國防科技大學氣象海洋學院研究員朱小謙為您講述——
地磁導航︰地球母親的「金手指」
■翁利斌 張添翼 解放軍報記者 王握文
地球磁場南北極與地理南北極的指向及應用示意圖。
地磁導航之所以被喻為地球母親的「金手指」，是因為地球上任意一點，都有唯一的磁場大小和方向與之對應，並且與該點的三維地理坐標相匹配，使它具有「向導」功能。
7月31日，北鬥三號全球衛星導航系統正式開通，標志著我國成為世界上第三個獨立擁有全球衛星導航系統的國家。北鬥閃耀，澤沐八方。隨著人類社會進步和人們對美好生活的不斷追求，衛星導航應用日益廣泛，不可或缺。
在人類的生產生活中，除人們常用的衛星導航外，還有慣性導航、地磁導航等多種導航方式。
慣性導航，通過測量飛行器加速度，自動進行積分運算而獲得飛行器速度和位置數據，工作時不依賴外界信息，也不易受到幹擾，是一種自主式導航系統。目前它在飛行器、導彈和武器平臺上已有廣泛應用。
地磁導航，則是一種無源自主導航技術。它把地磁場當作一個天然的「坐標系」，利用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力，使它逐漸發展成為一種熱門的導航技術，因此又被喻為地球母親的「金手指」。
天然「好向導」，兼當地球「保護傘」
生活中，信鴿能遠距離飛行傳遞信息，大雁在秋天能大規模有序向南遷徙，動物具備的這種定向運動能力，其實是利用了地球磁場。在古代，我們的祖先發現了地磁場在辨別方向上的作用，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。
眾所周知，地磁場與重力場一樣，看不見摸不著，無法讓人們直接感知，但它又無處不在、無時不在。地磁場與地球相生相伴。隨著地球系統的演化，它主要由地球內部磁性巖石和高空電流體系等產生。經過數億年演化，目前地磁極與地理南北極正好相反，但兩者位形並不完全重疊。因此，在全球各地，會存在不同的磁偏角。科學家經過長期觀測和研究發現，磁極存在「漂移」或「翻轉」現象，只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，基本上不會有什麼異樣感覺。
地磁場之所以能用作導航，是因為地球上任意一點，都有唯一的磁場大小和方向與之對應，並且與該點的三維地理坐標相匹配，使它具有「向導」功能。
地磁導航的原理，就是通過探測器實時獲取地磁數據，與預先製作的地磁圖或模型，匹配比對磁場大小、方向、梯度等信息，來實現導航定位功能。當然，也可採用地磁異常點或人工部署磁標等方式作為參照物，用來估算相對位置信息。
地磁場不僅具有導航功能，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裡，呈橢圓形結構包裹著地球。茫茫宇宙中，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。
優點很突出，缺點也不少
地球磁場是地球固有的物理場，許多動物利用其進行導航，但與精確導航定位相差甚遠。人類總是在探索未知中不斷前行，把地磁場當作一個天然的「坐標系」。利用地磁場來導航定位，一直是科學家們的追求。
上世紀60年代以來，隨著科技的發展，地磁導航技術研究取得一定進展，並在空中飛行器、水面船舶、水下潛航器等上面獲得初步應用。
例如，基於地磁導航新理念、新技術，美國率先開展了低軌道太空飛行器地磁導航研究，目前已研發出空中、地面和水下地磁導航系統，將其作為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術的深入研究，成功應用於導彈制導，有效增強了突防能力。法國、德國和英國等也都開展了大量理論研究和實踐活動，取得了一系列成果。
通過研究和應用表明，與人們熟知的衛星、慣性、地形、天文和無線電等導航技術相比，地磁導航技術具有很多獨特的優點︰地磁場測量和應用不受時間、位置、天氣等因素影響，陸、海、空、天都能適用，具備全天候、全區域特點；作為與生俱來的物理場，它具有無源、抗幹擾性強、隱蔽性好等天然優點；地磁場有大小和方向等多個特徵量，可用於導航匹配的參數選擇很多；導航性能由地磁圖和磁力計精度決定，誤差不隨時間累積，和慣性導航有很強的互補性，可作為衛星導航的補充和備份。
按理說，擁有如此眾多優點的地磁導航，一定備受青睞並廣泛應用。然而，理想很豐滿，現實太骨感。自從上世紀90年代，以GPS為代表的全球衛星導航定位技術誕生並廣泛應用後，便在導航領域佔據壟斷地位。慣性導航則以精度高和小型化等優勢，在飛行器、潛航器上佔領市場。而歷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︰地磁導航技術精度較低、使用煩瑣、推廣應用較難，同時還面臨地磁場精確感知、高精度地磁圖構建、高效導航匹配算法設計等一系列難題。這些因素，導致地磁導航技術在較長時間內處於研究探索階段，長期處於沉寂狀態而沒有得到廣泛應用。
「前浪倒推後浪」，地磁導航煥發生機
長期處於沉寂狀態的地磁導航技術，近年來開始成為研究熱點。特別是大地測量、地球物理等領域的技術進步，使地磁導航技術獲得了較快發展。基於重力場測量、地磁場測量等地磁導航方法，開始逐漸受到人們的青睞。
不得不說，地磁導航之所以能夠煥發生機，這主要得益於衛星導航等新興導航技術的「助攻」。因為，任何事物都是一分為二的。衛星導航雖然具有快速、實時、高精度、全天候等優點，應用極為廣泛，但也有其自身不足之處。如抗幹擾性、保密性、可靠性脆弱以及極區、深山、地下和水下等信號覆蓋不全而影響使用等諸多問題。特別是在戰時，衛星一旦受到攻擊毀壞，很難短時間內修復，依賴於衛星導航技術的大量高精尖武器，將面臨「失明」從而失去戰鬥力。
正因如此，近年來，世界各主要國家都大力發展不依賴於衛星信號的導航定位新技術。如利用多種來源的外界光、電、磁、重力等信號，來實現導航和定位。尤其是隱蔽性好、成本低、抗幹擾、精度適中的地磁導航技術，逐漸成為導航定位領域的「新寵」，大有「前浪倒推後浪」之勢。
隨著大地測量、地球物理等領域研究的逐步深入，高精度、高靈敏、高便捷新型地磁感知儀器的不斷研發，以及人工智慧技術的快速興起，地磁導航面臨的一系列難題正逐步得到解決。此外，水下有人和無人潛航器、室內和地下空間活動等對導航定位需求的日益迫切，也給地磁導航技術帶來了新的發展機遇。
目前已有試驗表明，基於智慧型手機內置磁力計和雲端地磁圖，理論上可以為用戶提供米級精度的定位服務，可在地下礦井、停車場、大型建築內等場所應用。
地磁導航技術隱蔽性好、抗幹擾性強的優點，也決定了它在軍事領域具有廣泛的應用潛力。它既可作為獨立導航系統工作，也可與其他導航系統優化組合，進一步提升戰場上導航定位的準確性、穩定性和適用性。