国家技术发明奖“机械高精度位置姿态测量系统关键技术及应用”项目介绍

 　　编者按：2015年1月9日，2014年度国家科学技术奖励大会举行。由中国仪器仪表学会常务理事、北京航空航天大学房建成教授主持的“机械高精度位置姿态测量系统关键技术及应用”项目荣获“2014年度国家技术发明奖”二等奖。今天我们就向大家介绍一下该项目的具体情况。

　　项目名称：机械高精度位置姿态测量系统关键技术及应用

　　完成单位：北京航空航天大学、中测新图(北京)遥感技术有限公司、北京自动化控制设备研究所

　　主要完成人：房建成、宋凝芳、钟麦英、李建利、李英成、尚克军

　　项目简介：

　　高分辨率航空遥感系统是国土精确测绘、自然灾害与环境监测和军事侦察等领域不可替代的高技术装备，我国与欧美先进水平存在很大差距，其重要原因是缺乏用于高精度成像运动补偿的位置姿态测量系统(POS)。由于飞机受气流等扰动无法平稳匀速直线运动，导致合成孔径雷达(SAR)、光谱仪、激光雷达、光学相机等载荷像质严重退化、甚至无法成像，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是采用高精度惯性测量装置(IMU)自主测量载荷运动参数的组合系统，工作环境极为恶劣(-55~75°C)，且要求体积小、重量轻、长时间保持高精度，是国际公认的光机电集成尖端产品和技术难题，受国外严密封锁，是制约我国高分辨率航空遥感技术跨越的瓶颈。

　　在国家杰青基金、973、863计划、高分专项等支持下，突破了高性能光纤陀螺、IMU、POS、及集成应用多项关键技术，主要发明：

　　1.陀螺仪是IMU的核心敏感器件，针对小型光纤陀螺恶劣环境下的高精度难题，发明了光纤长度不变条件下快慢轴复用的光程倍增方法，发明了脱骨架光纤环绕制工艺和光纤陀螺特征参数自动检测跟踪及陀螺误差补偿技术，使高精度陀螺的精度从0.003°/h提高到0.0005°/h。研制成功小型高精度高稳定光纤陀螺。

　　2.针对IMU误差高精度标定及小型化难题，发明了光纤陀螺IMU新结构及高精度现场标定方法，显著提高标定精度;发明了二阶动力学建模的激光陀螺IMU设计技术，比传统IMU重量减小约50%，研制成功两类小型高精度光学陀螺IMU。

　　3.发明了IMU/GPS(全球卫星定位系统)组合系统高精度快速对准与滤波方法，及高精度时间同步等POS系统集成技术，突破了高动态、强扰动条件下POS快速精确对准与组合滤波制约其精度的瓶颈，研制成功我国首台高精度POS，航向/姿态精度0.002°/0.0025°，优于国际最高精度产品POS/AV610(0.005°/0.0025°)。

　　4.针对POS无法安装在载荷相位中心进行运动参数精确测量的难题，发明了IMU、GPS天线与载荷间的多级/动态杆臂效应补偿技术，及稀少(无)地面基准点航摄测量方法，显著提高了载荷运动参数测量精度及成像分辨率和测图精度。

　　授权国家发明专利61项，受理10项，软件著作权27项;制定国家/行业标准8项;发表论文213篇(SCI 77、EI 163)。该成果填补了国内空白，经权威检测与鉴定：POS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。

　　该成果为我国机载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。应用该成果首次测绘了钓鱼岛等无人海岛(礁)，在雅安地震应急救灾中第一时间获取了震区拼接影像图，有力支持了抗震救灾，满足国家重大需求。近三年新增产值3.9亿元，利税1.02亿元，培育了中航捷锐光电技术有限公司，POS产品应用到中电14所、中科院电子所、西光所和长光所等19家单位，取得了重大社会和经济效益。获2013年教育部技术发明一等奖。

　　项目第一完成人简介

　　房建成 男 汉族 49岁，山东临沂人，中共党员。北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院院长，长江学者特聘教授，国家杰出青年科学基金获得者，973项目首席科学家，国家自然基金委创新群体带头人，“863”计划导航定位技术主题专家组召集人。“惯性技术”国防科技重点实验室主任和“中英空间科学与技术联合实验室”中方理事长。长期从事高精度磁悬浮惯性执行机构和捷联惯性测量系统研究，曾获国家技术发明一等奖、二等奖、科技进步二等奖各1项(均排名第1);2007年入选“百千万人才国家级人选”;2008年获何梁何利基金“科学与技术成就奖”;2009年获首届国防科技工业杰出人才奖。出版专著4部，发表论文300余篇，SCI收录100余篇，授权国家发明专利100余项。