地磁導航技術研究進展

孫曉潔，寇　軍，張笑楠，李　潔

（北京航天控制儀器研究所，北京100039）

地磁導航技術研究進展

孫曉潔，寇軍，張笑楠，李潔

（北京航天控制儀器研究所，北京100039）

地磁場是地球的固有資源，利用地磁場匹配進行導航是一種新型導航技術。與傳統(tǒng)的慣性導航和衛(wèi)星導航比較，地磁導航具有無積累誤差、抗干擾、隱蔽性好、導航信息豐富等優(yōu)勢。文章介紹了地磁導航的3個基本要素，即磁場測量技術、地磁模型以及定位與導航技術。分析了弱磁場磁力儀在地磁導航中的應用及其優(yōu)缺點，討論了地磁場模型和地磁匹配算法，展望了地磁導航技術的應用前景。

地磁導航；磁場測量；地磁模型；地磁匹配定位

0 引言

地磁場是在地球周圍存在的天然磁場。雖然它看不見摸不著并且非常微弱，但卻與人類的生活息息相關，因此人們很早就發(fā)現(xiàn)和利用了地磁場。東漢學者王充在《論衡》中就介紹了一種最原始的磁場測量儀器——司南，其后來發(fā)展成為現(xiàn)代指南針。北宋科學家沈括在《夢溪筆談》中最早記載了地磁偏角，很多裝置都是利用磁偏角定向的。

經(jīng)過漫長的探索和積累，人們逐漸認識到地磁場是地球的固有資源，它由不同起源、不同變化規(guī)律的磁場成分疊加而成?；诟咚骨蛑C函數(shù)的地磁場模型表明地球近地空間內(nèi)任意一點的磁場矢量與該點的地理經(jīng)緯度和離地心的高度是一一對應的［1?3］?？梢?，地磁場為航空、航天、航海以及海下航行提供了天然的導航資源，其應用已不再局限于導航車、指南針和水羅盤，在更廣闊的導航領域有了新的應用前景。

表1　3種導航方法的比較Table 1 Characteristic of three kinds of navigation technology

具體來說，地磁導航具有以下優(yōu)勢：

1）地磁測量不受位置和環(huán)境的影響，是實現(xiàn)全天候、全地域導航的基礎；

2）地磁測量不會有電磁信號的泄露，隱蔽性好；

3）采用匹配定位方法，導航誤差不會隨時間產(chǎn)生累積；

4）地磁場為矢量場，相較于地形匹配等標量數(shù)值匹配，可以提供更為豐富的導航參考信息。

地磁導航系統(tǒng)能有效彌補現(xiàn)有導航方法的不足，成為未來導航的新方向。同時，將地磁導航技術與其他導航技術組合使用，利用地磁匹配定位誤差的有界性，可以獲得長航時高精度的導航結果［4?6］。

1 國內(nèi)外研究進展

利用地磁信息進行導航古而有之，指南針和航海羅盤提供的磁偏角可以精確定向。近代地磁導航的發(fā)展得益于磁場測量儀器的突破和人們對地磁場更深入的研究。20世紀60年代，美國E?systems公司研究了以地磁異常場為基礎進行等值線匹配的MAGCOM系統(tǒng)［7］。但直到1976年，蘇聯(lián)Ramenskoye公司才通過實測地磁數(shù)據(jù)離線實驗了MAGCOM導航方法［8］。20世紀80年代，瑞典的Lund學院利用地磁異常測速定位的方法對地磁導航的有效性進行了海上試驗。2003年，美國國防部下達的軍事關鍵技術相關列表中提到了地磁導航的數(shù)據(jù)參考系統(tǒng)，并且研發(fā)出了純地磁導航系統(tǒng)。當前，美、英聯(lián)合研制世界地磁模型用于實現(xiàn)空間和海洋的磁自主導航。

1.2.2 AFC測定 選擇經(jīng)陰道超聲檢測AFC，使用西門子公司的SSD3500型超聲診斷儀，配有3～5 MHz陰道探頭。使探頭的掃描面向前，在陰道穹窿部獲得卵泡最大切面的信息，使用探頭全方位整體性的掃描卵巢，取同一平面上的兩條互相垂直的最大徑線，對卵泡邊緣進行測量，計算在左右卵巢中直徑介于2和10 mm之間的總卵泡數(shù)，數(shù)據(jù)納入AFC計數(shù)。測量誤差低于5%。

近年來，我國在地磁場測量和地磁導航技術方面也獲得了快速發(fā)展。國家地震局的地球物理研究所每5年公布一次最新的國家地磁圖，這是開展地磁導航技術研究的基礎。2003年，中國航天研究人員采用自研磁力儀利用平均絕對差法進行地磁匹配定位實驗，得到的分辨率達到50m。2007年，西北工業(yè)大學進行了慣性／地磁導航的仿真實驗，利用磁偏角、磁傾角和地磁場強度等多種信息來完成位置匹配［9?10］。國防科技大學研制了慣性／地磁組合導航系統(tǒng)樣機，并于2008年、2009年和2011年進行了車載試驗、水面搭載試驗和水下搭載試驗，他們對相關匹配結果采取逐點匹配的策略，逐漸修正位置誤差，再迭代該過程，從而實現(xiàn)精確定位。在地磁導航技術方面，我國雖然取得了一些進展，總體來說與國外水平還有較大差距，具體體現(xiàn)在：

1）高精度的地磁場測量儀器與國外至少差了一個數(shù)量級。最新的德國光技術研究所研制的微小型原子磁力儀靈敏度達到0．2pT／Hz1／2，而國內(nèi)有報道的國土資源航空物探遙感中心研制的氦光泵磁力儀靈敏度達到2．5pT／Hz1／2［3］。這種高精度磁傳感器屬于禁運設備，必須依靠技術積累，設計和研制具有自主知識產(chǎn)權的產(chǎn)品。

2）用于地磁導航的高分辨率地磁模型和地磁圖。國際地磁參考場IGRF描述的中國地區(qū)地磁場偏差在100nT，這么大的等值線間隔是無法完成高精度地磁導航的。中國地震局地球物理研究所與多家地震局單位共同承擔了全國地磁測量、地磁場模型研究與中國地磁圖的編繪工作，并每5年時間更新一次，模型精度為水平分量104．4nT，北向分量103．3nT，垂直分量123．9nT。隨著航磁技術的改進，航磁圖的等值線間隔將提高到0．1nT，這種磁場測繪量是巨大的，目前我國還沒有完成這項工作。

3）有效的地磁匹配定位導航算法。美國國防部聲稱他們研制的純地磁導航系統(tǒng)地面和空中的定位精度為30m，目前我國未見有超過此指標的報道。雖然地磁導航算法可以借鑒許多圖像匹配、地形匹配算法，但由于地磁測繪的特點，這些算法在地磁導航領域受到很大的局限性，需要對相關算法的缺陷進行研究與分析，將影響算法的初值精度進行提高，或采取多種算法相結合的方式進行互補。地磁定位精度的提高不能被簡單地局限于磁傳感器的設計與改進，實用高效的地磁匹配定位導航算法也是一項關鍵性技術問題。

2 地磁導航的關鍵技術

地磁導航技術的研究涉及地球物理學、電磁學、精密儀器、地理信息系統(tǒng)、導航與控制等多個學科，需要多學科交叉與融合。完成地磁導航需要知道當前點地磁信息，基準地磁圖和匹配算法，因此地磁導航的關鍵技術包括：磁場測量技術、地磁模型以及定位與導航技術。

2.1 磁場測量技術

實現(xiàn)地磁導航的基本條件是能夠精確地獲取地磁場的幅值與方向等信息。地磁場測量屬于弱磁測量領域，其幅值范圍在30000nT～70000nT。地磁平緩區(qū)域的磁場梯度變化只有幾nT，要測量如此微小的變化量無疑對磁傳感器的分辨率提出了很高要求，因此磁場傳感器的設計與制作是一項關鍵技術。

主要應用的弱磁傳感器有：磁通門磁力儀、質(zhì)子旋進磁力儀、光泵磁力儀、超導量子干涉磁力儀、原子磁力儀等［11?14］，這幾種磁力儀的優(yōu)缺點比較如表2所示。目前，在無人機航空物探中較多地使用光泵磁力儀，比如英國MagSurvey、荷蘭Fugro使用的CS?3銫光泵磁力儀，中船重工715所的GB?10氦光泵磁力儀和航遙中心的HC2000氦光泵磁力儀。

表2　5種典型磁力儀的比較Table 2 Comparison of five magnetometers

需要指出的是，磁場測量不僅取決于磁傳感器本身的性能指標，干擾磁場的排除也是一個重要影響因素。一般來說，對于載體電磁設備輻射出來的干擾場采用磁屏蔽和濾波技術解決，對于受地磁場影響產(chǎn)生的同姿態(tài)相關的干擾場采用磁補償方式，通過建立模型、求解參數(shù)、進而反向補償?shù)姆椒▉斫鉀Q。以無人機航空物探系統(tǒng)常采用的CS?3銫光泵磁力儀為例，儀器本身的噪聲水平是2pT＠10Hz，經(jīng)航磁補償后在荷蘭Fugro系統(tǒng)中實測總精度可以達到1．5nT，在我國物化探所系統(tǒng)中的實測總精度為1．65nT。

2.2 地磁模型

獲取地磁模型首先要進行磁場測繪，即利用磁場測量儀器測量和存儲全球或區(qū)域磁測點磁場信息和位置信息。常用的磁場測繪方法包括地面站觀測、航空磁測、海洋磁測和衛(wèi)星磁測。衛(wèi)星磁測的優(yōu)勢在于短時間內(nèi)獲得大尺度范圍的全球磁場資料，既可以用來建立主磁場模型，也可以用來研究磁異常分布。

磁場測繪具有如下特征：1）只能沿著測繪載體運行軌跡獲取“線圖”形式的測繪結果；2）測繪密度大，在同一位置上需對不同海拔高度進行重復測繪。針對以上特征，要想獲得更密集的磁場數(shù)據(jù)，在同一高度時采用磁場插值的方法，通過已有磁測點的數(shù)據(jù)來對未知磁測點的信息進行推測；在不同高度時采用磁場延拓的方法，填補測繪中產(chǎn)生的海拔高度真空帶。

從模型上考慮，地磁場的場強B（r，t）由3部分組成：

其中，Bm（r，t）為主磁場，也稱正常場，源于地核，占地磁場組分的95％以上，變化緩慢；Bc（r）為異常場，源于磁化的地殼巖石，占地磁場總量的4％以上，呈區(qū)域分布，幾乎不隨時間變化；Bd（r，t）為干擾磁場，源于磁層和電離層，時間變化劇烈。比較著名的地磁場模型如表3所示，這些地磁模型在地質(zhì)學研究、衛(wèi)星的磁場導航方面具有一定的參考價值。地磁場模型和地磁圖是實現(xiàn)地磁導航的基礎與工具?；究梢哉J為，在一個較長的時期，異常場和正常場只是空間位置的函數(shù)，受時間變化影響較小，是地磁導航中可以利用的主要元素。

表3　部分地磁場模型Table 3 Geomagnetic models

2.3 定位與導航技術

地磁場各要素繪制出的等值線圖叫地磁圖，地磁匹配定位就是利用地磁圖進行導航定位的過程，它是一種基于數(shù)據(jù)庫參考的導航方法。目前，地磁匹配定位受地磁場模型分辨率、地磁測量精度等因素的制約，只能達到百米級定位精度。因此采用將慣導與地磁匹配定位組合的方式，在慣導提供的位置參考信息基礎上，將測得的地磁序列與預存的地磁模型進行相關性匹配，從而確定目標的真實位置，實現(xiàn)高精度導航。

在地磁匹配定位方法中，需要包含地磁探測模塊和地磁數(shù)據(jù)庫模塊，如圖1所示。地磁探測模塊由磁力儀和數(shù)據(jù)處理部分組成，用于向導航系統(tǒng)提供精確的實時測量地磁序列；地磁數(shù)據(jù)庫模塊由地磁模型和數(shù)據(jù)提取部分組成，用于向導航系統(tǒng)提供地磁基準數(shù)據(jù)。

圖1　地磁匹配定位導航原理圖Fig.1 Schematic diagram of geomagnetic matching

地磁匹配算法就是將實測地磁數(shù)據(jù)與基準數(shù)據(jù)進行匹配以獲得載體當前位置。如前文所述磁場測繪的特征，導致地磁匹配算法只能使用載體軌跡上的測量點與導航數(shù)據(jù)庫進行匹配，即只能進行“線圖”匹配而無法進行大面積圖像匹配，這也是地磁匹配的固有特征，因此使得許多傳統(tǒng)的圖像匹配、地形特征匹配方法在地磁導航領域受到很大的局限而難以應用。表4總結了在地磁匹配算法中，度量實測地磁序列和基準數(shù)據(jù)庫中任一子序列的相似性程度的多種算法。

表4　地磁匹配算法比較Table 4 Comparison of geomagnetic matching algorithms

表4中的符號說明如下：Nu，v表示位置（u，v）上的基準子序列的N維特征向量，m表示實測的N維特征向量，N表示相關數(shù)據(jù)的總點數(shù)，D（u，v）為地磁匹配相關函數(shù)，Nu，v+i表示基準數(shù)據(jù)庫的第（u，v+i）個特征量，mi表示實測地磁數(shù)據(jù)的第i個特征量。

2006年，Goldenberg F利用磁力儀測量地磁場值，再與存儲的地磁異常圖進行匹配，從而得到精確的導航信息，證明了在飛機上利用地磁匹配的可能性。2008年謝仕民等用平均絕對差法（MAD）、平均平方差法（MSD）、歸一化積相關法（NPROD）和Hausdorff距離相似算法（HD）進行了匹配算法比較。從匹配精度的角度，MAD和MSD優(yōu)于NPROD和HD；從運算量角度，MAD＜MSD＜NPROD＜HD，HD算法的穩(wěn)定性較好。

3 結論

本文介紹了地磁導航的概念、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及關鍵技術，總結了在磁場測量技術、地磁模型和定位與導航技術方面的進展?？梢钥吹?，地磁導航技術還有諸多難題需要深入解決，比如高精度磁傳感器的研制、載體干擾磁場的補償、高精度地磁數(shù)據(jù)庫的獲取、匹配算法的研究等。這就需要積極開展地磁導航關鍵技術的研究，特別是在相關領域已經(jīng)取得一些成果的研究院所和高校，充分發(fā)揮前期的技術優(yōu)勢，既要改進和優(yōu)化現(xiàn)有技術，又要注重新工藝新方法的應用，努力縮短在地磁導航領域與國外的差距，甚至趕超國外，更好地利用地磁信息提高定位導航精度。

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Research Progress in Geomagnetic Navigation

SUN Xiao?jie，KOU Jun，ZHANG Xiao?nan，LI Jie
（Beijing Institute of Aerospace Control Devices，Beijing 100039）

Geomagnetic field is the natural resource surrounding the earth，and geomagnetic navigation is a novel navigation technology．Compared with the inertial navigation and the satellite navigation，the geomagnetic navigation has advantages of no error accumulation，strong anti?interference，good concealment and rich information．In this paper，we in?troduce three key factors in geomagnetic navigation，namely the measurement method for magnetic field，the geomagnetic model and the method for positioning and navigation．The application in geomagnetic navigation and the characteristic of magnetometer are analyzed．The geomagnetic model and the navigation arithmetic are discussed in detail．It is shown that the geomagnetic navigation is a promising navigation technology and has wide market in the future．

geomagnetic navigation；magnetic field measure；geomagnetic model；geomagnetic matching

TP29

A

1674?5558（2016）07?01317

10．3969／j．issn．1674?5558．2016．06．001

2016?09?01

孫曉潔，女，博士，工程師，研究方向為原子磁力儀。