海洋重力场在潜艇导航中的应用_陈勇

海洋重力仪金属零长弹簧的性能研究及研制
汪龙;邹舟;吴鹏飞;柳林涛
【期刊名称】《大地测量与地球动力学》
【年(卷),期】2024(44)7
【摘要】揭示海洋重力仪金属零长弹簧的物理特性,阐述基于Fe-Ni系恒弹性合金研制金属零长弹簧的工艺,并系统总结关键研制过程及研制难点,研制出一批性能优异、零长状态佳的海洋重力仪金属零长弹簧。

【总页数】5页(P759-763)
【作者】汪龙;邹舟;吴鹏飞;柳林涛
【作者单位】中国科学院精密测量科学与技术创新研究院大地测量与地球动力学国家重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】P312
【相关文献】
1.基于零长弹簧的超低频垂直隔振系统研究
2.具有密封弹簧腔室的单向双重金属密封球阀的研制
3.贝尔雷斯金属零长弹簧自动重力仪
4.重力仪中零长弹簧的研制
5.基于金属骨架材料分子弹簧隔振器力学性能研究
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

深海探测器的自主导航技术与应用研究与分析在人类探索海洋的进程中，深海探测器扮演着至关重要的角色。

随着科技的不断进步，深海探测器的自主导航技术也取得了显著的发展，为我们深入了解神秘的深海世界提供了有力的支持。

深海环境极为复杂和恶劣，压力巨大、温度极低、光线微弱，这给深海探测器的导航带来了巨大的挑战。

在这样的环境下，传统的导航方法往往难以奏效，因此，发展先进的自主导航技术成为了必然的选择。

目前，常见的深海探测器自主导航技术主要包括惯性导航、声学导航、地球物理场导航以及组合导航等。

惯性导航是一种不依赖外部信息的自主导航方式，通过测量探测器的加速度和角速度来推算其位置和姿态。

然而，惯性导航存在误差积累的问题，长时间工作后精度会逐渐降低。

声学导航则是利用声波在海水中的传播特性来实现导航。

例如，长基线声学导航系统通过在海底布设多个声学基站，探测器接收基站发射的信号来确定自身位置。

这种导航方式精度较高，但系统复杂，成本昂贵，而且容易受到海洋环境噪声的干扰。

地球物理场导航是基于海洋中地球物理场的特征来进行导航，如地磁场、重力场等。

这种导航方式具有自主性强、隐蔽性好等优点，但地球物理场的测量精度和模型精度对导航效果有较大影响。

为了克服单一导航技术的局限性，组合导航技术应运而生。

将惯性导航与声学导航、地球物理场导航等相结合，可以充分发挥各种导航技术的优势，提高导航系统的精度和可靠性。

深海探测器自主导航技术的应用领域非常广泛。

在海洋科学研究方面，它能够帮助科学家精确地测量海洋物理、化学和生物等参数，深入了解海洋的生态系统和气候变化。

例如，通过自主导航，探测器可以按照预定的轨迹采集不同深度的水样，分析其中的化学成分和微生物群落，为研究海洋的物质循环和生态平衡提供重要的数据。

在资源勘探方面，深海蕴含着丰富的矿产资源和能源，如石油、天然气、锰结核等。

深海探测器的自主导航技术可以使勘探设备准确地到达目标区域，进行高效的资源探测和评估。

水下机器人定位导航技术实验报告一、引言水下机器人在海洋探索、资源开发、科学研究等领域发挥着越来越重要的作用。

而定位导航技术是水下机器人实现自主作业和精确操作的关键。

本次实验旨在研究和评估不同的水下机器人定位导航技术，为其实际应用提供参考和依据。

二、实验目的本次实验的主要目的是：1、比较不同定位导航技术在水下环境中的精度和可靠性。

2、分析各种技术在不同水质、水流条件下的性能表现。

3、探索如何提高水下机器人定位导航的准确性和稳定性。

三、实验设备与环境（一）水下机器人本次实验采用了型号水下机器人，其具备主要功能和特点。

（二）定位导航系统1、惯性导航系统（INS）2、声学定位系统3、卫星导航系统（在水面时辅助）（三）实验环境实验在一个大型的室内水池中进行，水池尺寸为长、宽、深，模拟了不同的水质（清澈、混浊）和水流条件（缓流、急流）。

四、实验方法与步骤（一）实验准备1、对水下机器人进行全面检查和调试，确保其各项功能正常。

2、安装和校准定位导航系统，设置相关参数。

（二）实验过程1、在不同水质和水流条件下，分别启动水下机器人，让其按照预设的轨迹运动。

2、同时记录惯性导航系统、声学定位系统和卫星导航系统（在水面时）的数据。

（三）数据采集与处理1、实验过程中，实时采集各个定位导航系统的数据。

2、对采集到的数据进行滤波、降噪等预处理。

3、采用特定的算法和软件对数据进行分析和计算，得出定位导航的精度和误差。

五、实验结果与分析（一）惯性导航系统1、在短时间内，惯性导航系统能够提供较为准确的位置和姿态信息。

2、但随着时间的推移，由于累积误差的存在，其定位精度逐渐降低。

（二）声学定位系统1、在清澈水质和缓流条件下，声学定位系统表现出色，定位精度较高。

2、然而，在混浊水质和急流环境中，声波的传播受到干扰，定位精度有所下降。

（三）卫星导航系统（水面辅助）在水面时，卫星导航系统能够提供非常准确的位置信息，有效地对水下机器人的定位进行校准和修正。

基于重力匹配导航的潜艇避障方法分析一、引言介绍目前潜艇避障技术的现状，重力匹配导航在潜艇避障中的作用以及本论文的研究意义。

二、重力匹配导航技术简介阐述重力匹配导航的原理、优势和限制，以及其在潜艇避障中的应用和局限性。

三、潜艇避障场景分析分析潜艇在不同的水下环境中的避障场景，包括海底地形、水流、海洋生物等因素对潜艇的影响。

四、基于重力匹配导航的潜艇避障方法研究结合重力匹配导航技术，提出一种潜艇避障方法，包括建立地形模型、遥测数据融合、避障实时控制等环节的具体实现方案。

五、实验结果分析以模拟水下环境下的避障场景为例，对本文提出的方法进行实验，分析不同情况下的避障效果，并结合实验结果总结讨论。

六、结论与展望总结本论文的研究工作，指出研究的局限和不足之处，并展望重力匹配导航技术在潜艇避障领域的进一步应用方向。

一、引言潜艇在水下航行时必须面对各种复杂的水下环境，如峭壁、水流、海底障碍物等，因此，避障成为潜艇航行中的重要问题。

现有的潜艇避障技术主要是基于声纳测距和逐层扫描，然而这些技术存在着很多缺陷，如定位不精确、耗时长、易被干扰等。

因此，开发一种更为高效、精准的潜艇避障技术势在必行。

重力匹配导航作为新型的定位与导航技术，近年来在水下机器人尤其是潜艇领域得到了广泛应用。

重力匹配导航利用海底重力场与水下机器人测量的三维加速度数据之间的比较，通过匹配重力异常场来实现定位与导航。

与传统的声纳测距相比，重力匹配导航可以提供更为稳定和高精度的定位和导航，而且具有测距范围广、防干扰能力强等优势，可以有效解决潜艇避障时的问题。

因此，本文旨在探讨基于重力匹配导航的潜艇避障方法。

本研究通过分析水下环境中的避障场景、阐述重力匹配导航的原理及其在潜艇避障中的应用，提出一套实用性较强的潜艇避障方法，并通过实验结果的分析，展示该方法的可行性和可靠性。

这对于提高潜艇在水下任务中的自主性和航行安全性具有重要的意义。

二、重力匹配导航技术简介重力匹配导航技术是一种基于海底重力场的定位与导航技术，它利用水下机器人测量的三维加速度数据与海底重力场之间的比较匹配，通过分析比较结果来计算水下机器人的位置和姿态。

重力场对惯性导航定位误差影响研究与仿真
吴太旗;边少锋;蒋勃;陈勇
【期刊名称】《测绘科学技术学报》
【年(卷),期】2006(23)5
【摘要】从惯性导航力学编排方程出发,将高阶重力场模型代替正常重力模型,分析了扰动重力引起的惯性导航误差;并从另一角度,对理想状态下扰动重力对惯性导航的影响进行了仿真分析,结果表明扰动重力影响显著.通过将重力垂线偏差分量引入惯性导航方程,改善传统方程的缺陷,探讨了垂线偏差对惯性导航的影响.在全面论述了扰动重力和重力垂线偏差对惯性导航的影响的基础上,结合实际情况提出了进行重力场误差补偿的两种方法.
【总页数】4页(P341-344)
【作者】吴太旗;边少锋;蒋勃;陈勇
【作者单位】海军工程大学,湖北,武汉,430033;海军海洋测绘研究所,天津,300061;海军工程大学,湖北,武汉,430033;61365部队,天津,300140;海军工程大学,湖北,武汉,430033
【正文语种】中文
【中图分类】P227;U666.11
【相关文献】
1.船舶捷联惯导导航定位误差补偿仿真研究 [J], 尹剑;高教波;张琬琳;陈红
2.车载组合导航定位系统误差建模及仿真 [J], 王志坤;李永满;蔡铁鑫
3.海潮误差对GRACE时变重力场解算的影响研究 [J], 王长青;许厚泽;钟敏;冉将军;周江存
4.卫星导航定位误差仿真分析 [J], 王蓉;陈思;胡伟锋;邓春
5.机载雷达组网导航定位误差仿真分析 [J], 彭金龙;张策;吴京
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

251中国设备工程C h i n a P l a n t E n g i n e e r i ng中国设备工程 2021.03 （上）潜艇等水下自主航行器在水下航行一般依靠惯性导航系统进行导航，惯性导航系统的重要组成元件是陀螺仪和加速度计，这些敏感元件测得的加速度通过对时间进行积分后可以得到速度、偏航角、位置等信息。

积分过程中，误差随时间累积增大，潜艇长期在水下运行时导航精度降低。

针对惯性导航系统的这一缺点，许多学者提出将重力匹配、地磁匹配、地形匹配等无源导航方法与惯性导航系统组合起来，对惯性导航进行修正。

水下重力匹配技术实现的核心问题是构建全球高精度和高空间分辨率的海洋重力异常图。

测高/重力卫星、船测、航空是获得全球海洋重力场的主要技术途径，全球高精度和高空间分辨率的海洋重力异常图能有效提高水下重力匹配导航精度，但目前我国的全球海洋重力异常图空间分辨率较低，因此，需要在一定程度上对其进行插值加密，重构为高精度高空间分辨率的海洋重力异常图。

由于海洋重力异常图经过插值后，空间分辨率会提升，但是，精度会降低，因此，空间分辨率和精度成反比关系（随着空间分辨率提高，精度将降低）。

为了使空间分辨率与精度均满足高精度水下重力匹配导航，对重力场的插值方法的研究成为此领域的研究热点。

1 海洋重力异常图插值方法目前，常见的海洋重力场异常图插值方法可具体分为两类，第一类为基于函数插值方法，第二类为基于统计学插值方法。

函数插值方法有径向基函数插值法、曲线曲面插值法、样条函数插值法。

统计学方法有克里金插值法、距离加权反比插值法、改进的Shepard 插值法。

距离加权反比插值是最简单的插值方法。

该方法根据未知点到已知点距离加权平均值计算未知点的值。

距离加权反比插值法的具体计算公式如下：101(/)(1/)Nii i N ii Zd Z d ===∑∑重力辅助导航前沿与进展王彤（中国空间技术研究院，北京 100094）摘要：水下导航一直是导航领域重要的研究方向。

题目：海洋探测技术及应用作者：***单位：北京桔灯地球物理勘探有限公司时间：2013年8月海洋探测技术及应用能源是当今世界经济发展的必需品，而陆地能源在一直的消耗下逐渐枯竭，人们开始将眼睛转向了海洋能源，科学研究表明，海底油气储量约占全球已探明资源量的三分之一，海洋能源的探测技术称为海洋能源利用的瓶颈，本文在其他学者的研究的基础上阐述了主要的海洋物探技术海洋重磁测量技术和海底声学探测技术，以及海洋探测技术在资源探测和海洋安全方面的应用。

20世纪末，科学家在海底发现了另一个大洋世界———“黑色大洋”，富含矿物质的流体在其中流动着，驱动着矿物质的传递和界面交换，形成各类大洋矿产，并维持着由极端条件生物所组成的深部生物圈。

黑色大洋的发现，拓展了人类对地球形成与演化和地球生命起源的认识领域。

从此，人们不断的加快了对海洋的探测，各种海洋探测技术相应的产生。

海洋物探技术的发展不仅具有显著的科学研究意义，在海洋能源的开采利用和海洋军事和安全中都要很重要的意义和位置。

1.海洋定位技术高精度的定位技术的是海洋探测技术的基础，海洋定位包括海面船只和探测系统的定位和海下探测系统的定位，海下探测系统的高精度定位尤其重要。

水面定位技术由于卫星导航定位系统的发展已经比较成熟，目前的卫星导航定位系统有美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟的Galileo系统和中国的北斗系统，其中GPS的技术最成熟，精度最高。

水下定位主要测定水下探测系统相对水面母船的位置，如侧扫声纳系统、海底照相系统、海底摄像系统等拖体系统，水下机器人，海底箱式取样器、多管取样器、电视抓斗、潜钻、热液保真采样器，及海底土工原位测试仪等等。

测定水下探测系统相对水面母船的位置，结合水面船只的全球定位数据，就可将水下探测系统的准确位置归算到大地坐标系上。

水下定位系统主要有超短基线定位系统、短基线定位系统、长基线定位系统，及超短基线定位系统与长基线定位系统组合系统，短基线定位系统目前已很少使用。

船载系泊状态下基于原子重力仪的绝对重力测量*程冰 周寅 陈佩军 张凯军 朱栋 王凯楠 翁堪兴王河林 彭树萍 王肖隆 吴彬† 林强‡(浙江工业大学理学院，浙江省量子精密测量重点实验室，杭州　310023)(2020 年9 月13日收到; 2020 年10 月23日收到修改稿)重力场是反映地球质量分布及变化的重要参数, 动态重力测量在地质调查、地球物理、资源勘探等领域有着重要应用. 目前动态重力测量均基于相对测量原理, 动态相对重力仪存在零点漂移问题, 影响其测量性能. 动态绝对重力仪可以为相对重力仪提供同步同址校准, 解决其长漂问题, 因此备受关注. 本文基于原子重力仪和惯性稳定平台, 搭建了一套船载绝对重力动态测量系统, 并在船载系泊状态下开展了绝对重力动态测量实验. 经评估, 船载系泊环境下的重力测量灵敏度为16.6 mGal/Hz–1/2, 1000 s积分时间内重力测量的分辨率可达0.7 mGal. 通过两周的绝对重力测量, 评估了系统的稳定性. 为了评估绝对重力的动态测量精度, 将船上测量点与码头高精度绝对重力基准点的绝对重力值进行了比较, 两点之间的绝对重力值差及其不确定度评估结果为(–0.072 ± 0.134) mGal. 本文结果为海洋相对重力仪的同时同船校准提供了一种新方案.关键词：冷原子, 原子干涉仪, 原子重力仪, 绝对重力测量PACS：03.75.Dg, 67.85.–d, 37.25.+k, 91.10.–v　DOI: 10.7498/aps.70.202015221 引　言重力场的精密测量对基础地质勘察、矿产资源勘探、地球物理研究、地震火山监测、大地水准面绘制、惯性匹配导航等具有重要的意义. 静态重力测量虽然精度很高(微伽(10–8 m/s2)量级), 但不适合在野外进行大面积测量. 动态重力测量是在移动载体(轮船、飞机等)上开展重力测量, 可适用于野外复杂地形情况下的重力场测量, 效率较高、测量速度较快, 精度一般在毫伽(10–5 m/s2)量级, 譬如海洋及航空重力测量是区域重力场调查的常见方式. 然而, 动态重力测量目前均为相对重力测量,测量的是运动载体相对固定绝对重力基准点的重力值变化. 相对重力测量过程中的仪器零点漂移问题影响最终的测量性能, 将绝对重力仪应用于移动载体进行动态测量, 可以为动态相对重力仪提供同址校准, 为解决仪器长期漂移问题提供了一种新思路.目前高精度绝对重力测量主要有两种方式: 激光干涉和原子干涉. 激光干涉式绝对重力仪一般适用于定点静态测量. 虽然研究人员曾采用改进方案进行了初步的动态测量可行性验证试验[1], 但因自由下落载体(角锥反射镜)受到动态环境干扰影响较大, 最终的测量结果不太理想, 后续也鲜有文章报道. 原子干涉式绝对重力仪[2](原子重力仪)是近三十年来快速发展起来的一种新型重力测量设备,它利用激光冷却后的冷原子团作为落体, 并基于物质波干涉测量重力加速度. 早期, 原子重力仪由于体积大、质量重、功耗高、可搬运性差等因素, 只能* 国家重点研发计划(批准号: 2017YFC0601602, 2016YFF0200206)、国家自然科学基金(批准号: 51905482, 61727821, 61875175, 11704334)、 中国自然资源航空物探遥感中心项目(批准号: DD20189831)资助的课题.† 通信作者. E-mail: wubin@‡ 通信作者. E-mail: qlin@© 2021 中国物理学会 Chinese Physical Society 在实验室静态环境下工作[3]. 近年来, 随着技术的快速发展, 原子重力仪的小型化进展较快[4−10], 其技术成熟度得到大幅提高; 原子重力仪逐渐参与到国际顶尖的绝对重力比对活动中来[11−14], 其静态测量性能可与现有最好的光学干涉式绝对重力仪相媲美[11,14,15], 且相关的野外静态测量实验正在逐渐被报道[16−20]. 在动态实验方面, 研究人员在慢速卡车[21]、移动电梯[22]、0-g 飞机[23,24]、超音速火箭[25]以及空间站[26]上基于原子干涉装置进行了初步的实验, 然而这些实验数据相对比较粗糙, 并未获得精确的重力场数据. 近两年, 基于同一套原子重力仪,法国的Bidel 研究小组[16,17]在海洋船载及航空机载环境下分别开展了绝对重力测量实验研究; 最终评估的测量精度分别约为1.0 mGal [16]和1.7 mGal [17].该精度与现有海洋及航空相对重力仪的测量精度相当, 这些实验结果为开展动态高精度绝对重力测量提供了新思路和新方案.本文首先介绍了基于原子重力仪开展动态绝对重力测量的基本原理. 在此基础上, 报道了本研究小组新搭建的一套船载绝对重力测量系统, 并对其主要系统组成进行了阐述. 进一步对野外船载的测量条件、测试环境等进行了介绍, 并在野外船载系泊状态下开展了绝对重力动态测量实验, 分析了动态绝对重力的测量结果. 经评估, 重力测量的灵敏度可达16.6 mGal/Hz –1/2; 通过与码头高精度绝对重力基准点进行比较, 得到的最终测量结果为(–0.072 ± 0.134) mGal. 本文结果为开展船载动态绝对重力测量及同船重力校准提供了一种新的方案.2 动态绝对重力测量系统原理如图1所示, 动态绝对重力测量系统主要由原子重力仪、惯性稳定平台和集装箱组成. 其中, 原子重力仪刚性固定在惯性稳定平台上部, 惯性稳定平台放置于集装箱内部. 原子重力仪是整个测量系统的核心, 主要用于测量垂向的重力加速度; 惯性稳定平台用于实现原子重力仪的姿态控制, 使其在船载系泊动态环境下仍处于垂线方向; 集装箱主要用于温湿度控制, 为整个外场实验提供一个良好的测量环境.动态绝对重力测量的原理是利用原子重力仪测量垂向的总加速度, 并基于高精度加速度计实时测量载体的干扰加速度, 组合成一套混合加速度测量系统. 动态环境下, 基于高精度加速度计的信号和原子干涉仪的权重函数分离振动对原子重力仪的影响, 最终实现干扰加速度的分离和重力加速度信息的获取.原子重力仪的测量原理很多文章中都有阐述[3,27], 下面结合本文实验进行简要描述. 原子重力仪的基本原理是利用激光冷却技术制备一团冷原子, 把它作为落体, 利用原子物质波干涉的方法精密测量落体的垂向加速度. 如图1所示, 首先基于二维磁光阱(2D-MOT)制备一团扁平的冷原子,通过水平的推送光将其快速输送至三维磁光阱(3D-MOT). 随后, 关断光场和磁场, 让原子在重力场中自由下落, 并利用微波和拉曼选态脉冲实现量子态的制备. 进一步, 通过作用三束多普勒敏感的①原子重力仪②惯性稳定平台拉曼光反射镜重力值输出加速度计荧光信号真空腔探测光2D -MOT3D -MOTp /2p /2vibvibp ③集装箱图 1 船载系泊状态下的绝对重力测量系统原理图Fig. 1. The schematic diagram of absolute gravity measurement system under mooring state of a ship.π/2−π−π/2P 拉曼激光脉冲( ), 实现原子物质波的分束、偏转以及合束, 形成一个物质波干涉仪. 最后, 基于时间飞行法(TOF)探测原子的荧光信号,实现归一化探测, 在原子干涉仪的输出端, 原子的布居数 可以表示为P 0A ϕφ=(k eff ·g −α)T 2+φVib k eff 4π/λλg αT ϕVib 其中 , , 分别是原子干涉条纹的直流量、对比度和相位. 原子干涉条纹的相位 , 其中 是拉曼光束的有效波矢, 其大小约为 , 是激光波长(约为780 nm); 是重力加速度; 是用于补偿重力诱导的多普勒频移的拉曼光扫频啁啾率, 是两束拉曼脉冲之间的时间间隔;是拉曼反射镜振动引起的干涉条纹相移, 可写为H (t )a Vib (t )其中 为原子干涉仪的灵敏度函数, 为拉曼反射镜的实时振动加速度.αa Vib (t )ϕVib 实验中, 通过扫描 得到原子布居数信号; 通过高精度加速计采集拉曼反射镜的振动加速度, 通过(2)式得到 , 最终还原原子干涉条纹; 通过拟合得到原子干涉条纹相位, 从而精确提取重力加速度信息.3 实验系统及实验过程实验系统的示意图如图2所示. 整个测量系统主要包括三个部分: 原子重力仪、惯性稳定平台、辅助单元, 系统整体集成在一个20英尺的集装箱内(外部尺寸为5.89 m × 2.35 m × 2.39 m). 下面分别对系统的各个部分进行简要介绍.配电箱惯性稳定平台真空单元电控单元光学单元电脑空调UPSGPS1GPS2图 2 实验系统的示意图Fig. 2. The schematic diagram of the experimental system.原子重力仪是测量的核心, 本文采用课题组较为成熟的小型化原子重力仪, 先前文章已有详细介绍[10,19,28], 在此只对原子重力仪的改进部分做简要介绍. 为了适应野外码头的恶劣温度环境, 改进了原子重力仪的光学单位, 激光器和小型化光路都增加了温控, 使其处于恒温状态. 为了进行动态测量,将拉曼光反射镜固定在高精度加速度计上部, 并将整个装配体固定于惯性稳定平台内框架的底部, 真空单元固定在内框架的上部. 动态测量环境下, 惯性稳定平台可以维持真空腔和拉曼反射镜处于垂线方向. 为了减小干扰力矩, 实现了电控单元与惯性稳定平台两部分的总线整合.惯性稳定平台主要用于隔离外界的角运动干扰, 实现地理坐标系的跟踪与定位, 保持原子重力仪的真空单元处于垂线方向. 辅助单元主要用于集装箱内部的温湿度控制、船体姿态参数的测量、整个系统的供电. 为了适应码头的恶劣环境, 基于空调控制集装箱内部的温度和湿度, 在外场测试的两周内, 集装箱内的温度一般维持在25 ℃以下(外界温度变化范围约30 ℃—45 ℃), 湿度控制在70%以内(外界湿度变化范围约85%—90%). 此外, 在集装箱的顶部集成了一套差分GPS(测高的精度在厘米级), 用于测量船体的高度信息. 最后, 基于不间断电源(UPS)为空调、原子重力仪、惯性稳定平台等设备提供供电, 以维持整个测量系统正常运行.船载系泊状态下的实验过程如下: 首先启动惯性稳定平台, 20 min 预热后进入工作状态, 原子重力仪的真空单元此时处于垂线状态. 其次, 调试原子重力仪使其处于工作模式, 通过测量不同T 下的原子干涉条纹, 粗略得到绝对重力值. 通过长扫实验可以精确评估绝对重力值, 基于差分GPS 和气压计实时记录船体的高度以及外界的气压数据,以便于后期进行系统效应修正.4 船载系泊状态下的绝对重力测量结果及分析4.1 测试环境本次实验在浙江省舟山市某码头进行, 测试船停靠码头, 处于系泊状态. 图3红色虚线框内为测试用集装箱, 集装箱内为船载冷原子绝对重力测量系统. 测试码头现有一个绝对重力基准点, 离船上测试位置约50 m, 可用于验证测量到的绝对重力值. 因实验时间正值夏季, 码头测量环境较为恶劣,集装箱表面温度长期在45 ℃以上, 测量期间常有7—8级大风, 时常有强降雨, 码头其他货物装卸活动也会对高精度重力测量产生影响.由于船体始终处于运动状态, 船体高度变化曲线如图4(a)所示. 实验期间船体高度日均变化约为2.5 m. 置于拉曼反射镜下的高精度加速度计测量了船体的加速度噪声功率谱, 如图4(b)所示, 低频0.2 Hz 有一个峰, 幅度超过10–2 m/s 2 (1 Gal).4.2 船载系泊状态下的绝对重力测量结果在原子重力仪调试完成后, 开展绝对重力测量实验. 首先, 运行原子重力仪采集原子布居数信号(T = 10 ms); 同时, 基于拉曼反射镜下的高精度加速度计记录干扰加速度信号, 并同步传给数据采集卡; 结合原子干涉仪的权重函数, 通过(2)式积分得到干扰加速度对原子干涉条纹的相位贡献. 利用该相位可以还原出原子干涉条纹, 如图5所示,蓝色空心四边形是实测的原始原子布居数信号, 黑色空心三角形是振动补偿修正后的数据, 红线是相应的拟合曲线, 通过拟合干涉条纹的相位最终提取重力加速度的信息.P o p u l a t i o n /a r b . u n i t sChirp rate/(MHz S s -1)图 5 原子干涉条纹信号(T = 10 ms). 蓝色空心四边形:原始原子布居数信号; 黑色空心三角形: 振动修正后信号;红线: 拟合曲线Fig. 5. The signals of atomic interference fringes (T =10 ms). Blue dots: The original signals of atomic popula-tion; Black dots: The signals after vibration correction; Red line: the fitted curve.在恢复原子干涉条纹后, 进一步开展系泊状态下的短期连续重力测量实验. 图6所示为连续5个多小时的测量数据, 灰点为实测原始数据, 红线为8 min 移动平均后的数据, 测量数据已经修正潮汐和船体高度变化引起的时变重力值. 由实验数据可知, 重力值变化的峰峰值约为80 mGal, 测量值无明显漂移. 计算这些数据点的艾伦偏差(如图7所示),可评估重力测量的灵敏度, 约为16.6 mGal/Hz –1/2,1000 s 积分时间内重力测量的分辨率可达0.7 mGal.在重力测量的灵敏度性能评估之后, 开展了绝对重力测量实验, 并对系统的测量不确定度进行了分析和评估. 与先前文章类似[28], 首先通过倾斜调制实验找到垂线方向, 再通过扫描不同T 下的原子干涉条纹提取暗条纹位置, 最终获得绝对重力数据. 经过近两周的测量, 数据如图8所示, 绝对重图 3 实验测试现场图Fig. 3. The photo of the experimental test.65A l t i t u d e /m4348Time/hThe data of GPS(a)12162-20P S D s i g n a l s /[d B (m S s -2)2S H z -1]Frequency/Hz(b)1010.1-100-80-60-40Measurement of the acceleration signals图 4 船载测量环境　(a)船体高度变化; (b)船体加速度噪声功率谱Fig. 4. The measuremental environment of the ship: (a) The variation of the altitude of the ship; (b) the noise power spectrum density of the acceleration of the ship.∆A 力值变化的峰峰值约为0.5 mGal, 所有数据统计的标准偏差约为0.130 mGal (A 类不确定度 ).B 类不确定度主要包括原子重力仪系统修正的不确定度和外界环境参数修正的不确定度. 原子重力仪系统修正主要包括双光子光移、科里奥利力、拉曼光波前等, 本文中使用的原子重力仪, 其系统效应修正的不确定度为0.010 mGal, 详细的评估参见课题组先前已发表文章[13,19,20]; 外界环境参数修∆B ∆ship =√∆2A +∆2B 正包括固体潮、极地运动、气压等, 固体潮采用理论模型进行修正, 不确定度一般小于0.005 mGal.极地运动利用极地参数进行计算, 不确定度小于0.002 mGal. 气压是根据实时的实测数据进行修正, 不确定度小于0.002 mGal. 为了与码头绝对重力基准点进行比较, 还需将船上测量点的绝对重力值归算到同一测量高度, 鉴于差分GPS 的高度测量分辨率约为5 cm, 基于自由空间垂向重力场梯度的理论值0.3086 mGal/m, 评估的高度修正的不确定度为0.015 mGal. 最终合成的B 类不确定度 约为0.019 mGal. 因此, 船上测量点动态重力测量的合成不确定度 , 约为0.131 mGal.∆ref 码头绝对重力基准点的测量不确定度 为0.030 mGal, 将船上测量点的绝对重力值归算到码头绝对重力基准点的高度, 可以进行粗略的比较.考虑到码头绝对重力基准点与船上测量点水平相距50 m 左右, 整个码头离岸边约150 m, 周围较为空旷, 因此两点的垂向重力场梯度值变化不大,因此本文忽略由垂向重力场梯度异常引入的不确定度修正.∆=√∆2ship +∆2ref 综合以上分析, 两个测点的最终合成不确定度, 约为0.134 mGal. 鉴于船上测量点归算的绝对重力值比码头绝对重力基准点的值小0.072 mGal, 最终的比对测量结果可以写为(–0.072 ± 0.134) mGal.本文实验初步验证了船载系泊状态下, 基于原子干涉技术开展动态绝对重力测量的方案具有可行性. 该实验系统未来有望为海洋相对重力仪提供一种新的校准方法, 在码头或者停船状态实现同时同船高精度校准, 为抑制相对重力仪的零点漂移、开展远洋长航时重力场测绘提供了一种校准方案.5 结　语本文搭建了一套船载绝对重力测量系统, 由原子重力仪、惯性稳定平台、差分GPS 测高仪、不间断电源供电系统及温控单元等组成. 在野外船载系泊状态下, 开展了绝对重力动态测量实验研究. 评估了测量船的振动噪声水平, 发现振动噪声主要集中在低频0.2 Hz 附近, 幅度超过1 Gal. 在码头恶劣环境下, 评估了集装箱内的温湿度控制性能, 温度和湿度通常可控制在25 ℃和70%. 随后, 开展-80-400G r a v i t y /m G a l40801.02.03.0Time/h4.05.0图 6 系泊状态下的连续重力变化数据. 灰点: 原始重力数据; 红线: 移动平均后的数据Fig. 6. The continuous changes of gravity under mooring state of a ship. Grey dots: The original data of measured gravity; Red line: The data after the dealing of moving av-erage.G r a v i t y /m G a lTime/s图 7 船载系泊状态下的重力测量灵敏度评估Fig. 7. The sensitivity evaluation of measured gravity data when the ship is moored.0.60.40.20-0.2 - 0/m G a l-0.4123456789(-0.072+0.13) mGal 101112131415Time/dMeasurement ofthe absolute gravity图 8 绝对重力测量值的长期稳定性评估Fig. 8. The estimation of long-term stability for the meas-ured absolute gravity values.了船载系泊状态下的短期重力连续测量, 5个多小时测量时间内, 重力测量峰峰值变化为80 mGal,得到的重力值数据并无明显漂移. 经计算, 重力测量的灵敏度为16.6 mGal/Hz–1/2, 1000 s积分内重力测量的分辨率可达0.7 mGal. 最后, 通过与码头已知的高精度绝对重力基准点进行比较, 发现两者的绝对重力值相符合, 约为(–0.072 ± 0.134) mGal.通过两周的绝对重力测量实验, 评估了仪器的绝对重力测量性能及其稳定性, 绝对重力值的峰峰值变化约为0.5 mGal, 测量不确定度为0.131 mGal.本文研究结果为海洋相对重力仪同船同址校准提供了一种新方案.本项研究得到了中国自然资源航空物探遥感中心、自然资源部第二海洋研究所和杭州微伽科技有限公司的大力支持, 在此一并致谢！参考文献B aumann H, Klingele E E, Marson I 2012 Geophys. Prospect.60 361[1]K asevich M, Chu S 1992 Appl. Phys. B 54 321[2]P eters A, Chung K Y, Chu S 2001 Metrologia 38 25[3]F reier C, Hauth M, Schkolnik V, Leykauf B, Schilling M,Wziontek H, Scherneck H G, Muller J, Peters A 2016 J.Phys. Conf. Ser. 723 012050[4]W u X J, Zi F, Dudley J, Bilotta R J, Canoza P, Muller H 2017 Optica 4 1545[5]W u B, Wang Z Y, Cheng B, Wang Q Y, Xu A P, Lin Q 2014 Metrologia 51 452[6]Z hang X W, Zhong J Q, Tang B, Chen X, Zhu L, Huang P W, Wang J, Zhan M S 2018 Appl. Opt. 57 6545[7]L uo Q, Zhang H, Zhang K, Duan X C, Hu Z K, Chen L L, Zhou M K 2019 Rev. Sci. Instrum. 90 043104[8]M enoret V, Vermeulen P, Le Moigne N, Bonvalot S, Bouyer P, Landragin A, Desruelle B 2018 Sci. Rep. 8 12300[9]W u B, Zhu D, Cheng B, Wu L M, Wang K N, Wang Z Y, Shu Q, Li R, Wang H L, Wang X L, Lin Q 2019 Opt. Express27 11252[10]G illot P, Francis O, Landragin A, Dos Santos F P, Merlet S[11]2014 Metrologia 51 L15H uang P W, Tang B, Chen X, Zhong J Q, Xiong Z Y, ZhouL, Wang J, Zhan M S 2019 Metrologia 56 045012[12]F u Z J, Wang Q Y, Wang Z Y, Wu B, Cheng B, Lin Q 2019Chin. Opt. Lett. 17 011204[13]W ang S K, Zhao Y, Zhuang W, Li T C, Wu S Q, Feng J Y, Li C J 2018 Metrologia 55 360[14]H u Z K, Sun B L, Duan X C, Zhou M K, Chen L L, Zhan S,Zhang Q Z, Luo J 2013 Phys. Rev. A 88 043610[15]B idel Y, Zahzam N, Blanchard C, Bonnin A, Cadoret M,Bresson A, Rouxel D, Lequentrec-Lalancette M F 2018 Nat.Commun. 9 9[16]B idel Y, Zahzam N, Bresson A, Blanchard C, Cadoret M,Olesen A V, Forsberg R 2020 J. Geodesy 94 2[17]W u X J, Pagel Z, Malek B S, Nguyen T H, Zi F, Scheirer D S, Muller H 2019 Sci. Adv. 5 eaax0800[18]W u B, Zhou Y, Cheng B, Zhu D, Wang K N, Zhu X X, Chen P J, Weng K X, Yang Q H, Lin J H, Zhang K J, Wang H L, Lin Q 2020 Acta Phys. Sin. 69 060302 (in Chinese) [吴彬, 周寅, 程冰, 朱栋, 王凯楠, 朱欣欣, 陈佩军, 翁堪兴, 杨秋海, 林佳宏, 张凯军, 王河林, 林强 2020 物理学报 69 060302][19]F u Z J, Wu B, Cheng B, Zhou Y, Weng K X, Zhu D, WangZ Y, Lin Q 2019 Metrologia 56 025001[20]M ahadeswaraswamy C 2009 Ph. D. Dissertation (California: Stanford University)[21]B idel Y, Carraz O, Charriere R, Cadoret M, Zahzam N,Bresson A 2013 Appl. Phys. Lett. 102 144107[22]G eiger R, Ménoret V, Stern G, Zahzam N, Cheinet P,Battelier B, Villing A, Moron F, Lours M, Bidel Y, Bresson A, Landragin A, Bouyer P 2011 Nat. Commun. 2 474[23]B arrett B, Antoni-Micollier L, Chichet L, Battelier B,Lévèque T, Landragin A, Bouyer P 2016 Nat. Commun. 7 1[24]B ecker D, Lachmann M D, Seidel S T, Ahlers H, DinkelakerA N, Grosse J, Hellmig O, Muentinga H, Schkolnik V,Wendrich T, Wenzlawski A, Weps B, Corgier R, Franz T, Gaaloul N, Herr W, Luedtke D, Popp M, Amri S, Duncker H, Erbe M, Kohfeldt A, Kubelka-Lange A, Braxmaier C, Charron E, Ertmer W, Krutzik M, Laemmerzahl C, Peters A, Schleich W P, Sengstock K, Walser R, Wicht A, Windpassinger P, Rasel E M 2018 Nature 562 391[25]E lliott E R, Krutzik M C, Williams J R, Thompson R J,Aveline D C 2018 NPJ Microgravity 4 1[26]L e Gouet J, Mehlstaubler T E, Kim J, Merlet S, Clairon A, Landragin A, Dos Santos F P 2008 Appl. Phys. B 92 133 [27]W u B, Cheng B, Fu Z J, Zhu D, Zhou Y, Weng K X, Wang X L, Lin Q 2018 Acta Phys. Sin. 67 190302 (in Chinese) [吴彬, 程冰, 付志杰, 朱栋, 周寅, 翁堪兴, 王肖隆, 林强 2018 物理学报 67 190302][28]Absolute gravity measurement based on atomic gravimeterunder mooring state of a ship*Cheng Bing Zhou Yin Chen Pei -Jun Zhang Kai -Jun Zhu DongWang Kai -Nan Weng Kan -Xing Wang He -Lin Peng Shu -PingWang Xiao -Long Wu Bin † Lin Qiang ‡(Zhejiang Provincial Key Laboratory of Quantum Precision Measurement, College ofScience, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310023, China)( Received 13 September 2020; revised manuscript received 23 October 2020 )AbstractThe gravity field is one of the basic physical fields of the Earth. Dynamic measurements could improve the efficiency of gravity surveying and mapping, and have very important applications in the fields of geological survey, geophysics, resource exploration, inertial navigation and so on. Currently, dynamic gravity measurements are mostly based on relative measurements. The dynamic relative gravimeters have the problem of zero drift, which affects the measurement performance. Dynamic absolute gravimeters can provide synchronous and co-site calibration for relative gravimeters and solve the problem of long drift. Therefore dynamic absolute gravimeters have attracted much attention. Based on a homemade atomic gravimeter and an inertial stable platform, a system of absolute gravity dynamic measurement has been built on a ship. The dynamic measurement experiments of absolute gravity under the state of ship-borne mooring have been carried out. It is found that the frequency of vibration noises of this ship is around 0.2 Hz, and the amplitude is about 1 Gal. In the case of harsh environment, the temperature and humidity of the used container have been controlled to be 25 ℃ and 70% via the air conditioning. Then, a continuous gravity measurement of 5 hour has been taken, and the peak to peak value of 80 mGal has been achieved. The values of gravity have no drifts at all during the measurements. Besides, the sensitivity of gravity measurement has been evaluated to be 16.6 mGal/Hz–1/2 under the environment of ship-borne mooring. A resolution of 0.7 mGal could be reached with an integration time of 1000 s. The stability of this system has been estimated after the measurement of absolute gravity for two weeks, and the change of absolute gravity values is about 0.5 mGal. Finally, in order to evaluate the accuracy of the dynamic measurement of absolute gravity, the measured average value of absolute gravity at ship-borne has been compared with the value of the high-precision absolute gravity reference point of the pier, and the results are estimated to be (–0.072 ± 0.134) mGal. The results of this paper could provide a new solution for the simultaneous and co-site calibration of the ocean relative gravimeter on the same ship.Keywords: cold atom, atom interferometer, atomic gravimeter, absolute gravity measurementPACS: 03.75.Dg, 67.85.–d, 37.25.+k, 91.10.–v DOI: 10.7498/aps.70.20201522* Project supported by the National Key R&D Program of China (Grant Nos. 2017YFC0601602, 2016YFF0200206), the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 51905482, 61727821, 61875175, 11704334), and the China Aero Geophysical Survey and Remote Sensing Center for Natural Resources Program (Grant No. DD20189831).† Corresponding author. E-mail: wubin@‡ Corresponding author. E-mail: qlin@。

惯性导航系统的发展及应用绪论惯性导航是一门重要的学科技术，它是飞机、船舶、火箭等载体能顺利完成导航和控制任务的关键性技术之一。

1942年德国在V-2火箭上首次应用了惯性导航原理；1954年纯惯性导航系统在飞机上试飞成功。

30余年来，惯性导航技术获得迅速发展。

在我国惯性导航技术已在航空、航天、航海和陆地车辆的导航和定位中得到应用。

1970年以来，我过多次发射的人造地球卫星和火箭都采用了本国研制的惯性导航系统。

不仅如此，70多年以来，这门科学技术还在大地测量、海洋勘测、石油钻井、航空测量和摄影等国民经济领域里获得成功应用。

惯性导航简介惯性导航（Inertial Navigation）是20 世纪中期发展起来的完自主式的导航技术。

通过惯性测量组件（IMU）测量载体相对惯性空间的角速率和加速度信息，利用牛顿运动定律自动推算载体的瞬时速度和位置信息，具有不依赖外界信息、不向外界辐射能量、不受干扰、隐蔽性好的特点，且惯导系统能连续地提供载体的全部导航、制导参数（位置、线速度、角速度、姿态角）。

惯性导航技术，包括平台式惯导系统和捷联惯导系统。

平台式惯性导航系统将陀螺通过平台稳定回路控制平台跟踪导航坐标系在惯性空间的角速度。

捷联惯性导航系统利用相对导航坐标系角速度计算姿态矩阵，把雷体坐标系轴向加速度信息转换到导航坐标系轴向并进行导航计算。

惯性导航系统通常由惯性测量装置、计算机、控制显示器等组成。

惯性测量装置包括加速度计和陀螺仪,又称惯性导航组合。

3个自由度陀螺仪用来测量飞行器的三个转动运动；3个加速度计用来测量飞行器的3个平移运动的加速度。

计算机根据测得的加速度信号计算出飞行器的速度和位置数据。

控制显示器显示各种导航参数。

陀螺仪陀螺仪是惯性系统的主要元件。

陀螺仪通常是指安装在万向支架中高速旋转的转子，转子同时可绕垂直于自转轴的一根轴或两根轴进动，前者称单自由度陀螺仪，后者称二自由度陀螺仪。

陀螺仪具有定轴性和进动性，利用这些特性制成了敏感角速度的速率陀螺和敏感角偏差的位置陀螺。