近年来,伴随无人机、无人潜航器等新型装备载体的发展,惯性导航系统对兼具高性能与小型化、低成本、轻量化特征的陀螺仪产生了迫切需求。随着集成光子学的快速发展,集成光学陀螺仪应运而生,干涉式集成光学陀螺是其中重要的一种。概述了基于Sagnac效应的干涉式集成光学陀螺的基本工作机理,并从分立器件的性能提升以及系统的集成耦合封装两个大方面对干涉式集成光学陀螺的研究现状进行了详细总结。针对当前研究与应用中遇到的主要挑战进行了剖析,并展望了干涉式集成光学陀螺的未来发展趋势。

高精度的时间频率标准对全球导航卫星系统、交通系统、电力系统、网络系统等关键领域的时间同步、导航定位至关重要。光频标比现有基准钟铯喷泉钟的不确定度指标高两个量级,其重新定义国际单位制“秒”已被提上日程。镱离子光频标有两条钟跃迁谱线,均纳入了次级秒定义参考,是未来秒定义候选离子系统之一。镱离子系统具有对物理常数高敏感性、高钟跃迁品质因子、激光系统相对简单等优点,在基础物理研究、性能指标提升和工程化应用等多方面均有显著优势,受到国内外研究机构的广泛关注。阐述了镱离子光频标的工作原理,综述了制约该系统性能的关键物理效应及其抑制方法,梳理了该系统在基础研究探索、核心性能指标突破及工程化技术研究等方面的研究进展,并对其未来发展趋势进行了展望。

在复杂水下环境中,多源自主导航系统易受环境干扰,其导航精度和鲁棒性降低。针对复杂水下环境中捷联式惯性导航系统/多普勒测速仪/超短基线(SINS/DVL/USBL)多源自主导航系统导航精度和鲁棒性因受干扰而下降的问题,聚焦水下多源自主导航系统可检测性分析,提出了一种基于可检测性量化模型的SINS/DVL/USBL多源自主导航滤波算法。首先,对SINS/DVL/USBL建立误差模型,计算其均方根误差作为可检测性量化指标;其次,考虑到水下复杂环境对多源传感器的干扰,引入环境干扰因子修正建立的多维可检测性量化模型,并基于模型提出了一种自适应滤波算法;最后,对提出的算法进行了长江试验。试验结果表明,所提算法可以解决水下复杂环境干扰导致SINS/DVL/USBL多源自主导航系统精度和鲁棒性下降的问题,在北、东、天方向上的均方根误差相较于传统卡尔曼滤波算法分别降低了88.5%、84.0%、97.4%,相较于最大相关熵卡尔曼滤波算法分别降低了48.3%、22.6%、18.6%。

射电望远镜附近“电磁波宁静区”的运维作业对导航系统的无源特性要求较高,常规导航手段难以适用。针对传统方法在无源、低速条件下导航能力不足的问题,提出一种基于双向时序增强网络无迹卡尔曼滤波的偏振/地磁复合定向方法。该方法首先通过UKF初步实现偏振与地磁导航信息的非线性融合;然后通过构建BiTAN模型捕捉数据时变特性,充分利用两者的互补性以提升定向精度。实验结果表明,所提出的BiTAN-UKF算法在动态试验中的定向精度可达0.375 4°,为“电磁波宁静区”的无源导航需求提供了有效解决方案。

适用于无人小艇的海洋重力仪不仅需要具备良好的动态适应性,还需要采用能够有效滤除非周期性运动加速度干扰的重力异常提取算法。针对上述问题,提出了一种基于自由空间重力异常状态空间模型的正反卡尔曼滤波结合FIR低通滤波的重力数据处理方法。通过无人小艇搭载具备高动态适应能力的小型捷联式海洋重力仪开展海洋重力测量试验,试验数据处理结果表明:与直接低通滤波法相比,正反卡尔曼滤波结合FIR低通滤波精度提高48%;与正反卡尔曼滤波法相比,精度提高49%;与传统卡尔曼滤波法相比,精度提高79%。

旋转调制技术是惯性导航系统中广泛应用的一种误差自补偿技术。理想旋转调制可以抑制转轴正交平面上的部分器件误差分量,但IMU的旋转不可避免地存在控制误差,从而影响调制效果。一方面,实际旋转控制存在角度超调等误差;另一方面,光栅等控制回路反馈元件自身的测量误差也会导致非匀速旋转角速度误差。在关注控制器与执行器误差的基础上,建立了包含圆光栅测量误差在内的完整控制系统模型,定量分析了光栅反馈控制误差引起的非匀速旋转角速度对高精度方位对准的独特影响机制。计算与仿真结果表明,控制器和执行器造成的旋转角度超调对旋转调制效果影响较小;但当圆光栅参与反馈回路的角度测量时,所引起的非匀速旋转角速度会导致方位对准误差,这对高精度惯导系统的影响不可忽视。

针对低动态无人平台,提出了一种新型制导模型。与状态仅包含位置信息的传统制导模型不同,新模型进一步引入了速度信息。针对新型制导模型,利用基于李亚普诺夫(Lyapunov)稳定性理论的控制方法设计了新型路径跟踪算法。该算法由带饱和约束的比例+积分限幅组成,其形式简单,易于工程实现。根据稳定性理论,证明了存在模型不确定性和风场干扰下闭环系统的全局渐进稳定性。为验证提出算法的有效性,该算法作为控制外环应用于某飞艇的路径跟踪控制仿真,其中仿真模型为工程实际使用。仿真结果表明,该算法有着很强的鲁棒性,在强风情况下依然展现出良好的路径跟踪性能。此外,与使用传统制导模型设计的算法相比,所提出的制导算法在仿真中有着更好的收敛特性。

针对半球谐振陀螺仪零偏圆周分布误差对力学环境敏感且难以快速测试的问题,分析了该误差的产生机理和表现形式,讨论了基于离心机提供加速度激励的测试方法和测试误差,并提出一种基于振型自主进动的半球谐振陀螺仪加速度相关零偏圆周分布误差快速辨识方法。通过在离心机测试中控制振型自主进动,在不转动陀螺的情况下测试不同加速度下的零偏圆周分布误差,拟合得到加速度相关误差系数。试验表明,此方法可快速、准确地辨识半球谐振陀螺仪与加速度相关的零偏圆周分布误差,有效评估陀螺应用精度。

动子组件作为线位移传感器的关键部分,其结构的合理性直接影响传感器的性能及使用寿命。为使传感器输出精度更加稳定、可靠性更高、使用寿命更长,首先分析了线位移传感器的工作原理及动子组件在其中的关键作用,接着详细阐述了传统动子组件结构存在的不足,通过理论分析、数值模拟和实验验证相结合的方法,对动子组件的结构进行了多方面的优化设计:对铁芯结构进行简化改善铁芯对称性,从而提升了传感器输出精度;对连接杆组件结构进行优化重组,将铁芯与连接杆组合结构改为嵌入式结构,防止动子组件运动过程中对铁芯的磨损,提升了传感器输出稳定性;将一体式支持体结构更改为可旋转式组合支持体与动子连接杆结构,极大地提升了产品装配可靠性与使用寿命。改进后的动子组件结构将线位移传感器的输出精度提升了43.24%、使用寿命延长到60 106 h,为线位移传感器的进一步发展和应用提供了有力的技术支持。

微机电系统(Micro Electro Mechanical System,MEMS)陀螺的电容检测电路功能是将陀螺敏感电容变化量转换为可经数字系统处理的电压,其性能是影响陀螺精度的重要因素之一。为实现低噪声、高性能的电容转电压电路,提出了一种基于二极管包络解调的低噪声电容检测电路。核心电路由电荷敏感放大器和二极管包络解调电路构成,通过分析解调机理,给出不显著影响解调效率的滤波电容电阻与调制信号范围,然后建立噪声模型,明确主导噪声的参数,分析不同参数下的噪声变化情况,进而优化电路噪声。经实验测试,调制信号的临界值为1.064 V,略低于理论值1.201 V,误差来自二极管非线性特性,在临界值内读出信号的谐波失真度不超过0.67%。同时,测得陀螺工作频率处的电路噪声电压谱密度为-133.6 dBV/Hz^1/2,与理论计算结果基本一致。

仪表冗余配置可以有效提高惯导系统的可靠性和导航精度,研究其标定有助于提升惯组实际使用精度。以十表冗余双轴惯组为例,通过内置双轴转位机构设计通用位置编排,实现惯组不同朝向时自标定的一致性。创新性地将仪表分为三组进行系统级自标定,建立非正交坐标系下的斜表安装误差模型、导航方程、导航误差方程和Kalman滤波模型,基于通用系统级标定算法,增加坐标转换模块实现所有仪表的标定。仿真和试验结果表明,斜表和正交表均标定正确。所提出的标定算法模型清晰、易于实现,具有较高的工程应用价值。

大规模星座组网需解决数千颗卫星的轨道协同、星间链路与星地链路高效组网问题,面对大量的空间数据信息,空间激光通信作为一种传输容量大、抗干扰能力强、安全性高、通信速率快的传输方式成为了空间信息传输的首选。光电收发模块作为激光通信的系统核心器件,在促进光电信号转化和提高信号传输质量方面发挥着巨大作用,是高速、高可靠激光通信得以实现的基础。为满足可用于空间卫星光通信器的需求,设计了一款全气密蝶形封装的光电收发模块。在光源、软件、材料三个方面进行了相应抗辐照优化设计,测试了辐照前后光电传输性能并对不同粒子产生的辐照效应结果进行了分析。采用⁶⁰Co的γ辐照和质子辐照作为辐照源进行实验,搭建了辐照场和性能参数采集的测量系统。抗辐照模块和传统模块数据对比表明,随着辐照剂量的增加,传统模块光功率和消光比均明显下降,而抗辐照模块的光功率保持在≥-3 dBm,消光比依然满足≥4 dB且误差均在要求范围内。实验结果证明了该款光电收发模块的稳定性和良好的抗辐照性能。