[发明专利]一种基于原子自旋陀螺仪的单轴惯性平台系统

权利要求书

1.一种基于原子自旋陀螺仪的单轴惯性平台系统，其特征在于包括：基座(1)、台体(2)、陀螺仪组合和控制器；其中，

所述陀螺仪组合设置于所述台体(2)的上部；所述基座(1)通过轴(3)与所述台体(2)相连接，轴(3)的一端与轴端力矩电机相连接，轴(3)的另一端设置有轴端角度传感器；

所述陀螺仪组合包括1个速率陀螺仪和1个原子自旋陀螺仪，原子自旋陀螺仪的2个敏感轴与速率陀螺仪的敏感轴垂直，所述控制器分别与速率陀螺仪、轴端力矩电机相连接，所述速率陀螺仪通过控制器控制轴端力矩电机使台体绕台体轴的角速度为零，所述原子自旋陀螺仪的2个输入轴分别测量台体绕台体X_p和Y_p轴的角速度，通过数学解算得到台体在空间中的姿态信息；

其中，基座对应的本体坐标系为基座本体坐标系X₁Y₁Z₁，台体对应的本体坐标系为台体本体坐标系O X_pY_pZ_p；两个坐标系的原点重合，台体本体坐标系的Z_p轴与基座本体坐标系的Z₁轴重合；其中，在所述单轴惯性平台系统发生内部相对转动时，基座绕台体本体坐标系的Z_p轴转动；

所述速率陀螺仪的输入轴与台体本体 坐标系OX_pY_pZ_p中的台体轴Z_p平行，原子自旋陀螺仪的2个输入轴分别与台体轴Z_p垂直且原子自旋陀螺仪的2个输入轴相互垂直，原子自旋陀螺仪的2个输入轴分别与台体本体 坐标系OX_pY_pZ_p中的台体轴X_p、台体轴Y_p平行；

所述原子自旋陀螺仪设置有磁屏蔽结构，使得原子自旋陀螺仪工作在无磁状态，在无磁状态下原子自旋陀螺仪的运动学方程为：

式中，为碱金属原子的电子自旋极化率在X轴的投影分量；为碱金属原子的电子自旋极化率在Y轴的投影分量；为碱金属原子的电子自旋极化率在Z轴的投影分量；为碱金属电子自旋总的弛豫率；q为减慢因子，代表原子自旋总角动量与电子自旋所占角动量的比值；为原子自旋陀螺仪绕X轴的角速度；为原子自旋陀螺仪绕Y轴的角速度；为原子自旋陀螺仪绕Z轴的角速度；R_p为驱动激光的光抽运率，反映驱动激光对电子自旋的极化作用。

2.根据权利要求1所述的基于原子自旋陀螺仪的单轴惯性平台系统，其特征在于：所述原子自旋陀螺仪内部设置有泵浦光源，通过泵浦光源的驱动激光实现极化状态，在极化状态下原子自旋陀螺仪的运动学方程为：

其中，

3.根据权利要求2所述的基于原子自旋陀螺仪的单轴惯性平台系统，其特征在于：所述控制器由一阶积分环节和一个超前环节组成，控制器的传递函数为：

其中，K_cz为控制器的放大倍数；为一阶积分环节的传递函数；T_zs+1为超前环节的传递函数，T_z为时间常数。

4.根据权利要求3所述的基于原子自旋陀螺仪的单轴惯性平台系统，其特征在于：台体Z轴角速率为零时的原子自旋陀螺仪的运动学方程为：

根据在稳态时的测量值和得到：

5.根据权利要求4所述的基于原子自旋陀螺仪的单轴惯性平台系统，其特征在于：基座相对台体的坐标变换矩阵为：

其中，β_zk为基座绕台体本体坐标系的Z_p轴转动的角度。