CN108106670B - 低地球轨道空间环境与效应集成化探测系统 - Google Patents

低地球轨道空间环境与效应集成化探测系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低地球轨道空间环境与效应集成化探测系统，主要包括电子探测器、离子探测器、原子氧探测器、温度传感器、电位探测器、污染探测器等，所有电路集成到电路板中，其中六面体壳体的任意三个成直角的面上分别设置电子探测器和粒子探测器且一个侧面上还设置温度传感器、原子氧探测器，另一相邻侧面上还设置电位探测器、污染探测器及温度传感器，第三侧面上设置所有电路集成化的电路板。本发明大幅降低空间环境及效应探测装置的体积、功耗和重量，重量将降低60％以上，累计体积将降低80％以上，功耗将降低30％以上且一套装置实现7种以上的探测功能。

Description

低地球轨道空间环境与效应集成化探测系统
技术领域
本发明属于空间环境与效应探测技术领域，具体而言，本发明涉及一种低地球轨道空间环境与效应集成化探测系统。
背景技术
在航天器运行空间的低地球轨道(LEO)空间环境中，航天器在将遭受多重空间环境的作用，包括真空、温度、各种粒子辐射(电子、质子、重离子等)、原子氧、诱发的污染环境等，可引起航天器产生单粒子效应、电离总剂量效应、原子氧侵蚀效应、表面充放电效应、污染效应等，是引起航天器在轨故障甚至失效的主要来源，严重影响航天器的在轨安全和可靠性。
目前，空间环境与效应的在轨探测也成为航天器空间运行的主要研究方向，国外航天大国和机构如NASA等，主要利用以LDEF、POSA和MISSE等为代表的搭载在低地球轨道(LEO)开展了大量的空间环境与效应探测。长期在轨暴露试验装置(LDEF)是典型的航天材料在轨暴露飞行试验装置，可以对真空、电子、质子、紫外、原子氧、微流星体和空间碎片、银河宇宙射线、热循环等环境及其对航天材料的效应进行长达69个月的在轨监测，获得了大量宝贵数据。POSA飞行暴露装置和MISSE系列试验对空间环境及效应进行了系列在轨研究，其中，OPM的核心设备为三台独立的光学仪器，主要部件包括：反射计、真空紫外分光光度计、总积分散射计(TIS)、分子污染监测器、原子氧监测器、辐射监测器等。单粒子效应主要是利用UoSAT系列卫星、SAMPEX卫星、APEX卫星等的在轨数据进行单粒子效应的实时监测与分析。利用SAMPIE、PIX-Ⅰ、PIX－Ⅱ、SFU、IPRE等专用或兼用卫星或试验装置开展了多次等离子体效应飞行实验研究工作。
而我国自1971年3月发射“实践一号”(SJ-1)科学试验卫星开始空间辐射环境天基探测以来，以搭载方式或专门的探测卫星开展了航天器轨道的空间辐射环境及效应的飞行试验。在40多年的时间内，先后发射了用于空间环境探测的专业卫星和搭载卫星30余颗目前开展的天基空间辐射环境及效应探测主要包括高能带电粒子、低能带电粒子、太阳x射线、单粒子效应、卫星表面充电、辐射剂量等。
国内常用的单一功能探测器的重量和功耗等见表1(不完全统计)。
表1低地球轨道空间环境探测器的重量、体积、功耗一览表
Figure BDA0001509927060000021
Figure BDA0001509927060000031
在LEO轨道，我国通过发射“实践”系列专用卫星或搭载装置，对电子、质子、重离子、X射线等环境，对电位差、单粒子效应等环境效应进行了探测。利用“神舟”系列飞船的搭载机会，开展了质子、重离子、电子、单粒子效应、表面充放电效应器、大气密度、大气成分等的探测。利用“资源”系列卫星的搭载机会，对电子、质子和重离子等进行了探测。目前国内的空间环境与效应的在轨探测主要是针对单一空间环境或效应探测，尚没有空间环境与效应的集成化探测方法，从而导致对每个单一物质进行探测时就会有一套独立的系统，不能快速、轻便地进行空间所有粒子或物质的探测。但如果实现在一套探测装置上实现多种空间环境及效应的探测，同时做到体积小、重量轻和功耗低，需要从功能和结构上进行系统考虑，存在较大的技术障碍。
发明内容
基于此，本发明的发明目的是提出一种低地球轨道空间环境与效应集成化探测系统，该系统实现低地球轨道空间环境及效应的通用、轻小型和集成化探测，从根本上解决多个单一功能探测载荷带来的重量大、功耗高和体积大带来的问题，从而实现在低地球轨道不同类型航天器的搭载使用。
为此，本发明采用了以下技术方案：
低地球轨道空间环境与效应集成化探测系统，主要包括电子探测器、离子探测器、原子氧探测器、温度传感器、电位探测器、污染探测器以及放置在电路中的总剂量探测器，所有的电路集成到电路板中，其中六面体壳体的任意三个成直角的面上分别设置电子探测器和粒子探测器且其中一个侧面上还设置有温度传感器、原子氧探测器，另一个相邻侧面上还设置有电位探测器、污染探测器及温度传感器，第三个侧面上设置所有电路集成化的电路板。
进一步地，所述集成化探测系统从结构上进行集成，同时将功能相似的部分也进行集成。
其中，电路板将所有电路进行集成，将各电路中相同功能的部件或相同功能的电路结构作为公共电路结构。
进一步地，将需要经过前放和主放之后进行比较的用比较器进行统一集成，将需要经过放大、跟随之后的利用AD转换器进行集成，最终利用一个FPGA进行集成。
其中，电路板具有电源板、信号处理板和信号控制板，电源板主要为整个载荷中的传感器提供所需电源，将一次电源转化成二次电源；信号处理板主要对传感器的前端信号进行处理，给出合理的模拟信号来；信号控制板主要数据采集、控制、通讯，包括对信号处理板来的信号进行模数变换(A/D)，送到FPGA进行采集，并且实现与外部的通讯。
其中，离子探测器包括质子和重离子的探测器。
其中，污染探测器为石英晶体微量天平。
本发明通过实现低地球轨道多种空间环境和效应的通用轻小型化集成化设计，可以达到以下几方面的效果。
一是大幅降低空间环境及效应探测装置的体积、功耗和重量。
重量将降低60％以上，累计体积将降低80％以上，功耗将降低30％以上。
二是同时获得多种空间环境和效应的在轨数据，可以利用一套装置实现7种以上的探测功能。
三是与单一功能空间环境与效应探测装置相比较，具有十分重大的意义。
(1)获取航天器在轨环境与效应的关联数据，是航天器设计与研制的重要参考。
(2)可为航天器在轨故障诊断提供第一手的资料和支持，是航天器的“黑匣子”。
(3)可为空间环境模型改进和建立空间环境动态模型提供基础数据。
(4)对改进地面模拟试验方法具有重要参考价值。
(5)利用空间飞行试验数据，建立航天器空间环境效应的性能演化模型，进行长寿命性能退化预示。
附图说明
图1是本发明一具体实施方式的低地球轨道空间环境与效应集成化探测系统的结构示意图。
其中，1为电子探测器；2为离子探测器；3为原子氧探测器；4为温度传感器；5为电位探测器；6为污染探测器；7为总剂量探测器，8为电源板，9为信号处理板，10为信号控制板。
图2为本发明的探测系统中探测电路的功能集成示意图。
图3为本发明的探测系统中电路整体集成示意图。
图4为本发明的探测系统中电路板分工及排列示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明，但这仅仅是示例性的，并不旨在对本发明的保护范围进行任何限制。
为实现航天材料环境效应监测仪的小型化，监测仪采用模块化、集成化设计。各传感器均采用小型化设计方案，集中控制，不设冗余，在保证多功能探测的前提下，紧凑、高效，其中：
第一，系统梳理和分析拟探测的低地球轨道空间环境和效应。
第二，根据拟探测的空间环境或效应的特点设计探测器的基本功能布局，主要是探测环境或效应的朝向和数量。
第三，确定好需要探测的项目和需要的载荷数量以及朝向之后，对每种探测载荷的安装位置进行统筹规划布局，以实现“小型化”。
第四，将不同探测载荷的功能相似的部分进行功能集成，如将探测电路按照不同的功能进行集成，以实现“集成化”和“轻量化”。
从结构集成上来说，在保证基本功能的前提下，将功能相似的部分进行集成，图1显示了本发明一具体实施方式的低地球轨道空间环境与效应集成化探测系统的结构示意图。其中，该低地球轨道空间环境与效应集成化探测系统，主要包括电子探测器1、离子探测器2、原子氧探测器3、温度传感器4、电位探测器5、石英晶体微量天平5、放置在电路中的总剂量探测器6，以及电路控制系统电源板8、信号处理板9和信号控制板10。其中，电子探测器1和离子探测器2可分别采用三层或多层不同厚度的硅探测器来设计，用于探测不同电子或离子的能量及通量；原子氧探测器3可采用锇膜、碳膜、银膜、碳纳米管膜、石墨烯膜、氧化锌膜等可在原子氧侵蚀作用下发生电阻改变的膜来制备，通过膜的电阻的变化来得到原子氧的通量和总量，温度传感器4可采用热敏电阻，电位探测器5可采用某种具有一定面积的绝缘材料，通过测量电路中的电流变化来得到充电电位，石英晶体微量天平5用于通过石英晶体的振动频率的改变来得到污染物的沉积量，放置在电路中的总剂量探测器6可采用PMOS管，通过其电学性能的变化得到辐射总剂量。所有的电路的电源集成到电源板8中，所有的信号处理电路集成到信号处理板9中，所有的信号控制集成到信号控制板10中。
探测系统的电路集成如图2所示。将需要经过前放和主放之后进行比较的用比较器进行统一集成，将需要经过放大、跟随之后的利用AD转换器进行集成，最终统一利用一个FPGA进行集成。将外部提供的高压电源统一转换为稳压电源或二次电源后为各个探测器统一供电。
详细的电路集成原理框图如图3所示。以探测电子、质子(离子)的电路将通过三个(或多个，这里以三个为例)硅探测器设计成望远镜组合，三个硅探测器分别得到信号D1、D2和D3，将D1、D2和D3信号经过前放、主放、甄别等处理后，利用符合单元进行处理，再进入A/D转换和FPGA处理，以得到电子、质子(或离子)的能量和通量数值，温度传感器、总剂量传感器、原子氧传感器和污染传感器数值经过A/D转换后，直接进入FPGA进行数据处理。所有的探测器的能源通过航天器的一次电源来供电，所有探测器信号的通信通过1553B总线来通信控制。
电路板的整体设计可由3块电路板构成，电源板、信号处理板、信号控制板。如图4所示。电源板主要为整个载荷中的传感器提供所需电源。将一次电源提供的电压转化成二次电源。整个电路板设置有保护电路，防止意外情况发生，损伤电路模块。信号处理板主要对六种传感器的前端信号进行处理，给出合理的模拟信号来。信号处理方面主要对电子/质子传感器，对所有这些Si探测器的信号进行前置放大、主放大(极零相消和基线恢复等)，用峰保电路对主放大器给出的模拟信号的峰值进行保持，供后续A/D转换进行采集。信号控制板主要数据采集、控制、通讯，包括对信号处理板来的信号进行模数变换(A/D)，送到FPGA进行采集，并且实现与外部的通讯等。
首先，系统梳理和分析拟探测的低地球轨道空间环境和效应。
低地球轨道的空间环境及效应主要包括电子、离子(质子和重离子)、原子氧、温度、污染、总剂量、表面充电等。
第二，根据拟探测的空间环境或效应的特点设计探测器的基本功能布局，主要是探测环境或效应的朝向和数量。
由于空间带电粒子具有方向性，在研究空间科学研究或者关注瞬态空间带电粒子环境时，可对拟探测的电子和离子(质子和重离子)，在三个方向(x,0,0)、(-Y,0,0)、(Z,0,0)上分别布置探测探头，如果只考虑长期效应，基于空间带电粒子的各向异性相对较小，也可以只在其中一个方向布置电子和离子探测器，如只在(Z,0,0)方向上布置；由于原子氧具有迎风性，因此，在垂直迎风面(x,0,0)方向上布置原子氧探头；充电电位和表面污染主要在向阳面敏感，因此，在(Z,0,0)方向上布置充电电位探头和污染探头；同时，由于原子氧探测和污染探测均对温度敏感，因此，在二者探头附近均布置温度探头；由于总剂量探测使用的是总剂量计，可以直接将其布置在电路中，以实现减重的目的。
第三，确定好需要探测的项目和需要的载荷数量以及朝向之后，对每种探测载荷的安装位置进行统筹规划布局，以实现“小型化”。
统筹考虑多种不同探头的尺寸和方向。这里，需重点考虑电子探测器和离子探测器的分布位置，在保证内部互不干涉的情况下，分别放置在不同位置，实现所占用的体积最小。
第四，将不同探测载荷的功能相似的部分进行功能集成，如将探测电路按照不同的功能进行集成，以实现“集成化”和“轻量化”。
尽管上文对本专利的具体设计方式和思路给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明专利的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本专利的保护范围之内。

Claims (5)

1.低地球轨道空间环境与效应集成化探测系统，主要包括电子探测器、离子探测器、原子氧探测器、温度传感器、电位探测器、污染探测器以及放置在电路中的总剂量探测器，所有的电路集成到电路板中，其中六面体壳体的任意三个成直角的面上分别设置电子探测器和离子 探测器且其中一个侧面上还设置有温度传感器、原子氧探测器，另一个相邻侧面上还设置有电位探测器、污染探测器及温度传感器，第三个侧面上设置所有电路集成化的电路板，其中，所述集成化探测系统从结构上进行集成，同时将功能相似的部分也进行集成，电路板将所有电路进行集成，将各电路中相同功能的部件或相同功能的电路结构作为公共电路结构。
2.如权利要求1所述的低地球轨道空间环境与效应集成化探测系统，其中，将需要经过前放和主放之后进行比较的用比较器进行统一集成，将需要经过放大、跟随之后的利用AD转换器进行集成，最终利用一FPGA进行集成。
3.如权利要求1所述的低地球轨道空间环境与效应集成化探测系统，其中，电路板具有电源板、信号处理板和信号控制板，电源板主要为整个载荷中的传感器提供所需电源，将一次电源转化成二次电源；信号处理板主要对传感器的前端信号进行处理，给出合理的模拟信号来；信号控制板主要数据采集、控制、通讯，包括对信号处理板来的信号进行模数变换(A/D)，送到FPGA进行采集，并且实现与外部的通讯。
4.如权利要求1所述的低地球轨道空间环境与效应集成化探测系统，其中，离子探测器包括质子和离子的探测器。
5.如权利要求1所述的低地球轨道空间环境与效应集成化探测系统，其中，污染探测器为石英晶体微量天平。
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Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108802797B (zh) * 2018-06-14 2022-06-21 山东航天电子技术研究所 一种在轨粒子探测与单粒子效应监测系统
CN109307691A (zh) * 2018-11-23 2019-02-05 北京卫星环境工程研究所 碳纳米管原子氧探测器及其制造方法
CN112799120B (zh) * 2019-11-13 2024-03-22 中国科学院国家空间科学中心 一种离子和电子同步测量的双通道静电分析器
CN114280987A (zh) * 2021-12-14 2022-04-05 北京卫星环境工程研究所 航天器空间环境效应在轨监测装置

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6985831B2 (en) * 2000-01-13 2006-01-10 Zed.I Solutions (Canada), Inc. System for acquiring data from facilities and method CIP
CN102183779B (zh) * 2010-12-29 2012-11-21 中国科学院空间科学与应用研究中心 一种多方向高能粒子探测器
CN102540127B (zh) * 2012-01-05 2014-06-18 北京东方计量测试研究所 低轨道航天器空间电位探测器校准平台
CN103064392B (zh) * 2012-12-28 2015-05-27 中国人民解放军国防科学技术大学 星载综合电子系统
US20160034329A1 (en) * 2014-07-31 2016-02-04 Western Integrated Technologies, Inc. Correlation and prediction analysis of collected data
CN205608461U (zh) * 2016-05-06 2016-09-28 上海航天测控通信研究所 一种星载综合电子下位机

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