CN112254717B - 一种基于冷原子干涉陀螺仪的惯性导航装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于冷原子干涉陀螺仪的惯性导航装置，包括原子钟、三轴冷原子干涉陀螺仪、三轴光学陀螺仪、三轴力平衡加速度计、三轴冷原子干涉加速度计、伺服系统、角度传感器、平台台体、三轴平台框架和计算模块，本发明还公开了一种基于冷原子干涉陀螺仪的惯性导航方法。本发明基于物质波干涉的原子干涉仪在惯性测量方面具有很高的测量精度潜力，将冷原子干涉陀螺仪和冷原子干涉仪加速度计与现有光学陀螺仪和力平衡加速度计结合使用，构建平台式惯性导航系统可实现导航精度的提高。

Description

一种基于冷原子干涉陀螺仪的惯性导航装置及方法
技术领域
本发明属于原子惯性测量技术领域，具体涉及一种基于冷原子干涉陀螺仪的惯性导航装置。还涉及一种基于冷原子干涉陀螺仪的惯性导航方法。
背景技术
随着量子技术的发展成熟，基于原子的传感器得到了很大的发展，用于时频基准的原子钟，用于惯性量测量的原子干涉仪等器件，逐渐得到广泛应用。冷原子干涉仪作为一种新的惯性测量器件具有潜在的高测量精度，可用于冷原子干涉陀螺仪、冷原子干涉加速度计等惯性量的测量，经过二十多年的发展，冷原子陀螺仪和冷原子干涉重力仪的测量精度已与现有的惯性传感器相当。基于原子干涉仪的惯性器件测量精度提升潜力巨大，是高精度惯性导航系统最有竞争力的候选者之一，但由于工作模式和操控技术的限制，其目前还不能满足惯性导航系统的应用需求。
原子干涉惯性传感器实际应用中主要受限于典型工作模式下，原子干涉惯性传感器采样率低，存在测量周期中的“死时间”和动态范围小等限制。作为独立的惯性传感器，原子干涉惯性传感器不能满足惯性导航系统的要求。但为了将原子干涉惯性传感器高的测量精度应用于惯性导航系统中，结合平台式惯性导航系统，将原子干涉惯性传感器安装在平台台体上以获得良好的工作环境，同时原子干涉惯性传感器作为一个监控器，测量平台台体的运动信息，用于校准平台式惯性导航系统中惯性器件的漂移误差，从而把原子干涉惯性传感器的性能传递给平台式惯性导航系统，用以提高平台式惯性导航系统的导航精度，延长其借助外部信息重校准的时间间隔。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供了一种基于冷原子干涉陀螺仪的惯性导航装置，还提供了一种基于冷原子干涉陀螺仪的惯性导航方法。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种基于冷原子干涉陀螺仪的惯性导航装置，包括原子钟、三轴冷原子干涉陀螺仪、三轴光学陀螺仪、三轴力平衡加速度计、三轴冷原子干涉加速度计、伺服系统、角度传感器、平台台体、三轴平台框架和计算模块，
原子钟、三轴冷原子干涉陀螺仪、三轴光学陀螺仪、三轴力平衡加速度计、三轴冷原子干涉加速度计均设置在平台台体上，
角度传感器设置在三轴平台框架的框架上，
伺服系统设置在三轴平台框架的框架上，
原子钟分别与三轴冷原子干涉陀螺仪、三轴光学陀螺仪、三轴力平衡加速度计和三轴冷原子干涉加速度计连接，
三轴冷原子干涉陀螺仪、三轴光学陀螺仪、三轴力平衡加速度计和三轴冷原子干涉加速度计分别与计算模块连接，
计算模块还分别与角度传感器和伺服系统连接。
一种基于冷原子干涉陀螺仪的惯性导航方法，包括以下步骤：
步骤1、原子钟产生时间频率基准传输到三轴冷原子干涉陀螺仪、三轴光学陀螺仪、三轴力平衡加速度计和三轴冷原子干涉加速度计；
步骤2、三轴力平衡加速度计输出加速度信号aFB(t)到计算模块，
三轴冷原子干涉加速度计输出测量加速度信号aat(t)到计算模块，
在计算模块中，加速度信号aFB(t)被分为两路，第一路加速度信号aFB(t)与测量加速度信号aat(t)进行运算，计算出三轴力平衡加速度计的加速度漂移误差abias(t)，
第二路加速度信号aFB(t)减去加速度漂移误差abias(t)，得到连续的真实加速度值a(t)，
步骤3、三轴冷原子干涉陀螺仪测量的相移Δφ输出到计算模块，
在计算模块中，计算三轴冷原子干涉陀螺仪中加速度导致的相移Δφa：
其中，T为原子干涉仪干涉时间，
其中，keff是拉曼激光波矢，t是时间，g(t)是灵敏度函数，a(t)为真实加速度值，
计算测量转动速率Ωat(t)为：
Ωat(t)＝(Δφ-Δφa)/S
其中，Δφ是三轴冷原子干涉陀螺仪测量的相移，S是标度因数，Ωat(t)是转动速率，
步骤4、三轴光学陀螺仪测量的转动速率ΩOG(t)输入到计算模块，
在计算模块中，转动速率ΩOG(t)被分为两路进行计算，第一路转动速率ΩOG(t)与步骤3获得的测量转动速率Ωat(t)进行运算，计算出三轴光学陀螺仪的转动速率漂移误差Ωbias(t)，
第二路转动速率信号ΩOG(t)减去转动速率漂移误差Ωbias(t)，得到连续的真实转动速率Ω(t)，真实转动速率Ω(t)积分后输入到伺服系统中，作为平台台面的转动角度，伺服系统根据平台台面的转动角度对平台台面进行调整，使平台台面始终保持水平。
一种基于冷原子干涉陀螺仪的惯性导航方法，还包括以下步骤：
步骤5、角度传感器与三轴平台框架的框架固连，测量三轴平台框架的框架与平台台体的台面之间的夹角，即运动载体的三维姿态信息。
所述的步骤2中，第一路加速度信号aFB(t)与测量加速度信号aat(t)进行运算，计算出三轴力平衡加速度计的加速度漂移误差abias(t)包括以下步骤：
步骤2.1、通过三轴冷原子干涉加速度计的传递函数hat(t)计算出三轴力平衡加速度计在原子干涉模式下的加速度信号aat/FB(t)：
其中，传递函数hat(t)表示为：
其中，T是原子干涉仪干涉时间，三轴力平衡加速度计的加速度漂移误差abias(t)表示为：
其中，i是三轴冷原子干涉加速度计测量周期次数。
所述的步骤4中，三轴光学陀螺仪的漂移误差Ωbias(t)为：
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
基于物质波干涉的原子干涉仪在惯性测量方面具有很高的测量精度潜力，将冷原子干涉陀螺仪和冷原子干涉仪加速度计与现有光学陀螺仪和力平衡加速度计结合使用，构建平台式惯性导航系统可实现导航精度的提高。一方面冷原子干涉陀螺仪和冷原子干涉加速度计作为监控器校准光学陀螺仪和力平衡加速度计的漂移误差，使其能达到更高的稳定性，另一方面光学陀螺仪和力平衡加速度计具有高的动态测量范围和采样率维持平台的稳定，为冷原子干涉陀螺仪和冷原子干涉加速度计提供了一个稳定的工作环境，使其能实现高性能的工作状态。
附图说明
图1为一种基于冷原子干涉陀螺仪的惯性导航装置的结构示意图；
图2为一种基于冷原子干涉陀螺仪的惯性导航方法的工作原理图；
图中：101-原子钟，102-三轴冷原子干涉陀螺仪，103-三轴光学陀螺仪，104-三轴力平衡加速度计，105-三轴冷原子干涉加速度计，106-伺服系统，107-角度传感器，108-平台台体，109-三轴平台框架。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
在实施例中，如图1所示，一种基于冷原子干涉陀螺仪的惯性导航装置，包括原子钟101、三轴冷原子干涉陀螺仪102、三轴光学陀螺仪103、三轴力平衡加速度计104、三轴冷原子干涉加速度计105、伺服系统106、角度传感器107、平台台体108、三轴平台框架109和计算模块。
原子钟101、三轴冷原子干涉陀螺仪102、三轴光学陀螺仪103、三轴力平衡加速度计104、三轴冷原子干涉加速度计105均设置在平台台体上，
角度传感器107设置在三轴平台框架109的框架上，
伺服系统106根据平台台面108的转动角度对平台台面进行调整，使平台台面始终保持水平，伺服系统设置在三轴平台框架109的框架上。
原子钟101分别与三轴冷原子干涉陀螺仪102、三轴光学陀螺仪103、三轴力平衡加速度计104和三轴冷原子干涉加速度计105连接，
三轴冷原子干涉陀螺仪102、三轴光学陀螺仪103、三轴力平衡加速度计104和三轴冷原子干涉加速度计105分别与计算模块连接，
计算模块还分别与角度传感器107和伺服系统106连接。
一种基于冷原子干涉陀螺仪的惯性导航方法，包括以下步骤：
步骤一：
如图2所示，原子钟101产生精确的时间频率基准，分别传输到三轴冷原子干涉陀螺仪102、三轴光学陀螺仪103、三轴力平衡加速度计104和三轴冷原子干涉加速度计105。同时时间频率基准还作为频率参考供三轴冷原子干涉陀螺仪102和三轴冷原子干涉加速度计105中的信号源使用。
步骤二：
三轴力平衡加速度计104(其输出的加速度信号aFB(t)＝a(t)+abias(t)，其中a(t)为真实加速度值，abias(t)为加速度漂移误差)输出加速度信号aFB(t)到计算模块，
三轴冷原子干涉加速度计105输出测量加速度信号aat(t)到计算模块，
在计算模块中，三轴力平衡加速度计104输出的加速度信号aFB(t)被分为两路进行计算，第一路加速度信号aFB(t)与三轴冷原子干涉加速度计105输出的测量加速度信号aat(t)进行运算，在相同时间内加速度信号aFB(t)与测量加速度信号aat(t)进行比较，计算出三轴力平衡加速度计104的加速度漂移误差abias(t)，
首先，通过三轴冷原子干涉加速度计105的传递函数hat(t)计算出三轴力平衡加速度计104在原子干涉模式下的加速度信号aat/FB(t)，可表示为：
其中，T为原子干涉仪干涉时间，
其中传递函数hat(t)可表示为：
其中，T是原子干涉仪干涉时间，三轴力平衡加速度计104的加速度漂移误差abias(t)，可表示为：
其中i是三轴冷原子干涉加速度计105测量周期次数，进行多次平均后计算出漂移误差。
第二路加速度信号aFB(t)扣除加速度漂移误差abias(t)，得到连续的真实加速度值a(t)。
步骤三：
三轴冷原子干涉陀螺仪102测量的相移Δφ输出到计算模块，
在计算模块中，计算三轴冷原子干涉陀螺仪102中加速度导致的相移Δφa：
其中，keff是拉曼激光波矢，t是时间，g(t)是灵敏度函数。
计算通过三轴冷原子干涉陀螺仪102获得的测量转动速率Ωat(t)便可表示为：
Ωat(t)＝(Δφ-Δφa)/S (5)
其中，Δφ是三轴冷原子干涉陀螺仪102测量的相移，S是标度因数，Ωat(t)是转动速率。
步骤四：
三轴光学陀螺仪103测量的转动速率ΩOG(t)输入到计算模块，
三轴光学陀螺仪103(其输出的转动速率ΩOG(t)＝Ω(t)+Ωbias(t)，其中，Ω(t)为真实转动速率，Ωbias(t)为转动速率漂移误差)输出的转动速率ΩOG(t)被分为两路进行计算，第一路转动速率ΩOG(t)与步骤三获得的测量转动速率Ωat(t)进行运算，在相同时间内第一路转动速率ΩOG(t)和测量转动速率Ωat(t)积分得到转动角度值进行比较，计算出三轴光学陀螺仪103的转动速率漂移误差Ωbias(t)，可表示为：
第二路三轴光学陀螺仪103的转动速率信号ΩOG(t)扣除计算获得的转动速率漂移误差Ωbias(t)，得到连续的真实转动速率Ω(t)，真实转动速率Ω(t)积分后输入到伺服系统中(∫Ω(t)dt)，作为平台台面的转动角度，伺服系统根据平台台面的转动角度对平台台面进行调整，使平台台面始终保持水平。
i和T的含义与公式2和公式3中相同。
步骤五：
角度传感器107与三轴平台框架109的框架固连，测量三轴平台框架109的框架与平台台体108的台面之间的夹角，便是运动载体的三维姿态信息114。
三轴力平衡加速度计104输出的第二路加速度信号aFB(t)首先与重力场模型进行重力校准，通过导航算法与初始速度、初始位置信息计算得到运动载体的位置信息，上述计算位置信息的过程为通用计算方法，本专利不做详细论述。
三轴光学陀螺仪103和三轴力平衡加速度计104漂移误差提取方法，可采用卡尔曼滤波为通用计算方法，本专利中不详细论述。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (4)

1.一种基于冷原子干涉陀螺仪的惯性导航方法，利用一种基于冷原子干涉陀螺仪的惯性导航装置，上述装置包括原子钟(101)、三轴冷原子干涉陀螺仪(102)、三轴光学陀螺仪(103)、三轴力平衡加速度计(104)、三轴冷原子干涉加速度计(105)、伺服系统(106)、角度传感器(107)、平台台体(108)、三轴平台框架(109)和计算模块，
原子钟(101)、三轴冷原子干涉陀螺仪(102)、三轴光学陀螺仪(103)、三轴力平衡加速度计(104)、三轴冷原子干涉加速度计(105)均设置在平台台体上，
角度传感器(107)设置在三轴平台框架(109)的框架上，
伺服系统(106)设置在三轴平台框架(109)的框架上，
原子钟(101)分别与三轴冷原子干涉陀螺仪(102)、三轴光学陀螺仪(103)、三轴力平衡加速度计(104)和三轴冷原子干涉加速度计(105)连接，
三轴冷原子干涉陀螺仪(102)、三轴光学陀螺仪(103)、三轴力平衡加速度计(104)和三轴冷原子干涉加速度计(105)分别与计算模块连接，
计算模块还分别与角度传感器(107)和伺服系统(106)连接，
其特征在于，上述方法包括以下步骤：
步骤1、原子钟(101)产生时间频率基准传输到三轴冷原子干涉陀螺仪(102)、三轴光学陀螺仪(103)、三轴力平衡加速度计(104)和三轴冷原子干涉加速度计(105)；
步骤2、三轴力平衡加速度计(104)输出加速度信号aFB(t)到计算模块，
三轴冷原子干涉加速度计(105)输出测量加速度信号aat(t)到计算模块，
在计算模块中，加速度信号aFB(t)被分为两路，第一路加速度信号aFB(t)与测量加速度信号aat(t)进行运算，计算出三轴力平衡加速度计(104)的加速度漂移误差abias(t)，
第二路加速度信号aFB(t)减去加速度漂移误差abias(t)，得到连续的真实加速度值a(t)，
步骤3、三轴冷原子干涉陀螺仪(102)测量的相移Δφ输出到计算模块，
在计算模块中，计算三轴冷原子干涉陀螺仪(102)中加速度导致的相移Δφa：
其中，T为原子干涉仪干涉时间，
其中，keff是拉曼激光波矢，t是时间，g(t)是灵敏度函数，a(t)为真实加速度值，
计算测量转动速率Ωat(t)为：
Ωat(t)＝(Δφ-Δφa)/S
其中，Δφ是三轴冷原子干涉陀螺仪(102)测量的相移，S是标度因数，Ωat(t)是测量转动速率，
步骤4、三轴光学陀螺仪(103)测量的转动速率ΩOG(t)输入到计算模块，
在计算模块中，转动速率ΩOG(t)被分为两路进行计算，第一路转动速率ΩOG(t)与步骤3获得的测量转动速率Ωat(t)进行运算，计算出三轴光学陀螺仪(103)的转动速率漂移误差Ωbias(t)，
第二路转动速率ΩOG(t)减去转动速率漂移误差Ωbias(t)，得到连续的真实转动速率Ω(t)，真实转动速率Ω(t)积分后输入到伺服系统中，作为平台台面的转动角度，伺服系统根据平台台面的转动角度对平台台面进行调整，使平台台面始终保持水平。
2.根据权利要求1所述的一种基于冷原子干涉陀螺仪的惯性导航方法，其特征在于，还包括以下步骤：
步骤5、角度传感器(107)与三轴平台框架(109)的框架固连，测量三轴平台框架(109)的框架与平台台体(108)的台面之间的夹角，即运动载体的三维姿态信息。
3.根据权利要求1所述的一种基于冷原子干涉陀螺仪的惯性导航方法，其特征在于，所述的步骤2中，第一路加速度信号aFB(t)与测量加速度信号aat(t)进行运算，计算出三轴力平衡加速度计(104)的加速度漂移误差abias(t)包括以下步骤：
步骤2.1、通过三轴冷原子干涉加速度计(105)的传递函数hat(t)计算出三轴力平衡加速度计(104)在原子干涉模式下的加速度信号aat/FB(t)：
其中，传递函数hat(t)表示为：
其中，T是原子干涉仪干涉时间，三轴力平衡加速度计(104)的加速度漂移误差abias(t)表示为：
其中，i是三轴冷原子干涉加速度计(105)测量周期次数。
4.根据权利要求3所述的一种基于冷原子干涉陀螺仪的惯性导航方法，其特征在于，所述的步骤4中，三轴光学陀螺仪(103)的漂移误差Ωbias(t)为：
。
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