航空磁力测量,又称航空磁测,是航空物探领域中使用最早、应用最广的一种磁测方法。航空磁测将磁传感器及其配套的辅助设备装载在飞行器上,通过探测由地下矿体磁性差异引起的磁异常,实现对石油、天然气等矿产资源的快速普查,在资源勘探和地球科学研究工作中发挥着重要作用。随着磁法勘探理论的发展以及磁测设备性能的不断提升,航空磁测经历了由传统的单一总场测量到后来的总场梯度测量,再演化为现在的磁矢量测量的过程。其总体发展趋势由单一标量磁测对象转向多信息的矢量场或多参量测量,而三分量磁测即为当前航空磁测发展的主要方向之一。相比于航磁总场及总场梯度测量,航磁三分量磁测涵盖了磁异常大小和方向信息,能够表征磁异常全部要素,有效减少反演中的多解性,在磁异常解释方面具有明显的优势。高质量的磁测是航磁三分量磁测的应用基础,然而在进行磁测作业时,由于磁测设备误差以及磁干扰等诸多误差因素的存在,磁测精度会受到大幅度影响,从而难以保障磁测质量。因此,如何有效消除磁测误差以保障航磁三分量磁测精度是当前亟待解决的一个难题。本文全面梳理了航磁三分量磁测误差源,对磁测系统误差校正与磁干扰补偿方法进行了深入研究,并验证了所提方法的可行性和有效性。本文主要研究内容及成果如下:(1)综合分析了航磁三分量磁测误差源,提出了磁测系统误差校正与干扰补偿流程。根据误差来源不同,航磁三分量磁测误差源主要分为磁测系统误差和外界磁干扰。其中磁测系统误差主要表现为三轴磁传感器误差和磁测系统安装误差;外界磁干扰主要来自于无人机机体产生的干扰磁场以及磁日变干扰。根据上述磁测误差因素之间的内在关联性,本文提出了磁测系统误差校正与干扰补偿流程:首先校正三轴磁传感器误差,然后校正磁测系统安装误差,其次补偿无人机机体产生的干扰磁场,最后补偿磁日变干扰。(2)完成了三轴磁传感器误差校正方法研究。进行航磁三分量磁测作业前,需要校正三轴磁传感器误差。然而,受野外实验条件的限制,无法使用亥姆霍兹线圈等辅助设备校正三轴磁传感器误差。因此,研究野外环境下,尤其是在缺少精密辅助设备情况下的三轴磁传感器误差校正方法显得尤为必要。本文首先分析了三轴磁传感器误差产生机理,根据不同误差的具体表现形式建立了三轴磁传感器误差综合校正模型。在此基础上研究了基于椭球假设标量校正方法,针对磁测轨迹拟合时对磁测噪声敏感的问题,提出了稳健拟合与标量校正法相结合的磁测噪声抑制方法。仿真实验和野外实验结果表明,该方法不仅实现了野外环境下对三轴磁传感器误差的现场校正,而且有效抑制了磁测噪声,从而提高了三轴磁传感器误差校正精度。(3)完成了磁测系统安装误差校正方法研究。在装配捷联式三分量磁测系统时,由于磁传感器与惯导系统的三轴均不可视,因而无法实现轴向的精确对准,由此产生的磁测系统安装误差严重影响了磁测精度。本文首先深入分析了磁测系统安装误差,然后根据三维坐标系空间旋转原理引入旋转矩阵建立了安装误差校正模型。在此基础上,基于平面旋转法向量不变性提出了平面旋转校正法。仿真实验结果显示,该方法在不同噪声水平下均取得了良好的校正效果。野外实验结果表明,该方法的校正精度优于DPI方法,同时该方法克服了DPI方法对辅助矢量敏感的缺点,在可操作性方面具有明显优势。(4)完成了机体磁干扰补偿方法研究。无人机机体结构中的铁磁性材料受地磁场的磁化作用形成干扰磁场,磁测作业过程中干扰磁场将不可避免地叠加到各分量磁测结果上,严重影响了磁测精度。本文首先深入研究了干扰磁场特性及其空间分布情况,在此基础上提出了无人机与磁测系统总装集成过程中降低机体磁干扰的几种物理策略。针对干扰磁场中的主要分量,即感应磁场和固定磁场,建立了磁干扰综合补偿模型,根据分量约束原则提出了基于CS算法的参数估计补偿法。仿真实验和野外飞行补偿实验结果表明,该方法的补偿精度不仅优于基于UKF和GA的磁补偿方法,而且能够克服UKF方法对迭代初始值敏感和GA方法容易陷入局部最优的缺点。此外,该方法具有全局寻优搜索能力强,鲁棒性良好等优点,在求解磁干扰综合补偿模型时可准确获取磁补偿参数最优解,从而有效保障磁补偿精度。(5)完成了三分量磁日变干扰补偿方法研究。受太阳周期性活动的影响,地磁场强度和方向会呈现出一种具有明显周期性的连续变化,该变化以24小时为周期且变化幅度逐日而异,被称为地磁日变化(简称“磁日变”)。对于高精度航磁三分量磁测而言,磁日变是磁测过程中不容忽视的误差因素。针对磁日变干扰补偿问题,本文提出了一种移动式地面三分量磁日变观测方法,该方法可有效观测空间地理坐标系下的三分量磁日变信息,进而对其进行有效补偿。野外观测实验结果显示,该方法的观测精度能够满足高精度三分量磁日变补偿要求。此外,该方法具有操作简单、所用仪器设备便携等优点,利用该方法可以在一些复杂地域建立临时磁日变观测站以辅助航磁三分量磁测。