CN108375801B - 高精度地面移动式三分量磁测装置及磁测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高精度地面移动式三分量磁测装置及磁测方法，是由GPS基站，GPS流动站，磁通门检测系统，无磁经纬仪组成，磁通门检测系统固定在无磁经纬仪望远镜上部，无磁经纬仪的光轴与磁通门传感器的X轴平行，GPS流动站与磁通门检测系统中的MCU控制模块连接。本发明采用GPS基站和GPS流动站组成的差分GPS获取高精度的大地坐标系参数，结合无磁经纬仪解算大地方位角Δα，无需惯性导航系统即可完成三分量磁传感器的定向，且测量的数据即为地理坐标下的三分量磁测数据，无需的地理坐标转换和数据处理，测量得到的数据直接用于地质反演解释，有效提高了磁测工作效率，节省了野外测量时间，极大地降低了野外工作成本。本发明价格低、易于实施，精度高。

Description

高精度地面移动式三分量磁测装置及磁测方法

技术领域：

本发明涉及一种用于高精度地磁三分量测量装置及方法,尤其是对地磁场三分量信息进行移动式高精度测量。

背景技术：

三分量磁测方法是利用三分量磁力仪测量地磁场分量信息，与传统的总场测量相比，有助于对磁性体定量解释，获得更丰富的地磁场信息，有效减少反演中的多解性，进而达到查明地质构造、寻找矿产资源和解决水文、解决工程地质问题和进行环境监测等目的。目前我国只在地震台站采用了三分量磁通门磁力仪进行地磁总场、磁偏角D和磁倾角I和三分量B_X,B_Y,B_Z等信息的固定点测量。地面移动式的三分量测量还没有得到广泛应用。

CN105572749A公开了一种“地面三分量磁力定向方法及地面三分量磁力定向勘探装置”，通过控制器模块采用最小二乘拟合算法对磁通门传感器测量得到三分量B_X,B_Y,B_Z数据，根据探头中的惯性测量模块传输的姿态数据确定姿态矩阵的初始值以补偿因为磁通门传感器内部三轴直接的正交角度误差所带来的影响，再将惯性测量模块姿态数据变换到统一的选定坐标系，最后通过初始对准的误差补偿、姿态矩阵的计算，获得探头所在位置的姿态参数，从而获得地理坐标系下的三分量磁场信息，测量效率较高。但是这种装置需要一个高精度的惯性导航系统提供姿态信息，用于三分量磁测数据姿态校正。该惯性导航系统价格极为昂贵，且提供的姿态精度最高仅为千分之几度，姿态校正后的三分量磁测精度一般低于10nT，难以满足更高精度的地磁三分量测量。

发明内容：

本发明的目的就是针对上述现有技术的不足，提供一种适合于野外地面移动式测量的高精度三分量磁测装置

本发明的另一目的就是提供适合于野外地面移动式测量的高精度三分量磁测装置的磁测方法。

高精度地面移动式三分量磁测装置，是由GPS基站，GPS流动站，磁通门检测系统，无磁经纬仪组成，GPS基站与GPS流动站载波通讯，磁通门检测系统通过机械装置固定在无磁经纬仪望远镜上部，无磁经纬仪的光轴与磁通门传感器的X轴平行，GPS流动站与磁通门检测系统中的MCU控制模块连接。

如附图1，所述的磁通门检测系统是由三分量磁通门传感器经信号放大及滤波模块和三通道24位A/D转换模块通过SPI总线与MCU控制模块连接，MCU控制模块分别与时钟模块、存储模块和液晶显示模块连接构成。

高精度地面移动式三分量磁测装置的磁测方法，包括以下步骤：

a、设O为地心，OZ轴为地球自转轴，XOY平面为赤道面，XOZ平面为零子午面，A和B为地球表面上的两点，在测区中心B点竖立一个与当地水平面垂直的立竿MN并利用差分GPS测量出B点的极坐标R_B，λ_B，L_B，

其中R_B为A点到地心的距离，λ_B经度，L_B纬度；

b、在测点A点放置已安装磁通门检测系统的无磁经纬仪，调节无磁经纬仪目镜使十字叉丝对准立竿MN，记录此时的无磁经纬仪测得角度α₁，再利用差分GPS测量出待测点A点的极坐标R_A，λ_A，L_A，

其中R_A为A点到地心的距离，λ_A经度，L_A纬度，设平面ABC与A点所在水平面重合，与MN相交于B点，与地球自转轴相交于C点，且平面ABC与赤道平面平行；

c、求大地方位角Δα，

d、将A点的极坐标转化为直角坐标：

X_A,Y_A,Z_A＝R_A cos L_A cosλ_A，R_A cos L_A sinλ_A，R_A sin L_A。同理，B点的直角坐标为：

X_B,Y_B,Z_B＝R_B cos L_B cosλ_B，R_B cos L_B sinλ_B，R_B sin L_B；

e、利用三角形几何关系解算出C点的直角坐标：X_C,Y_C,Z_C＝0,0，R_A/sin L_A,

代入公式求出Δα

f、将无磁经纬仪转至α₂，α₂＝α₁+Δα，则此时经纬仪光轴即磁通门X轴对准方向为真北方向，磁通门Y、Z轴对准方向为即为B_Y,B_Z分量方向，此时测得值即为地磁三分量B_X,B_Y,B_Z。

有益效果：本发明与现有技术相比，本发明采用GPS基站和GPS流动站组成的差分GPS获取高精度的大地坐标系参数，结合无磁经纬仪解算大地方位角Δα，无需价格昂贵的惯性导航系统即可准确地完成三分量磁传感器的定向，且测量的数据即为地理坐标系下的三分量磁测数据，无需再进行复杂的地理坐标转换和数据处理，测量得到的数据可直接用于后期的地质反演解释，有效提高了磁测工作效率，节省了野外测量时间，极大地降低了野外工作成本。本发明价格低、易于实施，精度高，具有较高的实用性。

附图说明：

附图1为高精度地面移动式三分量磁测装置中磁通门检测系统结构框图

附图2为测点A和立竿处B位置示意图

附图3为为地面移动式三分量磁测系统的磁力定向示意图

附图4为高精度地面移动式三分量磁测装置结构图

附图5为高精度地面移动式三分量磁测方法流程图

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明：

高精度地面移动式三分量磁测装置，是由GPS基站，GPS流动站，磁通门检测系统，无磁经纬仪组成，GPS基站与GPS流动站载波通讯，磁通门检测系统通过机械装置固定在无磁经纬仪望远镜上部，无磁经纬仪的光轴与磁通门传感器的X轴平行，GPS流动站与磁通门检测系统中的MCU控制模块连接。

如附图1，所述的磁通门检测系统是由三分量磁通门传感器经信号放大及滤波模块和三通道24位A/D转换模块通过SPI总线与MCU控制模块连接，MCU控制模块分别与时钟模块、存储模块和液晶显示模块连接构成。

高精度地面移动式三分量磁测装置的磁测方法，包括以下步骤：

a、如附图2，设O为地心，OZ轴为地球自转轴，XOY平面为赤道面，XOZ平面为零子午面，A和B为地球表面上的两点，在测区中心B点竖立一个与当地水平面垂直的立竿MN并利用差分GPS测量出B点的极坐标R_B，λ_B，L_B，

其中R_B为A点L到地心的距离，λ_B经度，L_B纬度；

b、如附图3，在测点A点放置已安装磁通门检测系统的无磁经纬仪，调节无磁经纬仪目镜使十字叉丝对准立竿MN，记录此时的无磁经纬仪测得角度α₁，再利用差分GPS测量出待测点A点的极坐标R_A，λ_A，L_A，

其中R_A为A点到地心的距离，λ_A经度，L_A纬度，设平面ABC与A点所在水平面重合，与MN相交于B点，与地球自转轴相交于C点，且平面ABC与赤道平面平行；

c、求大地方位角Δα，

d、将A点的极坐标转化为直角坐标：

X_A,Y_A,Z_A＝R_A cos L_A cosλ_A，R_A cos L_A sinλ_A，R_A sin L_A

同理，B点的直角坐标为：

X_B,Y_B,Z_B＝R_B cos L_B cosλ_B，R_B cos L_B sinλ_B，R_B sin L_B；

e、利用三角形几何关系解算出C点的直角坐标：X_C,Y_C,Z_C＝0,0，R_A/sin L_A,

代入公式求出Δα

f、将无磁经纬仪转至α₂，α₂＝α₁+Δα，则此时经纬仪光轴即磁通门X轴对准方向为真北方向，磁通门Y、Z轴对准方向为即为B_Y,B_Z分量方向，此时测得值即为地磁三分量B_X,B_Y,B_Z。

g、根据磁偏角和磁倾角的定义，分别解算出：

D＝arctan(B_Y/B_Z)

最终获取地磁参数B_X,B_Y,B_Z,D和I。

Claims (1)

1.一种高精度地面移动式三分量磁测装置的磁测方法，所述的磁测装置是由GPS基站，GPS流动站，磁通门检测系统，无磁经纬仪组成，GPS基站与GPS流动站载波通讯，磁通门检测系统固定在无磁经纬仪望远镜上部，无磁经纬仪的光轴与磁通门传感器的X轴平行，GPS流动站与磁通门检测系统中的MCU控制模块连接；

磁通门检测系统是由三分量磁通门传感器经信号放大及滤波模块和三通道24位A/D转换模块通过SPI总线与MCU控制模块连接，MCU控制模块分别与时钟模块、存储模块和液晶显示模块连接构成；

所述的高精度地面移动式三分量磁测装置的磁测方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、设O为地心，OZ轴为地球自转轴，XOY平面为赤道面，XOZ平面为零子午面，A和B为地球表面上的两点，在测区中心B点竖立一个与当地水平面垂直的立竿MN并利用差分GPS测量出B点的大地坐标R_B，λ_B，L_B，

其中R_B，为B点到地心的距离，λ_B为B点的经度，L_B为B点的纬度；

b、在测点A点放置已安装磁通门检测系统的无磁经纬仪，调节无磁经纬仪目镜使十字叉丝对准立竿MN，记录此时的无磁经纬仪测得角度α₁，再利用差分GPS测量出待测点A点的大地坐标R_A，λ_A，L_A，

其中R_A，为A点到地心的距离，λ_A，经度，L_A纬度，设平面ABC与A点所在水平面重合，与MN相交于B点，与地球自转轴相交于C点，且平面ABC与赤道平面平行；

c、解算大地方位角Δα，

d、将A点的极坐标转化为直角坐标：

X_A,Y_A,Z_A＝R_Acos L_Acosλ_A，R_Acos L_Asinλ_A，R_Asin L_A

同理，B点的直角坐标为：

X_B,Y_B,Z_B＝R_Bcos L_Bcosλ_B，R_Bcos L_Bsinλ_B，R_Bsin L_B；

e、利用三角形几何关系解算出C点的直角坐标：X_C,Y_C,Z_C＝0,0，R_A/sin L_A,其中

是AB两点的向量，是AC两点的向量，

是AB两点的向量的模，是AC两点的向量的模，

代入公式求出Δα；

f、将无磁经纬仪转至α₂，α₂＝α₁+Δα，则此时经纬仪光轴即磁通门X轴对准方向为真北方向，磁通门Y轴、Z轴对准方向为即为B_Y,B_Z分量方向，此时测得值即为地磁三分量B_X,B_Y,B_Z；

g、根据磁偏角和磁倾角的定义，分别解算出：

D＝arctan(B_Y/B_Z)

最终获取地磁参数B_X,B_Y,B_Z,D和I。