The measuring dead zone by the atomic gravimeter is the time interval between two gravity information acquisition.It is of great significance to overcome the dead zone effectively to enhance the application performance of atomic gravimeter.Based on the analysis of the causes of measuring dead zone and its influence on gravity measurement, four main methods were studied and analyzed to overcome measuring dead zone,the characteristics and shortcomings of each method were discussesed,and the current methods were summarized to overcome measuring dead zone combined with the latest research results of our team.Among the four methods, the hybrid accelerometer method is of great significance for the dynamic measurement of atomic gravimeter although it fails to completely remove the influence of measuring dead zone. Using the measured value of the classical accelerometer to overcome the measuring dead zone will become the most practical method in the dynamic measurement of the atomic gravimeter.Compared with other technologies,it can not only avoid the complicated improvement process of the atomic gravimeter’s measuring principle, measuring timing sequence and mechanical structure, but also make full use of the high precision characteristics of the atomic gravimeter, and eliminate the bad influence caused by the measuring dead zone. At present, dynamic measurement tests have been successfully carried out at home and abroad. Based on the hybrid accelerometer method, the dead zone of gravity measurement can be further eliminated to improve the dynamic measurement performance of atomic gravimeter.

针对机动状态或外部信息缺失时,振荡误差补偿的难题,提出了一种不依赖外部参数的惯导自主阻尼算法.所提方法基于传统惯导算法,利用LM算法估计出速度误差模型,进而预测外速度时间序列进行外水平阻尼,摆脱了对外部信息的依赖,还能实现对周期性振荡误差和载体加速度影响的有效抑制.阻尼算法仿真结果表明:对比遗传算法(GA)、最小二乘(LS)法,LM算法估计出的模型在自主阻尼中取得了最佳的阻尼效果,24 h内自主阻尼与外水平阻尼的俯仰角阻尼效果差值不超过4′,验证了所提算法对外水平阻尼算法的近似效果以及对于非训练数据的泛化能力.

自由运转激光器的频率因温度、电流、机械振动等因素造成漂移,难以满足精密测量、原子物理、光通信等领域对激光频率长期稳定的需求,所以对激光器稳频显得至关重要.首先对原子能级结构、多普勒展宽、光抽运与光极化作了简要阐述.接着,介绍了以原子跃迁谱为参考频率的饱和吸收光谱稳频、调制转移光谱稳频、偏振光谱稳频和磁致二色性稳频的基本原理,并对其技术特性进行了分析.最后,对其发展趋势提出了展望,为外腔半导体激光器稳频技术的应用提供了有益参考.

为抑制船测重力数据中的噪声,提升海洋重力场数据精度,提出了可自动修正阈值参数的自寻优小波降噪算法.首先比较了IIR滤波器、FIR滤波器、Kalman滤波方法、传统小波降噪方法的滤波效果,分析了几种方法的特点及适用性.其次,根据海洋重力信号大多属于缓变的特点,借鉴遗传算法思想,设计了自寻优小波降噪算法.最后,利用湖上船载原子重力仪测量数据进行了实验验证,实验结果表明,自寻优小波降噪算法解决了传统小波降噪方法泛化能力弱、对复杂噪声分量滤除不彻底的问题,与 IIR滤波器、FIR滤波器、Kalman滤波方法和传统小波降噪方法等滤波算法相比,滤波结果更接近有用信号,不需要对数据进行截短,滤波后信号精度提升了17%以上.

采用灵敏度函数分析法对冷原子重力仪的噪声进行了分析,并基于各噪声对应的传递函数建立噪声传递模型,定量分析评估了振动噪声、拉曼光相位噪声和磁场噪声对重力测量灵敏度的影响.基于科里奥利力和稳定平台倾斜角等系统效应的修正公式,建立系统效应分析模型,定量分析评估了航向角偏差、速度偏差和纬度偏差对科里奥利力修正量的影响,以及倾斜角偏差对稳定平台倾角修正量的影响.仿真和部分实测数据表明,一方面,各噪声被限制到特定水平时,其对原子干涉灵敏度的影响仍可达μGal级;另一方面,1°的航向角偏差或0.1 m/s的速度偏差对科里奥利力修正量的影响可达1 mGal以上,1'的倾斜角偏差对稳定平台修正量的影响也可达0.42 mGal,说明噪声和系统效应的影响都是不容忽视的.因此,在动态条件下,冷原子重力仪必须进行噪声抑制和系统效应修正,才能获得预期的高灵敏度、高精度重力测量结果.

In modulation transfer spectroscopy frequency stabilization(MTS)system,temperature fluctuation will affect the stability of laser frequency.A multi-point temperature measurement system was designed.The system used FPGA as the core,and the bridge circuit was excited by a reference voltage source to convert a three-wire PT1000 temperature change into a voltage change.The converter voltage was sampled by a synchronous sampling ADC,which was converted into real-time display and stored temperature in LabVIEW.The anti-RFI filter in signal conditioning circuit and mean filter in FPGA can reduce noise inter-ference and improve temperature measurement accuracy.Experimental results show that the system has satisfactory linearity,high precision and good repeatability.It can monitor and store temperature at 10℃to 80℃.After using segmented linear fitting,the temperature measurement error does not exceed 0.02℃,which can meet experimental requirements.

舰船航行状态下,重力扰动对高精度、长航时的船用惯导系统的影响不能忽视.针对重力扰动存在的问题,建立考虑重力扰动条件的船用惯导系统的动基座误差方程模型,研究一种基于卡尔曼滤波的变阻尼方法,通过输出反馈使得系统由渐进稳定系统变成稳定系统,所需的等效阻尼比由卡尔曼滤波器估计得到,实现惯导系统重力扰动阻尼抑制.采用EIGEN-6C4模型进行舰船航行轨迹的重力场的仿真,试验表明,相对于传统方法,该方法的速度误差降低约0.8 m/s,降低75.46%,位置误差降低约12 000 m,降低83.32%.

冷原子绝对重力仪作为一种新型的绝对重力测量仪器,广泛应用于环境监测、资源勘探、国防军事、地球物理等领域.为了研究冷原子绝对重力仪的测量技术,结合当前国内外发展现状,总结了小型化冷原子绝对重力仪的技术路线,列出了其在实验室环境下的主要技术指标,并重点阐述了该仪器在野外绝对重力测试的方法和结果.此外,还从振动噪声隔振和死区时间消除两个方面进行了研究,并初步探讨了冷原子绝对重力仪测量技术的发展趋势.

为进一步研究冷原子干涉重力测量技术,首先介绍了原子干涉重力测量在惯性导航中的应用,并结合国内外研究现状,从小型化、可移动性、技术指标、现场应用四个方面阐述了冷原子重力仪的主流发展方向,列举了冷原子重力仪现场应用的实验过程和结果;然后,针对热门的冷原子重力仪的动态测量,概述了动态重力测量的相关技术,其中详细分析了冷原子重力仪与经典惯性传感器的组合测量技术;最后,提出了展望,冷原子干涉重力仪动态测量技术尽管尚未成熟,但发展潜力巨大.

针对传统罗经法对准存在收敛速度慢、精度和稳定性较差的问题,将基于惯性系的快速对准方法和基于卡尔曼滤波精对准方法进行有机结合,利用惯性系对准的快速性,在2min内确定卡尔曼滤波状态的初始值,最后再利用卡尔曼滤波在14min内完成精对准.以TI公司的TMS320F28335高速DSP芯片作为初始对准的处理器,基于CCS编程软件完成了组合对准程序设计与调试,利用项目组自研光纤陀螺捷联惯导样机进行了比对验证试验.试验结果表明,该组合方法比传统罗经对准方法具有更快的收敛速度、更好的对准精度和更高的稳定性.

论文对旋转调制惯导系统的旋转机构电机,设计一种以DSP28335处理器为核心的电机控制方法.通过DSP28335的增强型PWM模块输出电机控制信号,经过光耦隔离后进入封装好的LMD18200直流电机专用驱动芯片控制端口,进而完成对直流力矩电机的无极调速与转向控制.采用圆光栅作为系统反馈元件,圆光栅与电机转轴固连,其输出的标准正交编码脉冲通过DSP28335的增强型QEP模块采集,进而获得电机转轴的位置与转速信息.检测的电机转速与设定转速的误差作为积分分离PID控制器的输入,通过调整PWM波的占空比完成电机平稳控制.最后预处理计算机再通过串口实现与上位机的通讯.

实验室某自主设计的惯导系统,采用光纤陀螺作为惯性敏感元件,利用单轴旋转机构调制系统水平方向常值和慢变误差.设计、构建良好的系统硬件电路是保障系统可靠性,提高系统适用性的重要环节.在惯性导航及电路设计原理的基础上,针对系统数据采集、导航解算、旋转机构控制等需求,提出了系统硬件结构的设计方案,并重点阐述了其中核心电路的设计,从而实现了惯导系统陀螺和加速度计的脉冲计数、温度信号的采集与转换、导航解算和旋转机构控制等.

根据在线补偿对于实时性和精度的要求,提出利用粒子群算法优化支持向量回归的方法建立光纤陀螺温度误差补偿模型,并采用多数据窗的温度变化率实时获取方法,满足在线补偿和模型输入的要求.将光纤陀螺置于温箱内进行-15～50℃变温试验,获得实测数据,将温度和温度变化率作为输入,分别进行最小二乘、径向基函数神经网络以及粒子群优化支持向量回归建模,对比结果表明,提出的模型取得了最佳的补偿效果.通过实时补偿对比试验,验证了提出的模型具有良好的实时补偿性能及对于非训练数据的泛化能力.

针对光纤陀螺的温度误差单一模型补偿方法适配性较差的问题,提出一种基于粒子群优化(PSO)算法的光纤陀螺温度误差分段补偿方法.此方法基于分段建模补偿的思想,在建模时加入温度和温度变化率影响因子,并引入PSO算法极值寻优,得到最优补偿函数.为了验证此方法的补偿效果,设计了-15℃～50℃区间内光纤陀螺温度实验,分别利用所提方法和传统方法对其温度误差进行补偿.试验结果表明,使用所提方法能够极大地降低温度误差,与传统算法相比,在保证补偿后陀螺零偏稳定性一致的前提下陀螺零偏均值降低了一个数量级,并且具有实时补偿性.

针对外速度参考条件下惯导系统振荡误差的快速抑制需求,提出了一种改变传统阻尼网络结构的系统误差快速阻尼方法.在传统的惯导系统内、外阻尼形式中,内阻尼算法容易受到载体加速度影响,外阻尼算法动态特性差.所提方法增加一条外速度为输入的前向通道,补偿载体加速度对阻尼系统误差的影响,同时改变传统阻尼网络结构形式,提高阻尼网络的动态特性.根据系统阻尼动态过程,进行快速阻尼网络参数设计,同时可以综合考虑动态过程与速度误差抑制两方面的影响,采用变参数实现快速阻尼算法.惯导系统阻尼算法仿真与试验结果表明,传统外阻尼算法的调节时间约为1h,采用快速外阻尼算法的系统阻尼过程调节时间缩短为10 min.

为减小传统横向极区导航中地球模型引起的主要误差,通常采用椭球地球模型以及复杂的横向转换.基于惯性导航计算中地球半径与速度密切相关的事实,提出利用"虚拟圆球"模型简化横向转换,通过速度补偿减小因模型简化而导致的原理性误差.在载体位置处以卯酉圈半径为半径,构造了一个"虚拟圆球",提出了基于"虚拟圆球"模型的极区横向导航算法.详细推导了采用"虚拟圆球"模型的改进横向极区导航的姿态、速度和位置微分方程.同时,采用扩张系数来补偿载体的速度.对基于圆球模型、椭球模型以及虚拟圆球模型的三种横向导航方法进行了比较.数值仿真结果表明,该方法简化了椭球模型方法的复杂编排,其导航精度优于传统圆球模型方法,与椭球模型方法一致.

The traditional integrated navigation generally use the position and velocity combination, which highly depend on the GPS,and when there are at least four satellites to be observed that we can use this method. In another way,because the position and velocity information provided by the GPS is calculated by the data processing,it has correlation to some extent and has a greater impact on the accuracy of integrated navigation. Using raw data provided by the GPS receiver - pseudo-range and pseudo-range rate can effectively avoid the problem of input related in the position and velocity combination. When the number of observable satellites becomes smaller,it can also be maintained a certain degree of navigation accuracy in a short time.The simulation results show that the combination of pseudo-range and pseudo-range rate is 20% higher than that of position and velocity combination.

Aiming at the characteristics that the actual signal of the fiber optic gyroscope is changed in the long time under the condition of the change of the physical properties of the temperature and other devices,the stability analysis of the fiber gyroscope based on the dynamic Allan variance is proposed. The Allan variance of the fiber optic gyro signal is calculated in different time periods,and the non-stationary change of the signal is captured at different time scales to determine the stability of the fiber gyroscope with time.Simulation and experimental data experiments verify the feasibility and effectiveness of this method. The method can be used to analyze the stability of fiber optic gyroscope,which can directly reflect the law of variance of fiber optic gyroscope with time. The stability analysis of fiber optic gyro random signal will no longer be limited to the two-dimensional curve description of Allan variance.

光纤陀螺测量精度不仅受环境温度的影响,也受温度变化率影响.针对在实际环境中温度复杂多变,温度变化率不易准确测得,而采用传统微分器得到温度变化率会放大噪声从而造成数据严重失真这一系列问题,提出了利用跟踪微分器对输入信号进行跟踪并输出微分信号的方法.首先利用跟踪微分器对采集到的温度数据进行处理,得到温度和温度变化率数据,然后利用径向基函数(RBF)神经网络强大的非线性建模能力,将温度和温度变化率作为神经网络的两个输入样本、陀螺漂移作为期望输出进行温度建模,最后对光纤陀螺温度漂移进行补偿校正.为验证算法有效性,设计了陀螺仪温度漂移实验,对实测数据进行仿真研究,结果证明跟踪微分器可以有效且快速跟踪实测温度,并输出较为真实的温度变化率曲线;利用神经网络对温度漂移进行补偿后,陀螺漂移的均值减小了两个数量级,标准差也有所减小,补偿后标准差达到6.305E-06.

随着惯性器件精度的提升以及系统级补偿技术的应用,惯性导航系统精度得到不断提升.原先忽略的一些误差源如重力扰动,成为制约惯导精度进一步提升的关键.针对该问题,研究了单轴旋转捷联惯导系统重力扰动补偿,补偿所需重力扰动信息通过德国波尔茨坦GFZ研制的EIGEN-6C4计算得到.仿真结果表明,经重力扰动补偿后,单轴旋转捷联惯导系统精度有显著提升.