CN109073380B

CN109073380B - 自校准且自主的地磁观测台

Info

Publication number: CN109073380B
Application number: CN201780027292.XA
Authority: CN
Inventors: 让·拉松; 亚历山大·龚塞特; 弗朗索瓦·亨布莱德
Original assignee: Institut Royal Meteorologique De Belgique
Current assignee: Institut Royal Meteorologique De Belgique
Priority date: 2016-05-04
Filing date: 2017-04-18
Publication date: 2020-11-10
Anticipated expiration: 2037-04-18
Also published as: CN109073380A; EP3452781A1; US20190162537A1; CA3022175A1; WO2017190951A1; BE1023739B1; US11346667B2; EA201892176A1; EA036173B1

Abstract

本发明涉及一种自主地磁观测台，其包括：标量磁力计，用于测量局部磁场矢量F的模量；角磁力计，用于测量竖直面方向、地理北方向、以及所述局部磁场矢量F的方向；磁变仪，用于测量所述局部磁场矢量F的三种变化；时钟；以及控制器。在所述观测台中，所述控制器被配置用于控制和管理传感器定向，用于获取所述磁变仪、所述标量磁力计、所述角磁力计和所述磁变仪的测量值，并且用于处理所获取的测量值以便自动地获得所述局部磁场矢量F以及所述测量值中与每个仪器相关联的误差。

Description

自校准且自主的地磁观测台

技术领域

根据第一方面，本发明涉及(局部地磁场的)地磁观测台，并且更具体地涉及自主地磁观测台。

根据第二方面，本发明涉及一种用于获得局部(地)磁场矢量的自动且自校准方法。

现有技术

已经存在一定数量的(局部地磁场)的所谓的自主地磁观测台。实际上，这些观测台仅是部分自主的。例如，O.Gravrand、A.Khokhlov、J.L.Le Mouel和J.M.Leger在《地球行星空间》，53,949-958,2001中发表的文章“On the calibration of a vectorial 4Hepumped magnetometer(关于矢量4He泵磁力计的校准)”公开了一种采用光泵氦蒸汽的矢量磁力计以及一种用于此磁力计的校准方法。这种磁力计使得能够获得局部磁场强度的绝对测量值以及局部磁场的三个正交分量的变化，这些变化是同时且在相同位置处测得的。这种观测台还提供了竖直姿态的确认。所述用于处理磁力计数据的方法允许从部件的这三个变化以及局部磁场矢量的模量的绝对值中获得对要获得的缩放因子的校准，允许获得以SI为单位的局部磁场矢量的三个分量的变化。

然而，这种观测台并不提供对局部磁场方向的自动测量。它也不传递站点的竖直面，也不传递地理北方向。由于温度变化而引起的漂移未得到校正。最后，这种方法不允许对随时间推移而出现的正交性误差进行校正。

在由H.U.AUSTER、M.MANDEA、A.HEMSHORN、M.KORTE和E.PULZ在PUBLS.INST.GEOPHYS.POL.ACAD.SC.,C-99(398),2007中所著的“GAUSS：地磁自动化系统(GAUSS:Geomagnetic Automated System)”中公开了第二种部分自主的磁观测台。此出版物公开了一种用于自动测量局部磁场矢量定向的装置。这种自主观测台还通过检测局部竖直面来对水平姿态和竖直姿态进行自校准。

然而，这种观测台并不自动传递局部磁场矢量的模量值，也不自动传递局部磁场矢量在三个方向上的变化，也不会传递地理北方向。没有提出用于校正温度影响、用于测量缩放因子并且用于进行正交校准的自校准方法。

总之，虽然这些地磁观测台通常被称为自主观测台，但它们实际上仅仅是部分自主的，并且需要外部干预才能获得局部磁场矢量。

发明内容

根据第一方面，本发明的目标之一是提供一种用于获得局部磁场矢量的自主且自校准测量的设备，必须在地球的局部磁场的意义上理解局部磁场矢量。

为此目的，所述用于测量局部磁场矢量的地磁观测台包括：标量磁力计，用于获得所述局部磁场矢量的模量的绝对测量值；磁变仪，其记录所述局部磁场矢量的三个数学独立分量的变化；时钟；角磁力计；以及控制器。所述角磁力计包括第一支持件，其可围绕被称为主旋转轴线的第一旋转轴线定向，允许获得所述第一可定向支持件的水平定向，所述第一可定向支持件包括：主电机，用于修改所述第一可定向支持件围绕所述主轴线的水平定向；倾角传感器；第二支持件，其可围绕与所述主轴线正交的、被称为次旋转轴线的第二旋转轴线定向，允许获得所述第二可定向支持件的竖直定向，所述第二可定向支持件包括：次电机，用于修改所述第二可定向支持件围绕所述次轴线的竖直定向；磁传感器，用于测量所述局部磁场矢量的方向；寻北设备。所述角磁力计进一步包括：用于控制所述主电机和所述次电机的装置；以及用于成角度地测量并获取所述第一可定向支持件和第二可定向支持件的水平定向和竖直定向的设备。

所述第二可定向支持件可以包括倾角传感器。所述倾角传感器可以安装在所述第一可定向支持件上或在所述第二可定向支持件上。

地磁观测台被使得为自主的并且能够借助于控制器而对局部磁场的测量值进行自校准，所述控制器被配置用于自动控制主电机和次电机，以便管理以下各项的定向：用于测量竖直面方向的倾角传感器、用于测量地理北方向的寻北设备、以及用于测量局部磁场矢量的方向的磁传感器。所述控制器还被配置用于：根据所述第一可定向支持件和所述第二可定向支持件的水平定向和竖直定向，获取所述局部磁场矢量方向相对于地理北和竖直面的角度，这些定向是利用所述成角度测量和获取设备所测得的；获取由所述磁变仪测得的所述局部磁场矢量的三种变化；以及获取由所述标量磁力计测得的所述局部磁场矢量的模量的值。最后，所述控制器被配置用于对预先所获取的数据进行处理，以便自动获得所述局部磁场矢量以及所述测量值中与每个仪器相关联的误差。

常规地磁观测台通常安装在包括温度受控的房间的建筑物中，以便避免过度的仪器偏差。此外，某些测量是由高素质的操作员手动执行的。因此，观测台不是可以安装在任何地方的。自主观测台的优点是能够安装在需要的地方，最重要的是，不需要合格的操作员。因此，这种观测台的成本明显较低，并且可以更易于使用。还可以以更高的频率和更高可靠性执行测量。关于前面的“自主”观测台，优点在于存在一组仪器，这些仪器组合在一起，使得可以获得自校准，并且因此比其将允许的简单的并置来获得明显更好的精度。

优选地，所述第一可定向支持件和所述第二可定向支持件、所述主电机和所述次电机、所述寻北设备、所述倾角传感器、用于控制所述主电机和所述次电机的所述装置、以及所述成角度测量和获取设备由非磁性部件形成，这些非磁性部件被限定为使得材料的磁化率包括在-1与1之间、优选地在-10^-1与10^-1之间、并且甚至更优选地在-10^-3与10^-3之间。

例如，非磁性部件是选自以下各项的材料：陶瓷、铝、镍银合金、钛、铜、ertalon、尼龙、乙缩醛、聚醚醚酮。

这些材料的选择对于保证局部磁场的良好测量是至关重要的，即测量不受仪器本身的干扰。

优选地，所述标量磁力计是以下各类型之一：质子磁力计、Overhauser效应磁力计、原子磁力计、光泵磁力计。

优选地，所述磁传感器是以下各类型之一的传感器：磁通门、磁通组、旋转电路或由磁性设备极化的标量磁力计。

优选地，所述寻北设备是以下各类型之一：GNSS、GPS、目标指向、天体指向、陀螺仪、绝对旋转检测器、阳光极化。

优选地，所述观测台包括多个非磁性柱基，所述多个非磁性柱基优选地由混凝土制成，其平均尺寸[厚度，宽度，长度]包括在[1，10，10]cm与[6，10，10]m之间；优选地，所述平均尺寸[厚度，宽度，长度]包括在[10，20，20]cm与[1，2，2]m之间、甚至更优选地在[15，25，25]cm与[0.25，0.5，0.5]m之间，所述非磁性柱基被间隔开包括在0m与10m之间、优选地在1m与6m之间、并且甚至更优选地在2m与4m之间的平均距离。所述非磁性柱基支撑以下各元件中的至少一个元件：所述标量磁力计、所述角磁力计、所述磁变仪、所述时钟(201)、所述控制器。

尽管观测台是自校准的并且可以安装在地壳上的任何地方，但是优选地将其安装在不受振动影响的稳定结构上以便获得更好质量的测量结果。

优选地，所述观测台包括围绕所述多个柱基并且包括绝缘壁的至少一个非磁性遮蔽物，所述绝缘壁的平均厚度包括在1cm与60cm之间、优选地在2cm与30cm之间、甚至更优选地在5cm与10cm之间。所述至少一个磁性遮蔽物保护以下各元件中的至少一个元件：所述标量磁力计(MS)、所述角磁力计(MA)、所述磁变仪(MV)、所述时钟(201)、所述控制器(202)。

正如稳定结构很重要一样，限制温度变化提高了测量质量并减小了仪器的漂移。

根据第二方面，本发明涉及一种用于自动获得局部磁场矢量的方法。所述方法包括提供如上所述的地磁观测台的步骤。接下来，控制器执行以下步骤：获取值、控制电机、计算值、校准测量值以及最后计算局部磁场矢量的值。

首先，所述控制器获取所述局部磁场矢量的模量的测量值，所述测量值是利用所述标量磁力计在不同时间ti所测得的，并且所述控制器获取所述局部磁场矢量的三个数学独立分量的测量值dU、dV、dW，所述测量值是利用所述磁变仪在不同时间ti所测得的。接下来，所述控制器控制所述主电机以便修改所述第一可定向支持件的水平定向，并且根据所述倾角传感器的指示而测量竖直面方向V；所述控制器还控制所述次电机以便修改所述第二可定向支持件的竖直定向，并且根据所述寻北设备的指示而测量地理北方向N，并且所述控制器控制所述主电机和次电机以便修改所述角磁力计的水平定向和竖直定向，并且根据在不同时间ti所获得的所述磁传感器的指示而测量与所述局部磁场矢量的方向相对应的两个角度D*和I*。第三，所述控制器根据预先所获得的方向来计算所述两个角度的绝对值，使得：D＝D*-N，并且I＝I*-V；所述控制器还使用所述局部磁矢量的绝对模量以及所述角度(所有这三项均是如上文所描述的那样获得的)来在为不同时间ti的平均值的时间t计算所述磁变仪的基线。第四，所述控制器校准所述磁变仪的每个数学独立分量的缩放因子，并且所述控制器校准所述磁变仪的所述三个数学独立分量的正交性和空间定向并且计算欧拉旋转矩阵E。最后，所述控制器通过以下方式来计算所述局部磁场矢量的值：通过将所述欧拉旋转应用于所述磁变仪的所述三个测量值dU、dV和dW来获得定向测量值；通过将所述磁变仪的所述三个定向测量值乘以对应缩放因子来获得有待缩放的测量值；以及通过将所述基线加到所述三个定向测量值和所述有待缩放的测量值来获得所述局部磁场矢量的所述3个分量。

上述方法允许自动地且以自校准的方式来获得局部磁场的测量值。这种自动化使得可以不再需要雇用合格的操作员，这大大降低了成本并提高了测量的精度。自校准允许提高测量的质量。这种自校准还参与降低成本，因为其准许将自主观测台安装在与常规观测台相比便宜的结构中。因此，自动化与自校准的组合为分开考虑的仪器增加了实质性价值。

优选地，控制器通过以下方式获得分别表征在水平平面和竖直平面中的场方向的两个角度D*和I*的测量值：修改第一可定向支持件的水平定向(支持件在水平平面中的旋转)直到磁传感器指示零，并且获取第一角度D*；并且修改第二可定向支持件的竖直定向(支持件在竖直平面中的旋转)直到磁传感器指示零，并且获取第二角度I*。

甚至更优选地，由控制器通过以下方式来获得所述两个角度D*和I*的测量值：修改所述第一可定向支持件的水平定向以使得所述磁传感器指示零测量值，并且获取所述第一可定向支持件的与此测量值相对应的定向D1；然后将所述第一可定向支持件的水平定向修改180°，并且调整水平定向以使得所述磁传感器指示零测量值，并且获取所述第一可定向支持件的与此测量值相对应的定向D2；然后将所述第二可定向支持件的竖直定向修改180°，并且调整所述第一可定向支持件的水平定向以使得所述磁传感器指示零测量值，并且获取所述第一可定向支持件的与此测量值相对应的定向D3；然后将所述第一可定向支持件的水平定向修改180°，并且调整水平定向以使得所述磁传感器指示零测量值，并且获取所述第一可定向支持件的与此测量值相对应的定向D4；并且最后通过计算所述四个测量值的平均值来计算与所述局部磁场的水平方向相对应的第一角度：D*＝(D1+D2+D3+D4)/4。

类似地，通过以下方式来获得I*的测量值：将所述第一可定向支持件的水平定向修改为方向D*-90°；然后针对D*执行相同的前三个步骤，在这些步骤中，水平定向和竖直定向被反转，并且在这些步骤中，所述第一可定向支持件和所述第二可定向支持件的作用被反转，并且由此获取定向I1、I2、I3。I4将所述第一可定向支持件的水平定向修改为方向D*-90°，并且调整所述第二可定向支持件的竖直定向以使得所述磁传感器指示零测量值，所述第二可定向支持件的与此测量值相对应的定向I4。最后，通过计算所述四个测量值的平均值来计算与在竖直平面中所述局部磁场的第二方向相对应的第二角度：I*＝(I1+I2+I3+I4)/4。

优选地，所述寻北设备是绝对旋转检测器类型的探寻器，并且所述控制器控制所述次电机以便修改所述第二可定向支持件的竖直定向，并且根据所述寻北设备的指示，通过修改所述第一可定向支架的水平定向直到所述绝对旋转检测器指示零测量值来测量地理北方向N，并且获取所述第一可定向支持件的与此测量值相对应的定向N。

甚至更优选地，与D*类似地获得地理北方向N的测量值，在上述方法中，用绝对旋转检测器来代替磁传感器，并且用N1、N2、N3、N4和N来代替方向D1、D2、D3和D4和D*。

这些测量方法的优点在于抵消仪器的所有内部对准误差，并且因此提高测量质量。

优选地，所述控制器基于以下各项来计算所述磁变仪的基线：基于所述磁变仪的所述三个测量值dU、dV和dW；基于所述局部磁场矢量F的绝对模量；基于表征所述局部磁场矢量

的方向的所述两个角度：倾角I和偏角D；以及可选地基于允许实现坐标D、F、I到坐标U、V、W的变化的函数gU、gV、gW。所述控制器使用以下各项来计算所述基线U0、V0、W0：

U₀＝g_U(F,D,I)-dU

V₀＝g_V(F,D,I)-dV

W₀＝g_W(F,D,I)-dW。

优选地，所述控制器通过以下方式来校准所述磁变仪的每个分量的缩放因子：在预先设定的时间长度内测量所述基线相对于所述局部磁场矢量

的所述三个分量中的每一个的信号的幅度的变化幅度；然后将所述磁变仪(MV)的所述三个测量值dU、dV和dW乘以校正因子：缩放因子f_U、f_V、和f_W；然后使用以下各项来减去经校正值并计算所述基线：

U₀＝g_U(F,D,I)-f_U*dU

V₀＝g_V(F,D,I)-f_V*dV

W₀＝g_W(F,D,I)-f_W*dW

接下来，所述控制器增大或减小所述对应缩放因子以便减小对应基线的变化，并且所述控制器通过乘以所述对应缩放因子来校正所述磁变仪的所述测量值。可以迭代地重复这些步骤直到所述缩放因子的增大或减小小于预设值。

优选地，所述控制器通过以下方式来校准所述磁变仪的所述三个数学独立分量的正交性和空间定向并计算所述欧拉旋转矩阵E：在预设时间长度内检查分量的基线根据其他分量的信号幅度而发生的变化；计算所述欧拉旋转矩阵E；并且调整所述定向直到所述基线的变化小于预设值。

优选地，所述标量磁力计和所述磁变仪利用包括在0.01Hz与100Hz之间、优选地在0.05Hz与10Hz之间、并且甚至更优选地在0.1Hz与1Hz之间的频率来进行测量。

优选地，利用包括在10^-7Hz与10^-2Hz之间、优选地在10^-6Hz与10^-3Hz之间、甚至更优选地在10^-5Hz与10^-4Hz之间的频率来进行所述局部磁场矢量的所述定向的测量。

优选地，自主观测台实施如上文所述的方法。

附图说明

本发明的这些方面和其他方面将在对本发明的具体实施例的详细描述中参考附图予以阐明，在附图中：

-图1示出了局部磁场矢量及其到各个数学独立分量的分解；

-图2示出了根据本发明的自主地磁观测台的示例；

-图3示出了根据本发明的角磁力计的实施例的示例；

-图4示出了基于目标指向原则的寻北设备的示例；

-图5示出了基于绝对旋转检测器原则的寻北设备的示例；

-图6示出了磁传感器的感测轴线相对于局部磁场的定向的示例；

-图7示出了根据本发明的自主地磁观测台的第二示例；

-图8示出了根据本发明的用于获得局部磁场矢量的方法的示例的图表；

-图9a示出了与围绕X轴的旋转相对应的、沿着东西轴线的调平误差；

-图9b示出了在东西方向上展现调平误差的场的Z分量的基线的测量的示例。

-图10示出了允许确定磁变仪的缩放因子和定向误差的算法的示例。

附图不是按比例的。一般地，在附图中，类似的元件已经通过类似的参考标记表示。附图中存在参考标记不能被认为是限制性的，包括当这些标记显示在权利要求书中时。

具体实施方式

图1示出了在下文中被称为局部磁场矢量

的局部地磁场矢量、以及其到各个数学独立的分量的分解的示例。由于局部磁场

是矢量场，因此对其强度的了解不足以完全表征它。具体而言，需要相对于参考方向来定义其定向。这些参考方向优选地为局部竖直面(或等效地，水平平面)和地理北方向N。然后，磁偏角“D”被定义为地理北N与磁矢量至水平平面的投影之间的角度。磁倾角“I”被定义为在包含磁矢量的竖直平面中水平平面与此矢量之间的角度。

在笛卡尔坐标XYZ中，X指向地理北N，Y指向地理东E，并且Z指向竖直向下。在圆柱坐标HDZ中，H是水平分量，D是磁偏角，并且Z是竖直分量(向下方向为正)。在球面坐标FDI中，F是局部磁场矢量的模量(矢量的大小)，D是磁偏角，并且I是磁倾角。无论选择何种坐标系，都必须确定三个数学独立的分量以便完全表征局部磁场矢量

最后要注意的是，各种值之间存在以下关系：H＝F cos I，Z＝F sin I，X＝H cos D，Y＝H sin D。

图2示出了根据本发明的自主地磁观测台200的示例。优选地，此观测台200包括：标量磁力计MS、角磁力计MA、磁变仪MV、时钟201、以及控制器202。

优选地，所述标量磁力计MS用于测量磁场的强度，或者换言之，用于测量局部磁场矢量F的模量。所述标量磁力计可以充当绝对仪器，只要其测量不相对于另一个量的量即可。术语标量表示在参考系统改变期间保持不变的属性。所述标量磁力计MS例如是以下各类型之一的磁力计：质子磁力计、Overhauser效应磁力计、原子磁力计、光泵磁力计。优选地，利用包括在0.01Hz与100Hz之间、优选地在0.05Hz与10Hz之间、甚至更优选地在0.1Hz与1Hz之间的频率来进行对所述局部磁场矢量F的模量的测量。优选地，测量精度为使得测量误差小于1nT，甚至更优选地小于0.5nT，并且理想地小于0.2nT。

由于局部磁场

随时间而变化，因此使用允许定义时间参考的时钟201来同步各种仪器的测量值。此时钟例如是因特网时间服务器、原子时钟或GNSS信号。根据时间的场变化越大，则测量的同步必须越好。

图3示出了根据本发明的角磁力计MA的实施例的示例。角磁力计允许确定局部磁场矢量

的方向。

在图3的示例中，角磁力计MA包括：

·第一支持件320，其可围绕被称为主旋转轴线321的第一旋转轴线定向；

·第二支持件310，其可围绕基本上与所述主轴线正交的、被称为次旋转轴线311的第二旋转轴线定向；

·倾角传感器313；

·寻北设备324；

·磁传感器323，用于测量所述局部磁场矢量

方向。

优选地，所述第一支持件包括：主电机322，用于修改所述第一可定向支持件320围绕所述主轴线的所述定向；倾角传感器313；第二支持件310。这两个旋转轴线321和311允许在两个基本正交(水平和竖直)平面中的运动。这些运动允许获得第一可定向支持件的水平定向和第二可定向支持件的竖直定向。优选地，第二可定向支持件310包括：次电机312，用于修改第二可定向支持件围绕所述次轴线311的定向；磁传感器323，用于测量局部磁场矢量

的方向；以及寻北设备324。优选地，所述角磁力计MA还包括：用于控制所述主电机322和所述次电机312的装置340；以及用于成角度地测量并获取所述第一可定向支持件和第二可定向支持件320、310的水平定向和竖直定向的设备350。优选地，所述角磁力计具有两个旋转自由度，并且能够沿任意方向对磁传感器323进行定向。具体地，所述角磁力计能够根据磁场来对磁传感器进行定向。

优选地，所述主电机322和次电机312具有可忽略的磁性覆盖面积，使得它们不会干扰磁场的测量。例如，这些电机是压电电机。

所述成角度测量和成角度获取设备350允许分别围绕主轴线321和次轴线311中的每一个来测量第一可定向支持件和第二可定向支持件320和310的旋转角度。例如，此设备是光编码器。此设备可用作针对自动控制的角运动的返回信号。

优选地，可以使用“调平”螺钉来调节主轴线321的位置。其他解决方案是可能的，例如万向接头、球形接头或摆锤式悬挂系统。

倾角传感器313测量主轴线321相对于竖直面的定向。倾角传感器允许获得第一参考方向。此传感器例如是电解液位或重力测量加速度计。优选地，倾角传感器牢固地紧固到参考系上，所述参考系与次轴线311一起转动并因此牢固地紧固到寻北设备324和磁传感器323上。倾角传感器还可以放置在附接到主轴线321的参考系中。

在所述设备的改进版本中，角磁力计MA进一步包括辅助倾角传感器314，其能够安装在仪器的固定部分中。优选地，辅助倾角传感器具有两个自由度。

角磁力计MA包括寻北设备324。此寻北设备允许确定地理北方向N，并且由此确定第二参考方向。优选地，寻北设备受益于两个自由度，即，其可以围绕主轴线321和次轴线311旋转。

寻北设备324例如是如图4所示的目标指向系统。这种设备指向一个方向：目标，其相对于地理北N的角度Az是预先已知的。由此从中推导出地理北方向N。这种设备可以是指向后向反射器的激光器。然后，由如光电池或PSD(位置敏感检测器)等设备捕获返回光束。其他解决方案也是可能的，比如CCD相机。GPS或GNSS信标也可以充当目标。图4还示出了地磁北的方向Nmag和偏角角度D。

可替代地，寻北设备324可以是太阳指向(太阳射向)设备：可以通过在给定时间将这种设备指向太阳来导出地理北方向N(不管太阳是否被云遮住，例如借助于偏振滤光器)。已知的方法需要知道太阳的恒星时间、偏角和赤经。这些数据可在天文表中获得或从模型中导出。还可以使用其他设备，比如，天体靶向设备：前述原则可适用于任何其他可见天体。恒星照相机：在相对于观测台的固定坐标系中，恒星看起来并非固定在天空中。然后，它们在给定时间的图像允许确定地理北方向N。有利地，寻北设备324是如图5所示的绝对旋转检测器。这种类型的传感器能够检测地球的旋转Ω_e。这种检测器测量地面旋转矢量的水平分量510在其感测轴线520上的投影。图5示出了相对于地理北N(未示出)所测得的感测轴线的定向的纬度θ和角度Ψ的投影的示例。这两个方向位于同一水平平面上。如果此感测轴在水平平面内被移动，则其输出描述正弦波，所述正弦波的最大值位于南北方向上，且其零点位于东西方向上。

这些传感器或陀螺仪尤其可以是机械类型、光纤(FOG)类型、激光(RLG)类型、半球形谐振(HRG)类型、MEMS类型或原子类型的。

磁传感器323是定向的磁场传感器，其感测轴线可以围绕角磁力计MA的主旋转轴线321和次旋转轴线311而定向。这种磁传感器可以例如是磁通门、磁通组、旋转电路或由磁性设备极化的标量磁力计。这种磁传感器323的输出T与局部磁场

乘以平行于其感测轴线的单位矢量

的标量积成比例(见图6)：

其中，k是磁传感器的比例因子或缩放因子。

磁传感器323可以能够测量磁场强度(标量测量)。因此，标量磁力计MS可以被包括在角磁力计MA中。这种传感器可以是单轴或三轴全场磁通门探头、三轴磁通组探头、或标量磁力计。标量测量还可以通过仪器中所包括的辅助磁传感器来执行。优选地，利用包括在10^-7Hz与10^-2Hz之间、优选地在10^-6Hz与10^-3Hz之间、甚至更优选地在10^-5Hz与10^-4Hz之间的频率来进行所述局部磁场矢量的所述定向的测量。优选地，水平平面中的角测量精度为使得测量误差小于20弧秒，甚至更优选地小于10弧秒，并且理想地小于6弧秒。优选地，竖直平面中的角测量精度为使得测量误差小于10弧秒，甚至更优选地小于5弧秒，并且理想地小于1弧秒。

磁变仪MV(也称为矢量磁力计)以规则的间隔测量局部磁场

的三个数学独立分量的变化。优选地，利用包括在0.01Hz与100Hz之间、优选地在0.05Hz与10Hz之间、甚至更优选地在0.1Hz与1Hz之间的频率来进行所述局部磁场矢量

的所述三个数学独立分量的测量。优选地，测量精度为使得测量误差小于2nT，并且甚至更优选地小于1nT，并且理想地小于0.5nT。这些测量比利用角度磁力计和标量磁力计进行的绝对测量更精确，但是它们必须相对于参考物来进行校准。磁变仪MV和标量磁力计MS可以在同一个仪器中组合在一起。

自主观测台还包括控制器202。所述控制器被配置用于：

a)自动控制所述主电机322和所述次电机312；

b)管理以下各项的定向：

1)用于测量竖直面方向V的倾角传感器313；

2)用于测量地理北方向N的寻北设备324；

3)磁传感器323，用于测量所述局部磁场矢量

的方向；

c)获取以下各项：

1)根据所述第一可定向支持件和所述第二可定向支持件的水平定向和竖直定向，获取所述局部磁场矢量

方向相对于地理北N和竖直面V的角度；

2)获取由所述磁变仪MV测得的所述局部磁场矢量

的三种变化；

3)获取由所述标量磁力计MS测得的所述局部磁场矢量F的模量的值；

d)处理在步骤c)中所获取的所述数据，以便自动地获得所述局部磁场矢量

以及所述测量值中与每个仪器相关联的误差。

优选地，第一可定向支持件320和第二可定向支持件310、主电机322和次电机312、寻北设备324、用于控制电机的装置340、以及成角度测量和获取设备350由非磁性部件形成，即，形成它们的材料的磁化率包括在-1与1之间，优选地在-10^-1与10^-1之间，并且甚至更优选地在-10^-3与10^-3之间。例如，所述材料是选自以下各项的材料：陶瓷、铝、镍银合金、钛、铜、ertalon、尼龙、乙缩醛、聚醚醚酮。

图7示出了根据本发明的自主地磁观测台700的第二示例。在本示例中，自主地磁观测台包括如上文所描述的角磁力计MA、标量磁力计MS、磁变仪MV、时钟201和控制器202。观测台700进一步包括电源701，并且控制器202进一步能够经由通信系统702从仪器(MA、MS、MV)获取数据并将数据传输到外部网络。优选地，磁力计远离各种电子器件而定位，以免受其干扰。角磁力计MA和磁变仪MV可以插入高热惯性的绝缘室中。还可以设想“三明治”结构。角磁力计MA和磁变仪MV还可以安装在稳定的支持件上，比如，锚定在固体基底730上的柱基。基底可以是岩石或由无磁材料构成的板坯。在图7的示例中，两个非磁性遮蔽物710围绕多个柱基711并且包括绝缘壁720，所述绝缘壁的平均厚度包括在1cm与60cm之间，优选地在2cm与30cm之间，并且甚至更优选地在5cm与10cm之间。优选地，所述多个非磁性柱基(优选地由混凝土制成)的平均尺寸[厚度，宽度，长度]包括在[1，10，10]cm与[6，10，10]m之间；优选地，所述平均尺寸[厚度，宽度，长度]包括在[10，20，20]cm与[1，2，2]m之间、甚至更优选地在[15，25，25]cm与[0.25，0.5，0.5]m之间，所述柱基被间隔开包括在0m与10m之间、优选地在1m与6m之间、并且甚至更优选地在2m与4m之间的平均距离。在本示例中，遮蔽物710中的一个包括矢量磁力计MV并且另一个包括角磁力计MA。优选地，所述观测台包括单个遮蔽物710。

优选地，非磁性柱基711支撑以下各元件中的至少一个元件：所述标量磁力计MS、所述角磁力计MA、所述磁变仪MV、所述时钟201、所述控制器202。优选地，非磁性遮蔽物保护以下各元件中的至少一个元件：所述标量磁力计MS、所述角磁力计MA、所述磁变仪MV、所述时钟201、所述控制器202。

根据本发明的自主地磁观测台可以安装在地面上或水下，例如在海底。当其被浸没时，仪器(MA，MS，MV)、时钟201和控制器202由一个或多个紧密密封的保护壳体保护。仪器(MA，MS，MV)、时钟201和控制器202安装在单个壳体中，或者优选地安装在分开的壳体中。所述一个或多个壳体防止外部水损坏或破坏其内容物。例如，水下地磁观测台可以经由电池、水下电缆、通过导电电缆连接到观测台的表面浮标、从海流中发电的发电机来供电。

根据第二方面，本发明涉及一种用于获得局部磁场矢量

的方法。

图8示出了根据本发明的用于获得局部磁场矢量

的方法800的示例的图表。这种方法包括以下步骤：

a)S810：提供如上文所述的地磁观测台；

b)S820：所述控制器202获取局部磁场矢量F的模量的测量值，所述测量值是利用标量磁力计MS在不同时间ti所测得的；

c)S830：所述控制器获取所述局部磁场矢量

的所述三个数学独立分量的测量值dU、dV、dW，所述测量值是利用所述磁变仪MV在不同时间ti所测得的；

d)S840：所述控制器控制所述主电机322以便修改所述第一可定向支持件320的水平定向，并且根据所述倾角传感器的指示而测量竖直面V；

e)S841：所述控制器控制所述次电机312以便修改所述第二可定向支持件310的竖直定向，并且根据所述寻北设备324的指示而测量地理北方向N；

f)S842：所述控制器控制所述主电机和次电机以便修改所述角磁力计MA的水平定向和竖直定向，并且根据在不同时间ti所获得的所述磁传感器323的指示而测量与所述局部磁场矢量

的方向相对应的两个角度D*和I*；

g)S843：所述控制器根据在步骤d)至f)中获得的方向来计算所述两个角度的绝对值，使得：D＝D*-N，并且I＝I*-V；

h)S850：所述控制器使用如在步骤b)中获得的所述局部磁矢量F的绝对模量和在步骤g)中获得的所述角度来在为不同时间ti的平均值的时间t计算所述磁变仪MV的基线；

i)S860：所述控制器校准所述磁变仪MV的每个数学独立分量的缩放因子；

j)S861：所述控制器校准所述磁变仪MV的所述三个数学独立分量的正交性和空间定向，并且计算欧拉旋转矩阵E；

k)S870：所述控制器通过执行以下步骤来计算所述局部磁场矢量

的值：

1)S871：通过将在步骤j)中获得的所述欧拉旋转E应用于所述磁变仪MV的所述三个测量值dU、dV和dW来获得定向测量值；

2)S872：通过将所述磁变仪MV的所述三个定向测量值乘以在步骤i)中获得的对应缩放因子来获得有待缩放的测量值；

3)S873：通过将所述基线加到所述三个定向测量值和所述有待缩放的测量值来获得所述局部磁场矢量

的所述3个分量；

局部磁场矢量

随时间而发生变化，这就是必须在不同时间ti进行测量的原因。

标量磁力计MS是能够以一定精度传递局部磁场F的模量值以使得测量误差通常小于1nT、优选地小于0.5nT、并且理想地小于0.2nT的仪器。自主观测台的控制器202被配置用于获取由标量磁力计MS传递的值。

优选地，控制器202控制主电机322和次电机312以便使用倾角传感器来测量竖直面方向V。控制器还配置用于控制主电机322和次电机312以便使用寻北设备324来测量地理北方向N。

优选地，寻北设备324是绝对旋转检测器，并且搜索地理北N包括修改所述第一可定向支持件320的水平定向直到绝对旋转检测器指示零测量值。然后，控制器202获取第一支持件的指示地理北N的定向。

可替代地，寻北设备是绝对旋转检测器，并且搜索地理北N包括以下步骤：

a)修改所述第一可定向支持件320的水平定向以使得所述绝对旋转检测器指示零测量值，并且获取所述第一可定向支持件的与此测量值相对应的定向N1；

b)将所述第一可定向支持件320的水平定向修改180°，并且调整水平定向以使得所述绝对旋转检测器指示零测量值，并且获取所述第一可定向支持件的与此测量值相对应的定向N2；

c)将所述第二可定向支持件310的竖直定向修改180°，并且调整所述第一可定向支持件320的水平定向以使得所述绝对旋转检测器指示零测量值，并且获取所述第一可定向支持件320的与此测量值相对应的定向N3；

d)将所述第一可定向支持件320的水平定向修改180°，并且调整水平定向以使得所述绝对旋转检测器指示零测量值，并且获取所述第一可定向支持件的与此测量值相对应的定向N4；

e)通过计算所述四个测量值的平均值来计算地理北方向N：N＝(N1+N2+N3+N4)/4。

地理北N和竖直面V的测量允许定义将在其中表示局部磁场矢量

的参考坐标系。

一旦已知地理北方向N和竖直面方向V，就获得了局部参考系，在所述局部参考系中表示了由控制器202使用角磁力计MA及其磁传感器323确定的局部磁场矢量

的两个方向。优选地，角磁力计MA的磁传感器323是定向的传感器，使得仅测量局部磁场的与传感器的感测轴线平行的分量。然后，通过以下标量积给出传感器的输出：

其中，T是传感器的输出，其通常以毫微特斯拉(nT)来表示，k是传感器的缩放因子，

是与传感器的感测轴线平行的单位矢量，并且

是局部磁场矢量。例如，磁传感器323的与磁场正交的定向导致标量积为零。由此谈到了零方法或空方法。因此，所述控制器202被配置用于通过修改所述第一可定向支持件320的水平定向直到所述磁传感器指示理想地为零的最小值来测量所述两个角度D*和I*，这给出了第一定向D*。然后，所述控制器修改所述第二可定向支持件310的竖直定向直到所述磁传感器指示理想地为零的最小值，这给出了第二定向I*。

优选地，测量多个零，目的是减小测量误差和由于仪器引起的某些误差。通常，由磁传感器323测得的磁场分量可以使用劳里德森模型表示为两个自由度和各种对准误差的函数，所述模型是本领域技术人员已知的(Lauridsen,K.E.，1985.Experiences with theDI-fluxgate magnetometer inclusive theory of the instrument and comparisonwith other methods(利用仪器的DI-磁通门磁力计包括理论的实验以及与其他方法的比较)。丹麦气象研究所地球物理学论文，R-71)：

T＝H cos(α-D)(cos(β)-∈sin(β))-γH sin(α-D)+Z(∈cos(β)+sib(β))+T₀

其中，T：磁传感器323的输出；T0：可选偏移；H：局部磁场矢量

(在垂直于主轴线321的平面中)的水平分量；Z：局部磁场矢量

(平行于主轴线)的竖直分量；D：磁偏角；α：在水平平面中角度磁力仪MA相对于地理北的角度；β：在竖直平面中相对于竖直面的角度；∈：在竖直平面中磁传感器323相对于其感测轴线的对准误差；γ：当感测轴线是水平时，在水平平面中磁传感器相对于其感测轴线的对准误差。然后，通过探寻基本垂直于磁场的磁中心定向来确定磁场的角度方向。已知方法(Lauridsen,Kerridge：Kerridge,D.J.(1988).Theory of the fIuxgate-theodolite(磁通门经纬仪的理论)，英国地质调查技术报告，地磁系列，WW/88/14)使得可以补偿传感器的对准误差和偏移误差。

例如，控制器202控制主电机和次电机以便修改角磁力计MA的水平定向和竖直定向，并且搜索对应于4个定向(水平上的+/-180°、以及竖直上的+/-180°)的零点。例如，为了找出偏角D，所述控制器执行以下步骤：

a)修改所述第一可定向支持件320的水平定向以使得所述磁传感器323指示零测量值，并且获取所述第一可定向支持件的与此测量值相对应的定向D1；

b)将所述第一可定向支持件320的水平定向修改180°，并且调整水平定向以使得所述磁传感器323指示零测量值，并且获取所述第一可定向支持件的与此测量值相对应的定向D2；

c)将所述第二可定向支持件310的竖直定向修改180°，并且调整所述第一可定向支持件320的水平定向以使得所述磁传感器323指示零测量值，并且获取所述第一可定向支持件的与此测量值相对应的定向D3；

d)将所述第一可定向支持件320的水平定向修改180°，并且调整水平定向以使得所述磁传感器323指示零测量值，并且获取所述第一可定向支持件的与此测量值相对应的定向D4；

e)通过计算所述四个测量值的平均值来计算与所述局部磁场的水平方向相对应的第一角度：D*＝(D1+D2+D3+D4)/4；

类似地，所述控制器202通过执行以下步骤来获得倾角I：

f)将所述第一可定向支持件320的水平定向修改为方向D*-90°；

g)执行步骤a)至c)，在这些步骤中，水平定向和竖直定向被反转，并且在这些步骤中，所述第一可定向支持件320和所述第二可定向支持件310的作用被反转，并且由此获取定向I1、I2和I3；

h)将所述第一可定向支持件320的水平定向修改为方向D*-90°，并且调整所述第二可定向支持件310的竖直定向以使得所述磁传感器323指示零测量值，并且获取所述第二可定向支持件的与此测量值相对应的定向I4；

i)通过计算所述四个测量值的平均值来计算与所述局部磁场的第二方向相对应的第二角度：I*＝(I1+I2+I3+I4)/4。

可替代地，第二种方法包括搜索这样的方向，在此方向上，磁传感器323指示接近零但具有留数dT的测量值。可以使用以下关系来转换正在搜索其定向的局部磁场的分量：

其中，H是局部磁场矢量

的水平分量的大小，并且F是局部磁场矢量的模量。然后，针对每个测量值的留数来对其进行校正。

然后，由控制器202在地理北N和竖直面的参考系中计算定向D和I，使得：D＝D*-N，并且I＝I*-V。

控制器202获取局部磁场矢量

的三个分量的值dU、dV、dW，这些值是利用磁变仪MV在不同时间ti所测得的。在地磁观测台中，磁场的测量优选地还借助于矢量磁力计(也称为磁变仪MV)来执行，所述矢量磁力计以规则的间隔(例如10Hz、1Hz、0.05Hz)测量磁场的三个分量的变化。这是关于参考物进行相对测量的问题。因此，这些测量值必须使用由角磁力计MA和标量磁力计MS传递的绝对测量值来校准。

局部磁场矢量

的三个分量的值dU、dV和dW(这些值是利用磁变仪MV所测得的)是这些分量关于参考值的变化。此参考值(通常称为“基线”LDB)是通过从分量的“绝对”或完整值中减去所述分量随时间的变化来确定的。随时间的变化是由磁变仪MV测得的分量的相对值。对于分量C，关系是：C₀＝C(t)-δC(t)，其中：C₀：分量C的LDB，假设其与时间无关；C(t)：时间t上的“绝对”值C(此值是从角磁力计MA和标量磁力计MS的绝对测量值中确定的)；以及δC(t)：时间t上C的变化，此变化是由磁变仪MV测得的。因此，使用局部磁矢量F的绝对模量以及角度D和I来获得在为不同时间ti的平均值的时间t的磁变仪MV的基线的计算。

LDB值仅取决于MV的实施而不取决于磁场本身。但是，此值可能在例如温度的影响下随时间而发生变化。则定期进行绝对测量允许对其进行调整。LDB的计算还可能涉及坐标变化，例如从坐标D、F、I到任何其他坐标集U、V、W的变化。然后，控制器202基于以下各项来计算磁变仪MV的基线：基于磁变仪MV的三个测量值dU、dV和dW；基于所述局部磁场矢量F的绝对模量；基于表征所述局部磁场矢量

的方向的所述两个角度：倾角I和偏角D；以及基于允许实现坐标D、F、I到坐标U、V、W的变化的函数gu、gv、gw。所述控制器使用以下公式来计算基线U₀、V₀、W₀：

U₀＝g_U(F,D,I)-dU

V₀＝g_V(F,D,I)-dV

W₀＝g_W(F,D,I)-dW。

磁变仪MV还可以展现必须由控制器202校准的缩放因子误差(每个分量一个)。具体地，通常通过采集链来测量所述场，所述采集链将基本磁信号转换为可由控制器利用的信号，例如，转换为电流、电压或数字位。通常应用缩放因子来解释从采集链输出的信号。将基线确定为足够高的分辨率允许对此影响进行观察和校正。例如，控制器通过执行以下步骤来校准磁变仪MV的每个分量的缩放因子：

a)在预先设定的时间长度内测量所述基线相对于所述局部磁场矢量

的所述三个分量中的每一个的信号的幅度的变化幅度；

b)将所述磁变仪MV的所述三个测量值dU、dV和dW乘以校正因子：缩放因子f_U、f_V和f_W；

c)使用以下各项来减去经校正值并计算所述基线：

U₀＝g_U(F,D,I)-f_U*dU

V₀＝g_V(F,D,I)-f_V*dV

W₀＝g_W(F,D,I)-f_W*dW

d)增大或减小对应缩放因子以便减小对应基线的变化；

e)通过乘以所述对应缩放因子来校正所述磁变仪MV的所述测量值；

可以重复步骤a)至d)，直到所述缩放因子的增大或减小小于预设值。

例如，在偏角D的情况下：

δD^*(t)＝(1+α)δD(t)

其中，

利用较差的缩放因子计算的LDB；以及α：缩放因子误差。前述等式可转换为磁场的其他分量。

最后，磁变仪MV可以展现正交性误差和/或定向误差，或者可以定向不良以便测量“非常规”的分量。必须由控制器202来对这些误差进行校正和校准。在这种情况下，可以通过常规绝对测量来检测由磁变仪MV测得的分量与另一分量的LDB之间的相关性。再次，校正倾向于最小化这种相关性。校正包括应用基矩阵变化以重新获得磁场的基本分量。基矩阵的变化被称为欧拉矩阵E。因此，所述控制器通过执行以下步骤来校准所述磁变仪MV的所述三个数学独立分量的正交性和空间定向并且计算欧拉旋转矩阵E：

a)在预设时间长度内检查一个分量的基线根据其他分量的信号幅度而发生的变化；

b)计算所述欧拉旋转矩阵E，并且调整所述定向直到所述基线的变化小于预设值。

当观测台被调试、发生变化或在时间上出现时，可能存在上述误差。例如，磁变仪MV可能会安装在不稳定的柱基上。然后，必须在开发观测台期间进行校正。特别地，本发明可以实时地控制并且校正这些误差。

一旦执行了各种校准，所述控制器202通过执行以下步骤来计算所述局部磁场矢量

的值：

a)S871：通过将欧拉旋转E应用于所述磁变仪MV的所述三个测量值dU、dV和dW来获得定向测量值；

b)S872：通过将所述磁变仪MV的所述三个定向测量值乘以所述缩放因子来获得有待缩放的测量值；

c)S873：通过将所述基线加到所述三个定向测量值和所述有待缩放的测量值来获得所述局部磁场矢量

的所述3个分量；

例如，磁变仪MV可以测量X、Y、Z分量、H和F分量的变化，其通常以毫微特斯拉(nT)表示，或者测量角分量D和I的变化，其通常以弧分、弧秒、度-分-秒或十进制度来表示。局部磁场的模量由标量磁力计MS给出，角分量的绝对值、优选地是偏角D和倾角I由角磁力计MA传递。

采用XYZ配置的观测台的情况

磁变仪MV测量所述场的笛卡尔分量的变化，每个感测轴线被定向在待测量的分量的方向上。每个分量的基线为：X₀＝X(t)-δX(t)，Y₀＝Y(t)-δY(t)，Z₀＝Z(t)-δZ(t)。假设这些基线(LDB)保持不变。但是，测量值的缩放因子有可能是错误的。然后，出现LDB与其分量之间的相关性。然后，迭代过程允许调整缩放因子。例如，对于X：

其中corr为线性相关系数。可以寻求最小化所述相关系数(或协方差)或直接最小化LDB的变化或两者的组合。一种可能的解决方案在于：每天进行多次绝对测量(例如每30分钟或每小时)，并且观察与其分量的昼夜变化相对应的LDB的昼夜变化。然后，确定以下公式：

可替代地，测量可以分散在几天上，也可以平均或平滑地进行。

测量结果可能会包含定向误差。再一次，一种解决方案在于：以允许观察到昼夜变化的频率来测量LDB。图9a示出了与围绕X轴的旋转相对应的、沿着东西轴线的调平误差φ的示例。然后，传感器的输出变为(以矩阵记法)：

获得定义围绕X轴的旋转的旋转矩阵。然后，如上所呈现的LDB的计算需要逆变换，这正是对前一矩阵的转置。

可以凭经验、或者通过考虑LDB的(可选地迭代)计算来确定φ的值。例如，可以寻求最小化基线的方差，或者LDB与其他分量的协方差。在较小定向误差的情况下，可以假设：cos(φ)≈1，并且，sin(φ)≈φ(单位为弧度)：

因此，LDB的变化与磁变仪MV的测量值的Y分量成比例。如果Z₀被认为是常数，则可以根据以下公式来估计φ的值：

然而，Z₀不是直接可用的。一种解决方案是测量

和δY的峰值到峰值变化，这些变化可选地被滤波或平滑以避免测量噪声影响：

图9b示出了在东西方向上展现调平误差的场的Z分量的基线Z₀的测量值的示例。具体地，图9b展示了在东西方向上的调平误差为5°的情况。在三天的时间段(x轴代表天数)上示出未经校正基线Z₀(单位为毫微特斯拉，nT)(未经校正基线)和经校正基线(经校正基线)的变化。

具有任何定向的观测台的情况

在具有任何定向的磁变仪的情况下，在图10中表示了一种可能的算法。其包括连续地应用定义分别围绕X轴和Y轴的旋转的旋转矩阵Rx和Ry，以便在数学上纠正Z轴。确定这些虚拟旋转以便最小化特定系数，比如，

的方差或

与δY或δX的协方差或两者的组合。例如，可以如下确定有待最小化的这两个参数：

其中，COV(A，B)是A与B的协方差。接下来，应用定义围绕Z轴的旋转的旋转矩阵，以便最小化

或

的方差、或者这些LDB与δY或δX或这些参数的组合的协方差。可以在定向校正的上游或下游采用类似的过程来调整缩放因子。整个算法可以包括多次迭代。

采用DFI配置的观测台的情况

磁变仪MV测量对应于球面坐标系的场分量的变化。磁变仪MV测量三个正交方向上的局部磁场的变化，并且以与笛卡尔配置相同的方式来测量其强度，这三个方向中的一个方向被定向成平行于磁场。其他两个方向位于垂直于磁场的平面中。特别地，允许对D进行相对测量的方向位于垂直于磁场的水平平面中，而允许对I进行测量的方向位于磁子午线上。这两个轴线记录磁场的投影(H用于测量D，并且F用于测量I)。然后，与在对D和I进行绝对测量期间采用的变换相类似的变换使得能够从留数传递到角度值。

仅就笛卡尔配置而言，MV的测量可能会被缩放因子误差破坏。然后采用类似的程序来调整它们，即：以高频率(例如每小时)进行LDB测量，并且调整(相对)分量的缩放因子以最小化其LDB的变化。可以采用线性相关系数。

MV对齐的误差产生了取决于测量分量的影响。对于F和I，影响并不严重，因为其是被投影的总场F。因此，这种关系属于第二顺序。相反，D的相对测量使用了H的投影(水平平面中的感测轴线)。水平性误差引起场的Z分量的投影。获得了取决于F sin(I)的LDB的依赖性。因此，调整包括：确定所计算的分量Z＝F sin(I)与D的LDB之间的相关性。

采用HDZ配置的观测台的情况

磁变仪MV测量对应于圆柱坐标系的场分量的变化。其可以被认为是处于前两种变化之间。可以在MV的任何定向的情况下进行一般化。

已经关于具体实施例描述了本发明，所述具体实施例仅具有说明性的价值，并且不应被认为是限制性的。总体上，本发明不限于以上所展示和/或所描述的示例。具体地，本发明还涉及上述实施例的技术特征的组合。使用动词“包括(to comprise)”、“包含(tocontain)”、“包括(to include)”或任何其他变体及其词形变化并不以任何方式排除存在除了所提及的元件之外的元件。使用不定冠词“一个(a)”或定冠词“所述(the)”并不排除存在多个这些元件。权利要求书中的参考标记在其范围内不受限制。

总而言之，本发明还可以被描述如下。

自主地磁观测台200，包括：标量磁力计MS，用于测量局部磁场矢量F的模量；角磁力计MA，用于测量竖直面方向V、地理北方向N、以及局部磁场矢量

方向；以及磁变仪MV，用于测量局部磁场矢量

的三种变化；时钟201；以及控制器202。在所述观测台中，所述控制器被配置用于控制和管理传感器定向，用于获取磁变仪MV、标量磁力计MS、角磁力计MA和磁变仪MV的测量值，并且用于处理所获取的测量值以便自动地获得局部磁场矢量

以及这些测量值中与每个仪器相关联的误差。

Claims

1.一种用于测量局部磁场矢量

的地磁观测台(200)，包括：

a)标量磁力计(MS)，用于获得所述局部磁场矢量的模量(F)的绝对测量值；

b)角磁力计(MA)，包括：

1)第一可定向支持件(320)，其可围绕被称为主旋转轴线(321)的第一旋转轴线定向，允许获得所述第一可定向支持件(320)的水平定向，所述第一可定向支持件(320)包括：

i.主电机(322)，用于修改所述第一可定向支持件(320)围绕所述主旋转轴线(321)的水平定向；

ii.第二可定向支持件(310)，其可围绕与所述主旋转轴线(321)正交的、被称为次旋转轴线(311)的第二旋转轴线定向，允许获得所述第二可定向支持件(310)的竖直定向，所述第二可定向支持件(310)包括：次电机(312)，用于修改所述第二可定向支持件(310)围绕所述次旋转轴线(311)的竖直定向；以及磁传感器(323)，用于测量所述局部磁场矢量

的方向；

2)用于控制所述主电机和所述次电机(322和312)的装置(340)；

3)用于成角度地测量并获取所述第一可定向支持件和所述第二可定向支持件(320，310)的水平定向和竖直定向的设备(350)；

c)磁变仪(MV)，其记录所述局部磁场矢量

的三个数学独立分量的变化；

d)时钟(201)；

其特征在于，

·所述角磁力计(MA)的所述第一可定向支持件(320)进一步包括：倾角传感器(313)，安装在所述第一可定向支持件(320)上或所述第二可定向支持件(310)上；

·所述角磁力计(MA)的所述第二可定向支持件(310)进一步包括：寻北设备(324)；

·所述观测台包括控制器(202)，所述控制器被配置用于：

a)自动控制所述主电机322和所述次电机312；

b)管理以下各项的定向：

1)倾角传感器(313)，用于测量竖直面方向(V)；

2)寻北设备(324)，用于测量地理北方向(N)；

3)磁传感器(323)，用于测量所述局部磁场矢量

方向；

c)获取以下各项：

方向相对于地理北(N)和竖直面(V)的角度，这些定向是利用所述成角度测量和获取设备(350)所测得的；

2)获取由所述磁变仪(MV)测得的所述局部磁场矢量

的三个数学独立分量的变化；

3)获取由所述标量磁力计(MS)测得的所述局部磁场矢量的模量(F)的值；

d)处理在步骤c)中所获取的数据，以便自动地获得所述局部磁场矢量

以及所述测量值中与每个仪器相关联的误差。

2.如权利要求1所述的观测台，其特征在于，所述第一可定向支持件和所述第二可定向支持件、所述主电机和所述次电机、所述寻北设备(324)、所述倾角传感器、用于控制所述主电机和所述次电机的所述装置(340)、以及所述成角度测量和获取设备(350)由非磁性部件形成，这些非磁性部件被限定为使得材料的磁化率包括在-1与1之间。

3.如权利要求2所述的观测台，其中，所述非磁性部件被限定为使得材料的磁化率包括在-10^-1与10^-1之间。

4.如权利要求2所述的观测台，其中，所述非磁性部件被限定为使得材料的磁化率包括在-10^-3与10^-3之间。

5.如权利要求2-4中任一项所述的观测台，其中，所述非磁性部件由陶瓷、铝、镍银合金、钛、铜、尼龙、乙缩醛或聚醚醚酮制成。

6.如权利要求1-4中任一项所述的观测台，其中，所述标量磁力计(MS)是以下各类型之一：质子磁力计、Overhauser效应磁力计、原子磁力计、光泵磁力计。

7.如权利要求1-4中任一项所述的观测台，其中，所述磁传感器(323)是以下各类型之一的传感器：磁通门、磁通组、旋转电路或由磁性设备极化的标量磁力计。

8.如权利要求1-4中任一项所述的观测台，其中，所述寻北设备(324)是以下各类型之一：GNSS、GPS、目标指向、天体指向、陀螺仪、绝对旋转检测器、阳光极化。

9.如权利要求1-4中任一项所述的观测台，包括多个非磁性柱基，所述多个非磁性柱基支撑以下各元件中的至少一个元件：所述标量磁力计(MS)、所述角磁力计(MA)、所述磁变仪(MV)、所述时钟(201)、所述控制器(202)；所述非磁性柱基的平均厚度包括在1cm与6m之间，平均宽度包括在10cm与10m之间，平均长度包括在10cm与10m之间，并且所述非磁性柱基被间隔开包括在0m与10m之间的平均距离。

10.如权利要求9所述的观测台，其中，所述非磁性柱基的平均厚度包括在10cm与1m之间，平均宽度包括在20cm与2m之间，平均长度包括在20cm与2m之间。

11.如权利要求9所述的观测台，其中，所述非磁性柱基的平均厚度包括在15cm与0.25m之间，平均宽度包括在25cm与0.5m之间，平均长度包括在25cm与0.5m之间。

12.如权利要求9所述的观测台，其中，所述非磁性柱基被间隔开包括在1m与6m之间的平均距离。

13.如权利要求9所述的观测台，其中，所述非磁性柱基被间隔开包括在2m与4m之间的平均距离。

14.如权利要求9所述的观测台，包括围绕所述多个非磁性柱基并且包括绝缘壁的至少一个非磁性遮蔽物，所述绝缘壁的平均厚度包括在1cm与60cm之间，所述至少一个磁性遮蔽物保护以下各元件中的至少一个元件：所述标量磁力计(MS)、所述角磁力计(MA)、所述磁变仪(MV)、所述时钟(201)、所述控制器(202)。

15.如权利要求14所述的观测台，其中，所述绝缘壁的平均厚度包括在在2cm与30cm之间。

16.如权利要求14所述的观测台，其中，所述绝缘壁的平均厚度包括在5cm与10cm之间。

17.一种用于获得局部磁场矢量

的方法，所述方法包括以下步骤：

a)提供如以上权利要求中任一项所述的地磁观测台；

b)所述控制器(202)获取所述局部磁场矢量的模量F的测量值，所述测量值是利用所述标量磁力计(MS)在不同时间ti所测得的；

c)所述控制器(202)获取所述局部磁场矢量

的三个数学独立分量的测量值dU、dV、dW，所述测量值是利用所述磁变仪(MV)在不同时间ti所测得的；

d)所述控制器(202)控制所述主电机(322)以便修改所述第一可定向支持件(320)的水平定向，并且根据所述倾角传感器的指示而测量竖直面方向V；

e)所述控制器(202)控制所述主电机(322)和所述次电机(312)以便修改所述第一可定向支持件(320)的水平定向和所述第二可定向支持件(310)的竖直定向，并且根据所述寻北设备(324)的指示而测量地理北方向N；

f)所述控制器(202)控制所述主电机和所述次电机以便修改所述角磁力计(MA)的水平定向和竖直定向，并且根据在不同时间ti所获得的所述磁传感器(323)的指示而测量与所述局部磁场矢量

的方向相对应的两个角度D*和I*；

g)所述控制器(202)根据在步骤d)至f)中获得的方向来计算所述两个角度的绝对值，使得：D＝D*-N，并且I＝I*-V；

h)所述控制器(202)使用如在步骤b)中获得的所述局部磁矢量的绝对模量F和在步骤g)中获得的所述角度来在为不同时间ti的平均值的时间t计算所述磁变仪(MV)的基线；

i)所述控制器(202)校准所述磁变仪(MV)的每个数学独立分量的缩放因子；

j)所述控制器(202)校准所述磁变仪(MV)的所述三个数学独立分量的正交性和空间定向，并且计算欧拉旋转矩阵E；

k)所述控制器(202)通过执行以下步骤来计算所述局部磁场矢量

的值：

1)通过将在步骤j)中获得的所述欧拉旋转E应用于所述磁变仪(MV)的所述三个测量值dU、dV和dW来获得定向测量值；

2)通过将所述磁变仪(MV)的所述三个定向测量值乘以在步骤i)中获得的对应缩放因子来获得有待缩放的测量值；

3)通过将所述基线加到所述三个定向测量值和所述有待缩放的测量值来获得所述局部磁场矢量

的所述三个数学独立分量。

18.如权利要求17所述的方法，其中，在步骤f)中，所述控制器(202)通过执行以下步骤来测量所述两个角度D*和I*：

a)修改所述第一可定向支持件(320)的水平定向直到所述磁传感器(323)指示零，并且获取第一角度D*；

b)修改所述第二可定向支持件(310)的竖直定向直到所述磁传感器(323)指示零，并且获取第二角度I*。

19.如权利要求17和18中任一项所述的方法，其中，所述控制器(202)基于以下各项来计算所述磁变仪(MV)的所述基线：基于所述磁变仪(MV)的所述三个测量值dU、dV和dW；基于所述局部磁场矢量的绝对模量F；基于表征所述局部磁场矢量

的方向的所述两个角度：倾角I和偏角D；并且可选地基于允许实现坐标D、F、I到坐标U、V、W的变化的函数g_U、g_V、g_W，并且所述控制器(202)使用以下各项来计算所述基线U₀、V₀、W₀：

U₀＝g_U(F,D,I)-dU

V₀＝g_V(F,D,I)-dV

W₀＝g_W(F,D,I)-dW。

20.如权利要求17至18中任一项所述的方法，其中，所述控制器(202)通过执行以下步骤来校准所述磁变仪(MV)的每个分量的缩放因子：

的所述三个分量中的每一个的信号的幅度的变化幅度；

b)将所述磁变仪(MV)的所述三个测量值dU、dV和dW乘以校正因子：缩放因子f_U、f_V和f_W；

c)使用以下各项来减去经校正值并计算所述基线：

U₀＝g_U(F,D,I)-f_U*dU

V₀＝g_V(F,D,I)-f_V*dV

W₀＝g_W(F,D,I)-f_W*dW

d)增大或减小对应缩放因子以便减小对应基线的变化；

e)通过乘以所述对应缩放因子来校正所述磁变仪(MV)的所述测量值；

21.如权利要求17至18中任一项所述的方法，其中，所述控制器(202)通过执行以下步骤来校准所述磁变仪(MV)的所述三个数学独立分量的正交性和空间定向并计算所述欧拉旋转矩阵E：

22.如权利要求17所述的方法，其中，所述步骤f)包括：通过执行以下步骤，所述控制器(202)控制所述主电机和所述次电机以便修改所述角磁力计(MA)的水平定向和竖直定向，并且根据在不同时间ti所获得的所述磁传感器(323)的指示而测量与所述局部磁场矢量

的方向相对应的两个角度D*和I*：

a)修改所述第一可定向支持件(320)的水平定向以使得所述磁传感器(323)指示零测量值，并且获取所述第一可定向支持件(320)的与此测量值相对应的定向D1；

b)将所述第一可定向支持件(320)的水平定向修改180°，并且调整水平定向以使得所述磁传感器(323)指示零测量值，并且获取所述第一可定向支持件(320)的与此测量值相对应的定向D2；

c)将所述第二可定向支持件(310)的竖直定向修改180°，并且调整所述第一可定向支持件(320)的水平定向以使得所述磁传感器(323)指示零测量值，并且获取所述第一可定向支持件(320)的与此测量值相对应的定向D3；

d)将所述第一可定向支持件(320)的水平定向修改180°，并且调整水平定向以使得所述磁传感器(323)指示零测量值，并且获取所述第一可定向支持件(320)的与此测量值相对应的定向D4；

e)通过计算所述四个定向的平均值来计算与所述局部磁场的水平方向相对应的第一角度：D*＝(D1+D2+D3+D4)/4；

f)将所述第一可定向支持件(320)的水平定向修改为方向D*-90°；

g)执行步骤a)至c)，在这些步骤中，水平定向和竖直定向被反转，并且在这些步骤中，所述第一可定向支持件和所述第二可定向支持件(320和310)的作用被反转，并且由此获取定向I1、I2和I3；

h)将所述第一可定向支持件(320)的水平定向修改为方向D*-90°，并且调整所述第二可定向支持件(310)的竖直定向以使得所述磁传感器(323)指示零测量值，并且获取所述第二可定向支持件(310)的与此测量值相对应的定向I4；

i)通过计算所述四个定向的平均值来计算与所述局部磁场的第二方向相对应的第二角度：I*＝(I1+I2+I3+I4)/4。

23.如权利要求17至18中任一项所述的方法，其中，所述寻北设备(324)是绝对旋转检测器类型的探寻器，并且其中，权利要求9的步骤e)包括：所述控制器(202)控制所述主电机(322)和所述次电机(312)以便修改所述第一可定向支持件(320)的水平定向和所述第二可定向支持件(310)的竖直定向，并且根据所述寻北设备(324)的指示通过修改所述第一可定向支架(320)的水平定向直到所述绝对旋转检测器指示零测量值来测量地理北方向N，并且获取所述第一可定向支持件(320)的与此测量值相对应的定向N。

24.如权利要求17所述的方法，其中，所述寻北设备(324)是绝对旋转检测器类型的探寻器，并且其中，权利要求17的步骤e)包括权利要求22的步骤a)至e)，在这些步骤中，用绝对旋转检测器来代替所述磁传感器(323)并且用N1、N2、N3、N4和N来代替定向D1、D2、D3、D4和D*。

25.如权利要求17至18中任一项所述的方法，其中，所述标量磁力计(MS)和所述磁变仪(MV)利用包括在0.01Hz与100Hz之间的频率来进行测量。

26.如权利要求25所述的方法，其中，所述标量磁力计(MS)和所述磁变仪(MV)利用包括在0.05Hz与10Hz之间的频率来进行测量。

27.如权利要求25所述的方法，其中，所述标量磁力计(MS)和所述磁变仪(MV)利用包括在0.1Hz与1Hz之间的频率来进行测量。

28.如权利要求17至18中任一项所述的方法，其中，利用包括在10^-7Hz与10^-2 Hz之间的频率来进行所述局部磁场矢量

的所述定向的测量。

29.如权利要求28所述的方法，其中，利用包括在10^-6Hz与10^-3Hz之间的频率来进行所述局部磁场矢量

的所述定向的测量。

30.如权利要求28所述的方法，其中，利用包括在10^-5Hz与10^-4Hz之间的频率来进行所述局部磁场矢量

的所述定向的测量。