[發(fā)明專利]星載冷原子囚禁式加速度測(cè)量方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310007224.0
• 申請(qǐng)日: 2013-01-08
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103134949A
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-06-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 趙艷彬;尤超藍(lán);劉相振;劉培玲;許域菲;廖鶴;黃欣
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海衛(wèi)星工程研究所
• 主分類號(hào): G01P15/03
• 分類號(hào): G01P15/03;G01V7/00
• 代理公司: 上海漢聲知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31236
• 代理人: 郭國(guó)中

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及衛(wèi)星重力場(chǎng)測(cè)量領(lǐng)域，具體地，涉及一種星載冷原子囚禁式加速度測(cè)量方法。?

背景技術(shù)

開(kāi)展衛(wèi)星重力場(chǎng)測(cè)量可直接獲得空間250~500Km高度的地球重力加速度詳細(xì)數(shù)據(jù)，其成果幾乎可應(yīng)用至所有地學(xué)領(lǐng)域。利用衛(wèi)星重力測(cè)量精確測(cè)定中長(zhǎng)波地球重力場(chǎng)對(duì)地學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)研究和工程應(yīng)用都將發(fā)揮巨大的作用，因此具有重要的科學(xué)意義。?

發(fā)射專用的重力測(cè)量衛(wèi)星進(jìn)行全球重力場(chǎng)測(cè)量是大地重力學(xué)進(jìn)入21世紀(jì)的一個(gè)標(biāo)志。重力測(cè)量衛(wèi)星在軌道上的攝動(dòng)除了地球重力和太陽(yáng)、月亮引力的影響外，還包含大氣阻力、太陽(yáng)輻射和地面反射等非慣性力的影響。為了從衛(wèi)星的攝動(dòng)數(shù)據(jù)中得到地球重力場(chǎng)，這些非慣性力的影響必須消除。最終獲得的重力場(chǎng)空間分辨率和測(cè)量精度取決于重力場(chǎng)衛(wèi)星在軌位置和速度的測(cè)量精度以及非慣性力修正的精度。?

非慣性力需要依靠放置在衛(wèi)星質(zhì)心處的加速度計(jì)測(cè)量。為了獲取更加精確的非慣性力，則需要提高加速度計(jì)的測(cè)量精度。本發(fā)明之前，最先進(jìn)的星載地球重力加速度計(jì)為靜電懸浮加速度計(jì)。靜電重力加速度計(jì)的動(dòng)態(tài)范圍小，易飽和，且對(duì)電容扳、質(zhì)量塊的加工精度要求高，測(cè)量精度的提高難度大。因此需要研究新的加速度計(jì)以滿足更高測(cè)量精度的需求。?

近20年發(fā)展起來(lái)的原子干涉測(cè)量技術(shù)給我們帶來(lái)了新的啟示，這種技術(shù)通過(guò)原子干涉的光學(xué)現(xiàn)象可感應(yīng)外界力場(chǎng)的變化，通過(guò)感應(yīng)加速度可形成加速度計(jì)，目前該加速度計(jì)在地面的應(yīng)用已經(jīng)得到驗(yàn)證。?

實(shí)現(xiàn)原子干涉的方法很多，以下以基于原子噴泉的冷原子干涉加速度計(jì)的地面測(cè)量原理為例進(jìn)行介紹，請(qǐng)參閱圖1，其為冷原子干涉加速度計(jì)地面測(cè)量原理示意圖。?

如圖1所示，磁光阱（MOT）隔一定時(shí)間向上拋射一次原子。每一個(gè)原子的脈沖的產(chǎn)生步驟為：首先把原子裝入磁光阱中，然后利用激光和磁場(chǎng)對(duì)原子進(jìn)行冷卻，最后將?冷卻了的原子垂直向上發(fā)射。用平行于原子運(yùn)動(dòng)方向的π/2-π-π/2脈沖照射原子，其中第一個(gè)π/2脈沖將原子束分割為兩個(gè)不同路徑的原子束，兩個(gè)原子束在π脈沖處反轉(zhuǎn)，在第二個(gè)π/2脈沖處重疊進(jìn)而產(chǎn)生干涉，通過(guò)探測(cè)裝置就可以確定干涉形成的相位差Φ，進(jìn)而求解得到重力加速度g。?

相位差與重力加速度的關(guān)系式如下：?

Φ=2k_effgT²

其中，K_eff為拉曼激光對(duì)的有效波矢，T為施加3個(gè)激光的總時(shí)間。?

為了設(shè)計(jì)適用于衛(wèi)星上使用的冷原子加速度計(jì)，需要對(duì)冷原子的空間的受力特性進(jìn)行分析。?

首先，定義冷原子位置與重力梯度測(cè)量衛(wèi)星質(zhì)心、地心之間的關(guān)系，如圖2所示。圖中，O_i為地心，O_b為重力梯度測(cè)量衛(wèi)星質(zhì)心，假設(shè)冷原子從O_b點(diǎn)拋出，在測(cè)量時(shí)間段t內(nèi)，正好飛行到O_p點(diǎn)，r為地心至衛(wèi)星質(zhì)心的地心距，L為冷原子與衛(wèi)星質(zhì)心間的偏差量；ρ為冷原子與地心間的距離。需要說(shuō)明的是，參數(shù)r，L，ρ均為J2000.0地心慣性坐標(biāo)系下的，如圖2所示，其為地心慣性坐標(biāo)系下冷原子的幾何關(guān)系示意圖。?

由牛頓動(dòng)力學(xué)定律以及質(zhì)點(diǎn)在慣性系和牽引系的相對(duì)關(guān)系等可以得到，冷原子與衛(wèi)星間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)加速度有如下關(guān)系式：?