蹤 華 劉 嬿 楊 業(yè)

1.宇航智能控制技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100854 2.中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100076

導(dǎo)航技術(shù)在軍用和民用領(lǐng)域起著巨大的作用。目前,占主導(dǎo)地位的導(dǎo)航技術(shù)有慣性導(dǎo)航和衛(wèi)星導(dǎo)航,輔助性的導(dǎo)航技術(shù)有星光導(dǎo)航和地形匹配導(dǎo)航等。慣性導(dǎo)航技術(shù)存在積累誤差,衛(wèi)星導(dǎo)航容易受到干擾和破壞,星光導(dǎo)航受水平基準(zhǔn)的限制,無(wú)法提供高精度的位置信息,此外,當(dāng)飛行器跨沙漠、平原飛行時(shí),地形匹配技術(shù)也無(wú)法實(shí)現(xiàn)。由此,需要發(fā)展一種自主的、無(wú)長(zhǎng)期積累誤差且具有較強(qiáng)抗干擾能力的導(dǎo)航定位技術(shù)。地磁場(chǎng)具有全天時(shí)、全天候和全地域存在的特點(diǎn),因此近幾年來(lái)基于地磁場(chǎng)的導(dǎo)航技術(shù)得到了重視[1-2],已成為重要的輔助導(dǎo)航方法之一,在多個(gè)領(lǐng)域得到了研究。

1 地磁導(dǎo)航技術(shù)的研究現(xiàn)狀

1.1 以衛(wèi)星為應(yīng)用對(duì)象的地磁導(dǎo)航研究現(xiàn)狀

低軌衛(wèi)星的軌道高度在幾百到一千公里之間,在此高度上,地磁異常場(chǎng)已經(jīng)大大衰減,并且地磁外源場(chǎng)即使存在強(qiáng)擾動(dòng)時(shí)也僅占內(nèi)源場(chǎng)的百分之一,異常場(chǎng)和外源場(chǎng)對(duì)全球地磁場(chǎng)模型的影響可以忽略,因此可以通過(guò)全球地球主磁場(chǎng)模型來(lái)確定低軌衛(wèi)星的軌道。

上世紀(jì)90年代初,美國(guó)康奈爾大學(xué)Psiaki領(lǐng)導(dǎo)的科研小組首先提出了利用地磁場(chǎng)確定衛(wèi)星軌道的概念[3],此后,美國(guó)戈達(dá)德航天中心Deutschmann和Bar-Itzhack領(lǐng)導(dǎo)的科研小組也投入到了該方向的研究工作中。經(jīng)過(guò)這2個(gè)科研小組以及其它各國(guó)學(xué)者研究,目前低軌衛(wèi)星用地磁導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)比較成熟。

1.1.1 康奈爾大學(xué)Psiaki科研小組的研究成果

文獻(xiàn)[4]在1989年提出利用地磁場(chǎng)強(qiáng)度信息進(jìn)行近地衛(wèi)星軌道確定。文獻(xiàn)[5]應(yīng)用擴(kuò)展卡爾曼濾波(以下簡(jiǎn)稱EKF)和最小二乘濾波,以地磁場(chǎng)幅值信息對(duì)低軌道航天器進(jìn)行定軌和地磁場(chǎng)模型修正,并利用衛(wèi)星MAGSAT、DE-2和LACE的磁強(qiáng)計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)濾波器的性能做了評(píng)估：2種濾波器使用MAGSAT數(shù)據(jù)的定位精度為4km～8km,最小二乘濾波器使用DE-2和LACE數(shù)據(jù)的定位精度分別為17km～18km和120km。文獻(xiàn)[6]利用磁強(qiáng)計(jì)信息和星敏感器信息,采用加權(quán)最小二乘法對(duì)低軌道衛(wèi)星進(jìn)行軌道確定和地磁場(chǎng)模型修正,仿真結(jié)果為位置精度在200m的數(shù)量級(jí)上,地磁模型修正精度為1nT。文獻(xiàn)[7]證實(shí)了利用磁強(qiáng)計(jì)和太陽(yáng)敏感器對(duì)低軌道航天器進(jìn)行定軌和地磁場(chǎng)模型修正的可行性；采用非線性最小二乘批處理濾波,在磁強(qiáng)計(jì)精度為10nT、太陽(yáng)敏感器精度為0.005°時(shí),定位精度為1.7km和定姿精度為0.1°。文獻(xiàn)[8]根據(jù)Dynamic Explorer2、MAGSAT以及?rsted衛(wèi)星的磁強(qiáng)計(jì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),綜合太陽(yáng)敏感器的數(shù)據(jù),并利用濾波器對(duì)磁強(qiáng)計(jì)的偏差,地磁場(chǎng)模型誤差進(jìn)行估計(jì),24h實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)估計(jì)得到的最大位置誤差分別為4.48km、2.35km以及2.19km。該文獻(xiàn)指出,位置誤差主要由地磁場(chǎng)模型的不精確引起。文獻(xiàn)[9]對(duì)利用磁強(qiáng)計(jì)和狀態(tài)估計(jì)器對(duì)低軌極衛(wèi)星軌道確定進(jìn)行了仿真,位置精度為2.5km～3km。文獻(xiàn)[10]利用EKF和磁場(chǎng)測(cè)量信息估計(jì)出衛(wèi)星的姿態(tài)、速度和位置信息,精度分別為1.5°、0.013km/s和15.5km。文獻(xiàn)[11]提出采用UKF提高由地動(dòng)力學(xué)方程和地磁信息進(jìn)行衛(wèi)星軌道確定的速度。

1.1.2 戈達(dá)德航天中心的研究成果

1995年,該小組利用地磁場(chǎng)信息和EKF設(shè)計(jì)了衛(wèi)星導(dǎo)航方案[12],采用模擬地磁數(shù)據(jù)仿真得到的定軌誤差為1.8km～5km,采用衛(wèi)星ERBS和GRE的真實(shí)磁測(cè)數(shù)據(jù)仿真得到的定軌誤差為10km～40km。文獻(xiàn)[13]利用磁強(qiáng)計(jì)和陀螺儀信息,采用EKF估計(jì)航天器的姿態(tài)和位置,得到的仿真結(jié)果為：濾波穩(wěn)定后的姿態(tài)、位置誤差分別小于1°和4km,速度均方根誤差約為4m/s。文獻(xiàn)[14]使用衛(wèi)星CGRO，TOMS，RXTE和ERBS的磁強(qiáng)計(jì)和陀螺儀數(shù)據(jù)在初始誤差較大情況下,得到的姿態(tài)、位置和速度誤差分別0.2～1.5°、15km～30km和15～30m/s 。為降低成本,該小組利用磁強(qiáng)計(jì)和太陽(yáng)敏感器,采用EKF估計(jì)低軌道衛(wèi)星的位置、姿態(tài)和姿態(tài)角速度,位置和速度誤差分別為20km和2.5m/s,姿態(tài)和姿態(tài)角速度誤差分別小于2°和0.003(°)/s[15]。2003年,戈達(dá)德航天中心在廣角紅外探測(cè)器(WIERE)上對(duì)地磁導(dǎo)航方法進(jìn)行了飛行試驗(yàn)[16]。試驗(yàn)采用EKF和偽線性卡爾曼濾波的混合算法,利用磁強(qiáng)計(jì)和太陽(yáng)敏感器信息實(shí)時(shí)估計(jì)WIERE的位置和姿態(tài)。試驗(yàn)位置誤差、速度、姿態(tài)角和姿態(tài)角速度誤差在大部分時(shí)間內(nèi)分別為45km～60km、50m/s、1°～2°和0.003(°)/s～0.008(°)/s。

文獻(xiàn)[17]以地磁幅值為觀測(cè)量,采用粒子濾波算法確定衛(wèi)星的軌道,仿真結(jié)果表明粒子濾波和EKF定軌精度相當(dāng),但收斂性好于后者。文獻(xiàn)[18]將地磁場(chǎng)矢量觀測(cè)值與IGRF模型計(jì)算值做比較,利用模擬退火法和最速下降法尋找全局最優(yōu)軌道參數(shù),仿真得到位置誤差為2.34km。文獻(xiàn)[19]在國(guó)內(nèi)提出了近地微小衛(wèi)星的磁測(cè)自主導(dǎo)航方法。隨后,文獻(xiàn)[20]和[21]分別采用EKF和無(wú)跡卡爾曼濾波(UKF)算法,對(duì)地磁場(chǎng)信息做測(cè)量,估計(jì)近地衛(wèi)星的位置和速度；文獻(xiàn)[22]和[23]分別將三軸磁強(qiáng)計(jì)與雷達(dá)高度計(jì)和GPS聯(lián)合,設(shè)計(jì)了組合導(dǎo)航算法,仿真結(jié)果為位置誤差分別小于20m和50m,速度誤差分別小于1m/s和0.1 m/s。文獻(xiàn)[24]進(jìn)行了原型化試驗(yàn),驗(yàn)證了由磁強(qiáng)計(jì)確定衛(wèi)星的位置和速度的方案、模型和算法可行性。文獻(xiàn)[25]采用磁強(qiáng)計(jì)、太陽(yáng)敏感器和EKF確定近地衛(wèi)星的軌道,簡(jiǎn)化了雅可比矩陣的計(jì)算方法,提高了計(jì)算效率。文獻(xiàn)[26]利用UKF確定低軌衛(wèi)星的軌道和地磁傳感器誤差。文獻(xiàn)[27]利用磁強(qiáng)計(jì)、星敏感器為EKF提供測(cè)量信息,估計(jì)衛(wèi)星軌道信息。利用Swarm衛(wèi)星高精度磁測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值仿真校驗(yàn),位置精度和速度精度分別為0.52km和0.89m/s。

1.1.3 其他研究者的研究成果

①觀察兩組患者的遵醫(yī)性、疾病相關(guān)知識(shí)掌握程度及滿意度。②記錄患者住院期間和出院隨訪的遵醫(yī)性,制定患者滿意度調(diào)查表:100分為滿分,大于90分為非常滿意,80分-90分為滿意,<80分為不滿意。非常滿意率+滿意率為總滿意率。

1.2 以導(dǎo)彈為應(yīng)用對(duì)象的地磁導(dǎo)航研究現(xiàn)狀

文獻(xiàn)[32]以地磁場(chǎng)矢量和飛行高度作為觀測(cè)值,結(jié)合導(dǎo)彈的運(yùn)動(dòng)模型和國(guó)際地磁場(chǎng)參考模型(IGRF),設(shè)計(jì)了基于UKF算法的地磁導(dǎo)航濾波方案。該文還由仿真結(jié)果分析了噪聲強(qiáng)度大小和地磁場(chǎng)模型階數(shù)對(duì)導(dǎo)航精度的影響。文獻(xiàn)[33]分析了慣性/地磁組合導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理,并基于巡航導(dǎo)彈的巡航段飛行過(guò)程建立了組合導(dǎo)航系統(tǒng)的濾波模型。在觀測(cè)信息分別為實(shí)測(cè)地磁場(chǎng)三分量信息和單一幅值信息條件下,采用EKF和UKF算法進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果為UKF總體濾波效果略優(yōu)于EKF。文獻(xiàn)[34]提出基于慣性器件和磁強(qiáng)計(jì)的測(cè)量信息的彈道導(dǎo)彈捷聯(lián)慣導(dǎo)/地磁組合導(dǎo)航方法,并進(jìn)行了仿真試驗(yàn)。文獻(xiàn)[35]采用地磁/GPS 組合測(cè)量解算炮彈姿態(tài)信息,并通過(guò)UKF 濾波處理,提高了彈體姿態(tài)解算精度。

歐陽(yáng)鋒不敢直視彭偉民，耷拉著腦袋，努力回憶著自酒樓出來(lái)后的每一個(gè)細(xì)節(jié)，遺憾的是這些細(xì)節(jié)像是被刪除了一般。

1.2.1 基于地磁圖的匹配導(dǎo)航研究

（3）圖像瀏覽。教師可通過(guò)3G手機(jī)等設(shè)備掃描學(xué)生證上的二維碼，以獲取學(xué)生的照片、學(xué)籍注冊(cè)情況等電子信息，作為考試時(shí)學(xué)生信息的核對(duì)方式。

文獻(xiàn)[28]旨在選擇合適的地磁特征量用于匹配制導(dǎo),提出了選擇匹配特征量時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮的幾個(gè)因素,通過(guò)理論分析初步擬定了選取準(zhǔn)則。文獻(xiàn)[29]對(duì)輪廓匹配方法進(jìn)行了深入研究,并由仿真結(jié)果討論了各種相關(guān)分析方法對(duì)不同噪聲的敏感程度、匹配長(zhǎng)度變化對(duì)各種相關(guān)分析方法的影響以及各種相關(guān)分析方法對(duì)飛行器地磁匹配制導(dǎo)的適用性。文獻(xiàn)[30]提出了一種基于層次分析法的地磁匹配制導(dǎo)適配性評(píng)價(jià)方法,該方法采用可信度代替單一地磁場(chǎng)特征參數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)地磁匹配制導(dǎo)適配性。文獻(xiàn)[31]以導(dǎo)彈動(dòng)力學(xué)模型為系統(tǒng)方程,以局部地磁異常場(chǎng)模型為觀測(cè)方程,以UKF算法為濾波算法,研究了地磁場(chǎng)在巡航導(dǎo)彈的巡航段導(dǎo)航中的應(yīng)用。

1.2.2 基于地磁模型的濾波導(dǎo)航研究

目前,地磁導(dǎo)航應(yīng)用于導(dǎo)彈武器中的研究主要集中在低空、做水平或近似水平運(yùn)動(dòng)的巡航導(dǎo)彈巡航段,采用的導(dǎo)航方法主要為基于地磁圖匹配方法和基于地磁模型的濾波方法。

1.3 以艦船、潛艇和飛機(jī)為應(yīng)用對(duì)象的地磁導(dǎo)航研究現(xiàn)狀

地磁導(dǎo)航的導(dǎo)航方法主要分為2類,即基于地磁圖的匹配方法和基于地磁場(chǎng)模型的濾波方法。根據(jù)載體所處的地磁場(chǎng)環(huán)境及其運(yùn)動(dòng)形式,導(dǎo)航方法的選擇原則為：

2 地磁導(dǎo)航方法的選擇

目前,地磁導(dǎo)航應(yīng)用于艦船和潛艇的研究也還是以概念設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證為主,已取得的主要研究成果有：文獻(xiàn)[36]初步分析了水下地磁匹配的可行性,并分別從匹配用地磁模型和干擾磁場(chǎng)2方面指出了制約該技術(shù)發(fā)展的幾個(gè)因素。該文還提出了地磁場(chǎng)用于水下載體定位的2條技術(shù)途徑：1)用小波變換濾去地磁異常,與大尺度地磁模型匹配定位；2)根據(jù)地磁場(chǎng)異常,并結(jié)合同時(shí)定位與構(gòu)圖(SLAM)算法實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航。文獻(xiàn)[37]研究了船用慣性/地磁組合導(dǎo)航的信息融合策略與性能,導(dǎo)航系統(tǒng)采用地磁隨機(jī)線性化技術(shù)將地磁異常測(cè)量值作為觀測(cè)量,采用EKF將地磁異常測(cè)量信息與慣導(dǎo)信息融合,最后利用融合結(jié)果校正INS的導(dǎo)航誤差。文獻(xiàn)[38]以地磁測(cè)量誤差補(bǔ)償問(wèn)題為研究對(duì)象,介紹了地磁測(cè)量誤差補(bǔ)償所涉及的基本理論,深入分析了強(qiáng)干擾環(huán)境下地磁測(cè)量誤差補(bǔ)償、觀測(cè)數(shù)據(jù)空間分布對(duì)參數(shù)估計(jì)的影響及地磁測(cè)量誤差對(duì)水下地磁匹配定位的影響等具體問(wèn)題。文獻(xiàn)[39]在吉林松花湖水面,利用高精度的銫光泵磁力儀搭載于水下機(jī)器人ROV進(jìn)行實(shí)際水域的地磁匹配試驗(yàn)。文獻(xiàn)[40]針對(duì)船測(cè)地磁數(shù)據(jù)覆蓋面不足、航測(cè)地磁數(shù)據(jù)延拓精度不高的問(wèn)題,提出以多面函數(shù)為基準(zhǔn)對(duì)地磁測(cè)量系統(tǒng)誤差進(jìn)行建模的方法,通過(guò)多源地磁數(shù)據(jù)的融合提高了磁力測(cè)量結(jié)果的綜合利用率。文獻(xiàn)[41]研究了利用地磁場(chǎng)異常信息定位的方法,利用航空器實(shí)際飛行數(shù)據(jù),對(duì)由地磁異常信息和濾波器輔助的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航精度作了分析,當(dāng)?shù)卮女惓４艌D質(zhì)量高,飛行海拔高度低的條件下,定位精度可達(dá)13m(DRMS)。

1)考慮到地磁場(chǎng)的分布特點(diǎn),在地表及其附近運(yùn)動(dòng)的載體適宜采用匹配導(dǎo)航方法,而高空運(yùn)動(dòng)的載體則適宜采用卡爾曼濾波導(dǎo)航方法。原因?yàn)椋孩倨ヅ鋵?dǎo)航要求匹配特征量具有起伏明顯的特點(diǎn),而在地表及其附近,地磁異常場(chǎng)比較強(qiáng)烈,十分有利于地磁匹配的實(shí)現(xiàn)；②高空處的地磁場(chǎng)主要以變化平緩的主磁場(chǎng)為主,地磁異常場(chǎng)已經(jīng)很微弱,因此地磁起伏不再像地表那樣明顯,不滿足匹配方法對(duì)匹配特征量的要求,因此匹配方法不適用,只能通過(guò)地磁場(chǎng)模型和采用卡爾曼濾波方法來(lái)估計(jì)載體的導(dǎo)航信息。

2)從運(yùn)動(dòng)形式方面考慮,對(duì)于變高度運(yùn)動(dòng)的載體,適宜采用卡爾曼濾波方法；而對(duì)于定高或近似定高運(yùn)動(dòng)的載體,卡爾曼濾波方法和匹配方法都可以采用。原因分析如下：①對(duì)于變高度運(yùn)動(dòng)載體,如果要采用匹配方法,在實(shí)施匹配時(shí)需要用三維地磁基準(zhǔn)圖,但受測(cè)繪條件的限制,全高度磁測(cè)覆蓋十分困難。即使采用延拓方法獲得不同高度平面的基準(zhǔn)圖，也由于延拓是一個(gè)批數(shù)據(jù)處理過(guò)程,如果由搭載計(jì)算機(jī)在線實(shí)時(shí)延拓,則計(jì)算十分耗時(shí),不能滿足導(dǎo)航實(shí)時(shí)性的要求,因此采用延拓方法不太現(xiàn)實(shí)。因此采用基于地磁模型的卡爾曼濾波方法估計(jì)變高度運(yùn)動(dòng)載體的導(dǎo)航信息,可以避免匹配原理復(fù)雜和在線延拓耗時(shí)的弊端；②對(duì)于定高運(yùn)動(dòng)的載體,如果采用匹配方法導(dǎo)航,一方面匹配屬于二維匹配,匹配過(guò)程要簡(jiǎn)單些；另一方面導(dǎo)航時(shí)只用到一張運(yùn)動(dòng)高度平面的地磁基準(zhǔn)圖,該圖在載體運(yùn)動(dòng)之前就可延拓制備好,因此不涉及在線計(jì)算問(wèn)題。

其次，匿名特性保證民意真實(shí)。當(dāng)前，新媒體平臺(tái)尚未實(shí)名化，匿名環(huán)境下被管制風(fēng)險(xiǎn)較小，大眾意見(jiàn)表達(dá)更加自由，態(tài)度立場(chǎng)更加鮮明，避免了傳統(tǒng)民意調(diào)查中可能發(fā)生的“作秀”問(wèn)題。盡管新媒體的匿名性也帶來(lái)了話語(yǔ)極端化的負(fù)面影響，但整體上有利于形成高壓輿論態(tài)勢(shì)，提升政府對(duì)國(guó)民情緒的感知度。

3 結(jié)束語(yǔ)

地磁導(dǎo)航技術(shù)在低軌衛(wèi)星、導(dǎo)彈、飛機(jī)、船舶和潛艇等不同領(lǐng)域的載體上得到了較為廣泛的研究應(yīng)用。地磁導(dǎo)航技術(shù)原理上已十分成熟,后續(xù)將需要針對(duì)不同的應(yīng)用對(duì)象,設(shè)計(jì)相應(yīng)的方案,研究重點(diǎn)集中在地磁導(dǎo)航的工程應(yīng)用技術(shù)上：如地磁圖(地磁模型)精度的提高、干擾磁場(chǎng)處理技術(shù)和地磁場(chǎng)延拓技術(shù)等。

參 考 文 獻(xiàn)

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