王巍院士团队：基于光纤干涉仪的世界时高精度测量技术

作者简介

王巍，男，中国科学院院士，国际宇航科学院院士，研究员，博士生导师。长期从事先进惯性技术、导航与控制专业研究工作。提出混偏光纤陀螺仪新技术体制，系统阐述了误差机理及其抑制方法；在国内率先主持研制出宇航长寿命光纤陀螺组合并实现空间应用，解决了航天飞行器制导与控制相关的一系列关键技术难题。主持研制了世界时测量用大型Sagnac光纤干涉仪，达到了国内外已报道Sagnac光纤干涉仪用于角速度测量的最好水平。

王巍院士以第一作者或第一完成人获授权发明专利40余项，发表学术著作9部。以第一完成人获国家技术发明奖2项，国家科技进步奖2项，省部级科技奖励8项，并获何梁何利科技进步奖、中国科协求是杰出青年成果转化奖、中国政府出版奖----图书奖、国家新闻出版总署“三个一百”原创图书奖等多项奖励，先后被授予中国载人航天工程突出贡献者奖章等多项荣誉称号。

世界时（UT1）是以地球自转运动为参考的时间计量系统，UT1反映了地球在空间的自转角，是实现航天飞行器轨道坐标转换的重要参数。在航空航天、深空探测等应用领域，UT1的测量精度水平直接影响航天器跟踪测量的精度、精密定轨的精度。此外，UT1也可为地球自转理论、地球内部结构、板块运动、地震预报以及地球、地月系统以及太阳系的起源和演化等研究提供必要的基本信息。

由于地球的自转是不均匀的，其激发源众多，且含有多种不确定性和时变性，既包含长期的趋势性变化、周期性变化，也包含短期的高频变化，因此反映地球自转变化的UT1高精度、实时测量技术至关重要。目前国际上UT1观测技术主要是以甚长基线干涉测量技术（VLBI）为代表的天文几何测量技术。天文几何测量技术对地球自转变化的测量属于间接测量，其通常需要全球布站，其实时性、安全性以及国内的可获得性相对较差，尚不能满足航天强国、科技强国建设的需求。

随着惯性测量技术的不断发展，利用大型光学Sagnac干涉仪（大型激光陀螺仪和光纤陀螺仪）可实现直接对地球自转角速度的高精度实时测量，不依赖外部信息，安全性好、精度潜力高，可实现自主可控，是国内外的重要研究方向之一。

作者团队依托二十年来高精度光纤陀螺仪的研究基础，在解决了大型高精度光纤干涉仪精度提升、非互易性误差抑制、定向误差抑制等关键理论与技术问题的基础上，完成了大型高精度光纤干涉仪研制。为实现更精确、更稳定地测量地球自转角速度，该光纤干涉仪安装于国内某精密温控实验室内，该测试环境具备恒温、恒湿、低噪声、低人为扰动、长期稳定等优点。

图1 光纤干涉仪Allan方差分析曲线

图1为作者团队光纤干涉仪的精度分析曲线，参照德国G-ring、ROMY等大型激光陀螺仪的精度评价方法（取Allan方差曲线的斜率为零的拟合底部值），图1所示的零偏不稳定性优于1.0×10-6°/h。零偏不稳定性这一指标通常反映了仪表在不同积分周期下的精度最优值，目前该光纤干涉仪精度指标为国际上已报道的光纤干涉仪/光纤陀螺仪最好水平。

图2 基于高精度光纤干涉仪的世界时测量结果及IERS对比验证情况

将光纤干涉仪测量解算得到的世界时与国际IERS组织发布的UT1（公报C04时间序列）进行对比验证，对比结果如图2所示。数据结果显示，基于光纤干涉仪的世界时测量系统在连续15天的观测过程中，其世界时测量值较稳定，其标准偏差约为1.5毫秒，与IERS公报值相比对，世界时测量最大误差为7毫秒，实现了已报道的光纤陀螺仪/干涉仪测量世界时的最高精度水平。与德国G-ring激光陀螺仪世界时测量精度（最大误差2毫秒）处于一个数量级的水平，验证了基于高精度光纤干涉仪的世界时测量系统的UT1测量功能和高性能。

考虑到该高精度光纤干涉仪直径仅1.5m，相对于G-ring激光陀螺仪的4m×4m的尺寸，光纤干涉仪面积仅为激光陀螺仪的1/9，且还有更长的光纤环的绕制余量、更低噪声的探测与信号处理技术，因此高精度光纤干涉仪未来有较大的潜力达到甚至超越G-ring激光陀螺的世界时测量精度。

《基于光纤干涉仪的世界时高精度测量技术》

王巍、冯文帅、张首刚 著

北京：科学出版社，2024.09

ISBN 978-7-03-079151-1

《基于光纤干涉仪的世界时高精度测量技术》（王巍、冯文帅、张首刚 著，北京：科学出版社，2024.09）一书是论述高精度光纤干涉仪用于世界时测量相关理论和相关技术方法的专著，书中内容反映了目前国内高精度光纤干涉仪及其世界时测量技术研究与工程实践的较高学术水平和应用技术水平，具有显著的前沿学科交叉特点。目前国内已出版的光纤Sagnac干涉仪（光纤陀螺仪）专著主要研究方向面向航天器姿态测量以及中高精度导航与控制相关领域，对于精度高2~3个数量级的高精度光纤干涉仪技术相关内容尚未有类似论著。

本书以世界时测量及航天器精密定轨的需求为应用背景，从高精度光纤干涉仪技术研究和设计的角度，系统论述了高精度光纤干涉仪及其应用于世界时测量的有关理论和工程实践问题。全书共分9章，主要包括不同的时间系统、地球的空间姿态与世界时参数的作用、典型的世界时高精度测量技术，同时重点阐述了世界时测量用高精度光纤干涉仪原理与技术方案、提高世界时测量用高精度光纤干涉仪精度的关键技术、基于高精度光纤干涉仪的世界时测量精密环境构建技术以及基于高精度光纤干涉仪的世界时测量与数据处理方法，另外还讨论了高精度光纤干涉测量技术在其他领域的应用。

本书研究内容系统深入，理论方法与工程实践紧密结合，适合从事高精度光纤干涉仪/光纤陀螺仪技术研究、地球物理运动测量技术研究、航天器轨道控制技术研究、相关产品研制与应用的科技人员和高等院校师生作为参考书。

据国家新闻出版署“国新出发〔2024〕16号”通知，本书已列入“十四五”国家重点出版物出版规划项目。

（本文编辑：刘四旦）

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