地磁定位方法综述

地磁导航具有可用区域广泛、无累积误差、无源和隐蔽性强等优势,是未来定位导航与授时（PNT）体系中潜在的重要导航定位手段之一。地磁导航技术包括磁场信息的测量、地磁基准图的建立和地磁定位方法的设计3个重要内容。本文主要围绕地磁定位方法,调研总结了当前主流的地磁滤波、地磁匹配和磁场同时定位与构图(SLAM)三类方法的原理及技术发展路线,重点分析了不同方法的优缺点、适用场景、时效性、对磁图和传感器的需求,并对地磁定位方法的发展方向进行了展望。     

地磁导航技术研究进展

地磁场是地球的固有资源,利用地磁场匹配进行导航是一种新型导航技术.与传统的惯性导航和卫星导航比较,地磁导航具有无积累误差、抗干扰、隐蔽性好、导航信息丰富等优势.文章介绍了地磁导航的3个基本要素,即磁场测量技术、地磁模型以及定位与导航技术.分析了弱磁场磁力仪在地磁导航中的应用及其优缺点,讨论了地磁场模型和地磁匹配算法,展望了地磁导航技术的应用前景.     

基于自由基对理论的仿生磁航向传感技术

针对国内外的最新研究进展,本文分别从生物地磁导航的磁感应机制发展、不同磁敏材料的合成制备、磁敏材料的磁场效应检测及其灵敏度的提升等3个方面进行了详细的分析论述,着重对不同种磁敏材料的磁敏性能以及各自在响应磁场大小及方向上的优劣作了对比与分析。最后,在此研究的基础上总结了目前生物地磁导航研究所面临的困难及其发展前景。未来对满足磁感应机制的磁敏分子的更深一步研究将进一步推动仿生磁传感技术的发展,并最终走向实际应用。     

面向相关匹配算法应用的地磁图适配性分析

在研究惯性/地磁组合导航技术的基础上,提出了一种面向相关匹配算法应用的地磁图适配性分析方法。给出了地磁图适配性的定义,并通过分析地磁图的相关曲面特征,建立了地磁图适配性与相关曲面的相关峰尖锐性系数、独立性系数和抗噪声能力系数的定量关系,给出了一种综合评价准则。实验证明,利用这种评价准则判断地磁图适配性得出的结论,与通过相关匹配实验,计算地磁图的配准概率来判断地磁图适配性得出的结论一致,表明这是一种十分有效的判断地磁图适配性的方法。     

一种无人机罗差修正方法

栽体磁场的干扰是导致地磁导航精度较低的主要因素,在对无人机载体磁场干扰地磁场产生的地磁测量误差简要分析的基础上,将小姿态时地磁匹配导航采用的12系数误差补偿模型引入一种无人机地磁定向导航的罗差修正.在静态条件下,利用无磁转台分别获取无人机在±30°姿态角范围内有无干扰源的磁测数据.实验数据分析表明,通过补偿,栽体航向角在±5°范围内其误差均方差由2.174°下降到0.350°,其余角度下航向角误差均方差则由2.282°下降到0.732°,满足无人机在大角度姿态飞行时航向稳定度优于±3°的要求.     

基于分形维数的地磁图适配性研究

针对地磁匹配导航对匹配区适配性研究的需求,提出一种基于分形维数分析地磁匹配区适配性的方法,从原理上分析了分形维数与适配性之间的关系,在几块选定区域的地磁图上分别对分形维数进行了计算和分析,最后在上述选定区域进行了匹配仿真试验.结果表明:匹配仿真试验中所反映的地磁图适配特性与提出的方法分析所得结果具有良好的一致性,分形维数在指示地磁图适配性上具有优良的性能.     

基于UKF的高动态飞行器无源组合导航系统研究

针对飞行器在进行高动态飞行中卫星导航系统易受干扰、GPS可能被屏蔽,从而导致导航系统失稳甚至发散的问题,采用无迹卡尔曼滤波(UKF)算法对基于捷联惯导系统(SINS)、地磁导航系统(GNS)和嵌入式大气数据系统(FADS)的组合无源导航系统性能进行了改进.建立了地磁数据模型和无源组合导航模型,并针对新的组合导航系统观测方程非线性程度较高问题,提出了利用非线性UKF对导航数据进行融合的方法.利用高动态飞行轨迹对所提出的组合导航系统进行了仿真及误差分析,结果表明该系统对SINS误差估计具有适中的精度.     

地磁辅助的无缝INS/GPS组合导航研究

INS/GPS组合导航已经成为当前无人机导航系统的主要实现形式,由于GPS信号容易受到干扰,在恶劣的电磁环境下信号易丢失,从而导致GPS卫星信号失锁而无法使用。地磁导航作为一种无源导航方法,其难以受到外界干扰且具有较强的自主性,从而为克服GPS在干扰情况下无法对INS误差实现持续无缝修正的不足提供了很好的途径。针对INS/GPS组合导航中GPS卫星信号失锁的情况,设计提出了使用地磁匹配导航进行辅助实现无人机无缝导航的实现方案,设计了基于地磁特征的地磁匹配算法和地磁匹配辅助的INS/GPS组合无缝自主导航算法,并通过仿真验证了采用地磁匹配辅助导航方法,可以在GPS无效的情况下,实现对INS导航误差的持续无缝修正,从而提高导航系统性能。     

飞行器组网多维地磁匹配的相关度算法

地磁匹配导航技术是跨海飞行器的自主导航方式之一。海洋磁场强度平滑、区域变化较大的特点,使得飞行器一维地磁匹配方法难以应用于飞行器自主导航。在跨海飞行器组网条件下,讨论了多维地磁匹配相关度算法,并仿真计算了多维地磁匹配相关度的匹配时间、匹配概率,计算表明多维地磁匹配相关度算法优于单航迹匹配相关度;在相同概率下区域内370 m×370 m网格匹配时间短、匹配概率高。飞行器组网多维地磁匹配的相关度算法研究为海洋区域地磁匹配导航应用提供参考。     

基于多参量信息的水下地磁滤波导航算法

由于水下运载器使用地磁滤波导航方法时难收敛、易发散,根据水下运载 器的特点设计了一种基于多参量信息的水下地磁滤波导航算法。针对单纯使用地磁数据 进行位置匹配精度较差的问题,该算法在匹配及滤波过程中引入了地磁强度、航向、航 速等多参量信息,采用非线性滤波框架进行信息融合,采用粒子群算法根据多参量信息 进行位置搜索,并以之为系统滤波的观测值,通过提高位置观测精度改进滤波的收敛性 和鲁棒性。仿真结果表明,算法滤波精度高,稳定性好,能够较好地抑制各类传感器干 扰和误差对滤波估计的影响,适用于水下运载器的地磁导航定位。     

Global solar magnetic field evolution inferred from geomagnetic variations

I have analyzed geomagnetic disturbance index C9, mean solar magnetic field observed at Stanford Solar Observatory for the interval January 13, 1976 – December 30, 1993. It has been established a good correspondence between high-intensity geomagnetic recurrent and solar magnetic field patterns during whole period analyzed. A surprising thing is that the behavior of the solar mean field and interplanetary medium in the latest two solar cycles is very similar. Geomagnetic activity variations actually could serve as an ecliptic monitor of solar magnetic field structure and its evolution.     

基于改进的磁场检验和主方向算法的行人航向估计

针对以惯导为核心的行人定位算法存在航向角失真的问题，提出了一种融合惯性测量单元(IMU)和磁力计的行人导航算法，利用步幅航向的变化量将行人的运动分为直线行走和曲线行走两部分，当检测到行人直线行走时，提出一种实时建立主方向的自适应航向角漂移修正算法，对航行角误差进行补偿；当行人曲线行走时，辅助地磁场信息，使用磁场强度、地磁倾角、惯性导航系统(inertial navigation system，INS)与磁力计解算的航向角之差这三个特征值构建广义似然比检验量，对磁场进行判断获得稳定状态磁场信息，通过卡尔曼滤波对航向角误差进行补偿。将传感器置于足部进行实验，实验结果表明,两种算法可以实现优势互补，有效地抑制地磁信息的干扰，提高导航精度，算法结果相对于无航向角修正的零速修正算法、零角速度更新算法和单独使用磁力计进行融合的算法，定位误差分别降低了91.02%、82.93%和61.39%，室外和室内终点定位误差分别为4.545 4 m和0.543 6 m，占总路程的0.69%和0.17%。     

低轨微纳卫星全磁自主导航算法研究

针对低轨微纳卫星体积小、功耗低的设计约束,提出了基于低轨地磁的定轨/定姿全磁自主导航算法.该算法仅利用三轴磁强计测量值和卫星动力学方程建立Kalman滤波器,实现了低轨微纳卫星的全自主轨道确定和姿态测量,理论仿真结果表明,该全磁导航算法精度能够满足低轨微纳卫星的一般要求.利用高精度地磁模拟器搭建了微纳卫星全磁自主导航地面仿真验证系统,对算法进行了全物理仿真测试和实验误差分析,进一步验证了全磁自主导航算法的可行性,为低轨微纳卫星提供了一种低成本、高自主、高可靠性的导航方法.     

导航通信融合定义、方式与典型系统

随着人们对定位安全和定位准确性要求的提升,仅仅依赖卫星导航系统已经不能满足用户在各种复杂环境下的个性化定位需求,在此背景下,通信导航一体化技术应运而生。移动通信网络具有覆盖广、用户数量大和安全保密性好等优点,将通信系统作为卫星导航系统的有效补充,可以有效提升导航系统的性能。导航通信融合技术已经成为导航领域未来发展的重要技术热点,但目前缺乏清晰的导通融合架构和导通融合方式。从导通融合的技术层面进行划分,提出了波形融合、信息融合、硬件融合三种导通融合方式,分析了通信系统的辅助信息对导航系统精度和抗干扰能力的影响,以及两种典型的导通融合系统的优缺点,并对其未来的发展进行了展望,补充了导航通信融合技术的基础理论,对导通融合技术的发展具有重大意义。     

面向室内场景的惯性磁感应定位方法

针对卫星拒止的室内导航问题，在现有磁信标定位技术的基础上，通过分析低频旋转磁场的特点，建立了一种不受传感器姿态和磁信标磁矩信息影响的磁感应矢量夹角观测模型，并结合MEMS惯性导航的误差模型提出了一种以磁感应矢量夹角的正余弦值为量测信息的惯性磁感应动态定位方法，避免了磁传感器姿态误差和磁矩误差对定位结果的影响。利用实验室的双轴磁信标实验系统进行静态测试，验证了磁感应定位模型具有不受传感器姿态、环境中遮挡物以及磁矩影响的特点；通过数值仿真的方式对基于无迹卡尔曼滤波（UKF）的惯性磁感应定位方法进行验证，结果表明该方法能有效地抑制惯性导航的发散，且位置最大误差小于0.75 m，满足大多数室内场景下的高精度导航定位需求。     

导航通信融合定义、方式与典型系统

随着人们对定位安全和定位准确性要求的提升，仅仅依赖卫星导航系统已经不能满足用户在各种复杂环境下的个性化定位需求，在此背景下，通信导航一体化技术应运而生。移动通信网络具有覆盖广、用户数量大和安全保密性好等优点，将通信系统作为卫星导航系统的有效补充，可以有效提升导航系统的性能。导航通信融合技术已经成为导航领域未来发展的重要技术热点，但目前缺乏清晰的导通融合架构和导通融合方式。从导通融合的技术层面进行划分，提出了波形融合、信息融合、硬件融合三种导通融合方式，分析了通信系统的辅助信息对导航系统精度和抗干扰能力的影响，以及两种典型的导通融合系统的优缺点，并对其未来的发展进行了展望，补充了导航通信融合技术的基础理论，对导通融合技术的发展具有重大意义。