專利名稱：地磁測(cè)量設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及地磁測(cè)量設(shè)備。
背景技術(shù)：
近年來，已經(jīng)開發(fā)出了用于檢測(cè)地磁的三維磁傳感器，該三維磁傳感器安裝在諸如手機(jī)之類的便攜式裝置或諸如汽車之類的行駛物體中。通常，三維磁傳感器包括三個(gè)磁傳感器模塊，這三個(gè)磁傳感器模塊用于將磁場(chǎng)矢量分解為互相垂直的三個(gè)方向分量以檢測(cè)矢量的作為標(biāo)量的每個(gè)方向分量，并且該三維磁傳感器輸出具有由三個(gè)磁傳感器模塊作為三個(gè)分量輸出的所述標(biāo)量的三維矢量數(shù)據(jù)。其中安裝有這樣的三維磁傳感器的裝置(例如手機(jī))常常包括產(chǎn)生磁場(chǎng)的部件，例如各種能夠被磁化的金屬和各種電路。在此情況下，由三維磁傳感器輸出的矢量數(shù)據(jù)除了包括表示地磁的矢量之外還包括另一個(gè)矢量，該另一個(gè)矢量表示由安裝在裝置中的該部件所產(chǎn)生的磁場(chǎng)。因此，為了正確地檢測(cè)地磁的值，有必要執(zhí)行校正處理，該校正處理用于從由三維磁傳感器輸出的矢量數(shù)據(jù)中去除表示由裝置的該部件所產(chǎn)生的內(nèi)部磁場(chǎng)的另一個(gè)矢量。在校正處理中，為了獲得待檢測(cè)的地磁的正確值，而從由三維磁傳感器輸出的數(shù)據(jù)中去除的分量稱為偏移量。內(nèi)部磁場(chǎng)是由裝置的該部件所產(chǎn)生的磁場(chǎng)。內(nèi)部磁場(chǎng)具有相對(duì)于裝置的恒定的方向和恒定的幅度。當(dāng)從安裝在裝置中的三維磁傳感器觀察時(shí)，即使裝置的姿態(tài)發(fā)生了改變，內(nèi)部磁場(chǎng)也被表不為具有恒定方向和恒定幅度的矢量。另一方面，地磁是具有指向北磁極的水平分量和磁傾角方向的垂直分量的磁場(chǎng)。地磁是相對(duì)于地來說具有恒定方向和恒定幅度的磁場(chǎng)。因此，在裝置的姿態(tài)相對(duì)于地發(fā)生改變的情況下，從裝置觀察的地磁方向也發(fā)生改變。即，當(dāng)從安裝在裝置中的三維磁傳感器觀察時(shí)，地磁被表示為具有隨著裝置姿態(tài)的改變而改變的方向而具有恒定幅度的矢量。當(dāng)在將三維磁傳感器上下左右旋轉(zhuǎn)以使三維磁傳感器的姿態(tài)在三維上極大地改變的狀態(tài)中獲取了多個(gè)磁數(shù)據(jù)的情況下，由三維磁傳感器順序輸出的多個(gè)矢量數(shù)據(jù)指示的多個(gè)坐標(biāo)分布在這樣的球面附近,該球面具有其坐標(biāo)由表示內(nèi)部磁場(chǎng)的矢量來指示的中心點(diǎn)、以及與表示地磁的矢量的幅度相對(duì)應(yīng)的半徑。專利文獻(xiàn)I公開了這樣的方法，該方法基于在三維磁傳感器的姿態(tài)發(fā)生改變的狀態(tài)中獲取的多個(gè)磁數(shù)據(jù)，使用地磁的屬性和如上所述的內(nèi)部磁場(chǎng)來計(jì)算具有恒定的方向和幅度、表示內(nèi)部磁場(chǎng)的矢量，并且執(zhí)行用于從輸出數(shù)據(jù)中去除表示內(nèi)部磁場(chǎng)的矢量作為偏移量來計(jì)算地磁的正確方向的校正處理。同時(shí)，在其中安裝了三維磁傳感器的裝置的部件具有軟磁材料的情況下，由于軟磁材料被磁化的結(jié)果所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的影響，從三維磁傳感器順序輸出的矢量數(shù)據(jù)所指示的多個(gè)坐標(biāo)沒有分布在球面附近而是分布在橢球面附近。即，在由軟磁材料產(chǎn)生的磁場(chǎng)的影響不存在的情況下將會(huì)分布在球面附近的多個(gè)坐標(biāo)由于由軟磁材料產(chǎn)生的磁場(chǎng)的影響而發(fā)生偏離，使得這些坐標(biāo)在橢球的主軸方向上擴(kuò)張和收縮，結(jié)果，這些坐標(biāo)分布在具有與球面的中心點(diǎn)相同的中心點(diǎn)的橢球面附近。該現(xiàn)象被稱為軟鐵效應(yīng)。即，軟鐵效應(yīng)是這樣的現(xiàn)象在該現(xiàn)象中，由于如上所述的軟磁材料被磁化的結(jié)果所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的影響，從三維磁傳感器順序輸出的矢量數(shù)據(jù)所指示的多個(gè)坐標(biāo)分布在橢球面附近。在產(chǎn)生了軟鐵效應(yīng)的情況下，基于出現(xiàn)在橢球面附近的坐標(biāo)不可能計(jì)算出地磁的正確方向。為了計(jì)算地磁的正確方向，有必要執(zhí)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，該坐標(biāo)轉(zhuǎn)換用于將在橢球面上的坐標(biāo)移動(dòng)到在球面上的坐標(biāo)，即，該坐標(biāo)轉(zhuǎn)換用于移動(dòng)在橢球面上的坐標(biāo)，使得橢球面上的坐標(biāo)在橢球的主軸方向上以橢球的中心點(diǎn)作為起點(diǎn)而擴(kuò)張和收縮。將在橢球面上的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為在球面上的坐標(biāo)的處理被稱為“橢球面校正”。通過從通過執(zhí)行橢球面校正計(jì)算出的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)中減去由球面的中心點(diǎn)所指示的坐標(biāo)，能夠計(jì)算出地磁的方向。非專利文獻(xiàn)I和非專利文獻(xiàn)2公開了這樣的方法，該方法計(jì)算坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣以執(zhí)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，該坐標(biāo)轉(zhuǎn)換用于在產(chǎn)生軟鐵效應(yīng)的情況下，將從三維磁傳感器輸出的矢量數(shù)據(jù)所指示的橢球面上的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為球面上的坐標(biāo)。具體地說，設(shè)置了聯(lián)立線性方程，該聯(lián)立線性方程表示從三維磁傳感器順序輸出的多個(gè)矢量數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)位于橢球面上，并且基于假定為該聯(lián)立線性方程的解的值，來計(jì)算作為坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣的候選的矩陣。此后，將作為坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣的候選的矩陣應(yīng)用于非線性優(yōu)化操作的初始值，以將表示坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)與球面之間的誤差的非線性函數(shù)的值最小化，并且作為坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣的候選的矩陣的各分量被順序更新以計(jì)算出坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣(即，使坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)與球面之間的誤差最小化的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣)的最優(yōu)值。[專利文獻(xiàn)I]日本專利申請(qǐng)公開第2007-240270號(hào)[非專利文獻(xiàn)][非專利文獻(xiàn) I] J. F. Vasconcelos, G. Elkaim, C. Silvestre, P. Oliveira, andB. Cardeira, “A Geometric Approach to Strapdown Magnetometer Calibration inSensor Frame，，，in IFAC Workshop on Navigation, Guidance and Control of UnderwaterVehicles, Killaloe, Ireland, April 2008[非專利文獻(xiàn) 2] C. C. Foster and G. H. Elkaim, “Extension of a Two-StepCalibration Methodology to Include Nonorthogonal Sensor Axes，，，IEEE Transactionson Aerospace and Electronic Systems, Vol. 44, No. 3, July 2008然而,使用非專利文獻(xiàn)I和非專利文獻(xiàn)2中公開的方法計(jì)算的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣(即，作為坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣的候選的矩陣)的初始值，可能與作為非線性函數(shù)的全局最優(yōu)解的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣存在巨大的差異。在非線性優(yōu)化操作中使用的初始值與非線性函數(shù)的全局最優(yōu)解存在巨大差異的情況下，很可能的是使用非線性優(yōu)化操作找到的最優(yōu)解成為與全局最優(yōu)解不同的局部最優(yōu)解。因此，雖然通過使用非專利文獻(xiàn)I和非專利文獻(xiàn)2中公開的方法計(jì)算的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣來對(duì)于從三維磁傳感器輸出的矢量數(shù)據(jù)執(zhí)行了坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，但是極有可能找不到地磁的正確方向。還存在另一個(gè)問題。在非專利文獻(xiàn)I中公開的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換中，除了在橢球的主軸方向上擴(kuò)張和收縮的移動(dòng)之外，還執(zhí)行旋轉(zhuǎn)球面上的坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，因此，僅基于球面上的轉(zhuǎn)換后坐標(biāo)，不能計(jì)算出地磁的方向。為此，在非專利文獻(xiàn)I中，在坐標(biāo)轉(zhuǎn)換中產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)的方向和幅度通過使用參考磁場(chǎng)來計(jì)算，該參考磁場(chǎng)是從其中安裝有三維磁傳感器的裝置的外部產(chǎn)生的磁場(chǎng)，并且該參考磁場(chǎng)是當(dāng)從該三維磁傳感器觀察時(shí)方向已知的磁場(chǎng)。并且，執(zhí)行轉(zhuǎn)換以在與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換中產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)的方向相反的方向上旋轉(zhuǎn)經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)，以指定在沒有產(chǎn)生軟鐵效應(yīng)的情況下的球面上的坐標(biāo)。然而，通過使用非專利文獻(xiàn)I中公開的參考磁場(chǎng)來計(jì)算地磁方向的方法要求在其中安裝有三維磁傳感器的裝置周圍產(chǎn)生該參考磁場(chǎng)的環(huán)境，結(jié)果，不能將所公開的方法應(yīng)用于便攜式裝置或行駛物體。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述問題做出了本發(fā)明，本發(fā)明的一個(gè)目的是計(jì)算接近于非線性方程的全局最優(yōu)解的正確初始值作為非線性最優(yōu)化問題的解，并且還基于所述初始值來計(jì)算坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣，從而計(jì)算地磁的正確方向。本發(fā)明的另一個(gè)目的是在產(chǎn)生了軟鐵效應(yīng)的情況下不使用參考磁場(chǎng)就能計(jì)算地磁的正確方向。 本發(fā)明的再一個(gè)目的是評(píng)估指示多個(gè)磁數(shù)據(jù)的坐標(biāo)的分布的三維圖形的形狀，并且根據(jù)評(píng)估結(jié)果來設(shè)置磁傳感器的偏移量。在下文中將描述本發(fā)明。同時(shí)，將各實(shí)施例和各變型實(shí)施例的標(biāo)號(hào)以及各附圖的附圖標(biāo)記放在括號(hào)內(nèi)以便于理解，然而，本發(fā)明并不因?yàn)檫@樣描述而限于各實(shí)施例。為了解決上述各問題，根據(jù)本發(fā)明的一種地磁測(cè)量設(shè)備包括三維磁傳感器
(60)，其構(gòu)造為檢測(cè)三個(gè)方向上的磁分量，并且構(gòu)造為輸出表示由所檢測(cè)到的各磁分量組成的三維矢量的磁數(shù)據(jù)( );存儲(chǔ)單元(100)，其構(gòu)造為存儲(chǔ)從所述三維磁傳感器順序輸出的磁數(shù)據(jù)( );橢球面產(chǎn)生單元(初始橢球面產(chǎn)生單元310)，其構(gòu)造為計(jì)算表示從第一橢球面(Vxx)、第二橢球面(Vyy)和第三橢球面(Vzz)中選擇的至少兩個(gè)橢球面中每一個(gè)橢球面的橢球面中心點(diǎn)的坐標(biāo)，這三個(gè)橢球面中的每一個(gè)都具有不同的形狀，并且這三個(gè)橢球面中的每一個(gè)在其附近具有由存儲(chǔ)在所述存儲(chǔ)單元中的多個(gè)磁數(shù)據(jù)( 到qN)所指示的坐標(biāo)；橢球面中心點(diǎn)判定單元(初始橢球面中心點(diǎn)判定單元322)，其構(gòu)造為判定表示所述至少兩個(gè)橢球面的橢球面中心點(diǎn)的坐標(biāo)之間的距離是否等于或小于第一閾值(Ac);以及校正值產(chǎn)生單元(初始校正值產(chǎn)生單元330)，其構(gòu)造為基于表示所述至少兩個(gè)橢球面中的至少一個(gè)橢球面的形狀的系數(shù)矩陣來計(jì)算用于將橢球面上的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為球面上的坐標(biāo)的橢球面校正矩陣(初始橢球面校正矩陣Tj，所述校正值產(chǎn)生單元還構(gòu)造為根據(jù)所述橢球面中心點(diǎn)判定單元的判定結(jié)果、基于表示所述至少一個(gè)橢球面的橢球面中心點(diǎn)的坐標(biāo)來計(jì)算中心點(diǎn)(初始中心點(diǎn)Ceq)的坐標(biāo)。在實(shí)際的形式中，所述三維磁傳感器安裝在包括具有軟磁材料的部件的裝置(I)中。在優(yōu)選形式中，所述地磁測(cè)量設(shè)備還包括橢球面系數(shù)矩陣判定單元(初始橢球面系數(shù)矩陣判定單元321 )，其構(gòu)造為判定所述系數(shù)矩陣是否為正定的，其中，所述校正值產(chǎn)生單元構(gòu)造為根據(jù)所述橢球面系數(shù)矩陣判定單元的判定結(jié)果和所述橢球面中心點(diǎn)判定單元的判定結(jié)果，來計(jì)算所述橢球面校正矩陣和計(jì)算所述中心點(diǎn)的坐標(biāo)。例如，所述校正值產(chǎn)生單元構(gòu)造為在所述橢球面系數(shù)矩陣判定單元判定所述系數(shù)矩陣為正定的情況下，以及在所述橢球面中心點(diǎn)判定單元判定表示所述至少兩個(gè)橢球面的橢球面中心點(diǎn)的坐標(biāo)之間的距離等于或小于所述第一閾值的情況下，來計(jì)算所述橢球面校正矩陣和計(jì)算所述中心點(diǎn)的坐標(biāo)。本發(fā)明還包括一種地磁測(cè)量方法，其包括將從三維磁傳感器順序輸出的磁數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)單元中，所述三維磁傳感器檢測(cè)三個(gè)方向上的磁分量，并且所述三維磁傳感器輸出表示由所檢測(cè)到的各磁分量組成的三維矢量的磁數(shù)據(jù)；計(jì)算表示從第一橢球面、第二橢球面和第三橢球面中選擇的至少兩個(gè)橢球面中每一個(gè)橢球面的橢球面中心點(diǎn)的坐標(biāo)，這三個(gè)橢球面中的每一個(gè)都具有不同的形狀，并且這三個(gè)橢球面中的每一個(gè)在其附近具有順序地存儲(chǔ)在所述存儲(chǔ)單元中的多個(gè)磁數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)；判定表示所述至少兩個(gè)橢球面的橢球面中心點(diǎn)的坐標(biāo)之間的距離是否等于或小于第一閾值，以提供判定結(jié)果；根據(jù)所述判定結(jié)果，基于表示所述至少兩個(gè)橢球面中的至少一個(gè)橢球面的形狀的系數(shù)矩陣，來計(jì)算用于將橢球面上的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為球面上的坐標(biāo)的橢球面校正矩陣；以及根據(jù)所述判定結(jié)果、基于表示所述至少一個(gè)橢球面的橢球面中心點(diǎn)的坐標(biāo)來計(jì)算中心點(diǎn)的坐標(biāo)。在產(chǎn)生了軟鐵效應(yīng)的情況下，多個(gè)磁數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)分布在橢球面的附近。因此，為了計(jì)算地磁的方向，需要執(zhí)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換(即，橢球面校正)，以將分布在橢球面附近的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為分布在具有與該橢球面相同的中心點(diǎn)的球面附近的坐標(biāo)。為了計(jì)算用于執(zhí)行這樣的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的矩陣，需要指定在其附近具有多個(gè)磁數(shù)據(jù)的、并且正確表達(dá)多個(gè)磁數(shù)據(jù)的分布圖案的橢球面的形狀。然而，在難以根據(jù)磁數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)的分布圖案來指定橢球面的形狀的情況下，甚至例如在磁數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)以磁數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)沒有廣泛地分布在空間上的狀態(tài)來分布在特定坐標(biāo)的附近的情況下，也有可能強(qiáng)行計(jì)算了在其附近具有多個(gè)磁數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)的橢球面。這樣的橢球面沒有正確地表達(dá)磁數(shù)據(jù)的分布圖案。在使用基于不適當(dāng)?shù)臋E球面而產(chǎn)生的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣來執(zhí)行橢球面校正的情況下(該不適當(dāng)?shù)臋E球面沒有正確地表示磁數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)的分布圖案)，難以計(jì)算地磁的正確方向。因此，在難以根據(jù)磁數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)的分布圖案來指定橢球面的形狀的情況下，需要避免計(jì)算用于橢球面校正的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣。根據(jù)本發(fā)明，初始橢球面產(chǎn)生單元計(jì)算從第一橢球面、第二橢球面和第三橢球面中選擇的至少兩個(gè)橢球面中每一個(gè)橢球面的中心點(diǎn)的坐標(biāo)，這三個(gè)橢球面具有不同的形狀和其附近的由多個(gè)磁數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)。并且，初始橢球面中心點(diǎn)判定單元判定所述兩個(gè)橢球面的中心點(diǎn)之間的距離是否等于或小于第一閾值。在初始橢球面中心點(diǎn)判定單元的判定結(jié)果為肯定的情況下，所述初始橢球面產(chǎn)生單元所產(chǎn)生的至少兩個(gè)橢球面全部在其附近具有由磁數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)，并且所述初始橢球面產(chǎn)生單元所產(chǎn)生的至少兩個(gè)橢球面中每一個(gè)橢球面的中心點(diǎn)的坐標(biāo)可以被視為相同。因此，在初始橢球面中心點(diǎn)判定單元的判定結(jié)果為肯定的情況下，所述初始橢球面產(chǎn)生單元所產(chǎn)生的至少兩個(gè)橢球面可以被視為具有相同的形狀。在磁數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)以能夠指定橢球面的形狀的圖案廣泛分布的情況下，所述初始橢球面產(chǎn)生單元所產(chǎn)生的至少兩個(gè)不同的橢球面被計(jì)算為具有能夠被視為與通過磁數(shù)據(jù)的分布來指定的橢球面的形狀相同的形狀的橢球面。另一方面，在難以根據(jù)磁數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)的分布圖案來指定橢球面的形狀的情況下，僅基于這兩個(gè)形狀中的每一個(gè)形狀在其附近具有由多個(gè)磁數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)的條件，來設(shè)置所述初始橢球面產(chǎn)生單元所產(chǎn)生的兩個(gè)不同的橢球面的形狀。在此情況下，存在很大的可能性不能將所述至少兩個(gè)不同的橢球面的形狀視為相同，并且存在很大的可能性不能將所述至少兩個(gè)不同的橢球面的中心點(diǎn)所指示的坐標(biāo)視為相同。根據(jù)本發(fā)明的地磁測(cè)量設(shè)備判定從第一橢球面、第二橢球面和第三橢球面中選擇的至少兩個(gè)橢球面能夠被視為具有相同的形狀，然后產(chǎn)生初始橢球面校正矩陣。因此，在難以根據(jù)磁數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)的分布圖案來指定橢球面的形狀的情況下，需要避免產(chǎn)生不適當(dāng)?shù)某跏紮E球面校正矩陣。在地磁測(cè)量設(shè)備的一種形式中，橢球面產(chǎn)生單元(初始橢球面產(chǎn)生單元310)被構(gòu)造為假設(shè)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)單元中的磁數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)隨機(jī)分布在橢球面的附近，并且被構(gòu)造為假設(shè)該橢球面由如下橢球面方程來表達(dá)所述橢球面方程包括表示第一軸分量的平方的項(xiàng)(X2)、表示第二軸分量的平方的項(xiàng)(y2)和表示第三軸分量的平方的項(xiàng)(Z2)。在這樣的假設(shè)下，所述橢球面產(chǎn)生單元(初始橢球面產(chǎn)生單元310)包括從下列各單元中選擇的至少兩個(gè)單元第一橢球面產(chǎn)生單元(311)，其構(gòu)造為計(jì)算表示所述第一橢球面的橢球面中心點(diǎn)(Cxx)的坐標(biāo)，以便將通過把所述磁數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)代入所述橢球面方程的排除了表示第一軸分量的平方的項(xiàng)以外的其余各項(xiàng)中而獲得的值與所述磁數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)的第一軸分量的平方值之間的誤差最小化；第二橢球面產(chǎn)生單元(312)，其構(gòu)造為計(jì)算表示所述第二橢球面的橢球面中心點(diǎn)(Cyy)的坐標(biāo)，以便將通過把所述磁數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)代入所述橢球面方程的排除了表示第二軸分量的平方的項(xiàng)以外的其余各項(xiàng)中而獲得的值與所述磁數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)的第二軸分量的平方值之間的誤差最小化；以及第三橢球面產(chǎn)生單元(313)，其構(gòu)造為計(jì)算表示所述第三橢球面的橢球面中心點(diǎn)(Czz)的坐標(biāo)，以便將通過把所述磁數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)代入所述橢球面方程的排除了表示第三軸分量的平方的項(xiàng)以外的其余各項(xiàng)中而獲得的值與所述磁數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)的第三軸分量的平方值之間的誤差最小化。在磁數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)以能夠指定橢球面的形狀的圖案分布的情況下，即使以任何形式來表達(dá)磁數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)與該橢球面之間的誤差，也可通過將磁數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)與該橢球面之間的誤差最小化而產(chǎn)生的橢球面設(shè)置為具有能夠被視為與通過磁數(shù)據(jù)的分布而指定的橢球面的形狀相同的形狀。另一方面，在難以根據(jù)磁數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)的分布圖案來指定橢球面的形狀的情況下，通過使磁數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)與該橢球面之間的誤差最小化而產(chǎn)生的橢球面取決于誤差表達(dá)形式。本發(fā)明產(chǎn)生從下列各橢球面中選擇的至少兩個(gè)橢球面第一橢球面，其用于在基于第一軸分量的平方值來表達(dá)誤差時(shí)，將磁數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)與該橢球面之間的誤差最小化；第二橢球面，其用于在基于第二軸分量的平方值來表達(dá)誤差時(shí)，將磁數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)與該橢球面之間的誤差最小化；以及第三橢球面，其用于在基于第三軸分量的平方值來表達(dá)誤差時(shí)，將磁數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)與該橢球面之間的誤差最小化。即，所述初始橢球面產(chǎn)生單元所產(chǎn)生的所述至少兩個(gè)橢球面被設(shè)置為使以不同形式表達(dá)的誤差最小化。因此，在能夠根據(jù)磁數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)的分布圖案來指定橢球面的形狀的情況下，所述初始橢球面產(chǎn)生單元所產(chǎn)生的所述至少兩個(gè)橢球面被設(shè)置為具有能夠被視為與通過磁數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)的分布圖案來指定的橢球面的形狀相同的形狀。另一方面，在難以根據(jù)磁數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)的分布圖案來指定橢球面的形狀的情況下，所述初始橢球面產(chǎn)生單元所產(chǎn)生的所述至少兩個(gè)橢球面取決于誤差表達(dá)形式而具有不同的形狀。在此情況下，所述至少兩個(gè)橢球面的中心點(diǎn)不能被視為相同的坐標(biāo)，并且不產(chǎn)生初始橢球面校正矩陣。因此，根據(jù)本發(fā)明，如上所述，在難以根據(jù)磁數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)的分布圖案來指定橢球面的形狀的情況下，能夠防止產(chǎn)生不適當(dāng)?shù)某跏紮E球面校正矩陣。在一種有利的形式中，所述地磁測(cè)量設(shè)備還包括最優(yōu)橢球面校正值產(chǎn)生單元(400)，其構(gòu)造為設(shè)置指示起點(diǎn)的三維可變矢量(c)和指示磁數(shù)據(jù)(qi)相對(duì)于所述起點(diǎn)的坐標(biāo)的第一三維可變矢量(q^c)，并且構(gòu)造為設(shè)置可變矩陣(T)和第二三維可變矢量(sx-c)，所述第二三維可變矢量是通過使用所述可變矩陣來轉(zhuǎn)換所述第一三維可變矢量獲得的，從而所述第二三維可變矢量的坐標(biāo)被定義為轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)(sXi)，其中所述最優(yōu)橢球面校正 值產(chǎn)生單元還構(gòu)造為設(shè)置橢球面最優(yōu)化函數(shù)(fa)，所述橢球面最優(yōu)化函數(shù)表示多個(gè)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)(Sxl到Sxn)所指示的坐標(biāo)與具有與所述可變矢量所指示的起點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的中心的球面之間的誤差，并且所述橢球面最優(yōu)化函數(shù)包括所述可變矩陣的分量和所述可變矢量的分量作為變量，以及其中所述最優(yōu)橢球面校正值產(chǎn)生單元構(gòu)造為將所述橢球面校正矩陣(T0)的分量和通過所述校正值產(chǎn)生單元(330)計(jì)算出的中心點(diǎn)(Cro)的坐標(biāo)作為初始值應(yīng)用于所述橢球面最優(yōu)化函數(shù)的變量，并且構(gòu)造為隨后順序地更新所述橢球面最優(yōu)化函數(shù)的變量，以便計(jì)算用于將橢球面上的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為球面上的坐標(biāo)的最優(yōu)橢球面校正矩陣(TQP)，并且還計(jì)算指示作為將所述橢球面最優(yōu)化函數(shù)最小化的解的最優(yōu)中心點(diǎn)(Caff)的坐標(biāo)；以及地磁計(jì)算單元(600)，其構(gòu)造為通過使用所述最優(yōu)橢球面校正矩陣，相對(duì)于所述最優(yōu)中心點(diǎn)所指示的坐標(biāo)，來轉(zhuǎn)換表示從所述三維磁傳感器輸出的磁數(shù)據(jù)(Qi)所指示的坐標(biāo)的三維矢量(q1-cE()P)，以便基于轉(zhuǎn)換后的矢量(S1-Crop)來計(jì)算地磁(Bg)的方向。根據(jù)本發(fā)明，所述(初始)橢球面校正矩陣(Ttj)的分量和所述(初始)中心點(diǎn)(Cro)所指示的三個(gè)軸坐標(biāo)被用作所述橢球面最優(yōu)化函數(shù)(fa)的變量的初始值。如前所述,所述初始橢球面校正矩陣和所述初始中心點(diǎn)是基于所述初始橢球面產(chǎn)生單元所產(chǎn)生的至少兩個(gè)橢球面來產(chǎn)生的、并且基于正確地表達(dá)磁數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)的分布圖案的橢球面來設(shè)置的值。另一方面，用于將所述橢球面最優(yōu)化函數(shù)最小化的非線性最優(yōu)化操作是用于計(jì)算橢球面以將該橢球面與磁數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)之間的誤差最小化的操作。即，所述橢球面最優(yōu)化函數(shù)的全局最優(yōu)解成為表示最正確地表達(dá)磁數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)的分布圖案的橢球面的形狀以及該橢球面的中心點(diǎn)的矩陣。因此，所述初始橢球面校正矩陣和所述初始中心點(diǎn)是接近于所述橢球面最優(yōu)化函數(shù)的全局最優(yōu)解的適當(dāng)?shù)闹?。S卩，根據(jù)本發(fā)明的地磁測(cè)量設(shè)備通過將接近于全局最優(yōu)解的正確值用作所述非線性最優(yōu)化操作的初始值，防止所述非線性最優(yōu)化操作疏忽地計(jì)算了局部最優(yōu)解，因此，能夠計(jì)算地磁的正確方向。在另一種有利的形式中，地磁測(cè)量設(shè)備可以包括地磁計(jì)算單元(600)，其構(gòu)造為通過使用所述校正值產(chǎn)生單元所產(chǎn)生的(初始)橢球面校正矩陣(TJ，相對(duì)于也通過所述校正值產(chǎn)生單元產(chǎn)生的(初始)中心點(diǎn)(( )的坐標(biāo)，來轉(zhuǎn)換表示從所述三維磁傳感器輸出的磁數(shù)據(jù)(Qi)所指示的坐標(biāo)的三維矢量(1-( )，以便根據(jù)轉(zhuǎn)換后的矢量(S1-Cro)來計(jì)算地磁(Bg)的方向。根據(jù)本發(fā)明，能夠通過簡(jiǎn)單計(jì)算來執(zhí)行橢球面校正并且降低計(jì)算地磁的方向的計(jì)算所涉及的負(fù)荷。在本發(fā)明的另一個(gè)方面中，一種地磁測(cè)量設(shè)備包括三維磁傳感器，其構(gòu)造為檢測(cè)三個(gè)方向上的磁分量，并且構(gòu)造為輸出表示由所檢測(cè)到的各磁分量組成的三維矢量的磁數(shù)據(jù)( );存儲(chǔ)單元，其構(gòu)造為存儲(chǔ)從所述三維磁傳感器順序輸出的磁數(shù)據(jù)(Qi);以及最優(yōu)橢球面校正值產(chǎn)生單元(400)，其構(gòu)造為假設(shè)地磁的幅度是未知的，所述最優(yōu)橢球面校正值產(chǎn)生單元構(gòu)造為設(shè)置指示起點(diǎn)的三維可變矢量(C)和指示磁數(shù)據(jù)相對(duì)于所述起點(diǎn)的坐標(biāo)的第一三維可變矢量(q1-c)，所述最優(yōu)橢球面校正值產(chǎn)生單元構(gòu)造為設(shè)置可變矩陣(T)和第二三維可變矢量(sx-c)，所述第二三維可變矢量是通過使用所述可變矩陣來轉(zhuǎn)換所述第一三維可變矢量而獲得的，從而使得所述第二三維可變矢量的坐標(biāo)被定義為轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)(sXi)，所述最優(yōu)橢球面校正值產(chǎn)生單元還構(gòu)造為設(shè)置橢球面最優(yōu)化函數(shù)(fa)，所述橢球面·最優(yōu)化函數(shù)表示多個(gè)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)(Sxl到Sxn)所指示的坐標(biāo)與具有與所述可變矢量所指示的起點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的中心的球面之間的誤差，并且所述橢球面最優(yōu)化函數(shù)包括所述可變矩陣的分量和所述可變矢量的分量作為變量，所述最優(yōu)橢球面校正值產(chǎn)生單元構(gòu)造為順序地更新所述橢球面最優(yōu)化函數(shù)的變量，以便計(jì)算用于將橢球面上的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為球面上的坐標(biāo)的最優(yōu)橢球面校正矩陣(Ttff),并且還計(jì)算指示作為將所述橢球面最優(yōu)化函數(shù)最小化的解的最優(yōu)中心點(diǎn)(Cot)的坐標(biāo)，其中將所述可變矩陣(T)設(shè)置為對(duì)稱矩陣。在實(shí)際的形式中，所述三維磁傳感器安裝在包括具有軟磁材料的部件的裝置中。在一種有利的形式中，所述最優(yōu)橢球面校正值產(chǎn)生單元構(gòu)造為在所述最優(yōu)橢球面校正值產(chǎn)生單元順序地更新所述橢球面最優(yōu)化函數(shù)的變量之前，將初始橢球面校正矩陣的分量和初始中心點(diǎn)的坐標(biāo)應(yīng)用于所述橢球面最優(yōu)化函數(shù)的變量。在安裝有所述三維磁傳感器的裝置包括具有軟磁材料的機(jī)械或電子部件的情況下，產(chǎn)生了軟鐵效應(yīng)。因此，從所述三維磁傳感器輸出的多個(gè)磁數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)分布在橢球面的附近。在此情況下，指示該橢球面的中心點(diǎn)的坐標(biāo)的矢量表示所述三維磁傳感器的偏移量。因此，通過使用用于在該橢球面的主軸方向上擴(kuò)張和收縮該橢球面上的坐標(biāo)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣以將該橢球面上的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為球面上的坐標(biāo)，來執(zhí)行關(guān)于磁數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)的橢球面校正，從而能夠計(jì)算地磁的正確方向。根據(jù)本發(fā)明，把所述可變矩陣的分量和所述三維可變矢量的元素作為變量的所述橢球面最優(yōu)化函數(shù)被最小化，以計(jì)算所述最優(yōu)橢球面校正矩陣和所述最優(yōu)中心點(diǎn)。所述可變矩陣是用于對(duì)三維矢量的坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換的3 X 3對(duì)稱矩陣。通常，該3 X 3對(duì)稱矩陣具有互相垂直的三個(gè)特征矢量和與這三個(gè)特征矢量相對(duì)應(yīng)的三個(gè)特征值。并且，在使用所述對(duì)稱矩陣來轉(zhuǎn)換三維矢量的情況下，轉(zhuǎn)換后的矢量變成等于通過如下方式得到的矢量在所述對(duì)稱矩陣的三個(gè)特征矢量的方向上利用與這三個(gè)特征矢量相對(duì)應(yīng)的各特征值來擴(kuò)張和收縮轉(zhuǎn)換前的矢量。所述最優(yōu)橢球面校正矩陣是在所述橢球面最優(yōu)化函數(shù)被最小化時(shí)的可變矩陣，因此，所述最優(yōu)橢球面校正矩陣是3X3的對(duì)稱矩陣。因此，在使用所述最優(yōu)橢球面校正矩陣來轉(zhuǎn)換三軸矢量的情況下，轉(zhuǎn)換后的矢量成為等于通過在所述最優(yōu)橢球面校正矩陣的三個(gè)特征矢量的方向上利用各特征值來擴(kuò)張和收縮轉(zhuǎn)換前的矢量而獲得的矢量。即，所述最優(yōu)橢球面校正矩陣是這樣的矩陣，其用于在其中以與最優(yōu)橢球面校正矩陣的各個(gè)特征矢量相同的方向來排列主軸的橢球面的三個(gè)主軸方向上擴(kuò)張和收縮該橢球面上的坐標(biāo)，以表示用于將該橢球面上的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為球面上的坐標(biāo)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。在使用這樣的最優(yōu)橢球面校正矩陣來轉(zhuǎn)換矢量的情況下，僅執(zhí)行用于在橢球面的三個(gè)軸方向上擴(kuò)張和收縮該矢量的轉(zhuǎn)換，而不執(zhí)行用于旋轉(zhuǎn)該矢量的轉(zhuǎn)換。因此，在橢球面校正中，通過使用所述最優(yōu)橢球面校正矩陣，能夠計(jì)算地磁的正確方向。并且，根據(jù)本發(fā)明，對(duì)通過使用所述可變矩陣來轉(zhuǎn)換由磁數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)而獲得的轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)與球面之間的誤差進(jìn)行表示的所述橢球面最優(yōu)化函數(shù)被最小化，以計(jì)算所述最優(yōu)橢球面校正矩陣和所述最優(yōu)中心點(diǎn)。在所述橢球面最優(yōu)化函數(shù)被最小化的情況下，通過所述可變矩陣來轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)與球面之間的誤差被最小化。所述最優(yōu)橢球面校正矩陣是在所述橢球面最優(yōu)化函數(shù)被最小化時(shí)的可變矩陣，因此，所述最優(yōu)橢球面校正矩陣表示這樣的矩陣，其用于將多個(gè)磁數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為相對(duì)于球面具有最小誤差的多個(gè)坐標(biāo)。如前所述,所述最優(yōu)橢球面校正矩陣是用于將橢球面上的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為球面上的坐標(biāo)的矩陣。因此，在轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)與球面之間的誤差被最小化的情況下，轉(zhuǎn)換前的坐標(biāo)與球面之間的誤差也被最小化。即，通過使用所述最優(yōu)橢球面校正矩陣，能夠指定一個(gè)橢球面來使得該橢球面與磁數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)之間的誤差最小化(即，指定了一個(gè)最正確地表達(dá)磁數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)的分布圖案的橢球面)。并且，對(duì)通過所述最優(yōu)橢球面校正矩陣指定的橢球面的中心點(diǎn)(最優(yōu)中心點(diǎn))的坐標(biāo)進(jìn)行指示的矢量成為正確地表示所述三維磁傳感器的偏移量的矢量。通過使用這樣的最優(yōu)橢球面校正矩陣和最優(yōu)中心點(diǎn)來執(zhí)行橢球面校正，其中，該最優(yōu)橢球面校正矩陣和最優(yōu)中心點(diǎn)表達(dá)了正確地捕獲磁數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)的分布圖案的橢球面，因此，能夠計(jì)算地磁的正確方向。在一種有利的形式中，所述地磁測(cè)量設(shè)備還可以包括偏移量采用單元(610)，其構(gòu)造為采用所述最優(yōu)中心點(diǎn)(Cot)所指示的坐標(biāo)作為所述三維磁傳感器的偏移量(Ctw)以及采用所述最優(yōu)橢球面校正矩陣(Tw)作為橢球面校正矩陣(TE)，并且構(gòu)造為在所述最優(yōu) 橢球面校正值產(chǎn)生單元計(jì)算所述最優(yōu)橢球面校正矩陣(Tw)和所述最優(yōu)中心點(diǎn)(Cot)的坐標(biāo)時(shí)輸出所述偏移量(Ctw)和所述橢球面校正矩陣(Te);以及地磁矢量計(jì)算單元(620)，其構(gòu)造為通過使用所述橢球面校正矩陣，相對(duì)于所述偏移量所指示的坐標(biāo)，來轉(zhuǎn)換表示從三維磁傳感器輸出的磁數(shù)據(jù)( )所指示的坐標(biāo)的三維矢量(Q1-Ctw),以便根據(jù)轉(zhuǎn)換后的矢量(S1-Coff)來計(jì)算地磁(Bg)的方向。根據(jù)本發(fā)明，通過采用所述最優(yōu)中心點(diǎn)所指示的三個(gè)軸坐標(biāo)作為偏移量并且采用所述最優(yōu)橢球面校正矩陣作為所述橢球面校正矩陣來執(zhí)行橢球面校正。如前所述，所述最優(yōu)橢球面校正矩陣是指定了正確地表示多個(gè)磁數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)的分布圖案的橢球面的矩陣，所述最優(yōu)中心點(diǎn)是正確地表示所述三維磁傳感器的偏移量的矢量。因此，通過使用所述最優(yōu)橢球面校正矩陣和所述最優(yōu)中心點(diǎn)來執(zhí)行橢球面校正，能夠計(jì)算地磁的正確方向。此外，本發(fā)明還提供了一種地磁測(cè)量方法，其包括將從三維磁傳感器順序輸出的磁數(shù)據(jù)( )存儲(chǔ)在存儲(chǔ)單元中，所述三維磁傳感器檢測(cè)三個(gè)方向上的磁分量，并且所述三維磁傳感器輸出表示由所檢測(cè)到的各磁分量組成的三維矢量的磁數(shù)據(jù)( );假設(shè)地磁的幅度是未知的；設(shè)置指示起點(diǎn)的三維可變矢量(C)和指示磁數(shù)據(jù)相對(duì)于所述起點(diǎn)的坐標(biāo)的第一三維可變矢量(q1-c);設(shè)置可變矩陣(T)和第二三維可變矢量(sx-c)，所述第二三維可變矢量是通過使用所述可變矩陣來轉(zhuǎn)換所述第一三維可變矢量獲得的，從而使得所述第二三維可變矢量的坐標(biāo)被定義為轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)(Sxi);設(shè)置橢球面最優(yōu)化函數(shù)(fa)，所述橢球面最優(yōu)化函數(shù)表示多個(gè)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)(Sxl到Sxn)所指示的坐標(biāo)與具有與所述可變矢量所指示的起點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的中心的球面之間的誤差，并且所述橢球面最優(yōu)化函數(shù)包括所述可變矩陣的分量和所述可變矢量的分量作為變量；以及順序地更新所述橢球面最優(yōu)化函數(shù)的變量，以便計(jì)算用于將橢球面上的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為球面上的坐標(biāo)的最優(yōu)橢球面校正矩陣( *)，并且還計(jì)算指示作為將所述橢球面最優(yōu)化函數(shù)最小化的解的最優(yōu)中心點(diǎn)(Cot)的坐標(biāo)，其中所述可變矩陣(T)是對(duì)稱矩陣。根據(jù)本發(fā)明，通過使用所述最優(yōu)橢球面校正矩陣和所述最優(yōu)中心點(diǎn)來執(zhí)行橢球面校正，因此，能夠計(jì)算地磁的正確方向。 并且，作為本發(fā)明的具體實(shí)施例，所述地磁測(cè)量設(shè)備還可以包括中心點(diǎn)計(jì)算單元(800)，在假設(shè)磁數(shù)據(jù)( 到qN)所指示的三個(gè)軸坐標(biāo)隨機(jī)分布在用于中心點(diǎn)計(jì)算的球面
(S)的附近的條件下，所述中心點(diǎn)計(jì)算單元用于計(jì)算由用于中心點(diǎn)計(jì)算的球面(S)的中心點(diǎn)(cs)所指示的三個(gè)軸坐標(biāo)；以及變形判定單元(900)，在假設(shè)所輸入的三個(gè)軸坐標(biāo)中的多個(gè)隨機(jī)分布在具有從用于變形判定的球面(S2)變形而來的形狀的三維圖形(SD)的表面附近的條件下，所述變形判定單元用于計(jì)算指示所述三維圖形(SD)的形狀與用于變形判定的球面(S2)的形狀彼此之間的差異到了什么程度的變形評(píng)估值(gD(E))，以及用于判定所述變形評(píng)估值(gD(E))是否等于或小于允許的變形值(δ。。在磁數(shù)據(jù)( 到qN)所指示的三個(gè)軸坐標(biāo)被用作輸入坐標(biāo)時(shí)所述變形判定單元(900)的判定結(jié)果為否定的情況下，橢球面校正單元(200)中的所述最優(yōu)橢球面校正值產(chǎn)生單元(400)可以計(jì)算所述最優(yōu)橢球面校正矩陣(Tqp)和所述最優(yōu)中心點(diǎn)(Ceqp)所指示的三個(gè)軸坐標(biāo)，并且偏移量采用單元(610a)可以采用所述最優(yōu)中心點(diǎn)(Crop)所指示的三個(gè)軸坐標(biāo)作為所述偏移量(C(W)，此外，還可以采用所述最優(yōu)橢球面校正矩陣(Ttff)作為所述橢球面校正矩陣(TE)。在所述變形判定單元(900)的判定結(jié)果為肯定的情況下，所述偏移量采用單元(610a)可以采用用于中心點(diǎn)計(jì)算的球面
(S)的中心點(diǎn)(Cs)所指示的三個(gè)軸坐標(biāo)作為所述偏移量(C(W)，此外，還可以采用單位矩陣(I)作為所述橢球面校正矩陣(Te)。根據(jù)本發(fā)明，所述變形判定單元計(jì)算這樣的變形評(píng)估值，其指示了在其表面附近具有通過所述三維磁傳感器輸出的磁數(shù)據(jù)所指示的三個(gè)軸坐標(biāo)的三維圖形的形狀與用于變形判定的球面的形狀彼此之間的差異到了什么程度。在所述變形判定單元的判定結(jié)果為肯定的情況下，S卩，在變形評(píng)估值等于或小于允許的評(píng)估值的情況下，三維圖形的形狀和用于變形判定的球面的形狀能夠被視為相同。在此情況下，能夠設(shè)置用于中心點(diǎn)計(jì)算的球面，使得用于中心點(diǎn)計(jì)算的球面在其附近具有磁數(shù)據(jù)所指示的三個(gè)軸坐標(biāo)，因此，能夠采用對(duì)通過所述中心點(diǎn)計(jì)算單元計(jì)算出的用于中心點(diǎn)計(jì)算的球面的中心點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行指示的矢量作為偏移量。并且，在此情況下，磁數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)的分布圖案沒有形成橢球面，因此，沒有產(chǎn)生軟鐵效應(yīng)。因此，所述地磁測(cè)量設(shè)備能夠在不使用所述最優(yōu)橢球面校正矩陣和所述最優(yōu)中心點(diǎn)的坐標(biāo)的情況下計(jì)算地磁的正確方向。
通過該方式，根據(jù)本發(fā)明的包括變形判定單元的地磁測(cè)量設(shè)備能夠判定是否產(chǎn)生了軟鐵效應(yīng)。因此，在沒有產(chǎn)生軟鐵效應(yīng)的情況下，能夠通過不計(jì)算最優(yōu)橢球面校正矩陣和最優(yōu)中心點(diǎn)的坐標(biāo)的簡(jiǎn)單計(jì)算來計(jì)算地磁的正確方向，從而降低計(jì)算負(fù)荷。另一方面，在所述變形判定單元的判定結(jié)果為否定的情況下，S卩，在變形評(píng)估值大于允許的變形值的情況下，所述三維圖形具有不同于球面形狀的變形形狀。結(jié)果，產(chǎn)生了軟鐵效應(yīng)，并且假設(shè)磁數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)分布在橢球面的附近。在此情況下，所述地磁測(cè)量設(shè)備計(jì)算最優(yōu)橢球面校正矩陣和最優(yōu)中心點(diǎn)的坐標(biāo)，并且基于此將磁數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換后的磁數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)，從而計(jì)算出地磁的正確方向。如上所述，根據(jù)本發(fā)明的包括變形判定單元的地磁測(cè)量設(shè)備能夠判定是否產(chǎn)生了軟鐵效應(yīng)。無論在產(chǎn)生了軟鐵效應(yīng)的情況下還是在沒有產(chǎn)生軟鐵效應(yīng)的情況下，都能夠計(jì)算地磁的正確方向。并且，在沒有產(chǎn)生軟鐵效應(yīng)的情況下，能夠減少計(jì)算量。
并且，作為本發(fā)明的另一個(gè)具體實(shí)施例，所述地磁測(cè)量設(shè)備還可以包括橢球面到球面轉(zhuǎn)換單元(500)，其用于通過使用所述最優(yōu)橢球面校正矩陣(TJ、根據(jù)所述最優(yōu)中心點(diǎn)(Cmp)所指示的三個(gè)軸坐標(biāo)來轉(zhuǎn)換表示磁數(shù)據(jù)Cq1到qN)所指示的三個(gè)軸坐標(biāo)的三維矢量，以計(jì)算多個(gè)轉(zhuǎn)換后的磁數(shù)據(jù)(S1到sN)。在磁數(shù)據(jù)( 到qN)所指示的三個(gè)軸坐標(biāo)被用作輸入坐標(biāo)時(shí)所述變形判定單元(900)的判定結(jié)果為否定的情況下，所述橢球面到球面轉(zhuǎn)換單元(500)可以將轉(zhuǎn)換后的磁數(shù)據(jù)(S1到sN)所指示的三個(gè)軸坐標(biāo)作為輸入坐標(biāo)應(yīng)用于所述變形判定單元(900)。在轉(zhuǎn)換后的磁數(shù)據(jù)(S1到sN)所指示的三個(gè)軸坐標(biāo)被用作輸入坐標(biāo)時(shí)所述變形判定單元(900)的判定結(jié)果為肯定的情況下，所述偏移量采用單元(610)可以采用所述最優(yōu)中心點(diǎn)(Crop)所指示的三個(gè)軸坐標(biāo)作為所述偏移量(C(W)，此外，還可以采用所述最優(yōu)橢球面校正矩陣(Ttff)作為所述橢球面校正矩陣(TE)。在所述變形判定單元(900)的判定結(jié)果為否定的情況下，可以不采用所述偏移量和所述橢球面校正矩陣(TE)。在安裝有所述三維磁傳感器的裝置的周圍可能存在產(chǎn)生磁場(chǎng)的外部物體，并且所述三維磁傳感器可以檢測(cè)到該物體所產(chǎn)生的磁場(chǎng)(外部磁場(chǎng))。在所述外部磁場(chǎng)為非均勻磁場(chǎng)的情況下，非均勻磁場(chǎng)的方向和幅度根據(jù)該物體與所述三維磁傳感器之間的相對(duì)位置關(guān)系而改變，從所述三維磁傳感器輸出的多個(gè)磁數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)分布在具有既不同于球面又不同于橢球面的變形形狀的三維圖形的表面附近。在此情況下，磁數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)沒有分布在球面附近或橢球面附近。因此，在此情況下，對(duì)在磁數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)分布在球面附近或橢球面附近的假設(shè)下計(jì)算的球面或橢球面的中心點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行指示的矢量不能被采用為偏移量。根據(jù)本發(fā)明，在在其附近具有由磁數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)的三維圖形具有不同于球面形狀的變形形狀的情況下，所述橢球面到球面轉(zhuǎn)換單元根據(jù)磁數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)來計(jì)算多個(gè)轉(zhuǎn)換后的磁數(shù)據(jù)，然后所述變形判定單元基于轉(zhuǎn)換后的磁數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)來計(jì)算變形評(píng)估值，并且判定所述變形評(píng)估值是否等于或小于允許的變形值。在所述變形判定單元的判定結(jié)果為肯定的情況下，轉(zhuǎn)換后的磁數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)分布在球面的附近，因此，磁數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)分布在橢球面的附近。即，在轉(zhuǎn)換后的磁數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)被用作輸入坐標(biāo)時(shí)所述變形判定單元的判定結(jié)果為肯定的情況下，不存在非均勻外部磁場(chǎng)，只存在軟鐵效應(yīng)。在此情況下，所述地磁測(cè)量設(shè)備能夠基于轉(zhuǎn)換后的磁數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)和所述最優(yōu)中心點(diǎn)所指示的坐標(biāo)來計(jì)算地磁的正確方向。
另一方面，在所述變形判定單元的判定結(jié)果為否定的情況下，轉(zhuǎn)換后的磁數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)分布在具有既不同于球面又不同于橢球面的變形形狀的三維圖形的表面附近。即，在轉(zhuǎn)換后的磁數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)被用作輸入坐標(biāo)時(shí)所述變形判定單元的判定結(jié)果為否定的情況下，存在非均勻外部磁場(chǎng)，不可能計(jì)算正確的偏移量。在此情況下，所述地磁測(cè)量設(shè)備防止了計(jì)算偏移量。此外，本發(fā)明還包括一種地磁測(cè)量方法(圖19)，其包括(S2)將從三維磁傳感器順序輸出的多個(gè)磁數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)單元中；(S4)假設(shè)一個(gè)球面具有這樣的表面，在該表面的附近包括由所述多個(gè)磁數(shù)據(jù)所表示的坐標(biāo)，并且該球面計(jì)算表示所述球面的中心點(diǎn)的坐標(biāo)；(S5)假設(shè)第一三維圖形具有附近包括由所述多個(gè)磁數(shù)據(jù)所表示的坐標(biāo)的表面，并且確定所述第一三維圖形的形狀是否接近球面；(SlO)當(dāng)確定所述第一三維圖形的形狀接近球面時(shí)，采用所計(jì)算的中心點(diǎn)的坐標(biāo)作為所述三維磁傳感器的偏移量；(S7)當(dāng)確定所述第一三維圖形的形狀不接近球面時(shí)，計(jì)算能夠?qū)E球面上的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為球面上的坐標(biāo)的最優(yōu)橢球面校正矩陣，并且計(jì)算最優(yōu)中心點(diǎn)的坐標(biāo)；(S8)利用所述最優(yōu)橢球面校正矩陣和所述 最優(yōu)中心點(diǎn)的坐標(biāo)來轉(zhuǎn)換所述多個(gè)磁數(shù)據(jù)所表示的坐標(biāo)，從而提供轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)；(S9)假設(shè)第二三維圖形具有附近包括轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)的表面，并且確定所述第二三維圖形的形狀是否接近球面；以及(SlO)當(dāng)確定所述第二三維圖形的形狀接近球面時(shí)，采用所述最優(yōu)中心點(diǎn)的坐標(biāo)作為所述三維磁傳感器的偏移量。在一種優(yōu)選形式中，所述地磁測(cè)量方法還包括計(jì)算指示初始橢球面的初始中心點(diǎn)的坐標(biāo)，使得所述多個(gè)磁數(shù)據(jù)的坐標(biāo)分布在所述初始橢球面的表面附近，并且在確定所述第一三維圖形的形狀不接近球面時(shí)，還計(jì)算能夠?qū)⑺龀跏紮E球面上的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為球面上的坐標(biāo)的初始橢球面校正矩陣，其中，基于所述初始橢球面校正矩陣和所述初始中心點(diǎn)來計(jì)算所述最優(yōu)橢球面校正矩陣和所述最優(yōu)中心點(diǎn)的坐標(biāo)。在一種優(yōu)選形式中，所述地磁測(cè)量方法還包括評(píng)估所述第一三維圖形的形狀與球面的差異程度，以便確定所述第一三維圖形的形狀是否接近球面；并且評(píng)估所述第二三維圖形的形狀與球面的差異程度，以便確定所述第二三維圖形的形狀是否接近球面。通過該方式，根據(jù)本發(fā)明的地磁測(cè)量設(shè)備和方法判定磁數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)的分布圖案是否與從球面、橢球面和具有既不同于球面又不同于橢球面的變形形狀的三維圖形中選擇的任何一個(gè)相對(duì)應(yīng)。在確定磁數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)分布在具有既不同于球面又不同于橢球面的變形形狀的三維圖形的附近的情況下，所述地磁測(cè)量設(shè)備避免了計(jì)算偏移量。即，根據(jù)本發(fā)明的地磁測(cè)量設(shè)備能夠避免基于受非均勻外部磁場(chǎng)影響的多個(gè)磁數(shù)據(jù)計(jì)算出不正確的偏移量。另一方面，在確定磁數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)的分布圖案對(duì)應(yīng)于橢球面的情況下，S卩，在確定不存在非均勻外部磁場(chǎng)并且產(chǎn)生了內(nèi)部軟鐵效應(yīng)的情況下，根據(jù)本發(fā)明的地磁測(cè)量設(shè)備能夠通過采用指示該橢球面的中心點(diǎn)的坐標(biāo)作為偏移量來計(jì)算地磁的正確方向。


圖1是示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的三維磁傳感器所測(cè)量的磁場(chǎng)的概況的概念示圖。圖2是示出了根據(jù)本發(fā)明的該實(shí)施例的三維磁傳感器所測(cè)量的地磁和內(nèi)部磁場(chǎng)的概念示圖。圖3
的概念示圖。示圖。
是示出了根據(jù)本發(fā)明的該實(shí)施例的三維磁傳感器所測(cè)量的地磁和內(nèi)部磁場(chǎng)
圖4是示出了根據(jù)本發(fā)明的該實(shí)施例的三維磁傳感器所測(cè)量的磁化磁場(chǎng)的概念
圖5是示出了根據(jù)本發(fā)明的該實(shí)施例的三維磁傳感器所測(cè)量的磁化磁場(chǎng)的概念
圖6是示出了根據(jù)本發(fā)明的該實(shí)施例的三維磁傳感器所測(cè)量的磁化磁場(chǎng)的概念
圖7是示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的橢球面校正矩陣的概念示圖。
圖8是示出了安裝有根據(jù)本發(fā)明的該實(shí)施例的三維磁傳感器的裝置的構(gòu)造的框
圖9是示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的地磁測(cè)量設(shè)備的構(gòu)造的功能框圖。
圖10是示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的初始橢球面校正值產(chǎn)生單元的構(gòu)造的示圖。示圖。圖。
功能框圖。圖11 (A)、圖11 (B)和圖11 (C)是示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的第一橢球面、第二橢球面和第三橢球面的概念示圖。圖12是示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的初始橢球面校正矩陣的概念示圖。圖13是示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的第二條件的概念示圖。圖14是示出了在橢球面校正中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的情況的概念示圖。圖15是示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的地磁測(cè)量設(shè)備的構(gòu)造的功能框圖。圖16是示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的三維磁傳感器所測(cè)量的地磁、內(nèi)部磁場(chǎng)、磁化磁場(chǎng)和外部磁場(chǎng)的概念不圖。圖17是示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的三維磁傳感器所測(cè)量的外部磁場(chǎng)的概念示圖。圖18 (A)和圖18 (B)是示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的三維磁傳感器所測(cè)量的外部磁場(chǎng)的概念不圖。
圖19是示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的地磁測(cè)量設(shè)備的操作的流程圖。
圖20是示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的中心點(diǎn)計(jì)算處理的概念示圖。
圖21是示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的磁數(shù)據(jù)分布判定處理的概念示圖。圖22是示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的磁數(shù)據(jù)分布判定處理的概念示圖。圖23是示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的變形判定處理的概念示圖。
圖24是示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的變形判定處理的概念示圖。
圖25是示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的變形判定處理的概念示圖。
具體實(shí)施例方式<A.第一實(shí)施例>在下文中，將描述本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例。[1.三維磁傳感器所檢測(cè)的磁場(chǎng)的概況]
在此實(shí)施例中，假設(shè)三維磁傳感器所檢測(cè)的磁場(chǎng)除了待檢測(cè)的地磁之外，還包括構(gòu)成安裝有該三維磁傳感器的裝置的部件所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，即，內(nèi)部磁場(chǎng)；以及磁化磁場(chǎng)，其在構(gòu)成該裝置的該部件的軟磁材料被來自該裝置外部的磁場(chǎng)磁化時(shí)產(chǎn)生。在下文中，將參考圖1到圖5來描述在此實(shí)施例中假設(shè)的這三種磁場(chǎng)的概況；以及在通過三維磁傳感器來檢測(cè)這些磁場(chǎng)的情況下，從三維磁傳感器輸出的矢量數(shù)據(jù)。圖1是示出了下列三者的示圖待測(cè)量的地磁Bg ;內(nèi)部磁場(chǎng)Bi，其由構(gòu)成安裝有三維磁傳感器的裝置I的機(jī)械或電子部件2產(chǎn)生；以及磁化磁場(chǎng)B111，其由構(gòu)成部件2的軟磁材料21產(chǎn)生?！さ卮臖g是具有恒定的方向和幅度的磁場(chǎng),該磁場(chǎng)指向北磁極。嚴(yán)格地說,地磁Bg的方向和幅度根據(jù)地域而不同。然而，例如，在移動(dòng)距離不大例如沒有在不同城市之間的進(jìn)行移動(dòng)的情況下，地磁Bg具有恒定的方向和幅度。在本發(fā)明的實(shí)施例中，將地磁Bg的幅度視為未知參數(shù)。如下文所述，可以基于最優(yōu)橢球面校正矩陣Tw的行列式來計(jì)算地磁Bg的幅度。內(nèi)部磁場(chǎng)Bi是由構(gòu)成裝置I的部件2產(chǎn)生的磁場(chǎng)。當(dāng)從裝置I觀察時(shí)，內(nèi)部磁場(chǎng)Bi具有恒定的方向和幅度。即，不管裝置I的姿態(tài)如何改變，內(nèi)部磁場(chǎng)Bi都被三維磁傳感器60檢測(cè)為具有恒定的方向和幅度的磁場(chǎng)。磁化磁場(chǎng)B111是在軟磁材料21被從裝置I外部的物體產(chǎn)生的磁場(chǎng)(即，地磁Bg)磁化時(shí)由軟磁材料21產(chǎn)生的磁場(chǎng)。因此，磁化磁場(chǎng)B111的方向和幅度根據(jù)地磁Bg的方向和幅度以及軟磁材料21的材料、尺寸和形狀而改變。為了描述方便，如圖1所示，引入了大地坐標(biāo)系Σ e和傳感器坐標(biāo)系Σ s。附于圖1中所示的每個(gè)矢量的左上部分的上標(biāo)G表示在大地坐標(biāo)系Σ G中表達(dá)該矢量。大地坐標(biāo)系Σ e是固定到地面的坐標(biāo)系。具體地說，大地坐標(biāo)系Σ e是這樣的坐標(biāo)系其以地面上的任意點(diǎn)作為原點(diǎn)，把三個(gè)互相垂直的方向，例如，東、北以及垂直于前兩者的向上方向作為X軸、y軸和z軸。傳感器坐標(biāo)系Σ S是固定到三維磁傳感器60的坐標(biāo)系。具體地說，傳感器坐標(biāo)系Σ 3是這樣的坐標(biāo)系其用于將從構(gòu)成三維磁傳感器60的三個(gè)傳感器模塊輸出的值分別繪制在X軸(第一軸)、y軸(第二軸)和z軸(第三軸)上。S卩，由三維磁傳感器60輸出的磁數(shù)據(jù)被表達(dá)為傳感器坐標(biāo)系Σ s的矢量數(shù)據(jù)。同時(shí)，圖1中所示的姿態(tài)y指示傳感器坐標(biāo)系Σ s的每個(gè)軸在大地坐標(biāo)系Σ G中的方向(即,三維磁傳感器60在大地坐標(biāo)系Σ e中的方向)。在下文中，將描述在姿態(tài)μ改變的情況下，內(nèi)部磁場(chǎng)Bi和磁化磁場(chǎng)Bm在大地坐標(biāo)系Σ e和傳感器坐標(biāo)系Σ s中的方向是如何改變的。首先，參考圖2和圖3來描述內(nèi)部磁場(chǎng)Bi和地磁Bg在大地坐標(biāo)系Σ。和傳感器坐標(biāo)系Σ s中看起來是什么樣的。同時(shí)，在圖2和圖3中，為了簡(jiǎn)單起見，假設(shè)裝置I不包括軟磁材料21，并且不存在磁化磁場(chǎng)Bm。圖2是示出了內(nèi)部磁場(chǎng)Bi和地磁Bg在大地坐標(biāo)系Σ。中的方向和幅度的示圖。在裝置I的姿態(tài)μ從姿態(tài)μ !改變到姿態(tài)μ 2的情況下，內(nèi)部磁場(chǎng)eBi的幅度是恒定的，但是內(nèi)部磁場(chǎng)eBi的方向根據(jù)姿態(tài)μ的改變而改變。另一方面，地磁eBg的方向和幅度是恒定的。
圖3是示出了內(nèi)部磁場(chǎng)Bi和地磁Bg在傳感器坐標(biāo)系Σ s中的方向和幅度的示圖。具體地說，圖3是這樣的示圖，該示圖示出了 在裝置I的姿態(tài)μ被改變?yōu)椤爸力苔詼y(cè)量磁場(chǎng)的情況下，將通過三維磁傳感器60輸出的N個(gè)磁數(shù)據(jù)Q1到qN所指示的坐標(biāo)繪制在傳感器坐標(biāo)系Σ s中(N為自然數(shù)，等于或大于9，指示用于測(cè)量為了得到高精度偏移量所必需的磁數(shù)據(jù)的規(guī)定次數(shù))。在此，附于圖3中所示的每個(gè)矢量的左上部分的上標(biāo)S表示該矢量是在傳感器坐標(biāo)系Σ s中表達(dá)的。在傳感器坐標(biāo)系[s中，內(nèi)部磁場(chǎng)Bi被表達(dá)為具有恒定的方向和幅度的矢量sBi(從傳感器坐標(biāo)系Σ s的原點(diǎn)指向中心點(diǎn)( 的矢量)。另一方面，地磁Bg的幅度是恒定的，但是地磁Bg的方向根據(jù)三維磁傳感器60的姿態(tài)μ而改變。即，地磁Bg被表達(dá)為矢量sBg(U)，該矢量sBg(U)具有取決于裝置I的姿態(tài)μ的方向和恒定的幅度。因此，當(dāng)姿態(tài)μ在矢量sBg(μ )的起點(diǎn)位于中心點(diǎn)Cog的狀態(tài)下改變的情況中，矢量sBg(y )的終點(diǎn)指示球面Se上的坐標(biāo)，該球面Sg具有對(duì)應(yīng)于中心點(diǎn)Cm的中心點(diǎn)和對(duì)應(yīng)于地磁Bg的幅度的半徑。因?yàn)榇艛?shù)據(jù)Q1到qN所指示的坐標(biāo)表示傳感器坐標(biāo)系Σ s中的內(nèi)部磁場(chǎng)sBi和地磁 sBg之和，所以磁數(shù)據(jù)Q1到qN所指示的坐標(biāo)分布在球面Sg上。同時(shí)，三維磁傳感器60的測(cè)量值具有測(cè)量誤差。因此，嚴(yán)格地說，磁數(shù)據(jù)Q1到qN所指示的坐標(biāo)可能分布在球面Sg的附近。因此，通過從磁數(shù)據(jù)％所指示的坐標(biāo)中減去內(nèi)部磁場(chǎng)sBi，能夠計(jì)算地-sBg在傳感器坐標(biāo)系Σ s中的方向和幅度。從磁數(shù)據(jù)qi所指示的坐標(biāo)中減去球面Sg的表示三維磁傳感器60所輸出的內(nèi)部磁場(chǎng)&的中心點(diǎn)( 所指示的坐標(biāo)，以獲得待檢測(cè)的地磁Bg的正確方向的處理，被稱為校正處理。并且,在該校正處理中從磁數(shù)據(jù)qi中去除的矢量被稱為偏移量CoFF。即，偏移量Cqff是表示內(nèi)部磁場(chǎng)的矢量sBi，并且被表示為從傳感器坐標(biāo)系Σ s中的原點(diǎn)開始的指示球面Sg的中心點(diǎn)( 的矢量。在裝置I包括軟磁材料21的情況下，在地磁Bg的影響下，軟磁材料21被磁化，結(jié)果，軟磁材料21產(chǎn)生磁化磁場(chǎng)Bm。下文將參考圖4和圖5來描述在裝置I的姿態(tài)μ改變的情況下，磁化磁場(chǎng)Bm在大地坐標(biāo)系Σ <；和傳感器坐標(biāo)系Σ s中的方向和幅度是如何改變的。圖4是示出了磁化磁場(chǎng)Bni在大地坐標(biāo)系Σ e中的方向和幅度的示圖。圖4示出了如下的情況裝置I包括立方體軟磁材料21，其具有平行于傳感器坐標(biāo)系Σ s的X軸的長(zhǎng)邊211a和211b以及平行于傳感器坐標(biāo)系Σ s的7軸的短邊212a和212b，并且該軟磁材料21被布置為位于傳感器坐標(biāo)系Σ s的X軸上。磁化磁場(chǎng)Bni是作為軟磁材料21被地磁Bg磁化的結(jié)果而產(chǎn)生的磁場(chǎng)。具體地說，磁化磁場(chǎng)Bni是這樣的磁場(chǎng)其方向和幅度根據(jù)裝置I的姿態(tài)μ以及軟磁材料21的材料、尺寸和形狀而改變。在裝置I的姿態(tài)μ從姿態(tài)μ !改變到姿態(tài)μ 2的情況下，磁化磁場(chǎng)eBm的方向和幅度從\(μ J改變到eBni(U2)。例如，在裝置I的姿態(tài)μ為姿態(tài)μ !的情況下，軟磁材料21產(chǎn)生從軟磁材料21的一個(gè)短邊212a指向軟磁材料21的另一個(gè)短邊212b的磁化磁場(chǎng)eBJ μ J。在裝置I的姿態(tài)μ為姿態(tài)μ 2的情況下，軟磁材料21產(chǎn)生從軟磁材料21的一個(gè)長(zhǎng)邊211a指向軟磁材料21的另一個(gè)長(zhǎng)邊211b的磁化磁場(chǎng)eBm(U2)。
通過三維磁傳感器60檢測(cè)的磁化磁場(chǎng)\( μ )的方向和幅度取決于裝置的姿態(tài)μ和軟磁材料21在傳感器坐標(biāo)系Σ s中的位置sP1^例如，在圖4的情況下，三維磁傳感器60測(cè)量出磁化磁場(chǎng)eBm(U1)為與地-eBg(U1)指向相同的磁場(chǎng)。并且，三維磁傳感器60測(cè)量出磁化磁場(chǎng)\ (μ 2)為與地磁\ (μ 2)指向相反的磁場(chǎng)。同時(shí)，除了被地磁Bg磁化之外，軟磁材料21還被部件2所產(chǎn)生的磁場(chǎng)磁化，當(dāng)從傳感器坐標(biāo)系Σ s觀察時(shí)部件2所產(chǎn)生的磁場(chǎng)具有恒定的方向和幅度。由于軟磁材料21被從傳感器坐標(biāo)系Σ s觀察時(shí)的方向和幅度都恒定的該磁場(chǎng)磁化而由軟磁材料21產(chǎn)生的磁場(chǎng)，即使在裝置I的姿態(tài)μ改變的情況下，也具有恒定的方向和幅度。在作為軟磁材料21被磁化的結(jié)果而產(chǎn)生的這些磁場(chǎng)中，即使在裝置的姿態(tài)μ改變的情況下也具有恒定的方向和幅度的磁場(chǎng)包括在上述的內(nèi)部磁場(chǎng)Bi中。圖5是示出了在傳感器坐標(biāo)系Σ s中繪制磁數(shù)據(jù)Q1和磁數(shù)據(jù)q2的示圖，其中，磁
數(shù)據(jù)Q1是在裝置I采取姿態(tài)μ !時(shí)測(cè)量的，而磁數(shù)據(jù)q2是在裝置I采取姿態(tài)μ 2時(shí)測(cè)量的。磁數(shù)據(jù)Q1是矢量sBe(U1)所指示的坐標(biāo)，其中矢量sBe(U1)通過將具有由作為起點(diǎn)的中心點(diǎn)( 所指示的坐標(biāo)并具有與地磁sBg (μ J相同方向的磁化磁場(chǎng)sBnl (μ J加上地-sBg(U1)而獲得。因此，磁數(shù)據(jù)士存在于球面Se的外部。另一方面，磁數(shù)據(jù)％是矢量sBe(U2)所指示的坐標(biāo),其中矢量％(μ 2)通過將具有由作為起點(diǎn)的中心點(diǎn)( 所指示的坐標(biāo)并具有與地磁sBg(U2)相反方向的磁化磁場(chǎng)sBni(U2)加上地-sBg(U2)而獲得。因此，磁數(shù)據(jù)q2存在于球面Se的內(nèi)部。即，磁數(shù)據(jù)qi和q2分布在橢球面Ve上，其中橢球面Ve通過向矢量sBg ( μ ^擴(kuò)張球面Se和向矢量sBg(U2)收縮球面Se而獲得。因此，在將三維磁傳感器安裝于包括軟磁材料裝置中的情況下，由于作為軟磁材料被來自裝置外部的諸如地磁之類的磁場(chǎng)所磁化的結(jié)果而產(chǎn)生的磁化磁場(chǎng)的影響，通過三維磁傳感器測(cè)量的多個(gè)磁數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)沒有分布在球面的附近，而是分布在橢球面的附近。這種由于作為軟磁材料被磁化的結(jié)果而產(chǎn)生的磁場(chǎng)的影響而導(dǎo)致磁數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)分布在橢球面的附近的現(xiàn)象，被稱為軟鐵效應(yīng)。下文將參考圖6來描述在產(chǎn)生了軟鐵效應(yīng)的情況下，通過三維磁傳感器60輸出的多個(gè)磁數(shù)據(jù)Q1到qN所指示的坐標(biāo)。圖6是這樣的示圖，該示圖示出了 在三維磁傳感器60的姿態(tài)μ被改變?yōu)椤爸力苔?(N為自然數(shù)，等于或大于9，指示用于測(cè)量為了得到高精度偏移量所必需的磁數(shù)據(jù)的規(guī)定次數(shù))以測(cè)量磁場(chǎng)的情況下，將通過三維磁傳感器60輸出的N個(gè)磁數(shù)據(jù)qi到qN所指示的坐標(biāo)繪制在傳感器坐標(biāo)系Σ s中。在圖6中，假設(shè)由于軟鐵效應(yīng)，磁數(shù)據(jù)Q1到qN所指示的坐標(biāo)分布在以中心點(diǎn)( 為中心的橢球面Ve上。同時(shí)，在圖6中，沒有考慮三維磁傳感器60的測(cè)量誤差。然而，在考慮了這種測(cè)量誤差的情況下，磁數(shù)據(jù)Q1到qN所指示的坐標(biāo)沒有分布在橢球面Ve上，而有可能分布在橢球面Ve的附近。即，將橢球面Ve設(shè)置為使該橢球面和磁數(shù)據(jù)Q1到qN所指示的坐標(biāo)之間的誤差最小化。將橢球面Ve的各主軸按長(zhǎng)度順序設(shè)置為L(zhǎng)e1、Le2和LE3，并且將這三個(gè)主軸的長(zhǎng)度設(shè)置為rE1、rE2和rE3 (其中，rE1彡rE2彡rE3>0)。并且,將球面Sg的半徑設(shè)置為re。此時(shí),矢量sBe(U1)(其指示了起點(diǎn)在中心點(diǎn)( 的磁數(shù)據(jù)qi所表示的坐標(biāo))變成表示下列矢量之和的矢量與矢量SBE(y J的表示地磁的平行于主軸Lei的分量的1^/^倍相對(duì)應(yīng)的矢量，與矢量sBe(μ J的平行于主軸Le2的分量的rE2/re倍相對(duì)應(yīng)的矢量，以及與矢量SBE( μ D的平行于主軸Le3的分量的rE3/r(；倍相對(duì)應(yīng)的矢量。因此,指示了起點(diǎn)在中心點(diǎn)( 的磁數(shù)據(jù)91所表示的坐標(biāo)的矢量SBE( μ J的方向與表示地磁的矢量sBg (U1)的方向不同。并且，矢量sBe(U1)和矢量sBE(yj)之間的夾角(SP，當(dāng)從中心點(diǎn)( 觀察時(shí),兩個(gè)磁數(shù)據(jù)qi和qj所指示的坐標(biāo)之間的夾角)與表示地磁的矢量sBg(Ui)和矢量sBg(Uj)之間的夾角彼此不相同。因此，在產(chǎn)生軟鐵效應(yīng)的情況下，雖然從磁數(shù)據(jù)Qi的坐標(biāo)中減去中心點(diǎn)( 的坐標(biāo)，但是不能正確地找到地磁sBg(μ J的方向。在此實(shí)施例中，如圖7所示，計(jì)算了用于將橢球面Ve上的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為具有半徑I的球面Se的坐標(biāo)的橢球面校正矩陣TE，并且將磁數(shù)據(jù)Qi所指示的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為在通過橢球面校正矩陣Te轉(zhuǎn)換之后的磁數(shù)據(jù)Si所指示的球面Se上的坐標(biāo)。如果在矢量sBs(Ui)(其指示了轉(zhuǎn)換后起點(diǎn)在中心點(diǎn)( 的磁數(shù)據(jù)Si所表示的坐標(biāo))和矢量sBg(y J之間不存在失調(diào)角(P，則矢量sBs(Ui)指向與表示地磁的矢量咜8&)相同的方向。因此，通過從轉(zhuǎn)換之后的磁數(shù)據(jù)Si所指示的坐標(biāo)中減去中心點(diǎn)( 所指示的坐標(biāo),能夠找到表示地磁的矢量sBg(μ i)·的方向。將分布在橢球面附近的多個(gè)磁數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為分布在具有半徑1、中心點(diǎn)與該橢球面的中心點(diǎn)相同的球面附近的多個(gè)坐標(biāo)，以計(jì)算地磁Bg的方向的處理，被稱為橢球面校正。通過橢球面校正矩陣Te執(zhí)行的、從橢球面Ve上的磁數(shù)據(jù)Qi所指示的坐標(biāo)到球面Se上的轉(zhuǎn)換后的磁數(shù)據(jù)Si所指示的坐標(biāo)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，由下文的方程(I)表示。在此，橢球面校正矩陣Te是由下文的方程(2)所表示的3X3的對(duì)稱矩陣。并且，由方程(3)所表示的三維可變矢量q是用于指示磁數(shù)據(jù)qi的坐標(biāo)的可變矢量，由方程(4)所表示的三維可變矢量s是用于指示轉(zhuǎn)換后的磁數(shù)據(jù)Si的坐標(biāo)的可變矢量，由方程(5)所表示的三維可變矢量c是用于指示中心點(diǎn)Cm (即，偏移量Ctw)的坐標(biāo)的可變矢量。同時(shí)，在方程(I)中，矢量(q_c)指示通過平行于傳感器坐標(biāo)系Σ s的原點(diǎn)來移動(dòng)橢球面Ve的中心點(diǎn)( 而獲得的橢球面上的坐標(biāo),矢量(S-C)指示具有半徑1、中心點(diǎn)與傳感器坐標(biāo)系Σ S的原點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的球面上的坐標(biāo)。
S-C = TE(q-c) ......(I)
'%11 %12
%1Ζ %22 *E23 ……⑵
-%13 %23 ^￡33-q = [χ Y ζ]τ ……(3)
s = [sx sy sz] ......(4)
c = [cx cy cz] ......(5)
如前文所述，橢球面校正矩陣Te是用于在以橢球面Ve的中心點(diǎn)Cm作為原點(diǎn)的坐標(biāo)系中將橢球面Ve上的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為半徑為I的球面Se上的坐標(biāo)的矩陣。即，橢球面校正矩陣1被設(shè)置為使得互相垂直的三個(gè)特征矢量分別平行于橢球面Ve的三個(gè)主軸，并且使得與這三個(gè)特征矢量相對(duì)應(yīng)的三個(gè)特征值分別等于該橢球面Ve的三個(gè)主軸的長(zhǎng)度的倒數(shù)。在此，將橢球面校正矩陣Te的三個(gè)特征矢量設(shè)置為uT1、uT2和uT3，并且將與這些特征矢量相對(duì)應(yīng)的特征值設(shè)置為λτ1、λΤ2和λΤ3 (其中，λτ1彡λΤ2彡λΤ3>0)。此時(shí)，將特其中Te;征矢量uT1設(shè)置為平行于主軸Lei，將特征矢量uT2設(shè)置為平行于主軸Le2，并且將特征矢量uT3設(shè)置為平行于主軸LE3。并且，將特征值λ π設(shè)置為等于主軸Lei的長(zhǎng)度rE1的倒數(shù)，將特征值λ T2設(shè)置為等于主軸Le2的長(zhǎng)度rE2的倒數(shù)，并且將特征值λ Τ3設(shè)置為等于主軸Le3的長(zhǎng)度rE3的倒數(shù)。即，橢球面校正矩陣Te是這樣的矩陣用于通過特征值λτ1來擴(kuò)張和收縮任意矢量的特征矢量uT1方向分量、用于通過特征值λ Τ2來擴(kuò)張和收縮該矢量的特征矢量uT2方向分量、并且用于通過特征值λ Τ3來擴(kuò)張和收縮該矢量的特征矢量uT3方向分量。同時(shí)，橢球面校正矩陣Te的全部三個(gè)特征值λη、λΤ2和λΤ3都是正值，并且橢球面校正矩陣Te是正定矩陣。順便說一下,如圖7所示,在矢量sBs (μ ^ (其指示起點(diǎn)在中心點(diǎn)Cnn的轉(zhuǎn)換后的磁數(shù)據(jù)Si所表示的坐標(biāo))和表示地磁的矢量sBg(Ui)之間可能會(huì)形成失調(diào)角P在此情況下，根據(jù)轉(zhuǎn)換后的磁數(shù)據(jù)Si不可能計(jì)算出矢量sBg(y J的正確方向。
然而，失調(diào)角φ是取決于軟磁材料21和三維磁傳感器60之間的相互位置關(guān)系(SP，矢量sPm的方向和幅度)的值。因此，通過使用矢量sPm能夠指定失調(diào)角(P，并且根據(jù)所指定的失調(diào)角φ和多個(gè)轉(zhuǎn)換后的磁數(shù)據(jù)Si能夠計(jì)算地磁Bg的正確方向。并且，可以考慮軟磁材料21的布置來最小化失調(diào)角φ。在下文中，將描述用于找到橢球面Ve的形狀、計(jì)算橢球面校正矩陣Te以執(zhí)行橢球面校正以及計(jì)算地磁Bg的正確方向的方法。[2.裝置的構(gòu)造和軟件的構(gòu)造]圖8是示出了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的裝置I的構(gòu)造的框圖。裝置I包括中央處理器(CPU)IO，其通過總線連接至各種構(gòu)造元件以用于控制整個(gè)設(shè)備；用作CPU 10的工作區(qū)的隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM) 20 ;用于存儲(chǔ)各種程序和數(shù)據(jù)的只讀存儲(chǔ)器(ROM) 30 ;用于執(zhí)行通信的通信單元40 ;用于顯示圖像的顯示單元50 ;以及用于檢測(cè)磁性以輸出磁數(shù)據(jù)的三維磁傳感器60。三維磁傳感器60包括χ軸地磁傳感器61、y軸地磁傳感器62和z軸地磁傳感器63。這些傳感器中的每一個(gè)都能夠通過使用磁阻抗裝置(MI裝置)或磁阻效應(yīng)裝置(MR裝置)來構(gòu)造。地磁傳感器接口(I/F) 64將來自各個(gè)傳感器的模擬輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)從而輸出磁數(shù)據(jù)q。磁數(shù)據(jù)q是傳感器坐標(biāo)系Σ s中的矢量數(shù)據(jù)，該矢量數(shù)據(jù)根據(jù)傳感器坐標(biāo)系Σ s的三個(gè)分量(即，χ軸分量、y軸分量和z軸分量)指示來自χ軸地磁傳感器61、y軸地磁傳感器62和z軸地磁傳感器63的輸出。CPU 10、RAM 20、三維磁傳感器60和磁數(shù)據(jù)處理程序70用作地磁測(cè)量設(shè)備，該地磁測(cè)量設(shè)備用于基于由三維磁傳感器60檢測(cè)和輸出的磁數(shù)據(jù)q來計(jì)算指示地磁正確方向的地磁數(shù)據(jù)。顯示單元50通過使用箭頭將由CPU 10通過執(zhí)行磁數(shù)據(jù)處理程序70計(jì)算出的地磁方向顯示為方位角信息。同時(shí)，磁數(shù)據(jù)處理程序70可以與地圖應(yīng)用程序協(xié)作，并且顯示單元50可以在地圖上顯示箭頭，該箭頭是指示地磁方向的方位角信息。圖9是示出了由地磁測(cè)量設(shè)備的CPU 10通過執(zhí)行磁數(shù)據(jù)處理程序70來執(zhí)行的功能的功能框圖。地磁測(cè)量設(shè)備包括存儲(chǔ)單元100，其用于存儲(chǔ)多個(gè)磁數(shù)據(jù)qi到qN ;橢球面校正單元200，其用于計(jì)算最優(yōu)中心點(diǎn)cOT和最優(yōu)橢球面校正矩陣Ttff的坐標(biāo)；以及地磁計(jì)算單元600，其用于基于磁數(shù)據(jù)％、最優(yōu)中心點(diǎn)cOT和最優(yōu)橢球面校正矩陣Ttff來計(jì)算地磁Bg的方向。在此，最優(yōu)中心點(diǎn)cOT是最優(yōu)橢球面Vot的中心點(diǎn)，最優(yōu)橢球面Vrop是被設(shè)置為將該橢球面和磁數(shù)據(jù)Q1到qNK指示的坐標(biāo)之間的誤差最小化的橢球面。并且，最優(yōu)橢球面校正矩陣Ttff是3X3的對(duì)稱矩陣，該3X3的對(duì)稱矩陣用于將最優(yōu)橢球面Vot上的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為以最優(yōu)中心點(diǎn)Ceop為中心的球面Sot上的坐標(biāo)。存儲(chǔ)單元100將從三維磁傳感器60順序輸出的磁數(shù)據(jù)Q1到qN存儲(chǔ)在緩沖器BUl中(N為自然數(shù)，等于或大于9，指示用于為了得到高精度偏移量所必需測(cè)量磁數(shù)據(jù)的規(guī)定次數(shù))。緩沖器BUl由RAM20形成。橢球面校正單元200包括初始橢球面校正值產(chǎn)生單元300和最優(yōu)橢球面校正值產(chǎn)生單元400。初始橢球面校正值產(chǎn)生單元300基于存儲(chǔ) 在存儲(chǔ)單元100中的磁數(shù)據(jù)Q1到qN來計(jì)算初始橢球面校正矩陣To和初始中心點(diǎn)Cro的坐標(biāo)。在此,初始中心點(diǎn)Cro是初始橢球面Veo的中心點(diǎn)，初始橢球面Vro在其附近具有由存儲(chǔ)在存儲(chǔ)單元100中的磁數(shù)據(jù)qi到qN來指示的坐標(biāo)。并且，初始橢球面校正矩陣Ttj是3 X 3的對(duì)稱矩陣，其用于將初始橢球面Vro上的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為以初始中心點(diǎn)( 為中心的球面Sro上的坐標(biāo)。最優(yōu)橢球面校正值產(chǎn)生單元400計(jì)算最優(yōu)中心點(diǎn)Crop的坐標(biāo)，最優(yōu)中心點(diǎn)cOT是最優(yōu)橢球面Vaff的中心點(diǎn)，而最優(yōu)橢球面Vrop用于將磁數(shù)據(jù)qi到qN所指示的坐標(biāo)和該橢球面之間的誤差最小化，最優(yōu)橢球面校正矩陣Ttff指示了基于由初始橢球面校正值產(chǎn)生單元300輸出的初始橢球面校正矩陣Ttj和初始中心點(diǎn)Cro的坐標(biāo)來從最優(yōu)橢球面Vot上的坐標(biāo)到以最優(yōu)中心點(diǎn)Ceop為中心點(diǎn)的球面Smp上的坐標(biāo)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。在磁數(shù)據(jù)qi到qN所指示的坐標(biāo)和最優(yōu)橢球面Vaff之間的誤差被最小化為零的情況下，橢球面Ve與最優(yōu)橢球面Vmp重合,并且最優(yōu)中心點(diǎn)cE()P與中心點(diǎn)Cm (即,內(nèi)部磁場(chǎng)Bi所指示的坐標(biāo))重合。所計(jì)算的最優(yōu)中心點(diǎn)Crop和最優(yōu)橢球面校正矩陣Ttff存儲(chǔ)在存儲(chǔ)單元100中。地磁計(jì)算單元600通過使用橢球面校正矩陣Te和相對(duì)于由從三維磁傳感器60輸出的磁數(shù)據(jù)Qi所指示的坐標(biāo)的偏移量Ctw來執(zhí)行橢球面校正，以計(jì)算地磁sBg在傳感器坐標(biāo)系Σ S中的方向(嚴(yán)格地說，是矢量sBs (μ i)的方向)。具體地說,地磁計(jì)算單元600包括偏移量采用單元610和地磁矢量計(jì)算單元620。偏移量采用單元610采用最優(yōu)橢球面校正矩陣Ttff作為橢球面校正矩陣TE，并且采用指示最優(yōu)中心點(diǎn)cE()P的坐標(biāo)的矢量作為偏移量C(W。并且，地磁矢量計(jì)算單元620通過使用橢球面校正矩陣Te和相對(duì)于從三維磁傳感器60輸出的磁數(shù)據(jù)qi的偏移量Ctw來執(zhí)行橢球面校正，以計(jì)算地磁sBg的方向。在下文中，將詳細(xì)描述初始橢球面校正值產(chǎn)生單元300、最優(yōu)橢球面校正值產(chǎn)生單元400和地磁計(jì)算單元600。[3.初始橢球面的產(chǎn)生]圖10是示出了初始橢球面校正值產(chǎn)生單元300的功能構(gòu)造的功能框圖。在此實(shí)施例中，當(dāng)基于磁數(shù)據(jù)Q1到qN來計(jì)算初始橢球面Vro時(shí)，產(chǎn)生了第一橢球面Vxx、第二橢球面Vyy和第三橢球面Vzz，其每一個(gè)均在其附近具有由磁數(shù)據(jù)qi到qN所指示的坐標(biāo),并且基于這三個(gè)橢球面來產(chǎn)生初始橢球面VEQ。在下文中，將詳細(xì)描述在此實(shí)施例中產(chǎn)生初始橢球面Vro的方法。
初始橢球面校正值產(chǎn)生單元300包括初始橢球面產(chǎn)生單元310，其用于計(jì)算第一橢球面Vxx、第二橢球面Vyy和第三橢球面Vzz的系數(shù)矩陣Dxx、Dyy和Dzz以及第一橢球面Vxx、第二橢球面Vyy和第三橢球面Vzz的中心點(diǎn)cxx、cyy和Czz的坐標(biāo)；初始橢球面判定單元320，其用于確定基于第一橢球面Vxx、第二橢球面Vyy和第三橢球面Vzz的系數(shù)矩陣和中心點(diǎn)來計(jì)算初始橢球面校正矩陣I和初始中心點(diǎn)( 的坐標(biāo)是否合適；以及初始校正值產(chǎn)生單元330，其用于基于第一橢球面Vxx、第二橢球面Vyy和第三橢球面Vzz的系數(shù)矩陣和中心點(diǎn)的坐標(biāo)來計(jì)算初始橢球面校正矩陣To和初始中心點(diǎn)Cm的坐標(biāo)。初始橢球面產(chǎn)生單元310包括第一橢球面產(chǎn)生單元311，其用于基于存儲(chǔ)在存儲(chǔ)單元100中的磁數(shù)據(jù)qi到qN來計(jì)算表示第一橢球面Vxx的形狀的第一橢球面系數(shù)矩陣Dxx以及第一橢球面Vxx的中心點(diǎn)Cxx的坐標(biāo)；第二橢球面產(chǎn)生單元312，其用于基于磁數(shù)據(jù)qi到qN來計(jì)算表示第二橢球面Vyy的形狀的第二橢球面系數(shù)矩陣Dyy以及第二橢球面Vyy的中心點(diǎn)Cyy的坐標(biāo)；以及第三橢球面產(chǎn)生單元313，其用于基于磁數(shù)據(jù)qi到qN來計(jì)算表示第三橢球面Vzz的形狀的第三橢球面系數(shù)矩陣Dzz以及第三橢球面Vzz的中心點(diǎn)Czz的坐標(biāo)。
在下文中，將描述計(jì)算第一橢球面系數(shù)矩陣Dxx、第二橢球面系數(shù)矩陣Dyy和第三橢球面系數(shù)矩陣Dzz，以及中心點(diǎn)Cxx的坐標(biāo)、中心點(diǎn)Cyy的坐標(biāo)和中心點(diǎn)Czz的坐標(biāo)的方法。 在對(duì)從三維磁傳感器60輸出的磁數(shù)據(jù)q所指示的坐標(biāo)進(jìn)行表示的變量由方程(3 )來表示的情況下，表面上具有磁數(shù)據(jù)q的橢球面的方程(橢球面方程)由下文的方程(6)來表示。同時(shí)，方程(6)表示橢球面，因此，方程(6)中出現(xiàn)的全部系數(shù)θχχ、0yy和θζζ都是正值。 θ χχΧ2+ Θ xyXy + θ Χζχζ+ θ yyy2+ θ yzyz+ θ ζζζ2+ θ χχ+ θ yy+ θ ζζ+ θ r = O在磁數(shù)據(jù)qi到qN所指示的全部坐標(biāo)都位于方程(6)所表示的橢球面上的情況下，得到了下面的方程(8)。然而，矢量θ χχ是九維矢量，其中方程(7)的9個(gè)系數(shù)被排列為如方程(9)所示。并且，矩陣Rxx是NX 9矩陣，其中通過將由方程(11)所表示的磁數(shù)據(jù)qi到qN所指示的坐標(biāo)代入由方程(13)所表示的九維矢量Qxx而獲得的N個(gè)矢量在每一行被轉(zhuǎn)置和排列，如方程
(10)所表示。矩陣Wxx是九維矢量，該九維矢量把通過將負(fù)號(hào)附給X分量的平方值而獲得的值作為磁數(shù)據(jù)Q1到qN所指示的坐標(biāo)的每個(gè)分量，如方程(12)所表示。Rxx Θ xx = Wxx ……(8)
......(6)
將方程(6)所表示的橢球面方程修改為下面的方程(7)。
權(quán)利要求
1.一種地磁測(cè)量設(shè)備，其包括三維磁傳感器，其構(gòu)造為檢測(cè)三個(gè)方向上的磁分量，并且構(gòu)造為輸出代表由所檢測(cè)到的各磁分量組成的三維矢量的磁數(shù)據(jù)；存儲(chǔ)單元，其構(gòu)造為存儲(chǔ)從所述三維磁傳感器順序輸出的磁數(shù)據(jù)；橢球面產(chǎn)生單元，其構(gòu)造為計(jì)算代表從第一橢球面、第二橢球面和第三橢球面中選擇的至少兩個(gè)橢球面中每一個(gè)橢球面的橢球面中心點(diǎn)的坐標(biāo),這三個(gè)橢球面中的每一個(gè)都具有不同的形狀，并且這三個(gè)橢球面中的每一個(gè)都在其附近具有由存儲(chǔ)在所述存儲(chǔ)單元中的多個(gè)磁數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)；橢球面中心點(diǎn)判定單元，其構(gòu)造為判定表示所述至少兩個(gè)橢球面的橢球面中心點(diǎn)的坐標(biāo)之間的距離是否等于或小于第一閾值；以及校正值產(chǎn)生單元，其構(gòu)造為基于代表所述至少兩個(gè)橢球面中的至少一個(gè)橢球面的形狀的系數(shù)矩陣來計(jì)算橢球面校正矩陣，所述橢球面校正矩陣用于將橢球面上的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為球面上的坐標(biāo)，所述校正值產(chǎn)生單元還構(gòu)造為根據(jù)所述橢球面中心點(diǎn)判定單元的判定結(jié)果、基于代表所述至少一個(gè)橢球面的橢球面中心點(diǎn)的坐標(biāo)來計(jì)算所述中心點(diǎn)的坐標(biāo)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地磁測(cè)量設(shè)備，其中所述橢球面產(chǎn)生單元構(gòu)造為假設(shè)存儲(chǔ)在所述存儲(chǔ)單元中的磁數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)隨機(jī)分布在橢球面的附近，并且構(gòu)造為假設(shè)該橢球面由如下橢球面方程表達(dá)所述橢球面方程包括表示第一軸分量的平方的項(xiàng)、表示第二軸分量的平方的項(xiàng)和表示第三軸分量的平方的項(xiàng)，其中所述橢球面產(chǎn)生單元包括從下列各單元中選擇的至少兩個(gè)單元第一橢球面產(chǎn)生單元，其構(gòu)造為計(jì)算表示所述第一橢球面的橢球面中心點(diǎn)的坐標(biāo)，以將通過把所述磁數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)代入所述橢球面方程的排除表示第一軸分量的平方的項(xiàng)以外的其余各項(xiàng)中而獲得的值與所述磁數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)的第一軸分量的平方值之間的誤差最小化；第二橢球面產(chǎn)生單元，其構(gòu)造為計(jì)算表示所述第二橢球面的橢球面中心點(diǎn)的坐標(biāo)，以將通過把所述磁數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)代入所述橢球面方程的排除表示第二軸分量的平方的項(xiàng)以外的其余各項(xiàng)中而獲得的值與所述磁數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)的第二軸分量的平方值之間的誤差最小化；以及第三橢球面產(chǎn)生單元，其構(gòu)造為計(jì)算表示所述第三橢球面的橢球面中心點(diǎn)的坐標(biāo)，以將通過把所述磁數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)代入所述橢球面方程的排除表示第三軸分量的平方的項(xiàng)以外的其余各項(xiàng)中而獲得的值與所述磁數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)的第三軸分量的平方值之間的誤差最小化。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地磁測(cè)量設(shè)備，還包括最優(yōu)橢球面校正值產(chǎn)生單元，其構(gòu)造為設(shè)置指示起點(diǎn)的三維可變矢量和指示所述磁數(shù)據(jù)相對(duì)于所述起點(diǎn)的坐標(biāo)的第一三維可變矢量，并且構(gòu)造為設(shè)置可變矩陣和第二三維可變矢量，所述第二三維可變矢量是通過使用所述可變矩陣來轉(zhuǎn)換所述第一三維可變矢量以將所述第二三維可變矢量的坐標(biāo)定義為轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)而獲得的，其中所述最優(yōu)橢球面校正值產(chǎn)生單元還構(gòu)造為設(shè)置橢球面最優(yōu)化函數(shù)，所述橢球面最優(yōu)化函數(shù)表示多個(gè)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)與具有與所述三維可變矢量所指示的起點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的中心的球面之間的誤差，并且所述橢球面最優(yōu)化函數(shù)包括所述可變矩陣的分量和所述三維可變矢量的分量作為變量，并且其中所述最優(yōu)橢球面校正值產(chǎn)生單元構(gòu)造為將所述橢球面校正矩陣的分量和由所述校正值產(chǎn)生單元計(jì)算出的中心點(diǎn)的坐標(biāo)作為初始值應(yīng)用于所述橢球面最優(yōu)化函數(shù)的變量，并且還構(gòu)造為順序地更新所述橢球面最優(yōu)化函數(shù)的各變量，以計(jì)算用于將橢球面上的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為球面上的坐標(biāo)的最優(yōu)橢球面校正矩陣，并且還計(jì)算指示作為使所述橢球面最優(yōu)化函數(shù)最小化的解的最優(yōu)中心點(diǎn)的坐標(biāo)；以及地磁計(jì)算單元，其構(gòu)造為通過使用所述最優(yōu)橢球面校正矩陣，相對(duì)于所述最優(yōu)中心點(diǎn)所指示的坐標(biāo)，來轉(zhuǎn)換表示從所述三維磁傳感器輸出的磁數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)的三維矢量，以計(jì)算地磁的方向。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地磁測(cè)量設(shè)備，還包括地磁計(jì)算單元，其構(gòu)造為使用由所述校正值產(chǎn)生單元產(chǎn)生的橢球面校正矩陣，相對(duì)于也由所述校正值產(chǎn)生單元產(chǎn)生的中心點(diǎn)的坐標(biāo)，來轉(zhuǎn)換表示從所述三維磁傳感器輸出的磁數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)的三維矢量，以計(jì)算地磁的方向。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地磁測(cè)量設(shè)備，其中所述三維磁傳感器安裝在包括具有軟磁材料的部件的裝置中。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地磁測(cè)量設(shè)備，還包括橢球面系數(shù)矩陣判定單元，其構(gòu)造為判定所述系數(shù)矩陣是否為正定的，其中，所述校正值產(chǎn)生單元構(gòu)造為根據(jù)所述橢球面系數(shù)矩陣判定單元的判定結(jié)果和所述橢球面中心點(diǎn)判定單元的判定結(jié)果，來計(jì)算所述橢球面校正矩陣和計(jì)算所述中心點(diǎn)的坐標(biāo)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的地磁測(cè)量設(shè)備，其中所述校正值產(chǎn)生單元構(gòu)造為在所述橢球面系數(shù)矩陣判定單元判定所述系數(shù)矩陣為正定的情況下，以及在所述橢球面中心點(diǎn)判定單元判定表示所述至少兩個(gè)橢球面的橢球面中心點(diǎn)的坐標(biāo)之間的距離等于或小于所述第一閾值的情況下，計(jì)算所述橢球面校正矩陣和計(jì)算所述中心點(diǎn)的坐標(biāo)。
8.一種地磁測(cè)量設(shè)備，其包括三維磁傳感器，其構(gòu)造為檢測(cè)三個(gè)方向上的磁分量，并且構(gòu)造為輸出表示由檢測(cè)到的各磁分量組成的三維矢量的磁數(shù)據(jù)；存儲(chǔ)單元，其構(gòu)造為存儲(chǔ)從所述三維磁傳感器順序輸出的磁數(shù)據(jù)；以及最優(yōu)橢球面校正值產(chǎn)生單元，其構(gòu)造為假設(shè)地磁的幅度是未知的，所述最優(yōu)橢球面校正值產(chǎn)生單元構(gòu)造為設(shè)置指示起點(diǎn)的三維可變矢量和指示磁數(shù)據(jù)相對(duì)于所述起點(diǎn)的坐標(biāo)的第一三維可變矢量，所述最優(yōu)橢球面校正值產(chǎn)生單元構(gòu)造為設(shè)置可變矩陣和第二三維可變矢量，所述第二三維可變矢量是通過使用所述可變矩陣來轉(zhuǎn)換所述第一三維可變矢量以將所述第二三維可變矢量的坐標(biāo)定義為轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)而獲得的，所述最優(yōu)橢球面校正值產(chǎn)生單元還構(gòu)造為設(shè)置橢球面最優(yōu)化函數(shù)，所述橢球面最優(yōu)化函數(shù)表示多個(gè)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)與具有與所述三維可變矢量所指示的起點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的中心的球面之間的誤差，并且所述橢球面最優(yōu)化函數(shù)包括所述可變矩陣的分量和所述三維可變矢量的分量作為變量，所述最優(yōu)橢球面校正值產(chǎn)生單元構(gòu)造為順序地更新所述橢球面最優(yōu)化函數(shù)的各變量，以計(jì)算用于將橢球面上的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為球面上的坐標(biāo)的最優(yōu)橢球面校正矩陣，并且還計(jì)算指示作為使所述橢球面最優(yōu)化函數(shù)最小化的解的最優(yōu)中心點(diǎn)的坐標(biāo)，其中將所述可變矩陣設(shè)置為對(duì)稱矩陣。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的地磁測(cè)量設(shè)備，還包括偏移量采用單元，其構(gòu)造為采用所述最優(yōu)中心點(diǎn)所指示的坐標(biāo)作為所述三維磁傳感器的偏移量以及采用所述最優(yōu)橢球面校正矩陣作為橢球面校正矩陣，并且構(gòu)造為在所述最優(yōu)橢球面校正值產(chǎn)生單元計(jì)算所述最優(yōu)橢球面校正矩陣和所述最優(yōu)中心點(diǎn)的坐標(biāo)時(shí)輸出所述偏移量和所述橢球面校正矩陣；以及地磁矢量計(jì)算單元，其構(gòu)造為使用所述橢球面校正矩陣，相對(duì)于所述偏移量所指示的坐標(biāo)，來轉(zhuǎn)換表示從三維磁傳感器輸出的磁數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)的三維矢量，以計(jì)算地磁的方向。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的地磁測(cè)量設(shè)備，其中所述三維磁傳感器安裝在包括具有軟磁材料的部件的裝置中。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的地磁測(cè)量設(shè)備，其中所述最優(yōu)橢球面校正值產(chǎn)生單元構(gòu)造為在所述最優(yōu)橢球面校正值產(chǎn)生單元順序地更新所述橢球面最優(yōu)化函數(shù)的各變量之前，將初始橢球面校正矩陣的分量和初始中心點(diǎn)的坐標(biāo)應(yīng)用于所述橢球面最優(yōu)化函數(shù)的變量。
12.—種地磁測(cè)量方法，其包括將從三維磁傳感器順序輸出的磁數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)單元中，所述三維磁傳感器檢測(cè)三個(gè)方向上的磁分量，并且所述三維磁傳感器輸出表示由所檢測(cè)到的各磁分量組成的三維矢量的磁數(shù)據(jù)；計(jì)算表示從第一橢球面、第二橢球面和第三橢球面中選擇的至少兩個(gè)橢球面中每一個(gè)橢球面的橢球面中心點(diǎn)的坐標(biāo)，這三個(gè)橢球面中的每一個(gè)都具有不同的形狀，并且這三個(gè)橢球面中的每一個(gè)在其附近具有由順序地存儲(chǔ)在所述存儲(chǔ)單元中的多個(gè)磁數(shù)據(jù)指示的坐標(biāo)；判定表示所述至少兩個(gè)橢球面的橢球面中心點(diǎn)的坐標(biāo)之間的距離是否等于或小于第一閾值，以提供判定結(jié)果；根據(jù)所述判定結(jié)果，基于表示所述至少兩個(gè)橢球面中的至少一個(gè)橢球面的形狀的系數(shù)矩陣，來計(jì)算用于將橢球面上的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為球面上的坐標(biāo)的橢球面校正矩陣；以及根據(jù)所述判定結(jié)果，基于表示所述至少一個(gè)橢球面的橢球面中心點(diǎn)的坐標(biāo)來計(jì)算中心點(diǎn)的坐標(biāo)。
13.一種地磁測(cè)量方法，其包括將從三維磁傳感器順序輸出的磁數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)單元中，所述三維磁傳感器檢測(cè)三個(gè)方向上的磁分量，并且所述三維磁傳感器輸出表示由所檢測(cè)到的各磁分量組成的三維矢量的磁數(shù)據(jù)；假設(shè)地磁的幅度是未知的；設(shè)置指示起點(diǎn)的三維可變矢量和指示磁數(shù)據(jù)相對(duì)于所述起點(diǎn)的坐標(biāo)的第一三維可變矢量;設(shè)置可變矩陣和第二三維可變矢量，所述第二三維可變矢量是通過使用所述可變矩陣來轉(zhuǎn)換所述第一三維可變矢量以將所述第二三維可變矢量的坐標(biāo)定義為轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)而獲得的；設(shè)置橢球面最優(yōu)化函數(shù)，所述橢球面最優(yōu)化函數(shù)表示多個(gè)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)所指示的坐標(biāo)與具有與所述三維可變矢量所指示的起點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的中心的球面之間的誤差，并且所述橢球面最優(yōu)化函數(shù)包括所述可變矩陣的分量和所述三維可變矢量的分量作為變量；以及順序地更新所述橢球面最優(yōu)化函數(shù)的各變量，以計(jì)算用于將橢球面上的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為球面上的坐標(biāo)的最優(yōu)橢球面校正矩陣，并且還計(jì)算指示作為將所述橢球面最優(yōu)化函數(shù)最小化的解的最優(yōu)中心點(diǎn)的坐標(biāo)，其中所述可變矩陣是對(duì)稱矩陣。
14.一種地磁測(cè)量方法，其包括將從三維磁傳感器順序輸出的多個(gè)磁數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)單元中；假設(shè)一個(gè)球面，其具有在附近包括由所述多個(gè)磁數(shù)據(jù)表示的坐標(biāo)的表面，并且計(jì)算表示所述球面的中心點(diǎn)的坐標(biāo)；假設(shè)一個(gè)第一三維圖形，其具有在附近包括由所述多個(gè)磁數(shù)據(jù)表示的坐標(biāo)的表面，并且確定所述第一三維圖形的形狀是否接近球面；當(dāng)確定所述第一三維圖形的形狀接近球面時(shí)，采用計(jì)算出的中心點(diǎn)的坐標(biāo)作為所述三維磁傳感器的偏移量；當(dāng)確定所述第一三維圖形的形狀不接近球面時(shí)，計(jì)算能夠?qū)E球面上的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為球面上的坐標(biāo)的最優(yōu)橢球面校正矩陣，并且計(jì)算最優(yōu)中心點(diǎn)的坐標(biāo)；通過所述最優(yōu)橢球面校正矩陣和所述最優(yōu)中心點(diǎn)的坐標(biāo)來轉(zhuǎn)換所述多個(gè)磁數(shù)據(jù)所表示的坐標(biāo)，從而提供轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)；假設(shè)一個(gè)第二三維圖形，其具有在附近包括轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)的表面，并且確定所述第二三維圖形的形狀是否接近球面；以及當(dāng)確定所述第二三維圖形的形狀接近球面時(shí)，采用所述最優(yōu)中心點(diǎn)的坐標(biāo)作為所述三維磁傳感器的偏移量。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的地磁測(cè)量方法，還包括計(jì)算指示初始橢球面的初始中心點(diǎn)的坐標(biāo)，使得所述多個(gè)磁數(shù)據(jù)的坐標(biāo)分布在所述初始橢球面的表面附近，并且在確定所述第一三維圖形的形狀不接近球面時(shí)，還計(jì)算能夠?qū)⑺龀跏紮E球面上的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為球面上的坐標(biāo)的初始橢球面校正矩陣，其中，基于所述初始橢球面校正矩陣和所述初始中心點(diǎn)來計(jì)算所述最優(yōu)橢球面校正矩陣和所述最優(yōu)中心點(diǎn)的坐標(biāo)。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的地磁測(cè)量方法，還包括評(píng)估所述第一三維圖形的形狀與球面的差異程度，以確定所述第一三維圖形的形狀是否接近球面；并且評(píng)估所述第二三維圖形的形狀與球面的差異程度，以確定所述第二三維圖形的形狀是否接近球面。
全文摘要
本發(fā)明公開了地磁測(cè)量設(shè)備和地磁測(cè)量方法。在地磁測(cè)量設(shè)備中，磁傳感器檢測(cè)磁數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)從所述磁傳感器順序輸出的磁數(shù)據(jù)。橢球面產(chǎn)生單元計(jì)算第一橢球面、第二橢球面和第三橢球面中的每一個(gè)橢球面中心點(diǎn)，這三個(gè)橢球面中的每一個(gè)在其附近具有由存儲(chǔ)在所述存儲(chǔ)單元中的多個(gè)磁數(shù)據(jù)指示的坐標(biāo)。橢球面中心點(diǎn)判定單元判定各個(gè)橢球面中心點(diǎn)之間的距離是否等于或小于閾值。校正值產(chǎn)生單元根據(jù)判定結(jié)果并且基于表示所述第一橢球面、第二橢球面和第三橢球面中一個(gè)橢球面的形狀的系數(shù)矩陣來計(jì)算用于將橢球面上的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為球面上的坐標(biāo)的橢球面校正矩陣。
文檔編號(hào)G01V3/40GK102998712SQ20121033145
公開日2013年3月27日 申請(qǐng)日期2012年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月7日
發(fā)明者半田伊吹 申請(qǐng)人:雅馬哈株式會(huì)社