地磁导航技术及应用初探 - 海洋测绘的特点和主要方法

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美国相关机构公布的最新地磁基准图（局部）。

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据外媒报道，美国国防创新部门近日启动“地磁空中无人测量系统”项目。该项目计划通过改进现有航空测绘平台，绘制高精度的全球海洋磁场地图，开发不依赖全球卫星定位系统（GPS）且具备较强抗干扰能力的新一代地磁导航系统。

作为目前应用最广泛的卫星定位系统之一，GPS的信号极易受到干扰、欺骗甚至被攻击，在复杂的电磁环境下无法提供稳定的导航服务。如何在GPS失效的环境下为军队提供可靠的备份导航方案，是多国军用导航技术的攻关重点。地磁导航凭借天然的抗干扰优势，成为可靠的“备份”技术。

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抗扰优势明显

地球是一个巨大的磁体，周围存在着天然磁场。地球磁场从地核一直延伸至太空数万千米，形成一个环绕地球的磁层结构。它既不受人为干扰，在不同位置又各具特点，容易分辨，从而为精确定位提供了基础。

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地磁导航，就是利用地球磁场特征进行定位的一种无源导航技术。其原理是基于探测点或定位点的磁场特征，通过载体上的磁传感器实时测量所在地磁场信息，并与预先建立的磁场地图进行比对，从而计算出载体的实时位置。

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由于不依赖外部无线电信号，地磁导航具有抗干扰、隐蔽性强、全天候工作等显著优势，在军事领域尤为有用。因为卫星定位系统在战时极易受到干扰、欺骗甚至摧毁，而地磁导航能在强电子对抗环境中稳定工作，确保作战平台定位导航的准确性。

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另外，地磁导航具有误差不随时间累积的独特优势。与同属无源导航的惯性导航系统误差会随时间推移不断增大不同，地磁导航的精度取决于磁场地图的精度和磁力计的测量精度，不会因使用时长增加而降低，这使得它成为修正惯性导航系统累积误差的理想选择。在实际应用中，地磁导航常与惯性导航组合使用，形成优势互补，能显著提高导航系统的精度和可靠性。

理论上，地磁导航具备全天候、全地域运行能力，不受时间、位置和天气等条件影响，无论是在陆地、海洋、天空还是近地空间都能稳定运行。尤其是在水下，无线电信号会迅速衰减，导致卫星导航系统无法正常使用，而地球磁场几乎不受影响，这使得地磁导航成为水下导航的首选方案。此外，在深山峡谷、地下空间和室内场所等卫星信号覆盖不全或无法到达的区域，地磁导航也能正常提供服务。

两种技术类型

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目前的地磁导航技术主要包括地磁滤波导航和地磁匹配导航两种，工作方式和应用方向各有侧重。

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地磁滤波导航是一种多源信息融合技术。它将地球磁场信息作为一个连续、实时的观测值，与惯性导航系统等其他导航系统的信息进行融合比对，同时借助一系列算法，利用地球磁场空间变化的特征，抑制惯性导航误差等，最终提高整体导航精度。其优势在于不需要庞大的地磁基准图，尤其适合在无法获取或不需要高精度地磁基准图的场景下使用。美国戈达德航天中心曾在卫星上成功验证这一导航技术，实时估计并修正了卫星轨道高度和姿态，验证了该技术在天基平台上使用的可能性。缺点是其抗地磁异常干扰能力弱、匹配模糊等。因此，这一技术适用于对绝对精度要求不高、同时需要大范围连续导航支持的场景。

相比之下，地磁匹配导航侧重图样匹配与精确定位。这项技术要求事先使用航空、卫星或地面测量手段，获取任务区域的高精度地磁基准图，并将其储存在载体内。当载体运动至该区域时，其搭载的磁力计会实时测量出区域地磁信息，并与基准图进行比对，从而解算出载体的精确地理位置。这种导航技术能提供比地磁滤波导航更高的定位精度，尤其适用于对定位精度有严格要求的巡航导弹和水下潜航器等装备。俄罗斯现役SS-19洲际弹道导弹就采用这一技术进行制导。该型导弹在飞行末段通过实时测量地球磁场信息，并与预先存储在弹体内的地磁基准图进行比对，从而实现沿大气层边缘的非常规机动飞行，显著增强了突防能力。

未来，随着人工智能技术的使用和地磁测绘水平的提高，这两类技术都在向着更高精度、更强适应性方向发展，确保成为未来战场上可靠的导航“备份”方案。

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未来应用前景

虽然地磁导航前景广阔，但在实现广泛应用前还需克服以下技术挑战。

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首先，绘制一份高精度磁场地图是基础，也是难点。目前使用的磁场地图更多描述地球内部的磁场状态，且精度有限，对于由地壳岩石产生的细微磁场特征，尤其是在海洋和偏远地区，仍缺乏高精度数据。更麻烦的是，地球磁场并非一成不变，而是会缓慢移动，太阳活动引发的短期磁暴也会对地球磁场产生干扰。这就要求磁场地图必须定期更新，否则会失去参考价值。前文提到的美国“地磁空中无人测量系统”项目，其目标就是开发新的地磁导航测量技术，攻克海洋区域的精准导航难题。

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其次，消除载体与环境的磁“噪音”也是一大难题。进行测量的载体，无论是战机、舰艇还是汽车，其自身的金属结构都会被磁化，从而产生一个额外的磁场，干扰地球磁场信号。另外，地球表面的建筑物、电缆、矿产等也会产生杂散磁场。如何有效滤除这些磁场产生的磁“噪音”，准确捕捉到地球磁场信号，是需要攻克的技术难点。

最后，让计算机快速、准确地“看图找位置”并非易事。即使有了高精度磁场地图，如何将实时测量到的地磁信号，与地磁基准图进行快速精准比对，需要先进的算法加持。现有算法在计算效率、误差容忍度方面仍有待提升，尤其是在地磁特征较弱的区域，其可靠性和精度面临挑战。

此外，磁传感器灵敏度需要不断提升。高灵敏度、高稳定性且能适应复杂温度变化的磁传感器是这一技术的基础。现有传感器技术在极端环境下的精度、响应速度等，仍有提升空间。

虽然仍有一系列技术难题等待攻克，但地磁导航凭借其固有的抗干扰性、隐蔽性和全域可用性，很可能成为未来高端军事对抗中不可或缺的导航技术，能在卫星导航信号被彻底压制或欺骗的“导航战”等极端情况下，为关键作战平台提供可靠的自主定位能力。相关技术发展值得关注。

来源：中国国防报

作者: 王奕阳 周家伟 王 政返回搜狐，查看更多

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