在我们的日常生活环境中，地磁场无处不在，它作为地球的固有资源，在春秋战国时期即被用于矿产定位和方向导航等领域。磁场具有强度和方向，地磁场的强度是（23～66）μT，方向指向地磁北极；任意一点的地磁矢量都是唯一的，其空间分布示意图如图7.1所示。常用地磁场7要素[82]来描述地磁场的空间分布特点[83]：北向分量（X）、东向分量（Y）、垂直分量（Z）三个地磁场矢量的分量，以及磁偏角（D）、磁倾角（I）、地磁场水平分量（H）和总的地磁强度（F）。其关系如图7.2所示，其中，地磁南北极与地理南北极之间的夹角为磁偏角，地磁方向和水平面之间的夹角为磁倾角；7要素中，各自独立，其余要素均可根据式（7.1）～（7.6）由求出，地球表面的总磁场由稳定磁场和变化磁场组成，可由式（7.7）表示。

图7.1　地磁场空间分布示意图

图7.2　地磁场七要素示意图

理想情况下，在地球近地空间内的任意一点都有与之对应的唯一的地球磁场矢量值[84]，若能够准确确定地磁场矢量就能推算出该点的经纬度，实现全球定位。由于地磁场的全地域特征，建筑物内也广泛分布着地磁信号，而其所具有的全天候、全时域特性，使得地磁信号可作为室内定位稳定的信号源。影响地磁信号变化的因素很多，按其性质主要分为由地球外部原因引起的变化和由地球内部原因引起的变化两类。所述地磁场变化时间谱[85]由表7.1给出。从表7.1可以看出，地磁场受地球内部原因影响，年变化和太阳黑子变化周期均不小于一年。考虑到地球表面变化磁场仅占地球表面总磁场的2.4%[86]，可以认为以上影响造成的地磁变化较为平静，而在将地磁信号作为室内定位的信号源时，需要考虑干扰变化带来的影响。建筑物内存在的干扰磁场[87]主要有三类，分别为固定磁场、感应磁场和涡流磁场。其中，固定磁场是建筑物内所存在的金属被地磁场磁化所产生的磁场[88]，如金属门、桌椅、电梯、电气设备等均可产生固定磁场；感应磁场是物体内部存在的物质被磁化而产生的磁场，如建筑物墙体内的钢筋混凝土结构、布设的给排水管道、供暖供气管道、电线等材料均易被磁化产生感应磁场；涡流磁场是由于物体运动时切割磁感线而产生的磁场，主要由电子设备运行产生。这些干扰磁场均会对建筑物内的地磁场信号产生影响，使其信号出现变化，出现地磁异磁场，但大多数干扰磁场的强度是相对稳定的，这些地磁异磁场可与相对应的室内空间位置关联，作为室内定位的位置指纹，实现室内定位。目前，智能手机中大多都集成有三轴磁力计来监测地磁场信号变化，因此，我们可以利用手机采集室内地磁信号构建地磁分布指纹图，确定不同位置的地磁信号特征；使用时，通过监测所在位置的地磁信号并与指纹图相匹配可获得自己所处的位置。(www.daowen.com)

表7.1　地磁场变化时间谱

手机内部的三轴传感器可以获得手机坐标系O-xyz（见图7.3）中x，y，z三轴方向上的磁场强度，但是手机坐标系总是与设备的自然方向保持一致[89]，手机姿态发生变化时，三轴方向也随之变化。由图7.3可看出，在同一位置，当手机分别处于xOy面与水平面平行、yOz面与水平面平行、xOz面与水平面平行这三种姿态时，其x，y，z三轴磁力数据MAGNETIC FIELD X/MAGNETIC FIELD Y/MAGNETIC FIELD Z值各不相同，但其磁场幅度：

图7.3　不同姿态下各轴磁场强度及磁场幅度变化

保持稳定。考虑到手机在使用过程中其姿态不可能始终保持不变，若要以磁力计的三轴方向值为定位依据，则需要实时计算手机的航向角、俯仰角和翻滚角，而这些姿态角在测量和计算上均存在一定误差，影响定位精度。因此，本书利用磁场幅度作为特征值，通过手机终端实现地磁定位。