地磁導航技術研究和展望

羅 寧

（中國電子科技集團第二十研究所,西安 710068）

0 引言

隨著科學技術的不斷發展，導航定位技術已滲透到人們日常生活各個領域當中，在軍事和民用領域中發揮著及其重要的作用。目前常用的導航定位技術有航位推算導航、無線電導航、慣性導航、地圖匹配、衛星導航或應用多種技術的綜合導航技術，這些技術都既有其優勢，也有各自的缺點。其實地球本身就有一個大的坐標系，可以用來定位所在的位置，這就是地磁導航。地磁導航技術具有低能耗，地域廣，不受氣象條件影響，輻射低，自主性高等優良特征，隨著地磁理論的不斷完善以及導航算法的日趨成熟，地磁導航憑借這些優良特征成為導航研究領域的熱點之一。

1 地磁導航的基本原理和地磁模型的建立

地磁場是地球系統的基本物理場，是地球所固有的資源。地磁場是矢量場，在地球表面理論上每一點的地磁矢量都和其它點的地磁矢量不同。地磁場作為一個矢量場，不僅有幅值信息可以使用，而且有方向信息可以作為參考，因此可以提供豐富的導航參照信息。因此，只要能夠測量到載體所處地點的地磁矢量，并和存在計算機內的地磁模型相匹配，就可以得到載體的所處位置，實現全球定位。這是地磁導航的基本原理。

地磁模型的建立：可將地磁場劃分為三個部分:

在地球物理學中，描述地球主磁場的標準模型為“國際參考地磁場”（IGRF)，在IGRF模型中，主磁場的標量磁位可以用球諧函數表示為

其中， 是地心球坐標系的地心距，余緯和經度， 是地球半徑， 是伴隨勒讓德函數， 和 是由觀測資料求得的地磁場球諧系數（或高斯系數）,N是模型的截斷水平。IGRF（國際地磁參考場）是有關地球主磁場與長期變化的模型。由此所建立的地磁模型是研究地磁導航制導技術的關鍵因素。

2 地磁導航的主要技術

地磁導航技術主要包含三個分支：磁場測量，地磁圖數字化、導航與定位，通過磁場測量，建立數字化的全息磁圖，從而實現依靠地磁的導航與定位。

2.1 磁場測量技術

要實現地磁匹配導航并具備一定的精度，首要的是建立起來完整、全面、有一定精準度的地磁數據庫。地磁數據庫是通過磁場測量技術，將地磁信號轉換為電信號，存儲在數據庫當中。如何精確的測量地磁場的信息，是地磁導航實現的基礎條件。由于地磁場非常微弱，其隨空間位置產生的變化量更是相當微弱，因此，磁場測量技術關鍵就在設計與制造出靈敏度高，響應速度快，體積合適的磁傳感器。也可以說，磁傳感器決定了磁場測量技術的發展與進步。

2.2 地磁圖數字化技術

地磁圖（map of the geomagnetic）是表示地球基本磁場各要素數值及其在地球表面分布和變化規律的等值線圖，是根據區域內各地磁臺的觀測數據編繪的。磁場特征量的測量是地磁圖數字化的重要技術之一。將測試區域內的各個測試點的磁場特征量相結合，構成了地磁基準圖，就可以準確的反應該地區的磁場場強變化或其他地磁要素的變化。將這些磁場特征量數字化，建立了數字化的地磁圖。

2.3 導航與定位

地磁導航的導航與定位實現主要有以下兩種技術：

2.3.1 地磁匹配技術

就是對于近地空間運動的物體，首先測量出當地的地磁特征量隨航跡形成的線圖，再通過與地磁基準圖做匹配，從而實現精準定位。地磁匹配類似于地形匹配系統，區別在于地磁匹配可有多個特征量，屬于數字地圖匹配技術，是地磁導航的核心技術。

2.3.2 地磁濾波技術

地磁濾波技術比地磁匹配技術來說相對成熟，在現有的導航系統中應用的比較多一些。地磁濾波技術對初始誤差要求比較高，對處理載體在運動之中的未知擾動問題比較有效。

2.4 地磁導航相關算法

磁場的特性決定了其無法遠程測量，所能得到的測試結果都是運動物體軌跡的一維線圖形式。所以在進行匹配的時候，只能采用線圖匹配。目前主流的算法是基于MAGCOM（Magnetic Contour Matching）的磁場相關匹配算法，與基于ICCP（Iterative Closest Contour Point），這兩種都是線圖匹配的方法。下面對這兩種算法分別做出闡述與分析。

2.4.1 基于MAGCOM的磁場相關匹配算法

當物體運動的時候，通過地磁傳感器測量取得地磁場的特征值序列；隨后在慣導系統輸出的誤差鄰域里，和計算機所存儲的本地地磁數據庫相結合，找到本地的標準地磁場數據庫，得到新的標準場序列；最后，對得到的兩組序列用函數做匹配，進行處理后得到最佳的匹配位置。其常用的函數有如下

交叉相關算法（COR)

平均絕對差算法（MAD)

均方差算法（MSD)

2.4.2 基于ICCP的磁場相關匹配算法

ICCP算法主要通過搜索到最近的點，然后進行迭代計算，并且通過將測量值和背景場數據之間的最優匹配，從而得到運動載體所處的位置信息，其特點是收斂塊，精度高，可以應用于地磁輔助導航。它最初是來源于圖像配準的ICP算法，其基本思路為：通過測量航跡上各點的地磁值，然后將這些測量到的點連成曲線，然后同已經存在的地磁等值線圖進行對比匹配。該算法的最小為目標函數采用的是歐式平方根，通過計算得到真實的航跡與所測量得到的軌跡之間的最優變換，通過這種最優的變換實現對航跡的校正，下圖是其原理圖：

3 地磁導航技術的發展方向

地磁導航今后研究的重點主要有以下幾個方面：

3.1 高精度的磁傳感器研制

研制出具有高精度的磁傳感器是今后地磁導航研究方向的重點之一。其未來發展的方向會包含以下幾種特點：高靈敏度，很好的溫度穩定性，抗干擾性，小型集成化，智能化，低功耗等。

3.2 完整的地磁場模型

現今地磁導航的難點之一就是建立地磁場模型，建立的地磁場模型應該是能夠詳細反應導航區域內的地磁場模型。完整的地磁場模型是地磁導航普及應用的重要條件。

3.3 相關算法的優化

對相關算法的缺陷進行研究與分析，需將影響算法的初值精度進行提高，或采取多種算法相結合的方式進行互補。

3.4 與其他導航定位技術相結合

發展與衛星導航等其他導航方式的相互結合，實現優勢互補，可以將定位誤差減小，實現組合導航的優勢。

4 發展與展望

地磁導航是當前國際導航領域的一大研究熱點，其他導航技術相比，地磁導航自身具有自主性高，隱蔽性好，應用范圍更廣的特點，尤其是對水下載體的導航有較明顯的優勢。通過與慣導和衛星導航等導航方式的結合更有廣闊的應用背景，不斷發展的新型傳感器和新技術的發展也將使地磁導航技術在軍用民用領域發揮更重要的作用。國內多家科研單位已經地磁模型建立，與衛星導航結合等方面取得了成就，隨著地磁導航理論的不斷發展，地磁導航必將有大的發展。

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