磁匹配導航技術作為一種隱蔽性很強的無源導航技術 , 成為目前研究的一個熱點 。同時, 高精度低成本弱磁測量儀器 ( 磁通門感測器、 磁阻感測器 ) 的出現, 也為採用地磁匹配來實現導航提供了硬體基礎 。
基本介紹
- 中文名：地磁匹配
- 外文名：geomagnetic matching
地磁導航研究動態,地磁匹配導航的原理及特點,地磁導航研究目前具備的條件,地磁匹配導航工程套用需解決的關鍵技術,
地磁場是地球的固有資源。鳥類學家研究的成果表明,信鴿是利用敏感地磁場而找家的。聰明的信鴿能用最短的時間從幾十和幾百千米外飛回家。基於上述啟發,能否利用地磁場資源為飛行器導航和定位,以及地磁場在航空、航天、航海工程中是否有更廣泛的套用,是一個值得探討的領域。目前已有的各種導航方法,在實際套用條件下各有其優缺點。慣性導航自主性強,但其導航精度主要取決於陀螺的精度,其位置與速度誤差會隨時間積累而增大,而且單純地依靠提高慣性儀表精度來提高導航精度是較為困難的。天文導航、景像匹配導航、衛星導航和地磁導航的優點為測量是離散的、誤差不積累,但天文測量受到天體能見度的限制;景像匹配在地面信息內容(圖像信息或地形信息)不豐富或根本無地面信息可利用的地區,無法通過景像匹配實現精確制導;衛星導航由於衛星信號易於受到遮擋和電磁干擾,其套用也受到限制。
不同地區的地磁場要素理論上可以和該地區的地理經緯度一一對應,因此地磁匹配導航技術作為一種隱蔽性很強的無源導航技術,成為目前研究的一個熱點。同時,高精度低成本弱磁測量儀器(磁通門感測器、磁阻感測器)的出現,也為採用地磁匹配來實現導航提供了硬體基礎。
不同地區的地磁場要素理論上可以和該地區的地理經緯度一一對應,因此地磁匹配導航技術作為一種隱蔽性很強的無源導航技術,成為目前研究的一個熱點。同時,高精度低成本弱磁測量儀器(磁通門感測器、磁阻感測器)的出現,也為採用地磁匹配來實現導航提供了硬體基礎。
地磁導航研究動態
目前,國際上有關地磁導航在工程上的實際套用在公開文獻中鮮有報導。研究比較多的是利用磁感測器進行航向及姿態測量;通過測量地磁,來獲取地質構造、地下礦藏等方面的信息,特別是探測石油、天然氣等方面的信息;以及利用磁力矩器對衛星姿態進行控制,在潛艇上也有利用地磁定向的套用。
美國在20世紀50年代末,利用高靈敏度半導體器件———霍爾器件研製能夠指向的霍爾羅盤,60年代才進入使用研製階段,隨後的研製工作進入保密狀態。直到80年代初又發表了使用微處理器的霍爾固態羅盤。至此引起世界各國的極大重視,法、日、蘇聯等國相繼投人研製。美國生產的波音飛機上配備有地磁匹配導航系統,在飛機起飛降落時使用。俄羅斯研究了一種採用地磁場強度作為特徵量的匹配方法,他們提出並試驗了地球磁場等高線匹配製導方法,即MAGCOM;在2004年進行的“安全-2004”演習中試射的SS-19飛彈可不按拋物線沿稠密大氣層邊緣近乎水平地飛行,使敵方飛彈防禦系統無法準確預測來襲飛彈的彈道,部分軍事觀察家認為可能使用了地磁場等高線匹配製導方法。
國內,近期有很多研究機構包括高校掀起了一股地磁導航研究的熱潮。在文獻中介紹了在對飛行彈體進行彈道控制中,利用地磁探測滾轉姿態來實時獲取彈體的對地方位,為彈體控制提供方位依據。也有專利發明涉及到一種用於飛行器自主定軌的地磁輔助組合導航裝置。
美國在20世紀50年代末,利用高靈敏度半導體器件———霍爾器件研製能夠指向的霍爾羅盤,60年代才進入使用研製階段,隨後的研製工作進入保密狀態。直到80年代初又發表了使用微處理器的霍爾固態羅盤。至此引起世界各國的極大重視,法、日、蘇聯等國相繼投人研製。美國生產的波音飛機上配備有地磁匹配導航系統,在飛機起飛降落時使用。俄羅斯研究了一種採用地磁場強度作為特徵量的匹配方法,他們提出並試驗了地球磁場等高線匹配製導方法,即MAGCOM;在2004年進行的“安全-2004”演習中試射的SS-19飛彈可不按拋物線沿稠密大氣層邊緣近乎水平地飛行,使敵方飛彈防禦系統無法準確預測來襲飛彈的彈道,部分軍事觀察家認為可能使用了地磁場等高線匹配製導方法。
國內,近期有很多研究機構包括高校掀起了一股地磁導航研究的熱潮。在文獻中介紹了在對飛行彈體進行彈道控制中,利用地磁探測滾轉姿態來實時獲取彈體的對地方位,為彈體控制提供方位依據。也有專利發明涉及到一種用於飛行器自主定軌的地磁輔助組合導航裝置。
地磁匹配導航的原理及特點
地磁匹配導航的原理
地球表面以及近地空間的地磁場在不同地區是不同的,這種不同性構成了不同地區的一種典型特徵;利用這種特徵來確定載體所在的地理位置,就是地磁匹配導航所依據的基本原理。
地磁匹配是一種自主式導航方法,通過實時採集一維地磁場強來獲得二維定位。地磁匹配測量儀可以同時測量地磁場三個方向的分量,如北向分量、東向分量、垂直分量,或者任意正交的三個分量。對這三個分量做代數運算,則可以獲得當地地磁場的特徵量。
首先將載體所經過的區域劃分為格線,取每個格線上的平均地磁場強(或其它地磁要素)作為該格線的地磁場強(或其它地磁要素),這樣就形成了地磁基準圖。當載體進入該區域時,地磁感測器實時地採集當地地磁場強度(或其它地磁要素);一連串的測量值就可以形成一個一維測量序列。將該測量序列與地磁資料庫進行相關匹配,尋找最相似點,將其位置用來修正其它導航系統(如慣性導航系統)的位置誤差,便可以完成對載體航跡誤差的糾正。地磁匹配類似於地形匹配系統,是點匹配,但地磁匹配可以有多個匹配特徵量,如總磁場強度、水平磁場強度、東向分量、北向分量、垂直分量、磁偏角、磁傾角以及磁場梯度等。
地球表面以及近地空間的地磁場在不同地區是不同的,這種不同性構成了不同地區的一種典型特徵;利用這種特徵來確定載體所在的地理位置,就是地磁匹配導航所依據的基本原理。
地磁匹配是一種自主式導航方法,通過實時採集一維地磁場強來獲得二維定位。地磁匹配測量儀可以同時測量地磁場三個方向的分量,如北向分量、東向分量、垂直分量,或者任意正交的三個分量。對這三個分量做代數運算,則可以獲得當地地磁場的特徵量。
首先將載體所經過的區域劃分為格線,取每個格線上的平均地磁場強(或其它地磁要素)作為該格線的地磁場強(或其它地磁要素),這樣就形成了地磁基準圖。當載體進入該區域時,地磁感測器實時地採集當地地磁場強度(或其它地磁要素);一連串的測量值就可以形成一個一維測量序列。將該測量序列與地磁資料庫進行相關匹配,尋找最相似點,將其位置用來修正其它導航系統(如慣性導航系統)的位置誤差,便可以完成對載體航跡誤差的糾正。地磁匹配類似於地形匹配系統,是點匹配,但地磁匹配可以有多個匹配特徵量,如總磁場強度、水平磁場強度、東向分量、北向分量、垂直分量、磁偏角、磁傾角以及磁場梯度等。
地磁匹配導航的特點
地磁場是一個矢量場,是地球的固有資源,具有全天時、全天候、全地域的特徵。在地球近地空間內任意一點的地磁場矢量具有唯一性,且理論上與該點的經緯度一一對應,只要準確確定各點的地磁場矢量即可實現全球定位。地磁場的上述特點使得地磁匹配導航具有以下幾個顯著的優點:1)可與慣導系統組合使用,校正慣性導航系統的積累誤差;2)屬於被動式無源導航,具有良好的隱蔽性和抗干擾性;3)可彌補地形匹配等導航方式在跨平原、水域時存在的缺陷。
地磁場是一個矢量場,是地球的固有資源,具有全天時、全天候、全地域的特徵。在地球近地空間內任意一點的地磁場矢量具有唯一性,且理論上與該點的經緯度一一對應,只要準確確定各點的地磁場矢量即可實現全球定位。地磁場的上述特點使得地磁匹配導航具有以下幾個顯著的優點:1)可與慣導系統組合使用,校正慣性導航系統的積累誤差;2)屬於被動式無源導航,具有良好的隱蔽性和抗干擾性;3)可彌補地形匹配等導航方式在跨平原、水域時存在的缺陷。
地磁導航研究目前具備的條件
目前,地磁匹配導航的研究已經具有一定的理論和技術基礎:其一,地磁場已有各種全球性和局部地區數學模型,其強度和方向是位置的函式。雖然全球地磁場模型在反映局部地區的地磁場時精度不好,但它反映了地磁場全球性分布及變化規律;應當代科學技術發展的制高點———數字地球和軍事、民用的需要,許多國家已經越來越重視地磁的測量與套用。其二,早已出現了高靈敏度、高可靠性、小體積、易於安裝、廉價的地磁感測器。其最突出的特點在於成本低、精度高,便於使用。近年來,部分國家研製出了尺寸更小、解析度更高、回響速度更快、功耗更低的巨磁阻抗微磁感測器,使得進一步研製高靈敏度、快速回響、溫度穩定性優良、體積更小、質量更輕的磁測量設備有望在短時間內實現突破。其三,在地磁匹配算法研究方面,較為成熟的地形匹配算法以及成熟的圖像匹配算法都可以為地磁匹配算法所借鑑。TERCOM方法和SITAN方法便是目前常用的兩種地形匹配方法。
地磁匹配導航工程套用需解決的關鍵技術
地磁導航技術已在許多領域得到了成功套用,但至今仍無地磁匹配導航在武器系統中套用的正式報導,從中可以看出地磁匹配導航在武器系統中離實際套用還有一段距離,其武器系統工程套用尚需解決一些關鍵技術。就目前的研究來看,要實現地磁匹配的工程套用並達到一定的精度,必須在以下幾個內容和關鍵技術中獲得突破。
1)高精度地磁資料庫的獲得
要實現地磁匹配導航,首要的是要建立地磁資料庫,而且要實現一定精度的導航還必須建立高精度的地磁資料庫。資料庫來源有兩種途徑:其一是地磁測量,其二是地磁場模型。由於地磁場本身存在長期和短期變化,而且各種磁測手段存在很大局限性,僅僅依靠地磁測量進行匹配導航是不現實的,且著眼於長遠的研究與套用,建立高精度的地磁場模型勢在必行。
根據研究範圍的大小,地磁場模型可分為世界地磁場模型和局部地磁場模型兩種。已有的世界地磁場模型有國際地磁參考場(IGRF)和世界地磁場模型(WMM)。上述兩個模型僅僅是對主磁場部分的描述,地殼磁場和變化磁場並沒有描述,因此世界地磁場模型精度很低,必須建立高精度的局部地磁場模型。
2)地磁異常問題和載體磁場對地磁場測量值的干擾問題
基本磁場在數值上比較穩定,但一方面,有一種疊加在這個穩定磁場上面的、由於岩石磁性所引起的、在局部地區可以達到1Oe～2Oe(奧斯特)之大的異常磁場;另一方面,通常載體都是由鐵磁性材料製成的,在製造和行進過程中受地磁場的作用被磁化而顯示出磁性,從而對載體所處的空間的地磁場測量產生影響。因此,必須研究補償和消除地磁異常問題和載體磁場對地磁場測量干擾的關鍵技術。
3)變化磁場對匹配的影響
地磁場成因比較複雜,存在長期變化和短期變化。其長期變化隨時間變化緩慢,周期較長,一般為幾年到幾十年,有的更長。其短期變化包括平靜變化和擾動變化,平靜變化分為太陽靜日變化和太陽陰日變化,擾動變化包括磁暴、地磁亞暴、太陽擾日變化和地磁脈動等。太陽靜日變化以一個太陽日為周期,平均變化幅度約為幾到幾十nT(納特,1nT=10-9T);太陽陰日變化以地球自轉一周為周期,變化幅度約為1nT～2nT;磁暴持續時間約為1～3天,變化幅度可達幾十到幾百nT;地磁亞暴持續時間約為1h～3h,變化幅度可達幾百到幾千nT;太陽擾日變化的周期也為一個太陽日,主要影響極光區,變化幅度約為幾十到幾百nT;地磁脈動是各種短周期的地磁變化,周期從幾秒鐘到幾十分鐘,幅度從1nT到幾百nT,在極光區幅度最大。
由以上可以看出,變化磁場尤其是不可預知的無規律的非周期短期變化,會在地磁匹配基準圖的獲得和實時圖的獲取過程中產生較大誤差,給地磁匹配帶來一定的難度,其影響小則使匹配精度變低,大則可能使匹配結果嚴重偏離真實航跡,因此如何克服上述擾動造成的地磁變化是一個需要研究的問題。
4)高效、實時地磁導航匹配算法
為滿足工程套用的要求,必須研究高效、實時的地磁匹配算法。該算法應具備較強的抗干擾能力,較高的匹配精度和較低的計算複雜度。地磁匹配算法可以借鑑現有的較為成熟的地形匹配算法。TERCOM方法簡單,易於實現,對初始定位誤差不敏感;但對載體運動方向誤差敏感,對基準地圖的解析度依賴性強,所得結果有一定時間的延遲,且在地形數據採集過程中不允許載體做機動行進。SITAN方法實現較為複雜,需要進行地形局部線性化處理,在地形斜率變化劇烈的區域容易造成濾波發散,而且對初始定位誤差敏感,較為適合於全程制導;但該方法對其它導航系統的修正是實時和連續的,而且在匹配過程中允許載體做機動行進。因此,研究適合於地磁匹配的有效匹配方法也是地磁匹配導航系統的一個重要內容。
5)高精度、快回響速度、環境適應性強的磁測量感測器的研製
1)高精度地磁資料庫的獲得
要實現地磁匹配導航,首要的是要建立地磁資料庫,而且要實現一定精度的導航還必須建立高精度的地磁資料庫。資料庫來源有兩種途徑:其一是地磁測量,其二是地磁場模型。由於地磁場本身存在長期和短期變化,而且各種磁測手段存在很大局限性,僅僅依靠地磁測量進行匹配導航是不現實的,且著眼於長遠的研究與套用,建立高精度的地磁場模型勢在必行。
根據研究範圍的大小,地磁場模型可分為世界地磁場模型和局部地磁場模型兩種。已有的世界地磁場模型有國際地磁參考場(IGRF)和世界地磁場模型(WMM)。上述兩個模型僅僅是對主磁場部分的描述,地殼磁場和變化磁場並沒有描述,因此世界地磁場模型精度很低,必須建立高精度的局部地磁場模型。
2)地磁異常問題和載體磁場對地磁場測量值的干擾問題
基本磁場在數值上比較穩定,但一方面,有一種疊加在這個穩定磁場上面的、由於岩石磁性所引起的、在局部地區可以達到1Oe～2Oe(奧斯特)之大的異常磁場;另一方面,通常載體都是由鐵磁性材料製成的,在製造和行進過程中受地磁場的作用被磁化而顯示出磁性,從而對載體所處的空間的地磁場測量產生影響。因此,必須研究補償和消除地磁異常問題和載體磁場對地磁場測量干擾的關鍵技術。
3)變化磁場對匹配的影響
地磁場成因比較複雜,存在長期變化和短期變化。其長期變化隨時間變化緩慢,周期較長,一般為幾年到幾十年,有的更長。其短期變化包括平靜變化和擾動變化,平靜變化分為太陽靜日變化和太陽陰日變化,擾動變化包括磁暴、地磁亞暴、太陽擾日變化和地磁脈動等。太陽靜日變化以一個太陽日為周期,平均變化幅度約為幾到幾十nT(納特,1nT=10-9T);太陽陰日變化以地球自轉一周為周期,變化幅度約為1nT～2nT;磁暴持續時間約為1～3天,變化幅度可達幾十到幾百nT;地磁亞暴持續時間約為1h～3h,變化幅度可達幾百到幾千nT;太陽擾日變化的周期也為一個太陽日,主要影響極光區,變化幅度約為幾十到幾百nT;地磁脈動是各種短周期的地磁變化,周期從幾秒鐘到幾十分鐘,幅度從1nT到幾百nT,在極光區幅度最大。
由以上可以看出,變化磁場尤其是不可預知的無規律的非周期短期變化,會在地磁匹配基準圖的獲得和實時圖的獲取過程中產生較大誤差,給地磁匹配帶來一定的難度,其影響小則使匹配精度變低,大則可能使匹配結果嚴重偏離真實航跡,因此如何克服上述擾動造成的地磁變化是一個需要研究的問題。
4)高效、實時地磁導航匹配算法
為滿足工程套用的要求,必須研究高效、實時的地磁匹配算法。該算法應具備較強的抗干擾能力,較高的匹配精度和較低的計算複雜度。地磁匹配算法可以借鑑現有的較為成熟的地形匹配算法。TERCOM方法簡單,易於實現,對初始定位誤差不敏感;但對載體運動方向誤差敏感,對基準地圖的解析度依賴性強,所得結果有一定時間的延遲,且在地形數據採集過程中不允許載體做機動行進。SITAN方法實現較為複雜,需要進行地形局部線性化處理,在地形斜率變化劇烈的區域容易造成濾波發散,而且對初始定位誤差敏感,較為適合於全程制導;但該方法對其它導航系統的修正是實時和連續的,而且在匹配過程中允許載體做機動行進。因此,研究適合於地磁匹配的有效匹配方法也是地磁匹配導航系統的一個重要內容。
5)高精度、快回響速度、環境適應性強的磁測量感測器的研製
要實現地磁導航,只有導航算法是不夠的。匹配算法做得再好,感測器的精度如果不足以敏感地磁場的變化,導航還只是停留在理論階段,實際套用尚需假以時日。所以,一個靈敏度高、回響快速、綜合測量精度高、環境適應性強的智慧型地磁感測器是實現地磁導航的硬體基礎,也是地磁導航系統的一個關鍵環節。對其工程套用尚需解決的關鍵技術進行了分析,指出了地磁匹配導航在地磁場模型研究方面,干擾磁場和變化磁場對匹配效果的影響及消除方面,適合於地磁導航的匹配算法研究方面,以及磁測感測器的研製方面尚存在一些需要解決的關鍵技術。隨著地球物理學理論的不斷深入、各種磁測手段的不斷進步和各國生產技術的發展,以及各種濾波補償理論的發展,地磁匹配導航作為一種新型的導航方式,以其在彌補傳統制導方式上的顯著優越性,必將在未來一段時間內得到長足的發展,並將帶動地磁場資源在其它相關領域的深入發展和套用。
