地磁導(dǎo)航的相關(guān)技術(shù)研究

傅慷，余杰，錢富

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地磁導(dǎo)航的相關(guān)技術(shù)研究

傅慷，余杰，錢富

（海軍工程大學(xué)，武漢 430033）

結(jié)合目前地磁導(dǎo)航的研究現(xiàn)狀，分析了與地磁導(dǎo)航相關(guān)的領(lǐng)域，如地磁場(chǎng)模型和地磁測(cè)量等，并對(duì)光泵磁力儀也進(jìn)行了簡(jiǎn)要的概述。提出了解決磁傳感器的測(cè)量誤差及外界干擾磁場(chǎng)的措施，對(duì)后續(xù)進(jìn)一步研究地磁導(dǎo)航具有很好的指導(dǎo)意義，

地磁導(dǎo)航 地磁場(chǎng)模型 地磁測(cè)量 光泵磁力儀 磁傳感器

0 引言

目前，導(dǎo)航定位技術(shù)作為一門重要基礎(chǔ)的科學(xué)技術(shù)，早已滲透于航空航天和各種軍用、民用領(lǐng)域，并呈現(xiàn)出越來(lái)越重要的作用[1]。但是，常用的導(dǎo)航定位技術(shù)由于在無(wú)典型地貌特征環(huán)境下長(zhǎng)期執(zhí)行導(dǎo)航任務(wù)時(shí)存在積累誤差，仍需其它導(dǎo)航方式的補(bǔ)充來(lái)完成導(dǎo)航任務(wù)。因此，目前針對(duì)導(dǎo)航定位技術(shù)，正逐漸開始尋找和研究一些無(wú)長(zhǎng)期積累誤差、不易被干擾的自主式導(dǎo)航定位技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)全天時(shí)、全天候、全地域的導(dǎo)航定位任務(wù)。

地磁場(chǎng)作為地球的固有資源，為航海、航天、航空以及遠(yuǎn)程精制導(dǎo)武器提供了天然的坐標(biāo)系。地磁場(chǎng)隱含著地球內(nèi)、外部空間豐富而重要的信息。這些信息可以直接反映和體現(xiàn)包括壓力、溫度、物質(zhì)運(yùn)動(dòng)等變化的地球深部乃至地球內(nèi)核的物理過(guò)程。地磁場(chǎng)及其變化信息給科學(xué)家們進(jìn)行地球物理的研究提供了重要的信息來(lái)源[2]。

本文將結(jié)合目前地磁導(dǎo)航的研究現(xiàn)狀與研究熱點(diǎn)，從地磁測(cè)量技術(shù)出發(fā)對(duì)地磁導(dǎo)航所需要解決的技術(shù)難點(diǎn)與關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行分析和探討。

1 地磁導(dǎo)航

1.1 地磁導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

相對(duì)于其他導(dǎo)航手段而言，地磁導(dǎo)航定位的研究起步較晚。20世紀(jì)90年代初，美國(guó)康奈爾大學(xué)的Psiaki等人以地磁場(chǎng)幅值信息對(duì)低軌道航天器進(jìn)行定軌和修正地磁場(chǎng)模型誤差[3]。此外，美國(guó)戈達(dá)德航天中心的Deutschmann和Bar-Itzhack領(lǐng)導(dǎo)的科研小組利用磁強(qiáng)計(jì)矢量信息和其他敏感器信息聯(lián)合，確定衛(wèi)星的軌道或姿態(tài)[4]。美國(guó)目前已開發(fā)出地面和空中定位精度優(yōu)于30 m、水下定位精度優(yōu)于500 m的地磁導(dǎo)航系統(tǒng)。F.Goldenberg針對(duì)飛機(jī)的地磁導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行了研究[5]。俄羅斯的SS-19導(dǎo)彈采用地磁等高線制導(dǎo)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈的變軌制導(dǎo)，以對(duì)抗美國(guó)的反彈道導(dǎo)彈攔截系統(tǒng)。

國(guó)內(nèi)有關(guān)地磁導(dǎo)航的研究還主要集中在仿真和預(yù)研階段。2000年，在國(guó)內(nèi)提出了近地微小衛(wèi)星的磁測(cè)自主導(dǎo)航方法。隨后分別對(duì)地磁場(chǎng)信息做測(cè)量，估計(jì)近地衛(wèi)星的位置和速度。航天科工集團(tuán)三院的李素敏等人對(duì)地面所測(cè)量的地磁強(qiáng)度數(shù)據(jù)表明分辨率能達(dá)到50 m[6]，西北工業(yè)大學(xué)的晏登洋等人利用地磁導(dǎo)航校正慣性導(dǎo)航的仿真實(shí)驗(yàn)取得了較高的精度。武漢大學(xué)的趙建虎等人研究了ICCP地磁導(dǎo)航算法的精度指標(biāo)及影響因素[8]。

1.2 地磁導(dǎo)航的特點(diǎn)

地磁導(dǎo)航主要存在地磁匹配與地磁濾波兩種方式，具有許多顯而易見的優(yōu)點(diǎn)，主要有：

1）地磁探測(cè)完全被動(dòng)，不向外發(fā)射能量，具有高度的隱蔽性；

2）導(dǎo)航精度由地磁分布特征和傳感器精度決定，誤差不隨時(shí)間積累，是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)重調(diào)的理想依據(jù)；

3）地磁場(chǎng)是地球固有的矢量場(chǎng)，無(wú)論在高空、地上還是水下，地磁探測(cè)儀都可以探測(cè)到地磁信息，具有廣泛的應(yīng)用背景；

4）地磁場(chǎng)具有多個(gè)特征量，如總磁場(chǎng)強(qiáng)度、水平磁場(chǎng)強(qiáng)度、東向分量、北向分量、垂直分量、磁偏角、磁傾角及磁場(chǎng)梯度等，地磁匹配具有較強(qiáng)的可操作性；

5）與同等精度的重力探測(cè)儀相比，地磁儀成本低，設(shè)計(jì)高精度、低成本的組合導(dǎo)航系統(tǒng)具有較好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

2 地磁場(chǎng)特征及地磁模型

在科學(xué)技術(shù)和日常生活中，磁場(chǎng)是我們熟知又陌生、極力探求的自然物質(zhì)之一。地磁場(chǎng)作為地球最重要的物理場(chǎng)之一，它有著復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)和時(shí)間演化。

2.1 地磁場(chǎng)的特征

地磁場(chǎng)是一個(gè)非常微弱的矢量場(chǎng)，在全球各地不同地方不同高度的磁場(chǎng)信息是不同的。地磁場(chǎng)是由各種不同來(lái)源的磁場(chǎng)疊加構(gòu)成的。按其性質(zhì)可把地磁場(chǎng)B區(qū)分為兩大部分：一部分主要來(lái)源于地區(qū)內(nèi)部的穩(wěn)定磁場(chǎng)B，另一部分主要起源于地球外部的變化磁場(chǎng)ΔB，即

變化磁場(chǎng)比穩(wěn)定磁場(chǎng)弱得多。一般情況下，變化磁場(chǎng)的幅度不超過(guò)地球磁感應(yīng)強(qiáng)度的1%。因此，穩(wěn)定磁場(chǎng)是地磁場(chǎng)的主要部分。

根據(jù)磁場(chǎng)起源，地磁場(chǎng)分為內(nèi)源場(chǎng)和外源場(chǎng)。地磁場(chǎng)是個(gè)隨時(shí)間變化的場(chǎng)，內(nèi)源場(chǎng)引起的變化為長(zhǎng)期變化，有磁場(chǎng)倒轉(zhuǎn)和地磁場(chǎng)向西飄移。地質(zhì)時(shí)期上出現(xiàn)了四個(gè)較大的倒轉(zhuǎn)期。固體地球外部的各種電流體系引起地磁場(chǎng)短期變化。短期變化又分為平靜變化和擾動(dòng)變化。

2.2 地磁模型的研究概況

地磁圖和地磁模型是描述或逼近地球磁場(chǎng)的主要手段，是開展地磁導(dǎo)航及其軍事應(yīng)用的技術(shù)工具，地磁模型就是適用于計(jì)算機(jī)或?qū)椀仁褂玫臄?shù)字式地磁圖。地磁圖或地磁模型必須盡可能兼顧物理上的合理性(地表附近的磁場(chǎng)是標(biāo)勢(shì)場(chǎng))、數(shù)值上的準(zhǔn)確性(一定誤差范圍)、信息的完整性和使用的方便性。

世界各國(guó)都積極研制全球的、或感興趣區(qū)域的地磁模型和地磁圖;美、英和前蘇聯(lián)除了定期(5年)更新繪制世界地磁圖并建立全球地磁場(chǎng)模型外,還定期(3-5年)更換本國(guó)的地磁圖和地磁模型。當(dāng)前,美、英聯(lián)合研制世界地磁模型的主要目的在于實(shí)現(xiàn)空間和海洋磁自主導(dǎo)航,為本國(guó)國(guó)防部和北大西洋公約組織(NATO)的導(dǎo)航和定姿/定向參考系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)模型。我國(guó)從20世紀(jì)初至今也一直在開展這一工作。20世紀(jì)50年代至2000年,由科學(xué)院地球物理研究所每10年研制新一代中國(guó)地磁圖和地磁場(chǎng)模型;從2005年開始,則由中國(guó)地震局地球物理研究所負(fù)責(zé)該項(xiàng)事物。

3 地磁測(cè)量技術(shù)的研究

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，磁場(chǎng)測(cè)量的發(fā)展日趨微型化，智能化，根據(jù)地磁測(cè)量的特點(diǎn)，未來(lái)地磁測(cè)量將沿著地磁傳感器體積小型化，操作簡(jiǎn)便化；地磁測(cè)量數(shù)據(jù)全球化，更新周期快速化；數(shù)據(jù)處理的自動(dòng)化，地磁模型合理化的趨勢(shì)發(fā)展；

3.1 磁傳感器技術(shù)

磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x器有很多種，感應(yīng)線圈傳感器一般用于需測(cè)量變化磁場(chǎng)的場(chǎng)合，應(yīng)用時(shí)線圈通常大而成本高。磁通門傳感器可測(cè)量分辨率小于1 μGs的磁場(chǎng)，但體積偏大、易碎、響應(yīng)時(shí)間慢。霍爾效應(yīng)傳感器則是用于測(cè)量10 Gs至幾千Gs的強(qiáng)磁場(chǎng)，不適合做地磁檢測(cè)。

近年來(lái)，從弱磁場(chǎng)到強(qiáng)磁場(chǎng)都可以找到相應(yīng)的傳感器進(jìn)行檢測(cè)。基于巨磁阻抗效應(yīng)的非晶材料傳磁感器因其具有靈敏度高，響應(yīng)速度快，體積微小等重要優(yōu)勢(shì)，在未來(lái)的地磁導(dǎo)航應(yīng)用中具有廣闊的應(yīng)用前景。如各向異性磁阻傳感器(AMR)，巨磁阻傳感器(GMR)，隧道型巨磁阻傳感器(TMR)，采樣精度不斷提高，配合以高速的處理器，使得低功耗，高精度，高采樣率成為了可能。再者激光、超導(dǎo)技術(shù)的日趨成熟，它們也加入了地磁檢測(cè)的行列中來(lái)，在不久的將來(lái)，定會(huì)出現(xiàn)更高精度，更高穩(wěn)定性的地磁檢測(cè)儀器，它們將會(huì)擔(dān)當(dāng)起高空、海底、沙漠地區(qū)以及醫(yī)學(xué)、生物領(lǐng)域的高難度檢測(cè)任務(wù)，為人類提供更多有用的信息。

3.2 磁傳感器的測(cè)量誤差

三軸磁傳感器在實(shí)際應(yīng)用中，由于受到加工工藝和裝配精度水平的限制，低成本的三軸磁傳感器很難做到三軸嚴(yán)格正交，而且三軸靈敏度及其他電氣性能也不可能完全對(duì)稱。同時(shí)，還存在零點(diǎn)漂移，傳感器內(nèi)部剩磁等一系列不良因素。這些都將對(duì)磁場(chǎng)的精確測(cè)量產(chǎn)生負(fù)面影響，甚至造成很大的誤差。這就需要在投入使用之前，對(duì)三軸傳感器進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定，盡可能克服由裝配工藝和三軸電器參數(shù)不嚴(yán)格一致而產(chǎn)生的測(cè)量誤差。

3.3 光泵磁力儀的作用機(jī)理及研究現(xiàn)狀

光泵磁力儀的靈敏度很高，測(cè)量時(shí)沒(méi)有零點(diǎn)漂移。但因其工作原理的限制，一般存在死區(qū)及進(jìn)向誤差。光泵磁力儀成本較高，主要應(yīng)用在對(duì)成本限制比較寬，對(duì)靈敏度要求很高的海洋磁力梯度測(cè)量等領(lǐng)域。

光泵磁力儀的工作原理是建立在塞曼分裂效應(yīng)（指原子的光譜線在外磁場(chǎng)作用下會(huì)出現(xiàn)分裂的現(xiàn)象）的基礎(chǔ)上，根據(jù)光泵作用機(jī)理而制成的，主要是利用拉莫爾頻率與外界磁場(chǎng)間的比例關(guān)系來(lái)測(cè)量磁場(chǎng)。因此測(cè)試出這一電磁場(chǎng)頻率值便可以測(cè)出外磁場(chǎng)強(qiáng)度，式（2）即為計(jì)算磁場(chǎng)式：

其中為拉莫爾頻率；K為比例系數(shù)，因堿金屬的不同而具有不同值，但對(duì)于特定的堿金屬而言是一個(gè)常數(shù)；為被測(cè)磁場(chǎng)，單位為n。常用的工作元素有：鉀(K39)、銣(Rb87，Rb85)、氦(He4，He3)、銫(Cs133)等。

3.4 干擾磁場(chǎng)補(bǔ)償技術(shù)

由于地磁場(chǎng)的微弱特性，干擾磁場(chǎng)地磁測(cè)量研究中容易被忽視的一個(gè)問(wèn)題。針對(duì)載體材料受地磁場(chǎng)影響而產(chǎn)生的同姿態(tài)相關(guān)的干擾場(chǎng)，由Leliak提出的航磁補(bǔ)償方案易發(fā)生方程系數(shù)矩陣陷入病態(tài)從而產(chǎn)生較大誤差的情況。目前主要通過(guò)航磁補(bǔ)償?shù)姆绞絹?lái)建立模型，求解參數(shù)，進(jìn)而反向補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)解決。而對(duì)于載體電磁設(shè)備輻射出來(lái)的干擾磁場(chǎng)，目前常用的方法是磁屏蔽技術(shù)和濾波技術(shù)。對(duì)于高頻磁場(chǎng)，采用高頻磁場(chǎng)屏蔽方式。而對(duì)于低頻磁場(chǎng)，則是利用高磁導(dǎo)率的屏蔽體對(duì)磁通進(jìn)行分流。而低通濾波器或帶通濾波器技術(shù)，則是利用了地磁場(chǎng)信號(hào)與干擾信號(hào)的頻帶不同來(lái)進(jìn)行干擾過(guò)濾。但這種技術(shù)對(duì)頻率特性與地磁場(chǎng)相近的低頻干擾卻無(wú)能為力。由此可見，低頻電器干擾磁場(chǎng)是阻礙地磁導(dǎo)航系統(tǒng)投入使用的主要障礙之一。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從地磁測(cè)量技術(shù)和地磁模型建立出發(fā)，簡(jiǎn)要概述了地磁導(dǎo)航的研究現(xiàn)狀及待解決的問(wèn)題，對(duì)后續(xù)進(jìn)一步研究地磁導(dǎo)航具有很好的指導(dǎo)意義，對(duì)于地球科學(xué)、航天航空、資源探測(cè)、交通運(yùn)輸、空間天氣、測(cè)繪等諸多技術(shù)領(lǐng)域有巨大的參考價(jià)值。

[1] 曹文. 基于磁阻傳感器的地磁信號(hào)檢測(cè). 華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文, 2007.

[2] 周軍,葛致磊,施桂國(guó)等. 地磁導(dǎo)航發(fā)展與關(guān)鍵技術(shù). 宇航學(xué)報(bào), 2008, 29(5):1467-1471.

[3] Psiaki M L．Autonomous orbit and magnetic field determination using magnetometer and star sensor data [J]．Journal of Guidance，Control and Dynamics，1995，18(3)： 584-592．

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Study on Geomagnetic Navigation

Fu Kang, Yu Jie, Qian Fu

(Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

P318

A

1003-4862（2013）04-0031-03

2012-06-19

傅慷(1988-),男，碩士研究生。研究方向：軍用目標(biāo)特性及其信號(hào)處理技術(shù)。