海岛礁磁偏角测量

磁偏角研究背景

磁偏角作为重要的海洋地理环境要素，已广泛应用于船载磁罗经、海流计、水下机器人(AUV)、自航式水雷等，是诸多海洋仪器正常发挥效能的基础信息。由于地磁导航具有简便、廉价、可靠、最不易受干扰等特点，是人类应用最早最普遍的定位定向系统，在早期航海史上发挥了极其重要的作用。即使在卫星导航定位技术高度发达的现代，世界各国航空航海领域一直把地磁导航作为必备的导航方法。当前军民航海图上，磁偏角是不可或缺的基本要素，但是，磁偏角测量是我国海洋环境探测领域一项技术空白，军民航海图上标注的磁偏角均不是实地测量值，而是通过低分辨率的外版地磁图转绘生成的。

磁偏角测量主要采用两种方式：一是固定地磁台站的长期连续跟踪观测，二是野外流动测点的不定期测量。由于固定地磁台站选址和基建标准很高，不适宜建设太多，所以少量地磁台站和大量野外测点相结合，是地磁场测量的最佳模式。我国有100多个地磁台，包括30多个仪器配置齐全、观测条件和环境较好的基准地磁观测台站，具有测震、地磁、地电、GPS、重力、形变、井下观测等多种地球物理观测手段。其他台站是以地震预报为主要服务对象的区域性地磁观测台站。由国际地磁学与高空物理学协会(IAGA)主持运行的国际地磁观测台网(INTERMAGNET)包括约133个地磁台站，其中包括我国的北京站、长春站、肇庆站、兰州站、乌鲁木齐站共5个固定台站。海岛礁附近的地磁场由于受海底地形、海底岩石性质、海底地质构造和洋流等影响，往往与正常的地磁场存在较大差异，如何准确高效测定海岛礁附近的磁偏角，是非常重要的基础性海洋测绘工作。

磁偏角测量原理

地磁要素中，磁偏角的观测历史是最早的。磁偏角测量仪器不同，其测量原理也不同。最初的磁偏角测量仪器是指南针。通过指南针确定真北方向和磁北方向的位置，计算二者之间的夹角，就是磁偏角。现代磁偏角测量一般采用地磁经纬仪，其测量原理见图1，首先需要在实地勘选两个相互通视的点，组成观测基线，其中一点用于架设观测仪器，称为观测点，另外一点用于标定方向，称为方位点。测点勘选和标石埋设完成后，首先采用GNSS或者天文观测方法，测定观测基线的真方位角α，然后采用专门的磁偏角测量仪器测定观测基线的磁方位角，二者相减可得观测基线的磁偏角，即：

从式可知，磁偏角测量工作实际上包括两部分：真方位角测量和磁方位角测量，二者缺一不可。其中测定观测基线的真方位α是磁偏角测量的关键环节之一，当前一般通过GPS方法，测定观测基线两端点的坐标，通过软件解算求出观测基线的真方位角。但要求观测基线长度必须大于200m。测定磁方位角α_m的测量仪器称为地磁经纬仪，因其可同时测定测点附近的磁偏角D和磁倾角I，又称DI仪。

作为专门的磁偏角测量仪器，地磁经纬仪的构成主要包括三部分：

(1)光学经纬仪：采用无磁材料制造的光学经纬仪，用于基线方向瞄准和磁方位角的读取；

(2)磁通门磁力仪探头：加装光学望远镜上，要求其轴向与光学望眼镜轴向严格平行，用于确定磁子午面的位置；

(3)检零器：与磁通门探头连接，用于检测磁通门探头的输出电压，当检零器上的输出电压值为零时，标志磁通门探头轴线垂直于地磁场方向，据此确定地磁场方向的位置。

采用地磁经纬仪进行磁偏角测量时，也能同时测定磁倾角。另外为完整了解测点附近的地磁场矢量，一般还需采用总强度磁力仪测定地磁场总强度的标量值。磁偏角D和磁倾角I的计量单位是(°、'、″)，总强度的计量单位为纳特(nT)。海岛礁磁偏角测量设备在国内外均能生产，其中国产MDI型地磁经纬仪的度盘最小刻划为1'，工作温度－10℃～40℃，G856型质子旋进总强度磁力仪的测量范围为20000～70000nT，分辨率优于0.1nT，绝对精度优于0.5nT，采样周期6s，主机尺寸18cm×27cm×9cm，重量1.6kg，探头尺寸9cm×13cm，探头重量1.2kg。

不同磁力仪存在明显的仪器误差，为把不同磁力仪的测量结果归算到某一共同基准，在每年出测之前和收测之后，需到国家基准地磁台对DI仪和总强度磁力仪进行比测，计算绝对仪器误差和相对仪器误差。如遇仪器故障需及时更换，也需对新仪器进行比测，确定其仪器误差。总强度磁力仪比测时应独立进行2次以上，两次比测得到的仪器绝对误差的互差不得大于0.5nT。地磁经纬仪的构造特点是，在无磁经纬仪的望远镜上固化一个磁通门传感器。该磁通门探头通过严格调校，其轴向与望远镜轴线保持一致。采用地磁经纬仪进行磁方位角测量，实质是通过地磁经纬仪的无磁经纬仪、磁通门磁力仪探头和检零器的相互配合，根据检零器的输出，确定磁子午面的位置。当经纬仪照准部旋转时，磁通门探头与地磁场磁力线夹角随之不断变化，由此导致检零器输出的电压发生相应变化，见图2。显然，当地磁场方向与无磁经纬仪望远镜垂直时，检零器输出为零，据此确立地磁场的方向。

磁偏角测量时，在观测点上安置地磁经纬仪，对准整平以后，转动望远镜精确瞄准方位点上的觇标，读取此时的水平度盘读数m₀；然后将地磁经纬仪的望远镜置于水平状态，顺时针转动照准部，同时注意观测点附近检零器；当照准部旋转到某个位置时，检零器上的读数为零，锁定照准部，读取此时的水平度盘读数m。这时表示磁通门传感器的方向垂直于地磁子午面，水平度盘位置m±90°就是磁北方向所在的磁子午面，不难得出基线方向与磁子午面方向的夹角，即磁方位α_m为：

式中，α_m为磁方位角；m为磁卯酉面的度盘读数；m±90°为磁北方向的度盘读数；m₀为观测基线方向的度盘读数。

磁偏角研究结论

国内海岛礁磁偏角测量原理、方法和仪器等主要技术环节均初步引用陆上野外流动地磁测量模式。本文简单介绍了国内当前海岛礁磁偏角测量的原理、作业方法、仪器设备、数据处理和精度要求等实际情况，由此可知，虽然磁偏角测量原理较为简单，但工作过程较为繁琐。特别是高温、高湿、高盐、多雾、多风等海岛礁特殊作业环境，使刚刚起步的我国海岛礁磁偏角测量工作面临许多难以预测的新问题，当前主要是测点勘选比较困难，观测基线距离一般难以满足要求，为此需要在当前模式的基础上，对作业仪器和方法进行大量适用性改进。只有通过不断实践积累，才能形成较完整的海岛礁磁偏角测量技术能力。 2100433B