国防科普加油站（15)地磁导航：地球母亲的“金手指”

2020年7月31日，北斗三号全球卫星导航系统正式开通，标志着我国成为世界上第三个独立拥有全球卫星导航系统的国家。北斗闪耀，泽沐八方，随着人类社会进步和人们对美好生活的追求，卫星导航应用广泛，不可或缺。

在人类的生产生活中，除人们常用的卫星导航之外，还有惯性导航、地磁导航、重力导航、地形导航、天文导航等多种导航方式。其中惯性导航，它是通过测量飞行器加速度，自动进行积分运算而获得飞行器速度和位置数据，工作时不依赖外界信息，也不易受到干扰，是一种自主式导航系统，它在飞行器、导弹和武器平台上已有广泛应用。而地磁导航则是一种无源自主导航技术，它是把地磁场当作一个天然的坐标系, 利用地磁场的测量信息来实现对飞行器、船舶、潜艇等进行导航定位的技术，既不要卫星导航那样需要依赖外界设备的帮助，也不像惯性导航那样存在误差累积，其较强的抗干扰和生存能力，使它逐渐发展成为一种热门的导航技术。

天然“好向导”，兼当地球“保护伞”

生活中，通过细心观察就会发现，信鸽能够远距离飞行传递信息、大雁在秋天大规模有序向南迁徙，动物具备的这种定向运动能力，其实是利用了地球磁场。在古代，我们的祖先发现了地磁场在辨别方向上的作用，进而发明了指南针，使人们在荒野戈壁、茫茫大海不迷失自我，这是地磁导航最早和最简单的应用。

众所周知，地磁场与重力场一样，看不见也摸不着，无法让人们直接感知，但它又无处不在、无时不在地“刷存在感”。地磁场与地球相生相伴，随着地球系统演化，它主要由地球内部磁性岩石和高空电流体系等产生。经过数亿年的演化，目前地磁极与地理南北极正好相反，但两者位型并不完全重叠，因此，在全球各地会存在不同的磁偏角。科学家经过长期观测和研究发现，磁极存在“漂移”或“翻转”现象，只不过是一个非常缓变的过程，南北磁极平均数十万年才会翻转一次，所以生活在地球上的人们基本不会有什么异样感觉。地磁场之所以能够用作导航，是因为地球上任意一点都有唯一的磁场大小和方向与之对应，并且与该点的三维地理坐标相匹配，使它具有“向导”的功能。地磁导航的原理，就是通过探测器实时获取的地磁数据，与预先制作的地磁图或模型，匹配比对磁场大小、方向、梯度等信息来实现导航定位功能。当然，也可采用地磁异常点或人工部署磁标等方式作为参照物，用来估算相对位置信息，但精度与前者相比，会有所下降。

地磁场不仅具有导航功能，还充当了地球“保护伞”的角色。地磁场从地下延伸至地球表面数万公里，呈椭圆形结构包裹着地球。茫茫宇宙中，地磁场阻挡屏蔽了大量来自太阳系、银河系的辐射粒子，阻止其直接入侵到地球表面，才使人类赖以生存的地球生机盎然。

地球磁场充当“保护伞”，阻挡了大量外太空各种辐射

优点很突出，缺点也不少

地球磁场是地球固有的物理场，许多动物利用其进行导航，但与精确导航定位相差甚远。人类总是在探索未知中不断前行，把地磁场当作一个天然的坐标系, 利用地磁场来导航定位，一直是科学家的追求和探索方向。上世纪60年代以来，随着科学技术的发展，地磁导航技术研究取得一定进展，并在空中飞行器、水面船舶、水下潜航器等获得初步应用。例如，美国基于地磁场导航新理念、新技术，率先开展了低轨道航天器地磁导航研究，经过多年研究与创新，已经研发出空中、地面和水下地磁导航系统，将其作为卫星导航定位系统重要补充和备份。俄罗斯通过对地磁导航技术的深入研究，成功应用于导弹制导，有效增强了突防能力。此外，法国、德国和英国等也都开展了大量理论研究和实践工作，取得了一系列成果。

一系列的研究与应用表明，与人们熟知的卫星、惯性、地形、天文和无线电等导航技术相比，地磁导航技术具有很多独特的优点：首先，地磁场测量和应用不受时间、位置、天气等因素影响，陆、海、空、天都能适用，具备全天候、全区域特点；其次，作为与生俱来的物理场，它具有无源、抗干扰性强、隐蔽性好等天然优点；第三，地磁场有大小和方向等多个特征量，可用于导航匹配的参数选择很多；最后，导航性能由地磁图和磁力计精度决定，误差不随时间累积，与惯性导航具有很强互补性，也可作为卫星导航的补充和备份。

按理说，拥有如此众多优点的地磁导航，一定会倍受青睐并广泛应用。然而，“理想很丰满，现实太骨感”。自从上世纪90年代以GPS为代表的全球卫星导航定位技术诞生并广泛应用后，便在导航领域占据着垄断地位，惯性导航则以精度高和小型化等优势在飞行器、潜航器上占领市场，而历史悠久的地磁导航却时运不济。相比之下，其自身缺点也暴露无遗，地磁导航技术精度较低、使用繁琐、推广应用较难等问题日益凸显，同时还面临地磁场精确感知、高精度地磁图构建、高效导航匹配算法设计、消除太阳爆发活动扰动影响、极区适用性差等一系列难题，这些因素导致地磁导航技术较长时间内处于研究探索阶段，长期处于“沉寂”状态而没有得到广泛应用。

指南针，人类合理利用大自然资源的典范

除了指明方向，地磁场还可以用于定位和姿态校准

导航“后浪推前浪”，地磁导航焕发生机

可谓“风水轮流转”，长期处于“沉寂”状态的地磁导航，近年来开始成为了研究热点，特别是随着大地测量、地球物理等领域的技术进步，使地磁导航技术获得了较快的发展，基于重力场测量、地磁场测量等地磁导航方法开始逐渐受到人们的青睐。

有趣的是，地磁导航能够焕发生机，还得益于卫星导航等新兴导航技术的助攻，正所谓“长江后浪推前浪”，而不像当今网络语言所描绘的“前浪死在沙滩上”。因为，任何事物都是一分为二的，卫星优点虽然具有快速、实时、高精度、全天候等优点，应用也极为广泛，但也有其自身不足之处，如普遍面临抗干扰性、保密性、可靠性、鲁棒性日渐脆弱等问题，以及极区、深山、地下和水下等信号覆盖不全面影响使用等问题，并不能达到十全十美，特别是在战时，卫星一旦受到攻击毁坏，很难短时间内修复，依赖于卫星导航技术的大量高精尖武器将面临“失明”而失去战斗力。正因为如此，近年来，世界各主要国家都大力发展不依赖卫星信号的导航定位新技术，如利用多种来源的外界光、电、磁、重力等信号来实现导航和定位，尤其是隐蔽性好、成本低、抗干扰、精度适中的地磁导航技术，逐渐成为导航定位领域的“新宠儿”。

近年来，随着大地测量、地球物理等领域研究的逐步深入，高精度、高灵敏、高便捷新型地磁感知仪器的不断研发，以及人工智能技术的快速兴起，地磁导航面临的一系列难题正逐步得到解决。此外，水下有人和无人潜航器、室内和地下空间活动等对导航定位需求的日益迫切，也给地磁、重力场等导航技术带来了新的发展机遇。目前已有试验表明，基于智能手机内置磁力计和云端地磁图，理论上可以为用户提供米级精度的定位服务，可在地下矿井、停车场、大型建筑内部等场所应用。地磁导航技术隐蔽性好、抗干扰性强的优点也决定了它在国防和军事领域具有广泛的应用潜力，它既可作为独立导航系统工作，也可与其它导航系统优化组合，进一步提高战场上导航定位的准确性、稳定性和适用性。（作者：王握文、翁利斌、张添翼 来源：国防科技大学“科普中国”共建基地）