基于张衡一号卫星数据的中国区域岩石圈磁场球冠谐分析

张衡一号卫星于2018年2月成功发射升空,卫星上搭载有测量地磁场的高精度磁强计,包括标量和矢量磁力仪.本文基于张衡一号卫星2018年3月—2022年5月的标量磁测数据,利用球冠谐分析进行中国区域的岩石圈磁场建模工作.首先选取地磁活动平静时期(Kp≤2o)的夜侧数据,来减少外源场的影响;然后,利用CHAOS-7模型计算值去除主磁场和外源场,得到岩石圈磁异常值,再利用球冠谐分析进行中国区域的地磁场建模,得到最大阶数为53.17(对应地表波长为752 km)的球冠谐模型.该模型可以明显揭示出中国及邻区的主要岩石圈磁异常,包括位于我国塔里木盆地、四川盆地、松辽盆地和境外的贝加尔湖、孟加拉盆地附近的高值磁异常,以及位于青藏高原南部的东西向低值磁异常.为了对模型结果进行进一步分析,将其与Swarm-A卫星数据球冠谐建模结果和CHAOS-7球谐模型结果在不同高度上进行了对比,主要磁异常的分布基本一致,而且在向下延拓到100 km高度时,本文的模型也能够提供比较稳定的结果,但是在幅值和磁异常形态细节上存在一定差异.     

CHAMP卫星时代全球岩石圈磁场模型的近似误差估计

岩石圈磁场模型的误差估计是地磁导航、定量地球物理与地质解释的重要基础.本文基于统计学观点,将由CHAMP卫星磁测数据构建的系列具有代表性的全球岩石圈磁场模型视为随机观测信号,对其在球谐域与空间域分别进行平均值与标准差的统计分析,得到CHAMP卫星时代全球岩石圈磁场模型的球谐域与空间域近似误差水平、误差分布特征、不同类型磁场分量之间的误差比例关系以及全球岩石圈磁场能量与误差水平随高度的衰减特征.本文所提的误差估计方法与结果,尽管存在一定的近似,但是可以为估计与了解岩石圈磁场模型在球谐域与空间域的误差水平与分布特征提供参考资料与定量依据.     

基于CHAMP卫星与地面矢量数据联合建立中国地磁模型

首先对地面台站以及CHAMP卫星的矢量磁测数据进行预处理,结合12个子午工程台站最新的磁测数据,并利用第十二代国际地磁参考场模型(IGRF12)对不同数据归算至统一时间点,再结合第四代地磁场综合模型(CM4)计算并移除主磁场、磁层磁场、电离层磁场、感应磁场及较为微弱的环形场,最后通过球冠谐(SCH)模型联合建立了中国地区岩石圈磁场(地磁要素X、Y、Z和总强度F)的球冠谐模型(SCH2000),结合IGRF12得到了中国地磁模型(CGRF2000).建模同时考虑了测点数据海拔高度的影响,并讨论了截断阶数的选取以及边界效应的控制问题.通过比较均方偏差(RMS),认为8阶SCH2000模型可较好地反映中国地区岩石圈磁场,其分布与SCH1936、CM4以及Taylor多项式模型具有一定的相似性.从位置和强度来看,SCH2000模型所反映的岩石圈磁场更为准确,而与CM4存在一定差异,除了测点不同,截断阶数也是原因之一.通过验证,SCH2000模型各要素随高度的变化与CM4模型较为一致,所建立的CGRF2000与IGRF12模型的分布也较为相似.     

欧洲及其邻区MAGSAT卫星磁异常冠谐模型

通过对欧洲及其邻近地区 MAGSAT 卫星黎明资料进行了处理,得到1°×1°卫星磁异常网格值。本文使用冠谐分析方法,计算该地区卫星矢量磁异常（ΔX,ΔY,ΔZ）冠谐模型。球冠极点位于33°N和26°E,球冠半角为40°.冠谐模型的截断指数为18。根据卫星磁异常冠谐模型和地磁场球谐模型 DGRF1980,计算卫星总强度磁异常（ΔF）的冠谐一球谐模型。根据卫星磁异常的理论模型,计算并绘制不同高度（300,400,500km）的理论卫星磁异常图。对冠谐模型和大磁异常进行了分析和讨论。     

中国及邻近地区卫星总强度磁异常的三维结构

根据卫星磁异常（△Ｘ，△Ｙ，△Ｚ）的球冠谐和模型和地磁场的不谐模型，得到了卫星总强度磁异常（△Ｆ）的三维模型，计算出中国及邻近地区不同高度（ｈ＝０，１００，２００，３００，４００，５００ｋｍ）的卫星磁异常，绘制出相应高度的总强度磁异常分布图。讨论和分析了卫星总强度磁异常的分布特征，以及卫星磁异常随高度的变化。     

卫星重磁数据球坐标系下正反演方法研究进展

卫星重磁观测数据覆盖范围广、更新周期快是现代地球物理中重要的数据类型之一.随着卫星重磁观测技术的不断发展,卫星重磁观测数据的精度和分辨率得到了大幅提高,被广泛的应用于探索地球、月球、火星等天体内部物质分布、结构、构造等地学问题的研究.在研究过程中,对卫星重磁数据选择合适的处理和反演方法是后续能否进行精确分析解释的重要前提.基于球坐标系下的卫星重磁数据解算、正、反演方法为大尺度地学问题的球面研究为更贴近于实际地质情况提供了方法技术支持.本文针对卫星重磁数据的曲面数据和大尺度应用研究的特点,对近年来提出的球坐标系下Tesseroid单元体的正、反演方法进行了较为全面的阐述.可为国内同行深入了解卫星重磁数据在球坐标系下的研究现状和开展进一步的研究提供参考,促进卫星重磁数据在我国地球系统科学领域中发挥更大作用.     

地壳磁异常的全球模型

从全球磁场减去地核主磁场和变化磁场及其感应磁场后,就得到岩石圈磁场,又称地壳磁场,或地磁异常.地壳磁场是地磁场的重要组成部分,对导航、通信、地球物理勘探等有重要意义.本文简要综述近年来在地壳磁场基本信息获取方面取得的重大进展,特别是Oersted、CHAMP等卫星磁侧的最新成果,介绍在此基础上建立的全球磁异常模型,展望地壳磁场研究的发展趋势和应用前景.     

利用SWARM卫星高低跟踪探测格陵兰岛时变重力信号

GRACE重力卫星任务即将结束,后续GRACE Follow-On卫星计划于2017年发射,在此期间,迫切需要一个新的卫星计划继续对全球时变重力场进行连续监测,以保证时变重力场信息时间序列的连贯性.SWARM计划包括三颗轨道高为300~500 km的近极轨卫星星座,类似于三颗CHAMP卫星,具有接替时变重力场探测的潜力.本文首先分析SWARM(模拟)、CHAMP、GRACE反演至60阶时变重力场球谐系数的误差特性及不同高斯平滑半径对高频误差的抑制效果,然后分别利用SWARM、CHAMP、GRACE的时变重力场模型恢复全球质量变化,结果表明,SWARM模拟观测数据的高频误差低于CHAMP观测数据,探测时变重力场的整体精度优于CHAMP,略低于GRACE探测精度;其次,对比2003年1月—2009年12月期间CHAMP(hl-SST)和GRACE(ll-SST)时变重力场模型反演格陵兰岛冰盖质量变化趋势,结果显示,CHAMP数据得到格陵兰岛冰盖质量变化趋势为-50.2±2.0 Gt/a,GRACE所得结果为-41.2±1.6 Gt/a,两者相差21.8%;最后,对比2000年1月—2004年12月间SWARM模拟数据和"真实"模型数据反演的格陵兰岛冰盖质量变化趋势,结果表明,两者相差19.2%.本文研究表明,利用SWARM hl-SST数据探测时变重力场可以达到20%相对精度水平,有潜力用于填补GRACE和GRACE Follow-On期间探测地球时变重力场的空白.     

塔里木盆地高分辨率卫星磁异常特征

本文使用美国国家地球物理数据中心(NGDC)提供的岩石圈磁场球谐模型的球谐系数,计算了塔里木盆地16~720阶、高度为0 km的垂向分量ΔZ,反映了塔里木地区高分辨率的卫星磁异常特征.盆地北部和南部的磁性特征明显不同,分界线大体在北纬40°附近,北部表现为东西向的负异常,南部表现为正异常特征,整体呈北东走向,中部被北西向异常所叠加.结合区域地质背景,对盆地内部的磁异常特征综合分析表明,盆地基底可能并非一个完整块体,而是由多个古老地块拼合而成.     

基于能量衰减法利用CHAMP卫星精密轨道数据反演热层大气密度

利用CHAMP卫星精密轨道数据,使用新的反演方法,即能量衰减法反演了热层大气密度,并将反演结果与加速度计数据反演的大气密度以及经验模式结果对比.主要结论如下:(1)利用卫星精密轨道数据,可以使用能量衰减法反演热层大气密度,其反演结果与半长轴衰减法一致;(2)反演密度的时间间隔与反演精度相关.对于CHAMP卫星,采用20min左右的积分时间较为合适;(3)应用能量衰减法反演密度,可同时对加速度计数据进行标定;(4)使用精密轨道数据反演密度精度与卫星高度、地方时等相关.     

Geomagnetic field mapping from a satellite: Spatial power spectra of the geomagnetic field at various satellite altitudes relative to natural noise sources and instrument noise

For a low-level geomagnetic satellite survey, for which the motion of the satellite converts spatial variation into temporal variation, the limit on accuracy may well be background temporal fluctuations. The sources of the temporal fluctuations are current systems external to the Earth and include currents induced in the Earth due to these sources. The internal sources consist primarily of two components, the main geomagnetic field with sources in the Earth's core and a crustal geomagnetic field.Power spectra of the vertical geomagnetic field internal component that would be observed by a spacecraft in circular orbit at various altitudes, due to satellite motion through the spatially varying geomagnetic field, are compared to power spectra of the natural temporal fluctuations of the geomagnetic field vertical component (natural noise) and to the power spectrum for typical fluxgate magnetometer instrument noise. The natural noise is shown to be greater than this typical instrument noise over the entire frequency range for which useful measurements of the geomagnetic field may be made, for all geomagnetic latitudes and all times. Thus there would be little benefit in reducing the instrument noise below the typical value of 10^?4 gamma² Hz^?1 plus a 1/f component of 10 milligamma rms decade^?1.For a given satellite altitude, there is a maximum frequency above which the natural noise is greater than the power spectrum of the crustal geomagnetic field vertical component. Below this maximum frequency, the situation is reversed. This maximum frequency depends on geomagnetic latitude (and to a lesser extent on time of day and season of year), being lower in the auroral zone than at lower latitudes. The maximum frequency is also lower at higher satellite altitudes. The maximum frequency determines the spatial resolution obtainable on a magnetic field map. The spatial resolution (for impulses) obtainable at low latitudes for a 100-km satellite altitude (possibly achievable by tethering a small satellite at this altitude to a space vehicle at a higher altitude) is 60 km, while at the auroral zone the obtainable spatial resolution is 100 km. At the higher satellite altitude of 300 km the obtainable spatial resolution is 230 km at low latitudes and 530 km at the auroral zone. At 500-km satellite altitude, the obtainable spatial resolution is 500 km at low latitudes, while maps cannot be made at all for the auroral zone unless the data are selected for “quiet” days.For the lower satellite altitudes, greater spatial resolution can be obtained than at higher altitudes. Furthermore since the crustal geomagnetic field power spectrum is larger at lower altitudes, the relative error due to the natural noise is less than for higher altitudes.     

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。     

基于GRACE Follow-On卫星重力梯度法精确反演地球重力场

由于GRACE Follow-On双星系统等效于基线长为星间距离的一维水平重力梯度仪,因此本文基于GRACE Follow-On卫星重力梯度法开展了精确和快速反演下一代地球重力场的可行性论证研究. 研究结果表明：第一,基于GRACE Follow-On卫星重力梯度法（GFO-SGGM）,利用卫星轨道参数（轨道高度250 km、星间距离50 km、轨道倾角89°、轨道离心率0.001）、关键载荷测量精度（星间距离10^-6 m、星间速度10^-7 m·s^-1、星间加速度10^-10 m·s^-2、轨道位置10^-3 m、轨道速度10^-6 m·s^-1、非保守力10^-11 m·s^-2）、观测时间30天和采样间隔10 s反演了120阶地球重力场,在120阶处累计大地水准面精度为9.331×10^-4 m. 第二,在120阶内,利用将来GRACE Follow-On双星反演地球重力场精度较现有GRACE双星平均提高61倍,因此GRACE Follow-On卫星重力梯度法是进一步提高地球重力场反演精度的优选方法. 第三,下一代GRACE Follow-On计划较当前GRACE计划的优点如下：轨道高度更低（200~300 km）、载荷精度更高（10^-7 ~10^-9 m·s^-1）和星间距离更短（50~100 km）.     

Interpretation of the short period variations in geomagnetic anomalies of Shaanxi region

1BriefintroductionoftheanomaliesofshortperiodgeomagneticvariationsinShaanxiAtemporarymeasurementprofilecomposedofmeasurementsitesofShiquan,Foping,Banfangzi,Zhouzhi,Wugong,Qianling,BinxianandNingxian,whichisbasicalalongnorth-southdirectionfromShiquaninthesouthernpartofShaanxitoNingxianinGansu,wassetupandsimultaneousobservationofthree-componentgeomagneticshortperiodvariationswereperformedateightsitesduringSeptemberof1996.Observationalresultsshowthatthereisareversalaxisofgeomagneticverticalv…     

飞行高度同时反演的固定翼航空瞬变电磁-维反演

航空电磁测量记录中,不仅感生电动势测量数据有观测误差,而且高度计测量数据也有误差,直接进行常规反演往往导致反演结果不可靠,研究飞行高度数据有误差下的反演算法具有实际意义.本文以层状模型的固定翼时间域航空电磁多分量理论响应数据为例,提出了两种针对飞行高度计记录数据有误差时的正则化反演算法,一个是自适应正则化反演方法,另一...     

高压直流输电线对甘肃地磁观测的影响分析及应对措施

随着国家电网建设规模的不断扩大,越来越多的高压直流输电工程陆续投入使用,对线路两侧的地磁观测资料造成了不可避免的影响。目前有5条高压直流输电线路对甘肃地磁台站的观测造成一定程度的干扰。通过单台及多台观测资料对比的方法,识别高压直流输电线对地磁观测资料的影响,研究干扰特征,对正确预处理观测资料有重要的意义。结果表明:①高压直流输电对地磁Z分量影响明显,D、H分量不明显;②对地磁观测影响产生的形态主要表现为方波型、缓变型、梯形型、复合型等。通过总结高压直流输电对地磁观测资料影响特征及形态,有助于正确预处理观测资料及为今后实现计算机自动化处理提供依据。     

The distribution characteristics of short period geomagnetic variations in Shaanxi region

ｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＴｈｅｖａｒｉａｔｉｏｎｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄｏｆｔｈｅＥａｒｔｈｃｏｎｔａｉｎｓａｂｕｎｄａｎｔｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ,ｓｕｃｈａｓｔｈｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｒｅｌａｔｉｖｅｔｏｓｏｌａｒａｃｔｉｖｉｔｙ,ｓｏｌａｒｔｅ...     

Changes of lithospheric magnetic anomalies with altitude (According to the CHAMP satellite)

Maps of the magnitude of the full vector and the vertical component of an anomalous lithospheric magnetic field over the Voronezh anticline (VA) for the three high-altitude observation levels were compiled based on geomagnetic measurements from the CHAMP satellite. The isometric positive anomaly centered at about 50° N and 37° E stands out. Its amplitude decreases with increasing observation altitude without changing the form. Comparison of the parameters of the detected anomaly with data obtained for this site by other methods confirms that it really exists and that its spatial position is accurately determined, which indicates the reliability of the values of the selected field of lithospheric anomalies. The change in the parameters of the magnetic anomaly with respect to the observation level over the Earth’s surface is consistent with the concepts of geological structural features of the lithosphere in the region. The anomaly offset to the south on the satellite altitudes apparently indicates an uplift of crystalline basement rocks and a more southern position of VA deep roots relative to that accepted in the global magnetization model. The use of satellite data obtained at different altitudes opens up additional possibilities for the application of gradient methods in the interpretation of the magnetic fields of lithospheric anomalies.     

一种新型重力测量卫星系统确定全球重力场的性能分析

本文设计了一种高-低卫星跟踪卫星、低-低卫星跟踪卫星和卫星重力梯度测量相结合的新型重力测量卫星系统,其可在一定程度上发挥卫星重力梯度和低低卫星跟踪卫星两种测量模式各自的优势.基于重力卫星系统指标设计的半解析法,深入分析了不同重力测量卫星系统配置和不同观测量及其不同白噪声水平情况下,新型卫星重力测量模式反演重力场模型的能力.数值模拟分析结果表明：在观测值精度和星间距离相同的条件下,轨道高度是影响重力场反演精度的关键因素;随着星间距离的增大,高频重力场信号反演精度会先提高后降低,轨道高度在200~350 km之间时,星间距离在150~180 km之间时反演精度最优;星间距离变率和卫星重力梯度两类观测值仅在某些精度配置时可达到优势互补,如果某一类观测值精度很高,则另一类观测值在联合解算时贡献非常小或者没有贡献.在300 km轨道高度,若以GRACE和GOCE任务的设计指标1 μm·s^-1/√Hz和5 mE/√Hz来配置新型重力测量卫星系统中星间距离变率和引力梯度观测值的精度,联合两类观测值解算200阶次模型大地水准面的精度比独立解算分别提高1.2倍和2.8倍.如果以实现100 km空间分辨率1~2 cm精度大地水准面为科学目标,考虑卫星在轨寿命,建议轨道高度选择300 km,星间距离变率和卫星重力梯度的精度分别为0.1 μm·s^-1/√Hz和1 mE/√Hz.本文的研究成果可为中国研制自主的重力测量卫星系统提供参考依据.     

地震地磁场野外观测同步控制系统研制与应用

针对地震地磁野外观测的需求,开发研制了一种基于无线网络的野外同步观测系统。该系统主要由接口单元、采集控制(CPU)单元、无线单元、传输网络、计算机控制中心等组成。该系统操作简单,实用性强,具有远程唤醒及休眠、校时等服务功能,也可应用到地磁台阵的数据传输与同步工作中。