[发明专利]一种基于磁场反馈的原子自旋陀螺仪捷联系统

说明书

本发明涉及一种基于磁场反馈的原子自旋陀螺仪捷联系统，该系统的陀螺仪组合采用1个速率陀螺仪和1个两自由度原子自旋陀螺仪，其中速率陀螺仪用来测量与原子自旋陀螺仪两个敏感轴正交垂直方向的角速度，原子自旋陀螺仪通过磁场反馈消除正交耦合误差以提高测量精度；本发明采用捷联工作方式，可满足载体的小型化、全姿态和高精度的运动使用要求。

技术领域

本发明涉及一种基于磁场反馈的原子自旋陀螺仪捷联系统，尤其涉及一种适应载体全姿态机动运行、高精度的惯性平台系统，可适用于要求全姿态的核潜艇、弹道导弹、巡航导弹、战斗机等，属于惯性测量技术领域。

背景技术

陀螺仪作为角速度传感器是惯性导航系统中的核心器件，其性能高低是制约导航系统精度的关键因素。陀螺仪经历了第一代机械陀螺仪(气浮陀螺仪、液浮陀螺仪、三浮陀螺仪、动力调谐陀螺仪、静电陀螺仪等)、第二代光学陀螺仪(激光陀螺仪、光纤陀螺仪等)、第三代微机电MEMS陀螺仪，目前在研的是第四代原子陀螺仪。原子陀螺仪中的无自旋交换弛豫(原子自旋)陀螺仪具有超高的理论精度，理论上精度可达10^-8°/h。因此，原子自旋陀螺仪在长航时的惯性导航中具有非常好的应用前景。

原子自旋陀螺仪可以测量两个方向的角速度信息，其优点是一个陀螺仪可以测量两个轴的角速度，但其缺点是在垂直于两个输入轴的方向如果有角速度时将会带来测量误差，影响原子自旋陀螺仪的使用精度。

为此，需要研究基于原子自旋陀螺仪的惯性系统使用方案，最大程度发挥原子自旋陀螺仪的精度潜力，满足未来惯性系统全姿态、高精度的需求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供一种基于磁场反馈的原子自旋陀螺仪捷联系统，该系统具有体积小、全姿态、大机动、高精度的优点，满足未来武器全姿态、高精度的需求。

本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：

一种基于磁场反馈的原子自旋陀螺仪捷联系统，包括：台体、速率陀螺仪、原子自旋陀螺仪；

所述速率陀螺仪和原子自旋陀螺仪固定安装在台体上；

所述原子自旋陀螺仪的2个敏感轴与速率陀螺仪的敏感轴垂直；

所述速率陀螺仪测量台体绕Z轴的角速度，所述原子自旋陀螺仪的2个轴分别测量台体绕Y和X轴的角速度；原子自旋陀螺仪通过磁场补偿来消除正交耦合误差。

所述捷联惯性系统的原子自旋陀螺仪工作在极化状态，考虑磁场影响，在极化状态下，原子自旋陀螺仪的运动学方程，具体为：

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；R_p为驱动激光的光抽运率；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；ω_x为原子自旋陀螺仪绕X轴的角速度；ω_y为原子自旋陀螺仪绕Y轴的角速度；ω_z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；γ_e为碱金属原子的电子自旋旋磁比；B_x、B_y、B_z分别为沿原子自旋陀螺仪X轴、Y轴和Z轴的磁场。

还包括磁场补偿模块，所述磁场补偿模块用于进行沿原子自旋陀螺仪Z轴的磁场补偿计算，具体为：

1)通过速率陀螺仪实时测量得到ω_z；

2)驱动磁场B_z，使

此时，原子自旋陀螺仪的运动学方程，具体为：