仿生扑翼飞行器模仿自然界生物(如鸟类、昆虫)的飞行方式,具有隐蔽性强、气动效率高与适应复杂气流环境能力强等优势,可用于信息侦察、环境监测、灾害救援等场景,如何实现其在复杂场景中的自主导航是学术界的研究热点。首先,聚焦扑翼飞行器惯性基多源自主导航系统,包括惯性/视觉导航、惯性/卫星导航、惯性/视觉/卫星导航等方法,分析了国内外典型扑翼飞行器导航系统的主要进展。其次,介绍了扑翼飞行器多源自主导航关键技术,对扑翼飞行器的图像消抖、感知定位与建图、轨迹规划与自主避障等技术进行分析,突出了扑翼飞行器自主导航的特殊性和多源融合的必要性。最后,介绍了扑翼飞行器多源自主导航系统的未来发展趋势,包括开放式架构、性能提升、信息融合、群体感知等研究方向。

面向低空经济、无人系统等新兴产业对惯性导航系统的效能提升需求,传统分立器件干涉式光纤陀螺存在体积较大、成本较高等约束,基于集成光学芯片的新型光纤陀螺具备兼顾陀螺精度、体积、成本以及功耗等的颠覆性优势,展现出巨大的应用潜力。回顾了干涉式光纤陀螺的工作原理和系统方案,介绍了薄膜铌酸锂的材料特性,结合其技术现状,分析了光纤陀螺用薄膜铌酸锂芯片所需的片上结构,并归纳了芯片制备的工艺步骤。随后,对领域内已发表的相关成果进行了介绍,揭示了薄膜铌酸锂芯片在提升系统集成度方面的能力。最后,针对在研究及应用过程中遇到的困难和挑战,总结了光纤陀螺用薄膜铌酸锂基芯片所需的性能要求,并对未来发展方向进行了展望。

惯性组合导航融合多种传感器数据,为飞机、船舶、车辆等运载体提供了高精度的导航定位。针对SINS/GPS组合导航系统在大失准角和故障情况下精度与鲁棒性不足等问题,提出了一种基于自适应联邦强跟踪无迹卡尔曼滤波器(Adaptive Federated Strong Tracking Unscented Kalman Filter,AFSTUKF)的容错组合导航方法。首先,构建了融合SINS、GPS、偏振与地磁信息的组合导航系统;其次,通过引入自适应衰减因子和量测噪声方差更新策略,设计了带反馈重置的AFSTUKF,提升了系统在不确定性和噪声干扰下的估计精度与鲁棒性;再次,引入基于Tukey函数的动态信息共享因子,提高了联邦滤波器的稳定性与整体性能。实验结果表明,AFSTUKF算法较传统方法平均精度提升超29%,引入偏振与地磁信息后姿态估计精度提升近40%,显著增强了导航系统的鲁棒性与精度。

针对高精度惯性导航系统的精确标定问题,提出了一种基于因子图优化的三自惯组系统级标定方法。通过对高精度IMU进行精确建模,推导出一种考虑地球自转、牵连角速度、惯性器件零偏、标度因数和安装误差参数的IMU预积分模型。通过构建残差模型,设计了适用于该模型的完整因子图模型,并采用滑动窗口优化策略迭代求解待标参数。仿真结果表明,该方法比卡尔曼滤波标定方法更接近设定值。利用三自惯组样机在线自标定数据进行试验验证,该方法与卡尔曼滤波标定结果相当。纯惯性导航结果表明,与卡尔曼滤波相比,采用该方法标定参数得到的最大东向、北向位置误差分别降低了25.85%和15.37%。试验结果表明,该方法为三自惯组的自标定提供了有效解决方案,对拓展因子图优化技术在标定技术上的应用有积极意义。

地下管线精确定位在城市的规划、建设和管理中具有重要作用。针对地下管线轨迹测量问题,提出了一种基于惯组/里程计的航位推算并应用管线起止点位置信息进行轨迹校正的定位算法。该算法基于惯组/里程计航位推算的基本原理,应用罗经调平方法对水平角进行修正;根据已知管线的起始点、终点位置坐标,将计算后的轨迹曲线进行旋转、伸缩,对轨迹误差进行修正补偿,最终进行加权平均得到实测轨迹。实验结果显示,该算法对101.8 m管道的测量精度为0.3%,实现了对地下管线三维坐标的精确测量。

陀螺加速度计通常采用增量式角度传感器测量外环角速度,难以获取准确的外环位置信息,不利于陀螺加速度计误差建模研究。为此,建立了重力场下陀螺加速度计倾斜小角度的输出模型,提出了基于内环角度β拉偏的外环位置辨识方法和基于特征点的外环位置辨识方法,均能在上电短时间内获得准确的外环实时位置,并在断电时刻控制外环停止位置。试验结果表明,两种方法辨识和控制位置的准确度均优于±4°。在准度上,基于β角拉偏的方法优于基于特征点的方法;在快速性上,基于特征点的方法显著优于基于β角拉偏的方法。基于特征点的外环位置辨识方法更适用于惯导系统,能满足快速性要求,且实现简单。两种方法为陀螺加速度计误差建模与补偿奠定了基础。

核磁共振陀螺通过检测惰性气体原子在恒定静磁场中的拉莫尔进动频率偏移,实现对载体角速度的测量。惰性气体原子的极化程度受碱金属原子数密度影响显著,存在一个最佳数密度,可使惰性气体的极化率达到最大值。传统的数密度测量方法,如经验公式法、旋光检测法等不适用于小型化原子气室,针对该问题,提出了一种基于光谱吸收法的数密度原位测量方法。该方法考虑到功率展宽作用,先通过调节入射激光光强与频率失谐以获取碱金属原子的光学深度,再借助吸收截面为多峰洛伦兹函数的拟合公式对光学深度数据进行拟合,进而求解得到碱金属原子数密度。试验结果表明,拟合得到的相对跃迁强度、谱线半高全宽、原子跃迁频率、超精细能级间距等参数均与理论值相符,证明了该方法的有效性。该方法由激光完成原位测量,准确度高、可靠性强,有效支撑了陀螺最佳工作状态的标定。

液浮陀螺仪表的温度稳定性和均匀性对其精度至关重要,而加热片的有效热传递是实现精密温控的核心。加热片与液浮陀螺仪表壳体组件间的胶接结构作为关键传热路径,其传热特性直接影响仪表内部的温度场分布梯度和温度波动。建立了包含加热片、胶层和壳体组件的三维有限元热传导模型,以壳体温度场分布均匀性及其上测温点在加热功率循环变化中的响应速率表征胶接结构的传热特性,分别研究了胶层厚度、胶接缺陷和加热片电阻丝分布对胶接结构整体热阻、温度分布及瞬态响应特性的影响规律,并利用温升试验验证了模型的有效性。结果表明,壳体组件在各类胶接状态下的周向温度变化幅度均低于轴向,其周向极差不足轴向极差的14%;胶层厚度每增大0.02 mm,胶接结构热阻增大约30%,测温点对加热功率变化的响应速率逐渐降低;胶层缺陷会导致热量集中,加热片电阻丝变间隙分布无法有效减小轴向温度梯度。本研究为优化液浮陀螺仪表加热片胶接工艺提供了设计依据,对提升仪表精度具有指导意义。

针对电力系统配电台区对纳秒级高精度时频同步的迫切需求,通过“模型优化-终端设计”双路径突破技术瓶颈,系统提升北斗共视技术性能。在算法层面,采用18参数广播星历模型,将卫星轨道解算的空间信号测距误差降低约0.1 m,较16参数模型略有提升;终端层面,采用相干布居囚禁(Coherent Population Trapping, CPT)原子钟驯服与片上系统(System on Chip, SoC)集成方案,实现24 h频率准确度9.16×10^-13、授时精度±10 ns,体积压缩至0.71 L。实验表明,共视差分机制有效抑制电离层延迟误差,秒脉冲信号(1 Pulse Per Second, 1 PPS)峰峰值误差控制在±10 ns内,守时漂移率0.385 μs/d。研究成果形成覆盖终端至组网的完整解决方案,突破传统设备体积大、成本高的局限。

大倾角无人机影像与垂直视角卫星图之间存在显著的视角差异,现有算法在大倾角空天影像匹配场景下的弱纹理区域表征能力弱、匹配定位精度较低,且算法鲁棒性不足。为此,提出一种融合高效通道注意力与双流空间特征增强的空天影像匹配算法。首先,在编码器中引入注意力机制以加强多通道信息交互,提高网络对模糊远景和弱纹理区域的特征表征能力。其次,设计双流空间特征增强架构,通过几何变换将垂直视角下的鲁棒顶面特征投影并融合至倾斜影像空间,实现跨视角空间特征增强。最后,在多倾角空天影像匹配数据集上,所提出算法在50 m误差范围内的匹配定位准确率达到57.40%,较主流的图像匹配算法提升8.35%,有效解决了弱纹理区域特征不稳定、跨视角信息不一致的问题。

针对传统波达方向(Direction of Arrival, DOA)估计方法在低信噪比及运动目标场景下边缘角度估计精度显著下降的问题,本文提出一种双阶段智能测向方法。该方法首先利用残差卷积神经网络对阵列协方差矩阵进行端到端去噪,再通过复数Transformer提取序列特征,实现对移动辐射源的DOA估计。实验结果表明,在低信噪比及动态非平稳场景下,所提方法相较于传统算法均方根误差平均降低63%。