CN113984033A - 一种基于四脉冲原子干涉陀螺仪的寻北方法及系统 - Google Patents

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周建飞
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Abstract

本发明涉及一种基于四脉冲原子干涉陀螺仪的寻北方法及系统，该寻北方法包括：将四脉冲原子干涉陀螺仪置于水平位置转台上，改变地球自转轴与四脉冲原子干涉陀螺仪输入轴之间的夹角θNorth，测量得到各个对应的输出相位ΦΩ；建立四脉冲原子干涉陀螺仪的输入输出关系的线性模型；基于线性模型拟合得到输出相位ΦΩ与夹角θNorth的关系函数，基于关系函数测得真北方向；利用四脉冲原子干涉陀螺仪的高精度测量能力，确定真北方向，能够满足高精度寻北的需求，在科学和工程实践中具有潜在的应用价值。

Description

一种基于四脉冲原子干涉陀螺仪的寻北方法及系统
技术领域
本发明涉及原子干涉陀螺仪技术领域，尤其涉及一种基于四脉冲原子干涉陀螺仪的寻北方法及系统。
背景技术
寻北仪通常采用陀螺仪作为敏感地球自转角速率的测量部件，利用陀螺仪测得的地球自转角速率分量值和加速度计测得的载体倾角，经过解算确定载体方位角，即载体基准轴与真北方向的夹角，主要用于初始对准和方向控制、野外侦查定向、确定射向方位、平台方位基准校准、地下施工测向。
传统寻北仪例如光纤陀螺寻北仪以各种传统陀螺仪为基础，寻北仪的寻北精度主要取决于所用陀螺仪的精度，目前在科学和工程实践中有越来越多的高精度寻北的需求。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种基于四脉冲原子干涉陀螺仪的寻北方法及系统，利用四脉冲原子干涉陀螺仪的高精度测量能力，确定真北方向，能够满足高精度寻北的需求，在科学和工程实践中具有潜在的应用价值。
根据本发明的第一方面，提供了一种基于四脉冲原子干涉陀螺仪的寻北方法，包括：
步骤1，将四脉冲原子干涉陀螺仪设置于水平位置转台上，改变地球自转轴与所述四脉冲原子干涉陀螺仪输入轴之间的夹角θNorth，测量得到各个对应的输出相位ΦΩ；
步骤2，建立所述四脉冲原子干涉陀螺仪的输入输出关系的线性模型；
步骤3，基于所述线性模型拟合得到输出相位ΦΩ与所述夹角θNorth的关系函数，基于所述关系函数测得真北方向。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以作出如下改进。
可选的，所述步骤1包括：
将所述原子干涉陀螺仪固定在所述水平位置转台上，使所述原子干涉陀螺仪的输入基准轴与水平面平行，并与正东或正北方向重合；
将所述水平位置转台的初始指北角度θNorth(0)定义为所述水平位置转台的0°；
启动所述水平位置转台后控制所述水平位置转台分别转动各个设定角度值为各组所述夹角θNorth(i)，i表示第i组数据；
分别记录所述水平位置转台转动θNorth(i)角度后处于静止状态时所述原子陀螺测量的输出相位ΦΩ(i)。
可选的，各个所述设定角度值包括：0°、±20°、±40°、±60°、±80°、±100°、±120°、±140°、±160°以及±180°中的一个或多个。可选的，
可选的，所述线性模型为：
Figure BDA0003309362400000021
其中，
Figure BDA0003309362400000022
为有效拉曼光波矢，
Figure BDA0003309362400000023
为重力加速度，T为前两束拉曼脉冲作用间隔时间，
Figure BDA0003309362400000024
为地球自转速度，θLatitude为当地纬度，θ0为水平位置转台零位相对于地理北的偏差角。
可选的，所述步骤3中通过三角函数进行拟合。
可选的，所述步骤3中基于所述关系函数测得真北方向包括：
确定所述水平位置转台的0°相对于地理北向的偏差角θ0，所述真北方向的角度为θNorth(0)+θ0。
根据本发明的第二方面，提供一种基于四脉冲原子干涉陀螺仪的寻北系统，包括：四脉冲原子干涉陀螺仪、水平位置转台和真北方向计算模块；
将所述四脉冲原子干涉陀螺仪设置于所述水平位置转台上，改变地球自转轴与所述四脉冲原子干涉陀螺仪输入轴之间的夹角θNorth，测量得到各个对应的输出相位ΦΩ；
所述真北方向计算模块，用于建立所述四脉冲原子干涉陀螺仪的输入输出关系的线性模型，基于所述线性模型拟合得到输出相位ΦΩ与所述夹角θNorth的关系函数，基于所述关系函数测得真北方向。
根据本发明的第三方面，提供了一种电子设备，包括存储器、处理器，所述处理器用于执行存储器中存储的计算机管理类程序时实现基于四脉冲原子干涉陀螺仪的寻北方法的步骤。
根据本发明的第四方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机管理类程序，所述计算机管理类程序被处理器执行时实现基于四脉冲原子干涉陀螺仪的寻北方法的步骤。
本发明提供的一种基于四脉冲原子干涉陀螺仪的寻北方法、系统、电子设备及存储介质，考虑四脉冲原子干涉陀螺仪的转动相位输出大小与其敏感到的转动速度有关，建立四脉冲原子干涉陀螺仪的输入输出关系的线性模型，通过三角函数拟合得到输出相位与夹角的关系函数，再根据水平位置转台的0°相对于地理北向的偏差角可以实时计算得到真北方向的角度，能够满足高精度寻北的需求，在科学和工程实践中具有潜在的应用价值。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于四脉冲原子干涉陀螺仪的寻北方法流程图；
图2为本发明提供的一种进行三角函数拟合得到关系函数的具体实施例的示意图；
图3为本发明提供的一种可能的电子设备的硬件结构示意图；
图4为本发明提供的一种可能的计算机可读存储介质的硬件结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
近年来，原子干涉陀螺仪技术得到了迅速的发展和广泛的应用，因其潜在的高灵敏度和量子属性，在高精度惯性导航领域具有广阔的应用前景。
图1为本发明提供的一种基于四脉冲原子干涉陀螺仪的寻北方法流程图，如图1所示，本发明提供的一种寻北方法包括：
步骤1，将四脉冲原子干涉陀螺仪设置于水平位置转台上，改变地球自转轴与四脉冲原子干涉陀螺仪输入轴之间的夹角θNorth，测量得到各个对应的输出相位ΦΩ。
具体的，该四脉冲原子干涉陀螺仪可以为四脉冲竖直抛射型的高精度原子干涉陀螺仪。原子干涉陀螺仪在三维磁光阱中产生冷原子团，抛射后的冷原子团依此经历态制备、干涉、探测等阶段，最终解算出转动相位。
步骤2，建立四脉冲原子干涉陀螺仪的输入输出关系的线性模型。
步骤3，基于线性模型拟合得到输出相位ΦΩ与夹角θNorth的关系函数，基于关系函数测得真北方向。
本发明利用原子干涉陀螺仪在转动测量方面具有的极大精度优势，提供了一种基于四脉冲原子干涉陀螺仪的寻北方法，利用四脉冲原子干涉陀螺仪的高精度测量能力，确定真北方向，能够满足高精度寻北的需求，在科学和工程实践中具有潜在的应用价值。
实施例1
本发明提供的实施例1为本发明提供的一种基于四脉冲原子干涉陀螺仪的寻北方法的实施例，结合图1可知，该实施例包括：
步骤1，将四脉冲原子干涉陀螺仪设置于水平位置转台上，改变地球自转轴与四脉冲原子干涉陀螺仪输入轴之间的夹角θNorth，测量得到各个对应的输出相位ΦΩ。
在一种可能的实施例方式中，步骤1包括：
将原子干涉陀螺仪固定在水平位置转台上，使原子干涉陀螺仪的输入基准轴与水平面平行，并与正东或正北方向重合，误差不超过规定值。
将水平位置转台的初始指北角度θNorth(0)定义为水平位置转台的0°。
记录测量地点纬度为θLatitude。
检查电缆连接正确后启动转台，接通陀螺电源，预热一定时间后，控制水平位置转台分别转动若干设定角度值为各组夹角θNorth(i)，i表示第i组数据；在一种可能的实施例方式中，若干设定角度值包括：0°、±20°、±40°、±60°、±80°、±100°、±120°、±140°、±160°以及±180°中的一个或多个。水平位置转台的转动使得地球自转轴与原子干涉陀螺仪输入轴之间的夹角发生了改变。
停止转动后，转台处于静止状态，记录原子陀螺测量的相位。
通过改变原子陀螺实验装置的水平方位角，可获得多组θNorth(i)和ΦΩ(i)。
步骤2，建立四脉冲原子干涉陀螺仪的输入输出关系的线性模型。
在一种可能的实施例方式中，建立该线性模型的过程包括：
四脉冲原子干涉陀螺仪的转动相位输出大小与其敏感到的转动速度有关。原子干涉陀螺仪在静止在地面状态下，转动相位关于转动速度的表达式可以写为：
Figure BDA0003309362400000051
其中，
Figure BDA0003309362400000052
是有效拉曼光波矢，
Figure BDA0003309362400000053
是重力加速度，T是前两束拉曼脉冲作用间隔时间，
Figure BDA0003309362400000054
是陀螺转动速度。陀螺敏感轴由
Figure BDA0003309362400000055
决定，与
Figure BDA0003309362400000056
在水平面的投影正交。陀螺敏感轴朝向地理北(南)方向时，输出的转动相位值最大；朝向地理东(西)方向时，输出的转动相位值最小。
定义
Figure BDA0003309362400000061
为陀螺的标度因数，则上式可简写为：
Figure BDA0003309362400000062
陀螺实际敏感到的转动速度是地球转动速度在当地纬度相对于陀螺敏感轴的投影，具体对应关系为：
Figure BDA0003309362400000063
其中，
Figure BDA0003309362400000064
是地球自转速度，θLatitude是当地纬度，θNorth是转台角度，θ0转台零位相对于地理北的偏差角。
综上可以建立原子陀螺仪输入输出关系的线性模型：
Figure BDA0003309362400000065
将原子陀螺置于水平位置转台上，通过改变地球自转轴与原子陀螺输入轴之间的夹角，即θNorth，测量输出相位ΦΩ，根据上述原子陀螺仪输入输出关系的线性模型。
步骤3，基于线性模型拟合得到输出相位ΦΩ与夹角θNorth的关系函数，基于关系函数测得真北方向。
在一种可能的实施例方式中，步骤3中通过三角函数进行拟合，基于关系函数测得真北方向包括：
确定水平位置转台的0°相对于地理北向的偏差角θ0，真北方向的角度为θNorth(0)+θ0。
如图2所示为本发明提供的一种进行三角函数拟合得到关系函数的具体实施例的示意图，图2给出的实施例中，测量了一组θNorth(i)，范围在-30°～127°之间，共22个点位。通过三角函数拟合，得到真北方向为-2.0959°±0.03538°。
实施例2
本发明提供的实施例2为本发明提供的一种基于四脉冲原子干涉陀螺仪的寻北系统的实施例，该寻北系统的实施例包括：四脉冲原子干涉陀螺仪、水平位置转台和真北方向计算模块；具体的，该四脉冲原子干涉陀螺仪可以为四脉冲竖直抛射型的高精度原子干涉陀螺仪。
将四脉冲原子干涉陀螺仪设置于水平位置转台上，改变地球自转轴与四脉冲原子干涉陀螺仪输入轴之间的夹角θNorth，测量得到各个对应的输出相位ΦΩ。
真北方向计算模块，用于建立四脉冲原子干涉陀螺仪的输入输出关系的线性模型，基于线性模型拟合得到输出相位ΦΩ与夹角θNorth的关系函数，基于关系函数测得真北方向。
可以理解的是，本发明提供的一种基于四脉冲原子干涉陀螺仪的寻北系统与前述各实施例提供的基于四脉冲原子干涉陀螺仪的寻北方法相对应，基于四脉冲原子干涉陀螺仪的寻北系统的相关技术特征可参考基于四脉冲原子干涉陀螺仪的寻北方法的相关技术特征，在此不再赘述。
请参阅图3，图3为本发明实施例提供的电子设备的实施例示意图。如图3所示，本发明实施例提了一种电子设备，包括存储器1310、处理器1320及存储在存储器1320上并可在处理器1320上运行的计算机程序1311，处理器1320执行计算机程序1311时实现以下步骤：将四脉冲原子干涉陀螺仪设置于水平位置转台上，改变地球自转轴与四脉冲原子干涉陀螺仪输入轴之间的夹角θNorth，测量得到各个对应的输出相位ΦΩ；建立四脉冲原子干涉陀螺仪的输入输出关系的线性模型；基于线性模型拟合得到输出相位ΦΩ与夹角θNorth的关系函数，基于关系函数测得真北方向。
请参阅图4，图4为本发明提供的一种计算机可读存储介质的实施例示意图。如图4所示，本实施例提供了一种计算机可读存储介质1400，其上存储有计算机程序1411，该计算机程序1411被处理器执行时实现如下步骤：将四脉冲原子干涉陀螺仪设置于水平位置转台上，改变地球自转轴与四脉冲原子干涉陀螺仪输入轴之间的夹角θNorth，测量得到各个对应的输出相位ΦΩ；建立四脉冲原子干涉陀螺仪的输入输出关系的线性模型；基于线性模型拟合得到输出相位ΦΩ与夹角θNorth的关系函数，基于关系函数测得真北方向。
本发明实施例提供的一种基于四脉冲原子干涉陀螺仪的寻北方法、系统及存储介质，考虑四脉冲原子干涉陀螺仪的转动相位输出大小与其敏感到的转动速度有关，建立四脉冲原子干涉陀螺仪的输入输出关系的线性模型，通过三角函数拟合得到输出相位与夹角的关系函数，再根据水平位置转台的0°相对于地理北向的偏差角可以实时计算得到真北方向的角度，能够满足高精度寻北的需求，在科学和工程实践中具有潜在的应用价值。
需要说明的是，在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式计算机或者其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种基于四脉冲原子干涉陀螺仪的寻北方法，其特征在于，所述寻北方法包括：
步骤1，将四脉冲原子干涉陀螺仪设置于水平位置转台上，改变地球自转轴与所述四脉冲原子干涉陀螺仪输入轴之间的夹角θNorth，测量得到各个对应的输出相位ΦΩ；
步骤2，建立所述四脉冲原子干涉陀螺仪的输入输出关系的线性模型；
步骤3，基于所述线性模型拟合得到输出相位ΦΩ与所述夹角θNorth的关系函数，基于所述关系函数测得真北方向。
2.根据权利要求1所述的寻北方法，其特征在于，所述步骤1包括：
将所述原子干涉陀螺仪固定在所述水平位置转台上，使所述原子干涉陀螺仪的输入基准轴与水平面平行，并与正东或正北方向重合；
将所述水平位置转台的初始指北角度θNorth(0)定义为所述水平位置转台的0°；
启动所述水平位置转台后控制所述水平位置转台分别转动各个设定角度值为各组所述夹角θNorth(i)，i表示第i组数据；
分别记录所述水平位置转台转动θNorth(i)角度后处于静止状态时所述原子陀螺测量的输出相位ΦΩ(i)。
3.根据权利要求2所述的寻北方法，其特征在于，各个所述设定角度值包括：0°、±20°、±40°、±60°、±80°、±100°、±120°、±140°、±160°以及±180°中的一个或多个。
4.根据权利要求1所述的寻北方法，其特征在于，所述线性模型为：
Figure FDA0003309362390000011
其中，
Figure FDA0003309362390000012
为有效拉曼光波矢，
Figure FDA0003309362390000013
为重力加速度，T为前两束拉曼脉冲作用间隔时间，
Figure FDA0003309362390000021
为地球自转速度，θLatitude为当地纬度，θ0为水平位置转台零位相对于地理北的偏差角。
5.根据权利要求1所述的寻北方法，其特征在于，所述步骤3中通过三角函数进行拟合。
6.根据权利要求2所述的寻北方法，其特征在于，所述步骤3中基于所述关系函数测得真北方向包括：
确定所述水平位置转台的0°相对于地理北向的偏差角θ0，所述真北方向的角度为θNorth(0)+θ0。
7.一种基于四脉冲原子干涉陀螺仪的寻北系统，其特征在于，包括：四脉冲原子干涉陀螺仪、水平位置转台和真北方向计算模块；
将所述四脉冲原子干涉陀螺仪设置于所述水平位置转台上，改变地球自转轴与所述四脉冲原子干涉陀螺仪输入轴之间的夹角θNorth，测量得到各个对应的输出相位ΦΩ；
所述真北方向计算模块，用于建立所述四脉冲原子干涉陀螺仪的输入输出关系的线性模型，基于所述线性模型拟合得到输出相位ΦΩ与所述夹角θNorth的关系函数，基于所述关系函数测得真北方向。
8.一种电子设备，其特征在于，包括存储器、处理器，所述处理器用于执行存储器中存储的计算机管理类程序时实现如权利要求1-6任一项所述的基于四脉冲原子干涉陀螺仪的寻北方法的步骤。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有计算机管理类程序，所述计算机管理类程序被处理器执行时实现如权利要求1-6任一项所述的基于四脉冲原子干涉陀螺仪的寻北方法的步骤。
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