地磁导航的相关技术研究

傅慷，余杰，钱富



地磁导航的相关技术研究

傅慷，余杰，钱富

（海军工程大学，武汉 430033）

结合目前地磁导航的研究现状，分析了与地磁导航相关的领域，如地磁场模型和地磁测量等，并对光泵磁力仪也进行了简要的概述。提出了解决磁传感器的测量误差及外界干扰磁场的措施，对后续进一步研究地磁导航具有很好的指导意义，

地磁导航 地磁场模型 地磁测量 光泵磁力仪 磁传感器

0 引言

目前，导航定位技术作为一门重要基础的科学技术，早已渗透于航空航天和各种军用、民用领域，并呈现出越来越重要的作用[1]。但是，常用的导航定位技术由于在无典型地貌特征环境下长期执行导航任务时存在积累误差，仍需其它导航方式的补充来完成导航任务。因此，目前针对导航定位技术，正逐渐开始寻找和研究一些无长期积累误差、不易被干扰的自主式导航定位技术，以实现全天时、全天候、全地域的导航定位任务。

地磁场作为地球的固有资源，为航海、航天、航空以及远程精制导武器提供了天然的坐标系。地磁场隐含着地球内、外部空间丰富而重要的信息。这些信息可以直接反映和体现包括压力、温度、物质运动等变化的地球深部乃至地球内核的物理过程。地磁场及其变化信息给科学家们进行地球物理的研究提供了重要的信息来源[2]。

本文将结合目前地磁导航的研究现状与研究热点，从地磁测量技术出发对地磁导航所需要解决的技术难点与关键问题进行分析和探讨。

1 地磁导航

1.1 地磁导航技术发展现状

相对于其他导航手段而言，地磁导航定位的研究起步较晚。20世纪90年代初，美国康奈尔大学的Psiaki等人以地磁场幅值信息对低轨道航天器进行定轨和修正地磁场模型误差[3]。此外，美国戈达德航天中心的Deutschmann和Bar-Itzhack领导的科研小组利用磁强计矢量信息和其他敏感器信息联合，确定卫星的轨道或姿态[4]。美国目前已开发出地面和空中定位精度优于30 m、水下定位精度优于500 m的地磁导航系统。F.Goldenberg针对飞机的地磁导航系统进行了研究[5]。俄罗斯的SS-19导弹采用地磁等高线制导系统，实现导弹的变轨制导，以对抗美国的反弹道导弹拦截系统。

国内有关地磁导航的研究还主要集中在仿真和预研阶段。2000年，在国内提出了近地微小卫星的磁测自主导航方法。随后分别对地磁场信息做测量，估计近地卫星的位置和速度。航天科工集团三院的李素敏等人对地面所测量的地磁强度数据表明分辨率能达到50 m[6]，西北工业大学的晏登洋等人利用地磁导航校正惯性导航的仿真实验取得了较高的精度。武汉大学的赵建虎等人研究了ICCP地磁导航算法的精度指标及影响因素[8]。

1.2 地磁导航的特点

地磁导航主要存在地磁匹配与地磁滤波两种方式，具有许多显而易见的优点，主要有：

1）地磁探测完全被动，不向外发射能量，具有高度的隐蔽性；

2）导航精度由地磁分布特征和传感器精度决定，误差不随时间积累，是惯性导航系统重调的理想依据；

3）地磁场是地球固有的矢量场，无论在高空、地上还是水下，地磁探测仪都可以探测到地磁信息，具有广泛的应用背景；

4）地磁场具有多个特征量，如总磁场强度、水平磁场强度、东向分量、北向分量、垂直分量、磁偏角、磁倾角及磁场梯度等，地磁匹配具有较强的可操作性；

5）与同等精度的重力探测仪相比，地磁仪成本低，设计高精度、低成本的组合导航系统具有较好的经济价值。

2 地磁场特征及地磁模型

在科学技术和日常生活中，磁场是我们熟知又陌生、极力探求的自然物质之一。地磁场作为地球最重要的物理场之一，它有着复杂的空间结构和时间演化。

2.1 地磁场的特征

地磁场是一个非常微弱的矢量场，在全球各地不同地方不同高度的磁场信息是不同的。地磁场是由各种不同来源的磁场叠加构成的。按其性质可把地磁场B区分为两大部分：一部分主要来源于地区内部的稳定磁场B，另一部分主要起源于地球外部的变化磁场ΔB，即

变化磁场比稳定磁场弱得多。一般情况下，变化磁场的幅度不超过地球磁感应强度的1%。因此，稳定磁场是地磁场的主要部分。

根据磁场起源，地磁场分为内源场和外源场。地磁场是个随时间变化的场，内源场引起的变化为长期变化，有磁场倒转和地磁场向西飘移。地质时期上出现了四个较大的倒转期。固体地球外部的各种电流体系引起地磁场短期变化。短期变化又分为平静变化和扰动变化。

2.2 地磁模型的研究概况

地磁图和地磁模型是描述或逼近地球磁场的主要手段，是开展地磁导航及其军事应用的技术工具，地磁模型就是适用于计算机或导弹等使用的数字式地磁图。地磁图或地磁模型必须尽可能兼顾物理上的合理性(地表附近的磁场是标势场)、数值上的准确性(一定误差范围)、信息的完整性和使用的方便性。

世界各国都积极研制全球的、或感兴趣区域的地磁模型和地磁图;美、英和前苏联除了定期(5年)更新绘制世界地磁图并建立全球地磁场模型外,还定期(3-5年)更换本国的地磁图和地磁模型。当前,美、英联合研制世界地磁模型的主要目的在于实现空间和海洋磁自主导航,为本国国防部和北大西洋公约组织(NATO)的导航和定姿/定向参考系统提供标准模型。我国从20世纪初至今也一直在开展这一工作。20世纪50年代至2000年,由科学院地球物理研究所每10年研制新一代中国地磁图和地磁场模型;从2005年开始,则由中国地震局地球物理研究所负责该项事物。

3 地磁测量技术的研究

随着信息技术的发展，磁场测量的发展日趋微型化，智能化，根据地磁测量的特点，未来地磁测量将沿着地磁传感器体积小型化，操作简便化；地磁测量数据全球化，更新周期快速化；数据处理的自动化，地磁模型合理化的趋势发展；

3.1 磁传感器技术

磁场测量仪器有很多种，感应线圈传感器一般用于需测量变化磁场的场合，应用时线圈通常大而成本高。磁通门传感器可测量分辨率小于1 μGs的磁场，但体积偏大、易碎、响应时间慢。霍尔效应传感器则是用于测量10 Gs至几千Gs的强磁场，不适合做地磁检测。

近年来，从弱磁场到强磁场都可以找到相应的传感器进行检测。基于巨磁阻抗效应的非晶材料传磁感器因其具有灵敏度高，响应速度快，体积微小等重要优势，在未来的地磁导航应用中具有广阔的应用前景。如各向异性磁阻传感器(AMR)，巨磁阻传感器(GMR)，隧道型巨磁阻传感器(TMR)，采样精度不断提高，配合以高速的处理器，使得低功耗，高精度，高采样率成为了可能。再者激光、超导技术的日趋成熟，它们也加入了地磁检测的行列中来，在不久的将来，定会出现更高精度，更高稳定性的地磁检测仪器，它们将会担当起高空、海底、沙漠地区以及医学、生物领域的高难度检测任务，为人类提供更多有用的信息。

3.2 磁传感器的测量误差

三轴磁传感器在实际应用中，由于受到加工工艺和装配精度水平的限制，低成本的三轴磁传感器很难做到三轴严格正交，而且三轴灵敏度及其他电气性能也不可能完全对称。同时，还存在零点漂移，传感器内部剩磁等一系列不良因素。这些都将对磁场的精确测量产生负面影响，甚至造成很大的误差。这就需要在投入使用之前，对三轴传感器进行参数标定，尽可能克服由装配工艺和三轴电器参数不严格一致而产生的测量误差。

3.3 光泵磁力仪的作用机理及研究现状

光泵磁力仪的灵敏度很高，测量时没有零点漂移。但因其工作原理的限制，一般存在死区及进向误差。光泵磁力仪成本较高，主要应用在对成本限制比较宽，对灵敏度要求很高的海洋磁力梯度测量等领域。

光泵磁力仪的工作原理是建立在塞曼分裂效应（指原子的光谱线在外磁场作用下会出现分裂的现象）的基础上，根据光泵作用机理而制成的，主要是利用拉莫尔频率与外界磁场间的比例关系来测量磁场。因此测试出这一电磁场频率值便可以测出外磁场强度，式（2）即为计算磁场式：

其中为拉莫尔频率；K为比例系数，因碱金属的不同而具有不同值，但对于特定的碱金属而言是一个常数；为被测磁场，单位为n。常用的工作元素有：钾(K39)、铷(Rb87，Rb85)、氦(He4，He3)、铯(Cs133)等。

3.4 干扰磁场补偿技术

由于地磁场的微弱特性，干扰磁场地磁测量研究中容易被忽视的一个问题。针对载体材料受地磁场影响而产生的同姿态相关的干扰场，由Leliak提出的航磁补偿方案易发生方程系数矩阵陷入病态从而产生较大误差的情况。目前主要通过航磁补偿的方式来建立模型，求解参数，进而反向补偿的方法来解决。而对于载体电磁设备辐射出来的干扰磁场，目前常用的方法是磁屏蔽技术和滤波技术。对于高频磁场，采用高频磁场屏蔽方式。而对于低频磁场，则是利用高磁导率的屏蔽体对磁通进行分流。而低通滤波器或带通滤波器技术，则是利用了地磁场信号与干扰信号的频带不同来进行干扰过滤。但这种技术对频率特性与地磁场相近的低频干扰却无能为力。由此可见，低频电器干扰磁场是阻碍地磁导航系统投入使用的主要障碍之一。

4 结束语

本文从地磁测量技术和地磁模型建立出发，简要概述了地磁导航的研究现状及待解决的问题，对后续进一步研究地磁导航具有很好的指导意义，对于地球科学、航天航空、资源探测、交通运输、空间天气、测绘等诸多技术领域有巨大的参考价值。

[1] 曹文. 基于磁阻传感器的地磁信号检测. 华中科技大学硕士学位论文, 2007.

[2] 周军,葛致磊,施桂国等. 地磁导航发展与关键技术. 宇航学报, 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．

[4] Thienel J K，Harma R R．Results of the magnetometer navigation(MAGNAV)[C]. AIAA/AAS Astrodynamics Specialist Conference and Exhibit，Providence，Rhode Island，2004．

[5] Goldenberg F．Geomagnetic navigation beyond magnetic compass[C]．IEEE PLANS 2006，San Diego，California，684-694．

[6] 李素敏，张万清．地磁场资源在匹配制导中的应用研究[J]．制导与引信，2004，25(3)：19-21.

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，硕士研究生。研究方向：军用目标特性及其信号处理技术。