地磁導航在水下運載體導航中的應用研究

丁永忠

（海軍裝備部）

地磁導航在水下運載體導航中的應用研究

丁永忠

（海軍裝備部）

本文通過對地磁導航研究現狀及應用的分析，提出了地磁/慣性組合導航在水下運載體應用需解決的關鍵技術的一些方法。

地磁導航；慣性組合導航；傳感器

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，就是地磁匹配導航所依據的基本原理。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，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在軍事上具有廣闊的前景和深遠的意義。

1　地磁導航研究現狀及應用

地磁圖和地磁模型是描述或逼近地球磁場的主要手段，是開展地磁導航及其軍事應用的技術工具，為了滿足現代國防和經濟建設的需要，世界各國如美、英、俄、日、蒙古、羅馬尼亞等都積極研制全球的、或感興趣區域的地磁模型和地磁圖，我國從20世紀初至今，也一直在開展這一工作。美、英和前蘇聯除了定期（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務。1970年，我國有關部門聯合實現了首次地磁普測和地磁圖編繪，測點之多，在國內外都是空前的，該工程獲得了我國迄今使用率最高的地磁測量資料，研制了我國迄今質量最好、精度最高的磁場結構描述最細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際情況有了較大的差異，其表現力和使用價值已經遠遠不能適應當今國民經濟和國防建設的實際需求。

在應用方面，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［1］。俄羅斯研究了一種采用地磁場強度作為特征量的匹配方法，他們提出并試驗了地球磁場等高線匹配制導方法，即MAGCOM。在2004年進行的“安全一2004"演習中試射的SS-19導彈可不按拋物線沿稠密大氣層邊緣近乎水平地飛行，使敵方導彈防御系統無法準確預測來襲導彈的彈道，即采用了這一技術。美國俄亥俄級導彈核潛艇采用靜電陀螺慣性平臺及慣性/重力匹配組合導航系統，定位精度0.2nmi1e/天，重調周期10一14天。2003年8月，美國國防部軍事關鍵技術名單里提到地磁數據參考導航系統。國防部的文件稱，他們所研制的純地磁導航系統的導航精度為：地面和空中定位精度優于30m（CEP）；水下定位精度優于500m（CEP）。美國NAS AGoddard空間中心和有關大學對地磁導航進行了研究，并進行了大量的地面試驗。同時，國外正在建立更高精度的地磁信息圖并重點研制高精度的磁傳感器，以進一步提高導航精度。

2　地磁/慣性組合導航的基本原理

潛艇作為未來信息化海洋戰場上的一種主要戰略威懾武器，要求其具備高度的隱蔽性，因此，研究一種高精度導航系統來保證潛艇的自主性和隱蔽性，就成為各國海軍大力發展的目標。地磁導航作為一種嚴格意義上的無源導航，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，它與慣性導航組合，既能保證慣性導航的高動態性、自主性和全維導航信息，也能校正慣導系統因長時間工作存在的積累誤差，因此地磁/慣性組合導航是一種較為理想的潛用導航方式。地磁/慣性組合導航具有以下優點：

地磁/慣性組合導航系統具有較全而的導航功能，不僅可以確定潛艇姿態、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、連續導航的優點。

由于地磁/慣性組合導航系統的特點，將使潛艇的上工作和作戰模式發生巨大變化。例如：核潛艇裝備該類系統可以在相對較短的時間（24小時）內完成航行準備，在初始航行階段實現對慣導系統的精確對準和標定；潛艇在離開碼頭后無需暴露在水而進行慣導重調作業，能夠確保系統在始終隱蔽潛航中的導航精度，從導航功能上滿足潛艇執行作戰任務的全程隱蔽性要求。

地磁/慣性組合導航系統通常由慣性導航系統、地磁數據庫、地磁傳感器、匹配計算機等組成。其基本原理是將預先選定的區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算機中，當潛艇通過這些地區時，地磁傳感器實時測量地磁場的有關特征值，并構成實時圖，同時根據慣導系統提供的位置信息，可以從地磁特征圖中讀取數據，將這兩種數據送給艇上的匹配解算計算機進行匹配解算，確定實匹配點，從而確定出潛艇的實時位置，用次位置信息與慣導輸出的速度信息為觀測量進行濾波處理，估計慣導系統的誤差，然后將慣導系統進行校正。導航原理如圖1。

圖1　地磁/慣性組合導航原理框圖

3　地磁/慣性組合導航在水下運載體應用需解決的關鍵技術

地磁/慣性組合導航雖然有著諸多其他導航方式不具備的優勢，也是一種較為理想的潛用組合導航方式，但要想在水下運載體上獲得成功應用，還需要著重解決以下關鍵技術：

3.1高精度地磁數據庫的獲得

要使地磁導航在潛艇上成功應用，首先要獲得高精度的地磁數據庫。數據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行匹配導航是不現實的，且著眼于長遠的研究與應用，建立高精度的地磁場模型勢在必行。

根據研究范圍的大小，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、多項式擬合法、球冠諧分析法和矩諧分析法。上述方法各有優缺點，其中球冠諧分析法最適于潛艇垂向縱深變化比較大的導航設備，其優點是可以表示地磁場的三位結構，可以根據模型計算近地空間任意位置的地磁場強度，缺點是計算量大，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一周為周期，變化幅度約為1 nT一2 nT；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1 h- 3h變化幅度可達幾白到幾千nT；太陽擾日變化的周期也為一個太陽日，主要影響極光區，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。

由以上可看以出變化磁場尤其是沒有規律的非周期短期變化的對地磁場的實時測量會產生不可忽視的干擾，產生測量誤差，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生影響。因此，研究如何靠潛艇自身設備測量系統來消除地磁場的變化干擾影響和潛艇自身被磁化產生磁場的影響是地磁導航在潛艇成功應用的又一項關鍵技術。

3.3高效實時的地磁導航匹配算法

為滿足水下運載體導航應用的要求，必須研究高效、實時的地磁導航匹配算法。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復雜度。

地磁導航在算法實質上就是數字地圖匹配。潛艇在航行過程中，將實時測量的地磁特征信息序列構成實時圖，然后，利用各種信息處理方法，將實時圖與地磁數據庫中存貯的基準圖數據進行比較，依一定的準則判斷兩者的擬合度，確定實時圖與基準圖中的最相似點，即最佳匹配點。由此看來，地磁匹配導航的匹配點并不是完全匹配的，只是實時圖與基準圖最大程度地相似，所以，匹配算法是決定匹配精度，從而進一步決定導航精度的核心因素。

3.4地磁異常信息與慣性導航信息融合算法

地磁導航與慣性導航間的信息融合目前多采用擴展卡爾曼濾波（EKF）器對參數進行精確估計，EKF是把所有的非線性模型線性化以便于應用傳統的線性卡爾曼濾波。盡管EKF成為最廣泛的濾波模式，但是難以實現和調控并且只在具有線性時變系統中才能獲得可靠的結果。例如，在擴展卡爾曼濾波的實際應用中，如果局部線性的假設不成立，那么線性化將使濾波的結果極不穩定；另外在大多數應用中都必須計算雅克比矩陣，這樣常常導致計算量和分析難度的增加。隨著小波理論、神經網絡技術的日益成熟和完善以及各種現代優化計算方法的廣泛應用，有必要嘗試新的信息融合算法的研究，增強地磁/慣性導航的精確性和魯棒性。

3.5高精度、快響應速度、環境適應性強的傳感器的研制

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，傳感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，實際應用尚需假以時日。所以，一個靈敏度高、響應快速、綜合測量精度高、環境適應性強的智能地磁傳感器是實現地磁導航的硬件基礎，也是地磁導航系統的一個關鍵環節。

4　結束語

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

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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