地磁导航在水下运载体导航中的应用研究

丁永忠

（海军装备部）

地磁导航在水下运载体导航中的应用研究

丁永忠

（海军装备部）

本文通过对地磁导航研究现状及应用的分析，提出了地磁/惯性组合导航在水下运载体应用需解决的关键技术的一些方法。

地磁导航；惯性组合导航；传感器

地球表面以及近地空间的地磁场在不同地区是不同的，这种不同性构成了不同地区的一种典型特征，利用这种特征来确定载体所在的地理位置，就是地磁匹配导航所依据的基本原理。地磁场是一个矢量场，是地球的固有资源，具有全天时、全天候、全地域的特征。在地球近地空间内任意一点的地磁场矢量具有唯一性，且理论上与该点的经纬度一一对应，要准确确定各点的地磁场矢量即可实现全球定位。地磁场的上述特点使得地磁匹配导航在军事上具有广阔的前景和深远的意义。

1　地磁导航研究现状及应用

地磁图和地磁模型是描述或逼近地球磁场的主要手段，是开展地磁导航及其军事应用的技术工具，为了满足现代国防和经济建设的需要，世界各国如美、英、俄、日、蒙古、罗马尼亚等都积极研制全球的、或感兴趣区域的地磁模型和地磁图，我国从20世纪初至今，也一直在开展这一工作。美、英和前苏联除了定期（5年）更新绘制世界地磁图并建立全球地磁场模型外，还定期（3-5年）更换本国的地磁图和地磁模型。我国从20世纪50年代至2000年，由科学院地球物理研究所每10年研制新一代中国地磁图和地磁场模型；从2005年开始，则由中国地震局地球物理研究所负责该项事务。1970年，我国有关部门联合实现了首次地磁普测和地磁图编绘，测点之多，在国内外都是空前的，该工程获得了我国迄今使用率最高的地磁测量资料，研制了我国迄今质量最好、精度最高的磁场结构描述最细致的一代地磁图和地磁模型。但30多年地磁场长期变化已使该图对中国地磁基本场的描述与实际情况有了较大的差异，其表现力和使用价值已经远远不能适应当今国民经济和国防建设的实际需求。

在应用方面，美国生产的波音飞机上配备有地磁匹配导航系统，在飞机起飞降落时使用［1］。俄罗斯研究了一种采用地磁场强度作为特征量的匹配方法，他们提出并试验了地球磁场等高线匹配制导方法，即MAGCOM。在2004年进行的“安全一2004"演习中试射的SS-19导弹可不按抛物线沿稠密大气层边缘近乎水平地飞行，使敌方导弹防御系统无法准确预测来袭导弹的弹道，即采用了这一技术。美国俄亥俄级导弹核潜艇采用静电陀螺惯性平台及惯性/重力匹配组合导航系统，定位精度0.2nmi1e/天，重调周期10一14天。2003年8月，美国国防部军事关键技术名单里提到地磁数据参考导航系统。国防部的文件称，他们所研制的纯地磁导航系统的导航精度为：地面和空中定位精度优于30m（CEP）；水下定位精度优于500m（CEP）。美国NAS AGoddard空间中心和有关大学对地磁导航进行了研究，并进行了大量的地面试验。同时，国外正在建立更高精度的地磁信息图并重点研制高精度的磁传感器，以进一步提高导航精度。

2　地磁/惯性组合导航的基本原理

潜艇作为未来信息化海洋战场上的一种主要战略威慑武器，要求其具备高度的隐蔽性，因此，研究一种高精度导航系统来保证潜艇的自主性和隐蔽性，就成为各国海军大力发展的目标。地磁导航作为一种严格意义上的无源导航，它的测量不需要接受外部或想外辐射向量，能够保障载体的隐蔽性和自主性，它与惯性导航组合，既能保证惯性导航的高动态性、自主性和全维导航信息，也能校正惯导系统因长时间工作存在的积累误差，因此地磁/惯性组合导航是一种较为理想的潜用导航方式。地磁/惯性组合导航具有以下优点：

地磁/惯性组合导航系统具有较全而的导航功能，不仅可以确定潜艇姿态、航速、航向，还可以确定舰位，且误差不随时间积累，具有高可靠性、全天候、高精度、连续导航的优点。

由于地磁/惯性组合导航系统的特点，将使潜艇的上工作和作战模式发生巨大变化。例如：核潜艇装备该类系统可以在相对较短的时间（24小时）内完成航行准备，在初始航行阶段实现对惯导系统的精确对准和标定；潜艇在离开码头后无需暴露在水而进行惯导重调作业，能够确保系统在始终隐蔽潜航中的导航精度，从导航功能上满足潜艇执行作战任务的全程隐蔽性要求。

地磁/惯性组合导航系统通常由惯性导航系统、地磁数据库、地磁传感器、匹配计算机等组成。其基本原理是将预先选定的区域地磁场某种地磁场特征值，制成参考图并储存在艇上的计算机中，当潜艇通过这些地区时，地磁传感器实时测量地磁场的有关特征值，并构成实时图，同时根据惯导系统提供的位置信息，可以从地磁特征图中读取数据，将这两种数据送给艇上的匹配解算计算机进行匹配解算，确定实匹配点，从而确定出潜艇的实时位置，用次位置信息与惯导输出的速度信息为观测量进行滤波处理，估计惯导系统的误差，然后将惯导系统进行校正。导航原理如图1。

图1　地磁/惯性组合导航原理框图

3　地磁/惯性组合导航在水下运载体应用需解决的关键技术

地磁/惯性组合导航虽然有着诸多其他导航方式不具备的优势，也是一种较为理想的潜用组合导航方式，但要想在水下运载体上获得成功应用，还需要着重解决以下关键技术：

3.1高精度地磁数据库的获得

要使地磁导航在潜艇上成功应用，首先要获得高精度的地磁数据库。数据库的来源有两种途径：其一使地磁测量，其二是建立地磁模型。由于地磁场本身存在长期和短期变化，而且各种磁测手段存在很大局限性，仅仅依靠地磁测量进行匹配导航是不现实的，且着眼于长远的研究与应用，建立高精度的地磁场模型势在必行。

根据研究范围的大小，地磁场模型可分为世界地磁场模型和局部地磁场模型两种。已有的世界地磁场模型有国际地磁参考场（IGRF）和世界地磁场模型（WMM）。上述两个模型仅仅是对主磁场部分的描述，地壳磁场和变化磁场并没有描述，因此世界地磁场模型精度很低，必须建立高精度的局部地磁场模型。按照地磁场建模的途径，建立地磁场模型的主要方法有球谐分析法、多项式拟合法、球冠谐分析法和矩谐分析法。上述方法各有优缺点，其中球冠谐分析法最适于潜艇垂向纵深变化比较大的导航设备，其优点是可以表示地磁场的三位结构，可以根据模型计算近地空间任意位置的地磁场强度，缺点是计算量大，使用不够方便灵活。

3.2变化磁场以及潜艇磁场对地磁测量的影响

地磁场除包含有长周期变化的稳定磁场外，还包含有短周期变化干扰磁场，其短期变化包括平静变化和扰动变化［2］，平静变化分为太阳静日变化和太阳阴日变化，扰动变化包括磁暴、地磁亚暴、太阳扰日变化和地磁脉动等。太阳静日变化以一个太阳日为周期，平均变化幅度约为几到几十nT（纳特，1nT= 109-T）；太阳阴日变化以地球自转一周为周期，变化幅度约为1 nT一2 nT；磁暴持续时间约为1-3天，变化幅度可达几十到几百nT；地磁亚暴持续时间约为1 h- 3h变化幅度可达几白到几千nT；太阳扰日变化的周期也为一个太阳日，主要影响极光区，变化幅度约为几十到几百nT；地磁脉动是各种短周期的地磁变化，周期从几秒钟到几十分钟，幅度从1nT到几百nT，在极光区幅度最大。

由以上可看以出变化磁场尤其是没有规律的非周期短期变化的对地磁场的实时测量会产生不可忽视的干扰，产生测量误差，给地磁匹配带来一定的难度；潜艇为钢铁材料制成的，在制造和行进过程中会不可避免的受地磁场的作用被磁化而显示出磁性，从而对潜艇所处的空间的地磁场测量产生影响。因此，研究如何靠潜艇自身设备测量系统来消除地磁场的变化干扰影响和潜艇自身被磁化产生磁场的影响是地磁导航在潜艇成功应用的又一项关键技术。

3.3高效实时的地磁导航匹配算法

为满足水下运载体导航应用的要求，必须研究高效、实时的地磁导航匹配算法。该算法应具备较强的抗干扰能力，较高的匹配精度和较低的计算复杂度。

地磁导航在算法实质上就是数字地图匹配。潜艇在航行过程中，将实时测量的地磁特征信息序列构成实时图，然后，利用各种信息处理方法，将实时图与地磁数据库中存贮的基准图数据进行比较，依一定的准则判断两者的拟合度，确定实时图与基准图中的最相似点，即最佳匹配点。由此看来，地磁匹配导航的匹配点并不是完全匹配的，只是实时图与基准图最大程度地相似，所以，匹配算法是决定匹配精度，从而进一步决定导航精度的核心因素。

3.4地磁异常信息与惯性导航信息融合算法

地磁导航与惯性导航间的信息融合目前多采用扩展卡尔曼滤波（EKF）器对参数进行精确估计，EKF是把所有的非线性模型线性化以便于应用传统的线性卡尔曼滤波。尽管EKF成为最广泛的滤波模式，但是难以实现和调控并且只在具有线性时变系统中才能获得可靠的结果。例如，在扩展卡尔曼滤波的实际应用中，如果局部线性的假设不成立，那么线性化将使滤波的结果极不稳定；另外在大多数应用中都必须计算雅克比矩阵，这样常常导致计算量和分析难度的增加。随着小波理论、神经网络技术的日益成熟和完善以及各种现代优化计算方法的广泛应用，有必要尝试新的信息融合算法的研究，增强地磁/惯性导航的精确性和鲁棒性。

3.5高精度、快响应速度、环境适应性强的传感器的研制

要实现地磁导航，只有导航算法是不够的。匹配算法做得再好，传感器的精度如果不足以敏感地磁场的变化，导航还只是停留在理论阶段，实际应用尚需假以时日。所以，一个灵敏度高、响应快速、综合测量精度高、环境适应性强的智能地磁传感器是实现地磁导航的硬件基础，也是地磁导航系统的一个关键环节。

4　结束语

地磁导航作为一种自主导航技术，具有隐蔽性好和精度高的特点，它与无线电导航和卫星导航系统不同，是一种完全自主的、主动的定位系统。地磁/惯性组合导航系统算法的研究与应用，将延长水下运载体重调周期，提高水下运载体的远程导航精度与导航自主能力，提高水下运载体的隐蔽性，提高水下运载体的核威慑作用和生存能力，增强对敌威慑能力，具有重大的军事意义。

［1］乔玉坤，王仕成，张琪.地磁匹配制导技术应用于导弹武器系统的制约因素分析［［J］.飞航导弹，2006 8 .

［2］管志宁.地磁场与磁力勘探［M］.北京:地质出版社，2005 3 25.

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［4］ Pehnvic V ladinir TinCootesObjiectively adaptive lnformation fusion Information Fusion2007 8.

［5］蔡兆云，魏海平，任治新.水下地磁导航技术研究综述［f1］.国防科技，2007 3.

［6］晏登洋，任建新，宋永军.惯性/地磁组合导航技术研究［J］.机械与电子，2007 1.

［7］ Goldenberg F.Geomagnetic navigation beyond the magnetic compass［J］.Position Location and Navigation Symposium，2006.［8］顾左文，安振昌，高金田，等.京津冀地区地磁场球冠谐分析［J］.地球物理学报，2004，4.

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［10］彭富清.地磁模型和地磁导航［J］.海洋测绘，2006，26（2）：73-75

丁永忠（1968.9-）男 ，硕士研究生，研究方向: 自动控制。

U661.1

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1003-5168（2015）11-144-03