Повышение точности инерциальной навигации с использованием интерферометров на холодных атомах
https://doi.org/10.17285/0869-7035.0078
Аннотация
В статье обсуждается возможность применения в инерциальной навигации интерферометров на холодных атомах. Представлены погрешности этого нового типа датчиков, а также один из методов оперативного оценивания различных погрешностей формирования его выходного сигнала. Выводится и анализируется структура обобщенного фильтра Калмана, в котором данные атомного интерферометра используются в качестве измерениядля коррекции систематических погрешностей традиционного инерциального измерительного модуля, что повышает точность работы бесплатформенной системы любого подвижного объекта. Повышение точности исследуется аналитически на основе установившихся дисперсий фильтра, а также посредством моделирования для околоземных спутников. Продемонстрирована коррекция погрешностей грубого инерциального измерительного модуля в процессе лабораторного эксперимента при имитации атомного интерферометра датчиком более высокой точности. Поскольку применение обсуждаемого прибора в качестве гироскопа, как ниже отмечается в статье, ограничено, предложенная схема обеспечивает возможность работы атомного интерферометра в качестве датчика с шестью степенями свободы – как трехосного акселерометра и трехосного датчика угловой скорости.
Об авторах
Б. Теннштедт
Институт геодезии, Университет им. Лейбница (Ганновер, Германия).
Россия
Россия
Теннштедт Беньямин. Магистр, научный сотрудник
Н. Веддиг
Институт геодезии, Институт спутниковой геодезии и инерциальных измерений Немецкого аэрокосмического центра, Университет им. Лейбница (Ганновер, Германия)
Россия
Россия
Веддиг Николай. Магистр
Ш. Шён
Институт геодезии, Университет им. Лейбница (Ганновер, Германия)
Россия
Россия
Шён Штеффен. Доктор технических наук, профессор.
Список литературы
1. Titterton, D. and Weston, J., Strapdown Inertial Navigation Technology, Institution of Engineering and Technology, 2004.
2. Noureldin, A., Karamat, T.B., and Georgy, J., Fundamentals of Inertial Navigation, Satellite-Based Positioning and Their Integration, Springer Berlin Heidelberg, 2013.
3. Bidel, Y., Zahzam, N., Blanchard, C., Bonnin, A., Cadoret, M., Bresson, A., Rouxel, D., and Lequentrec- Lalancette, M.F., Absolute marine gravimetry with matter-wave interferometry, Nature Communications, Feb 2018, vol. 9, no. 1.
4. Bidel, Y., Zahzam, N., Bresson, A., Blanchard, C., Cadoret, M., Olesen, A.V., and Forsberg, R., Absolute airborne gravimetry with a cold atom sensor, Jan 2020, Journal of Geodesy, vol. 94, no. 2.
5. Geiger, R.., Ménoret, V., Stern, G., Zahzam, N., Cheinet, P., Battelier, B., Villing, A., Moron, F., Lours, M., Bidel, Y., Bresson, A., Landragin, A., and Bouyer, P., Detecting inertial effects with airborne matter-wave interferometry, Nature Communications, Sep 2011, vol. 2, no. 1.
6. Hu, Z.-K., Sun, B.-L., Duan, X.-C., Zhou, M.-K., Chen, L.-L., Zhan, S., Zhang, Q.-Z., and Luo, J., Demonstration of an ultrahigh-sensitivity atom-interferometry absolute gravimeter, Physical Review A, Oct 2013, vol. 88, no. 4, p. 043610.
7. Savoie, D., Altorio, M., Fang, B., Sidorenkov, L.A., Geiger, R., and Landragin, A., Interleaved atom interferometry for high-sensitivity inertial measurements, Science Advances, Dec 2018, vol. 4, no. 12.
8. Freier, C., Hauth, M., Schkolnik, V., Leykauf, B., Schilling, M., Wziontek, H., Scherneck, H.-G., Müller, J., and Peters, A., Mobile quantum gravity sensor with unprecedented stability, Journal of Physics: Conference Series, Jun 2016, vol. 723, p. 012050.
9. Rakholia, A.V., McGuinness, H.J., and Biedermann, G.W., Dual-axis high-data-rate atom interferometer via cold ensemble exchange, Physical Review Applied, Nov 2014, vol. 2, no. 5, p. 054012.
10. Richardson, L.L., Rajagopalan, A., Albers, H., Meiners, C., Nath, D., Schubert, C., Tell, D., Wodey, É, Abend, S., Gersemann, M., Ertmer, W., Rasel, E.M., Schlippert, D., Mehmet, M., Kumanchik, L., Colmenero, L., Spannagel, R., Braxmaier, C., and Guzmán, F., Optomechanical resonator-enhanced atom interferometry, Communications Physics, Nov 2020, vol. 3, no. 1.
11. Cheiney, P., Fouché, L., Templier, S., Napolitano, F., Battelier, B., Bouyer, P., and Barrett, B., Navigation- compatible hybrid quantum accelerometer using a Kalman filter, Physical Review Applied, Sep 2018, vol. 10, p. 034030, https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevApplied.10.034030.
12. Christophe, B., Boulanger, D., Foulon, B., Huynh, P.A., Lebat, V., Liorzou, F., and Perrot, E., A new generation of ultra-sensitive electrostatic accelerometers for GRACE Follow-on and towards the next generation gravity missions, Acta Astronautica, 2015, vol. 117, pp. 1–7, https://doi.org/10.1016/j.actaastro.2015.06.021.
13. Kasevich, M., Weiss, D.S., Riis, E., Moler, K., Kasapi, S., and Chu, S., Atomic velocity selection using stimulated Raman transitions, Physical Review Letters, May 1991, vol. 66, pp. 2297–2300, https:// link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.66.2297.
14. Voronov, A.S. and Rivkin, B.S., Gyroscope on de Broglie waves: Intricate things in simple words, Gyroscopy and Navigation, 2021, vol. 12, no. 3, pp. 195–203.
15. Storey, P. and Cohen-Tannoudji, C., The Feynman path integral approach to atomic interferometry: A tutorial, Journal De Physique II, 1994, vol. 4, pp. 1999–2027.
16. Antoine, C. and Borde, C.J., Quantum theory of atomic clocks and gravito-inertial sensors: An update, Journal of Optics B: Quantum and Semiclassical Optics, Apr 2003, vol. 5, no. 2, pp. S199–S207, https:// doi.org/10.1088/1464-4266/5/2/380.
17. Tennstedt, B. and Schön, S., Integration of atom interferometers and inertial measurement units to improve navigation performance, in 28th Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems (ICINS), 31.05.–02.06.2021, St. Petersburg, Russia, Piscataway, NJ: IEEE, 2021, https:// doi.org/10.23919/ICINS43216.2021.9470809.
18. Gauguet, A., Canuel, B., Lévèque, T., Chaibi, W., and Landragin, A., Characterization and limits of a cold-atom Sagnac interferometer, Physical Review A, Dec 2009, vol. 80, p. 063604, https://link.aps. org/doi/10.1103/PhysRevA.80.063604.
19. Gersemann, M., Gebbe, M., Abend, S., Schubert, C., and Rasel, E.M., Differential interferometry using a Bose-Einstein condensate, The European Physical Journal D, Oct 2020, vol. 74, no. 10.
20. Schweppe, F.C., Uncertain Dynamic Systems, Englewood Cliffs, New Jersey: Prentice-Hall, Inc., 1973.
21. Dasgupta, S., Brown, D.R., and Wang, R., Steady state Kalman filter behavior for unstabilizable systems, in 53rd IEEE Conference on Decision and Control, IEEE, Dec 2014.
22. Durfee, D.S., Shaham, Y.K., and Kasevich, M.A., Long-term stability of an area-reversible atom interferometer Sagnac gyroscope, October 2005, http://arxiv.org/abs/quant-ph/0510215v1.
23. Tackmann, G., Berg, P., Abend, S., Schubert, C., Ertmer, W., and Rasel, E.M., Large area Sagnac atom interferometer with robust phase read out, Comptes Rendus Physique, 2014, vol. 15, no. 10, pp. 884–897, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1631070514001388.
24. Dutta, I., Savoie, D., Fang, B., Venon, B., Alzar, C.G., Geiger, R., and Landragin, A., Continuous cold atom inertial sensor with 1 nrad/sec rotation stability, Physical Review Letters, May 2016, vol. 116, no. 18.
25. Weddig, N., Tennstedt, B., and Schön, S., Performance evaluation of a three-dimensional cold atom interferometer based inertial navigation system, in 2021 DGON Inertial Sensors and Systems (ISS), IEEE, 2021, accepted for publication.
Рецензия
Для цитирования:
Теннштедт Б., Веддиг Н., Шён Ш. Повышение точности инерциальной навигации с использованием интерферометров на холодных атомах. Гироскопия и навигация. 2021;29(4):22-45. https://doi.org/10.17285/0869-7035.0078
For citation:
Tennstedt В., Weddig N., Schoen S. Improved Inertial Navigation with Cold Atom Interferometry. Giroskopiya i Navigatsiya. 2021;29(4):22-45. (In Russ.) https://doi.org/10.17285/0869-7035.0078
Просмотров:
4
Послать статью по эл. почте 