IGRF在地磁研究中的应用

IGRF（国际地磁参考场）资料在地磁学的基础研究中得到广泛的应用.利用IGRF国内外学者研究了高斯分析、地球磁场模型及其源场可能位置、重磁关系、核幔耦合、地磁场能量、地球非偶极子磁场以及长期变化场的西向漂移等,研究了IGRF在我国地区的误差以及产生的原因.在研制中国地磁等值图中也得到某些应用.     

基于IGRF13和WMM2020模型的地磁匹配特征量的选择

地磁导航具有极好的自主性、隐蔽性以及抗干扰性,而且近几年越来越引起广泛的关注和研究．在地磁匹配导航系统中,地磁特征量对导航性能有极大的影响,而且特征量数据之间有较大的差异,因此选择最佳的地磁匹配特征量是实现高性能地磁匹配导航的重要任务．本文采用了最新的国际地磁参考场模型IGRF13与世界地磁模型WMM2020研究分析了地磁场分量随时间及空间的变化情况,进而选择出匹配效果最佳的地磁匹配特征量．首先基于两种模型数据,通过用坡度的概念来描述导航区域的七个地磁匹配特征量随空间变化的情况,最终排除坡度较小的角度类地磁场特征量;其次,因地磁场的时间变化分析可以从点和区域两个方面进行,故采用控制变量法,分别计算出两个模型的单点以及区域的地磁信息熵值,以此来分析地磁匹配特征量随时间变化的情况．然后,通过基于两种地磁模型数据的计算与分析,结果均发现垂直分量Z是最佳的地磁特征量．最后,在导航区域分别基于模型数据和实测数据进行定位实验,进一步验证了分析的结果,为地磁匹配导航提供了可靠的依据．     

地磁实测值与IGRF计算值的差异的变化

选择了北京、关岛等6个地磁台,作它们的观测值与IGRF值之差随时间的变化曲线,结果发现,以上6台站地磁测值的异常变化都与附近发生的大震相关,而且震级越大、离台站越近,异常变化越大、越早.而且用IGRF作参考场既可靠又方便.     

中国部分地磁台站年均值与IGRF模型一致性分析

利用中国部分地磁台站1990～2003年的年均值资料,研究了台站年均值与IGRF模型计算值的一致程度,结果表明：①我国地磁台站的长期变速度与IGRF模型的长期变速度有差异：总体来讲,我国台站磁偏角D和垂直强度Z的长期变速度低于IGRF模型的相应速度;水平强度H的长期变速度在1990～1995年间高于IGRF模型的相应速度,在1995～2000年间低于IGRF模型的相应速度;②台站年均值与IGRF模型值的差值曲线中,H和Z有明显的起伏,反映了地磁场长期变的非线性;③虽然有上述长期变上的差异,但对于同一个台站,各地磁要素年均值与IGRF模型值的差值的标准偏差均低于IGRF模型的误差水平,说明IGRF模型与台站年均值的一致性比较好;④对于同一地磁要素,不同台站的年均值与IGRF模型值的差值的平均值相差较大,反映出台站所在位置地壳磁异常的巨大差异。通过总结上述工作,文中还讨论了地磁台站保持长期可靠运行的重要性以及地磁台网历史观测资料抢救的紧迫性。     

根据IGRF计算1995～2000年中国及邻区地磁长期变化

根据最新的第七代国际地磁参考场,计算并绘制１９９５～２０００年中国及邻区地磁长期变化图,分析了长期变化的空间变化。     

最新国际地磁参考场模型IGRF11研究

详细阐述了国际地磁参考场模型IGRF11的建模原理、 数据来源、 球谐系数及误差来源等. 以NOAA/NGDC候选地磁场模型为例, 分析了数据的选取原则和校正方法. 在MATLAB环境下, 研制了该模型的可视化软件, 为制备地磁仿真基准图提供了最有可能和最为便捷的途径, 能有效使用国际公开数据, 减少外场地磁实测工作量和成本, 对地磁导航工程化具有重要的价值. 对模型检验值和实测值与模型计算值进行比较, 结果表明, 软件计算结果是正确的、 可靠的; 对IGRF11与WMM2010模型的异同点进行比较, 结果表明, WMM2010的模型精度要高于IGRF11, 具有更为广阔的适用范围. 最后, 从模型长期变化估算角度入手, 分析了引起IGRF11模型计算精度低的原因.     

1950—2000年中国地磁测量地磁图与地磁研究

为纪念“３９１２”建队三十周年,本文回顾了１９５０－２０００年中国地磁测量和地磁图,回顾了“３９１２”任务的光辉业绩,阐述了“３９１２”任务的学术意义和应用价值。     

中国地磁测量、地磁图和地磁场模型的回顾

系统回顾中国地磁测量、地磁图和地磁场模型的发展过程.我国每10a(1950-2000年)进行一次全国范围的三分量地磁测量(磁偏角、磁倾角、水平强度或总强度),并出版相应年代的中国地磁图.还出版了1965.0年青藏高原地磁图、1980.0年青海省地磁图以及1990.0年中国海域地磁偏角图.地磁场模型包括多项式模型、矩谐模型、冠谐模型和曲面样条函数模型.根据相同的地磁资料,分别计算1950-2000年中国地磁场的多项式模型和冠谐模型.     

基于统计建模的地磁匹配特征量选择

本文从地磁导航的实际需要出发,提出了地磁场平静变化建模与地磁匹配特征量的选择问题,并通过季节性ARIMA模型对地磁场的7个分量分别进行了建模.从建模结果来看,如果能够解决调水平精度的问题,Z分量和I分量是最优良的地磁匹配分量;如果调水平的精度达不到要求,那么F分量不失为一种明智的选择.另外,本文还提出了地磁场最小扰动分量的概念,并用主成分分析的方法对此进行了初步的尝试.     

地磁长期变化信号提取和模型预测精度评估

高精度地磁场信息在地球物理导航等领域有着广泛应用,一般依靠地磁场模型来预测未来磁场的时空状态变化特征.本文基于中国大陆10个地磁基准台站2009—2022年的连续矢量观测数据,通过月均值年差分和主成分分析方法剔除外源干扰场,进一步去除岩石圈磁场,提取得到了主磁场长期变化信号,并将其与IGRF和WMM系列主磁场模型结果进行对比.通过引入绝对误差、均方根误差等指标,定量评估了IGRF-12和WMM2015模型在中国大陆区域内1—5年尺度的预测精度.结果表明,IGRF-12和WMM2015模型均能总体反映我国大陆主磁场长期变化趋势,两者总场强度的5年均方根误差分别为54.19 nT和15.86 nT,WMM2015模型预测的7个地磁要素的精度均优于IGRF-12.模型误差会随时间逐渐增大,两模型总场强度的1年期最大误差为13 nT,5年期最大误差可达153.65 nT,难以满足高精度定向钻井等领域的地磁导航需求,因此,有必要结合地磁台等观测资料,研制年周期地磁场快速长期变化模型.

     

用第六代国际地磁参考场确定的东亚地磁非偶极场时空变化规律

利用近期公布的第六代国际地磁参考场（ＩＧＲＦ）计算，分析了１９４５年以来东亚地磁非偶极场的时空变化特征，并用中国地磁场模型对结果进行了检验，得到的主要结果是：１９４５－１９９０年，东亚地磁非偶极场Ｘ、Ｙ分量缓慢向北和向西方向移动，东亚磁异常中心位置基本稳定，中心附近Ｚ分量的强度变化具有明显的大约１５年左右的增强和减弱期。中心附近Ｘ、Ｙ的零值点的移动方向与地磁北极的移动方向一致。     

主磁场谐波成分的空间相对强度分析

利用IGRF国际参考地磁场模型, 计算并分析了7~13阶球谐成分对主磁场的贡献。 结果表明, 地磁场要素F、 H和I的空间梯度具有显著的空间不均匀性, 有些区域梯度变化平缓, 有些地区梯度呈涡状结构, 进而由地磁场的空间梯度估算得到卫星高度的空间相对变化强度, 以及卫星上安装磁强计的伸杆震颤可能引起的观测误差。 此外, 主磁场梯度的长期变化非常缓慢, 在大约150年间其最大变化强度约为6 nT。 对于中国电磁卫星5年的设计寿命而言, 梯度变化幅度可能约为0.04 nT, 该梯度变化量对于主磁场的空间相对强度不会产生显著影响。     

国际参考地磁场模型中高阶球谐项对地磁场长期变化的影响

在国际参考地磁场（IGRF）模型中,高阶球谐系数比低阶系数小得多,所以高阶项对主磁场的贡献常被忽略不计. 但是,高阶项对主磁场的长期变化却有重大影响. 本文根据第八代IGRF模型,分析了IGRF 1945～1955中高阶球谐系数的异常特征对长期变化的影响,然后用修正IGRF模型估计并改正了这些影响. IGRF高阶项随深度增加而迅速增大,所以高阶系数的误差对深部磁场位形和磁场能量的计算有不可忽视的影响,对核幔界面流动状态的推断和地核半径的地磁估计有更为重大的影响.     

基于中国地磁图的西藏地磁测量对比分析

详细论述了《2005.0中国地磁图》、《2010.0中国地磁图》西藏测区的两次测点点位勘选及测量工作过程,通过大量的、与规范指标要求相关的数据分析,说明了野外观测质量的可靠性,并对通化后的2期数据进行对比研究.结果表明:2005～2010年在西藏测区覆盖范围,磁偏角零等值线向西偏移,偏移量约为0.4°;地磁场总强度平均增加值为206 nT,磁倾角的平均增值为0.45°.     

地磁场模型研究

国际地磁参考场与局部地磁场模型的研究，具有深远的学科意义与巨大的实用价值，研究好地磁场模型，将可以提供准确的地磁场信息，丰富“数字地球”的数字化与可视化的程度。     

国际地磁参考场在我国地磁基础研究中的应用

国际地磁参考场资料在我国得到广泛应用。利用国际地磁参考场资料，我国学者研究了高斯分析、地球磁场模型及其源场可能位置、重磁关系、核幔耦合、地磁场能量、地球非偶极子磁场西向漂移等。在绘制中国地磁等值图中也利用了某些国际地磁参考场资料。     

A study on variations of non-dipole magnetic field over Chinese mainland during 2000 BC to 1990 AD

We calculated and analyzed variation of the non-dipole(ND)magnetic field at the millennium scale over the Chinese mainland during 2000 BC–1900 AD using the newest global geomagnetic model,CALS3K.4(3K.4).The newest-generation IGRF(IGRF11)was used to verify the results.Taking component Z for example,we calculated and analyzed the distribution and annual change rates of the ND field during 1900–1990 AD every 5 yr,using two models.To thoroughly analyze the contributions of field sources,quadrupole and octupole fields,and others within the ND field at the surface and core-mantle boundary(CMB)were investigated.Results show that there were three main variation phases of the field during the period 2000BC–1900 AD.The mean amplitude roughly reflected the ND field because of the distribution and variation of that field,corresponding somewhat to the mean amplitude change.A magnetic anomaly of the ND field over East Asia(EA)first emerged in 1682 AD,and its extreme intensity had increased a total of 15276.95 nT by 1900 AD.Its location moved continuously southeastward after 1690 AD.The asymmetry between location and intensity of extreme points over EA,particularly during1740–1760 AD,indicates irregularity of fluid motion inside the outer core.Mean annual changes of Z are generally divided into four phases,which first oscillated between 2000 and 800 BC,then increased,decreased and increased in the periods 800BC–300 AD,300–900 AD and 900–1900 AD,respectively.The intensity of mean annual change increased a total of 22.87nT/yr.Anomaly extreme locations based on 3K.4 and IGRF11 over EA centered around 44°N and 103°E for degree(n)greater than 5,and intensities continuously increased with n.During 2000 BC–1990 AD,ND energy of Z at the surface and CMB had decreased in total by 18.29%and 23.23%,respectively.The field source of 26–210 pole fields are more or less affected by the lithospheric field.Energies of higher degree at the surface attenuate by almost 99%compared with CMB,but mean attenuation speeds of the low-degree ND field are faster than high-degree,which implies that the low-degree ND field has a deeper source.     

基于地磁场的自主导航研究

研究了基于地磁场的自主导航,建立了以卫星轨道动力学方程为基础的系统状态方程,并详细推导了以地磁场大小和地磁场矢量为观测量时的观测方程.由于系统的非线性,传统的卡尔曼滤波无能为力,为了解决系统的非线性问题把常用来解决非线性问题的EKF引入到基于地磁场的自主导航系统中.最后用Matlab对基于地磁场的自主导航系统进行了仿真,仿真结果表明EKF有很好的收敛性和稳定性,以地磁场矢量为观测量的导航精度要远高于以地磁场大小为观测量的导航精度.     

1997—2016年中国大陆地区地磁台站观测环境变化定量分析

本文利用CHAOS-6地磁场模型计算1997—2016年中国大陆地区34个地磁台站模型值,分析比较模型计算值与台站实测值之间的差异,利用国际参考场模型IGRF12计算结果进行佐证。结果表明:地磁异常场模量△T作为地磁台站观测环境的一种标志,年变化显示:①中国大陆地区34个地磁基准台绝大部分位于地磁正常区或弱磁异常区,只有少数几个地磁台位于强磁异常区;②判断1个地磁台的地磁场环境,只测量总强度（F）是不够的,必须进行三分量绝对观测,利用地磁异常场模量△T评价地磁台的地磁场环境更全面、更科学合理。