新型微光机电系统惯性测量技术研究进展

微惯性测量单元(MIMU)是惯性导航系统(INS)的核心组件，亦是构建微定位导航授时（μ-PNT）系统的重要组成部分。当前成熟的微惯性测量单元主要基于微机电系统（MEMS）实现，其性能逐渐难以满足新型无人驾驶车、无人飞行器以及制导弹药、航空航天器等军民用领域对高精确惯性导航的需求。近年来,各种新型微惯性测量技术相继被提出，以期望突破微惯性测量单元的性能与尺寸、质量、功耗（SWaP）之间相互制约的关键技术难题。系统总结了近年来国内外在常规MEMS惯性测量技术以及新型微光机电系统（MOEMS）惯性测量、微腔光力惯性测量、量子精密测量等几类新型惯性测量技术方面的研究进展，展望了未来新型高精度惯性测量技术的发展趋势，并提出了一种基于腔光力系统的量子增强型惯性测量技术构想。     

国外光力学加速度计研究现状及发展趋势

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.     

基于内腔光阱的光力加速度测量方法

内腔光阱中被捕获微粒的微小位移将导致腔内激光功率的大幅变化,可实现光阱系统的快速自反馈.基于这一原理,提出了一种新型加速度测量方案.该方案计算了内腔光阱中被捕获微粒的径向受力,建立了利用激光功率进行加速度传感的理论模型,并分析了工作点的选取对加速度测量的影响.系统以高频光电探测器作为加速度测量模块,可实现GHz量级的信号采集.内腔光阱将进一步促进光镊技术在惯性测量方向上的应用.     

视觉导航技术的发展

近20年来视觉导航技术发展迅速,在原理方法与技术实现上取得了重要突破,规模化应用已经成为可能。以视觉导航中光流、视觉里程计、视觉同步定位与地图构建等主流研究方向为对象,对其发展概况、基本原理、技术优势与难点等进行了简要介绍与分析,并从近期应用推广及长远发展角度对视觉及视觉组合导航技术进行了展望。     

光母板技术在航电系统中的应用研究

随着航空电子技术的不断发展,传统的航空电子系统的母板总线在传输带宽、传输距离、EMI等方面正面临着巨大挑战。光母板技术实现了光纤高密度高可靠性的互连,这为航电统一光纤网络应用于先进航电系统打下了坚实基础。本文介绍了光母板技术在国内外的发展以及在航电系统中的应用情况;最后,针对光母板技术在我国航电系统中的应用提出了某些建议。     

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。     

MEMS惯性技术的研究与应用综述

MEMS技术是惯性技术未来主要的发展方向之一。本文介绍了国内外MEMS惯性仪表与系统的研究与应用概况,研究内容与关键技术,以及发展趋势。     

谐振式光子晶体光纤陀螺信号检测及处理技术研究

谐振式光子晶体光纤陀螺是一种具有小型化、高精度等潜在技术优势的新型光纤陀螺,是国内外惯性器件研究的一个重要发展方向。针对谐振式光子晶体光纤陀螺的结构和信号检测原理进行了详细的叙述,确定了基于FPGA的陀螺信号检测总体方案,陀螺信号处理及控制模块主要由频差信号解调、复合拍频检测、闭环反馈控制、数据编码输出以及调制信号模块组成;随后重点介绍了窄线宽半导体激光器的驱动控制方案,在调制解调及频率偏差检测方案上采用数字相敏检波器实现频率偏差检测,在谐振频率闭环跟踪锁定方案上采用数字PI控制器实现环路光频率控制;最后进行了谐振式光子晶体光纤陀螺实验测试系统搭建,以及谐振曲线测试和谐振频率闭环锁定测试。     

光传飞行控制系统研究

简单回顾了光传飞控系统的发展背景,详细介绍了国内外光传飞控系统发展历程及现状,在此基础上分析了光传飞控系统的光纤传输系统、光传感器、光纤数据总线以及光传飞控系统的构型,最后讨论了光传飞控系统的关键技术,分析了光传飞控系统的应用前景.     

基于光切法的微结构三维尺寸测量

针对微机械结构加工特点及其对相应测量技术所提出的特殊要求,运用光切法对三维微结构尺寸测量（尤其是高度尺寸）进行了实验研究和理论分析,阐明了其可行性与潜在优势。     

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。     

惯导系统误差自补偿技术发展综述

提高精度与降低成本是惯性技术发展永恒的主题,误差自补偿技术是符合该主题的重要研究方向之一。惯导系统可通过其特有的旋转机构及其周期性运动,实现惯性仪表误差的自动补偿,从而达到提高系统精度和降低系统成本的目的。论文在综合分析国内外大量相关资料的基础上,重点对国外惯导误差自补偿技术的起源、发展和应用情况进行了研究分析,同时对国内数家单位的研究工作也进行了总结,供该领域研究工作者参考。     

导弹智能化对惯性技术发展需求

未来战争是智能化的战争,未来导弹的发展必然呈现智能化趋势。针对导弹智能化需要具备的智能感知、智能决策、智能控制、智能协同和智能突防等五方面特征,分析了惯性技术的作用和发展需求,颠覆性创新技术的不断涌现,也推动了新原理、新材料、新技术在惯性技术领域的应用。本文提出了需要突破的关键技术,包括惯导系统大数据应用技术、惯导系统容错及系统重构技术、智能协同导航系统的时空基准统一技术、以惯性系统为基础的信息集成技术等关键技术,并对适应未来网络协同作战的智能导弹导航控制需求提出了对策建议。     

基于数值微分计算的SERF原子自旋惯性测量动态仿真

基于量子调控技术的SERF原子自旋惯性测量仪表与传统惯性测量仪表相比,具有精度高、无活动部件、对加速度不敏感等优点,被公认是下一代高精度惯性测量的发展方向。分析了SERF原子自旋惯性装置Bloch微分方程组模型下磁场、激光、角速度输入对碱金属电子极化率和惰性气体核子极化率的影响。针对实验条件下原子系综Bloch微分方程组难以解析求解的问题,基于可变阶次数值微分计算,建立了相应的Simulink模型对实验条件下的原子系综进行数值求解,并分析了极化率对光场、磁场、角速度输入的瞬态响应与稳态响应。仿真结果与理论计算结果相吻合,验证了Bloch方程数值求解的可行性与准确性。该方法可得到惯性测量系统的动态响应,可用于模拟复杂输入下的SERF原子自旋惯性测量系统的输出响应。     

基于滑模反演控制的稳定平台齿隙非线性补偿

针对航空遥感惯性稳定平台中齿隙非线性带来的不稳定问题，结合反演控制和滑模控制的优点，在传统反演控制的每一步迭代过程引入与齿轮运动状态相关的基于连续饱和函数的动态滑模面，设计了相应的滑模反演控制器。在保证了系统误差快速收敛的同时，抑制了反演过程中的误差积累，实现了系统非线性误差精确补偿。仿真实验结果表明，与传统反演控制相比，滑模反演控制显著降低了齿隙非线性对系统动态性能的影响，有效提高了系统对期望角位置、角速度的跟踪性能。     

捷联惯导系统圆锥误差分析

捷联惯导系统由于数学平台隔离作用的不完善,当运载体沿机体坐标轴存在同频率的角振动和线振动时,角振动引起的整流效应将在姿态更新计算中产生圆锥误差,角振动和线振动引起的整流效应将在速度计算中产生划桨误差,在位置计算中产生涡卷误差。文中详细分析了圆锥误差产生机理,针对某型飞机装备 SIGMA50 GPS/SINS 组合导航系统对底座安装的精度要求,分析了安装误差、陀螺频带不够宽、姿态更新率过低对姿态精度的影响,并对维护捷联惯导系统提出建议。     

极区航海用惯性导航系统综述

目前,航海用惯性导航系统普遍采用常规的当地水平固定指北机械编排,不适合极区工作,为了满足航海导航的需要,研究了极区惯性导航技术。给出了常规机械编排在极区导航中面临的主要问题,阐述了国内外极区惯性导航系统的发展与现状,分别介绍了自由方位、游移方位、格网及横坐标惯性导航系统的机械编排,并分析了它们存在的问题,最后简要给出了未来极区导航技术研究的发展方向。     

自主导航控制及惯性技术发展趋势

从协同化、体系化、一体化适应未来战争的信息化,跨域化、高速化、多用化适应未来战争的立体多维化,自主化、平台化、小型化适应未来战争的无人智能化3个方面概述了未来战略新常态下武器装备对自主导航控制的需求,进而对自主导航控制这一概念进行了简要概述.从精确打击入手,阐述了惯性技术对自主导航的重要性,提出惯性技术是自主导航控制的核心.最后,从惯性器件、惯性传感技术、惯性测试、新功能材料、新兴算法和软件技术等方面分析总结了惯性技术的发展趋势,并对我国惯性技术的发展提出了一些建议.     

一种线运动扰动环境下基于惯性凝固系抗干扰自对准优化算法研究

传统惯性凝固性对准技术可有效隔离角运动干扰环境对捷联惯导自对准精度的影响,但对线运动环境下的抗干扰能力不足.据此,在深入分析线运动干扰对捷联惯导惯性凝固系下自对准精度影响途径之上,对线运动干扰环境划分为速度周期波动、突跳以及速度短期线性漂移.提出采用积分降噪、载体惯性系速度递推拟合与基于带遗忘因子递推最小二乘的速度慢漂提取技术相结合的抗干扰自对准优化算法,并进行了试验验证.试验结果表明,本算法可在5min内实现1.3mil的抗干扰自对准精度.