地磁場是一個矢量場 , 是地球固有的公共資源, 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磁場強度矢量具有唯一性, 且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 。
基本介紹
- 中文名：地磁匹配製導
- 外文名：geomagnetism matching guidance
地磁匹配製導的原理及特點,地磁匹配製導技術研究現狀,制約地磁匹配製導技術的關鍵因素,結論,
地磁匹配製導的原理及特點
地磁匹配製導的原理
地磁匹配製導, 是指把預先規劃好的飛行器航跡上某段區域內地磁場的匹配特徵量繪製成基準圖, 存儲在計算機中, 當飛行器飛越這段區域時, 由裝載在飛行器上的磁測量設備實時測量出飛越點的匹配特徵量 , 得到實時圖, 在計算機中與基準圖進行相關匹配, 確定飛行器的實時坐標位置 , 供制導計算機實時修正飛行軌跡, 從而達到制導的目的。
地磁匹配製導, 是指把預先規劃好的飛行器航跡上某段區域內地磁場的匹配特徵量繪製成基準圖, 存儲在計算機中, 當飛行器飛越這段區域時, 由裝載在飛行器上的磁測量設備實時測量出飛越點的匹配特徵量 , 得到實時圖, 在計算機中與基準圖進行相關匹配, 確定飛行器的實時坐標位置 , 供制導計算機實時修正飛行軌跡, 從而達到制導的目的。
地磁匹配製導的特點
1)可與慣導系統組合使用,校正遠程制導中的積累誤差 。2)可彌補巡航飛彈現有中制導方式在跨平原、 水域作戰時存在的缺陷。3)可實現變軌制導, 提高飛彈的突防能力。4)屬於被動制導 , 具有良好的隱蔽性和抗干擾性 。
1)可與慣導系統組合使用,校正遠程制導中的積累誤差 。2)可彌補巡航飛彈現有中制導方式在跨平原、 水域作戰時存在的缺陷。3)可實現變軌制導, 提高飛彈的突防能力。4)屬於被動制導 , 具有良好的隱蔽性和抗干擾性 。
地磁匹配製導技術研究現狀
截至目前 , 尚未見到國內外有關地磁匹配製導技術套用於飛彈等武器系統的正式報導。美國生產的波音飛機上配備有地磁匹配製導系統, 在飛機起飛降落時使用 。據稱, 俄羅斯採用磁通門感測器進行過地磁場等高線匹配製導技術實驗, 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技術 。
制約地磁匹配製導技術的關鍵因素
地磁導航技術已在許多領域得到了成功套用, 而且在巡航飛彈跨平原 、 水域作戰時 , 地磁匹配製導與地形匹配製導相比有著顯著的優越性 , 但為何至今仍無地磁匹配製導在飛彈武器系統中套用的正式報導。經研究分析, 認為主要有以下幾個方面的因素制約了地磁匹配製導技術的發展和套用:
1)地磁場模型精度低
1)地磁場模型精度低
要進行地磁匹配製導 , 首要的是要建立地磁匹配參考圖 。參考圖的數據來源有兩種途徑 :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 , 因此僅僅依靠地磁測量進行匹配製導是不現實的 , 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 。在世界地磁場模型的建立方面 , 國際地磁學與高空大氣物理學協會 ( I A -GA)有一個專門的小組在進行以五年為間隔的國際地磁參考場( I G R F ) 研究 , 到目前為止 , 已經有 22 個 I G R F ( 1900-2005 ) 資料供研究使用 , 目前最新的模型是IGRF 2010。英 國 地 質 調 查 局( B G S )和 美 國 地 質 調 查 局( U S G S ) 也每隔五年聯合推出一個世界地磁場模型 ( WM M) , 廣泛套用於空中和海上導航 , 目前最新的模型是 WM M2005 。由於上述兩個模型和由其產生的各種圖表僅僅是對主磁場部分的描述 , 地殼磁場和變化磁場並沒有在這個模型里進行描述 , 因此依據以上兩個模型得到的地磁數據與實際的地磁測量結果存在較大差別 。為彌補世界地磁場模型的缺陷 , 許多國家都在致力於建立自己的局部地磁場模型 , 其中美國 、 日本 、 加拿大 、 羅馬尼亞等國家每五年測繪一次國家地磁圖 , 我國每十年繪製一次國家地磁圖 , 最 近 的 地磁 場 模 型 是2000C G R F 。由於受地磁觀測台站分布 、 地磁測量範圍與規模 、測量手段以及資料更新速度等條件的限制 , 局部地磁場模型的精度也達不到飛彈武器系統制導的要求 , 成為制約地磁匹配製導技術套用於飛彈武器系統的關鍵因素之一 。
2)磁測量設備性能的限制
進行地磁匹配製導的另一關鍵環節是實時圖的獲取 。在實時圖的獲取過程中 , 由於飛彈飛行速度快 , 彈上環境複雜 , 空間有限 , 要實現精確制導 , 對磁測量設備的回響速度 、 精度 、 解析度 、 工作環境溫度 、 測量範圍 、質量 、 體積及抗干擾性等均有很高的要求 。常見的磁測量設備有磁力儀 、 磁強計 、 磁通門計等 。
地磁場屬於弱磁場 , 由於現有的弱磁場測量設備不能同時滿足飛彈制導動態測量時對回響速度 、精度和解析度等性能指標的要求 , 成為制約地磁匹配製導技術套用於飛彈武器系統的又一關鍵因素 。下面以有關數據為依據進行估算說明 。依據 WM M2005, 地磁場總強度和各分量變化較大時每公里約 20n T左右 , 即 1n T /50m , 在不考慮其它因素的情況下 , 要使得理論匹配精度在 50m以內 , 磁測量設備的解析度必須小於 1n T ;再以美國戰斧巡航飛彈為例 , 其巡航速度約為 Ma=2 ～ 3 . 5, 以1 000m/s 進行估算 , 若要求每秒輸出一次定位結果 , 要求測量設備回響速度大於 1 000H z , 對於速度更高的彈道飛彈而言 , 對回響速度的要求會更高 。此外 , 由於彈上環境條件的限制 , 對磁測量設備的體積 、 質量 、 使用溫度範圍等均有比較嚴格的要求 。外界的各種干擾和飛彈彈體 、 彈上電子設備對地磁測量的影響等因素也會給進行地磁匹配製導帶來一定的困難 。
3)變化磁場對匹配製導的影響
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 。在世界地磁場模型的建立方面 , 國際地磁學與高空大氣物理學協會 ( I A -GA)有一個專門的小組在進行以五年為間隔的國際地磁參考場( I G R F ) 研究 , 到目前為止 , 已經有 22 個 I G R F ( 1900-2005 ) 資料供研究使用 , 目前最新的模型是IGRF 2010。英 國 地 質 調 查 局( B G S )和 美 國 地 質 調 查 局( U S G S ) 也每隔五年聯合推出一個世界地磁場模型 ( WM M) , 廣泛套用於空中和海上導航 , 目前最新的模型是 WM M2005 。由於上述兩個模型和由其產生的各種圖表僅僅是對主磁場部分的描述 , 地殼磁場和變化磁場並沒有在這個模型里進行描述 , 因此依據以上兩個模型得到的地磁數據與實際的地磁測量結果存在較大差別 。為彌補世界地磁場模型的缺陷 , 許多國家都在致力於建立自己的局部地磁場模型 , 其中美國 、 日本 、 加拿大 、 羅馬尼亞等國家每五年測繪一次國家地磁圖 , 我國每十年繪製一次國家地磁圖 , 最 近 的 地磁 場 模 型 是2000C G R F 。由於受地磁觀測台站分布 、 地磁測量範圍與規模 、測量手段以及資料更新速度等條件的限制 , 局部地磁場模型的精度也達不到飛彈武器系統制導的要求 , 成為制約地磁匹配製導技術套用於飛彈武器系統的關鍵因素之一 。
2)磁測量設備性能的限制
進行地磁匹配製導的另一關鍵環節是實時圖的獲取 。在實時圖的獲取過程中 , 由於飛彈飛行速度快 , 彈上環境複雜 , 空間有限 , 要實現精確制導 , 對磁測量設備的回響速度 、 精度 、 解析度 、 工作環境溫度 、 測量範圍 、質量 、 體積及抗干擾性等均有很高的要求 。常見的磁測量設備有磁力儀 、 磁強計 、 磁通門計等 。
地磁場屬於弱磁場 , 由於現有的弱磁場測量設備不能同時滿足飛彈制導動態測量時對回響速度 、精度和解析度等性能指標的要求 , 成為制約地磁匹配製導技術套用於飛彈武器系統的又一關鍵因素 。下面以有關數據為依據進行估算說明 。依據 WM M2005, 地磁場總強度和各分量變化較大時每公里約 20n T左右 , 即 1n T /50m , 在不考慮其它因素的情況下 , 要使得理論匹配精度在 50m以內 , 磁測量設備的解析度必須小於 1n T ;再以美國戰斧巡航飛彈為例 , 其巡航速度約為 Ma=2 ～ 3 . 5, 以1 000m/s 進行估算 , 若要求每秒輸出一次定位結果 , 要求測量設備回響速度大於 1 000H z , 對於速度更高的彈道飛彈而言 , 對回響速度的要求會更高 。此外 , 由於彈上環境條件的限制 , 對磁測量設備的體積 、 質量 、 使用溫度範圍等均有比較嚴格的要求 。外界的各種干擾和飛彈彈體 、 彈上電子設備對地磁測量的影響等因素也會給進行地磁匹配製導帶來一定的困難 。
3)變化磁場對匹配製導的影響
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 ,一般為年 、 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納特 ;太陽陰日變化以地球繞月球自轉一周為周期 , 變化幅度約為 1n T～ 2n T ;磁暴持續時間約為 1 ～ 3 天 , 變化幅度可達幾十到幾百納特 ;地磁亞暴持續時間約為 1h ～ 3h , 變化幅度可達幾百到幾千納特 ;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納特 ;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 1納特到幾百納特 , 在極光區幅度最大 。
由上可以看出變化磁場尤其是其中不可預知的無規律的非周期的短期變化 , 會在地磁匹配基準圖的製備和實時圖的獲取過程中產生較大誤差 , 給地磁匹配製導帶來一定的難度 , 其影響的結果是小則制導精度較低 , 大則可能使飛彈嚴重偏離航跡 , 成為制約地磁匹配製導套用於飛彈武器系統的又一關鍵因素 。
由上可以看出變化磁場尤其是其中不可預知的無規律的非周期的短期變化 , 會在地磁匹配基準圖的製備和實時圖的獲取過程中產生較大誤差 , 給地磁匹配製導帶來一定的難度 , 其影響的結果是小則制導精度較低 , 大則可能使飛彈嚴重偏離航跡 , 成為制約地磁匹配製導套用於飛彈武器系統的又一關鍵因素 。
結論
在模型研究方面 , 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 , 許多國家都更加重視地磁的測量與套用 , 隨著地球物理學理論的不斷深入 , 地磁測量手段的不斷發展 , 地磁測量範圍和規模的不斷擴大 , 磁測量設備性能的不斷提高 , 地磁資料更新周期的不斷縮小 , 世界和局部地磁場模型必然會日趨完善 ; 在感測器的研製方面 , 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 、 質量更輕的可滿足飛彈匹配製導需要的磁測量設備有望在短期內實現突破 ;在變化磁場的影響消除方面 , 由於變化磁場僅占地磁場總量的 1%左右 , 某些擾動變化的周期相當短暫 , 且主要集中在某些特定區域( 如高緯度區 、極區等 ) , 因此可採取相應的修正 、 濾波等措施減弱甚至消除其影響 ;在算法研究方面 , 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製導所借鑑 。所有這些都將為地磁匹配製導套用於飛彈武器系統鋪平道路 , 因此 , 作為一種新型的制導方式 , 地磁匹配製導因其在彌補傳統制導方式方面的顯著優越性 , 必將在未來若干年內得到長足的發展 , 並將帶動地磁場資源在其它相關領域的套用深入發展 。
