地磁匹配导航关键技术浅析_谢仕民

控制与制导本文2007-09-13收到,谢仕民、李邦清、刘峰分别系北京自动化控制设备研究所硕士研究生、研究员、研究员,鲁建系空军驻京丰地区军事代表室总代表地磁匹配导航关键技术浅析谢仕民 李邦清 刘 峰 鲁 建摘 要 对国际上地磁匹配导航的研究情况及其关键技术做了简要介绍,包括地磁匹配导航技术的由来、发展动态、基本原理和特点以及地磁匹配导航研究目前已经具备的条件和尚需解决的关键技术。

最后对这种导航技术做了展望。

关键词 地磁匹配 磁传感器 数据库 匹配算法引 言地磁场是地球的固有资源。

鸟类学家研究的成果表明,信鸽是利用敏感地磁场而找家的。

聪明的信鸽能用最短的时间从几十和几百千米外飞回家。

基于上述启发,能否利用地磁场资源为飞行器导航和定位,以及地磁场在航空、航天、航海工程中是否有更广泛的应用,是一个值得探讨的领域。

目前已有的各种导航方法,在实际应用条件下各有其优缺点。

惯性导航自主性强,但其导航精度主要取决于陀螺的精度,其位置与速度误差会随时间积累而增大,而且单纯地依靠提高惯性仪表精度来提高导航精度是较为困难的。

天文导航、景像匹配导航、卫星导航和地磁导航的优点为测量是离散的、误差不积累,但天文测量受到天体能见度的限制;景像匹配在地面信息内容(图像信息或地形信息)不丰富或根本无地面信息可利用的地区,无法通过景像匹配实现精确制导;卫星导航由于卫星信号易于受到遮挡和电磁干扰,其应用也受到限制。

不同地区的地磁场要素理论上可以和该地区的地理经纬度一一对应,因此地磁匹配导航技术作为一种隐蔽性很强的无源导航技术,成为目前研究的一个热点。

同时,高精度低成本弱磁测量仪器(磁通门传感器、磁阻传感器)的出现,也为采用地磁匹配来实现导航提供了硬件基础。

1 地磁导航研究动态目前,国际上有关地磁导航在工程上的实际应用在公开文献中鲜有报导。

研究比较多的是利用磁传感器进行航向及姿态测量;通过测量地磁,来获取地质构造、地下矿藏等方面的信息,特别是探测石油、天然气等方面的信息;以及利用磁力矩器对卫星姿态进行控制,在潜艇上也有利用地磁定向的应用。

美国在20世纪50年代末,利用高灵敏度半导体器件)))霍尔器件研制能够指向的霍尔罗盘,60年代才进入使用研制阶段,随后的研制工作进入保密状态。

直到80年代初又发表了使用微处理器的霍尔固态罗盘。

至此引起世界各国的极大重视,法、日、苏联等国相继投人研制。

美国生产的波音飞机上配备有地磁匹配导航系统,在飞机起飞降落时使用。

俄罗斯研究了一种采用地磁场强度作为特征量的匹配方法,他们提出并试验了地球磁场等高线匹配制导方法,即MAGC OM;在2004年进行的/安全-20040演习中试射的SS -19导弹可不按抛物线沿稠密大气层边缘近乎水平地飞行,使敌方导弹防御系统无法准确预测来袭导弹的弹道,部分军事图1 地磁匹配原理框图观察家认为可能使用了地磁场等高线匹配制导方法。

国内,近期有很多研究机构包括高校掀起了一股地磁导航研究的热潮。

在文献[1]中介绍了在对飞行弹体进行弹道控制中,利用地磁探测滚转姿态来实时获取弹体的对地方位,为弹体控制提供方位依据。

也有专利发明涉及到一种用于飞行器自主定轨的地磁辅助组合导航装置。

2 地磁匹配导航的原理及特点2.1 地磁匹配导航的原理地球表面以及近地空间的地磁场在不同地区是不同的,这种不同性构成了不同地区的一种典型特征;利用这种特征来确定载体所在的地理位置,就是地磁匹配导航所依据的基本原理。

地磁匹配MAGCOM (M agnetic field Contour M atch i n g)是一种自主式导航方法,通过实时采集一维地磁场强来获得二维定位。

地磁匹配测量仪可以同时测量地磁场三个方向的分量,如北向分量、东向分量、垂直分量,或者任意正交的三个分量。

对这三个分量做代数运算,则可以获得当地地磁场的特征量。

首先将载体所经过的区域划分为网格,取每个网格上的平均地磁场强(或其它地磁要素)作为该网格的地磁场强(或其它地磁要素),这样就形成了地磁基准图。

当载体进入该区域时,地磁传感器实时地采集当地地磁场强度(或其它地磁要素);一连串的测量值就可以形成一个一维测量序列。

将该测量序列与地磁数据库进行相关匹配,寻找最相似点,将其位置用来修正其它导航系统(如惯性导航系统)的位置误差,便可以完成对载体航迹误差的纠正[2]。

地磁匹配基本原理,如图1所示[3]。

地磁匹配类似于地形匹配系统(TERC OM-Ter -rain ContourM atch i n g),是点匹配,但地磁匹配可以有多个匹配特征量,如总磁场强度、水平磁场强度、东向分量、北向分量、垂直分量、磁偏角、磁倾角以及磁场梯度等[4]。

2.2 地磁匹配导航的特点地磁场是一个矢量场,是地球的固有资源,具有全天时、全天候、全地域的特征。

在地球近地空间内任意一点的地磁场矢量具有唯一性,且理论上与该点的经纬度一一对应,只要准确确定各点的地磁场矢量即可实现全球定位。

地磁场的上述特点使得地磁匹配导航具有以下几个显著的优点:1)可与惯导系统组合使用,校正惯性导航系统的积累误差;2)属于被动式无源导航,具有良好的隐蔽性和抗干扰性;3)可弥补地形匹配等导航方式在跨平原、水域时存在的缺陷。

3 地磁导航研究目前具备的条件目前,地磁匹配导航的研究已经具有一定的理论和技术基础:其一,地磁场已有各种全球性和局部地区数学模型,其强度和方向是位置的函数。

虽然全球地磁场模型在反映局部地区的地磁场时精度不好,但它反映了地磁场全球性分布及变化规律;应当代科学技术发展的制高点)))数字地球和军事、民用的需要,许多国家已经越来越重视地磁的测量与应用。

其二,早已出现了高灵敏度、高可靠性、小体积、易于安装、廉价的地磁传感器。

其最突出的特点在于成本低、精度高,便于使用。

近年来,部分国家研制出了尺寸更小、分辨率更高、响应速度更快、功耗更低的巨磁阻抗微磁传感器,使得进一步研制高灵敏度、快速响应、温度稳定性优良、体积更小、质量更轻的磁测量设备有望在短时间内实现突破[5]。

其三,在地磁匹配算法研究方面,较为成熟的地形匹配算法以及成熟的图像匹配算法都可以为地磁匹配算法所借鉴。

TERCOM方法和SI TAN(Sand-ia I nertia lTerra i n-aided N av i g ation)方法便是目前常用的两种地形匹配方法。

4地磁匹配导航工程应用需解决的关键技术地磁导航技术已在许多领域得到了成功应用,但至今仍无地磁匹配导航在武器系统中应用的正式报道,从中可以看出地磁匹配导航在武器系统中离实际应用还有一段距离,其武器系统工程应用尚需解决一些关键技术。

就目前的研究来看,要实现地磁匹配的工程应用并达到一定的精度,必须在以下几个内容和关键技术中获得突破。

1)高精度地磁数据库的获得要实现地磁匹配导航,首要的是要建立地磁数据库,而且要实现一定精度的导航还必须建立高精度的地磁数据库。

数据库来源有两种途径:其一是地磁测量,其二是地磁场模型。

由于地磁场本身存在长期和短期变化,而且各种磁测手段存在很大局限性,仅仅依靠地磁测量进行匹配导航是不现实的,且着眼于长远的研究与应用,建立高精度的地磁场模型势在必行。

根据研究范围的大小,地磁场模型可分为世界地磁场模型和局部地磁场模型两种。

已有的世界地磁场模型有国际地磁参考场(I G RF)和世界地磁场模型(WMM)。

上述两个模型仅仅是对主磁场部分的描述,地壳磁场和变化磁场并没有描述,因此世界地磁场模型精度很低,必须建立高精度的局部地磁场模型。

2)地磁异常问题和载体磁场对地磁场测量值的干扰问题基本磁场在数值上比较稳定,但一方面,有一种叠加在这个稳定磁场上面的、由于岩石磁性所引起的、在局部地区可以达到1Oe~2Oe(奥斯特)之大的异常磁场;另一方面,通常载体都是由铁磁性材料制成的,在制造和行进过程中受地磁场的作用被磁化而显示出磁性,从而对载体所处的空间的地磁场测量产生影响。

因此,必须研究补偿和消除地磁异常问题和载体磁场对地磁场测量干扰的关键技术。

3)变化磁场对匹配的影响地磁场成因比较复杂,存在长期变化和短期变化。

其长期变化随时间变化缓慢,周期较长,一般为几年到几十年,有的更长。

其短期变化包括平静变化和扰动变化,平静变化分为太阳静日变化和太阳阴日变化,扰动变化包括磁暴、地磁亚暴、太阳扰日变化和地磁脉动等。

太阳静日变化以一个太阳日为周期,平均变化幅度约为几到几十nT(纳特, 1nT=10-9T);太阳阴日变化以地球自转一周为周期,变化幅度约为1nT~2nT;磁暴持续时间约为1~3天,变化幅度可达几十到几百nT;地磁亚暴持续时间约为1h~3h,变化幅度可达几百到几千nT;太阳扰日变化的周期也为一个太阳日,主要影响极光区,变化幅度约为几十到几百nT;地磁脉动是各种短周期的地磁变化,周期从几秒钟到几十分钟,幅度从1nT到几百nT,在极光区幅度最大[5]。

由以上可以看出,变化磁场尤其是不可预知的无规律的非周期短期变化,会在地磁匹配基准图的获得和实时图的获取过程中产生较大误差,给地磁匹配带来一定的难度,其影响小则使匹配精度变低,大则可能使匹配结果严重偏离真实航迹,因此如何克服上述扰动造成的地磁变化是一个需要研究的问题。

4)高效、实时地磁导航匹配算法为满足工程应用的要求,必须研究高效、实时的地磁匹配算法。

该算法应具备较强的抗干扰能力,较高的匹配精度和较低的计算复杂度。

地磁匹配算法可以借鉴现有的较为成熟的地形匹配算法。

TERCOM方法简单,易于实现,对初始定位误差不敏感;但对载体运动方向误差敏感,对基准地图的分辨率依赖性强,所得结果有一定时间的延迟,且在地形数据采集过程中不允许载体做机动行进。

SI TAN方法实现较为复杂,需要进行地形局部线性化处理,在地形斜率变化剧烈的区域容易造成滤波发散,而且对初始定位误差敏感,较为适合于全程制导;但该方法对其它导航系统的修正是实时和连续的,而且在匹配过程中允许载体做机动行进。

因此,研究适合于地磁匹配的有效匹配方法也是地磁匹配导航系统的一个重要内容。

5)高精度、快响应速度、环境适应性强的磁测量传感器的研制(下转第43页)价,实验结果表明了该评价方法的有效性。

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