飞行数据的异常检测是保障无人机飞行安全的关键。为了提升异常检测的准确率，以更好地构建无人机飞行数据正常样本的数据模式，提出了一种基于长短时记忆网络（LSTM）和生成对抗网络（GAN）的异常检测算法。设计了由生成网络、判别网络和重构网络组成的循环学习网络，同时为了避免网络学习产生梯度爆炸的风险，设计了一种由两个判别损失函数与一个重构损失函数相结合的目标损失函数。实验结果表明，LSTM-GAN异常检测算法均优于K-means、单类支持向量机、LSTM和Auto-Encoder算法的异常检测性能。LSTM-GAN比LSTM异常检测的准确率提高2.2%。

单目视觉/惯性定位系统由于其低成本和高自主性被广泛使用。然而视觉/惯性里程计在长时间的运行后，会产生较大的累积误差，无法提供准确的位姿估计，并且在光线、路况复杂的环境系统存在特征点跟踪失败，无法解算当前位置，稳定性不高的问题。针对以上问题，提出了基于非线性优化的先验特征地图匹配方法，利用单目视觉/惯性SLAM建立的位姿图来约束系统的残差估计，通过计算当前帧与特征地图中历史帧的相似度，如果两者相似度高于某一阈值，则使用地图的位姿进行误差约束，从而消除累积误差，提高系统的稳定性。利用无人机在高空飞行15分钟约6.4公里的数据来验证地图匹配方法。实验结果表明，所提出的地图匹配方法与未使用地图匹配算法相比，在耗时增加不到20%的情况下提升了91%的导航精度（RMSE），能有效减少单目视觉/惯性系统的累积误差，从而提高系统的稳定性。

在卫星拒止条件下无人机安全、可靠地完成各类作业的基础是获取高精度的定位信息，传统图像匹配方法保障困难、定位精度差且匹配约束多。因此，提出一种基于深度特征正射匹配的视觉定位方法，通过深度学习网络提取正射校正后的无人机航拍图像和商业地图的深度特征，获得匹配关系，进而计算无人机高精度位置信息。根据视觉测量机理模型分析不同因素对视觉定位精度的影响，使用中空航拍图像数据集进行离线实验，实验结果表明：相比传统基于方向梯度直方图（HOG）特征的模板匹配方法，所提方法的定位精度提高了25%，位置均方根误差（RMSE）优于15 m+0.5%H（5000 m以下），具有一定的工程应用价值。

针对惯性/天文组合导航中将天文传感器测量信息从天球坐标系到地球坐标系转换的问题，研究了其转换过程中涉及到的时间系统和坐标转换关系，前者包括世界时、地球时、太阳系质心力学时、原子时和协调世界时等时间概念，后者包括岁差、章动、视恒星时和极移等旋转变换。对坐标转换过程中小于0.1″的因素进行了忽略和近似简化，误差分析表明，除地球自转角的计算需要比较精确的UT1时间外，其他天文参数计算中的时间输入均可直接使用UTC时间代替。仿真结果显示，所提简化算法的转换精度达到了0.2″，满足角秒级的天文传感器测姿精度需求。

石英挠性加速度计是捷联式惯导、重力梯度计等惯性测量设备的核心元件，其偏值和标度因数的温度稳定性是影响惯性测量设备性能的重要因素。为提高加速度计温度稳定性，从结构设计、材料选择、工艺改进、磁路优化四个方面进行了改进设计。首先，分析了加速度计零偏和标度因数温度稳定性影响机理。其次，设计了摆片隔离槽结构，摆片与骨架之间采用二次过渡粘接工艺，力矩器线圈骨架选用温度性能更好的氮化铝陶瓷材料，优化了上下磁路连接方式。最后，对改进措施进行了实验验证，实验结果表明，改进后的石英挠性加速度计全温条件下（-40℃～+60℃）偏值和标度因数温度系数减小约30μg/℃和10 ppm/℃，降低到6.8μg/℃和13.7 ppm/℃，显著改善了加速度计的温度稳定性。

为了快速准确地解算差分全球定位系统（DGPS）整周模糊度，提出了一种改进蝴蝶搜索算法（IBOA）求解整周模糊度。首先在蝴蝶优化算法（BOA）的香味系数中加入一个自适应权重，弥补BOA算法觅食行为中较弱的搜索能力；其次使用动态切换概率权衡BOA算法中全局搜索与局部搜索的比例；最后在全局搜索和局部搜索阶段引入新的迭代位置更新策略，提升了算法全局搜索能力和跳出局部最优能力。与最小二乘模糊度降相关平差算法（LAMBDA）算法进行1000个历元数据的解算对比实验，结果表明所提算法的平均搜索成功率比LAMBDA算法提高了5.07%。

针对随钻测斜仪安装在近钻头位置处受到的复杂冲击振动、钻柱旋转等干扰问题，提出一种基于无迹卡尔曼滤波（UKF）与互补滤波算法的随钻井斜动态测量方法。首先，利用限幅和低通滤波器滤除冲击噪声带来的加速度阶跃激励干扰信号和角速度高频干扰信号；然后，使用UKF滤除惯性测量单元（IMU）中加速度计和陀螺仪信号的大部分有色噪声；最后，建立加速度和角速度信息间的互补滤波器，滤除角速度信号的零偏噪声。仿真试验、复杂振动测试平台模拟实验及现场数据验证结果表明：钻具转速在0~300?r/min内时，井斜角整体测量精度在±?0.2?°以内；测量不受钻具转速与振动影响，实现了精准的随钻测斜。

惯性仪表（包括陀螺和加速度计）是惯性技术的基础和核心，近年来，以高精度硅微机电陀螺、集成化微光纤陀螺、速率积分半球谐振陀螺、谐振式加速度计为代表的新型惯性仪表技术发展迅猛，相比传统惯性仪表，能够兼顾高精度和低SWa P+C(Size Weight and Power, plus Cost，体积、重量、功耗和成本)指标，正推动惯性技术产生新变革。重点结合上述四种微小型惯性仪表，论述其国外最新进展，展望发展趋势，预测其对行业的影响，旨在为国内相关技术研究提供参考。

全角模式半球谐振陀螺具有测量动态范围大，不存在速率积分误差等优点，应用场景广泛，但驻波检测和驱动电路的增益非对称会对其标度因数的线性度和稳定性产生影响。针对上述问题，推导了含有检测驱动电路增益和相移的陀螺动力学模型,明确电路增益和相移不对称对陀螺标度因数的影响机理，提出一种检测驱动电路单路复用的方法，并通过仿真验证了所提方法的有效性。最后开展单路复用实验，实验结果表明单路复用将全角模式下的角速度漂移降低了82%，并将标度因数非线性从6%降低到了1.3%，基本消除了电路的增益非对称对标度因数的影响。

通过半球谐振子与电极所构成电容间距的改变来敏感驻波位置的方法会导致检测信号产生非线性失真，进而引起全角半球谐振陀螺产生漂移。针对这一问题，提出了一种用于描述这种漂移的数学模型，并进行了仿真分析。首先，详细阐述了电容变间距检测的原理，并分析了存在于检测信号中的非线性误差来源；然后，根据驻波位置的解调原理建立了检测信号非线性引起全角半球谐振陀螺产生漂移的数学模型；最后，通过转台实验和Simulink程序仿真分别验证了八次谐波信号的来源以及误差数学模型的正确性。实验结果表明，检测信号非线性会导致陀螺产生与角度八次谐波相关的误差项，当外界输入转速为400°/s时，八次谐波项归一化幅值为四次谐波项归一化幅值的14.52%。仿真结果表明，八次谐波误差的幅值与半球谐振子的振幅间距比呈高阶多项式正相关，与驻波的转速呈线性正相关。所提出的数学模型为全角半球谐振陀螺八次谐波误差的分析与补偿提供了理论依据。

针对微机电惯组（MEMS-IMU）受到状态突变干扰、存在未知量测噪声等情况下，传统滤波算法无法准确估计系统姿态问题，提出了一种基于模糊鲁棒自适应容积卡尔曼滤波（FRA-CKF）的姿态估计算法。通过分析滤波新息序列的统计特性，根据检验原理设置了修正门限和修正边界，构造了容积卡尔曼滤波、鲁棒修正和自适应修正的隶属度函数，制定相应的模糊修正准则，使算法兼顾自适应性和鲁棒性。仿真及静、动态实验验证了所提出算法的有效性。静态实验结果表明，所提出的滤波算法相比CKF算法，航向角估计的均方根误差降低了80%，提高了滤波的精度和稳定性。

地形匹配是水下航行器组合导航系统中重要的匹配手段，针对传统地形匹配ICCP算法仅由惯导指示航迹做平移与旋转的刚性变换进行迭代匹配的局限性，提出了一种基于仿射因子补偿的改进地形匹配ICCP算法。研究了水下地形匹配的误差特性并建立误差模型，引入了由速度误差引起的仿射变换模型与仿射因子，不同于常见的最优估计等方式，推导给出了仿射因子的解析解形式。半实物仿真试验结果表明，基于仿射因子补偿的改进ICCP算法能修正水下地形匹配过程中的仿射误差，弥补传统ICCP算法的不足。在网格为10?m的高精度水深图中，传统ICCP算法的匹配结果在10个网格精度左右，而改进ICCP算法的匹配结果可达到1~2个网格精度左右，匹配精度平均提升78%以上，且相较于传统算法耗时增加不到1%，可为地形匹配导航系统提供更好的参考信息。

针对传统电磁信标导航定位系统中由惯性元件解算磁传感器姿态误差导致定位性能下降问题，提出了一种不受传感器姿态影响的改进惯性/磁感应定位融合定位方法，避免了姿态误差对定位结果的影响。首先，基于磁信标磁场分布规律与特征矢量构建了与传感器姿态无关的非线性磁感应定位模型；然后，结合惯性元件对载体目标的状态估计提出了改进的惯性/磁感应定位模型，降低了累计误差、提高了定位精度与结果的输出速度；最后，利用无迹卡尔曼滤波（UKF）对融合数据进行处理，实现对动态目标的位置估计。分别通过实验和仿真验证了不受姿态影响的磁感应定位模型以及惯性/磁感应定位方法的有效性。实验结果表明磁感应定位模型能够不受传感器姿态误差的影响实现定位；数值仿真结果表明惯性元件解算姿态辅助磁信标定位方法的最大误差为7.29 m，基于改进的惯性/磁感应融合定位方法最大误差0.77 m。

针对空间辐照带来的光功率衰减和卫星轨道周期带来的周期性温变效应，基于光子晶体光纤单一材料特点带来的抗辐照和弱温度敏感特性，提出开展空间用高精度光子晶体光纤陀螺技术研究。通过设计实芯光子晶体光纤结构，完成损耗<1.5 d B/km、偏振串音<-24 d B/km和直径135μm的光子晶体光纤技术验证，并采用八极对称绕制技术完成3800 m光子晶体光纤环的绕制及性能测试，实现零偏稳定性优于0.001°/h、随机游走系数优于0.00016°■的技术指标。同时结合空间应用的实际需求，开展了可靠性试验，并完成3斜装构形光子晶体光纤陀螺组件的研制，并于2020年12月22日发射入轨，评估精度与地面测试结果相当，产品运行稳定，性能优异。

原子气室作为新型量子惯性仪表的核心部件，其中填充的碱金属量直接决定了惯性仪表设备的寿命，准确测量气室内的碱金属对后续碱金属填充等气室制备工艺的优化至关重要。重点研究了气室内碱金属分布以及升温速率对碱金属含量测试结果的影响，发现碱金属集中分布有利于碱金属量的准确测量，当碱金属分布直径足够小时，碱金属量测量值趋于稳定，而测量过程升温速率对测试结果影响较小。通过优化，实现了碱金属铷含量的测量精度优于7%。

由于水下环境的特殊性，水下机器人容易受水流、可见光反射、遮挡等复杂水下环境影响，从而干扰目标检测器的性能，进而使跟踪算法效果下降，影响跟踪效果。针对这一问题，提出了一种基于目标检测特征提取一体化网络（DFI Network）的水下抗干扰目标跟踪方法。在传统YOLOv3检测网络基础上，设计了特征提取网络，通过卷积和最大池化运算，输出目标特征信息，并将状态向量维度扩充为10维，同时针对扩维状态向量，构造了扩维滤波器，进而通过后续匹配、跟踪控制等步骤，实现了水下机器人在干扰环境下的目标跟踪。使用标注的水下目标跟踪数据集对所提算法进行测试，并与YOLOv3算法进行对比验证。测试结果表明，与原版YOLOv3算法对比，所提出的算法以2FPS的较小帧率损失，将跟踪精度提高了30%以上。

针对当前全球地形球谐系数模型构建表达精度不高、计算效率较低等问题，研究推导了Gauss-Legendre积分法、矩形离散积分法求解球谐系数公式，提出了联合FFT技术和基于OpenMP多核并行技术的计算优化策略，实现了全球2160阶地形球谐系数模型的高效构建。利用模型Earth2012对两种方法进行了对比分析，结果表明：Gauss-Legendre积分法能以20 m量级的标准差还原地形高程信息，较矩形离散积分法精度更高，且高纬度地区地形表达效果更优，但两种方法描绘地形变化剧烈区域能力均显不足。研究成果可为提升球谐系数模型构建效率、丰富高阶地形球谐模型构建方法选择、完善地形球谐系数模型评价体系提供借鉴与参考。

针对自主水下航行器（AUV）在模型参数不确定和外界海流干扰情况下轨迹跟踪误差大的问题，提出一种基于模型预测的滑模控制方法。首先，基于李雅普诺夫稳定性理论，设计一种滑模控制器；其次，为高效利用计算资源，提高AUV的轨迹跟踪性能，设计一种滑模控制器与模型预测控制相结合的控制框架；考虑到执行器饱和问题，利用滑模跟踪控制律，在该控制框架上构造收缩约束，确保闭环系统的稳定性；最后，采用仿真实验验证，实验结果表明所提方法与滑模控制器比较，在模型参数确定且无干扰情况下均方跟踪误差减小了60%以上，在模型恢复力参数不确定和海流扰动情况下均方跟踪误差减小了80%以上，能够克服时变恢复力对系统的影响，并对外界海流干扰有较好的抑制作用，保证了系统的鲁棒性。

针对1?n mile/100?d甚至更高精度的长航时惯性导航定位需求，分析并指出了传统地球自转角速度模型参数的不足之处。根据天文学中的岁差、章动和日长变化等相关模型，推导了求解精确的地球自转角速度的方法，给出了传统地球自转角速度模型误差的表达式，对惯导系统误差传播方程进行了修正。开展了长航时高精度惯性导航误差仿真验证。结果显示，传统的地球自转角速度模型误差会引起0.1?n?mile/100?d的纯惯性定位误差，但经过修正后误差可降低60%以上，仿真结果验证了所描述的误差传播方程的正确性。

SAR匹配导航作为一种自主导航方式，具备全天候、全天时的工作能力，具有很高的应用价值。针对机载SAR景象匹配导航需要异源图匹配的难题，提出一种基于深度学习与附加尺度旋转因子的模板标准化相关匹配的异源匹配算法。所提算法通过语义分割网络模型提取图像中的道路河流特征，再对特征添加一定程度的尺度与旋转变化，实现特征的扩充。最后，对扩充后的特征图进行模板滑窗匹配，找到最大得分位置，从而实现图像匹配。根据真实数据的测试试验结果表明：匹配精度优于1.41像素（1σ），匹配成功率优于86.6%（匹配误差小于5像素）。另外，还提出一种面向SAR匹配导航系统的多点高精度定位方法，仿真结果表明：五匹配点定位精度可达15米。

在应用系统的牵引及光学器件技术的推动下，工程化光纤陀螺朝着小型化、轻量化、高精度方向发展，设计了一种基于新型超细径(60/100)光纤制作的高精度光纤陀螺。相比于传统细径保偏光纤，新型超细径光纤可增加光纤的抗弯曲程度，也可使光纤环圈的绕制半径减少；同时，由于光纤变细，光纤环厚度减小，当环境温度改变时，内外层光纤温度差减小，有利于改善光纤陀螺环圈全温性能，提高光纤陀螺温度特性。首先研究了新型超细径光纤纤芯、包层结构设计，在此基础上为针对性提高涂覆胶体、绕环胶体材料的可靠性，建立了胶体材料性能随时间退化的模型；随后，基于上述新型光纤和小型化宽谱ASE光源，成功搭建了高精度光纤陀螺仪样机，陀螺整机尺寸为70 mm×70 mm×35 mm,陀螺测试零偏稳定性可达0.007°/h，可以满足陀螺小型化、轻量化、高精度需求。

面向未来空间应用，分析了卫星平台扰动对星载原子干涉重力梯度仪测量噪声的影响。其中卫星平台平动自由度的干扰加速度导致梯度仪质心偏差和梯度仪基线长度变化，卫星平台转动自由度的干扰加速度带来拉曼激光方向偏离，引入额外的离心力与科里奥利力。分析结果表明，对于卫星平动自由度，其干扰加速度贡献的原子干涉重力梯度仪测量噪声较小，可忽略不计；对于卫星转动自由度，可通过对卫星角运动的测量和补偿，将原子干涉重力梯度仪的测量噪声在0.1?Hz以下的测量频带内抑制到1?mE/Hz1/2。所述研究将对未来原子干涉重力梯度仪的星载应用提供理论支撑。

针对多无人机疏散配置在多个基地、协同执行多目标侦察任务的应用需求，提出了一种基于改进A*算法的多基地多无人机分阶段任务规划方法，包括区域设置、航程估算、多基地多无人机任务分配、基地内单无人机时序分配、航迹搜索、航迹平滑和局部动态规划等多阶段层次化的处理流程。基于改进A*算法预估航程矩阵，基于改进K-means算法和深度遍历方法求解多基地多无人机任务分配，基于旅行商（TSP）模型求解单无人机时序任务分配，基于改进A*算法和三次B样条曲线规划并优化航迹，依据态势变化执行局部动态任务规划。开发了多无人机任务规划软件，验证了所提出的分阶段任务规划处理流程。实验结果表明，改进A*算法可剔除冗余节点，缩短4%以上航程，应用改进A*预估航程的任务分配能够满足威胁规避约束，进而可有效实现复杂威胁条件下多基地多无人机的航迹规划。

为提高无人机动态航路规划的安全性，提出一种基于机载导航系统实际导航性能和无人机机动性能的多源性能约束的改进A*航路规划算法。分析了无人机航路规划系统架构及约束条件，构建了融合无人机最大允许转弯角、导航系统位置不确定度和最短路径的加权启发函数，实现无人机动态航路规划的多约束适应性，最后进行了仿真分析验证。仿真结果表明：在相同的运行环境下，基于性能约束的改进A*算法所规划航路的安全裕度比传统A*算法提高1.8倍，角度变化百分比降低为传统算法的42.4%，航路规划用时缩短28%，所规划航路的安全裕度和无人机机动性能符合度都得到有效改善。

激光捷联惯导系统上电启动时，陀螺受温度影响其零偏会经历快速变化到逐渐稳定的过程，影响惯导系统应用精度。因此，提出了一种基于粒子群-反向传播神经网络（PSO-BP）的激光陀螺温度补偿方法，利用粒子群算法寻找神经网络模型的最优权值与阈值，以温度和温度梯度作为自变量，建立陀螺零偏输出的补偿模型。激光惯导系统工作温度范围内的温度试验结果表明：与传统反向传播神经网络算法相比，所提出的PSO-BP神经网络模型的速度提高了4倍，模型拟合精度更高，且避免了反向传播算法易陷入局部最优解的问题。经过粒子群-反向传播算法补偿后，陀螺零偏稳定性相比温补前提高了60%，进一步验证了模型的有效性。

针对基于超辐射发光二极管（SLD）光源的谐振式光纤陀螺角度随机游走提升需求，分析了移频复位特性非理想对陀螺输出的误差影响机理，建立了信号传输系统仿真模型，确定了移频锯齿波复位产生的尖峰脉冲噪声对陀螺输出的定量影响。在陀螺调制解调控制方案中，提出了一种部分采样结合均值滤波的技术方法，减小了锯齿波移频复位误差对解调系统的影响，提高了陀螺角度随机游走性能。经实验证明，使用部分采样结合均值滤波的方法测试光纤环直径50?mm、光纤长度30?m的基于SLD光源的谐振式光纤陀螺，陀螺角度随机游走提升了30%，达到0.045。