配備Mag648低功耗磁通門傳感器的水下滑翔器進行磁異常填圖
發布時間：2021-02-19 會員：duncan
本案例探究了如何在水下滑翔器上安裝低功耗、低噪聲的Bartington儀器Mag648MXL磁場傳感器，以進行磁異常測量。
磁異常被定義為該位置的磁場與地球參考場的偏差。這些測量可以用類似地形圖的方式可視化。磁異常圖可將在海洋結冰期間輔助無人機器人的導航，延長使用到夏季之后。
水下滑翔器是一種使用配重的特殊類型的無人機器人，在海洋環境監測領域描繪不同水層。水下滑翔器靠正負浮力循環控制下沉和上浮，并以鋸齒狀方式前進。每個任務將持續大約四周，跨域500英里。水下滑翔器的一個顯著特征是在穩態滑翔過程中，電機和泵的動態噪聲很低。
導航
滑翔器在水下使用航位推算法，結合水平和下潛速率、航向和磁羅盤估算位置。由于速度估計的不確定性和未知海流的存在，位置估算的誤差隨著時間的推移而增加，所以必須通過每隔幾個小時浮出水面來獲取GPS定位。
需要浮出水面進行位置更新，這是一個相當大的缺點，特別是在一些不能上浮的區域，例如冰雪覆蓋的拉布拉多海和紐芬蘭北海岸的地區。為了在冰季幫助導航，需要配備有下述的磁傳感器設備的水下滑翔器，在無冰季節創建該區域的磁異常圖。
磁傳感器設備
圖1是描述Mag648傳感器集成到滑翔器系統中的信號流程圖。AD7794一個24位Σ-Δ型ADC ， 通過串行外圍設備接口（SPI）連接數字隔離器。該傳感器有一個專用的電池組，其中包含三個主要的鋰AA電池，可以運行約30天-大約與滑翔器服役時間相同。 最終集成到滑翔器的系統，能夠具有在1Hz或0.025 nTrms /√Hz處全量程約22位的有效分辨率。該分辨率僅比Mag648公布的0.01 nTrms /√Hz的精度稍大。
校準（calibration）
在理想情況下測量時，不考慮儀器的方向，測量的時間變化磁場應該是顯示恒定的大小。但是，由于傳感器安裝在包含各種鐵磁性部件(如電池和其他物品)的設備內，因此必須校準設備對測量的影響。而且儀器本身也對測量有影響。
為了實現此校準，將測量的失真視為集總效應，其會導致測量結果的比例，偏移和旋轉。為了找到這些參量，將設備置于非磁性轉向臺上（見圖3），并通過所有三個軸旋轉以覆蓋測量空間，同時記錄幅值（見圖4、5）。 然后將橢球體擬合到該數據（見圖6），可以通過找到將橢球體轉換為以原點為中心的球體的條件（見圖7）來估計校準參數（見圖7）[1]。 校正后的數據可以通過減去偏差并去除旋轉和縮放比例來估算，如[2]：hc = S-1R’（hr – b），其中S是比例矩陣，R是旋轉矩陣，b是偏差， HR是原始磁數據，而HC是校準磁數據。
結論(conclusion)
截至2012年4月，該系統的校準工作已接近完成，今年夏天將進行現場試驗以收集數據并開始繪制地圖。
引文（References）
[1] Petrov, Yuri..“橢球擬合”，MATLAB中央文件交換，2009年。
[2] Vasconcelos JF，Elkaim G，Silvestre C，Oliveira P，CardeiraB。《捷聯磁力計校準傳感器框架的幾何方法》 航空航天和電子系統，IEEE事務。2011年4月； 47（2）：1293-1306。
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