由太陽(yáng)和地磁參數(shù)構(gòu)成的信鴿導(dǎo)航原理仿真

薛炳森韓大洋(國(guó)家衛(wèi)星氣象中心北京100080)

由太陽(yáng)和地磁參數(shù)構(gòu)成的信鴿導(dǎo)航原理仿真

薛炳森，韓大洋
(國(guó)家衛(wèi)星氣象中心，北京100080)

根據(jù)信鴿導(dǎo)航理論和相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果的分析，確定太陽(yáng)高和地磁場(chǎng)參數(shù)的組合可以形成信鴿導(dǎo)航的環(huán)境基礎(chǔ)。通過(guò)分析信鴿對(duì)太陽(yáng)高度角、地磁傾角參數(shù)的可能利用過(guò)程，結(jié)合信鴿飛行路徑的特點(diǎn)，確認(rèn)了信鴿方向判斷原理和逐漸趨緊的過(guò)程，并在此基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算機(jī)程序?qū)π砒潓?dǎo)航過(guò)程和分型線路進(jìn)行了模擬，結(jié)果較為符合信鴿的飛行特點(diǎn)，并對(duì)信鴿導(dǎo)航的初步原理進(jìn)行了分析和解釋。

信鴿；導(dǎo)航；太陽(yáng)高度角；地磁傾角

0 引言

長(zhǎng)久以來(lái)，信鴿能夠準(zhǔn)確地找到鴿巢一直是生物學(xué)家研究的現(xiàn)象，有試驗(yàn)顯示［1］，鴿子可以從遙遠(yuǎn)的、陌生的放飛點(diǎn)返回。經(jīng)驗(yàn)豐富的鴿子即使在被麻醉的狀態(tài)下，被剝奪旅途信息，或乘飛機(jī)直接到達(dá)陌生放飛地點(diǎn)，仍可以用近似直線的路徑回到鴿巢。因此，鴿子應(yīng)當(dāng)具有確定從放飛地點(diǎn)到目的地(鴿巢)方向的能力。現(xiàn)代研究表明，信鴿辨識(shí)歸巢方向除了訓(xùn)練的因素外，自然界的特征和變化規(guī)律，如太陽(yáng)方位、地磁場(chǎng)、顯著地標(biāo)、氣味等都是信鴿導(dǎo)航所依賴的外部條件。

太陽(yáng)的位置是信鴿導(dǎo)航的重要參考，同時(shí)，信鴿生物鐘是與之相配合的參數(shù)。國(guó)外經(jīng)常采用時(shí)間錯(cuò)位(time?shift)的方法使信鴿對(duì)時(shí)間的感覺(jué)與目的地形成一個(gè)時(shí)差，對(duì)比結(jié)果顯示，沒(méi)有經(jīng)過(guò)時(shí)間錯(cuò)位處理的信鴿出發(fā)方向正確，全部返回；而有時(shí)差的信鴿發(fā)生方向錯(cuò)誤，歸巢率幾乎為零［2］。這說(shuō)明，信鴿是通過(guò)不同時(shí)間太陽(yáng)的方位來(lái)感知目的地的方位。

信鴿對(duì)事件感知原理的試驗(yàn)顯示，信鴿在下丘腦的調(diào)控下，類松果體通過(guò)合成褪黑素，而表達(dá)輸出效應(yīng)。松果體作為一個(gè)神經(jīng)內(nèi)分泌器官，也在各種非哺乳類脊椎動(dòng)物中起著中樞晝夜節(jié)律振蕩器的作用。在多數(shù)情況下，松果體振蕩器均保持與光信號(hào)輸入通路和內(nèi)分泌輸出通路的密切聯(lián)系。近來(lái)，在鳥(niǎo)類松果體中相繼發(fā)現(xiàn)了幾種鐘基因，其表達(dá)的時(shí)間變化規(guī)律與哺乳類動(dòng)物的非常相似［3］。而這種特定地點(diǎn)(鴿巢)時(shí)間與太陽(yáng)方位的對(duì)應(yīng)需要通過(guò)記憶來(lái)實(shí)現(xiàn)。同樣，信鴿憑著對(duì)氣味、地標(biāo)，特別是地磁場(chǎng)的記憶，同樣可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航的功能。

地磁場(chǎng)是信鴿判斷方向和位置的主要線索，Schiffner等［4］開(kāi)展的試驗(yàn)中，用GPS追蹤信鴿飛行路徑。分別從多個(gè)磁場(chǎng)分布異常和正常的區(qū)域放飛信鴿，通過(guò)多次試驗(yàn)比較，發(fā)現(xiàn)信鴿的歸巢率沒(méi)有差別。但也發(fā)現(xiàn)，在磁異常區(qū)域放飛的信鴿歸巢時(shí)間要長(zhǎng)一些。該研究者認(rèn)為，磁場(chǎng)的局部異常確實(shí)可以對(duì)信鴿的導(dǎo)航系統(tǒng)產(chǎn)生影響，但信鴿逐漸可以適應(yīng)。在試驗(yàn)中，信鴿從兩個(gè)距離相等的地點(diǎn)放飛，一個(gè)地點(diǎn)磁場(chǎng)異常，另一地點(diǎn)磁場(chǎng)正常，采用GPS記錄鴿子的飛行軌跡。結(jié)果在一開(kāi)始的軌跡記錄中發(fā)現(xiàn)顯著的差異，在磁場(chǎng)異常的地點(diǎn)，初始階段持續(xù)更長(zhǎng)的時(shí)間，飛行距離較長(zhǎng)。通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，從磁場(chǎng)正常的地點(diǎn)放飛的信鴿，一開(kāi)始就能找到歸巢的方向，但當(dāng)它們經(jīng)過(guò)磁場(chǎng)異常的地區(qū)時(shí)，同樣出現(xiàn)了迷失方向的時(shí)段。研究者認(rèn)為，通過(guò)與潛在的磁輪廓異常的軌道相比，個(gè)體之間的差異相當(dāng)大，沒(méi)有一個(gè)共同的模式出現(xiàn)。

動(dòng)物生理學(xué)的研究發(fā)現(xiàn)，信鴿的上喙部存在鐵磁性物質(zhì)，國(guó)外研究者在家鴿上喙皮膚組織中發(fā)現(xiàn)了規(guī)則分布的超順磁磁鐵礦顆粒。他們應(yīng)用透射電子顯微鏡確認(rèn)了這些小磁鐵礦晶體為尺寸在1nm～5nm的聚集體，集中存在于皮下組織中。這些超順磁粒子聚集體又形成直徑為1μm～3μm的粒子束，分布在大細(xì)胞之間的長(zhǎng)形結(jié)構(gòu)中，并且與神經(jīng)組織緊密相連。應(yīng)用光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡，國(guó)外研究者也對(duì)家鴿上喙傳入三叉神經(jīng)末梢的磁細(xì)胞組織進(jìn)行了研究。這些神經(jīng)末梢組織直徑大約5μm，內(nèi)部包含著聚集成束的超順磁磁鐵礦顆粒。

Holland等［5］的試驗(yàn)結(jié)果顯示，大約10～15個(gè)粒子束存在于一個(gè)神經(jīng)末梢中，沿著細(xì)胞膜排列。每一個(gè)超順磁粒子束包埋在一個(gè)杯狀結(jié)構(gòu)中，口朝向細(xì)胞表面，通過(guò)纖維組織，這些粒子束黏附在細(xì)胞表面上［6］。除了超順磁顆粒，非晶態(tài)鐵磷酸鹽也被發(fā)現(xiàn)，它們沿著神經(jīng)末梢的纖維中心分布。解剖特征表明，這些神經(jīng)末端可以探測(cè)很小的地磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化，考慮到以超順磁磁鐵礦顆粒為基礎(chǔ)的磁接收器理論，研究者還給出了幾個(gè)磁接收器的模型。

此外，Schiffner等［4］通過(guò) GPS追蹤的數(shù)據(jù)分析，信鴿在歸巢途中經(jīng)常改變飛行方向，這說(shuō)明信鴿在飛行過(guò)程中會(huì)經(jīng)常 “測(cè)量”太陽(yáng)方位或地磁場(chǎng)特性，并對(duì)先前的設(shè)定方向進(jìn)行修正。

綜上所述，太陽(yáng)方位和地磁場(chǎng)是信鴿導(dǎo)航的重要參考量。以往對(duì)信鴿歸巢導(dǎo)航原理的研究和試驗(yàn)通常是定性的，如證明太陽(yáng)方位、地磁場(chǎng)等確實(shí)在信鴿導(dǎo)航過(guò)程中起著重要作用。但能夠定量地真正分析信鴿導(dǎo)航過(guò)程中所依賴的具體參量較少，因此，嘗試?yán)糜?jì)算機(jī)模擬的方法，對(duì)信鴿利用具體的太陽(yáng)方位和地磁場(chǎng)參量進(jìn)行導(dǎo)航的過(guò)程進(jìn)行仿真，研究具體參量大小對(duì)信鴿導(dǎo)航精度的影響。

1 數(shù)據(jù)分析

在研究中，根據(jù)信鴿飛行軌跡的特征，以及相關(guān)的研究和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行如下假設(shè)：1)信鴿有良好的平衡能力，能夠精確地感知太陽(yáng)的高度角；2)由于信鴿鐵物質(zhì)頭部的存在，它們可以靈敏地感知當(dāng)?shù)氐拇帕€的走向，地磁場(chǎng)的強(qiáng)度；3)由于信鴿對(duì)水平面的感知能力，它們能夠準(zhǔn)確地感知地磁場(chǎng)相對(duì)水平面的夾角，即磁傾角；4)信鴿具有相對(duì)固定的生物鐘體系，能夠?qū)r(shí)間信息和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)有效地結(jié)合，例如，信鴿將最近幾天鴿巢附近不同時(shí)間的太陽(yáng)傾角進(jìn)行對(duì)應(yīng)；5)有良好的記憶能力，能夠記住關(guān)鍵的導(dǎo)航參數(shù)，如鴿巢附近的地磁傾角，不同時(shí)間的太陽(yáng)傾角等。

在地面附近，地磁場(chǎng)的分布近似于偶極磁場(chǎng)，而且較為恒定，隨著地磁緯度的增加，磁傾角也隨之變大，由于地磁軸與地球自轉(zhuǎn)軸存在大約11.5°的夾角，地理經(jīng)緯度和地磁經(jīng)緯度是不一致的，通過(guò)一定的公式可以進(jìn)行轉(zhuǎn)換［8］，一個(gè)地理坐標(biāo)對(duì)應(yīng)唯一的地磁坐標(biāo)。特定地磁傾角的位置構(gòu)成閉合的圈，大致與某一地磁緯度帶重合。表1為我國(guó)區(qū)域磁傾角的分布［7］。

表1 中國(guó)區(qū)域地磁傾角分布Table 1 The distribution of geomagnetic inclination within China

隨著地球的自轉(zhuǎn)，信鴿看到的太陽(yáng)有一個(gè)東升西落的過(guò)程，太陽(yáng)與觀測(cè)者之間的連線與水平面的夾角稱為太陽(yáng)高度角。由于地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)，其自轉(zhuǎn)軸相對(duì)于太陽(yáng)以1年為周期發(fā)生規(guī)律性的變化，太陽(yáng)的觀測(cè)者之間的連線與水平面的夾角，又稱為太陽(yáng)高度角，與觀測(cè)所在位置、時(shí)間等因素有關(guān)，如圖1所示。

太陽(yáng)高度角與地方時(shí)和緯度由式(1)表示：

其中，h為太陽(yáng)高度角；δ為太陽(yáng)直射角，即太陽(yáng)直射地球的緯度，θ為觀測(cè)者的地理緯度，特定日期為定值；t為地方時(shí)，與經(jīng)度有關(guān)，可表示為：

式中，?為觀測(cè)者緯度，?0為UTC時(shí)區(qū)起始經(jīng)度(常數(shù))，t0為UTC標(biāo)準(zhǔn)時(shí)(常數(shù))。可以看出，地方時(shí)t與觀測(cè)者所在經(jīng)度一一對(duì)應(yīng)。

公式可變?yōu)椋?/p>

在特定的日期，任選一個(gè)太陽(yáng)高度角，可以證明，某一時(shí)間，指定的太陽(yáng)高度角由南至北分布于一條斜線上。這條線與某選定位置的磁傾角所對(duì)應(yīng)的交點(diǎn)是唯一的，反過(guò)來(lái)講，在特定時(shí)間，選定的太陽(yáng)的高度角和磁傾角對(duì)應(yīng)的位置是唯一的。換言之，信鴿在飛行過(guò)程中，需要不斷感知當(dāng)?shù)氐奶?yáng)高度角和磁傾角，并根據(jù)長(zhǎng)期在巢周圍飛行積累的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)飛行方向進(jìn)行修正，使得上述兩個(gè)參數(shù)逐漸趨近鴿巢周圍的太陽(yáng)高度角和地球磁傾角即可。作為實(shí)例，圖2給出的是2∶00UT，高度角30°與磁傾角30°的分布?？梢?jiàn)，二者大致呈單調(diào)分布，二曲線相交的點(diǎn)即為2∶00UT時(shí)刻，滿足高度角30°與磁傾角30°的地理位置，即119.7N27.2E的特定點(diǎn)。這說(shuō)明，目的地的位置可以通過(guò)太陽(yáng)高度角和地磁傾角來(lái)確定，信鴿通過(guò)比較所在位置的太陽(yáng)高度角和磁傾角，集合選擇合適的飛行方向。

我國(guó)區(qū)域內(nèi)，如表1所示，磁傾角越向北越大，因此，如果信鴿感知的當(dāng)?shù)卮艃A角小于其記憶的鴿巢的磁傾角，則飛行方向應(yīng)偏北，反之偏南。另外，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，東面看到的日出時(shí)間較早，即如果當(dāng)?shù)氐奶?yáng)高度角大于鴿巢當(dāng)時(shí)的高度角，則飛行方向應(yīng)向西，反之則向東。信鴿不可能進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算，經(jīng)過(guò)進(jìn)化和人為的訓(xùn)練后，它們可以學(xué)會(huì)通過(guò)當(dāng)?shù)睾网澇仓g的太陽(yáng)高度角以及地磁傾角的變化量來(lái)確定飛行方向，使得飛行過(guò)程中上述兩個(gè)角度的角度差趨于減小，在到達(dá)鴿巢附近時(shí)，信鴿則可以通過(guò)地緣性地標(biāo)、氣味等信息確定鴿巢的精確位置了。舉一個(gè)極端的例子，假如信鴿在放飛地點(diǎn)感知的磁傾角與鴿巢相同，而此時(shí)的太陽(yáng)高度角比鴿巢的大，那么，它向西飛即可，對(duì)于信鴿來(lái)說(shuō)則是 “沿著”太陽(yáng) “移動(dòng)”的方向飛行就對(duì)了。

2 計(jì)算機(jī)模擬過(guò)程設(shè)計(jì)

根據(jù)上節(jié)敘述的模擬信鴿導(dǎo)航原理，編制程序，對(duì)信鴿的飛行軌跡進(jìn)行仿真計(jì)算。程序在For?tran平臺(tái)上開(kāi)發(fā)，流程如圖3所示。需要給定信鴿的飛行速度V，進(jìn)行方向校正的間隔時(shí)間T。其中，(xh，yh)、(xf，yf)、(x1，y1)分別為：鴿巢、出發(fā)點(diǎn)和途中的坐標(biāo)(經(jīng)／緯度)。

第一步，信鴿放飛出發(fā)時(shí)，信鴿通常會(huì)在放飛地繞飛，可以理解為采集導(dǎo)航參數(shù)的過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，信鴿能夠獲取當(dāng)?shù)氐奶?yáng)高度角和磁傾角。信鴿會(huì)將這些數(shù)據(jù)與相同時(shí)間點(diǎn)上鴿巢地所具有的太陽(yáng)高度角、地磁傾角進(jìn)行比較，得到放飛地和鴿巢之間的差別，地磁傾角差ΔM表示為：

式中，Mf和Mh分別表示放飛地和鴿巢的磁傾角。

太陽(yáng)高度角差ΔS表示為：

式中，Sf和Sh分別表示放飛地和鴿巢的太陽(yáng)高度角。

從放飛地的飛行角度可以表示為：

式中，A表示與北向的夾角。

第二步，模擬信鴿經(jīng)過(guò)T(分鐘)的飛行后，可以得到新的坐標(biāo)。如果信鴿沒(méi)有在鴿巢的10km以內(nèi)，即無(wú)法通過(guò)地標(biāo)和氣味特征進(jìn)行精細(xì)定位，則信鴿將再次感知所處位置的太陽(yáng)高度角和磁傾角，并重復(fù)第一步的過(guò)程。直到信鴿進(jìn)入目的地(鴿巢)的10km范圍內(nèi)，程序結(jié)束。

通過(guò)測(cè)試，程序成功給出在文中所述原理約束下，中國(guó)地區(qū)的信鴿的飛行軌跡。圖3和圖4分別給出了兩次模擬歸巢的線路圖?？梢钥闯觯砒濓w行的方向大致是正確的，越到后期飛行方向與目的地的位置越趨近。

3 結(jié)論與討論

通過(guò)對(duì)信鴿導(dǎo)航原理的初步探討和計(jì)算機(jī)模擬，得出如下結(jié)論：1)太陽(yáng)和地磁場(chǎng)是天然存在的可做導(dǎo)航基準(zhǔn)的參照物，鴿子在長(zhǎng)期的進(jìn)化過(guò)程中，通過(guò)學(xué)習(xí)、訓(xùn)練，抑或遺傳，可以具有依靠上述兩種基礎(chǔ)的要素進(jìn)行導(dǎo)航；2)信鴿的基本能力，如對(duì)太陽(yáng)高度角和磁傾角的感知，以及精確、持久的記憶，包括這些信息與時(shí)間的準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)關(guān)系的記憶，通過(guò)對(duì)比，在飛行中不斷調(diào)整方向，最終到達(dá)目的地；3)計(jì)算機(jī)通過(guò)對(duì)太陽(yáng)和地磁對(duì)信鴿導(dǎo)航影響的模擬，基本上能夠重建信鴿的飛行路線，這說(shuō)明，計(jì)算機(jī)模擬可以成為研究信鴿導(dǎo)航的有力工具；4)從模擬的情況說(shuō)明，太陽(yáng)和地磁場(chǎng)是信鴿導(dǎo)航的基本參照，在放飛信鴿時(shí)應(yīng)創(chuàng)造最佳環(huán)境，如天氣晴好，地磁活動(dòng)盡量平靜等。

計(jì)算機(jī)模擬目前還存在不少瑕疵。1)盡管計(jì)算機(jī)成功模擬了信鴿憑借太陽(yáng)和地磁場(chǎng)進(jìn)行導(dǎo)航的過(guò)程，但這只是理想狀態(tài)，信鴿是否具備我們所假定的判斷能力仍有待考證，后續(xù)將設(shè)計(jì)相應(yīng)的試驗(yàn)，以判斷信鴿是否借助計(jì)算及模擬的方法進(jìn)行導(dǎo)航。2)計(jì)算機(jī)程序目前只考慮了兩種參數(shù)，未來(lái)可以加入新的參數(shù)，如地磁場(chǎng)強(qiáng)度、太陽(yáng)方位角等，通過(guò)更復(fù)雜的復(fù)合方法對(duì)導(dǎo)航過(guò)程進(jìn)行模擬，也可以為科學(xué)研究提供線索。另外，計(jì)算過(guò)程沒(méi)有考慮意外情況，如陰天、發(fā)生地磁暴等，未來(lái)模擬程序改進(jìn)過(guò)程中，環(huán)境參數(shù)將成為動(dòng)態(tài)的，以便模擬評(píng)估地磁暴等突發(fā)狀況對(duì)導(dǎo)航的影響。

[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] 王國(guó)卿，童建.松果體晝夜節(jié)律生物鐘分子機(jī)制的研究進(jìn)展[J].生理科學(xué)進(jìn)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，F(xiàn)uhrmann 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] 錢(qián)霞，阮樹(shù)仁，孫桂芳，等.家鴿頭部的磁性物質(zhì)[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，李浩軍.磁偏角與磁傾角的公式推導(dǎo)與運(yùn)算[J].大地測(cè)量與地球動(dòng)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 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A class="emphasis_bold">666.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674?5558(2017)01?01282666.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1674?5558(2017)01?01282

A 文章編號(hào)：1674?5558(2017)01?01282

10.3969／j.issn.1674?5558.2017.02.005

薛炳森，男，研究員，研究方向?yàn)榭臻g天氣預(yù)報(bào)技術(shù)和效應(yīng)研究、地磁擾動(dòng)對(duì)信鴿導(dǎo)航的影響。

2016?06?01