基于SERF原子自旋惯性与磁场测量的水下导航方法研究

Due to the fact that atomic spin effect under the status of non-spin-exchange relaxation (SERF) can realize inertial and magnetic field measurements with ultra high precision at the same time, the SERF atomic inertial / geomagnetic integrated navigation becomes an effective way for underwater detectors to achieve long-time accurate autonomous navigation. SERF atomic spin effect is susceptible to internal atomic collisions and atomic bubble intramural as well as some external factors like optical, magnetic, thermal environment, and other multi-physics field, which will lead to serious SERF state de-coherence effects, thereby greatly reduce the inertial and magnetic field measurement accuracy; Moreover, the integrated navigation system is still vulnerable to inherent vibration of the carrier and external factors like magnetic field, currents, tides, and other underwater interference which will cause the nonlinearity of the system, the non-Gaussian noise and uncertainty of the model, resulting in low filtering accuracy and reliability. This project will focus on these problems and analyze SERF atomic inertia based on atomic spin effect and magnetic field measurement sensitivity, and research on SERF atomic spin inertia, the magnetic field integration measurement method. Meanwhile, the research on SERF atomic spin inertial / geomagnetic underwater intelligent interlaced fusion navigation method will be carried on analysing the characteristics of external interference, with the hybrid simulation experimental verification as final completion. This project will provide new ideas for long- time precision autonomous navigation of new generation underwater detectors, and provide technical basis for China's underwater INS / geomagnetic integrated navigation system.

由于在无自旋交换弛豫（SERF）状态下利用原子自旋效应可同时实现超高精度惯性与磁场测量，使得SERF原子惯性/地磁组合导航成为水下探测器实现长时间高精度自主导航的有效手段。但SERF原子自旋效应易受内部原子间和原子与泡壁间碰撞及外部光、磁、热等多物理场影响，导致SERF态退相干效应严重，进而大大降低惯性与磁场测量精度；另外组合系统易受载体固有振动及外界磁场、洋流、潮汐等水下干扰影响而引起系统非线性、噪声非高斯和模型不确定问题，从而导致滤波精度低和可靠性差。本项目针对上述问题，进行基于原子自旋效应的SERF原子惯性、磁场测量精度分析，研究SERF原子自旋惯性、磁场一体化测量方法，分析水下外界干扰特性，引入智能算法和分段融合思想，开展惯性/地磁水下智能分段融合导航方法研究，最终完成半物理实验验证，为新一代水下探测器长时间高精度自主导航提供新思路，为我国水下惯性/地磁组合导航系统研制提供基础。

惯性导航系统作为水下探测器的自主导航的核心部分，具有自主性强、短时精度高等优点，但导航误差会随时间积累，将惯性导航与地磁导航相组合，研究基于SERF原子自旋惯性/磁场的超高精度一体化测量将为新一代水下探测器提供新的研究思路和方案。本项目针对SERF原子自旋效应易受内部原子间和原子与泡壁间碰撞及外部光、磁、热等多物理场影响，导致SERF态退相干效应严重，进而大大降低惯性与磁场测量精度的问题，首先系统地分析了多物理场环境干扰因素下的原子自旋效应，建立了SERF原子自旋的理论测量模型，优化了影响惯性和磁场测量精度的原子密度、原子自旋交换的弛豫率以及激光抽运原子的抽运率三者之间的比例关系，揭示了三者与测量精度的映射关系；针对SERF原子自旋惯性/地磁组合导航的敏感核心——碱金属气室，研究了原子自旋交互碰撞弛豫和气室壁碰撞弛豫建模，进行了原子气压、温度、气室体积和原子配对等参数的综合参数优化，研究了高精度三维磁场补偿方法，实现了SERF原子自旋惯性、磁场的同时测量，研究了较强背景噪声下的原子自旋进动检测的误差传播机理与高精度检测及噪声抑制方法，最终为惯性/地磁组合导航提供了高质量的惯性和磁场测量信息；针对组合导航系统易受载体固有振动及外界磁场、洋流、潮汐等水下干扰影响而引起系统非线性、噪声非高斯和模型不确定问题，从而导致滤波精度低和可靠性差的问题，建立了高阶非线性组合导航模型，开展了基于智能算法的地磁匹配方法研究，提出了一种基于SERF原子自旋惯性/地磁的智能分段融合导航方法；为验证方案的有效性，开展了水下导航方法研究，并进行了两个层面的半物理仿真实验验证：验证了SERF原子自旋的理论测量模型、抗弛豫碱金属气室、高效三维磁补偿等方法的有效性；引入惯性加速度计，进行了基于惯性/地磁组合导航的半物理仿真实验，完成了SERF原子自旋惯性/地磁组合导航的综合性能验证，最终为高性能SERF原子自旋惯性/地磁组合导航样机研制提供了理论和实践基础。