2019年国外惯性技术发展与回顾

2019年，在IEEE惯性传感器与系统会议、MEMS国际会议、圣彼得堡组合导航会议、欧洲导航会议、美国导航学会的GNSS等会议上，国外惯性技术相关组织与机构纷纷报道其研究成果。结合惯性会议和相关研究机构披露的信息，梳理了惯性技术领域的最新发展动态，重点介绍了光学陀螺、微机电（MEMS）陀螺、半球谐振陀螺（HRG)、原子陀螺以及加速度计等惯性仪表及惯性系统的发展现状，并对惯性技术领域的发展动向进行了分析和展望。     

2021年国外惯性技术发展与回顾

对2021年IEEE惯性传感器与系统会议、MEMS国际会议、圣彼得堡组合导航会议等惯 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进行详细梳理。总结了光学陀 螺、微机电(MEMS)陀螺、半球谐振陀螺(HRG)、原子陀螺和加速度计等惯性仪表及惯性系统的发 展现状,并对惯性技术领域的发展动向进行了剖析与展望。     

2022年国外惯性技术发展与回顾

惯性技术广泛应用于海、陆、空、天各种载体的导航、定位与控制。通过对2022年的IEEE惯性传感器与系统会议、DGON惯性传感器系统会议、MEMS国际会议和圣彼得堡组合导航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进行的详细梳理,总结了光学陀螺、微机电(MEMS)陀螺、半球谐振陀螺(HRG)、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(INS)的发展现状,并对惯性技术领域的发展趋势进行了分析与展望。当前,惯性技术领域相关研究主要侧重于小型化、提高精度和降低成本等方面。其中,光学陀螺较为成熟,更为侧重于小型化相关研究;微机电陀螺正在致力于向导航级性能突破和发展;半球谐振陀螺主要着力于探索降低高端产品的制造成本。     

2017年国外惯性技术发展与回顾

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。     

基于MEMS陀螺和加计的微惯性测量单元研制

微惯性测量单元具有成本低、体积小、功耗低和抗冲击等优点,可以应用在车辆稳定控制、平台稳定及导航控制系统中,具有广阔的市场应用前景.详细介绍了采用三轴MEMS陀螺和三轴MEMS加速度计研制的微惯性测量单元硬件设计,对信号进行预处理、陀螺漂移补偿、降噪等处理.所研制的低成本MIMU经过补偿后零位漂移保持在:X轴、Y轴、Z轴,可以应用到普通导航领域.     

MEMS陀螺阵列技术研究进展

MEMS陀螺仪体积小、功耗低的优点扩展了惯性器件的应用领域,对于制导武器的小型化具有重要的意义.但国内MEMS陀螺仪精度相对偏低、噪声大,这限制了它在高精度军事领域的应用.陀螺阵列可以利用冗余信息有效提高MEMS陀螺的精度,实现低精度陀螺的高精度应用,而不需要技术和工艺的突破.介绍了MEMS陀螺阵列的基本原理,总结了陀螺阵列近年来的研究进展.在此基础上,提出了陀螺阵列的4大关键技术:陀螺冗余系统配置,误差分析、建模与标定,故障诊断以及信息融合.最后,分析了陀螺阵列的发展特点以及研究重点,给出了MEMS陀螺阵列技术未来的发展思路.     

MEMS惯性器件误差建模和补偿方法研究综述

针对MEMS惯性器件的特点,结合国内外相关文献资料,讨论了MEMS陀螺、加速度计这两类惯性器件的误差建模和误差补偿方法,文中将其误差分静态、动态和随机三类,详细地分析了各自的误差模型、参数标定方法和误差补偿方法,重点讨论陀螺随机误差建模及补偿技术,供广大研究人员参考。     

基于SiP的低成本微小型GNC系统技术

随着微机电系统(MEMS)技术及微惯性器件的发展,大量小型化、低成本、高性能的导航、制导与控制(GNC)产品正越来越多地应用于小型无人飞行器、地面无人系统以及精确制导弹药等领域.针对各类应用需求,基于MEMS惯性测量单元(IMU)、GNSS接收模块、全捷联红外/可见光/激光多模智能导引头、信息处理器(DSP)与数据链通信模块,采用SiP技术研制出GNC芯片.基于GNC芯片构建一体化微小型GNC系统,突破了基于SiP一体化微小型GNC系统集成、全捷联红外/可见光/激光多模智能感知、嵌入式深组合导航、全捷联多模智能导引头/导航/制导与控制一体化设计等关键技术,并对其性能进行了评估.微小型GNC系统技术为低成本小型无人系统和精确制导弹药的发展夯实技术基础.     

基于MEMS陀螺的风洞模型水平姿态动态测量与精度评估

风洞实验对模型的水平姿态实时动态测量精度的要求不断提高,微小型飞行器模型、高精度的激光陀螺、光纤陀螺惯性测量单元往往在体积、质量方面受到限制,而单一的MEMS系统在水平姿态测量精度方面通常难以达到要求。采用高精度石英挠性加速度计替代MEMS加速度计,与MEMS陀螺进行组合测量。针对加速度计I/F转换脉冲量化及陀螺漂移对动态测量精度的影响,提出了一种基于速度观测Kalman滤波的水平姿态动态测量算法,以提高风洞实验中模型水平姿态的测量精度。提出了在三轴飞行模拟转台上,利用高精度激光陀螺捷联惯导系统的测量结果作为基准进行动态精度评估的方法,解决了安装误差、时间同步等因素对评估精度的影响。通过与其他几种惯性水平姿态测量方法进行精度对比,验证了该算法的技术优势。     

圆盘多环内双梁谐振陀螺的结构设计和制备方法

多环陀螺由于其对称性好、机械性能优异、能耗低、效率高等特点成为MEMS陀螺领域高性能惯性器件的代表.基于MEMS多环陀螺的发展现状,针对现有多环陀螺结构刚度较大、灵敏度较低的现状,提出了一种新型的圆盘多环内双梁孤立圆环谐振陀螺,通过内双梁的柔性降低了结构刚度,提高了谐振器的灵敏度.对多环谐振陀螺的主要结构进行了详细设计,对多环陀螺的振动模态进行了有限元分析.同时,提出了基于绝缘体上硅(Silicon on Insulator,SOI)工艺和基于阳极键合工艺的两种制备工艺,进行了工艺流程的设计.     

Conference report - 15t1h saint petersburg international conference on integrated navigation systems

The 15th Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems was held by the Scientific Research Center of Russia - CSRI Elektropribor - co-sponsored by the Scientific Council of the Russian Academy of Sciences on Motion Control and Navigation Problems, the Russian Foundation for Basic Research, the International Public Association - the Academy of Navigation and Motion Control, the American Institute of Aeronautics and Astronautics, the Institute of Electrical and Electronics Engineers (USA), L'Association AMronautique et Astronautique de France, L'institut Franqais de Navigation, and the German Institute of Navigation. Conference topics included: Integrated Systems, Satellite Systems, Inertial Systems, and Sensors.     

车载惯导系统抗扰动自对准方法对比研究

自对准技术是陆基机动平台及装备用惯导系统的一项关键技术,其核心在于惯导系统如何在风扰、发动机振动、人员走动等各种干扰下实现快速、高精度对准.针对目前常用的惯性系解析自对准、Kalman滤波估计自对准和惯性系奇异值分解(SVD)自对准等三种方法进行了研究和对比分析,根据三种对准方法各自的实现原理,提出了一种有针对性的抗扰动优化方法,并通过了数学仿真分析和车载试验验证.结果 表明,在车载使用环境下,后两种方法都能获得较为准确的姿态信息,惯性系SVD方法可以达到与Kalman滤波方法相当的对准精度和收敛速度,且无需先验信息即可获得最优解,表现出了较好的工程应用优势.     

基于任务的微机电惯性系统规模化测试技术研究

针对传统惯性测试技术测试周期长、测试效率低、测试成本高等问题，提出了基于任务的微机电惯性系统规模化测试解决方案。研究分析了微机电惯性系统测试技术的研究现状和发展趋势，建立了基于任务的微机电惯性系统测试体系，详细论证了微机电惯性系统批量、并行、自动化测试解决方案的可行性，为微机电惯性系统规模化测试实践奠定了基础。     

Prototype personal navigation system

Honeywell Laboratories recently funded the development of a prototype personal navigation system based on MEMS technologies. The system components include a MEMS inertial measurement unit, a three-axis magnetometer, a barometric pressure sensor, and a SAASM GPS receiver. The system also uses Honeywell's human motion-based pedometry algorithm. The navigation process is based on a strap-down inertial navigator aided by feedback from a Kalman filter using typical measurements from the GPS, magnetometer and barometer when available. A key innovation is the addition of an independent measurement of distance traveled based on the use of a human motion algorithm. The navigation system combines the best features of dead reckoning and inertial navigation, resulting in positioning performance exceeding that achieved with either method alone. Subsequent to the Honeywell effort, DARPA funded an individual Personal Inertial Navigation System (iPINS) seedling program. Honeywell worked to improve the baseline personal navigation system with the objective of demonstrating the feasibility of reliably achieving navigation accuracy < 1 % of distance traveled in GPS-denied scenarios. In addition, an analysis was conducted to determine the benefit of incorporating terrain correlation into the personal navigation system. The results of this analysis indicate that overall navigation accuracy can be significantly improved through the application of terrain correlation. This presents an are presented. In addition, conclusions from the terrain correlation analysis conducted under the iPINS seedling program are included.     

Development of 1000-mHz Distance Measuring Equipment

The major radio aids to air navigation are listed. Underlined are those whose signal format is standardized by the International Civil Aviation Organization (ICAO) and they have now all been the subject of the IEEE Aerospace and Electronic Systems Society Pioneer Award, as follows: airborne direction finder/nondirectional beacon (ADF/NDB), Busignies and Moseley, 1959; VHF omnidirectional range (VOR), Stuart, 1962; instrument landing system (ILS), Kramar 1964, Alford 1965; air traffic control radar beacon system (ATCRBS), Williams, Bowden, and Harris, 1973; distance measuring equipment (DME), Dodington, 1980. A brief history of the development of the distance measuring equipment, which also formed the basis for an IEEE National Aerospace Electronics Conference luncheon address, is given.     

惯导平台系统研究进展与发展趋势思考

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。     

Novel attitude determination method by integration of electronic level meter,INS, and low-cost turntable for level attitude evaluation and calibration of INS

Attitude references are greatly needed for the evaluation and calibration of Inertial Navigation Systems (INSs), which are widely used in gravimeter, marine, and aeronautical navigation. High-accuracy turntable, INS, and Global Navigation Satellite System have been utilized to verify the performance of relatively low-accuracy INS. The accuracy requirement of the attitude reference continuously increases with the rapid improvement of inertial sensors and navigation algorithms. However, the cost of attitude determination system increases rapidly with the increase of attitude accuracy requirement. To solve this limitation, the integration of level meter, INS, and low-cost turntable is proposed to provide level attitude, such as roll and pitch. The turntable is utilized to rotate the INS. An integration model of the level meter and INS is built to estimate the level attitude and reduce the cost of the turntable. The proposed method successfully avoids the dependence on high-accuracy turntables. An observability degree analysis is conducted to improve the level attitude accuracy further. The simulation and turntable test results indicate that the proposed method can provide high-accuracy level attitude without high-accuracy INS or turntable and is applicable to error calibration and attitude evaluation of INS.