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。

在法向量位置模型的惯性导航力学编排下，提出了一种适用于全球的阻尼算法，在出入极区时可保持阻尼过程的连续性，并且在水下长航时的背景下能够有效提高导航精度。根据法向量位置模型下的惯性导航误差微分方程，分别在垂直通道和水平通道中设计了阻尼网络，水平通道实现了基于法向量位置模型的三阶无静差阻尼算法。基于北极实际航行数据的仿真试验结果表明，提出的阻尼算法同时适用于极区与非极区，抑制了周期性振荡，定位的归一化误差最大值相比于无阻尼系统大约减小了47%。

随着物联网技术的发展，室内位置服务将在未来生产生活中发挥至关重要的作用，惯性定位系统的累计误差是制约惯性室内定位技术应用的重要因素。为此，提出一种基于历史信息约束的室内行人三维惯性定位误差修正方法。利用惯性信息估计行人运动环境中的可通行区域，使用静态二值贝叶斯滤波器构建三维占用栅格地图；通过基于粒子滤波的FastSLAM方法利用行人的历史位姿信息获得当前时刻位姿和地图的最优估计，减少惯性系统的累计误差，在不依赖任何其他信息的情况下获得纯惯性行人定位系统长期误差的稳定性。所提出的算法能够有效地提升纯惯性行人导航系统的定位性能，实现封闭环境内长时间稳定定位，在34分钟1992米多层楼宇行走实验中，其定位误差不超过4 m(RMS)，约为总路程的0.2%，相较足绑式零速修正惯性行人航位推算定位系统定位精度提升86.5%。

针对船载自主水平姿态基准系统需求，提出了一种基于双微机电惯性测量单元的方案。其中一套固联船体，另一套为转位方式，以两套微机电惯性测量单元间相对速度、位置、姿态为观测约束，基于状态变换卡尔曼滤波实现不依靠外界辅助信息的自主式水平姿态测量算法，减弱了陀螺、加速度计零偏误差对水平姿态精度的影响。通过采用三轴角运动模拟转台进行了海况模拟实验验证。无舰船主惯导提供舰船运动信息情况下，虽然船的质心水平机动会影响水平姿态的绝对精度，但不会影响船上不同位置点之间的相对姿态测量精度；而当舰船上有高精度主惯导系统可提供速度参考时，即使有常值速度偏差和舒勒周期速度误差，仍可实现绝对姿态测量精度优于0.02°(1σ)。所提出的姿态测量方案可以在海况恶劣且无外界参考信息的情况下建立高性价比的全船统一姿态参考基准。

由于相机的曝光时间、渐晕效应等因素，场景中的同一点在不同图像中可能具有不同的像素强度，导致提取的边缘像素的分布情况有较大的差异，使得基于边缘对准的SLAM算法性能下降。针对这一问题，提出了一种集成光度在线标定的边缘对准视觉SLAM方法。通过估计渐晕系数和曝光时间来校正图像，有效改善了边缘提取的质量。并在位姿估计中合理设计残差项的权重系数，有效提升了系统多次运行的稳定性。在TUM数据集上的实验结果表明，提出的算法相较原有的算法误差更小，轨迹均方根误差减少约55%，并且有效消除了稀疏建图中的重叠。同时与目前常用的特征点法ORB-SLAM3进行了对比，所提出的方法在弱纹理环境中具有明显优势。

针对传统捷联惯性导航系统（SINS）/声学多普勒测速仪（DVL）组合导航系统导航精度容易受量测信息质量影响的问题，提出了一种基于波束重构的SINS/DVL紧组合导航系统故障处理方案。以现有的紧组合模型为基础，根据四波束DVL结构特点，提出了新的故障波束速度信息重构方案。针对速度测量异常、量测模型误差及波束信息重构误差等综合引起的量测噪声特性变化问题，根据核函数思想，设计了一种改进Huber鲁棒滤波器。试验结果表明，在1 h波束故障情况下，采用所提出故障处理方案最大定位精度相对于纯惯性定位提高了80%以上。

针对采用星载无源光学相机实现对空间非合作目标的相对导航时轨道状态不可观测/弱可观测的问题，研究了基于柱面坐标系相对运动动力学模型的仅测角相对导航算法。首先，在柱面坐标系下建立了三维的相对轨道运动动力学模型和视线角测量模型；然后，基于该模型进行了仅测角相对导航的状态可观测性分析，定性地获得了相对轨道状态可观测性更佳的几何条件；接着，为了解决强非线性模型的估计问题，建立了基于平方根容积卡尔曼滤波的仅测角相对导航估计算法及长航时导航滤波方案；最后，对所提算法进行了数值仿真实验验证。仿真结果表明柱面系下动力学模型的轨道曲率捕获能力强，能够为仅测角相对导航提供足够可观测性，相对轨道估计误差可收敛至公里级，能够满足中远程空间态势感知、交会的精度要求。

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。

针对空中加油近距对接阶段GNSS信号易受遮挡丢失的问题，考虑引入Vision导航系统，提出一种INS/GNSS/Vision组合的高精度容错相对导航系统，为空中加油近距对接任务提供高精度的双机相对导航信息。该系统采用联邦滤波器结构融合导航传感器信息，利用滑动窗口构建时变量测噪声的容错滤波结构，并基于子滤波器协方差的奇异值分块计算信息分配系数。仿真结果表明，所设计的容错导航系统与单独的INS/GNSS和INS/Vision系统相比，相对位置、速度和姿态的估计精度都有所提高；同时在GNSS出现软故障时，系统可以提供稳定、可靠的相对导航信息，有效提高了INS/GNSS/Vision组合近距空中加油相对导航系统的导航精度、鲁棒性和容错性，相对位置精度较基于常规故障隔离联邦滤波算法提高70%以上，满足了空中加油对接导航需求。

从重力匹配导航应用要求出发，研究了重力信息误差组成、特性与重力场分布特点，提出了匹配影响要素平衡关系以及匹配定位误差数学模型。选取典型重力特征区域，仿真验证了匹配要素对定位误差的影响关系模型。实船匹配导航试验数据和单项要素误差影响仿真表明，15条航迹船载重力匹配定位精度与模型预测结果符合，重力仪和惯导误差单一要素对匹配误差的贡献度基本相当，验证了重力匹配导航系统配置的合理性以及重力匹配误差模型的有效性。为重力匹配导航的应用奠定了理论和试验基础。

以一种电容式全对称S形弹性梁硅基环形波动陀螺仪为对象，对其正交误差进行了相关的研究，以提升MEMS环形陀螺仪的精度。首先，介绍了环形陀螺仪结构，同时以此结构为基础分析了正交误差产生的原因及影响；然后，对环形陀螺仪检测通道的输出信号进行量化分析，并根据正交力校正法设计了环形陀螺仪的正交误差补偿系统；最后，对加入正交误差补偿后的环形陀螺仪进行了实验测试。结果显示，校正后的零偏、零偏稳定性分别为-2.62°/s、1.37°/h，与校正前相比，分别提升了3倍和10.6倍，验证了该正交误差补偿系统对陀螺仪正交误差的抑制效果，补偿后陀螺仪的零偏稳定性显著提升，陀螺输出更加稳定，为MEMS陀螺仪应用于未来军事及民用领域奠定了基础。

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%。

使用交变或均匀磁场对导电转子进行加速或减速的技术，广泛应用于转速稳定的静电陀螺，用于姿态控制的力矩球和磁场支持下的超高速离心机等领域。大气隙的磁性驱动器难以获得高效率。通过优化绕组的结构参数，提出了一种高效的使用交变磁场中加速导电转子的装置。首先，阐明了提高设备效率的关键因素。然后，根据器件的机械结构建立了等效磁路模型，并用基尔霍夫定律求解得到穿过球体的磁通量。通过考察磁芯材料和尺寸、气隙、漏磁通、绕组损耗和磁场均匀性等因素对磁通量的影响，推导出提高施矩效率的一般准则。基于这些准则，在设备尺寸的限制下设计出了可以产生更均匀的磁场的宽线圈绕组。接着，用3D有限元模型，仿真并验证了这些设计准则。最后，制作了窄绕线和宽绕线两种样机，并通过加速试验证明宽绕组比窄绕组获得两倍左右的加转力矩，并且产生一半的焦耳热。

谐振式加速度计能够将加速度直接转化为稳定的频率信号，可以获得优良的性能。针对目前石英谐振加速度计灵敏度偏低，以及温度变化等因素引起的频率漂移等难题，提出了一种基于多电极谐振器的集成式石英加速度计的信号处理与融合的方法。集成式石英加速度计输出多路谐振信号，形成差频信号，融合后可以得到高精度的数字信号，设计了基于FPGA的电路实现方案。通过实验测试结果，输出数据响应时间为125 ms的条件下，传感器标度因数从传统的100 Hz/g以下提升到1742.5 Hz/g，线性相关系数为R~2=0.9985。提出的信号处理与融合方法具有较高的信号处理实时性，显著提高了石英谐振加速度计的灵敏度，可以应用于集成式石英谐振加速度计数据信号处理以及实时测量系统中。

针对量子输入通常需要双输入/双输出的特征，提出了一种采用双环行器的光子纠缠光纤陀螺光路结构。阐述了基于N00N态的光子纠缠光纤陀螺仪的工作原理，首次推导了N00N态光子纠缠光纤陀螺的德布罗意波的量子干涉公式，并将N00N态与具有相同光子数（光功率）的一般光子数态（22）输入以及经典输入的相位检测灵敏度进行了对比。分析表明，N00N态作为理想的最大路径纠缠态，可以突破散粒噪声极限而达到海森堡极限，而其它非经典态由于输出态的生成概率，其二阶符合计数及高阶符合计数存在一个固有效率，可能较难突破散粒噪声极限。

针对原子干涉重力仪野外测量需求，提出一种基于单激光器系统倍频方法的高稳定、小型化激光系统方案。首先，分析了冷原子重力仪激光倍频原理；然后，以单台1560.4 nm光纤外腔激光器作为光源，基于激光倍频技术，设计了用于87Rb原子干涉重力仪的高稳定、小型化激光系统方案；最后，测试了用于重力测量的两路激光输出光束的功率稳定性。实验结果表明当780.2 nm激光输出功率为1.1 W和1.9 W时，对应功率均方根起伏分别为0.13%@4 h和0.15%@4 h，两路均可输出功率稳定、模式优良的780.2 nm激光，该系统可实现T=70 ms干涉测量，对应噪声灵敏度为610μGal/Hz。使用倍频方法的单激光器系统，实现了传统双激光器系统功能，具有高稳定、小型化特点，为原子干涉重力仪野外测量提供了技术基础。

在空间科学探测中，通常采用静电悬浮加速度计测量低频准稳态微重力信号，但其体积较大、成本较高。高精度石英挠性加速度计体积小，技术成熟，但用于微重力信号测量时，高频噪声抑制不充分将导致频谱混叠、微重力低频测量精度降低。提出了一种将石英挠性加速度计改造为小量程、高精度的微重力加速度测量系统方案，其核心指标是噪声抑制和抗混叠性能。通过电路建模、仿真，验证了频谱混叠对低频微重力测量的影响以及抗混叠滤波器和过采样技术的有效性。测试实验结果表明，该加速度测量系统的低频噪声水平可以达到10■-7，分辨率0.12μg，低频至0.001 Hz，显示出了石英挠性加速度计用于微重力测量的精度潜力。

核自旋自补偿技术是无自旋交换弛豫（SERF）原子自旋陀螺仪角速率测量的关键。但是，并不是所有条件下SERF系统自补偿点均存在。根据SERF陀螺仪动力学演化机理，通过数学极值法推导出核自旋自补偿点存在条件判定方法，即Δ值是否满足不小于0的条件，并分析了影响核自旋自补偿点存在的主要因素。通过延长核自旋弛豫时间及提高核自旋极化率不仅能实现自补偿点的存在条件，还能有效提升核自旋自补偿能力，为在有限条件下提高SERF陀螺性能提供了理论指导。实验测试了不同核自旋弛豫时间及极化率下系统自补偿点存在情况，结果与理论预期相符，验证了该判定方法的有效性。所提方法补充了核自旋自补偿成立条件，完善了核自旋自补偿理论体系，为实现高精度工程化SERF陀螺仪提供理论基础。

针对重复使用运载器（RLV）等类飞行器再入飞行段存在综合干扰问题，提出了一种基于迭代学习干扰观测器的容错控制方法。首先，根据RLV再入段运动、动力学特性及执行机构故障类型，建立带有执行机构故障的RLV面向控制模型；然后设计了一种基于S型函数的迭代学习观测器的容错控制方法，采用迭代学习干扰观测器完成对综合干扰观测并进行补偿，通过李雅普诺夫定理证明基于干扰观测器设计的改进的自适应控制器能够在有限时间收敛稳定；最后以某型RLV再入段为研究对象进行数值仿真。仿真结果表明，所提出的方法在系统中存在加性、乘性故障时，姿态跟踪能够在3 s内收敛，同时姿态稳态误差在0.01°以内。