不同指向模式下星载冷原子梯度仪对重力场解算精度的影响

冷原子干涉测量技术(CAI, Cold-Atom Interferometry)的发展为未来卫星重力梯度测量任务提供了新的测量思路.目前基于该任务概念的模拟研究均基于单一的观测指向模式对CAI梯度仪的对地观测能力进行论证.本文在GOCE卫星任务背景下,通过数值闭环模拟评估了CAI梯度仪在近地指向和惯性指向模式下对重力场观测影响.实验结果表明:在近地指向观测模式下,CAI梯度仪受卫星旋转角速度的影响,重力场解算的精度仅在50阶以内优于GOCE卫星的模拟结果.若当卫星搭载轨道旋转补偿系统时可以有效地减弱卫星旋转对CAI梯度仪的影响,进而提高重力场模型的解算精度.梯度张量主对角线三分量的联合解算精度在全频段内都要优于GOCE卫星相应分量的结果,精度可提高1.5~6倍.在惯性指向观测模式下且仅考虑卫星残余角速度的影响时,CAI梯度仪的解算结果在30阶以后比GOCE卫星所搭载的GRADIO梯度仪的精度低.而在综合考虑卫星残余角速度和卫星轨道面旋转后,解算得到的重力场在100阶以内优于GOCE卫星解算精度.进一步比较两种指向模式下分别基于单轴、双轴和三轴观测的结果可以发现,三轴观测时两种指向模式的解算精度相当,在所有阶次上都要优于GRADIO梯度仪的结果.但基于单轴进行观测时,近地指向模式下V_(zz)分量的精度更高,而对于双轴观测的情况,惯性指向下的组合(V_(xx)+V_(zz)和V_(yy)+V_(zz))解算精度更高.本研究通过对不同指向模式下CAI梯度仪对地观测影响的分析,可为基于CAI梯度仪的新型空间量子-地球重力场测量任务提供相应的参考.

新一代冷原子卫星重力计划的仿真研究

新一代冷原子卫星重力计划的仿真验证研究是对计划实施的重要保障,然而目前流行的基于实测轨道或者简约动力学轨道的卫星重力计划仿真方法,使用实测轨道无法实现多样化轨道方案仿真,而使用简约动力学轨道则存在仿真不充分的问题。本文提出了一种基于轨道摄动模型的卫星重力计划全尺度仿真方法并进行了实验。仿真结果表明:在最低点指向模式下使用竖向单臂冷原子梯度仪解算的重力场模型的精度仅在120阶内优于静电梯度仪方案;将其灵敏度提升至更高的理想值后,其解算模型的精度在全阶次超越静电梯度仪;最后,本文认为尽管存在观测频率不足的问题,冷原子卫星重力计划相比静电重力计划依然有更优秀的重力场信号探测精度。

冷原子重力梯度仪发展现状及趋势

冷原子重力梯度仪利用原子的量子态叠加特性和物质波干涉特性测量绝对重力梯度信息,具有高精度、低漂移、自校准等特性,在深地/深海资源开发、地质灾害预警预防、战场环境建设与作战保障、地球科学研究等领域均具有重大潜在应用价值。简要描述了冷原子重力梯度仪的工作原理及实现方案;综述了冷原子重力梯度仪的技术优势及国内外研究现状;分析了冷原子重力梯度仪当前面临的痛点、难点问题,并对部分问题提出了解决方案,总结了冷原子重力梯度仪的发展趋势。

冷原子重力仪及重力梯度仪中的姿态扰动研究

冷原子绝对重力仪和冷原子重力梯度仪在外界动平台上的精度相较实验室精度差距较大,其中最主要的振动噪声目前已经有较为成熟的方案进行抑制,而由于载体转动引起的姿态噪声目前尚未研究。从冷原子干涉仪的敏感机制入手,推导了在姿态扰动情况下冷原子绝对重力仪和重力梯度仪的相位改变,并利用双光子拉曼演化方程给出了相应的高阶灵敏度函数补偿方案,提升了冷原子绝对重力仪和重力梯度仪在复杂环境下的灵敏度和环境适应性。

冷原子物质波干涉仪的应用

原子干涉仪可以获得比传统光学干涉仪更复杂的干涉信息,冷原子具有很小的速度及速度分布,拥有足够长的相干时间,使得基于冷原子干涉仪的测量仪器具有很高的灵敏度,被广泛应用于精密测量领域。自利用脉冲激光的拉曼干涉仪搭建成功后,随着冷原子相关操控技术的发展成熟,基于冷原子干涉仪的重力仪、重力梯度仪都取得了一定的进展,本文综合了近年来国内外相关文献成果并给出了总结与思考。