地磁定位技术简介（新手必看）

地球的磁场特性最先被广泛用于航海和军事等室外定位。

地磁定位同样可以采用指纹匹配的方法：事先采集并构建精确的地磁指纹数据库，利用传感器获取人员当前位置的磁场数据，将实时数据与地磁指纹数据库的基准数据精确匹配，获得最佳估测值，从而实现人员在指定区域的定位。

由于地磁分布方向的影响，室内采集的地磁三轴数据本质上只具备两个维度的指纹信息，且大型建筑物的室内地磁特征差异不明显，导致传统的室内区域栅格化指纹匹配方法在定位精度上表现不佳，因此室内地磁信息多用于室内定位的多源信息融合，与惯性导航系统组合使用，起到辅助和纠正误差的作用。

地磁定位是采用生物仿生学的定位方式，利用建筑内独特的地磁来作为信号源进行定位，相比于Wi-Fi、蓝牙等，地磁天然存在且较为稳定，如果建筑结构不发生大的改变，地磁分布也不会发生改变。建筑内的钢筋结构不同，为每个区域形成了独特的磁场分布，地磁定位正是利用了这种分布来测算位置。

地磁定位技术通常可以达到 2m 左右的精度。但其获取初始位置时，需要持续行走 5~8m，这给部分场景带来了一些限制。另外，地磁易受到带磁性设备的干扰。

地磁定位技术的特点如下：

• 优点：不依赖额外设备、成本低。
• 缺点：需要前期采集，稳定性差，导航过程稍显麻烦。
• 定位精度：1~5m。
• 适用场景：地下停车场的车辆检测、车型识别。

地磁是地球的固有资源，具有不受时间和空间影响的特征。与射频信号或声波相比，地磁信号在时域上非常稳定。因此，地磁定位在首次生成数据库时，就能标识特定位置的信息。

相比于传统基于无线电的室内定位方法需要额外的设备（如 AP 和 RFID 标签），地磁定位节省了成本。建筑物的内部结构会干扰电磁波，因此室内环境中不同位置的地磁波形是唯一的。当使用地磁波进行定位或姿态确定时，只需考虑稳定可靠的室内内部磁场。

地磁定位系统的主要优点是它不需要 AP，即不需要基础设施。因此，地磁定位系统具有低成本和高可扩展性。另外，由于惯性测量设备仅消耗很少的电池电量，地磁定位系统的功耗非常低。

但是，开发高精度地磁室内定位系统非常具有挑战性。地磁波形的可辨性较低，这使得地磁指纹不够独特，不利于准确确定目标的位置。另外，地磁可以水平或垂直变化。因此，除了磁力计，也需其他惯性测量设备（如加速度计和陀螺仪）来提供其他定位特征信息。基于智能手机的地磁定位系统的精度仅在亚米级别，部分原因是智能手机上使用的惯性测量设备价格便宜且质量较差。

影响地磁定位的关键因素

1) 导航区域的地磁模型

地磁模型主要由空间位置与时间函数组成。电磁包括三部分：地球主磁场、地壳磁场及地球瞬时磁场。

实现地磁定位的主要依据是地球主磁场，其约占地磁的 95%。为精确逼近或描述地球主磁场，人们建立了全球地磁模型或地磁图。为满足现代国防与经济建设的需要，各个国家都在积极开展区域的地磁模型研究。而要想实现全球性的导航定位，各国需要紧密合作，这样才能快速有效地完成地磁数据的采集及建模。

国际上已经被广泛研究的地磁定位主要应用于室外活动区域，这种情况下的地磁模型可以分为区域地磁模型和国际地磁参考场模型：

• 区域地磁场模型采用来自地面、海洋或岛屿的磁测数据，包括源于地壳的磁异常源与源于地核和上地幔的主磁场源；
• 国际地磁参考场模型所用的磁测数据来源于高度为 400km 的卫星测试数据，主要表征地核和上地幔的主磁场，并且已经滤掉了源于地壳中的中小尺度的地磁异常。

地磁建模技术在近年来得到不断的发展与完善，常见的地磁建模方法有：多项式拟合法、现代国际地磁分析采用的矩谐分析法、加拿大 Haines 提出的球冠谐分析法及 Redge 等人提出的球谐分析法，目前应用较广泛的是最早被提出的多项式拟合法。

由于边界效应与测试点稀少，人们尝试建立的地磁模型精度还不是很高，很大程度上还不能满足地磁匹配导航的需要。目前利用区域地磁异常的变化信息来实现地磁匹配导航是近地空间地磁匹配导航的主要方式，其研究的热点和难点在于如何建立高精度的区域地磁模型及如何排除其他环境因素的干扰。

2) 载体上磁场信号的实时测量

在地磁定位过程中，需要载体在航行中采集数据并将其构成实时图，为匹配算法提供匹配依据。所以，影响定位精度的主要因素是载体测量的数据精度。

通常情况下，载体磁场、变化磁场、传感器本身的测量误差、传感器的安装误差、人为操作失误、测量仪器产生的误差等都会影响测量数据的精度，其中不可避免的因素是传感器本身的测量误差。但是目前影响较大的因素是载体磁场、变化磁场及测量仪器产生的误差。

载体的材料能够对地磁信号测量产生影响，物体的结构材料按照被磁化后消磁的难易程度分为硬磁材料及软磁材料。一些材料如电气线路及钢铁结构称为硬磁材料，其形成的磁场为固定值，其对附近的地磁测量仪器的影响比较容易消除。实际上对地磁测量造成复杂影响的主要是软磁材料建立的磁场，这是由于软磁材料对地磁测量的影响需要考虑载体的姿态。

目前，用于载体磁性干扰补偿的方法主要有被动补偿和计算机补偿：

• 被动补偿（又称为硬补偿）采用三轴线圈或者固定磁铁、坡莫合金的感应场来补偿，以及采用导电板的电气线路涡流场来补偿。其过程复杂、成本较高，且在实际中不易控制，因此应用较少；
• 计算机补偿通过在计算机中建立载体软磁场数学模型，实时计算干扰大小并去除干扰，以达到补偿目的。这种方法方便快捷，适用范围比较广。

地磁也包含短周期变化的干扰磁场，这种干扰磁场一般认为具有扰动变化和平静变化两种。

太阳扰日变化、磁暴、地磁亚暴等会产生磁场扰动变化，磁暴产生的变化幅度可以达到几十到几百纳特斯拉，这种强烈的磁场扰动一般持续 1~3 天，在全球范围内几乎同时发生。地磁亚暴产生的波动幅度能够达到几百到几千纳特斯拉，但是它持续的时间较短，为 1~3h。还有一种磁场扰动变化为地磁脉动，它由多种短周期的地磁变化组成，周期从几秒到几十分钟，在极光区变化幅度最大，可达几百纳特斯拉。这种变化的地磁是没有规律的非周期性的短期变化场，这种变化场导致的地磁场测量误差是无法忽略的，地磁匹配定位的定位精度被大大影响。

目前，为应对这种变化场的干扰，学者认为最实际的方法是不断更新采集的地磁场数据，所以需要在不同纬度区域建立人类的地磁场数据观测站点，这样可以减小测量误差。航行的载体，如搭载地磁场方位指示的远行船只，为减小测量误差，需要采用无线信号不断接收来自地磁场数据观测站点的数据并进行自身数据校准。

如果不需要对实时测量的地磁信号进行磁场测试干扰消除的话，采用测量的数据进行事后处理也是一种误差校正方法。但这些通过收集实时干扰信息对误差进行校准的方法无法应用在潜艇或其他自主导航设备上，因为这些载体需要保持自身的隐蔽性，无法使用无线接收装置收集实时的干扰信息。所以，如何利用载体自身的设备测量系统来消除变化场的干扰也是一个重要的研究方向。

3) 室内地磁的特点

由于现代建筑大多由钢筋混凝土建成，建筑中的金属结构会形成磁场干扰，使每一个楼层、通道和隔离的空间产生一种独特的地磁异常场。人们通过采集室内的地磁场数据，对提取的信号特点进行实验分析，从而研究室内地磁定位的可行性。

工字钢梁结构建筑的磁场变化速度相对于钢筋混凝土建筑要快，而钢筋混凝土建筑中走廊内的磁场变化率最大，这是由于墙壁、柱子和门窗等含金属材料的结构的影响。在没有金属干扰的空旷大厅，磁场变化速度较慢，约为 1.15μT/m。有学者研究了电子设备对室内地磁测量的影响，通过统计分析不同距离处电子设备对测量结果影响的均方根误差，发现电子设备对磁场测量设备测量的影响与其相对距离成反比。当手机、笔记本电脑等与测量设备的距离大于 12.5cm 时，测量均方根误差小于 1μT。

在此研究基础上，Jaewoo团队开发了相关的硬件系统，通过携带其硬件设备在室内区域进行磁场数据采集，并将采集的数据用于地磁定位，实现了精度为 0.7m 左右的室内定位效果。

一些动态因素也可能影响室内地磁信号的分布，其中较多发生的情况如下：

• 室内较多的设施位置发生改变，会在一定程度上影响某区域的地磁信号分布，导致测量出来的地磁信号不稳定，指纹地图的基准性较差。这是指纹地图匹配法误差的主要来源之一，对应的减小误差的方法为增加地图数据库中地磁数据的更新频率。
• 分布在室内的计算机、手机、空调等电子设备会产生不同频率的电磁波，这些电磁波也会影响室内地磁信号的分布。对于这种情况，只能尽量远离各种电子设备。