地磁导航发展与关键技术思考

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2024年5月17日发(作者：)

2018

年第

8

期

(总第

188

期）

信息通信

INFORMATION & COMMUNICATIONS

2018

(Sum.

No

188)

地磁导航发展与关键技术思考

林昌茂

(中国民用航空华东地方空中交通管理局福建分局，福建三明

365500)

摘要：地磁导航技术是一项自主导航的最佳方式，因为其自身具有零误差、精确度适宜以及抗干扰能力强等诸多的优点

而被广泛应用于诸多的领域。文章首先简要概括了地磁场理论与地磁导航，其次详细地分析了我国带磁导航技术的发

展史，最后阐述了地磁导航技术的发展的关键技术，并进一步指出技术发展的研究方向。

关键词:地磁导航;关键技术;研究

中图分类号:

TN

966 文献标识码:

A

文章编号:1673-1131(2018)08-0071-02

而产生了指南针，这是我国地磁导航技术最初的应用。随着

社会的发展，科学技术在不断进步，地磁导航技术的改革也在

不断地深入。就现代化的地磁导航技术而言，处于地磁场中

的强度，就是其所在位置的坐标。此外,地磁场自身的特性诸

多，从而为地磁场提供了更多的磁场信息。所以，对地磁场进

行测量，进而对一些航空器材或水下设备进行导航定位，为导

航技术指明了全新的发展方向，地磁匹配导航技术与地磁滤

波导航技术。

目前，导航技术被广泛应用于我国的各个领域的工作，并

在其领域的发展中占据了主体地位。但是就我国目前导航技

术的发展的情况来看，整体呈现上升的趋势，但是在发展的过

程中仍然存在了诸多的不足，亟待其他的补给技术。

1地磁场理论和地磁导航技术

地磁场，即地球和周围空间之间存在的磁场，通常情况下，

由主磁场、异磁场以及干扰场构成。主磁场产生于地核外层

与地幔之下的环流，它是随着时间的流逝而不断变化的;而异

磁场是由存在于地壳表面的人造磁场以及岩石等地理特征产

生的，其稳定性极强,几乎不会随着时间的流逝而产生变化的;

干扰场产生于环电流以及电离层电流等多种电流形式，它的

稳定性较弱，会随着磁暴以及太阳活动等多种因素的影响而

产生变化。一般来说，地磁场在赤道最小，两极地区最大气

古时候，人们利用地磁场指北这一特性，来判断方向，进

2研究地磁导航技术的发展历程

(I) 地磁滤波技术的发展历程。1993年，美国一所知名髙

校的教授首先提出在确定卫星轨道时对地磁场加以利用的想

法，此想法的提出受到了相关行业的追捧，从此，导航技术又

多了一个研究的方向一地磁导航。之后，该髙校就组成了一

个科研小组，专门负责此项目的研究，对地磁导航的方法和测

---*---1---♦—4—-

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---»---

图7消防机器人

通过实验得出，消防机器人能够通过指挥人员操作上位

机成功进入模拟消防现场，说明设计的消防机器人具有一定

的爬坡能力且能够在狭窄的环境下进行直角转弯，能够通过

调节速度灵活平稳地进行加减档移动，并利用火焰传感器接

收到的数值分析出火源的大小和距离，然后通过水炮进行喷

水灭火处理，成功扑灭火源。

5结论

消防机器人能够代替消防员在火场进行救灾工作，保证

消防工作的安全和效率，具有很髙的研究应用价值。本文通

过对消防机器人的传感器、电机驱动、无线传输等控制系统

进行软硬件设计，并通过现场模拟测试，整个设计方案切实

可靠，操作方便简单，可以在室内等非特殊环境下进行消防

工作。

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信息通信

量进行深入的探索，首先对最小二乘滤波和扩展卡尔曼滤波

加以利用，用地磁场匹配的信息来实现对低轨道航天器的定

位，进而对地磁场模型存在的误差进行纠正，并证实了利用磁

场和太阳敏感器信息可以确定航天器的轨道，并且还实现了

地磁场模型的修正[2]。

我国相关行业的学者以及一些物理学家也对地磁导航技

术的研究产生浓厚的兴趣。2002年，我国提出了近地卫星的

自主导航技术，在这之后，我国在测量地磁场信息时，就充分

利用了

UKF

和

EKF

两项技术，进而有效地估算出卫星的速度

和位置，然后将雷达高度计和三轴磁强计中融入

GPS

技术，并

设计了一套专门适用于组合导航的计算方法，其精度略小于

地磁导航技术。这项技术的发展取得了显著性的成效，为地

磁滤波的发展提供了可行性[3]。

以上研究充分表明了地磁导航技术在低轨道卫星定位方

面的重要作用，以当前地磁场模型的精确度为依据，如果仅对

地磁导航技术加以利用，其定位产生的结果与实际结果的误

差在几千米到几十千米以内，如果在利用地磁导航技术的基

础上结合其他的探测技术进行观测，则定位的误差可缩小至

几百米到几千米之内。

(2)地磁匹配技术的发展历程。地磁场变化的重要表现形

式就是异磁场的变化,就低地球的轨道而言，其主磁场的变化

较不明显，但是其异磁场的变化则与之相反，其变化异常明显。

所以，在对近地空间地磁导航定位时，可以采用地磁匹配的技

术得以实现[4]。

1962年，国际上提出了磁场高线匹配导航的技术,并就此

论证，但是因为信息的限制，实验未开始就不了了之了，直至

1975年，英国的一家企业对实测地磁数据进行充分的利用，随

后进行实验,并取得了显著的成效。在这之后,

GPS

技术技术

便得以推广，而它的兴起，也在一定程度上遮盖了地磁匹配导

航技术的锋芒,从而导致了地磁匹配技术的研究进程滞后。现

如今,

GPS

技术在广泛应用的同时,也凸显出诸多的优点

，一

些学者退而求其次,又重新考虑对地磁匹配技术的研究，并将

其广泛应用于各个领域的发展，比如在导弹武器的研制工作

中，并竭力寻找其制约因素与可行性因素，直至2002年7月，

美国国防部对外宣称他们在地磁匹配技术研究工作中取得了

新的进展，有效地缩短了地磁匹配技术在导航方面的误差，而

日本某导弹的研究同样也采用了地磁匹配技术实现了机动的

变轨方式，从而使导弹能够沿着大气层的边缘,以水平的状态

飞行，这极大程度地促进了导弹突防能力的增强气

3地磁导航技术发展的关键技术和研究方向

(1)高精确度的地磁场模型和地磁图制备的技术。要想使

导航的定位更加精准，就要具备高精确度的地磁图和地磁场

模型。地磁场模型主要分为两个组成部分，局部地磁场模型

和全球地磁场模型。而我国目前尚且存在的全球地磁场模型

仅仅反映出主磁场部分的变化，无法有效地提供地磁异常的

信息。所以，针对高精度要求的导航技术的应用场合,要配备

地磁图设备以及地磁场模型。现如今，大多数国家都投身于

地磁图的绘制和地磁场模型的建设工作中，而我国也开始加

大了该项技术的投入力度，每隔十年对我国的地磁图进行重

新绘制的工作。即便如此，我国当前的地磁图以及地磁场模

型也无法适应高精确度要求的现代化社会发展。

与此同时，仅依靠地磁图和地磁场的模型来实现地磁导

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林昌茂:地磁导航发展与关键技术思考

航技术的快速发展是远远不够的，还需要更加深入地研究地

磁导航效果的影响因素，注重对影响因素中的地磁场的变化

规律、地磁场的起伏规律以及变化磁场对匹配技术的影响等

因素。而在这其中，对航空以及卫星地磁场的测量获得了地

磁场的变化规律，这是一项技术上的重大突破。

(2) 测量磁场仪器的性能以及其测量信息的处理技术。在

地磁的导航工作中，首先要对地磁的特征进行测量，因为地磁

场的频谱涉及范围广，而地磁场的探测工作又极易受到诸多

因素的干扰。基于此，首先要研发可以对弱磁性的磁场进行

测量的高性能设备，其次是研究载体的干扰磁场对敏感器在

测量时的影响因素，为磁场免受干扰提供安全保障，在此基础

上，为磁场的测量提供精确度高的测量结果。目前，我国已经

开发出多种针对若磁性磁场进行测量的高性能设备，但是在

清除干扰磁场方面，仍然存在着不足之处[6]。

(3) 轨迹匹配的高精确度导航计算方法。地磁滤波导航的

精确度的最大影响因素就是测量的噪声。基于此，地磁匹配

的方法已经在地磁导航技术中占领了主体地位，一些学者也

开始致力于参照景象匹配技术的研发工作，但是其结果却差

强人意,在研究的过程中要充分考虑其应用的领域与背景，而

研究的载体在获得信息图后，也无法实现由“摄像”到“二维图”

的转变，仅仅获得了轨迹的一维图，这种图像所匹配的信息量

远不如二维图。由此可见，选择合适的方法来确保图像的清

晰和呈现的信息量，竭力寻求更高效的匹配技术，从而促进导

航精确度的有效提升[7]。

4结语

地磁导航技术是一项集地磁滤波技术、地磁匹配技术的

综合性技术，随着导航方式的不断更新，在地磁导航技术的应

用方面也要加以其他新兴技术的结合，扬长避短，进而使导航

方法之间实现优势互补。随着科技的发展，磁场测量的精确

度也在不断地提高，一些大规模的探测工程业在逐步展开，伴

随着地磁图和地磁场模型的广泛应用，地磁场导航技术的误

差正在不断缩减，从而实现零误差的导航技术，为地磁导航技

术提供全新的发展方向。相信在不久的将来，可以建立起覆

盖全球范围的地磁场测量导航系统，为我国航天事业、地质勘

测技术做出应有的贡献，为我国实现科技强国提供技术支持。

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