地磁导航:地球母亲的“金手指”

2020-04-18 23:24翁利斌张添翼王握文
科学中国人·上半月 2020年10期
关键词:金手指导航系统飞行器

翁利斌 张添翼 王握文

地磁导航之所以被喻为地球母亲的“金手指”,是因为地球上任意一点,都有唯一的磁场大小和方向与之对应,并且与该点的三维地理坐标相匹配,使它具有“向导”功能。

2020年7月31日,“北斗三号”全球卫星导航系统正式开通,标志着我国成为世界上第三个独立拥有全球卫星导航系统的国家。北斗闪耀,泽沐八方。随着人类社会进步和人们对美好生活的不断追求,卫星导航应用日益广泛,不可或缺。

在人类的生产生活中,除人们常用的卫星导航外,还有惯性导航、地磁导航等多种导航方式。

惯性导航,通过测量飞行器加速度,自动进行积分运算而获得飞行器速度和位置数据,工作时不依赖外界信息,也不易受到干扰,是一种自主式导航系统。目前它在飞行器、导弹和武器平台上已有广泛应用。

地磁导航,则是一种无源自主导航技术。它把地磁场当作一个天然的“坐标系”,利用地磁场的测量信息来实现对飞行器、船舶、潜艇等进行导航定位。既不用像卫星导航那样需要依赖外界设备的帮助,也不像惯性导航那样存在误差累积,其较强的抗干扰和生存能力,使它逐渐发展成为一种热门的导航技术,因此又被喻为地球母亲的“金手指”。

天然“好向导”,兼当地球“保护伞”

生活中,信鸽能远距离飞行传递信息,大雁在秋天能大规模有序向南迁徙,动物具备的这种定向运动能力,其实是利用了地球磁场。在古代,我们的祖先发现了地磁场在辨别方向上的作用,进而发明了指南针,使人们在荒野戈壁、茫茫大海不会迷失。这是地磁导航最早和最简单的应用。

众所周知,地磁场与重力场一样,看不见摸不着,无法让人们直接感知,但它又无处不在、无时不在。地磁场与地球相生相伴。随着地球系统的演化,它主要由地球内部磁性岩石和高空电流体系等产生。经过数亿年演化,目前地磁极与地理南北极正好相反,但两者位形并不完全重叠。因此,在全球各地,会存在不同的磁偏角。科学家经过长期观测和研究发现,磁极存在“漂移”或“翻转”现象,只不过是一个缓变的过程,南北磁极平均数十万年才会翻转一次。所以,生活在地球上的人们,基本上不会有什么异样感觉。

地磁场之所以能用作导航,是因为地球上任意一点,都有唯一的磁场大小和方向与之对应,并且与该点的三维地理坐标相匹配,使它具有“向导”功能。

地磁导航的原理,就是通过探测器实时获取地磁数据,与预先制作的地磁图或模型,匹配比对磁场大小、方向、梯度等信息,来实现导航定位功能。当然,也可采用地磁异常点或人工部署磁标等方式作为参照物,用来估算相对位置信息。

地磁场不仅具有导航功能,还充当地球“保护伞”的角色。地磁场从地下延伸至地球表面以上达数万公里,呈椭圆形结构包裹着地球。茫茫宇宙中,地磁场阻挡屏蔽了大量来自太阳系、银河系的辐射粒子,阻止其直接入侵到地球表面,才使人类赖以生存的地球生机盎然。

优点很突出,缺点也不少

地球磁场是地球固有的物理场,许多动物利用其进行导航,但与精确导航定位相差甚远。人类总是在探索未知中不断前行,把地磁场当作一个天然的“坐标系”。利用地磁场来导航定位,一直是科学家们的追求。

20世纪60年代以来,随着科技的发展,地磁导航技术研究取得一定进展,并在空中飞行器、水面船舶、水下潜航器等上面获得初步应用。

例如,基于地磁导航新理念、新技术,美国率先开展了低轨道航天器地磁导航研究,目前已研发出空中、地面和水下地磁导航系统,将其作为卫星导航定位系统的重要补充和备份。俄罗斯通过对地磁导航技术的深入研究,成功应用于导弹制导,有效增强了突防能力。法国、德国和英国等也都开展了大量理论研究和实践活动,取得了一系列成果。

通过研究和应用表明,与人们熟知的卫星、惯性、地形、天文和无线电等导航技术相比,地磁导航技术具有很多独特的优点:地磁场测量和应用不受时间、位置、天气等因素影响,陆、海、空、天都能适用,具备全天候、全区域特点;作为与生俱来的物理场,它具有无源、抗干扰性强、隐蔽性好等天然优点;地磁场有大小和方向等多个特征量,可用于导航匹配的参数选择很多;导航性能由地磁图和磁力计精度决定,误差不随时间累积,和惯性导航有很强的互补性,可作为卫星导航的补充和备份。

按理说,拥有如此众多优点的地磁导航,一定备受青睐并广泛应用。然而,理想很丰满,现实太骨感。自20世纪90年代,以GPS为代表的全球卫星导航定位技术诞生并广泛应用后,便在导航领域占据垄断地位。惯性导航则以精度高和小型化等优势,在飞行器、潜航器上占领市场。而历史悠久的地磁导航却“时运不济”。相比之下,其自身缺点也暴露无遗:地磁导航技术精度较低、使用烦琐、推广应用较难,同时还面临地磁场精确感知、高精度地磁图构建、高效导航匹配算法设计等一系列难题。这些因素,导致地磁导航技术在较长时间内处于研究探索阶段,长期处于沉寂状态而没有得到广泛应用。

“前浪倒推后浪”,地磁导航焕发生机

长期处于沉寂状态的地磁导航技术,近年来开始成为研究热点。特别是大地测量、地球物理等领域的技术进步,使地磁导航技术获得了较快发展。基于重力场测量、地磁场测量等地磁导航方法,开始逐渐受到人们的青睐。

不得不说,地磁导航之所以能够焕发生机,主要得益于卫星导航等新兴导航技术的“助攻”。因为,任何事物都是一分为二的。卫星导航虽然具有快速、实时、高精度、全天候等优点,应用极为广泛,但也有其自身不足之处。如抗干扰性、保密性、可靠性脆弱以及极区、深山、地下和水下等信号覆盖不全而影响使用等诸多问题。特别是在战时,卫星一旦受到攻击毁坏,很难短时间内修复,依赖于卫星导航技术的大量高精尖武器,将面临“失明”从而失去战斗力。

正因如此,近年来,世界各主要国家都大力发展不依赖于卫星信号的导航定位新技术。如利用多种来源的外界光、电、磁、重力等信號,来实现导航和定位。尤其是隐蔽性好、成本低、抗干扰、精度适中的地磁导航技术,逐渐成为导航定位领域的“新宠”,大有“前浪倒推后浪”之势。

随着大地测量、地球物理等领域研究的逐步深入,高精度、高灵敏、高便捷的新型地磁感知仪器的不断研发,以及人工智能技术的快速兴起,地磁导航面临的一系列难题正逐步得到解决。此外,水下有人和无人潜航器、室内和地下空间活动等对导航定位需求的日益迫切,也给地磁导航技术带来了新的发展机遇。

目前已有试验表明,基于智能手机内置磁力计和云端地磁图,理论上可以为用户提供米级精度的定位服务,可在地下矿井、停车场、大型建筑内等场所应用。

地磁导航技术隐蔽性好、抗干扰性强的优点,也决定了它在军事领域具有广泛的应用潜力。它既可作为独立导航系统工作,也可与其他导航系统优化组合,进一步提升战场上导航定位的准确性、稳定性和适用性。

(本文来源于《解放军报》)

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