惯性导航与智能导航

精确打击、高效侦察作为国家战略高技术，是赢得现代信息化、网络化、智能化战争胜利的重要保障，而自主导航及位置姿态测量是实现目标精确打击、高分辨率对地侦察的核心与关键。惯性导航与测量因具有自主性强、隐蔽性好以及可连续输出全运动参数等优点，是自主定位导航、位置姿态测量最重要的手段，决定着国家的安全，已成为美、俄、英等强国竞相发展的核心关键技术。

现代信息化、网络化、智能化战争形态

陀螺仪作为惯性导航系统和稳定平台的核心部件，其精度水平直接决定了导航制导系统、对地侦察平台的精度，是惯性导航与稳定平台中的“卡脖子”技术。随着量子操控技术的发展，基于磁、光与原子相互作用原理的原子自旋陀螺仪已逐渐成为继机电陀螺、光学陀螺之后发展起来的一类新型陀螺，该类陀螺主要包括原子自旋陀螺仪和核磁共振陀螺仪两种，其中原子自旋陀螺仪因其具有超高精度的潜力，有望远超传统机电陀螺仪与光学陀螺仪的精度，成为下一代超高精度陀螺仪的重要发展方向，是未来远程飞行器、水下潜器、高分辨率对地观测系统等长航时高精度导航及位置姿态测量的必备关键设备，是引不进、买不来的核心技术，必须自主掌握；核磁共振陀螺仪具有MEMS陀螺的体积和成本、光学陀螺的精度，可广泛应用于智能无人系统、智能机器人、分布式对地观测系统等领域，是解决微小型定位导航授时系统价格、体积、精度矛盾的有效途径。

该方向涉及原子物理、磁、光、热、测控、结构、导航与制导等多学科领域，主要包含原子自旋陀螺仪技术、核磁共振陀螺仪技术、机载高精度POS与惯性稳定平台技术三个子方向：（1）子方向1原子自旋陀螺仪技术：主要涉及窄线宽高稳定激光光源设计与实现、激光功率及频率控制、碱金属气室制备与评估、高效磁屏蔽系统结构设计与优化、主动磁补偿线圈设计与实现、极化率及量子态等闭环操控、误差标定与补偿、微弱信号提取与处理、样机结构设计与优化、软硬件设计与实现等。（2）子方向2核磁共振陀螺仪技术：主要涉及传感器闭环谐振控制电子系统设计、无磁系统微集成与微工艺技术、芯片化原子气室高一致性制备与评估、芯片化激光光源技术、高带宽微弱信号提取与处理、微电子与光电子技术等。（3）子方向3机载高精度POS与惯性稳定平台技术：主要涉及惯性测量系统设计及误差建模补偿方法、电路设计与数字信号处理、先进导航方法与多传感器信息融合方法、平台机电一体化多目标集成优化设计方法、复杂环境（内外扰动、参数摄动）下平台动力学建模与控制模型、多源扰动下惯性稳定平台高精度高稳定控制方法等。

1、子方向1：原子自旋陀螺仪技术

随着量子精密测量领域新的理论与技术进展，基于量子力学的无自旋交换弛豫（SERF）原子自旋陀螺仪引起了广泛关注。SERF原子自旋陀螺仪通过光、磁与原子的相互作用实现原子的SERF态操控，其理论精度可以达到1×10-8°/h，有望突破传统陀螺仪的精度极限，引领未来高精度陀螺的发展方向。国内在SERF原子自旋陀螺仪的研究和国外同时起步，目前技术水平相当，未来有望在SERF原子自旋陀螺的技术研究上从跟跑实现并跑。开展高精度SERF原子自旋陀螺仪技术研究，将有力推动我国惯性导航技术的跨越式发展，抢占国际制高点，保障国家安全。

不同类型陀螺仪的性能对比

北航研究团队在房建成院士的带领下，着眼于新一代原子惯性导航技术的国家重大需求，2008年在国内率先开展了原子自旋陀螺仪的相关研究，于2010年5月在国内首次实现了原子自旋SERF态，2011年12月在国内首次实现了SERF原子自旋陀螺效应，2012年实现了SERF原子陀螺仪的原理验证，使得我国在原子陀螺仪领域取得了突破性的研究进展。从2013年以来，团队进入原理样机的迭代更新设计阶段，2015研制成功国内首套——第一代SERF原子自旋陀螺原理样机，获得0.5 °/h的零偏稳定性，并首次实现了SERF原子自旋陀螺仪的地球自转角速度的标定。经过四年多的持续攻关，2019年已研制成功小型化SERF原子自旋陀螺仪原理样机，漂移指标达到目前国际公开报道的最好水平；通过持续的深入探索相关理论方法与核心关键技术，SERF原子自旋陀螺性能指标有望进一步得到大幅提升，在陀螺技术领域实现变道超车，引领新一代高精度陀螺仪的发展方向，进一步提升我国新一代水下潜器、远程飞行器等长时间高精度导航能力，服务于我国长时间高精度导航和高分辨率对地观测系统等。

SERF原子自旋陀螺效应演示及测试

SERF原子自旋陀螺测地速曲线及原理样机

实验室洁净间及单项技术测试间

实验室学术及技术交流

实验室大型测试设备

惯性导航系统对水下潜器、航空航天飞行器等运动载体的导航、定位起着至关重要的作用，陀螺仪是惯性导航系统的核心关键器件，其精度直接影响惯导系统的性能。SERF原子自旋陀螺理论精度可高达1×10-8°/h，被认为是新一代高精度陀螺仪的发展方向，因其具有超高精度和易于集成等优势，有望在分米级的尺度上实现超高精度的惯性测量，带来惯性导航技术的革命，成为我国超高精度陀螺仪跨代发展的重要方向之一，未来将服务于新一代水下航潜器、远程飞行器等高精度长航时导航等。

1、子方向2：核磁共振陀螺仪技术

2020年7月31日上午，我国北斗三号全球卫星导航系统建成暨开通仪式在北京举行。中共中央总书记、国家主席、中央军委主席习近平出席仪式，宣布北斗三号全球卫星导航系统正式开通。这一消息迅速传遍网络，使得先进导航技术引起人们的关注。北斗三号作为典型的卫星导航技术，具有精度高、误差不随时间累积的突出优势，具有广泛的应用前景，那么未来的导航技术发展趋势是什么呢？

基于无线电测距原理的卫星导航在室外空旷场景能够实现高精度定位，但在隧道、室内等场合将无法使用，同时由于卫星导航基于“单点定位原理”，也无法给出方向、姿态等信息，从而限制了其在无人系统、工业物联网控制、行人级高精度导航等场景应用。解决这些问题的关键是采用惯性导航系统，其核心部件之一是兼具高精度和芯片化优势的核磁共振陀螺仪。以核磁共振陀螺仪为核心，加入卫星导航技术、芯片原子钟技术，形成芯片级的定位导航微系统（MPNT）终端，是未来导航系统向着高精度、芯片化、智能自适应融合发展的关键。

典型的MPNT系统架构

据相关测算，我国MPNT用户每5年翻一番，今后10年内PNT用户可能每2年翻一番。以核磁共振陀螺仪为核心构建的MPNT系统典型应用场景如下。

MPNT可满足97%的设备高精度定位定向测姿需求

随着人工智能技术快速发展，其核心点就是信息的精密测量、传输与处理。每个设备端高度智能自成一体，又与云端高速通讯交互。基于芯片核磁共振陀螺仪构建的芯片级MPNT系统在室内室外任何环境下都能高精度实时输出被测对象当前位置、方向、速度等所有运动信息，可用于商场、医院、停车场、高速公路车道级导航等室内外环境的人与物定位导航，使高精度导航无处不在。

MPNT将可实现商场医院等“门对门”“人对人”高精准引导

MPNT将大面积用于物联网节点监测灾害预防

未来15年内整个汽车行业将围绕自动驾驶技术进行构建。在无人驾驶系统中，MPNT不仅将为整个系统进行定位导航引导，更将作为高精度测量基准嵌入无人系统上的每一部雷达、图像传感器等设备内部，提高无人系统的实时场景感知精度，使其大脑更加清醒智能。无人系统不仅可以在室外活动，更可以在商场楼宇、隧道等场景随时随地导航，在人们生活的每一个环节发挥作用，真正走进生活和家庭。

MPNT将使无人系统走进楼宇无处不在

MPNT实现隧道等无GPS场景全路况低成本高精度导航

因此，研制MPNT及其核心部件芯片核磁共振陀螺仪，将高端的惯性导航技术平民化、民用化，使其并广泛应用于无人系统、物联网、智能机器人等国民经济主战场，将带动我国量子信息领域千亿级定位导航产业发展，直接服务于我国国民经济建设，意义重大。

北京航空航天大学房建成院士团队于2013年开始核磁共振陀螺仪研究工作，先后获多个国家级重大项目支持，目前已完成第三代陀螺样机研制，零偏稳定性优于0.2º/h，体积50 cm3，动态范围大于500 º/s，处于国内领先地位。

北航核磁共振陀螺仪研究历程

北航核磁共振陀螺仪研究团队实验室及学术讨论和科研攻关

团队将持续扎实开展核磁共振陀螺仪的芯片化高精度技术研究，特别是光与原子相互作用、原子的闭环谐振控制、高带宽微弱信号处理、微纳分立光电器件、系统无磁集成与校准评估等技术，力争用五至十年时间，实现我国全产业链自主可控的芯片化核磁共振陀螺仪与MPNT系统在无人系统上的应用，并在民用领域广泛推广，带动我国芯片级量子导航定位新兴产业形成和发展。

1、子方向3：机载高精度POS与惯性稳定平台技术

高分辨率对地观测系统是我国中长期发展规划（2006-2020年）的16个重大科技专项之一，高分辨率航空遥感系统是国土精确测绘、资源调查、自然灾害监测和军事侦察等领域不可替代的高技术设备，对国民经济建设和国家安全具有重大作用。制约航空遥感系统成像分辨率的主要因素是高精度位置姿态测量系统（POS）和高性能惯性稳定平台。高精度POS为遥感载荷提供高精度位置姿态基准，而高精度惯性稳定平台可使高分辨率光学载荷的视轴空间稳定，减小载机扰动对高分辨率对地观测载荷成像分辨率与精度的影响。无论高分辨率合成孔径雷达（SAR）、高光谱、光学相机、还是三维成像激光雷达，高精度POS与惯性稳定平台都是提高成像分辨率的关键，已成为制约我国高分辨率遥感系统发展的技术瓶颈。

在机载高精度位置姿态测量系统（POS）方面，POS是航空遥感系统的核心技术之一。高分辨率航空遥感载荷成像要求载机做匀速、平稳的理想直线运动，由于外部气流扰动与内部发动机振动等影响，飞机运动不能满足上述理想要求，导致载荷运动成像模糊、畸变，甚至不能成像，只有采用POS精确测量运动误差并进行补偿，才能实现载荷的高分辨率成像，机载POS已成为制约我国高分辨率航空遥感系统技术发展的核心设备，必须自主研发。上世纪90年代末，房建成院士带领团队在国内率先开展了机载高精度位置姿态测量系统（POS）技术研究，突破了挠性陀螺IMU误差建模标定与补偿、快速精确初始对准等关键技术，2004年主持研制成功我国第一代挠性陀螺POS系统，成功应用于中科院电子所研制的机载合成孔径雷达系统，在国内首次实现了基于POS的0.5m分辨率机载SAR实时成像。2006年以来，团队主持了国家“973计划”、国家“863计划”、高分专项等国家级科研任务，开展了基础理论研究、关键技术攻关及型号研制。攻克了平台复杂运动导致遥感成像质量退化的机理、平台运动误差高精度的估计、遥感成像高精度实时运动补偿等一系列科学难题；突破小型高精度光学陀螺IMU误差建模标定与补偿、快速精确初始对准、机载POS先进滤波等关键技术，在国内率先研制成功系列高精度光学陀螺POS产品，综合技术水平达到国际先进水平，姿态方位测量精度国际领先，打破了国外技术封锁，填补了国内空白。

实验室的大型仪器设备及研制的样机

研制的高精度POS已应用到中电14所、中科院电子所、西光所和长光所等20余家单位的SAR、干涉型光谱仪、激光雷达和光学相机四大类机载高分辨率对地观测系统，为我国机载X波段干涉SAR成像高程精度从3m提高至0.27m，国际首次实现机载时空联合调制干涉成像光谱仪集成POS成像0.64m@2800m等发挥了关键作用，首次实现了利用机载POS的1:500大比例尺无地面基准点测图，支撑我国跨入国际先进行列，取得了重大社会和经济效益。先后获2007年度国家科技进步二等奖和2014年度国家技术发明二等奖。

应用效果及取得的国家级奖励

随着航空对地观测系统技术发展，传统单个载荷观测正向多个或多类载荷联合观测、单/双天线SAR平面/准三维成像正向阵列天线SAR三维立体成像方向发展。阵列天线SAR等新型高性能航空对地观测系统代表了该领域的国际前沿发展方向和最高科技水平，柔性长基线多维空间运动误差导致成像质量退化的问题变得更为突出。团队瞄准我国新一代高分重大工程急需，针对新型高性能航空对地观测系统高精度运动成像共性基础理论和技术难题，正开展柔性长基线分布式位置姿态测量系统技术研究，解决阵列天线SAR等新型航空遥感系统成像的“卡脖子”难题，提升我国高分辨率航空对地观测技术水平。

新型高性能阵列天线SAR三维立体成像继续柔性长基线分布式POS

在高精度惯性稳定平台方面，高精度惯性稳定平台是高分辨率航空对地观测不可或缺的核心关键设备，有效隔离非理想角运动、振动及各种扰动，使成像载荷视轴与目标保持相对惯性稳定，实现高分辨率成像，是国际公认的光、机、电、磁集成的尖端产品。针对我国观测载荷重量大的特殊需求，在国家973、863、高分重大专项等支持下，围绕高精度大负载、超稳超静、大负载快响应、高精度惯性基准等难题，进行了理论方法、核心技术及产品的多项发明和原始创新，突破了高精度超重载、磁悬浮、两轴重载快速跟踪等惯性稳定平台关键技术，形成自主知识产权和一整套相关技术标准体系，研制成功系列设备产品，实现了批量生产与重大应用，为推动我国航空遥感技术跨越式发展发挥了重要作用。

高精度惯性稳定平台是高分辨率航空对地观测不可或缺的核心关键设备

2008年，在房建成院士带领下，在国内率先研制成功高精度大负载和快响应两类惯性稳定平台产品，并于2011年分别与中国测绘研究院四拼组合CCD数字测绘相机、单镜头CCD数字测绘相机以及北航高精度激光POS进行了20余架次的联合飞行实验，在国内首先实现大比例尺1:500高清机载遥感测绘成图，性能和精度分别与国外最新产品相当。2013年，在南方电网重点项目支持下，研制成功了集激光扫描仪、紫外扫描仪、红外扫描仪、长焦CCD相机、短焦CCD相机、POS等6种任务载荷为一体的我国新一代多传感器无人机电力巡线两轴重载吊舱平台，为国内外公开报道首创，并成功完成实际高压输电线路飞行测试应用。2014年，研制成功世界首台新型超稳超静磁悬浮惯性稳定平台（国外未见报道），实现了极微振动隔离，姿态指向精度达0.0104°（比国际最先进产品提高了近50%），成功实现了国内自主遥感系统（数字测绘相机+惯性稳定平台）1:2000高分辨率大比例尺高清晰成图，国际首次实现了磁悬浮稳定平台在高分辨率航空遥感的应用。2015年，研制成功承载比达3.64、承载能力（180kg）最大的超重载惯性稳定平台（国外未见报道），为时空联合调制光谱仪在国际上首次实现机载成像发挥了重要作用。

研制成功承载能力最大的超重载惯性稳定平台（国外未见报道），为时空联合调制光谱仪在国际上首次实现机载成像发挥了重要作用

高精度惯性稳定平台系列产品成果打破国外封锁，填补国内空白，具有自主知识产权。经专家委员会鉴定：“整体技术水平达到国际先进，超重载惯性稳定平台和磁悬浮惯性稳定平台技术国际领先”。成果已成功用于高分航空遥感和电力系统等国家重大工程领域，在推动国家高分对地观测战略中发挥了无可替代的作用。研制成功大负载高精度惯性稳定平台系列设备及产品，服务于国家基础航空摄影、国家重大测绘工程以及灾害应急测绘等航空遥感数据获取，其技术成果推广可显著提升我国测绘信息获取能力，增强国家测绘地理信息安全，促进航空遥感产业技术升级。“机载大负载与磁悬浮惯性稳定平台关键技术及应用”获2016教育部技术发明奖一等奖。

研制成功世界首台新型超稳超静磁悬浮惯性稳定平台（国外未见报道），实现极微振动隔离，实现1:2000大比例尺高清晰成图

随着我国高分辨率航空遥感技术的快速发展升级，针对高分辨率载荷对极微振动隔离的高要求，下一步将集中开展机载高分成像载荷用超稳超静磁悬浮惯性稳定平台技术研究，解决我国航空遥感重大需求。此外，针对国民经济建设主战场对重大设备技术的迫切需要，开展高性能大惯量快响应重载快速跟踪稳定平台关键技术及应用研究；针对我国高分对地观测技术发展的迫切需求，深入开展大负载高精度惯性稳定平台关键技术在光谱类、光学类等主要航空遥感载荷中的应用研究，并完善产品系列和产业化，推动我国电力线路全自动在线巡检诊断等重大设备技术升级换代和航空遥感技术在国家重要领域的高速发展。

“机载大负载与磁悬浮惯性稳定平台关键技术及应用”获2016教育部技术发明奖一等奖