[發(fā)明專利]一種原子陀螺導(dǎo)航系統(tǒng)及其導(dǎo)航解算方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110389524.4
• 申請(qǐng)日: 2021-04-12
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113203415B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-05-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 蔡慶中;涂勇強(qiáng);楊功流;李健;張博雅
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): G01C21/18
• 分類號(hào): G01C21/18;G01C21/20
• 代理公司: 天津才智專利商標(biāo)代理有限公司 12108
• 代理人: 王夢(mèng)

本發(fā)明公開(kāi)了一種基于原子陀螺導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的導(dǎo)航解算方法，步驟為：S1、構(gòu)建導(dǎo)航解算用的各坐標(biāo)系；S2、定義包括有地理經(jīng)度、地理緯度、地理高度、北速、東速、垂速和運(yùn)載體姿態(tài)角的導(dǎo)航參數(shù)，以及包括有平臺(tái)姿態(tài)角和加速度計(jì)安裝失準(zhǔn)角的相關(guān)物理參量；S3、求解原子陀螺導(dǎo)航系統(tǒng)的位置和速度，并解算出運(yùn)載體的地理經(jīng)度、地理緯度、地理高度、北速、東速和垂速；S4、根據(jù)導(dǎo)航參數(shù)解算出運(yùn)載體姿態(tài)角；該原子陀螺導(dǎo)航系統(tǒng)及其導(dǎo)航解算方法首次提供了針對(duì)原子陀螺的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的構(gòu)架及其導(dǎo)航解算方法，擴(kuò)展了原子陀螺儀在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用，且其導(dǎo)航解算步驟解算得到的各個(gè)導(dǎo)航數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)的導(dǎo)航數(shù)據(jù)誤差值小，精度高，有效性和實(shí)用性強(qiáng)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及慣性導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種原子陀螺導(dǎo)航系統(tǒng)及其導(dǎo)航解算方法。

背景技術(shù)

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，量子物理科學(xué)極大地推動(dòng)了各學(xué)科的發(fā)展，由此也推動(dòng)了各種以量子調(diào)控為基礎(chǔ)的測(cè)量技術(shù)的發(fā)展。其中原子陀螺儀稱為隨著量子技術(shù)、信息技術(shù)、儀器儀表技術(shù)等發(fā)展起來(lái)的一種新型陀螺儀，是新一代高精度陀螺儀的發(fā)展方向，已成為繼轉(zhuǎn)子陀螺、光學(xué)陀螺、微機(jī)電陀螺之后的第四代陀螺。原子陀螺儀按工作原理可分為原子自旋陀螺儀和原子干涉陀螺儀。

高精度無(wú)自旋交換弛豫(Spin-ExchangeRelaxation-Free，SERF)原子自旋陀螺(理論精度可達(dá)10-10°/h)由于其超高的精度潛力受到了慣性導(dǎo)航業(yè)內(nèi)的高度重視，例如：已公開(kāi)專利CN103557855A公開(kāi)一種基于金剛石內(nèi)NV色心氮原子核自旋的色心金剛石陀螺，已公開(kāi)專利CN104296739A設(shè)計(jì)了一種芯片級(jí)核磁共振原子陀螺儀表頭，已公開(kāi)專利CN105444749A公開(kāi)了一種基于貝利相移的集群NV色心金剛石固態(tài)自旋共振陀螺儀，已公開(kāi)專利CN106017451A提出一種基于SERF原子器件的磁場(chǎng)補(bǔ)償慣性角速率的測(cè)量方法。

其中，SERF原子自旋陀螺儀是目前研究進(jìn)展最快、精度潛力最高的原子陀螺儀，由其構(gòu)成的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的長(zhǎng)航時(shí)自主定位精度將優(yōu)于十幾米，遠(yuǎn)超過(guò)現(xiàn)有的戰(zhàn)略級(jí)導(dǎo)航系統(tǒng)。然而，由于測(cè)量原理與檢測(cè)途徑的不同，SERF原子自旋陀螺的輸入輸出特性、誤差體系甚至是應(yīng)用特性上與傳統(tǒng)的機(jī)械陀螺以及光學(xué)陀螺均有較大差別。且目前對(duì)SERF原子陀螺的應(yīng)用還處于單個(gè)陀螺測(cè)量角速率階段。因此，目前尚未有針對(duì)SERF原子自旋陀螺的應(yīng)用特性設(shè)計(jì)的導(dǎo)航系統(tǒng)架構(gòu)與導(dǎo)航解算方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種實(shí)現(xiàn)將原子陀螺儀的應(yīng)用擴(kuò)展于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中的原子陀螺導(dǎo)航系統(tǒng)。

本發(fā)明的另一目的是提供一種采用上述原子陀螺導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的導(dǎo)航解算方法。

為此，本發(fā)明技術(shù)方案如下：

一種基于原子陀螺導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的導(dǎo)航解算方法，其具體步驟為：

S1、構(gòu)建地心慣性坐標(biāo)系、地心固定地球坐標(biāo)系、本地地理坐標(biāo)系、運(yùn)載體坐標(biāo)系、平臺(tái)坐標(biāo)系、三軸加速度計(jì)組合件坐標(biāo)系和導(dǎo)航解算坐標(biāo)系；

S2、定義導(dǎo)航參數(shù)及相關(guān)物理量；其中，導(dǎo)航參數(shù)包括地理經(jīng)度、地理緯度、地理高度、北速、東速、垂速和運(yùn)載體姿態(tài)角；相關(guān)物理量包括平臺(tái)姿態(tài)角和加速度計(jì)安裝失準(zhǔn)角；

S3、求解原子陀螺導(dǎo)航系統(tǒng)的位置和速度，并解算出運(yùn)載體的地理經(jīng)度、地理緯度、地理高度、北速、東速和垂速；

其中，原子陀螺導(dǎo)航系統(tǒng)的位置矢量v^e和速度矢量r^e在e系中的統(tǒng)一解算方程為：