原子干涉陀螺监控光纤陀螺的组合导航方案_鲁思滨.pdf

第 21 卷第 5/6 期2022 年 12 月导航与控制NAVIGATION AND CONTROLVol.21 No.5/6Dec.2022收稿日期:2022-10-02基金项目:国家重点研发计划(编号:2016YFA0302002);国家自然科学基金(编号:12104466，11674362，91536221，91736311);中 国 科 学 院 战 略 先 导 研 究 计 划(编 号:XDB21010100);湖 北 省 杰 出 青 年 科 学 基 金(编 号:2018CFA082);中国科学院青年创新促进会(编号:Y201857)原子干涉陀螺监控光纤陀螺的组合导航方案鲁思滨，蒋敏，姚战伟，李少康，李润兵，王谨，詹明生(中国科学院精密测量科学与技术创新研究院，武汉 430071)摘 要:原子干涉陀螺具有很高的测量精度，在基础科学研究和惯性导航系统中具有重要的应用。然而，原子干涉陀螺的采样率较低和动态范围较小，限制了其在动态环境中的使用。为解决以上两个问题，提出了一种采用组合陀螺仪和加速度计构建单轴惯性导航系统的技术方案，组合陀螺仪由高精度原子干涉陀螺和高采样率光纤陀螺组成。采用 Kalman 滤波器，原子干涉陀螺对光纤陀螺进行校准，通过建立组合陀螺仪导航系统的误差模型对惯性导航误差进行仿真。结果表明，导航误差主要由原子干涉陀螺的漂移误差决定，结合两类陀螺仪各自的优点，为解决原子干涉陀螺应用于惯性导航系统提供了重要途径。关键词:组合导航;原子干涉陀螺;Kalman 滤波中图分类号:O439/O59文献标志码:A文章编号:1674-5558(2022)02-02176doi:10.3969/j.issn.1674-5558.2022.h5.004A Hybrid Gyroscope Scheme Based on Fiber OpticalGyroscope and Cold Atom Interferometer GyroscopeLU Si-bin，JIANG Min，YAO Zhan-wei，LI Shao-kang，LI un-bing，WANG Jin，ZHAN Ming-sheng(Innovation Academy for Precision Measurement Science and Technology，Chinese Academy of Sciences，Wuhan 430071)Abstract:Atom-interferometer gyroscope has high measurement accuracy，and has important applications in basicscience research and inertial navigation system.However，the low sampling rate and small dynamic range of the atom-inter-ferometer gyroscope limit its use in the dynamic environment.In order to solve the above two problems，a technical schemeof building a uniaxial inertial navigation system using two hybrid gyroscopes and an accelerometer is proposed.Each hybridgyroscope is composed of a high-sensitivity atom-interferometer gyroscope and a broad-bandwidth fiber-optic gyroscope.Thefiber-optic gyroscope is calibrated by the atom-interferometer gyroscope using a Kalman filter.Error model of a hybrid navi-gation system is built and inertial navigation errors are simulated.The results show that the navigation errors are mainly de-termined by the bias drift of the atom-interferometer gyroscope.This hybrid navigation scheme combines the low bias drift ofthe atom gyroscope with the high data rate of the fiber-optic gyroscope.It provides an important way to solve the problem ofapplying atom-interferometer gyroscopes to inertial navigation systems.Key words:hybrid navigation;atom-interferometer gyroscope;Kalman filter导航与控制2022 年第 5/6 期0引言自 1991 年斯坦福大学的朱棣文小组利用受激拉曼脉冲实现了冷原子干涉仪以来1，原子干涉陀螺已成为国际研究的热点之一。1997 年，麻省理工学院的 Alan 等2使用原子干涉仪进行了 Sagnac效应测试。同年，耶鲁大学的 Kasevich 小组3实现了原子干涉陀螺。本世纪初，法国巴黎天文台的Landragin 小组和德国汉诺威大学的 asel 小组实现了不同构型的原子干涉陀螺4。2018 年，法国巴黎天文台的 Landragin 小组5研制出高度为 2m 的四脉冲冷原子干涉陀螺，其零偏稳定性为 6.2 105()/h10000s。我国也非常重视原子干涉陀螺的研究，中国科学院精密测量科学与技术创新研究院(原中科院武汉物理与数学研究所)、清华大学、华中科技大学、浙江大学和相关工业部门等单位相继开展了相关工作。2007 年，中国科学院精密测量科学与技术创新研究院完成了冷原子干涉仪的研制工作6;2016 年，实现了原子干涉陀螺的转动测量7;2018 年，实现了原子干涉陀螺对地球自传速度的精确测量8;2021 年，研制出了长度为 1m 的三脉冲冷原子干涉陀螺，其零偏稳定性为 2.0 104()/h 23000s9，实现了冷原子干涉陀螺的可搬运。近年来，随着冷原子技术的发展，冷原子干涉陀螺也得到了快速发展，作为一种重要的精密测量仪器，优越的长期稳定性决定了其在基础科学研究和惯性测量方面将具有广泛的应用前景10-11。在基础科学研究方面，主要用于广义相对论检验和地球取向参数(如极移、进动-章动、自转速度等)的精确测量12;在应用方面，陀螺仪是惯性导航系统的核心器件，陀螺仪的精度直接影响着惯性导航系统的定位精度。冷原子干涉陀螺作为一种新型陀螺仪，具有巨大的测量精度潜力，是构建高精度惯性导航系统的有力候选者之一13，已成为世界强国争相发展的一种惯性传感器。因此，提高冷原子干涉陀螺的测量精度，促进冷原子干涉陀螺从基础科研成果走向惯性传感器应用，对精密测量物理和惯性导航应用都有着重要的意义。经过多年的发展，原子干涉陀螺研究正在逐步从实验室样机发展到工程化应用阶段。面向长航时高精度惯性导航系统的需求，开展原子干涉陀螺的应用研究非常必要13。然而，原子干涉陀螺的应用研究急需解决采样率低和动态范围小的问题。例如，高精度原子干涉陀螺的采样率一般在 1Hz 左右，比光纤陀螺的采样率低了 2 个数量级，而载体转动运动信息的频率通常在 50Hz 范围内都有呈现，原子干涉陀螺难以分辨载体的全部转动信息。因此，需要结合高采样率的陀螺仪对载体高频转动信息进行测量。同时，原子干涉陀螺是通过测量干涉条纹的相移推算出转动信息，其原子干涉条纹测量相移的分辨率不能超过 2，需要大动态范围的陀螺仪进行辅助分辨原子干涉周期(2n)。因此，组合测量非常必要，类似于组合原子重力仪和力平衡式加速度计14-18的模式，通过高精度冷原子干涉陀螺监控高带宽光纤陀螺构建组合陀螺仪19-20，将是高精度冷原子干涉陀螺迈向应用的解决方案之一。本文采用低漂移误差的冷原子干涉陀螺和高采样率的光纤陀螺组成的组合陀螺仪进行导航误差分析，光纤陀螺给出组合陀螺仪的输出，通过Kalman 滤波器使用冷原子干涉陀螺对其进行校准。用两个组合陀螺仪和一个加速度计建立了一个单轴导航误差模型，使用典型参数对导航误差进行了模拟。结果表明，组合陀螺仪的导航误差低于单独使用光纤陀螺的误差。位置误差主要取决于冷原子干涉陀螺的漂移误差，商用光纤陀螺即可满足使用要求。组合陀螺仪方案为高精度冷原子干涉陀螺在惯性导航系统中的应用提供了一种可行的方法，在空间应用和水下长航时高精度导航定位等领域具有应用潜力。1原子干涉陀螺利用激光驻波形成的衍射光栅结构和受激拉曼激光相干分束的方法，将冷原子波包相干地分束、反转和合束，形成空间分离的干涉环路，任何作用于原子干涉路径间的差异都会导致原子干涉条纹的相位移动，原子布居数变化体现了原子干涉路径之间的相位差异，从而计算出惯性量的大小。原子干涉陀螺的结构示意图如图 1 所示。三束拉曼脉冲沿垂直方向传播，脉冲间隔时43第 5/6 期鲁思滨等:原子干涉陀螺监控光纤陀螺的组合导航方案图 1三脉冲原子干涉仪示意图Fig.1Schematic diagram of a three-pulseatom-interferometer间为 T，原子被斜上抛出以获得水平和垂直方向的速度，三个拉曼脉冲将原子团分束、反转和合束，类似于马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪。斜向上抛出获得水平和垂直方向的初速度(vh和 vv)，原子被初态制备到基态能级，原子与第一个拉曼脉冲作用后形成叠加态，同时原子团中 1/2 原子获得光子反冲动量 hkeff=h(k1 k2)，第二个拉曼脉冲反转原子态和动量，最后一个拉曼脉冲使两个干涉路径合束干涉。在重力和转动值不变时，拉曼激光相位 laser作用在原子干涉条纹上，第 i 个拉曼脉冲导致的相位移动可表示为i=0i+keffxi ti(1)式(1)中，0i为激光的初始相位，keff为拉曼激光有效波矢，xi为原子飞行路程，=1 2为泵浦光和斯托克斯光的频率差。三束拉曼激光引起的相位移动可表示为laser=122+3=keff(x12x2+x3)+0(2)式(2)中，0=01202+03为三个脉冲初始相位的差。在重力加速度 g 不变的情况下，原子飞行路程可以表示为xi=x0+vhti+vvti12gt2i(3)式(3)中，vh和 vv分别为原子水平和垂直方向的初速度，将式(3)代入式(2)可得到laser=keffgT2+0(4)重力加速度沿着波矢 keff方向产生干涉相位移动，转动速率引起的原子干涉相位移动可通过精确计算原子在旋转坐标系中干涉路径得到，将 Sa-gnac 效应引起的相位移动考虑到 laser。原子在旋转坐标系中会产生额外的 Coriolis 加速度 aCor=2 v，则原子的位置重新计算为xix0+vhti+vvti12gt2i (vht2i+vvt2i gt3i)(5)将式(5)带入式(2)可得重力加速度和转动引起的相位移动=keffgT2+2mhA(6)式(6)中，原子干涉环路面积可表示为 A=h(keff v0)T2/m。三脉冲原子干涉仪中存在重力 g和转动 两个惯性量，单纯从测量干涉后原子的布居数是无法区分两个惯性量引起的相位移动，所以在测量中要采用不同的方法来区分这两个惯性量。单独测量重力 g 可以采用拉曼脉冲的方向和原子初速度的方向一致，以抵消转动项 2m/hA;单独测量转动 时