于：

一、本发明能够实现空间表面电位的实时监测，为进一步实现卫星在轨故障管理提供支撑，并为卫星抗辐射加固设计提供数据输入。

二、由于还包括隔离装置，所述隔离装置设置在所述采样电容和采样开关之间。可以有效减小电荷泄放，从一定程度上提高了测量准确度。

三、由于所述采样开关为继电器的一种。可以实现了实时通断，利用不同精度的电容实现了表面电位的测量，实现了表面电位的分段测量。

附图说明

图1为本发明的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明具体实施的技术方案是：一种卫星表面电位监测装置，包括电位传感器、采样电容、采样开关、高输入阻抗电压跟随器、电平偏移及比例变换器、可编程增益放大器、A/D采样及转换装置、微控制器、存储器和通信接口；

所述采样电容对接收到的电压模拟信号进行分压；

所述采样开关为继电器的一种。

空间表面电位监测中，首先将该监测装置的电位传感器放置于卫星表面，然后上电开始实时监测卫星表面的电位，其具体流程如下：

①测量装置上电，初始化参数。

②暴露在空间环境的电位传感器感应卫星表面电位，随着等离子体的不断累积，其电位会不断升高；采样电容对传感器获取的电位以一定分压比进行分压。

③在微控制器的控制指令下，采样开关以固定时间间隔采集采样电容上的分压电压，该分压电压经高输入阻抗电压跟随器进行阻抗变换后，送入电平偏移及比例变换。

④电平偏移及比例变换调整电压信号的基准，再经可编程增益放大器进行比例放大，通过可编程增益放大器可有效扩展A/D采样及转换电路的量程。

⑤在微控制器的指令下，经A/D采样及转换得到数字信号，由数据存储部分对数据存储，同时由通信接口传送到其他电路。

⑥经一定时间间隔后，采样开关闭合，重复步骤③、④、⑤，直到测试结束。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种卫星表面电位监测装置，包括电位传感器、采样电容、采样开关、高输入阻抗电压跟随器、电平偏移及比例变换器、可编程增益放大器、A/D采样及转换装置、微控制器、存储器和通信接口；

其特征在于：所述电位传感器与所述采样电容的一端相连，所述采样电容的另一端与所述采样开关、高输入阻抗电压跟随器、电平偏移及比例变换器、可编程增益放大器、A/D采样及转换装置、微控制器依次串联；所述微控制器还与所述通信接口和存储器相连；

所述采样电容对接收到的电压模拟信号进行分压；

2.根据权利要求1所述的一种卫星表面电位监测装置，其特征在于：还包括隔离装置，所述隔离装置设置在所述采样电容和采样开关之间。

3.根据权利要求1或2所述的一种卫星表面电位监测装置，其特征在于：所述采样开关为继电器的一种。