地磁導(dǎo)航技術(shù)研究現(xiàn)狀綜述*

蹤 華 劉 嬿 楊 業(yè)

1.宇航智能控制技術(shù)國家級重點實驗室,北京 100854 2.中國運載火箭技術(shù)研究院，北京 100076

導(dǎo)航技術(shù)在軍用和民用領(lǐng)域起著巨大的作用。目前,占主導(dǎo)地位的導(dǎo)航技術(shù)有慣性導(dǎo)航和衛(wèi)星導(dǎo)航,輔助性的導(dǎo)航技術(shù)有星光導(dǎo)航和地形匹配導(dǎo)航等。慣性導(dǎo)航技術(shù)存在積累誤差,衛(wèi)星導(dǎo)航容易受到干擾和破壞,星光導(dǎo)航受水平基準的限制,無法提供高精度的位置信息,此外,當飛行器跨沙漠、平原飛行時,地形匹配技術(shù)也無法實現(xiàn)。由此,需要發(fā)展一種自主的、無長期積累誤差且具有較強抗干擾能力的導(dǎo)航定位技術(shù)。地磁場具有全天時、全天候和全地域存在的特點,因此近幾年來基于地磁場的導(dǎo)航技術(shù)得到了重視[1-2],已成為重要的輔助導(dǎo)航方法之一,在多個領(lǐng)域得到了研究。

1 地磁導(dǎo)航技術(shù)的研究現(xiàn)狀

1.1 以衛(wèi)星為應(yīng)用對象的地磁導(dǎo)航研究現(xiàn)狀

低軌衛(wèi)星的軌道高度在幾百到一千公里之間,在此高度上,地磁異常場已經(jīng)大大衰減,并且地磁外源場即使存在強擾動時也僅占內(nèi)源場的百分之一,異常場和外源場對全球地磁場模型的影響可以忽略,因此可以通過全球地球主磁場模型來確定低軌衛(wèi)星的軌道。

上世紀90年代初,美國康奈爾大學Psiaki領(lǐng)導(dǎo)的科研小組首先提出了利用地磁場確定衛(wèi)星軌道的概念[3],此后,美國戈達德航天中心Deutschmann和Bar-Itzhack領(lǐng)導(dǎo)的科研小組也投入到了該方向的研究工作中。經(jīng)過這2個科研小組以及其它各國學者研究,目前低軌衛(wèi)星用地磁導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)比較成熟。

1.1.1 康奈爾大學Psiaki科研小組的研究成果

文獻[4]在1989年提出利用地磁場強度信息進行近地衛(wèi)星軌道確定。文獻[5]應(yīng)用擴展卡爾曼濾波(以下簡稱EKF)和最小二乘濾波,以地磁場幅值信息對低軌道航天器進行定軌和地磁場模型修正,并利用衛(wèi)星MAGSAT、DE-2和LACE的磁強計測量數(shù)據(jù)對濾波器的性能做了評估：2種濾波器使用MAGSAT數(shù)據(jù)的定位精度為4km～8km,最小二乘濾波器使用DE-2和LACE數(shù)據(jù)的定位精度分別為17km～18km和120km。文獻[6]利用磁強計信息和星敏感器信息,采用加權(quán)最小二乘法對低軌道衛(wèi)星進行軌道確定和地磁場模型修正,仿真結(jié)果為位置精度在200m的數(shù)量級上,地磁模型修正精度為1nT。文獻[7]證實了利用磁強計和太陽敏感器對低軌道航天器進行定軌和地磁場模型修正的可行性；采用非線性最小二乘批處理濾波,在磁強計精度為10nT、太陽敏感器精度為0.005°時,定位精度為1.7km和定姿精度為0.1°。文獻[8]根據(jù)Dynamic Explorer2、MAGSAT以及?rsted衛(wèi)星的磁強計實測數(shù)據(jù),綜合太陽敏感器的數(shù)據(jù),并利用濾波器對磁強計的偏差,地磁場模型誤差進行估計,24h實測數(shù)據(jù)估計得到的最大位置誤差分別為4.48km、2.35km以及2.19km。該文獻指出,位置誤差主要由地磁場模型的不精確引起。文獻[9]對利用磁強計和狀態(tài)估計器對低軌極衛(wèi)星軌道確定進行了仿真,位置精度為2.5km～3km。文獻[10]利用EKF和磁場測量信息估計出衛(wèi)星的姿態(tài)、速度和位置信息,精度分別為1.5°、0.013km/s和15.5km。文獻[11]提出采用UKF提高由地動力學方程和地磁信息進行衛(wèi)星軌道確定的速度。

1.1.2 戈達德航天中心的研究成果

1995年,該小組利用地磁場信息和EKF設(shè)計了衛(wèi)星導(dǎo)航方案[12],采用模擬地磁數(shù)據(jù)仿真得到的定軌誤差為1.8km～5km,采用衛(wèi)星ERBS和GRE的真實磁測數(shù)據(jù)仿真得到的定軌誤差為10km～40km。文獻[13]利用磁強計和陀螺儀信息,采用EKF估計航天器的姿態(tài)和位置,得到的仿真結(jié)果為：濾波穩(wěn)定后的姿態(tài)、位置誤差分別小于1°和4km,速度均方根誤差約為4m/s。文獻[14]使用衛(wèi)星CGRO，TOMS，RXTE和ERBS的磁強計和陀螺儀數(shù)據(jù)在初始誤差較大情況下,得到的姿態(tài)、位置和速度誤差分別0.2～1.5°、15km～30km和15～30m/s 。為降低成本,該小組利用磁強計和太陽敏感器,采用EKF估計低軌道衛(wèi)星的位置、姿態(tài)和姿態(tài)角速度,位置和速度誤差分別為20km和2.5m/s,姿態(tài)和姿態(tài)角速度誤差分別小于2°和0.003(°)/s[15]。2003年,戈達德航天中心在廣角紅外探測器(WIERE)上對地磁導(dǎo)航方法進行了飛行試驗[16]。試驗采用EKF和偽線性卡爾曼濾波的混合算法,利用磁強計和太陽敏感器信息實時估計WIERE的位置和姿態(tài)。試驗位置誤差、速度、姿態(tài)角和姿態(tài)角速度誤差在大部分時間內(nèi)分別為45km～60km、50m/s、1°～2°和0.003(°)/s～0.008(°)/s。

文獻[17]以地磁幅值為觀測量,采用粒子濾波算法確定衛(wèi)星的軌道,仿真結(jié)果表明粒子濾波和EKF定軌精度相當,但收斂性好于后者。文獻[18]將地磁場矢量觀測值與IGRF模型計算值做比較,利用模擬退火法和最速下降法尋找全局最優(yōu)軌道參數(shù),仿真得到位置誤差為2.34km。文獻[19]在國內(nèi)提出了近地微小衛(wèi)星的磁測自主導(dǎo)航方法。隨后,文獻[20]和[21]分別采用EKF和無跡卡爾曼濾波(UKF)算法,對地磁場信息做測量,估計近地衛(wèi)星的位置和速度；文獻[22]和[23]分別將三軸磁強計與雷達高度計和GPS聯(lián)合,設(shè)計了組合導(dǎo)航算法,仿真結(jié)果為位置誤差分別小于20m和50m,速度誤差分別小于1m/s和0.1 m/s。文獻[24]進行了原型化試驗,驗證了由磁強計確定衛(wèi)星的位置和速度的方案、模型和算法可行性。文獻[25]采用磁強計、太陽敏感器和EKF確定近地衛(wèi)星的軌道,簡化了雅可比矩陣的計算方法,提高了計算效率。文獻[26]利用UKF確定低軌衛(wèi)星的軌道和地磁傳感器誤差。文獻[27]利用磁強計、星敏感器為EKF提供測量信息,估計衛(wèi)星軌道信息。利用Swarm衛(wèi)星高精度磁測數(shù)據(jù)進行數(shù)值仿真校驗,位置精度和速度精度分別為0.52km和0.89m/s。

1.1.3 其他研究者的研究成果

①觀察兩組患者的遵醫(yī)性、疾病相關(guān)知識掌握程度及滿意度。②記錄患者住院期間和出院隨訪的遵醫(yī)性,制定患者滿意度調(diào)查表:100分為滿分,大于90分為非常滿意,80分-90分為滿意,<80分為不滿意。非常滿意率+滿意率為總滿意率。

1.2 以導(dǎo)彈為應(yīng)用對象的地磁導(dǎo)航研究現(xiàn)狀

文獻[32]以地磁場矢量和飛行高度作為觀測值,結(jié)合導(dǎo)彈的運動模型和國際地磁場參考模型(IGRF),設(shè)計了基于UKF算法的地磁導(dǎo)航濾波方案。該文還由仿真結(jié)果分析了噪聲強度大小和地磁場模型階數(shù)對導(dǎo)航精度的影響。文獻[33]分析了慣性/地磁組合導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理,并基于巡航導(dǎo)彈的巡航段飛行過程建立了組合導(dǎo)航系統(tǒng)的濾波模型。在觀測信息分別為實測地磁場三分量信息和單一幅值信息條件下,采用EKF和UKF算法進行了仿真分析。仿真結(jié)果為UKF總體濾波效果略優(yōu)于EKF。文獻[34]提出基于慣性器件和磁強計的測量信息的彈道導(dǎo)彈捷聯(lián)慣導(dǎo)/地磁組合導(dǎo)航方法,并進行了仿真試驗。文獻[35]采用地磁/GPS 組合測量解算炮彈姿態(tài)信息,并通過UKF 濾波處理,提高了彈體姿態(tài)解算精度。

歐陽鋒不敢直視彭偉民，耷拉著腦袋，努力回憶著自酒樓出來后的每一個細節(jié)，遺憾的是這些細節(jié)像是被刪除了一般。

1.2.1 基于地磁圖的匹配導(dǎo)航研究

（3）圖像瀏覽。教師可通過3G手機等設(shè)備掃描學生證上的二維碼，以獲取學生的照片、學籍注冊情況等電子信息，作為考試時學生信息的核對方式。

文獻[28]旨在選擇合適的地磁特征量用于匹配制導(dǎo),提出了選擇匹配特征量時應(yīng)重點考慮的幾個因素,通過理論分析初步擬定了選取準則。文獻[29]對輪廓匹配方法進行了深入研究,并由仿真結(jié)果討論了各種相關(guān)分析方法對不同噪聲的敏感程度、匹配長度變化對各種相關(guān)分析方法的影響以及各種相關(guān)分析方法對飛行器地磁匹配制導(dǎo)的適用性。文獻[30]提出了一種基于層次分析法的地磁匹配制導(dǎo)適配性評價方法,該方法采用可信度代替單一地磁場特征參數(shù)來評價地磁匹配制導(dǎo)適配性。文獻[31]以導(dǎo)彈動力學模型為系統(tǒng)方程,以局部地磁異常場模型為觀測方程,以UKF算法為濾波算法,研究了地磁場在巡航導(dǎo)彈的巡航段導(dǎo)航中的應(yīng)用。

1.2.2 基于地磁模型的濾波導(dǎo)航研究

目前,地磁導(dǎo)航應(yīng)用于導(dǎo)彈武器中的研究主要集中在低空、做水平或近似水平運動的巡航導(dǎo)彈巡航段,采用的導(dǎo)航方法主要為基于地磁圖匹配方法和基于地磁模型的濾波方法。

1.3 以艦船、潛艇和飛機為應(yīng)用對象的地磁導(dǎo)航研究現(xiàn)狀

地磁導(dǎo)航的導(dǎo)航方法主要分為2類,即基于地磁圖的匹配方法和基于地磁場模型的濾波方法。根據(jù)載體所處的地磁場環(huán)境及其運動形式,導(dǎo)航方法的選擇原則為：

2 地磁導(dǎo)航方法的選擇

目前,地磁導(dǎo)航應(yīng)用于艦船和潛艇的研究也還是以概念設(shè)計和仿真驗證為主,已取得的主要研究成果有：文獻[36]初步分析了水下地磁匹配的可行性,并分別從匹配用地磁模型和干擾磁場2方面指出了制約該技術(shù)發(fā)展的幾個因素。該文還提出了地磁場用于水下載體定位的2條技術(shù)途徑：1)用小波變換濾去地磁異常,與大尺度地磁模型匹配定位；2)根據(jù)地磁場異常,并結(jié)合同時定位與構(gòu)圖(SLAM)算法實現(xiàn)自主導(dǎo)航。文獻[37]研究了船用慣性/地磁組合導(dǎo)航的信息融合策略與性能,導(dǎo)航系統(tǒng)采用地磁隨機線性化技術(shù)將地磁異常測量值作為觀測量,采用EKF將地磁異常測量信息與慣導(dǎo)信息融合,最后利用融合結(jié)果校正INS的導(dǎo)航誤差。文獻[38]以地磁測量誤差補償問題為研究對象,介紹了地磁測量誤差補償所涉及的基本理論,深入分析了強干擾環(huán)境下地磁測量誤差補償、觀測數(shù)據(jù)空間分布對參數(shù)估計的影響及地磁測量誤差對水下地磁匹配定位的影響等具體問題。文獻[39]在吉林松花湖水面,利用高精度的銫光泵磁力儀搭載于水下機器人ROV進行實際水域的地磁匹配試驗。文獻[40]針對船測地磁數(shù)據(jù)覆蓋面不足、航測地磁數(shù)據(jù)延拓精度不高的問題,提出以多面函數(shù)為基準對地磁測量系統(tǒng)誤差進行建模的方法,通過多源地磁數(shù)據(jù)的融合提高了磁力測量結(jié)果的綜合利用率。文獻[41]研究了利用地磁場異常信息定位的方法,利用航空器實際飛行數(shù)據(jù),對由地磁異常信息和濾波器輔助的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航精度作了分析,當?shù)卮女惓４艌D質(zhì)量高,飛行海拔高度低的條件下,定位精度可達13m(DRMS)。

1)考慮到地磁場的分布特點,在地表及其附近運動的載體適宜采用匹配導(dǎo)航方法,而高空運動的載體則適宜采用卡爾曼濾波導(dǎo)航方法。原因為：①匹配導(dǎo)航要求匹配特征量具有起伏明顯的特點,而在地表及其附近,地磁異常場比較強烈,十分有利于地磁匹配的實現(xiàn)；②高空處的地磁場主要以變化平緩的主磁場為主,地磁異常場已經(jīng)很微弱,因此地磁起伏不再像地表那樣明顯,不滿足匹配方法對匹配特征量的要求,因此匹配方法不適用,只能通過地磁場模型和采用卡爾曼濾波方法來估計載體的導(dǎo)航信息。

2)從運動形式方面考慮,對于變高度運動的載體,適宜采用卡爾曼濾波方法；而對于定高或近似定高運動的載體,卡爾曼濾波方法和匹配方法都可以采用。原因分析如下：①對于變高度運動載體,如果要采用匹配方法,在實施匹配時需要用三維地磁基準圖,但受測繪條件的限制,全高度磁測覆蓋十分困難。即使采用延拓方法獲得不同高度平面的基準圖，也由于延拓是一個批數(shù)據(jù)處理過程,如果由搭載計算機在線實時延拓,則計算十分耗時,不能滿足導(dǎo)航實時性的要求,因此采用延拓方法不太現(xiàn)實。因此采用基于地磁模型的卡爾曼濾波方法估計變高度運動載體的導(dǎo)航信息,可以避免匹配原理復(fù)雜和在線延拓耗時的弊端；②對于定高運動的載體,如果采用匹配方法導(dǎo)航,一方面匹配屬于二維匹配,匹配過程要簡單些；另一方面導(dǎo)航時只用到一張運動高度平面的地磁基準圖,該圖在載體運動之前就可延拓制備好,因此不涉及在線計算問題。

其次，匿名特性保證民意真實。當前，新媒體平臺尚未實名化，匿名環(huán)境下被管制風險較小，大眾意見表達更加自由，態(tài)度立場更加鮮明，避免了傳統(tǒng)民意調(diào)查中可能發(fā)生的“作秀”問題。盡管新媒體的匿名性也帶來了話語極端化的負面影響，但整體上有利于形成高壓輿論態(tài)勢，提升政府對國民情緒的感知度。

3 結(jié)束語

地磁導(dǎo)航技術(shù)在低軌衛(wèi)星、導(dǎo)彈、飛機、船舶和潛艇等不同領(lǐng)域的載體上得到了較為廣泛的研究應(yīng)用。地磁導(dǎo)航技術(shù)原理上已十分成熟,后續(xù)將需要針對不同的應(yīng)用對象,設(shè)計相應(yīng)的方案,研究重點集中在地磁導(dǎo)航的工程應(yīng)用技術(shù)上：如地磁圖(地磁模型)精度的提高、干擾磁場處理技術(shù)和地磁場延拓技術(shù)等。

參 考 文 獻

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