一种地质电子罗盘求解结构面产状的算法

摘要

本发明公开了一种地质电子罗盘求解结构面产状的算法，该方法包括如下步骤：地球重力加速度为G，在机身坐标系下已知：通过加速度传感器直接读到：Gx，Gy，Gz，且满足G2=Gx2+Gy2+Gz2；在北半球地磁场倾斜向下，地磁场为H，在机身坐标系已知：通过地磁传感器直接读到：Hx，Hy，Hz，且满足H2=Hx2+Hy2+Hz2；求解岩层斜面的倾斜角度a；求解岩层面的倾向角度c。本发明的有益效果：运用三轴磁阻传感器和三轴加速度传感器相结合，通过倾斜补偿和误差校正，采用高速MCU处理快速计算走向、倾向和倾角的方法，并能自动存储测量数据到MCU中和上传测量数据到电脑中，大大加快测量速度，增强数据可读性，减少人为测量误差，提高采样和编录准确度和精细度。

说明书

技术领域

本发明涉及电子罗盘地质测量技术领域，具体来说，涉及一种地质电子罗盘求解结构面产状的算法。

背景技术

电子罗盘作为一种地磁导航模块，是一种利用地球磁场和重力加速度来测量方位的重要导航工具，输出方位角、姿态角、磁场值等测量值，能实时提供航向和姿态信息，具有体积小、结构简单、功耗小、成本低等优点，广泛应用于航空、航海、车载定位、地质勘探等领域，其中地质勘察领域中地质结构面的测量是野外调查中的一项重要任务，传统的地质罗盘通过手动测量产状，费时费力，已不能满足对结构面快速测量和编录的需要。

发明内容

针对相关技术中的上述技术问题，本发明提出一种地质电子罗盘求解结构面产状的算法，能够加快测量速度，增强了数据可读性，减少人为测量误差，提高采样和编录准确度和精细度。

为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种地质电子罗盘求解结构面产状的算法，该方法包括如下步骤：

S1地球重力加速度为G，在机身坐标系下已知：通过加速度传感器直接读到：Gx，Gy，Gz，且满足G

S2 在北半球地磁场倾斜向下，地磁场为H，在机身坐标系已知：通过地磁传感器直接读到：Hx，Hy，Hz，且满足H

S3 求解岩层斜面的倾斜角度a；

S4 求解岩层面的倾向角度c。

进一步地，所述的S3中进一步包括：

S3.1地质罗盘在斜面内随意放置，Gz与斜面平面垂直，由几何关系可得，tan(a) =Gxy/Gz，其中Gxy

S3.2倾斜线与机身坐标系X轴的夹角b，Gx与Gy的矢量和与倾斜线重合，满足tan(b) =Gy/Gx调整机身，使Gx与倾斜线重合，Gy与走向线重合，此时∠b=0°，Gy为0；

S3.3此时Hx与倾斜线重合，Hy与走向线重合，Hxy是地磁场在斜面上的投影是Hx与Hy的矢量和；

S3.4建立水平空间坐标系，Xs Ys Zs轴，Xs轴与倾向线重合，Ys轴与走向线重合，Zs轴垂直水平面向上；

S3.5 Hx与倾斜线重合，分解为Zs轴分量Hxzs=-Hx*sin(a)，和Xs轴倾向线上的分量:Hxxs=Hx*cos(a)；

S3.6 Hy在走向线上,与Ys轴重合，Hyys=Hy；

S3.7 Hz可分解为Xs轴倾向线分量Hzxs=Hz*sin(a)，和Zs轴上的分量Hzzs=Hz*cos(a)。

进一步地，所述的S4中进一步包括：

S4.1地磁场在Xs轴上的分量为：Hspx = Hxxs+Hzxs，

Hspx = Hx*cos(a)+ Hz*sin(a)；

S4.2 在Ys轴上的分量为: Hspy = Hyys，Hspy = Hy，倾向角度满足tan(c) =Hspy/Hspx；

S4.3倾向角象限划分，当Hspx > 0, Hspy > 0时，在第一象限，∠c：0-90°，当Hspx <0, Hspy > 0时，在第二象限，∠c：90-180°，当Hspx < 0, Hspy < 0时，在第三象限，∠c：180-270°，当Hspx > 0, Hspy < 0时，在第四象限，∠c：270-360°。

进一步地，所述的S3.4进一步包括：

S3.4.1 Hsp在Xs轴，Ys轴上的分量为Hspx，Hspy；

S3.4.2倾向角度满足tan(c) =Hspy/Hspx，需要求出Hspx，Hspy，也是地磁场在Xs轴，Ys轴上的分量；

S3.4.3在机身坐标系X轴Y轴Z轴已经把地磁场分解为Hx，Hy，Hz，所以只需要求出Hx，Hy，Hz在Xs轴，Ys轴上的分量，然后求和，就得Hspx，Hspy。

本发明的有益效果：鉴于现有技术中存在的不足，本申请运用三轴磁阻传感器和三轴加速度传感器相结合，通过倾斜补偿和误差校正，采用高速MCU处理快速计算走向、倾向和倾角的方法，并能自动存储测量数据到MCU中和上传测量数据到电脑中，大大加快了测量速度，增强了数据可读性，减少了人为测量误差，提高了采样和编录准确度和精细度。

本发明涉及的名词解释如下：

1、重力加速度与水平面垂直向下，同一地区大小相同；

2、倾角：斜面与水平面的夹角；

3、走向线：斜面与水平面的交线；

4、倾斜线，在斜面内，与走向线垂直向下的直线，在机身坐标系中是Gx与Gy的矢量和；

5、倾向线：在水平面内，与走向线垂直的直线，也是倾斜线在水平面的投影线；

6、地磁场：在北半球倾斜向下，与地理正北方向存在磁偏角；

7、地磁水平：Hsp、地磁场在水平面上的投影；

8、倾向角度：倾向线的方位角与Hsp的夹角；

9、倾斜线：是Gx与Gy的矢量和；

10、在机身坐标系XYZ：Gx与Hx，Gy与Hy，Gz与Hz重合；

11、地磁场H在斜面上的投影为Hxy，是Hx，Hy的矢量和。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例所述的地质电子罗盘求解结构面产状的算法所述S3.1斜面倾角a示意图；

图2是根据本发明实施例所述的地质电子罗盘求解结构面产状的算法所述S3.2倾斜线与机身坐标系X轴的夹角b 示意图；

图3是根据本发明实施例所述的地质电子罗盘求解结构面产状的算法所述S3.2倾斜线与机身坐标系X轴的夹角等于0度Gy为0示意图；

图4是根据本发明实施例所述的地质电子罗盘求解结构面产状的算法所述S3.3 Hx与Hy的矢量和示意图；

图5是根据本发明实施例所述的地质电子罗盘求解结构面产状的算法所述S3.4 建立水平空间坐标系示意图；

图6是根据本发明实施例所述的地质电子罗盘求解结构面产状的算法所述S3.5 Hx与倾斜线重合示意图；

图7是根据本发明实施例所述的地质电子罗盘求解结构面产状的算法所述S3.6 Hy在走向线上与Ys轴重合示意图；

图8是根据本发明实施例所述的地质电子罗盘求解结构面产状的算法所述S3.7 Xs轴和Zs轴分量示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图 1-8 所示，根据本发明实施例所述的地质电子罗盘求解结构面产状的算法，该方法包括如下步骤：

步骤一，地球重力加速度为G，在机身坐标系下已知：通过加速度传感器直接读到：Gx，Gy，Gz，且满足G

步骤二，在北半球地磁场倾斜向下，地磁场为H，在机身坐标系已知：通过地磁传感器直接读到：Hx，Hy，Hz，且满足H

步骤三，求解岩层斜面的倾斜角度a，具体包含：

其一，地质罗盘在斜面内随意放置，Gz与斜面平面垂直，由几何关系可得，tan(a) =Gxy/Gz，其中Gxy

其二，倾斜线与机身坐标系X轴的夹角b，Gx与Gy的矢量和与倾斜线重合，满足tan(b) =Gy/Gx调整机身，使Gx与倾斜线重合，Gy与走向线重合，此时∠b=0°，Gy为0；

其三，此时Hx与倾斜线重合，Hy与走向线重合，Hxy是地磁场在斜面上的投影是Hx与Hy的矢量和；

其四，建立水平空间坐标系，Xs Ys Zs轴，Xs轴与倾向线重合，Ys轴与走向线重合，Zs轴垂直水平面向上，Hsp在Xs轴，Ys轴上的分量为Hspx，Hspy，倾向角度满足tan(c) =Hspy/Hspx，需要求出Hspx，Hspy，也是地磁场在Xs轴，Ys轴上的分量，在机身坐标系X轴Y轴Z轴已经把地磁场分解为Hx，Hy，Hz，所以只需要求出Hx，Hy，Hz在Xs轴，Ys轴上的分量，然后求和，就得Hspx，Hspy；

其五， Hx与倾斜线重合，分解为Zs轴分量Hxzs=-Hx*sin(a)，和Xs轴倾向线上的分量:Hxxs=Hx*cos(a)；

其六， Hy在走向线上,与Ys轴重合，Hyys=Hy；

其七， Hz可分解为Xs轴倾向线分量Hzxs=Hz*sin(a)，和Zs轴上的分量Hzzs=Hz*cos(a)

步骤四，求解岩层面的倾向角度c， 地磁场在Xs轴上的分量为：Hspx = Hxxs+Hzxs，Hspx = Hx*cos(a)+ Hz*sin(a)；在Ys轴上的分量为: Hspy = Hyys，Hspy = Hy，倾向角度满足tan(c) =Hspy/Hspx；倾向角象限划分，当Hspx > 0, Hspy > 0时，在第一象限，∠c：0-90°，当Hspx < 0, Hspy > 0时，在第二象限，∠c：90-180°，当Hspx < 0, Hspy < 0时，在第三象限，∠c：180-270°，当Hspx > 0, Hspy < 0时，在第四象限，∠c：270-360°。

为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体使用方式上对本发明的上述技术方案进行详细说明。

在具体使用时，根据本发明所述的地质电子罗盘求解结构面产状的算法；

举例1，在一个标准斜面上，斜面倾角23°、倾向0°，把地质电子罗盘放到斜面上，然后MCU读出传感器测量的数据，其中加速度传感器数据Gx=0.399g，Gy=0g，Gz=0.916g，Hx=32.821uT，Hy=1.046uT,Hz=36.935uT；

由上可得：Gxy=0.399g，tan(a) =Gxy/Gz，可得倾角a=23.5°；

Hxzs=-Hx*sin(a)，Hxzs=-13.0873uT；

Hxxs=Hx*cos(a)，Hxxs=30.0988uT；

Hyys=Hy，Hyys=1.046uT；

Hzxs=Hz*sin(a)，Hzxs=14.7278uT；

Hzzs=Hz*cos(a)，Hzzs=33.8716uT；

然后可得：Hspx = Hxxs+Hzxs，Hspx =44.8266uT；

Hspy = Hyys，Hspy =1.046uT；

由tan(c) =Hspy/Hspx，可得倾向角c=1.3°。

举例2，一个标准斜面上，斜面倾角40°，倾向90°，把地质电子罗盘放到斜面上，然后MCU读出传感器测量的数据，其中加速度传感器数据，

Gx=0.642g，Gy=0g，Gz=0.763g，Hx=-11.387uT，Hy=42.379uT,Hz=15.29uT；

Hxzs=-Hx*sin(a)，Hxzs=7.3194uT；

Hxxs=Hx*cos(a)，Hxxs=-8.7229uT；

Hyys=Hy，Hyys=42.379uT；

Hzxs=Hz*sin(a)，Hzxs=9.8282uT；

Hzzs=Hz*cos(a)，Hzzs=11.7128uT；

然后可得：Hspx = Hxxs+Hzxs，Hspx =1.1053uT；

Hspy = Hyys，Hspy =42.379uT；

由tan(c) =Hspy/Hspx，可得倾向角c=88.5°。

综上所述，借助于本发明的上述技术方案，通过三轴磁阻传感器和三轴加速度传感器相结合，通过倾斜补偿和误差校正，采用高速MCU处理快速计算走向、倾向和倾角的方法，并能自动存储测量数据到MCU中和上传测量数据到电脑中，大大加快了测量速度，增强了数据可读性，减少了人为测量误差，提高了采样和编录准确度和精细度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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。