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天然指南针有什么作用

天然指南针有什么作用

地磁导航被喻为地球母亲的“金手指”,因为地球每一点的磁场大小与方向都是独特的,与地理坐标相匹配,赋予了其导航的“向导”功能。

随着7月31日北斗三号全球卫星导航系统的正式开通,我国跻身成为世界上第三个拥有全球卫星导航系统的。北斗系统的成功闪烁,犹如星光洒向四方,照亮了整个社会对卫星导航的期待和需求。除了常见的卫星导航,人类还探索了多种导航方式,如惯性导航和地磁导航等。

惯性导航是一种自主式导航系统,它通过测量飞行器的加速度,自动进行积分运算以获得飞行器的速度和位置数据。它不依赖外界信息,也不易受干扰,因此在飞行器、导弹和武器平台上得到了广泛应用。

地磁导航则是一种无源自主导航技术。它将地磁场作为天然的“坐标系”,利用地磁场的测量信息对飞行器、船舶、潜艇等进行导航定位。它既不需要像卫星导航那样依赖外界设备的帮助,也不像惯性导航那样存在误差累积。其强大的抗干扰能力和生存能力使其逐渐成为一种热门的导航技术。

地球母亲的“好向导”,不仅指引方向,还守护着我们的家园。信鸽远距离飞行传递信息,大雁秋季大规模迁徙,这些动物之所以能完成定向运动,是因为它们利用了地球磁场。我们的祖先发现地磁场在辨别方向上的作用后,发明了指南针,使人们在茫茫大海或广袤的沙漠中不再迷失方向。这是地磁导航最早的也是最基础的应用。

地磁场与重力场一样,虽然无法被直接感知,但却无处不在、无时不在。它与地球相生相伴,由地球内部的磁性岩石和高空电流体系等产生。随着地球系统的演化,地磁极与地理南北极的方向相反,但在全球各地,地磁场的磁偏角是不同的。科学家们经过长期观察发现,磁极存在缓慢的变化现象,南北磁极的翻转是一个极其缓慢的过程,平均需要数十万年。生活在地球上的人们几乎无法感知这种变化。

地磁导航的原理是通过探测器实时获取地磁数据,与预先制作的地磁图或模型进行比对,匹配磁场大小、方向、梯度等信息来实现导航定位功能。也可以利用地磁异常点或人工部署的磁标来估算相对位置信息。

除了导航功能外,地磁场还充当了地球“保护伞”的角色。它延伸自地下,贯穿地球表面数万公里,呈椭圆形结构包裹着地球。在宇宙中,地磁场阻挡了来自太阳系和银河系的辐射粒子,防止其直接侵入地球表面,使地球生机勃勃。

虽然地球磁场一直被许多动物用来导航,但与其精确的导航定位还有很大的差距。然而人类一直在探索未知中不断前行,将地磁场视为一个天然的“坐标系”,并致力于利用它来进行导航定位。自上世纪60年代以来,随着科技的发展,地磁导航技术研究已经取得了一些进展,并在空中飞行器、水面船舶、水下潜航器等领域得到了初步应用。例如已经研发出空中、地面和水下地磁导航系统,将其作为卫星导航定位系统的重要补充和备份手段。与此俄罗斯、法国、德国和英国等也开展了大量的理论研究和实践活动,并取得了一系列成果。

与人们熟知的卫星、惯性等导航技术相比,地磁导航技术具有许多独特的优点:它不受时间、位置、天气等因素的影响,适用于陆、海、空、天各个领域;作为自然的物理场它具有无源、抗干扰性强等天然优点;此外地磁场具有大小和方向等多个特征量可用于多种导航匹配的参数选择其误差不会随时间累积并且与惯性导航具有很强的互补性可以作为卫星导航的重要补充和备份手段。尽管地磁导航具有诸多优点但在实际应用中仍存在一些挑战和困难包括技术精度较低使用繁琐推广应用较难等问题需要克服一系列难题包括地磁场的精确感知高精度地磁图的构建高效导航匹配算法的设计等。尽管如此近年来随着技术的进步地磁导航开始成为研究的热点特别是在大地测量地球物理等领域的技术进步为地磁导航技术的发展提供了有力支持基于重力场地磁场测量等地磁导航方法开始受到人们的青睐。值得一提的是地磁导航技术的焕发生机得益于卫星导航等新兴技术的助攻任何事物的发展都是一分为二的虽然卫星导航具有广泛的应用前景但在抗干扰性保密性等方面仍存在一些问题特别是在战时卫星一旦受到攻击将直接影响依赖于卫星导航的大量高精尖武器的战斗力在这种情况下世界各主要都在发展不依赖于卫星信号的导航定位新技术其中地磁导航技术凭借其隐蔽性好成本低抗干扰性度适中等优点逐渐成为该领域的“新宠”。随着研究的深入高精度新型地磁感知仪器的研发以及人工智能技术的快速发展地磁导航面临的一系列难题正在逐步得到解决同时水下潜航器室内和地下空间活动等对导航定位的需求也给地磁导航技术带来了新的发展机遇。目前已有试验表明基于智能手机内置磁力计和云端地磁图理论上可以为用户提供米级精度的定位服务可在地下矿井停车场大型建筑内等场所应用此外地磁导航技术在军事领域也具有广泛的应用潜力既可以独立工作也可以与其他导航系统组合进一步提升战场上导航定位的准确性稳定性和适用性。”, “地球


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