地磁导航技术研究现状综述*

踪 华 刘 嬿 杨 业

1.宇航智能控制技术国家级重点实验室,北京 100854 2.中国运载火箭技术研究院，北京 100076

导航技术在军用和民用领域起着巨大的作用。目前,占主导地位的导航技术有惯性导航和卫星导航,辅助性的导航技术有星光导航和地形匹配导航等。惯性导航技术存在积累误差,卫星导航容易受到干扰和破坏,星光导航受水平基准的限制,无法提供高精度的位置信息,此外,当飞行器跨沙漠、平原飞行时,地形匹配技术也无法实现。由此,需要发展一种自主的、无长期积累误差且具有较强抗干扰能力的导航定位技术。地磁场具有全天时、全天候和全地域存在的特点,因此近几年来基于地磁场的导航技术得到了重视[1-2],已成为重要的辅助导航方法之一,在多个领域得到了研究。

1 地磁导航技术的研究现状

1.1 以卫星为应用对象的地磁导航研究现状

低轨卫星的轨道高度在几百到一千公里之间,在此高度上,地磁异常场已经大大衰减,并且地磁外源场即使存在强扰动时也仅占内源场的百分之一,异常场和外源场对全球地磁场模型的影响可以忽略,因此可以通过全球地球主磁场模型来确定低轨卫星的轨道。

上世纪90年代初,美国康奈尔大学Psiaki领导的科研小组首先提出了利用地磁场确定卫星轨道的概念[3],此后,美国戈达德航天中心Deutschmann和Bar-Itzhack领导的科研小组也投入到了该方向的研究工作中。经过这2个科研小组以及其它各国学者研究,目前低轨卫星用地磁导航技术已经比较成熟。

1.1.1 康奈尔大学Psiaki科研小组的研究成果

文献[4]在1989年提出利用地磁场强度信息进行近地卫星轨道确定。文献[5]应用扩展卡尔曼滤波(以下简称EKF)和最小二乘滤波,以地磁场幅值信息对低轨道航天器进行定轨和地磁场模型修正,并利用卫星MAGSAT、DE-2和LACE的磁强计测量数据对滤波器的性能做了评估：2种滤波器使用MAGSAT数据的定位精度为4km～8km,最小二乘滤波器使用DE-2和LACE数据的定位精度分别为17km～18km和120km。文献[6]利用磁强计信息和星敏感器信息,采用加权最小二乘法对低轨道卫星进行轨道确定和地磁场模型修正,仿真结果为位置精度在200m的数量级上,地磁模型修正精度为1nT。文献[7]证实了利用磁强计和太阳敏感器对低轨道航天器进行定轨和地磁场模型修正的可行性；采用非线性最小二乘批处理滤波,在磁强计精度为10nT、太阳敏感器精度为0.005°时,定位精度为1.7km和定姿精度为0.1°。文献[8]根据Dynamic Explorer2、MAGSAT以及Ørsted卫星的磁强计实测数据,综合太阳敏感器的数据,并利用滤波器对磁强计的偏差,地磁场模型误差进行估计,24h实测数据估计得到的最大位置误差分别为4.48km、2.35km以及2.19km。该文献指出,位置误差主要由地磁场模型的不精确引起。文献[9]对利用磁强计和状态估计器对低轨极卫星轨道确定进行了仿真,位置精度为2.5km～3km。文献[10]利用EKF和磁场测量信息估计出卫星的姿态、速度和位置信息,精度分别为1.5°、0.013km/s和15.5km。文献[11]提出采用UKF提高由地动力学方程和地磁信息进行卫星轨道确定的速度。

1.1.2 戈达德航天中心的研究成果

1995年,该小组利用地磁场信息和EKF设计了卫星导航方案[12],采用模拟地磁数据仿真得到的定轨误差为1.8km～5km,采用卫星ERBS和GRE的真实磁测数据仿真得到的定轨误差为10km～40km。文献[13]利用磁强计和陀螺仪信息,采用EKF估计航天器的姿态和位置,得到的仿真结果为：滤波稳定后的姿态、位置误差分别小于1°和4km,速度均方根误差约为4m/s。文献[14]使用卫星CGRO，TOMS，RXTE和ERBS的磁强计和陀螺仪数据在初始误差较大情况下,得到的姿态、位置和速度误差分别0.2～1.5°、15km～30km和15～30m/s 。为降低成本,该小组利用磁强计和太阳敏感器,采用EKF估计低轨道卫星的位置、姿态和姿态角速度,位置和速度误差分别为20km和2.5m/s,姿态和姿态角速度误差分别小于2°和0.003(°)/s[15]。2003年,戈达德航天中心在广角红外探测器(WIERE)上对地磁导航方法进行了飞行试验[16]。试验采用EKF和伪线性卡尔曼滤波的混合算法,利用磁强计和太阳敏感器信息实时估计WIERE的位置和姿态。试验位置误差、速度、姿态角和姿态角速度误差在大部分时间内分别为45km～60km、50m/s、1°～2°和0.003(°)/s～0.008(°)/s。

文献[17]以地磁幅值为观测量,采用粒子滤波算法确定卫星的轨道,仿真结果表明粒子滤波和EKF定轨精度相当,但收敛性好于后者。文献[18]将地磁场矢量观测值与IGRF模型计算值做比较,利用模拟退火法和最速下降法寻找全局最优轨道参数,仿真得到位置误差为2.34km。文献[19]在国内提出了近地微小卫星的磁测自主导航方法。随后,文献[20]和[21]分别采用EKF和无迹卡尔曼滤波(UKF)算法,对地磁场信息做测量,估计近地卫星的位置和速度；文献[22]和[23]分别将三轴磁强计与雷达高度计和GPS联合,设计了组合导航算法,仿真结果为位置误差分别小于20m和50m,速度误差分别小于1m/s和0.1 m/s。文献[24]进行了原型化试验,验证了由磁强计确定卫星的位置和速度的方案、模型和算法可行性。文献[25]采用磁强计、太阳敏感器和EKF确定近地卫星的轨道,简化了雅可比矩阵的计算方法,提高了计算效率。文献[26]利用UKF确定低轨卫星的轨道和地磁传感器误差。文献[27]利用磁强计、星敏感器为EKF提供测量信息,估计卫星轨道信息。利用Swarm卫星高精度磁测数据进行数值仿真校验,位置精度和速度精度分别为0.52km和0.89m/s。

1.1.3 其他研究者的研究成果

①观察两组患者的遵医性、疾病相关知识掌握程度及满意度。②记录患者住院期间和出院随访的遵医性,制定患者满意度调查表:100分为满分,大于90分为非常满意,80分-90分为满意,<80分为不满意。非常满意率+满意率为总满意率。

1.2 以导弹为应用对象的地磁导航研究现状

文献[32]以地磁场矢量和飞行高度作为观测值,结合导弹的运动模型和国际地磁场参考模型(IGRF),设计了基于UKF算法的地磁导航滤波方案。该文还由仿真结果分析了噪声强度大小和地磁场模型阶数对导航精度的影响。文献[33]分析了惯性/地磁组合导航系统的基本原理,并基于巡航导弹的巡航段飞行过程建立了组合导航系统的滤波模型。在观测信息分别为实测地磁场三分量信息和单一幅值信息条件下,采用EKF和UKF算法进行了仿真分析。仿真结果为UKF总体滤波效果略优于EKF。文献[34]提出基于惯性器件和磁强计的测量信息的弹道导弹捷联惯导/地磁组合导航方法,并进行了仿真试验。文献[35]采用地磁/GPS 组合测量解算炮弹姿态信息,并通过UKF 滤波处理,提高了弹体姿态解算精度。

欧阳锋不敢直视彭伟民，耷拉着脑袋，努力回忆着自酒楼出来后的每一个细节，遗憾的是这些细节像是被删除了一般。

1.2.1 基于地磁图的匹配导航研究

（3）图像浏览。教师可通过3G手机等设备扫描学生证上的二维码，以获取学生的照片、学籍注册情况等电子信息，作为考试时学生信息的核对方式。

文献[28]旨在选择合适的地磁特征量用于匹配制导,提出了选择匹配特征量时应重点考虑的几个因素,通过理论分析初步拟定了选取准则。文献[29]对轮廓匹配方法进行了深入研究,并由仿真结果讨论了各种相关分析方法对不同噪声的敏感程度、匹配长度变化对各种相关分析方法的影响以及各种相关分析方法对飞行器地磁匹配制导的适用性。文献[30]提出了一种基于层次分析法的地磁匹配制导适配性评价方法,该方法采用可信度代替单一地磁场特征参数来评价地磁匹配制导适配性。文献[31]以导弹动力学模型为系统方程,以局部地磁异常场模型为观测方程,以UKF算法为滤波算法,研究了地磁场在巡航导弹的巡航段导航中的应用。

1.2.2 基于地磁模型的滤波导航研究

目前,地磁导航应用于导弹武器中的研究主要集中在低空、做水平或近似水平运动的巡航导弹巡航段,采用的导航方法主要为基于地磁图匹配方法和基于地磁模型的滤波方法。

1.3 以舰船、潜艇和飞机为应用对象的地磁导航研究现状

地磁导航的导航方法主要分为2类,即基于地磁图的匹配方法和基于地磁场模型的滤波方法。根据载体所处的地磁场环境及其运动形式,导航方法的选择原则为：

2 地磁导航方法的选择

目前,地磁导航应用于舰船和潜艇的研究也还是以概念设计和仿真验证为主,已取得的主要研究成果有：文献[36]初步分析了水下地磁匹配的可行性,并分别从匹配用地磁模型和干扰磁场2方面指出了制约该技术发展的几个因素。该文还提出了地磁场用于水下载体定位的2条技术途径：1)用小波变换滤去地磁异常,与大尺度地磁模型匹配定位；2)根据地磁场异常,并结合同时定位与构图(SLAM)算法实现自主导航。文献[37]研究了船用惯性/地磁组合导航的信息融合策略与性能,导航系统采用地磁随机线性化技术将地磁异常测量值作为观测量,采用EKF将地磁异常测量信息与惯导信息融合,最后利用融合结果校正INS的导航误差。文献[38]以地磁测量误差补偿问题为研究对象,介绍了地磁测量误差补偿所涉及的基本理论,深入分析了强干扰环境下地磁测量误差补偿、观测数据空间分布对参数估计的影响及地磁测量误差对水下地磁匹配定位的影响等具体问题。文献[39]在吉林松花湖水面,利用高精度的铯光泵磁力仪搭载于水下机器人ROV进行实际水域的地磁匹配试验。文献[40]针对船测地磁数据覆盖面不足、航测地磁数据延拓精度不高的问题,提出以多面函数为基准对地磁测量系统误差进行建模的方法,通过多源地磁数据的融合提高了磁力测量结果的综合利用率。文献[41]研究了利用地磁场异常信息定位的方法,利用航空器实际飞行数据,对由地磁异常信息和滤波器辅助的惯性导航系统的导航精度作了分析,当地磁异常磁图质量高,飞行海拔高度低的条件下,定位精度可达13m(DRMS)。

1)考虑到地磁场的分布特点,在地表及其附近运动的载体适宜采用匹配导航方法,而高空运动的载体则适宜采用卡尔曼滤波导航方法。原因为：①匹配导航要求匹配特征量具有起伏明显的特点,而在地表及其附近,地磁异常场比较强烈,十分有利于地磁匹配的实现；②高空处的地磁场主要以变化平缓的主磁场为主,地磁异常场已经很微弱,因此地磁起伏不再像地表那样明显,不满足匹配方法对匹配特征量的要求,因此匹配方法不适用,只能通过地磁场模型和采用卡尔曼滤波方法来估计载体的导航信息。

2)从运动形式方面考虑,对于变高度运动的载体,适宜采用卡尔曼滤波方法；而对于定高或近似定高运动的载体,卡尔曼滤波方法和匹配方法都可以采用。原因分析如下：①对于变高度运动载体,如果要采用匹配方法,在实施匹配时需要用三维地磁基准图,但受测绘条件的限制,全高度磁测覆盖十分困难。即使采用延拓方法获得不同高度平面的基准图，也由于延拓是一个批数据处理过程,如果由搭载计算机在线实时延拓,则计算十分耗时,不能满足导航实时性的要求,因此采用延拓方法不太现实。因此采用基于地磁模型的卡尔曼滤波方法估计变高度运动载体的导航信息,可以避免匹配原理复杂和在线延拓耗时的弊端；②对于定高运动的载体,如果采用匹配方法导航,一方面匹配属于二维匹配,匹配过程要简单些；另一方面导航时只用到一张运动高度平面的地磁基准图,该图在载体运动之前就可延拓制备好,因此不涉及在线计算问题。

其次，匿名特性保证民意真实。当前，新媒体平台尚未实名化，匿名环境下被管制风险较小，大众意见表达更加自由，态度立场更加鲜明，避免了传统民意调查中可能发生的“作秀”问题。尽管新媒体的匿名性也带来了话语极端化的负面影响，但整体上有利于形成高压舆论态势，提升政府对国民情绪的感知度。

3 结束语

地磁导航技术在低轨卫星、导弹、飞机、船舶和潜艇等不同领域的载体上得到了较为广泛的研究应用。地磁导航技术原理上已十分成熟,后续将需要针对不同的应用对象,设计相应的方案,研究重点集中在地磁导航的工程应用技术上：如地磁图(地磁模型)精度的提高、干扰磁场处理技术和地磁场延拓技术等。

参 考 文 献

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