基于模式融合的冷原子重力测量卫星的方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种基于模式融合的冷原子重力测量卫星的方法及系统。该方法基于激光冷却原子技术，围绕冷原子干涉重力梯度仪和冷原子光钟两类量子载荷，通过融合重力梯度测量和引力钟慢效应探测，实现对全球重力场的感知测量。该方法可获取高分辨率的全球重力场模型。该方法可获取高分辨率的全球重力场模型。该方法可获取高分辨率的全球重力场模型。

【技术实现步骤摘要】
基于模式融合的冷原子重力测量卫星的方法及系统


[0001]本专利技术涉及激光冷却原子的
，具体地，涉及基于模式融合的冷原子重力测量卫星的方法。

技术介绍

[0002]卫星重力测量是指通过卫星搭载高精度惯性传感器、星间测距等方式高精度的测量地球重力场模型，包括全球大地水准面模型、全球重力异常模型等。目前国际上已发射成功的基于高低卫卫跟踪模式的CHAMP、基于低低卫卫跟踪模式的GRACE与GRACE Follow
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on以及基于卫星重力梯度测量模式的GOCE四颗重力卫星均基于牛顿力学框架，单纯依靠重力卫星恢复的全球重力场模型空间分辨率在80km左右，在该分辨率下的累积大地水准面误差达到cm级，累积重力异常误差mGal级。但是，由于惯性器件受机械热噪声、加工精度等限制，星间微波测距存在易受干扰、发散等问题，现有的卫星重力测量精度提升空间非常有限，且CHAMP、GRACE与GOCE卫星均已结束寿命，在轨只剩GRACE Follow
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on重力卫星。因此，未来急需更先进的卫星重力测量手段来获取高分辨率的全球重力场模型，一方面保证卫星重力测量任务的连续性，另一方面有助于国防应用领域以及地球科学领域对全球重力场及其时变信息的研究。
[0003]因此，以冷原子器件为重力敏感核心器件，以卫星为测量平台，进行高精度全球重力场测量。是新一代更高分辨率全球重力场测量的备选技术之一。国外也提出了诸多冷原子卫星计划：包括欧洲第一个星载超高精度原子量子计划HYPER、ESA用于验证原子干涉仪空间应用可行性的项目SAI、德国汉诺威大学的冷原子惯性传感器项目CASI、德国DLR的基金支持项目QUANTUS、ESA宇宙观测项目GAUGE等。
[0004]原西安测绘所发表的论文《基于原子干涉测量技术的卫星重力梯度测量》对星载原子干涉重力梯度测量技术的应用前景进行了分析，中科院上海光机所的论文“微重力环境下冷原子物理及其应用”讨论了激光冷却原子技术在未来空间微重力环境的应用前景。这些论文仅笼统的对冷原子重力测量这项技术应用于空间做了前景展望。专利“一种可移动冷原子绝对重力加速度传感器”(公开号CN106959473A)公开了一种面向车载、机载、星载应用的小型化、轻量化的冷原子重力测量仪器，专利“星载冷原子囚禁式加速度测量方法”(公开号CN103134949A)公开了一种搭载于卫星上的采用冷原子技术测量重力加速度的方法。上述专利仅公开了某种特定冷原子重力仪器的星载测量方法，并没有讨论过冷原子重力卫星的设计与测量模式。
[0005]因此，需要提出一种新的技术方案以改善上述技术问题。

技术实现思路

[0006]针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种基于模式融合的冷原子重力测量卫星的方法及系统。
[0007]根据本专利技术提供的一种基于模式融合的冷原子重力测量卫星的方法，所述方法包
括如下步骤：
[0008]步骤S1：通过激光冷却原子技术，将冷原子测量器件作为卫星的主载荷，获取全球重力场模型信息；
[0009]步骤S2：卫星任务共同搭载冷原子干涉重力梯度仪和冷原子钟两种主载荷进行联合测量，测量全球的重力场信息；
[0010]步骤S3：在卫星上结合冷原子干涉重力梯度测量和引力钟慢效应测量两种测量模式，通过两种测量模式的融合获取全球中长波重力场模型；
[0011]步骤S4：融合冷原子重力梯度测量和引力钟慢效应测量模式进行全球重力场模型反演；
[0012]步骤S5：将两种星载冷原子测量模式的测量数据进行融合反演；
[0013]步骤S6：低阶反演结果与高阶反演结果融合，该反演结果能够获取高空间分辨率的全球重力场模型，同时在高空间分辨率下，进行全球中长波重力场测量。
[0014]优选地，所述步骤S2中冷原子干涉重力梯度仪采用卫星重力梯度测量模式，通过差分加速度的测量原理，测量轨道高度处的重力梯度；冷原子钟基于爱因斯坦广义相对论的引力钟慢效应测量，通过在空间中比对多台冷原子钟的时间和频率差，获取地球的重力势差。
[0015]优选地，所述步骤S3一方面利用冷原子干涉重力梯度仪进行卫星重力梯度测量模式；另一方面利用引力钟慢效应测量获得重力势差，得到低低卫星跟踪卫星测量模式，通过两种测量模式的融合获取全球中长波重力场模型。
[0016]优选地，所述步骤S4中冷原子重力梯度测量利用冷原子仪器在测量频带内的平坦的白噪声特性，反演高阶静态重力场信息；引力钟慢效应测量通过空间中冷原子钟输出的时频信号进行比对，获取低阶重力场模型及其时变。
[0017]优选地，所述步骤S5一方面利用冷原子干涉重力梯度仪的数据反演高阶的全球重力场模型，另一方面利用空间冷原子钟测量的引力钟慢效应数据减小低阶的全球大地水准面误差和全球重力异常误差。
[0018]本专利技术还提供一种基于模式融合的冷原子重力测量卫星的系统，所述系统包括如下模块：
[0019]模块M1：通过激光冷却原子技术，将冷原子测量器件作为卫星的主载荷，获取全球重力场模型信息；
[0020]模块M2：卫星任务共同搭载冷原子干涉重力梯度仪和冷原子钟两种主载荷进行联合测量，测量全球的重力场信息；
[0021]模块M3：在卫星上结合冷原子干涉重力梯度测量和引力钟慢效应测量两种测量模式，通过两种测量模式的融合获取全球中长波重力场模型；
[0022]模块M4：融合冷原子重力梯度测量和引力钟慢效应测量模式进行全球重力场模型反演；
[0023]模块M5：将两种星载冷原子测量模式的测量数据进行融合反演；
[0024]模块M6：低阶反演结果与高阶反演结果融合，该反演结果能够获取高空间分辨率的全球重力场模型，同时在高空间分辨率下，进行全球中长波重力场测量。
[0025]优选地，所述模块M2中冷原子干涉重力梯度仪采用卫星重力梯度测量模式，通过
差分加速度的测量原理，测量轨道高度处的重力梯度；冷原子钟基于爱因斯坦广义相对论的引力钟慢效应测量，通过在空间中比对多台冷原子钟的时间和频率差，获取地球的重力势差。
[0026]优选地，所述模块M3一方面利用冷原子干涉重力梯度仪进行卫星重力梯度测量模式；另一方面利用引力钟慢效应测量获得重力势差，得到低低卫星跟踪卫星测量模式，通过两种测量模式的融合获取全球中长波重力场模型。
[0027]优选地，所述模块M4中冷原子重力梯度测量利用冷原子仪器在测量频带内的平坦的白噪声特性，反演高阶静态重力场信息；引力钟慢效应测量通过空间中冷原子钟输出的时频信号进行比对，获取低阶重力场模型及其时变。
[0028]优选地，所述模块M5一方面利用冷原子干涉重力梯度仪的数据反演高阶的全球重力场模型，另一方面利用空间冷原子钟测量的引力钟慢效应数据减小低阶的全球大地水准面误差和全球重力异常误差。
[0029]与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：
[0030]1、本专利技术基于激光冷却原子技术，采用冷原子干涉重力梯度本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于模式融合的冷原子重力测量卫星的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤S1：通过激光冷却原子技术，将冷原子测量器件作为卫星的主载荷，获取全球重力场模型信息；步骤S2：卫星任务共同搭载冷原子干涉重力梯度仪和冷原子钟两种主载荷进行联合测量，测量全球的重力场信息；步骤S3：在卫星上结合冷原子干涉重力梯度测量和引力钟慢效应测量两种测量模式，通过两种测量模式的融合获取全球中长波重力场模型；步骤S4：融合冷原子重力梯度测量和引力钟慢效应测量模式进行全球重力场模型反演；步骤S5：将两种星载冷原子测量模式的测量数据进行融合反演；步骤S6：低阶反演结果与高阶反演结果融合，该反演结果能够获取高空间分辨率的全球重力场模型，同时在高空间分辨率下，进行全球中长波重力场测量。2.根据权利要求1所述的基于模式融合的冷原子重力测量卫星的方法，其特征在于，所述步骤S2中冷原子干涉重力梯度仪采用卫星重力梯度测量模式，通过差分加速度的测量原理，测量轨道高度处的重力梯度；冷原子钟基于爱因斯坦广义相对论的引力钟慢效应测量，通过在空间中比对多台冷原子钟的时间和频率差，获取地球的重力势差。3.根据权利要求1所述的基于模式融合的冷原子重力测量卫星的方法，其特征在于，所述步骤S3一方面利用冷原子干涉重力梯度仪进行卫星重力梯度测量模式；另一方面利用引力钟慢效应测量获得重力势差，得到低低卫星跟踪卫星测量模式，通过两种测量模式的融合获取全球中长波重力场模型。4.根据权利要求1所述的基于模式融合的冷原子重力测量卫星的方法，其特征在于，所述步骤S4中冷原子重力梯度测量利用冷原子仪器在测量频带内的平坦的白噪声特性，反演高阶静态重力场信息；引力钟慢效应测量通过空间中冷原子钟输出的时频信号进行比对，获取低阶重力场模型及其时变。5.根据权利要求1所述的基于模式融合的冷原子重力测量卫星的方法，其特征在于，所述步骤S5一方面利用冷原子干涉重力梯度仪的数据反演高阶的全球重力场模型，另一方面利用空间冷原子钟测量的引力钟慢效应数据减小低阶的全球大地水准面误差和全球重力异常误差。6.一种基于模...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵艳彬，肖云，廖鹤，段小春，李唐，祝竺，姚闯，廖波，徐毅，唐忠兴，
申请(专利权)人：上海卫星工程研究所，
类型：发明
国别省市：