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关于一种基于磁测增强的高空长航无人机导航方案 　　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。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导航。近年来，地磁导航因其隐蔽性能好、效费比高、即开即用，误差不随时间积累的优势而得到众多应用和快速发展。2003年8月，美国国防部军事关键技术列表中提到他们所研制的纯地磁导航系统在地面和空中的定位精度优于30m(CEP)。俄罗斯的新型SS-19导弹采用地磁场等值线匹配制导方式，导弹进入大气层后，不是按抛物线飞行，而是在稠密大气层内沿地磁等高线飞行，使美国导弹防御系统无法准确预测来袭导弹的飞行弹道轨迹，从而大大增强了导弹的突防能力。美国生产的波音飞机上配备有地磁匹配制导系统，供飞机起飞降落时使用。基于地磁导航的优点，本文针对高空长航无人机上传统的SINS/GPS组合导航系统中GPS易受干扰的不安全特性，提出一种基于磁测增强的组合导航方案。在GPS完好时，将磁强计同时用于定姿和定位，以提高SINS/GPS组合导航系统的精度;在GPS失效时，利用磁场匹配辅助惯性导航，抑制惯导系统输出误差的发散。 　　1磁测定姿与匹配导航原理 　　1.1地磁场数学模型 　　地球周围的磁场由不同起源的各种磁场复合而成，随空间r和时间t的不同而变化，其场强B(r，t)可以表示为 　　B(r，t)=Bm(r，t)+Ba(r)+Bd(r，t)(1) 　　其中:Bm(r，t)为主磁场(又叫地核场)，由处于地幔之下、地核外层的高温液态铁镍环流引起，随时间缓慢变化，全球平均变化幅值为每年80nt，空间分布为行星尺度，在地表处的强度为30000～60000nt，占地磁场总量的95%以上;Ba(r)为异常场(也叫地壳场)，产生于磁化的地壳岩石，几乎不随时间变化，在地表处的强度占地磁场总量的4%以上;Bd(r，t)为干扰磁场，源于磁层和电离层，既包含规则的日变和年变干扰，又包含磁暴、亚磁暴等不规则干扰，非磁暴时期干扰磁场一般为数十纳特，磁暴时可超过1000nt。 　　1.2基于地磁测量的定姿方法 　　三轴磁强计可用来测量空间环境的磁场强度。在线性范围内，其输出与外部磁场成比例，轴间无交耦。磁强计的测量模型为 　　Bm=KmB+vm(7) 　　式中:Bm为三轴磁强计输出地磁感应强度;Km为测量轴的刻度系数;vm为测量噪声及常值偏差。 　　理想情况下，其测量方程为 　　Bb=ABg 　　式中:Bb为磁场场强在载体坐标系上的投影，可由磁强计测得;Bg为磁场场强在地理坐标系上的投影，可由地磁场模型计算得到;A为地理坐标系到载体坐标系的转换矩阵。 　　地磁滤波定姿的基本思路是:首先，将已知的位置信息带入地磁场数学模型，求得地磁矢量在地理坐标系的投影;然后，由磁强计测量出地磁矢量在载体坐标系的投影;最后，利用磁强计的测量方程和滤波算法进行滤波定姿。 　　1.3地磁匹配导航 　　地磁匹配，就是把预先规划好的航迹上某段区域内地磁匹配特征量绘制成参考图(或者称为基准图)，存贮在载体计算机中，当载体飞越这些区域时，由磁测量设备实时测量出飞越点的匹配特征量，得到实时图，并在载体上的计算机中与参考图进行相关匹配，从而计算出载体的实时坐标位置，供导航计算机解算导航信息。 　　在分析和对比几种现有文献研究的地磁匹配方法之后，本文采用西北工业大学晏登洋等人所提出的地磁匹配方法，该方法简单实用，精度较高。其主要思路是:利用三轴磁强计测量地磁场获得地磁场强度在载体坐标系3个坐标轴方向的磁分量[BxbBybBzb]T，以磁偏角和磁倾角匹配获取的粗略位置的经纬度作为循环计算的经纬度初值lambda;0和phi;0，以高度计测量的高度作为循环计算的高度初始值h0，逐次代入地磁场模型解算出地磁场强度在地理坐标系下的三轴磁分量[BxgBygBzg]T，当(Bxb-Bxg)2+(Byb-Byg)2+(Bzb-Bzg槡)2最小时，最后一次代入的经纬度和高度即为地磁导航系统输出的位置[]lambda;mphi;mhmT。具体过程可参考文献。 　　2SINS/GPS/磁强计的组合导航方案 　　2.1组合导航方案 　　基于磁测增强的SINS/GPS/磁强计组合导航方案采用联邦滤波算法，将SINS系统作为参考系统，将GPS输出的位置、速度信息引入局部滤波器1，将磁强计的输出结合GPS输出位置求得的姿态信息引入局部滤波器2，将磁场匹配得到的位置信息引入局部滤波器3，形成了GPS完好时的高精度导航和GPS失效时的全自主导航方案，具体实现如图1所示。 　　2.2状态方程 　　系统的状态方程