[发明专利]一种原子陀螺导航系统及其导航解算方法

说明书

本发明公开了一种基于原子陀螺导航系统实现的导航解算方法，步骤为：S1、构建导航解算用的各坐标系；S2、定义包括有地理经度、地理纬度、地理高度、北速、东速、垂速和运载体姿态角的导航参数，以及包括有平台姿态角和加速度计安装失准角的相关物理参量；S3、求解原子陀螺导航系统的位置和速度，并解算出运载体的地理经度、地理纬度、地理高度、北速、东速和垂速；S4、根据导航参数解算出运载体姿态角；该原子陀螺导航系统及其导航解算方法首次提供了针对原子陀螺的惯性导航系统的构架及其导航解算方法，扩展了原子陀螺仪在惯性导航系统中的应用，且其导航解算步骤解算得到的各个导航数据与实测的导航数据误差值小，精度高，有效性和实用性强。

技术领域

本发明涉及惯性导航系统技术领域，特别涉及一种原子陀螺导航系统及其导航解算方法。

背景技术

进入21世纪以来，量子物理科学极大地推动了各学科的发展，由此也推动了各种以量子调控为基础的测量技术的发展。其中原子陀螺仪称为随着量子技术、信息技术、仪器仪表技术等发展起来的一种新型陀螺仪，是新一代高精度陀螺仪的发展方向，已成为继转子陀螺、光学陀螺、微机电陀螺之后的第四代陀螺。原子陀螺仪按工作原理可分为原子自旋陀螺仪和原子干涉陀螺仪。

高精度无自旋交换弛豫(Spin-ExchangeRelaxation-Free，SERF)原子自旋陀螺(理论精度可达10-10°/h)由于其超高的精度潜力受到了惯性导航业内的高度重视，例如：已公开专利CN103557855A公开一种基于金刚石内NV色心氮原子核自旋的色心金刚石陀螺，已公开专利CN104296739A设计了一种芯片级核磁共振原子陀螺仪表头，已公开专利CN105444749A公开了一种基于贝利相移的集群NV色心金刚石固态自旋共振陀螺仪，已公开专利CN106017451A提出一种基于SERF原子器件的磁场补偿惯性角速率的测量方法。

其中，SERF原子自旋陀螺仪是目前研究进展最快、精度潜力最高的原子陀螺仪，由其构成的惯性导航系统的长航时自主定位精度将优于十几米，远超过现有的战略级导航系统。然而，由于测量原理与检测途径的不同，SERF原子自旋陀螺的输入输出特性、误差体系甚至是应用特性上与传统的机械陀螺以及光学陀螺均有较大差别。且目前对SERF原子陀螺的应用还处于单个陀螺测量角速率阶段。因此，目前尚未有针对SERF原子自旋陀螺的应用特性设计的导航系统架构与导航解算方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种实现将原子陀螺仪的应用扩展于惯性导航系统中的原子陀螺导航系统。

本发明的另一目的是提供一种采用上述原子陀螺导航系统实现的导航解算方法。

为此，本发明技术方案如下：

一种基于原子陀螺导航系统实现的导航解算方法，其具体步骤为：

S1、构建地心惯性坐标系、地心固定地球坐标系、本地地理坐标系、运载体坐标系、平台坐标系、三轴加速度计组合件坐标系和导航解算坐标系；

S2、定义导航参数及相关物理量；其中，导航参数包括地理经度、地理纬度、地理高度、北速、东速、垂速和运载体姿态角；相关物理量包括平台姿态角和加速度计安装失准角；

S3、求解原子陀螺导航系统的位置和速度，并解算出运载体的地理经度、地理纬度、地理高度、北速、东速和垂速；

其中，原子陀螺导航系统的位置矢量v^e和速度矢量r^e在e系中的统一解算方程为：