Совершенствование контактного исследования морской турбулентности в подспутниковых измерениях

Морская турбулентность играет важную роль в вертикальном перемешивании водных масс и в большинстве физических процессов в океане. Очень непростым для изучения является самый верхний слой глубиной до 30 метров, поскольку он подвержен атмосферным воздействиям и имеет большую изменчивость. Турбулентность в верхнем слое определяется разными факторами: внутренними и поверхностными волнами, тепло- и влагообменом, сдвигами скорости течения, солнечной радиацией и многими другими.
Одним из методов исследований морской турбулентности в подспутниковых контактных измерениях является использование микроструктурных зондов. Для исследований в верхнем слое Черного моря использовался измерительный комплекс «Сигма-1» [1]. Комплекс представляет собой зондирущий прибор с набором датчиков, который регистрирует такие параметры: три компоненты вектора скорости течения, температуру, электропроводность воды и гидростатическое давление.
Для оценки турбулентных потоков необходимо четко определять компоненты пульсаций вектора скорости. На прибор в процессе зондирования постоянно действуют внешние силы, которые меняют его положение в пространстве, тем самым вызывая колебания прибора и нарушая измерения пульсаций скоростей. Поэтому прибор оснащен системой контроля положения его условной оси относительно магнитного меридиана (азимут) и плоскости горизонта (крен-дифферент), а также датчиками линейных ускорений. Для коррекции измерений используется метод «eddy correlation» [2], т.е. пересчет векторных величин в неподвижную систему отсчета, позволяющий снизить искажения, вызванные собственными колебаниями прибора. В измерительном комплексе «Сигма-1» проблема учета собственных движений (наклонов и поворотов) прибора и возможности применения указанного метода решена не полностью из-за недостаточной точности измерения азимута и отсутствия датчиков угловых ускорений.
Решение задачи основывалось на замене датчиков положения (двухосевые акселерометры, магнитный компас) на модуль MPU-9250. Выполненные по МЭМС-технологии новые трехосевые датчики (акселерометр, гироскоп, магнитный компас) являются более точными, а наличие гироскопа позволит учитывать угловые скорости.
В методе «eddy correlation» для пересчета углов из локальной системы координат обычно используются углы Эйлера. Этот алгоритм позволяет придать прибору любое положение, причем изменение одного угла не влияет на изменение другого. Однако положение зависит от порядка преобразования углов. Для повышения точности расчетов было предложено заменить углы Эйлера на кватернионы. Кватернион представляют собой математический объект (вектор), описывающий комбинацию вращения вокруг произвольных осей. Данный алгоритм является более быстрым и более точным чем углы Эйлера, т.к. при вращении объекта кватернионы перемножаются и это требует намного меньше операций чем при умножении матриц углов Эйлера. Также, используя цифровые фильтры Маджвиха и Махони, удается снизить разного рода погрешности от датчиков.
Была разработана экспериментальная система контроля положения, на базе новых датчиков что позволило использовать в полной мере алгоритм «eddy correlation». Для большей точности преобразования углов была разработана программа, в основе которой лежало применение кватернионов и цифровых фильтров. Новая система была протестирована в лабораторных условиях и откалибрована. При модернизации новая система контроля положения будет установлена на зондирующий прибор «Сигма-1» и протестирована в натурных условиях.
Работа выполнена в рамках государственного задания № 0827-2019-0003.