2025年, 第24卷, 第5期　刊出日期：2025-10-05

  

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  仿生导航传感器技术研究

  王巍, 袁伟杰, 吴志刚

  导航与控制. 2025, 24(5): 1-13. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2025.05.001

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  传统导航技术在动态与非确定性环境中面临着依赖外部信号、高能耗及硬件体积大等挑战,而仿生导航通过模仿生物感知与信息融合机制,为复杂环境下的高效、鲁棒导航提供了创新解决方案。本文系统梳理了典型仿生导航传感器的研究进展,按照生物导航方式进行分类,重点探讨了各类传感器的仿生设计原理、技术突破与应用潜力。文章进一步总结了当前技术瓶颈,并指出未来需融合类脑计算与深度学习,推动“感知-决策-行动”全链条自主化发展。本文内容可为仿生导航传感器的工程化应用与跨学科创新提供参考。
量子PNT 技术专辑
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  基于量子传感器的高精度导航技术研究进展

  邱金峰, 李豪, 张柯, 周超, 毛海岑

  导航与控制. 2025, 24(5): 14-26. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2025.05.002

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  量子传感器能够突破经典测量极限,用量子传感器替代经典传感器,发展高精度量子导航技术,成为提高导航能力的潜在技术方式。受限于量子导航系统复杂、动态环境测量精度下降以及体积质量大等问题,量子导航技术工程化进展缓慢。以近几年的量子导航试验为引,梳理了针对上述问题的最新解决方案,指出其中最具潜力的发展方向,为量子导航技术工程化发展提供参考。
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  基于ALA-VMD的碱金属气室温度控制噪声抑制方法研究

  高雪林, 范文峰, 夏浩, 王灿, 段利红

  导航与控制. 2025, 24(5): 27-38. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2025.05.003

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  无自旋交换弛豫(SERF)原子惯性测量装置因具备超高的理论精度,成为新一代惯性测量装置的重要发展方向。为解决SERF惯性测量装置气室温控过程引入的低频噪声,采用了一种基于变分模态分解(Variational Mode Decomposition, VMD)的噪声特征提取方法,并引入旅鼠优化算法(Artificial Lemming Algorithm, ALA)对VMD模态分解的参数进行自适应寻优,进而快速准确地提取气室温控系统中的低频干扰噪声特征。基于提取的噪声特征,定位了由测温过程中滑动中值滤波这种数据后处理方式引入的干扰,并设计了基于ACPL-C87A的光耦隔离电路,通过对功率元件进行电气隔离来抑制电磁噪声的反射。实验测试表明,所设计的光耦隔离电路可显著提升装置性能:在PID温控模式下,1 Hz处惯性测量灵敏度由2.65×10^-5(°)/s/Hz^1/2提升至4.65×10^-6(°)/s/Hz^1/2,2 Hz处惯性测量灵敏度由8.31×10^-6(°)/s/Hz^1/2提升至2.48×10^-6(°)/s/Hz^1/2,验证了该方法可有效抑制低频噪声干扰,使得SERF惯性测量装置在保留PID控制快速响应和高调节精度优势的同时,实现了与PI控制相当的灵敏度性能。
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  原子自旋惯性测量温度敏感性抑制方法

  付杨, 武彪, 胡栋, 王宇

  导航与控制. 2025, 24(5): 39-45. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2025.05.004

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  基于无自旋交换弛豫(SERF)的原子自旋惯性测量系统具备超越传统惯性测量仪表的超高灵敏度潜力,然而温度漂移带来的系统误差严重影响惯性测量系统的长期稳定性。本文提出了一种工作点寻优方法抑制系统对温度波动的敏感性,从而减小温度漂移带来的系统误差。首先基于Bloch方程的稳态解,推导系统输出方程,研究系统对温度波动敏感程度的变化规律。然后搭建原子自旋惯性测量装置,通过实验探究温度工作点对温度敏感性以及惯性测量系统长期稳定性的影响。实验结果表明,通过工作点寻优的方法可以有效抑制系统的温度敏感性,从而将系统的零偏不稳定性降低50％,实现系统长期稳定性的提升。
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  核磁共振陀螺无磁加热线圈优化设计

  刘作睿, 汤丰, 赵楠

  导航与控制. 2025, 24(5): 46-52. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2025.05.005

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  核磁共振陀螺在实际工作中需要将系统加热至100℃~110℃,以提高碱金属原子密度,从而增强自旋交换碰撞极化效应,提升惰性气体原子的极化水平及实验中测量的信号强度。考虑在高频电流加热原子气室时原子的交流斯塔克效应对核磁共振陀螺系统测量结果的影响,提出了利用平面内相互平行的多级磁矩相互作用以抑制电流所产生磁场的加热线圈方案。该方案通过优化空间中每一个线圈的半径分布和电流方向,使得当存在多个圆形线圈时的低阶磁场项能够相互抵消,显著降低了原点附近的残余磁场。数值计算结果表明,该线圈设计方案可将每毫安电流产生的磁场抑制为0.6 pT。当考虑实际的加热需求时,该线圈将产生25 pT的磁场,加热系统所引入的测量误差仅有10^-12 Hz,满足了核磁共振陀螺的加热需求,同时有效提高了系统的测量精度。
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  动态原子干涉仪敏感轴姿态控制方法研究

  周超, 李豪, 马思迁, 李军强, 刘和平, 黄晨, 毛海岑

  导航与控制. 2025, 24(5): 53-59. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2025.05.006

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  在卫星拒止条件下,重力匹配定位技术对构建定位-导航-授时(PNT)体系具有重要作用。为进一步提升原子干涉仪动态适应性,开展了动态环境下原子干涉仪敏感轴姿态控制研究。采用一种望远光学系统和倾斜镜组合设计,实现了角度偏转下拉曼激光稳定作用于原子团,所研制的拉曼镜组视场角达到±10°,全视场范围波像差优于λ/10,发散角小于0.1 mrad,确保不同角度下拉曼激光与原子作用位置稳定性达到10 μm。通过倾斜镜完成拉曼激光指向角度的稳定,可在摇晃幅度±0.2°@100 Hz条件下,达到重复定位精度优于10″。本研究为解决原子干涉仪在小型无人船、车辆等剧烈动平台上高动态环境下的姿态误差和对比度下降等问题,提供了一种可行的方案参考。
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  基于自抗扰控制的激光功率稳定算法研究

  高晗斌, 刘登杰, 卫士乐, 刘佳新, 庞昊颖, 雷旭升

  导航与控制. 2025, 24(5): 60-66. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2025.05.007

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  基于无自旋交换弛豫(Spin Exchange Relaxation Free, SERF)原理的原子惯性测量系统具有高灵敏度和小型化优势,但对激光功率波动极为敏感。针对传统比例-积分-微分(Proportional Integral Derivative, PID)控制难以应对模型不确定性和低频扰动的问题,本文提出一种基于线性自抗扰控制的激光功率稳定方法。针对基于系统辨识构建的液晶控制电压和主路光功率间的传递函数,设计基于扩展状态观测器的线性自抗扰控制器,实现对总扰动的在线估计与主动补偿。仿真与实验结果表明,该方法相较PID在跟踪性能和抗扰能力上表现更优,均方根值从3.07×10^－4mW降低至1.17×10^－4mW,1 Hz处陀螺信号的噪声功率谱密度从1.02×10^－5(°)/s/Hz^1/2降低至7.39×10^－6(°)/s/Hz^1/2,稳定性提升约27.5%。本研究满足了SERF原子惯性测量系统中光功率控制10^－4mW量级的要求,更提供了一种高鲁棒性的优化路径,拓展了自抗扰控制在量子精密测量领域的应用边界。
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  金刚石NV色心传感器正交矢量解算与校正技术

  任轩辉, 汤晨晨, 贾琪, 王晋杰, 杨应杰, 郑斗斗, 唐军, 马宗敏, 刘俊

  导航与控制. 2025, 24(5): 67-75. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2025.05.008

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  地磁导航技术的精准性和可靠性依赖于磁场信息的高精度测量。针对地磁导航中磁场信息测量不准的问题,提出了一种基于金刚石氮空位(NV色心)磁检测技术的矢量磁场实时跟踪与校准方法。将光探测磁共振技术与多通道微波频率调制技术相结合,从单个光电探测器捕获的荧光信号中提取各NV轴的磁场信息,进行实时解调,跟踪各NV轴谐振频率,将电压值通过矢量解算转换为三轴磁场并且通过坐标系与正交度进行校准。由车载测量矢量磁场实验并且与磁通门进行对比可知,三轴误差均小于4%,同时验证了该方法可以对变化较快的磁场进行实时测量,在10 ms内可以感知到磁场变化,满足了地磁矢量的高精度高灵敏测量。
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  基于量子化轴稳定的绝对重力仪光束指向控制

  李豪, 马思迁, 李军强, 周超, 刘和平

  导航与控制. 2025, 24(5): 76-83. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2025.05.009

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  保持绝对重力仪敏感轴的稳定是实现有效重力测量的先决条件,采用光束指向稳定实现敏感轴方向稳定可有效提升绝对重力仪姿态响应带宽。针对基于量子化轴稳定的绝对重力仪光束指向控制与复杂光学系统相耦合的控制问题,推导了基于量子化轴稳定的绝对重力仪光束指向控制模型,并提出了光束指向控制的控制对准方法。针对推导的控制与对准方法开展指向控制误差的数值仿真分析,仿真结果表明,测量控制噪声及光学标定误差引入的光束指向控制误差均值为0.036°。依据数值仿真结果,设计开展了控制对准试验与光束指向控制模型验证试验,控制对准与验证试验测量的光束指向控制误差实际均值为0.011°,验证了光束指向控制模型与对准方法的有效性。
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  空基反无人技术研究综述

  高妍, 李岽旭, 马长正, 谷风强, 冉桐

  导航与控制. 2025, 24(5): 84-97. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2025.05.010

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  无人机技术的快速发展正逐步改变现有的作战模式,并催生出新的作战样式。首先,通过介绍无人机系统在多次军事冲突中发挥的重要作用以及与此同时对国家和地区带来的潜在安全威胁,分析了空基反无人作战面临的难点和挑战,阐明了发展空基反无人机系统与研究空基反无人关键技术的迫切性和必要性。随后,对典型空基反无人作战样式进行了总结,并从“以无反无”技术、“以群制群”技术、智能博弈技术、大模型技术四个方面对空基反无人关键技术进行了深入分析。最后,从系统作战角度简要总结了未来空基反无人关键技术的研究方向和发展趋势,以推动未来反无人技术的发展。
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  滑模扰动观测器在平台稳定回路中的应用及动态性能验证

  张志东, 蔡庆中, 杨功流, 王汀, 王二伟

  导航与控制. 2025, 24(5): 98-108. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2025.05.011

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  惯性稳定平台各种轴端干扰力矩的存在限制了传统控制器动态控制精度的进一步提升。为抑制轴端干扰力矩对稳定控制回路的影响,将扰动观测器引入到控制回路中,并在三轴光纤陀螺惯性平台完成了动态性能验证。试验结果表明,引入扰动观测器可显著提升动态条件下的稳定控制精度,在摇摆测试条件6.0°、1.0 Hz,0.95°、2.5 Hz,0.35°、4.0 Hz下,台体三轴最大失稳误差角不超过3″;回路扫频对比试验表明,引入扰动观测器后,能够在保证稳定裕度的同时有效提升低频段的回路增益,从而增大回路力矩刚度,降低动态误差。
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  高功率光纤激光光谱组束光束质量优化控制技术研究

  成思源, 李力, 靳晋军, 郑也, 王军龙

  导航与控制. 2025, 24(5): 109-117. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2025.05.012

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  单台高功率光纤激光器输出功率有限,在工业和国防等领域最新应用上无法满足更高要求。为实现更高激光功率输出,提出了一种在高功率下保证光束质量的光纤激光光谱组束(SBC)方案。本方案结合透射光栅和反射光栅,通过多自由度反射镜组构建三维非共面光路压缩结构,显著提升了系统的紧凑性与光程密度,优化了光谱组束中的干涉光影响和热稳定问题;用殷钢材料替代铝基复合材料作为光学元件结构,同时使用光学环氧胶替代 RTV硅橡胶连接反射镜,匹配材料间线膨胀系数。组束系统降低了高功率输出时传导热效应产生的光斑劣化影响,持续输出光束质量M²小于2的高功率激光,证明了该方案组束系统的稳定性和高效性。
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  基于镁锂合金的轻量化惯性测量单元结构

  张沛勇, 赵亚飞, 张宇飞, 刘保林, 刘嘉琪, 李永平

  导航与控制. 2025, 24(5): 118-126. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2025.05.013

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  针对深空探测卫星惯性测量单元轻量化技术瓶颈,研究突破传统铝合金材料局限,创新采用了目前最轻的金属结构材料-镁锂合金。通过结构优化设计与力学仿真分析相结合的方法,构建了新型轻量化结构方案,并系统开展了力学环境可靠性验证。研究证实,镁锂合金结构件经24 g随机振动及2700 g冲击后结构良好,质量较传统设计降低了30%。针对镁锂合金表面耐蚀性不足的缺陷,采用了化学镀镍/喷漆复合防护体系,大幅提升了镁锂合金的耐腐能力。成功研制的镁锂合金惯性测量单元实现整机质量782 g,满足深空探测任务需求,为航天惯性器件轻量化设计提供了材料-结构-工艺一体化解决方案,拓展了超轻镁锂合金在航天领域中的应用。