磁偏角原理与方法

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：

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：

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

地名-磁偏角：

漠河11°00' w

齐齐哈尔9°54'w

哈尔滨9°39'w

长春8°53'w

满洲里8°40'w

沈阳7°44'w

旅顺6°35'w

北京5°50'w

天津5°30'w

济南5°01'w

呼和浩特4°36'w

徐州4°27'w

上海4°26'w

太原4°11'w

包头4°03'w

南京4°00'w

合肥3°52'w

郑州3°50'w

杭州3°50'w

许昌3°40'w

九江3°03'w

武汉2°54'w

南昌2°48'w

银川2°35'w

台北2°32'w

西安2°29'w

长沙2°14'w

赣州2°01'w

衡阳1°56'w

厦门1°50'w

兰州1°44'w

重庆1°34'w

遵义1°26'w

西宁1°22'w

桂林1°22'w

贵阳1°17'w

成都1°16'w

广州1°09'w

柳州1°08'w

东沙群岛1°05'w

昆明1°00'w

南宁0°50'w

湛江0°44'w

凭祥0°39'w

海口0°29'w

拉萨0°21'w

珠穆朗玛0°19'w

西沙群岛0°10'w

曾母暗沙0°24'e

南沙群岛0°35'e

乌鲁木齐2°44'e

地磁要素的短期变化，来源于电离层及太阳活动的影响，变化形态比较复杂，分平静变化和干扰变化。平静变化是经常性和周期性的变化，有太阳日变化、太阴日变化和季节变化。来自太阳的带电粒子，影响地球大气电离层的状况，从而造成各地的磁场以太阳日为周期的变化。地磁强度的水平分量的太阳日变化，可达 0.03—0.04μT，约为水平分量的0.5%；地磁偏角的变化可达10′。

月球对于地球大气的潮汐作用，使得一部分大气以太阴日为周期，运行于地球各部分之间。这种变化包括大气电离层的变化，因而造成各地磁场以太阴日为周期的变化。它的变化幅度很小，磁场强度水平分量的变幅只有千分之几μT，约为水平分量的0.05%；地磁偏角的变幅不到40″。太阳直射点的南北移动，以及随之而来的太阳辐射能在地球上的分布的季节变化，造成地磁要素的太阳日变化的幅度因季节而变化。一般地说，夏季太阳日变化的幅度较大，冬季较小。

地磁要素的干扰变化要复杂得多。小的干扰多半是区域性的，次数频繁，变幅很小。大的干扰是全球性的，次数较少，平均每年10次左右，变化幅度较大。特大的干扰称磁暴。磁暴发生时，磁针不安地扰动不止；在几小时到 几日内，磁场强度的变化可达十分之几甚至几个μT。磁暴的发生与太阳活动直接相关。来自太阳的高能粒子，不仅干扰地球磁场，同时破坏大气电离层结构，中断无线电通讯，高纬度地区出现极光。

关于用经纬度计算距离：在地球赤道上环绕地球一周走一圈共40075.04公里而一圈分成360°，1°为60′，每一度一秒在赤道上的长度计算如下：

40075.04km/360°=111.31955km

111.31955km/60=1.8553258km=1855.3m

而每一分又有60秒，每一秒就代表1855.3m/60=30.92m

任意两点距离计算公式为：

d=111.12cos{1/[sinΦ_AsinΦ_B十cosΦ_AcosΦ_Bcos(λ_B—λ_A)]}

其中A点经度，纬度分别为λ_A和Φ_A，B点的经度、纬度分别为λ_B和Φ_B，d为距离。

至于比例尺计算简单地说，也就是

1.不同的地方地磁偏角也不同！

2.正常情况下，我国磁偏角最大可达6度，一般情况为2-3度

3.东经25度地区，磁偏角在1-2度之间；北纬25度以上地区，磁偏角大于2度；若在西经低纬度地区，磁偏角是5-20度；西经45度以上，磁偏角为25-50度，在我国，正常情况下，磁偏角最大可达6度，一般情况为2-3度。

地球磁场是在不断变化的。它有长期变化和短期变化。地球磁场的短期变化部分，即上述的地球变化磁场；除去短期变化部分，便是地球基本磁场，即上述的偶极磁场。 地磁要素的长期变化，来源于地球内部的物质运动。它首先表现为地磁场的向西漂移。例如，0°磁偏线与赤道的交点，近400年来已西移95°。其次，磁场强度有稳定的衰减，近百年来，基本磁场强度衰减了5%。如果照此速度继续衰减下去，那么，基本磁场将会在2千年后消失。另外，磁极也在移动，如地磁北极的纬度逐年递增0.004°；其经度每年向西增加0.007°。

沈括在《梦溪笔谈》中记载与验证了磁针“常微偏东，不全南也”的磁偏角现象，比西欧记录早 400年。英国人罗伯特·诺曼（Robert Norman）发现一根磁针用绳子在半中间吊起来，跟水平形成一偏角，他将这称为磁偏角。1581年，他在自己的《新奇的吸引力》一书中发表了他的发现。各个地方的磁偏角不同，而且，由于磁极也处在运动之中，某一地点磁偏角会随时间而改变 。许多海洋动物可以感应到磁偏角并利用它来识途 。

磁偏角是磁场强度矢量的水平投影与正北方向之间的夹角，亦即磁子午线与地理子午线之间的夹角。如果磁场强度矢量的指向偏向正北方向以东称东偏，偏向正北方向以西称西偏。磁偏角可以用磁偏测量仪测出来。磁偏角的度数是测量出来的，不是计算出来的。

在绘图时，将此前对磁偏角的实际测量值标在地图（特别是海图，普通地图标磁偏角的少）上。当然，磁偏角的变化呈现出一定的规律，我国东部地区磁偏角为西偏，甘肃酒泉以西多为东偏。

地磁极是接近南极和北极的，但并不和南极、北极重合， 一个约在北纬72°、 西经96°处；一个约在南纬70°、东经150°处。磁北极距地理北极大约相差1500km。在一天中磁北极的位置也是不停的变动，它的轨迹大致为一椭圆形，磁北极平均每天向北移40m。磁北极大约于2005年进入俄罗斯境内。在我国，正常情况下，磁偏角最大可达6度，一般情况为2-3度。地图的方向：上北、下南、左西、右东是大多数地图的方向，但这可不是通用原则，如果地图上有方向标，可以通过方向标了解到这些。

磁偏角还是不断有规律变化的，地图上的磁偏角只是测图时的磁偏角（磁北比真北偏右，加上磁偏角；磁北比真北偏左，减去磁偏角；在我国一般是减去）。使用地图本身所注的磁偏角要注意出版年限，地图太老误差较大。

磁偏角是磁北与正北之间的夹角。

东经25度地区，磁偏角在1-2度之间；北纬25度以上地区，磁偏角大于2度；若在西经低纬度地区，磁偏角是5-20度；西经45度以上，磁偏角为25-50度，在我国，正常情况下，磁偏角最大可达6度，一般情况为2-3度。

地图的方向：上北、下南、左西、右东是大多数地图的方向，但这可不是通用原则，如果地图上有方向标，可以通过方向标了解到这些。

在我国除部分磁力异常的地方外，一般磁偏角都是西偏。磁偏角还是不断有规律变化的，地图上的磁偏角只是测图时的磁偏角。使用地图本身所注的磁偏角要注意出版年限，地图太老误差较大。

我国东部和沿海地区的磁偏角偏西，而且纬度越高的地方，磁偏角也越大，只有新疆、西藏和南沙群岛地区的磁偏角偏东。最大4度左右，最小接近于零度。由于地磁南北极的位置不是固定不变的，所以各个地方的磁偏角也不是固定不变的，下面是2006年的情况，大概在20年以内都能用。