2020年國外慣性技術發展與回顧

薛連莉，翟峻儀，葛悅濤

(1.中移動金融科技有限公司，北京100011；2.航天科工空間工程發展有限公司，北京 100854；3.北京海鷹科技情報研究所，北京 100074)

0 引言

2020年，一場新冠疫情席卷全球，給世界帶來了巨大變化。新冠疫情對人類生活、全球經濟和企業造成的全面影響盡管尚不明確，但已經顯著推動了變革。民用領域，得益于陀螺和加速度計技術的快速發展，慣性系統在工業應用中愈發普遍，能夠以較低的成本和優越的性能實現新功能的集成。軍用領域，區域不穩定、石油戰、伊朗暗殺、德黑蘭客機意外墜毀等事件讓地緣政治緊張局勢進一步升級，相關國家可能會為了捍衛國家主權、領土安全和穩定增加軍費開支，勢必會直接影響軍用慣性系統的發展。本文梳理了慣性技術領域的相關動態信息，介紹了慣性儀表和系統的發展及應用現狀，并對慣性與導航技術進行了分析和展望。

1 陀螺

1.1 光學陀螺

光學陀螺主要有激光陀螺和光纖陀螺兩大類。光纖陀螺按其工作原理可分為干涉式光纖陀螺(Interferometric Fiber Optic Gyroscope，IFOG)、諧振式光纖陀螺(Resonator Fiber Optic Gyroscope，RFOG)和受激布里淵散射光纖陀螺。隨著光子組件集成、超低損耗單片波導[1]和厘米級超高Q值諧振器[2]的穩步發展，基于光子集成芯片的光學陀螺儀愈發受到關注。

1.1.1 激光陀螺

激光陀螺方面，在美國國防高級研究計劃局(Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA)的支持下，加州理工學院的Y. H.Lai等結合光學和微機電系統(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)的優勢，研發出概念驗證的芯片基環形激光陀螺儀，角度隨機游走噪聲低至0.068(°)/h1/2，零偏穩定性為3.6(°)/ h，靈敏度為5(°)/ h，可用于測量地球自轉，是芯片級光學陀螺儀的重要里程碑[3-4]。

激光陀螺慣性系統方面，美國海軍海上系統司令部宣布授予諾格公司斯佩里海事分部2.1億美元合同，繼續生產AN/WSN-7導航系統，計劃于2022年12月完成。AN/WSN-7環形激光陀螺慣性導航系統(Inertial Navigation System, INS)定位導航誤差約為1n mile/d，該系統設計用于替代WSN-2質量自旋陀螺慣性導航系統。此外，斯佩里海事分部正在研發WSN-12新一代艦載慣性導航系統， 于2020年年底交付首批工程開發模型。

總體來看，2020年，國外激光陀螺重點關注陀螺的小型化方面，基于激光陀螺的慣性導航系統目前仍是美國海軍的重要選擇。

1.1.2 光纖陀螺

光纖陀螺方面，為了滿足大眾市場對低成本、緊湊和盡可能高精度的慣性傳感器的需求，俄羅斯Optolink公司推出了基于IFOG的新產品：超緊湊型導航級慣性測量單元IMU400(圖1)，其尺寸、質量和功耗(Size Weight and Power，SWaP)性能為：80mm×95mm×62mm，0.7kg，0.5L，<7W；IMU400中陀螺的主要參數為：角度隨機游走為0.007(°)/h1/2，零偏穩定性為0.01(°)/h[5]。俄羅斯Fizoptika公司推出了該公司最小的差分輸出光纖陀螺VG191A，角度隨機游走為0.015(°)/h1/2，零偏穩定性為1(°)/h，直徑僅為24mm，長度為40mm，質量僅為30g，是尺寸、質量和功率受限的無人機、機器人和無人系統的理想選擇。英國南安普敦大學的研究人員通過使用直徑為10cm的7芯光纖線圈，得到了長期零偏穩定性優于0.02(°)/h，角度隨機游走優于2.4×10-3(°)/h1/2的IFOG[6]。

圖1 IMU400外部和內部視圖

光纖陀螺慣導系統方面，法國iXblue集團宣布推出新型光纖陀螺慣導系統Atlans A9，滿足全系列陸地和空中移動測繪應用需求，并在城市峽谷、山區或森林地區等全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System，GNSS)受限的環境中提供高度精確的定位。法國海軍追風級輕型護衛艦選擇了iXblue基于光纖陀螺的Marins慣導系統，該系統已裝備超過650艘水面艦和水下平臺；法國國家海洋科學研究所選擇將iXblue的導航技術集成到新型6000m海上機器人聯盟潛航器(CORAL Autonomous Underwater Vehicle，CORAL AUV)中，并配備了iXblue的Phins C7慣性導航系統；美國海洋與地球物理儀器公司選擇了iXblue的Atlans A7慣導系統作為新的移動制圖激光雷達解決方案，可在缺乏連續全球定位系統(Global Positioning System，GPS)信號的環境中進行連續采集操作；由iXblue開發的blueSeis-3A旋轉地震儀已成功安裝在伯克利地震實驗室，通過測量地面的旋轉運動，可以對地震波進行完整的測量；瑞典國防裝備管理局選擇為其CB90戰斗艦配備 iXblue的Quadrans導航系統。Emcore公司的EN-300光纖陀螺慣性測量單元(Inertial Measurement Unit，IMU)已實現批量生產，通過形式、尺寸和功能兼容的封裝，可將傳統系統的零偏性能提高10倍。由于采用固態光纖陀螺收發器和先進的集成光學器件三軸閉環設計，與傳統IMU相比，具有更高的可靠性和更低的成本，商用現貨EN-300-3模型可實現低至0.04(°)/h的零偏運行穩定性和0.015(°)/h1/2的角度隨機游走。KVH公司的光子集成芯片(Photonic Integrated Chip，PIC)技術已納入現有產品線，基于該技術的P-1775慣性測量單元已集成到其下一代運載火箭中，采用PIC內置技術的產品設計精度比其他價格更便宜的MEMS慣性測量單元的精度高20倍；KVH獲得了價值1000萬美元的TACNAV戰術導航系統訂單，基于光纖陀螺的TACNAV系統旨在為坦克、全地形車輛、裝甲車、偵察和戰斗支援車等提供無干擾的慣性導航數據，確保士兵和任務的正常運行。諾格公司將為毅力號火星探測器提供LN-200S慣性測量單元，低成本、尺寸、質量和功耗(Cost Size Weight and Power，C-SWaP)的LN-200S具有3個光纖陀螺和3個硅MEMS加速度計，采用密封包裝，非常適合航天應用，包括小行星和行星探測器。

目前，光纖陀螺已經達到了超越激光陀螺的極限理論性能，由于其固有的低噪聲和可擴展性，使其成為了少數幾個能夠實現性能與C-SWaP相統一的陀螺慣性器件之一，尤其是目前在慣性導航系統中逐步體現出獨特優勢的IFOG，已經在廣泛的應用中部分取代了其主要競爭對手環形激光陀螺。

1.2 MEMS陀螺

典型的MEMS陀螺有音叉陀螺、振動板陀螺、諧振式環形陀螺、懸浮質量自旋式陀螺、石英盤式諧振陀螺和微型速率積分陀螺(Micro Rate Integrating Gyroscope，MRIG)等，相關研究機構有Draper實驗室、賽峰集團、諾格公司、霍尼韋爾公司、Emcore/SDI公司、法國國家航空航天研究中心、精工愛普生、模擬器件公司、噴氣推進實驗室、Sensonor公司、大西洋慣性系統公司/聯合技術公司、古德里奇慣性系統公司、硅傳感系統公司和密歇根大學等。多家制造商已投產零偏穩定性約為1～5(°)/h的陀螺和慣性測量單元，部分優于1(°)/h。

MEMS陀螺方面，在DARPA MRIG和先進慣性微傳感器(Advanced Inertial Micro Sensors，AMIS)項目的支持下，密歇根大學的N.Khalil團隊開發出一種Q值達520萬的小型(直徑為1cm)、低成本且高精確度的精密殼積分(Precision Shell Integrating，PSI)陀螺，角度隨機游走為0.00016(°)/h1/2，零偏穩定性為0.0014(°)/h，無需任何溫度補償[7]，如圖2所示。此外，該團隊還提出了一種由梯形結構組成的具有高Q值和模式匹配的硅基MEMS陀螺，梯形結構能夠抑制能量耗散，使驅動模式和傳感模式的Q值達到了120000，角度隨機游走為0.020(°)/h1/2，零偏穩定性為0.20(°)/h[8]；S.Singh等還報道了用于高性能陀螺儀的 3D殼諧振器，首次實現了微尺度彎曲電極的制造，在工作頻率為6000Hz的情況下，可獲得高達40萬的Q值和低至1.3Hz的分頻[9]。在DARPA和美國海軍的支持下(N66001-16-1-4021)，加州大學歐文分校的A.M.Shkel團隊繼續報道了其動態放大雙質量塊陀螺(Dynamically Amplified dual-mass Gyroscope，DAG)的研究進展，并首次介紹了捕獲與保持(Trap-and-Hold，TAH)這一概念，可有效增強陀螺對機械沖擊和振動殘余力的影響[10-11]。斯坦福大學的研究人員比較了MEMS諧振盤陀螺(Disc Resonating Gyroscope，DRG)10種不同設計的外延封裝在接近50000g沖擊下的耐受能力，結果表明，DRG環間的較大間隙可能有助于防止振蕩后的頻率偏移[12]。為了克服惡劣環境的限制，通用電子集團的研究人員開發出一種基于MEMS的低成本多環陀螺(Multi-Ring Gyroscope，MRG)，能夠在300℃的隨鉆測量應用中尋找方位角，已證明MRG原型可以實現優于0.003(°)/h1/2的角度隨機游走和0.01(°)/h的零偏穩定性，并能夠滿足優于0.25°的尋北精度[13]。為降低頻率不匹配度，研究者們提出了不同的諧振腔制造技術[14-15]，日本東北大學的S.Tanaka團隊設計了一種新型的三集成諧振腔，可有效地改善其諧振頻率和品質因數[16]。該團隊還提出了在石英玻璃基板上制造石英玻璃微結構的技術，在制造過程中使用犧牲金屬支撐結構的方法很好地保護了器件，并且可以通過時間控制的犧牲蝕刻成功地釋放臨時支撐結構[17]。為滿足國防部系統對性能、成本、供應鏈可靠性以及與未來技術發展兼容性的需求，加拿大Teledyne DALSA半導體公司在200mm直徑晶圓的生產中，采用了高性能的低泄漏率晶圓級真空封裝(Wafer-Level Vacuum Packa-ging，WLVP)工藝，促進了新設備概念向批量生產的快速過渡[18]。法國泰雷茲集團提出了一種用于航天應用的軸對稱雙質量塊MEMS陀螺儀，測得的角度隨機游走為0.006(°)/h1/2，零偏穩定性為0.012(°)/h(熱校正后為0.007(°)/h)[19]。

圖2 PSI陀螺的微機電諧振腔和真空封裝的微機電諧振腔

MEMS陀螺慣導系統方面，Emcore公司展示了一種基于SDI500的小型慣性測量單元，運行中具有導航級性能，該IMU基于3個石英MEMS科里奧利振動陀螺(Coriolis Vibratory Gyroscope，CVG)和3個石英MEMS共振加速度計，在穩定溫度下，陀螺角度隨機游走優于0.0008(°)/h1/2，零偏穩定性為0.005(°)/h，加速度計顯示出50μg/Hz1/2的噪聲水平和3μg的零偏穩定性[20]。Emcore公司與雷聲技術公司簽訂了價值360萬美元的合同，為MK-54輕型魚雷提供SDI500慣性測量單元，計劃于2021年9月完成。InertialWave公司提出了用于導航級慣性傳感器的通用ASIC iWCA1001和具有INS集成架構的片上導航系統(NSoCTM)，顯著提高了生產規模，并從根本上降低了慣性導航系統的C-SWaP，且有效適應了空間輻射環境[21]?；裟犴f爾公司推出了輕小型GNSS/INS HGuide n380，與其先前的慣性導航系統相比，HGuide n380體積更小、質量更小且價格更低，可承受空中、陸地或海上的惡劣環境。日本村田制作所研發了能支持要求達到車輛安全完整性等級ASIL D級的6軸一體封裝、3D MEMS慣性力傳感器SCHA600系列，并計劃于2020年12月底開始批量生產。

隨著MEMS陀螺微加工精度的不斷提高、封裝應力敏感性不斷降低、電子設備不斷優化、綜合性能不斷提升，勢必會影響戰術級環形激光陀螺和光纖陀螺，預計未來10年，MEMS陀螺性能將提升1個數量級。

1.3 半球諧振陀螺

2020年，賽峰集團和諾格公司兩家在半球諧振陀螺研發和生產方面占領先地位的企業均未披露相關信息；半球諧振陀螺向小型化發展取得實質性進步，從表1可以看出，目前半球諧振陀螺的尺寸稍大但精度卻達到導航級。

表1 不同陀螺儀的比較

1.4 原子陀螺

原子陀螺的典型代表有核磁共振陀螺、原子干涉陀螺和無自旋交換弛豫原子自旋陀螺，其中原子干涉陀螺的原理實驗樣機已經實現陀螺效應，核磁共振陀螺和SERF原子自旋陀螺以及測力測磁裝置已經進入工程研制實驗階段，性能不斷提升。研究進展方面，2020年，康奈爾大學的研究人員基于局限在光學微環諧振器周圍的物質波孤子之間的干擾，提出了一種捕獲原子Sagnac陀螺的新穎實現方法。這種方法將微納光學技術用于原子捕獲并進行干涉，既有超冷物質波干涉儀的長期穩定性好和超高靈敏度的優點，也有微納光學架構的魯棒性好、可擴展性強和操作功耗低的優點[28]。

2 加速度計

加速度計繼續向兩級化發展，消費級加速度計的應用領域不斷拓展，隨著制造商的增多，成本不斷下降；軍用級加速度計精度不斷提高，性能也不斷提升。擺式積分陀螺加速度計依然是戰略應用領域的首選，擺式再平衡加速度計和石英諧振加速度計主要用于導航級應用，硅微機電加速度計的C-SWaP性能優勢明顯，在工業級領域應用廣泛。

研究進展方面，2020年，葡萄牙米尼奧大學的E.M.Eurico等測試了基于雙端音叉諧振器的調頻加速度計，結果顯示差分配置和使用基于聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxanes，PDMS)的軟膠封裝使傳感器的應力漂移最小化[29]；L.Vasco等介紹了采用Sigma-Delta調制的小尺寸真空封裝電容式MEMS加速度計，在現場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA)中實現了三種不同的調制階數，從而可以靈活地實時調整環路參數[30]。斯坦福大學的研究人員測試了四種不同提高熱加速度計性能的方法：直流加熱和感應、交流加熱和直流感應、直流加熱和交流感應以及交流加熱和感應，結果表明，調制加熱器和傳感器可以顯著改善熱加速度計的性能[31]。在MEMS加速度計中，抵抗粘滯問題的魯棒性是關鍵性能指標，基于二自由度機械結構產生的反沖效果，意法半導體的G.Gattere等設計了一種新的MEMS電容式加速度計架構，能夠提高器件在高g沖擊下的魯棒性，使靜摩擦的發生率大大降低[32]。據報道，賽峰的硅MEMS導航級加速度計(圖3)準備投入量產，其零偏溫度穩定性優于30μg，標度因數全溫穩定性優于3×10-5，該加速度計與賽峰集團的HRG CrystalTM陀螺儀組合在一起，可提供C-SWaP 性能優異的慣性導航系統[33]。各研究機構通過改進設計和工藝，不斷提高加速度計性能，推動高性能加速度計的量產。

圖3 賽峰集團的導航級加速度計

3 慣性技術發展趨勢

目前，國外陀螺技術的發展如圖4所示，國外加速度計的發展如圖5所示。

圖4 國外陀螺發展現狀

圖5 國外加速度計發展現狀

展望未來，慣性技術呈現的發展趨勢如下：

1)環形激光陀螺依舊是航空航天及其他高端導航與戰略應用的重要選擇，在高端慣性市場占據領導地位，2020年披露的市場規模達15.22億美元[34]。近年來，激光陀螺在小型化方面也在不斷嘗試，除非光纖陀螺能夠以更低的成本和更小的尺寸達到同等的性能和可靠性，否則難以撼動環形激光陀螺在高端市場的地位。

2)光纖陀螺在各種戰術與導航級應用領域和部分工業級應用領域中應用較廣，2020年披露的市場規模達6.51億美元[34]。由于戰術級和工業級應用領域對更小尺寸傳感器的需求，業界正在開發集成解決方案。目前，光纖陀螺與環形激光陀螺、MEMS陀螺的競爭越來越激烈，提高精度和降低成本成為必然。

3)MEMS陀螺在工業應用領域占主導地位，并不斷發展，對陀螺市場前景影響較大，2020年披露的硅微機電陀螺市場規模達4.51億美元[34]。在工業應用領域，MEMS陀螺與光纖陀螺不斷競爭。未來，隨著MEMS陀螺微加工精度的不斷提高、封裝敏感性不斷降低、電子設備不斷優化、綜合性能不斷提升，MEMS會以更低的成本和更高的性能向光纖陀螺發起挑戰。

4)半球諧振陀螺在技術研究領域未披露突破性的進展，但隨著賽峰集團和諾格公司通過將技術產業化，降低了半球諧振陀螺的成本，未來，半球諧振陀螺或能改變陀螺領域的應用分布現狀。

5)原子光子領域的重大科學發現和量子調控技術的飛速發展，推動了原子陀螺性能的不斷提升，在軍用和民用領域已表現出巨大的發展潛力和應用價值，在相關研究機構的共同努力下，其工程化進程日益加快。

6)加速度計領域，擺式積分陀螺加速度計依然是戰略應用領域的首選，力再平衡加速度計在戰術/慣性導航級設備市場規模最大，MEMS加速度計達到了戰術級應用，并已開始滲透導航級應用，部分公司致力于開發導航級硅MEMS加速度計并實現量產。

4 美國為增強PNT能力的舉措

近年來，隨著反衛星、電磁干擾等技術的快速發展，GPS的脆弱性暴露無遺，為增強定位導航與授時(Positioning, Navigation and Timing，PNT)能力，美國采取了一系列的措施。在政策層面，美國前總統特朗普簽署“關于通過負責任地使用定位、導航與授時服務以增強國家彈性”的行政令，旨在防止PNT信號受到干擾與操縱，增強美國PNT能力；美國國防部發布了一份建立國防科學委員會定位、導航與授時工作組的備忘錄，重點強調將其他系統添加到PNT體系結構中，以獲得更高的效率和經濟收益；彈性導航與授時基金會(RNT)發布文件《彈性國家授時架構》，討論了可靠且具有彈性的國家授時體系的需求和實施措施[35]。在技術層面，量子概念備受關注，美國空軍研究實驗室正在尋找用于磁力計的量子材料，并資助麻省理工學院林肯實驗室研究磁力計原型，有望在2021年左右演示；美國國防部創新局宣布希望2年內開發出天基量子傳感樣機，這種傳感器可以為天基量子互聯網做出貢獻，并能夠為在GPS范圍之外運行的太空飛行器提供必要的定位數據，定位誤差在外太空漂移不大于100m/h，在地面環境下漂移不大于30m/h，而其體積小于0.1m3。在系統層面，美國海軍信息戰中心與美國空軍太空與導彈系統中心合作，授予博思艾倫咨詢公司價值1.78億美元的合同，為先進全球衛星定位系統現代化提供技術工程服務；美國空軍壽命周期管理中心授予霍尼韋爾公司一份總金額9915萬美元成本加定酬類及固定價格類合同(FA8576-20-C-0001)，內容涉及現代化嵌入式全球定位/慣性導航系統(EGI-M)的工程、制造和開發(Engineering, Manufacturing, and Development, EMD)，EGI-M系統基于模塊化的開放系統架構，將新功能快速集成于F-22噴氣式戰斗機和E-2D艦載雷達飛機等軍用飛機中，可在GPS受限的環境中運行。

此外，美國還積極尋找其他輔助或替代導航方法。2020年，美國空軍與麻省理工學院簽訂合同，共同實施人工智能加速器項目，旨在利用人工智能推動包括地磁導航在內的多項先進技術研發。在該項目實施過程中，美空軍為其提供多種政策和活動支持。一方面，美空軍拿出軍用數據庫與科研界共享，力求推動研究盡快取得實質性進展；另一方面，美空軍以改進人工智能工具提升地磁導航效能為主題，舉辦挑戰賽。目前研究顯示，地磁導航定位精度可精確至10m，略低于GPS的3m精度。

5 組織機構的發展變化

組織機構的調整在一定程度上反映了研究態勢與動向，及時把握各機構發展變化也就十分必要[36]。2020年，美國陸軍正在建立一個新的PNT現代化辦公室和開放式創新實驗室，用于開發射頻系統、GPS、芯片級原子鐘、其他授時技術和天體導航等，使PNT系統能在GPS信號被拒、降級或欺騙的地區正常運行，以減少士兵對GPS的依賴，該辦公室預計每5年發布一次新的PNT系統解決方案；美國空軍正在建立一個導航戰實驗室(Naviga-tion Warfare Laboratory，NWL)，旨在研究如果敵方攻擊其GPS信號或其他PNT系統時軍用飛機的飛行問題，該實驗室計劃于2021年5月投入運營；英國政府投資3600萬英鎊建立了一個新的國家授時中心，以減少公共服務及其經濟對GNSS的依賴，英國的緊急服務響應機構和其他關鍵服務可以通過國家授時中心彈性授時；英國BAE系統公司宣布已達成兩項資產收購協議，其一是以19.25億美元現金收購美國柯林斯航宇系統公司的軍用GPS業務，其二是以2.75億美元現金收購美國雷錫恩公司的機載戰術無線電業務；法國SBG系統公司在新加坡開設新的子公司，將為亞洲地區提供銷售和技術支持，SBG系統公司主要設計、制造和銷售慣性傳感器，如慣性測量單元、姿態和航向參考系統、慣性導航系統等。2020年，為減少對GPS的依賴，美國和英國相繼成立相關機構，致力于PNT技術研究，部分公司隨著業務的擴大，不斷推進結構調整、并購與重組，規模實力明顯增強。

6 結束語

隨著科學技術的高速發展，慣性技術從海陸空天電等應用領域，拓展到了國民經濟的全方位應用領域。新一輪科技革命和產業變革也推動量子+人工智能、大數據、區塊鏈、智能制造、新材料等前沿技術加速應用于軍事領域，也給慣性技術升級帶來契機，在這科學技術發展的轉折點，正確認知與思考慣性技術尤為必要。