地磁導(dǎo)航在水下運(yùn)載體導(dǎo)航中的應(yīng)用研究

丁永忠

（海軍裝備部）

地磁導(dǎo)航在水下運(yùn)載體導(dǎo)航中的應(yīng)用研究

丁永忠

（海軍裝備部）

本文通過對地磁導(dǎo)航研究現(xiàn)狀及應(yīng)用的分析，提出了地磁/慣性組合導(dǎo)航在水下運(yùn)載體應(yīng)用需解決的關(guān)鍵技術(shù)的一些方法。

地磁導(dǎo)航；慣性組合導(dǎo)航；傳感器

地球表面以及近地空間的地磁場在不同地區(qū)是不同的，這種不同性構(gòu)成了不同地區(qū)的一種典型特征，利用這種特征來確定載體所在的地理位置，就是地磁匹配導(dǎo)航所依據(jù)的基本原理。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、全地域的特征。在地球近地空間內(nèi)任意一點(diǎn)的地磁場矢量具有唯一性，且理論上與該點(diǎn)的經(jīng)緯度一一對應(yīng)，要準(zhǔn)確確定各點(diǎn)的地磁場矢量即可實(shí)現(xiàn)全球定位。地磁場的上述特點(diǎn)使得地磁匹配導(dǎo)航在軍事上具有廣闊的前景和深遠(yuǎn)的意義。

1　地磁導(dǎo)航研究現(xiàn)狀及應(yīng)用

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(dǎo)航及其軍事應(yīng)用的技術(shù)工具，為了滿足現(xiàn)代國防和經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需要，世界各國如美、英、俄、日、蒙古、羅馬尼亞等都積極研制全球的、或感興趣區(qū)域的地磁模型和地磁圖，我國從20世紀(jì)初至今，也一直在開展這一工作。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。我國從20世紀(jì)50年代至2000年，由科學(xué)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(fù)責(zé)該項(xiàng)事務(wù)。1970年，我國有關(guān)部門聯(lián)合實(shí)現(xiàn)了首次地磁普測和地磁圖編繪，測點(diǎn)之多，在國內(nèi)外都是空前的，該工程獲得了我國迄今使用率最高的地磁測量資料，研制了我國迄今質(zhì)量最好、精度最高的磁場結(jié)構(gòu)描述最細(xì)致的一代地磁圖和地磁模型。但30多年地磁場長期變化已使該圖對中國地磁基本場的描述與實(shí)際情況有了較大的差異，其表現(xiàn)力和使用價值已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)當(dāng)今國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)的實(shí)際需求。

在應(yīng)用方面，美國生產(chǎn)的波音飛機(jī)上配備有地磁匹配導(dǎo)航系統(tǒng)，在飛機(jī)起飛降落時使用［1］。俄羅斯研究了一種采用地磁場強(qiáng)度作為特征量的匹配方法，他們提出并試驗(yàn)了地球磁場等高線匹配制導(dǎo)方法，即MAGCOM。在2004年進(jìn)行的“安全一2004"演習(xí)中試射的SS-19導(dǎo)彈可不按拋物線沿稠密大氣層邊緣近乎水平地飛行，使敵方導(dǎo)彈防御系統(tǒng)無法準(zhǔn)確預(yù)測來襲導(dǎo)彈的彈道，即采用了這一技術(shù)。美國俄亥俄級導(dǎo)彈核潛艇采用靜電陀螺慣性平臺及慣性/重力匹配組合導(dǎo)航系統(tǒng)，定位精度0.2nmi1e/天，重調(diào)周期10一14天。2003年8月，美國國防部軍事關(guān)鍵技術(shù)名單里提到地磁數(shù)據(jù)參考導(dǎo)航系統(tǒng)。國防部的文件稱，他們所研制的純地磁導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航精度為：地面和空中定位精度優(yōu)于30m（CEP）；水下定位精度優(yōu)于500m（CEP）。美國NAS AGoddard空間中心和有關(guān)大學(xué)對地磁導(dǎo)航進(jìn)行了研究，并進(jìn)行了大量的地面試驗(yàn)。同時，國外正在建立更高精度的地磁信息圖并重點(diǎn)研制高精度的磁傳感器，以進(jìn)一步提高導(dǎo)航精度。

2　地磁/慣性組合導(dǎo)航的基本原理

潛艇作為未來信息化海洋戰(zhàn)場上的一種主要戰(zhàn)略威懾武器，要求其具備高度的隱蔽性，因此，研究一種高精度導(dǎo)航系統(tǒng)來保證潛艇的自主性和隱蔽性，就成為各國海軍大力發(fā)展的目標(biāo)。地磁導(dǎo)航作為一種嚴(yán)格意義上的無源導(dǎo)航，它的測量不需要接受外部或想外輻射向量，能夠保障載體的隱蔽性和自主性，它與慣性導(dǎo)航組合，既能保證慣性導(dǎo)航的高動態(tài)性、自主性和全維導(dǎo)航信息，也能校正慣導(dǎo)系統(tǒng)因長時間工作存在的積累誤差，因此地磁/慣性組合導(dǎo)航是一種較為理想的潛用導(dǎo)航方式。地磁/慣性組合導(dǎo)航具有以下優(yōu)點(diǎn)：

地磁/慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)具有較全而的導(dǎo)航功能，不僅可以確定潛艇姿態(tài)、航速、航向，還可以確定艦位，且誤差不隨時間積累，具有高可靠性、全天候、高精度、連續(xù)導(dǎo)航的優(yōu)點(diǎn)。

由于地磁/慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)的特點(diǎn)，將使?jié)撏У纳瞎ぷ骱妥鲬?zhàn)模式發(fā)生巨大變化。例如：核潛艇裝備該類系統(tǒng)可以在相對較短的時間（24小時）內(nèi)完成航行準(zhǔn)備，在初始航行階段實(shí)現(xiàn)對慣導(dǎo)系統(tǒng)的精確對準(zhǔn)和標(biāo)定；潛艇在離開碼頭后無需暴露在水而進(jìn)行慣導(dǎo)重調(diào)作業(yè)，能夠確保系統(tǒng)在始終隱蔽潛航中的導(dǎo)航精度，從導(dǎo)航功能上滿足潛艇執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)的全程隱蔽性要求。

地磁/慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)通常由慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、地磁數(shù)據(jù)庫、地磁傳感器、匹配計(jì)算機(jī)等組成。其基本原理是將預(yù)先選定的區(qū)域地磁場某種地磁場特征值，制成參考圖并儲存在艇上的計(jì)算機(jī)中，當(dāng)潛艇通過這些地區(qū)時，地磁傳感器實(shí)時測量地磁場的有關(guān)特征值，并構(gòu)成實(shí)時圖，同時根據(jù)慣導(dǎo)系統(tǒng)提供的位置信息，可以從地磁特征圖中讀取數(shù)據(jù)，將這兩種數(shù)據(jù)送給艇上的匹配解算計(jì)算機(jī)進(jìn)行匹配解算，確定實(shí)匹配點(diǎn)，從而確定出潛艇的實(shí)時位置，用次位置信息與慣導(dǎo)輸出的速度信息為觀測量進(jìn)行濾波處理，估計(jì)慣導(dǎo)系統(tǒng)的誤差，然后將慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行校正。導(dǎo)航原理如圖1。

圖1　地磁/慣性組合導(dǎo)航原理框圖

3　地磁/慣性組合導(dǎo)航在水下運(yùn)載體應(yīng)用需解決的關(guān)鍵技術(shù)

地磁/慣性組合導(dǎo)航雖然有著諸多其他導(dǎo)航方式不具備的優(yōu)勢，也是一種較為理想的潛用組合導(dǎo)航方式，但要想在水下運(yùn)載體上獲得成功應(yīng)用，還需要著重解決以下關(guān)鍵技術(shù)：

3.1高精度地磁數(shù)據(jù)庫的獲得

要使地磁導(dǎo)航在潛艇上成功應(yīng)用，首先要獲得高精度的地磁數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫的來源有兩種途徑：其一使地磁測量，其二是建立地磁模型。由于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(jìn)行匹配導(dǎo)航是不現(xiàn)實(shí)的，且著眼于長遠(yuǎn)的研究與應(yīng)用，建立高精度的地磁場模型勢在必行。

根據(jù)研究范圍的大小，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并沒有描述，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。按照地磁場建模的途徑，建立地磁場模型的主要方法有球諧分析法、多項(xiàng)式擬合法、球冠諧分析法和矩諧分析法。上述方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，其中球冠諧分析法最適于潛艇垂向縱深變化比較大的導(dǎo)航設(shè)備，其優(yōu)點(diǎn)是可以表示地磁場的三位結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)模型計(jì)算近地空間任意位置的地磁場強(qiáng)度，缺點(diǎn)是計(jì)算量大，使用不夠方便靈活。

3.2變化磁場以及潛艇磁場對地磁測量的影響

地磁場除包含有長周期變化的穩(wěn)定磁場外，還包含有短周期變化干擾磁場，其短期變化包括平靜變化和擾動變化［2］，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= 109-T）；太陽陰日變化以地球自轉(zhuǎn)一周為周期，變化幅度約為1 nT一2 nT；磁暴持續(xù)時間約為1-3天，變化幅度可達(dá)幾十到幾百nT；地磁亞暴持續(xù)時間約為1 h- 3h變化幅度可達(dá)幾白到幾千nT；太陽擾日變化的周期也為一個太陽日，主要影響極光區(qū)，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(qū)幅度最大。

由以上可看以出變化磁場尤其是沒有規(guī)律的非周期短期變化的對地磁場的實(shí)時測量會產(chǎn)生不可忽視的干擾，產(chǎn)生測量誤差，給地磁匹配帶來一定的難度；潛艇為鋼鐵材料制成的，在制造和行進(jìn)過程中會不可避免的受地磁場的作用被磁化而顯示出磁性，從而對潛艇所處的空間的地磁場測量產(chǎn)生影響。因此，研究如何靠潛艇自身設(shè)備測量系統(tǒng)來消除地磁場的變化干擾影響和潛艇自身被磁化產(chǎn)生磁場的影響是地磁導(dǎo)航在潛艇成功應(yīng)用的又一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

3.3高效實(shí)時的地磁導(dǎo)航匹配算法

為滿足水下運(yùn)載體導(dǎo)航應(yīng)用的要求，必須研究高效、實(shí)時的地磁導(dǎo)航匹配算法。該算法應(yīng)具備較強(qiáng)的抗干擾能力，較高的匹配精度和較低的計(jì)算復(fù)雜度。

地磁導(dǎo)航在算法實(shí)質(zhì)上就是數(shù)字地圖匹配。潛艇在航行過程中，將實(shí)時測量的地磁特征信息序列構(gòu)成實(shí)時圖，然后，利用各種信息處理方法，將實(shí)時圖與地磁數(shù)據(jù)庫中存貯的基準(zhǔn)圖數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，依一定的準(zhǔn)則判斷兩者的擬合度，確定實(shí)時圖與基準(zhǔn)圖中的最相似點(diǎn)，即最佳匹配點(diǎn)。由此看來，地磁匹配導(dǎo)航的匹配點(diǎn)并不是完全匹配的，只是實(shí)時圖與基準(zhǔn)圖最大程度地相似，所以，匹配算法是決定匹配精度，從而進(jìn)一步?jīng)Q定導(dǎo)航精度的核心因素。

3.4地磁異常信息與慣性導(dǎo)航信息融合算法

地磁導(dǎo)航與慣性導(dǎo)航間的信息融合目前多采用擴(kuò)展卡爾曼濾波（EKF）器對參數(shù)進(jìn)行精確估計(jì)，EKF是把所有的非線性模型線性化以便于應(yīng)用傳統(tǒng)的線性卡爾曼濾波。盡管EKF成為最廣泛的濾波模式，但是難以實(shí)現(xiàn)和調(diào)控并且只在具有線性時變系統(tǒng)中才能獲得可靠的結(jié)果。例如，在擴(kuò)展卡爾曼濾波的實(shí)際應(yīng)用中，如果局部線性的假設(shè)不成立，那么線性化將使濾波的結(jié)果極不穩(wěn)定；另外在大多數(shù)應(yīng)用中都必須計(jì)算雅克比矩陣，這樣常常導(dǎo)致計(jì)算量和分析難度的增加。隨著小波理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日益成熟和完善以及各種現(xiàn)代優(yōu)化計(jì)算方法的廣泛應(yīng)用，有必要嘗試新的信息融合算法的研究，增強(qiáng)地磁/慣性導(dǎo)航的精確性和魯棒性。

3.5高精度、快響應(yīng)速度、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的傳感器的研制

要實(shí)現(xiàn)地磁導(dǎo)航，只有導(dǎo)航算法是不夠的。匹配算法做得再好，傳感器的精度如果不足以敏感地磁場的變化，導(dǎo)航還只是停留在理論階段，實(shí)際應(yīng)用尚需假以時日。所以，一個靈敏度高、響應(yīng)快速、綜合測量精度高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的智能地磁傳感器是實(shí)現(xiàn)地磁導(dǎo)航的硬件基礎(chǔ)，也是地磁導(dǎo)航系統(tǒng)的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

4　結(jié)束語

地磁導(dǎo)航作為一種自主導(dǎo)航技術(shù)，具有隱蔽性好和精度高的特點(diǎn)，它與無線電導(dǎo)航和衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不同，是一種完全自主的、主動的定位系統(tǒng)。地磁/慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)算法的研究與應(yīng)用，將延長水下運(yùn)載體重調(diào)周期，提高水下運(yùn)載體的遠(yuǎn)程導(dǎo)航精度與導(dǎo)航自主能力，提高水下運(yùn)載體的隱蔽性，提高水下運(yùn)載體的核威懾作用和生存能力，增強(qiáng)對敵威懾能力，具有重大的軍事意義。

［1］喬玉坤，王仕成，張琪.地磁匹配制導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用于導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的制約因素分析［［J］.飛航導(dǎo)彈，2006 8 .

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丁永忠（1968.9-）男 ，碩士研究生，研究方向: 自動控制。

U661.1

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1003-5168（2015）11-144-03