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一种磁异常梯度测量的地磁/惯性融合导航方法

梁宇潇 高东

梁宇潇, 高东. 一种磁异常梯度测量的地磁/惯性融合导航方法[J]. 空间科学学报, 2025, 45(1): 201-214. doi: 10.11728/cjss2025.01.2024-0027
引用本文: 梁宇潇, 高东. 一种磁异常梯度测量的地磁/惯性融合导航方法[J]. 空间科学学报, 2025, 45(1): 201-214. doi: 10.11728/cjss2025.01.2024-0027
LIANG Yuxiao, GAO Dong. Geomagnetic/Inertial Fusion Navigation Method Based on Magnetic Anomaly Gradient Measurement (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, 2025, 45(1): 201-214 doi: 10.11728/cjss2025.01.2024-0027
Citation: LIANG Yuxiao, GAO Dong. Geomagnetic/Inertial Fusion Navigation Method Based on Magnetic Anomaly Gradient Measurement (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, 2025, 45(1): 201-214 doi: 10.11728/cjss2025.01.2024-0027

一种磁异常梯度测量的地磁/惯性融合导航方法

doi: 10.11728/cjss2025.01.2024-0027 cstr: 32142.14.cjss.2024-0027
基金项目: 中国科学院国防科技重点实验室基金项目资助(CXJJ-22S017)
详细信息
    作者简介:
    • 梁宇潇 男, 1999年5月出生于重庆市, 现为中国科学院大学国家空间科学中心硕士研究生. 主要研究方向为飞行器自主导航与控制研究. E-mail: liangyuxiao21@mails.ucas.ac.cn
    通讯作者:
    • 高东 男, 现为中国科学院大学国家空间科学中心副研究员, 硕士生导师. 主要研究方向为飞行器自主导航与控制研究. E-mail: gaodong@nssc.ac.cn
  • 中图分类号: V249.3

Geomagnetic/Inertial Fusion Navigation Method Based on Magnetic Anomaly Gradient Measurement

  • 摘要: 地磁导航是一种基于地球天然磁场的导航方法, 其自主性强, 抗干扰性能好, 可以在多种环境下正常工作, 但低空/水下地磁匹配导航需要基于大量测量数据构建地磁图且对于平台计算能力要求较高, 给地磁导航的应用带来不便. 惯性导航在短时间内精度较高, 但随着时间推移会出现较大的累积误差. 本文将从地磁总场中提取的磁异常场前后两次测量间的差分信息作为观测量, 依据磁异常场的偶极子特征, 基于磁偶极子模型理论推导了应用于导航系统滤波器的磁异常梯度测量矩阵, 提出利用磁异常梯度信息修正惯性导航系统的误差的地磁/惯性融合导航方法, 降低了地磁导航对先验地磁图的要求, 同时修正了惯导导航误差. 对比纯惯性导航, 相同条件下该方法的导航位置精度有显著提升, 为运动平台自主导航探索了一种新方法.

     

  • 图  1  十字形磁张量测量矩阵

    Figure  1.  Cross shaped magnetic tensor measurement matrix

    图  2  磁测轨迹

    Figure  2.  Magnetic measurement point trajectory

    图  3  磁异常估计误差

    Figure  3.  Measurement error of magnetic anomalies

    图  4  地磁/惯性融合导航系统

    Figure  4.  Geomagnetic/inertial fusion navigation system

    图  5  磁偶极子场

    Figure  5.  Magnetic-dipole field

    图  6  总磁场(主磁场+磁异常场)

    Figure  6.  Total magnetic field (main magnetic field + magnetic anomaly field)

    图  7  复杂磁场环境

    Figure  7.  Complex magnetic field environment

    图  8  水平导航算法仿真结果

    Figure  8.  Simulation results of horizontal navigation algorithm

    图  9  导航算法仿真结果

    Figure  9.  Navigation algorithm simulation results

    图  10  导航算法仿真误差

    Figure  10.  Navigation algorithm simulation error

    图  11  3 nT磁测噪声下导航算法仿真结果

    Figure  11.  Simulation results of navigation algorithm under 3 nT magnetic measurement noise

    图  12  3 nT磁测噪声下导航仿真误差

    Figure  12.  Navigation simulation error under 3 nT magnetic measurement noise

    图  13  复杂磁环境中导航算法仿真结果

    Figure  13.  Simulation results of navigation algorithms in a complex magnetic environment

    图  14  复杂磁环境中导航仿真误差

    Figure  14.  Navigation simulation errors in a complex magnetic environment

    图  15  3 nT噪声复杂磁环境导航算法仿真结果

    Figure  15.  Simulation results of navigation algorithm in a complex magnetic environment with 3 nT noise

    图  16  3 nT噪声复杂磁环境导航仿真误差

    Figure  16.  Simulation error of navigation in a complex magnetic environment with 3 nT noise

    表  1  某地磁异常场梯度幅值统计

    Table  1.   Amplitude of the gradient of a certain geomagnetic anomaly field


    网格点距/km
    ΔTx 磁异常/( nT⋅km–1) ΔTy 磁异常/( nT⋅km–1) ΔTz 磁异常/( nT⋅km–1)
    最大值 最小值 最大值 最小值 最大值 最小值
    1 48.3 –71.2 63.6 –40.4 122.3 –68.3
    2 43.3 –48.5 44.4 –31.6 81.0 –44.2
    3 36.0 –37.0 32.3 –23.0 60.8 –39.0
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    表  2  仿真参数

    Table  2.   Simulation parameters

    仿真参数 取值
    惯导部分参数 陀螺常值零偏: [0.01, 0.015, 0.02] (°) ⋅h–1
    陀螺随机游走: [0.001, 0.001, 0.001] (°) ⋅Hz–1/2
    加速度常值零偏: [50, 90, 100] μg
    加速度随机游走: [1, 1, 1] μg s–1⋅Hz–1/2
    磁场部分参数 磁强计测量误差(每轴): 1 nT
    磁强计测量频率: 100 Hz
    先验磁矩: M=[4.55, 2.5, 7.81]T×109
    位置: $ (34.011^\circ {\text{N}},108.014^\circ {\text{E}}, - 1000{\text{m}}) $
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    表  3  多次仿真误差均值

    Table  3.   Mean error of multiple simulations

    仿真
    次数
    误差绝对值均值/m
    融合导航 惯性导航
    x y z x y z
    1 3.33 0.80 4.96 3.03 15.47 5.91 17.81 13.06
    2 2.60 0.55 5.00 2.72 15.50 5.84 17.93 13.09
    3 4.32 1.43 5.14 3.63 15.41 5.68 18.11 13.07
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    表  4  3 nT磁测噪声下多次仿真误差均值

    Table  4.   Mean error of multiple simulations under 3 nT magnetic measurement noise

    仿真
    次数
    误差绝对值均值 / m
    融合导航 惯性导航
    x y z x y z
    1 5.45 1.47 5.93 4.28 15.54 5.89 17.87 13.10
    2 5.95 1.84 5.70 4.49 15.33 5.83 17.89 13.02
    3 5.52 1.43 5.24 4.06 15.37 5.98 17.67 13.01
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    表  5  复杂磁环境下多次仿真误差均值

    Table  5.   Mean error of multiple simulation errors in a complex magnetic environment

    仿真
    次数
    误差绝对值均值/m
    融合导航 惯性导航
    x y z x y z
    1 5.94 2.57 5.88 4.80 15.39 5.88 17.81 13.03
    2 5.95 2.66 5.88 4.83 15.49 5.79 17.99 13.09
    3 5.47 2.97 5.93 4.79 15.54 5.85 17.92 13.10
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    表  6  3 nT噪声复杂环境多次仿真误差均值

    Table  6.   Mean error value of multiple simulations in a complex environment with 3 nT noise

    仿真
    次数
    误差绝对值均值/m
    融合导航 惯性导航
    x y z x y z
    1 6.52 3.39 6.49 5.47 15.47 5.90 17.82 13.06
    2 6.67 3.40 7.71 5.93 15.38 5.70 18.05 13.04
    3 6.33 3.33 7.78 5.81 15.34 5.85 17.84 13.01
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-02-23
  • 修回日期:  2024-04-18
  • 网络出版日期:  2024-07-08

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