当前,国内外地面无人作战平台处于快速发展阶段,其自主性、智能性的特点使得其相较于传统地面武器平台对导航系统提出了更高的要求,除了具备常规意义上的测姿、定位、定向等功能之外,还需要具备环境相对位姿感知与导航能力。目前,典型的地面无人平台均采用惯性基组合导航方案,以惯性传感器为主,配备卫星、视觉、雷达等多类辅助传感器,通过组合导航算法实现传感器间的有机融合。针对地面无人作战平台的导航需求,对当前主流惯性基组合导航技术进行梳理,分别介绍了惯性/里程计、惯性/卫星、惯性/视觉、惯性/激光雷达组合导航技术的发展现状,并对适用于地面无人作战平台的导航技术进行了展望。

现代军事应用中,远程导弹武器主要功能是精确打击关键军事目标,制导精度成为其首要性能指标。当前,国内外远程武器采用的主流惯性器件为惯导平台系统,平台框架在发射前可控制台体旋转实现自对准、自标定等功能。在导弹飞行过程中,平台控制台体稳定于惯性空间,通过隔离角运动提高惯性仪表使用精度,因而成为远程制导系统的首选惯性器件。我国惯导平台系统技术从20世纪60年代起步至今,先后经历了滚珠轴承平台、气浮陀螺平台、动调陀螺平台、静压液浮平台以及三浮平台系统的发展历程。目前,在研新型远程导弹制导系统主要采用基于三浮陀螺及陀螺加速度计的三浮平台系统,其关键技术包括亚微米精度特种材料加工与装配技术、抗高过载环境高可靠三浮惯性仪表技术、惯性/天文复合制导技术以及惯导平台自对准与自标定技术。近年来,以光学陀螺、半球谐振陀螺等为代表的新型惯性仪表的工程应用精度逐步提升。以平台稳定控制技术为基础,构建基于新型固态陀螺的惯导平台体系架构,将会推动我国远程武器性能跨越式发展。通过分析光纤陀螺、半球谐振陀螺等新型惯性仪表的技术优势以及新一代制导系统小型化、数字化、智能化等性能需求,对我国远程制导用惯导平台技术发展提出了几点建议。

图像采集设备的快速发展带来了图像种类和数量的迅速增加,图像拼接、融合等视觉系统提高了对图像配准的技术需求。图像配准利用原始图像数据或图像特征信息对输入图像的重叠区域进行变换和对齐,是为后续图像拼接、图像融合等图像处理任务提供操作基准的核心技术,是当前计算机视觉领域的热点研究问题。首先介绍了图像配准技术的主要应用领域及重大发展前景,然后说明了图像配准技术的基本框架和技术难点,详细阐述了基于特征以及基于区域的图像配准技术的实现算法及关键技术,分析了不同配准算法的优缺点及适用性,并对图像配准技术的发展前景进行了讨论和展望。

在未来复杂的战场环境下,运用多架无人机在飞行空间内构成相互协作、优势互补及效能倍增的协同作战系统,是取得智能空战胜利的关键所在。首先阐述了无人系统的定义,并分析了其内涵和分类,指出智能化是无人系统未来的发展方向,根据自主完成任务的能力进行了分级。随后引出了典型的协同作战样式,阐述了国内外协同作战发展的现状。从协同态势感知技术、交互与信息作战云技术、智能决策技术、自主攻击技术、集群协同技术及学习与进化技术等分析了制约协同作战水准的关键技术。

基于深度学习的人工智能图像分类方法研究是当前计算机视觉领域的研究热点。面向深度学习中的Softmax图像分类方法,首先回顾了图像分类技术的发展历程,接着介绍了图像识别技术中的分类器,并解释了Softmax回归函数的分类实现原理。基于Softmax回归分类器的应用,详细阐述了多种图像分类技术,具体包括浅层神经网络、深度置信网络、深度自编码器和卷积神经网络。同时,对比介绍了各种级联模型的具体结构、训练方法、实际应用、分类效果以及优缺点。最后,从Softmax回归分类器、深度学习网络模型和高维数据分类三个方面对基于Softmax回归分类器的深度学习模型在图像分类方面的发展与应用前景进行了展望。

微半球谐振陀螺是一种基于MEMS工艺实现高精度谐振结构制造,进而实现角速率或角度信号测量的新型振动式陀螺。该技术既有望继承传统半球谐振陀螺高精度、长寿命等优点,又兼具了微型化的技术优势,具有极大的发展潜力。目前,微半球谐振陀螺技术处于起步阶段,对其的研究重点主要集中于高精度谐振结构的制造技术。介绍了多种微半球谐振陀螺的制造方法,分析了其技术特点,并结合国内外微半球谐振陀螺技术的发展现状,对其未来发展趋势进行了阐述。

无自旋交换弛豫磁力仪利用碱金属原子自旋交换弛豫消除效应实现弱磁场信息测量,具有超高灵敏度、小体积和低功耗等优点,已成为国内外精密磁场测量技术的研究热点之一。介绍了无自旋交换弛豫原子磁力仪的工作原理和国内外研究现状,重点讨论了长弛豫时间原子气室、原子气室无磁加热和高精密动态磁补偿等关键技术,并对无自旋交换弛豫原子磁力仪的发展趋势和应用前景进行了展望。

近年来,国外导航技术的发展呈现出多系统融合的发展态势,结合2019年国外导航技术的发展动态,对美国、欧盟、俄罗斯、印度等国家和地区的卫星导航、惯性导航、天文导航、视觉导航、数据库匹配导航、仿生导航、量子导航和全源导航等技术发展现状进行了总结分析,并对相关技术发展进行了展望。

小样本学习是指在样本数据不足或质量较低的情况下进行的深度学习训练和预测的方法。针对深度学习目标检测应用中可能会面对的样本数据不足的问题,分析了小样本目标检测的数学模型和误差来源,将适用于小样本目标检测的方法分成数据、模型和算法三个类别进行了归纳总结,简述了各个方案的缺点与不足,并枚举了近年来在小样本目标检测上的可行方法实践探索,简要介绍了其实现的效果。在此基础上,简单介绍了与小样本学习相类似的深度学习应用,并在分析了目前小样本检测中存在的问题后,对未来小样本目标检测的发展方向和研究趋势进行了讨论。

碱金属原子气室是原子陀螺、原子磁力仪和原子钟等量子仪表的核心部件,高性能微小型原子气室是制约上述量子仪表性能的重要因素之一。从理论基础、制造工艺和材料等方面回顾了原子气室的研究进展,对微型气室玻壳精密加工技术、原子气室精确充制技术、耐高温抗弛豫镀膜技术、原子气室后烘处理工艺等相应关键技术进行了分析和讨论,并针对量子仪表微小型、高精度、集成化的发展需求,分析了碱金属原子气室的发展趋势。

AGV是现代自动化物流系统中的关键设备之一, 它以电池为动力, 装备有电磁或光学等自动导引装置, 能够独立自动寻址, 并通过计算机系统控制完成无人驾驶作业。本文总结概括了AGV的发展概况,介绍了AGV的工作原理和应用领域,论述了AGV的关键技术及最新技术成果,为今后进一步设计出更好的AGV提供了参考。

由于卫星导航系统不能穿透物理遮蔽物且容易受到干扰以及惯性导航系统误差积累容易发散的特点,传统的惯性/卫星组合导航系统越来越难以满足人们对导航精度的需求,于是多传感器组合导航系统应运而生并不断发展。在多源导航系统中,如何高效可靠地融合不同传感器的数据是其中的核心,工程实践中采用较多的是联邦Kalman滤波,但其在处理异步异质非周期信号和非线性问题时都显得力不从心,近来越来越多的目光聚集在因子图算法上,故对目前因子图在多源组合导航系统的应用情况以及将来可以发展的方向进行梳理阐述。

空间三轴激光陀螺作为激光陀螺技术集成创新的典型代表,已充分展现出优越的综合性能。为全面了解和掌握空间三轴激光陀螺技术发展现状,本文梳理了空间三轴激光陀螺原理与组成、主要特点、关键技术和研究历程,分析了国外主要研究机构、典型产品型谱及应用现状,从中可见空间三轴激光陀螺在国外已经非常成熟和广泛应用。针对国内发展现状和存在的差距,提出了后续发展建议,为我国激光陀螺技术发展及产业化提供了参考。

陀螺仪是惯性导航系统的核心器件,首先对传统陀螺仪的发展历史进行了回顾,并介绍了各类陀螺仪的基本原理与优缺点。然后,从关注度、精度、成本、应用四个角度对传统陀螺仪目前的发展状况进行了总结与对比。最后,对未来陀螺仪的发展进行了展望,希望能对陀螺仪的研究有一定的参考意义。

加速度计在消费电子、工业监测、惯性导航和资源勘探等领域有着广泛的应用,与传统的加速度计相比,近年来出现的光力学加速度计具有精度高和可微型化等优势,其涉及光力耦合效应、微腔光子学和微纳加工技术等多个领域,是下一代高精度加速度计发展方向之一。详细介绍了光阱悬浮式和光学微腔式两种原理的多种类型光力学加速度计,分析了各种光力学加速度计的工作原理、传感方式及其优缺点,总结了国外光力学加速度计的研究现状及未来发展趋势,为我国发展光力学加速度计相关研究提供参考。

半球谐振陀螺是一种高精度、高可靠性、长寿命的新型固体振动陀螺,应用前景广阔。作为半球谐振陀螺的核心零件,石英半球谐振子壁薄、形状复杂、对加工精度要求高、制造难度大,而这些因素是制约半球谐振陀螺研制的主要瓶颈。结合半球谐振陀螺的技术发展,分析了半球谐振陀螺的结构类型和特点,介绍了石英半球谐振子的粗磨成型、精密磨削、研磨抛光、化学腐蚀、质量调平、表面镀膜等加工方法及研究进展,提出了未来半球谐振陀螺的研究重点和建议。

本文第一部分综合了国外近几十年根据不同需求形成的多种水下导航技术,论述了面上导航信息利用水声技术向水下转化的多种形式以及利用不同地球物理参数与地理位置相关性导航的各自特点与问题,论述了在测绘海底地形、重力与其它地球物理特性及其变化时在传感器层面和任务层面融而为一所形成的独具水下特色的同步定位与建图(Simultaneous Localization and Mapping,SLAM)导航技术,论述了NavLab作为一个通用工具软件在水下导航系统研发、精度分析以及作业前导航功能规划和导航信息事后处理方面的独特作用。本文第二部分以极具代表性的挪威HUGIN AUV系列产品军民两用为实例,根据任务和导航功能需求,从其“导航工具箱”(ToolBox)选择适用手段,给出典型任务对应的导航方式和传感器。文章结束部分给出了基于先进人工智能技术的未来展望。

激光捷联惯导广泛应用于导弹、舰船、飞机和火箭等,我国目前对其在大过载、大角度锥动以及线角振动等高动态环境下的性能研究相对不足。针对激光捷联惯导在高动态环境下精度下降的问题,从惯性器件、减振、算法等角度梳理了激光捷联惯导动态误差机理和提高动态精度的关键技术,选取介绍了近年来有价值的研究进展,简要探讨了未来提高激光捷联惯导动态精度的思路。

航天器是在地球大气层以外运动的飞行器,也包括部分从宇宙空间返回地球的飞行器。在航天器的飞行过程中,惯性敏感器是实现航天器姿态确定、速度变化测量的关键敏感器之一。随着航天器任务的不断扩展,航天器对惯性器件的使用日趋复杂,高精度定姿、惯性导航、组合导航等技术在应用深度和广度上不断发展。以此为背景,对航天器惯性技术的发展脉络进行了全面的梳理和总结,包括惯性技术的使用方式、技术现状以及未来发展等几个方面的内容。

微波传感器现广泛应用于商业、军事、勘测等领域,而传统传感器已经无法满足现实的需求,因此需要一种新型微波传感器来实现弱场的测量。针对传统的微波偶极振子传感器灵敏度低、测量时需要校准、自带天线会影响测量、工作频段窄等问题,介绍了一种基于里德堡原子的微波传感器。这种传感器不仅能够更好地对弱场进行探测,还能传递基带信号,达到无线通信的目的。从基本的物理原理对里德堡原子微波传感器进行了详细的介绍,对掌握微波弱电场探测原理与技术基本知识以及进一步推广和应用具有重要的意义。

从精确打击入手阐述了惯性技术对于防空导弹的重要性,提出惯性技术是防空导弹自主导航制导的核心之一。回顾了防空导弹惯性技术的发展历程,从快速反应、工作环境、测量精度等方面概述了防空导弹对惯性技术的需求,梳理了惯性传感器技术、动基座对准技术、高精度自主导航技术等几个关键技术。最后,从新型惯性传感器技术、新材料和新制造技术、新应用场景新需求等方面分析了防空导弹惯性技术的发展趋势,并从工程应用层面对防空导弹惯性技术的发展方向进行了展望。

近年来,海洋无人小型平台逐渐成为人类从事海洋研究与探索等活动不可或缺的工具。随着“海洋强国”战略的实施,水下平台的导航定位技术成为维护领海安全、发展海洋经济及执行水下一系列任务的重要保障。现阶段,水下无人小型平台导航定位方法多采用以惯性导航技术为主、水声定位及地球物理导航等技术为辅的组合导航方式。其中,惯性/水声组合导航是当前水下目标定位与跟踪的主要手段。基于此,首先给出惯性/水声组合导航系统的国内外应用现状,进而对水下导航定位关键技术的研究进展进行总结,最后对水下无人小型平台组合导航定位系统的应用需求和发展趋势进行分析。

石英振梁加速度计是一种基于振梁谐振和力频特性原理的新型全固态惯性传感器,具有高精度、大量程、低功耗、直接频率脉冲输出等突出特点,已被广泛应用于战术武器系统。简要介绍了石英振梁加速度计的工作原理、技术特点,梳理了分体式和一体式两种仪表结构的研究现状和关键技术。结合国外研究发展趋势,指出石英振梁加速度计将成为后续达到摆式积分陀螺加速度计精度和抗辐照指标、满足战略级需求最有可能的加速度计方案。

科学的进步推动了惯性技术新理论、新思维、新机理和新结构的发展,装备的竞争繁荣了惯性技术应用的新方法途径、新领域市场和新应用模式,惯性仪表性能精度快速提高。20世纪以来,两次量子技术革命方兴未艾,推动惯性技术突飞猛进地发展。世界惯性领域专家一直以需求为牵引,以提高精度为宗旨,积极推进基础惯性技术关键技术攻关,积极探索新机理,创新拓展新型功能应用。目前,在传统机械转子陀螺的基础上,总结积淀、升华跃迁,创新促成光学干涉、量子纠缠等多种新型惯性技术仪表的诞生。惯性技术又迎来了量子信息和大数据为基础的量子+人工智能的新时代,获得了复兴和繁荣的新机遇。本文分析了惯性技术的发展总历程及现状,并提出了一些认知和思考,供惯性领域不断探索的技术工作者商榷参考。

本文综述了惯导测试设备误差源、运动参数激励误差、误差传递方法,介绍了如何获取在惯性仪表坐标系下的精准运动参数激励,介绍了惯性仪表测试误差自动补偿、抑制方法。最后综述了惯性仪表测试误差的评估方法,阐述了惯性仪表测试标定技术的发展方向。

概述了国外惯性相关机构的发展变化,从环形激光陀螺(RLG)、光纤陀螺(FOG)、微机电(MEMS)陀螺和原子陀螺等角度详细介绍了近年来不同机构如美国诺格公司、霍尼韦尔公司、法国赛峰电子与防务公司、iXblue集团等的概况及其惯性仪表、系统的发展与应用。分析了全球定位系统(GPS)面临的严峻形势下,美国GPS的发展以及GPS拒止环境下部分项目的新进展。最后,对比了不同陀螺技术的发展和应用,总结了惯性技术的趋势。

针对浅水区、污染区、极地等复杂海洋环境,传统海洋调查手段劳动强度高、安全风险大、作业效率低。无人水面艇具备无人、高效等特点,非常适合在上述复杂海洋环境中作业,并于近年来在海洋调查领域中得到了快速发展与广泛应用。从海洋调查领域中无人水面艇的优势、国内外典型的无人水面艇和应用案例入手,深入分析了我国无人水面艇海洋调查的现状,并对未来的技术发展方向进行了展望。实践表明,应用无人水面艇进行海底地形地貌调查的技术已基本成熟,水深数据质量和自主导航精度均可满足规范要求。在未来,须将无人水面艇的应用进一步扩展至物理海洋、海洋生物、海洋化学等专业领域,并加快研制基于可再生能源的长航程无人水面艇,以开展全球性海洋调查。

基于飞机航电系统的发展演变历史,阐述了新一代飞机航电系统的综合化演变过程和主要特征,研究了新一代飞机综合化航电系统的结构趋势,提出了提高航电系统综合化水平需重点研究的关键技术。

碱金属气室是原子陀螺、原子磁强计和原子钟等原子测量仪器的核心部件。原子密度主要受加热温度的影响,高均匀性、高稳定性的气室加热结构是保证碱金属原子密度稳定的关键技术,对提升原子测量仪器输出信号的灵敏度至关重要。回顾了目前常用的碱金属气室加热方法,针对加热层、传热层、保温层等组件,梳理和总结了碱金属气室加热结构的发展方向和发展历程,并在此基础上展望了未来碱金属气室加热结构的发展趋势。

针对强对抗、非线性、多样化等未来水下无人系统作战态势需求,以大排量无人潜航器(Unmanned Underwater Vehicle,UUV)为载体平台,结合潜航器战技指标梳理了总体性能、总体结构、能源供电、动力推进、导航控制等内部逻辑关系,设计了潜航器惯性基多源自主导航总体工作流程以及扩展卡尔曼滤波模型,提出了大排量无人潜航器的未来技术发展趋势,为大型UUV长航时自主导航提供了基本思路。

惯性技术是通过惯性传感器敏感载体运动信息,自主建立运动载体姿态基准的手段。随着现代光电探测技术的不断发展,光电武器装备在侦察、监视、定位、导航和通信等场合的应用越来越广泛,惯性技术在光电探测技术与光电设备中的作用也越来越重要。本文介绍了光电探测技术和典型机载光电系统、惯性技术的发展历程,详细介绍了惯性技术在光电探测技术中的应用情况,分析了其对作战方式和作战效能所带来的变化和提升,阐述了惯性技术在光电探测技术应用的未来发展需求和趋势。

海洋/航空重力测量是基于移动平台的动态相对重力测量,是指用有人测量船或飞机搭载重力仪或加速度计,来测定海面或近地空中重力加速度的重力测量方法。介绍了重力仪的应用领域,针对移动海洋/航空重力仪、海空重力仪车载试验,综合阐述了其国外、国内发展现状,指出了无人重力测量技术和深远海动态重力测量技术亟待解决的问题,分析了我国在海空重力测量领域中的发展方向。

光子晶体光纤具有辐照不敏感、热敏感度低等特点,可以显著增强光纤陀螺仪的空间环境适应性,并有利于减小光纤陀螺重量、尺寸和功耗。本文分析了光子带隙型光子晶体光纤和折射率导引型光子晶体光纤的特点,详细阐述了光子晶体光纤陀螺仪的原理、关键技术及国内外进展。

单光子激光雷达获取的点云数据存在大量噪声,这给数据的处理带来了挑战。基于局部距离统计提出了改进的点云去噪算法,对单光子激光雷达点云原始数据进行去噪。然后基于统计分析方法改进了点云滤波算法,对去噪后的点云数据进行滤波处理。利用新提出的算法与传统算法去噪和滤波后得到的点云进行比较,并与传统激光雷达的数字地形模型(DTM)数据进行对比。计算得到MABEL地面点云相对于传统激光雷达高程的均方根误差RMSE为2.98m,相关系数R²为0.9938。进一步对地面点云插值得到剖面数字高程模型(DEM)数据,其相对于传统激光雷达高程的均方根误差RMSE为2.85m,相关系数R²为0.9931。实验结果显示,提出的单光子激光雷达点云去噪和滤波算法优于传统算法,与传统激光雷达DTM数据具有较好的相关性,能够精确的恢复地形信息。

利用室温铯原子里德堡态构建原子天线,研究原子天线对30MHz~40GHz频率范围电磁波信号的响应特性。实验中,通过852nm和509nm的双光子激发方案实现里德堡原子的量子态制备,通过阶梯型电磁感应透明光谱实现电磁波信号测量。实验研究了66S_1/2、66D_5/2、76D_3/2里德堡态的宽频电磁波响应特性,研究发现近共振条件下,原子与电磁场通过电偶极共振跃迁耦合,光谱信号较强,系统的测量灵敏度为-110dBm/Hz±2dBm/Hz,线性动态范围为40dB;失谐条件下,原子与电磁场的相互作用主要是AC Stark频移,光谱信号较弱。对于铯原子,66S_1/2与66D_5/2里德堡态在30GHz附近存在测量不敏感区;76D_3/2量子态在30MHz~40GHz范围的偶极共振跃迁分布均匀,实验没有测量到明显的不敏感区。

基于冷原子干涉仪的量子传感器具有极高的理论精度,在自然科学的各个领域特别是重力测量和惯性传感领域有着广泛的应用。首先介绍了原子干涉仪的基本原理,在此基础上给出了基于双光子受激Raman跃迁的脉冲式Mach-Zehnder原子干涉仪的干涉相位,描述了原子干涉仪在重力仪和陀螺上的应用及其发展历程,着重分析了当前发展最成熟的原子重力仪的发展历程和趋势,指出了原子干涉仪应用的发展方向。

光泵原子磁力仪利用光与原子相互作用,实现对磁场的高灵敏度测量。介绍了光泵原子磁力仪的基本原理、实现方案及发展过程,探讨了灵敏度、准确度、探测盲区、航向误差、量程、带宽等主要技术指标的概念及影响因素,重点介绍光源和原子气室核心关键技术的发展,特别是高稳原子灯和激光光源技术、抗弛豫镀膜及多反射原子气室技术的进展。最后,讨论光泵原子磁力仪技术在航空、地面、海洋以及空间磁探测中的应用。

根据转速和工作温度范围,航天轴承可选择固体润滑、油或脂润滑。航天轴承在轻载条件下工作,其失效一般是由于润滑剂损失、退化引起润滑膜破坏,磨损加剧导致轴承精度丧失。航天轴承服役期考量的是精度寿命,即磨损寿命。对不同润滑工况下航天轴承磨损寿命的影响因素、失效模式、失效准则、磨损寿命模型、加速寿命试验及基于性能退化的剩余寿命预测进行了概述,总结了目前研究中存在的不足,并提出了值得关注和需要进一步研究的方向。

通常长寿命三轴稳定卫星都采用帆板式太阳电池阵进行能源供应,并使用太阳电池阵驱动装置使电池阵对日定向。国际上从20世纪60年代开始,不断开发研制太阳电池阵驱动装置,以满足在大功率、小型化、适应恶劣环境等方面的特殊需求,经过几代的发展,取得了长足的进步。根据国内收集的相关信息和资料,通过介绍国际该领域的发展及对应需求的典型产品,尝试分析该领域中相应的应用、研究的重点及发展的方向。

在游泳运动姿态测量中,由于水对各种信号的吸收以及折射问题,依赖外部信息的传感器不能准确提供信息,而惯性技术由于不依赖外部信息,适合应用于游泳运动姿态测量领域。惯性姿态测量需要初始对准技术提供初值,从而计算得到游泳运动过程中的姿态。而游泳运动员起跳时间不确定,传统的初始对准算法需要较长时间才能得到一个较高精度的结果。针对这一问题,提出了采用Mahony算法进行快速对准的方法,使用MEMS九轴惯性测量单元进行信息采集,通过角速度信息计算姿态角,加速度信息修正水平姿态角,磁场强度信息修正偏航角,使用互补滤波方法对多源信息进行融合,从而快速得到惯性姿态测量的初值。实验室实验验证了姿态角水平精度可以在3s内达到角分级别,满足了游泳运动的需求,在实际运动场景下的测试也验证了算法的可行性。