慣性導(dǎo)航系統(tǒng)市場分析

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)市場分析一、慣性技術(shù)：測量物體運動，感知物體姿態(tài)1.1慣性技術(shù)多學(xué)科交叉，發(fā)展歷史源遠(yuǎn)流長慣性技術(shù)是以牛頓運動定律為基礎(chǔ)的多學(xué)科交叉綜合技術(shù)，其指通過感知運動體在慣性空間的角運動、線運動，進(jìn)而獲取運動體的姿態(tài)、位置和速度等信息，從而實現(xiàn)對運動物體姿態(tài)和運動軌跡進(jìn)行測量和控制的一門技術(shù)，也是慣性儀表、慣性導(dǎo)航、慣性測量、慣性穩(wěn)控等技術(shù)的統(tǒng)稱。慣性技術(shù)的應(yīng)用以慣性儀表和慣性系統(tǒng)為載體，基礎(chǔ)器件為陀螺儀和加速度計。其通過陀螺儀獲知運動體的角速度，用以測量運動體的角度變化；通過加速度計獲知運動體的線性加速度，用以測量運動體的速度變化。將此二者輔以時間維度進(jìn)行自主運算后，即可實現(xiàn)對物體在一定期間的運動姿態(tài)、位置、速度等信息的精確感知和測量，進(jìn)而在對這些信息進(jìn)行綜合處理的基礎(chǔ)上實現(xiàn)對運動體之運動參數(shù)的有效控制。將上述感知、測量、控制的結(jié)果結(jié)合下游應(yīng)用領(lǐng)域的具體需求，即可實現(xiàn)慣性技術(shù)的實際應(yīng)用。1.2我國慣性技術(shù)處于追趕階段，相關(guān)企業(yè)不斷涌現(xiàn)全球慣性技術(shù)開發(fā)分為四個層次，目前我國居第三層次，具備部分研發(fā)能力。根據(jù)美國國防部的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，美國防部把從事慣性技術(shù)領(lǐng)域研究和開發(fā)的國家分為4個層次：屬于第一層次的有美國、英國和法國，完全具備自主研究和開發(fā)慣性技術(shù)能力；屬于第二層次的有俄羅斯、德國、以色列和日本，具備大部分自主研發(fā)能力；屬于第三層次的有中國、澳大利亞、加拿大、瑞典、烏克蘭，具備部分研發(fā)能力；屬于第四層次的有韓國、印度、巴西、朝鮮、瑞士、意大利等，具備較為有限的慣性技術(shù)研發(fā)能力。美國的霍尼韋爾（Honeywell）、諾格（NorthropGrumman）和法國的賽峰（SAFRAN）為全球慣性技術(shù)領(lǐng)域頂尖公司。目前，美國主要的慣性導(dǎo)航技術(shù)公司包括：霍尼韋爾、諾格公司、大西洋慣性系統(tǒng)、亞諾德半導(dǎo)體（ADI）和吉爾福特等；法國主要的慣性導(dǎo)航技術(shù)公司包括賽峰、iXblue、泰雷茲集團(tuán)等。其他國家主要的慣性技術(shù)公司包括：英國BAE系統(tǒng)公司；德國博世公司；俄羅斯物理光學(xué)、陀螺儀光學(xué)、拉明斯克儀表廠和Optolink；日本航空電子工業(yè)、三菱精密；挪威Sensonor等。國內(nèi)具備慣性傳感器制造能力的企業(yè)主要有航天三十三所、航天電子等，多為軍工企業(yè)，具備慣導(dǎo)系統(tǒng)制造能力的企業(yè)包括航天三十三所、航天電子、晨曦航空、星網(wǎng)宇達(dá)、北方導(dǎo)航、西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所、中國兵器工業(yè)導(dǎo)航與控制技術(shù)研究所等。二、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)：慣性導(dǎo)航器件的載體，實現(xiàn)測量計算功能2.1自助式導(dǎo)航系統(tǒng)，不依賴外界信息輸入慣性系統(tǒng)以慣性器件為核心，利用集成技術(shù)實現(xiàn)導(dǎo)航、姿態(tài)穩(wěn)定、測量等功能，其中慣性導(dǎo)航應(yīng)用最為廣泛。慣性導(dǎo)航是一種自助式的導(dǎo)航設(shè)備。其基本工作原理是利用陀螺儀和加速度計（統(tǒng)稱為慣性儀表）測量載體在慣性參考系下的角速度和加速度，并通過計算機(jī)對時間進(jìn)行積分、運算得到速度和相對位置，且把它變換到導(dǎo)航坐標(biāo)系中，這樣結(jié)合最初的位置信息，就可以得到載體現(xiàn)在所處的位置。慣性導(dǎo)航具有隱蔽性高、覆蓋范圍廣、短期精度高等優(yōu)點。相對于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)需要依靠衛(wèi)星完成導(dǎo)航工作，慣性導(dǎo)航依靠自身搭載的慣性器件完成導(dǎo)航工作，不依靠外界信息同時也不向外部輻射能量，因此具備較高的隱蔽性；慣性導(dǎo)航系統(tǒng)可以全天候工作于高空、地表、水下等各種環(huán)境，導(dǎo)航覆蓋范圍較廣；慣性導(dǎo)航系統(tǒng)可以依靠慣性器件輸出角（加）速度、線（加）速度、航向和姿態(tài)等數(shù)據(jù)，與衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相比數(shù)據(jù)提供更為豐富；同時，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)可以進(jìn)行實時、連續(xù)工作，數(shù)據(jù)更新頻率快、短期精度高。2.2兩種方案并存，捷聯(lián)式逐漸取代平臺式成為主流慣性導(dǎo)航系統(tǒng)有平臺式和捷聯(lián)式兩類實現(xiàn)方案。前者有跟蹤導(dǎo)航坐標(biāo)系的物理平臺，慣性儀表安裝在平臺上，對加速度計信號進(jìn)行積分可得到速度及位置信息，姿態(tài)信息由平臺環(huán)架上的姿態(tài)角傳感器提供；慣導(dǎo)平臺可隔離載體角運動，因而能降低動態(tài)誤差，但存在體積大、可靠性低、成本高、維護(hù)不便等不足。平臺式慣導(dǎo)將慣性敏感器（陀螺儀和加速度計）安裝在慣性平臺的臺體上。根據(jù)建立坐標(biāo)系的不同，平臺式慣導(dǎo)可分為空間穩(wěn)定平臺式慣導(dǎo)和當(dāng)?shù)厮绞綉T導(dǎo)兩類。空間穩(wěn)定平臺式慣導(dǎo)的臺體相對慣性空間穩(wěn)定，用以建立慣性坐標(biāo)系，地球自轉(zhuǎn)、重力加速度等影響由導(dǎo)航計算機(jī)加以補償，這種系統(tǒng)多用于運載火箭的主動段和一些航天器上。當(dāng)?shù)厮绞綉T導(dǎo)的特點是臺體上的兩個加速度計輸入軸所構(gòu)成的基準(zhǔn)平面能夠始終跟蹤載體所在點的水平面，因此加速度計不受重力加速度的影響，這種系統(tǒng)多用于沿地球表面運動的載體，如飛機(jī)、船舶等。激光陀螺儀技術(shù)的成熟，使捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)逐步取代了平臺慣導(dǎo)系統(tǒng)。捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)除了具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、體積重量小、準(zhǔn)備時間短、MTBF長等優(yōu)點外，捷聯(lián)慣導(dǎo)可供利用的信息比平臺式慣導(dǎo)多，這對傳遞對準(zhǔn)及火控系統(tǒng)來說十分重要。因此捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)取代平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)是必然趨勢，事實上美國在15年前就從撓性平臺慣導(dǎo)的生產(chǎn)轉(zhuǎn)向了激光捷聯(lián)慣導(dǎo)的生產(chǎn)。捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)簡化實際上是用算法和軟件的復(fù)雜設(shè)計換取的，而當(dāng)前計算機(jī)水平的飛速提高為這種復(fù)雜設(shè)計提供了實現(xiàn)保障，所以算法是捷聯(lián)慣導(dǎo)的核心，在慣性器件等硬件配置已定的情況下，算法決定了捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的性能。捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)沒有物理平臺，慣性儀表與載體直接固連，慣性平臺功能由計算機(jī)軟件實現(xiàn)，姿態(tài)角通過計算得到，也稱為“數(shù)學(xué)平臺”。由于捷聯(lián)系統(tǒng)中慣性儀表要承受載體角運動的影響，故要求其動態(tài)范圍大、頻帶寬、環(huán)境適應(yīng)性好等，對導(dǎo)航計算機(jī)的速度與容量要求較高。捷聯(lián)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高、質(zhì)量輕、體積小、功耗低、維護(hù)方便、成本低等優(yōu)點，也便于與其他導(dǎo)航系統(tǒng)或設(shè)備進(jìn)行集成化、一體化設(shè)計，已成為現(xiàn)代慣性系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的主流方案。捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)采用數(shù)學(xué)平臺，即在計算機(jī)中實時計算出姿態(tài)矩陣，建立起數(shù)學(xué)平臺，姿態(tài)更新計算、導(dǎo)航計算是捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的算法核心，也是影響其精度的主要因素。傳統(tǒng)的姿態(tài)更新算法有歐拉角法、方向余弦法和四元數(shù)法。其中四元數(shù)法算法簡單，計算量小，因而在工程實際中經(jīng)常采用。由于剛體轉(zhuǎn)動的不可交換性，在姿態(tài)更新計算中不可避免地引入了不可交換誤差，但這種誤差屬于算法誤差，因此它是能夠通過算法的改進(jìn)而得以減小的。平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)和捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)的主要區(qū)別是：前者有實體的物理平臺，陀螺和加速度計置于陀螺穩(wěn)定的平臺上，該平臺跟蹤導(dǎo)航坐標(biāo)系，以實現(xiàn)速度和位置解算，姿態(tài)數(shù)據(jù)直接取自于平臺的環(huán)架；后者的陀螺和加速度計直接固連在載體上作為測量基準(zhǔn)，它不再采用機(jī)電平臺，慣性平臺的功能由計算機(jī)完成，即在計算機(jī)內(nèi)建立一個數(shù)學(xué)平臺取代機(jī)電平臺的功能，其飛行器姿態(tài)數(shù)據(jù)通過計算機(jī)計算得到，故有時也稱其為“數(shù)學(xué)平臺”，這是捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)區(qū)別于平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)的根本點。陀螺動態(tài)范圍要求不同。平臺慣導(dǎo)系統(tǒng)陀螺安裝在平臺臺體上，陀螺感測臺體偏離導(dǎo)航坐標(biāo)系的偏差，平臺通過穩(wěn)定回路消除這種偏差，其作用是隔離掉運載體的角運動，使陀螺的工作環(huán)境不受運載體角運動的影響。同時，平臺通過修正回路使陀螺按一定要求進(jìn)動，控制平臺跟蹤導(dǎo)航坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)運動。而導(dǎo)航坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)僅由運載體相對于地球的線運動和地球的自轉(zhuǎn)引起，這些旋轉(zhuǎn)角速度都十分微小，所以對陀螺的指令施矩電流是很小的。這就是說平臺慣導(dǎo)陀螺的動態(tài)范圍可設(shè)計得較小。但捷聯(lián)慣導(dǎo)陀螺直接安裝在運載體上，陀螺必須跟隨運載體的角運動，施矩電流遠(yuǎn)比僅跟蹤導(dǎo)航坐標(biāo)系的施矩電流大，即捷聯(lián)慣導(dǎo)所用陀螺的動態(tài)范圍遠(yuǎn)比平臺慣導(dǎo)所采用的大。慣導(dǎo)器件的工作環(huán)境不同，慣導(dǎo)器件動態(tài)誤差和靜態(tài)誤差的補償要求也不同。在平臺慣導(dǎo)系統(tǒng)中，平臺對運載體的角運動起隔離作用，安裝在平臺上的慣導(dǎo)器件只需對線加速度引起的靜態(tài)誤差作補償。而捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)中的慣性器件除補償靜態(tài)誤差以外，還需要對角速度和角加速度引起的動態(tài)誤差作補償。因此必須在實驗室條件下對捷聯(lián)陀螺和加速度計的動、靜態(tài)誤差系數(shù)作嚴(yán)格的測試和標(biāo)定。計算量不同。平臺慣導(dǎo)中，平臺以物理實體形式存在，平臺模擬了導(dǎo)航坐標(biāo)系，運載體的姿態(tài)角和航向角可直接從平臺框架上拾取或僅通過少量計算獲得。但在捷聯(lián)慣導(dǎo)中，平臺并不實體存在，而以數(shù)學(xué)平臺形式存在，姿態(tài)角和航向角都必須經(jīng)過計算獲得，計算量龐大。三、核心器件決定系統(tǒng)性能，技術(shù)路線加速迭代3.1IMU：慣性導(dǎo)航系統(tǒng)核心傳感器，陀螺儀和加速度計的載體慣性導(dǎo)航系統(tǒng)通常由慣性測量裝置、計算機(jī)、控制顯示器、專用電路模塊等組成。慣性測量單元（InertialMeasurementUnit，IMU）是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核心傳感器，通常由3軸陀螺和3軸加速度計組成，主要用來檢測和測量加速度、傾斜、沖擊、振動、旋轉(zhuǎn)和多自由度運動。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)專用電路模塊包括導(dǎo)航計算機(jī)電路、I/F轉(zhuǎn)換電路和母板電路等。由于陀螺儀、加速度計輸出的電流屬于模擬信號，計算機(jī)無法處理，因此需要經(jīng)過I/F轉(zhuǎn)換電路將電流信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。導(dǎo)航計算機(jī)采集陀螺儀和加速度計信號，完成誤差補償、初始對準(zhǔn)和導(dǎo)航解算，得到運載體在導(dǎo)航坐標(biāo)系上的速度、位置和航向、姿態(tài)信息，并發(fā)送到運載體的制導(dǎo)控制系統(tǒng)；然后由制導(dǎo)控制系統(tǒng)結(jié)合衛(wèi)星、圖像、紅外等信息完成綜合解算、制導(dǎo)控制算法，生成舵機(jī)指令，實現(xiàn)精確制導(dǎo)。狹義上，一個IMU內(nèi)在正交的三軸上安裝陀螺儀和加速度計，共6個自由度，來測量物體在三維空間中的角速度和加速度，這就是我們熟知的“6軸IMU”；廣義上，IMU可在加速度計和陀螺儀的基礎(chǔ)上加入磁力計，可形成如今已被大眾知曉的“9軸IMU”，可用于提升航向角的測量精度。據(jù)Yoledevelopment，IMU約占慣導(dǎo)系統(tǒng)成本的20%，2018年全球規(guī)模約1.6億美元，預(yù)計2022、2027、2032年全球IMU市場規(guī)模分別達(dá)到9億美元、47億美元、210億美元，2022-2032年CAGR高達(dá)37%，對應(yīng)2032年慣導(dǎo)系統(tǒng)全球市場空間有望超千億美元。據(jù)mordorintelligence預(yù)測，高性能慣性測量單元（IMU）市場在2020年價值151.4億美元，預(yù)計到2026年將達(dá)到227.2億美元，在預(yù)測期間（2021-2026年）的復(fù)合年增長率為6%。3.2陀螺儀：角速度測量單元，技術(shù)路線快速迭代陀螺和加速度計等慣性傳感器是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核心器件，對系統(tǒng)的精度起決定性作用。其中陀螺用以獲取運動的角速度并測量其角度變化，通過角速度獲取方向信息，在慣性導(dǎo)航中起到姿態(tài)解算、輔助定位的作用。陀螺儀種類多種多樣，按陀螺轉(zhuǎn)子主軸所具有的進(jìn)動自由度數(shù)目可分為二自由度陀螺儀和單自由度陀螺儀；按支承系統(tǒng)可分為滾珠軸承陀螺，液浮陀螺、氣浮陀螺、磁浮陀螺，撓性陀螺和靜電陀螺；按物理原理分為利用高速旋轉(zhuǎn)體物理特性工作的轉(zhuǎn)子式陀螺和利用其他物理原理工作的半球諧振陀螺、微機(jī)械陀螺、環(huán)形激光陀螺和光纖陀螺等。按照陀螺儀發(fā)展歷程，陀螺儀由最初的轉(zhuǎn)子陀螺儀逐漸發(fā)展為如今廣泛應(yīng)用的光學(xué)陀螺儀，以及仍在進(jìn)一步研發(fā)推廣中的振動陀螺儀、原子陀螺儀等。不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ν勇輧x的性能具有不同的要求，根據(jù)陀螺儀核心指標(biāo)零偏穩(wěn)定性（衡量陀螺儀在一個工作周期內(nèi)，當(dāng)輸入角速率為零時，陀螺儀輸出值圍繞其均值的離散程度，數(shù)值越小表示性能越高），一般將陀螺儀分為戰(zhàn)略級、導(dǎo)航級、戰(zhàn)術(shù)級、商業(yè)級。戰(zhàn)略級應(yīng)用場景集中于航天和航海領(lǐng)域，包括戰(zhàn)略導(dǎo)彈核潛艇、航空母艦或者洲際導(dǎo)彈等，精度要求高水平，多使用激光陀螺儀；導(dǎo)航級應(yīng)用場景多為飛機(jī)、中遠(yuǎn)程導(dǎo)彈武器等，精度要求中高水平，多使用激光陀螺儀、光纖陀螺儀；戰(zhàn)術(shù)級應(yīng)用場景包括裝甲車輛、中短程制導(dǎo)武器等，精度要求中低水平，多使用光纖陀螺儀和動力調(diào)諧陀螺儀；商業(yè)級應(yīng)用場景為民用，常用領(lǐng)域包括汽車導(dǎo)航、消費電子產(chǎn)品等，精度要求較低，多使用MEMS陀螺儀。不同運用領(lǐng)域?qū)ν勇輧x的性能要求不同，通常需要綜合考慮精度、體積與成本等因素。例如小型化制導(dǎo)武器對精度要求適中，但需要小體積、低成本與高穩(wěn)定性的特性，而戰(zhàn)略級運用則追求極致的精度特性，體積與成本則可以適當(dāng)放松要求。轉(zhuǎn)子陀螺儀可分為液浮陀螺儀、動力調(diào)諧陀螺、靜電陀螺儀等，相對于光學(xué)陀螺儀，其應(yīng)用場景相對較窄。液浮陀螺儀是利用液體的靜浮力將陀螺儀組件懸浮起來的陀螺儀，制造工藝較為復(fù)雜，成本較高且壽命較短，因此國外在20世紀(jì)80年代就被激光陀螺儀和光纖陀螺儀所取代，目前國內(nèi)少部分高精度軍用領(lǐng)域還在使用。動力調(diào)諧陀螺儀相比于液浮陀螺儀結(jié)構(gòu)簡單、精度中等、成本較低，在20世紀(jì)70年代開始廣泛用于多種軍用領(lǐng)域，但隨著光學(xué)陀螺儀的發(fā)展，動力調(diào)諧陀螺儀在導(dǎo)航級應(yīng)用領(lǐng)域中開始逐步被替代，目前主要用于戰(zhàn)術(shù)級應(yīng)用。相較于大多光學(xué)陀螺儀，動力調(diào)諧陀螺儀在結(jié)構(gòu)尺寸、成本方面具有一定優(yōu)勢；而相對于大多MEMS陀螺儀，動力調(diào)諧陀螺儀在環(huán)境適應(yīng)性方面上具有一定優(yōu)勢。特別是在小型化制導(dǎo)武器導(dǎo)引頭穩(wěn)定平臺系統(tǒng)方面，微型化動力調(diào)諧陀螺儀是較好選擇，并在我國現(xiàn)役多型國家重點武器裝備上使用。靜電陀螺儀是利用球形轉(zhuǎn)子與電容極板之間的強(qiáng)電場產(chǎn)生的靜電吸力將空心或?qū)嵭那蛐无D(zhuǎn)子懸浮起來的陀螺儀。靜電陀螺儀內(nèi)部被抽成高真空，精度高，目前通常被用在彈道導(dǎo)彈、核潛艇和航空母艦等高精度軍用領(lǐng)域。光學(xué)陀螺儀可分為激光陀螺與光纖陀螺，原理基于薩格奈克效應(yīng)，其特點是反應(yīng)時間短、動態(tài)范圍大、可靠性高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、易維護(hù)、壽命長。光學(xué)陀螺技術(shù)較為成熟，精度高，隨著產(chǎn)品迭代，光學(xué)陀螺及其系統(tǒng)應(yīng)用從戰(zhàn)術(shù)級應(yīng)用逐步拓展到導(dǎo)航級應(yīng)用，在陸、海、空、天等多個領(lǐng)域中得到批量應(yīng)用。激光陀螺，是指利用激光光束的光程差測量物體角位移的裝置。例如，一個三角形環(huán)狀激光器，其中放置激光發(fā)生器，產(chǎn)生氦氖激光在三角形三個頂端放置反射鏡形成閉合光路，使分光鏡將一束激光分為正反兩向傳播的兩束激光。當(dāng)物體（激光器）沒有角位移時，兩束激光沒有光程差，它們會聚在一起時不相干涉。如果物體移動產(chǎn)生角位移，兩束激光相遇時就會產(chǎn)生干涉，利用光的干涉條紋測出物體的角位移，以此計算出物體的角速度，從而完成機(jī)械式陀螺同樣的任務(wù)。激光陀螺集光、機(jī)、電、算等尖端科技于一身，廣泛覆蓋陸海空天多個領(lǐng)域。激光陀螺是衡量一個國家光學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。它的精度大大高于機(jī)械式陀螺，沒有運動部件，易于維護(hù)，可靠性高，壽命長，從而取代機(jī)械式陀螺，成為大中型飛機(jī)慣性基準(zhǔn)系統(tǒng)的核心部件。在航海方面，作為導(dǎo)航儀器，激光陀螺導(dǎo)航系統(tǒng)是當(dāng)今美國海軍水面艦船和潛艇的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。光纖陀螺儀與傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子陀螺儀相比，不使用機(jī)械轉(zhuǎn)動件，靈敏度更高，與環(huán)形激光陀螺儀相比，不需要光學(xué)腔的精密加工、機(jī)械偏置和高壓電源，制造工藝更為簡單，使用壽命更長；與MEMS陀螺儀相比，在技術(shù)性能和環(huán)境適應(yīng)性上具有優(yōu)勢。因此光纖陀螺儀是目前國內(nèi)慣性技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用范圍最廣的陀螺儀。振動陀螺儀基于哥氏振動效應(yīng)和微納加工技術(shù)，典型代表是半球諧振陀螺和MEMS陀螺。半球諧振陀螺是哥式振動陀螺儀中的一種高精度陀螺儀，正逐步在空間、航空、航海等領(lǐng)域開展應(yīng)用，但受限于結(jié)構(gòu)及制造技術(shù)，市場上可規(guī)?；a(chǎn)的企業(yè)較少，現(xiàn)階段主要應(yīng)用于高精度的空間領(lǐng)域。振動陀螺儀中的MEMS陀螺儀具有體積小、質(zhì)量輕、集成化程度高、功耗低、成本低等優(yōu)點，相比光學(xué)陀螺儀和機(jī)械轉(zhuǎn)子陀螺儀，現(xiàn)階段其精度還相對較低，環(huán)境適應(yīng)性能力較低。在消費類電子方面，低精度MEMS陀螺儀應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，主要用在手機(jī)、游戲機(jī)、音樂播放器等手持設(shè)備上，使得人機(jī)互動達(dá)到一個新的高度；中級MEMS陀螺儀主要用于汽車電子穩(wěn)定系統(tǒng)、GPS輔助導(dǎo)航系統(tǒng)、精密農(nóng)業(yè)、工業(yè)自動化、大型醫(yī)療設(shè)備等；在軍工領(lǐng)域，現(xiàn)階段高精度的MEMS陀螺儀還不夠成熟，應(yīng)用較少。原子陀螺儀基于現(xiàn)代量子力學(xué)技術(shù)。典型代表為核磁共振陀螺、原子干涉陀螺。其目標(biāo)是實現(xiàn)高精度、高可靠、小型化和更廣泛應(yīng)用領(lǐng)域的導(dǎo)航系統(tǒng)，核磁共振陀螺儀和原子干涉陀螺儀則分別處于工程樣機(jī)階段和原理樣機(jī)階段。隨著物理學(xué)、新材料、高度專業(yè)化制造以及其他相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，核磁共振陀螺有望在5到10年內(nèi)以捷聯(lián)方式應(yīng)用于無人機(jī)、水下潛航器、地面車輛、臨近空間飛行器以及單兵裝備等任何需要小尺寸和低功率高精度導(dǎo)航的民用和軍事領(lǐng)域。光脈沖原子干涉陀螺儀經(jīng)過近30年的研發(fā)努力和技術(shù)嘗試，逐漸形成了一些較為成熟的技術(shù)方案或者構(gòu)型。若按照所采用的原子束源的類型來分類，可以分為連續(xù)型原子干涉陀螺儀和脈沖型原子干涉陀螺儀，二者的原子波源分別為連續(xù)出射的原子束和脈沖式拋射的冷原子云團(tuán)。若按照Raman光與原子相互作用的構(gòu)型進(jìn)行分類，則分為上述的三脈沖和四脈沖構(gòu)型。憑借其靈敏度高、長期穩(wěn)定性好、擴(kuò)展性強(qiáng)的技術(shù)特點，原子干涉陀螺儀成為當(dāng)前超高精度陀螺儀研制的一種主流方案。經(jīng)過30余年的迭代，原子干涉陀螺儀歷經(jīng)第一代原理驗證與第二代高性能實驗室演示的發(fā)展，其零偏不穩(wěn)定性達(dá)到了納弧度每秒（nrad/s）量級。3.3加速度計：軍用石英加計成為主流，民用MEMS成為主流加速度計是慣性測量和導(dǎo)航系統(tǒng)的主要慣性元件之一，它的輸出與運載體的運動加速度成比例。其作用原理是基于牛頓的經(jīng)典力學(xué)定律。加速度計測量出運載體的線加速度，經(jīng)一次積分可獲得運動速度，經(jīng)兩次積分便獲得位置數(shù)據(jù)。因此，在慣性測量和導(dǎo)航系統(tǒng)中，對加速度計的精度指標(biāo)要求相當(dāng)高，通常要求加速度計的靈敏度極高，各種性能系數(shù)的穩(wěn)定性也極高。線加速度計的種類很多，由發(fā)展時間的先后依次為：三四十年代的擺式積分陀螺加速度計和寶石軸承擺式加速度計；60年代中期開始發(fā)展起來的液浮擺式加速度計、撓性加速度計、壓電加速度計、電磁加速度計等，以后是靜電加速度計、激光加速度計；70年代以后，除了上述各類加速度計不斷改進(jìn)提高之外，多功能傳感器和其他基于新支承形式、新材料、新工藝的加速度計蓬勃發(fā)展。尤其是硅基集成式微加速度計，近10年來成為競相研制的熱點。根據(jù)加速度計的核心性能參數(shù)情況，一般將加速度計分為戰(zhàn)略級、導(dǎo)航級、戰(zhàn)術(shù)級、消費級。加速度計有各種分類方法。通常綜合幾種不同分類法的特點來命名一種加速度計，目前，加速度計的類型主要有擺式積分陀螺加速度計、撓性擺式加速度計、石英振梁式加速度計、硅微機(jī)械加速度計、微光學(xué)加速度計、原子加速度計和光力學(xué)加速度計等。目前，成熟的加速度計產(chǎn)品精度從高到低依次是積分陀螺加速度計、石英振梁加速度計、撓性擺式加速度計和MEMS加速度計，已經(jīng)覆蓋了目前絕大部分的應(yīng)用場景。按檢測質(zhì)量的運動方式可分為線位移加速度計和擺式加速度計，前者是測量檢測質(zhì)量沿導(dǎo)軌方向的直線位移量，后者是測量檢測質(zhì)量繞支承擺動而產(chǎn)生的角位移量。按測量系統(tǒng)形式分，有開環(huán)式和閉環(huán)式兩類。開環(huán)式加速度計又稱為簡單加速度計，被測的加速度值經(jīng)敏感元件、信號傳感器、放大器變成電信號直接輸出。閉環(huán)式加速度計又稱為力平衡式加速度計（又稱力反饋加速度計或伺服加速度計），被測的加速度變成電信號后，加到力矩器上，使活動機(jī)構(gòu)恢復(fù)平衡位置。按輸出信號分，有加速度計、積分加速度計和雙重積分加速度計，分別提供加速度、速度和距離信息。按測量的自由度分，有單軸、雙軸、三軸加速度計。按測量加速度的原理分，有壓電、振弦、振梁、光學(xué)和擺式加速度計。按支承方式將其分為寶石支承、撓性支承、氣浮、液浮、磁懸浮和靜電懸浮等。擺式積分陀螺加速度計是利用在自轉(zhuǎn)軸上有一定擺性的積分陀螺來測量比力的裝置。多用于導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)，由積分陀螺、伺服電機(jī)和單軸轉(zhuǎn)臺等組成。在陀螺的自轉(zhuǎn)軸上，有一個偏離輸出軸一定距離的不平衡質(zhì)量，形成擺。當(dāng)沿輸入軸有加速度作用時，慣性力矩使擺繞輸出軸轉(zhuǎn)動，角度傳感器即產(chǎn)生一個正比于框架轉(zhuǎn)角的電壓信號，經(jīng)放大后送入伺服電機(jī)、使裝有陀螺的轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動而在陀螺框架上產(chǎn)生一個陀螺力矩來平衡慣性力矩，使陀螺轉(zhuǎn)子軸趨向于零位。單位時間內(nèi)轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)角即加速度的量度的精度為10-8g～10-5g（量級），是技術(shù)成熟且精度最高的機(jī)械式加速度計，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積及質(zhì)量大、成本高，目前應(yīng)用于遠(yuǎn)程戰(zhàn)略導(dǎo)彈和大型運載火箭的慣性制導(dǎo)系統(tǒng)。撓性擺式加速度計和石英振梁加速度計是目前主流的工程應(yīng)用加速度計，撓性擺式加速度計包括石英、金屬和硅基撓性加速度計，具有體積小和精度高的優(yōu)點，精度為10-6g～10-3g（量級），主要應(yīng)用于海陸空導(dǎo)航和戰(zhàn)術(shù)級至導(dǎo)航級導(dǎo)彈制導(dǎo)等領(lǐng)域。石英撓性加速度計是機(jī)械擺式加速度計的主流產(chǎn)品，精度可達(dá)10-6g水平，技術(shù)已成熟且應(yīng)用最廣。當(dāng)有加速度作用于檢測石英擺敏感質(zhì)量時，擺質(zhì)量因慣性而偏離平衡位置，電容檢測器差動地檢測擺質(zhì)量的位移量，并輸出與此位移量成正比的電信號，經(jīng)伺服電路放大處理，向力矩器線圈提供電流，該電流與永久磁鐵作用的結(jié)果是產(chǎn)生一平衡力，以平衡作用于擺質(zhì)量的慣性力，使擺質(zhì)量處于新的平衡位置。力矩器線圈所施加的電流大小代表輸入加速度的大小，電流方向代表輸入加速度的方向。石英振梁加速度計是一種基于石英振梁力頻特性的新型高精度固態(tài)傳感器。激振電路對石英振梁進(jìn)行壓電激勵，使其在諧振頻率點處形成彎曲振動，質(zhì)量塊將外界的輸入加速度轉(zhuǎn)換成作用在振梁上的軸向力。結(jié)合振梁的力頻特性，通過改變振梁的剛度使其諧振頻率發(fā)生變化，檢測兩個振梁的頻率差獲得加速度的大小和方向信息。石英振梁加速度計抗環(huán)境噪聲能力較強(qiáng)，精度較石英撓性加速度計稍高，可應(yīng)用于導(dǎo)航級慣性系統(tǒng)。體積小巧的中低精度石英振梁加速度計利用諧振器的力頻率特性來測量加速度，在國外已有大量應(yīng)用。MEMS加速度計是一種能夠測量物體線加速度的器件，通常由質(zhì)量塊、阻尼器、彈性元件、敏感元件和適調(diào)電路等部分組成。按工作原理劃分，MEMS加速度計可以分為以下類型：電容式、壓電式、熱感式、諧振式等。其中，電容式MEMS加速度計是目前應(yīng)用最多的類型。電容式MEMS加速度計具有檢測精度高、受溫度影響小、功耗低、寬動態(tài)范圍、以及可以測量靜態(tài)加速度等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于消費電子、汽車、工業(yè)、高可靠等各個領(lǐng)域。高精度的MEMS加速度計已有成熟產(chǎn)品的精度為10-4g～10-3g（量級），可基本滿足戰(zhàn)術(shù)級需求，已在國外武器系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。MEMS諧振式加速度計的精度已經(jīng)達(dá)到10-6g（量級），但還處于實驗室研究階段。歐美多國仍在大量投入研發(fā)具有更高精度潛力的下一代加速度計，主要是基于光學(xué)效應(yīng)、量子效應(yīng)（物質(zhì)波干涉）和光力耦合效應(yīng)等的新型高精度加速度計。光力學(xué)加速度計具有前所未有的測量精度，可接近甚至突破標(biāo)準(zhǔn)量子極限，是與原子干涉加速度計精度相當(dāng)?shù)南乱淮呔燃铀俣扔?，發(fā)展?jié)摿薮蟆ｋS著硅光集成技術(shù)的快速發(fā)展，融合光學(xué)效應(yīng)傳感和微加工技術(shù)的微光學(xué)加速度計（MOEMS）獲得了快速發(fā)展。與傳統(tǒng)加速度計相比，微光學(xué)加速度計具有體積小、精度高和抗電磁干擾的優(yōu)點，主要分為微納光纖環(huán)式、亞波長諧振式、光波導(dǎo)光強(qiáng)檢測式、微結(jié)構(gòu)光柵式和光纖F-P腔式等，有望用于中、高精度慣性導(dǎo)航領(lǐng)域。原子干涉（量子）加速度計是利用物質(zhì)波干涉技術(shù)的新型慣性器件，利用激光冷卻操控原子分束、合束發(fā)生干涉，通過冷原子團(tuán)自由落體時間測量加速度。原子干涉加速度計具有超高的長期穩(wěn)定性，精度可以達(dá)到10－9g。近年來，有學(xué)者提出基于光力懸浮微球介質(zhì)的懸浮光力學(xué)加速度計和基于光場、機(jī)械結(jié)構(gòu)相互耦合的腔光力學(xué)加速度計。四、細(xì)分產(chǎn)業(yè)鏈眾多，發(fā)展?jié)摿薮?.1未來發(fā)展趨勢：高精度、低成本、小體積等為不斷提升競爭力，慣性系統(tǒng)正向著高精度、小體積、抗惡劣環(huán)境、快速啟動、標(biāo)準(zhǔn)化、貨架式方向發(fā)展，關(guān)鍵技術(shù)包括系統(tǒng)的數(shù)字化、集成化、通電快速熱穩(wěn)定及動態(tài)快速對準(zhǔn)（含自主對準(zhǔn)和傳遞對準(zhǔn)）等技術(shù)。平臺式慣性系統(tǒng)需充分利用最新控制理論和控制技術(shù)來進(jìn)一步改善其穩(wěn)定回路的性能；捷聯(lián)式系統(tǒng)將越來越多地采用數(shù)字化固態(tài)慣性儀表和系統(tǒng)集成一體化、先進(jìn)數(shù)據(jù)濾波等技術(shù)，使其綜合性能不斷提高。另外，隨著深空探測任務(wù)的逐步實施和慣性技術(shù)水平的不斷提高，今后的研究還包括月球、火星等地外星球表面和行星際航行的慣性導(dǎo)航理論、誤差模型及工程實現(xiàn)技術(shù)。另一方面，慣性儀表則正不斷向更高精度（如原子陀螺）、更小型化（如MEMS陀螺）等方向發(fā)展?，F(xiàn)有轉(zhuǎn)子式、光學(xué)陀螺等慣性儀表及配套元器件的精度、可靠性等性能還需要進(jìn)一步提高。新概念慣性儀表不斷提出，如光子晶體光纖陀螺、MEMS陀螺、集成光學(xué)/MOEMS陀螺、原子干涉/自旋陀螺及多類新型加速度計等，研究重點是新原理、新方法、新工藝。慣性導(dǎo)航技術(shù)自身的發(fā)展主要依靠三方面科技發(fā)展水平的支撐：新型的測量原理、慣性器件及先進(jìn)的制造工藝技術(shù)、計算機(jī)軟硬件技術(shù)。早期慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是以機(jī)械陀螺為核心、以模擬電路為主要硬件實現(xiàn)形式的機(jī)械框架平臺式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。隨著計算機(jī)硬件技術(shù)發(fā)展，硬件計算速度大幅度提高、存儲容量進(jìn)一步擴(kuò)大，逐漸發(fā)展出機(jī)械陀螺的捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，而且捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的計算速度和功能不斷提高。關(guān)鍵器件的陀螺則由機(jī)械式陀螺發(fā)展到光學(xué)陀螺（即光纖陀螺和激光陀螺），這是慣性技術(shù)發(fā)展的一大革命，與以前的機(jī)械陀螺器件有著本質(zhì)的區(qū)別。光學(xué)陀螺測量角速度的傳感器已經(jīng)沒有機(jī)械