基於SERF原子自旋慣性與磁場測量的水下導航方法研究

《基於SERF原子自旋慣性與磁場測量的水下導航方法研究》是依託北京航空航天大學，由全偉擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於SERF原子自旋慣性與磁場測量的水下導航方法研究
• 依託單位：北京航空航天大學
• 項目負責人：全偉
• 項目類別：面上項目

項目摘要

由於在無自旋交換弛豫（SERF）狀態下利用原子自旋效應可同時實現超高精度慣性與磁場測量，使得SERF原子慣性/地磁組合導航成為水下探測器實現長時間高精度自主導航的有效手段。但SERF原子自旋效應易受內部原子間和原子與泡壁間碰撞及外部光、磁、熱等多物理場影響，導致SERF態退相干效應嚴重，進而大大降低慣性與磁場測量精度；另外組合系統易受載體固有振動及外界磁場、洋流、潮汐等水下干擾影響而引起系統非線性、噪聲非高斯和模型不確定問題，從而導致濾波精度低和可靠性差。本項目針對上述問題，進行基於原子自旋效應的SERF原子慣性、磁場測量精度分析，研究SERF原子自旋慣性、磁場一體化測量方法，分析水下外界干擾特性，引入智慧型算法和分段融合思想，開展慣性/地磁水下智慧型分段融合導航方法研究，最終完成半物理實驗驗證，為新一代水下探測器長時間高精度自主導航提供新思路，為我國水下慣性/地磁組合導航系統研製提供基礎。

結題摘要

慣性導航系統作為水下探測器的自主導航的核心部分，具有自主性強、短時精度高等優點，但導航誤差會隨時間積累，將慣性導航與地磁導航相組合，研究基於SERF原子自旋慣性/磁場的超高精度一體化測量將為新一代水下探測器提供新的研究思路和方案。本項目針對SERF原子自旋效應易受內部原子間和原子與泡壁間碰撞及外部光、磁、熱等多物理場影響，導致SERF態退相干效應嚴重，進而大大降低慣性與磁場測量精度的問題，首先系統地分析了多物理場環境干擾因素下的原子自旋效應，建立了SERF原子自旋的理論測量模型，最佳化了影響慣性和磁場測量精度的原子密度、原子自旋交換的弛豫率以及雷射抽運原子的抽運率三者之間的比例關係，揭示了三者與測量精度的映射關係；針對SERF原子自旋慣性/地磁組合導航的敏感核心——鹼金屬氣室，研究了原子自旋互動碰撞弛豫和氣室壁碰撞弛豫建模，進行了原子氣壓、溫度、氣室體積和原子配對等參數的綜合參數最佳化，研究了高精度三維磁場補償方法，實現了SERF原子自旋慣性、磁場的同時測量，研究了較強背景噪聲下的原子自旋進動檢測的誤差傳播機理與高精度檢測及噪聲抑制方法，最終為慣性/地磁組合導航提供了高質量的慣性和磁場測量信息；針對組合導航系統易受載體固有振動及外界磁場、洋流、潮汐等水下干擾影響而引起系統非線性、噪聲非高斯和模型不確定問題，從而導致濾波精度低和可靠性差的問題，建立了高階非線性組合導航模型，開展了基於智慧型算法的地磁匹配方法研究，提出了一種基於SERF原子自旋慣性/地磁的智慧型分段融合導航方法；為驗證方案的有效性，開展了水下導航方法研究，並進行了兩個層面的半物理仿真實驗驗證：驗證了SERF原子自旋的理論測量模型、抗弛豫鹼金屬氣室、高效三維磁補償等方法的有效性；引入慣性加速度計，進行了基於慣性/地磁組合導航的半物理仿真實驗，完成了SERF原子自旋慣性/地磁組合導航的綜合性能驗證，最終為高性能SERF原子自旋慣性/地磁組合導航樣機研製提供了理論和實踐基礎。