地磁匹配技術與發展動態分析

孫波，陳可正，李千龍

（1.海軍裝備部，陜西 西安 710065；2.西北工業大學自動化學院，陜西 西安 710129）

在生活節奏日益加快的當代社會，人類的各種生產生活與時空信息緊密相關，而導航技術通過不同原理可以得到物體的時空信息，已經被廣泛應用于軍用領域和民用領域。按照基本工作原理劃分，導航系統大致可以分為以下3 類：①通過陀螺/加速度計感知載體角速度和比力信息進行導航的慣導系統、利用陀螺敏感地球自轉角速度北向分量而準確尋北的陀螺羅經、利用陀螺特性測量載體俯仰角和橫滾角的陀螺地平儀等不依賴于外部聲、光、電、磁等一切信息的自主式系統；②根據電磁波的傳播特性測出載體與導航臺的相對信息，再根據載體與導航臺的相對位置關系得到載體的當前位置的無線電導航系統，如儀表著陸系統（ⅠLS）、全球定位系統（GPS）、雷達、無線電高度表等；③通過感知自然環境信息進行導航的系統，如視覺導航和地磁導航等[1-2]。目前廣泛使用的是慣導/GPS 組合，能夠較好地滿足各類載體對導航實時性、連續性、精度、易用性等方面的性能要求，并可克服慣導誤差積累、GPS 易受干擾及動態性差、信息更新率低等體制性不足。

以GPS 為代表的無線電導航在平時存在著有意或無意的電磁干擾，在戰時潛在存在的干擾和欺騙會嚴重影響導航系統的完好性和安全性，如2011 年的無人機RQ-170 事件，彰顯了防干擾防欺騙在導航系統中的重要性。同時，近年來人們也逐步認識到以GPS 為代表的衛星導航及其他無線電導航在特殊條件下的使用局限性。地磁匹配相較于常見輔助導航手段如地形匹配、視覺導航、重力匹配等，具有可用區域廣、隱蔽性強、抗干擾能力強和全天候方面的顯著優勢，可彌補地形匹配、視覺導航等輔助導航方式在跨平原、沙漠、水域時所存在的缺陷，且誤差不隨時間積累，是未來定位、導航與授時（PNT）體系中潛在的重要高精度自主導航手段之一，日益受到導航界的重視。

1 地磁匹配的基本原理

地球及近地空間內所有的點處于地磁場中，都具有磁場強度。地磁場主要由主磁場、異常場和干擾場3 個部分組成。其中主磁場幅值約以每年幾十納特速度隨時間緩慢變化；地殼表面分布和局部地理特征產生異常場，異常場很穩定，幾乎不隨時間變化；干擾場受太陽活動、磁暴等多種因素的影響而不斷變化，大小為5～500 nT[3-4]。而近地空間內的地磁場變化主要為異常場的變化且很明顯，故可以通過匹配方法實現定位。

整體上看，地磁場是一個包含總磁場強度、北向磁場強度、東向磁場強度、垂向磁場強度、水平磁場強度、磁偏角和磁傾角7 個要素的矢量場，理論上近地空間任意點的地磁場矢量具有唯一性，每個局部磁場與地理位置一一對應，這種差異性和相關性構成了不同區域的一種典型特征。地磁場總強度等值線圖如圖1 所示。

圖1 地磁場總強度等值線圖

地磁匹配作為數據庫匹配類導航方式，與地形匹配、重力匹配等工作方式類似。地磁匹配預先獲得目標區域的地磁數據庫，當飛行器經過該區域時，由磁測量設備得到實測的地磁數據，將實測的磁場與事先存儲的目標區域地磁數據進行相關匹配，在地磁數據庫中尋找出與實測地磁值最為相似的數據序列，該序列在地磁數據庫中所對應的位置即為載體實時位置，并進一步對慣導進行校正，以提高導航的精度。由于地磁場是顯著的地球物理學特征之一，在平原、沙漠、水域等地形、重力等特征不明顯的地區均含有豐富的地磁特征，其幅值信息和方向信息均可作為導航參考，對于提升現有導航的自主性和穩定性等方面的性能具有重要意義。地磁匹配原理如圖2 所示。

圖2 地磁匹配原理示意圖

地磁場是一個矢量場。通常，空間中不同的點的磁場值是不同的，且空間中任一點的地磁參數與該點的空間位置具有強相關性。由于磁傳感器測量所得數據僅是某一點的局部數據，且存在測量誤差，因此在地磁數據庫中的相對全局范圍內可能存在多個相同或相近的磁場矢量，故僅依靠某個點的磁場測量值推算的定位結果誤差較大或者根本不足以定位該點。為了提高精度，可以將多個點的地磁數據測量值結合，將它視為一個新的定位特征（剖面），再與地磁數據庫中的數據相關聯。由于現代先進載體一般均裝備有中高精度慣導，慣導具有輸出參數全面、短期相對精度高的特點，因此地磁匹配系統可利用慣導數據（參考位置和位置估計誤差）確定在地磁數據庫中的大致搜索范圍；同時綜合考慮地磁場各個要素的特性及現有地磁傳感器的性能等[5]，通常采用地磁異常場（也可采用三軸磁場強度分量、水平磁場強度等）作為匹配特征量，利用地表附近地磁異常場的起伏變化，以形成地磁輔助慣導是現階段較好的一個選擇。地磁匹配系統結構如圖3 所示。

圖3 地磁匹配系統結構框圖

2 主要技術需求分析

從原理上講，地磁匹配是利用慣導提供的參考位置和位置估計誤差作為水平范圍約束，以地磁異常場作為垂直方向的約束，并利用地表附近地磁異常場的起伏變化，通過綜合信息處理在地磁數據庫中找到與地磁測量序列最接近的一條路徑，進而實現精確定位。無論采用何種地磁特征匹配量，都需要將地磁實測值與地磁數據庫計算值進行關聯，匹配精度必然會受到地磁數據庫精度和地磁測量精度的影響。由于實測的地磁剖面數據和基準地磁數據兩者均存在一定程度的噪聲，故地磁匹配本質上是在多約束條件下實現定位的一種最優估計技術[6]。從技術角度考慮，地磁匹配的功能實現涉及地磁數據庫的檢索、地磁特征的選取、實時地磁的探測與補償、匹配搜索與定位策略設計、組合導航方案設計等多個環節，最終的系統性能依賴于多學科多領域信息的高效綜合[7]。按照地磁匹配的信息處理流程梳理出相關的技術需求，具體如表1 所示。

表1 主要技術需求分析

3 技術研究動態

現階段，國外已對地磁匹配系統的實現和相關技術開展了大量的研究，并取得一些重要的成果。地磁匹配研究中最常提到的相關信息如2003 年美國國防部宣稱所研制的純地磁導航系統的導航精度分別優于30 m（地面和空中定位精度CEP）和500 m（水下定位精度CEP）；2006 年，GOLDENBERG 針對飛機用地磁導航系統，開展了基于地磁場圖的測速定位方法研究；2017 年，美國空軍理工學院證明了在飛機上利用磁傳感器測量地磁場數據實現導航的可行性；2020 年，美國空軍與麻省理工學院聯合發起了 “磁導航信號增強挑戰賽”，希望利用人工智能算法抑制載體自身磁場帶來的測量誤差；2021 年，美國政府問責局（GAO）發布《國防導航能力技術評估》報告，指出地磁導航應具備100 m 定位精度的能力。

從上述相關材料可以看出，目前雖然對地磁導航方面進行了大量研究，取得了一些重要成果，但在地磁場描述、地磁場測量、地磁匹配定位準則、地磁匹配性能評估及工程應用驗證等方面限制著技術的發展和應用，作為一個覆蓋多學科的新興研究領域，仍需加強相關的理論和應用研究。技術研究動態如表2所示。

表2 技術研究動態

4 結束語

隨著磁場理論、弱磁場精確測量技術、干擾磁場和變化磁場的抑制和補償及地磁匹配算法等方面工作的開展，必將推動地磁匹配工程應用技術成熟度的不斷提升，地磁匹配技術將迎來快速發展和廣泛應用，對于推動國防裝備建設及民用經濟均具有重要的現實意義。