CN115265512A - 一种用于serf原子自旋陀螺仪的旋转调制方法 - Google Patents

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CN115265512A CN202210899126.1A CN202210899126A CN115265512A CN 115265512 A CN115265512 A CN 115265512A CN 202210899126 A CN202210899126 A CN 202210899126A CN 115265512 A CN115265512 A CN 115265512A
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Abstract

本发明公开了一种用于SERF原子自旋陀螺仪的旋转调制方法，步骤为：S1、以SERF原子自旋陀螺仪的主轴中轴线与旋转机构的旋转轴的中轴线重合的方式在陀螺仪与平台之间安装旋转机构；S2、设计旋转机构的旋转方案为四位置旋转方式；S3、SERF原子自旋陀螺仪在工作过程中始终按四位置旋转方案旋转并对其在每个旋转周期内输出的全部角速率测量值
Figure DDA0003770221310000011
求取平均值，即得到可直接用于进行导航解算的i系下的经过旋转调制的角速率测量值
Figure DDA0003770221310000012
该旋转调制方法能够将SERF原子自旋陀螺仪的角速率测量误差中的零偏、标度因数误差和安装误差相关的误差以及随机误差的低频分量完全旋转调制为0，将与磁场强度相关的误差大部分旋转调制为0，实现提高SERF原子自旋陀螺仪测量精度的目的。

Description

一种用于SERF原子自旋陀螺仪的旋转调制方法
技术领域
本发明涉及惯性导航器件误差抑制技术领域，特别涉及一种用于SERF原子自旋陀螺仪的旋转调制方法。
背景技术
进入21世纪以来，量子物理科学极大地推动了各学科的发展，由此也推动了各种以量子调控为基础的测量技术的发展。其中原子陀螺仪是随着量子技术、信息技术、仪器仪表技术等发展起来的一种新型陀螺仪，是新一代高精度陀螺仪的发展方向，已成为继转子陀螺、光学陀螺、微机电陀螺之后的第四代陀螺。原子陀螺仪按工作原理可分为原子自旋陀螺仪和原子干涉陀螺仪。
高精度无自旋交换弛豫(Spin-ExchangeRelaxation-Free，SERF)原子自旋陀螺(理论精度可达10-10°/h)由于其超高的精度潜力受到了惯性导航业内的高度重视，例如：已公开专利CN103557855A公开一种基于金刚石内NV色心氮原子核自旋的色心金刚石陀螺，已公开专利CN104296739A设计了一种芯片级核磁共振原子陀螺仪表头，已公开专利CN105444749A公开了一种基于贝利相移的集群NV色心金刚石固态自旋共振陀螺仪，已公开专利CN106017451A提出一种基于SERF原子器件的磁场补偿惯性角速率的测量方法。
其中，SERF原子自旋陀螺仪是目前研究进展最快、精度潜力最高的原子陀螺仪，由其构成的惯性导航系统的长航时自主定位精度将优于十几米，远超过现有的战略级导航系统。授权发明专利CN113203415B公开了一种基于SERF原子自旋陀螺仪的惯性导航系统及其导航解算方法，实现了SERF原子自旋陀螺仪在惯性导航系统中的应用。然而，现有的基于SERF原子自旋陀螺仪的惯性导航系统中，SERF原子自旋陀螺仪的测量误差极大影响了惯导系统长航时的导航精度。
发明内容
本发明的目的是提供一种能有效抑制SERF原子自旋陀螺仪测量误差的用于SERF原子自旋陀螺仪的旋转调制方法。
为此，本发明技术方案如下：
一种用于SERF原子自旋陀螺仪的旋转调制方法，步骤如下：
S1、在SERF原子自旋陀螺仪与平台之间安装旋转机构，且保持SERF原子自旋陀螺仪的主轴中轴线与旋转机构的旋转轴的中轴线重合，使SERF原子自旋陀螺仪能沿着其主轴旋转；
S2、设计旋转机构的旋转方案为四位置旋转方式，即基于位置A、位置B、位置C和位置D四个位置，初始位置为位置A，记相对于初始位置绕旋转轴顺时针旋转90°后的位置为位置B，记相对于初始位置绕旋转轴顺时针旋转180°后的位置为位置C，记相对于初始位置绕旋转轴顺时针旋转270°后的位置为位置D；在一个旋转周期T内的旋转路径为：
第1段：初始时刻t＝0到
Figure BDA0003770221290000021
旋转机构以
Figure BDA0003770221290000022
的旋转速率绕旋转轴顺时针均速旋转，从位置A旋转至位置B；
第2段：
Figure BDA0003770221290000023
到
Figure BDA0003770221290000024
旋转机构在位置B，并保持静止t0；
第3段：
Figure BDA0003770221290000025
到
Figure BDA0003770221290000026
旋转机构以
Figure BDA0003770221290000027
的旋转速率绕旋转轴顺时针均速旋转，从位置B旋转至位置C；
第4段：
Figure BDA0003770221290000028
到
Figure BDA0003770221290000029
旋转机构在位置C，并保持静止t0；
第5段：
Figure BDA00037702212900000210
到
Figure BDA00037702212900000211
旋转机构以
Figure BDA00037702212900000212
的旋转速率绕旋转轴顺时针均速旋转，从位置C旋转至位置D；
第6段：
Figure BDA00037702212900000213
到
Figure BDA00037702212900000214
旋转机构在位置D，并保持静止t0；
第7段：
Figure BDA0003770221290000031
到
Figure BDA0003770221290000032
旋转机构以
Figure BDA0003770221290000033
的旋转速率绕旋转轴顺时针均速旋转，从位置D旋转返回至位置A；
第8段：
Figure BDA0003770221290000034
到
Figure BDA0003770221290000035
旋转机构在位置A，并保持静止t0；
第9段：
Figure BDA0003770221290000036
到
Figure BDA0003770221290000037
旋转机构以
Figure BDA0003770221290000038
的旋转速率绕旋转轴逆时针均速旋转，从位置A旋转至位置D；
第10段：
Figure BDA0003770221290000039
到
Figure BDA00037702212900000310
旋转机构在位置D，并保持静止t0；
第11段：
Figure BDA00037702212900000311
到
Figure BDA00037702212900000312
旋转机构以
Figure BDA00037702212900000313
的旋转速率绕旋转轴逆时针均速旋转，从位置D旋转至位置C；
第12段：
Figure BDA00037702212900000314
到
Figure BDA00037702212900000315
旋转机构在位置C，并保持静止t0；
第13段：
Figure BDA00037702212900000316
到
Figure BDA00037702212900000317
旋转机构以
Figure BDA00037702212900000318
的旋转速率绕旋转轴逆时针均速旋转，从位置C旋转至位置B；
第14段：
Figure BDA00037702212900000319
到
Figure BDA00037702212900000320
旋转机构在位置B，并保持静止t0；
第15段：：
Figure BDA00037702212900000321
到
Figure BDA00037702212900000322
旋转机构以
Figure BDA00037702212900000323
的旋转速率绕旋转轴逆时针均速旋转，从位置B旋转返回至位置A；
第16段：
Figure BDA00037702212900000324
到t＝T，旋转机构在位置A，并保持静止t0；
S3、SERF原子自旋陀螺仪在工作过程中，始终保持SERF原子自旋陀螺仪以设计的四位置旋转方案进行旋转，同时对SERF原子自旋陀螺仪在一个旋转周期内输出的全部角速率测量值
Figure BDA00037702212900000325
求取平均值，即得到可直接用于进行导航解算的i系下的经过旋转调制的角速率测量值
Figure BDA00037702212900000326
进一步地，在步骤S2中，旋转速率
Figure BDA00037702212900000327
为5°/s或10°/s。
进一步地，在步骤S2中，静止时间t0由公式：
Figure BDA00037702212900000328
计算得到。
与现有技术相比，该用于SERF原子自旋陀螺仪的旋转调制方法能够将SERF原子自旋陀螺仪的角速率测量误差中的零偏、标度因数误差和安装误差相关的误差以及随机误差的低频分量完全旋转调制为0，将与磁场强度相关的误差大部分旋转调制为0，进而实现提高SERF原子自旋陀螺仪的测量精度的目的；与此同时，该方法基于对称性优越的旋转方案实现了旋转调制效果的增强；经过实验验证，本申请的方法实现将SERF原子自旋陀螺仪的零偏从0.01°/h的量级降低到0.0001°/h的量级，并且将SERF原子自旋陀螺仪的零偏稳定性从0.01°/h的量级提高到0.001°/h的量级，极大地提高了SERF原子自旋陀螺仪的测量精度，具有良好的有效性和实用性。
附图说明
图1为本发明的用于SERF原子自旋陀螺仪的旋转调制方法的流程示意图；
图2为本发明的用于SERF原子自旋陀螺仪的旋转调制方法在步骤S1中旋转机构与SERF原子自旋陀螺仪的安装示意图；
图3为本发明的用于SERF原子自旋陀螺仪的旋转调制方法在步骤S201中构建的陀螺坐标系示意图；
图4为本发明的用于SERF原子自旋陀螺仪的旋转调制方法在步骤S205中设计的旋转机构的四位置旋转方案示意图；
图5为本发明的实施例中使用旋转调制方法前的SERF原子自旋陀螺仪的角速率测量结果示意图；
图6为本发明的实施例中使用旋转调制方法后的SERF原子自旋陀螺仪的角速率测量结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。
如图1所示，该用于SERF原子自旋陀螺仪的旋转调制方法的具体实施步骤如下：
S1、在SERF原子自旋陀螺仪与平台之间安装旋转机构，使SERF原子自旋陀螺仪能沿着其主轴旋转；
具体地，如图2所示，在平台3上安装旋转机构2，在旋转机构2上安装SERF原子自旋陀螺仪1，且保持SERF原子自旋陀螺仪1的主轴中轴线与旋转机构2的旋转轴的中轴线重合，以实现SERF原子自旋陀螺仪1能沿着其主轴旋转；
S2、构建旋转调制下的SERF原子自旋陀螺仪的角速率测量误差模型，并根据构建的角速率测量误差模型设计旋转方案，以对SERF原子自旋陀螺仪进行旋转调制，实现将SERF原子自旋陀螺仪的角速率测量误差中的零偏、标度因数误差和安装误差相关的误差以及随机误差的低频分量完全旋转调制为0，并将与磁场强度相关的误差大部分旋转调制为0；
具体地，旋转方案的具体设计过程如下：
S201、构建SERF原子自旋陀螺仪的陀螺坐标系；
SERF原子自旋陀螺仪相当于双自由度陀螺仪，可敏感两个方向的角速率，SERF原子自旋陀螺仪的主轴方向为其内部驱动光方向，也是其内部极化的碱金属原子的电子自旋角动量和惰性气体原子的核自旋角动量的耦合角动量方向；主轴方向不敏感角速率，而SERF原子自旋陀螺仪内部且垂直于主轴方向的平面内的两个垂直方向上设置有两路检测光，在两个垂直方向上的两路检测光分别各自敏感平行于两个检测光路的角速率；
基于此，SERF原子自旋陀螺仪的陀螺坐标系(简称为g系)基于SERF原子自旋陀螺仪的结构构建而成，具体为：如图3所示，SERF原子自旋陀螺仪的陀螺坐标系，简称为g系，其表达式为：O-XgYgZg；该坐标系的原点(O点)为SERF原子自旋陀螺仪底面的中心点，Xg轴平行于其中一路检测光路方向，Yg轴平行于另外一路检测光路方向，Zg轴平行于主轴的轴线方向；
S202、构建SERF原子自旋陀螺仪的角速率测量模型；
根据步骤S201构建的g系和SERF原子自旋陀螺仪的角速率测量原理以及造成角速率测量误差的因素，构建的SERF原子自旋陀螺仪的角速率测量模型为：
Figure BDA0003770221290000061
式中，
Figure BDA0003770221290000062
为SERF原子自旋陀螺仪在g系中测量的两个方向的角速率向量，
Figure BDA0003770221290000063
Figure BDA0003770221290000064
为SERF原子自旋陀螺仪测量的平行于Xg轴的角速率，
Figure BDA0003770221290000065
为SERF原子自旋陀螺仪测量的平行于Yg轴的角速率；I2×3为两行三列的单位矩阵，
Figure BDA0003770221290000066
δS为SERF原子自旋陀螺仪的标度因数误差矩阵，
Figure BDA0003770221290000067
δSx为SERF原子自旋陀螺仪在Xg轴上的标度因数误差，δSy为SERF原子自旋陀螺仪在Yg轴上的标度因数误差；δG为SERF原子自旋陀螺仪的安装误差矩阵，
Figure BDA0003770221290000068
Gxy为Xg轴与Yg轴的非正交偏差角，Gxz为Xg轴与Zg轴的非正交偏差角，Gyx为Yg轴与Xg轴的非正交偏差角，Gyz为Yg轴与Zg轴的非正交偏差角；ωg为g系中的真实的三维角速率向量，
Figure BDA0003770221290000069
Figure BDA00037702212900000610
为g系中的真实的三维角速率向量在Xg轴上的分量，
Figure BDA00037702212900000611
为g系中的真实的三维角速率向量在Yg轴上的分量，
Figure BDA00037702212900000612
为g系中的真实的三维角速率向量在Zg轴上的分量；εg为SERF原子自旋陀螺仪的零偏向量，
Figure BDA00037702212900000613
Figure BDA00037702212900000614
为Xg轴上的零偏，
Figure BDA00037702212900000615
为Yg轴上的零偏；M为SERF原子自旋陀螺仪的磁感应系数矩阵，
Figure BDA00037702212900000616
Mxx为在Xg轴上的单位磁场强度导致的Xg轴上额外敏感的角速率，Mxy为在Yg轴上的单位磁场强度导致的Xg轴上额外敏感的角速率，Mxz为在Zg轴上的单位磁场强度导致的Xg轴上额外敏感的角速率，Myx为在Xg轴上的单位磁场强度导致的Yg轴上额外敏感的角速率，Myy为在Yg轴上的单位磁场强度导致的Yg轴上额外敏感的角速率，Myz为在Zg轴上的单位磁场强度导致的Yg轴上额外敏感的角速率；Hg为磁场强度在g系的三维向量，
Figure BDA0003770221290000071
Figure BDA0003770221290000072
为磁场强度在Xg轴上的分量，
Figure BDA0003770221290000073
为磁场强度在Yg轴上的分量，
Figure BDA0003770221290000074
为磁场强度在Zg轴上的分量；vg为SERF原子自旋陀螺仪的角速率测量随机误差向量，
Figure BDA0003770221290000075
Figure BDA0003770221290000076
为SERF原子自旋陀螺仪平行于Xg轴的角速率测量随机误差，
Figure BDA0003770221290000077
为SERF原子自旋陀螺仪平行于Yg轴的角速率测量随机误差；
S203、将步骤S202构建的SERF原子自旋陀螺仪的角速率测量模型方程两边同时减去
Figure BDA0003770221290000078
获得SERF原子自旋陀螺仪的角速率测量误差模型；其中，
Figure BDA0003770221290000079
为角速率真值ωg中在Xg和Yg轴上的分量构成的二维向量，
Figure BDA00037702212900000710
进而，SERF原子自旋陀螺仪的角速率测量误差模型为：
Figure BDA00037702212900000711
式中，
Figure BDA00037702212900000712
为SERF原子自旋陀螺仪的角速率测量误差向量，
Figure BDA00037702212900000713
Figure BDA00037702212900000714
为SERF原子自旋陀螺仪的角速率测量误差在Xg轴的分量，
Figure BDA00037702212900000715
为SERF原子自旋陀螺仪的角速率测量误差在Yg轴的分量；
S204、定义惯性坐标系，以构建旋转调制下的SERF原子自旋陀螺仪的角速率测量误差模型；
1)构建惯性坐标系，即i系，其表达式为Oi-XiYiZi；该坐标系的原点Oi位于地心，Xi轴平行于初始时刻的本地子午面与赤道面的交线，由地心指向外围正方向，Zi轴与地球自转轴重合，Yi轴满足其与Xi轴和Zi轴构成右手正交坐标系；
2)构建旋转调制下的SERF原子自旋陀螺仪在惯性系下的角速率测量误差模型；具体地，
在旋转调制前，g系与i系重合，SERF原子自旋陀螺仪在i系中的角速率测量值的表达式为：
Figure BDA00037702212900000716
式中，
Figure BDA0003770221290000081
为为SERF原子自旋陀螺仪在i系中测量的两个方向的角速率向量，
Figure BDA0003770221290000082
为SERF原子自旋陀螺仪测量的平行于Xi轴的角速率，
Figure BDA0003770221290000083
为SERF原子自旋陀螺仪测量的平行于Yi轴的角速率；
Figure BDA0003770221290000084
为i系中的真实的三维角速率向量
Figure BDA0003770221290000085
中在Xi和Yi轴上的分量构成的二维向量，
Figure BDA0003770221290000086
为i系中的真实的三维角速率向量在Xi轴上的分量，
Figure BDA0003770221290000087
为i系中的真实的三维角速率向量在Yi轴上的分量，
Figure BDA0003770221290000088
为i系中的真实的三维角速率向量在Zi轴上的分量；
在旋转调制中，记旋转机构的旋转角度为
Figure BDA0003770221290000089
则旋转调制下的SERF原子自旋陀螺仪的角速率测量模型的表达式为：
Figure BDA00037702212900000810
式中，
Figure BDA00037702212900000811
为由于旋转机构旋转得到的g系到i系的坐标转换矩阵；
基于SERF原子自旋陀螺仪的在i系中的在旋转调制前、及其在旋转调制中的角速率测量值，得到旋转调制下的SERF原子自旋陀螺仪的角速率测量误差模型，其表达式为：
Figure BDA00037702212900000812
式中，
Figure BDA00037702212900000813
为旋转调制下的SERF原子自旋陀螺仪的在i系下的角速率测量误差向量，
Figure BDA00037702212900000814
为旋转调制下的SERF原子自旋陀螺仪的在i系下的角速率测量误差在Xi轴的分量，
Figure BDA00037702212900000815
为旋转调制下的SERF原子自旋陀螺仪的在i系下的角速率测量误差在Yi轴的分量；
S205、根据步骤S3获得的旋转调制下的SERF原子自旋陀螺仪的角速率测量误差模型：
Figure BDA00037702212900000816
设计旋转方案，进而实现通过控制
Figure BDA00037702212900000817
降低
Figure BDA00037702212900000818
提高SERF原子自旋陀螺仪的测量精度的目的；
具体地，旋转方案采用四位置旋转方式，四个位置分别为位置A、位置B、位置C和位置D；记初始位置为位置A，记相对于初始位置绕旋转轴顺时针旋转90°后的位置为位置B，记相对于初始位置绕旋转轴顺时针旋转180°后的位置为位置C，记相对于初始位置绕旋转轴顺时针旋转270°后的位置为位置D；记时间为t，记一个旋转周期的时间为T，记旋转速率为
Figure BDA0003770221290000091
进而，如图4所示，旋转调制方案中，在一个旋转周期内的旋转路径为：
第1段：初始时刻t＝0到
Figure BDA0003770221290000092
旋转机构以
Figure BDA0003770221290000093
的旋转速率绕旋转轴顺时针均速旋转，从位置A旋转至位置B；
第2段：
Figure BDA0003770221290000094
到
Figure BDA0003770221290000095
旋转机构在位置B，并保持静止t0；
第3段：
Figure BDA0003770221290000096
到
Figure BDA0003770221290000097
旋转机构以
Figure BDA0003770221290000098
的旋转速率绕旋转轴顺时针均速旋转，从位置B旋转至位置C；
第4段：
Figure BDA0003770221290000099
到
Figure BDA00037702212900000910
旋转机构在位置C，并保持静止t0；
第5段：
Figure BDA00037702212900000911
到
Figure BDA00037702212900000912
旋转机构以
Figure BDA00037702212900000913
的旋转速率绕旋转轴顺时针均速旋转，从位置C旋转至位置D；
第6段：
Figure BDA00037702212900000914
到
Figure BDA00037702212900000915
旋转机构在位置D，并保持静止t0；
第7段：
Figure BDA00037702212900000916
到
Figure BDA00037702212900000917
旋转机构以
Figure BDA00037702212900000918
的旋转速率绕旋转轴顺时针均速旋转，从位置D旋转返回至位置A；
第8段：
Figure BDA00037702212900000919
到
Figure BDA00037702212900000920
旋转机构在位置A，并保持静止t0；
第9段：
Figure BDA00037702212900000921
到
Figure BDA00037702212900000922
旋转机构以
Figure BDA00037702212900000923
的旋转速率绕旋转轴逆时针均速旋转，从位置A旋转至位置D；
第10段：
Figure BDA00037702212900000924
到
Figure BDA00037702212900000925
旋转机构在位置D，并保持静止t0；
第11段：
Figure BDA00037702212900000926
到
Figure BDA00037702212900000927
旋转机构以
Figure BDA00037702212900000928
的旋转速率绕旋转轴逆时针均速旋转，从位置D旋转至位置C；
第12段：
Figure BDA0003770221290000101
到
Figure BDA0003770221290000102
旋转机构在位置C，并保持静止t0；
第13段：
Figure BDA0003770221290000103
到
Figure BDA0003770221290000104
旋转机构以
Figure BDA0003770221290000105
的旋转速率绕旋转轴逆时针均速旋转，从位置C旋转至位置B；
第14段：
Figure BDA0003770221290000106
到
Figure BDA0003770221290000107
旋转机构在位置B，并保持静止t0；
第15段：：
Figure BDA0003770221290000108
到
Figure BDA0003770221290000109
旋转机构以
Figure BDA00037702212900001010
的旋转速率绕旋转轴逆时针均速旋转，从位置B旋转返回至位置A；
第16段：
Figure BDA00037702212900001011
到t＝T，旋转机构在位置A，并保持静止t0。
在上述旋转方案中，旋转速率
Figure BDA00037702212900001012
为5°/s或10°/s，在本实施例中，旋转速率
Figure BDA00037702212900001013
选择为5°/s；静止时间t0由公式：
Figure BDA00037702212900001014
计算得到，在本实施例中，将
Figure BDA00037702212900001015
带入公式：
Figure BDA00037702212900001016
计算得到静止时间t0为18s；SERF原子自旋陀螺仪完成一个周期的旋转调制的总时间T由公式
Figure BDA00037702212900001017
计算得到，在本实施例中，将
Figure BDA00037702212900001018
带入公式
Figure BDA00037702212900001019
计算得到一个周期的旋转调制的总时间T为288s。一个旋转周期完成后，旋转机构接着按所设计的一个周期的旋转路径持续进行周期性的旋转。
采用上述方案实现旋转调制的可行性理论分析如下：
根据由步骤S203得到的：
Figure BDA00037702212900001020
以及由步骤S204得到的：
Figure BDA00037702212900001021
将旋转调制下的SERF原子自旋陀螺仪的角速率测量误差模型的表达式进一步调整为：
Figure BDA00037702212900001022
式中，Hi为磁场强度在i系的三维向量，
Figure BDA00037702212900001023
Figure BDA00037702212900001024
为磁场强度在Xi轴上的分量，
Figure BDA00037702212900001025
为磁场强度在Yi轴上的分量，
Figure BDA00037702212900001026
为磁场强度在Zi轴上的分量；
Figure BDA0003770221290000111
为i系到g系的三行三列坐标转换矩阵，
Figure BDA0003770221290000112
Figure BDA0003770221290000113
为旋转调制下的SERF原子自旋陀螺仪的零偏表达式，其可以进一步表示为：
Figure BDA0003770221290000114
利用上述旋转方案，可实现：
Figure BDA0003770221290000115
即在旋转的一个周期内，
Figure BDA0003770221290000116
被旋转调制为0；
Figure BDA0003770221290000117
为旋转调制下的SERF原子自旋陀螺仪的与磁场强度相关的误差表达式，其可进一步表示为：
Figure BDA0003770221290000118
其中，
Figure BDA0003770221290000119
Figure BDA00037702212900001110
利用上述旋转方案，可实现：
Figure BDA00037702212900001111
即在旋转的一个周期内，
Figure BDA00037702212900001112
的大部分被旋转调制为0，只留下与(D1-A1)和(B1-C1)相关的误差；
Figure BDA00037702212900001113
为旋转调制下的SERF原子自旋陀螺仪的随机误差表达式，其包括低频分量和高频分量；其中，低频分量通过上述旋转方案可实现：
Figure BDA00037702212900001114
即在旋转的一个周期内低频分量旋转调制为0，只留下与
Figure BDA00037702212900001115
高频分量相关的误差；
Figure BDA00037702212900001116
为旋转调制下的SERF原子自旋陀螺仪的与标度因数误差和安装误差相关的误差表达式，利用设计的旋转方案，可实现在旋转的一个周期内，
Figure BDA00037702212900001117
被旋转调制为0；
与此同时，该四位置旋转方案在对称的四个位置均存在静态停留过程，具有很好的对称性，能够有效增强旋转调制的效果；
S3、SERF原子自旋陀螺仪在工作过程中，始终保持SERF原子自旋陀螺仪以设计的四位置旋转方案进行旋转，同时对SERF原子自旋陀螺仪在一个旋转周期内输出的全部角速率测量值
Figure BDA0003770221290000121
求取平均值，即得到可直接用于进行导航解算的i系下的经过旋转调制的角速率测量值
Figure BDA0003770221290000122
为验证本申请的一种用于SERF原子自旋陀螺仪的旋转调制方法的有效性，选用某型号SERF原子自旋陀螺仪进行实验验证。
具体试验验证方法设计如下：
首先，作为本申请方法的对比参照实验，将该SERF原子自旋陀螺仪直接安装于静止的大理石平台上，在静止的大理石平台静上采集7200s的数据；如图5所示为将该SERF原子自旋陀螺仪直接安装于静止的大理石平台上分别采集的Xi轴和Yi轴的角速率测量结果；根据图5所得的数据计算得到该SERF原子自旋陀螺仪在Xi轴和Yi轴的零偏分别为0.0099°/h和-0.0058°/h，在Xi轴和Yi轴的零偏稳定性分别为0.0116°/h和0.0129°/h；
然后，采用本申请的方法，将旋转机构安装在静止的大理石平台上，进而在旋转机构上再安装SERF原子自旋陀螺仪，同时保持旋转机构与SERF原子自旋陀螺仪的主轴呈同轴设置；采用本申请的四位置旋转方案控制旋转机构旋转以对该SERF原子自旋陀螺仪进行旋转调制，而后在静止的大理石平台上采集7200s的数据；如图6所示为将该SERF原子自旋陀螺仪采用本申请方法在在静止的大理石平台上分别在Xi轴和Yi轴的角速率测量结果；经计算，采用本申请方法时，该SERF原子自旋陀螺仪在Xi轴和Yi轴的零偏分别为-0.00017°/h和0.00022°/h，在Xi轴和Yi轴的零偏稳定性分别为0.0013°/h和0.0012°/h；
对比采用两种方法最终得到的结果，采用本发明提出的方法实现了将SERF原子自旋陀螺仪的零偏从0.01°/h的量级降低到0.0001°/h的量级，并且将SERF原子自旋陀螺仪的零偏稳定性从0.01°/h的量级提高到0.001°/h的量级，极大地提高了SERF原子自旋陀螺仪的测量精度，具有较好的有效性和实用性。
综上，利用本申请提供的四位置旋转方案，能将SERF原子自旋陀螺仪的角速率测量误差中的零偏、标度因数误差和安装误差相关的误差以及随机误差的低频分量完全旋转调制为0，并将与磁场强度相关的误差大部分旋转调制为0以提高SERF原子自旋陀螺仪的测量精度，同时，具有很好的对称性以增强旋转调制的效果。
本发明未详细公开的部分属于本领域的公知技术。尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化时显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均为保护之列。

Claims (3)

1.一种用于SERF原子自旋陀螺仪的旋转调制方法，其特征在于，步骤如下：
S1、在SERF原子自旋陀螺仪与平台之间安装旋转机构，且保持SERF原子自旋陀螺仪的主轴中轴线与旋转机构的旋转轴的中轴线重合，使SERF原子自旋陀螺仪能沿着其主轴旋转；
S2、设计旋转机构的旋转方案为四位置旋转方式，即基于位置A、位置B、位置C和位置D四个位置，初始位置为位置A，记相对于初始位置绕旋转轴顺时针旋转90°后的位置为位置B，记相对于初始位置绕旋转轴顺时针旋转180°后的位置为位置C，记相对于初始位置绕旋转轴顺时针旋转270°后的位置为位置D；在一个旋转周期T内的旋转路径为：
第1段：初始时刻t＝0到
Figure FDA0003770221280000011
旋转机构以
Figure FDA0003770221280000012
的旋转速率绕旋转轴顺时针均速旋转，从位置A旋转至位置B；
第2段：
Figure FDA0003770221280000013
到
Figure FDA0003770221280000014
旋转机构在位置B，并保持静止t0；
第3段：
Figure FDA0003770221280000015
到
Figure FDA0003770221280000016
旋转机构以
Figure FDA0003770221280000017
的旋转速率绕旋转轴顺时针均速旋转，从位置B旋转至位置C；
第4段：
Figure FDA0003770221280000018
到
Figure FDA0003770221280000019
旋转机构在位置C，并保持静止t0；
第5段：
Figure FDA00037702212800000110
到
Figure FDA00037702212800000111
旋转机构以
Figure FDA00037702212800000112
的旋转速率绕旋转轴顺时针均速旋转，从位置C旋转至位置D；
第6段：
Figure FDA00037702212800000113
到
Figure FDA00037702212800000114
旋转机构在位置D，并保持静止t0；
第7段：
Figure FDA00037702212800000115
到
Figure FDA00037702212800000116
旋转机构以
Figure FDA00037702212800000117
的旋转速率绕旋转轴顺时针均速旋转，从位置D旋转返回至位置A；
第8段：
Figure FDA00037702212800000118
到
Figure FDA00037702212800000119
旋转机构在位置A，并保持静止t0；
第9段：
Figure FDA0003770221280000021
到
Figure FDA0003770221280000022
旋转机构以
Figure FDA0003770221280000023
的旋转速率绕旋转轴逆时针均速旋转，从位置A旋转至位置D；
第10段：
Figure FDA0003770221280000024
到
Figure FDA0003770221280000025
旋转机构在位置D，并保持静止t0；
第11段：
Figure FDA0003770221280000026
到
Figure FDA0003770221280000027
旋转机构以
Figure FDA0003770221280000028
的旋转速率绕旋转轴逆时针均速旋转，从位置D旋转至位置C；
第12段：
Figure FDA0003770221280000029
到
Figure FDA00037702212800000210
旋转机构在位置C，并保持静止t0；
第13段：
Figure FDA00037702212800000211
到
Figure FDA00037702212800000212
旋转机构以
Figure FDA00037702212800000213
的旋转速率绕旋转轴逆时针均速旋转，从位置C旋转至位置B；
第14段：
Figure FDA00037702212800000214
到
Figure FDA00037702212800000215
旋转机构在位置B，并保持静止t0；
第15段：：
Figure FDA00037702212800000216
到
Figure FDA00037702212800000217
旋转机构以
Figure FDA00037702212800000218
的旋转速率绕旋转轴逆时针均速旋转，从位置B旋转返回至位置A；
第16段：
Figure FDA00037702212800000219
到t＝T，旋转机构在位置A，并保持静止t0；
S3、SERF原子自旋陀螺仪在工作过程中，始终保持SERF原子自旋陀螺仪以设计的四位置旋转方案进行旋转，同时对SERF原子自旋陀螺仪在一个旋转周期内输出的全部角速率测量值
Figure FDA00037702212800000220
求取平均值，即得到可直接用于进行导航解算的i系下的经过旋转调制的角速率测量值
Figure FDA00037702212800000221
2.根据权利要求1所述的用于SERF原子自旋陀螺仪的旋转调制方法，其特征在于，在步骤S2中，旋转速率
Figure FDA00037702212800000222
为5°/s或10°/s。
3.根据权利要求1所述的用于SERF原子自旋陀螺仪的旋转调制方法，其特征在于，在步骤S2中，静止时间t0由公式：
Figure FDA00037702212800000223
计算得到。
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