原子干涉陀螺惯性测量与监控导航技术研究

发布时间：2020-06-16 09:45

【摘要】：惯性导航是重要的无外界信息源定位方法,在军民应用领域都具有重要意义。陀螺仪和加速度计作为惯性导航系统的测量单元,其器件精度决定了惯导系统姿态和导航精度,同时器件的数据更新率和稳定性是系统至关重要的性能指标。原子干涉陀螺作为量子器件的代表,是当前预期精度最高的新型陀螺,是解决高精度水下定位问题的首选器件。但是由于实验室环境中的误差、噪声相关研究不足,当前测量精度与预期理论精度极限相差甚远。局限于分辨力提升带来数据更新率损失,同时当前技术条件下原子干涉仪难以实现多轴同步测量,国内外的原子干涉陀螺多用于单轴、常量的测量实验。可见,将原子干涉仪作为惯性导航系统中的测量器件,为水下无人航行器长航时自主导航系统提供新的技术途径,涉及一系列重要科学问题和关键技术问题,是惯性导航领域的前沿性课题。近年来,随着光学、物理学领域相关技术的进步,原子干涉陀螺输出稳定性得到了较大的提升,在地球自转测量方面展现出了较好的长期稳定性,但是基于其原理上的特殊性导致现有陀螺测试方法无法实现准确的特性测试。而陀螺关键参数测试是从实验室常量的测量到实际惯性导航应用的必经步骤,也是水下无人航行器的试验、航行过程中可靠工作的基础。对陀螺仪数据特性与系统机理进行深入研究,探索可靠的陀螺测试方法,对于指引陀螺性能提升方向具有重要意义,然而目前国内外对此的研究报道较少。本文通过研究原子干涉陀螺系统构成机理及主要误差、噪声来源,提出了基于三脉冲对抛构型的原子干涉陀螺系统噪声模型并实现噪声抑制,同时面向惯性导航系统应用场景展开了仿真及实验研究。论文主要内容如下:首先,针对原子干涉仪作为转动测量仪器存在噪声机理不明确、无法达到预期测量精度的问题,开展原子干涉仪系统噪声机理研究,提出了基于相变函数的能量谱分析方法,解决了现有方案存在某些频率噪声无法被辨识的问题,实现了全频段相位噪声的分析与补偿,并准确量化了相位噪声对测量结果影响的统计方差,对于原子干涉陀螺仪噪声模型的建立具有重要参考意义。进一步从机理上分析反射镜振动噪声对干涉测量过程的影响,实现环境扰动到相位噪声的转化,并利用相变函数方法进行量化评估及实时补偿。基于上述理论分析,建立了系统隔振平台性能的仿真测试环境,通过仿真实验对实验室环境下的地面振动噪声进行隔振效果验证,并利用相变函数量化补偿地面振动噪声对相位结果的影响;其次针对原子干涉陀螺系统技术成熟度不足、国内外缺少面向惯性导航系统的原子干涉陀螺惯性测量评价方法研究的问题,参考光纤陀螺、激光陀螺的国家军用标准、IEEE测试方案、Allan方差分析方法等,基于原子干涉仪角速度测量原理和系统各部分构成机理,提出了反映其核心技术成熟度的原子装载速率、冷却温度极限、系统信噪比等关键参数的测试方案,并基于原子装载速率、冷却温度测试结论实现了原子干涉陀螺仪双环路测量信噪比的准确计算。当原子干涉陀螺仪双环路输出信噪比均优于30dB以上时,双环路差分相位误差约为1%,角速度测量精度优于0.001°/h;再次,针对近年来原子干涉陀螺的实验室数据,面向水下无人航行器的长航时应用,提出了三种改进的Allan方差方法并进行机理分析,建立了原子干涉陀螺的随机噪声仿真模型;并加入安装误差、标度因数误差、陀螺零位偏差等考虑,实现了原子干涉陀螺的随机噪声仿真模型和动态输出模型的建立。量子惯性导航系统的仿真环境的搭建,为载体长航时自主惯性导航系统仿真提供了数据支撑,并为原子干涉陀螺仪本体性能提升、噪声评估与补偿提供了工程应用指导;最后针对原子干涉陀螺在建立惯性导航系统过程中存在的两大问题:数据更新率过低和当前无法实现多轴同步测量的问题,提出了基于角速度匹配方法的监控导航方案:利用高精度原子干涉陀螺作为附加陀螺,监控成熟的、高数据更新率的光纤惯性导航系统,大幅降低惯性导航系统的定位误差。在MATLAB环境中建立了基于三轴原子干涉陀螺和光纤惯性测量单元的监控导航方案,并通过海上验证性试验验证了这一监控方案的导航性能,大幅度提升了光纤惯性导航系统的速度精度、定位精度,为水下无人航行器的长时间潜航提供了可靠定位信息。这一监控导航方案充分发挥了原子干涉陀螺仪的测量稳定性优势,为水下无人航行器的长航时自主导航系统提供了一种新的设备方案和技术途径。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U674.941;U666.12

【参考文献】