基于磁强计的皮卫星姿态角测量误差

第３７卷第６期２００７年１１月吉林大学学报（工学版）ＪｏｕｒｎａｌｏｆＪｉｌｉｎＵｎｉｖｅ飓ｉｔｙ（ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａⅡｄ

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Ｅｄｉｔｉｏｎ）

基于磁强计的皮卫星姿态角测量误差郁发新１，郑阳明２，谢长雄２，金佳军２，金仲和２（１．浙江大学航空航天系．杭州３１００２７｝２．浙江大学信息与电子工程学系，杭州３ｌ００２７）

Ｖ０１．３７Ｎｏ．６Ｎｏｖ．２００７

摘要：采用三轴磁强计测量地磁场矢量，与轨道演化和国际地磁场参考模型（ＩＧＲＦ）计算获得的地磁场矢量进行比较，获得姿态角度信息的方法适合体积小、重量轻、功耗低的皮卫星应用环境。地磁场矢量实际测量误差和轨道模型演化计算的地磁场矢量误差是皮卫星姿态角测量的两大误差源。通过分析获得磁强计Ａ／Ｄ采样、磁传感器误差、温度漂移、铁磁材料等因素导致地磁场矢量实际测量误差为１．７４。。皮卫星自身的特点不允许采用复杂的ｓＰＧ４轨道演化模型，基于Ｋｅｐｌｅｒ轨道模型和ＩＧＲＦ地磁场模型计算获得的地磁场矢量误差为ｏ．５。。因此，基于三轴磁强计的皮卫星姿态角测量误差为２．２４。。关键词；航空、航天科学技术基础学科；皮卫星，三轴磁强计；角度误差分析中圈分类号：Ｖ４１２．４１文献标识码：Ａ文章编号：１６７１—５４９７（２００７）０６—１４６０—０５

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收稿日期：２００６—０９—１７．基金项目：“９７３”国家重点基础研究发展规划项目（Ｇ１９９９０３３１１０）ｆ高等学校全国优秀博士学位论文作者专项资金资助项目（２０００３５）｝教育部科学技术研究重点项目（１０４０９６）．作者筒介：郁发新（１９７５一）．男。副教授，博士．研究方向一数字信号处理，皮卫星系统和雷达系统设计．ＥｆＴｍｎ｝ｆ＇¨＠ｉＩｌ∞Ｌ自ｕｅｄｌＬ∞

通讯联系人一郑阳明（１９７７一），男．博士．研究方向：数字信号处理，皮卫星系统设计．Ｅ＿ｍａｉｌ：ｙ眦ｈｅｎｇ＠面耻ｍ．动ｕ．ｅｄｕ．ｃｎ

万方数据第６期郁发新，等：基于磁强计的皮卫星姿态角测量误差

皮卫星是以微机电系统（ＭＥＭｓ）技术和精密制造为基础的一种全新概念的公斤级微小卫星。虽然皮卫星技术还处在技术开发和试验阶段，但它成本低、体积小、重量轻、功耗低的优势使其在科学研究、商业应用上受到高度重视。但正是这些特点，许多常规姿态测量器件不能满足皮卫星的应用环境“’２］。而皮卫星应用一般不需要很高精度的角度信息，并且皮卫星受自身体积限制姿控能力也较弱，因此寻找一种简单易用具有一定精度的角度测量方法就能满足皮卫星姿态控制要求。随着地磁场模型的日趋完善，三轴磁强计比较适合皮卫星进行地磁场矢量实际测量，并与轨道演化计算得到的地磁场矢量相比较，获得皮卫星姿态角度信息口“］。传统磁强计的用法通常是与Ｋａｌｍａｎ滤波器结合，自主确定轨道参数ｏ“］。磁强计测量获得地磁场强度代人Ｋａｌｍａｎ观测方程，利用轨道运动模型建立状态方程，计算获得微小卫星轨道参数。这种用法没有利用地磁场矢量角度信息，不能确定皮卫星姿态角。而作者利用三轴磁强计测得地磁场矢量角度信息来确定皮卫星姿态角度，因此地磁场矢量角度测量误差会影响姿态角度确定精度。本文重点分析由磁强计Ａ／Ｄ采样、磁传感器误差、温度漂移、铁磁材料等因素导致的地磁场矢量角度测量误差。随着近地轨道模型理论的发展，现在有比较精确可靠的ＳＧＰ４模型和高阶ＩＧＲＦ地磁场模型用于地磁场矢量计算ｎ。］。但皮卫星体积小、重量轻、功耗低的特点不允许采用计算复杂、需要资源较多的ｓＧＰ４轨道模型进行，只能采用的精度较低的Ｋｅｐｌｅｒ轨道模型和近似的ＩＧＲＦ地磁场模型进行地磁场矢量计算，计算还将产生地磁场矢量计算误差。为此，作者通过研究实际测量的地磁场矢量误差和计算获得的地磁场矢量误差，最终获得皮卫星姿态角度误差。１皮卫星三轴磁强计设计三轴磁强计是一种可靠、廉价的姿态敏感器，可以分别测得不共面的三个方向上的地磁分量的强度，就能测得地磁矢量的方向和强度，由此可获得地磁参考矢量在卫星本体坐标系中的方位。皮卫星选用ＨＯＮＥＹｗＥＩ。Ｌ公司的三轴磁强计模块ＨＭＣ２００３０１。如图１所示。它的最大优点是体积小、低功耗，非常适合皮卫星平台应用。ＨＭｃ２００３的三轴磁阻混合电路利用了３个玻莫合金磁阻桥路和电子接口电路来测量磁场的方向和强度。传感器的磁敏感方向分别沿着双列直插混合电路的长、宽、高（ＸｙＺ）３个方向。测量范围为４０ｐＧ～２Ｇ。电路同时输出对应于ｘＹｚ轴的模拟量。利用混合电路的线性度和灵敏度通过测量地磁的变化可提供皮卫星姿态。混合电路具有较高的带宽，可用于测量高速运动的皮卫星所在位置的地磁场矢量。

幽ｌＨＭ髓帅３梗块Ｆｉ磐１Ｍ０ｄｕＩｅｏｆＨＭＣ２００３基于ＨＭＣ２００３模块设计的三轴磁强计组成框图如图２所示。ＨＭｃ２００３模块输出的对应于ｘｙＺ轴磁场强度的电压，８０５１单片机控制口位Ａ／Ｄ进行采样并将采样后的数据送至姿态控制计算机，用于姿态角计算。电源模块主要给ＨＭｃ２００３、ＡＤＣ和单片机供电。ＥＥＰＲＯＭ存放单片机控制程序。

计算机凰２基于ＨＭｃ２帅３横块的三轴磁强计组成框图Ｆ培２ｓｔｒ呲ｔⅡ婵０ｆ３－ａｘｉｓ砌ｇⅡｅ岫ｅｔｅｒｂａ辨ｄ∞ＨＭＣ２００３

２皮卫星三轴磁强计测角误差分析（１）Ａ／Ｄ采样产生的测角误差假设待测地磁场矢量强度为Ｌ，△Ｌ是ｘ、ｙ、ｚ三轴中Ａ／Ｄ采样误差的最大值，如图３所示。当△Ｌ垂直于地磁场矢量时，角度误差最大，定义该误差为地磁场矢量测角误差血，计算式为

△口一ａｒｃｔａｎ（△Ｌ／Ｌ）（１）

万方数据吉球大学学报（工学版）第３７卷圈３地磁场矢■角度误差模型Ｆｉ备３Ａ哩ｋｅｒ卅ｍ删ｄｏｆｍ印ｅｔｉｔｍＭｖ眦ｔ吖

Ａ／Ｄ转换器主要包台两项误差：量化台阶和Ａ／Ｄ采样非线性。Ａ／Ｄ转换器采用ＴＩ的ＴＬｃ２５５８芯片，位数为１２位，有效位为１１位，利用公式（１）获得的Ａ／Ｄ非线性和Ａ／Ｄ量化台阶带来的测角误差为

△ｏＡ，Ｄ—ａｒｃｔａｎ（２１／２”＋２１／２１２）≈０．０６。（２）（２）磁传感器产生的测角误差尽管玻莫台金磁阻是性能优异的磁传感铝，可以很可靠地分辨小于ｏ．０４ｍＧ的磁场，而且增益误差和偏移可以被补偿，但传感器噪声、线形度、重复性、电源电压波动误差是磁传感器固有的误差，不能够被补偿掉。利用ＨＭｃ２００３模块的数据手册和式（１）角度误差公式，可以获得如表１所示的碰传感器误差带来的测角误差。襄ｌ磁传毫嚣误差带来的翻角误差Ｔａ№ｌＡｎ咖ＨＴ＂０ｆⅢ鲫岫枷”

娄鼓最太误差值磁场误差／ｍＧ耐角误差／（。）

（３）温度漂移产生的测角误差温度对磁阻传感器的影响主要包括：灵敏度温度系数和温度漂移。实验发现温度变化时，磁阻传感器ｘ、ｙ和Ｚ轴地磁场分量等比例变化，因此在矢量角度的计算中，灵敏度温度系数变化因素可以相互抵消，无需考虑。磁传感器的温度漂移不存在等比例变化特征，因此对地磁场矢量测角存在影响。在

ＨＭｃ２００３磁阻传感器模块中采用ｓｅｔ／Ｒｅｓｅｔ技术口］，可在一定程度上消除磁阻传感器与运算放大器温度漂移，整流传感器和运算放大器偏移电压也可消除外部磁场对传感器产生的非永久性影响，提高磁强计测量磁场的线性度和重复性。在Ｓｅｔ／Ｒｅｓｅｔ模式下，通过一个交流耦合驱动器产生双向对称电流脉冲，对应正负向的磁场强度＋Ｈ／一Ｈ。在正式测量地磁场以前，首先施加ｓｅｔ脉冲，相当于施加＋Ｈ的磁场强度，输出电压为Ｖ乙。；然后施加Ｒｅｓｅｔ脉冲，相当于施加一Ｈ的磁场强度，输出电压为ｙ…（如图４所示），则

有方程组ｆＶ。。＝＋ＨＳ＋ｙ埘…１Ｖ乙。。＝一Ｈｓ＋Ｖ。

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由式（３）可以解得磁阻传感器的偏移和灵敏

度。通过ｓｅｔ／Ｒｅｓｅｔ方式可以使磁阻传感器读数受温度的影响小于１００ｐｐｍ／℃。皮卫星通过被动热控技术，使温度控制在一５～４５℃范围内，因此利用式（１）可以获得温度漂移导致的地磁场矢量测角误差为加Ｔ—ａｒｃｔａｎ（Ｏ．０００１×５０）≈Ｏ．２９。（４）

（４）铁磁材料产生的测角误差铁磁材料干扰分为硬铁干扰和软铁干扰。硬铁干扰产生于永久磁铁和被磁化的金属。这些干扰会保持大小和指向恒定。在零磁场环境中，硬铁干扰能够被准确测得，可以被补偿掉，它带来的误差近似为零。软铁干扰来源于地球磁场和磁强计附近的任何磁性材料之间的相互作用，像硬铁材料一样，软