水下地磁匹配导航系统组成

7.1　水下地磁匹配导航系统组成

根据图7-1，水下地磁匹配导航系统由三个单元组成，即背景场单元、实测地磁序列单元和匹配导航单元。背景场单元是地磁匹配的参考单元，可以是地磁场模型或者具有一定分辨率的地磁数据;实时地磁序列单元包括观测地磁要素的磁力仪以及数据处理单元，其目的在于获取与背景场一致的地磁要素;匹配单元是地磁导航的核心单元，通过匹配算法，最终获得潜航器当前的位置。下面简要介绍这些组成部分在系统中的功能。

1.地磁背景场构建

地磁背景场是地磁匹配导航的参考场，需要通过一定的模型来构建。地磁背景场模型分为大区域地磁场模型，如国际地磁场模型IGRF(international geomagnetic reference field)、中国地磁场模型CGRF(China geomagnetic reference field)和局域地磁场模型(local geomagnetic reference field)。IGRF和CGRF模型的精度较低，一般为100nT左右，个别地区达到了200nT左右，不适用于高精度地磁匹配导航;局域地磁场模型需要实测局域地磁特征量，进而构建地磁场模型。

地磁场模型构建的是一个与位置相关的函数，借助这个函数，可计算不同位置的地磁特征值。利用这些特征值，可以绘制地磁特征量等值线或形成一定分辨率的格网，进而用于后续地磁匹配导航。

2.磁力仪

匹配导航时，磁力仪连续采集航行过程中不同位置的磁场特征量，并进行必要的改正，用于背景场测量以及实时磁序列的获取。

磁力仪测量的地磁要素主要有6类，分别是:

①地磁总强度;

②地磁水平分量;

③地磁垂直分量;

④地磁在x、y、z三个方向的三分量;

⑤磁偏角;

⑥磁倾角。

通常采用的海洋磁力仪有绝对磁力仪和相对磁力仪。

绝对磁力仪测定值的准确度由仪器本身确定，相对磁力仪测定值的准确度与绝对磁力仪比测后才能确定。常用的磁力仪有以下6种:

①地磁感应仪，用于测量地磁倾角;

②磁偏计，用于测量地磁偏角;

③石英丝水平强度磁力仪，用于测量地磁场水平强度的相对磁力仪;

④零点磁秤，用于测量地磁场垂直强度的相对磁力仪;

⑤磁通门磁力仪，用于测量地磁场强度和方向的相对磁力仪;

⑥质子旋进磁力仪，用于测量地磁场总强度的绝对磁力仪。

受潜航器磁场影响，为采集地球固有磁场，磁力仪多采用拖曳作业模式。

3.地磁数据处理

地磁数据处理的目的在于获取真实的地球固有地磁特征，实现实测地磁特征序列与地磁背景场的一致，为后续与背景场匹配进而获得当前位置服务。

磁力仪实测的原始地磁数据中夹杂着诸多影响因素，需要消除才能获得真实反映地球固有属性的地磁特征量。因此，需要进行各项改正处理，如地磁数据滤波、日变改正、船磁改正以及最终的地磁特征量计算。

实测地磁数据若用于地磁场建模，则地磁数据处理可在事后进行;若用于获取当前在航地磁特征序列，该项处理需实时进行，以便获得与背景场一致的地磁特征量，进而实现实时匹配导航定位。

4.匹配算法

匹配算法是地磁匹配导航系统的核心，借助该算法，可实现实测地磁特征序列与地磁背景场的匹配，进而从背景场中获得当前潜航器的位置。

考虑各个地磁特征量的特点，本章将地磁总强度作为研究对象，研究基于地磁总强度的水下地磁匹配导航。通常采用的匹配算法有TERCOM(terrain contour matching)算法、ICCP( iterative closest contour point)算法以及SITAN(sandia inertial terrain-aided navigation)算法。本章着重介绍前两种匹配算法及其改进算法。