自主导航技术作为无人系统等关键平台不可或缺的核心技术,其战略价值与应用前景日益凸显。然而,在城市峡谷、室内、水下等卫星拒止环境中,依赖全球导航卫星系统的传统导航方式易受干扰,导致精度骤降或定位失效。近年来,深度学习技术的快速发展,为构建高精度、强鲁棒、全自主的导航系统提供了新思路。聚焦卫星拒止时深度学习辅助自主导航技术,深入调研并剖析深度学习辅助惯性导航技术、拒止条件下多源智能导航技术、深度学习赋能滤波融合技术三方面研究进展,最后展望了深度学习辅助自主导航技术的未来发展趋势。

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。

自主导航是衡量机器人智能化水平的核心能力。传统导航框架普遍依赖连续且精确的定位信息,在长廊等感知退化场景中易因定位失效而崩溃。同时,单一规划策略也难以兼顾多变环境下的效率与安全性。为应对此挑战,提出了一种基于点云场景理解与拓扑规划的自适应导航框架。通过基于稀疏体素卷积神经网络场景导航理解的导航策略切换方法,识别开阔区域、狭窄通道和房间等空间结构,设计面向场景特征的导航策略自适应切换方法。提出改进的 Zhang-Suen中线提取方法,结合骨架结构剔除冗余节点与分支,增强拓扑地图对环境空间布局的表达能力。设计了一种启发式A^*算法,利用中线拓扑实现与通道结构对齐的路径引导,提升机器人在狭窄空间中的通行稳定性与安全裕度。试验结果表明,在狭窄环境中,所提方法较主流局部路径规划方法导航耗时平均减少13.1%,路径平滑度平均提升34.6%,并在定位失效情况下保持稳定、安全运行。

随着国际贸易和海上运输规模的不断扩大,基于船舶自动识别系统的船舶轨迹预测,作为智慧航运与海事监管的核心技术,正面临越来越高的精度与鲁棒性要求。为应对复杂航行环境中常见的观测扰动与预测精度不足,构建了一种兼具高精度预测能力与抗噪鲁棒性的船舶轨迹预测框架。具体而言,提出了融合门控循环单元与多尺度自注意力机制的新型预测模型——GRU-MSAformer。模型首先通过GRU提取局部时间依赖特征,随后引入多尺度自注意力机制,对不同时间尺度下的轨迹行为进行建模,实现对噪声的自适应过滤。实验结果表明,GRU-MSAformer在无噪声和高斯噪声干扰条件下均展现出优越的性能。在10~40 min的预测任务中保持较低误差,且在不同噪声强度下仍能维持稳定的预测精度。

随着信息化向多维物理空间深度拓展,时空信息主导权已成为大国战略竞争的核心领域之一。面向国家综合定位、导航与授时(PNT)体系发展需求,探讨了制权博弈体系的内涵与技术演进,梳理了从制海权、制空权、制天权到制电磁权与制信息权的跨域协同发展脉络,重点分析了制导航权在对抗环境下的技术发展路径。通过归纳美国、俄罗斯等国家在导航对抗中的技术体系构建策略与发展趋势,剖析了现有卫星导航系统在服务端与应用端的相关脆弱性,探究了天基弹性PNT与智能多源自主导航等关键技术方向。最后,从体系对抗和认知域等维度展望了制导航权技术的未来趋势,以期为我国新一代综合PNT体系建设提供技术参考。

惯性测量单元在自主导航定位中发挥着重要作用,但其测量误差会随着时间呈指数级增长。提出了一种基于时频特征编码神经网络的行人惯性导航方法,将惯性数据的时序序列与经过Haar变换得到的频域序列分别作为神经网络的输入,通过惯性时频特征编码器分别提取时域和频域特征,并通过多头注意力机制自适应地融合并学习不同时间步和频率分量之间的依赖关系。再将神经网络的预测结果通过扩展卡尔曼滤波框架与惯性运动模型融合,以进一步优化状态估计。在公开数据集TLIO和RoNIN上的实验结果表明,相比于基准方法TLIO,本文方法在绝对轨迹误差、相对轨迹误差和漂移率上分别降低了10.8%、17.7%和12.9%,展现了在行人复杂运动场景中的高精度和鲁棒性。

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。

半遮蔽厂区等复杂应急救援场景中,人员定位易受遮挡、信号衰减影响,传统依赖固定基站的定位方案难以快速适配突发救援需求。惯性导航系统虽可自主定位,但存在误差随时间累积、三维定位精度不足等短板。针对半遮蔽厂区应急救援中人员协同定位精度不足以及对预设基础设施依赖的问题,聚焦“ZigBee+惯性导航系统(Inertial Navigation System,INS)”的多人员协同定位技术,旨在突破传统定位模式,在无预设基站的情况下实现快速部署和高精度定位,从而提高救援效率,并增强对人员的安全保障。首先,将ZigBee锚点部署于救援人员端,采用互功率谱相位法估算到达时差(Time Difference of Arrival,TDOA)的时间延迟;其次,结合救援人员与指挥官位置信息,利用改进TDOA算法抑制定位误差;再次,基于改进TDOA结果,采用泰勒算法求解救援人员初始位置;最后,以ZigBee、气压计与磁力计构建位置与航向约束,通过扩展卡尔曼滤波器(Extended Kalman Filter,EKF)完成多源信息融合与位置实时更新。实验结果表明,与惯性导航和经典协同定位算法相比,所提算法的均方根误差和绝对平均定位误差分别降低了55.42%和62.36%。该算法在半遮蔽环境中实现了无锚点、可快速部署的多人员协同定位,为应急救援的精准指挥提供了技术支持。

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。

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。

低成本惯性测量单元存在的交轴耦合误差、比例因子偏差和时变噪声会显著降低姿态估计精度,而现有神经网络去噪方法在多维误差建模中存在明显局限性。提出一种融合时间和通道注意力机制的陀螺仪自适应动态补偿网络,采用卷积神经网络进行特征提取,通过通道注意力机制优化多轴特征权重,借助时间注意力机制平衡各时刻特征贡献,从而提升网络的精度和鲁棒性。在EuRoC数据集上的实验表明:通道注意力机制能显著提高动态补偿精度;时间注意力机制可平衡三轴的精度,但无整体性能增益;二者结合虽有一定改进,但部分场景下其相互作用可能阻碍性能达到最优水平。该结果验证了多注意力机制在惯性传感器误差建模中的有效性,并为低成本陀螺仪动态补偿算法设计提供了新见解。

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。

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。

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。

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。

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。

在复杂动态环境中实现高效避障与稳定导航是服务机器人发展的关键挑战。传统方法依赖静态地图或频繁迭代计算局部最优轨迹,在动态狭窄通道环境下易陷入局部最优或发生碰撞。为此,提出了一种融合时空感知与知识蒸馏的端到端导航框架。该方法引入 PredRNN结构建模图像序列以捕捉时空特征;其次,设计“教师-学生”架构,利用基于激光雷达与动态障碍先验知识的教师网络获得高质量策略,对以深度图像为输入的学生网络进行感知与行为蒸馏,使其继承教师知识并具备鲁棒决策能力。实验结果表明,该方法在复杂动态场景下的到达率相比最优基线提升了13%。综上,该框架突破了传统方法在动态、狭窄和感知受限环境中的局限,展现出更强的泛化性与适应性,为服务机器人在真实复杂环境中的安全高效运行提供了新思路。

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。

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。

随着核技术的广泛应用,利用移动机器人代替人工进入未知辐射环境执行核应急任务愈发重要。然而,机器人受限于探测时间与传感器性能,仅能获取稀疏的辐射数据,但为了便于开展核安全监测工作,必须获取环境中的辐射场分布和放射源的位置。针对上述问题,提出一种融合二维激光SLAM与辐射特征的源项定位方法。该方法利用移动机器人搭载核辐射探测器、激光雷达等传感器进行辐射数据采集和环境地图构建;然后,基于高斯过程回归方法反演出区域辐射场,并将反演的辐射场融合到SLAM环境地图中;最后使用霍夫变换方法定位未知放射源。此外,在放射源存在的真实环境下开展了实验验证,实验结果表明:在采用Gmapping、Hector和Cartographer三种激光SLAM算法构建占用栅格地图的基础上,空地和厂房两种环境中均能够完成全局辐射环境地图的融合,且定位精度高于0.29 m。

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。

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。

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。

具身智能的行为学习依赖于高质量机器人操作数据,但真实机器人数据采集成本高且规模有限,而互联网视频数据虽规模庞大却缺乏动作状态标签。针对无标注视频中状态表征提取困难的问题,提出了一种基于视频预训练的具身智能行为学习方法。首先,构建视频无监督预训练框架,通过特征提取编码、动静态特征分离和跨帧一致性约束实现潜在状态提取;其次,设计多模态Transformer架构,结合分块注意力机制与动态动作头完成多模态信息融合与自适应动作生成。仿真结果表明,本文方法在CALVIN及SIMPLER仿真环境中的任务执行中的性能相较于基线方法Moto最高提升32.96%,在未知环境泛化性和环境鲁棒性测试中均表现出显著优势,有效提升了具身智能的行为学习能力。

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%。

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。

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。

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。

GNSS欺骗攻击可导致自动驾驶汽车被攻击者隐蔽操控,严重威胁道路交通安全。针对现有检测方法存在的应用场景受限、实时性不足等问题,提出了一种基于LSTM和注意力机制的欺骗检测方法。该方法通过构建LSTM-Attention模型,实现多传感器数据融合与车辆运动状态估计,进而通过航迹推算生成参考轨迹,并借助轨迹一致性检验判别欺骗行为。为降低累积误差对定位精度的影响,引入滑动时间窗口机制,在窗口内进行误差校正,并对比参考轨迹与GNSS导航解之间的相似性。实验结果表明,所提方法在保持低虚警率的前提下,对突变型欺骗的检测率达到97.5%,优于现有的基准方法,且能够满足实时检测需求。

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。

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。

在自动驾驶与智能交通系统中,视觉定位依靠视觉传感器识别环境地标实现车辆位姿估计,而协同定位通过多车共享信息在地标稀疏场景中提升连续性与可靠性。针对全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)拒止问题,提出了一种面向车联网的协同视觉定位分析框架,构建统一的随机几何建模与性能评估体系。环境地标采用均匀泊松点过程(Homogeneous Poisson Point Process,HPPP)建模,车辆空间分布由泊松线Cox过程(Poisson Line Cox Process,PLCP)刻画。在此基础上推导出单车视觉定位概率,并在视觉失效时引入基于V2V通信的协同定位机制,结合Nakagami-m衰落信道获得多车协同定位概率的解析表达式。仿真结果显示,理论结果与蒙特卡罗仿真均方误差均低于1%,验证了所提模型的准确性。该框架揭示了地标分布、信道衰落与车辆布局的耦合影响,为协同视觉定位的性能评估与参数优化提供了理论依据。

现有惯性测量装置处于空间稳定或捷联工作模式下,加速度计敏感轴无法对准推力矢量方向。这不仅造成石英加速度计输出精度受交叉耦合二次项误差影响,还使得陀螺加速度计在低轴向过载时难以发挥其高过载条件下的精度优势,同时影响导航解算精度。针对上述问题,设计了推力矢量跟踪工作模式。采用经典超前滞后控制方法将径向石英加速度计控制到过载为零的方向,保证轴向加速度计跟踪推力矢量方向,可消除石英加速度计二次项测量误差。实验验证表明,矢量跟踪模式下可实现轴向加速度计始终跟踪过载方向,径向加速度计敏感到的过载为零。此外,高精度惯性测量装置中布置有陀螺加速度计,针对推力矢量跟踪控制过程的基座角运动引入额外的陀螺加速度计输出误差,建立输出误差模型,采用增益调度线性二次型调节器(Gain-scheduled Linear Quadratic Regulator, GS-LQR),对推力矢量跟踪过程进行控制优化设计,抑制基座角运动引起的输出误差。仿真结果表明,对比已实现的经典超前滞后矢量跟踪控制方法,在跟踪速度相当的基础上,所提方法可有效抑制陀螺加速度计输出误差。

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。

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。

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。

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。

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。

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。