两种典型磁扰对航空磁测的影响

引用本文

徐东礼, 范正国, 舒晴, 叶挺明, 陈浩. 两种典型磁扰对航空磁测的影响[J]. 物探与化探, 2015,39(2): 362-365.
XU Dong-Li, FAN Zheng-Guo, SHU Qing, YE Ting-Ming, CHEN Hao. The influence of two typical kinds of magnetic disturbance on the airborne magnetic survey[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2015,39(2): 362-365.
Doi:10.11720/wtyht.2015.2.25 复制到剪切板

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两种典型磁扰对航空磁测的影响

徐东礼, 范正国, 舒晴, 叶挺明, 陈浩

中国国土资源航空物探遥感中心,北京 100083

作者简介: 徐东礼(1965 - ),男,山东威海人,1987年毕业于中国地质大学(武汉)物探系,长期从事航空物探生产和技术工作。

收稿日期: 2014-05-12

基金: 中国地质大调查项目(1212011087011)

摘要

磁扰是磁暴发生期内间断性出现的地磁场扰动变化,可以出现在磁暴的不同阶段,其幅度和形态与磁暴的规模和类型相关,规模较大的磁暴期间出现的磁扰比规模较小的磁暴期间出现的磁扰幅度大、频次高、持续时间长。研究发现,实际生产中最常见的磁扰幅度一般在几纳特至十几纳特,形态主要呈线性梯度变化和非线性扰动变化,这两种典型磁扰对磁测结果均有影响,经过磁日变校正能够消除。结合生产实例,探讨了磁日变校正对消除磁扰的作用。

关键词: 地磁场; 航空磁测; 磁扰; 内符合精度; 磁日变校正

中图分类号:P631.2 文献标志码:A 文章编号:1000-8918(2015)02-0362-04

The influence of two typical kinds of magnetic disturbance on the airborne magnetic survey

XU Dong-Li, FAN Zheng-Guo, SHU Qing, YE Ting-Ming, CHEN Hao

China Aero Geophysical Survey and Remote Sensing Center for Land and Resources,Beijing 100083, China

Abstract

Magnetic disturbance is disturbance change of Earth magnetic field which occurs discontinuously during the occurrence of magnetic storm. It can happen at different stages of magnetic storm, Its range and shape are related to the scale and type of magnetic storm. The magnetic disturbance that occurs during magnetic storm of rather large-scale shows larger range and higher frequency and lasts longer period than that during magnetic storm of fairly small-scale.Researches show that the range of magnetic disturbance in practical work varies between several nanotesla to more than ten nanotesla, and the shape mainly exhibits linear gradient variation and nonlinear disturbance variation. These two typical kinds of magnetic disturbance both affect the result of magnetic survey, and can be eliminated through magnetic diurnal variation correction. In combination with practical work, this paper deals with the utilization of magnetic diurnal variation correction to eliminate magnetic disturbance.

Keyword: Earth magnetic field; airborne magnetic survey; magnetic disturbance; precision of internal coincidence; magnetic diurnal variation correction

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地球周围存在的磁场称为地磁场, 地磁场是一个矢量场, 在磁法勘探中通常测量的是地磁总场强度的模量值, 其中包含了地球基本磁场、磁异常场和变化磁场。地球基本磁场也可认为是地磁正常场, 在磁力勘探中被当作背景场, 可通过国际地磁参考场(IGRF)模型进行地磁正常场校正; 磁异常场是地壳内的岩石矿物及地质体在基本磁场磁化作用下所产生的磁场, 是磁法勘探研究的主要对象, 磁异常场是无法通过仪器直接观测到的, 但可通过测量地磁总场强度模量值, 再经地磁正常场校正和变化场校正获得, 即Δ T磁异常。变化磁场是叠加在地球基本磁场上的变化场, 在磁力勘探中属于干扰场, 应加以去除^{[1, 2]}。变化磁场包括长期变化场和短期变化场, 长期变化场起源于地球内部场源随时间的缓慢变化, 周期一般为数十年甚至更长, 这部分影响相对于测量周期较短的区域磁测来说影响甚微, 而短期变化场主要起因于地球外部场源的变化, 包含周期性出现、平缓而有规律的平静变化(如地磁日变), 以及偶然发生、幅度不定的扰动变化(如磁暴或磁扰)。

磁暴是一种剧烈的全球性地磁扰动现象, 当太阳表面活动旺盛, 特别是在太阳黑子极大期时, 太阳表面的闪焰次数增加, 并辐射出X射线、紫外线、可见光及高能量的质子和电子束, 其中的带电粒子(质子、电子)形成的太阳风以每秒数百甚至上千公里的速度向外抛射, 冲击地球磁场, 引发地球磁场突变, 形成磁暴。一个完整磁暴周期起始于地面磁场强度的增加, 称为磁暴急始, 在数小时内, 地磁场水平分量较平静值变大, 一般为数十纳特, 磁照图相对稳定, 这段期间称为磁暴初相; 之后, 水平分量很快下降到极小值, 下降时间约半天, 期间磁照图起伏剧烈, 为磁暴活跃期, 称为磁暴主相; 水平分量下降到极小值后开始缓慢回升, 数天后恢复平静, 这段期间称为磁暴恢复相。磁扰是磁暴发生期内间断性出现的地磁场扰动变化, 可以出现在磁暴的不同阶段, 也称为暴间磁扰, 磁扰的幅度和形态与磁暴的规模和类型相关, 规模较大的磁暴期间出现的磁扰比规模较小的磁暴期间出现的磁扰幅度大、频次高、持续时间长^{[3, 4, 5]}。磁暴强度划分上, 一般把D_st指数不超过50 nT的磁暴称为小规模磁暴, 50~100 nT的磁暴称为中等规模磁暴, 100~200 nT的磁暴称为大磁暴, 超过200 nT的磁暴属于超强磁暴^[6], 不同规模的磁暴均对磁测结果产生显著影响, 因此地面高精度磁测技术规程和航空磁测技术规范中均有在磁暴发生时停止作业的规定^{[7, 8]}。那么不同的磁扰对磁测结果的影响程度究竟如何?研究发现, 磁扰主要呈线性梯度变化和非线性扰动变化两种典型形态, 其幅度一般在几纳特至十几纳特。客观上说, 磁扰是干扰场, 即使是几纳特的扰动也足以影响航空磁测数据的准确性。那么这两种典型磁扰对磁测结果的影响程度究竟如何?通过磁日变校正, 是否能够有效消除这种影响?笔者在多个工区的航磁测量中, 观测并分析了数起呈线性梯度变化和非线性扰动变化的磁扰实例, 并选择在磁静日对受影响测线进行了重飞, 通过对重飞前、后的磁异常结果对比分析, 初步揭示了这两种典型磁扰对航空磁测结果的影响程度, 以及磁日变校正对降低甚至消除其影响所起的作用, 这对高精度航空磁测具有现实意义。

1 磁扰影响程度分析方法

基于磁法勘探理论, 航空磁测中测得的总磁场强度模量值T, 经过正常场改正后, 获得了Δ T磁异常(记为Δ T_校正常场), 再经过日变校正, 可初步获得由磁性岩矿石和地质体引起的Δ T磁异常(记为Δ T_校磁日变)。显然, Δ T_校正常场中包含了磁日变的成分, 在磁扰日观测时也包含了磁扰的成分。从理论上讲, 如果磁日变观测站设置合理, 观测到的磁日变与测线上的磁日变完全一致, 并且地面磁日变观测系统与空中测量系统的收录时间完全同步, 那么磁日变校正应该能够将变化场中的平静变化和扰动变化部分完全消除, 获得的最终Δ T_校磁日变磁异常将是地下磁性岩矿石和地质体的真实反映。但是实际情况不会是理想的, 通常磁日变站观测到的结果, 与测线上实际的磁日变会存在一定的差别, 随着两者之间距离的增加, 尤其是当两者在不同地理纬度上距离增加时, 差别也会随之增大^{[9, 10]}, 当两者之间的距离较近时, 其差别往往可以被忽略。因此地面高精度磁测技术规程和航空磁测技术规范中均对磁日变站的控制距离有明确规定^{[7, 8]}。通过选择在磁静日对受影响测线进行重复观测(重复飞行的航迹和离地高度与首次飞行一致), 我们可以获得同一测线在磁扰日和磁静日两次观测的Δ T_校磁日变磁异常剖面, 依据航磁重复线测量质量评价方法^{[11, 12, 13, 14, 15, 16]}, 计算出两者的内符合精度值, 可以衡量两次观测结果的一致性。很明显, 内符合精度值越小, 说明两者一致性越好, 亦即磁日变校正对消除磁扰影响效果越好; 反之, 内符合精度值越大, 则说明两者一致性越差, 亦即磁日变校正对消除磁扰影响的效果不好。同理, 通过两次观测的Δ T_校正常场磁异常剖面(未经磁日变校正)进行对比和内符合精度计算结果, 可以衡量未经磁日变校正情况下磁扰对测量结果的影响程度。

根据上述分析, 我们先计算磁扰日和磁静日两次观测的Δ T_校正常场磁异常内符合精度(δ _前), 衡量磁日变校正前磁异常的重合程度; 再计算两次观测的Δ T_校磁日变磁异常内符合精度(δ _后), 衡量磁日变校正后磁异常的重合程度。并依据公式

$\begin{matrix} R = δ_{前} / δ_{后} \end{matrix}$

计算磁日变校正对磁扰影响的改善率, 式中, δ _前为两次观测结果未经磁日变校正时的内符合精度, δ _后为经过磁日变校正后的内符合精度, R为改善率, 衡量磁日变校正对磁扰影响的改善程度。R值大于1, 说明磁日变校正对测量结果有改善; R值小于等于1, 则说明磁日变校正对测量结果无改善。很明显, 由于磁日变中包含了磁扰的成分, R值越大, 说明磁日变校正对消除磁扰影响的效果越好。

2 应用实例

2.1 线性梯度变化磁扰的影响

2010年4月12日发生了磁扰, 磁日变出现较大的变化, 影响到海南某工区的一条测线, 记录显示在14:04~14:09的5分钟时段内, 磁日变线性梯度变化幅度达22 nT(图1), 磁日变的梯度变化使该条测线磁场观测值形成了台阶, 事后选择磁静日对该测线进行了重飞。

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	图1 海南某工区磁日变部分记录

通过绘制该测线在磁扰日和磁静日两次观测的、经正常场(IGRF)校正后的Δ T磁异常剖面(图2), 清晰地观察到在磁日变开始梯度变化之前, 两次观测的Δ T磁异常形态和强度基本一致, 但是随着磁日变的线性梯度下降, Δ T磁异常出现了相同梯度的偏离, 重合度变差, 可见这段呈线性梯度变化的磁扰, 对磁测结果的影响是非常明显的。计算磁日变校正前两条磁异常曲线的内符合精度δ _前为5.218 nT, 这个值越大, 重合度越不好。一般来说, 一段质量较好的重复线的内符合精度值一般为1 nT左右再绘制经磁日变校正后的Δ T磁异常剖面图(图3), 可见, 经过磁日变校正, 在磁扰日测量获得的Δ T磁异常与磁静日重复观测的结果重合度非常好, 其内符合精度δ _后为1.620 nT, 远小于δ _前的结果。根据公式(1), 计算改善率R为3.221, 说明经过磁日变校正后两次观测的Δ T磁异常一致性提高3倍以上。

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	图2 两次观测的Δ T磁异常剖面(校磁日变前)

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	图3 两次观测的Δ T磁异常剖面(校磁日变后)

本例中的磁扰, 使磁日变产生了22 nT/5 min的线性梯度变化, 但通过磁日变校正获得的Δ T磁异常, 取得了与磁静日重复观测几乎同样的结果, 说明此类规模、呈线性梯度变化的磁扰, 能够通过磁日变校正而有效消除。

2.2 非线性梯度变化磁扰的影响

2008年12月31日出现磁扰, 影响到山西某工区的一条测线, 磁日变记录显示在14:55~15:15之间, 磁日变出现连续扰动变化, 磁扰的最大变化率为7.5 nT/3min(图4), 超过规范要求, 事后对该测线进行了重飞。

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	图4 山西某工区磁日变记录

绘制该测线在磁扰日和磁静日两次观测的、经正常场(IGRF)校正后的Δ T磁异常剖面(图5), 可见, 两者的重合度不好, 尤其是在磁扰最大变化率出现的位置两者偏离更为明显, 计算显示此时的内符合精度δ _前为2.253 nT, 说明因磁扰影响, 两次观测到的Δ T磁异常在未经磁日变校正情况下一致性较差。

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	图5 两次观测的Δ T磁异常剖面(磁日变校正前)

再绘制经磁日变校正后的Δ T磁异常剖面(图6), 可见, 经过磁日变校正, 磁扰日获得的Δ T磁异常与磁静日的结果重合度大为改善, 在磁扰最大变化率位置两者基本重合, 计算显示此时的内符合精度δ _后为1.581nT。根据公式, 计算改善率R为1.425, 说明经过磁日变校正后, 两次观测的Δ T磁异常一致性提高近1.5倍, 结合剖面图可见, 通过磁日变校正, 取得了与磁静日几乎同样的观测结果, 说明此类规模、呈非线性变化的磁扰, 也能够通过磁日变校正而有效消除。

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	图6 两次观测的Δ T磁异常剖面(磁日变校正后)

3 结论

通过对多个工区的生产实例进行研究和总结, 初步得出以下结论。

航空磁测生产中常见的、呈线性梯度变化和非线性扰动变化的两种典型磁扰, 对航空磁测结果仍会产生较为明显的影响, 但是经过磁日变校正, 这种影响能够被降低甚至消除, 获得的最终△ T磁异常与在磁静日重复观测的结果基本一致。这充分说明了磁日变观测的重要性, 也证明了严格按照规范进行磁日变站选址、空地仪器校时, 对提高磁日变观测质量, 进而提高整个工区的航磁测量质量的必要性。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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... 变化磁场是叠加在地球基本磁场上的变化场,在磁力勘探中属于干扰场,应加以去除^[1,2] ...

1984

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... 变化磁场是叠加在地球基本磁场上的变化场,在磁力勘探中属于干扰场,应加以去除^[1,2] ...

1996

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李兴才, 曹惠馨, 任克新, 等. 一种频率较低的ULF磁扰是地震前兆吗[J]. 地震学报, 1996, 18(1).

摘　要：北京白家疃台的ＵＬＦ磁感应仪投入运行以来，经常观测到一种频率比较低的ＵＬＦ磁场扰动信号，其幅度和周期均随时间变化。由于不同于各种人为电磁源引起的干扰，所以，常常把它作为一种ＵＬＦ地震电磁发射前兆。然而和磁照衅的对比分析表明，这种磁扰信号都同现在磁暴发生期间，而且没有发现观测到这类信号没有磁暴的情形。因而，在目前的认识水平上尚不能把它作为一种ＵＬＦ地震电磁发射前兆来看待。这种信号的主要特征是：在磁暴

... 磁扰是磁暴发生期内间断性出现的地磁场扰动变化,可以出现在磁暴的不同阶段,也称为暴间磁扰,磁扰的幅度和形态与磁暴的规模和类型相关,规模较大的磁暴期间出现的磁扰比规模较小的磁暴期间出现的磁扰幅度大、频次高、持续时间长^[3,4,5] ...

1992

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杨少峰. 急始磁暴期间的地磁脉动[J]. 地球物理学报, 1992, 35(2): 133-141.

Geomagnetic pulsations during SC storm on March 13, 1989 are analysed. In this paper the waveforms of various pulsations are given and Fourier spectrum analysis is made. All of them are helpful for realizing the relationship between the pulsations and storm and understanding the inherence of energy transpart in the storm.

本文重点分析了在1989年3月13日发生的强急始型磁暴期间观测到的丰富的地磁脉动现象.文中列出各种地磁脉动发生的时间和波形曲线范例,并对各种地磁脉动做了傅里叶谱分析.这不仅可以帮助我们了解这些地磁脉动和磁暴的关系,而且能使我们进一步认识磁暴过程的能量传输实质.

1987

0.0

杨少峰, 孙炜, 徐宝连. 与磁暴急始有关的瞬态地磁脉动[J]. 地球物理学报, 1987, 30(5).

According to the records of pulsations at Huairou Observatory in Beijing from June 1982 to May 1983, we have analysed the transient pulsation events associated with SSC in sudden commencement storms. This kind of pulsation phenomena is associated with local time. There is a damped oscillation in daytime and a bay in H component at night. We have studied the relation of the amplitude, duration and power spectrum for the transient pulsations to the shape of SC and discussed the formation and propagation of this kind of pulsations by means of the recently observed result of satellites.

我们根据北京怀柔地磁脉动观测站在1982年6月至1983年5月的观测记录,分析了这时期发生的急始型磁暴中伴随SSC发生的瞬态地磁脉动。这种脉动的形态和地方时有关,白天有明显的衰减振荡,晚上则近似为非振荡的湾状扰动。我们分析了这种瞬态地磁脉动的振幅、持续时间、功率谱和急始形态的关系,并结合目前国外卫星的探测结果对这种脉动的形成和传播路径作了讨论。

2006

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赵明现, 乐贵明, 刘玉洁. 行星际扰动与不同级别磁暴强度关系的研究[J]. 空间科学学报, 2006, 26(6): 421-426.

The solar wind data observed by ACE satellite during 1997--2004 and the corresponding Dst indices are used to analyze the correlations of the interplanetary parameters （Bz,Ey,v,Pk,｜B｜,ε＇=vxB2zsin4（θ/2）） with the Dst indices, focusing on the magnetic storms of different intensities. The results show that Ey and Bzcorrelate well with Dst index. It is found that the larger the storm intensity is, the better the correlative relationship between interplanetary parameters and Dst indices is. As for moderate storms （-100nT〈 Dstmin≤ -50nT）, there is a low correlative relationship between interplanetary parameters and Dst indices. When dividing storms into two levels, that is -150 nT〈 Dstmin ≤ -50 nT and Dstmin ≤ -150 nT, there is a best correlative relationship between cr and Dst. As a single factor, Ey correlate best with Dst, and the inferior one is Bz.

利用1997-2004年间ACE卫星太阳风观测的时均值数据和相应的Dst指数,针对Dstmin≤-50 nT的磁暴,分析了行星际参数(Bz,Ey,v,Pk,|B|,ε'=vxB2zsin4(θ/2))与Dst指数的相关关系.验证了Ey,Bz与Dst指数的良好相关性;按磁暴强度的不同,发现磁暴强度越大,行星际参数与磁暴强度(Dstmin)的相关性就越好.对于中等磁暴(-100 nT＜Dstmin≤-50 nT),行星际参数与磁暴强度的相关系数不高.如果把磁暴分为两个档次,即-150 nT＜Dstmin≤-50 nT的磁暴和Dstmin≤-150 nT的磁暴,计算结果表明,ε'与Dst指数的相关性是最好的.在诸多行星际参数中,就单一因素来说,Ey对磁暴强度影响最大,Bz对磁暴强度影响次之.

... 磁暴强度划分上,一般把D_st指数不超过50 nT的磁暴称为小规模磁暴,50~100 nT的磁暴称为中等规模磁暴,100~200 nT的磁暴称为大磁暴,超过200 nT的磁暴属于超强磁暴^[6],不同规模的磁暴均对磁测结果产生显著影响,因此地面高精度磁测技术规程和航空磁测技术规范中均有在磁暴发生时停止作业的规定^[7,8] ...

1993

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... 因此地面高精度磁测技术规程和航空磁测技术规范中均对磁日变站的控制距离有明确规定^[7,8] ...

2010

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... 因此地面高精度磁测技术规程和航空磁测技术规范中均对磁日变站的控制距离有明确规定^[7,8] ...

2007

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吴迎燕, 徐文耀, 陈耿雄, 等. 磁暴期间几种主要磁扰成分的演化特征[J]. 地球物理学报, 2007, 50(1): 1-9.

With the data of the geomagnetic meridian observatories in China, 25 geomagnetic storms in the period of 1997 to 1999 have been analyzed by using three kinds of methods which are Natural Orthogonal Components (NOC), Correlation Analysis and Fourier Analysis. Three steps have been done to decompose the stormtime variation (Dst) correlating with the universal time (UT), the solar daily variation (Sq) and the disturbance daily variation (SD) depending on the local solar time (LT). The results show that the spacial distribution and the temporal evolution characteristic of equatorial symmetric ring current are reflected clearly by Dst variation. The amplitude of Sq reached maximum or minimum during most main phases in MZL, BMT and QGZ observatories. It reflects the variation of the geomagnetic field from the motion of the Sq focus with latitude. During main phases, the amplitude of SD was the largest. It decreased slowly during the recovery phase. Correlation Analysis and Fourier Analyses offer a useful way to extract the Sq and SD variations.

本文利用中国地磁子午链台站的资料，对1997～1999年期间发生的25次磁暴，用自然正交分量法（NOC）、相关分析和傅里叶分析三种方法，分3个步骤依次分离出依赖于世界时（UT）的暴时变化（Dst）、依赖于地方时（LT）的太阳静日变化（Sq）和太阳扰日变化（SD）.对各种变化时空特征的分析表明：①Dst变化清楚地反映出赤道对称环电流磁扰的空间分布和时间演化特征；②满洲里、北京十三陵和琼中台Sq幅度在多数磁暴主相期间出现极大和极小值，反映了Sq焦点在纬度方向上的移动所产生的地磁效应；③SD变化在主相期间最强，在恢复相期间逐渐减弱；④相关分析和傅里叶分析提供了一种能有效提取Sq和SD变化的方法.

... 但是实际情况不会是理想的,通常磁日变站观测到的结果,与测线上实际的磁日变会存在一定的差别,随着两者之间距离的增加,尤其是当两者在不同地理纬度上距离增加时,差别也会随之增大^[9,10],当两者之间的距离较近时,其差别往往可以被忽略 ...

1999

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郭建华, 薛典军. 多台站磁日变校正方法研究及应用[J]地球学报, 1999, 20(增刊).

本文对大范围航磁测量的多台站磁日变站的观测方法和校正方法进行了研究,并在“青藏高原中西部航磁概查”生产中进行实际应用,同时,提出了多台站磁日变校正精度的衡量方法,解决了航磁测量中的存在的实际问题.

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徐东礼, 骆遥, 贾伟洁. 航磁重复线测量数据质量评价方法研究[J]. 物探与化探, 2014, 38(4): 729-731.

For the purpose of quantified evaluation of the dynamic performance index of the aeromagnetic measurement system, the back-and-forth repeated linear measurement style is usually adopted to test the working stability and consistency of the system; nevertheless, there exist no definite quantified criteria for repeated linear measurement data in the standards available. In this paper, the author made an objective analysis of the reasons for the deviation of the repeated linear magnetic field measurement data, summed up the calculation method for the mean-square deviation of the aeromagnetic repeated linear measurement data and compiled corresponding calculation software. According to the calculation results of the mean-square deviation interior coincidence precision of the repeated linear measurement data, the dynamic measurement precision index and the working condition of the instrument was evaluated objectively.

为了量化评估航磁测量系统的动态性能指标，通常采用多次往返的重复线测量方式，来测试系统的工作稳定性和一致性，但现有规范中对重复线测量数据质量没有明确的量化标准，笔者对造成重复线磁场测量值偏差的原因进行了客观的分析，研究总结了航磁重复线测量数据均方差精度计算方法，并编写了相应的计算软件，依据重复线测量数据均方差内符合精度计算结果，客观地评估仪器的动态测量精度指标和工作状态。