地磁導(dǎo)航：地球母親的“金手指”

翁利斌 張?zhí)硪? 王握文

地磁導(dǎo)航之所以被喻為地球母親的“金手指”，是因為地球上任意一點，都有唯一的磁場大小和方向與之對應(yīng)，并且與該點的三維地理坐標(biāo)相匹配，使它具有“向?qū)А惫δ堋?/p>

2020年7月31日，“北斗三號”全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開通，標(biāo)志著我國成為世界上第三個獨立擁有全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國家。北斗閃耀，澤沐八方。隨著人類社會進步和人們對美好生活的不斷追求，衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用日益廣泛，不可或缺。

在人類的生產(chǎn)生活中，除人們常用的衛(wèi)星導(dǎo)航外，還有慣性導(dǎo)航、地磁導(dǎo)航等多種導(dǎo)航方式。

慣性導(dǎo)航，通過測量飛行器加速度，自動進行積分運算而獲得飛行器速度和位置數(shù)據(jù)，工作時不依賴外界信息，也不易受到干擾，是一種自主式導(dǎo)航系統(tǒng)。目前它在飛行器、導(dǎo)彈和武器平臺上已有廣泛應(yīng)用。

地磁導(dǎo)航，則是一種無源自主導(dǎo)航技術(shù)。它把地磁場當(dāng)作一個天然的“坐標(biāo)系”，利用地磁場的測量信息來實現(xiàn)對飛行器、船舶、潛艇等進行導(dǎo)航定位。既不用像衛(wèi)星導(dǎo)航那樣需要依賴外界設(shè)備的幫助，也不像慣性導(dǎo)航那樣存在誤差累積，其較強的抗干擾和生存能力，使它逐漸發(fā)展成為一種熱門的導(dǎo)航技術(shù)，因此又被喻為地球母親的“金手指”。

天然“好向?qū)А?，兼?dāng)?shù)厍颉氨Ｗo傘”

生活中，信鴿能遠距離飛行傳遞信息，大雁在秋天能大規(guī)模有序向南遷徙，動物具備的這種定向運動能力，其實是利用了地球磁場。在古代，我們的祖先發(fā)現(xiàn)了地磁場在辨別方向上的作用，進而發(fā)明了指南針，使人們在荒野戈壁、茫茫大海不會迷失。這是地磁導(dǎo)航最早和最簡單的應(yīng)用。

眾所周知，地磁場與重力場一樣，看不見摸不著，無法讓人們直接感知，但它又無處不在、無時不在。地磁場與地球相生相伴。隨著地球系統(tǒng)的演化，它主要由地球內(nèi)部磁性巖石和高空電流體系等產(chǎn)生。經(jīng)過數(shù)億年演化，目前地磁極與地理南北極正好相反，但兩者位形并不完全重疊。因此，在全球各地，會存在不同的磁偏角?？茖W(xué)家經(jīng)過長期觀測和研究發(fā)現(xiàn)，磁極存在“漂移”或“翻轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，只不過是一個緩變的過程，南北磁極平均數(shù)十萬年才會翻轉(zhuǎn)一次。所以，生活在地球上的人們，基本上不會有什么異樣感覺。

地磁場之所以能用作導(dǎo)航，是因為地球上任意一點，都有唯一的磁場大小和方向與之對應(yīng)，并且與該點的三維地理坐標(biāo)相匹配，使它具有“向?qū)А惫δ堋?/p>

地磁導(dǎo)航的原理，就是通過探測器實時獲取地磁數(shù)據(jù)，與預(yù)先制作的地磁圖或模型，匹配比對磁場大小、方向、梯度等信息，來實現(xiàn)導(dǎo)航定位功能。當(dāng)然，也可采用地磁異常點或人工部署磁標(biāo)等方式作為參照物，用來估算相對位置信息。

地磁場不僅具有導(dǎo)航功能，還充當(dāng)?shù)厍颉氨Ｗo傘”的角色。地磁場從地下延伸至地球表面以上達數(shù)萬公里，呈橢圓形結(jié)構(gòu)包裹著地球。茫茫宇宙中，地磁場阻擋屏蔽了大量來自太陽系、銀河系的輻射粒子，阻止其直接入侵到地球表面，才使人類賴以生存的地球生機盎然。

優(yōu)點很突出，缺點也不少

地球磁場是地球固有的物理場，許多動物利用其進行導(dǎo)航，但與精確導(dǎo)航定位相差甚遠。人類總是在探索未知中不斷前行，把地磁場當(dāng)作一個天然的“坐標(biāo)系”。利用地磁場來導(dǎo)航定位，一直是科學(xué)家們的追求。

20世紀(jì)60年代以來，隨著科技的發(fā)展，地磁導(dǎo)航技術(shù)研究取得一定進展，并在空中飛行器、水面船舶、水下潛航器等上面獲得初步應(yīng)用。

例如，基于地磁導(dǎo)航新理念、新技術(shù)，美國率先開展了低軌道航天器地磁導(dǎo)航研究，目前已研發(fā)出空中、地面和水下地磁導(dǎo)航系統(tǒng)，將其作為衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的重要補充和備份。俄羅斯通過對地磁導(dǎo)航技術(shù)的深入研究，成功應(yīng)用于導(dǎo)彈制導(dǎo)，有效增強了突防能力。法國、德國和英國等也都開展了大量理論研究和實踐活動，取得了一系列成果。

通過研究和應(yīng)用表明，與人們熟知的衛(wèi)星、慣性、地形、天文和無線電等導(dǎo)航技術(shù)相比，地磁導(dǎo)航技術(shù)具有很多獨特的優(yōu)點：地磁場測量和應(yīng)用不受時間、位置、天氣等因素影響，陸、海、空、天都能適用，具備全天候、全區(qū)域特點；作為與生俱來的物理場，它具有無源、抗干擾性強、隱蔽性好等天然優(yōu)點；地磁場有大小和方向等多個特征量，可用于導(dǎo)航匹配的參數(shù)選擇很多；導(dǎo)航性能由地磁圖和磁力計精度決定，誤差不隨時間累積，和慣性導(dǎo)航有很強的互補性，可作為衛(wèi)星導(dǎo)航的補充和備份。

按理說，擁有如此眾多優(yōu)點的地磁導(dǎo)航，一定備受青睞并廣泛應(yīng)用。然而，理想很豐滿，現(xiàn)實太骨感。自20世紀(jì)90年代，以GPS為代表的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)誕生并廣泛應(yīng)用后，便在導(dǎo)航領(lǐng)域占據(jù)壟斷地位。慣性導(dǎo)航則以精度高和小型化等優(yōu)勢，在飛行器、潛航器上占領(lǐng)市場。而歷史悠久的地磁導(dǎo)航卻“時運不濟”。相比之下，其自身缺點也暴露無遺：地磁導(dǎo)航技術(shù)精度較低、使用煩瑣、推廣應(yīng)用較難，同時還面臨地磁場精確感知、高精度地磁圖構(gòu)建、高效導(dǎo)航匹配算法設(shè)計等一系列難題。這些因素，導(dǎo)致地磁導(dǎo)航技術(shù)在較長時間內(nèi)處于研究探索階段，長期處于沉寂狀態(tài)而沒有得到廣泛應(yīng)用。

“前浪倒推后浪”，地磁導(dǎo)航煥發(fā)生機

長期處于沉寂狀態(tài)的地磁導(dǎo)航技術(shù)，近年來開始成為研究熱點。特別是大地測量、地球物理等領(lǐng)域的技術(shù)進步，使地磁導(dǎo)航技術(shù)獲得了較快發(fā)展?；谥亓鰷y量、地磁場測量等地磁導(dǎo)航方法，開始逐漸受到人們的青睞。

不得不說，地磁導(dǎo)航之所以能夠煥發(fā)生機，主要得益于衛(wèi)星導(dǎo)航等新興導(dǎo)航技術(shù)的“助攻”。因為，任何事物都是一分為二的。衛(wèi)星導(dǎo)航雖然具有快速、實時、高精度、全天候等優(yōu)點，應(yīng)用極為廣泛，但也有其自身不足之處。如抗干擾性、保密性、可靠性脆弱以及極區(qū)、深山、地下和水下等信號覆蓋不全而影響使用等諸多問題。特別是在戰(zhàn)時，衛(wèi)星一旦受到攻擊毀壞，很難短時間內(nèi)修復(fù)，依賴于衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的大量高精尖武器，將面臨“失明”從而失去戰(zhàn)斗力。

正因如此，近年來，世界各主要國家都大力發(fā)展不依賴于衛(wèi)星信號的導(dǎo)航定位新技術(shù)。如利用多種來源的外界光、電、磁、重力等信號，來實現(xiàn)導(dǎo)航和定位。尤其是隱蔽性好、成本低、抗干擾、精度適中的地磁導(dǎo)航技術(shù)，逐漸成為導(dǎo)航定位領(lǐng)域的“新寵”，大有“前浪倒推后浪”之勢。

隨著大地測量、地球物理等領(lǐng)域研究的逐步深入，高精度、高靈敏、高便捷的新型地磁感知儀器的不斷研發(fā)，以及人工智能技術(shù)的快速興起，地磁導(dǎo)航面臨的一系列難題正逐步得到解決。此外，水下有人和無人潛航器、室內(nèi)和地下空間活動等對導(dǎo)航定位需求的日益迫切，也給地磁導(dǎo)航技術(shù)帶來了新的發(fā)展機遇。

目前已有試驗表明，基于智能手機內(nèi)置磁力計和云端地磁圖，理論上可以為用戶提供米級精度的定位服務(wù)，可在地下礦井、停車場、大型建筑內(nèi)等場所應(yīng)用。

地磁導(dǎo)航技術(shù)隱蔽性好、抗干擾性強的優(yōu)點，也決定了它在軍事領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用潛力。它既可作為獨立導(dǎo)航系統(tǒng)工作，也可與其他導(dǎo)航系統(tǒng)優(yōu)化組合，進一步提升戰(zhàn)場上導(dǎo)航定位的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和適用性。

（本文來源于《解放軍報》）