磁偏角收敛角及相关知识

定向井开发中关于磁偏角收敛角及相关问题的研究北京华油阳光数码定向、导向部目录•1.磁偏角和子午线、重力收敛角概念•2.子午线的概念•3.磁偏角•4.地磁要素•5.常用物理量编辑•6.子午线收敛角•7.椭球面大地测量学•8.大地测量主题解算•9.大地坐标系的换算•10.大地测量投影•11.大地坐标系•12.高斯平面直角坐标系•13.关于子午线收敛角校正问题•14.井斜方位角•15.相关知识•16.重力收敛角的讨论1.磁偏角和子午线、重力收敛角概念•1.磁偏角：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，即磁子午线与地理子午线之间的夹角【磁即磁性：物质具有能吸引铁、钴、镍等金属的性质.矢量:既有大小又有方向的量。一般来说，在物理学中称作矢量，在数学中称作向量。在计算机中，矢量图可以无限放大永不变形】。•2.子午线收敛角：高斯平面上的真子午线与坐标纵线的夹角。即坐标纵线偏角，以真子午线为准，真子午线与坐标纵线之间的夹角。坐标纵线东偏为正，西偏为负。【子午1).指南北。古人以“子”为正北，以“午”为正南。唐苏颋《唐长安西明寺塔碑》：“揆阴阳之中，居子午之直，丛依观阁，层立殿堂。”《宋史·天文志一》：“南阳孔定制铜仪，有双规，规正距子午以象天；有横规，判仪之中以象地。”康有为《上清帝第六书》：“若针之子午未定，舵之东西游移，则徘徊莫适，怅怅何之？”(2).指夜半和正午。旧时计时法，以夜间十一时至一时为“子”时，以白昼十一时至一时为“午”时。唐吕岩《延寿》诗：“子午常餐日月精，玄关门户启还扃。”(3).现在的地图都采用上北下南】•3.重力收敛角：【收敛：收拢,合拢，会聚于一点;向某一值靠近收敛级数】由于地球是椭球体，任何两点的重力线不是平行的，这个由于两点不平行重力线相交引起形成的夹角。•子午方向示意图♂•上北•下南•左西•右东•重力[zhònglì]•约定研究重力要在静力学范围内，以放置物体的支撑物或物体自身为参照系。弹力、摩擦力、电场力等只作用在物体局部，不能使物体获得重量。能使物体获得重量的力只有万有引力和惯性力，因为它们都是同时作用在物体的每一个质元上。万有引力和惯性力的共同作用叫重力（gravity）。重力是矢量，其大小称作重量，单位是N。重力定义适用于宇宙中的天体、人造天体和飞行器。同一物体在不同情况下所受重力不同，大于正常值时说物体超重，小于时说失重。在地面附近做近似研究时，认为重力等于万有引力且是恒力，其加速度为常数，大小为9.8m/s。重力是由于地球的吸引而受到的力，任何物体对物体都有引力，叫万有引力。2.子午线的概念•子午线也称经线，和纬线一样是人类为度量方便而假设出来的辅助线，定义为地球表面连接南北两极的大圆线上的半圆弧线。•高斯平面：是高斯—克吕格平面直角坐标系的简称【将地球椭球体球面上的坐标投影到平面】。高斯投影的规律：(1)中央子午线的投影为一条直线，且投影之后的长度无变形；其余子午线的投影均为凹向中央子午线的曲线，且以中央子午线为对称轴，离对称轴越远，其长度变形也就越大；(2)赤道的投影为直线，其余纬线的投影为凸向赤道的曲线，并以赤道为对称轴；(3)经纬线投影后仍保持相互正交的关系，即投影后无角度变形；(4)中央子午线和赤道的投影相互垂直。•本初子午线示意图3.磁偏角•具有公共端点的两条射线组成的图形叫做角（angle）。这个公共端点叫做角的顶点，这两条射线叫做角的两条边。1.角的静态定义编辑2.角的动态定义编辑一条射线绕着它的端点从一个位置旋转到另一个位置所形成的图形叫做角。所旋转射线的端点叫做角的顶点，开始位置的射线叫做角的始边，终止位置的射线叫做角的终边。3.角的符号编辑角的符号：∠中华民族的祖先在3000年就发现了磁石的地磁现象。指南针就是利用地磁现象指引方向的重大发明。北宋时期沈括在《梦溪笔谈》中已经明确指出磁偏角的存在，现在很多领域和日常生活已经达到广泛应用。我们的地球具有磁场，称为地磁场。地磁场近似于一个放置在地心的偶极子.【定义：在自动控制原理中，实轴上一对距离很近的开环零点和极点，附近又没有其它零极点，我们把它们称为偶极子】地磁场的磁力线从磁南极出发，最后回到北极。地磁场分为稳定磁场和变化磁场两大部分。地磁场是由不同来源的磁场叠加起来构成的。•产生磁偏角的原因•其中最主要的部分来自地球的偶极子磁场，这是稳定磁场的主要部分，。地磁场还有一小部分来自固定地球的外部，包括大气层的电离层和磁层的流动、太阳的活动等，这是变化磁场的主要部分，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（RobertNorman）发现一根磁针用绳子在半中间吊起来，跟水平垂线方向形成一偏角，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。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，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。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。中华鲎【下一页有图】•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。•中华鲎4.地磁要素•地磁要素]geomagneticelement表示地球磁场方向和大小的物理量。地表某点的地磁场强度是个矢量，用T表示。研究这个矢量的参考坐标系选择如下：o坐标系的原点。位于研究点；x轴指向地理北，y轴指向地理东；z轴垂直向下，指向地心。在此座际系中矢量T在水平面的投影与x轴的夹角(即T的方位角)，称为偏磁角(D)。矢量T的倾角，称为磁倾角(I)。矢量T在坐标系的xoy水平面上及沿各坐标轴的投影H、X、Y和Z分别称为水平分量，北分量(x分量)、东分量(y分量)和垂直分量(z分量)。磁偏角、磁顿角、总磁场强度(T)及共各个分量，统称为地磁要素。地磁要素随时间而不断发生变化。确定某一点的磁场情况，需要三个要素，常用的是磁倾角、磁偏角和水平分量。5.常用物理量编辑•geomagneticelements•描述某点地磁场大小和方向的物理量。地磁要素常用的有7个，但确定一个向量有3个独立的分量就够了。O为测点，在直角坐标系中Ox指地理北，Oy指地理东，Oz垂直向下。F为地磁场总强度；H为F在水平面内的投影，称为水平强度或水平分量；X为H在Ox轴上的投影，称为北向强度或北向分量；у为H在Oy轴上的投影，称为东向强度或东向分量；Z为F在Oz轴上的投影，称为垂直强度或垂直分量；D为H偏离Ox轴即偏离地理北的角度，称为磁偏角，H向东偏为正；I为F同水平面的夹角，称为磁倾角，F向下倾为正。•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。•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。•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。•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。•地球磁场受到太阳风挤压•中国各地磁偏角【1975年】•地名磁偏角漠河11°00'齐齐哈尔9°54'哈尔滨9°39'长春8°53'满洲里8°40'沈阳7°44'旅顺6°35'北京5°50'天津5°30'济南5°01'呼和浩特4°36'徐州4°27'上海4°26'•太原4°11'包头4°03'南京4°00'合肥3°52'郑州3°50'杭州3°50'许昌3°40'九江3°03'武汉2°54'南昌2°48'银川2°35'台北2°32'西安2°29'长沙2°14'赣州2°01'•衡阳1°56'厦门1°50'兰州1°44'重庆1°34'遵义1°26'西宁1°22'桂林1°22'贵阳1°17'成都1°16'广州1°09'柳州1°08'东沙群岛1°05'昆明1°00'南宁0°50'湛江0°44'•凭祥0°39'海口0°29'拉萨0°21'珠穆朗玛0°19'西沙群岛0°10'曾母暗沙0°24'(东）南沙群岛0°35'(东）乌鲁木齐2°44'(东）6.子午线收敛角•子午线收敛角即坐标纵线偏角，以真子午线为准，真子午线与坐标纵线之间的夹角。坐标纵线东偏为正，西偏为负。在投影带的中央经线以东为图幅均为东偏，以西的图幅均为西偏。•坐标纵线东偏为正，西偏为负。在投影带的中央经线以东为图幅均为东偏，以西的图幅均为西偏。•子午线收敛角（convergenceofmeridian，Gaussgridconvergence）是地球椭球体面上一点的真子午线与位于此点所在的投影带的中央子午线之间的夹角。即在高斯平面上的真子午线与坐标纵线的夹角，通常用y表示。此角有正、负之分：以真子午线北方向为准，当坐标纵轴线北端位于以东时称东偏，其角值为正；位于以西时称西偏，其角值为负。某地面点此角的大小与此点相对于中央子午线的经差△L和此点的纬度B有关，其角值可用近似计算公式y=△L·sinB计算。坐标方位角：笛卡儿平面直角坐标系中平行于纵坐标轴的方向与某一方向的夹角。子午线收敛角：高斯平面上的真子午线与坐标纵线的夹角。坐标方位角是测量的