傅慷，余杰，錢富

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地磁導航的相關技術研究

傅慷，余杰，錢富

（海軍工程大學，武漢 430033）

結合目前地磁導航的研究現(xiàn)狀，分析了與地磁導航相關的領域，如地磁場模型和地磁測量等，并對光泵磁力儀也進行了簡要的概述。提出了解決磁傳感器的測量誤差及外界干擾磁場的措施，對后續(xù)進一步研究地磁導航具有很好的指導意義，

地磁導航 地磁場模型 地磁測量 光泵磁力儀 磁傳感器

0 引言

目前，導航定位技術作為一門重要基礎的科學技術，早已滲透于航空航天和各種軍用、民用領域，并呈現(xiàn)出越來越重要的作用[1]。但是，常用的導航定位技術由于在無典型地貌特征環(huán)境下長期執(zhí)行導航任務時存在積累誤差，仍需其它導航方式的補充來完成導航任務。因此，目前針對導航定位技術，正逐漸開始尋找和研究一些無長期積累誤差、不易被干擾的自主式導航定位技術，以實現(xiàn)全天時、全天候、全地域的導航定位任務。

地磁場作為地球的固有資源，為航海、航天、航空以及遠程精制導武器提供了天然的坐標系。地磁場隱含著地球內、外部空間豐富而重要的信息。這些信息可以直接反映和體現(xiàn)包括壓力、溫度、物質運動等變化的地球深部乃至地球內核的物理過程。地磁場及其變化信息給科學家們進行地球物理的研究提供了重要的信息來源[2]。

本文將結合目前地磁導航的研究現(xiàn)狀與研究熱點，從地磁測量技術出發(fā)對地磁導航所需要解決的技術難點與關鍵問題進行分析和探討。

1 地磁導航

1.1 地磁導航技術發(fā)展現(xiàn)狀

相對于其他導航手段而言，地磁導航定位的研究起步較晚。20世紀90年代初，美國康奈爾大學的Psiaki等人以地磁場幅值信息對低軌道航天器進行定軌和修正地磁場模型誤差[3]。此外，美國戈達德航天中心的Deutschmann和Bar-Itzhack領導的科研小組利用磁強計矢量信息和其他敏感器信息聯(lián)合，確定衛(wèi)星的軌道或姿態(tài)[4]。美國目前已開發(fā)出地面和空中定位精度優(yōu)于30 m、水下定位精度優(yōu)于500 m的地磁導航系統(tǒng)。F.Goldenberg針對飛機的地磁導航系統(tǒng)進行了研究[5]。俄羅斯的SS-19導彈采用地磁等高線制導系統(tǒng)，實現(xiàn)導彈的變軌制導，以對抗美國的反彈道導彈攔截系統(tǒng)。

國內有關地磁導航的研究還主要集中在仿真和預研階段。2000年，在國內提出了近地微小衛(wèi)星的磁測自主導航方法。隨后分別對地磁場信息做測量，估計近地衛(wèi)星的位置和速度。航天科工集團三院的李素敏等人對地面所測量的地磁強度數(shù)據(jù)表明分辨率能達到50 m[6]，西北工業(yè)大學的晏登洋等人利用地磁導航校正慣性導航的仿真實驗取得了較高的精度。武漢大學的趙建虎等人研究了ICCP地磁導航算法的精度指標及影響因素[8]。

1.2 地磁導航的特點

地磁導航主要存在地磁匹配與地磁濾波兩種方式，具有許多顯而易見的優(yōu)點，主要有：

1）地磁探測完全被動，不向外發(fā)射能量，具有高度的隱蔽性；

2）導航精度由地磁分布特征和傳感器精度決定，誤差不隨時間積累，是慣性導航系統(tǒng)重調的理想依據(jù)；

3）地磁場是地球固有的矢量場，無論在高空、地上還是水下，地磁探測儀都可以探測到地磁信息，具有廣泛的應用背景；

4）地磁場具有多個特征量，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、磁傾角及磁場梯度等，地磁匹配具有較強的可操作性；

5）與同等精度的重力探測儀相比，地磁儀成本低，設計高精度、低成本的組合導航系統(tǒng)具有較好的經濟價值。

2 地磁場特征及地磁模型

在科學技術和日常生活中，磁場是我們熟知又陌生、極力探求的自然物質之一。地磁場作為地球最重要的物理場之一，它有著復雜的空間結構和時間演化。

2.1 地磁場的特征

地磁場是一個非常微弱的矢量場，在全球各地不同地方不同高度的磁場信息是不同的。地磁場是由各種不同來源的磁場疊加構成的。按其性質可把地磁場B區(qū)分為兩大部分：一部分主要來源于地區(qū)內部的穩(wěn)定磁場B，另一部分主要起源于地球外部的變化磁場ΔB，即

變化磁場比穩(wěn)定磁場弱得多。一般情況下，變化磁場的幅度不超過地球磁感應強度的1%。因此，穩(wěn)定磁場是地磁場的主要部分。

根據(jù)磁場起源，地磁場分為內源場和外源場。地磁場是個隨時間變化的場，內源場引起的變化為長期變化，有磁場倒轉和地磁場向西飄移。地質時期上出現(xiàn)了四個較大的倒轉期。固體地球外部的各種電流體系引起地磁場短期變化。短期變化又分為平靜變化和擾動變化。

2.2 地磁模型的研究概況

地磁圖和地磁模型是描述或逼近地球磁場的主要手段，是開展地磁導航及其軍事應用的技術工具，地磁模型就是適用于計算機或導彈等使用的數(shù)字式地磁圖。地磁圖或地磁模型必須盡可能兼顧物理上的合理性(地表附近的磁場是標勢場)、數(shù)值上的準確性(一定誤差范圍)、信息的完整性和使用的方便性。

世界各國都積極研制全球的、或感興趣區(qū)域的地磁模型和地磁圖;美、英和前蘇聯(lián)除了定期(5年)更新繪制世界地磁圖并建立全球地磁場模型外,還定期(3-5年)更換本國的地磁圖和地磁模型。當前,美、英聯(lián)合研制世界地磁模型的主要目的在于實現(xiàn)空間和海洋磁自主導航,為本國國防部和北大西洋公約組織(NATO)的導航和定姿/定向參考系統(tǒng)提供標準模型。我國從20世紀初至今也一直在開展這一工作。20世紀50年代至2000年,由科學院地球物理研究所每10年研制新一代中國地磁圖和地磁場模型;從2005年開始,則由中國地震局地球物理研究所負責該項事物。

3 地磁測量技術的研究

隨著信息技術的發(fā)展，磁場測量的發(fā)展日趨微型化，智能化，根據(jù)地磁測量的特點，未來地磁測量將沿著地磁傳感器體積小型化，操作簡便化；地磁測量數(shù)據(jù)全球化，更新周期快速化；數(shù)據(jù)處理的自動化，地磁模型合理化的趨勢發(fā)展；

3.1 磁傳感器技術

磁場測量儀器有很多種，感應線圈傳感器一般用于需測量變化磁場的場合，應用時線圈通常大而成本高。磁通門傳感器可測量分辨率小于1 μGs的磁場，但體積偏大、易碎、響應時間慢?；魻栃獋鞲衅鲃t是用于測量10 Gs至幾千Gs的強磁場，不適合做地磁檢測。

近年來，從弱磁場到強磁場都可以找到相應的傳感器進行檢測?；诰薮抛杩剐姆蔷Р牧蟼鞔鸥衅饕蚱渚哂徐`敏度高，響應速度快，體積微小等重要優(yōu)勢，在未來的地磁導航應用中具有廣闊的應用前景。如各向異性磁阻傳感器(AMR)，巨磁阻傳感器(GMR)，隧道型巨磁阻傳感器(TMR)，采樣精度不斷提高，配合以高速的處理器，使得低功耗，高精度，高采樣率成為了可能。再者激光、超導技術的日趨成熟，它們也加入了地磁檢測的行列中來，在不久的將來，定會出現(xiàn)更高精度，更高穩(wěn)定性的地磁檢測儀器，它們將會擔當起高空、海底、沙漠地區(qū)以及醫(yī)學、生物領域的高難度檢測任務，為人類提供更多有用的信息。

3.2 磁傳感器的測量誤差

三軸磁傳感器在實際應用中，由于受到加工工藝和裝配精度水平的限制，低成本的三軸磁傳感器很難做到三軸嚴格正交，而且三軸靈敏度及其他電氣性能也不可能完全對稱。同時，還存在零點漂移，傳感器內部剩磁等一系列不良因素。這些都將對磁場的精確測量產生負面影響，甚至造成很大的誤差。這就需要在投入使用之前，對三軸傳感器進行參數(shù)標定，盡可能克服由裝配工藝和三軸電器參數(shù)不嚴格一致而產生的測量誤差。

3.3 光泵磁力儀的作用機理及研究現(xiàn)狀

光泵磁力儀的靈敏度很高，測量時沒有零點漂移。但因其工作原理的限制，一般存在死區(qū)及進向誤差。光泵磁力儀成本較高，主要應用在對成本限制比較寬，對靈敏度要求很高的海洋磁力梯度測量等領域。

光泵磁力儀的工作原理是建立在塞曼分裂效應（指原子的光譜線在外磁場作用下會出現(xiàn)分裂的現(xiàn)象）的基礎上，根據(jù)光泵作用機理而制成的，主要是利用拉莫爾頻率與外界磁場間的比例關系來測量磁場。因此測試出這一電磁場頻率值便可以測出外磁場強度，式（2）即為計算磁場式：

其中為拉莫爾頻率；K為比例系數(shù)，因堿金屬的不同而具有不同值，但對于特定的堿金屬而言是一個常數(shù)；為被測磁場，單位為n。常用的工作元素有：鉀(K39)、銣(Rb87，Rb85)、氦(He4，He3)、銫(Cs133)等。

3.4 干擾磁場補償技術

由于地磁場的微弱特性，干擾磁場地磁測量研究中容易被忽視的一個問題。針對載體材料受地磁場影響而產生的同姿態(tài)相關的干擾場，由Leliak提出的航磁補償方案易發(fā)生方程系數(shù)矩陣陷入病態(tài)從而產生較大誤差的情況。目前主要通過航磁補償?shù)姆绞絹斫⒛Ｐ?，求解參?shù)，進而反向補償?shù)姆椒▉斫鉀Q。而對于載體電磁設備輻射出來的干擾磁場，目前常用的方法是磁屏蔽技術和濾波技術。對于高頻磁場，采用高頻磁場屏蔽方式。而對于低頻磁場，則是利用高磁導率的屏蔽體對磁通進行分流。而低通濾波器或帶通濾波器技術，則是利用了地磁場信號與干擾信號的頻帶不同來進行干擾過濾。但這種技術對頻率特性與地磁場相近的低頻干擾卻無能為力。由此可見，低頻電器干擾磁場是阻礙地磁導航系統(tǒng)投入使用的主要障礙之一。

4 結束語

本文從地磁測量技術和地磁模型建立出發(fā)，簡要概述了地磁導航的研究現(xiàn)狀及待解決的問題，對后續(xù)進一步研究地磁導航具有很好的指導意義，對于地球科學、航天航空、資源探測、交通運輸、空間天氣、測繪等諸多技術領域有巨大的參考價值。

[1] 曹文. 基于磁阻傳感器的地磁信號檢測. 華中科技大學碩士學位論文, 2007.

[2] 周軍,葛致磊,施桂國等. 地磁導航發(fā)展與關鍵技術. 宇航學報, 2008, 29(5):1467-1471.

[3] Psiaki M L．Autonomous orbit and magnetic field determination using magnetometer and star sensor data [J]．Journal of Guidance，Control and Dynamics，1995，18(3)： 584-592．

[4] Thienel J K，Harma R R．Results of the magnetometer navigation(MAGNAV)[C]. AIAA/AAS Astrodynamics Specialist Conference and Exhibit，Providence，Rhode Island，2004．

[5] Goldenberg F．Geomagnetic navigation beyond magnetic compass[C]．IEEE PLANS 2006，San Diego，California，684-694．

[6] 李素敏，張萬清．地磁場資源在匹配制導中的應用研究[J]．制導與引信，2004，25(3)：19-21.

Study on Geomagnetic Navigation

Fu Kang, Yu Jie, Qian Fu

(Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

P318

A

1003-4862（2013）04-0031-03

2012-06-19

傅慷(1988-),男，碩士研究生。研究方向：軍用目標特性及其信號處理技術。