Magnetometr pro vesmírné aplikace

Abstract

Tato disertační práce je věnována výzkumu a vývoji magnetometrů vhodných pro použití v nehostiném prostředí vesmíru. Vzhledem k velké probádanosti fluxgate senzorů se jim věnuje jen okrajově a zaměřuje se především na sensory s anizotropními magnetorezistory (AMR). Jedním z cílů je také ověřit použitelnost komerčně dostupných součástek (COTS) v radiačně náročném a teplotně nestabilním prostředí. AMR senzory oproti rozšířenějším fluxgate senzorům vykazují o 1 až 2 řády větší šum (horší rozlišení/citlivost), ve všech ostatních parametrech jsou buď srovnatelné nebo lepší (menší rozměry, hmotnost, spotřeba, ). Především pro segment malých satelitů (Cube-Sat/Small-Sat), které se obvykle pohybují na nízkých orbitách kolem Země, kde je měřené magnetické pole relativně velké, a tudíž není potřeba extrémní citlivost/nízký šum, jsou tak AMR sensory atraktivní.V úvodní části práce je popisován současný stav v oblasti magnetometrů pro vesmírné aplikace a jsou sumarizovány požadavky, které by takový magnetometr měl splňovat nebo na jaké se zaměřovat (radiační odolnost, teplotní stabilita, šumové vlastnosti, linearita). Dále je provedena rešerše dostupných informací k radiační odolnosti COTS komponent, které by byly potencionálně vhodné v konstrukci vlastního AMR magnetometru. V druhé části je rozebírán vlastní přínos k problematice. Zprvu jsou na vlastním prototypu AMR a fluxgate magnetometru zkoumány možnosti přesunu zpracování signálu a zpětné vazby do digitální domény (oproti tradičnějšímu analogovému uspořádání). Dále je popsáno komplexní testování vyvinutých prototypů, jednak obvykle měřených parametrů (měření linearity, šumu, teplotní citlivosti), poté i radiační testování na gama zářiči Co60.Na základě výsledků obou oblastí měření byl prototyp iterativně upravován tak, aby dosáhl lepších parametrů a odolnosti. Další část je zaměřena na snížení spotřeby magnetometru, jakožto naprosto klíčové vlastnosti zejména ve vesmírných projektech. Je ukázána možnost pulzního napájení a také algoritmické přepínání provozu s/bez zpětné vazby, která představuje značnou část spotřeby a není vždy potřeba, aby byla aktivní. Poslední část práce se zabývá potencionálním využitím AMR magnetometru v konkrétní vesmírné misi (LVICE2). Jsou rozebírány aspekty, které by měl magnetometr splňovat a které jsou rozhodující.

This dissertation is devoted to the research and development of magnetometers suitable for use in the inhospitable environment of space. Due to the large body of published research in the field of fluxgate sensors, this work deals only marginally with them and focuses mainly on sensors with anisotropic magnetoresistors (AMRs). The main goal is to determine the applicability of commercially available off-the-shelf components (COTS) in a radiation-demanding and temperature-unstable environment. Compared to the more widespread fluxgate, AMR sensors show 1 or 2 orders of magnitude more noise (worse resolution/sensitivity), but in all other parameters (size, mass, power consumption, ) they are either comparable or better. Above all, for the segment of satellites (Cube-Sat/Small-Sat), which usually operate in low Earth orbits, where the measured magnetic field is relatively strong and there is no need for extreme sensitivity/low noise, AMR sensors are thus attractive. In the first part of the thesis, the state-of-the-art in the field of magnetometers for space applications is described and the requirements that such a magnetometer should meet or should be aimed at are summarized (radiation resistance, temperature stability, noise properties, linearity). Furthermore, a search is made of the available information on the radiation resistance of the COTS components, which would be potentially suitable for the construction of the AMR magnetometer. In the second part, author's own contribution to the issue is discussed. At first, the possibilities of moving the signal processing and feedback to the digital domain (as opposed to the more traditional analog processing) were investigated on the prototype of authors own construction of AMR and fluxgate magnetometer. Later, a comprehensive testing of the developed prototypes is described, both conventional (measurement of linearity, noise, temperature sensitivity), and then radiation testing using a Co60 gamma emitter. Based on both types of measurements, the prototype was iteratively modified to achieve better parameters and durability. The next part is focused on reducing the power consumption of the magnetometer, as a key property, especially in space projects. The possibility of using pulsed power is shown, as well as algorithmic switching between operation with/without feedback, which accounts for a significant part of the total consumption and does not always need to be active. The last part of the work deals with the potential use of the AMR magnetometer in a specific space mission (LVICE2). Aspects that a magnetometer should satisfy, and which are the decisive ones are discussed.