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1、第29卷第5期宇航学报Vol.29No.52008年9月JournalofAstronauticsSeptember2008地磁导航发展与关键技术周军,葛致磊,施桂国,刘玉霞(西北工业大学精确制导与控制研究所,西安710072)摘要:地磁导航技术作为一种无源自主导航方法,具有抗干扰能力强、无积累误差和精度适中的优点。本文简述了地磁场理论,回顾了地磁导航技术的研究历程,综合分析了地磁导航技术采用的导航算法,指出了制约地磁导航技术发展的三大关键技术和当前的研究动向,最后对地磁导航技术未来的发展和应用做了展望。关键词:地磁导航;地磁滤波;地磁匹配
2、中图分类号:V249.32文献标识码:A文章编号:1000-1328(2008)05-1467-06DOI:10.3873Pj.issn.1000-1328.2008.05.0010引言1地磁场理论与地磁导航导航定位技术在现代科学技术发展中处于基础地球和近地空间存在的磁场叫做地磁场,一般[3]地位,渗透于各种军用和民用领域,并显示出越来越地磁场由三部分构成重要的作用。然而目前较常用的导航定位技术在长B(r,t)=Bm(r,t)+Ba(r,t)+Bd(r,t)(1)期导航任务、无典型地貌特征环境等条件下尚存在其中,Bm为主磁场,由处于地幔之下
3、、地核外层的很大的不足,需要其它方式的补充。例如潜艇,若仅高温液态铁镍环流引起,它随时间缓慢变化,幅值变利用惯导技术,虽然可以自主导航且短时精度较高,化率约为每年几十纳特;Ba为异常场,由地壳表面但存在积累误差,而在深水又难以借助其它现有技分布和局部地理特征如矿产、岩石、人造磁场等产术,潜艇不得不定期浮出水面来修正。再如巡航导生,它很稳定,几乎不随时间变化,通常只在近地空弹,虽然可以收到无线电导航信号,但战时容易受到间处存在;Bd为干扰场,由电离层电流、环电流和磁敌方的屏蔽和干扰,导航基站本身也容易被攻击;此层顶电流等产生,它受多种因素如太
4、阳活动,磁暴等外,当跨海、沙漠、森林等飞行时,由于地形的灰度和4的影响而不断变化。一般地磁场的总强度在3@10纹理基本相同,地形匹配技术也无法实现。因此,学4~7@10nT之间,其中在两极地区最大,在赤道地区者逐渐转向寻找一些自主式、无长期积累误差、具有最小。较强抗干扰能力的导航定位技术,以完成天时、全天地磁主磁场近似于一个磁偶极子,可利用高斯候、全地域导航任务。球谐分析法来对其进行建模。1839年,著名数学家近年来,借用大地测量技术的进步,利用地球物高斯在对地磁场的大量测量数据进行研究后,提出理特征的无源自主导航方法得到了国内外学者的关了
5、采用球谐波分析方法来研究地磁场,地磁场磁势注,基于重力场测量、地磁场测量等自主导航方法重[4][1,2]的数学描述为:新激起了学者们的研究热情。随着地磁理论的]nn+1Rm不断完善以及敏感器、微处理器和导航算法的日趋V(r,H,K)=R66(gncosmK+n=1m=0r成熟,地磁导航技术获得了快速的发展,并以其隐蔽mmhnsinmK)Pn(cosH)(2)性好、成本低和精度适中等优点成为了当前导航研究领域的一个热点。式中,r为地心距,H为地心余纬,K为地心(地理)mm经度,R为地球平均半径,gn、hn为高斯系数,收稿日期:2008-07-
6、20;修回日期:2008-08-30基金项目:国家自然科学基金资助(40704008);教育部高等学校博士学科点专项基金(20070699001)1468宇航学报第29卷mPn(cosH)是n阶m次的施密特准归一化缔合勒让场模型修正,仿真结果为位置精度在200m的数量德函数。级上,地磁模型修正精度为1nT。文献[7]证实了利1965年,卡安等人利用实测地磁场数据,推算用磁强计信息和太阳敏感器信息对低轨道航天器进出了第一代国际地磁参考场模型(IGRF),该模型于行轨道确定和地磁场模型修正的方案的可行性;同1968年被国际地磁与超高层大气物理学
7、协会(IA-时,采用非线性最小二乘批处理滤波,在磁强计精度GA)采纳。以后,IAGA每5年对IGRF模型做一次为10nT、太阳敏感器精度为0.005b条件下进行仿真,修正,至今已建立了22个IGRF(1900~2005)模型,获得了1.7km的定位精度和0.1b的定姿精度。2001[1]模型的精度在100~200nT之间。国际上另一个年,该小组还利用卫星MAGSAT、DE-2和5rsted的主要的地磁场模型为由英国地质调查局(BGS)和美真实测量数据对文献[7]提出的方案进行了仿真验[8]国地质调查局(USGS)联合制作的世界地磁场模型证,
8、仿真结果为:采用DE-2数据、MAGSAT数据(WMM),该模型也是每5年修正一次,目前最新的和5rsted数据的最大位置误差分别为4.99km、模型是WMM2005。2.16k
