光纤陀螺在随机误差方面表现出极佳的性能优势，并不断向超高精度方向发展。结合所在研发团队近几年的最新研究成果，分析了高精度光纤陀螺及惯导系统的发展现状。重点突破了超高精度光纤陀螺的结构设计与仿真、超长细径大直径精密环圈设计、误差抑制与标度提升以及陀螺极限精度测试等关键技术，研制的高精度光纤陀螺Allan方差探底值测试精度达到0.000005°/h。同时，介绍了平台旋转调制与载体角运动隔离、热/磁引起的航向效应误差抑制及残差补偿、高精度重力场误差模型构建与补偿等系统技术。首次开展了水下长航时自主导航试验，验证了舰船长航时光纤陀螺惯导系统技术的可行性和优势。最后对高精度光纤陀螺及惯导系统未来发展进行了展望。

为保证惯性导航信息的可靠性，在体积与成本受限的情况下设计了一种非对称冗余惯性导航系统，包括FOG-INS和MEMS-INS两套惯导。无故障时FOG-INS输出导航信息并利用序贯变分贝叶斯卡尔曼滤波在线标定MEMS惯性器件误差，估计结果的指数加权收敛度被映射到统一闭区间内实现标准化评价。诊断出FOG-INS故障后，估计反馈策略将基于标准化评价结果补偿MEMS惯性器件误差，校正MEMS-INS并输出导航信息。仿真实验结果显示，经过0.8 s的检测延时，故障后基于变分贝叶斯卡尔曼滤波的MEMS惯导y轴陀螺漂移、z轴陀螺漂移的估计相比于标准Kalman滤波分别提升了80.80%和67.76%，发生故障60 s后完成误差校正的MEMS-INS水平位置误差相比于不校正时减小了33.59%，有效保证了惯性导航信息的可靠性。

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。

针对双轴旋转调制惯导系统在旋转过程中无法直接提供载体角速度等导航信息的问题，提出了一种以标定惯性测量单元与内外框时空关系来精确解调原始旋转惯性测量数据的载体导航信息提取方法。首先，从基于旋转轴的内外框坐标系定义出发，提出了综合考量整圈所有角位置状态的惯性测量单元与内外转轴安装角标定方法。然后，利用转轴方向惯性测量角增量曲线和转位测量角增量曲线的相似平移关系推导了两者之间时间不同步误差的计算方法。进一步，基于滑动数据存储窗口，通过实时测角变化率计算和相邻转位测角外推实现了时间不同步误差的精确补偿。最后，采用基于高次谐波函数的精细化误差模型实现了转轴锥摆运动引起的测角不圆度误差精确标定。采集内外框旋转试验数据验证了所提方法的有效性，结果表明由原始惯性测量信息解调导致的载体航姿提取误差小于0.001°。

人体运动模式感知算法作为下肢外骨骼机器人的关键技术之一，是外骨骼能否平稳、高效地实现人机协同功能的基础。为提高感知精度，提出了一种改进的动态时间规整（DTW）算法和一种自适应权重分配机制。首先针对传统DTW算法存在匹配失真的问题，提出了一种新的路径约束条件，并适当松弛算法的端点，以处理端点部分数据可能无法对齐的问题；然后在多传感器决策层融合中设计了一种自适应权重分配机制；最后通过惯性测量单元（IMU）采集人体在六种常见运动模式下的运动数据进行实验。实验结果表明，所提出的改进DTW算法和自适应权重分配机制相结合有助于感知精度的提升，六种运动模式的平均感知精度由90.78%提升至97.64%。

针对地理位置未知条件下惯导系统海上启动对准实现问题，提出了基于锚泊条件的惯性/星敏组合导航系统位置未知条件下的海上牵引启动方法。建立了惯性/星敏信息的迭代滤波模型，研究了惯性?/星敏牵引启动方法、分析了自主启动精度、提出了自主启动实现方案。通过惯性基准和星敏感器联合使用，惯性基准辅助星敏感器进行观星定位，观星定位数据对惯性基准平台反馈修正，基于惯性/星敏位置和姿态信息在牵引启动下的相互校准方式，组合系统经过多次迭代修正，构造高精度水平基准，完成惯性/星敏组合系统海上位置未知条件下纬度、经度自估计，实现船舶对准后的正常航行。实验结果表明，采用所提出的惯性/星敏组合系统牵引启动方法获得的经纬度自估计精度与星敏感器的测量精度相当。

为了解决全球导航卫星系统（GNSS）拒止条件下车辆定位困难问题，提出了一种基于交互多模型距离平滑的超宽带/惯性测量单元（UWB/IMU）因子图组合导航方法。首先，针对超宽带信号由于反射或折射导致的非视距问题，分别建立视距与非视距情况下超宽带基站与标签间距离的因子图模型，并利用交互式多模型算法进行原始距离的平滑；然后，对惯性导航系统、交互式多模型处理的超宽带距离信息等测量量进行建模，构建基于因子图的信息融合框架，并根据非线性优化理论与增量平滑算法实现变量节点的递推与更新。最后，采用因子图方法对融合数据进行处理，实现车辆多传感器高精度组合导航。实际测试结果表明，相比基于卡尔曼滤波的多传感器融合方法，所提出的基于交互多模型距离平滑的惯性/超宽带的因子图定位方法在非视距情况下位置估计精度（RMS）提高40%以上。

针对惯性/重力/重力梯度组合导航EKF算法中，随机线性化方法不考虑重力场固有属性以及验前随机变量的不确定因素，从而导致真实验后均值和协方差携带较大误差，滤波性能损失甚至发散问题，依据重力、重力梯度本身物理特性，提出基于地球重力场球谐模型的随机线性化方法。进而，为保证滤波实时性，建立了适用于并行计算的地球重力场模型线性化矩阵运算公式，并通过GPU并行方案提高了模型线性化过程的计算效率。某海域仿真实验结果表明：利用重力场球谐模型线性化方法进行EKF滤波匹配，相较于九点拟合法和双二次曲面拟合法的导航定位精度均提高了37.5%以上，可以有效削弱线性化误差，避免滤波发散，提高系统导航定位精度，且线性化耗时优于0.02?s，满足匹配导航实时性需求。

针对车载惯导/里程计组合导航系统中，里程计测量脉冲输出只为整数，存在截断误差的问题，提出了3种考虑里程计截断误差补偿的SINS/OD组合导航算法。首先，在传统的速度匹配组合导航基础上，将里程计截断误差作为系统状态变量，建立了基于速度观测的考虑截断误差的卡尔曼滤波导航算法；其次，为了降低噪声，不改变系统状态量，将捷联惯导输出转化为脉冲输出与里程计脉冲输出做差作为量测值，建立了基于脉冲观测的卡尔曼滤波导航算法；最后，针对随机常值模型估计里程计截断误差的局限性，提出基于高斯回归模型的里程计截断误差预测和对观测值进行补偿的方法，以实现组合导航解算。140多公里的车载实验结果表明，基于脉冲观测和基于高斯回归模型的算法相比传统算法在定位精度上均提升了80%以上。

针对在GNSS卫星钟频率稳定性分析中，数据缺失对稳定度计算结果造成影响及相应处理策略研究不足的问题，分析了不同卫星钟差数据缺失量对频率稳定度计算结果的影响，提出一种数据缺失条件下的卫星钟频率稳定度计算策略。在计算卫星钟频率稳定度时，当所用数据缺失率低于4%时，可以通过拟合一次多项式模型来补充缺失历元的频率数据，然后基于补充后的连续完整频率数据计算该时间段的稳定度；否则，不使用该数据计算稳定度结果。最后，基于所提策略对BDS-3卫星钟频率稳定性进行了评估和分析。结果表明，BDS-3氢钟和铷钟天稳定度比BDS-2铷钟高出一个数量级，BDS-3在轨卫星钟性能在当前所有GNSS中处于先进水平，有效保证了其先进性和高质量的服务水平。

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。

干涉式光纤陀螺的标度因数稳定性进一步提升受限于宽谱光源平均波长扰动水平，影响了其对于旋转速率的测量精度以及在复杂环境下的长期使用。采用中心波长更稳定的激光能有效提升光纤陀螺的标度因数性能，但是激光的线宽窄，会重新引入宽谱光源已经基本消除的主要误差源。针对以激光作为干涉式光纤陀螺驱动光源的应用背景，基于光物理场方程计算得出干涉式光纤陀螺中克尔效应、偏振耦合以及背向散射误差与激光线宽的关系，并定量分析出在激光谱宽范围内的各项误差源。此外搭建了光纤陀螺实验系统，分别以窄线宽激光和通过外部相位调制进行光谱展宽后的激光为光源进行静态测试验证。实验结果表明，不同光源线宽下陀螺的角度随机游走和漂移同理论模型一致，证明了模型的正确性，且光纤陀螺在展宽激光驱动下，可满足零偏不稳定性优于0.01?°/h的导航级需求。

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。

针对传统固体运载火箭（SLV）上升段轨迹跟踪方法无法适应大范围参数不确定性的问题，提出一种基于微分包含镇定的上升段轨迹跟踪控制器。首先，将不确定性与动力学方程相结合，建立关于状态偏差的微分包含系统；其次，设计一种基于线性矩阵不等式（LMI）的状态反馈律，对微分包含系统中的多胞体部分进行镇定，用以解决大范围参数不确定性问题；然后，将攻角和侧滑角的修正量幅值约束转化为线性矩阵不等式进行求解；最后，对微分包含系统中的扰动部分设计自适应律进行估计，结合状态反馈律与控制量约束，构造微分包含自适应饱和跟踪控制器。仿真结果表明，在给定的参数不确定性范围内，终端状态偏差收敛且满足终端精度。与基于扩张状态观测器的跟踪控制器相比，所提出的控制器拓宽了不确定性的适用边界。

地图栅格化是机器人路径规划的常用方法，但地图规模的扩大会造成搜索栅格数量呈指数级增长，使得算法效率大幅下降。针对这一问题，提出了一种基于障碍物登陆点检测的全局路径规划算法。依据障碍物的分布特点，通过计算障碍物映射角寻找登陆点，并在障碍物边缘区域建立赋权图，缩小结点搜索范围，避免大规模搜索栅格结点；然后，依据赋权图特点对Dijkstra算法进行改进，利用改进的Dijkstra搜索全局最短路径。分别将所提的算法与传统A*算法及其变体JPS算法进行实验对比，结果表明，所提算法比传统A*算法以及JPS算法规划路径略短，搜索速度更快，尤其在走廊等障碍物块较少的大规模地图中，搜索时间仅为A*算法的1/8，JPS算法的1/3。

针对新型空中作业机器人飞行平台存在的强噪声、扰动、参数不确定性以及全驱控制问题，提出了一种基于动态补偿的自抗扰反演控制方法。首先描述了新型空中作业机器人机构设计。其次，建立了基于Carig与递归Newton-Euler方程的空中作业系统运动学与动力学模型。然后，考虑机械臂对飞行平台的扰动影响，建立了飞行平台全驱控制补偿项，并结合自抗扰控制与反演控制技术分别设计了平台位置与姿态控制器。最后，考虑了随机强噪声与扰动、参数不确定性等实际问题，进行了仿真试验。仿真结果表明，在强噪声与扰动条件下对飞行平台的位置与姿态跟踪控制中，采用所提出的算法后比动态补偿（DC）PID算法的跟踪误差降低了37.9%以上，验证了所提出的控制方法具有噪、扰抑制能力，提高了系统控制精度。

针对具有状态时变时滞、系统不确定性、可建模扰动、运行噪声和执行器故障的卫星姿态控制系统，提出一种基于扰动观测器的自适应有限时间复合主动容错控制策略。针对可建模扰动设计扰动观测器，然后基于扰动估计误差设计了主动容错控制器。该时滞依赖控制器包含反馈控制项、扰动补偿项和快速自适应故障补偿项。提出的容错控制策略不仅保证闭环系统动态方程的有限时间有界性，而且保证闭环测量输出对于系统不确定性、运行噪声、执行器故障等的鲁棒性。给出控制器增益限制矩阵存在的充分条件及其线性矩阵不等式形式，进而给出仿真算例。仿真结果表明，基于扰动观测器方法，设计的自适应有限时间容错控制器能够快速估计可建模扰动，进而有效地实现系统的闭环容错控制。相较于基于非复合的自适应有限容错控制器，提出的方法对于状态变量的估计均方根误差分别降低了28.9%、4.7%和36.0%；对于可建模扰动估计的均方根误差降低了38.8%。仿真验证了所提方法的有效性。

针对空间机械臂在执行在轨部件替换、在轨燃料加注以及空间站站内任务时所涉及的插拔孔操作控制问题，提出了一种空间机械臂在轨插拔孔操作的超扭曲滑模阻抗控制策略。首先，结合空间机械臂末端部件插头输出插拔孔主动力与孔内摩擦阻力作用关系，利用第二类拉格朗日方程，建立了载体位置、姿态均不受控下，漂浮基空间机械臂在轨插拔孔操作过程系统动力学方程。其次，由空间机械臂末端部件插头位姿及其输出插拔孔主动力之间的动态关系以及阻抗控制原理，建立了阻抗控制模型。最后，针对系统同时存在动力学不确定与外部扰动，将超扭曲算法与滑模控制结合，从而设计了超扭曲滑模阻抗控制策略；并通过李雅普诺夫理论，证明了控制系统的稳定性。该控制策略将滑模控制中的高频切换部分隐藏至滑模变量的高阶导数中，有效抑制普通滑模算法产生的抖振，同时补偿系统的不确定与外部扰动。数值仿真结果表明，部件插头位置精度均优于1?mm，姿态精度均优于0.5?°，输出力精度均优于1.5?N，验证了所提出控制策略的有效性。