地磁匹配导航算法研究

ｊｎ ０ ０ ４，Ｃｈｎ ；３ ６ ９ ９Ｔｒ ｏ ｓ ｅｊ ｇ １ ０ ９ ｉｇ １ ０ ９ ｉａ ． ３ ９ ｏ ｐ ，Ｂ ｉｎ ０ ０ ｔｈｎ ｖｇ ｔ ｎ Ａｌｏ ｉ ｍ（ ｓｒ ｃ ： ｏ ｇ ｅｉ Ｍａｃ ｉｇ Ｎａｉａｉ ｇ ｒ ｈ ＧＭＮＡ）ｉ ａ ｏ ｔｎ ｃｏ ｉ ｅ ｃ ｈ ａ ｉａｉｎ ｃ ｏ ｔ ｓ ｎｉ ｒａ ｔｆ ｔｒｔ ｉ ｌ ｎ ｅｔ ｅｎ ｖｇ ｔ ｍｐ ａ ｏｎｕ ｏ
中 图 分 类 号 ： ３ ８Ｕ６６ １ Ｐ １ ； ６ ． 文献 标 志 码 ： Ａ 文 章 编 号 ：０ ６７４ （０ １０ —０６０ １ ０－９ ９２ １ ）２０ ０ —５
Ｒｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ｏ ａ ｎ ｔｃ Ｍ ａ ｃ ｎ ａ ｉ ａ ｉ ｎ Ａｌ ｏ ｉｈ ｓ ａ ｃ ｎ Ｇｅ ｍ ｇ ｅ ｉ ｔ ｈｉ ｇ Ｎ ｖ ｇ ｔｏ ｇ ｒ ｔ ｍ
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于向量 的地 磁 匹 配 导 航 算 法及 其 改 进 算 法 ： 于 基 Ｍｏ ｔ ａｌ ｎｅ ｒ Ｃ ｏ的地磁 匹配导航算法 。
天然的坐标 系 。地磁 匹 配导航 的 过程就 是 一个用 地
磁 场信息进行 导航 的过 程 。理 论上 近地 空 间 的任 意 点的地磁场矢量是不 相同的 ， 且与地理 经纬度 是一一
磁 场参 数与 地磁 数 据 库 进 行 相关 处 理 ， 而得 到 最 从 后 的结 果 。其基 本步 骤 如下 ：
一 ＼ 。一
１ 匹配 参数 的获 取 。载 体上 的地 磁传 感器 实 时 ） 测 出某 一点 的地 磁参 数并 通 过一 定数 据处 理后 得 到
匹 配用 的参 数 。
第 ２ ０卷 第 ２期
２ １ 年 ４月 ０１
测
绘
工
程
ＶｏＩ Ｏ № ． ．２ ２
ＥＮＧＩ ＮＥＥＲＩ ＮＧ ｏＦ ＳＵＲＶＥＹＩ ＮＧ ＡＮＤ ＡＰＰｌ Ｍ ＮＧ
Ａｐ ． ２ １ ｒ。０ １
地 磁 匹 配 导 航 算 法 研 究
王 向 磊 丁 硕 。 苏 牡 丹 。 ， ，
地磁场是一个 随时间和空 间变化 的函数 ， 同时也
是一个矢量 场 。地 磁场 可 以为航 空 、 天 、 航 航海 提供
果 。现在 国内外 关 于这方 面 的研 究 主要是从 两个 方
面： 一个是滤 波 ， 一个是 相关 极 值 。在 这里 主要研究 基于相关极值 的匹配导航算法 ， 本文研 究 了基于 点的 地磁匹配导航算法 ， 匹配导航算法 存在匹配 时间 这种 长、 容易出现多值 的缺 点 ， 针对 这两 个缺 点提 出 了基
基本原 理 。
地 磁 匹配 导航 大 概 可 以分 为 以下 几 个 步 骤 ： 一
磁数 据库 （ 点位 的数 字 地 磁 参 数 库 ） 当 载体 在 这 一 ， 区域运 动时 ， 安装 在 载 体 上 的地 磁 传 感 器会 以一 定 的 时 间间隔 测 出所 在 处 的 地磁 场 参 数 ， 用测 出 的地
２ 确定 搜索 区域 。根据 地磁 传感 器 的测量 误差 ） 确 定搜 索 区域 。 ３ 进 行 相关 分析 。相 关 分析 就是 采用 一定 的相 ）
对应 的 ， 知道 了任意点 的地磁 场矢 量也就 知道 了该点
的位置信息 ， 是地磁 匹配导航 的基础 。地磁 匹配导 这
航有其 自身 的特点和优势 ， 如其 自主性 、 例 隐蔽性 ， 所 以地磁 匹配导航一开始就受 到各 国学者 的关注 ， 特别
是军方用户 的青 睐 。在 地磁 匹配 导航 中地 磁 匹配导
在 文献 ［ ］ ４ 中已经 证 明 了上 面 的 ３种 相 关处 理
方 法 中 ， 均 绝 对 差 法 ＭＳ Ｍｅｎ Ｓ ｕ ｒ ｖａ 平 Ｄ（ ａ ｑ ａｅＤｅ ｉ —
ｔ ｎ 是 效果 最佳 的 ， 以本 文 在 下 面 的地 磁 匹 配 导 ｉ ） ｏ 所 航 算法 中都 采用 平均 绝 对差 法 。
地 磁 匹配 导航 的基 本 原 理
地磁匹配导航 是指利 用地 磁 图特征 与当地及 时
航 算法是其关键 ， 一定程度上决定 了最终 的导航结 在
测量地磁特 征信息 进行 匹配 的过程 。在近地 空 间地
收 稿 日期 ：０ ００ —６ ２ １—３１ 基 金项 目 ： 国家 自然 科 学 基 金资 助 项 目 （０ ７ ０ １ ； 星导 航 与 定 位 教育 部 重 点 实 验 室 （ ４ ７ ４ ３ ）卫 Ｂ类 ） 放基 金 （ Ｃ ２ ００ ０ 开 ＧＲ －０ ９ １ ） 作者 简 介 ： 向磊 （ ９ ３ ）男 ， 士 研 究 生 ． 王 １８一 ， 博
Ｗ ＡＮＧ ａ ｇ ｌ ｉ ＤＩ Ｘｉ ｎ －ｅ ， ＮＧ ｈｕ ， Ｓ ｏ ＳＵ ｕ ｄａ 。 Ｍ — ｎ
（ ． ｎ ｔ ｕ ｅｏ ｕ ｖ ｙ ｎ ｎ ｐ ｉ ｇ，Ｉ ｆ ｒ ｔ ｎ Ｅｎ ｉ ｅ ｒ ｇ Ｕｎ ｖ ｒ ｉｙ ｈ ｎ ｚ ｏ ５ ０ ２ １ Ｉ ｓ ｉ ｔ ｆｓ ｒ ｅ ｉ ｇ ａ ｄ ｍａ ｐ ｎ ｔ ｎ ｏ ｍａ ｉ ｇ ｎ ｅ ｉ ｉｅ ｓｔ ，Ｚ ｅ ｇ ｈ ｕ ４ ０ ５ ，Ｃｈ ｎ ；２ ６ ０ １Ｔｒ ｏ ｓ ｅ— ｏ ｎ ｉａ ． １ ８ ｏ ｐ ，Ｂ ｉ
ｔ ｅ ｒａ－ ｉ ｕ ｏ ｔ ｅ ｌｎ ｉ ｆｐ ｓｔ ｎ Ａｄ ｒ ｓ ｅ ｏ ｔ ｅ ｐ ｏ ｌ ｗｈ ｃ ｘ ｓｓ ｉ ｈ ｅ ｌ ｍｅ ｄ ｅ ｔ ｈ ｇ ｔ ｔ ｏ ｍｅｏ ｉ ｏ ． ｏ ｉ ｄ ｅ ｓｄ ｔ ｈ ｒ ｂ ｅ ｍ ｉ ｅ ｉｔ ＧＭ ＮＡ ａ ｅ ｎ ｐ ｉｔ ｈ ｎ ｂ ｓ ｏ ｏｎ ， ｄ Ｇ Ｉ ｓ ｎ ｔ ｅｖ ｃ ｏ ｒ ｐ ｓ ｄ Ａ ｂ ｅ ｏ ｈ ｅ ｔ ｒｉ ｐ ｏ ｏ ｅ ，ｗｈ ｃ ａ ｉｆ ｄｗ ｔ ｅｒａ－ ｉ ｅ ｄ ｄ ｔ ｈ ａ ｉ ａ ｉｎ ｓ ｓｅ ａ ｄ ｓ ｉｈ ｉ ｓ ｔ ｉ ｈ ｔ ｅ ｌ ｍｅｎ ｅ ｅ ｏ ｔ ｅｎ ｖｇ ｔ ｙ ｔｍ．Ｔ ｅ ｓ ｓｅ ｉ ｈ ｔ ｏ ｈ
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＼
３ 地磁 匹配 导 航 算 法
３ １ 基于 点 的地磁 匹 配导 航算 法 ．
／
基 于点 的地 磁 匹配 导航算 法 实 际上是 一种 在一
图 １ 地磁 匹配导航基本原理
定 区域 的地 磁数 据 库 中 搜 索 的 方法 ， 种 方法 通 过 这
在 一定 区域 内搜 索使 代 价 函数最 小 的点来 得 到最佳 匹 配点 。其 基本 原 理 是 ： 一 定 区域 内建立 基 本 地 在
向量 的地磁 匹配导航算法 ， 满足导航系统对实时性 的要求 。基于点 的地磁 匹配 导航算法和基 于向量的地磁 匹配导
航算法都是基于单点的匹配算法 ， 这决定 了它们有共 同的缺陷 ： 匹配 结果 可能不唯一 。针对这一点提 出基 于 Ｍｏ ｔ ｎｅ
Ｃｒ ａｌ ｏ的地磁匹配导航算法 ， 这种匹配算法是一种基 于线的 匹配算 法 ， 通过 各个点之 间的约束可 以克 服前面两种算 法匹配结果 不唯一的缺陷。针对每一种算法给出仿真结果 。 关键词 ： 地磁 匹配导航 ； 地磁 匹配导航算法 ； ｎｅＣ ｒ ； Ｍｏ ｔ ａｌ 代价 函数 ； ｏ 向量
导航 时 ， 首先 把 预先 准备 好 的地 磁 场 信 息 存 储
在计算 机 中 ， 成 基 本 地 磁 数 据 库 。当载 体 运 动 到 构
特 定 的匹 配 区域 时 ， 载体 携 带 的地 磁 传 感 器 测 量 所
处位 置 的地磁 场特 征信 息 。把 测量 的 地磁 场信 息 与 地磁数 据 库进行 相 关 匹配 ， 出地 磁 数 据 库 中 与实 找 测地磁 场 特征 最接 近 的点 。这 就是 地磁 匹 配导 航 的
ｐ ｅ ｉｏ ｅ ｎ ｕ ｌｏｔ ｅｔ ．Ｆ ｒｔ ｎｔ ｉ ｐ ｐ ｒ ｒｃｓ ｎ ｄ ｍａ ｄｂ ｔ ｓ ｍｅ ｉｓ，ｉ ｈｓ ａ ｅ ｉ ａ ｈ ｉ Ｇ
ｂ ｓｄｏ ｏｎ ｔｄｅ ，ｗｈｃ ｎ ａｉｆ ｔ ａ ｅ ｎｐ ｉｔｉ ｓｕ ｉｄ ｓ ｉｈｉ ｕ ｓｔ ｉ ｗｉ ｓ ｓｅ ｄ ｈ
（． 息 工程 大 学 测 绘 学 院 ， 南 郑 州 ４ ０ ５ ； ． １８ 部 队 ， 京 １０ ９ ；３６ ９ ９部 队 ， 京 １０ ９ ） １信 河 ５０２ ２６０１ 北 ００４ ．３９ 北 ００ ４
摘
要： 针对基 于点 的地磁 匹配导航算法一次定位 时间太长 ， 不能满足 导航系统对实 时性 的要求 的缺点 ， 出基于 提
第 ２期
王 向磊 ， ： 磁 匹配 导 航 算 法 研 究 等 地
磁场矢 量 的唯一性 ， 即只要 精确确定 该地 的地 磁场 矢 量 即可 实现 导航 。地 磁 匹 配 导航 的基 本 原 理 如 图 ｌ
所示 。
算 法 也是 一种 最小 距离 度量 ， 是 它使用 欧式 距离 。 但
ｐｅｉｏ ｒｃｓ ｎ，ｔ ｏ ｘ ｅ ｔ ＧＭ ＮＡ ｅ ｅ ｍｉｅ ｈ ａ ｇ ｔ ｎ ｐ ｅ ｉｉｎ Ａｎ ｅ ｃ ｌ ｎ ｉ ｏ ｓ ｍｅ ｅ ｔｎ ｄ ｔｒ ｎ ｓ ｔ ｅ ｎ ｖ ａ ｉ ｒ ｃｓ ． ｉ ｏ ｏ ｘ ｅｌ ｔＧＭＮＡ ｏ ｎ ｙ ｆ ｌ ｌ ｔ ｅ ｅ ｎ ｔｏ ｌ ｕ ｆ ｓ ｈ ｉ
Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ ４ ４ ３ ３ ３
Ｏ Ｏ ９ ９ ９
是获得 地 磁数 据库 ； 是实 测数 据 的获 得 ； 二 三是 利用
地 磁 匹配 导航算 法 得 出结果 。本文 主要 对地 磁 匹配
Ｏ Ｏ ９ ９ ８ ５ Ｏ ５ Ｏ ５
导航算 法进 行 研究 。