地磁導航之所以被喻為(wèi)地球母親的“金手指”，是因為(wèi)地球上任意一點，都有(yǒu)唯一的磁場大小(xiǎo)和方向與之對應，并且與該點的三維地理(lǐ)坐(zuò)标相匹配，使它具(jù)有(yǒu)“向導”功能(néng)。
7月31日，北鬥三号全球衛星導航系統正式開通，标志(zhì)着我國(guó)成為(wèi)世界上第三個獨立擁有(yǒu)全球衛星導航系統的國(guó)家。北鬥閃耀，澤沐八方。随着人類社會進步和人們對美好生活的不斷追求，衛星導航應用(yòng)日益廣泛，不可(kě)或缺。
在人類的生産(chǎn)生活中(zhōng)，除人們常用(yòng)的衛星導航外，還有(yǒu)慣性導航、地磁導航等多(duō)種導航方式。
慣性導航，通過測量飛行器加速度，自動進行積分(fēn)運算而獲得飛行器速度和位置數據，工(gōng)作(zuò)時不依賴外界信息，也不易受到幹擾，是一種自主式導航系統。目前它在飛行器、導彈和武器平台上已有(yǒu)廣泛應用(yòng)。
地磁導航，則是一種無源自主導航技(jì )術。它把地磁場當作(zuò)一個天然的“坐(zuò)标系”，利用(yòng)地磁場的測量信息來實現對飛行器、船舶、潛艇等進行導航定位。既不用(yòng)像衛星導航那樣需要依賴外界設備的幫助，也不像慣性導航那樣存在誤差累積，其較強的抗幹擾和生存能(néng)力，使它逐漸發展成為(wèi)一種熱門的導航技(jì )術，因此又(yòu)被喻為(wèi)地球母親的“金手指”。
天然“好向導”，兼當地球“保護傘”
生活中(zhōng)，信鴿能(néng)遠(yuǎn)距離飛行傳遞信息，大雁在秋天能(néng)大規模有(yǒu)序向南遷徙，動物(wù)具(jù)備的這種定向運動能(néng)力，其實是利用(yòng)了地球磁場。在古代，我們的祖先發現了地磁場在辨别方向上的作(zuò)用(yòng)，進而發明了指南針，使人們在荒野戈壁、茫茫大海不會迷失。這是地磁導航最早和最簡單的應用(yòng)。
衆所周知，地磁場與重力場一樣，看不見摸不着，無法讓人們直接感知，但它又(yòu)無處不在、無時不在。地磁場與地球相生相伴。随着地球系統的演化，它主要由地球内部磁性岩石和高空電(diàn)流體(tǐ)系等産(chǎn)生。經過數億年演化，目前地磁極與地理(lǐ)南北極正好相反，但兩者位形并不完全重疊。因此，在全球各地，會存在不同的磁偏角。科(kē)學(xué)家經過長(cháng)期觀測和研究發現，磁極存在“漂移”或“翻轉”現象，隻不過是一個緩變的過程，南北磁極平均數十萬年才會翻轉一次。所以，生活在地球上的人們，基本上不會有(yǒu)什麽異樣感覺。
地磁場之所以能(néng)用(yòng)作(zuò)導航，是因為(wèi)地球上任意一點，都有(yǒu)唯一的磁場大小(xiǎo)和方向與之對應，并且與該點的三維地理(lǐ)坐(zuò)标相匹配，使它具(jù)有(yǒu)“向導”功能(néng)。
地磁導航的原理(lǐ)，就是通過探測器實時獲取地磁數據，與預先制作(zuò)的地磁圖或模型，匹配比對磁場大小(xiǎo)、方向、梯度等信息，來實現導航定位功能(néng)。當然，也可(kě)采用(yòng)地磁異常點或人工(gōng)部署磁标等方式作(zuò)為(wèi)參照物(wù)，用(yòng)來估算相對位置信息。
地磁場不僅具(jù)有(yǒu)導航功能(néng)，還充當地球“保護傘”的角色。地磁場從地下延伸至地球表面以上達數萬公(gōng)裏，呈橢圓形結構包裹着地球。茫茫宇宙中(zhōng)，地磁場阻擋屏蔽了大量來自太陽系、銀河系的輻射粒子，阻止其直接入侵到地球表面，才使人類賴以生存的地球生機盎然。
優點很(hěn)突出，缺點也不少
地球磁場是地球固有(yǒu)的物(wù)理(lǐ)場，許多(duō)動物(wù)利用(yòng)其進行導航，但與精(jīng)确導航定位相差甚遠(yuǎn)。人類總是在探索未知中(zhōng)不斷前行，把地磁場當作(zuò)一個天然的“坐(zuò)标系”。利用(yòng)地磁場來導航定位，一直是科(kē)學(xué)家們的追求。
上世紀60年代以來，随着科(kē)技(jì )的發展，地磁導航技(jì )術研究取得一定進展，并在空中(zhōng)飛行器、水面船舶、水下潛航器等上面獲得初步應用(yòng)。
例如，基于地磁導航新(xīn)理(lǐ)念、新(xīn)技(jì )術，美國(guó)率先開展了低軌道航天器地磁導航研究，目前已研發出空中(zhōng)、地面和水下地磁導航系統，将其作(zuò)為(wèi)衛星導航定位系統的重要補充和備份。俄羅斯通過對地磁導航技(jì )術的深入研究，成功應用(yòng)于導彈制導，有(yǒu)效增強了突防能(néng)力。法國(guó)、德(dé)國(guó)和英國(guó)等也都開展了大量理(lǐ)論研究和實踐活動，取得了一系列成果。
通過研究和應用(yòng)表明，與人們熟知的衛星、慣性、地形、天文(wén)和無線(xiàn)電(diàn)等導航技(jì )術相比，地磁導航技(jì )術具(jù)有(yǒu)很(hěn)多(duō)獨特的優點：地磁場測量和應用(yòng)不受時間、位置、天氣等因素影響，陸、海、空、天都能(néng)适用(yòng)，具(jù)備全天候、全區(qū)域特點；作(zuò)為(wèi)與生俱來的物(wù)理(lǐ)場，它具(jù)有(yǒu)無源、抗幹擾性強、隐蔽性好等天然優點；地磁場有(yǒu)大小(xiǎo)和方向等多(duō)個特征量，可(kě)用(yòng)于導航匹配的參數選擇很(hěn)多(duō)；導航性能(néng)由地磁圖和磁力計精(jīng)度決定，誤差不随時間累積，和慣性導航有(yǒu)很(hěn)強的互補性，可(kě)作(zuò)為(wèi)衛星導航的補充和備份。
按理(lǐ)說，擁有(yǒu)如此衆多(duō)優點的地磁導航，一定備受青睐并廣泛應用(yòng)。然而，理(lǐ)想很(hěn)豐滿，現實太骨感。自從上世紀90年代，以GPS為(wèi)代表的全球衛星導航定位技(jì )術誕生并廣泛應用(yòng)後，便在導航領域占據壟斷地位。慣性導航則以精(jīng)度高和小(xiǎo)型化等優勢，在飛行器、潛航器上占領市場。而曆史悠久的地磁導航卻“時運不濟”。相比之下，其自身缺點也暴露無遺：地磁導航技(jì )術精(jīng)度較低、使用(yòng)煩瑣、推廣應用(yòng)較難，同時還面臨地磁場精(jīng)确感知、高精(jīng)度地磁圖構建、高效導航匹配算法設計等一系列難題。這些因素，導緻地磁導航技(jì )術在較長(cháng)時間内處于研究探索階段，長(cháng)期處于沉寂狀态而沒有(yǒu)得到廣泛應用(yòng)。
“前浪倒推後浪”，地磁導航煥發生機
長(cháng)期處于沉寂狀态的地磁導航技(jì )術，近年來開始成為(wèi)研究熱點。特别是大地測量、地球物(wù)理(lǐ)等領域的技(jì )術進步，使地磁導航技(jì )術獲得了較快發展。基于重力場測量、地磁場測量等地磁導航方法，開始逐漸受到人們的青睐。
不得不說，地磁導航之所以能(néng)夠煥發生機，這主要得益于衛星導航等新(xīn)興導航技(jì )術的“助攻”。因為(wèi)，任何事物(wù)都是一分(fēn)為(wèi)二的。衛星導航雖然具(jù)有(yǒu)快速、實時、高精(jīng)度、全天候等優點，應用(yòng)極為(wèi)廣泛，但也有(yǒu)其自身不足之處。如抗幹擾性、保密性、可(kě)靠性脆弱以及極區(qū)、深山(shān)、地下和水下等信号覆蓋不全而影響使用(yòng)等諸多(duō)問題。特别是在戰時，衛星一旦受到攻擊毀壞，很(hěn)難短時間内修複，依賴于衛星導航技(jì )術的大量高精(jīng)尖武器，将面臨“失明”從而失去戰鬥力。
正因如此，近年來，世界各主要國(guó)家都大力發展不依賴于衛星信号的導航定位新(xīn)技(jì )術。如利用(yòng)多(duō)種來源的外界光、電(diàn)、磁、重力等信号，來實現導航和定位。尤其是隐蔽性好、成本低、抗幹擾、精(jīng)度适中(zhōng)的地磁導航技(jì )術，逐漸成為(wèi)導航定位領域的“新(xīn)寵”，大有(yǒu)“前浪倒推後浪”之勢。
随着大地測量、地球物(wù)理(lǐ)等領域研究的逐步深入，高精(jīng)度、高靈敏、高便捷新(xīn)型地磁感知儀器的不斷研發，以及人工(gōng)智能(néng)技(jì )術的快速興起，地磁導航面臨的一系列難題正逐步得到解決。此外，水下有(yǒu)人和無人潛航器、室内和地下空間活動等對導航定位需求的日益迫切，也給地磁導航技(jì )術帶來了新(xīn)的發展機遇。
目前已有(yǒu)試驗表明，基于智能(néng)手機内置磁力計和雲端地磁圖，理(lǐ)論上可(kě)以為(wèi)用(yòng)戶提供米級精(jīng)度的定位服務(wù)，可(kě)在地下礦井、停車(chē)場、大型建築内等場所應用(yòng)。
地磁導航技(jì )術隐蔽性好、抗幹擾性強的優點，也決定了它在軍事領域具(jù)有(yǒu)廣泛的應用(yòng)潛力。它既可(kě)作(zuò)為(wèi)獨立導航系統工(gōng)作(zuò)，也可(kě)與其他(tā)導航系統優化組合，進一步提升戰場上導航定位的準确性、穩定性和适用(yòng)性。
來源：解放軍報
作(zuò)者：翁利斌 張添翼
本報記者 王握文(wén)
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