地磁導(dǎo)航：地球母親的“金手指”

文 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?yàn)榈厍蛏先我庖稽c(diǎn)，都有唯一的磁場(chǎng)大小和方向與之對(duì)應(yīng)，并且與該點(diǎn)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(hào)”全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開(kāi)通，標(biāo)志著我國(guó)成為世界上第三個(gè)獨(dú)立擁有全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國(guó)家。北斗閃耀，澤沐八方。隨著人類社會(huì)進(jìn)步和人們對(duì)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(guò)測(cè)量飛行器加速度，自動(dòng)進(jìn)行積分運(yùn)算而獲得飛行器速度和位置數(shù)據(jù)，工作時(shí)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(tái)上已有廣泛應(yīng)用。

地磁導(dǎo)航，則是一種無(wú)源自主導(dǎo)航技術(shù)。它把地磁場(chǎng)當(dāng)作一個(gè)天然的“坐標(biāo)系”，利用地磁場(chǎng)的測(cè)量信息來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器、船舶、潛艇等進(jìn)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(qiáng)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”。

地球磁場(chǎng)南北極與地理南北極的指向及應(yīng)用示意圖

天然“好向?qū)А保娈?dāng)?shù)厍颉氨Ｗo(hù)傘”

生活中，信鴿能遠(yuǎn)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(dòng)物具備的這種定向運(yùn)動(dòng)能力，其實(shí)是利用了地球磁場(chǎng)。在古代，我們的祖先發(fā)現(xiàn)了地磁場(chǎng)在辨別方向上的作用，進(jìn)而發(fā)明了指南針，使人們?cè)诨囊案瓯?、茫茫大海不?huì)迷失。這是地磁導(dǎo)航最早和最簡(jiǎn)單的應(yīng)用。

眾所周知，地磁場(chǎng)與重力場(chǎng)一樣，看不見(jiàn)摸不著，無(wú)法讓人們直接感知，但它又無(wú)處不在、無(wú)時(shí)不在。地磁場(chǎng)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(guò)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(huì)存在不同的磁偏角?？茖W(xué)家經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期觀測(cè)和研究發(fā)現(xiàn)，磁極存在“漂移”或“翻轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，只不過(guò)是一個(gè)緩變的過(guò)程，南北磁極平均數(shù)十萬(wàn)年才會(huì)翻轉(zhuǎn)一次。所以，生活在地球上的人們，基本上不會(huì)有什么異樣感覺(jué)。

地磁場(chǎng)之所以能用作導(dǎo)航，是因?yàn)榈厍蛏先我庖稽c(diǎn)，都有唯一的磁場(chǎng)大小和方向與之對(duì)應(yīng)，并且與該點(diǎn)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(guò)探測(cè)器實(shí)時(shí)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(duì)磁場(chǎng)大小、方向、梯度等信息，來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位功能。當(dāng)然，也可采用地磁異常點(diǎn)或人工部署磁標(biāo)等方式作為參照物，用來(lái)估算相對(duì)位置信息。

地磁場(chǎng)不僅具有導(dǎo)航功能，還充當(dāng)?shù)厍颉氨Ｗo(hù)傘”的角色。地磁場(chǎng)從地下延伸至地球表面以上達(dá)數(shù)萬(wàn)公里，呈橢圓形結(jié)構(gòu)包裹著地球。茫茫宇宙中，地磁場(chǎng)阻擋屏蔽了大量來(lái)自太陽(yáng)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(jī)盎然。

優(yōu)點(diǎn)很突出，缺點(diǎn)也不少

地球磁場(chǎng)是地球固有的物理場(chǎng)，許多動(dòng)物利用其進(jìn)行導(dǎo)航，但與精確導(dǎo)航定位相差甚遠(yuǎn)。人類總是在探索未知中不斷前行，把地磁場(chǎng)當(dāng)作一個(gè)天然的“坐標(biāo)系”。利用地磁場(chǎng)來(lái)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(lái)，隨著科技的發(fā)展，地磁導(dǎo)航技術(shù)研究取得一定進(jìn)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(guó)率先開(kāi)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(bǔ)充和備份。俄羅斯通過(guò)對(duì)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(qiáng)了突防能力。法國(guó)、德國(guó)和英國(guó)等也都開(kāi)展了大量理論研究和實(shí)踐活動(dòng)，取得了一系列成果。

通過(guò)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(wú)線電等導(dǎo)航技術(shù)相比，地磁導(dǎo)航技術(shù)具有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：地磁場(chǎng)測(cè)量和應(yīng)用不受時(shí)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(diǎn)；作為與生俱來(lái)的物理場(chǎng)，它具有無(wú)源、抗干擾性強(qiáng)、隱蔽性好等天然優(yōu)點(diǎn)；地磁場(chǎng)有大小和方向等多個(gè)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(jì)精度決定，誤差不隨時(shí)間累積，和慣性導(dǎo)航有很強(qiáng)的互補(bǔ)性，可作為衛(wèi)星導(dǎo)航的補(bǔ)充和備份。

按理說(shuō)，擁有如此眾多優(yōu)點(diǎn)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(shí)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(shì)，在飛行器、潛航器上占領(lǐng)市場(chǎng)。而歷史悠久的地磁導(dǎo)航卻“時(shí)運(yùn)不濟(jì)”。相比之下，其自身缺點(diǎn)也暴露無(wú)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(shí)還面臨地磁場(chǎng)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(jì)等一系列難題。這些因素，導(dǎo)致地磁導(dǎo)航技術(shù)在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)處于研究探索階段，長(zhǎng)期處于沉寂狀態(tài)而沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用。

“前浪倒推后浪”，地磁導(dǎo)航煥發(fā)生機(jī)

長(zhǎng)期處于沉寂狀態(tài)的地磁導(dǎo)航技術(shù)，近年來(lái)開(kāi)始成為研究熱點(diǎn)。特別是大地測(cè)量、地球物理等領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步，使地磁導(dǎo)航技術(shù)獲得了較快發(fā)展?；谥亓?chǎng)測(cè)量、地磁場(chǎng)測(cè)量等地磁導(dǎo)航方法，開(kāi)始逐漸受到人們的青睞。

不得不說(shuō)，地磁導(dǎo)航之所以能夠煥發(fā)生機(jī)，主要得益于衛(wèi)星導(dǎo)航等新興導(dǎo)航技術(shù)的“助攻”。因?yàn)椋魏问挛锒际且环譃槎?。衛(wèi)星導(dǎo)航雖然具有快速、實(shí)時(shí)、高精度、全天候等優(yōu)點(diǎn)，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(hào)覆蓋不全而影響使用等諸多問(wèn)題。特別是在戰(zhàn)時(shí)，衛(wèi)星一旦受到攻擊毀壞，很難短時(shí)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(lái)，世界各主要國(guó)家都大力發(fā)展不依賴于衛(wèi)星信號(hào)的導(dǎo)航定位新技術(shù)。如利用多種來(lái)源的外界光、電、磁、重力等信號(hào)，來(lái)實(shí)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(shì)。

隨著大地測(cè)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(wú)人潛航器、室內(nèi)和地下空間活動(dòng)等對(duì)導(dǎo)航定位需求的日益迫切，也給地磁導(dǎo)航技術(shù)帶來(lái)了新的發(fā)展機(jī)遇。

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

地磁導(dǎo)航技術(shù)隱蔽性好、抗干擾性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，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(dú)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(jìn)一步提升戰(zhàn)場(chǎng)上導(dǎo)航定位的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和適用性。