国防科技大学气象海洋学院研究员朱小谦为您讲述——
地磁导航：地球母亲的“金手指”
■翁利斌 张添翼 解放军报记者 王握文
地球磁场南北极与地理南北极的指向及应用示意图。
地磁导航之所以被喻为地球母亲的“金手指”，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”功能。
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不断追求，卫星导航应用日益广泛，不可或缺。
在人类的生产生活中，除人们常用的卫星导航外，还有惯性导航、地磁导航等多种导航方式。
惯性导航，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。目前它在飞行器、导弹和武器平台上已有广泛应用。
地磁导航，则是一种无源自主导航技术。它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。既不用像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，因此又被喻为地球母亲的“金手指”。
天然“好向导”，兼当地球“保护伞”
生活中，信鸽能远距离飞行传递信息，大雁在秋天能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、茫茫大海不会迷失。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，看不见摸不着，无法让人们直接感知，但它又无处不在、无时不在。地磁场与地球相生相伴。随着地球系统的演化，它主要由地球内部磁性岩石和高空电流体系等产生。经过数亿年演化，目前地磁极与地理南北极正好相反，但两者位形并不完全重叠。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，基本上不会有什么异样感觉。
地磁场之所以能用作导航，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”功能。
地磁导航的原理，就是通过探测器实时获取地磁数据，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。
地磁场不仅具有导航功能，还充当地球“保护伞”的角色。地磁场从地下延伸至地球表面以上达数万公里，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。
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，一直是科学家们的追求。
上世纪60年代以来，随着科技的发展，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、水下潜航器等上面获得初步应用。
例如，基于地磁导航新理念、新技术，美国率先开展了低轨道航天器地磁导航研究，目前已研发出空中、地面和水下地磁导航系统，将其作为卫星导航定位系统的重要补充和备份。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。法国、德国和英国等也都开展了大量理论研究和实践活动，取得了一系列成果。
通过研究和应用表明，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：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；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；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；导航性能由地磁图和磁力计精度决定，误差不随时间累积，和惯性导航有很强的互补性，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，一定备受青睐并广泛应用。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、使用烦琐、推广应用较难，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等一系列难题。这些因素，导致地磁导航技术在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。
“前浪倒推后浪”，地磁导航焕发生机
长期处于沉寂状态的地磁导航技术，近年来开始成为研究热点。特别是大地测量、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。
不得不说，地磁导航之所以能够焕发生机，这主要得益于卫星导航等新兴导航技术的“助攻”。因为，任何事物都是一分为二的。卫星导航虽然具有快速、实时、高精度、全天候等优点，应用极为广泛，但也有其自身不足之处。如抗干扰性、保密性、可靠性脆弱以及极区、深山、地下和水下等信号覆盖不全而影响使用等诸多问题。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”从而失去战斗力。
正因如此，近年来，世界各主要国家都大力发展不依赖于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”，大有“前浪倒推后浪”之势。
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，也可与其他导航系统优化组合，进一步提升战场上导航定位的准确性、稳定性和适用性。
