CN111006664B - 一种基于原子自旋陀螺仪的三轴惯性平台系统 - Google Patents

一种基于原子自旋陀螺仪的三轴惯性平台系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于原子自旋陀螺仪的三轴惯性平台系统，是一种基于原子自旋陀螺仪和速率陀螺仪的混合式三轴惯性平台系统，该平台的陀螺仪组合采用1个速率陀螺仪和1个两自由度原子自旋陀螺仪的混合工作方式以控制平台台体相对惯性空间稳定；本发明采用不同类型陀螺仪的混合式工作方式，可满足载体的全姿态运动和高精度的使用要求。

Description

一种基于原子自旋陀螺仪的三轴惯性平台系统
技术领域
本发明一种基于原子自旋陀螺仪的三轴惯性平台系统，尤其涉及一种适应载体全姿态机动运行、高精度的惯性平台系统，可适用于要求全姿态的核潜艇、弹道导弹、巡航导弹、战斗机等，属于惯性测量技术领域。
背景技术
陀螺仪作为角速度传感器是惯性导航系统中的核心器件，其性能高低是制约导航系统精度的关键因素。陀螺仪经历了第一代机械陀螺仪(气浮陀螺仪、液浮陀螺仪、三浮陀螺仪、动力调谐陀螺仪、静电陀螺仪等)、第二代光学陀螺仪(激光陀螺仪、光纤陀螺仪等)、第三代微机电MEMS陀螺仪，目前在研的是第四代原子陀螺仪。原子陀螺仪中的无自旋交换弛豫(原子自旋)陀螺仪具有超高的理论精度，理论上精度可达10-8°/h。因此，原子自旋陀螺仪在长航时的惯性导航中具有非常好的应用前景。
原子自旋陀螺仪可以测量两个方向的角速度信息，其优点是一个陀螺仪可以测量两个轴的角速度，但其缺点是在垂直于两个输入轴的方向如果有角速度时将会带来测量误差，影响原子自旋陀螺仪的使用精度。
为此，需要研究基于原子自旋陀螺仪的惯性系统使用方案，最大程度发挥原子自旋陀螺仪的精度潜力，满足未来惯性系统全姿态、高精度的需求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供一种基于原子自旋陀螺仪的三轴惯性平台系统，该惯性平台系统具有全姿态、大机动、高精度的优点，满足未来惯性平台全姿态、高精度的需求。
本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：
一种基于原子自旋陀螺仪的三轴惯性平台系统，包括：基座、外框架、内框架和台体；
所述基座用于固定外部载体；
建立与基座固连的基座本体坐标系X1Y1Z1，建立与外框架固连的外框架本体坐标系Xp2Yp2Zp2，建立与内框架固连的内框架本体坐标系Xp1Yp1Zp1，建立与台体固连的台体本体坐标系XpYpZp；
所述基座本体坐标系、外框架本体坐标系、内框架本体坐标系和台体本体坐标系的原点重合，并且，台体本体坐标系的Zp轴与内框架本体坐标系的Zp1轴重合，外框架本体坐标系的Yp2轴与内框架本体坐标系的Yp1轴重合，基座本体坐标系的X1轴与外框架本体坐标系的Xp2轴重合；
所述基座能够绕外框架本体坐标系的Xp2轴转动，所述外框架能够绕内框架本体坐标系的Yp1轴转动，所述内框架能够绕台体本体坐标系的Zp轴转动；
所述台体上设置有1个速率陀螺仪和1个原子自旋陀螺仪；所述原子自旋陀螺仪的2个敏感轴均与速率陀螺仪的敏感轴垂直；
所述速率陀螺仪控制平台台体的轴端电机使台体绕台体Zp轴的角速度为零；
所述原子自旋陀螺仪的2个敏感轴分别用于控制平台的内框架Yp1轴和外框架Xp2轴的轴端电机，使台体绕台体Yp轴和Xp轴的角速度为零。
所述速率陀螺仪的输入轴与台体坐标系OXpYpZp中的台体轴Zp平行，原子自旋陀螺仪的2个输入轴分别与台体轴Zp垂直，原子自旋陀螺仪的2个输入轴相互垂直，且分别与台体坐标系OXpYpZp中的台体轴Xp、Yp平行，构成陀螺仪组合输入轴坐标系。
所述惯性平台系统的原子自旋陀螺仪通过磁屏蔽近似于工作在无磁状态，在无磁状态即不考虑磁场作用下原子自旋陀螺仪的运动学方程为
Figure GDA0002885832200000031
式中，
Figure GDA0002885832200000032
为碱金属原子的电子自旋极化率在原子自旋陀螺仪X轴的投影分量；
Figure GDA0002885832200000033
为碱金属原子的电子自旋极化率在原子自旋陀螺仪Y轴的投影分量；
Figure GDA0002885832200000034
为碱金属原子的电子自旋极化率在Z轴的投影分量；
Figure GDA0002885832200000035
为碱金属电子自旋总的弛豫率；q为减慢因子，代表原子自旋总角动量与电子自旋所占角动量的比值；ωx为原子自旋陀螺仪绕X轴的角速度；ωy为原子自旋陀螺仪绕Y轴的角速度；ωz为原子自旋陀螺仪绕Z轴的角速度；Rp为驱动激光的光抽运率，反映驱动激光对电子自旋的极化作用。
在极化状态下原子自旋陀螺仪的运动学方程为
Figure GDA0002885832200000036
其中，
Figure GDA0002885832200000037
为极化状态下，碱金属原子的电子自旋极化率在Z轴的投影分量。
以敏感台体Z轴角速率的速率陀螺仪作为敏感元件，通过控制器作用于平台台体轴的轴端电机确保台体Z轴角速率ωz为零，控制器Cz(s)根据Z轴伺服回路的带宽、静态和动态精度确定，在系统为II型时，设带宽为fc(单位为Hz)，所述控制器由一阶积分环节和一个超前环节组成，控制器的传递函数，具体为
Figure GDA0002885832200000038
其中，
Figure GDA0002885832200000041
为控制器的放大倍数，Jz为台体绕Z轴的转动惯量，KDz为台体轴端力矩电机的比例系数；
Figure GDA0002885832200000042
为一阶积分环节的传递函数；Tzs+1为超前环节的传递函数，
Figure GDA0002885832200000043
为时间常数。
本发明与现有技术方案相比的优点如下：
1)本发明基于原子自旋陀螺仪和速率陀螺仪的混合式三轴惯性平台系统，采用速率陀螺仪敏感台体转动轴(Z轴)的角速率，通过伺服回路可隔离绕该轴的角运动，这种方案的优点是使原子自旋陀螺仪中与Z轴角速度有关的耦合误差为0，实现了原子自旋陀螺仪两个输入轴测量值之间的解耦，从而提高使用精度；
2)本发明基于原子自旋陀螺仪和速率陀螺仪的混合式三轴惯性平台系统，采用1个速率陀螺仪和1个原子自旋陀螺仪，有利于在确保原子自旋陀螺仪精度的前提下实现系统的小型化，可提高载体的有效载荷；
3)本发明采用石英加速度计冗余方法，在原有三个加速度计的基础上，增加一个斜置安装的加速度计，当其中任意1个加速度计出现故障时，其余3个石英加速度计重构配合实现台体相对惯性空间的视加速度的测量，该方法实现了石英加速度计故障诊断与容错处理，提高了系统的可靠性水平，此外本发明还给出了斜置加速度计的最佳安装方式，进一步提高了平台系统的性能和可靠性。
4)本发明基于原子自旋陀螺仪的高精度惯性平台系统，可适用于要求全姿态、长航时、高精度应用场合的核潜艇、弹道导弹、巡航导弹、战斗机等，具有广阔的应用领域和应用前景。
附图说明
图1为本发明基于原子自旋陀螺仪的混合式三轴惯性平台系统组成示意图；
图2为本发明惯性平台台体各陀螺仪、加速度计极性配置示意图；
图3为本发明基于速率陀螺仪的台体Z轴伺服回路流程图；
图4为本发明基于原子自旋陀螺仪的台体X和Y轴伺服回路流程图；
图5为本发明根据带宽(30Hz)要求设计的伺服回路开环传递函数伯德图。
具体实施方式
本发明一种基于原子自旋陀螺仪的三轴惯性平台系统，包括：基座、外框架、内框架和台体。所述基座用于固定外部载体；建立与基座固连的基座本体坐标系X1Y1Z1，建立与外框架固连的外框架本体坐标系Xp2Yp2Zp2，建立与内框架固连的内框架本体坐标系Xp1Yp1Zp1，建立与台体固连的台体本体坐标系XpYpZp；所述基座本体坐标系、外框架本体坐标系、内框架本体坐标系和台体本体坐标系的原点重合，并且，台体本体坐标系的Zp轴与内框架本体坐标系的Zp1轴重合，外框架本体坐标系的Yp2轴与内框架本体坐标系的Yp1轴重合，基座本体坐标系的X1轴与外框架本体坐标系的Xp2轴重合；所述基座能够绕外框架本体坐标系的Xp2轴转动，所述外框架能够绕内框架本体坐标系的Yp1轴转动，所述内框架能够绕台体本体坐标系的Zp轴转动；所述台体上设置有1个速率陀螺仪和1个原子自旋陀螺仪；所述原子自旋陀螺仪的2个敏感轴均与速率陀螺仪的敏感轴垂直；
所述速率陀螺仪控制平台台体的轴端电机使台体绕台体Zp轴的角速度为零；所述原子自旋陀螺仪的2个敏感轴分别用于控制平台的内框架Yp1轴和外框架Xp2轴的轴端电机，使台体绕台体Yp轴和Xp轴的角速度为零，从而使平台台体的三个轴都稳定在惯性空间。
所述速率陀螺仪的输入轴与台体坐标系OXpYpZp中的台体轴Zp平行，原子自旋陀螺仪的2个输入轴分别与台体轴Zp垂直，原子自旋陀螺仪的2个输入轴相互垂直，且分别与台体坐标系OXpYpZp中的台体轴Xp、Yp平行，构成陀螺仪组合输入轴坐标系。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
如图1所示为本发明混合式惯性平台系统组成示意图，本发明一种基于原子自旋陀螺仪的三轴惯性平台系统，包括：台体和台体上安装的陀螺仪组合，陀螺仪组合包括1个速率陀螺仪Gz和1个原子自旋陀螺仪Gy。敏感平台台体Z轴的单自由度速率陀螺仪作为惯性平台系统Z轴伺服回路的台体角运动敏感元件，控制台体轴的轴端电机，在稳定回路工作时使台体Z轴稳定。敏感平台台体X和Y轴的两自由度原子自旋陀螺仪作为惯性平台系统X和Y轴伺服回路的台体角运动敏感元件，控制内环轴和外环轴的轴端电机，在稳定回路工作时使台体X和Y轴稳定。
如图2所示为本发明惯性平台台体各陀螺仪、加速度计极性配置示意图。1个速率陀螺仪Gz的输入轴Iz与台体坐标系OXYZ中的台体轴Z平行，该速率陀螺仪的输出经过控制环节作用于平台的台体轴端电机构成平台系统Z轴伺服回路；另外1个原子自旋陀螺仪Gy的输入轴Ix、Iy分别与台体轴Z垂直且二者相互垂直，构成陀螺仪组合输入轴坐标系，该原子自旋陀螺仪的输出经过解耦控制环节作用于平台的内环轴和外环轴的轴端电机构成平台系统X和Y伺服回路。台体坐标系OXYZ中的OZ轴与台体的旋转轴重合。
所述惯性平台系统的原子自旋陀螺仪通过磁屏蔽近似于工作在无磁状态，在无磁状态即不考虑磁场作用下原子自旋陀螺仪的运动学方程为
Figure GDA0002885832200000061
式中，
Figure GDA0002885832200000062
为碱金属原子的电子自旋极化率在原子自旋陀螺仪X轴的投影分量；
Figure GDA0002885832200000063
为碱金属原子的电子自旋极化率在原子自旋陀螺仪Y轴的投影分量；
Figure GDA0002885832200000064
为碱金属原子的电子自旋极化率在Z轴的投影分量；
Figure GDA0002885832200000065
为碱金属电子自旋总的弛豫率；q为减慢因子，代表原子自旋总角动量与电子自旋所占角动量的比值；ωx为原子自旋陀螺仪绕X轴的角速度；ωy为原子自旋陀螺仪绕Y轴的角速度；ωz为原子自旋陀螺仪绕Z轴的角速度；Rp为驱动激光的光抽运率，反映驱动激光对电子自旋的极化作用。
陀螺仪只有在极化后才具备测角功能，所谓极化，就是利用泵浦光使所有电子的旋转方向统一。在极化状态下原子自旋陀螺仪的运动学方程为
Figure GDA0002885832200000071
其中，
Figure GDA0002885832200000072
为极化状态下，碱金属原子的电子自旋极化率在Z轴的投影分量。
以敏感台体Z轴角速率的速率陀螺仪作为敏感元件，通过控制器作用于平台台体轴的轴端电机确保台体Z轴角速率ωz为零，控制器Cz(s)根据Z轴伺服回路的带宽、静态和动态精度确定，在系统为II型时，设带宽为fc(单位为Hz)，所述控制器由一阶积分环节和一个超前环节组成，控制器的传递函数，具体为
Figure GDA0002885832200000073
其中，
Figure GDA0002885832200000074
为控制器的放大倍数，Jz为台体绕Z轴的转动惯量，KDz为台体轴端力矩电机的比例系数；
Figure GDA0002885832200000075
为一阶积分环节的传递函数；Tzs+1为超前环节的传递函数，
Figure GDA0002885832200000076
为时间常数。
台体Z轴角速率为零时的原子自旋陀螺仪的运动学方程为
Figure GDA0002885832200000081
在无磁状态且极化状态，同时平台台体ωz为零的情况下，控制器的传递函数为
Figure GDA0002885832200000082
Figure GDA0002885832200000083
测量得到三轴惯性稳定平台系统内部相对转动的角度，包括：基座绕外框架本体坐标系的Xp2轴转动的角度βxk，外框架绕内框架本体坐标系的Yp1轴转动的角度βyk，内框架绕台体本体坐标系的Zp轴转动的角度βzk。
原子自旋陀螺仪的X轴敏感台体X轴的角速率信息，原子自旋陀螺仪的Y轴敏感台体Y轴的角速率信息，通过解耦环节、控制器后分别作用于平台外框架轴和内框架轴的轴端电机，确保台体X、Y轴角速率为零，从而使台体稳定在惯性空间；
具体解耦环节为：
Figure GDA0002885832200000084
Figure GDA0002885832200000085
式中，ωy′为解耦后的平台台体Y轴的角速度；ωx′为解耦后的平台台体X轴的角速度；
控制器Cx(s)和Cy(s)可根据伺服回路的带宽、静态和动态精度确定，在系统为II型时，设带宽为fc(单位为Hz)，则有
Figure GDA0002885832200000086
Figure GDA0002885832200000091
其中，
Figure GDA0002885832200000092
Jx为台体、内框架和外框架折合到台体后绕X轴的转动惯量，Jy为台体、内框架和外框架折合到台体后绕Y轴的转动惯量，KDx为外框架轴端力矩电机的比例系数，KDz为内框架轴端力矩电机的比例系数。
所述台体上还包括加速度计组合，所述加速度计组合包括4个石英加速度计，其中3个石英加速度计正交安装构成加速度计输入轴坐标系，第4个石英加速度计在所述加速度计输入轴坐标系中斜置安装；所述加速度计输入轴坐标系与台体坐标系OXYZ重合。
所述第4个斜置安装的石英加速度计的输入轴与其他3个石英加速度计的输入轴的夹角相同。
所述夹角的余弦值的绝对值为
Figure GDA0002885832200000093
所述台体上的4个石英加速度计，当其中任意一个石英加速度计出现故障时，其余3个石英加速度计配合实现台体相对惯性空间的视加速度的测量。
所述速率陀螺仪为激光陀螺仪、光纤陀螺仪、核磁共振陀螺仪或微机械陀螺仪。
所述转动角度βxk、βyk、βzk的取值范围为-180°～+180°。
传感器采用光电编码器或正余弦旋转编码器。
如图1所述，混合式惯性平台系统包括台体、各框架及基座。台体上还包括加速度计组合，加速度计组合用于测量台体的加速度信息，本发明中加速度计组合包括4个石英加速度计，其中3个石英加速度计Ax、Ay和Az正交安装构成加速度计输入轴坐标系，第4个石英加速度计Ad在该加速度计输入轴坐标系中斜置安装，如图2所示。所述加速度计输入轴坐标系与台体坐标系OXYZ重合。斜置安装的石英加速度计Ad可实现监测功能，当正交安装的加速度计存在故障时，及时判断出故障现象并利用斜置安装的石英加速度计Ad代替故障加速度计输出比力信息，保证载体导航信息的持续稳定输出。如图2所示，3个石英加速度计Ax、Ay和Az的输入轴分别为Ix、Iy、Iz，输出轴分别为Ox、Oy、Oz，摆轴分别为Px、Py、Pz，石英加速度计Ad的输入轴、输出轴和摆轴分别为IR、OR、PR。
本发明中第4个斜置安装的石英加速度计Ad的输入轴与其他3个石英加速度计Ax、Ay和Az的输入轴的夹角相同，优选该夹角的余弦值的绝对值为
Figure GDA0002885832200000101
如图1所示，为保持台体相对惯性空间稳定，需要利用速率陀螺仪的输出信息给控制器作用到台体轴的轴端的力矩电机，实现反馈，如图3所示。设期望角速度ωzd为0，假设台体沿Z轴有一个角速度ωz时，速率陀螺仪敏感到该角速度，并与期望值ωzd进行比较，二者之差输入给控制器Cz(s)，控制器输出uz作用到力矩电机产生电机力矩MDz，带动台体沿Z轴相反方向转动以抵消ωz，从而使平台台体沿Z轴相对惯性空间稳定。
控制器的传递函数可取
Figure GDA0002885832200000102
其中，
Figure GDA0002885832200000103
为控制器的放大倍数，Jz为台体绕Z轴的转动惯量，KDz为台体轴端力矩电机的比例系数；
Figure GDA0002885832200000104
为一阶积分环节的传递函数；Tzs+1为超前环节的传递函数，
Figure GDA0002885832200000105
为时间常数。
如图1所示，为保持台体相对惯性空间稳定，需要利用原子自旋陀螺仪的输出信息、台体框架和内框架角度信息进行信号分解，使系统由多变量交链耦合系统变为独立的单输入输出回路，解耦后的控制器作用到各框架轴端的力矩电机，如图4所示。当台体的Y轴、X轴有角速度ωy和ωx时，原子自旋陀螺仪敏感到该角速度后分别输出
Figure GDA0002885832200000111
和
Figure GDA0002885832200000112
经过解耦环节后给出ωy′和ωx′，具体解耦环节为：
Figure GDA0002885832200000113
Figure GDA0002885832200000114
式中，ωy′为解耦后的平台台体Y轴的角速度；ωx′为解耦后的平台台体X轴的角速度；
ωy′和ωx′分别经过控制器后作用到内框架轴端电机和外框架轴端电机，产生相应的电机力矩，经过框架耦合后作用到台体，形成力矩以克服角速度ωy和ωx对台体的影响，从而保持台体Y轴和X轴相对惯性空间稳定。
控制器Cx(s)和Cy(s)可根据伺服回路的带宽、静态和动态精度确定，在系统为II型时，设带宽为fc(单位为Hz)，则有
Figure GDA0002885832200000115
Figure GDA0002885832200000116
其中，
Figure GDA0002885832200000117
Jx为台体、内框架和外框架折合到台体后绕X轴的转动惯量，Jy为台体、内框架和外框架折合到台体后绕Y轴的转动惯量，KDx为外框架轴端力矩电机的比例系数，KDz为内框架轴端力矩电机的比例系数。
比如，要求带宽为30Hz时，根据本发明设计的伺服回路开环传递函数伯德图如图5所示。
以上所述，仅为本发明一个具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (13)

1.一种基于原子自旋陀螺仪的三轴惯性平台系统，其特征在于，包括：基座、外框架、内框架和台体；
所述基座用于固定外部载体；
建立与基座固连的基座本体坐标系X1Y1Z1，建立与外框架固连的外框架本体坐标系Xp2Yp2Zp2，建立与内框架固连的内框架本体坐标系Xp1Yp1Zp1，建立与台体固连的台体本体坐标系XpYpZp；
所述基座本体坐标系、外框架本体坐标系、内框架本体坐标系和台体本体坐标系的原点重合，并且，台体本体坐标系的Zp轴与内框架本体坐标系的Zp1轴重合，外框架本体坐标系的Yp2轴与内框架本体坐标系的Yp1轴重合，基座本体坐标系的X1轴与外框架本体坐标系的Xp2轴重合；
所述基座能够绕外框架本体坐标系的Xp2轴转动，所述外框架能够绕内框架本体坐标系的Yp1轴转动，所述内框架能够绕台体本体坐标系的Zp轴转动；
所述台体上设置有1个速率陀螺仪和1个原子自旋陀螺仪；所述原子自旋陀螺仪的2个敏感轴均与速率陀螺仪的敏感轴垂直；
所述速率陀螺仪控制平台台体的轴端电机使台体绕台体Zp轴的角速度为零；
所述原子自旋陀螺仪的2个敏感轴分别用于控制平台的内框架Yp1轴和外框架Xp2轴的轴端电机，使台体绕台体Yp轴和Xp轴的角速度为零；
所述速率陀螺仪的输入轴与台体坐标系OXpYpZp中的台体轴Zp平行，原子自旋陀螺仪的2个输入轴分别与台体轴Zp垂直，原子自旋陀螺仪的2个输入轴相互垂直，且分别与台体坐标系OXpYpZp中的台体轴Xp、Yp平行，构成陀螺仪组合输入轴坐标系；
所述惯性平台系统的原子自旋陀螺仪通过磁屏蔽近似于工作在无磁状态，在无磁状态即不考虑磁场作用下原子自旋陀螺仪的运动学方程为
Figure FDA0002885832190000021
式中，
Figure FDA0002885832190000022
为碱金属原子的电子自旋极化率在原子自旋陀螺仪X轴的投影分量；
Figure FDA0002885832190000023
为碱金属原子的电子自旋极化率在原子自旋陀螺仪Y轴的投影分量；
Figure FDA0002885832190000024
为碱金属原子的电子自旋极化率在Z轴的投影分量；
Figure FDA0002885832190000025
为碱金属电子自旋总的弛豫率；q为减慢因子，代表原子自旋总角动量与电子自旋所占角动量的比值；ωx为原子自旋陀螺仪绕X轴的角速度；ωy为原子自旋陀螺仪绕Y轴的角速度；ωz为原子自旋陀螺仪绕Z轴的角速度；Rp为驱动激光的光抽运率，反映驱动激光对电子自旋的极化作用。
2.根据权利要求1所述的一种基于原子自旋陀螺仪的三轴惯性平台系统，其特征在于：在极化状态下原子自旋陀螺仪的运动学方程，具体为：
Figure FDA0002885832190000026
其中，
Figure FDA0002885832190000027
为极化状态下，碱金属原子的电子自旋极化率在Z轴的投影分量。
3.根据权利要求1所述的一种基于原子自旋陀螺仪的三轴惯性平台系统，其特征在于：以敏感台体Z轴角速率的速率陀螺仪作为敏感元件，通过控制器作用于平台台体轴的轴端电机确保台体Z轴角速率ωz为零，控制器Cz(s)根据Z轴伺服回路的带宽、静态和动态精度确定，在系统为II型时，设带宽为fc，所述控制器由一阶积分环节和一个超前环节组成，控制器的传递函数，具体为
Figure FDA0002885832190000031
其中，
Figure FDA0002885832190000032
为控制器的放大倍数，Jz为台体绕Z轴的转动惯量，KDz为台体轴端力矩电机的比例系数；
Figure FDA0002885832190000033
为一阶积分环节的传递函数；Tzs+1为超前环节的传递函数，
Figure FDA0002885832190000034
为时间常数。
4.根据权利要求1所述的一种基于原子自旋陀螺仪的三轴惯性平台系统，其特征在于：台体Z轴角速率为零时的原子自旋陀螺仪的运动学方程为
Figure FDA0002885832190000035
在无磁状态且极化状态，同时平台台体ωz为零的情况下，控制器的传递函数，具体为：
Figure FDA0002885832190000036
Figure FDA0002885832190000037
5.根据权利要求1所述的一种基于原子自旋陀螺仪的三轴惯性平台系统，其特征在于：测量得到三轴惯性稳定平台系统内部相对转动的角度，包括：基座绕外框架本体坐标系的Xp2轴转动的角度βxk，外框架绕内框架本体坐标系的Yp1轴转动的角度βyk，内框架绕台体本体坐标系的Zp轴转动的角度βzk。
6.根据权利要求5所述的一种基于原子自旋陀螺仪的三轴惯性平台系统，其特征在于：原子自旋陀螺仪的X轴敏感台体X轴的角速率信息，原子自旋陀螺仪的Y轴敏感台体Y轴的角速率信息，通过解耦环节、控制器后分别作用于平台外框架轴和内框架轴的轴端电机，确保台体X、Y轴角速率为零，从而使台体稳定在惯性空间；
具体解耦环节为：
Figure FDA0002885832190000041
Figure FDA0002885832190000042
式中，ωy′为解耦后的平台台体Y轴的角速度；ωx′为解耦后的平台台体X轴的角速度；
控制器Cx(s)和Cy(s)根据伺服回路的带宽、静态和动态精度确定，在系统为II型时，设带宽为fc，则有：
Figure FDA0002885832190000043
Figure FDA0002885832190000044
其中，
Figure FDA0002885832190000045
Jx为台体、内框架和外框架折合到台体后绕X轴的转动惯量，Jy为台体、内框架和外框架折合到台体后绕Y轴的转动惯量，KDx为外框架轴端力矩电机的比例系数，KDy为内框架轴端力矩电机的比例系数。
7.根据权利要求1所述的一种基于原子自旋陀螺仪的三轴惯性平台系统，其特征在于：所述台体上还包括加速度计组合，所述加速度计组合包括4个石英加速度计，其中3个石英加速度计正交安装构成加速度计输入轴坐标系，第4个石英加速度计在所述加速度计输入轴坐标系中斜置安装；所述加速度计输入轴坐标系与台体坐标系OXYZ重合。
8.根据权利要求7所述的一种基于原子自旋陀螺仪的三轴惯性平台系统，其特征在于：所述第4个斜置安装的石英加速度计的输入轴与其他3个石英加速度计的输入轴的夹角相同。
9.根据权利要求8所述的一种基于原子自旋陀螺仪的三轴惯性平台系统，其特征在于：所述夹角的余弦值的绝对值为
Figure FDA0002885832190000051
10.根据权利要求7～9任意之一所述的一种基于原子自旋陀螺仪的三轴惯性平台系统，其特征在于：所述台体上的4个石英加速度计，当其中任意一个石英加速度计出现故障时，其余3个石英加速度计配合实现台体相对惯性空间的视加速度的测量。
11.根据权利要求1～4任意之一所述的一种基于原子自旋陀螺仪的三轴惯性平台系统，其特征在于：所述速率陀螺仪为激光陀螺仪、光纤陀螺仪、核磁共振陀螺仪或微机械陀螺仪。
12.根据权利要求5所述的一种基于原子自旋陀螺仪的三轴惯性平台系统，其特征在于：所述转动角度βxk、βyk、βzk的取值范围为-180°～+180°。
13.根据权利要求5所述的一种基于原子自旋陀螺仪的三轴惯性平台系统，其特征在于：测量得到三轴惯性稳定平台系统内部相对转动角度的传感器采用光电编码器或正余弦旋转编码器。
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CN105222808B (zh) * 2015-10-28 2017-12-26 北京自动化控制设备研究所 一种基于光弹调制的原子陀螺闭环检测方法
CN106017451B (zh) * 2016-07-20 2019-04-12 北京航空航天大学 一种基于serf原子器件的磁场补偿惯性角速率的测量方法
CN107228665B (zh) * 2017-05-10 2019-08-09 北京航天控制仪器研究所 一种混合式惯性平台系统
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