冷原子重力仪单激光器系统倍频方法

针对原子干涉重力仪野外测量需求,提出一种基于单激光器系统倍频方法的高稳定、小型化激光系统方案。首先,分析了冷原子重力仪激光倍频原理;然后,以单台1560.4 nm光纤外腔激光器作为光源,基于激光倍频技术,设计了用于87Rb原子干涉重力仪的高稳定、小型化激光系统方案;最后,测试了用于重力测量的两路激光输出光束的功率稳定性。实验结果表明当780.2 nm激光输出功率为1.1 W和1.9 W时,对应功率均方根起伏分别为0.13%@4 h和0.15%@4 h,两路均可输出功率稳定、模式优良的780.2 nm激光,该系统可实现T=70 ms干涉测量,对应噪声灵敏度为610μGal/Hz。使用倍频方法的单激光器系统,实现了传统双激光器系统功能,具有高稳定、小型化特点,为原子干涉重力仪野外测量提供了技术基础。     

航空重力测量比力温控系统热优化设计

以国内首台具有完全自主知识产权的捷联式航空重力仪的比力温控系统为基础,针对该温控系统测试过程中暴露的一些温度梯度较大等问题,为进一步提高比力测量精度,结合相关的热设计标准和规范,提出了航空重力测量比力温控系统热优化设计方案,并进行建模与仿真实验分析.分析表明,该热优化设计方案能有效减小比力温控系统温度梯度,将温控系统内部最大温度差由0.79℃降低到0.37℃,可以提供更稳定的温度场并有效确保加速度计的精确标定并进一步提高重力测量精度.     

一种区分测量重力和角速度的冷原子干涉实现方法

冷原子干涉惯性测量同时敏感线性加速度和旋转角速度.为了实现对这两种参数的分别测量,通过对冷原子团施加水平方向的多个时间域Raman脉冲,使其分裂成水平方向速度不同的两部分原子并使速度差增大,再施加竖直方向的Raman脉冲序列,构成两个原子平均运动速度不同的子干涉仪.利用角速度引起的干涉相位差与原子平均运动速度有关而加速度与之无关的原理,提出使其中分离的一部分原子水平方向平均速度为零和使两部分原子水平方向平均运动速度方向相反的两种测量方案.利用现有实验数据进行理论分析计算,其结果表明该方法可以实现对重力加速度和旋转角速度的分别测量.     

弹性关节空间机械臂级联智能滑模控制

谐波减速器和力矩传感器等柔性元件因其独特性能而广泛应用在空间机器人关节系统中，以获取高减速比．但同时这些柔性元件的存在为空间机械臂系统引入了关节柔性，使得对其稳定控制变得更为复杂．基于此，文中讨论了基于自适应回归小波神经网络(Self-Recurrent Wavelet Neural Networks, SRWNN)的弹性关节空间机械臂系统动力学建模及级联智能滑模控制．首先，利用级联系统理论及第二类拉格朗日方法推导出了由外环刚性臂子系统和内环关节电机转子子系统组成的系统级联动力学模型；其次，为两个子系统分别设计了内、外环自适应滑模回归小波神经网络控制．外环控制算法以期望轨迹为控制量，而其控制信号作为抑制弹性关节振动的内环控制算法的控制量，整个控制系统由内、外环控制系统叠加而成；而后，基于Lyapunov稳定性理论证明了整个控制系统的稳定性并设计了自适应回归小波神经网络的各权值参数在线学习算法．所提的控制算法有效地消除了模型不确定的影响，避免了复杂的求导计算和角加速度可测的要求，同时，控制系统设计过程中未涉及惯常奇异摄动双时标分解操作，在理论上适合任意大小的关节柔性刚度．最后，系统对比仿真试验证明了所提的级联智能控制算法优于惯常基于奇异摄动法和基于柔性铰补偿奇异摄动法的控制方案．     

CPT磁力仪暗态耦合磁场测量技术

相干粒子数俘获(CPT)磁力仪是通过精确追踪光与原子相互作用下获得的透射信号来计算磁场强度的。针对由于透射信号的方向性衰减特性而造成的系统测量盲区的问题,提出了一种暗态耦合测量方案,通过使用特定频率的调制光场来实现多个暗态的同时激发和耦合测量,基于原子密度矩阵法建立了原子五能级系统模型并进行数值仿真研究,分析了该方案的控制条件和特点。实验结果证明,使用暗态耦合测量技术获得的透射信号幅值可以达到相同条件下单暗态测量时信号幅值的两倍左右,能够有效消除测量盲区,提高透射信号的信噪比,从而进一步提高CPT磁力仪的测量灵敏度。     

基于碱金属磁力仪的铷原子横向弛豫时间测量方法

原子气室是核磁共振陀螺核心部件,微小尺寸气室工作原子之间碰撞以及Rb原子与气室内壁的碰撞会导致Rb原子的横向弛豫时间大幅降低,限制惰性气体共振信号幅值及陀螺精度的提升。传统的三种弛豫时间测量方法均需要高频激励磁场,操作复杂且精度低。针对上述问题,在分析传统横向弛豫时间测量方法的基础上,提出基于铷原子磁力仪的横向弛豫时间测量方法。搭建数理模型对方案进行可行性验证,测量误差小于0.4‰。在实验中,对三支充气参数不同的气室的横向弛豫时间进行测量,测量显示组间误差小于6.8‰。与自由感应衰减方法测量结果相比,两者差别不超过5%,且操作更为简单。理论仿真和实验结果均表明所提出的方法能准确测量气室内铷原子横向弛豫时间,为核磁共振陀螺气室参数优化提供了工程化测量方法。     

干涉式集成光学陀螺关键技术及应用前景分析

干涉式集成光学陀螺仪利用光电子集成技术实现陀螺系统的芯片化,在实现高性能的同时,可实现批量化生产,满足低体积、重量、功耗和成本（SWa P+C）指标,在无人领域具有重要应用前景。根据干涉式集成光学陀螺的发展脉络及趋势,设计了基于氮化硅的低损耗波导环和单偏振波导谐振腔、异质波导集成耦合结构等关键部件,搭建了基于无源芯片与光纤环的干涉式集成光学陀螺实验样机,实现精度0.03°/h(Allan方差),为目前国内已有报道同类陀螺系统的最优精度。最后,给出了干涉式集成光学陀螺的应用前景分析。     

激光陀螺仪频率稳定度高精度测量系统的研制

以碘稳定激光器为频率标准，根据拍频检测的原理，建立了一套高精度的激光陀螺仪频率稳定度测量系统。经过实验验证，该系统实现了可用光功率仅为0．1uw量级的微弱激光陀螺仪频率稳定度的测量，测量精度达到了10^-11量级。该系统的研制成功为深入开展激光陀螺仪的稳频研究奠定了基础。     

激光陀螺POS惯性数据滤波及时延补偿

激光陀螺作为位置姿态测量系统(POS)的核心传感器,其精度直接决定激光陀螺POS系统精度,围绕机抖激光陀螺信号去噪的需求,基于FIR滤波器建模的方法,设计了FIR数字低通滤波器;针对滤波器导致的信号延迟问题,根据FIR数字滤波器群延迟特性建模,提出了激光陀螺POS数据时延补偿方法。静态实验结果表明,设计的FIR数字低通滤波器降低了激光陀螺抖动噪声功率达80dB。进一步通过飞行实验表明,提出的方法降低了激光陀螺POS系统姿态角误差,与POS/AV510相比航向角误差由0.017°降低到0.01°,俯仰角误差由0.007°降低到0.005°,横滚角误差由0.016°降低到0.005°,满足了机载InSAR对激光陀螺POS精度要求。     

惯性技术中集成控制减振的研究

本文针对惯性技术对防振减振的高要求，提出采用集成控制减振，并通过数字仿真证实其有效性。分析了几种减振系统，其中以ＦＵＺＺＹ／ＰＩＤ串联控制集成减振系统性能最优。     

基于反演滑模的机动飞行器横向回路控制设计

针对再入机动飞行器模型的参数不确定性以及外界干扰对飞行器控制性能的影响,基于反演控制和滑模控制理论,结合飞行器的动态特性要求,设计了一种基于标称模型的再入机动飞行器横向回路姿态控制方案,并基于Lyapunov方法,给出了整个系统的稳定性证明。控制系统阶跃响应仿真结果表明:系统响应无超调,调节时间为0.6 s,稳态误差为1%,优于指标要求的超调量15%,调节时间1 s,稳态误差5%,证明所提方法对模型参数大范围摄动具有强鲁棒性,且在较大程度上提高了系统的动态性能,最终达到姿态指令的快速高精度跟踪效果。     

基于组合滑模控制的绝对重力仪两级主动减振设计

针对环境振动作用于参考棱镜,影响激光干涉式绝对重力测量精度的问题,提出一种超低频两级弹性主动减振控制方案,其模型参考控制采用了基于全局鲁棒因子和双幂次趋近律的组合滑模算法来实现。该方案的工作原理是由高分辨率加速度计作为振动敏感元件来检测振动信号,通过组合滑模算法模型参考控制音圈电机反作用于两级主动减振平台,消减载荷平台的垂直方向微振动位移以达到减振的目的。仿真分析表明,该方案对本征频率小于等于0.05 Hz的振动减振效果明显,在0.01～2 Hz的频段具有85%以上的减振能力,优于一般模型参考滑模控制20%～40%。     

光源共享3+1S型光纤陀螺在轨故障诊断与延寿设计

针对空间小卫星惯性应用领域的低功耗、低重量特点,设计出一款双光源四轴一体化小型化3+1S光纤陀螺方案。通过四轴共享光源降低整机功耗及重量,利用3+1S构型消除三个相互垂直方向的测试单点,使用双光源互为冷备份来消除光源单点,在双光源功率均下降的情况下,提出双光源共同工作的延寿策略。给出了光纤陀螺在轨的性能自检、光源故障诊断和处理、单轴故障诊断和处理、光功率下降的处理策略、以及整机延寿方法。设计了光功率检测电路,实现在线监视光功率的变化,为故障诊断和处理方案提供依据。在双光源功率均下降的情况下,通过双光源共同工作的方式,使陀螺的输出精度恢复到初始设计值,该延寿方案可以使光纤陀螺的在轨寿命延长3～5年。     

H∞滤波和自适应卡尔曼滤波在消除重力异常畸变中的对比研究

为了有效地消除重力异常畸变对海洋重力仪测量精度的影响，得到更高精度的重力异常测量值，根据随机过程理论，分析了重力异常状态方程，并对H∞滤波算法和自适应卡尔曼滤波算法进行了理论对比分析，将其应用到消除重力异常畸变系统中。为了避免滤波发散，自适应卡尔曼滤波采用降阶的Sage—Husa算法。理论分析和仿真实验表明：H∞滤波算法和自适应卡尔曼滤波算法都具有较好的滤波收敛特性，并能在一定程度上有效地消除重力异常畸变对重力异常测量精度的影响，但自适应卡尔曼滤波的性能优于H∞滤波。     

一种免装配微惯性测量单元的研制与开发

以柔性材料和高精度六面体作为惯性传感器的安装载体和基准,设计了一种免装配、安装误差小、体积小、功耗低且便于标定的微惯性测量单元。给出了安装误差小角度前提下的传感器的测量方程和标定方法;利用微控制器的并行工作机制,提出了一种快速有效的基于均值滤波和FIR滤波的组合滤波方案。实验结果表明:MIMU可以100 Hz的频率更新测量输出,加速度测量噪声小于2.5 mg、测量误差小于0.8 mg,旋转角速度测量噪声小于0.15 o/s、测量误差小于0.2 o/s,可满足微小型惯性导航系统的功耗、体积、测量精度和响应速度的应用需求。     

四轴稳定跟踪转台伺服控制系统的研究与实现

以四轴稳定跟踪伺服转台系统研制的实例出发，从系统总体结构，元、部件选型计算及控制系统的设计与实现等方面进行了详细介绍。针对系统难点，采用基于高速DSP控制器、以采样数字控制和信号滤波技术为基础的全闭环伺服控制方案。实验测试结果均达到了预先制定的设计指标和精度要求，表明了系统设计方案的实用性和有效性。     

Unscented卡尔曼滤波算法在光电跟踪系统中的应用

针对控制系统中由于测量延迟现象导致的不能直接进行状态估计问题,提出在测量方程中引入一不确定因子γ以表明系统存在测量延迟,且由γ的概率来表示系统的延迟量。同时根据U卡尔曼滤波原理,给出带有测量延迟的非线性系统的状态估计计算方法(称其为测量延迟U卡尔曼滤波算法),并将此方法应用到实际非线性测量光电跟踪系统中,与稳态卡尔曼估值器进行性能对比。仿真实验结果证明,在测量方程中引入一不确定因子γ以表明系统存在测量延迟是有效可行的,而且其性能优于卡尔曼估值器。     

星载原子干涉重力梯度仪测量方法与噪声分析

原子干涉重力梯度仪在星载环境下可获得较长的干涉时间,有效规避了原子触碰容器壁的风险,因此可实现高精度的测量,同时利于星载仪器的小型化。目前原子干涉重力梯度仪地面测量技术成熟,尚未得到空间应用。根据星载失重的特殊条件,提出一种适用于空间微重力环境的原子干涉重力梯度测量方法,并对其测量精度进行了分析。结果表明,在卫星重力测量关注的0.1 Hz以下的测量频带内,星载原子干涉重力梯度仪的潜在测量精度可达到1 mE/Hz~(1/2)。该测量方法为未来原子干涉重力梯度仪的星载应用提供重要的技术基础。     

光纤陀螺仪在惯性测量组合中的应用分析

介绍了闭环方案的干涉型光纤陀螺仪和捷联惯性测量组合。针对惯测组合的特定应用，分析了其面向的系统环境。通过对环境引入陀螺仪的误差项及其控制方案进行了具体分析和比对，提出了较优的应用方案和测试参数。采用该方案的惯性测量组合进行了充分实验和实际应用，证明了其可行性。     

海洋重力测量误差补偿技术

海洋重力场信息在勘探矿源和导航定位等方面都具有重要意义.进行海洋重力实时测量时,重力仪会受到各种外界扰动力的影响,再加上重力敏感器本身稳定性和惯性平台系统性能影响,重力敏感器的输出需要进行一系列数据处理和补偿后才能得到当地重力异常值,研究了重力敏感器安装角误差标定、零位漂移估计和格值修正等重力数据预处理方法.分析了海洋重力测量数据处理流程,主要包括零点漂移补偿、水平加速度误差补偿、厄特弗斯效应修正、高度修正和噪声滤波处理等.对每个数据处理过程都提出了具体补偿算法,并分析了补偿后的重力测量误差,将以上重力数据处理方法应用到实际重力测量,结果表明重力仪能够准确测量出当地重力值,其精度为1 mGa1.