测控仪器前沿技术作业.docx

测控仪器前沿技术作业-地磁导航技术发展现状姓 名： 流水号：班 级：专 业： 2013年5月15日1.引言地磁场是地球的固有资源, 为航空、航天、航海提供了天然的坐标系。自从1989年美国Cornell大学的Psiaki等人率先提出利用地磁场确定卫星轨道的概念以来, 这一方向成为国际导航领域的一大研究热点。地磁导航具有无源、无辐射、全天时、全天候、全地域、能耗低的优良特征, 其原理是通过地磁传感器测得的实时地磁数据与存储在计算机中的地磁基准图进行匹配来定位。由于地磁场为矢量场,在地球近地空间内任意一点的地磁矢量都不同于其他地点的矢量, 且与该地点的经纬度存在一一对应的关系。因此, 理论上只要确定该点的地磁场矢量即可实现全球定位随着空间技术的飞速发展, 地磁学与测绘学、空间物理学的交叉与综合不断加强, 地磁测量技术发生了根本的变化。地磁导航在导航定位、地球物理武器、战场电磁信息对抗等领域展现了巨大的军事潜力。近年来, 地磁导航技术获得了快速的发展, 其综合优势日益突出。利用地磁导航可以实现自主式的卫星导航和控制, 从而减少地面设备的工作量, 缓解因国土限制造成的地面测控站布点的困难, 降低了为保障卫星运行所提供的地面支持的费用; 利用地磁导航可及时确定卫星的空间位置, 提高了卫星测量数据的利用率, 降低了卫星运行对地面站的依赖作用, 提高了卫星生存能力, 即使地面跟踪测量被迫中断仍可保持飞行任务的连续性 1 。地磁导航具有无源性, 与其它有源制导和导航方式相比, 地磁制导与导航在军事领域有着无可比拟的优势。使用地磁制导的导弹抗干扰性能强, 突防能力得到大大提升。近年来, 地磁导航在工业部门, 航空航天等诸多领域发挥了重要作用, 越来越成为学术界关注的对象。2.地磁导航方案当载体在地表附近运行时, 地磁场强度的变化主要体现为异常场强度的变化, 由于地磁异常场非常稳定, 基本不随时间变化, 所以一般采用表示地磁异常场特征的地磁异常图作为地磁导航的参考数据。磁传感器测得的是测点的磁场强度总量, 包括地磁场和环境干扰磁场, 通过野值剔除和误差补偿等手段提取出地磁场信号后, 减去由地磁场模型给出的主磁场信号, 然后做日变校正等处理, 得到地磁异常强度的测量值。根据导航系统的位置输出在地磁异常图上读取对应的地磁异常强度, 与异常强度的实测值进行比较, 其差值反映导航定位误差; 对导航系统的位置输出进行修正, 使得导航系统指示的异常强度向着实测值靠拢, 即使得导航系统的定位结果向着真实位置靠拢2。按照地磁数据处理方式的不同, 地磁导航分为地磁匹配与地磁滤波两种方式3。1.1 地磁匹配所谓地磁匹配, 就是把预先规划好的航迹上末段区域某些点的地磁场特征量绘制成参考图(或称基准图)存贮在载体计算机中, 当载体飞越这些地区时, 由地磁匹配测量仪器实时测量出飞越这些点地磁场特征量, 以构成实时图。在载体上的计算机中, 对实时图与参考图进行相关匹配, 计算出载体的实时坐标位置, 供导航计算机解算导航信息。地磁匹配类似地形匹配系统, 区别在于地磁匹配可有多个特征量。由于图像匹配和地形匹配技术在某些场合存在一定缺陷, 研究地磁匹配导航制导技术具有重要的现实意义。例如在图像匹配时, 实时图是低空摄取的大视角图像, 而参考图是卫星遥感图, 由于不同天气条件下光照不同, 不同季节地表覆盖物的灰度不同, 以及山地、建筑物的相互遮挡等影响, 实时图和参考图之间存在较大的差异, 灰度和位移特征也都有变化, 影响匹配精度和可靠性。此外当飞行器飞越海洋和平原时, 其灰度和纹理等特征基本相同, 无法实现图像匹配, 因而利用稳定地形的地形匹配/ TERCOM0技术, 在海面和平原地区无法使用。因此, 在跨海制导方面, 地磁匹配制导具有无比的优越性。另外, 地磁匹配制导属于被动制导, 隐蔽性强,不受敌方干扰。俄罗斯曾以地磁场强度作为特征量, 采用磁通门传感器以地磁场等高线匹配制导方式(即MAGCOM)进行过实验。地磁匹配算法属于数字地图匹配技术, 是地磁导航的核心技术, 目前主要分两类4 : 一类强调它们之间的相似程度, 如互相关算法( COR )和相关系数法(CC); 另一类强调它们之间的差别程度, 如平均绝对差算法(MAD)、均方差算法(MSD)。在求最佳匹配点时, 前一类算法应求极大值, 后一类应取极小值。2.2 地磁滤波地磁匹配特点是原理简单, 可以断续使用; 在航行载体需要导航定位时, 即开即用; 对初始误差要求低, 导航不存在误差积累; 具有较高的匹配精度和捕获概率, 是一种较方便灵活的匹配方式。但是地磁匹配需要存储大量的地磁数据, 对于卫星, 导弹适用性不强, 这时通常采用地磁滤波。由于地磁场观测模型是非线性的, 在地磁导航滤波算法里, 多采用扩展卡尔曼滤波(EKF)、卡尔曼滤波方法(UKF)、自适应卡尔曼滤波, 联邦卡尔曼滤波等等, 目前主要采用的是前两种算法。EKF算法包括离散形式和连续形式两种, 被广泛应用于非线性系统。EKF 算法对非线性函数进行线性化近似, 通过对高阶项采用忽略或逼近来解决非线性问题。尽管EKF得到了广泛的使用, 但它存在如下不足:( 1) 当非线性函数Taylor 展开式的高阶项无法, 当非线性函数Taylor展开式的高阶项无法忽略时, 线性化会使系统产生较大的误差, 甚至于滤波器难以稳定;( 2) 在许多实际问题中很难得到非线性函数的雅克比矩阵;( 3) EKF 算法必须清楚了解非线性函数的具体形式, 无法作到黑盒封装, 从而难以实现模块化应用5。针对以上不足, 目前学者专家提出了众多对EKF的改进方法。由于近似非线性函数的概率密度分布比近似非线性函数更容易, 使用采样方法近似非线性分布来解决非线性问题的途径在最近得到了人们的广泛关注。采用随机线性化技术的EKF目前也得到了广泛应用。此外还有高阶截断EKF、迭代EKF等等, 这些算法都在一定程度上解决了EKF算法存在的问题, 从而使得EKF算法在地磁滤波中得到更为有效的使用。西安交通大学的赵敏华针对磁强计量测噪声为有色噪声伴常值干扰的特性, 提出了一种基于EKF的地磁导航算法。该算法为了使量测噪声白噪化,引入了2个新的状态变量, 此时测量噪声是零均值高斯白噪声, 并满足EKF算法的约束条件。卫星的实测数据仿真结果表明, 该导航算法具有较好的稳定性和收敛性, 克服了EKF 算法的发散问题。由哈尔滨工业大学的荣思远提出采用基于残差正交性质的EKF容错滤波方法, 实现了地磁导航中野值的即时修正和故障诊断, 使滤波器具有较强的鲁棒性。UKF算法是另外一大类利用采样策略逼近非线性分布的方法。UKF 以Unscented 变换为基础, 采用卡尔曼线性滤波框架, 与EKF相比, UKF能更好地逼近状态方程的非线性特性, 从而可能比EKF具有更好的估计精度。另外, UKF的计算量基本与EKF算法相当, 并且采用的是确定性采样, 从而避免了PF( Particle filter)的粒子点退化问题。目前UKF日益得到关注, 其应用领域也不断扩展, 基于UKF的地磁导航算法因其优越性得到越来越广泛的应用。荣思远将UKF算法用于磁测自主导航, 仿真结果显示, UKF 滤波方法精度要比EKF方法高。哈尔滨工业大学的高长生在建立了近地卫星高精度轨道动力学模型10 10阶地磁场模型的基础上, 分别以地磁场矢量和强度幅值作为观测量, 通过UKF实现了自主导航。天津航海仪器研究所的杨功流等人对UKF算法用于惯性/地磁导航系统的数据融合进行了深入研究。仿真表明, 特别是当系统非线性较大时, UKF性能明显优于EKF6。3 需解决的关键问题地磁导航是一个较新的研究领域, 虽然目前取得了一些成果, 但尚有以下几方面的问题值得关注:( 1) 磁强计测量精度的要求。磁强计测量精度直接关系到地磁导航的精度, 因此必须制造出高精度的磁强计, 为地磁导航提供精确的地磁数据。( 2) 地磁场模型的建立。地磁模型和地磁图是实现地磁导航的基础和工具。因此, 地磁场模型的研究必不可少, 同时也是地磁导航的难点。对于区域的地磁场研究, 必须采用合适的方案建立能精确反映本地区本国情况的地磁场模型。( 3) 地磁匹配特征量的选取。地磁场有7个主要的特征量: 总磁场强度F、水平强度H、东向强度Y、北向强度X、垂直强度Z、磁偏角D和磁倾角I。在不同的情形下选择合适的特征量是实现地磁匹配的关键因素。( 4) EKF算法的实现问题。当系统具有强的非线性时, 仍采用Taylor展开的方法进行一阶近似,线性化过程会使系统产生较大的误差, 甚至导致滤波发散, 难以稳定。因此必须采用合适的EKF的线性化方案。4 总结与展望地磁导航的发展受多学科制约, 在空间技术, 计算机技术、电子技术、通信技术、传感器技术、控制技术地迅猛发展下, 地磁导航必将取得更大的研究成果。地磁导航技术的发展有以下几方面的趋势:(1) 地磁导航自身具有的自主性强, 隐蔽性好,效费比高, 应用范围广等优良特征将在地磁导航技术的发展中进一步得到体现;( 2) 导航系统将朝着组合式方向发展。惯导+地磁导航, GPS+地磁导航的组合导航方案更具有应用背景;( 3) 新技术、新方法(如新型传感器、信息融合新方法等将促进地磁导航技术时在军用民用领域发挥重要作用。当前, 地磁导航展现出了巨大的发展潜力, 已经成为国内外研究的热点。我国多家科研单位已在无人机磁自主导航、近地卫星磁自主导航、地磁模型研制等领域取得了许多成就, 但其总体研发水平尚待进一步提高。随着导航理论和地磁学的不断发展,地磁导航必将得到越来越广泛的应用。参考文献1 张纯学. 地磁导航技术及其应用 J. 飞航导弹, 2004 ( 2): 63- 65.2 穆华, 任治新, 胡小平, 等. 船用惯性/地磁导航系统信息融合策略与性能 J. 中国惯性技术学报, 2007, 15 ( 3): 322 -326.3 刘飞, 周贤高, 杨晔, 等. 相关地磁匹配定位技术 J. 中国惯性技术学报, 2007, 15 ( 1 ):