本文综述仿生多源导航机制与信息融合技术现状,以期为多源自主导航技术发展提供新思路和新方法。文中首先分析了现有导航系统的局限性及多源信息融合的必要性;接着重点介绍动物的多源信息融合导航机制,包括导航策略、信息融合方式、信息感知系统和神经机制,动物如何利用多种感官信息进行复杂的环境感知和导航定位。文中还介绍了生物启发的多源导航信息融合技术,包括多源信息融合模型、算法和仿生计算模型,昆虫的视觉导航机制和导航策略可为设计高效智能自主导航算法提供启示。文章最后展望了未来发展方向,强调了深入理解动物导航机制、探索生物启发导航算法的重要性。

惯性技术广泛应用于海、陆、空、天、电等各种载体的导航、定位与稳姿稳向的控制,已成为新兴战争模式中动态自主感知不可或缺的敏感源。通过对2024年IEEE惯性传感器与系统会议、DGON惯性传感器系统会议和MEMS国际会议等惯性技术相关会议文献以及惯性技术领域相关机构披露的动态信息的梳理,就当今市场主流光学陀螺、微机电陀螺、半球谐振陀螺、加速度计以及新兴的量子惯性传感器等惯性仪表及惯性导航系统的发展现状进行了梳理、概括和总结,并对惯性技术领域的发展趋势进行了分析展望。

近年来,水下导航技术在深海探索和水下作业中的应用前景逐渐受到广泛关注。然而,传统导航方法在复杂水下环境中的应用存在一定的局限性。相比之下,水下生物凭借其卓越的适应性和精准的导航能力,展示了在复杂水下环境中生存与定位的独特优势。综述了八类水下生物的导航机制,详细分析了生物在磁、电、声、视觉、化学及重力/惯性等多维度信息的感知、获取与处理过程,进而揭示了其导航行为背后的生物学原理,并探讨了这些机制对水下仿生导航技术发展的启示。最后,总结了在当前生物导航行为研究中存在的限制与挑战,并展望了未来的发展方向,旨在为水下仿生导航技术的优化与应用提供理论依据和技术支持。

惯性导航技术依靠惯性导航系统内的惯性测量器件确定载体的空间位置和姿态,可以在卫星拒止环境下提供可靠的导航精度。加速度计作为惯性导航系统的关键核心器件,其性能精度直接影响惯性导航系统的导航定位精度。基于石英谐振器力频原理的谐振式加速度计具有高精度、小体积、低成本和频率信号输出的特点,引起国内外相关研究机构的关注。梳理了石英谐振加速度计的最新研究进展,针对石英谐振加速度计的发展现状进行了总结归纳,并展望了其未来发展趋势。

发射点地球坐标系下的误差方程为非线性多变量交链方程,在工程上求解制导工具误差系数采用了简化的方案。针对简化误差模型近似线性化引起的速度环境函数与遥外测速度误差不匹配的问题,提出了一种基于误差反馈修正的提高惯性制导精度方法。首先,建立了惯性测量系统高阶误差模型,陀螺仪和加速度计误差模型中的误差系数有60项;接着给出了发射点地球坐标系下的姿态、速度和位置误差方程,根据线性模型得出简化环境函数的计算方法,并对其存在的问题进行了总结。其次,利用姿态、速度、位置误差反馈对速度误差进行修正和补偿,得到新的速度环境函数。最后,采用最小二乘法求解制导工具误差系数,并把不显著项置为零,对惯性制导遥外测观测量进行补偿,采用基于误差反馈修正的环境函数补偿后的遥外测速度误差比采用简化环境函数计算补偿的遥外测速度误差的均值和标准差都更小,表明所提出的方法具有一定的应用价值。

在小天体探测器着陆过程中,由于太阳帆板发电或避免图像导航困难的原因,太阳入射角较小,探测器的阴影会出现在导航图像中,影响了导航精度。针对此问题,提出了一种基于小天体探测器太阳帆板阴影边缘特征的导航算法。首先,提取阴影边缘特征,利用阴影形状大小与探测器姿态和高度的几何关系构建方程,计算探测器的姿态和高度。其次,利用得到的姿态和高度计算帧间旋转矩阵和缩放系数,对当前时刻图像进行旋转、缩放和插值处理,得到待匹配图像,通过模板匹配计算探测器平移的水平分量。最后,利用Unity3D搭建仿真实验平台,进行仿真验证。结果表明,在可能噪声的影响下,随着探测器的高度降低,位置误差和姿态误差不断减小,最终的位置误差在0.5 m以内,姿态误差在0.2°以内。

惯性传感器阵列的效果取决于传感器间的相关性,传感器之间不同步的采集时间成为制约测量精度的重要因素之一。针对惯性传感器阵列中传感器采集时间不同步的问题,设计了一种并行传输的总线数据采集系统,通过使用共用的时钟和数据线,降低了传感器间的采集时间差,以进一步提高消费级惯性传感器阵列的测量精度。从零偏稳定性、Allan方差等精度指标出发,评估不同设计对惯性传感器阵列性能的影响。实验结果表明,传感器阵列可以改善零偏稳定性和角度随机游走等随机误差,而采用并行总线方式可进一步改善传感器零偏稳定性约28%,改善角度随机游走约10%。并行总线设计为进一步增加阵列中的传感器数量提供了可行方案,从而有效提升了惯性传感器阵列的应用价值。

导航信号处理系统是导航系统的重要组成部分,不仅需要具备快速处理信号的能力和高稳定性,还要实现小型化和轻量化,以适应海陆空天装备需求。针对多种需求,利用高密度集成工艺,采用先进系统级封装(System in Package, SiP)技术,研制出基于SiP技术的导航信号处理微系统电路。采用全国产化电路实现了大容量存储资源封装内部集成(包含FPGA、NOR Flash和多片DDR3),尺寸缩小至26.15 mm×18.45 mm,仅为原先板卡面积的7%;质量为7.5 g,减小至分立器件的45%。顶部覆盖高导热异形散热盖板,提高了电路机械性能和散热能力。搭配各类数据采集前端使用时,电路可实现导航信号的快速编解码、算法加速、高速信号类型转换、综合信息处理、高速通信等功能,并满足了小型化和轻量化的需求。

近年来,谐振光纤陀螺(RFOG)作为一种重要的惯性导航传感器,因其轻量化和高稳定性等优势而备受关注。然而,光纤环形谐振腔(FRR)中存在的光学效应,包括散射和偏振模串扰等,限制了RFOG的发展,并成为研究人员亟待解决的核心问题。对光纤谐振腔的偏振稳定性进行了较为深入的理论分析和实验研究。首先对RFOG中的偏振噪声以及圆偏振保持光纤对偏振噪声的抑制效果进行了理论分析,然后对圆偏振保持光纤谐振腔和保偏光纤(PMF)谐振腔的温度稳定性进行了比较,模拟了PMF和圆偏振保持光纤的本征偏振相位差在温度变化下的漂移,最后设计了谐振腔随温度变化的相变采集实验。实验结果表明,圆偏振保持光纤谐振腔的Δ值为5.496 rad,PMF谐振腔的Δ值为663.65 rad。相较于PMF谐振腔,在相同条件下采用圆偏振保持光纤谐振腔,其偏振稳定性提升了约121.79倍。这一发现提供了解决RFOG中偏振噪声问题的新思路,并为圆偏振保持光纤在RFOG中的实际应用奠定了重要基础。

提出一种基于“四合一”多功能集成光芯片和微型保偏光子晶体光纤环的干涉式光纤陀螺。“四合一”多功能光芯片利用混合集成技术将超辐射发光二极管(Super-Luminescent Diode, SLD)光源、耦合器、薄膜铌酸锂调制器、探测器组合在一起。为了在获得高敏感效应的同时尽可能减小陀螺尺寸,采用60 μm/100 μm超细径保偏光子晶体光纤绕制干涉环,最终实现Φ30 mm高精度集成化光纤陀螺样机的研制。常温测试结果表明,陀螺随机游走系数0.012 (°)/h^1/2,10 s平滑零偏稳定性0.23 (°)/h(1σ),标度因数非线性2.83×10^-5(-100 (°)/s~+100 (°)/s)。-30~60℃温度范围内,陀螺10 s平滑零偏稳定性0.51 (°)/h(1σ)。与传统基于分立器件的光纤陀螺相比,所提出的集成化光纤陀螺同时具有小尺寸和高精度的优势,在新型战术武器、无人系统等领域应用具有独特优势。