測控儀器前沿技術作業-地磁導航技術發展現狀姓 名： 流水號：班 級：專 業： 2013年5月15日1.引言地磁場是地球的固有資源, 為航空、航天、航海提供了天然的坐標系。自從1989年美國Cornell大學的Psiaki等人率先提出利用地磁場確定衛星軌道的概念以來, 這一方向成為國際導航領域的一大研究熱點。地磁導航具有無源、無輻射、全天時、全天候、全地域、能耗低的優良特征, 其原理是通過地磁傳感器測得的實時地磁數據與存儲在計算機中的地磁基準圖進行匹配來定位。由于地磁場為矢量場,在地球近地空間內任意一點的地磁矢量都不同于其他地點的矢量, 且與該地點的經緯度存在一一對應的關系。因此, 理論上只要確定該點的地磁場矢量即可實現全球定位隨著空間技術的飛速發展, 地磁學與測繪學、空間物理學的交叉與綜合不斷加強, 地磁測量技術發生了根本的變化。地磁導航在導航定位、地球物理武器、戰場電磁信息對抗等領域展現了巨大的軍事潛力。近年來, 地磁導航技術獲得了快速的發展, 其綜合優勢日益突出。利用地磁導航可以實現自主式的衛星導航和控制, 從而減少地面設備的工作量, 緩解因國土限制造成的地面測控站布點的困難, 降低了為保障衛星運行所提供的地面支持的費用; 利用地磁導航可及時確定衛星的空間位置, 提高了衛星測量數據的利用率, 降低了衛星運行對地面站的依賴作用, 提高了衛星生存能力, 即使地面跟蹤測量被迫中斷仍可保持飛行任務的連續性 1 。地磁導航具有無源性, 與其它有源制導和導航方式相比, 地磁制導與導航在軍事領域有著無可比擬的優勢。使用地磁制導的導彈抗干擾性能強, 突防能力得到大大提升。近年來, 地磁導航在工業部門, 航空航天等諸多領域發揮了重要作用, 越來越成為學術界關注的對象。2.地磁導航方案當載體在地表附近運行時, 地磁場強度的變化主要體現為異常場強度的變化, 由于地磁異常場非常穩定, 基本不隨時間變化, 所以一般采用表示地磁異常場特征的地磁異常圖作為地磁導航的參考數據。磁傳感器測得的是測點的磁場強度總量, 包括地磁場和環境干擾磁場, 通過野值剔除和誤差補償等手段提取出地磁場信號后, 減去由地磁場模型給出的主磁場信號, 然后做日變校正等處理, 得到地磁異常強度的測量值。根據導航系統的位置輸出在地磁異常圖上讀取對應的地磁異常強度, 與異常強度的實測值進行比較, 其差值反映導航定位誤差; 對導航系統的位置輸出進行修正, 使得導航系統指示的異常強度向著實測值靠攏, 即使得導航系統的定位結果向著真實位置靠攏2。按照地磁數據處理方式的不同, 地磁導航分為地磁匹配與地磁濾波兩種方式3。1.1 地磁匹配所謂地磁匹配, 就是把預先規劃好的航跡上末段區域某些點的地磁場特征量繪制成參考圖(或稱基準圖)存貯在載體計算機中, 當載體飛越這些地區時, 由地磁匹配測量儀器實時測量出飛越這些點地磁場特征量, 以構成實時圖。在載體上的計算機中, 對實時圖與參考圖進行相關匹配, 計算出載體的實時坐標位置, 供導航計算機解算導航信息。地磁匹配類似地形匹配系統, 區別在于地磁匹配可有多個特征量。由于圖像匹配和地形匹配技術在某些場合存在一定缺陷, 研究地磁匹配導航制導技術具有重要的現實意義。例如在圖像匹配時, 實時圖是低空攝取的大視角圖像, 而參考圖是衛星遙感圖, 由于不同天氣條件下光照不同, 不同季節地表覆蓋物的灰度不同, 以及山地、建筑物的相互遮擋等影響, 實時圖和參考圖之間存在較大的差異, 灰度和位移特征也都有變化, 影響匹配精度和可靠性。此外當飛行器飛越海洋和平原時, 其灰度和紋理等特征基本相同, 無法實現圖像匹配, 因而利用穩定地形的地形匹配/ TERCOM0技術, 在海面和平原地區無法使用。因此, 在跨海制導方面, 地磁匹配制導具有無比的優越性。另外, 地磁匹配制導屬于被動制導, 隱蔽性強,不受敵方干擾。俄羅斯曾以地磁場強度作為特征量, 采用磁通門傳感器以地磁場等高線匹配制導方式(即MAGCOM)進行過實驗。地磁匹配算法屬于數字地圖匹配技術, 是地磁導航的核心技術, 目前主要分兩類4 : 一類強調它們之間的相似程度, 如互相關算法( COR )和相關系數法(CC); 另一類強調它們之間的差別程度, 如平均絕對差算法(MAD)、均方差算法(MSD)。在求最佳匹配點時, 前一類算法應求極大值, 后一類應取極小值。2.2 地磁濾波地磁匹配特點是原理簡單, 可以斷續使用; 在航行載體需要導航定位時, 即開即用; 對初始誤差要求低, 導航不存在誤差積累; 具有較高的匹配精度和捕獲概率, 是一種較方便靈活的匹配方式。但是地磁匹配需要存儲大量的地磁數據, 對于衛星, 導彈適用性不強, 這時通常采用地磁濾波。由于地磁場觀測模型是非線性的, 在地磁導航濾波算法里, 多采用擴展卡爾曼濾波(EKF)、卡爾曼濾波方法(UKF)、自適應卡爾曼濾波, 聯邦卡爾曼濾波等等, 目前主要采用的是前兩種算法。EKF算法包括離散形式和連續形式兩種, 被廣泛應用于非線性系統。EKF 算法對非線性函數進行線性化近似, 通過對高階項采用忽略或逼近來解決非線性問題。盡管EKF得到了廣泛的使用, 但它存在如下不足:( 1) 當非線性函數Taylor 展開式的高階項無法, 當非線性函數Taylor展開式的高階項無法忽略時, 線性化會使系統產生較大的誤差, 甚至于濾波器難以穩定;( 2) 在許多實際問題中很難得到非線性函數的雅克比矩陣;( 3) EKF 算法必須清楚了解非線性函數的具體形式, 無法作到黑盒封裝, 從而難以實現模塊化應用5。針對以上不足, 目前學者專家提出了眾多對EKF的改進方法。由于近似非線性函數的概率密度分布比近似非線性函數更容易, 使用采樣方法近似非線性分布來解決非線性問題的途徑在最近得到了人們的廣泛關注。采用隨機線性化技術的EKF目前也得到了廣泛應用。此外還有高階截斷EKF、迭代EKF等等, 這些算法都在一定程度上解決了EKF算法存在的問題, 從而使得EKF算法在地磁濾波中得到更為有效的使用。西安交通大學的趙敏華針對磁強計量測噪聲為有色噪聲伴常值干擾的特性, 提出了一種基于EKF的地磁導航算法。該算法為了使量測噪聲白噪化,引入了2個新的狀態變量, 此時測量噪聲是零均值高斯白噪聲, 并滿足EKF算法的約束條件。衛星的實測數據仿真結果表明, 該導航算法具有較好的穩定性和收斂性, 克服了EKF 算法的發散問題。由哈爾濱工業大學的榮思遠提出采用基于殘差正交性質的EKF容錯濾波方法, 實現了地磁導航中野值的即時修正和故障診斷, 使濾波器具有較強的魯棒性。UKF算法是另外一大類利用采樣策略逼近非線性分布的方法。UKF 以Unscented 變換為基礎, 采用卡爾曼線性濾波框架, 與EKF相比, UKF能更好地逼近狀態方程的非線性特性, 從而可能比EKF具有更好的估計精度。另外, UKF的計算量基本與EKF算法相當, 并且采用的是確定性采樣, 從而避免了PF( Particle filter)的粒子點退化問題。目前UKF日益得到關注, 其應用領域也不斷擴展, 基于UKF的地磁導航算法因其優越性得到越來越廣泛的應用。榮思遠將UKF算法用于磁測自主導航, 仿真結果顯示, UKF 濾波方法精度要比EKF方法高。哈爾濱工業大學的高長生在建立了近地衛星高精度軌道動力學模型10 10階地磁場模型的基礎上, 分別以地磁場矢量和強度幅值作為觀測量, 通過UKF實現了自主導航。天津航海儀器研究所的楊功流等人對UKF算法用于慣性/地磁導航系統的數據融合進行了深入研究。仿真表明, 特別是當系統非線性較大時, UKF性能明顯優于EKF6。3 需解決的關鍵問題地磁導航是一個較新的研究領域, 雖然目前取得了一些成果, 但尚有以下幾方面的問題值得關注:( 1) 磁強計測量精度的要求。磁強計測量精度直接關系到地磁導航的精度, 因此必須制造出高精度的磁強計, 為地磁導航提供精確的地磁數據。( 2) 地磁場模型的建立。地磁模型和地磁圖是實現地磁導航的基礎和工具。因此, 地磁場模型的研究必不可少, 同時也是地磁導航的難點。對于區域的地磁場研究, 必須采用合適的方案建立能精確反映本地區本國情況的地磁場模型。( 3) 地磁匹配特征量的選取。地磁場有7個主要的特征量: 總磁場強度F、水平強度H、東向強度Y、北向強度X、垂直強度Z、磁偏角D和磁傾角I。在不同的情形下選擇合適的特征量是實現地磁匹配的關鍵因素。( 4) EKF算法的實現問題。當系統具有強的非線性時, 仍采用Taylor展開的方法進行一階近似,線性化過程會使系統產生較大的誤差, 甚至導致濾波發散, 難以穩定。因此必須采用合適的EKF的線性化方案。4 總結與展望地磁導航的發展受多學科制約, 在空間技術, 計算機技術、電子技術、通信技術、傳感器技術、控制技術地迅猛發展下, 地磁導航必將取得更大的研究成果。地磁導航技術的發展有以下幾方面的趨勢:(1) 地磁導航自身具有的自主性強, 隱蔽性好,效費比高, 應用范圍廣等優良特征將在地磁導航技術的發展中進一步得到體現;( 2) 導航系統將朝著組合式方向發展。慣導+地磁導航, GPS+地磁導航的組合導航方案更具有應用背景;( 3) 新技術、新方法(如新型傳感器、信息融合新方法等將促進地磁導航技術時在軍用民用領域發揮重要作用。當前, 地磁導航展現出了巨大的發展潛力, 已經成為國內外研究的熱點。我國多家科研單位已在無人機磁自主導航、近地衛星磁自主導航、地磁模型研制等領域取得了許多成就, 但其總體研發水平尚待進一步提高。隨著導航理論和地磁學的不斷發展,地磁導航必將得到越來越廣泛的應用。參考文獻1 張純學. 地磁導航技術及其應用 J. 飛航導彈, 2004 ( 2): 63- 65.2 穆華, 任治新, 胡小平, 等. 船用慣性/地磁導航系統信息融合策略與性能 J. 中國慣性技術學報, 2007, 15 ( 3): 322 -326.3 劉飛, 周賢高, 楊曄, 等. 相關地磁匹配定位技術 J. 中國慣性技術學報, 2007, 15 ( 1 ):