CN104133252B - 重力梯度测量辅助定位的超导磁悬浮定位装置及定位方法 - Google Patents

Abstract

一种重力梯度测量辅助定位的超导磁悬浮定位装置，包括低温容器(1)、制冷机(2)、防辐射屏(3)、超导转子腔(4)、超导球腔(5)、超导转子(6)、超导球(7)、氦气进气管(8)、氦气出气管(9)和惯性平台(10)。该重力梯度测量辅助定位的超导磁悬浮定位装置惯性平台通过超导转子(6)和超导球(7)测量出载体在空间的角位移和在x、y、z坐标轴方向上的直线加速度，还可测量在x、y、z坐标轴方向上的重力梯度张量。已知载体初始位置后，对本发明装置测量得到的角位移和线位移，通过计算即可得到载体实时运动位置，并可通过测量得到的重力梯度张量对载体运动位置误差进行修正。

Description

重力梯度测量辅助定位的超导磁悬浮定位装置及定位方法

技术领域

本发明涉及一种超导磁悬浮定位装置及定位方法。

背景技术

超导材料和低温技术的不断发展使得超导技术在各个领域应用越来越广泛，其不断满足我国工业现代化建设的需求，大大提高了各种装备的性能和精度。低温装置是实现超导低温环境的必要装置，低温装置的设计和性能是研究和发展超导仪器设备的基础，有着重要的意义。制冷机及传导冷却技术的发展对低温装置设计结构和应用场合提供更多了的选择，目前制冷机二级冷头的温度可达到4K以下。超导温区大致可分为高温超导和低温超导温区，一般在10K温度以下实现超导态的温区称为低温超导温区，10K以上至100K温度范围实现超导态的温区称为高温超导温区。利用低温超导迈斯纳效应、零电阻效应、约瑟夫森效应以及弱磁探测优势等设计的各类低温超导装置在精度上具有比一般定位测量装置不可比拟的巨大优势，包括定位装置和重力测量装置等。

地球的重力场由于地质结构的差异而在不同地区取值不同，重力的梯度在不同位置也是不同的。目前使用的重力测量仪器，一般都只能测量垂直方向的重力加速度值大小，不能对重力的水平分量进行测量，更不能对重力梯度的空间张量进行测量，不能反应重力在空间上的变化情况。重力梯度仪测量重力梯度，即测量地球重力加速度随空间的变化。由于重力梯度是地球重力场的空间微分，反应重力沿空间不同方向的变化率，因此，重力梯度测量能够反映场源的细节。常规重力仪只能测量重力场的铅垂分量，而1台重力梯度仪能够测量多项重力场梯度张量分量。另一方面，由于重力梯度值或重力高次导数具有比重力本身更高的分辨率，这是重力梯度测量最主要的优点，用测量重力势二阶导数的重力梯度仪实时测量重力梯度张量分量，就能获得更准确的重力值和垂直偏差，对空间科学、地球科学和地质科学等科学技术发展起着重要作用。惯性导航系统定位精度高，但缺陷在于误差随时间积累不断增加，必须定期重调。重力梯度测量是水下修正或限定无源自主惯导系统误差积累的一种重要方法，不仅可以提高惯性导航的精度，而且解决了水下导航的长期隐蔽性问题。

发明内容

本发明的目的是克服现有惯性导航定位装置长期运行后误差随时间增加的缺点，提供一种超导磁悬浮定位装置。本发明通过重力梯度测量辅助修正导航定位精度，具有结构简便、自主修正定位系统累积误差、定位精度高的优点，能够满足长期水下独立运行的需求。

本发明重力梯度测量辅助定位的超导磁悬浮定位装置，包括低温容器、制冷机、防辐射屏、超导转子腔、超导球腔、超导转子、超导球、氦气进气管、氦气出气管,以及惯性平台。

所述的制冷机安装在低温容器的上端。低温容器放置在惯性平台上。低温容器内部通过拉杆在制冷机的一级冷头下端固定卷筒形状的防辐射屏。在防辐射屏筒内布置有制冷机的二级冷头，所述的超导转子腔固定在制冷机的二级冷头的下端，超导球腔固定在超导转子腔的下端。超导转子腔和超导球腔外表面是正方体。超导转子和超导球均为圆球形。超导转子布置在超导转子腔内，超导转子腔内表面为球面，超导球布置在超导球腔内。超导球腔内表面为球面，超导转子腔的中心在x、y、z轴方向上与超导球腔的中心均不重合。在超导转子腔赤道平面位置的一侧连接氦气进气管，超导转子腔赤道平面位置的另一侧与氦气出气管连接。

所述的超导转子腔内表面在x、y、z坐标轴方向上正交布置有三对球面支承电极。每个支承电极上布置有球面检测电极。布置在x、y、z坐标轴方向上的每对支承电极通入低频电压，形成在x、y、z坐标轴方向上的静电支承力，使超导转子悬浮在超导转子腔的中心位置。安装在x、y、z坐标轴方向上的每对检测电极通有高频电压，检测电极分别检测超导转子在x、y、z坐标轴方向上的位移。从氦气进气管输入的氦气与超导转子摩擦，带动超导转子高速旋转，超导转子达到预定转速后，将氦气从氦气出气管抽出，使超导转子在高真空的超导转子腔内自由旋转，并使超导转子旋转轴与z坐标轴重合。

所述的超导球腔内表面在x、y、z坐标轴方向上正交布置有三对球面支承电极。每个支承电极上布置有球面检测电极。布置在x、y、z坐标轴方向上的每对支承电极通入低频电压，形成在x、y、z坐标轴方向上的静电支承力，使超导球悬浮在超导球腔的中心位置。安装在x、y、z坐标轴方向上的每对检测电极通有高频电压，所述的检测电极分别检测超导球在x、y、z坐标轴方向上的位移。

所述超导磁悬浮定位装置通过超导转子腔内x、y、z坐标轴方向上的每对检测电极检测超导转子在x、y、z坐标轴方向上的位移，由程控电源控制在x、y、z坐标轴方向上的每对支承电极的静电电压，使超导转子回到超导转子腔的中心位置。根据x、y、z坐标轴方向上的静电支承力的变化量可测量出超导转子在x、y、z坐标轴方向上受到的直线加速度。另外，超导转子的旋转轴与z轴重合，通过超导转子旋转轴的定轴性及惯性平台可测量超导磁悬浮定位装置及与其固连载体在空间上的角位移的变化。

所述的超导球腔内通过x、y、z坐标轴方向上的每对检测电极检测超导球在x、y、z坐标轴方向上的位移，由程控电源控制在x、y、z坐标轴方向上的每对支承电极的静电电压，使超导球回到中心位置。根据x、y、z坐标轴方向上的静电支承力的变化量可测量出超导球在x、y、z坐标轴方向上受到的直线加速度。测量得到的超导球x、y、z坐标轴方向上的直线加速度对时间进行两次积分，即可得到超导磁悬浮定位装置及与其固连的载体在空间上的直线位移变化量。

所述将超导转子与超导球在z坐标轴方向上测量出的直线加速度相减，得到两点之间的重力加速度差值，再对超导转子与超导球在z坐标轴方向上的距离Dz进行求导，即可求出超导磁悬浮装置在z坐标轴方向上的重力梯度张量Gz。对测量出的重力梯度张量结合重力场测绘数据模型信息，可计算对应得到本发明定位装置固连的载体运动的位置信息，并可作为检验数据用于修正超导磁悬浮定位装置测量定位信息随时间积累的定位误差。实现重力梯度辅助定位的功能。

本发明装置通过惯性平台在空间不同平面上的倾斜和旋转，还可以测量x、y坐标轴等其他空间方位上的重力梯度张量。例如将惯性平台倾斜至一定角度，使超导转子中心与超导球中心的连线与水平面xoy平面重合，使惯性平台按一定角速度旋转，超导转子和超导球测量到的直线加速度通过数据处理即可得到在xoy平面上的重力梯度张量信息。同理，可得到在yoz和xoz平面上的重力梯度张量信息。本发明装置将超导转子与超导球联合使用，安装在惯性平台上，即可测量出与本发明定位装置固连的载体在空间的角位移和在x、y、z坐标轴方向上的直线加速度，还可测量在x、y、z坐标轴方向上的重力梯度张量。已知与定位装置固连的载体初始位置后，通过计算机计算，便可实现对载体实时位置的确定，即可实现对载体运动位置的测量定位功能。并可通过测量得到的重力梯度张量数据对载体运动位置误差进行修正。

本发明装置具有测量重力梯度的功能，通过测量重力梯度辅助修正超导定位装置随时间积累的漂移误差，实现长航时高精度自主导航功能。

附图说明

图1超导磁悬浮定位装置示意图，图中：1低温容器、2制冷机、3防辐射屏、4超导转子腔、5超导球腔、6超导转子、7超导球、8氦气进气管、9氦气出气管、10、惯性平台；

图2超导转子腔结构示意图，11x轴支承电极、12y轴支承电极、13z轴支承电极、14x轴测量电极、15z轴测量电极、16y轴测量电极；

图3超导球腔结构示意图，17x轴支承电极、18y轴支承电极、19z轴支承电极、20x轴测量电极、21z轴测量电极、22y轴测量电极。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

本发明装置包括低温容器1、制冷机2、防辐射屏3、超导转子腔4、超导球腔5、超导转子6、超导球7、氦气进气管8、氦气出气管9，以及惯性平台10。

所述的制冷机2安装在低温容器1的上端。低温容器1放置在惯性平台10上。低温容器1内部通过拉杆在制冷机2的一级冷头下端固定有卷筒形状的防辐射屏3。在防辐射屏3的筒内布置有制冷机2的二级冷头。所述的超导转子腔4固定在制冷机2的二级冷头的下端，超导球腔5固定在超导转子腔4的下端。超导转子腔4和超导球腔5外表面是正方体。超导转子6和超导球7均为圆球形，超导转子6布置在超导转子腔4内，超导转子腔4内表面为球面，超导球7布置在超导球腔5内，超导球腔5内表面为球面，超导转子腔4的中心在x、y、z轴方向上与超导球腔5的中心均不重合。在超导转子腔4赤道平面位置的一侧连接氦气进气管8，超导转子腔4赤道平面位置的另一侧与氦气出气管9连接。从氦气进气管8输入的氦气与超导转子6摩擦，带动超导转子6高速旋转，当超导转子达到预定转速后，将氦气从氦气出气管9抽出，使超导转子在高真空的超导转子腔4内自由旋转，并使超导转子6旋转轴与z坐标轴重合。

如图2所示，所述的超导转子腔4的内表面在x、y、z坐标轴方向上正交布置有三对球面支承电极，分别是x轴支承电极11、y轴支承电极12和z轴支承电极13。每对支承电极上分别布置有球面检测电极，分别是x轴测量电极14、y轴测量电极16和z轴测量电极15。x轴支承电极11、y轴支承电极12和z轴支承电极13通入低频电压：40kHz，15V，形成在x、y、z坐标轴方向上的静电支承力，使超导转子6悬浮在超导转子腔4的中心位置。x轴测量电极14、y轴测量电极16和z轴测量电极15通有高频电压：500kHz，25V，采用电容电桥电路分别测量超导转子6在x、y、z坐标轴方向上的位移。

通过超导转子腔4内分别在x、y、z坐标轴方向上设置的x轴测量电极14、y轴测量电极16和z轴测量电极15，检测超导转子6在x、y、z坐标轴方向上的位移，由程控电源控制x、y、z坐标轴方向上的x轴支承电极11、y轴支承电极12和z轴支承电极13上的静电电压。通过静电电压产生的静电力使超导转子6回到超导转子腔4的中心位置。根据x、y、z坐标轴方向上的静电支承力的变化量，可测量出超导转子6在x、y、z坐标轴方向上受到的直线加速度。

如图3所示，所述的超导球腔5内表面在x、y、z坐标轴方向上正交布置有三对球面支承电极，分别是x轴支承电极17、y轴支承电极18和z轴支承电极19。每对支承电极上布置有球面检测电极，分别是x轴测量电极20、y轴测量电极22和z轴测量电极21。x轴支承电极17、y轴支承电极18和z轴支承电极19通入低频电压，形成在x、y、z坐标轴方向上的静电支承力，使超导球7悬浮在超导球腔5的中心位置。x轴测量电极20、y轴测量电极22和z轴测量电极21通有高频电压，采用电容电桥电路分别检测超导球7在x、y、z坐标轴方向上的位移；

所述的超导球腔5内通过x轴测量电极20、y轴测量电极22和z轴测量电极21检测超导球7在x、y、z坐标轴方向上的位移，由程控电源控制在x、y、z坐标轴方向上的x轴支承电极17、y轴支承电极18和z轴支承电极19的静电电压，使超导球7回到超导球腔5的中心位置。根据x、y、z坐标轴方向上的静电支承力的变化量可测量出超导球7在x、y、z坐标轴方向上的直线加速度。将超导球7在x、y、z坐标轴方向上的直线加速度对时间进行两次积分，即可得到超导磁悬浮定位装置在空间上的直线位移变化量。

所述超导磁悬浮定位装置的定位方法是将超导球7作为一个三轴直线加速度计使用。将测量的x、y、z坐标轴方向上的直线加速度对时间进行两次积分，即可得到超导磁悬浮定位装置在空间上的直线位移变化量。超导转子6的旋转轴与z轴重合，通过超导转子6旋转轴的定轴性即指向不变特性，及惯性平台10可测量超导磁悬浮定位装置在空间上的角位移的变化。

所述超导磁悬浮定位装置测量重力梯度辅助定位的方法是将超导转子6与超导球7在z坐标轴方向上直线加速度相减，得到两点之间的重力加速度差值为g_z，再对超导转子6与超导球7在z方向上的距离Dz进行求导，即可求出超导磁悬浮装置在z方向上的重力梯度张量Gz＝dg_z/dDz。对测量出的重力梯度张量Gz结合重力场测绘数据模型信息，可计算对应得到载体运动的位置信息，并可作为检验数据用于修正超导磁悬浮定位装置测量定位信息随时间积累的定位误差。

本发明装置通过惯性平台在空间不同平面上的倾斜和旋转，还可以测量x、y坐标轴方向上的重力梯度张量。例如将惯性平台10倾斜至一定角度，使超导转子6中心与超导球7中心的连线与水平面xoy平面重合，使惯性平台10按一定角速度旋转，超导转子6和超导球7测量到的直线加速度通过数据处理即可得到在xoy平面上的重力梯度张量信息。同理，可得到在yoz和xoz平面上的重力梯度张量信息。

Claims (5)

1.一种重力梯度测量辅助定位的超导磁悬浮定位装置，其特征在于所述的装置包括低温容器(1)、制冷机(2)、防辐射屏(3)、超导转子腔(4)、超导球腔(5)、超导转子(6)、超导球(7)、氦气进气管(8)、氦气出气管(9)，以及惯性平台(10)；所述的制冷机(2)安装在低温容器(1)的上端，低温容器(1)放置在惯性平台(10)上；低温容器(1)内部通过拉杆在制冷机(2)的一级冷头下端固定有卷筒形状的防辐射屏(3)，在防辐射屏(3)的筒内布置有制冷机(2)的二级冷头；所述的超导转子腔(4)固定在制冷机(2)二级冷头的下端，超导球腔(5)固定在超导转子腔(4)的下端；超导转子腔(4)和超导球腔(5)外表面均是正方体，超导转子(6)布置在超导转子腔(4)内；超导转子腔(4)内表面为球面，超导球(7)布置在超导球腔(5)内；超导球腔(5)内表面为球面；超导转子腔(4)的中心在x、y、z坐标轴方向上与超导球腔(5)的中心均不重合；在超导转子腔(4)赤道平面位置的一侧连接氦气进气管(8)，超导转子腔(4)赤道平面位置的另一侧与氦气出气管(9)连接；从氦气进气管(8)输入的氦气与超导转子(6)摩擦，带动超导转子(6)旋转，超导转子(6)达到预定转速后，将氦气从氦气出气管(9)抽出，使超导转子(6)在超导转子腔(4)内自由旋转，并使超导转子(6)的旋转轴与z坐标轴重合。

2.按照权利要求1所述的重力梯度测量辅助定位的超导磁悬浮定位装置，其特征在于所述的超导转子腔(4)内表面在x、y、z坐标轴方向上正交布置有三对球面支承电极，分别是x轴支承电极(11)、y轴支承电极(12)和z轴支承电极(13)；每对支承电极上分别布置有球面检测电极：x轴测量电极(14)、y轴测量电极(16)和z轴测量电极(15)；x轴支承电极(11)、y轴支承电极(12)和z轴支承电极(13)通入低频电压，形成在x、y、z坐标轴方向上的静电支承力，使超导转子(6)悬浮在超导转子腔(4)的中心位置；x轴测量电极(14)、y轴测量电极(16)和z轴测量电极(15)通有高频电压，分别检测超导转子(6)在x、y、z坐标轴方向上的位移；由程控电源控制x、y、z坐标轴方向上的x轴支承电极(11)、y轴支承电极(12)和z轴支承电极(13)上的静电电压，使超导转子(6)回到超导转子腔(4)的中心位置；根据x、y、z坐标轴方向上的静电支承力的变化量能够测量出超导转子(6)在x、y、z坐标轴方向上受到的直线加速度。

3.按照权利要求1所述的重力梯度测量辅助定位的超导磁悬浮定位装置，其特征在于所述的超导球腔(5)内表面在x、y、z坐标轴方向上正交布置有三对球面支承电极，分别是x轴支承电极(17)、y轴支承电极(18)和z轴支承电极(19)；每对支承电极上布置有球面检测电极，分别是x轴测量电极(20)、y轴测量电极(22)和z轴测量电极(21)；x轴支承电极(17)、y轴支承电极(18)和z轴支承电极(19)通入低频电压，形成在x、y、z坐标轴方向上的静电支承力，使超导球(7)悬浮在超导球腔(5)的中心位置；x轴测量电极(20)、y轴测量电极(22)和z轴测量电极(21)通有高频电压，分别检测超导球(7)在x、y、z方向上的位移；由程控电源控制在x、y、z坐标轴方向上的x轴支承电极(17)、y轴支承电极(18)和z轴支承电极(19)的静电电压，使超导球(7)回到超导球腔(5)中心位置；根据x、y、z坐标轴方向上的静电支承力的变化量能够测量出超导球(7)在x、y、z坐标轴方向上的直线加速度，将超导球(7)在x、y、z坐标轴方向上的直线加速度对时间进行两次积分，便得到超导磁悬浮定位装置在空间上的直线位移变化量。

4.应用权利要求1所述的定位装置的定位方法，其特征在于将所述的超导球(7)测量得到的x、y、z坐标轴方向上的直线加速度对时间进行两次积分，得到超导磁悬浮定位装置在空间上的直线位移变化量；同时，超导转子(6)的旋转轴与z轴重合，通过超导转子(6)旋转轴及惯性平台(10)测量超导磁悬浮定位装置在空间上的角位移的变化。

5.应用权利要求1所述的定位装置的定位方法，其特征在于采用所述超导磁悬浮定位装置测量重力梯度张量，将超导转子(6)与超导球(7)在z坐标轴方向上测量得到的直线加速度相减，得到两点之间的重力加速度差值，再对超导转子(6)与超导球(7)在z坐标轴方向上的距离Dz进行求导，求出超导磁悬浮装置在z坐标轴方向上的重力梯度张量Gz，通过测量得到的重力梯度张量Gz对与所述超导磁悬浮定位装置固连的载体运动位置误差进行修正。