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1、龙源期刊网 :/ qikan .cn地磁导航技术争论和展望 罗宁来源：山东工业技术2023 年第 08 期摘要：地磁导航作为一种导航方式，因其自身的特点优势，越来越受到国内外学者的重视。本文探讨了地磁导航的根底理论和主要技术，争论和介绍了现在较为主流的基于MAGCOM、基于ICCP 的磁场相关匹配算法，对地磁导航技术进展方向做了分析，对地磁导航将来的应用做出了展望。关键词：地磁模型；地心距；地心距0 引言随着科学技术的不断进展，导航定位技术已渗透到人们日常生活各个领域当中，在军事和民用领域中发挥着及其重要的作用。目前常用的导航定位技术有航位推算导航、无线电导航、惯性导航、地图匹配、卫星导航或应
2、用多种技术的综合导航技术，这些技术都既有其优势，也有各自的缺点。其实地球本身就有一个大的坐标系，可以用来定位所在的位置，这就是地磁导航。地磁导航技术具有低能耗，地域广，不受气象条件影响，辐射低，自主性高等优良特征， 随着地磁理论的不断完善以及导航算法的日趋成熟，地磁导航凭借这些优良特征成为导航争论领域的热点之一。1 地磁导航的根本原理和地磁模型的建立地磁场是地球系统的根本物理场，是地球所固有的资源。地磁场是矢量场，在地球外表理论上每一点的地磁矢量都和其它点的地磁矢量不同。地磁场作为一个矢量场，不仅有幅值信息可以使用，而且有方向信息可以作为参考，因此可以供给丰富的导航参照信息。因此，只要能够测量
3、到载体所处地点的地磁矢量，并和存在计算机内的地磁模型相匹配，就可以得到载体的所处位置，实现全球定位。这是地磁导航的根本原理。地磁模型的建立：可将地磁场划分为三个局部：其中，r 为空间变量，t 为时间变量。为主磁场也称为地核场，由高温液态铁镍在地幔之下和地核外层之间环流引起，约占地磁场总量的95%以上；为特别场也叫地壳场，这是一种不随时间变化，由磁化的地壳岩石产生的磁场，约占地磁场总量的4%以上；为干扰磁场，源于磁层和电离层。在地球物理学中，描述地球主磁场的标准模型为“国际参考地磁场”IGRF，在 IGRF 模型中，主磁场的标量磁位可以用球谐函数表示为其中，是地心球坐标系的地心距，余纬和经度，是
4、地球半径， 是伴随勒让德函数，和是由观测资料求得的地磁场球谐系数或高斯系数，N 是模型的截断水平。IGRF国际地磁参考场是有关地球主磁场与长期变化的模型。由此所建立的地磁模型是争论地磁导航制导技术的关键因素。2 地磁导航的主要技术地磁导航技术主要包含三个分支：磁场测量，地磁图数字化、导航与定位，通过磁场测量，建立数字化的全息磁图，从而实现依靠地磁的导航与定位。2.1 磁场测量技术要实现地磁匹配导航并具备肯定的精度，首要的是建立起来完整、全面、有肯定精准度的地磁数据库。地磁数据库是通过磁场测量技术，将地磁信号转换为电信号，存储在数据库当 中。如何准确的测量地磁场的信息，是地磁导航实现的根底条件。
5、由于地磁场格外微弱，其随空间位置产生的变化量更是相当微弱，因此，磁场测量技术关键就在设计与制造出灵敏度高， 响应速度快，体积适宜的磁传感器。也可以说，磁传感器打算了磁场测量技术的进展与进步。2.2 地磁图数字化技术地磁图map of the geomagnetic是表示地球根本磁场各要素数值及其在地球外表分布和变化规律的等值线图，是依据区域内各地磁台的观测数据编绘的。磁场特征量的测量是地磁图数字化的重要技术之一。将测试区域内的各个测试点的磁场特征量相结合，构成了地磁基准 图，就可以准确的反响当地区的磁场场强变化或其他地磁要素的变化。将这些磁场特征量数字化，建立了数字化的地磁图。2.3 导航与定
6、位地磁导航的导航与定位实现主要有以下两种技术：2.3.1 地磁匹配技术就是对于近地空间运动的物体，首先测量出当地的地磁特征量随航迹形成的线图，再通过与地磁基准图做匹配，从而实现精准定位。地磁匹配类似于地形匹配系统，区分在于地磁匹配可有多个特征量，属于数字地图匹配技术，是地磁导航的核心技术。2.3.2 地磁滤波技术地磁滤波技术比地磁匹配技术来说相对成熟，在现有的导航系统中应用的比较多一些。地磁滤波技术对初始误差要求比较高，对处理载体在运动之中的未知扰动问题比较有效。2.4 地磁导航相关算法磁场的特性打算了其无法远程测量，所能得到的测试结果都是运动物体轨迹的一维线图形式。所以在进展匹配的时候，只能
7、承受线图匹配。目前主流的算法是基于MAGCOMMagnetic Contour Matching的磁场相关匹配算法，与基于 ICCPIterative Closest Contour Point，这两种都是线图匹配的方法。下面对这两种算法分别做出阐述与分析。2.4.1 基于 MAGCOM 的磁场相关匹配算法当物体运动的时候，通过地磁传感器测量取得地磁场的特征值序列；随后在惯导系统输出的误差邻域里，和计算机所存储的本地地磁数据库相结合，找到本地的标准地磁场数据库，得到的标准场序列；最终，对得到的两组序列用函数做匹配，进展处理后得到最正确的匹配位 置。其常用的函数有如下穿插相关算法COR 平均确定
8、差算法MAD 均方差算法MSD其中为磁场测量值，为磁图读取值，L 为磁测点个数穿插相关算法COR强调的是相像程度的匹配关系，求得的是极大值；平均确定差算法MAD，均方差算法MSD强调的是匹配之间的差异程度，应取最小值。2.4.2 基于 ICCP 的磁场相关匹配算法ICCP 算法主要通过搜寻到最近的点，然后进展迭代计算，并且通过将测量值和背景场数据之间的最优匹配，从而得到运动载体所处的位置信息，其特点是收敛块，精度高，可以应用于地磁关心导航。它最初是来源于图像配准的ICP 算法，其根本思路为：通过测量航迹上各点的地磁值，然后将这些测量到的点连成曲线，然后同已经存在的地磁等值线图进展比照匹配。该算
9、法的最小为目标函数承受的是欧式平方根，通过计算得到真实的航迹与所测量得到的轨迹之间的最优变换，通过这种最优的变换实现对航迹的校正，以下图是其原理图：图中点为“指示航迹”，弯曲实线为“实际航迹”，为实测的地磁等值线，依据ICCP 算法的思路，由于误差的存在，点与点之间必定有误差，将定位于对应的等值线，并使对应的靠拢 到上，这样就可以得出最优估量点，并且得到该点相对应的匹配航迹，进而实现了对真实航迹做出的最优估量。3 地磁导航技术的进展方向地磁导航今后争论的重点主要有以下几个方面：3.1 高精度的磁传感器研制研制出具有高精度的磁传感器是今后地磁导航争论方向的重点之一。其将来进展的方向会包含以下几种
10、特点：高灵敏度，很好的温度稳定性，抗干扰性，小型集成化，智能化，低功耗等。3.2 完整的地磁场模型现今地磁导航的难点之一就是建立地磁场模型，建立的地磁场模型应当是能够具体反响导航区域内的地磁场模型。完整的地磁场模型是地磁导航普及应用的重要条件。3.3 相关算法的优化对相关算法的缺陷进展争论与分析，需将影响算法的初值精度进展提高，或实行多种算法相结合的方式进展互补。3.4 与其他导航定位技术相结合进展与卫星导航等其他导航方式的相互结合，实现优势互补，可以将定位误差减小，实现组合导航的优势。4 进展与展望地磁导航是当前国际导航领域的一大争论热点，其他导航技术相比，地磁导航自身具有自主性高，隐蔽性好
11、，应用范围更广的特点，尤其是对水下载体的导航有较明显的优势。通过与惯导和卫星导航等导航方式的结合更有宽阔的应用背景，不断进展的型传感器和技术的进展也将使地磁导航技术在军用民用领域发挥更重要的作用。国内多家科研单位已经地磁模型建立，与卫星导航结合等方面取得了成就，随着地磁导航理论的不断进展，地磁导航必将有大的进展。参考文献：1杨晓东.地磁导航原理Z.2郭才发，胡正东，张士峰等.地磁导航综述J.宇航学报，2023， 304：1314-1319.DOI：10.3873/j.issn.1000-1328.2023.04.002.3 寇义民.地磁导航关键技术争论D.哈尔滨工业大学，2023.4 周军，葛致磊，施桂国等.地磁导航进展与关键技术J.宇航学报，2023，295： 1467-1472.DOI：10.3873/j.issn.1000-1328.2023.05.001.5彭富清. 地磁模型与地磁导航J. 海洋测绘， 2023， 262：73-75. DOI： 10.3969/j.issn.1671-3044.2023.02.021.6晏登洋.惯性/地磁组合导航技术争论D.西北工业大学，2023. DOI：10.7666/d.y1034594.