2021年國外慣性技術發展與回顧

淦述榮，劉志強，宋麗君，周 同

(1.北京海鷹科技情報研究所，北京 100074；2.中國航天科工飛航技術研究院，北京 100074；3.西安建筑科技大學信息與控制工程學院，西安 710055；4.南京理工大學機械工程學院，南京 210094)

0 引言

隨著信息化技術的飛速發展，現代戰爭對導航信息的需求與日俱增，精度要求日益提升。慣性導航憑借其不易受外界干擾、精度相對較高等優點，成為現代戰爭的重要導航方式，廣泛應用于陸海空天等高精尖軍事領域，并不斷向民用領域擴展延伸。

慣性傳感器是慣性導航系統的核心部件，主要分為陀螺儀和加速度計。不同的慣性傳感器基于其工作原理和結構特性，在精度、體積和成本等方面表現出不同特點。傳統機電陀螺目前仍是工程應用精度最高的陀螺，但結構尺寸較大，主要應用于戰略核潛艇、戰略導彈等戰略級應用中；光學陀螺整體上技術相對較為成熟，具有高精度、高可靠性的特點，基于高精度光學陀螺的慣性系統仍然是陸海空天等領域武器裝備導航級應用的重要選擇；同時，中低精度的光學陀螺在導彈武器和制導彈藥等戰術級領域也有廣泛的應用；微機電陀螺體積小、質量小、功耗低且成本適中，但精度相對偏低，目前主要應用于軍用戰術級市場和工業市場；半球諧振陀螺同等精度下具有較好的尺寸、質量和成本效益，且可靠性高，國外基于半球諧振陀螺的慣性導航系統已成功應用于火炮和戰車、快艇、太空發射器等陸海空天武器裝備平臺，未來隨著半球諧振陀螺性能的提高和尺寸的減小，其應用范圍也將不斷擴展；原子陀螺精度較高，但仍處于工程化探索階段；加速度計朝著兩級化發展，消費級加速度計成本不斷下降，軍用級加速度計性能不斷提升。

1 光學陀螺

光學陀螺主要包括激光陀螺和光纖陀螺兩大類。光學陀螺精度相對較高，技術日趨成熟，器件的質量不斷提升，體積和功耗也不斷降低。目前，國外激光陀螺最高精度0.00015(°)/h，光纖陀螺最高精度0.00003(°)/h。光學陀螺慣性系統在陸用戰車、水面艦艇及導彈等陸海空高端裝備領域得到了廣泛應用。

1.1 激光陀螺

激光陀螺的主要優勢是沒有轉子活動部件，精度高、穩定性好、重復性好、工作壽命長。與同為光學陀螺的光纖陀螺相比，激光陀螺的標度因數非常穩定，且動態特性好，在對標度因數穩定性要求極高的應用中，激光陀螺仍是首選陀螺。迄今為止，雖然各種新型陀螺儀不斷出現，但是激光陀螺的應用綜合性價比、環境適應性能均處于優勢地位。

國外關于激光陀螺技術的研究主要側重于提升激光陀螺的測量精度，技術途徑包括參數調節、激光諧振腔優化及偏頻技術等方面。2021年，莫斯科物理技術學院Y.Broslavets等研究了基于YAG:Cr 4+寬帶增益介質并在鎖模機制下運行的多頻固態環形激光陀螺，確定了確保角度測量最大精度的激光參數；該團隊還研究了周長為28cm的非平面對稱腔四頻塞曼環形激光陀螺的最大可實現精度，提出了一種補償外磁場影響的方法，以及相應的陀螺周長等參數調節系統。莫斯科羅蒙諾索夫國立大學的G. Barantsev等分析了環形激光陀螺機械抖動裝置可能受到的動態彈性扭轉對捷聯慣導系統姿態確定精度的影響，并提出了一種利用補償姿態積分對這種影響進行參數校準的方法。

在激光陀螺慣性系統方面，2021年7月，英國Sonardyne公司為日本川崎重工(KHI)的商用海底精密檢查器配套了SPRINT-Nav 700，用于導航、跟蹤和控制。SPRINT-Nav 700采用霍尼韋爾公司的環形激光陀螺儀和加速度計，可支持準確和長時間導航，并能夠最大限度地降低復雜性和減少有效載荷空間消耗。2021年11月，法國泰雷茲公司和德國CS GROUP公司聯合為法國海軍水面艦艇開發了一套高性能、彈性的網絡安全導航系統。該系統采用泰雷茲公司的基于環形激光陀螺儀和加速度計的TopAxyz慣性導航裝置，可提供準確、可靠的導航信息，不受海況和船只位置的影響。

總體來看，2021年國外激光陀螺發展主要在小型化、低精度環形激光陀螺和大尺寸、超高精度環形激光陀螺兩個方面，相關研究主要還是側重于提升測量精度；基于高精度激光陀螺的慣性導航系統仍然是水下航行器和水面艦艇等裝備的重要選擇之一。

1.2 光纖陀螺

在光纖陀螺慣性系統方面，2021年，澳大利亞Advanced Navigation公司推出具有自主專利的數字光纖陀螺慣性導航系統Boreas D90，其尺寸為160mm×140mm×115.5mm、質量為2.5kg、功耗為12W，成本較其他導航系統降低了約40%，可提供0.001(°)/h的戰略級零偏穩定性，0.005°的滾轉/俯仰精度和0.01°的航向精度。韓國Fiberpro公司推出了戰術級光纖陀螺慣性測量單元(Inertial Measurement Unit，IMU)FI200C，該IMU在全溫度范圍內零偏重復性小于0.5(°)/h，ARW為0.03(°)/h，質量為790g，功耗為5W。俄羅斯Fizoptika公司推出了光纖陀螺IMU U181，該IMU動態范圍為300(°)/s，ARW為0.025(°)/h，質量為200g，功耗為1.5W。

在光纖陀螺應用方面，2021年1月，挪威Vard集團選擇法國iXblue公司為挪威海岸警衛隊的新型P6615 Jan Mayen級戰船提供導航系統研制生產。得益于其捷聯式光纖陀螺儀技術，iXblue公司的Marins系列慣性導航系統已被證明可以在北極等高緯度地區提供準確、彈性和安全的導航。2021年4月，俄羅斯Optolink公司的TRS-500光纖陀螺儀安裝在最新的聯盟號MS-17航天器的著陸模塊控制系統中，成功協助執行了著陸任務。Optolink公司TRS-500小尺寸三軸閉環光纖陀螺儀對地球旋轉速率敏感，與開環陀螺相比，其對零操作及模數輸出使其能夠提供更高的標度因數準確度和更大的動態范圍，特別適用于高機動性載體。

總體來看，2021年國外光纖陀螺技術的研究重點主要是通過光學調制、工藝優化等方法，使其朝著高精度、小型化、低成本及良好惡劣環境適應性等方向發展；基于光纖陀螺的慣性導航系統，具有小型化、高性能的特點，是陸用戰車、水面戰船、導彈、航天器等武器裝備的重要選擇之一。

2 微機電陀螺

微機電(Micro Electro Mechanical Systems，MEMS)陀螺具有體積小、質量小、功耗低等特點，在軍用和民用市場都得到了廣泛應用，是慣性技術領域重要的研究熱點之一。

2021年，MEMS陀螺的相關研究主要側重于通過結構小型化、制造工藝優化、諧振器優化設計、測控電路的誤差補償設計等方法來提升MEMS陀螺儀的整體性能。

在結構小型化方面，米蘭理工大學的M. Gianollo等在1mm面積內，采用標準MEMS工藝制造了一種結構小型化的四質量塊陀螺儀，并實現了低至20μHz/Hz的相位噪聲。米蘭理工大學的M. Gadola等設計了一種尺寸為1.2mm、帶寬為100Hz的微型俯仰/滾動陀螺儀，其在平面內測得的最低ARW為600μ(°)/(s/Hz)，最低零偏不穩定性為2.8(°)/h。該陀螺儀采用結合積分補償的新架構，獲得了比前一代產品高出10倍的標度因數，同時還優化了能量傳輸以及振動穩定性。日本硅傳感系統公司升級了陀螺儀CRS39A，使其質量減小了40%，且組件更易安裝在具有25mm直徑套管的井下鉆井設備中。日本TDK公司旗下Tronics Microsystems公司推出了用于無人系統和自動駕駛汽車領域的高精度數字MEMS陀螺儀GYPRO，其質量僅為2g，易于集成且材料費用低，可提供超低噪聲、低延遲和高線性度的角速率測量。美國ADI公司報告了其用于ADIS1654x系列IMU的小尺寸、抗振、低噪聲MEMS陀螺儀的性能參數，實現了0.55(°)/h的零偏不穩定性，50(°)/h的10年內零偏重復性；集成了該MEMS陀螺儀的新一代IMU零偏性能提升了4倍，靈敏度提高了30倍，重復性提高了10倍。

在制造工藝優化方面，美國通用電氣公司開發了一種名為GE Polaris的導航級低成本慣性MEMS工藝流程，GE Polaris共有六層掩模層，具有厚絕緣硅和20～200μm的器件層，30∶1的高縱橫比蝕刻，采用硅通孔技術的晶圓級真空密封。加州大學的D. Vatanparvar等開發了一種硅基熔融石英微型環形陀螺的制作工藝，使陀螺Q值高達53.9萬，分頻低至8Hz。日本硅傳感系統公司推出了一種新型高性能/低噪聲單軸全硅陀螺儀CRH03，在MEMS和電子設備兩方面進行了改進，使功耗比上一代產品CRH02降低了30%，抗振性能更高，其零偏不穩定性為0.03(°)/h，ARW為0.005(°)/h。

在諧振器優化設計方面，密歇根大學的J. Cho等成功研制了一種高Q值導航級熔融石英微型盆狀諧振陀螺儀，直徑5mm的微型盆狀諧振器Q值可達到587萬，短期運行零偏穩定性為0.01(°)/h；直徑10mm的微型盆狀諧振器Q值可達到1250萬，短期運行零偏穩定性為0.00138(°)/h。日本東北大學的研究團隊提出了一種使用附加應力抵消結構來減少錨定損失的電磁環諧振器的設計方法，頻率失配低至0.17%；該研究團隊還設計了一種利用模態定位的新型高剛度靈敏度三自由度諧振器，這種新穎設計中的模式定位可通過調整剛度來調整靈敏度，測量結果顯示，制造的靈敏度為209.6；通過施加39.3V的直流偏置，靈敏度可提高到56679。

在速率檢測方案的誤差補償設計方面，米蘭理工大學的L. G.Pagani等提出了一種用于改善調幅電容MEMS陀螺儀零速率輸出穩定性的閉環方法，測試結果表明，陀螺儀溫度穩定性提高了300倍。

在全角檢測模式的測控電路誤差補償設計方面，日本東芝公司研發了世界上第一個工作在全角模式下的可以檢測地球自轉的MEMS速率積分陀螺儀模塊，實驗結果表明，陀螺在該全角測控電路下的零偏不穩定性達到了0.1(°)/h，實現了地速測量驗證。

在精度提升方面，在美國國防部高級研究計劃局(Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA)彈藥導航級IMU(PRIGM NGIMU)項目的支持下，美國霍尼韋爾公司正在開發一款型號為HG7930的基于MEMS的IMU(圖1)。相較于HG1930戰術級MEMS IMU，在體積略有增加的情況下，性能提升了1個數量級，其陀螺儀ARW可達0.0035(°)/h，陀螺儀零偏重復性優于0.1(°)/h，加速度計零偏重復性優于20μ。美國角斗士技術公司發布的SX2系列低噪聲、高速MEMS慣性傳感器，在性能方面取得了巨大進步，ARW低至0.0018(°)/(s/Hz)，擁有600Hz帶寬，高達10kHz的數據速率和低于100μs的延遲。日本村田制作所開發了一種新型MEMS六自由度慣性傳感器SCHA63T，用于全球導航衛星系統(Global Navigation Satellite System，GNSS)定位輔助和動態傾斜檢測。SCHA63T傳感器包括三軸陀螺和三軸加速度計，陀螺零偏不穩定性低至1(°)/h，陀螺儀噪聲密度為0.0015(°)/(s/Hz)。美國慣性實驗室推出了MEMS慣性測量單元IMU-NAV-100，水平精度0.03°，陀螺儀零偏穩定性可達0.5(°)/h，加速度計零偏穩定性0.003m。

圖1 霍尼韋爾HG7930 IMU原型

在結構小型化方面，日本硅傳感系統公司推出了一種新的九自由度慣性測量單元DMU41(圖2)。該慣性測量單元擁有與光纖陀螺儀幾乎相同的性能，其尺寸為50mm×50mm×50mm，質量僅為200g，與該公司DMU30慣性測量單元相比，體積減少了54%，質量減小了42%，功耗降低了50%。美國霍尼韋爾公司推出的用于小型衛星導航的微型空間抗輻射慣性傳感器HG4934，質量僅為145g，小體積和低功耗適合應用于小型低成本衛星。美國EMCORE公司推出的新型MEMS慣性測量單元SDC500，采用小巧、輕便、低功耗和密封設計，提供了卓越的集成功能，根據溫度、沖擊和振動環境的不同，陀螺儀零偏為1(°)/h～20(°)/h，加速度計零偏為1m～5m。

圖2 慣性測量單元DMU41

3 半球諧振陀螺

半球諧振陀螺基于哥氏振動原理，是一種高精度新型固體振動陀螺，具有結構簡單、啟動時間短、可承受大過載、物理特性穩定、可靠性高和超長壽命的優勢，是最有潛力實現高精度、小型化、低成本的陀螺儀，已實現0.0001(°)/h的高精度，成為國外慣性技術領域的研究熱點之一。而半球諧振子作為半球諧振陀螺的心臟，其性能在多個方面影響半球諧振陀螺產品的精度，也直接決定整個陀螺的性能。尤其是半球諧振子的異形加工精度，已成為制約半球諧振陀螺發展和應用的技術瓶頸。

2021年6月，法國賽峰公司推出了其首款專為法國海上突擊隊設計的兩棲慣性導航系統GEO-NYXM，該導航系統采用半球諧振陀螺儀HRG Crystal，實現了高可靠性、最佳的功率/質量/尺寸比，且完全靜音；GEONYXM對環境完全不敏感，能夠在極端條件下運行，可用于海軍快艇平臺和陸基平臺，可提供導航和瞄準兩種典型應用。

4 原子陀螺

原子陀螺目前整體上還處于實驗研究和初步工程化探索階段，尚未形成大規模產業化應用。在研究進展方面，2021年，康奈爾大學的研究人員研究了金剛石MEMS諧振器中產生的千兆赫茲頻率應變振蕩，以驅動金剛石氮空位(NV)中心的自旋和軌道共振，利用室溫下的自旋-應變相互作用，驗證了雙量子和單量子躍遷的相干自旋控制。伯明翰大學的B. Adams等研制了一種用于重力地圖匹配導航的便攜式高數據速率原子干涉重力儀(HIDRAG)，其目標靈敏度在100Hz數據速率下為10/Hz，月穩定性為10。德國博世公司的R. Cipolletti等開展了核磁共振陀螺儀瞬態特性的建模研究，提出了基于自旋的導航級陀螺儀的建模和參數優化方法。德國博世公司的J.Riedrich-M?ller等開展了MEMS氣室中氙原子核自旋進動的自由感應衰減測量實驗，在實現緊湊型核磁共振陀螺儀方面邁出了重要一步。2021年3月，澳大利亞Advanced Navigation公司與澳大利亞Q-CTRL公司獲得了澳大利亞政府“月球到火星”計劃的資金支持，兩家公司將合作為太空運載火箭、衛星和著陸器研發量子增強的慣性導航解決方案，該方案旨在為美國國家航空航天局(National Aero-nautics and Space Administration，NASA)的Artemis月球探索計劃提供高精度慣性導航技術，并支持NASA執行未來的深空、月球和星際飛行任務。

5 加速度計

2021年，加速度計繼續朝著兩級化發展，消費級加速度計的應用領域不斷拓展，成本不斷下降；軍用級加速度計的精度不斷提高，綜合性能也不斷提升。相關研究機構和廠商也持續發力，致力于提升加速度計的整體性能，相關研究主要是基于加速度計的本底噪聲改善、信號帶寬提高、測量范圍拓寬和測量精度提升等方面。

在本底噪聲改善方面，英國Silicon Microgravity公司的M. Pandit等提出了一種通過避免高頻地震噪聲在長周期測量中的混疊，以改善諧振式MEMS加速度計本底噪聲的方法，使本底噪聲性能提升了13倍，實現了具有10n/Hz本底噪聲的諧振加速度計。劍橋大學的G. Sobreviela-Falces等設計了一種在地震學和重力測量應用中具有較好穩定性的差分MEMS振梁加速度計，可實現優于10n的零偏不穩定性和10n/Hz的本底噪聲。劍橋大學的H. Zhang等設計了一種在高階彎曲模態下運行的模態局域化MEMS加速度計，實現了130n的零偏不穩定性和85n/Hz的本底噪聲。

在信號帶寬提升方面，格勒諾布爾-阿爾卑斯大學的T. Miani等設計和制造了一種基于納米機械壓阻傳感器的諧振加速度計，該諧振加速度計將壓阻納米諧振器與微米質量塊相結合，實現了高達10%/的頻率靈敏度和1.5kHz的大帶寬。桑迪亞國家實驗室的D. Dominguez等設計和制造了一種具有MHz超高帶寬、體積微加工的光機加速度計，該加速度計在120kHz帶寬上顯示出平坦響應，最小可檢測信號為26m。以色列物理邏輯公司改進了MEMS開環加速度計MAXL-OL-2040C的信號帶寬，測試結果表明，加速度計帶寬由300Hz增加至2000Hz。

在測量范圍拓寬方面，東京工業大學的A. Uchiyama等設計了一種用于寬檢測范圍的單軸雙質量塊MEMS加速度計，可實現從μ級到20的大范圍加速度檢測。以色列物理邏輯公司推出了具有大量程的閉環MEMS加速度計MAXL-CL-3050(圖3)和MAXL-CL-3070。其中，MAXL-CL-3050的動態范圍為±50，MAXL-CL-3070的動態范圍為±70。

圖3 MEMS加速度計MAXL-CL-3050

在測量精度提升方面，法國iXblue公司開發了一種新型石英振動傳感器(圖4)，可用于高動態范圍(100)測量，具有導航級性能(零偏和標度因數重復性分別小于100μ和3×10)、低SWaP(小于10g和50mW)。喬治亞理工學院的S. Shin等設計了一種亞μ分辨率的超靈敏調頻諧振加速度計，可實現10s范圍內最小檢測加速度為n級，并具有25的線性上限和0.5%的標度因數非線性。美國角斗士技術公司推出了新型三軸數字MEMS加速度計A300D，其速度隨機游走為0.058m/Hz，零偏穩定性為0.015m。Tronics Microsystems公司推出了數字高精度閉環MEMS加速度計AXO315，具有極低的噪聲和出色的線性度，可在苛刻的溫度和振動條件下提供一流的零偏重復性和標度因數重復性。美國Silicon Designs公司推出了新的1525型Low-G系列MEMS直流加速度計芯片，旨在為工業級無人機和機器人等各種應用提供可靠、準確和可重復的低頻振動和加速度測量，該系列具有出色的零偏穩定性、零交叉耦合設計以及5μ的艾倫方差。

圖4 基于單片石英晶片的振動慣性加速度計設計示意圖

6 組織機構的發展變化

2021年，各組織機構不斷推進結構調整、并購與重組，開展戰略合作，規模實力顯著增強，發展質量明顯提升。美國慣性實驗室與澳大利亞電信集成商CSE Crosscom建立合作關系，為澳大利亞海洋行業提供其定位定向和導航產品。美國慣性實驗室收購了無人機和機器人MEMS IMU開發商美國Mem-sense公司，有效增強了其在MEMS慣性系統領域的技術實力，有望加速其在自動駕駛汽車、衛星導航、航空航天和國防等領域突破性技術的發展。法國iXblue公司收購了光子元件和儀器制造商法國Kylia公司及集成量子儀器制造商法國Muquans公司。在完成收購后，iXblue公司將進一步加強光子學的戰略軸心，其在儀器、激光和先進的光子學組件方面的營業額預期將超過3500萬歐元。比利時Septentrio公司與比利時XenomatiX公司建立合作伙伴關系，Septentrio公司GNSS/INS接收器AsteRx SBi3 Pro+將成為XenomatiX公司道路激光雷達XenoTrack的一部分，基于其全球定位坐標實現對路面狀況的毫米級精確分析。法國賽峰電子與防務公司收購了陀螺儀傳感器和MEMS慣性系統制造商挪威Sensonor AS公司。賽峰集團就收購彈性定位、導航與授時(Positioning,Navigation,and Timing，PNT)領域全球領導者Orolia公司展開了獨家談判，此次收購可通過顯著的互補性來擴展其彈性PNT解決方案，這一補充將使賽峰集團能夠在PNT、慣性導航、GNSS接收機和模擬器的各個方面建立世界領先地位。

7 展望

2021年，隨著現代物理學、計算機和電子技術的飛速發展，以及微加工和微集成技術等先進制造工藝技術的不斷完善，在軍用和民用領域蓬勃需求的牽引下，慣性技術取得了較大的進步。慣性技術領域主要研究機構和廠商積極應用新技術、新工藝，開發了一系列新的慣性傳感器件及系統，并在高精度、集成化、低成本等方面的綜合性能有所發展。展望未來，隨著現代科學技術的不斷發展，以及軍事和國民經濟領域的應用需求的不斷擴展，慣性傳感器件及系統相關技術也必將得到更為長足的進步。

1)高精度是慣性技術發展的終極追求

精度提升始終指引著陀螺、加速度計以及系統技術的發展，同時推動相關前沿科學技術在慣性技術領域的應用。光學陀螺、半球諧振陀螺、原子陀螺聚焦新材料、新工藝以及新原理的研究；MEMS慣性器件在微型化、柔性化、工作持久性、穩定性，以及輸出信號提取和抗輻射方面進行進一步探究。

2)慣性關鍵部件原子尺度制造跨入新時代

近年來，高精度傳感器原子尺度制造已經成為國外慣性技術領域的研究熱點之一。隨著原子和近原子尺度制造技術的出現，慣性關鍵部件(MEMS慣性器件、半球諧振子)的制造技術隨著器件特征尺寸的不斷縮小，從以經典力學、宏觀統計分析和工程經驗為主要特征的現代制造技術，走向以量子理論為代表的多學科綜合交叉集成的下一代制造技術，將成為科技界研究前沿之一。

3)低精多維高精度測量技術快速發展

隨著慣性技術的進步和國防需求的牽引，低精多維實現高精度測量技術在慣性領域得到快速發展。依托核心技術序列化、模塊化、標準化,滿足新時代裝備智能、高精度、低成本、快速應對的需求。尤其隨著我國北斗衛星導航系統的完善以及地磁、雷達及圖像等傳感器應用領域的不斷擴大，智能技術的發展及其在慣性領域的滲透，借助虛擬空間建模技術，實現設計指標在數字化世界中的精確模型，通過數字智能化實現慣性技術在物理世界的真實復現和決策支持，達到低精多維高精度測量的目的。