海底定向技術：原理、結構與應用

徐行, 吳瓊, 涂君, 陳凱, 王浩森

1 廣州海洋地質調查局， 廣州 510760 2 中國地震局地球物理研究所， 北京 100081 3 中國地質大學(北京)， 北京 100083 4 南方科技大學， 廣東深圳 555001

0 引言

當今海洋地學領域新理論、新學說的產生,以及海底地質構造調查研究與礦產資源勘查取得的重要突破和成果,在很大程度上是采用了高新技術及各種高分辨、高性能、高精度探測儀器的結果(王蛟和莫杰，2015).現代海洋地學亟需高新海洋調查技術支撐.在常規海洋調查技術基礎上，引入海底定向技術，可更好地揭示海底沉積物中物質組分和地球物理屬性的各向異性特征，從而有效地示蹤海底沉積物物源方向、應力場分布、古地磁偏角等，極大地拓展研究領域，提高海洋科學研究的成果水平.因此，海底定向技術方法及應用研究將是目前海洋技術領域的前沿科學問題.

長期以來，海底定向技術受限于其工作環境和制作成本等因素，技術發展遲緩.現今海底地質取樣、探測和觀測設備大多數由鐵磁性金屬材質制造而成(耿雪樵等，2009；藍先洪等，2014)，部分還帶有電子設備，因此對定向技術有較為嚴苛的需求.傳統定向設備通常分“光纖慣導”和“磁羅盤”定向兩大類.其中，光纖陀螺尋北儀技術不受海底設備的磁性與電磁干擾，系統定向精度高，但結構復雜、價格昂貴、功耗大和時間累積誤差大，難以滿足工程應用中快速定向的需求(張德寧等，2006；蔣慶仙等，2010).與光纖陀螺尋北儀相比，矢量磁力儀簡易便捷(Lenz,1990)，可快速連續采集姿態測量信息.但后者會受設備周圍的環境磁場影響，尤其是海底設備產生的附加磁場會產生測量誤差(常稱之為“羅差”)，需要羅差改正(磁補償)(李秉璽等，2003).如果對海底設備磁補償不合理，系統定向測量的可靠性將大大降低.因此，提高海底定向技術可靠性的關鍵在于兩個方面的突破：1)消除海底定向中的環境磁場影響；2)羅差改正之后的設備系統定向精度評估.

本文將對自制海底定向設備(下文簡稱，海底磁方位儀)的工作原理、磁補償技術方法及誤差分析作系統介紹.通過結合海底原位探測設備磁補償和精度分析的工程案例，我們將進一步詳細探討上述技術問題，為該技術方法在海洋地學調查和研究的推廣提供示范.

1 海底定向技術

根據已授權的國家發明專利(ZL201810448229.X)(中國地震局地球物理研究所，2019)中的權力要求，我們研制了海底磁方位儀(圖1a).它具有耐壓、水密和防腐等特點，是一種自容式姿態測量設備，適合海洋地質取樣和原位測量.

1.1 測量系統的結構

海底磁方法儀的測量主體(圖1a)由耐壓密封艙及其內置的姿態測量傳感模塊、數據采集記錄模塊和供電電池三個部分組成(圖1b).其中，姿態測量傳感模塊包括微機電系統(MEMS)微型固體擺構成的傾角傳感器和矢量磁力儀，兩者的輸出端連接數據采集記錄模塊，內部供電電池維系設備中的電子單元供電.

1.2 工作原理

海底磁方位儀的運行分三個步驟： 1)利用內置的MEMS微型固體擺，測量載體俯仰角(Pitch，本文用Φ表示)和翻滾角(Roll，本文用θ表示)；使用其內置的矢量磁力儀，感測環境磁場強度，獲得在載體坐標系下X′、Y′、Z′軸的三個分量.2)建立載體坐標系下X′、Y′、Z′與磁地理坐標系下X、Y、Z的三個分量間的坐標變換關系,確定載體在磁地理坐標系下的艏向角(Heading，本文用γ表示).3)修正當地的磁偏角，得到地理坐標系下的γ.當地的磁偏角依據國際地磁參考場(IGRF)計算獲得.

圖1 (a) 設備的外觀; (b)功能結構框圖Fig.1 (a) The equipment′s appearance, andits (b) function and structure

海底磁方位儀的姿態測量數據采集分兩部分： 1)Φ和θ的測量方法是把磁方位儀剛性連接到海底設備，投放到穩定后，使其姿態保持穩定.采用內置的MEMS微型固體擺，獲得穩定狀態下的Φ和θ.由于在穩定狀態下Φ和θ不受環境磁場影響，作為已知參數參與γ解算之中；2)利用磁方位儀內置的矢量磁力儀，采集和記錄在載體坐標系下的X′、Y′和Z′分量.然后，根據公式(1)(Caruso，1997)，求得在磁地理坐標系中X和Y方向的分量值Hx和Hy.最后，根據公式(2)，得出載體在地理坐標下的γ.

(1)

(2)

載體坐標系與磁地理坐標系之間存在轉換關系(圖2a).由于獲得的磁坐標南北極與地理南北極之間存在一個磁偏角(圖2b)，經過當地的磁偏角修正后，磁地理坐標系下的艏向角可以轉為地理坐標下的艏向角.

圖2 (a) 測量坐標系之間的關系示意圖; (b) 地磁極與地理北極的關系示意圖Fig.2 The schematic diagram relationship between (a) the measuring coordinate systems and (b) geomagnetic pole and geographical North Pole

1.3 磁補償校正

受磁方位儀自身存在測量誤差及工作環境外磁場干擾的影響，實際的測量精度不僅與其標稱精度有關，也與實際工作環境及安裝方式和姿態有關.其誤差具體可分為兩類(奚普周等，1995)：一是自身誤差，包括制造誤差、安裝誤差，具體表現在輸出的信號質量；二是周圍工作環境因素造成的誤差.當磁方位儀剛性連接在海底設備時，其輸出的測量信息由設備產生的相應“附加磁場”與“地磁場”疊加組成.其中，由于海底設備制作材質原因，本項研究中的附加磁場是產生“羅差”的主要貢獻者，其精度影響可達幾十度.由于羅差遠大于磁方位儀自身產生的制造誤差及其安裝誤差，僅依靠調整硬件設計和安裝方案很難壓制干擾，必須要在數據處理中用校正方法來消除磁干擾，最終實現系統的磁補償.在進行羅差改正實驗之前需要分析以下三個問題：

(1) 由式(1)可知，當Φ和θ分別接近90°的時候，Hx和Hy中載體坐標系下的X′、Y′對應的投影會減小為0，此時輸出的艏向角γ將不再反映實際的航向，即磁方位儀測量得到的艏向角誤差會隨著Φ和θ的增加而增加.同時實驗室測試結果表明，當保持Φ和θ接近70°的條件下測量得到的艏向角與Φ和θ接近0°時得到的航向角之間的誤差最大不超過1°，大于70°且不超過85°時該誤差最大為1.5°.因此在羅差改正實驗中，需要保證Φ和θ不超過70°以獲得羅差改正的標稱精度.

(2)由于海底設備對磁方位儀的影響是一個固定的偏差，而在實際測量和羅差改正中，方位儀與被測設備的安裝位置固定，羅差改正實驗又會選擇在弱磁環境下完成，因此源自海底設備自身的磁擾誤差將在羅差改正中被修正而不會影響測量精度.這樣做的效果是在實際作業中，如果實際測量環境中不存在明顯磁擾的條件下(實際上大多數深海探測的作業環境均滿足這一要求)，姿態測量的結果始終是穩定輸出的，通過已有的羅差改正參數，可以補償探測器自身磁擾帶來的測量偏差，從而獲得在精度范圍內的測量結果，且無需重復羅差改正實驗.

羅差是磁方位儀測量方位時的系統誤差，它由磁方位儀所處地磁場和其周緣的鐵磁材料、電器設備等產生的附加磁場疊合所產生.羅差使磁方位儀不能準確獲得地球磁場下定向信息，對設備系統定向精度影響很大.根據干擾磁場的大小和方向的變化情況，羅差本身又可分為由硬磁材料引起的和由軟磁材料引起的羅差兩個部分.

(3)通常，磁方位儀本身所產生的磁場遠小于硬磁材料，圍繞磁方位儀的硬磁材料所產生的磁場可近似為均勻分布.由于磁方位儀剛性連接在海底設備上，其姿態變化不會改變硬磁材料產生的合成磁場在三個軸上的分量，并且所造成的誤差隨艏向角在0°～360°變化時近似于正弦曲線，也稱半圓羅差.軟磁材料本身不產生磁場，但被附加磁場磁化后，將影響其周圍磁場，它所引起的誤差大小相對于海底設備方向隨外界磁場的變化而浮動，可再分解為兩部分：一部分是大小和方向均不變的誤差，即圓周誤差，另一部分是與2γ成近似正弦曲線的象限羅差.具體計算公式可表達如下：

1)硬磁材料引起的羅差計算可近似用公式(3)表示：

Δγ1=Bsin(γ)+Ccos(γ).

(3)

2)軟磁材料引起的羅差計算可近似用公式(4)得到：

Δγ2=A+Dsin(2γ)+Ecos(2γ).

(4)

3)總羅差計算可用公式(5)表示：

Δγ=A+Bsin(γ)+Ccos(γ)+Dsin(2γ)

+Ecos(2γ).

(5)

4)羅差改正后的實際艏向角，可用公式(6)得到：

γc=γ-Δγ.

(6)

在公式(3)—(6)中，Δγ1、Δγ2分別為硬磁材料和軟磁材料引起的羅差，Δγ為總羅差，γ為羅差改正前磁方位儀的輸出艏向角，γc為羅差改正后的在磁地理坐標系下的實際磁方位角.公式(5)中的A、B、C、D、E為羅差改正系數.

參照一個標準定向設備或一組精確的定向標記，將安裝有磁方位儀的海底設備放置在旋轉平臺上，標準定向設備和磁方位儀兩者的指向重合，旋轉二到三圈.按每“角度等分”或“等時間”提取一組數據(標準設備產生的艏向角和磁方位儀的艏向角)進行平均計算，獲得兩者之間的對應值.求取羅差改正系數記誤方程如公式(7)(邵婷婷等，2007；徐南榮，1986)，按照標準最小二乘算法，得到參數矩陣的最優估計公式(8)，進而可按照式(5)、(6)實現羅差校正.

U·C=H，

(7)

C=(UTU)-1UTH,

(8)

其中：

在上述計算公式中，n為觀測數據組數，對應的γn為第n組磁方位儀測量的組平均值，γn0為當磁方位儀進行第n組測量過程中被測設備的真實艏向角.該值須用更高精度的、不受磁環境影響的定向設備(如，Octans羅經)測得，以減少羅差改正中的誤差傳遞.磁方位儀的精度評估方法是：先對磁方位儀實測數據進行羅差改正計算，磁補償后的測量結果再與標準定向設備同時段測量結果比較，最終用其差值來確定羅差改正的效果，包括最大、最小誤差及其誤差范圍.

1.4 技術特點和技術指標

本文中的磁方位儀具有結構簡單、成本低、功耗低、測量快速和準精等技術優勢.其主要的技術指標是：1)外觀尺寸：25×12×18 cm3(H×D×W)；2)重量：3.8 kg；3)姿態測量精度: 艏向角:3～5°；俯仰角和翻滾角：±0.3°；4)功耗：5 mW；5)數據通信接口：RS232(USB)；6)數據采樣率：1 s，2 s，5 s，10 s，60 s(可選)；7)數據存儲：6000組；8)時鐘精度：±50×10-6@TAU=1 s；9)工作水深：4000 m.此外，還可根據海底定向的實際要求，對本文的磁方位儀在耐壓深度、數據容量和工作持續能力等方面進行技術升級，擴大其適用范圍，提高其技術性能.

2 典型的應用場景

陸域的定向技術在地學基礎研究、地球物理觀測和地質勘查等行業被廣泛使用.例如，定向鉆探、古地磁學研究中的定向取樣、地面或井中地震觀測和地震前兆觀測中的設備定向等.受限于海底定向技術的發展，以上這些海域的定向技術方法及應用研究相對遲緩.

2.1 海洋磁學研究

在沉積過程中，沉積物中含有的鐵磁性礦物會沿當地的地磁場方向排列，從而記錄了古地磁場的信息.在古地磁學研究中，野外采集巖芯時需要定向，最終在室內測量和還原樣品中古地磁場的記錄信息.在陸域，因定向技術門檻低，容易實現和普及，目前的古地磁采樣中幾乎都采用了磁羅盤定向技術.而在海域，受海底定向技術發展限制，在深海沉積物古地磁采樣中，很少學者會在取樣器上配備方位儀.因此，現今絕大多數的深海沉積物古地磁采樣過程中只有上下定向信息，而沒有水平定向信息；海洋沉積物磁學研究中只有磁傾角隨深度不同的變化信息.在中低緯度海域，因磁傾角較小，若無磁偏角信息，會嚴重影響海洋沉積物的古地磁研究成果的質量.

在沉積物的古地磁研究中，目前只能單一的利用磁化率各向異性(AMS)橢球體主軸進行確定(張淑偉等，2017).由于在沉積過程中，物質會受到重力、生物擾動等因素的影響，故沉積物的原生AMS可能會受到改造，無法反映真實的磁化率主軸方向.倘若應用沉積物的偏角變化信息，可以更好地展示蹤物質來源.在虛地磁極(VGP)路徑研究方面，VGP的變化主要基于沉積物特征剩磁(ChRM)的傾角與偏角的變化而確定，目前VGP路徑的確定只局限于陸地古地磁樣品(Liu et al., 2018).若采用海底定向技術，可突破陸地研究的區域限制，在不同海域的海底沉積物中獲取不同時間尺度的VGP路徑.海-陸域的VGP路徑結果結合起來，能進一步推動地球內部動力學機制的研究工作.

在海洋重力柱狀取樣器或重力柱狀活塞取樣器上，配備磁方位儀，可實現對于取樣器的姿態監控測量.由于絕大多數取樣器都是帶有強鐵磁性的鋼鐵和無磁性的鉛質材料構建而成，會產生一定的附加磁場.在開展外業前或外業后，必須進行羅差校正的測試.具體方法如下：將設備和磁方位儀裝配于一體，與參考設備一起放置在旋轉平臺上，兩者的向北指向重合；在地磁場平靜時的弱磁環境中，測量兩者在旋轉過程中各個方向的對比數據；通過獲得的兩組對比測量數據，計算出羅差改正系數，再進行磁方位儀的羅差校正；最后進行磁偏角的修正，將磁地理坐標下的方位角變換到地理坐標下，完成海底定向.詳情如圖3所示.當使用重力柱狀取樣器在海底采樣時，需要在柱狀取樣器內的襯管上做標志，確定和記錄其標志與磁方位儀的指向之間的相互關系，最后實現采集樣品的海底定向.

圖3 沉積物柱狀取樣器及其磁方位儀安裝示意圖(小方格充填為磁方位儀)Fig.3 Installation diagram of sediment column sampler and its magnetic azimuth meter (The small squares filling partrefers to themagnetic azimuth meter)

2.2 海底大地電磁測深

海洋電磁法是研究地殼和地球深部電性結構與構造的地球物理方法，自20世紀70年代被提出，在海底板塊構造(Key and Constable，2002；Constable et al.，1990，1997)、油氣勘探(Hoversten et al.，2000)和水合物調查(Weitemeyer et al.，2011)方面發揮了重要作用，尤其在地震勘探方法難以奏效的區域(火成巖、碳酸巖、鹽丘等)，應用效果尤為顯著.

作為電磁探測技術方法的分支之一，大地電磁測深以天然交變電磁場為場源，當交變電磁場以波的形式在地下介質中傳播時，由于電磁感應作用，海底電磁場的觀測值將包含地下介質電阻率分布的信息.海底大地電磁測深(MMT)海上作業時，需要借助海底電磁接收機實現海底電磁信號的采集與記錄.海底電磁接收機由作業船投放至水面，接收機借助自身的水下重量自由下沉.當設備到達海底時，其方向完全隨機，很難能將測量主軸(電極方向)和電性主軸(測線方向)兩者重合；但在后續資料處理過程中，則需要將測量主軸上的張量阻抗旋轉到電性主軸上來(蔡軍濤等，2010；卓武等，2017).因此，準確地對海底設備進行定向是其中的重要環節，以求得設備坐標系下電磁場方向為基礎，在將設備載體坐標系從X′、Y′、Z′變換到磁地理坐標系X、Y、Z.為獲取海底接收機的布極方向，需要在接收機上加裝姿態測量裝置獲取三軸的姿態信息實現海底儀器定向(陳凱等，2017).

圖4 海底電磁接收機結構示意圖(小方格充填為磁方位儀)Fig.4 Schematic diagram of submarine electromagnetism receiver′s structure (The small squares filling partrefers tomagnetic azimuth meter)

在海底電磁接收機上，需選擇磁方位儀作為姿態測量裝置(圖4).海底電磁接收機在建造過程中，最大程度上選擇無磁材料制作，但仍不可避免存在弱磁性部件(如水聲通訊模塊的變壓器、不銹鋼壓力艙等).為提升磁方位角測量精度，必須要消除海底電磁接收機本體產生的附加磁場成分，也就是消除“羅差”.解決問題的方法如下：在外業前，將安裝有磁方位儀的海底電磁接收機設備運至在弱磁環境下，測量設備在各個方向上的磁場測量，求取羅差改正系數，最后獲得總羅差的計算值，從而達到消除羅差的目的.經過羅差改正之后的磁方位儀，可獲得磁地理坐標系下的磁偏角值.參考國際地磁參考場(IGRF)，進行磁偏角改正，最后獲得地理坐標系下的方位角.

2.3 海底原位測試

海底原位探測種類很多，有來自土力學、地球物理和地球化學參數的原位測試項目.本文以海底地熱流探測為例.大地熱流是了解地球內部熱狀態的一個重要參數, 不僅可以提供地殼和上地幔的熱結構、塊體的活動性以及水熱活動等信息，還是了解沉積盆地有機質成熟史以及天然氣水合物穩定存在深度的關鍵參數(徐行等，2006).

海底地熱流測量是揭示海底沉積物熱狀態和熱結構的技術方法.傳統的海底地熱流探測與基礎研究，均以一維均勻介質的熱傳導方程的理論為基礎，得到的只是垂直于地平線法線方向的垂向地熱流值.傳統海底地熱流測量產出的數據雖經過了傾斜改正，能反映出地熱流大小的分布趨勢，但個別值總體上比較離散.這種現象常被解釋為受地下流體活動的影響，但原始熱狀態絕非如此簡單.在各個地層中的熱量傳輸過程具有各向異性的特征，這種等效矢量流體具有模量大小和方向變化的特征.若要客觀真實地反映海底表層沉積物的地熱流信息，則需在探測技術上需要獲得各個方向的地溫梯度，其中的定向信息至關重要.

海底的三維熱流探測裝置如圖5，該裝置是根據國家發明專利(ZL201711269063.7)(廣州海洋地質調查局，2018)中的權力要求定制的.在探測裝置的坐標系中，獲得不同垂直方向和水平方向的地溫梯度信息，再通過傾斜和磁方位信息轉換到地理坐標系下的各個方向的地溫梯度信息，從而實現三維地熱流探測.其中姿態測量中的傾斜角和方位角是實現兩個坐標系轉換的主要參數.再者，由于整個測量裝置的支架是由鐵磁性材料構建而成的.使用前及使用后均需要將磁方位儀測量方位和整個測量裝置安裝一起做系統的羅差改正，然后再做磁偏角改正，最終將野外的實測數據(載體坐標系下)換算到地理坐標系下的方位角.

圖5 三維熱流探測裝置與旋轉平臺的關系示意圖(小方格充填為磁方位儀)Fig.5 Schematic diagram of the relationship between 3D heat flow detection device and rotating platform (The small squares filling partrefers tomagnetic azimuth meter)

3 應用實例及其數據分析

以本文研發的“海底三維地熱流原位探測裝置”(下文簡稱，三維熱流探測裝置)的羅差改正為例.羅差改正測試地點選在廣東省肇慶地磁基準臺內，其周緣的外界干擾磁場小，磁場梯度平緩.根據空間形勢預測，測試時間為北京時間2019年11月29日，在該時間段中太陽活動水平低，以微擾為主.測試參考標準設備為Octans羅經，主要技術指標為：艏向角動態精度：±0.1°RMS Secant Latitude；起伏精度：5 cm或5%振幅；橫滾角和俯仰角動態精度：0.01°；穩定時間：30 min.最小化源自測試場地、測試期間地磁場活動性以及參考設備的誤差，適合羅差校正的技術需求.測量時間均以北京時間為參考時間.

3.1 校正試驗

如圖5所示，上面部分為需羅差改正的設備—三維熱流探測裝置.由五根長度為3 m的鋼矛、一個固定支架和12個鉛制圓盤構建構成.其中，在每根鋼矛上安裝了3支溫度測量記錄計(下文：簡稱“飛魚探針”)，飛魚探針在空間中均勻分布.校正試驗需要旋轉平臺和試驗場地兩個條件，其中的旋轉平臺及相關的緊固件和連接件制作中均由弱磁材料構成，校正試驗場地利用精度優于0.1 nT的總強度測量儀器進行密跨度測試，測試結果進行日變改正后水平梯度不超過2 nT/m(中國地震局，2004).從而保證設備在磁補償之后的羅差修正值皆來自三維熱流探測裝置自身，與環境和校準裝置無關，故校準參數可直接用于實際測量.

在校正試驗中，把磁方位儀和三維熱流探測裝置剛性連接，磁方位儀放置在設備頂部的中央位置.Octans羅經固定放置在旋轉平臺上.其中，磁方位儀的刻度0°與Octans羅經0°指向一致.當Octans羅經和磁方位儀在同步旋轉過程中，產出了二套數據：一是磁方位儀隨時間變化的數值；二是Octans羅經隨時間變化的數據.數據的主要信息為：時間、艏向角、起伏、橫滾角和俯仰角等數據.旋轉平臺旋轉二圈之后，按Octans羅經信息中約15°提取一組數據，其中每組數據記錄時間不少于60 s，采樣間隔為2 s.將每組數據進行粗差剔除后計算平均值作為測量結果，本文試驗共獲取25組的測量時間、Octans參考值和磁方位儀測量值.每組的測量時間對應本組開始正式取數的時間，具體測量結果見表1.

表1 羅差改正前后相關測量值(測量單位：°)*Table 1 The measurement values before and after compass deviation compensation (unit: °)

3.2 數據分析和精度分析

根據記誤方程的公式(7)及其矩陣公式(8)，將表1的測量結果代入求取羅差改正系數.在計算中，由于磁方位儀的測量結果中含有羅差，當Octans羅經測量數據未達到360°時，磁方位儀的測量數據已超過360°，使得這個對應關系中不僅有羅差影響，還有2π的圓周誤差.為避免這種情形，在計算過程中舍棄表1中的11和23行數據，因而，數據數組值n為23.求得羅差改正系數之后，通過公式(5)和公式(6)可獲得磁補償后的磁艏向角γc；通過MATLAB語言實現了改正計算，得到的羅差改正系數A=-0.0209；B=-0.4384；C=-0.4590；D=0.1636；E=0.0021.

圖6揭示了Octans羅經和磁補償前的磁方位儀兩者同步測量數據的變化曲線.左側的縱坐標刻度代表了方位角，變化范圍為0～360°.右側的縱坐標(紅色)的刻度代表了偏差，范圍從-60°～60°.兩套測量系統曲線變化趨勢是一致的，但其偏差在-30°～50°范圍之內.偏差幅值大小隨著方位角不同發生了變化，相位相對要超前些.

圖7 所示為Octans羅經和磁補償后的磁方位儀兩者同步測量數據的變化曲線.通過磁補償后磁方位儀的測量數據曲線幾乎與Octans羅經的曲線重疊，偏差幅度的大小與方位角不同不相關，在±4°范圍之內.其中，最大絕對誤差為第10個測點-3.80°，最小絕對誤差為第3個點0.15°.由于第10個測點的磁方位儀的測量值已經接近360°，自身測量誤差較大.扣除該點之后，總羅差改正后的誤差分布區間為±3°.

4 討論和結果

4.1 討論

在本項測試中，在磁補償前的磁方位儀與Octans羅經的測量數據偏差在-30～50°之間；在磁補償后的測量數值與Octans羅經的偏差在±3°范圍之內.由此可見磁補償前磁方位儀產出的定向數據是不能直接使用的.如圖6，磁補償前的磁方位儀產出測量值的偏差大小與測量方位密切相關，測量偏差曲線和磁方位儀和Octans羅經測量值的起伏形態相似，但相位有偏差，本文中的測量偏差曲線的相位是超前于磁方位儀和Octans羅經的；而在磁補償之后，測量偏差曲線不但是幅值變小，而且形態沒有規律，這說明羅差改正在定向數據的磁補償中起了重要作用.

定向的系統精度與海底定向過程中背景磁測環境相關.在微弱磁場背景環境里，磁方位儀的艏向角誤差可小于1°(邵婷婷等，2007；崔瑞芬和常佶，2010)；本次設備的系統定向精度為±3°.測量誤差增大的部分原因可歸咎于背景磁場復雜.由于海底地質取樣器、探測和觀測設備大多數由鐵磁材質制作而成的，這些設備還存在形狀不規則等問題，背景磁場特點是場強大、磁梯度大，分布復雜等，這是測量誤差增大的誘因.若有內置的電子設備，本身會產生電磁噪聲，使得背景磁場更為復雜.

圖6 在磁補償前磁方位儀和Octans羅經結果和偏差黑色折線(帶圓點):Octans羅經測量結果，作為參考值，黑色虛線(帶圓圈)：磁方位儀測量結果，紅色折線(帶圓圈)：磁方位儀測量結果與參考值的偏差.Fig.6 Measurement results and deviations of the magnetic azimuth meter and Octans compass before magnetic compensationBlack broken line with dots: results of the Octans compass used as reference values. Black dotted line with circles: results of magnetic azimuth meter. Red broken line with circles: deviation between measurement results of the Octans compass and the magnetic azimuth meter.

圖7 在磁補償后磁方位儀和Octans羅經結果和偏差(圖注同圖6)Fig.7 Measurement results and deviations of the magnetic azimuth meter and Octans compass after magnetic compensation

海底設備內部部件的“位置調整”和“器件更換”都會影響到磁方位儀感測環境磁場，導致羅差變化；因此，在磁補償后的海底設備內部部件的變換是不容許的.若要變換，必須重新對設備進行磁補償；否則導致系統定向精度降低或受到嚴重影響.總之，在“磁方位儀定向”和“羅差參數測試”兩種情形下，磁方位儀與海底設備的相互關系須是一致的.

海底設備的羅差校正參數測試需具備磁場梯度小、磁干擾小的環境，而在海洋調查的作業現場中不具備羅差改正的條件，需移到環境合適的陸地.這引出了測試點與施工點的環境磁場不一致的情形，必然帶來另一個“異地改正”的測量誤差因子.由于目前沒有足夠的數據積累，這類“異地改正”誤差因子的影響程度有待今后工作的深入再確定.海底設備的定向技術方法在海洋調查中有潛在應用領域，又因海底設備質量重和尺寸大等因素制約，相應的磁補償方法和方式還需做適應性研究.另外，針對體積大，形狀特殊的設備磁補償方法，有待于算法上挖潛創新.

4.2 結論

在海洋地質調查之中，與傳統技術融合發展，深海海底定向技術為海洋地質調查技術方法研究帶來了新的契機，可拓展海洋地學的研究領域.在深海海底定向作業過程中，磁方位儀定向技術結構簡單、成本低、功耗低、測量快速和精準等特點，具有較強的推廣性；可用于海洋地學調查中的“海底探測、觀測或定向取樣”等應用場景.深海海底定向的核心問題是要做好設備的“羅差”改正的磁補償，這關系到海底設備的定向信息的真偽和精度.安裝磁方位儀的海底設備定向精度取決于磁方位儀安裝的工作環境，在無電磁噪聲的設備中，定向精度在1°以內；若安裝電器設備，背景磁場環境會更為復雜，定向精度要低一些，在3～5°范圍之內.

致謝專項先導區建設與資源區塊優選項目”項目和科技部重大南方科技大學劉青松講席教授付出了時間慷慨相助，提供了建設性的意見；廣州海洋地質調查局羅賢虎、劉碧榮、龐云天、邢琮琮、馮昭懿、張志剛工程師和朱榮偉博士等提供了技術支持；廣東省地震局肇慶地磁臺陸鏡輝、楊向東兩位工程師為設備校正實驗提供了測試場地；匿名審稿人和編輯部老師對本文提出的意見和建議.謹此一并衷心致謝！