[发明专利]星载冷原子囚禁式加速度测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及卫星重力场测量领域，具体地，涉及一种星载冷原子囚禁式加速度测量方法。 

背景技术

开展卫星重力场测量可直接获得空间250~500Km高度的地球重力加速度详细数据，其成果几乎可应用至所有地学领域。利用卫星重力测量精确测定中长波地球重力场对地学领域的科学研究和工程应用都将发挥巨大的作用，因此具有重要的科学意义。 

发射专用的重力测量卫星进行全球重力场测量是大地重力学进入21世纪的一个标志。重力测量卫星在轨道上的摄动除了地球重力和太阳、月亮引力的影响外，还包含大气阻力、太阳辐射和地面反射等非惯性力的影响。为了从卫星的摄动数据中得到地球重力场，这些非惯性力的影响必须消除。最终获得的重力场空间分辨率和测量精度取决于重力场卫星在轨位置和速度的测量精度以及非惯性力修正的精度。 

非惯性力需要依靠放置在卫星质心处的加速度计测量。为了获取更加精确的非惯性力，则需要提高加速度计的测量精度。本发明之前，最先进的星载地球重力加速度计为静电悬浮加速度计。静电重力加速度计的动态范围小，易饱和，且对电容扳、质量块的加工精度要求高，测量精度的提高难度大。因此需要研究新的加速度计以满足更高测量精度的需求。 

近20年发展起来的原子干涉测量技术给我们带来了新的启示，这种技术通过原子干涉的光学现象可感应外界力场的变化，通过感应加速度可形成加速度计，目前该加速度计在地面的应用已经得到验证。 

实现原子干涉的方法很多，以下以基于原子喷泉的冷原子干涉加速度计的地面测量原理为例进行介绍，请参阅图1，其为冷原子干涉加速度计地面测量原理示意图。 

如图1所示，磁光阱（MOT）隔一定时间向上抛射一次原子。每一个原子的脉冲的产生步骤为：首先把原子装入磁光阱中，然后利用激光和磁场对原子进行冷却，最后将 冷却了的原子垂直向上发射。用平行于原子运动方向的π/2-π-π/2脉冲照射原子，其中第一个π/2脉冲将原子束分割为两个不同路径的原子束，两个原子束在π脉冲处反转，在第二个π/2脉冲处重叠进而产生干涉，通过探测装置就可以确定干涉形成的相位差Φ，进而求解得到重力加速度g。 

相位差与重力加速度的关系式如下： 

Φ=2k_effgT²

其中，K_eff为拉曼激光对的有效波矢，T为施加3个激光的总时间。 

为了设计适用于卫星上使用的冷原子加速度计，需要对冷原子的空间的受力特性进行分析。 

首先，定义冷原子位置与重力梯度测量卫星质心、地心之间的关系，如图2所示。图中，O_i为地心，O_b为重力梯度测量卫星质心，假设冷原子从O_b点抛出，在测量时间段t内，正好飞行到O_p点，r为地心至卫星质心的地心距，L为冷原子与卫星质心间的偏差量；ρ为冷原子与地心间的距离。需要说明的是，参数r，L，ρ均为J2000.0地心惯性坐标系下的，如图2所示，其为地心惯性坐标系下冷原子的几何关系示意图。 

由牛顿动力学定律以及质点在惯性系和牵引系的相对关系等可以得到，冷原子与卫星间的相对运动加速度有如下关系式：