地磁匹配技术与发展动态分析

2023-12-13孙波陈可正李千龙

科技与创新 2023年23期

孙波，陈可正，李千龙

（1.海军装备部，陕西西安 710065；2.西北工业大学自动化学院，陕西西安 710129）

在生活节奏日益加快的当代社会，人类的各种生产生活与时空信息紧密相关，而导航技术通过不同原理可以得到物体的时空信息，已经被广泛应用于军用领域和民用领域。按照基本工作原理划分，导航系统大致可以分为以下3 类：①通过陀螺/加速度计感知载体角速度和比力信息进行导航的惯导系统、利用陀螺敏感地球自转角速度北向分量而准确寻北的陀螺罗经、利用陀螺特性测量载体俯仰角和横滚角的陀螺地平仪等不依赖于外部声、光、电、磁等一切信息的自主式系统；②根据电磁波的传播特性测出载体与导航台的相对信息，再根据载体与导航台的相对位置关系得到载体的当前位置的无线电导航系统，如仪表着陆系统（ⅠLS）、全球定位系统（GPS）、雷达、无线电高度表等；③通过感知自然环境信息进行导航的系统，如视觉导航和地磁导航等[1-2]。目前广泛使用的是惯导/GPS 组合，能够较好地满足各类载体对导航实时性、连续性、精度、易用性等方面的性能要求，并可克服惯导误差积累、GPS 易受干扰及动态性差、信息更新率低等体制性不足。

以GPS 为代表的无线电导航在平时存在着有意或无意的电磁干扰，在战时潜在存在的干扰和欺骗会严重影响导航系统的完好性和安全性，如2011 年的无人机RQ-170 事件，彰显了防干扰防欺骗在导航系统中的重要性。同时，近年来人们也逐步认识到以GPS 为代表的卫星导航及其他无线电导航在特殊条件下的使用局限性。地磁匹配相较于常见辅助导航手段如地形匹配、视觉导航、重力匹配等，具有可用区域广、隐蔽性强、抗干扰能力强和全天候方面的显著优势，可弥补地形匹配、视觉导航等辅助导航方式在跨平原、沙漠、水域时所存在的缺陷，且误差不随时间积累，是未来定位、导航与授时（PNT）体系中潜在的重要高精度自主导航手段之一，日益受到导航界的重视。

1 地磁匹配的基本原理

地球及近地空间内所有的点处于地磁场中，都具有磁场强度。地磁场主要由主磁场、异常场和干扰场3 个部分组成。其中主磁场幅值约以每年几十纳特速度随时间缓慢变化；地壳表面分布和局部地理特征产生异常场，异常场很稳定，几乎不随时间变化；干扰场受太阳活动、磁暴等多种因素的影响而不断变化，大小为5～500 nT[3-4]。而近地空间内的地磁场变化主要为异常场的变化且很明显，故可以通过匹配方法实现定位。

整体上看，地磁场是一个包含总磁场强度、北向磁场强度、东向磁场强度、垂向磁场强度、水平磁场强度、磁偏角和磁倾角7 个要素的矢量场，理论上近地空间任意点的地磁场矢量具有唯一性，每个局部磁场与地理位置一一对应，这种差异性和相关性构成了不同区域的一种典型特征。地磁场总强度等值线图如图1 所示。

图1 地磁场总强度等值线图

地磁匹配作为数据库匹配类导航方式，与地形匹配、重力匹配等工作方式类似。地磁匹配预先获得目标区域的地磁数据库，当飞行器经过该区域时，由磁测量设备得到实测的地磁数据，将实测的磁场与事先存储的目标区域地磁数据进行相关匹配，在地磁数据库中寻找出与实测地磁值最为相似的数据序列，该序列在地磁数据库中所对应的位置即为载体实时位置，并进一步对惯导进行校正，以提高导航的精度。由于地磁场是显著的地球物理学特征之一，在平原、沙漠、水域等地形、重力等特征不明显的地区均含有丰富的地磁特征，其幅值信息和方向信息均可作为导航参考，对于提升现有导航的自主性和稳定性等方面的性能具有重要意义。地磁匹配原理如图2 所示。

图2 地磁匹配原理示意图

地磁场是一个矢量场。通常，空间中不同的点的磁场值是不同的，且空间中任一点的地磁参数与该点的空间位置具有强相关性。由于磁传感器测量所得数据仅是某一点的局部数据，且存在测量误差，因此在地磁数据库中的相对全局范围内可能存在多个相同或相近的磁场矢量，故仅依靠某个点的磁场测量值推算的定位结果误差较大或者根本不足以定位该点。为了提高精度，可以将多个点的地磁数据测量值结合，将它视为一个新的定位特征（剖面），再与地磁数据库中的数据相关联。由于现代先进载体一般均装备有中高精度惯导，惯导具有输出参数全面、短期相对精度高的特点，因此地磁匹配系统可利用惯导数据（参考位置和位置估计误差）确定在地磁数据库中的大致搜索范围；同时综合考虑地磁场各个要素的特性及现有地磁传感器的性能等[5]，通常采用地磁异常场（也可采用三轴磁场强度分量、水平磁场强度等）作为匹配特征量，利用地表附近地磁异常场的起伏变化，以形成地磁辅助惯导是现阶段较好的一个选择。地磁匹配系统结构如图3 所示。

图3 地磁匹配系统结构框图

2 主要技术需求分析

从原理上讲，地磁匹配是利用惯导提供的参考位置和位置估计误差作为水平范围约束，以地磁异常场作为垂直方向的约束，并利用地表附近地磁异常场的起伏变化，通过综合信息处理在地磁数据库中找到与地磁测量序列最接近的一条路径，进而实现精确定位。无论采用何种地磁特征匹配量，都需要将地磁实测值与地磁数据库计算值进行关联，匹配精度必然会受到地磁数据库精度和地磁测量精度的影响。由于实测的地磁剖面数据和基准地磁数据两者均存在一定程度的噪声，故地磁匹配本质上是在多约束条件下实现定位的一种最优估计技术[6]。从技术角度考虑，地磁匹配的功能实现涉及地磁数据库的检索、地磁特征的选取、实时地磁的探测与补偿、匹配搜索与定位策略设计、组合导航方案设计等多个环节，最终的系统性能依赖于多学科多领域信息的高效综合[7]。按照地磁匹配的信息处理流程梳理出相关的技术需求，具体如表1 所示。

表1 主要技术需求分析

3 技术研究动态

现阶段，国外已对地磁匹配系统的实现和相关技术开展了大量的研究，并取得一些重要的成果。地磁匹配研究中最常提到的相关信息如2003 年美国国防部宣称所研制的纯地磁导航系统的导航精度分别优于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 针对飞机用地磁导航系统，开展了基于地磁场图的测速定位方法研究；2017 年，美国空军理工学院证明了在飞机上利用磁传感器测量地磁场数据实现导航的可行性；2020 年，美国空军与麻省理工学院联合发起了 “磁导航信号增强挑战赛”，希望利用人工智能算法抑制载体自身磁场带来的测量误差；2021 年，美国政府问责局（GAO）发布《国防导航能力技术评估》报告，指出地磁导航应具备100 m 定位精度的能力。

从上述相关材料可以看出，目前虽然对地磁导航方面进行了大量研究，取得了一些重要成果，但在地磁场描述、地磁场测量、地磁匹配定位准则、地磁匹配性能评估及工程应用验证等方面限制着技术的发展和应用，作为一个覆盖多学科的新兴研究领域，仍需加强相关的理论和应用研究。技术研究动态如表2所示。