由太阳和地磁参数构成的信鸽导航原理仿真

薛炳森韩大洋(国家卫星气象中心北京100080)

由太阳和地磁参数构成的信鸽导航原理仿真

薛炳森，韩大洋
(国家卫星气象中心，北京100080)

根据信鸽导航理论和相关试验结果的分析，确定太阳高和地磁场参数的组合可以形成信鸽导航的环境基础。通过分析信鸽对太阳高度角、地磁倾角参数的可能利用过程，结合信鸽飞行路径的特点，确认了信鸽方向判断原理和逐渐趋紧的过程，并在此基础上，通过计算机程序对信鸽导航过程和分型线路进行了模拟，结果较为符合信鸽的飞行特点，并对信鸽导航的初步原理进行了分析和解释。

信鸽；导航；太阳高度角；地磁倾角

0 引言

长久以来，信鸽能够准确地找到鸽巢一直是生物学家研究的现象，有试验显示［1］，鸽子可以从遥远的、陌生的放飞点返回。经验丰富的鸽子即使在被麻醉的状态下，被剥夺旅途信息，或乘飞机直接到达陌生放飞地点，仍可以用近似直线的路径回到鸽巢。因此，鸽子应当具有确定从放飞地点到目的地(鸽巢)方向的能力。现代研究表明，信鸽辨识归巢方向除了训练的因素外，自然界的特征和变化规律，如太阳方位、地磁场、显著地标、气味等都是信鸽导航所依赖的外部条件。

太阳的位置是信鸽导航的重要参考，同时，信鸽生物钟是与之相配合的参数。国外经常采用时间错位(time⁃shift)的方法使信鸽对时间的感觉与目的地形成一个时差，对比结果显示，没有经过时间错位处理的信鸽出发方向正确，全部返回；而有时差的信鸽发生方向错误，归巢率几乎为零［2］。这说明，信鸽是通过不同时间太阳的方位来感知目的地的方位。

信鸽对事件感知原理的试验显示，信鸽在下丘脑的调控下，类松果体通过合成褪黑素，而表达输出效应。松果体作为一个神经内分泌器官，也在各种非哺乳类脊椎动物中起着中枢昼夜节律振荡器的作用。在多数情况下，松果体振荡器均保持与光信号输入通路和内分泌输出通路的密切联系。近来，在鸟类松果体中相继发现了几种钟基因，其表达的时间变化规律与哺乳类动物的非常相似［3］。而这种特定地点(鸽巢)时间与太阳方位的对应需要通过记忆来实现。同样，信鸽凭着对气味、地标，特别是地磁场的记忆，同样可以实现导航的功能。

地磁场是信鸽判断方向和位置的主要线索，Schiffner等［4］开展的试验中，用GPS追踪信鸽飞行路径。分别从多个磁场分布异常和正常的区域放飞信鸽，通过多次试验比较，发现信鸽的归巢率没有差别。但也发现，在磁异常区域放飞的信鸽归巢时间要长一些。该研究者认为，磁场的局部异常确实可以对信鸽的导航系统产生影响，但信鸽逐渐可以适应。在试验中，信鸽从两个距离相等的地点放飞，一个地点磁场异常，另一地点磁场正常，采用GPS记录鸽子的飞行轨迹。结果在一开始的轨迹记录中发现显著的差异，在磁场异常的地点，初始阶段持续更长的时间，飞行距离较长。通过比较发现，从磁场正常的地点放飞的信鸽，一开始就能找到归巢的方向，但当它们经过磁场异常的地区时，同样出现了迷失方向的时段。研究者认为，通过与潜在的磁轮廓异常的轨道相比，个体之间的差异相当大，没有一个共同的模式出现。

动物生理学的研究发现，信鸽的上喙部存在铁磁性物质，国外研究者在家鸽上喙皮肤组织中发现了规则分布的超顺磁磁铁矿颗粒。他们应用透射电子显微镜确认了这些小磁铁矿晶体为尺寸在1nm～5nm的聚集体，集中存在于皮下组织中。这些超顺磁粒子聚集体又形成直径为1μm～3μm的粒子束，分布在大细胞之间的长形结构中，并且与神经组织紧密相连。应用光学显微镜和电子显微镜，国外研究者也对家鸽上喙传入三叉神经末梢的磁细胞组织进行了研究。这些神经末梢组织直径大约5μm，内部包含着聚集成束的超顺磁磁铁矿颗粒。

Holland等［5］的试验结果显示，大约10～15个粒子束存在于一个神经末梢中，沿着细胞膜排列。每一个超顺磁粒子束包埋在一个杯状结构中，口朝向细胞表面，通过纤维组织，这些粒子束黏附在细胞表面上［6］。除了超顺磁颗粒，非晶态铁磷酸盐也被发现，它们沿着神经末梢的纤维中心分布。解剖特征表明，这些神经末端可以探测很小的地磁场强度的变化，考虑到以超顺磁磁铁矿颗粒为基础的磁接收器理论，研究者还给出了几个磁接收器的模型。

此外，Schiffner等［4］通过 GPS追踪的数据分析，信鸽在归巢途中经常改变飞行方向，这说明信鸽在飞行过程中会经常 “测量”太阳方位或地磁场特性，并对先前的设定方向进行修正。

综上所述，太阳方位和地磁场是信鸽导航的重要参考量。以往对信鸽归巢导航原理的研究和试验通常是定性的，如证明太阳方位、地磁场等确实在信鸽导航过程中起着重要作用。但能够定量地真正分析信鸽导航过程中所依赖的具体参量较少，因此，尝试利用计算机模拟的方法，对信鸽利用具体的太阳方位和地磁场参量进行导航的过程进行仿真，研究具体参量大小对信鸽导航精度的影响。

1 数据分析

在研究中，根据信鸽飞行轨迹的特征，以及相关的研究和试验数据，进行如下假设：1)信鸽有良好的平衡能力，能够精确地感知太阳的高度角；2)由于信鸽铁物质头部的存在，它们可以灵敏地感知当地的磁力线的走向，地磁场的强度；3)由于信鸽对水平面的感知能力，它们能够准确地感知地磁场相对水平面的夹角，即磁倾角；4)信鸽具有相对固定的生物钟体系，能够将时间信息和动态数据有效地结合，例如，信鸽将最近几天鸽巢附近不同时间的太阳倾角进行对应；5)有良好的记忆能力，能够记住关键的导航参数，如鸽巢附近的地磁倾角，不同时间的太阳倾角等。

在地面附近，地磁场的分布近似于偶极磁场，而且较为恒定，随着地磁纬度的增加，磁倾角也随之变大，由于地磁轴与地球自转轴存在大约11.5°的夹角，地理经纬度和地磁经纬度是不一致的，通过一定的公式可以进行转换［8］，一个地理坐标对应唯一的地磁坐标。特定地磁倾角的位置构成闭合的圈，大致与某一地磁纬度带重合。表1为我国区域磁倾角的分布［7］。

表1 中国区域地磁倾角分布Table 1 The distribution of geomagnetic inclination within China

随着地球的自转，信鸽看到的太阳有一个东升西落的过程，太阳与观测者之间的连线与水平面的夹角称为太阳高度角。由于地球绕太阳公转，其自转轴相对于太阳以1年为周期发生规律性的变化，太阳的观测者之间的连线与水平面的夹角，又称为太阳高度角，与观测所在位置、时间等因素有关，如图1所示。

太阳高度角与地方时和纬度由式(1)表示：

其中，h为太阳高度角；δ为太阳直射角，即太阳直射地球的纬度，θ为观测者的地理纬度，特定日期为定值；t为地方时，与经度有关，可表示为：

式中，ϕ为观测者纬度，ϕ0为UTC时区起始经度(常数)，t0为UTC标准时(常数)。可以看出，地方时t与观测者所在经度一一对应。

公式可变为：

在特定的日期，任选一个太阳高度角，可以证明，某一时间，指定的太阳高度角由南至北分布于一条斜线上。这条线与某选定位置的磁倾角所对应的交点是唯一的，反过来讲，在特定时间，选定的太阳的高度角和磁倾角对应的位置是唯一的。换言之，信鸽在飞行过程中，需要不断感知当地的太阳高度角和磁倾角，并根据长期在巢周围飞行积累的经验，对飞行方向进行修正，使得上述两个参数逐渐趋近鸽巢周围的太阳高度角和地球磁倾角即可。作为实例，图2给出的是2∶00UT，高度角30°与磁倾角30°的分布。可见，二者大致呈单调分布，二曲线相交的点即为2∶00UT时刻，满足高度角30°与磁倾角30°的地理位置，即119.7N27.2E的特定点。这说明，目的地的位置可以通过太阳高度角和地磁倾角来确定，信鸽通过比较所在位置的太阳高度角和磁倾角，集合选择合适的飞行方向。

我国区域内，如表1所示，磁倾角越向北越大，因此，如果信鸽感知的当地磁倾角小于其记忆的鸽巢的磁倾角，则飞行方向应偏北，反之偏南。另外，根据经验，东面看到的日出时间较早，即如果当地的太阳高度角大于鸽巢当时的高度角，则飞行方向应向西，反之则向东。信鸽不可能进行复杂的运算，经过进化和人为的训练后，它们可以学会通过当地和鸽巢之间的太阳高度角以及地磁倾角的变化量来确定飞行方向，使得飞行过程中上述两个角度的角度差趋于减小，在到达鸽巢附近时，信鸽则可以通过地缘性地标、气味等信息确定鸽巢的精确位置了。举一个极端的例子，假如信鸽在放飞地点感知的磁倾角与鸽巢相同，而此时的太阳高度角比鸽巢的大，那么，它向西飞即可，对于信鸽来说则是 “沿着”太阳 “移动”的方向飞行就对了。

2 计算机模拟过程设计

根据上节叙述的模拟信鸽导航原理，编制程序，对信鸽的飞行轨迹进行仿真计算。程序在For⁃tran平台上开发，流程如图3所示。需要给定信鸽的飞行速度V，进行方向校正的间隔时间T。其中，(xh，yh)、(xf，yf)、(x1，y1)分别为：鸽巢、出发点和途中的坐标(经／纬度)。

第一步，信鸽放飞出发时，信鸽通常会在放飞地绕飞，可以理解为采集导航参数的过程。在这个过程中，信鸽能够获取当地的太阳高度角和磁倾角。信鸽会将这些数据与相同时间点上鸽巢地所具有的太阳高度角、地磁倾角进行比较，得到放飞地和鸽巢之间的差别，地磁倾角差ΔM表示为：

式中，Mf和Mh分别表示放飞地和鸽巢的磁倾角。

太阳高度角差ΔS表示为：

式中，Sf和Sh分别表示放飞地和鸽巢的太阳高度角。

从放飞地的飞行角度可以表示为：

式中，A表示与北向的夹角。

第二步，模拟信鸽经过T(分钟)的飞行后，可以得到新的坐标。如果信鸽没有在鸽巢的10km以内，即无法通过地标和气味特征进行精细定位，则信鸽将再次感知所处位置的太阳高度角和磁倾角，并重复第一步的过程。直到信鸽进入目的地(鸽巢)的10km范围内，程序结束。

通过测试，程序成功给出在文中所述原理约束下，中国地区的信鸽的飞行轨迹。图3和图4分别给出了两次模拟归巢的线路图。可以看出，信鸽飞行的方向大致是正确的，越到后期飞行方向与目的地的位置越趋近。

3 结论与讨论

通过对信鸽导航原理的初步探讨和计算机模拟，得出如下结论：1)太阳和地磁场是天然存在的可做导航基准的参照物，鸽子在长期的进化过程中，通过学习、训练，抑或遗传，可以具有依靠上述两种基础的要素进行导航；2)信鸽的基本能力，如对太阳高度角和磁倾角的感知，以及精确、持久的记忆，包括这些信息与时间的准确对应关系的记忆，通过对比，在飞行中不断调整方向，最终到达目的地；3)计算机通过对太阳和地磁对信鸽导航影响的模拟，基本上能够重建信鸽的飞行路线，这说明，计算机模拟可以成为研究信鸽导航的有力工具；4)从模拟的情况说明，太阳和地磁场是信鸽导航的基本参照，在放飞信鸽时应创造最佳环境，如天气晴好，地磁活动尽量平静等。

计算机模拟目前还存在不少瑕疵。1)尽管计算机成功模拟了信鸽凭借太阳和地磁场进行导航的过程，但这只是理想状态，信鸽是否具备我们所假定的判断能力仍有待考证，后续将设计相应的试验，以判断信鸽是否借助计算及模拟的方法进行导航。2)计算机程序目前只考虑了两种参数，未来可以加入新的参数，如地磁场强度、太阳方位角等，通过更复杂的复合方法对导航过程进行模拟，也可以为科学研究提供线索。另外，计算过程没有考虑意外情况，如阴天、发生地磁暴等，未来模拟程序改进过程中，环境参数将成为动态的，以便模拟评估地磁暴等突发状况对导航的影响。

[1] Walcott C.Pigeon homing:observation，experiment and confusion[J].Journal of Experimental Biology，1996，199 (Pt 1):21⁃27.

[2] Wallraf H，Chappell J，Guilford T.The roles of the sun and the landscape in pigeon homing[J].Journal of Experi⁃mental Biology，1999，202(Pt 16):2121⁃2126.

[3] 王国卿，童建.松果体昼夜节律生物钟分子机制的研究进展[J].生理科学进展，2004，35(3):210⁃214. WANG Guo⁃qing，TONG Jian.Research progress on the molecular mechanism of circadian clock in pineal gland [J].Progress in Physiological Sciences，2004，35(3): 210⁃214.

[4] Schiffner I，Fuhrmann P，Wiltschko R.Homing flights of pigeons in the Frankfurt region:the effect of distance and local experience[J].Animal Behavior，2013，86(2): 291⁃307.

[5] Richard H，Caterina F，Anna G.A magnetic pulse does not affect pigeon homing navigation:a GPS tracking exper⁃iment[J].Journal of Experimental Biology，2013，216 (12):2192⁃2200.

[6] 钱霞，阮树仁，孙桂芳，等.家鸽头部的磁性物质[J].物理，2014，43(5):330⁃336. QIAN Xia，RUAN Shu⁃ren，SUN Gui⁃fang，et al.The magnetic substance pigeon's head[J].Physics，2014，43 (5):330⁃336.

[7] 王解先，李浩军.磁偏角与磁倾角的公式推导与运算[J].大地测量与地球动力，2009，29(3):88⁃90＋94. WANG Jie⁃xian，LI Hao⁃jun.Formula derivation and calcu⁃lation of magnetic declination and geomagnetic inclination [J].Journal of Geodesy and Geodynamics，2009，29(3): 88⁃90＋94.

Simulation of the Sun Position and Geomagnetic Parameters Effect in Pigeon Homing Navigation

XUE Bing⁃sen，HAN Da⁃yang
(National Satellite Meteorological Center，Beijing 100080)

The theory and some experiment result related to pigeon homing and navigation was introduced，through which the idea that the combination of solar zenith angle and geomagnetic inclination angle may play very crucial role in the determination of the flying direction.We suggested that the pigeon has special capability to judge the very small changes in solar zenith angle and geomagnetic inclination angle.It also posses precise biological clock and good memory.with which it could decide the rough direction by comparing the mentioned angle between the present spot and its home.In this way，simulation program was compiled and tested.The result showed that in the process of pigeon homing，the pigeon could find its home by correcting the direction constantly through judging the difference in solar zenith angle and geomagnetic inclina⁃tion angle between its present site and home.The examples simulated rout of the pigeon homing were given in this paper.

pigeon;navigation;solar zenith angle;geomagnetic inclination angle

U<666.1 文献标志码：A class="emphasis_bold">666.1 文献标志码：A 文章编号：1674⁃5558(2017)01⁃01282666.1 文献标志码：A

1674⁃5558(2017)01⁃01282

A 文章编号：1674⁃5558(2017)01⁃01282

10.3969／j.issn.1674⁃5558.2017.02.005

薛炳森，男，研究员，研究方向为空间天气预报技术和效应研究、地磁扰动对信鸽导航的影响。

2016⁃06⁃01