地磁导航技术综述及其与卫星导航等的关系

地磁导航技术综述及其与卫星导航等的关系

(2011-03-01 14:00:45)

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地磁导航

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1、什么是地磁场？

地磁场是地球的固有资源,为航空、航天、航海提供了天然的坐标系。自从1989年美国Cornell 大学的Psiaki等人率先提出利用地磁场确定卫星轨道的概念以来,这一方向成为国际导航领域的一大研究热点。地磁导航具有无源、无辐射、全天时、全天候、全地域、能耗低的优良特征,其原理是通过地磁传感器测得的实时地磁数据与存储在计算机中的地磁基准图进行匹配来定位。由于地磁场为矢量场,在地球近地空间内任意一点的地磁矢量都不同于其他地点的矢量,且与该地点的经纬度存在一一对应的关系。因此,理论上只要确定该点的地磁场矢量即可实现全球定位。

于地球内部的磁场称为内源场，约占地球总磁场的95%。内源场主要来自地球的液态外核。外核是熔融的金属铁和镍，它们是电流的良导体，当地球旋转时，产生强大的电流，这些电流产生了地球磁场。地磁场总体像个沿地球旋转轴放置在地心的磁铁棒产生的磁场，它内源场的主要部分，也是地磁场的主要特征，占到总地磁场的80%~85%，称为偶极子场。内源场还有五个大尺度的非偶极子场，称为磁异常，分别为南大西洋磁异常，欧亚大陆磁异常，北非磁异常，大洋洲磁异常和北美磁异常，主要来源于地壳岩石产生的磁场。起源于地球外的磁场称为外源场，主要由太阳产生，它占了地球磁场的5%。

地磁场是个随时间变化的场，内源场引起的变化称为长期变化，有磁场倒转和地磁场向西飘移。地磁场每5000~50000年倒转一次，把与现在磁场方向相同的磁场称为正常磁场（磁场从南极附近出来，回到北极），把与现在磁场方向相反的称为倒转磁场，地质时期上出现了四个较大的倒转期，现在为布容正向期，往前有松山反向期，高斯正向期和吉尔伯特反向期。固体地球外部的各种电流体系引起的地磁场变化快，时间短，称为短期变化。短期变化又分为平静变化和扰动变化，其中平静变化包括太阳静日变化和太阴日变化，扰动变化包括磁暴、亚暴、钩扰、湾扰和地磁脉动。磁暴、钩扰、湾扰的发生与太阳活动有关，太阳活动高年，这些短期变化频繁发生，而且强度很大，变化剧烈。亚暴与极光有关。

地磁场能够反射粒子流，它把我们的地球包围起来，使我们免受高速太阳风的辐射和伤害，为我们提供了一个无形的屏障。

2、什么是地磁导航？

人们利用地磁场导航已经有四百年的历史了，现在发现鸽子，海滩，蝙蝠和乌龟等大量动物都用地球磁场来导航。

随着空间技术的飞速发展,地磁学与测绘学、空间物理学的交叉与综合不断加强,地磁测量技术发生了根本的变化。地磁导航在导航定位、地球物理武器、战场电磁信息对抗等领域展现了巨大的军事潜力。

近年来,地磁导航技术获得了快速的发展,其综合优势日益突出。利用地磁导航可以实现自主式的卫星导航和控制,从而减少地面设备的工作量,缓解因国土限制造成的地面测控站布点的困难,降低了为保障卫星运行所提供的地面支持的费用;利用地磁导航可及时确定卫星的空间位置,提高了卫星测量数据的利用率,降低了卫星运行对地面站的依赖作用,提高了卫星生存

能力,即使地面跟踪测量被迫中断仍可保持飞行任务的连续性。地磁导航具有无源性,与其它有源制导和导航方式相比,地磁制导与导航在军事领域有着无可比拟的优势。使用地磁制导的导弹抗干扰性能强,突防能力得到大大提升。近年来,地磁导航在工业部门,航空航天等诸多领域发挥了重要作用,越来越成为学术界关注的对象。

地磁导航的原理

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，就是地磁导航所依据的基本原理。

地磁导航MAGCOM(MagneticfieldContourMatching)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。实际上，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、地磁导航的关键技术

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。

（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。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。

（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

要实现地磁导航，只有导航算法是不够的。匹配算法做得再好，传感器的精度如果不足以敏感地磁场的变化，导航还只是停留在理论阶段，实际应用尚需假以时日。所以，一个灵敏度高、响应快速、综合测量精度高、环境适应性强的智能地磁传感器是实现地磁导航的硬件基础，也是地磁导航系统的一个关键环节。

4地磁导航的实际应用

近年来，应用地磁导航技术主要还集中在磁罗盘航向导航方面，技术发展比较成熟。如2003年，军械工程学院石志勇、庞发亮等人采用磁通门技术DR推算法研制了地面车辆导航定位仪，定向精度为0.6°；2006年北京科技大学的李希胜等人研制的磁罗盘最大罗差不大于0.1°。有关地磁匹配导航，国内外也有一些报道，但主要还是停留在中等的定位精度上，如德国的Bremen大学针对BREM-SAT卫星的星载磁强计，利用Kalman滤波算法估计卫星的位置和速度，精度约为10km左右；1999年美国的Comell大学报道了利用磁强计和太阳敏感信息进行卫星定规的精度为1.5km；现在美国生产的波音飞机上配备有地磁匹配导航系统，在飞机起飞和降落时使用；2003年8月，美国国防部称，他们所研制的纯地磁导航系统的导航精度为，地面和空中定位精度优于30m（CEP），水下定位精度优于500m（CEP）；俄罗斯的SS-19导弹采用地磁等高线制导系统实现导弹的变轨制导，使导弹进入大气层之后不按抛物线飞行，从而大大的增强了导弹的突防能力；国内有关地磁导航的研究还在仿真和预研阶段，如2004年航天科工集团三院的李素敏等人运用平均绝对差法对地面所测量的地磁强度数据进行了匹配运算，分辨率能达到50m；2007年西北工业大学的晏登洋、任建新等人利用地磁导航校正惯性导航的仿真实验取得人较高的精度。

5、国内外地磁导航研究现状

相对于其他导航手段而言,地磁导航起步得比较晚。在20世纪60年代中期,美国的2systems 公司提出了基于地磁异常场等值线匹配的MAGCOM(Magnetic ContourMatching)系统, 70年代获得测量数据后,系统进行了离线实验。20世纪80年代初,瑞典的Lund学院对船只的地磁导航进行了实验验证,实验中将地磁强度的测量数据与地磁图进行人工比对,确定船只的位置,同时根据距离已知的两个磁传感器的输出时差,确定船只的速度。

美国目前已开发出地面和空中定位精度优于30m、水下定位精度优于500 m的地磁导航系统,并计划用于提高飞航导弹和巡航鱼雷的命中率。另外,美国在导弹试验方面已开始应用地