地磁匹配技術(shù)與發(fā)展動態(tài)分析

孫波，陳可正，李千龍

（1.海軍裝備部，陜西 西安 710065；2.西北工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院，陜西 西安 710129）

在生活節(jié)奏日益加快的當(dāng)代社會，人類的各種生產(chǎn)生活與時空信息緊密相關(guān)，而導(dǎo)航技術(shù)通過不同原理可以得到物體的時空信息，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于軍用領(lǐng)域和民用領(lǐng)域。按照基本工作原理劃分，導(dǎo)航系統(tǒng)大致可以分為以下3 類：①通過陀螺/加速度計感知載體角速度和比力信息進(jìn)行導(dǎo)航的慣導(dǎo)系統(tǒng)、利用陀螺敏感地球自轉(zhuǎn)角速度北向分量而準(zhǔn)確尋北的陀螺羅經(jīng)、利用陀螺特性測量載體俯仰角和橫滾角的陀螺地平儀等不依賴于外部聲、光、電、磁等一切信息的自主式系統(tǒng)；②根據(jù)電磁波的傳播特性測出載體與導(dǎo)航臺的相對信息，再根據(jù)載體與導(dǎo)航臺的相對位置關(guān)系得到載體的當(dāng)前位置的無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，如儀表著陸系統(tǒng)（ⅠLS）、全球定位系統(tǒng)（GPS）、雷達(dá)、無線電高度表等；③通過感知自然環(huán)境信息進(jìn)行導(dǎo)航的系統(tǒng)，如視覺導(dǎo)航和地磁導(dǎo)航等[1-2]。目前廣泛使用的是慣導(dǎo)/GPS 組合，能夠較好地滿足各類載體對導(dǎo)航實(shí)時性、連續(xù)性、精度、易用性等方面的性能要求，并可克服慣導(dǎo)誤差積累、GPS 易受干擾及動態(tài)性差、信息更新率低等體制性不足。

以GPS 為代表的無線電導(dǎo)航在平時存在著有意或無意的電磁干擾，在戰(zhàn)時潛在存在的干擾和欺騙會嚴(yán)重影響導(dǎo)航系統(tǒng)的完好性和安全性，如2011 年的無人機(jī)RQ-170 事件，彰顯了防干擾防欺騙在導(dǎo)航系統(tǒng)中的重要性。同時，近年來人們也逐步認(rèn)識到以GPS 為代表的衛(wèi)星導(dǎo)航及其他無線電導(dǎo)航在特殊條件下的使用局限性。地磁匹配相較于常見輔助導(dǎo)航手段如地形匹配、視覺導(dǎo)航、重力匹配等，具有可用區(qū)域廣、隱蔽性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)和全天候方面的顯著優(yōu)勢，可彌補(bǔ)地形匹配、視覺導(dǎo)航等輔助導(dǎo)航方式在跨平原、沙漠、水域時所存在的缺陷，且誤差不隨時間積累，是未來定位、導(dǎo)航與授時（PNT）體系中潛在的重要高精度自主導(dǎo)航手段之一，日益受到導(dǎo)航界的重視。

1 地磁匹配的基本原理

地球及近地空間內(nèi)所有的點(diǎn)處于地磁場中，都具有磁場強(qiáng)度。地磁場主要由主磁場、異常場和干擾場3 個部分組成。其中主磁場幅值約以每年幾十納特速度隨時間緩慢變化；地殼表面分布和局部地理特征產(chǎn)生異常場，異常場很穩(wěn)定，幾乎不隨時間變化；干擾場受太陽活動、磁暴等多種因素的影響而不斷變化，大小為5～500 nT[3-4]。而近地空間內(nèi)的地磁場變化主要為異常場的變化且很明顯，故可以通過匹配方法實(shí)現(xiàn)定位。

整體上看，地磁場是一個包含總磁場強(qiáng)度、北向磁場強(qiáng)度、東向磁場強(qiáng)度、垂向磁場強(qiáng)度、水平磁場強(qiáng)度、磁偏角和磁傾角7 個要素的矢量場，理論上近地空間任意點(diǎn)的地磁場矢量具有唯一性，每個局部磁場與地理位置一一對應(yīng)，這種差異性和相關(guān)性構(gòu)成了不同區(qū)域的一種典型特征。地磁場總強(qiáng)度等值線圖如圖1 所示。

圖1 地磁場總強(qiáng)度等值線圖

地磁匹配作為數(shù)據(jù)庫匹配類導(dǎo)航方式，與地形匹配、重力匹配等工作方式類似。地磁匹配預(yù)先獲得目標(biāo)區(qū)域的地磁數(shù)據(jù)庫，當(dāng)飛行器經(jīng)過該區(qū)域時，由磁測量設(shè)備得到實(shí)測的地磁數(shù)據(jù)，將實(shí)測的磁場與事先存儲的目標(biāo)區(qū)域地磁數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)匹配，在地磁數(shù)據(jù)庫中尋找出與實(shí)測地磁值最為相似的數(shù)據(jù)序列，該序列在地磁數(shù)據(jù)庫中所對應(yīng)的位置即為載體實(shí)時位置，并進(jìn)一步對慣導(dǎo)進(jìn)行校正，以提高導(dǎo)航的精度。由于地磁場是顯著的地球物理學(xué)特征之一，在平原、沙漠、水域等地形、重力等特征不明顯的地區(qū)均含有豐富的地磁特征，其幅值信息和方向信息均可作為導(dǎo)航參考，對于提升現(xiàn)有導(dǎo)航的自主性和穩(wěn)定性等方面的性能具有重要意義。地磁匹配原理如圖2 所示。

圖2 地磁匹配原理示意圖

地磁場是一個矢量場。通常，空間中不同的點(diǎn)的磁場值是不同的，且空間中任一點(diǎn)的地磁參數(shù)與該點(diǎn)的空間位置具有強(qiáng)相關(guān)性。由于磁傳感器測量所得數(shù)據(jù)僅是某一點(diǎn)的局部數(shù)據(jù)，且存在測量誤差，因此在地磁數(shù)據(jù)庫中的相對全局范圍內(nèi)可能存在多個相同或相近的磁場矢量，故僅依靠某個點(diǎn)的磁場測量值推算的定位結(jié)果誤差較大或者根本不足以定位該點(diǎn)。為了提高精度，可以將多個點(diǎn)的地磁數(shù)據(jù)測量值結(jié)合，將它視為一個新的定位特征（剖面），再與地磁數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)。由于現(xiàn)代先進(jìn)載體一般均裝備有中高精度慣導(dǎo)，慣導(dǎo)具有輸出參數(shù)全面、短期相對精度高的特點(diǎn)，因此地磁匹配系統(tǒng)可利用慣導(dǎo)數(shù)據(jù)（參考位置和位置估計誤差）確定在地磁數(shù)據(jù)庫中的大致搜索范圍；同時綜合考慮地磁場各個要素的特性及現(xiàn)有地磁傳感器的性能等[5]，通常采用地磁異常場（也可采用三軸磁場強(qiáng)度分量、水平磁場強(qiáng)度等）作為匹配特征量，利用地表附近地磁異常場的起伏變化，以形成地磁輔助慣導(dǎo)是現(xiàn)階段較好的一個選擇。地磁匹配系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 地磁匹配系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 主要技術(shù)需求分析

從原理上講，地磁匹配是利用慣導(dǎo)提供的參考位置和位置估計誤差作為水平范圍約束，以地磁異常場作為垂直方向的約束，并利用地表附近地磁異常場的起伏變化，通過綜合信息處理在地磁數(shù)據(jù)庫中找到與地磁測量序列最接近的一條路徑，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)精確定位。無論采用何種地磁特征匹配量，都需要將地磁實(shí)測值與地磁數(shù)據(jù)庫計算值進(jìn)行關(guān)聯(lián)，匹配精度必然會受到地磁數(shù)據(jù)庫精度和地磁測量精度的影響。由于實(shí)測的地磁剖面數(shù)據(jù)和基準(zhǔn)地磁數(shù)據(jù)兩者均存在一定程度的噪聲，故地磁匹配本質(zhì)上是在多約束條件下實(shí)現(xiàn)定位的一種最優(yōu)估計技術(shù)[6]。從技術(shù)角度考慮，地磁匹配的功能實(shí)現(xiàn)涉及地磁數(shù)據(jù)庫的檢索、地磁特征的選取、實(shí)時地磁的探測與補(bǔ)償、匹配搜索與定位策略設(shè)計、組合導(dǎo)航方案設(shè)計等多個環(huán)節(jié)，最終的系統(tǒng)性能依賴于多學(xué)科多領(lǐng)域信息的高效綜合[7]。按照地磁匹配的信息處理流程梳理出相關(guān)的技術(shù)需求，具體如表1 所示。

表1 主要技術(shù)需求分析

3 技術(shù)研究動態(tài)

現(xiàn)階段，國外已對地磁匹配系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)和相關(guān)技術(shù)開展了大量的研究，并取得一些重要的成果。地磁匹配研究中最常提到的相關(guān)信息如2003 年美國國防部宣稱所研制的純地磁導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航精度分別優(yōu)于30 m（地面和空中定位精度CEP）和500 m（水下定位精度CEP）；2006 年，GOLDENBERG 針對飛機(jī)用地磁導(dǎo)航系統(tǒng)，開展了基于地磁場圖的測速定位方法研究；2017 年，美國空軍理工學(xué)院證明了在飛機(jī)上利用磁傳感器測量地磁場數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航的可行性；2020 年，美國空軍與麻省理工學(xué)院聯(lián)合發(fā)起了 “磁導(dǎo)航信號增強(qiáng)挑戰(zhàn)賽”，希望利用人工智能算法抑制載體自身磁場帶來的測量誤差；2021 年，美國政府問責(zé)局（GAO）發(fā)布《國防導(dǎo)航能力技術(shù)評估》報告，指出地磁導(dǎo)航應(yīng)具備100 m 定位精度的能力。

從上述相關(guān)材料可以看出，目前雖然對地磁導(dǎo)航方面進(jìn)行了大量研究，取得了一些重要成果，但在地磁場描述、地磁場測量、地磁匹配定位準(zhǔn)則、地磁匹配性能評估及工程應(yīng)用驗(yàn)證等方面限制著技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，作為一個覆蓋多學(xué)科的新興研究領(lǐng)域，仍需加強(qiáng)相關(guān)的理論和應(yīng)用研究。技術(shù)研究動態(tài)如表2所示。

表2 技術(shù)研究動態(tài)

4 結(jié)束語

隨著磁場理論、弱磁場精確測量技術(shù)、干擾磁場和變化磁場的抑制和補(bǔ)償及地磁匹配算法等方面工作的開展，必將推動地磁匹配工程應(yīng)用技術(shù)成熟度的不斷提升，地磁匹配技術(shù)將迎來快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，對于推動國防裝備建設(shè)及民用經(jīng)濟(jì)均具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。