孫波，陳可正，李千龍

（1.海軍裝備部，陜西 西安 710065；2.西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，陜西 西安 710129）

在生活節(jié)奏日益加快的當(dāng)代社會(huì)，人類的各種生產(chǎn)生活與時(shí)空信息緊密相關(guān)，而導(dǎo)航技術(shù)通過(guò)不同原理可以得到物體的時(shí)空信息，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于軍用領(lǐng)域和民用領(lǐng)域。按照基本工作原理劃分，導(dǎo)航系統(tǒng)大致可以分為以下3 類：①通過(guò)陀螺/加速度計(jì)感知載體角速度和比力信息進(jìn)行導(dǎo)航的慣導(dǎo)系統(tǒng)、利用陀螺敏感地球自轉(zhuǎn)角速度北向分量而準(zhǔn)確尋北的陀螺羅經(jīng)、利用陀螺特性測(cè)量載體俯仰角和橫滾角的陀螺地平儀等不依賴于外部聲、光、電、磁等一切信息的自主式系統(tǒng)；②根據(jù)電磁波的傳播特性測(cè)出載體與導(dǎo)航臺(tái)的相對(duì)信息，再根據(jù)載體與導(dǎo)航臺(tái)的相對(duì)位置關(guān)系得到載體的當(dāng)前位置的無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)，如儀表著陸系統(tǒng)（ⅠLS）、全球定位系統(tǒng)（GPS）、雷達(dá)、無(wú)線電高度表等；③通過(guò)感知自然環(huán)境信息進(jìn)行導(dǎo)航的系統(tǒng)，如視覺(jué)導(dǎo)航和地磁導(dǎo)航等[1-2]。目前廣泛使用的是慣導(dǎo)/GPS 組合，能夠較好地滿足各類載體對(duì)導(dǎo)航實(shí)時(shí)性、連續(xù)性、精度、易用性等方面的性能要求，并可克服慣導(dǎo)誤差積累、GPS 易受干擾及動(dòng)態(tài)性差、信息更新率低等體制性不足。

以GPS 為代表的無(wú)線電導(dǎo)航在平時(shí)存在著有意或無(wú)意的電磁干擾，在戰(zhàn)時(shí)潛在存在的干擾和欺騙會(huì)嚴(yán)重影響導(dǎo)航系統(tǒng)的完好性和安全性，如2011 年的無(wú)人機(jī)RQ-170 事件，彰顯了防干擾防欺騙在導(dǎo)航系統(tǒng)中的重要性。同時(shí)，近年來(lái)人們也逐步認(rèn)識(shí)到以GPS 為代表的衛(wèi)星導(dǎo)航及其他無(wú)線電導(dǎo)航在特殊條件下的使用局限性。地磁匹配相較于常見(jiàn)輔助導(dǎo)航手段如地形匹配、視覺(jué)導(dǎo)航、重力匹配等，具有可用區(qū)域廣、隱蔽性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)和全天候方面的顯著優(yōu)勢(shì)，可彌補(bǔ)地形匹配、視覺(jué)導(dǎo)航等輔助導(dǎo)航方式在跨平原、沙漠、水域時(shí)所存在的缺陷，且誤差不隨時(shí)間積累，是未來(lái)定位、導(dǎo)航與授時(shí)（PNT）體系中潛在的重要高精度自主導(dǎo)航手段之一，日益受到導(dǎo)航界的重視。

1 地磁匹配的基本原理

地球及近地空間內(nèi)所有的點(diǎn)處于地磁場(chǎng)中，都具有磁場(chǎng)強(qiáng)度。地磁場(chǎng)主要由主磁場(chǎng)、異常場(chǎng)和干擾場(chǎng)3 個(gè)部分組成。其中主磁場(chǎng)幅值約以每年幾十納特速度隨時(shí)間緩慢變化；地殼表面分布和局部地理特征產(chǎn)生異常場(chǎng)，異常場(chǎng)很穩(wěn)定，幾乎不隨時(shí)間變化；干擾場(chǎng)受太陽(yáng)活動(dòng)、磁暴等多種因素的影響而不斷變化，大小為5～500 nT[3-4]。而近地空間內(nèi)的地磁場(chǎng)變化主要為異常場(chǎng)的變化且很明顯，故可以通過(guò)匹配方法實(shí)現(xiàn)定位。

整體上看，地磁場(chǎng)是一個(gè)包含總磁場(chǎng)強(qiáng)度、北向磁場(chǎng)強(qiáng)度、東向磁場(chǎng)強(qiáng)度、垂向磁場(chǎng)強(qiáng)度、水平磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁偏角和磁傾角7 個(gè)要素的矢量場(chǎng)，理論上近地空間任意點(diǎn)的地磁場(chǎng)矢量具有唯一性，每個(gè)局部磁場(chǎng)與地理位置一一對(duì)應(yīng)，這種差異性和相關(guān)性構(gòu)成了不同區(qū)域的一種典型特征。地磁場(chǎng)總強(qiáng)度等值線圖如圖1 所示。

圖1 地磁場(chǎng)總強(qiáng)度等值線圖

地磁匹配作為數(shù)據(jù)庫(kù)匹配類導(dǎo)航方式，與地形匹配、重力匹配等工作方式類似。地磁匹配預(yù)先獲得目標(biāo)區(qū)域的地磁數(shù)據(jù)庫(kù)，當(dāng)飛行器經(jīng)過(guò)該區(qū)域時(shí)，由磁測(cè)量設(shè)備得到實(shí)測(cè)的地磁數(shù)據(jù)，將實(shí)測(cè)的磁場(chǎng)與事先存儲(chǔ)的目標(biāo)區(qū)域地磁數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)匹配，在地磁數(shù)據(jù)庫(kù)中尋找出與實(shí)測(cè)地磁值最為相似的數(shù)據(jù)序列，該序列在地磁數(shù)據(jù)庫(kù)中所對(duì)應(yīng)的位置即為載體實(shí)時(shí)位置，并進(jìn)一步對(duì)慣導(dǎo)進(jìn)行校正，以提高導(dǎo)航的精度。由于地磁場(chǎng)是顯著的地球物理學(xué)特征之一，在平原、沙漠、水域等地形、重力等特征不明顯的地區(qū)均含有豐富的地磁特征，其幅值信息和方向信息均可作為導(dǎo)航參考，對(duì)于提升現(xiàn)有導(dǎo)航的自主性和穩(wěn)定性等方面的性能具有重要意義。地磁匹配原理如圖2 所示。

圖2 地磁匹配原理示意圖

地磁場(chǎng)是一個(gè)矢量場(chǎng)。通常，空間中不同的點(diǎn)的磁場(chǎng)值是不同的，且空間中任一點(diǎn)的地磁參數(shù)與該點(diǎn)的空間位置具有強(qiáng)相關(guān)性。由于磁傳感器測(cè)量所得數(shù)據(jù)僅是某一點(diǎn)的局部數(shù)據(jù)，且存在測(cè)量誤差，因此在地磁數(shù)據(jù)庫(kù)中的相對(duì)全局范圍內(nèi)可能存在多個(gè)相同或相近的磁場(chǎng)矢量，故僅依靠某個(gè)點(diǎn)的磁場(chǎng)測(cè)量值推算的定位結(jié)果誤差較大或者根本不足以定位該點(diǎn)。為了提高精度，可以將多個(gè)點(diǎn)的地磁數(shù)據(jù)測(cè)量值結(jié)合，將它視為一個(gè)新的定位特征（剖面），再與地磁數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)。由于現(xiàn)代先進(jìn)載體一般均裝備有中高精度慣導(dǎo)，慣導(dǎo)具有輸出參數(shù)全面、短期相對(duì)精度高的特點(diǎn)，因此地磁匹配系統(tǒng)可利用慣導(dǎo)數(shù)據(jù)（參考位置和位置估計(jì)誤差）確定在地磁數(shù)據(jù)庫(kù)中的大致搜索范圍；同時(shí)綜合考慮地磁場(chǎng)各個(gè)要素的特性及現(xiàn)有地磁傳感器的性能等[5]，通常采用地磁異常場(chǎng)（也可采用三軸磁場(chǎng)強(qiáng)度分量、水平磁場(chǎng)強(qiáng)度等）作為匹配特征量，利用地表附近地磁異常場(chǎng)的起伏變化，以形成地磁輔助慣導(dǎo)是現(xiàn)階段較好的一個(gè)選擇。地磁匹配系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 地磁匹配系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 主要技術(shù)需求分析

從原理上講，地磁匹配是利用慣導(dǎo)提供的參考位置和位置估計(jì)誤差作為水平范圍約束，以地磁異常場(chǎng)作為垂直方向的約束，并利用地表附近地磁異常場(chǎng)的起伏變化，通過(guò)綜合信息處理在地磁數(shù)據(jù)庫(kù)中找到與地磁測(cè)量序列最接近的一條路徑，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)精確定位。無(wú)論采用何種地磁特征匹配量，都需要將地磁實(shí)測(cè)值與地磁數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算值進(jìn)行關(guān)聯(lián)，匹配精度必然會(huì)受到地磁數(shù)據(jù)庫(kù)精度和地磁測(cè)量精度的影響。由于實(shí)測(cè)的地磁剖面數(shù)據(jù)和基準(zhǔn)地磁數(shù)據(jù)兩者均存在一定程度的噪聲，故地磁匹配本質(zhì)上是在多約束條件下實(shí)現(xiàn)定位的一種最優(yōu)估計(jì)技術(shù)[6]。從技術(shù)角度考慮，地磁匹配的功能實(shí)現(xiàn)涉及地磁數(shù)據(jù)庫(kù)的檢索、地磁特征的選取、實(shí)時(shí)地磁的探測(cè)與補(bǔ)償、匹配搜索與定位策略設(shè)計(jì)、組合導(dǎo)航方案設(shè)計(jì)等多個(gè)環(huán)節(jié)，最終的系統(tǒng)性能依賴于多學(xué)科多領(lǐng)域信息的高效綜合[7]。按照地磁匹配的信息處理流程梳理出相關(guān)的技術(shù)需求，具體如表1 所示。

表1 主要技術(shù)需求分析

3 技術(shù)研究動(dòng)態(tài)

現(xiàn)階段，國(guó)外已對(duì)地磁匹配系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)和相關(guān)技術(shù)開(kāi)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關(guān)信息如2003 年美國(guó)國(guó)防部宣稱所研制的純地磁導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航精度分別優(yōu)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 針對(duì)飛機(jī)用地磁導(dǎo)航系統(tǒng)，開(kāi)展了基于地磁場(chǎng)圖的測(cè)速定位方法研究；2017 年，美國(guó)空軍理工學(xué)院證明了在飛機(jī)上利用磁傳感器測(cè)量地磁場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航的可行性；2020 年，美國(guó)空軍與麻省理工學(xué)院聯(lián)合發(fā)起了 “磁導(dǎo)航信號(hào)增強(qiáng)挑戰(zhàn)賽”，希望利用人工智能算法抑制載體自身磁場(chǎng)帶來(lái)的測(cè)量誤差；2021 年，美國(guó)政府問(wèn)責(zé)局（GAO）發(fā)布《國(guó)防導(dǎo)航能力技術(shù)評(píng)估》報(bào)告，指出地磁導(dǎo)航應(yīng)具備100 m 定位精度的能力。

從上述相關(guān)材料可以看出，目前雖然對(duì)地磁導(dǎo)航方面進(jìn)行了大量研究，取得了一些重要成果，但在地磁場(chǎng)描述、地磁場(chǎng)測(cè)量、地磁匹配定位準(zhǔn)則、地磁匹配性能評(píng)估及工程應(yīng)用驗(yàn)證等方面限制著技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，作為一個(gè)覆蓋多學(xué)科的新興研究領(lǐng)域，仍需加強(qiáng)相關(guān)的理論和應(yīng)用研究。技術(shù)研究動(dòng)態(tài)如表2所示。

表2 技術(shù)研究動(dòng)態(tài)

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著磁場(chǎng)理論、弱磁場(chǎng)精確測(cè)量技術(shù)、干擾磁場(chǎng)和變化磁場(chǎng)的抑制和補(bǔ)償及地磁匹配算法等方面工作的開(kāi)展，必將推動(dòng)地磁匹配工程應(yīng)用技術(shù)成熟度的不斷提升，地磁匹配技術(shù)將迎來(lái)快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，對(duì)于推動(dòng)國(guó)防裝備建設(shè)及民用經(jīng)濟(jì)均具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。