CN109443337A - 一种基于金刚石内nv色心的定位导航系统与方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于金刚石内NV色心的定位导航系统与方法，系统包括：NV色心地磁导航模块、NV色心惯性模块、匹配模块以及组合导航滤波模块；NV色心惯性模块提供参考位置信息给NV色心地磁导航模块以及组合导航滤波模块，NV色心地磁导航模块根据所述参考位置信息，提供地磁实测数据和地磁基准数据给匹配模块进行匹配计算，得到的位置信息送入组合导航滤波模块，组合导航滤波模块根据输入其中的位置信息以及所述参考位置信息，给出定位导航输出数据，该定位导航输出数据同时反馈给NV色心惯性模块进行误差修正，作为下一步测量参考基准。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于金刚石内NV色心的定位导航系统与方法，属于定位导航领域。
背景技术
多源融合定位导航是国家下一代PNT(position定位、navigation导航、timing授时)体系建设的重点，其原理是利用各种高精度探测仪器对所处环境的重力、磁场、地形等信息进行测量，并与数据库进行比对，从而得出位置信息并进行导航应用。在这其中，基于地磁和惯性组合导航方法是一种重要的可行方法。该方法中，惯导系统给出初步的粗略位置参考信息，从而初步确定该位置在地磁系统中所处的区域；地磁探测系统探测位置地磁信息，并通过匹配算法与地磁图比对进而确定位置。通过磁场定位修正，该方法一方面克服了惯导系统长期测量导致的系统误差问题，另一方面解决了地磁导航中数据过于庞大的问题，两者相互促进，大幅提升导航精度。
在传统的地磁与惯性组合PNT方法中，地磁探测需要高精度的磁力计，惯性系统需要陀螺仪、原子钟和加速度计等惯性元件。这些元件所基于的物理系统及原理各不相同，导致整个系统庞大、复杂、昂贵、可集成度低，严重影响了其在相关领域的实际应用。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于金刚石内NV色心的定位导航系统与方法，借助金刚石内NV色心的电子自旋实现地磁及惯性信息测量，具备集成度高、利于芯片化、可靠性好和定位导航精度高等优势。
本发明的技术解决方案是：
一种基于金刚石内NV色心的定位导航系统，包括：NV色心地磁导航模块、NV色心惯性模块、匹配模块以及组合导航滤波模块；
NV色心惯性模块提供参考位置信息给NV色心地磁导航模块以及组合导航滤波模块，NV色心地磁导航模块根据所述参考位置信息，提供地磁实测数据和地磁基准数据给匹配模块进行匹配计算，得到的位置信息送入组合导航滤波模块，组合导航滤波模块根据输入其中的位置信息以及所述参考位置信息，给出定位导航输出数据，该定位导航输出数据同时反馈给NV色心惯性模块进行误差修正，作为下一步测量参考基准。
所述NV色心地磁导航模块包括NV色心磁力计、地磁补偿与校准模块、地磁模型库模块以及数据提取模块；
NV色心磁力计实现所处位置的磁场大小及方向的测量，并将测量结果提供给地磁补偿与校准模块；
地磁补偿与校准模块根据NV色心磁力计自身磁场及搭载平台固有磁场信息对NV色心磁力计测量得到的磁场大小及方向进行校准与补偿，得到所处位置的地磁实测数据；
地磁模型库模块中储存有导航区域的地磁场数据，数据提取模块根据NV色心惯性模块提供的位置信息提取地磁模型库模块中对应区域范围内的相关数据，作为地磁基准数据并提供给匹配模块。
地磁补偿与校准模块根据NV色心磁力计自身磁场及搭载平台固有磁场信息对NV色心磁力计测量得到的磁场大小及方向进行校准与补偿，得到所处位置的地磁实测数据，具体为：
其中，为NV色心磁力计测量得到磁场，为NV色心磁力计及搭载平台自身固有磁场，K为与感应磁场有关的常数，为所处位置的地磁实测数据。
NV色心惯性模块包括NV色心陀螺仪、NV色心时钟、加速度计以及数据处理模块；
NV色心陀螺仪通过测量Berry相位信息确定搭载平台的转动参数信息；
NV色心时钟测量时钟参数，为测量过程提供时钟信息；
加速度计测定搭载平台的加速度信息；
数据处理模块通过对NV色心惯性模块中的陀螺仪、时钟、加速度计的测量信息进行运算处理，给出参考位置信息。
数据处理模块通过陀螺仪、时钟、加速度计给出的信息运算处理给出NV色心惯性模块得到的参考位置信息，具体为：
NV色心时钟提供钟频信息，实现系统的自主授时；
NV色心陀螺仪提供实时角速度信息对角速度积分得到方向改变信息加上初始方向得到实时的方向信息
结合实时方向信息加速度计得到实时加速度矢量对加速度的积分得到速度改变信息
加上初始速度信息得到实时的速度
对速度进行积分得到位置改变信息加上初始位置信息得到实时位置信息即NV色心惯性模块得到的参考位置信息。
匹配模块对地磁数据和地磁基准数据进行匹配计算，具体为：
匹配计算首先进行序列比对，序列比对为匹配过程中一系列地磁实测数据，通过对测量序列与基准图之间的相关性度量实现定位，最终与采集值最为相近的列我们认为是匹配结果；序列比对的度量方式是平均绝对差法MAD、平均方差法MSD、归一化积相关算法NPROD或者积相关算法PROD。
将磁场测量信息直接与惯性导航系统的输出通过卡尔曼滤波器进行信息融合，给出定位导航输出数据。
NV色心磁力计、NV色心陀螺仪以及NV色心时钟集成到同一模块。
一种基于所述导航系统实现的基于金刚石内NV色心的定位导航方法，在于步骤如下：
(1)NV色心磁力计测定所处位置磁场信息；
(2)根据NV色心磁力计自身磁场及搭载平台固有磁场信息对NV色心磁力计测量得到的磁场大小及方向进行校准与补偿，得到所处位置的地磁实测数据，即得到清洁过滤后的地磁数据；
(3)根据参考位置信息提取地磁模型库中对应区域范围内的相关数据，作为地磁基准数据；
(4)对地磁数据和地磁基准数据进行匹配计算，给出地磁定位得到的位置信息；
(5)根据步骤(4)得到的地磁定位信息与所述参考位置信息组合确认位置信息，实现精确定位导航；
(6)根据步骤(5)确认的位置信息进行误差修正，作为下一步测量参考基准。
匹配模块对地磁数据和地磁基准数据进行匹配计算，具体为：
匹配计算首先进行序列比对，序列比对为匹配过程中一系列地磁数据，通过对测量序列与基准图之间的相关性度量实现定位，最终与采集值最为相近的列我们认为是匹配结果；序列比对的度量方式是平均绝对差法MAD、平均方差法MSD、归一化积相关算法NPROD或者积相关算法PROD；
根据地磁定位信息与NV色心惯性模块给出的参考位置信息组合确认位置信息，具体为：将磁场测量信息直接与惯性导航系统的输出通过卡尔曼滤波器进行信息融合，给出定位导航输出数据。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明基于金刚石NV色心自旋量子体系实现地磁与惯性组合导航，相较于传统的各测量模块需要不同的物理体系及原理，大大降低了集成难度。
(2)系统和方法中使用的磁力计、陀螺仪和时钟等高精密测量模块所基于的NV色心存在于金刚石材料，相较于传统的原子磁力计、核磁共振陀螺仪、原子钟等模块具备芯片化优势。
(3)各种操作均在室温下实现，并可工作于很宽的温度范围，提升了环境适用性。
(4)相较于单纯的地磁导航与惯性导航，该组合导航方法大幅提升导航精度。
附图说明
图1金刚石内的NV色心及其近邻的核自旋示意图。
图2基于金刚石NV色心的磁场、时频、转动测量原理示意图。
图3基于金刚石内NV色心的磁场与惯性组合定位导航系统示意图
图4NV色心惯性系统测量原理
图5基于金刚石内NV色心的磁场与惯性组合定位导航方法示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明具体实施方式。
针对现有技术存在的问题，本发明提出一种基于金刚石内NV色心的定位导航方法。该方法借助金刚石内NV色心的电子自旋实现地磁、时钟和转动信息测量，具备集成度高、利于芯片化、可靠性好和定位导航精度高等优势。
如图1所示为金刚石内的NV色心及其近邻的核自旋示意图，金刚石NV(Nitrogen-Vacancy，氮-空位)色心是一种金刚石内的点缺陷，它是由金刚石晶格中的一个替位N原子连接一个C原子空位组成的。NV色心可以在室温下实现自旋状态读取与操作，这里称为明自旋。一般来说，NV色心附近还包含一定量的13C、14N核自旋；借助于NV色心，这些暗自旋同样可以实现相关量子态的操作。如图2所示为基于金刚石NV色心的磁场、时频、转动测量原理示意图，金刚石内NV色心电子自旋以及NV色心电子自旋和近邻的13C、14N等核自旋组成的量子体系对磁场、转动等外部环境敏感。借助于激光与微波等手段对相关量子体系进行操作，时频、磁场、转动等信息可以通过测量NV色心荧光等手段读取出来。目前，NV色心磁力计理论灵敏度达到NV色心量子钟Allan方差稳定度指标达NV-14N陀螺仪灵敏度达到8.6×10-6rads-1Hz-1/2(PRA,86,062104(2012))。相关指标均达到一流水平。
在地磁与惯性组合定位导航系统中，用于地磁探测的磁力计，定位惯性系统中的陀螺仪、时钟、加速度计等是整个系统的关键部分。而这其中，加速计发展较为成熟，磁力计、陀螺仪与高精度时钟是决定定位导航精度的关键。因此，基于金刚石内的NV色心电子自旋磁场、时频、转动的探测能力，可以实现一种地磁和惯性组合定位导航方法。
基于金刚石NV色心的定位导航系统与方法所用的磁场和惯性测量元件模块均可在室温下操作，并可工作于很宽的温度范围；金刚石可以借助于微加工手段实现结构优化与集成，具备芯片化优势；借助于金刚石内NV色心一种物理体系，可以实现地磁与惯性两种导航功能，更利于系统集成，组合导航同时大幅提升定位导航精度。
下面以一具体实施例介绍一种基于金刚石内NV色心的磁场与惯性组合定位导航系统与方法。
如图3所示，本发明实施例给出的基于金刚石内NV色心的磁场与惯性组合定位导航系统，包括：NV色心地磁导航模块、NV色心惯性模块、匹配模块以及组合导航滤波模块；
NV色心惯性模块提供参考位置信息给NV色心地磁导航模块以及组合导航滤波模块，NV色心地磁导航模块根据所述参考位置信息，提供地磁测数据和地磁基准数据给匹配模块进行匹配计算，得到的位置信息送入组合导航滤波模块，组合导航滤波模块根据输入其中的位置信息以及所述参考位置信息，给出定位导航输出数据，该定位导航输出数据同时反馈给NV色心惯性模块进行误差修正，作为下一步测量参考基准。
NV色心磁力计由系综NV色心实现，包含激发、探测、微波操控、滤波等部分，NV色心在金刚石内有四种可能的方向，不同的方向组合探测实现地磁场大小及方向测量。这里选择光探测磁共振方法测量磁场：一个恒定的静磁场使四个方向的NV色心自旋能级产生塞曼分裂；用光探测磁共振确认出四对共振频率；利用跟踪扫频监测这些共振频率在外磁场下的变化，从而得到磁场信息。NV色心与13C、14N以及其它自旋组成NV-13C、NV-14N等复合量子体系，基于这些复合量子体系的磁力计也归为NV色心磁力计，下同。
如图3所示，NV色心地磁导航模块包括NV色心磁力计、地磁补偿与校准模块、地磁模型库模块以及数据提取模块；
NV色心磁力计实现所处位置的磁场大小及方向的测量，并将测量结果提供给地磁补偿与校准模块，
地磁补偿与校准模块根据NV色心磁力计自身磁场及搭载平台固有磁场信息对NV色心磁力计测量得到的磁场大小及方向进行校准与补偿，得到所处位置的地磁实测数据；本文中的搭载平台是指整体导航定位系统的搭载平台，比如轮船等等，搭载平台自身磁场也会产生影响，故本发明考虑在内。
地磁模型库模块中储存有导航区域的地磁场数据，数据提取模块根据NV色心惯性模块提供的位置信息提取地磁模型库模块中对应区域范围内的相关数据，作为地磁基准数据并提供给匹配模块。
导航系统的铁磁部分及电子器件导致会造成磁场测量误差，NV色心磁力计测量得到矢量场包含如下量：
其中为地磁场矢量，是我们需要提取的信息，为系统本身的固有磁场，为感应磁场。
由于地磁场变化非常缓慢，其它的高频噪声可以通过低通滤波去除。
公式(1)可以写作：
对于确定的磁力计及导航系统，K和可以看做常数，相关参数通过置信域方法得到(Transactions of the Institute of Measurement and Control 36，244(2014))。
测量数据经地磁补偿与校准模块后，得到地磁真实信息
地磁模型库，由于磁力计可以得到地磁矢量场信息，因此这里地磁模型也要求具备三维场信息。地磁模型数据可以通过测磁卫星、测量船、测绘飞机等得到。地磁模型库储存有导航区域的地磁场数据。
如图3、图4所示，NV色心惯性模块包括NV色心陀螺仪、NV色心时钟、加速度计以及数据处理模块；
NV色心陀螺仪通过测量Berry相位信息确定搭载平台的转动参数信息；
NV色心时钟测量时钟参数，给出测量过程时间信息；
加速度计测定搭载平台的加速度信息；
数据处理模块通过陀螺仪、时钟、加速度计给出的信息运算处理给出NV色心惯性模块得到的参考位置信息。
数据处理模块通过陀螺仪、时钟、加速度计给出的信息运算处理给出NV色心惯性模块得到的参考位置信息，如图4所示为NV色心惯性系统测量原理：
NV色心时钟提供钟频信息，实现系统的自主授时；
NV色心陀螺仪提供实时角速度信息对角速度积分得到方向改变信息加上初始方向得到实时的方向信息
结合实时方向信息加速度计得到实时加速度矢量对加速度的积分得到速度改变信息
加上初始速度信息得到实时的速度
对速度进行积分得到位置改变信息加上初始位置信息得到实时位置信息即NV色心惯性模块得到的参考位置信息。
NV色心陀螺仪实现系统转动信息测量。目前发展出基于NV色心、NV-14N和NV-13C等量子陀螺仪，本例中采用NV-14N量子陀螺仪具备高的灵敏度，陀螺仪通过测量系统转动过程中量子态上产生的相对Berry相位得到转动角度与方向信息。
NV色心时钟精确测量系统时钟参数。这里采用NV色心基态宽度为2.87GHz的能级作为频率标准，通过脉冲实现钟频信号读取，NV色心时钟精确测量惯性系统时间信息。
匹配模块对地磁实测数据和地磁基准数据进行匹配计算，具体为：
匹配算法需要进行列比对(基于地磁信号特征的频域相关地磁匹配算法，中国惯性技术学报，(2010)；基于等值线约束的地磁匹配方法，空间科学学报(2007))，列比对为匹配过程中一系列地磁实测数据，地磁匹配通过对测量序列与基准图之间的相关性度量实现定位，列比对最常用到的度量方式是平均绝对差法(MAD)、平均方差法(MSD)、归一化积相关算法(NPROD)、积相关算法(PROD)等。最终与采集值最为相近的列我们认为是匹配结果。
将磁场测量信息直接与惯性导航系统的输出通过卡尔曼滤波器进行信息融合，给出定位导航输出数据。NV色心磁力计、NV色心陀螺仪以及NV色心时钟集成到同一模块实现。
如图5所示，本实施例给出了基于金刚石内NV色心的磁场与惯性组合定位导航方法：
(1)系统中NV色心磁力计通过读取NV色心系综荧光强度确定共振频率，进而得到所处位置磁场信息；
(2)测量的磁场信息经地磁补偿与校准模块校准处理得到清洁过滤后的地磁数据；
(3)同时惯性系统测量系统测量运动过程转动、加速度、时间等信息，并将相关测量的信息进行运算得到系统参考位置，数据提取模块根据NV色心惯性系统给出的参考位置信息提取地磁模型库中该区域的地磁数据，给出地磁基准数据；
(4)匹配模块根据地磁实测数据与地磁基准数据给出地磁定位得到的位置信息；
(5)组合导航滤波模块进一步根据地磁定位信息与惯性定位信息组合确认位置信息，实现精确定位导航；
(6)根据步骤(5)确认的位置信息对NV色心惯性模块进行误差修正，作为下一步测量参考基准。
本发明基于金刚石NV色心自旋量子体系实现地磁与惯性组合导航，相较于传统的各测量模块需要不同的物理体系及原理，大大降低了集成难度。同时，本发明中使用的磁力计、陀螺仪和时钟等高精密测量模块所基于的NV色心存在于金刚石材料，相较于传统的原子磁力计、核磁共振陀螺仪、原子钟等体系具备芯片化优势。进一步的，本发明各种操作均在室温下实现，并可工作于很宽的温度范围，提升了环境适用性。最后，相较于单纯的地磁导航与惯性导航，本发明提出的导航系统与方法大幅提升导航精度。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (10)
1.一种基于金刚石内NV色心的定位导航系统，其特征在于包括：NV色心地磁导航模块、NV色心惯性模块、匹配模块以及组合导航滤波模块；
NV色心惯性模块提供参考位置信息给NV色心地磁导航模块以及组合导航滤波模块，NV色心地磁导航模块根据所述参考位置信息，提供地磁实测数据和地磁基准数据给匹配模块进行匹配计算，得到的位置信息送入组合导航滤波模块，组合导航滤波模块根据输入其中的位置信息以及所述参考位置信息，给出定位导航输出数据，该定位导航输出数据同时反馈给NV色心惯性模块进行误差修正，作为下一步测量参考基准。
2.根据权利要求1所述的一种基于金刚石内NV色心的导航系统，其特征在于：所述NV色心地磁导航模块包括NV色心磁力计、地磁补偿与校准模块、地磁模型库模块以及数据提取模块；
NV色心磁力计实现所处位置的磁场大小及方向的测量，并将测量结果提供给地磁补偿与校准模块；
地磁补偿与校准模块根据NV色心磁力计自身磁场及搭载平台固有磁场信息对NV色心磁力计测量得到的磁场大小及方向进行校准与补偿，得到所处位置的地磁实测数据；
地磁模型库模块中储存有导航区域的地磁场数据，数据提取模块根据NV色心惯性模块提供的位置信息提取地磁模型库模块中对应区域范围内的相关数据，作为地磁基准数据并提供给匹配模块。
3.根据权利要求2所述的一种基于金刚石内NV色心的定位导航系统，其特征在于：地磁补偿与校准模块根据NV色心磁力计自身磁场及搭载平台固有磁场信息对NV色心磁力计测量得到的磁场大小及方向进行校准与补偿，得到所处位置的地磁实测数据，具体为：
其中，为NV色心磁力计测量得到磁场，为NV色心磁力计及搭载平台自身固有磁场，K为与感应磁场有关的常数，为所处位置的地磁实测数据。
4.根据权利要求2所述的一种基于金刚石内NV色心的定位导航系统，其特征在于：NV色心惯性模块包括NV色心陀螺仪、NV色心时钟、加速度计以及数据处理模块；
NV色心陀螺仪通过测量Berry相位信息确定搭载平台的转动参数信息；
NV色心时钟测量时钟参数，为测量过程提供时钟信息；
加速度计测定搭载平台的加速度信息；
数据处理模块通过对NV色心惯性模块中的陀螺仪、时钟、加速度计的测量信息进行运算处理，给出参考位置信息。
5.根据权利要求4所述的一种基于金刚石内NV色心的定位导航系统，其特征在于：数据处理模块通过陀螺仪、时钟、加速度计给出的信息运算处理给出NV色心惯性模块得到的参考位置信息，具体为：
NV色心时钟提供钟频信息，实现系统的自主授时；
NV色心陀螺仪提供实时角速度信息对角速度积分得到方向改变信息加上初始方向得到实时的方向信息
结合实时方向信息加速度计得到实时加速度矢量对加速度的积分得到速度改变信息
加上初始速度信息得到实时的速度
对速度进行积分得到位置改变信息加上初始位置信息得到实时位置信息即NV色心惯性模块得到的参考位置信息。
6.根据权利要求1所述的一种基于金刚石内NV色心的定位导航系统，其特征在于：匹配模块对地磁实测数据和地磁基准数据进行匹配计算，具体为：
匹配计算首先进行序列比对，序列比对为匹配过程中一系列地磁实测数据，通过对测量序列与基准图之间的相关性度量实现定位，最终与采集值最为相近的列我们认为是匹配结果；序列比对的度量方式是平均绝对差法MAD、平均方差法MSD、归一化积相关算法NPROD或者积相关算法PROD。
7.根据权利要求1所述的一种基于金刚石内NV色心的定位导航系统，其特征在于：将磁场测量信息直接与惯性导航系统的输出通过卡尔曼滤波器进行信息融合，给出定位导航输出数据。
8.根据权利要求4所述的一种基于金刚石内NV色心的定位导航系统，其特征在于：NV色心磁力计、NV色心陀螺仪以及NV色心时钟集成到同一模块。
9.一种基于权利要求1～8所述导航系统实现的基于金刚石内NV色心的定位导航方法，其特征在于步骤如下：
(1)NV色心磁力计测定所处位置磁场信息；
(2)根据NV色心磁力计自身磁场及搭载平台固有磁场信息对NV色心磁力计测量得到的磁场大小及方向进行校准与补偿，得到所处位置的地磁实测数据，即得到清洁过滤后的地磁数据；
(3)根据参考位置信息提取地磁模型库中对应区域范围内的相关数据，作为地磁基准数据；
(4)对地磁数据和地磁基准数据进行匹配计算，给出地磁定位得到的位置信息；
(5)根据步骤(4)得到的地磁定位信息与所述参考位置信息组合确认位置信息，实现精确定位导航；
(6)根据步骤(5)确认的位置信息进行误差修正，作为下一步测量参考基准。
10.根据权利要求9所述定位导航方法，其特征在于：匹配模块对地磁数据和地磁基准数据进行匹配计算，具体为：
匹配计算首先进行序列比对，序列比对为匹配过程中一系列地磁数据，通过对测量序列与基准图之间的相关性度量实现定位，最终与采集值最为相近的列我们认为是匹配结果；序列比对的度量方式是平均绝对差法MAD、平均方差法MSD、归一化积相关算法NPROD或者积相关算法PROD；
根据地磁定位信息与NV色心惯性模块给出的参考位置信息组合确认位置信息，具体为：将磁场测量信息直接与惯性导航系统的输出通过卡尔曼滤波器进行信息融合，给出定位导航输出数据。
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