水下地磁导航技术与展望

        日期:2009年2月19日 17:34

                                                       杨昌茂、车振
          
                                              国防科技工业弱磁一级计量站,湖北宜昌,443003
          
          目前,载体导航主要采用卫星导航(GPS)、贯性导航、无线电导航、天文导航等方式,这些导航方式应用领域十分广泛,可谓家喻户晓。而水下载体基本上无法通过卫星、无线电和天文导航,惯性导航成为水下载体主要导航方式,由于惯性导航存在累积误差问题,不能全面满足水下导航的需要,因此,研制一种自主式的水下导航系统是十分必要的。
          
          由于地磁场是地球固有的矢量场,地球上每一点的磁场矢量和其所处的经纬度及离地心的距离是一一对应。因此,只要测定某点的地磁场,就可确定出该点位置。这就是地磁导航定位的基础。自从1989年美国Cornell大学的研究人员提出利用地球磁场确定卫星轨道的概念以来,这一研究方向成为国际导航领域的一大研究热点。1993年Cornell大学的研究组报道[1]了他们纯粹利用磁强计信息进行轨道确定的精度为4km~8km;2003年8月,美国国防部的文件称,他们所研制的纯地磁导航系统的导航精度为:地面和空中定位精度优于30m(CEP),水下定位精度优于500m(CEP)。
          
          我国在地磁场定轨的理论方面也展开了跟踪研究;自研的高精度磁传感器灵敏度高、功耗低,基本可以满足地磁场测量要求;在地磁图方面,水上航空探测取得了一定成绩,但水下地磁场数据库一直无法获得。国内有关地磁导航的研究还主要集中在仿真和预研阶段,在系统性方面与国外有较大的差距。
          
          地磁导航技术存在三个关健技术:一是地磁导航算法;二是载体干扰磁场补偿与地磁场精确测量;三是高精度地磁图的建立。
          
          地磁场由地核磁场、地壳磁场和外源磁场三部分组成;其中,地核磁场约占地球总磁场的95%,是实现地磁导航的基本依据。地核磁场通常可用数学模式来描述。在我国最常用的有两个模式,一为国际地磁参考场模型(IGRF),另一个为泰勒多项式。由于泰勒多项式主要适用于我国大陆,在我国海域选用IGRF来描述地核场是比较适宜的。其次,对于地壳磁场,因其场源复杂,无法在中国海域这样一个大范围内用一个数学模式来描述,可行的办法是建立数据网格,地壳磁场由数据网格节点值内插获得。由于外源场目前尚无明确的规律可循,因而建立模式时尚无法予以考虑。这样,地球磁场可由IGRF描述的地核场与数据网格提供的地壳场进行迭合取得,实验表明查询所得地球磁场值与实际值之差小于50nT。
          
          随着科学技术的发展,地磁学与测绘学、电子学的交差与综合不断加强,其在导航定位领域展现了巨大的潜力;尤其是地磁导航与重力导航、惯性系统组成的水下复合导航系统,具有全自主、全天候等特点,可以消除或大大降低惯性系统的积累误差,具有重要的经济价值和军事意义。
          
          参考文献
          
          [1]M.L.Psiaki,GroundTestofMagnetometer-basedAutonomousNavigationforLowEarthOrbitSpacecraft.JournalofGuidance,ControlandDynamics.1993,16(1):206-214

        所属类别: 技术园地

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