[0001] Selon un premier aspect, l'invention se rapporte aux observatoires magnétiques (du champ magnétique terrestre local) et plus particulièrement aux observatoires magnétiques autonomes.

[0002] Selon un second aspect, l'invention se rapporte à une méthode d'obtention automatique et auto-calibrée du vecteur champ magnétique (terrestre) local.

Etat de la technique

[0003] Il existe un certain nombre d'observatoires magnétiques (du champ magnétique terrestre local) dits autonomes. Dans la pratique, ces observatoires sont plutôt partiellement autonomes. Par exemple, l'article « On the calibration of a vectorial 4He pumped magnetometer » de O. Gravrand, A. Khokhlov, J.L. Le Mouel, et J.M. Léger paru dans Earth Planets Space, 53, 949-958, 2001 divulgue un magnétomètre vectoriel à pompage optique dans de la vapeur d'hélium et une méthode de calibration pour ce magnétomètre. Ce magnétomètre permet de fournir une mesure absolue de l'intensité du champ magnétique local ainsi que les variations de trois composantes orthogonales du champ magnétique local mesurées simultanément et au même endroit. Cet observatoire fournit également un contrôle d'attitude vertical. La méthode de traitement des données du magnétomètre permet d'obtenir, à partir des trois variations des composantes et de la valeur absolue du module du vecteur champ magnétique local, une calibration de facteurs d'échelle permettant d'obtenir les variations des trois composantes du vecteur champ magnétique local en unités S.l.

[0004] Néanmoins, cet observatoire ne fournit pas de mesure automatique de la direction du champ magnétique local. Il ne fournit pas non plus la verticale du lieu, ni la direction du Nord géographique. Les dérives dues aux variations de température ne sont pas corrigées. Enfin, la méthode ne permet pas de réaliser une correction des défauts d'orthogonalité apparaissant au cours du temps. [0005] Un second observatoire magnétique partiellement autonome est divulgué dans « GAUSS: Geomagnetic Automated System » de H.U. AUSTER, M. MANDEA, A. HEMSHORN, M. KORTE et E. PULZ dans PUBLS. INST. GEOPHYS. POL. ACAD. SC., C-99 (398), 2007. Cette publication divulgue un appareil de mesure automatique de l'orientation du vecteur champ magnétique local. Cet observatoire autonome assure également un autocontrôle d'attitude horizontal et vertical en détectant la verticale locale.

[0006] Néanmoins, cet observatoire ne fournit pas automatiquement la valeur du module du vecteur champ magnétique local, ni les variations du vecteur champ magnétique local selon trois directions, ni la direction du Nord géographique. Aucune méthode d'auto-calibration pour corriger les effets de température, pour mesurer le facteur d'échelle et pour réaliser la calibration orthogonale n'est proposée.

[0007] En conclusion, bien que ces observatoires magnétiques soient souvent appelés observatoires autonomes, ils sont en réalité partiellement autonomes et nécessitent une intervention extérieure pour obtenir le vecteur champ magnétique local.

Résumé de l'invention

[0008] Selon un premier aspect, un des buts de la présente invention est de fournir un dispositif pour la mesure autonome et auto-calibrée du vecteur champ magnétique local, le champ magnétique local devant être compris dans le sens champ magnétique local de la Terre.

[0009] Dans ce but, l'observatoire magnétique pour la mesure du vecteur champ magnétique local comprend : un magnétomètre scalaire pour la mesure absolue du module du vecteur champ magnétique local, un variomètre magnétique enregistrant des variations de trois composantes mathématiquement indépendantes du vecteur champ magnétique local, une horloge, un magnétomètre angulaire et un contrôleur. Le magnétomètre angulaire comprend un premier support orientable selon un premier axe de rotation dit axe principal permettant d'obtenir une orientation horizontale du premier support orientable, le dit premier support orientable comprenant : une motorisation principale pour modifier l'orientation horizontale du premier support orientable autour de l'axe principal, un capteur d'inclinaison, un second support orientable selon un deuxième axe de rotation dit axe secondaire, orthogonal à l'axe principal, permettant d'obtenir une orientation verticale du second support orientable le dit second support orientable comprenant : une motorisation secondaire pour modifier l'orientation verticale du second support orientable autour de l'axe secondaire, un capteur magnétique pour mesurer la direction du vecteur champ magnétique local, un dispositif de recherche de Nord. Le magnétomètre angulaire comprend en outre, un moyen de commande des motorisation principale et secondaire et un dispositif de mesure et d'acquisition angulaire des orientations horizontale et verticale des premier et second supports orientables.

Le second support orientable peut comprendre le capteur d'inclinaison. Le capteur d'inclinaison peut être monté sur le premier support orientable ou sur le second support orientable.

[0010] L'observatoire magnétique est rendu autonome et capable d'auto- calibrer les mesures du champ magnétique local grâce au contrôleur qui est configuré pour commander automatiquement la motorisation principale et la motorisation secondaire, gérer l'orientation : du capteur d'inclinaison pour la mesure de la direction de la verticale, du dispositif de recherche de Nord pour la mesure de la direction du Nord géographique et du capteur magnétique pour mesurer la direction du vecteur champ magnétique local. Il est également configuré pour acquérir : les angles de la direction du vecteur champ magnétique local par rapport au Nord géographique et à la Verticale en fonction des orientations horizontale et verticale des premier et second supports orientables mesurées avec le dispositif de mesure et d'acquisition angulaire, les trois variations du vecteur champ magnétique local mesurées par le variomètre et les valeurs du module du vecteur champ magnétique local mesurées par le magnétomètre scalaire. Enfin, il est configuré pour traiter les données acquises précédemment pour obtenir automatiquement le vecteur champ magnétique local et les erreurs des mesures associées à chaque instrument.

Les observatoires magnétiques traditionnels sont souvent installés dans des bâtiments comprenant des pièces dont la température est contrôlée pour éviter de trop grandes déviations des instruments. De plus, certaines mesures sont réalisées manuellement par un opérateur hautement qualifié. Ces observatoires ne peuvent donc être installés n'importe où. Un observatoire autonome a l'avantage de pouvoir être installé là où on le souhaite et surtout, ne nécessite pas la présence d'un opérateur qualifié. Le coût d'un tel observatoire est donc nettement plus faible et il peut être utilisé plus facilement. Les mesures peuvent aussi être réalisées avec une fréquence plus élevée et de manière plus fiable. Par rapport aux précédents observatoires « autonomes », l'avantage réside dans la présence d'un ensemble d'instruments qui, combinés entre eux, permettent l'auto-calibrage et donc d'obtenir une précision nettement meilleure que leur simple juxtaposition.

[0011] De préférence, les premier et second supports orientables, les motorisation principale et secondaire, le dispositif de recherche de Nord, le capteur d'inclinaison, le moyen de commande des motorisation principale et secondaire et le dispositif de mesure et d'acquisition angulaire sont constitués de composants non magnétiques, définis tels que la susceptibilité magnétique des matériaux est comprise entre -1 et 1 , de préférence entre -10 ^"1 et 10 ^"1 , de manière encore plus préférée entre -10 ^"3 et 10 ^"3 .

[0012] Par exemple, les composants non magnétiques sont des matériaux choisis parmi : céramique, aluminium, arcap, titane, cuivre, ertalon, nylon, ertacetal, peek.

Le choix de ces matériaux est crucial pour garantir une bonne mesure du champ magnétique local, non perturbée par les instruments eux-mêmes.

[0013] De préférence, le magnétomètre scalaire est de type : à proton, à effet Overhauser, atomique, à pompage optique.

[0014] De préférence, le capteur magnétique est un capteur de type : fluxgate, fluxset, circuit électrique en rotation ou un magnétomètre scalaire polarisé par un dispositif magnétique.

[0015] De préférence, le dispositif de recherche de Nord est de type : GNSS, GPS, visée d'une mire, visée d'un astre, gyroscope, détecteur de rotation absolue, polarisation de la lumière solaire.

[0016] De préférence, l'observatoire comprend une pluralité de piliers non magnétiques, de préférence en béton, dont les dimensions [épaisseur, largeur, longueur] moyennes sont comprises entre [1 , 10, 10] cm et [6, 10, 10] m, de préférence, les dimensions [largeur, longueur, profondeur] moyennes sont comprises entre [10, 20, 20] cm et [1 , 2, 2] m, de manière encore plus préférée entre [15, 25, 25] cm et [0.25, 0.5, 0.5] m, lesdits piliers étant séparés par une distance moyenne comprise entre 0 et 10 m, de préférence comprise entre 1 et 6 m, de manière encore plus préférée entre 2 et 4 m. Les piliers non magnétiques supportent au moins un des éléments suivants : le magnétomètre scalaire, le magnétomètre angulaire, le variomètre, l'horloge (201 ), le contrôleur.

Bien que l'observatoire soit auto-calibré et puisse être installé n'importe où sur la croûte terrestre, il est préférable de l'installer sur une structure stable qui n'est pas soumise aux vibrations afin d'obtenir des mesures de meilleure qualité.

De préférence, l'observatoire comprend au moins un abri non magnétique entourant la pluralité de piliers et comprenant une paroi isolée dont l'épaisseur moyenne est comprise entre 1 et 60 cm, de préférence entre 2 et 30 cm, de manière encore plus préférée entre 5 et 10 cm. Au moins un abri magnétique protège au moins un des éléments suivants : le magnétomètre scalaire (MS), le magnétomètre angulaire (MA), le variomètre (MV), l'horloge (201 ), le contrôleur (202).

De même que la structure stable est importante, limiter les variations de température améliore la qualité des mesures et diminue la dérive des instruments.

[0017] Selon un second aspect, l'invention se rapporte à une méthode d'obtention automatique du vecteur champ magnétique local. Cette méthode comprend l'étape de mise à disposition d'un observatoire magnétique tel que décrit ci-dessus. Ensuite, le contrôleur réalise les étapes d'acquérir des valeurs, de commander les motorisations, de calculer des valeurs, de calibrer des mesures et enfin de calculer la valeur du vecteur champ magnétique local.

D'abord, le contrôleur acquiert des mesures du module dudit vecteur champ magnétique local mesurées avec le magnétomètre scalaire à des instants différents ti, et il acquiert des mesures des trois composantes mathématiquement indépendantes du vecteur champ magnétique local dU, dV, dW, mesurées avec le variomètre aux instants différents ti. Ensuite, le contrôleur commande la motorisation principale pour modifier l'orientation horizontale du premier support orientable et, en fonction des indications du capteur d'inclinaison, mesure la direction verticale, V, il commande également la motorisation secondaire pour modifier l'orientation verticale du second support orientable et, en fonction des indications du dispositif de recherche de Nord, mesure la direction du Nord géographique N, et il commande les motorisation principale et secondaire pour modifier les orientations horizontale et verticale du magnétomètre angulaire et, en fonction des indications du capteur magnétique obtenues aux instants différents ti, mesure deux angles, D ^* et , correspondant à la direction du vecteur champ magnétique local. Troisièmement, le contrôleur calcule les valeurs absolues des deux angles à partir des directions obtenues précédemment tel que : D = D ^* -N et I = Γ-V, il calcule également des lignes de base du variomètre à un instant t, moyenne des instants différents ti, en utilisant le module absolu du vecteur magnétique local et les angles, tous trois obtenus comme décrit ci-dessus. Quatrièmement, le contrôleur calibre les facteurs d'échelle de chaque composante mathématiquement indépendante du variomètre et il calibre l'orthogonalité et l'orientation dans l'espace des trois composantes mathématiquement indépendantes du variomètre et calcule des matrices de rotations Eulériennes. Enfin, le contrôleur calcule la valeur du vecteur champ magnétique local en obtenant des mesures orientées en appliquant des rotations Eulériennes aux trois mesures du variomètre : dU, dV, et dW, en obtenant des mesures à l'échelle en multipliant les trois mesures orientées du variomètre par les facteurs d'échelles respectifs et en obtenant 3 composantes du vecteur champ magnétique local en additionnant les lignes de base aux trois mesures orientées et à l'échelle.

La méthode décrite ci-dessus permet d'obtenir une mesure du champ magnétique local automatiquement et de manière auto-calibrée.

L'automatisation permet de ne plus devoir recourir à un opérateur qualifié, ce qui réduit fortement les coûts et améliore la précision des mesures. L'auto- calibration permet d'améliorer la qualité des mesures. Cette auto-calibration participe également à la réduction des coûts car elle autorise l'installation de l'observatoire autonome dans une structure peu coûteuse en comparaison des observatoires traditionnels. La combinaison de l'automatisation et de l'auto- calibration apporte donc une plus-value importante aux instruments pris séparément. [0018] De préférence, la mesure des deux angles, D ^* et , caractérisant la direction du champ dans le plan horizontal et vertical respectivement est obtenue par le contrôleur en modifiant l'orientation horizontale du premier support orientable (rotation du support dans le plan horizontal) jusqu'à ce que le capteur magnétique indique un zéro, acquérir le premier angle D ^* et en modifiant l'orientation verticale du second support orientable (rotation du support dans le plan vertical) jusqu'à ce que le capteur magnétique indique un zéro, acquérir le second angle I ^* .

[0019] De manière encore plus préférée, la mesure des deux angles, D ^* et , est obtenue par le contrôleur en modifiant l'orientation horizontale du premier support orientable pour que le capteur magnétique indique une valeur de mesure nulle et acquérir l'orientation D1 du premier support orientable correspondant à cette mesure, puis en modifiant l'orientation horizontale du premier support orientable de 180° et en ajustant l'orientation horizontale pour que le capteur magnétique indique une valeur de mesure nulle et acquérir l'orientation D2 du premier support orientable correspondant à cette mesure, puis en modifiant l'orientation verticale du second support orientable de 180° et en ajustant l'orientation horizontale du premier support orientable pour que le capteur magnétique indique une valeur de mesure nulle et acquérir l'orientation D3 du premier support orientable correspondant à cette mesure, en modifiant l'orientation horizontale du premier support orientable de 180° et en ajustant l'orientation horizontale pour que le capteur magnétique indique une valeur de mesure nulle et acquérir l'orientation D4 du premier support orientable correspondant à cette mesure et, enfin en calculant le premier angle correspondant à la direction horizontale du champ magnétique local selon la moyenne des quatre mesures : D ^* =(D1 +D2+D3+D4)/4.

De manière similaire, la mesure de I ^* est obtenue en modifiant l'orientation horizontale du premier support orientable dans la direction D ^* -90, puis en effectuant les mêmes trois premières étapes que pour D ^* dans lesquelles les orientations horizontale et verticale sont inversées et dans lesquelles les rôles des premier et second supports orientables sont inversés, et ainsi acquérir les orientations 11 , 12, 13. 14 en modifiant l'orientation horizontale du premier support orientable dans la direction D ^* -90° et en ajustant l'orientation verticale du second support orientable pour que le capteur magnétique indique une valeur de mesure nulle, l'orientation 14 du second support orientable correspondant à cette mesure. Enfin, le second angle correspondant à la direction du champ magnétique local dans le plan vertical est calculé selon la moyenne des quatre mesures : I ^* = (11 +12+13+14) / 4.

[0020] De préférence, le dispositif de recherche de Nord est un chercheur de type détecteur de rotation absolue et le contrôleur commande la motorisation secondaire pour modifier l'orientation verticale du second support orientable et, en fonction des indications du dispositif de recherche de Nord, mesure la direction du Nord géographique N en modifiant l'orientation horizontale du premier support orientable jusqu'à ce que le détecteur de rotation absolue indique une valeur de mesure nulle et acquérir l'orientation N du premier support orientable correspondant à cette mesure.

[0021] De manière encore plus préférée, la mesure de la direction du Nord géographique N est obtenue de manière similaire à D ^* , le capteur magnétique étant remplacé par le détecteur de rotation absolue et les orientation D1 , D2, D3, D4 et D ^* étant remplacées par N1 , N2, N3, N4 et N dans la méthode décrite ci-dessus.

Ces méthodes de mesure ont l'avantage d'annuler toutes les erreurs d'alignement interne de l'instrument et améliorent donc la qualité des mesures.

[0022] De préférence, le contrôleur calcule les lignes de base du variomètre sur base des trois mesures du variomètre : dU, dV, et dW, du module absolu du vecteur champ magnétique local F, des deux angles caractérisant la direction du vecteur champ magnétique local (F) : l'inclinaison I et la déclinaison D, et, optionnellement de fonctions gU, gV, gW, permettant de réaliser un changement de coordonnées D, F, I à des coordonnées U, V, W. Le contrôleur calcule les lignes de base U0, V0, W0, selon :

Uo = gu(F,D,l) - dU

V ₀ = gv(F,D,l) - dV

W ₀ = gw(F,D,l) - dW.

[0023] De préférence, le contrôleur calibre les facteurs d'échelle de chaque composante du variomètre en mesurant les amplitudes des variations des lignes de base par rapport aux amplitudes des signaux de chacune des trois composantes du vecteur champ magnétique local (F) pendant un laps de temps préétabli, puis en multipliant trois mesures du variomètre (MV) : dU, dV, et dW par des facteurs correctifs, les facteurs d'échelle, fu, fv, fw, puis en soustrayant les valeurs corrigées et calcule des lignes de base selon :

Uo = gu(F,D,l) - fu ^* dU

V ₀ = gv(F,D,l) - fv ^* dV

Wo = gw(F,D,l) - f _w ^* dW

Ensuite, le contrôleur augmente ou diminue les facteurs d'échelle respectifs pour réduire les variations des lignes de base respectives et il corrige les mesures du variomètre par multiplication par les facteurs d'échelles respectifs. Ces étapes peuvent être répétées de manière itérative jusqu'à ce que l'augmentation ou diminution des facteurs d'échelle soit inférieure à une valeur prédéterminée.

[0024] De préférence, le contrôleur calibre l'orthogonal ité et l'orientation dans l'espace des trois composantes mathématiquement indépendantes du variomètre et calcule des matrices de rotations Eulériennes E en examinant la variation de la ligne de base d'une composante en fonction de l'amplitude du signal des autres composantes pendant un laps de temps prédéterminé, en calculant des matrices de rotations Eulériennes E et en ajustant les orientations jusqu'à ce que la variation de la ligne de base soit inférieure à une valeur prédéterminée.

[0025] De préférence, le magnétomètre scalaire et le variomètre réalisent des mesures avec une fréquence comprise entre 0,01 Hz et 100 Hz, de préférence entre 0.05 Hz et 10 Hz, de manière encore plus préférée, entre 0.1 Hz et 1 Hz.

[0026] De préférence, les mesures des orientations du vecteur champ magnétique local sont réalisées avec une fréquence comprise entre 10 ^"7 Hz et 10 ^"2 Hz, de préférence entre 10 ^"6 Hz et 10 ^"3 Hz, de manière encore plus préférée, entre 10 ^"5 Hz et 10 ^"4 Hz.

[0027] De préférence, l'observatoire autonome implémente une méthode telle que décrite ci-dessus. Brève description des dessins

[0028] Ces aspects ainsi que d'autres aspects de l'invention seront clarifiés dans la description détaillée de modes de réalisation particuliers de l'invention, référence étant faite aux dessins des figures, dans lesquelles :

- la Figure 1 montre un vecteur champ magnétique local et sa décomposition en différentes composantes mathématiquement indépendantes. ;

- la Figure 2 montre un exemple d'observatoire magnétique autonome selon l'invention ;

- la Figure 3 montre un exemple de réalisation d'un magnétomètre angulaire selon l'invention ;

- la Figure 4 montre un exemple de dispositif de recherche de Nord basé sur un principe de visée mire ;

- la Figure 5 montre un exemple de dispositif de recherche de Nord basé sur un principe de détecteur de rotation absolue ;

- la Figure 6 montre un exemple d'orientation de l'axe sensible d'un capteur magnétique par rapport au champ magnétique local ;

- la Figure 7 montre un second exemple d'observatoire magnétique autonome selon l'invention ;

- la Figure 8 montre un diagramme d'un exemple de méthode d'obtention du vecteur champ magnétique local selon l'invention ;

- la Figure 9a montre un défaut de nivellement suivant un axe est-ouest correspondant à une rotation autour d'un axe X ;

- la Figure 9b montre un exemple de mesure de ligne de base d'une composante Z du champ présentant un défaut de nivellement dans la direction est ouest.

- La Figure 10 montre un exemple d'algorithme permettant la détermination des défauts de facteur d'échelle et d'orientation du variomètre.

Les dessins des figures ne sont pas à l'échelle. Généralement, des éléments semblables sont dénotés par des références semblables dans les figures. La présence de numéros de référence aux dessins ne peut être considérée comme limitative, y compris lorsque ces numéros sont indiqués dans les revendications. Description détaillée de certains modes de réalisation de l'invention

[0029] La Figure 1 montre un exemple de vecteur champ magnétique terrestre local, ci-après vecteur champ magnétique local F et sa décomposition en différentes composantes mathématiquement indépendantes. Le champ magnétique local F étant un champ vectoriel, la connaissance de son intensité n'est pas suffisante pour le caractériser complètement. Il faut, en effet, lui définir une orientation par rapport à des directions de référence. Ces directions de référence sont de préférence la verticale locale (ou, de manière équivalente, un plan horizontal) et la direction du Nord géographique N. La déclinaison magnétique « D » est alors définie comme étant l'angle entre le Nord géographique N et la projection du vecteur magnétique dans un plan horizontal. L'inclinaison magnétique « I » est définie comme étant l'angle entre le plan horizontal et le vecteur magnétique dans un plan vertical contenant ce vecteur.

[0030] En coordonnées cartésiennes, XYZ, X pointe vers le Nord géographique N, Y vers l'est géographique E, et Z vertical, vers le bas. En coordonnées cylindriques, HDZ, on a H, la composante horizontale, D la déclinaison magnétique et Z la composante verticale (notée positive vers le bas). En coordonnées sphériques, FDI, on a F, le module du vecteur champ magnétique local (intensité du vecteur), D, la déclinaison magnétique et I l'inclinaison magnétique. Quel que soit le système de coordonnées choisi, trois composantes mathématiquement indépendantes doivent être déterminées pour caractériser complètement le vecteur champ magnétique local F. Notons enfin que nous avons les relations suivantes entre les différentes valeurs : H = F cos /, Z = F sin /, X = H cos D, Y = H sin D.

[0031] La Figure 2 montre un exemple d'observatoire magnétique autonome 200 selon l'invention. De préférence, cet observatoire 200 comprend : un magnétomètre scalaire MS, un magnétomètre angulaire MA, un variomètre MV, une horloge 201 , et un contrôleur, 202.

[0032] De préférence, le magnétomètre scalaire MS, sert à mesurer l'intensité du champ magnétique, ou autrement dit à mesurer le module du vecteur champ magnétique local F. Le magnétomètre scalaire peut être qualifié d'instrument absolu dans le sens où il mesure une quantité non relative à une autre. Le terme scalaire désigne une propriété qui reste inchangée lors d'un changement de système de références. Le magnétomètre scalaire MS est, par exemple, un magnétomètre de type : à proton, à effet Overhauser, atomique, à pompage optique. De préférence, les mesures du module du vecteur champ magnétique local F sont réalisées avec une fréquence comprise entre 0.01 Hz et 100 Hz, de préférence entre 0.05 Hz et 10 Hz, de manière encore plus préférée, entre 0.1 Hz et 1 Hz. De préférence, la précision des mesures est telle que l'erreur de mesure est inférieure à 1 nT, de manière encore plus préférée inférieure à 0.5 nT, idéalement inférieure à 0.2 nT.

[0033] Le champ magnétique local F variant dans le temps, une horloge 201 permettant de définir une référence de temps est utilisée pour la synchronisation des mesures des différents instruments. Cette horloge est, par exemple, un serveur internet de temps, une horloge atomique ou un signal GNSS. La synchronisation des mesures doit être d'autant meilleure que la variation temporelle du champ est élevée.

[0034] La Figure 3 montre un exemple de réalisation d'un magnétomètre angulaire MA selon l'invention. Le magnétomètre angulaire permet de déterminer la direction du vecteur champ magnétique local F.

[0035] Dans l'exemple de la Figure 3, le magnétomètre angulaire MA comprend :

• un premier support orientable 320 selon un premier axe de rotation, dit axe principal 321 ;

• un second support orientable 310 selon un second axe de rotation dit axe secondaire 311 , essentiellement orthogonal à l'axe principal ;

· un capteur d'inclinaison 313 ;

• un dispositif de recherche de Nord 324 ;

• un capteur magnétique 323 pour mesurer la direction du vecteur champ magnétique local F.

De préférence, le premier support comprend : une motorisation principale 322 pour modifier l'orientation du premier support orientable 320 autour de l'axe principal, le capteur d'inclinaison 313, le second support orientable 310. Les deux axes de rotation 321 et 311 , permettent un déplacement dans deux plans (horizontal et vertical) essentiellement orthogonaux. Ces déplacements permettent d'obtenir une orientation horizontale du premier support orientable et une orientation verticale du second support orientable. De préférence, le second support orientable 310 comprend une motorisation secondaire 312 pour modifier l'orientation du second support orientable autour de l'axe secondaire 311 , un capteur magnétique 323 pour mesurer la direction du vecteur champ magnétique local F et un dispositif de recherche de Nord 324. De préférence, le magnétomètre angulaire MA comprend également un moyen de commande 340 des motorisations principale 322 et secondaire 312 et un dispositif de mesure et d'acquisition angulaire 350 des orientations horizontale et verticale des premier et second supports orientables 320, 310. De préférence, le magnétomètre angulaire possède deux degrés de libertés en rotation, et est apte à orienter le capteur magnétique 323 dans une direction arbitraire. En particulier, il est capable d'orienter le capteur magnétique en fonction du champ magnétique.

[0036] De préférence, les motorisations principale 322 et secondaire 312 ont une empreinte magnétique négligeable de sorte qu'ils ne perturbent pas la mesure du champ magnétique. Par exemple, ces motorisations sont des moteurs piézoélectriques.

[0037] Le dispositif de mesure angulaire et d'acquisition angulaire 350 permet de mesurer un angle de rotation des premier et second supports orientables 320 et 310 respectivement autour de chacun des axes principal 321 et secondaire 311 . Ce dispositif est, par exemple, un encodeur optique. Ce dispositif peut être utilisé comme signal de retour pour un déplacement angulaire asservi.

[0038] De préférence, la position de l'axe primaire 321 peut être ajustée à l'aide de vis « calantes ». D'autres solutions sont possibles comme un joint de cardan, une rotule ou un système suspendu de type pendule.

[0039] Le capteur d'inclinaison 313 mesure l'orientation de l'axe primaire 321 par rapport à la verticale. Le capteur d'inclinaison permet d'obtenir une première direction de référence. Ce capteur est, par exemple, un niveau électrolytique ou un accéléromètre mesurant la pesanteur. De préférence, le capteur d'inclinaison est solidaire du référentiel tournant avec l'axe secondaire 311 de sorte qu'il est solidaire du dispositif de recherche de Nord 324 et du capteur magnétique 323. Le capteur d'inclinaison peut aussi être placé dans un référentiel solidaire de l'axe principal 321.

[0040] Dans une version améliorée du dispositif, le magnétomètre angulaire MA comprend, en outre, un capteur d'inclinaison auxiliaire 314 pouvant être installé sur la partie fixe de l'instrument. De préférence, le capteur d'inclinaison auxiliaire comporte deux degrés de liberté.

[0041] Le magnétomètre angulaire MA comprend un dispositif de recherche de Nord 324. Ce dispositif de recherche de Nord permet de déterminer la direction du Nord géographique N et ainsi de déterminer une seconde direction de référence. De préférence le dispositif de recherche de Nord bénéficie de deux degrés de liberté, c'est-à-dire qu'il peut effectuer des rotations selon les axes principal 321 et secondaire 311.

[0042] Le dispositif de recherche de Nord 324 est, par exemple, un système de visée mire tel que montré à la Figure 4. Un tel dispositif pointe une direction, Target, dont l'angle, Az, par rapport au Nord géographique N, est préalablement connu. On en déduit ainsi la direction du Nord géographique N. Un tel dispositif peut être un laser pointant un rétro-réflecteur. Le faisceau de retour est alors capté par un dispositif tel qu'une photocellule ou une PSD (Position Sensitive Detector). D'autres solutions sont également possibles comme une caméra CCD. Des balises GPS ou GNSS peuvent aussi servir de mire. La Figure 4, illustre également la direction du nord magnétique Nmag, et l'angle de déclinaison D.

[0043] Alternativement, le dispositif de recherche de Nord 324 peut être un dispositif de visée du soleil (sunshot) : il est possible de dériver la direction du Nord géographique N en pointant le soleil à un instant donné (et ce même si le soleil est caché par les nuages, par exemple grâce à des filtres polarisants). Des méthodes connues nécessitent la connaissance du temps sidéral, de la déclinaison et de l'ascension droite du soleil. Ces données sont disponibles dans les tables astronomiques ou dérivées de modèles. D'autres dispositifs peuvent également être utilisés comme un dispositif de visée astronomique : le principe précédent peut être appliqué à n'importe quel autre astre visible. Une caméra d'étoile : dans un repère fixe par rapport à l'observatoire, les étoiles n'apparaissent pas fixes dans le ciel. Une image d'elles à un instant donné permet alors de déduire la direction du Nord géographique N. Avantageusement, le dispositif de recherche de Nord 324 est un détecteur de rotation absolue tel que montré à la Figure 5. Ce type de capteur est capable de détecter la rotation de la Terre Ω _β . Ce détecteur mesure la projection de la composante horizontale 510 du vecteur rotation terrestre le long de son axe sensible 520. La Figure 5 montre un exemple de projection pour une latitude Θ, et un angle d'orientation de l'axe sensible ψ mesuré par rapport au Nord géographique N (non représenté). Ces deux directions se trouvent dans un même plan horizontal. En déplaçant cet axe sensible dans un plan horizontal, sa sortie décrit une sinusoïde dont les maximums se trouvent en direction nord- sud et les zéros en direction est-ouest.

[0044] Ces capteurs ou gyroscopes peuvent être notamment de type mécanique, à fibre optique (FOG), laser (RLG), à résonnance hémisphérique (HRG), MEMS ou atomique.

[0045] Le capteur magnétique 323 est un capteur de champ magnétique directionnel dont l'axe sensible peut être orienté par l'axe principal 321 de rotation et l'axe secondaire 311 de rotation du magnétomètre angulaire MA. Ce capteur magnétique peut être, par exemple, de type fluxgate, fluxset, circuit électrique en rotation ou un magnétomètre scalaire polarisé par un dispositif magnétique. La sortie T de ce capteur magnétique 323 est proportionnelle au produit scalaire du champ magnétique local F par un vecteur unitaire parallèle n à son axe sensible (voir Figure 6) : T = k(n ^■ ), où k est un facteur de proportionnalité ou facteur d'échelle du capteur magnétique.

[0046] Le capteur magnétique 323 peut être capable de mesurer l'intensité du champ magnétique (mesure scalaire). Le magnétomètre scalaire MS peut donc être compris dans le magnétomètre angulaire MA. Un tel capteur peut être une sonde mono ou triaxiale fluxgate plein champ, une sonde triaxiale fluxset, ou un magnétomètre scalaire. La mesure scalaire peut aussi être réalisée par un capteur magnétique auxiliaire inclus dans l'instrument. De préférence, les mesures de l'orientation du vecteur champ magnétique local sont réalisées avec une fréquence comprise entre 10 ^"7 Hz et 10 ^"2 Hz, de préférence entre 10 ^"6 Hz et 10 ^"3 Hz, de manière encore plus préférée, entre 10 ^{" 5} Hz et 10 ^"4 Hz. De préférence, la précision des mesures angulaires dans le plan horizontal est telle que l'erreur de mesure est inférieure à 20 secondes d'arc, de manière encore plus préférée inférieure à 10 secondes d'arc, idéalement inférieure à 6 secondes d'arc. De préférence, la précision des mesures angulaires dans le plan vertical est telle que l'erreur de mesure est inférieure à 10 secondes d'arc, de de manière encore plus préférée inférieure à 5 secondes d'arc, idéalement inférieure à 1 secondes d'arc.

[0047] Le variomètre MV, aussi appelé magnétomètre vectoriel, mesure les variations de trois composantes mathématiquement indépendantes du champ magnétique local F à intervalle régulier. De préférence, ces mesures de trois composantes mathématiquement indépendantes du champ magnétique local F sont réalisées avec une fréquence comprise entre 0.01 Hz et 100 Hz, de préférence entre 0.05 Hz et 10 Hz, de manière encore plus préférée, entre 0.1 Hz et 1 Hz. De préférence, la précision des mesures est telle que l'erreur de mesure est inférieure à 2 nT, et de manière encore plus préférée inférieure à 1 nT, idéalement inférieure à 0.5 nT. Ces mesures sont plus précises que les mesures absolues réalisées par les magnétomètres scalaire et angulaire mais elles doivent être calibrées par rapport à une référence. Le variomètre MV et le magnétomètre scalaire MS peuvent être réunis dans un même instrument.

[0048] L'observatoire autonome comprend également un contrôleur 202. Ce contrôleur est configuré pour :

a) commander automatiquement la motorisation principale 322 et secondaire 312 ;

b) gérer l'orientation du :

1 ) capteur d'inclinaison 313 pour la mesure de la direction de la verticale V ;

2) dispositif de recherche de Nord 324 pour la mesure de la direction du Nord géographique N ;

3) capteur magnétique 323 pour la mesure de la direction du vecteur champ magnétique local F ;

c) acquérir :

1 ) les angles de la direction du vecteur champ magnétique local F par rapport au Nord géographique N et à la verticale V en fonction des orientations horizontale et verticale des premier et second supports orientables ; 2) les trois variations du vecteur champ magnétique local F mesurées par le variomètre MV ;

3) les valeurs du module du vecteur champ magnétique local F mesurées par le magnétomètre scalaire MS ;

d) traiter les données acquises à l'étape c) pour obtenir automatiquement le vecteur champ magnétique local F et les erreurs des mesures associées à chaque instrument.

[0049] De préférence, les premier et second supports orientables 320 et 310 les motorisations principale 322 et secondaire 312, le dispositif de recherche de Nord 324, les moyens de commande des motorisations 340, et le dispositif de mesure et d'acquisition angulaire 350 sont constitués de composants non magnétiques, c'est-à-dire que la susceptibilité magnétique des matériaux qui les constituent est comprise entre -1 et 1 , de préférence entre - 10 ^"1 et 10 ^"1 , de manière encore plus préférée entre -10 ^"3 et 10 ^"3 . Par exemple, les matériaux sont des matériaux choisis parmi : céramique, aluminium, arcap, titane, cuivre, ertalon, nylon, ertacetal, peek.

[0050] La Figure 7 montre un second exemple d'observatoire magnétique autonome 700 selon l'invention. Dans cet exemple, l'observatoire magnétique autonome comprend un magnétomètre angulaire MA, un magnétomètre scalaire MS, un variomètre MV, une horloge 201 , un contrôleur 202 tel que décrit précédemment. L'observatoire 700 comprend en outre une source d'énergie 701 , et le contrôleur 202 est en outre capable d'acquérir et de transférer des données depuis les instruments (MA, MS, MV) vers un réseau extérieur via un système de communication 702. De préférence, les magnétomètres sont éloignés des différentes électroniques afin de ne pas être perturbés par celles-ci. Le magnétomètre angulaire MA et le variomètre MV peuvent être insérés dans des enceintes à forte inertie thermique et isolantes. Une structure « sandwich » peut aussi être envisagée. Le magnétomètre angulaire MA et le variomètre MV peuvent aussi être installés sur un support stable tel qu'un pilier ancré sur une base solide 730. La base peut être de la roche ou une dalle composée de matériaux amagnétiques. Dans l'exemple de la Figure 7, deux abris 710 non magnétiques entourent une pluralité de piliers 711 et comprenant une paroi isolée 720 dont l'épaisseur moyenne est comprise entre 1 et 60 cm, de préférence, entre 2 et 30 cm, de manière encore plus préférée entre 5 et 10 cm. De préférence, la pluralité de piliers non magnétiques, de préférence en béton, dont les dimensions [épaisseur, largeur, longueur] moyennes sont comprises entre [1 , 10, 10] cm et [6, 10, 10] m, de préférence, les dimensions [épaisseur, largeur, longueur] moyennes sont comprises entre [10, 20, 20] cm et [1 , 2, 2] m, de manière encore plus préférée entre [15, 25, 25] cm et [0.25, 0.5, 0.5] m, lesdits piliers étant séparés par une distance moyenne comprise entre 0 et 10 m, de préférence comprise entre 1 et 6 m, de manière encore plus préférée entre 2 et 4 m. Dans cet exemple, l'un des abris 710 comprend le magnétomètre vectoriel MV et l'autre le magnétomètre angulaire MA. De préférence, l'observatoire comprend un seul abri 710.

[0051] De préférence, les piliers non magnétique 711 supportent au moins un des éléments suivants : le magnétomètre scalaire MS, le magnétomètre angulaire MA, le variomètre MV, l'horloge 201 , le contrôleur 202. De préférence, l'abri non magnétique protège au moins un des éléments suivants : le magnétomètre scalaire MS, le magnétomètre angulaire MA, le variomètre MV, l'horloge 201 , le contrôleur 202.

[0052] L'observatoire magnétique autonome selon l'invention peut être installé sur terre ou sous l'eau, par exemple au fond de la mer. Lorsqu'il est immergé, les instruments (MA, MS, MV), l'horloge 201 et le contrôleur 202 sont protégés par un ou plusieurs boîtiers de protection étanches. Les instruments (MA, MS, MV), l'horloge 201 et le contrôleur 202 sont installés dans un boîtier unique, ou, de préférence, dans des boîtiers séparés. Le ou les boîtiers empêchent l'eau extérieure d'abîmer ou détruire leur contenu. Par exemple, un observatoire magnétique sous-marin peut être alimenté en électricité via des batteries, un câble sous-marin, une bouée de surface reliée à l'observatoire par un câble conducteur, une génératrice électrique à courant marin.

[0053] Selon un second aspect, l'invention se rapporte à une méthode d'obtention du vecteur champ magnétique local F.

[0054] La Figure 8 montre un diagramme d'un exemple de méthode 800 d'obtention du vecteur champ magnétique local F selon l'invention. Cette méthode comprend les étapes :

a) S810 : mise à disposition d'un observatoire magnétique tel que décrit ci- dessus ; b) S820 : le contrôleur 202 acquiert des mesures du module du vecteur champ magnétique local, F, mesurées avec le magnétomètre scalaire MS à des instants différents ti ;

c) S830 : le contrôleur acquiert des mesures des trois composantes mathématiquement indépendantes du vecteur champ magnétique local

F, dU, dV, dW, mesurées avec le variomètre MV aux instants différents ti ;

d) S840 : le contrôleur commande la motorisation principale 322 pour modifier l'orientation horizontale du premier support orientable 320 et, en fonction des indications du capteur d'inclinaison, mesure la verticale, V ; e) S841 : le contrôleur commande la motorisation secondaire 312 pour modifier l'orientation verticale du second support orientable 310 et, en fonction des indications du dispositif de recherche de Nord 324, mesure la direction du Nord géographique N ;

f) S842 : le contrôleur commande les motorisation principale et secondaire pour modifier les orientations horizontale et verticale du magnétomètre angulaire MA et, en fonction des indications du capteur magnétique 323 obtenues aux instants différents ti, mesure deux angles, D* et P, correspondant à la direction du vecteur champ magnétique local F ;

g) S843 : le contrôleur calcule les valeurs absolues des deux angles à partir des directions obtenues aux étapes d) à f), tel que : D = D*-N et I = l*-V ; h) S850 : le contrôleur calcule des lignes de base du variomètre MV à un instant t, moyenne des instants différents ti, en utilisant le module absolu du vecteur magnétique local F, obtenu comme à l'étape b) et les angles obtenus comme à l'étape g) ;

i) S860 : le contrôleur calibre les facteurs d'échelle de chaque composante mathématiquement indépendante du variomètre MV ;

j) S861 : le contrôleur calibre l'orthogonalité et l'orientation dans l'espace des trois composantes mathématiquement indépendantes du variomètre MV et calcule des matrices de rotations Eulérienne E ;

k) S870 : le contrôleur calcule la valeur du vecteur champ magnétique local

F en effectuant les étapes de : 1 ) S871 : obtention des mesures orientées en appliquant des rotations Eulérienne E, obtenues à l'étape j), aux trois mesures du variomètre MV : dU, dV, et dW ;

2) S872 : obtention des mesures à l'échelle en multipliant les trois mesures orientées du variomètre MV par les facteurs d'échelles respectifs obtenus à l'étape i) ;

3) S873 : obtention des 3 composantes du vecteur champ magnétique local F en additionnant les lignes de base aux trois mesures orientées et à l'échelle.

[0055] Le vecteur champ magnétique local F varie dans le temps, c'est pourquoi il faut réaliser des mesures à différents instants ti.

[0056] Le magnétomètre scalaire MS est un instrument capable de fournir la valeur du module du champ magnétique local F avec une précision telle que l'erreur de mesure généralement inférieure à 1 nT, de préférence inférieure à 0.5 nT, idéalement inférieure à 0.2 nT. Le contrôleur 202 de l'observatoire autonome est configuré pour acquérir les valeurs fournies par le magnétomètre scalaire MS.

[0057] De préférence, le contrôleur 202 commande les motorisations principale 322 et secondaire 312 pour mesurer la direction verticale V à l'aide du capteur d'inclinaison. Le contrôleur est également configuré pour commander les motorisations principale 322 et secondaire 312 pour mesurer la direction du Nord géographique N à l'aide du dispositif de recherche de Nord 324.

[0058] De préférence, le dispositif de recherche de Nord 324 est un détecteur de rotation absolue et la recherche du Nord géographique N consiste en la modification de l'orientation horizontale du premier support orientable 320 jusqu'à ce que le détecteur de rotation absolue indique une valeur de mesure nulle. Le contrôleur 202 acquiert alors l'orientation du premier support indiquant le Nord géographique N.

[0059] Alternativement, le dispositif de recherche du Nord est un détecteur de rotation absolue et la recherche du Nord géographique N comprend les étapes :

a) modifier l'orientation horizontale du premier support orientable 320 pour que le détecteur de rotation absolue indique une valeur de mesure nulle et acquérir l'orientation N1 du premier support orientable correspondant à cette mesure ;

b) modifier l'orientation horizontale du premier support orientable 320 de 180° et ajuster l'orientation horizontale pour que le détecteur de rotation absolue indique une valeur de mesure nulle et acquérir l'orientation N2 du premier support orientable correspondant à cette mesure ;

c) modifier l'orientation verticale du second support orientable 310 de 180° et ajuster l'orientation horizontale du premier support orientable 320 pour que le détecteur de rotation absolue indique une valeur de mesure nulle et acquérir l'orientation N3 du premier support orientable 320 correspondant à cette mesure ;

d) modifier l'orientation horizontale du premier support orientable 320 de 180° et ajuster l'orientation horizontale pour que le détecteur de rotation absolue indique une valeur de mesure nulle et acquérir l'orientation N4 du premier support orientable correspondant à cette mesure ;

e) calculer la direction du Nord géographique N selon la moyenne des quatre mesures : N=(N1 +N2+N3+N4)/4.

La mesure du Nord géographique N et de la verticale V permet de définir un repère de référence dans lequel sera exprimé le vecteur champ magnétique local F.

[0060] Une fois la direction du Nord géographique N et de la verticale V connue, nous avons un référentiel local dans lequel exprimer deux orientations du vecteur champ magnétique local F qui sont déterminées par le contrôleur 202 à l'aide du magnétomètre angulaire MA et de son capteur magnétique 323. De préférence, le capteur magnétique 323 du magnétomètre angulaire MA est un capteur directionnel de sorte que seule une composante du champ magnétique local parallèle à l'axe sensible du capteur est mesurée. La sortie du capteur est alors donnée par le produit scalaire suivant : T = k(n ^■ F), avec T, la sortie du capteur habituellement exprimée en nanoTesIa (nT), k, un facteur d'échelle du capteur, ïï, un vecteur unitaire parallèle à l'axe sensible du capteur et F, le vecteur champ magnétique local . Par exemple, une orientation du capteur magnétique 323 normale au champ magnétique conduit à un produit scalaire nul. On parle alors de méthode de zéro. Le contrôleur 202 est donc configuré pour mesurer les deux angles, D ^* et , en modifiant l'orientation horizontale du premier support orientable 320 jusqu'à ce que le capteur magnétique indique une valeur minimum qui est idéalement un zéro, ce qui donne une première orientation D ^* . Le contrôleur modifie ensuite l'orientation verticale du second support orientable 310 jusqu'à ce que le capteur magnétique indique une valeur minimum qui est idéalement un zéro, ce qui donne une seconde orientation I ^* .

[0061] De préférence, on mesure plusieurs zéros dans le but de réduire les erreurs de mesures ainsi que certaines erreurs dues aux instruments. De manière générale, la composante du champ magnétique mesurée par le capteur magnétique 323 peut être exprimée en fonction des deux degrés de liberté ainsi que de différents défauts d'alignement en utilisant le modèle connu de l'homme de métier de Lauridsen (Lauridsen, K.E., 1985. Expériences with the Dl-fluxgate magnetometer inclusive theory of the instrument and comparison with other methods. Danish Meteorological Institute Geophysical Papers, R-71 ) :

T = H cos(a— D) (cos(/?) - e sin(/?)) - γΗ sin(a - D) + Z(e cos(/?) + sin(/?))

+ T ₀

avec : T : la sortie du capteur magnétique 323, T0 : un éventuel offset, H : la composante horizontale (dans le plan perpendiculaire à l'axe principal 321 ) du vecteur champ magnétique local F, Z : la composante verticale (parallèle à l'axe principal) du vecteur champ magnétique local F, D : la déclinaison magnétique, a : angle du magnétomètre angulaire MA dans le plan horizontal par rapport au Nord géographique, β : angle dans le plan vertical par rapport à verticale, e : défaut d'alignement du capteur magnétique 323 par rapport à son axe sensible dans un plan vertical, γ : défaut d'alignement du capteur magnétique par rapport à son axe sensible dans le plan horizontal lorsque l'axe sensible est horizontal. Les directions angulaires du champ magnétique sont alors déterminées en cherchant des orientations de capteur magnétique essentiellement perpendiculaires au champ magnétique. Des méthodes

(Lauridsen, Kerridge : Kerridge, D.J. (1988). Theory of the fluxgate-theodolite. British Geological Survey Technical Report, Geomagnetism Séries, WW/88/14) connues permettent de compenser les défauts d'alignement et d'offset du capteur. Par exemple, le contrôleur 202 commande les motorisation principale et secondaire pour modifier les orientations horizontale et verticale du magnétomètre angulaire MA et recherche des zéros correspondant à 4 orientations (+/-180 ⁰ selon l'horizontal et +/- 180° selon la vertical). Par exemple, pour la recherche de la déclinaison D, le contrôleur réalise les étapes :

a) modifier l'orientation horizontale du premier support orientable 320 pour que le capteur magnétique 323 indique une valeur de mesure nulle et acquérir l'orientation D1 du premier support orientable correspondant à cette mesure ;

b) modifier l'orientation horizontale du premier support orientable 320 de 180° et ajuster l'orientation horizontale pour que le capteur magnétique 323 indique une valeur de mesure nulle et acquérir l'orientation D2 du premier support orientable correspondant à cette mesure ;

c) modifier l'orientation verticale du second support orientable 310 de 180° et ajuster l'orientation horizontale du premier support orientable 320 pour que le capteur magnétique 323 indique une valeur de mesure nulle et acquérir l'orientation D3 du premier support orientable correspondant à cette mesure ; d) modifier l'orientation horizontale du premier support orientable 320 de 180° et ajuster l'orientation horizontale pour que le capteur magnétique 323 indique une valeur de mesure nulle et acquérir l'orientation D4 du premier support orientable correspondant à cette mesure ;

e) calculer le premier angle correspondant à la direction horizontale du champ magnétique local selon la moyenne des quatre mesures : D ^* =(D1 +D2+D3+D4)/4.

De manière similaire, le contrôleur 202 obtient l'inclinaison I en réalisant les étapes :

f) modifier l'orientation horizontale du premier support orientable 320 dans la direction D ^* -90° ;

g) réaliser les étapes a) à c) dans lesquelles les orientations horizontale et verticale sont inversée et dans lesquelles les rôles des premier et second supports orientables 320, 310 sont inversés, et ainsi acquérir les orientations 11 , 12, 13. h) modifier l'orientation horizontale du premier support orientable 320 dans la direction D ^* -90°et ajuster l'orientation verticale du second support orientable 310 pour que le capteur magnétique 323 indique une valeur de mesure nulle et acquérir l'orientation 14 du second support orientable correspondant à cette mesure ;

i) calculer le second angle correspondant à la seconde direction du champ magnétique local selon la moyenne des quatre mesures : =(Ι1 +Ι2+Ι3+Ι4)/4.

[0062] Alternativement, une seconde méthode consiste à chercher une direction dans laquelle le capteur magnétique 323 indique une valeur de mesure proche de zéro mais qui présente un résidu dT. Les composantes du champ magnétique local dont on cherche les orientations peuvent être converties selon les relations suivantes :

1 18H0U fdCLTT\\

ÔD = asin —

π H )

Avec H représentant l'intensité de la composante horizontale du vecteur champ magnétique local F et F le module du vecteur champ magnétique local. Chaque mesure est alors corrigée de son résidu.

[0063] Les orientations D et I sont ensuite calculées par le contrôleur 202 dans le référentiel du Nord géographique N et de la verticale tel que : D = D ^* -N et I = l ^* -V.

[0064] Le contrôleur 202 acquiert des valeurs des trois composantes du vecteur champ magnétique local F : dU, dV, dW, mesurées avec le variomètre MV aux instants différents ti. Dans un observatoire magnétique, la mesure du champ magnétique est de préférence aussi réalisée au moyen d'un magnétomètre vectoriel, aussi appelé variomètre MV, qui mesure les variations des trois composantes du champ magnétique à intervalle régulier (p. ex. 10 Hz, 1 Hz, 0.05 Hz). Il s'agit de mesures relatives par rapport à une référence. Ces mesures doivent donc être calibrées à l'aide de mesures absolues fournies par un magnétomètre angulaire MA et un magnétomètre scalaire MS.

Les valeurs des trois composantes du vecteur champ magnétique local F : dU, dV, dW, mesurées avec le variomètre MV sont des variations des composantes autour d'une valeur de référence. Cette valeur de référence, généralement appelée « ligne de base » LDB, est déterminée en soustrayant la variation temporelle de la composante à sa valeur « absolue » ou complète. La variation temporelle est la valeur relative de la composante mesurée par le variomètre MV. Pour une composante C, la relation est : C ₀ = C(t) - 5C(t), avec : C ₀ : la LDB d'une composante C supposée indépendante du temps, C(t) : la valeur « absolue » de C à l'instant t (déterminée par les mesures absolues du magnétomètre angulaire MA et du magnétomètre scalaire MS) et 5C(t) : la variation de C à l'instant t mesurée par le variomètre MV. Le calcul des lignes de base du variomètre MV à un instant t, moyenne des instants différents ti, est donc obtenu en utilisant le module absolu du vecteur magnétique local F et les angles D et I.

La valeur de LDB ne dépend que de la mise en œuvre de MV et non du champ magnétique lui-même. Cependant, cette valeur peut varier dans le temps sous l'effet, par exemple, de la température. Des mesures absolues régulières permettent alors son ajustement. Le calcul des LDB peut aussi faire intervenir un changement de coordonnées, par exemple des coordonnées D, F, I à des coordonnées quelconques U, V, W. Le contrôleur 202 calcule alors les lignes de base du variomètre MV sur base des trois mesures du variomètre MV : dU, dV, et dW, du module absolu du vecteur champ magnétique local F, des deux angles caractérisant la direction du vecteur champ magnétique local F : l'inclinaison I et la déclinaison D, et, de fonctions gu, gv, gw, permettant de réaliser un changement de coordonnées D, F, I à des coordonnées U, V, W. Le contrôleur calcule les lignes de base Uo, Vo, Wo, selon :

Uo = gu(F,D,l) - dU

V ₀ = gv(F,D,l) - dV

W ₀ = gw(F,D,l) - dW.

[0065] Le variomètre MV peut également présenter un défaut de facteurs d'échelle (un par composante) qui doivent être calibrés par le contrôleur 202. En effet, la mesure du champ s'effectue généralement au travers d'une chaîne d'acquisition transformant le signal magnétique de base en un signal exploitable par le contrôleur, par exemple, d'un courant, d'une tension ou de bits digitaux. Un facteur d'échelle est généralement appliqué pour interpréter le signal en sortie de la chaîne d'acquisition. La détermination de la ligne de base à suffisamment haute résolution permet de mettre en évidence cet effet et de le corriger. Par exemple, le contrôleur calibre les facteurs d'échelle de chaque composante du variomètre MV en effectuant les étapes de :

a) mesure des amplitudes des variations des lignes de base par rapport aux amplitudes des signaux de chacune des trois composantes du vecteur champ magnétique local F pendant un laps de temps préétabli ;

b) multiplication des trois mesures du variomètre MV : dU, dV, et dW par des facteurs correctifs, les facteurs d'échelle, fu, fv, fw ;

c) soustraction des valeurs corrigées et calcul des lignes de base selon :

Uo = gu(F,D,l) - fu ^* dU

V ₀ = gv(F,D,l) - fv ^* dV

W ₀ = gw(F,D,l) - fw ^* dW.

d) augmentation ou diminution des facteurs d'échelle respectifs pour réduire les variations des lignes de base respectives ;

e) correction des mesures du variomètre MV par multiplication par les facteurs d'échelles respectifs ;

les étapes a) à d) pouvant être répétées jusqu'à ce que l'augmentation ou diminution des facteurs d'échelle soit inférieure à une valeur prédéterminée. Par exemple, dans le cas de la déclinaison D, on a :

Do (t) = D (t) - ÔD ^* (t)

5D ^* (t) = (1 + a)SD(t)

D ^* (t) = D it) - SD (t) - a * SD (t)

D ^* (t) = D ₀ - a * SD(t)

avec : D _Q C : la LDB calculée avec un mauvais facteur d'échelle et a : l'erreur de facteur d'échelle. Les équations précédentes sont transposables aux autres composantes du champ magnétique.

Enfin, le variomètre MV peut présenter un défaut d'orthogonal ité, d'orientation ou être mal orienté de manière à mesurer des composantes « non conventionnelles ». Ces défauts doivent être corrigés et calibrés par le contrôleur 202. Dans ce cas, il est possible de déceler une corrélation entre une composante mesurée par le variomètre MV et la LDB d'une autre composante au moyen de mesures absolues régulières. De nouveau, la correction tend à minimiser cette corrélation. La correction consiste à appliquer une matrice de changement de base pour retrouver les composantes de base du champ magnétique. La matrice de changement de base est appelée matrice Eulérienne, E. Le contrôleur calibre ainsi l'orthogonalité et l'orientation dans l'espace des trois composantes mathématiquement indépendantes du variomètre MV et calcule des matrices de rotations Eulériennes E en effectuant les étapes de :

a) examen de la variation de la ligne de base d'une composante en fonction de l'amplitude du signal des autres composantes pendant un laps de temps prédéterminé ;

b) calcul des matrices de rotation Eulériennes E et ajustement des orientations jusqu'à ce que la variation de la ligne de base soit inférieure à une valeur prédéterminée.

[0066] Les défauts précédemment cités peuvent être présents lors de la mise en œuvre de l'observatoire, varier ou apparaître dans le temps. Le variomètre MV peut, par exemple, être installé sur un pilier non stable. La correction apportée doit alors se faire au fur et à mesure de l'exploitation de l'observatoire. En particulier, la présente invention peut contrôler et corriger ces défauts en temps réel.

[0067] Une fois les différentes calibrations réalisées, le contrôleur 202 calcule la valeur du vecteur champ magnétique local F en effectuant les étapes de :

a) S871 : obtention des mesures orientées en appliquant des rotations Eulérienne E aux trois mesures du variomètre MV : dU, dV, et dW ;

b) S872 : obtention des mesures à l'échelle en multipliant les trois mesures orientées du variomètre MV par les facteurs d'échelle ;

c) S873 : obtention des 3 composantes du vecteur champ magnétique local F en additionnant les lignes de base aux trois mesures orientées et à l'échelle.

[0068] Par exemple, le variomètre MV peut mesurer les variations des composantes X, Y, Z, H et F généralement exprimées en nanoTesla (nT) ou angulaires D et I habituellement exprimées en arcmin, arcsec, degrés-minutes- secondes ou degrés décimaux. Le module du champ magnétique local est donné par le magnétomètre scalaire MS, les valeurs absolues des composantes angulaires, de préférence, la déclinaison D et l'inclinaison I, sont fournies par le magnétomètre angulaire MA.

Cas d'un observatoire en configuration XYZ [0069] Le variomètre MV mesure des variations des composantes cartésiennes du champ, chaque axe sensible est orienté dans la direction de la composante à mesurer. Les lignes de base de chaque composante sont : X ₀ = XÇt - SXÇt , Y ₀ = YÇt - SYÇt , Z ₀ = z(t) - SZ(t) . Ces lignes de bases (LDB) sont supposées constantes. Or, il est possible que les facteurs d'échelle des mesures soient erronés. Il apparaît alors une corrélation entre LDB et sa composante. Un processus itératif permet alors d'ajuster le facteur d'échelle. Par exemple, pour X, on a que :

X ^* t = X t - (1 + a)SX(t), XÔ t = X ₀ - a * SX(t , corr{X ₀ ^* {t), X{t))≠ 0, avec corr, le coefficient de corrélation linéaire. On peut soit chercher à minimiser le coefficient de corrélation (ou la covariance) ou directement minimiser les variations de LDB ou une combinaison des deux. Une solution possible consiste à effectuer plusieurs mesures absolues par jour (p. ex. chaque 30 min ou chaque heure) et observer une variation diurne de LDB correspondant à la variation diurne de sa composante. On détermine alors :

ti = 1 1 = maxOo (t)), t ₂ = t \ X (t ₂ ) = min¾ (t))

~ fi*(t )-fiy(t ₂ )

Alternativement, les mesures peuvent s'étaler sur plusieurs jours et peuvent aussi être moyennées ou lissées.

Les mesures peuvent présenter un défaut d'orientation. De nouveau, une solution consiste à mesures la LDB à une fréquence permettant de mettre en évidence une variation diurne. La Figure 9a montre un exemple de défaut de nivellement φ suivant un axe est-ouest correspondant à une rotation autour de l'axe X. La sortie du capteur devient alors (en notation matricielle) :

On trouve une matrice de rotation autour d'un axe X. Le calcul de la LDB tel que présenté plus haut requiert alors la transformation inverse qui n'est autre que la transposée de la matrice précédente.

La valeur de φ peut être déterminée empiriquement ou par calcul (éventuellement itératif) en considérant la LDB. On peut, par exemple, chercher à minimiser la variance de la ligne de base ou la covariance de la LDB avec une autre composante. Dans le cas d'un défaut d'orientation faible, on peut supposer : cos(0) « 1 et sin(0) « φ (en radians) :

o = Z - δΖ Ζ ₀ ^* =Ζ-{δΖ- φδΥ), Z ₀ ^* = Z ₀ + φδΥ.

La variation de LDB est donc proportionnelle à la composante Y des mesures du variomètre MV. En considérant Z ₀ constant, on peut estimer la valeur de φ :

Z ₀ — Z _Q

φ ⁼ -δΫ ^~

Cependant, Z ₀ n'est pas directement accessible. Une solution est de prendre les variations de Z _Q ^* et δΥ « peak-to-peak », éventuellement filtrées ou lissées pour éviter des effets de bruit de mesure :

t = 11 S(ti) = max(Zo(t)), t ₂ = t\ Z£(t ₂ ) = min(Zo(t)), φ

La Figure 9b montre un exemple d'une mesure de ligne de base, Z ₀ d'une composante Z du champ présentant un défaut de nivellement dans la direction est ouest. En particulier, la Figure 9b illustre le cas d'un défaut de nivellement de 5° dans la direction est ouest. Les variations des lignes des bases Z ₀ (en nano Tesla, nT) non corrigée (uncorrected baseline) et corrigée (corrected baseline) sont représentées sur une période de trois jours (en abscisse, day). Cas d'un observatoire en orientation quelconque

[0070] Dans le cas d'une orientation quelconque du variomètre, un algorithme possible est présenté à la Figure 10. Il consiste à appliquer successivement des matrices de rotations Rx et Ry autour des axes X et Y respectivement de manière à redresser mathématiquement l'axe Z. Ces rotations virtuelles sont déterminées de manière à minimiser un coefficient particulier tel que la variance de Z _Q ^* ou la covariance de Z _Q ^* et δΥ ou δχ ou une combinaison des deux. Par exemple, les deux paramètres à minimiser peuvent être déterminés comme suit :

ζ _ζγ = jvAR (z ^* ) ² + COV(Z;, ÔY) ²

ζ _ζχ = ^VAR (z ^* ) ² + covçz;, δχγ

Avec COV(A,B) la covariance de A et B. Ensuite, une matrice de rotation autour de l'axe Z est appliquée de manière à minimiser la variance de X _Q ^* ou Y _Q OU la covariance de ces LDB avec δΥ ou δχ ou une combinaison de ces paramètres.

Un processus similaire peut être employé en amont ou en aval de la correction d'orientation pour ajuster les facteurs d'échelle. L'ensemble de l'algorithme peut comporter plusieurs itérations.

Cas d'un observatoire en configuration DFI

[0071] Le variomètre MV mesure des variations des composantes du champ correspondant à un système de coordonnées sphériques. Le variomètre MV mesure des variations du champ magnétique local suivant trois directions orthogonales dont une est orientée parallèlement au champ magnétique et mesure son intensité de la même manière que dans une configuration cartésienne. Les deux autres directions se trouvent dans un plan perpendiculaire au champ magnétique. En particulier, la direction permettant la mesure relative de D, se trouve dans un plan horizontal perpendiculairement au champ magnétique tandis que celle permettant la mesure de I se situe dans le méridien magnétique. Ces deux axes enregistrent la projection du champ magnétique (H pour la mesure de D et F pour la mesure de I). Une transformation similaire à celle employée lors des mesures absolues D et I permet alors de passer d'un résidu à une valeur angulaire.

Tout comme pour la configuration cartésienne, les mesures de MV peuvent être entachées d'une erreur de facteur d'échelle. Une procédure similaire est alors employée pour les ajuster, à savoir : effectuer des mesures de LDB à haute fréquence (p. ex. chaque heure) et ajuster le facteur d'échelle d'une composante (relative) pour en minimiser sa variation de LDB. Le coefficient de corrélation linéaire peut être employé.

Un défaut d'alignement de MV produit des effets qui dépendent de la composante mesurée. Pour F et I, l'effet n'est pas critique car c'est le champ total F qui est projeté. On a donc une relation du second ordre. En revanche, la mesure relative de D utilise la projection de H (axe sensible dans le plan horizontal). Un défaut d'horizontalité induit une projection de la composante Z du champ. On obtient alors une dépendance de LDB en fonction de sin(/). L'ajustement consiste donc à déterminer une corrélation entre la composante calculée Z = F sin(/) et la LDB de D.

Cas d'un observatoire en configuration HDZ

[0072] Le variomètre MV mesure des variations des composantes du champ correspondant à un système de coordonnées cylindriques. Elle peut être considérée comme intermédiaire aux deux précédentes. Une généralisation peut se faire dans le cas d'une orientation quelconque de MV.

[0073] La présente invention a été décrite en relation avec des modes de réalisations spécifiques, qui ont une valeur purement illustrative et ne doivent pas être considérés comme limitatifs. D'une manière générale, la présente invention n'est pas limitée aux exemples illustrés et/ou décrits ci-dessus. En particulier, l'invention concerne également les combinaisons des caractéristiques techniques des modes de réalisation énoncés plus haut. L'usage des verbes « comprendre », « inclure », « comporter », ou toute autre variante, ainsi que leurs conjugaisons, ne peut en aucune façon exclure la présence d'éléments autres que ceux mentionnés. L'usage de l'article indéfini « un », « une », ou de l'article défini « le », « la » ou « Γ », pour introduire un élément n'exclut pas la présence d'une pluralité de ces éléments. Les numéros de référence dans les revendications ne limitent pas leur portée.

[0074] En résumé, l'invention peut également être décrite comme suit. Observatoire magnétique autonome 200 qui comprend un magnétomètre scalaire MS pour la mesure du module du vecteur champ magnétique local F, un magnétomètre angulaire MA pour la mesure de la direction de la verticale V, de la direction Nord géographique N, de la direction du vecteur champ magnétique local F, un variomètre MV pour mesurer trois variations du vecteur champ magnétique local F, une horloge 201 , et un contrôleur, 202. Observatoire dans lequel le contrôleur est configuré pour commander et gérer l'orientation de capteurs, acquérir les mesures du variomètre MV, du magnétomètre scalaire MS, du magnétomètre angulaire MA et du variomètre MV, traiter les mesures acquises pour obtenir automatiquement le vecteur champ magnétique local F et les erreurs des mesures associées à chaque instrument.