冷原子干涉型重力仪的发展现状与趋势

地球重力场反映了地球物质分布及其随时间和空间的变化.高精度重力加速度测量可以广泛应用于地球物理、资源勘探、地震研究、重力勘察和惯性导航等领域.冷原子重力仪是近二十年来快速发展起来的一种新型量子传感器,它利用激光冷却、原子干涉等技术实现高精度、高灵敏度的重力加速度测量.本文介绍了冷原子重力仪的发展历史、现状及趋势,详细论述了冷原子重力仪的原理、分类、装置及步骤等,并重点分析了小型化冷原子重力仪的关键技术.     

原子干涉技术在惯性领域中的应用

惯性技术因其强自主性、不依赖外界信号、适应全天候等特性在导航领域备受关注,为了提升惯性导航的精度,数十年来人们在如何提高惯性传感器性能方面进行了大量的攻关工作并研制出了多种基于不同原理的惯性传感器。得益于量子效应,原子传感器能在诸如时间、加速度、转动、磁场等领域提供比现有技术更高的测量灵敏度、精度和速度。通过研制基于原子干涉技术的高精度原子惯性器件,实现重力/重力梯度数据实时补偿匹配的量子导航将是新一代高精准军用惯性导航的首选。本文简要介绍了以物质波干涉为基础的原子干涉惯性器件的原理,回顾了以原子重力仪、原子干涉陀螺为主的技术发展历程及现状,并结合我国目前在该领域的发展态势,表达了对我国原子惯性设备实装应用的迫切性。     

Modelling the Torques Affecting the Hipparcos Satellite

Reconstructed attitude data for the Hipparcos mission as obtained in the final stages of the data analysis for the published catalogue is used to derive detailed information on the dynamics of the satellite. Most elements of the inertia tensor of the satellite could be calibrated from the observed acceleration data, which are also used to reconstruct torques due to solar radiation and gravity gradient, and the magnetic moment of the satellite and it's interaction with the magnetic field surounding the Earth. The effects of the oblateness of the Earth on the gravity gradient are evaluated and shown to be negligable. The magnetic field model includes both the `main' and the `disturbance' fields. The remaining systematic effects in residual torques are most likely attributed to variations in the magnetic field that are local and are beyond the models used to describe it. The angular momentum vector for one of the gyros was reconstructed from the torque it asserted on the satellite while it was running in redundant mode. This revised version was published online in August 2006 with corrections to the Cover Date.     

旋转惯导中加速度计尺寸效应误差分析及补偿

 对旋转调制惯导转位过程中系统精度受加速度计尺寸效应影响的问题进行了研究。通过分析尺寸效应引起惯导系统(INS)导航误差的机理,推导了尺寸效应作用下加速度测量误差与速度误差的解析表达式。根据理论分析结果,分别给出了以速度误差和加速度误差作为观测量进行尺寸参数辨识的方法,并进行了必要讨论。结合旋转惯导转位过程中的速度误差特征,选取加速度测量误差为观测量对尺寸参数进行试验标定,尺寸参数辨识精度优于1.29 mm(1σ)。在此基础上给出了尺寸效应误差补偿方法,并在不同初始方位下对补偿效果进行试验验证,结果表明,通过尺寸效应补偿可以有效提高旋转惯导转位过程中的速度精度。     

精密离心机的现状与未来

精密离心机是用于惯性器件检定、校准和测试的高精度惯导测试设备.它通过主轴的高速旋转在仪器舱内产生加速度场,从而实现对惯性器件使用过程中加速度环境的模拟.精密离心机的主要技术指标就是它产生的加速度的范围和不确定度,目前,我国精密离心机正朝着更精确的加速度 不确定度水平、大负载、多轴、温度试验等方向发展.     

Comparison of strapdown inertial navigation algorithm based on rotation vector and dual quaternion

 For the navigation algorithm of the strapdown inertial navigation system, by comparing to the equations of the dual quaternion and quaternion, the superiority of the attitude algorithm based on dual quaternion over the ones based on rotation vector in accuracy is analyzed in the case of the rotation of navigation frame. By comparing the update algorithm of the gravitational velocity in dual quaternion solution with the compensation algorithm of the harmful acceleration in traditional velocity solution, the accuracy advantage of the gravitational velocity based on dual quaternion is addressed. In view of the idea of the attitude and velocity algorithm based on dual quaternion, an improved navigation algorithm is proposed, which is as much as the rotation vector algorithm in computational complexity. According to this method, the attitude quaternion does not require compensating as the navigation frame rotates. In order to verify the correctness of the theoretical analysis, simulations are carried out utilizing the software, and the simulation results show that the accuracy of the improved algorithm is approximately equal to the dual quaternion algorithm.     

惯导平台系统自标定试验的D最优设计方法

针对惯导平台系统自标定试验中的连续旋转路径设计问题,本文提出了一种D最优试验设计方法,并给出了相应的搜索算法.在此基础上,应用D最优设计方法对平台系统重力场连续翻滚测试进行了优化设计,给出了数值求解算法.最后,仿真结果验证了该设计方法的有效性.     

基于数值微分计算的SERF原子自旋惯性测量动态仿真

基于量子调控技术的SERF原子自旋惯性测量仪表与传统惯性测量仪表相比,具有精度高、无活动部件、对加速度不敏感等优点,被公认是下一代高精度惯性测量的发展方向。分析了SERF原子自旋惯性装置Bloch微分方程组模型下磁场、激光、角速度输入对碱金属电子极化率和惰性气体核子极化率的影响。针对实验条件下原子系综Bloch微分方程组难以解析求解的问题,基于可变阶次数值微分计算,建立了相应的Simulink模型对实验条件下的原子系综进行数值求解,并分析了极化率对光场、磁场、角速度输入的瞬态响应与稳态响应。仿真结果与理论计算结果相吻合,验证了Bloch方程数值求解的可行性与准确性。该方法可得到惯性测量系统的动态响应,可用于模拟复杂输入下的SERF原子自旋惯性测量系统的输出响应。     

重力和重力梯度基准图构建的多参量联合网格化

高精度、高分辨率的重力及重力梯度基准图是决定潜艇水下辅助导航定位精度的关键因素。我国海洋重力测量目前的主要比例尺为1:1000000，在局部区域可达1:500000，测线间隔分布相对稀疏。传统的网格化插值技术在远离测点位置时容易产生虚假异常，或异常特征发生偏移。构建了全张量重力梯度数据的6个梯度分量的联合网格化方法,利用各个梯度分量与引力位在波数域中的关系重构了引力位，实现了重力和重力梯度数据的再计算，从而实现了网格处理。通过模型数据和实测数据，验证了该方法在插值异常分辨率和位置准确性上具有优势。     

绝对重力仪的发展现状及重力计量体系介绍

重力测量在国防军事、地质研究、资源勘探、地球物理、地震预报及计量科学等领域有着广泛的应用.在惯性导航系统中对惯性加速度和重力加速度进行分离,可以提高惯性导航的精度.重力加速度测量的准确性需要通过量值溯源来保证,而用于直接测量重力加速度值的绝对重力仪是重力测量量值溯源和传递的主要工具和载体.以此为背景,介绍了绝对重力仪的主要技术和发展现状,从而引出绝对重力测量和重力计量体系是整个重力测量溯源到SI国际单位制,确保其测量量值准确可靠的唯一途径.最后,简单介绍了重力计量体系以及中国计量科学研究院的相关工作.     

扰动线运动对惯性系粗对准影响分析及优化方法

针对扰动线运动对惯性系粗对准精度影响较大的问题，通过分析惯性体坐标系下重力加速度积分矢量的物理含义，给出了受扰动线运动影响的惯性系粗对准的误差分析。并在此基础上提出了基于位移积分矢量构造定姿矢量矩阵的抗扰动粗对准算法，利用对速度积分矢量进一步积分得到的3个时间点的位移积分矢量构建姿态解算矩阵，抑制扰动线运动对粗对准精度的影响。仿真结果表明，该算法可有效减小扰动线运动影响下的对准结果振动幅值，能够快速收敛到满足精对准使用的精度范围，从而提高武器装备环境适应性。     

重力传感器参数双轴旋转调制标定方法及实验验证

重力传感器参数的外场标定可充分发挥重力仪的测量潜力，提高重力测量的精度。利用全局可观性方法，对加速度计在静态条件下的参数可观性进行了分析，推导了静态多位置条件下加速度计参数可观的条件。根据理论推导的参数可观的条件，以双轴旋转重力仪为实验平台，设计了标定参数的编排方案。实验结果表明，该方法所测得的刻度因数对角线的最大偏差达到了10-8量级，利用对角线上的刻度因子修正了三轴转台的标定结果。2800s纯惯导解算结果证明，使用外场标定参数与实验室三轴转台标定参数的纯惯性导航精度相当。     

扰动线运动对惯性系粗对准影响分析及优化方法

针对扰动线运动对惯性系粗对准精度影响较大的问题,通过分析惯性体坐标系下重力加速度积分矢量的物理含义,给出了受扰动线运动影响的惯性系粗对准的误差分析。并在此基础上提出了基于位移积分矢量构造定姿矢量矩阵的抗扰动粗对准算法,利用对速度积分矢量进一步积分得到的3个时间点的位移积分矢量构建姿态解算矩阵,抑制扰动线运动对粗对准精度的影响。仿真结果表明,该算法可有效减小扰动线运动影响下的对准结果振动幅值,能够快速收敛到满足精对准使用的精度范围,从而提高武器装备环境适应性。     

Atom-Based Test of the Equivalence Principle

We describe a test of the equivalence principle with quantum probe particles based on atom interferometry. For the measurement, a light pulse atom interferometer based on the diffraction of atoms from effective absorption gratings of light has been developed. A differential measurement of the Earth’s gravitational acceleration g for the two rubidium isotopes ⁸⁵Rb and ⁸⁷Rb has been performed, yielding a difference Δg/g=(1.2±1.7)×10^?7. In addition, the dependence of the free fall on the relative orientation of the electron to the nuclear spin was studied by using atoms in two different hyperfine states. The determined difference in the gravitational acceleration is Δg/g=(0.4±1.2)×10^?7. Within their experimental accuracy, both measurements are consistent with a free atomic fall that is independent from internal composition and spin orientation.     

气固两相湍流场纳米颗粒演变特性综述

含纳米颗粒的气固两相湍流场在包括航空等众多领域中很常见,以单体、聚集体和团聚体不同形式存在的纳米颗粒在流场中经过生成、对流、扩散、凝并、破碎等过程,其数密度、尺度、尺度分散度等将发生变化。本文就以上相关研究状况进行了回顾,说明颗粒生成是气相化学反应产生的可冷凝蒸汽物质因表面冷却、绝热膨胀或混合、湍流混合或化学过程产生的过饱和所导致;导致颗粒凝并的原因包括布朗运动、湍流剪切、速度梯度、差异沉降;颗粒的凝并取决于颗粒的尺度和流场的特性,并受初始颗粒分布及湍流扩散控制;湍流场对颗粒凝并的影响除了湍流强度的因素外,还体现在由湍流脉动所引发的颗粒数密度的脉动;颗粒凝并后形成尺度较大的团聚体容易在流场剪切和其他因素作用下发生破碎;剪切破碎是导致颗粒破碎的主要因素,有效破碎系数取决于剪切率和颗粒的体积分数;颗粒的沉降取决于颗粒尺度、形状和流体性质等因素;导致颗粒沉降的因素有重力、扩散、惯性撞击、电场和热迁移等;当存在温度梯度时,热泳力对颗粒沉降也起到重要作用。本文最后提出了有待进一步研究的若干问题。     

Computer modeling of test particle acceleration at oblique shocks

We review the basic techniques and results of numerical codes used to model the acceleration of charged particles at oblique, fast-mode, collisionless shocks. The emphasis is upon models in which accelerated particles (ions) are treated as test particles, and particle dynamics is calculated by numerically integrating along exact phase-space orbits. We first review the case where ions are sufficiently energetic so that the shock can be approximated by a planar discontinuity, and where the electromagnetic fields on both sides of the shock are defined at the outset of each computer run. When the fields are uniform and static, particles are accelerated by the scatter-free drift acceleration process at a single shock encounter. We review the characteristics of scatter-free drift acceleration by considering how an incident particle distribution is modified by interacting with a shock. Next we discuss drift acceleration when magnetic fluctuations are introduced on both sides of the shock, and compare these results with those obtained under scatter-free conditions. We describe the modeling of multiple shock encounters, discuss specific applications, and compare the model predictions with theory. Finally, we review some recent numerical simulations that illustrate the importance of shock structure to both the ion injection process and to the acceleration of ions to high energies at quasi-perpendicular shocks.     

基于热磁耦合分析的高性能磁屏蔽系统设计

近零磁工作环境是实现无自旋交换弛豫(SERF)原子自旋惯性测量装置的必要条件,但在实际中由于装置内部气室加热和环境温度变化引起的磁屏蔽性能变化是影响系统性能的一个主要因素.基于热-磁耦合理论建立了惯性测量装置的有限元分析模型,对加热条件下磁屏蔽筒内磁场均匀性及其剩余磁场进行了分析.结果表明,气室加热至200℃时,附近温...     

捷联式移动平台重力仪地面测试结果

自主研制移动平台重力仪对我国矿产资源勘探及测绘等领域具有重要意义。研制了一种基于激光捷联惯导的移动平台重力仪,根据移动平台重力测量应用需求及激光捷联惯导系统特点,采用高精度石英挠性加速度计作为重力测量传感器,安装于系统垂向通道,既可作为导航用垂向加速度计,又用于实现标量重力测量。介绍了工程样机系统的组成。利用重力场随高度升高衰减的原理,以相邻楼层间的重力测量差值评价了系统的静态精度;通过地面跑车试验,获得了系统动态测量内符合精度。     

基于曲面主方向的正交系的非完整基理论及其在流体力学中的相关应用

本文将微分几何中光滑曲面上局部存在的基于主方向的正交系联系于张量分析中的非完整基理论,以此为曲面与其邻域上的张量场场论提供了一种新方法,称为基于曲面主方向的正交系的非完整基理论。这种场论方法,基于基面的沿主方向的参数坐标,然后沿基面的法方向进行空间延拓,以此获得基面邻域内的完整的正交系。对此引入非完整基理论,可得所有的非零Christoffel符号直接对应为基面或者当地曲面的主曲率或者测地曲率,因而张量场的各种微分算子相对于曲面的主方向与法方向展开,所得分量表达式仅含物理量与曲面曲率。由此不仅可以清晰地展现曲面几何特征与物理量/物理过程之间的关系,而且所获得的分量表达式形式上最为简单。另一方面,经典的诸如柱坐标系、球坐标系等正交系也隶属基于曲面主方向的正交系,从而本文方法可以统一相关正交系下的张量场场论。作为应用,本文推导了可变形曲面上涡量、涡量法向梯度与变形率张量的表达式,曲面上流体边界层方程的分量方程,曲面介质相关守恒律方程等。     

单轴旋转惯导系统误差特性分析

旋转调制技术能够抑制陀螺和加速度计的误差,提高惯性导航系统的导航精度。从捷联惯导系统的误差方程出发,推到出了单轴旋转惯导系统的误差传播方程,在此基础上分析了旋转调制的基本原理。分别对陀螺和加速度计常值偏差、标度因数误差、安装误差和转台安装误差等在旋转调制下的影响进行了研究,仿真分析了旋转调制提高系统导航精度的作用,最后在实验室条件下做静止导航实验进行了验证。研究的结果能为单轴旋转惯导系统的研究和开发提供一定的理论参考。