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# System prepended metadata

title: 中國火星車的流量閘磁力計
tags: [Magnetometer Calibration, The Chinese Mars ROVER Fluxgate Magnetometers]

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* 火星表面進行移動式磁場測量。
* 頂部和底部各裝有兩個相同的三軸通量閘磁力計傳感器
* 利用赫姆霍茲補償線圈探頭和數字閉環反饋電路技術
* 每個磁力計在±65000 nT的範圍內，以0.01 nT的解析度測量向量磁場。
* 樣本率可達到32 Hz，噪音水平為0.01 nT/√Hz @1 Hz
* 獲取到細粒度的地殼磁場信息，並提供有關其殘留磁化和可能的固有磁場的信息。

###  1. Introduction
RoMAG的高空間分辨率多點移動測量能夠讓我們獲得火星地殼磁場在火星車軌道上的細粒度剖面，同時也能詳細研究磁目標周圍的磁場分布。

###  2. Science Requirements
主要未解決的問題包括：
火星磁場發生在何時，以及火星磁場是如何消亡的？是什麼原因造成了火星地殼磁場強度的不對稱性？磁場如何與太陽風相互作用？

The science objectives are listed as follows:
* 獲得基於對火星表面的移動式測量所得的火星地殼磁場的細粒度結構。
* 結合中國火星軌道器的觀測，通過反演電離層動力學電流，研究電離層導電度。
* 研究火星的內部結構。

RoMAG的要求如下：
1. 磁力計的量程需要超過火星表面磁場和火星車磁場的總和。因此，我們選擇了磁力計的量程為±65,000 nT。
2. 樣本率需要足夠以提供32秒或更高的時間分辨率。
3. 火星表面的磁場日變化約為30 nT。為了追踪小變化的實際磁場變化，需要至少0.1 nT的分辨率。
4. 磁力計的噪聲要求是 0.01 nT/√Hz at 1 Hz


![](https://hackmd.io/_uploads/SkBfWGZKh.png)
圖1 中國火星車的卡通圖。兩個三軸磁力計分別安裝在火星車的主機上方和下方的桅杆上。

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表2 磁力計感測器性能

### 3. Instruments Description
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圖2 RoMAG感測器的結構（左）和封裝外觀（右）。

### 3.1 Principle of Operation
三軸流量閘磁力計（FGM）是一個由感測器和數字電子部分組成的環形磁心系統，具有向量補償功能。
利用與磁場成比例的反饋電流值和磁心位置處剩餘磁場，計算外部磁場的單一分量值。

### 3.2 Fluxgate Sensor流量閘感測器
流量閘感測器包括激勵線圈、接收線圈、反饋線圈、熱敏電阻和骨架。

激勵信號由直徑為13毫米和18毫米的兩個交叉環形磁心驅動。激勵線圈周圍還有三對接收線圈，用於測量X、Y和Z三個分量。

如圖2所示，感測線圈系統被封裝在一個圓柱形的聚硫化物外殼中

### 3.3  Sensor Electronics
RoMAG感測器電子單元的方塊圖如圖3所示。電子單元的硬體包括激勵電路、前置放大器、反饋電流源、高精度ADC/DAC和溫度電路。


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圖3 數位式環芯磁感應器方塊圖

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表3：兩個磁力計的噪音水平

儀器控制、數位資料處理、指令解析和資料處理是在一個可程式化閘陣列（FPGA）中實現的
溫度電路設計用於校準感測器和電子板的熱漂移係數。

感應電子學部分產生一個調變的交流電流，基本的調變頻率約為9.6 kHz，取樣率在80-160 kHz之間。
感應線圈輸出的信號被放大後，經過ADC轉換後傳輸至FPGA進行數據處理。
在FPGA中，對感應信號進行快速數字化和後續的數據處理。
在數據處理之前，對信號進行帶通濾波以減輕混疊問題。
反饋磁場通過每個感應軸的一對12位數字類比轉換器(DAC)和單獨的反饋線圈(Helmholtz線圈)生成。
從類比數字轉換器(ADC)獲得的感應值和反饋值被連續用於計算磁場值，從而提高磁力計的整體線性和穩定性。
通過D/A數字補償，逐漸減小了混疊信號和偏置場，同時實現了動態補償。這樣做可以減少儀器的噪音水平。
圖4展示了磁力計的噪音水平。表3顯示了兩個磁力計在1 Hz處的噪音水平，完全滿足科學要求。

儀器的電子單元被安置在負載管理單元箱中，與其他負載的電子板一起。
這些電子單元負責處理和控制磁力計系統的電子信號，並通過相應的電源轉換器確保電力供應的正常運作。

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圖4 每個軸向上的噪聲隨頻率變化的圖示。橘色表示的是要求值

### 3.4 Ground Test and Calibration(校準)
進行儀器參數對溫度的測試。將傳感器和電子板放入一個溫度箱中，溫度在-60°C至+60°C之間變化。將傳感器放置在一個線圈系統中，通過改變電流可以改變磁場。通過生成測試場，可以檢查傳感器的偏移。
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校準程序包括根據比例、偏移和內部不對齊性來確定儀器的性能。校準參數如下：S是一個對角矩陣，表示比例因子；P是正交矩陣，表示正交性；O是偏移向量。根據校準參數，可以通過將校準矩陣應用於磁力計傳感器測量的數據（在去除傳感器偏移後）來計算校準場。
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圖5 RoMAG的電子元件，包括兩個傳感器。

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圖6 校準設施，其中包含一個直徑為2.4米的大型亥姆霍茲螺旋系統。

### 3.5 Rover-Generated Field Estimation and Compensation
漫遊車產生的場估計與補償

由於尺寸限制和質量限制，RoMAG直接安裝在漫遊車的桅杆上，位於其他載荷和系統子單元的附近。磁力計測量的是環境場加上由漫遊車上不同源頭產生的場的總和。準確估計和補償漫遊車產生的磁場是一個挑戰。

在一個測試支架上安裝了四個測試磁強計（S3-S6）
在測試完成後，漫遊車離開位置後，使用S3和S5分別測量S1和S2位置的環境磁場（絕對值）。
在漫遊車操作期間，S3和S5放置在漫遊車前方。
S3/S5與S1/S2之間的距離為30厘米。
S7用於監測漫遊車操作期間環境磁場的變化。
在漫遊車的機械坐標系中，z指向漫遊車運動的方向，y指向漫遊車運動的右側方向。
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圖8 預發射磁測試的示意圖
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圖9 RoMAG觀測結果（32 Hz）在漫遊車機械坐標系下的圖示如圖所示。

發現在多光譜相機操作期間，對於兩個感測器來說都存在強烈的動態干擾。由於感測器1比感測器2更接近相機，因此感測器1的動態干擾比感測器2更強。
圖9顯示了RoMAG在漫遊車機械坐標系中的觀測結果。每個有效負載操作期間列於表5中。
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表5 載荷操作時間段

為了研究兩個傳感器之間的磁場相關性，我們計算了兩個傳感器的磁場分量的小波譜，其週期範圍從16秒到150秒。

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圖10 由兩個感應器觀測到的磁場成分的小波譜

如圖10所示，在MSCam操作期間，兩個感應器都顯示出強烈的磁場波動。
感應器1的磁場譜在所有週期範圍內都顯示出寬頻譜特徵，而感應器2在約140秒處顯示出強烈的譜特徵。
那個時間之後，兩個感應器都顯示出較弱的磁場譜，這表明來自火星車上其他載荷的干擾很小。

為了更清楚地研究兩個感應器之間的動態干擾，我們還計算了感應器對之間的小波相干性（圖11）。
小波相干性譜是使用複數Morlet小波作為母小波計算得出的。正如預期的，所有三個磁場分量在14:19至14:50期間的兩個感應器之間具有較低的相干性，這與MSCam的操作期間相一致。
這與圖10中顯示的感應器對之間的磁場頻譜差異相符。相反，在14:50至15:17的時間間隔內，儘管兩個感應器的磁場顯示出微弱的振盪（參見圖10），它們的相干性似乎很高。
這表明兩個感應器的磁場呈現類似的振盪特徵，可能主要是自然磁場信號的特徵。
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為了確保補償後的數據質量，我們選擇了相干性較高的數據。我們使用方程式（2）來確定在時間間隔dt內Rover磁場是否發生變化，如圖12所示。
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我們根據經驗將e設定為2 nT。如果數據符合方程式（2）的條件並且持續時間至少為10分鐘，則將其選擇為高相干性數據進行磁場推測補償。在圖12中，選擇的數據用紅線表示。

Rover所產生的磁場可以分為三種類型：永久性、誘導性和動態磁場。
* 永久性磁場是由Rover平台的鐵磁部件的永久磁性引起的。
* 誘導性磁場是由周圍環境磁場在類磁性部件中產生的。
* 動態磁場是由電力子系統、太陽能陣列、電池等產生的電流所產生的磁場


對於兩個感測器，磁場可以在載荷坐標系中建模，其中Bm是測量的磁場，Ba是環境磁場，Ki是磁感應係數作為對角矩陣，Bp是剩餘磁場，Bd是動態磁場，S是尺度因子的對角矩陣，P是正交矩陣，O是偏移向量。
![](https://hackmd.io/_uploads/HkyAku-Fh.png)

![](https://hackmd.io/_uploads/SJ-mx_ZFh.png)
圖12 顯示時間間隔內Rover磁場的變化情况

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表6 磁場干擾參數

方程式（3）可以改寫為：
![](https://hackmd.io/_uploads/SJDFYdZFh.png)
![](https://hackmd.io/_uploads/HJHhFOWKn.png)

解決線性方程（4），我們可以得到Ki和Bp + Bd的總和。
表格6給出了在漫遊器坐標系統中兩個傳感器的每個安裝位置計算得到的Ki和Bp + Bd的值。
圖13顯示了在環境場矯正後的磁場測量數據的比較。三個分量的矯正算法的均方根誤差都小於1.5 nT。
然而，還有許多其他的干擾需要進一步考慮。

![](https://hackmd.io/_uploads/rkf0juZYh.png)
圖13 磁場測量數據在經過補償後與環境場的比較。紅色表示經過校正後的數據（1 Hz），黑色表示環境場。

###  Summary
* RoMAG將以高達32 Hz的採樣率提供首次的移動式矢量磁場觀測，並獲得地殼磁場的細微結構。
* 兩個磁力計安裝在Rover的頂部和底部的支撐桿上。
* 由於RoMAG位於微型馬達附近，因此開發了磁場干擾補償技術，以消除磁場干擾。
* 然而，太陽能陣列和表面組成儀器操作產生的干擾應在飛行中進行校準處理時仔細識別和消除。
* 結合天問-1軌道器上的磁力計的磁場觀測數據，RoMAG觀測數據將幫助我們了解火星的內部結構、空間電磁環境以及大氣和氣候的演化歷史。