地磁场平静变化的统计建模与预测

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1、http://www.paper.edu.cn地磁场平静变化的统计建模与预测齐玮李夕海刘代志（第二炮兵工程学院，西安，710025）摘要：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的问题，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。关键字：地磁场平静变化

2、季节性ARIMA模型地磁导航StatisticalModelingfortheQuietVariationsofGeomagneticFieldQiWei,LiXihai,LiuDaizhi(TheSecondArtilleryInstituteofEngineering,Xi’an,710025)Abstract:Tosatisfythepracticaldemandofgeomagneticnavigation,wefirstlyproposetheproblemtomodelthequietvariations

3、ofgeomagneticfield.AndthenweestablishsevenseasonalARIMAmodelsforsevengeomagneticelements.Fromtheevaluationofmodels’onesteppredictions,wefindthatZelementandIelementarethebesttwoelementsforgeomagneticmatchingifthehorizontalcanbeadjustedaccurately.Ontheotherhandif

4、itisverydifficulttoadjustthehorizontal,asfarasweareconcerned,theFelementisawisechoice.WealsogivetheconceptofminimumdisturbanceelementandtrytofinditbythemethodofPCAattheendofthispaper.Keywords:geomagneticfield,quietvariations,seasonalARIMAmodel,geomagneticnaviga

5、tion1.问题的提出“鱼沉雁渺”常喻音信皆无，“燕足系诗”可望良人得之。“鱼燕寄尺素”固然被古人添加了许多浪漫主义色彩，但是鱼雁识途却确有其事，除此之外海龟、大马哈鱼、多刺龙虾、知更鸟等许多动物也有如此神通，至于飞鸽传书更是不足为奇。研究表明：动物的这种“导航定位”机能与地磁场密不可分。既然地磁场导航能被动物运用，那么类似的机理可否服务于人类社会呢？答案是肯定的。早在20世纪90年代，美国科学家Pasiaki和Bar-Itzhack便提出了低轨卫星地磁导航的[1],[2]一系列技术；本世纪初赵敏华等人研究了基于三轴

6、磁强计的低轨卫星的定轨问题，并进[3],[4],[5],[6]行了仿真实验；文献[7]和[8]研究了地磁/惯性联合导航的几种方法；郝燕玲等人初[9]步分析了地磁匹配用于水下载体导航的若干问题。郝氏认为制约水下载体地磁导航的关键因素有三：一是地磁图和地磁场模型的制约；二是环境磁场的影响；三是变化磁场的影响。问题虽多，本文专述其一：“变化磁场的影响”。地球变化磁场更准确地说应该称作瞬变磁场（transientgeomagneticfield），它不包括地磁场的长期变化。按照形态特征，大致可以把地球瞬变磁场分为平静变化和扰

7、动变化两大类。前者比较规则，主要包括太阳静日变化和太阴日变化；后者较不规则，包括磁暴、地磁亚暴、钩扰、湾扰等。郝燕玲等人虽然指出变化磁场是制约水下载体地磁导航的关键因素之一，但并未给出解决问题的方法。笔者以为，地磁导航应讲究因时制宜和因地制宜，复合制导方为良策。所谓国家自然科学基金（60705001）和第二炮兵工程学院科技创新基金（XY2007JJ08）资助1http://www.paper.edu.cn因时制宜指的是：地磁场有时扰动剧烈，有时较为平静，扰动剧烈时（比如磁暴发生时）则放弃地磁匹配转而使用其它导航方法

8、。具体说来，可以通过地磁活动指数,比如说K指数，来监视地磁场，当地磁场的扰动达到一定程度时便放弃地磁导航。为此笔者设计了一种基于[10]径向基神经网络的K指数实时标定方法，可供参考。而因地制宜指的是：地磁场的扰动成分虽多，但不同的扰动成分有着不同的地域分布特点，因此可以在不同的地域专注不同类型的地磁扰动，如果这些磁扰可以通过滤波技术消除则消除之