CN109407159A - 一种地磁全要素传感器姿态误差校正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种地磁全要素传感器姿态误差校正方法，包括：S1测量地磁全要素传感器姿态偏转角α和测量点地磁场F；S2依次向第一线圈C1中分别通入大小相等、方向相反的电流，分别测量偏转磁场FI+和FI‑；S3依次向第二线圈C2中分别通入大小相等、方向相反的电流，分别测量偏转磁场FD+和FD‑；S4计算出磁倾角的变化量校正值ΔI′1和磁偏角的变化量校正值ΔD′1；S5计算磁倾角校正值I和磁偏角校正值D，校正公式为I＝I0+ΔI′1，D＝D0+ΔD′1。本发明的有益效果：解决了地磁全要素传感器在测量时姿态变化导致测量精度低的问题，使地磁全要素传感器可以应用于海洋领域，航空领域，以及姿态变化时的陆地测量领域。
Description
技术领域
本发明涉及磁场测量领域，尤其涉及一种地磁全要素传感器姿态误差校正方法。
背景技术
请参考图9，地磁场是矢量场，是由总场T，水平分量H，北向分量X，东向分量Y，垂直分量Z，磁倾角I，磁偏角D这七个要素组成。相对于传统的地磁总场观测和三分量观测，地磁全要素包含更多的磁场信息，能够准确的反映研究对象的特性。在实际应用中，需根据不同的场景选取合适的磁场参量。此外，地磁要素数据可用于地磁图的绘制、古地磁学的研究、空间天气的监测等。因此，高精度的地磁要素数据对探索地质构造及地球起源、建立全球磁场模型和研究宇宙空间至关重要。
对于目前来看，地磁传感器按照测量方式可以分为矢量传感器和总场传感器。矢量传感器主要分为三类：第一类是以磁通门传感器为代表，该类传感器体积较小，可以直接获取地磁三分量信息，但存在正交性误差、温漂和无法进行绝对观测等问题；第二类是磁通门传感器与经纬仪相结合的组合测量方式，该类磁力仪也称为DI仪，通过经纬仪的光学系统直接读取地磁倾角和偏角，但无法进行自动观测。第三类是总场传感器和亥姆霍兹线圈(磁场均匀发生器)相结合的组合测量方式，主要有FHD、三轴线圈法、ZHD等方法，这类传感器多用于地磁台站的观测，而在进行海洋，航空，以及陆地姿态变化情况下的测量因为姿态变化会导致其测量值的精确度出现问题，限制了其在海洋，航空，以及陆地姿态变化情况下的应用。因此，如何实现在姿态变化的情况下地磁全要素信息的高精度一体化测量成为实现有效测量的重点和难点。
发明内容
有鉴于此，本发明的实施例提供了一种地磁全要素传感器姿态误差校正方法。
请参考图1和图2，本发明的实施例提供一种地磁全要素传感器姿态误差校正方法，所述地磁全要素传感器包括总场传感器和环绕所述总场传感器的均匀磁场发生器，所述均匀磁场发生器包括正交的第一线圈C1和第二线圈C2，所述第一线圈C1和所述总场传感器放置于磁子午面，包括以下步骤：
S1使用姿态传感器测量出所述地磁全要素传感器的姿态偏转角α，所述俯仰偏转角α为所述总场传感器和磁子午面夹角，并使用所述总场传感器测量测量点的地磁场F；
S2依次向所述第一线圈C1中分别通入大小相等、方向相反的电流，使用所述总场传感器分别测量偏转磁场FI+和FI-；
S3依次向所述第二线圈C2中分别通入大小相等、方向相反的电流，使用所述总场传感器分别测量偏转磁场FD+和FD-；
S4根据姿态偏转角α、地磁场F、偏转磁场FI+和FI-计算出磁倾角的变化量校正值ΔI′1，根据姿态偏转角α、地磁场F、偏转磁场FD+和FD-计算出磁偏角的变化量校正值ΔD′1；
S5计算磁倾角校正值I和磁偏角校正值D，校正公式为I＝I0+ΔI′1，D＝D0+ΔD′1，I0为测量点的参考磁倾角，D0为测量点的参考磁偏角。
进一步地，还包括，S6根据磁倾角校正值I和磁偏角校正值D计算出测量点的地磁全要素。
进一步地，所述地磁全要素传感器的姿态变化包括俯仰变化、水平变化和翻转变化。
进一步地，在所述地磁全要素传感器姿态俯仰变化时，所述姿态偏转角α为俯仰偏转角，即所述总场传感器与所述磁子午面夹角，所述步骤S4中根据姿态偏转角α、地磁场F、偏转磁场FI+和FI-计算出磁倾角的变化量校正值ΔI′1的具体计算方法为：
向所述第一线圈C1中分别通入大小相等、方向相反的电流，分别产生方向相反大小相同的偏置磁场，偏置磁场大小为A′I，与地磁场F叠加，形成偏转磁场FI+和FI-，由余弦定理可得
FI+ 2＝A′I 2+F2-2A′IFcos(α2) (1)
FI- 2＝A′I 2+F2+2A′IFcos(α2) (2)
其中，α2为姿态变化后的偏置磁场与此时地磁场的夹角，由(1)式和(2)式相加求出
以及求出
设通过泰勒展开可以得到
由几何关系可得
由(5)式和(6)式求出
磁倾角变化量是一个微小值，由几何关系得到α2≈α1+α0(8)
其中α1为姿态变化前若对所述第一线圈C1通入电流产生的偏置磁场与此时地磁场夹角，
则由(4)式和(7)可得ΔI′＝cos(α2)-α (9)
ΔI′＝cos(α1+α0)-α (10)
直接补偿掉α，可以得到ΔI′＝cos(α1+α0) (11)
α1≈90°，根据三角函数关系可得ΔI′1＝-sin(α0)。 (12)
进一步地，在所述地磁全要素传感器姿态俯仰变化时，所述步骤S4中根据姿态偏转角α、地磁场F、偏转磁场FD+和FD-计算出磁偏角的变化量校正值ΔD′1计算方法与磁倾角的变化量校正值ΔI′1的计算方法相同，计算出
进一步地，在所述地磁全要素传感器姿态水平变化时，所述姿态偏转角α为水平偏转角，即所述总场传感器与磁子午线夹角，所述步骤S4中根据姿态偏转角α、地磁场F、偏转磁场FD+和FD-计算出磁偏角的变化量校正值ΔD′1的具体计算方法为：
向所述第二线圈C2中分别通入大小相等、方向相反的电流，分别产生方向相反大小相同的偏置磁场，偏置磁场大小为A′D，与地磁场F叠加，形成偏转磁场FD+和FD-，由余弦定理可得：
FD+ 2＝A′D 2+F2-2A′DFcos(α2) (13)
FD- 2＝A′D 2+F2+2A′DFcos(α2) (14)
其中，α2为姿态变化后的偏置磁场与此时地磁场的夹角，由(13)式和(14)式相加求出
计算出
对(16)式化简并补偿后得到ΔD′1＝-sin(α0) (17)
其中
进一步地，在所述地磁全要素传感器姿态水平变化时，所述步骤S4中根据姿态偏转角α、地磁场F、偏转磁场FI+和FI-计算磁倾角的变化量校正值ΔI′1的计算方法与磁偏角的变化量校正值ΔD′1计算的计算方法相同，
进一步地，在所述地磁全要素传感器姿态翻转变化时，磁倾角的变化量校正值ΔI′1的计算方法和磁偏角的变化量校正值ΔD′1的计算方法均与所述地磁全要素传感器姿态俯仰和水平变化时相同，计算出
本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明一种地磁全要素传感器姿态误差校正方法，根据地磁全要素传感器在基站式测量时可能遇到的姿态俯仰、水平和翻转三种变化情况进行分类计算，获得磁倾角变化量校正值和磁偏角变化量校正值，对测量结果进行算法补偿，获得更加准确的测量值，解决了地磁全要素传感器在测量时姿态变化导致测量精度低的问题，使地磁全要素传感器可以应用于海洋领域，航空领域，以及姿态变化时的陆地测量领域。
附图说明
图1是本发明一种地磁全要素传感器姿态误差校正方法的流程图；
图2是地磁全要素传感器测量模型图；
图3是地磁全要素传感器姿态俯仰变化前后示意图；
图4是地磁全要素传感器姿态俯仰变化前后磁倾角变化量变化情况示意图；
图5是地磁全要素传感器姿态水平变化前后示意图；
图6是地磁全要素传感器姿态水平变化前后磁偏角变化量变化情况示意图；
图7是地磁全要素传感器姿态翻转变化前后示意图；
图8是地磁全要素传感器姿态翻转变化前后磁倾角变化量变化情况示意图；
图9是地磁全要素的几何关系图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参考图1，本发明的实施例提供了一种地磁全要素传感器姿态误差校正方法，所述地磁全要素传感器包括总场传感器和环绕所述总场传感器的均匀磁场发生器，所述均匀磁场发生器包括正交的第一线圈C1和第二线圈C2，所述第一线圈C1和所述总场传感器放置于磁子午面，包括以下步骤：
S1使用姿态传感器测量出所述地磁全要素传感器的姿态偏转角α，并使用所述总场传感器测量测量点的地磁场F；
S2依次向所述第一线圈C1中分别通入大小相等、方向相反的电流，使用所述总场传感器分别测量偏转磁场FI+和FI-；
S3依次向所述第二线圈C2中分别通入大小相等、方向相反的电流，使用所述总场传感器分别测量偏转磁场FD+和FD-；
S4根据俯仰偏转角α、地磁场F、偏转磁场FI+和FI-计算出磁倾角的变化量校正值ΔI′1，根据水平偏转角α、地磁场F、偏转磁场FD+和FD-计算出磁偏角的变化量校正值ΔD′1；
S5计算磁倾角校正值I和磁偏角校正值D，校正公式为I＝I0+ΔI′1，D＝D0+ΔD′1，I0为测量点的参考磁倾角，D0为测量点的参考磁偏角；
S6根据磁倾角校正值I和磁偏角校正值D计算出测量点的地磁全要素。
所述地磁全要素传感器的姿态变化包括俯仰变化、水平变化和翻转变化，下面分类对上述方法进行详细解释：
请参考图3，左图表示所述地磁全要素传感器姿态俯仰变化前的测量状态示意图，右图表示所述地磁全要素传感器姿态俯仰变化后的测量状态示意图，在所述地磁全要素传感器姿态俯仰变化时，所述姿态偏转角为α为俯仰偏转角，即所述总场传感器与所述磁子午面夹角，步骤S4中根据俯仰偏转角α、地磁场F、偏转磁场FI+和FI-计算出磁倾角的变化量校正值ΔI′1的具体计算方法为：
请参考图4，向所述第一线圈C1中分别通入大小相等、方向相反的电流，分别产生方向相反大小相同的偏置磁场和偏置磁场大小为A′I，与地磁场F叠加，形成偏转磁场FI+和FI-，由余弦定理可得
FI+ 2＝A′I 2+F2-2A′IFcos(α2) (1)
FI- 2＝A′I 2+F2+2A′IFcos(α2) (2)
其中，α2为姿态变化后的偏置磁场与此时地磁场F、的夹角，地磁场F、由所述第一线圈C1通电前地磁场F受通电时偏置磁场影响，轻微偏转产生
由(1)式和(2)式相加求出
以及求出
设通过泰勒展开可以得到
由图4中的几何关系可得
由(5)式和(6)式求出
由于磁倾角变化量ΔI是一个微小值，由几何关系得到α2≈α1+α0(8)
α为地磁全要素传感器的水平偏转角弧度值，α0为α的角度表示，
即α1为姿态变化前若对所述第一线圈C1通入电流产生的偏置磁场与此时地磁场夹角，
则由(4)式和(7)可得ΔI′＝cos(α2)-α (9)
ΔI′＝cos(α1+α0)-α (10)
由于俯仰偏转角α为测量值，可以直接补偿掉，得到ΔI′＝cos(α1+α0) (11)
由于α1≈90°，根据三角函数关系可得ΔI′1＝-sin(α0)。 (12)
当所述地磁全要素传感器只在磁子午平面内进行姿态俯仰变化时，所述第二线圈C2会产生相对移动，但是由于所述地磁全要素传感器只在磁子午平面中进行偏移，所以所述第二线圈C2产生的偏置磁场A′D依旧垂直于磁子午平面，在采用一体化测量方法计算时并不会影响磁偏角的变化量校正值ΔD′1计算结果，所以在磁子午平面上偏移时所述第二线圈C2的变化不会导致磁偏角变化量ΔD的误差产生。
根据俯仰偏转角α、地磁场F、偏转磁场FD+和FD-计算出磁偏角的变化量校正值ΔD′1计算方法与上述磁倾角的变化量校正值ΔI′1的计算方法相同，可计算出磁偏角的变化量校正值磁偏角的变化量校正值ΔD′1与姿态俯仰变化前磁偏角变化量ΔD公式一致。
请参考图5，左图表示所述地磁全要素传感器姿态水平变化前的测量状态示意图，右图表示所述地磁全要素传感器姿态水平变化后的测量状态示意图，在所述地磁全要素传感器姿态水平变化时，所述姿态偏转角α为水平偏转角，即所述总场传感器与磁子午线夹角，所述步骤S4中根据姿态偏转角α、地磁场F、偏转磁场FD+和FD-计算出磁偏角的变化量校正值ΔD′1的具体计算方法为：
请参考图6，向所述第二线圈C2中分别通入大小相等、方向相反的电流，分别产生方向相反大小相同的偏置磁场和偏置磁场大小为A′D，与地磁场F叠加，形成偏转磁场FD+和FD-，由余弦定理可得：
FD+ 2＝A′D 2+F2-2A′DFcos(α2) (13)
FD- 2＝A′D 2+F2+2A′DFcos(α2) (14)
由(13)式和(14)式相加求出
计算出
使用与式(5)、(6)和(7)相同的运算方法对(16)式化简，并进行补偿可以得到
ΔD′1＝-sin(α0) (17)
当所述地磁全要素传感器在磁子午平面内进行姿态水平变化时，所述第一线圈C1会产生相对移动，但是由于所述地磁全要素传感器只在磁子午平面中进行水平变化，所以所述第一线圈C1产生的偏置磁场A′I依旧平行于磁子午平面，并不会对磁倾角的变化量ΔI产生影响，所以在磁子午平面上偏移时所述第一线圈C2的变化不会导致磁倾角变化量ΔI的误差产生。
在所述地磁全要素传感器姿态水平变化时，所述步骤S4中根据水平偏转角α、地磁场F、偏转磁场FI+和FI-计算磁倾角的变化量校正值ΔI′1的计算方法与磁偏角的变化量校正值ΔD′1计算的计算方法相同，磁倾角的变化量校正值ΔI′1与姿态水平变化前磁倾角变化量ΔI公式与一致。
请参考图7和图8，左图表示所述地磁全要素传感器姿态翻转变化前的测量状态示意图，右图表示所述地磁全要素传感器姿态翻转变化后的测量状态示意图，在所述地磁全要素传感器姿态翻转变化时，所述第一线圈C1和所述第二线圈C2均会移动，但是所述第一线圈C1在通电产生的偏置磁场A′I依旧平行于磁子午平面，不会对磁倾角的变化量ΔI产生影响，且所述第二线圈C2通电产生的偏置磁场A′D依旧垂直于磁子午平面，不会对磁偏角的变化量ΔD产生影响，此时的俯仰偏转角度和水平偏转角度均为0，使用姿态俯仰和水平变化相同的计算方法，可以计算出磁倾角的变化量校正值ΔI′1与磁偏角的变化量校正值ΔD′1：
在得到对姿态变化进行算法校正后的磁倾角和磁偏角变化量后，根据测量点的参考磁倾角I0及参考磁偏角D0，参考磁倾角I0和参可考磁偏角D0可根据测量点的坐标查询得到，计算得到当前测量点的磁倾角校正值I和磁偏角校正值D。具体计算公式如下：
I＝I0+ΔI′1
D＝D0+ΔD′1
请参考图,9，地磁场是矢量场，由总场T，水平分量H，北向分量X，东向分量Y，垂直分量Z，磁倾角I，磁偏角D这七个要素组成。坐标系选取x轴沿地理子午线的方向，指向地理正北，y轴沿纬圈的方向，指向地理正东，z轴垂直向下。总场T的方向为BO，其在x轴上的投影为北向分量X，在y轴上的投影为东向分量Y，在z轴上的投影为垂直分量Z，在水平面xBz平面的投影为水平分量H；总场T所在的垂直平面zBO为磁子午平面，地理子午面与磁子午平面的夹角(xBA)为磁偏角D，水平面与总场T之间的夹角(ABO)为磁倾角。
根据解算出磁倾角校正值I和磁偏角校正值D即可根据地磁要素的几何关系得到所需的所有磁场要素，即
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种地磁全要素传感器姿态误差校正方法，所述地磁全要素传感器包括总场传感器和环绕所述总场传感器的均匀磁场发生器，所述均匀磁场发生器包括正交的第一线圈C1和第二线圈C2，所述第一线圈C1和所述总场传感器放置于磁子午面，其特征在于，包括：
S1使用姿态传感器测量出所述地磁全要素传感器的姿态偏转角α，并使用所述总场传感器测量测量点的地磁场F；
S2依次向所述第一线圈C1中分别通入大小相等、方向相反的电流，使用所述总场传感器分别测量偏转磁场FI+和FI-；
S3依次向所述第二线圈C2中分别通入大小相等、方向相反的电流，使用所述总场传感器分别测量偏转磁场FD+和FD-；
S4根据姿态偏转角α、地磁场F、偏转磁场FI+和FI-计算出磁倾角的变化量校正值ΔI′1，根据姿态偏转角α、地磁场F、偏转磁场FD+和FD-计算出磁偏角的变化量校正值ΔD′1；
S5计算磁倾角校正值I和磁偏角校正值D，校正公式为I＝I0+ΔI′1，D＝D0+ΔD′1，I0为测量点的参考磁倾角，D0为测量点的参考磁偏角。
2.如权利要求1所述的一种地磁全要素传感器姿态误差校正方法，其特征在于：还包括，S6根据磁倾角校正值I和磁偏角校正值D计算出测量点的地磁全要素。
3.如权利要求1所述的一种地磁全要素传感器姿态误差校正方法，其特征在于：所述地磁全要素传感器的姿态变化包括俯仰变化、水平变化和翻转变化。
4.如权利要求3所述的一种地磁全要素传感器姿态误差校正方法，其特征在于：在所述地磁全要素传感器姿态俯仰变化时，所述姿态偏转角为α为俯仰偏转角，即所述总场传感器与所述磁子午面夹角，所述步骤S4中根据姿态偏转角α、地磁场F、偏转磁场FI+和FI-计算出磁倾角的变化量校正值ΔI′1的具体计算方法为：
向所述第一线圈C1中分别通入大小相等、方向相反的电流，分别产生方向相反大小相同的偏置磁场，偏置磁场大小为A′I，与地磁场F叠加，形成偏转磁场FI+和FI-，由余弦定理可得
FI+ 2＝A′I 2+F2-2A′IFcos(α2) (1)
FI- 2＝A′I 2+F2+2A′IFcos(α2) (2)
其中，α2为姿态变化后的偏置磁场与此时地磁场的夹角，由(1)式和(2)式相加求出
以及求出
设通过泰勒展开可以得到
由几何关系可得
由(5)式和(6)式求出
磁倾角变化量是一个微小值，由几何关系得到α2≈α1+α0 (8)
其中α1为姿态变化前若对所述第一线圈C1通入电流产生的偏置磁场与此时地磁总场夹角，
则由(4)式和(7)可得ΔI′＝cos(α2)-α (9)
ΔI′＝cos(α1+α0)-α (10)
直接补偿掉α，可以得到ΔI′＝cos(α1+α0) (11)
α1≈90°，根据三角函数关系可得ΔI′1＝-sin(α0)。 (12)
5.如权利要求4所述的一种地磁全要素传感器姿态误差校正方法，其特征在于：在所述地磁全要素传感器姿态俯仰变化时，所述步骤S4中根据姿态偏转角α、地磁场F、偏转磁场FD+和FD-计算出磁偏角的变化量校正值ΔD′1计算方法与磁倾角的变化量校正值ΔI′1的计算方法相同，计算出
6.如权利要求3所述的一种地磁全要素传感器姿态误差校正方法，其特征在于：在所述地磁全要素传感器姿态水平变化时，所述姿态偏转角α为水平偏转角，即所述总场传感器与磁子午线夹角，所述步骤S4中根据姿态偏转角α、地磁场F、偏转磁场FD+和FD-计算出磁偏角的变化量校正值ΔD′1的具体计算方法为：
向所述第二线圈C2中分别通入大小相等、方向相反的电流，分别产生方向相反大小相同的偏置磁场，偏置磁场大小为A′D，与地磁场F叠加，形成偏转磁场FD+和FD-，由余弦定理可得：
其中，α2为姿态变化后的偏置磁场与此时地磁场的夹角，由(13)式和(14)式相加求出
计算出
对(16)式化简并补偿后得到ΔD′1＝-sin(α0) (17)
其中
7.如权利要求6所述的一种地磁全要素传感器姿态误差校正方法，其特征在于：在所述地磁全要素传感器姿态水平变化时，所述步骤S4中根据姿态偏转角α、地磁场F、偏转磁场FI+和FI-计算磁倾角的变化量校正值ΔI′1的计算方法与磁偏角的变化量校正值ΔD′1计算的计算方法相同，
8.如权利要求7所述的一种地磁全要素传感器姿态误差校正方法，其特征在于：在所述地磁全要素传感器姿态翻转变化时，磁倾角的变化量校正值ΔI′1的计算方法和磁偏角的变化量校正值ΔD′1的计算方法均与所述地磁全要素传感器姿态俯仰和水平产生变化时相同，计算出
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