地磁導(dǎo)航技術(shù)研究和展望

羅 寧

（中國電子科技集團(tuán)第二十研究所,西安 710068）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，導(dǎo)航定位技術(shù)已滲透到人們?nèi)粘Ｉ罡鱾€領(lǐng)域當(dāng)中，在軍事和民用領(lǐng)域中發(fā)揮著及其重要的作用。目前常用的導(dǎo)航定位技術(shù)有航位推算導(dǎo)航、無線電導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航、地圖匹配、衛(wèi)星導(dǎo)航或應(yīng)用多種技術(shù)的綜合導(dǎo)航技術(shù)，這些技術(shù)都既有其優(yōu)勢，也有各自的缺點(diǎn)。其實地球本身就有一個大的坐標(biāo)系，可以用來定位所在的位置，這就是地磁導(dǎo)航。地磁導(dǎo)航技術(shù)具有低能耗，地域廣，不受氣象條件影響，輻射低，自主性高等優(yōu)良特征，隨著地磁理論的不斷完善以及導(dǎo)航算法的日趨成熟，地磁導(dǎo)航憑借這些優(yōu)良特征成為導(dǎo)航研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。

1 地磁導(dǎo)航的基本原理和地磁模型的建立

地磁場是地球系統(tǒng)的基本物理場，是地球所固有的資源。地磁場是矢量場，在地球表面理論上每一點(diǎn)的地磁矢量都和其它點(diǎn)的地磁矢量不同。地磁場作為一個矢量場，不僅有幅值信息可以使用，而且有方向信息可以作為參考，因此可以提供豐富的導(dǎo)航參照信息。因此，只要能夠測量到載體所處地點(diǎn)的地磁矢量，并和存在計算機(jī)內(nèi)的地磁模型相匹配，就可以得到載體的所處位置，實現(xiàn)全球定位。這是地磁導(dǎo)航的基本原理。

地磁模型的建立：可將地磁場劃分為三個部分:

在地球物理學(xué)中，描述地球主磁場的標(biāo)準(zhǔn)模型為“國際參考地磁場”（IGRF)，在IGRF模型中，主磁場的標(biāo)量磁位可以用球諧函數(shù)表示為

其中， 是地心球坐標(biāo)系的地心距，余緯和經(jīng)度， 是地球半徑， 是伴隨勒讓德函數(shù)， 和 是由觀測資料求得的地磁場球諧系數(shù)（或高斯系數(shù)）,N是模型的截斷水平。IGRF（國際地磁參考場）是有關(guān)地球主磁場與長期變化的模型。由此所建立的地磁模型是研究地磁導(dǎo)航制導(dǎo)技術(shù)的關(guān)鍵因素。

2 地磁導(dǎo)航的主要技術(shù)

地磁導(dǎo)航技術(shù)主要包含三個分支：磁場測量，地磁圖數(shù)字化、導(dǎo)航與定位，通過磁場測量，建立數(shù)字化的全息磁圖，從而實現(xiàn)依靠地磁的導(dǎo)航與定位。

2.1 磁場測量技術(shù)

要實現(xiàn)地磁匹配導(dǎo)航并具備一定的精度，首要的是建立起來完整、全面、有一定精準(zhǔn)度的地磁數(shù)據(jù)庫。地磁數(shù)據(jù)庫是通過磁場測量技術(shù)，將地磁信號轉(zhuǎn)換為電信號，存儲在數(shù)據(jù)庫當(dāng)中。如何精確的測量地磁場的信息，是地磁導(dǎo)航實現(xiàn)的基礎(chǔ)條件。由于地磁場非常微弱，其隨空間位置產(chǎn)生的變化量更是相當(dāng)微弱，因此，磁場測量技術(shù)關(guān)鍵就在設(shè)計與制造出靈敏度高，響應(yīng)速度快，體積合適的磁傳感器。也可以說，磁傳感器決定了磁場測量技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步。

2.2 地磁圖數(shù)字化技術(shù)

地磁圖（map of the geomagnetic）是表示地球基本磁場各要素數(shù)值及其在地球表面分布和變化規(guī)律的等值線圖，是根據(jù)區(qū)域內(nèi)各地磁臺的觀測數(shù)據(jù)編繪的。磁場特征量的測量是地磁圖數(shù)字化的重要技術(shù)之一。將測試區(qū)域內(nèi)的各個測試點(diǎn)的磁場特征量相結(jié)合，構(gòu)成了地磁基準(zhǔn)圖，就可以準(zhǔn)確的反應(yīng)該地區(qū)的磁場場強(qiáng)變化或其他地磁要素的變化。將這些磁場特征量數(shù)字化，建立了數(shù)字化的地磁圖。

2.3 導(dǎo)航與定位

地磁導(dǎo)航的導(dǎo)航與定位實現(xiàn)主要有以下兩種技術(shù)：

2.3.1 地磁匹配技術(shù)

就是對于近地空間運(yùn)動的物體，首先測量出當(dāng)?shù)氐牡卮盘卣髁侩S航跡形成的線圖，再通過與地磁基準(zhǔn)圖做匹配，從而實現(xiàn)精準(zhǔn)定位。地磁匹配類似于地形匹配系統(tǒng)，區(qū)別在于地磁匹配可有多個特征量，屬于數(shù)字地圖匹配技術(shù)，是地磁導(dǎo)航的核心技術(shù)。

2.3.2 地磁濾波技術(shù)

地磁濾波技術(shù)比地磁匹配技術(shù)來說相對成熟，在現(xiàn)有的導(dǎo)航系統(tǒng)中應(yīng)用的比較多一些。地磁濾波技術(shù)對初始誤差要求比較高，對處理載體在運(yùn)動之中的未知擾動問題比較有效。

2.4 地磁導(dǎo)航相關(guān)算法

磁場的特性決定了其無法遠(yuǎn)程測量，所能得到的測試結(jié)果都是運(yùn)動物體軌跡的一維線圖形式。所以在進(jìn)行匹配的時候，只能采用線圖匹配。目前主流的算法是基于MAGCOM（Magnetic Contour Matching）的磁場相關(guān)匹配算法，與基于ICCP（Iterative Closest Contour Point），這兩種都是線圖匹配的方法。下面對這兩種算法分別做出闡述與分析。

2.4.1 基于MAGCOM的磁場相關(guān)匹配算法

當(dāng)物體運(yùn)動的時候，通過地磁傳感器測量取得地磁場的特征值序列；隨后在慣導(dǎo)系統(tǒng)輸出的誤差鄰域里，和計算機(jī)所存儲的本地地磁數(shù)據(jù)庫相結(jié)合，找到本地的標(biāo)準(zhǔn)地磁場數(shù)據(jù)庫，得到新的標(biāo)準(zhǔn)場序列；最后，對得到的兩組序列用函數(shù)做匹配，進(jìn)行處理后得到最佳的匹配位置。其常用的函數(shù)有如下

交叉相關(guān)算法（COR)

平均絕對差算法（MAD)

均方差算法（MSD)

2.4.2 基于ICCP的磁場相關(guān)匹配算法

ICCP算法主要通過搜索到最近的點(diǎn)，然后進(jìn)行迭代計算，并且通過將測量值和背景場數(shù)據(jù)之間的最優(yōu)匹配，從而得到運(yùn)動載體所處的位置信息，其特點(diǎn)是收斂塊，精度高，可以應(yīng)用于地磁輔助導(dǎo)航。它最初是來源于圖像配準(zhǔn)的ICP算法，其基本思路為：通過測量航跡上各點(diǎn)的地磁值，然后將這些測量到的點(diǎn)連成曲線，然后同已經(jīng)存在的地磁等值線圖進(jìn)行對比匹配。該算法的最小為目標(biāo)函數(shù)采用的是歐式平方根，通過計算得到真實的航跡與所測量得到的軌跡之間的最優(yōu)變換，通過這種最優(yōu)的變換實現(xiàn)對航跡的校正，下圖是其原理圖：

3 地磁導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展方向

地磁導(dǎo)航今后研究的重點(diǎn)主要有以下幾個方面：

3.1 高精度的磁傳感器研制

研制出具有高精度的磁傳感器是今后地磁導(dǎo)航研究方向的重點(diǎn)之一。其未來發(fā)展的方向會包含以下幾種特點(diǎn)：高靈敏度，很好的溫度穩(wěn)定性，抗干擾性，小型集成化，智能化，低功耗等。

3.2 完整的地磁場模型

現(xiàn)今地磁導(dǎo)航的難點(diǎn)之一就是建立地磁場模型，建立的地磁場模型應(yīng)該是能夠詳細(xì)反應(yīng)導(dǎo)航區(qū)域內(nèi)的地磁場模型。完整的地磁場模型是地磁導(dǎo)航普及應(yīng)用的重要條件。

3.3 相關(guān)算法的優(yōu)化

對相關(guān)算法的缺陷進(jìn)行研究與分析，需將影響算法的初值精度進(jìn)行提高，或采取多種算法相結(jié)合的方式進(jìn)行互補(bǔ)。

3.4 與其他導(dǎo)航定位技術(shù)相結(jié)合

發(fā)展與衛(wèi)星導(dǎo)航等其他導(dǎo)航方式的相互結(jié)合，實現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，可以將定位誤差減小，實現(xiàn)組合導(dǎo)航的優(yōu)勢。

4 發(fā)展與展望

地磁導(dǎo)航是當(dāng)前國際導(dǎo)航領(lǐng)域的一大研究熱點(diǎn)，其他導(dǎo)航技術(shù)相比，地磁導(dǎo)航自身具有自主性高，隱蔽性好，應(yīng)用范圍更廣的特點(diǎn)，尤其是對水下載體的導(dǎo)航有較明顯的優(yōu)勢。通過與慣導(dǎo)和衛(wèi)星導(dǎo)航等導(dǎo)航方式的結(jié)合更有廣闊的應(yīng)用背景，不斷發(fā)展的新型傳感器和新技術(shù)的發(fā)展也將使地磁導(dǎo)航技術(shù)在軍用民用領(lǐng)域發(fā)揮更重要的作用。國內(nèi)多家科研單位已經(jīng)地磁模型建立，與衛(wèi)星導(dǎo)航結(jié)合等方面取得了成就，隨著地磁導(dǎo)航理論的不斷發(fā)展，地磁導(dǎo)航必將有大的發(fā)展。

[1]楊曉東.地磁導(dǎo)航原理[Z].

[2]郭才發(fā),胡正東,張士峰等.地磁導(dǎo)航綜述[J].宇航學(xué)報,2009,30(4):1314-1319.DOI:10.3873/j.issn.1000-1328.2009.04.002.

[3]寇義民.地磁導(dǎo)航關(guān)鍵技術(shù)研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué),2010.

[4]周軍,葛致磊,施桂國等.地磁導(dǎo)航發(fā)展與關(guān)鍵技術(shù)[J].宇 航 學(xué) 報,2008,29(5):1467-1472.DOI:10.3873/j.issn.1000-1328.2008.05.001.

[6]晏登洋.慣性/地磁組合導(dǎo)航技術(shù)研究[D].西北工業(yè)大學(xué),2007.DOI:10.7666/d.y1034594.