磁导航技术 | 从冷战雏形到量子时代的自主导航革新（一）：早期探索与场景拓展
#楔子#
磁导航（MagNav）并不是伴随量子磁力仪出现的新概念，而是经过数十年发展的自主导航技术。
其核心思想是：地球岩石圈中的磁性矿物在空间上形成具有区域特征的磁异常“指纹”，车辆/飞行器搭载磁力仪实时测量局部磁场，再将测量序列与预先建立的地磁异常地图进行匹配，从而获得绝对位置更新，可用于独立导航或抑制惯性导航随时间产生的漂移。
以下内容整理自公开发布的论文及新闻
冷战时期：概念奠基与早期
探索（1940s–1980s）
20世纪40年代末期，美国公司Goodyear开发了ATRAN系统，最初主要利用雷达获取地形特征，并与预先存储的地图进行匹配，从而实现不依赖外部无线电信号的自主导航。1958年前后，美军利用ATRAN系统在新墨西哥州霍洛曼空军基地开展了大量早期飞行验证，并将其用于Mace巡航导弹的自主导航。该系统为后来利用地球磁场进行导航奠定了方法论基础。
20世纪50年代，美国开始将磁导航作为自主导航的重要技术方向进行研究。1951年，美国海军在冷战时期启动Project Magnet计划，对全球海域开展航空地磁测量，旨在为潜艇和水面舰艇提供不依赖无线电的导航基准。其早期使用的VAM-2磁力仪是一种三轴矢量磁通门磁力仪，总磁场测量精度约为±15 nT。Project Magnet最终持续到1994年，形成了长期、大范围的航空地磁数据积累，为后续建立地磁参考图和利用地磁异常进行导航奠定了数据基础。
▲VAM-2磁力仪结构示意图
20 世纪 60 年代，作为美国最早从事早期地形辅助导航技术（TERCOM）的企业之一，E-Systems 公司（后被雷神公司收购）开发出世界上第一套 MAGCOM（地磁异常匹配系统），尝试利用机载磁力计连续测量地磁异常，并与预先建立的地磁参考数据进行匹配。由于当时缺乏足够的实测地磁数据，早期MAGCOM主要停留在概念和方法论层面。
▲穿过地球磁场强度分布图的磁传感器配置
20世纪70年代，美国桑迪亚国家实验室提出了了桑迪亚惯性地形辅助导航系统（SITAN）。1978年，桑迪亚实验室公开发表相关技术报告，系统介绍了SITAN的工作原理。与传统依赖单次地形轮廓匹配的TERCOM相比，SITAN能够利用连续地形观测实时更新导航状态，因此具有更强的连续误差修正能力。
1986年9月至1987年4月，美国在爱德华兹空军基地利用AFTI/F-16战机开展了SITAN实时飞行试验。试验中，SITAN实现了约75m的中位水平径向误差，验证了地形辅助导航在实际飞行平台上的高精度自主定位能力。SITAN本质上是一种卡尔曼滤波匹配算法，后来被广泛移植和应用到MAGCOM系统中。
▲磁导航算法的基本原理示意图
1974年至1976年，前苏联Ramenskoye设计公司开展了MAGNET地磁匹配导航实验。研究团队针对选定测试航迹走廊开展地磁测绘，并将磁场数据向上延拓计算至约8 km高度，进而在大型地面计算机BESM-6上利用真实地磁数据开展磁等值线匹配实验，标志着地磁匹配导航由概念研究进入真实数据实验验证阶段。
▲大型电子计算机BESM-6
世纪之交：组合导航架构成型
与多场景拓展（1980s–2000s）
20世纪80年代，地磁导航开始从早期的航空探索逐步向水下航行器、舰船以及其他卫星导航拒止环境扩展。
1986年前后，美国Westinghouse（西屋电气）的研究人员提出研究利用天然磁异常为水下无人航行器提供被动导航信息；1987至1989年，瑞典隆德大学也开展了水下地磁导航可行性研究，提出海底及水下结构产生的磁异常可以作为天然导航信标，用以实现无需主动声学信号的被动水下导航。
▲水下磁导航系统示意图
进入20世纪90年代以后，随着航空磁测技术、数字地磁数据和惯性导航技术不断发展，地磁导航开始逐渐从单纯的磁异常定位研究转向与惯性导航系统相结合的组合导航体系。
▲惯性导航系统常见的误差
其基本架构逐渐清晰：磁力计负责连续测量平台沿航迹的地磁场变化，地磁异常地图提供空间上的磁场参考，地图匹配算法负责寻找实测磁场剖面与参考磁图之间的最佳对应关系，而惯性导航系统则提供短时间内连续、稳定的位置和姿态估计。当INS由于积分误差产生位置漂移时，地磁匹配结果可以作为外部观测量，对惯性导航误差进行修正。
▲地磁匹配导航系统参数间的关系
在这一时期，美国康奈尔大学Psiaki教授提出了一种仅基于三轴矢量磁力仪的低成本航天器姿态确定方法。1992年至1995年，该方法在太阳、异常与磁层粒子探测器（SAMPEX）卫星平台上得以验证，并可以将卫星姿态误差控制在 2~3 度以内，完全达到了现代小卫星的备份甚至主导导航精度需求，为后来的微纳卫星、立方星磁力计辅助姿态确定和控制技术提供了重要基础。
▲SIERRA卫星物理结构示意图
进入21世纪后，磁场导航又拓展到弹药制导等特殊应用领域。法国相关研究人员曾尝试利用三轴磁传感器获取地磁场矢量信息，用于弹丸的姿态测量，并进一步探索其在弹丸制导与控制中的应用。
▲嵌入超音速弹丸内部的两个磁强计
早在1978年，美国微航天公司创始人Wertz及其团队首次在理论上提出：既然地球磁场在三维空间中每个点的强弱和方向是完全不一样的，那么如果给卫星里内置一套地磁场数学模型，通过连续多点的匹配，就可以能反推算出卫星的确定位置。受限于当时机载计算机只有几KB的内存，这在当时主要停留在理论和大型地面计算机的仿真阶段。
▲卫星在低地球轨道（LEO）穿过地球磁场的几何关系
直到2004年，是美国国家航空航天局（NASA）戈达德太空飞行中心和康奈尔大学联合研究团队，在宽视场红外探测器（WIRE）卫星平台的寿命末期激活了试验性的MagNav算法，该算法在轨连续运行超过6个月。这是人类航天史上第一次在真实太空中，成功通过“仅依靠机载三轴磁力仪和太阳敏感器”的被动数据，全自主、不依赖地面和GPS地计算出了卫星的三维绝对空间轨道（位置导航）。实验结果证明，其轨道确定精度达到了千米级。
▲WIRE卫星物理结构示意图