地磁导航技术研究和展望

罗 宁

（中国电子科技集团第二十研究所,西安 710068）

0 引言

随着科学技术的不断发展，导航定位技术已渗透到人们日常生活各个领域当中，在军事和民用领域中发挥着及其重要的作用。目前常用的导航定位技术有航位推算导航、无线电导航、惯性导航、地图匹配、卫星导航或应用多种技术的综合导航技术，这些技术都既有其优势，也有各自的缺点。其实地球本身就有一个大的坐标系，可以用来定位所在的位置，这就是地磁导航。地磁导航技术具有低能耗，地域广，不受气象条件影响，辐射低，自主性高等优良特征，随着地磁理论的不断完善以及导航算法的日趋成熟，地磁导航凭借这些优良特征成为导航研究领域的热点之一。

1 地磁导航的基本原理和地磁模型的建立

地磁场是地球系统的基本物理场，是地球所固有的资源。地磁场是矢量场，在地球表面理论上每一点的地磁矢量都和其它点的地磁矢量不同。地磁场作为一个矢量场，不仅有幅值信息可以使用，而且有方向信息可以作为参考，因此可以提供丰富的导航参照信息。因此，只要能够测量到载体所处地点的地磁矢量，并和存在计算机内的地磁模型相匹配，就可以得到载体的所处位置，实现全球定位。这是地磁导航的基本原理。

地磁模型的建立：可将地磁场划分为三个部分:

在地球物理学中，描述地球主磁场的标准模型为“国际参考地磁场”（IGRF)，在IGRF模型中，主磁场的标量磁位可以用球谐函数表示为

其中， 是地心球坐标系的地心距，余纬和经度， 是地球半径， 是伴随勒让德函数， 和 是由观测资料求得的地磁场球谐系数（或高斯系数）,N是模型的截断水平。IGRF（国际地磁参考场）是有关地球主磁场与长期变化的模型。由此所建立的地磁模型是研究地磁导航制导技术的关键因素。

2 地磁导航的主要技术

地磁导航技术主要包含三个分支：磁场测量，地磁图数字化、导航与定位，通过磁场测量，建立数字化的全息磁图，从而实现依靠地磁的导航与定位。

2.1 磁场测量技术

要实现地磁匹配导航并具备一定的精度，首要的是建立起来完整、全面、有一定精准度的地磁数据库。地磁数据库是通过磁场测量技术，将地磁信号转换为电信号，存储在数据库当中。如何精确的测量地磁场的信息，是地磁导航实现的基础条件。由于地磁场非常微弱，其随空间位置产生的变化量更是相当微弱，因此，磁场测量技术关键就在设计与制造出灵敏度高，响应速度快，体积合适的磁传感器。也可以说，磁传感器决定了磁场测量技术的发展与进步。

2.2 地磁图数字化技术

地磁图（map of the geomagnetic）是表示地球基本磁场各要素数值及其在地球表面分布和变化规律的等值线图，是根据区域内各地磁台的观测数据编绘的。磁场特征量的测量是地磁图数字化的重要技术之一。将测试区域内的各个测试点的磁场特征量相结合，构成了地磁基准图，就可以准确的反应该地区的磁场场强变化或其他地磁要素的变化。将这些磁场特征量数字化，建立了数字化的地磁图。

2.3 导航与定位

地磁导航的导航与定位实现主要有以下两种技术：

2.3.1 地磁匹配技术

就是对于近地空间运动的物体，首先测量出当地的地磁特征量随航迹形成的线图，再通过与地磁基准图做匹配，从而实现精准定位。地磁匹配类似于地形匹配系统，区别在于地磁匹配可有多个特征量，属于数字地图匹配技术，是地磁导航的核心技术。

2.3.2 地磁滤波技术

地磁滤波技术比地磁匹配技术来说相对成熟，在现有的导航系统中应用的比较多一些。地磁滤波技术对初始误差要求比较高，对处理载体在运动之中的未知扰动问题比较有效。

2.4 地磁导航相关算法

磁场的特性决定了其无法远程测量，所能得到的测试结果都是运动物体轨迹的一维线图形式。所以在进行匹配的时候，只能采用线图匹配。目前主流的算法是基于MAGCOM（Magnetic Contour Matching）的磁场相关匹配算法，与基于ICCP（Iterative Closest Contour Point），这两种都是线图匹配的方法。下面对这两种算法分别做出阐述与分析。

2.4.1 基于MAGCOM的磁场相关匹配算法

当物体运动的时候，通过地磁传感器测量取得地磁场的特征值序列；随后在惯导系统输出的误差邻域里，和计算机所存储的本地地磁数据库相结合，找到本地的标准地磁场数据库，得到新的标准场序列；最后，对得到的两组序列用函数做匹配，进行处理后得到最佳的匹配位置。其常用的函数有如下

交叉相关算法（COR)

平均绝对差算法（MAD)

均方差算法（MSD)

2.4.2 基于ICCP的磁场相关匹配算法

ICCP算法主要通过搜索到最近的点，然后进行迭代计算，并且通过将测量值和背景场数据之间的最优匹配，从而得到运动载体所处的位置信息，其特点是收敛块，精度高，可以应用于地磁辅助导航。它最初是来源于图像配准的ICP算法，其基本思路为：通过测量航迹上各点的地磁值，然后将这些测量到的点连成曲线，然后同已经存在的地磁等值线图进行对比匹配。该算法的最小为目标函数采用的是欧式平方根，通过计算得到真实的航迹与所测量得到的轨迹之间的最优变换，通过这种最优的变换实现对航迹的校正，下图是其原理图：

3 地磁导航技术的发展方向

地磁导航今后研究的重点主要有以下几个方面：

3.1 高精度的磁传感器研制

研制出具有高精度的磁传感器是今后地磁导航研究方向的重点之一。其未来发展的方向会包含以下几种特点：高灵敏度，很好的温度稳定性，抗干扰性，小型集成化，智能化，低功耗等。

3.2 完整的地磁场模型

现今地磁导航的难点之一就是建立地磁场模型，建立的地磁场模型应该是能够详细反应导航区域内的地磁场模型。完整的地磁场模型是地磁导航普及应用的重要条件。

3.3 相关算法的优化

对相关算法的缺陷进行研究与分析，需将影响算法的初值精度进行提高，或采取多种算法相结合的方式进行互补。

3.4 与其他导航定位技术相结合

发展与卫星导航等其他导航方式的相互结合，实现优势互补，可以将定位误差减小，实现组合导航的优势。

4 发展与展望

地磁导航是当前国际导航领域的一大研究热点，其他导航技术相比，地磁导航自身具有自主性高，隐蔽性好，应用范围更广的特点，尤其是对水下载体的导航有较明显的优势。通过与惯导和卫星导航等导航方式的结合更有广阔的应用背景，不断发展的新型传感器和新技术的发展也将使地磁导航技术在军用民用领域发挥更重要的作用。国内多家科研单位已经地磁模型建立，与卫星导航结合等方面取得了成就，随着地磁导航理论的不断发展，地磁导航必将有大的发展。

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