北斗杯科技项目建议书_地磁导航及其在水 下地震与火山喷发监测中的应用研究

第一篇：北斗杯科技项目建议书_地磁导航及其在水 下地震与火山喷发监测中的应用研究

Research on Magnetic Navigation and Its Application on Monitoring of Underwater Earthquake and Volcanic Eruption 地磁导航及其在水下地震与火山喷发监测中的应用研究

作者：张俊东 指导教师：陈秀万

（北京大学地球与空间科学学院，北京 海淀 100871）

摘要

本课题利用潜艇地磁导航过程中地磁传感器所测得的大量实时地磁数据，从中提取分析地磁异常信息，研究水下地震与火山喷发和地磁异常的相互关系与规律，以促进震磁关系研究和地震预测预报技术的发展；利用从所测地磁数据提取的地磁异常信息，以已有研究为依据，来监测水下地震与火山喷发发生与发展过程；对震磁关系的研究和水下地震与火山喷发的监测，提高地磁异常的测量与分析水平，从而提升地磁匹配技术的精度和准确性。本课题实现对潜艇地磁导航过程中积累的大量地磁数据资源进行有效的再利用，对水下地震与火山喷发和地磁异常的相关规律、水下地震与火山喷发的监测与预报、地磁导航技术水平的提升等均有重要意义。课题简介 1.1 目的意义

地磁导航是导航技术发展的重要方向，其原理是通过地磁传感器测得的实时地磁数据与存储在计算机中的地磁基准图进行匹配来定位，具有无源、无辐射、全天时、全天候、全地域、能耗低的优良特征，在工业部门、航空航天、军事等诸多领域都有应用，尤其在水下潜艇导航方面，地磁匹配定位与惯性导航系统组合，成为一种适用于潜艇的、隐蔽性好、强抗干扰、自主式的导航系统。

地震与火山喷发是地壳与板块运动的结果和表现，根据构造磁效应，板块之间的相互作用必然引起地磁场的变化，分析研究地磁等变线的变化可以了解未来几年至十年尺度的构造活动状态及其与强震活动的关系。从考虑震磁关系的影响出发，地磁场可以分为背景场和前兆场，前兆场是指地震孕育过程所产生的磁异常。大地震前出现地磁低点位移、地磁日变异常等，识别地震地磁前兆是地震预报基础研究的重要内容之一。

本课题应用潜艇地磁导航磁测数据和地磁匹配技术，研究水下地震与火山喷发和地磁异常的相互关系与规律，监测水下地震与火山喷发的发生和发展，以促进震磁关系研究和地震预测预报技术的发展，提升地磁匹配技术的准确性和精度。本课题实现对潜艇地磁导航过程中积累的大量地磁数据资源进行有效的再利用，对水下地震与火山喷发和地磁异常的相关规律、水下地震与火山喷发的监测与预报、地磁导航技术水平的提升等均有重要意义。

1.2 主要研究内容

本课题利用潜艇地磁导航过程中地磁传感器所测得的大量实时地磁数据，从中提取分析地磁异常信息，研究水下地震与火山喷发和地磁异常的相互关系与规律，以促进震磁关系研究和地震预测预报技术的发展；利用从所测地磁数据提取的地磁异常信息，以已有研究为依据，来监测水下地震与火山喷发发生与发展过程；对震磁关系的研究和水下地震与火山喷发的监测，提高地磁异常的测量与分析水平，从而提升地磁匹配技术的精度和准确性。

研究的内容包括：精确的地磁场模型地磁图制备技术、测磁仪器性能、地磁测量与信息处理技术、航迹匹配的高精度导航算法、地磁异常数据提取分离技术、构造磁效应和震磁相关性、磁异常（地磁等变线变化、地磁低点位移、地磁日变异常等）和水下地震与火山喷发相互关系与规律、地磁异常应用于水下地震与火山喷发监测预报技术、地磁异常应用于地磁匹配技术研究等。

1.3 预期目标

通过本课题的研究，建立将潜艇地磁导航磁测数据和地磁匹配技术应用于水下地震与火山喷发监测与预报的相关技术，包括地磁测量与信息处理技术、地磁异常数据提取分离技术、地磁异常应用于水下地震与火山喷发的监测与预报技术、地磁异常应用于地磁匹配技术等。本课题研究的技术将促进水下地震与火山喷发和地磁异常的相关规律、水下地震与火山喷发的监测与预报、地磁导航和地磁匹配技术的研究与发展。课题主要研究技术的国内外发展现状与趋势

相对于其他导航手段而言，地磁导航起步得比较晚。20世纪60年代中期，美国的 E-systems公司提出了基于地磁异常场等值线匹配的 MAGCOM（Magnetic Contour Matching）系统，70年代获得测量数据后，系统进行了离线实验。80年代初，瑞典的Lund学院对船只的地磁导航进行了实验验证。1989年美国Cornell大学的Psiaki等人率先提出利用地磁场确定卫星轨道的概念，这一方向遂成为国际导航领域的一大研究热点。美国目前已开发出地面和空中定位精度优于30m、水下定位精度优于500m的地磁导航系统。另外，美国在导弹试验方面已开始应用地磁信息，并利用E-2飞机进行高空地磁数据测量。NASA Goddard空间中心和有关大学对水下地磁导航进行了研究，并进行了大量的地面试验。F.Goldenberg针对飞机的地磁导航系统进行了研究。俄罗斯新型机动变轨的SS-19导弹采用地磁等高线制导系统，实现导弹的变轨制导，以对抗美国的反弹道导弹拦截系统。

国内有关地磁导航的研究还主要集中在仿真和预研阶段，航天科工集团三院的李素敏等人运用平均绝对差法对地面所测量的地磁强度数据进行了匹配运算，分辨率能达到50 m；西北工业大学的晏登洋等人利用地磁导航校正惯性导航的仿真实验取得了较高的精度。由我国研制的磁传感器，灵敏度和采样率高，南北工作跨度大，可以适应世界任何地区，可连续24小时工作，在世界上处于领先地位。在实现高精度的磁测基础上，我国对相临海域的磁场精密探测航空调查也取得了一定成绩，绘制了一系列高质量的区域地磁图。中科院地震研究所在地球变化磁场干扰的滤波技术取得重大突破，通过建立地磁干扰模型，对地磁异常信息进行滤波，用来确定地震信号。

国内对震磁关系进行了一系列研究，中国地震局地震预测研究所黄建平等利用20世纪50年代至21世纪初中国出版的7次《中国地磁图》资料，从大区域尺度的角度分析了中国大陆及其邻近地区的7级以上强震与地磁分量等变线轴线方向的变化特征。中国地震局地震预测研究所丁鉴海等利用中国地磁台网与电离层台站资料研究了大地震前出现的地磁低点位移、地磁日变异常及电离层异常现象。邯郸地震中心台张建国等研究了河北省地磁场变化规律，讨论了震前地磁异常。吉林大学张建国等对汶川地震前后中国大陆地磁异常场动态演化进行了研究。但我们看到，目前还没有将地磁导航技术与震磁关系研究结合起来。事实上，作为地磁导航重要应用的水下潜艇导航，其在地磁导航过程中地磁传感器积累了大量的磁测数据，将这些实测地磁数据利用起来，应用于水下地震与火山喷发研究，是对数据资源的有效再利用，将促进地磁异常和水下地震与火山喷发相互关系与规律的研究，建立地磁导航应用于水下地震与火山喷发的监测与预报的相关技术，并有助于地磁匹配技术准确性与精度的提高。课题主要研究内容、拟解决的技术难点和可能的创新点，及技术风险分析 3.1 主要研究内容

本课题利用潜艇地磁导航过程中地磁传感器所测得的大量实时地磁数据，从中提取分析地磁异常信息，研究水下地震与火山喷发和地磁异常的相互关系与规律，以促进震磁关系研究和地震预测预报技术的发展；利用从所测地磁数据提取的地磁异常信息，以已有研究为依据，来监测水下地震与火山喷发发生与发展过程；对震磁关系的研究和水下地震与火山喷发的监测，提高地磁异常的测量与分析水平，从而提升地磁匹配技术的精度和准确性。

研究的内容包括：

(1)精确的地磁场模型和地磁图制备技术、当前的地磁场模型和地磁图水平仍满足不了高精度导航的要求，全球地磁场模型仅是对主磁场部分的描述，精度有限且尚不能反映出复杂的地磁异常信息，应建立或绘制局部地磁场模型或局部地磁图来满足高精度地磁导航的要求。此外，还需要研究影响地磁导航效果的一些重要地磁场因素，这些因素包括变化磁场对匹配的影响、地磁场随高度和时间变化的规律和地磁场起伏规律等。

（2）测磁仪器性能

磁传感器是研究地磁导航的硬件基础，是决定导航精度的关键因素。研发高性能的弱磁性探测设备，加强研究载体干扰磁场对磁敏感器的测量影响特性、干扰磁场消除和误差补偿技术、载体材料的选用技术，以保证地磁场测量不受各种因素的影响，从而为导航解算提供精确的测量值。

（3）地磁测量与信息处理技术

潜艇地磁导航过程中利用地磁传感器测得大量地磁数据，研究这些地磁数据如何存储、处理和分析等，建立高效的地磁信息处理技术。

（4）航迹匹配的高精度导航算法

当测量噪声或初始误差较大时，由地磁滤波导航方法获得的精度普遍偏低，而地磁匹配方法仅能获得依照其航迹上的一维 “线图”，比二维图携带的可用于匹配的信息更少，导致图的获取、匹配准则、寻优方法等方面产生了很大的不同，仅借用地形匹配导航技术的匹配算法是不够的。寻求新的匹配理论才能够大幅度地提高导航精度。

（5）地磁异常数据提取分离技术

地磁传感器所测得的地磁数据中，微弱的地磁异常数据仅占极小的一部分，在地磁活动规律的研究基础上，研究如何从地磁传感器所测的大量地磁数据中将微弱的地磁异常信息提取出来。

（6）构造磁效应和震磁相关性

构造磁效应和震磁关系是本课题的理论基础，深入研究构造磁效应和震磁相关性的理论以指导地磁异常数据的提取和分析，并应用获取的地磁异常数据来研究相关的规律。

（7）地磁异常和水下地震与火山喷发相互关系与规律

以构造磁效应和震磁相关性为理论指导，研究地磁等变线变化、地磁低点位移、地磁日变异常等和水下地震与火山喷发的相互关系与规律，为将所测得的地磁异常数据应用于水下地震与火山喷发的监测提供理论指导。（8）地磁异常应用于水下地震与火山喷发监测预报技术

在地磁异常和水下地震与火山喷发相互关系与规律的理论指导下，研究应用地磁传感器测量并提取出的地磁异常信息来对水下地震与火山喷发的发生、发展过程进行监测，并研究对其进行预测预报的相关技术。这部分是本课题研究的主体，需要其它部分研究结果的支持。

（9）地磁异常应用于地磁匹配技术

在地磁异常和水下地震与火山喷发相互关系与规律和地磁异常应用于水下地震与火山喷发监测预报技术研究的基础上，反过来应用这些理论和技术更好地分析和提取地磁异常，从而提高地磁导航关键的地磁匹配技术的准确性和精度，从而促进地磁导航技术水平的提高。

3.2 拟解决的技术难点和可能的创新点

拟解决的技术难点有：地磁测量与信息处理技术、地磁异常数据提取分离技术、地磁异常应用于水下地震与火山喷发的监测与预报技术、地磁异常应用于地磁匹配技术等。

可能的创新点有：大量地磁数据的存储、处理和分析技术，微弱地磁异常数据的提取技术，水下地震与火山喷发和地磁异常的关系建模，地磁异常应用于水下地震与火山喷发的监测预报技术的建立、应用地磁异常提升地磁匹配准确性和精度的技术等

3.3 技术风险分析

潜艇地磁导航过程中地磁传感器所测得的大量地磁数据如何存储、处理，如何从大量磁测数据中提取出微弱的地磁异常信息，将是数据获取所要解决的难点；构造磁效应和震磁关系是本课题的理论基础，水下地震和火山喷发与地磁异常的关系的研究和准确建模是本课题研究的基础和关键；在相关理论和实证研究的基础上，能否将获取的地磁异常数据应用于水下地震与火山喷发建立监测与预报技术，并使相关技术达到一定的精确性和精度要求，将决定本课题目标是否达到。课题预期达到的目标、主要技术和经济指标 4.1 预期达到的目标

通过本课题的研究，建立将潜艇地磁导航磁测数据和地磁匹配技术应用于水下地震与火山喷发监测与预报的相关技术，包括地磁测量与信息处理技术、地磁异常数据提取分离技术、地磁异常应用于水下地震与火山喷发的监测与预报技术、地磁异常应用于地磁匹配技术等。本课题研究的技术将促进水下地震与火山喷发和地磁异常的相关规律、水下地震与火山喷发的监测与预报、地磁导航和地磁匹配技术的研究与发展。

4.2 主要技术和经济指标

地磁测量的精度、地磁信息处理的效率、地磁异常数据提取的准确性和精度、水下地震与火山喷发监测与预报技术的准确性等；研究的费用、相关技术实现的成本、监测与预报技术应用的收益等。课题拟采取的研究方法，课题技术路线及其可行性分析

本课题拟采取多种研究方法结合的综合研究方法，如理论分析、建模推演、实验验证、数据挖掘、相关分析、历史比较等。课题技术路线：利用潜艇地磁导航过程中地磁传感器所测得的大量实时地磁数据，从中提取分析地磁异常信息，研究水下地震与火山喷发和地磁异常的相互关系与规律；利用从所测地磁数据提取的地磁异常信息，以已有研究为依据，来监测水下地震与火山喷发发生与发展过程；对震磁关系的研究和水下地震与火山喷发的监测，提升地磁匹配技术的精度和准确性。本课题的研究建立在相关技术和理论研究的基础之上，所拟研究技术路线和方法具有相当的可行性。课题研究的年度进度及年度考核指标

本课题计划研究时长为三年，根据研究内容合理做好年度研究计划，本课题进行年度考核，考核指标为年度研究计划完成的情况。课题预期研究成果应用前景分析

本课题研究成果应用前景广泛，所建立的技术可应用于水下地震与火山喷发的监测，在地球物理、板块构造、地震监测与研究等领域均有广泛的应用，前景广阔，潜在用户为相关科研机构和业务部门。本课题对潜艇地磁导航磁测数据进行有效的再利用，提高了数据资源的利用效率，并将其应用于水下地震与火山喷发的监测之中，具有成本低、效益大的特点，经济和社会效益巨大。

参考文献

[1] 郭才发,胡正东,张士峰,蔡洪.地磁导航综述[J].宇航学报, 2009,(04).[2] 周军,葛致磊,施桂国,刘玉霞.地磁导航发展与关键技术[J].宇航学报, 2008,(05).[3] 张纯学.地磁导航技术及其应用[J].飞航导弹, 2004,(02).[4] 蔡兆云,魏海平,任治新.水下地磁导航技术研究综述[J].国防科技, 2007,(03).[5] 丁永忠,王建平,徐枫.地磁导航在水下航行体导航中的应用[J].鱼雷技术, 2009,(03).[6] 张琦,潘孟春,陈棣湘,吴美平.从潜艇磁测数据中分离地磁场的研究[J].探测与控制学报, 2008,(S1).[7] 崔秋文,陈英方,陈长林.地磁场研究与应用[J].国际地震动态, 2001,(06).[8] 王亶文.地磁场模型研究[J].国际地震动态, 2001,(04).[9] 丁鉴海,索玉成,余素荣.地磁场与电离层异常现象及其与地震的关系[J].空间科学学报, 2005,(06).[10] 张建国,刘晓灿,唐庭梅,马君钊.汶川地震前后中国大陆地磁场动态演化特征初步研究[J].地震研究, 2009,(03).[11] 王庆玺,欧阳小龙.利用地磁场总强度预测地震三要素初探[J].西北地震学报, 2001,(02).[12] 黄建平,丁鉴海,余素荣,申旭辉,杜则澄.地磁场大尺度变化特征分析[J].地震, 2008,(03).[13] 张建国,乔子云,吕凤章,马广庆,苗菊玲,刘水莲.河北省地磁场变化规律研究[J].地震地磁观测与研究, 2007,(03).5