地磁匹配导航

1.2.5　地磁匹配导航

前述的水声导航和惯性导航，前者因声线上声速难以准确确定以及需要支撑船和水下声学阵列，导航在距离、隐蔽性和精度等方面都受到很大限制;而后者因存在误差积累，导航精度会随时间推移而逐渐降低。近年来，利用地球物理特征的无源自主导航方法得到了国内外学者的普遍关注。随着地磁理论的不断完善以及敏感器、微处理器和导航算法的日趋成熟，地磁匹配导航技术获得了快速的发展，并成为当前导航领域研究的一个热点。

在我国古代，人们就知道了利用地磁场指北的特性来辨别方向和指引道路，这是地磁导航最简单的应用。进入现代社会，随着科技的发展，地磁导航技术发生了根本性的变革。现代地磁导航技术基于地磁场是一个矢量场，其强度大小和方向是位置的函数，同时地磁场具有丰富的例如总强度、矢量强度、磁倾角、磁偏角和强度梯度等特征，为地磁匹配提供了充足的匹配信息。因此，可以把地磁场当做一个天然的坐标系，利用地磁场的测量信息来实现对飞行器或水面、水下航行器等的导航定位。

地磁匹配是利用天然磁场这一物理属性来实现自主定位的新兴导航技术。地磁场在赤道处的场强约为30000nT，而在极地则可达50000nT，不同位置的磁场强度大小和方向均有所不同。因此，相对海洋重力和地形，海洋地磁变化要显著得多。此外，地磁有7个分量，每个分量均与位置相关，因此，相对其他匹配导航方法，地磁匹配导航的匹配源明显多于其他方法。在实测得到地磁场要素后，通过地磁匹配技术，即可实现导航。

早在20世纪90年代初，美国康奈尔大学的Psiaki等科学家就提出了通过测量卫星所在位置的地磁场强度，自主地确定卫星轨道。从此地磁导航开始成为航天器导航的一个新的研究方向。随后，Psiaki领导的科研小组对基于地磁测量的导航方法做了深入的研究。近十几年，俄罗斯和其他国家也都相继在这方面进行了研究。进入21世纪，我国学者也开始对这方面进行了研究，并根据我国某卫星实测数据进行了仿真实验，研究结果表明，其精度满足低轨卫星中等精度的要求。除卫星地磁导航外，海洋中动物利用地磁导航也逐渐得到证实。美国北卡罗来纳大学的学者在室内利用幼龟实验与大洋中的海龟卫星追踪实验综合研究对此进行了证实。后来的龙虾“迷途知返”实验也进一步得到了证实。这些给人类进行水下地磁匹配导航提供了参考和依据。

地磁匹配，即利用实时测得的地磁值与基准图(即背景场)，进行匹配来获得当前位置。海洋磁测技术的迅速发展，使得海洋磁力仪在性能上得以很大提高。目前应用较多的质子旋进式磁力仪其灵敏度可达0.1nT，绝对精度小于1nT，采样频率可达3Hz。光泵磁力仪灵敏度可达0.01nT或更高，绝对精度为2nT，采样频率可达10Hz或更高。地磁场模型与地磁图是研究地磁导航技术的基础。地磁场模型是地磁场的数学描述，包括全球地磁场模型和局部地磁场模型，较为精确的地磁场模型可以提供准确的地磁场信息。迄今，国内外已提出很多地磁场模型分析方法。在研究全球地磁场时，自19世纪30年代高斯理论问世以来，球谐分析一直是被采用的主要方法;在研究区域或局部地磁场时，世界各国则广泛采用多项式、曲面样条函数、球冠谐等方法。国际空中磁测及地磁学会(IAGA)进行以五年为间隔的国际地磁参考场(international geomagnatic reference field，IGRF)研究，目前已发布了20个IGRF资料供使用。1975年，Regan和Cain就曾利用POG0卫星地磁总强度资料分析了全球的磁异常。后来，Magsat地磁矢量测尺卫星成功发射并取得了大量宝贵资料，利用这些新的卫星资料，许多地磁学学者研究了全球的或局部地区的磁异常(Arkani-Hamedetal，1988;安振昌、徐元芳、王月华，1992;安振昌等，1993;等等)。近几十年来，我国也开展了一些中国地区地磁场模型(china geomagnatic reference field，CGRF)的研究。但是，无论是IGRF还是CGRF，它们均存在更新周期长(5年或以上)、精度低(误差在100nT以上)的问题(王亶文，2002)。此外，地磁基准图也可由实测得到的航行海域地磁图来获取。现有的地磁测量仪器和地磁图给海洋地磁匹配提供了有力的技术支持和保障，保证了地磁匹配技术的可行性。然而，由于水下地磁场的特殊性，目前尚没有较为成熟的地磁匹配定位方法用于水下载体的导航定位。随着高精度磁传感器技术的应用，以及地磁干扰建模技术、磁传感器配置探测技术、地磁匹配方法和组合导航信息融合理论等方面的突破，水下地磁导航技术的发展与应用得以促进。

地磁导航不需要接收外部信息，隐蔽性能好，且误差不随时间积累，可以弥补惯性导航存在长期误差积累的不足，具有重要的军事应用价值和广泛的应用前景。地磁导航是一门新兴学科，随着相关研究的不断深入，必将得到越来越广泛的应用，也将越来越受到世界各国的重视。

综合以上水下导航定位系统，水下声学导航因声线上声速难以准确确定以及需要支撑船和水下声学阵列，在导航距离、隐蔽性和精度方面都受到很大影响。惯性导航系统在没有修正信息的情况下，误差会随着时间累积，难以满足长时间导航定位的要求。地形/地貌匹配导航在近海水域以及特征海床水域具有较高的匹配导航精度，是一种很好的辅助导航手段。重力匹配导航同地形匹配导航一样，借助地球固有物理属性通过匹配实现导航，但由于重力变化幅度较小，更易出现误匹配问题。地磁匹配导航相对其他匹配导航方式，在变化幅度、匹配源等方面具有显著优势，随着地磁测量技术以及地磁匹配算法等的发展而得以快速发展，如何将其更好地服务于水下载体的导航尚需更为深入的研究。在实际应用中，选择上述导航方法进行适当组合形成水下组合导航定位系统，不但可以提高导航精度和可靠性，降低导航定位系统的成本和技术难度，而且还具有一定的容错性。低成本、高精度、高智能化、适应性强、多用途的组合导航将是水下导航技术未来的发展方向。

随着相关技术的发展，水下导航技术已取得了多项令人鼓舞的进展。随着各国特别是发达国家对这一领域的高度重视，这一多学科相互融合的技术将有更大的发展以及更加广阔的应用前景。