深海的“北斗星”：地磁导航指引征途

21世纪是海洋的世纪，海洋作为“地球上最大的水体地理单元”，占地球表面积的71％，其巨大的空间和丰富的资源，已经成为人类生存、发展的战略目标和发展方向。

随着科技的进步，我们对海洋的探索已经从表层拓展到了深海。大海深处有许多的未知，神秘的海底世界始终都是吸引着人类去摸索的处所。海底世界究竟有什么呢？大海深处是万籁俱寂还是鱼虾成群？法国作家儒勒·凡尔纳在《海底两万里》中给出了答案。书中描绘了丰富的海底世界与海洋生物，潜艇在大海中任意穿梭，海底时而景色优美、令人陶醉，时而险象丛生、千钧一发。一艘潜水艇，一个神秘的船长，载着一行人，在近10个月的时间内，纵横海底两万里。海底世界的瑰丽与神秘，始终令我们心向往之。

图1　《海底两万里》——克列斯波岛的海底森林（彩色）

大洋深海漆黑一片，遨游茫茫深海，如何找寻方向？没错，就是依靠导航。深海导航的载体是什么呢？还得靠潜艇等水下潜航器。与陆地或空中导航系统不同，受水介质对无线电波强烈吸收效应的影响，以卫星导航为代表的无线电导航系统无法在水下使用；目前水下潜航器所采用的自主导航系统——惯性导航，其定位误差会随时间积累而不断增大。因此寻找实时、稳定、连续、隐蔽、精确的水下自主导航手段成为深海探测的重要保障，而地磁场恰恰具有这样的导航特点。

神秘的地磁场

地磁场是地球系统的基本物理场，是地球的固有资源。中国宋代科学家沈括在公元1086年写的《梦溪笔谈》中，最早记载了地磁偏角。1600年，英国吉尔伯特提出较系统的原始理论，认为“地球本身就是一块巨大的磁石”。关于地磁场的成因，学者们相继提出了多种地磁场起源学说，其中，发电机学说的认可度比较高，该学说认为地球内部存在着导电液体，该液体的流动产生了恒温的电流，最终产生地球磁场。

磁场在地球表面会形成一个庞大的磁层，它从地球表面延伸到近地空间约60000千米的高度，并且环绕着地球像一个披风一样，形成了强大的磁力场。磁层为地球形成了一个天然的保护罩，它阻挡了来自太阳和宇宙的绝大部分高能辐射，对地球形成了至关重要的保护作用。

图2　地磁场

地磁场可分为稳定磁场和变化磁场两大部分。变化磁场主要来源于地球外部（外源场），占总地磁场的2％～4％。变化磁场比稳定磁场弱得多，因此，稳定磁场是地磁场的主要组成部分，它主要来源于地球内部（内源场），稳定磁场的内源场占地球稳定磁场的99％以上。地磁场在地面上的平均磁感应强度约为5～6×10－5特斯拉（T）。

图3　地磁场构成示意图

地磁场是地球周围空间分布的磁场，它看不见、摸不着，却无处不在、无处不有。如何描述神秘多变的地磁场呢？主要是建立地磁场模型及绘制地磁图。世界地磁模型对导航至关重要。该模型将世界各点位磁场的精确测量结果汇编成一张地图，提供不断变化的磁场数据。世界地磁模型图由美国国家地理空间情报局维护，该机构每5年发布一个更新版本，以保证导航系统的准确性。

图4　世界地磁模型图

作为地球物理特征之一的地磁场包含了非常丰富的信息，如地磁总强度、磁倾角、磁偏角等。整体来看，地磁场就相当于一个天然的坐标系，为水下地磁导航提供了良好的条件。

水下地磁导航技术

地磁场给人类和一些生物“指引”着旅行航向。指南针，作为中国古代四大发明之一，其前身是司南，主要由一个可以自由转动的磁针组成，磁针的两端分别指向地球的磁北极和磁南极。随着航海事业的发展，指南针成为了应用最为广泛的定向工具，成就了一次次人类航海史上的壮举。

许多海洋生物如：海龟、鲨鱼、鲸鱼等，它们的大脑中拥有一些具有磁性的粒子，可以感应地球磁场，以此来确定自己在海洋中的位置，为自己导航。也就是说，从出发的那一刻起，它们的脑海中便装下了一幅“世界地图”，通过自身特殊的感知器官读取这幅清晰地“地图”，去到它们想去的地方。

相比于指南针只能定方向，在高度现代化的今天，人们对精确导航定位的依赖和需求进一步提高。水下地磁导航技术的研究与应用，正是适应了这一新的水下导航需求与环境变化。

地磁场强度随地理空间位置变化具有不同分布的特征，地磁导航技术正是利用这种特征来获取位置信息。地磁导航的原理是通过磁传感器实时获取地磁数据，测量得到一系列实时磁场特征值，简称测量序列，然后把测量序列与预先存储的地磁图或地磁场模型进行匹配，比对磁场大小、方向、梯度等信息，进而从地磁数据库中找出最接近的点，而该点所处的经纬度就是所匹配到的位置，以此来实现导航定位功能。

图5　地磁导航原理示意图

由地磁导航的原理可知，提高水下地磁导航精度的关键在于三个方面：一是建立水下地磁模型时的详细地磁数据库；二是水下载体航行过程中地磁场的实时测量；三是地磁匹配算法。这也是水下地磁导航需要持续、深层次突破的关键技术，以促进地磁导航技术的发展与应用。

广阔的应用领域

利用地球磁场空间分布的水下地磁导航技术简便高效、性能可靠，具有无源、自主、全天候和不受水文条件限制的突出特点，特别是磁传感器这一探测设备还具有成本低，体积小，功耗低等独特优点，使得水下地磁导航系统在军民等领域均具有广泛的应用价值。其应用领域主要表现在：

（1）用于海洋地质调查和资源勘探，通过载体上装备的专用磁探仪器在航行过程中探测地球磁场的变化，帮助科学家研究海洋底部结构和资源分布，推动海洋经济的可持续发展。

（2）随着我国海底管道保有量和使用年限的增加，海底管道在役检测和修复就变得十分重要。地磁导航技术用于海底电缆和管道巡检，及时发现并处理潜在的故障，确保其安全运行。

（3）地磁导航技术可以帮助渔民更准确地定位渔场，提高捕捞效率并减少对环境的影响，增加渔业经济和社会效益。

（4）可满足军事导航定位的需求，如解决潜艇或潜航器水下续航的能力，提高隐蔽性与远程导航精度。地磁导航技术不仅能单独作为导航系统使用，还能与其他导航系统结合，进一步提升水下精确作战能力。

水下地磁导航技术的发展还可以扩展到休闲航海和海洋探险等领域，使海洋探险者能在更宽广的海域中自由遨游，安全高效地探索未知海域。水下地磁导航技术的应用与开发对经济发展、国防安全及海洋探索均具有深远的意义，是连接高科技与海洋发展的重要桥梁。地磁导航让人们不再惧怕深邃的大海，让人类向更深远处进发！（朱荣荣）