2022年國(guó)外慣性技術(shù)發(fā)展與回顧

淦述榮, 陳少春, 高溥澤, 宋麗君

(1.北京海鷹科技情報(bào)研究所, 北京 100074;2.北京自動(dòng)化控制設(shè)備研究所, 北京 100074;3.西安建筑科技大學(xué)信息與控制工程學(xué)院, 西安 710055)

0 引言

2022年是世界不平凡的一年。從2022年2月24日至今,俄烏沖突到戰(zhàn)爭(zhēng)已經(jīng)過(guò)去了一年多的時(shí)間。這一年,不僅世界政治、經(jīng)濟(jì)格局發(fā)生了變化,而且世界科技裝備也有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展,尤其戰(zhàn)爭(zhēng)的膠著,給各國(guó)國(guó)防裝備的發(fā)展帶來(lái)了重要的啟示,尤其是關(guān)系到戰(zhàn)場(chǎng)裝備的導(dǎo)航定位、穩(wěn)姿定向控制的核心慣性器件的應(yīng)用適配和發(fā)展需求,也受到極大的挑戰(zhàn)和沖擊。

戰(zhàn)場(chǎng)電子戰(zhàn)、網(wǎng)絡(luò)對(duì)抗、星鏈及無(wú)人機(jī)群的凸顯,使GPS在作戰(zhàn)使用過(guò)程中極易受到干擾、壓制與屏蔽等多種影響,單一的GPS導(dǎo)航已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)于導(dǎo)航信息的需求。近年來(lái),以美國(guó)為代表的軍事強(qiáng)國(guó)致力于發(fā)展多種可替代PNT技術(shù),通過(guò)大量引入各類自主導(dǎo)航信息源來(lái)補(bǔ)充GPS,增強(qiáng)其導(dǎo)航系統(tǒng)的戰(zhàn)場(chǎng)應(yīng)用性能精度和適應(yīng)可靠性。慣性技術(shù)是國(guó)家綜合PNT體系的重要組成部分,具有精確自主導(dǎo)航、定位,不易受外部干擾,適用范圍廣等優(yōu)勢(shì),一直是軍事強(qiáng)國(guó)競(jìng)相發(fā)展的核心技術(shù)。慣性導(dǎo)航技術(shù)具有百年發(fā)展歷史,基于其完全自主、高精度和不易受干擾的特性,被廣泛應(yīng)用于陸海空天關(guān)鍵軍事與民用領(lǐng)域,成為GNSS之外最重要的PNT技術(shù)來(lái)源。

作為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核心與基礎(chǔ),陀螺儀和加速度計(jì)技術(shù)持續(xù)發(fā)展,引領(lǐng)著慣性產(chǎn)品的更新?lián)Q代。傳統(tǒng)的機(jī)電陀螺技術(shù)早已成熟,靜電和三浮陀螺主要應(yīng)用于需要超高精度的戰(zhàn)略平臺(tái),動(dòng)調(diào)陀螺主要應(yīng)用于導(dǎo)航級(jí)和戰(zhàn)術(shù)級(jí)平臺(tái)慣導(dǎo)系統(tǒng),由于具有活動(dòng)部件,復(fù)雜度和成本較高,機(jī)電陀螺的應(yīng)用領(lǐng)域在逐漸縮小;國(guó)外激光陀螺技術(shù)已經(jīng)非常成熟,并已成為導(dǎo)航和戰(zhàn)略級(jí)性能以及一些戰(zhàn)術(shù)級(jí)性能的標(biāo)準(zhǔn)。受既有市場(chǎng)使用情況和技術(shù)成熟度的影響,激光陀螺在高端導(dǎo)航市場(chǎng)和應(yīng)用中仍占據(jù)主導(dǎo)地位;光纖陀螺(FOG)技術(shù)相對(duì)成熟,正朝著更高精度和更小型化兩個(gè)方向發(fā)展,并在空間導(dǎo)航、平臺(tái)穩(wěn)定、導(dǎo)彈制導(dǎo)以及工業(yè)級(jí)領(lǐng)域得到大量應(yīng)用,新興光子糾纏光纖陀螺研究也在進(jìn)行中;微機(jī)電(MEMS)陀螺和加速度計(jì)具有高環(huán)境適應(yīng)性、尺寸小、質(zhì)量小、功耗低和成本低(低SWaP-C)等特點(diǎn),在工業(yè)級(jí)和軍用戰(zhàn)術(shù)級(jí)領(lǐng)域有著不錯(cuò)的市場(chǎng)份額,而且該技術(shù)正在向?qū)Ш郊?jí)性能突破和發(fā)展,目前已出現(xiàn)導(dǎo)航級(jí)工程樣機(jī),預(yù)計(jì)未來(lái)將進(jìn)入高端戰(zhàn)術(shù)級(jí)和導(dǎo)航級(jí)應(yīng)用市場(chǎng);半球諧振陀螺技術(shù)近年已實(shí)現(xiàn)重大突破,其精度涵蓋戰(zhàn)術(shù)級(jí)、導(dǎo)航級(jí)和戰(zhàn)略級(jí),隨著賽峰集團(tuán)實(shí)現(xiàn)半球諧振陀螺的工業(yè)化批生產(chǎn)有效降低了成本,其應(yīng)用范圍已從傳統(tǒng)的空間應(yīng)用和核潛艇等高端市場(chǎng)逐步拓展到了艦船、飛機(jī)、火炮和戰(zhàn)車等廣闊領(lǐng)域,以明顯的體積、成本優(yōu)勢(shì)挑戰(zhàn)著傳統(tǒng)技術(shù);原子陀螺和原子干涉儀等量子慣性傳感技術(shù)整體上仍處于工程化探索階段,但量子重力儀技術(shù)得到了較為快速的發(fā)展,市場(chǎng)上已出現(xiàn)商業(yè)化產(chǎn)品原型;加速度計(jì)整體性能穩(wěn)步提升,應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展。擺式積分陀螺加速度計(jì)精度依然穩(wěn)居高位,但鑒于其體積和成本極大地限制了其應(yīng)用價(jià)值,石英擺式力平衡加速度計(jì)在近幾年來(lái)由應(yīng)用市場(chǎng)推動(dòng)了其性能精度、成本體積的不同程度的提升,成為遍及多個(gè)領(lǐng)域、覆蓋多個(gè)精度級(jí)別層次的核心產(chǎn)品。其中,高抗過(guò)載能力的藍(lán)寶石擺式加速度計(jì)也在悄然興起。同時(shí),作為戰(zhàn)略第三代的硅振梁加速度計(jì),因其精度、成本、體積、功耗的綜合性價(jià)比得到快速發(fā)展,已經(jīng)進(jìn)入工程應(yīng)用階段。

1 激光陀螺

激光陀螺基于Sagnac效應(yīng)測(cè)量角速度,具有啟動(dòng)快、動(dòng)態(tài)特性好、標(biāo)度因子穩(wěn)定及環(huán)境適應(yīng)性好等特點(diǎn)。美國(guó)在20世紀(jì)70年代最先研制出工程樣機(jī),80年代開(kāi)始在武器系統(tǒng)中應(yīng)用,目前技術(shù)已非常成熟,最高工程化精度達(dá)到0.000 15(°)/h[1],在導(dǎo)航級(jí)和戰(zhàn)略級(jí)應(yīng)用中占據(jù)重要地位,在制導(dǎo)彈藥等戰(zhàn)術(shù)級(jí)應(yīng)用中也有大量應(yīng)用。據(jù)2022年Yole報(bào)告數(shù)據(jù)顯示,基于環(huán)形激光陀螺的系統(tǒng)2021年收入市場(chǎng)份額為13.02億美元[2],在高端慣性導(dǎo)航系統(tǒng)市場(chǎng)中仍然占據(jù)主導(dǎo)地位。

國(guó)外關(guān)于激光陀螺技術(shù)的研究主要側(cè)重于在分析相關(guān)影響因素的基礎(chǔ)上探索針對(duì)性地優(yōu)化激光陀螺的性能。2022年,莫斯科物理技術(shù)學(xué)院的Y. Broslavets等人報(bào)告了其在非平面腔四頻塞曼激光陀螺儀上的最新研究成果,提出了一種通過(guò)最優(yōu)選擇周界控制系統(tǒng)操作點(diǎn)來(lái)減少外部磁場(chǎng)影響的方法,并分析了影響進(jìn)一步提高測(cè)量精度的可能性因素[3]。莫斯科羅蒙諾索夫國(guó)立大學(xué)G. Barantsev等人提出了環(huán)形激光陀螺機(jī)械抖動(dòng)裝置的動(dòng)態(tài)彈性扭轉(zhuǎn)的數(shù)學(xué)模型,并分析了其對(duì)捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)姿態(tài)確定精度的影響及其校準(zhǔn)方法[4]。謝爾普霍夫工廠的E. Petrukhin等人研究了衍射非互易性對(duì)激光陀螺的影響,其模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明其采用的方法能夠識(shí)別由衍射效應(yīng)引起的變形幅度和激光陀螺零位漂移[5]。

總體來(lái)看,國(guó)外激光陀螺技術(shù)已非常成熟,技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)品升級(jí)的趨勢(shì)明顯變緩,但基于激光陀螺的慣導(dǎo)系統(tǒng)仍然是國(guó)外武器裝備導(dǎo)航系統(tǒng)的重要選擇之一。

2 光纖陀螺

光纖陀螺也基于Sagnec效應(yīng)實(shí)現(xiàn)角速度的測(cè)量,具有全固態(tài)、低噪聲、高平均無(wú)故障工作時(shí)間、快速啟動(dòng)及體積成本較低等特點(diǎn),于20世紀(jì)90年代逐步進(jìn)入工程應(yīng)用,目前技術(shù)較為成熟,精度可達(dá)0.000 03 (°)/h[1],在導(dǎo)航級(jí)和戰(zhàn)略級(jí)應(yīng)用中占據(jù)重要地位,在制導(dǎo)彈藥等戰(zhàn)術(shù)級(jí)應(yīng)用中也有大量應(yīng)用。據(jù)2022年Yole報(bào)告數(shù)據(jù)顯示,基于光纖陀螺的系統(tǒng)2021年收入市場(chǎng)份額為7.79億美元[2],市場(chǎng)份額僅次于激光陀螺。

2022年,國(guó)外光纖陀螺研究主要側(cè)重于探索提升信噪比、靈敏度等綜合性能以及開(kāi)發(fā)小型化和芯片集成技術(shù)的光纖陀螺產(chǎn)品。

提升綜合性能方面,美國(guó)羅切斯特大學(xué)的M. Song等人將其開(kāi)發(fā)的弱值放大技術(shù)應(yīng)用于集成光學(xué)陀螺,可實(shí)現(xiàn)在不增加環(huán)形諧振器尺寸的情況下提高其信噪比和靈敏度[6]。日本東京工業(yè)大學(xué)的研究人員提出并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了使用對(duì)超輻射發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)電流的直接反饋來(lái)抑制調(diào)制頻率及其三階諧波下的相對(duì)強(qiáng)度噪聲,可有效減小角度隨機(jī)游走,采用長(zhǎng)度5 km、有效面積280 m2的光纖環(huán)圈,在40 h的測(cè)量時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了15 μ(°)/h1/2的角度隨機(jī)游走和33 μ(°)/h的零偏不穩(wěn)定性[7]。法國(guó)泰雷茲公司報(bào)告了利用光纖組件減少諧振式光纖陀螺(RFOG)中殘余幅度調(diào)制(RAM)的獨(dú)創(chuàng)技術(shù),證明了調(diào)制頻率下的RAM峰值在光電二極管上可被完全抑制,并消除了RAM引起的鎖定點(diǎn)上的頻率漂移和零偏[8]。該團(tuán)隊(duì)還分析了基于光子帶隙空芯光纖的RFOG環(huán)形腔的光傳輸損耗對(duì)波長(zhǎng)的依賴性及其對(duì)RFOG性能的影響[9]。

小型化光纖陀螺開(kāi)發(fā)方面,法國(guó)iXblue公司報(bào)告了UmiX慣性測(cè)量單元中的光纖陀螺小型化技術(shù)。干涉儀采用全新的直徑127 μm的保偏老虎型光纖,以外徑約40 mm的緊湊四極光纖環(huán)圈實(shí)現(xiàn)了3.5 m2的Sagnac面積(圖1),角度隨機(jī)游走(ARW)為0.006 (°)/h1/2,運(yùn)行中零偏優(yōu)于0.005 (°)/h,變溫零偏殘差為0.02 (°)/h,標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性優(yōu)于40×10-6[10],該公司還采用瑞利-光頻域反射(R-OFDR)方法來(lái)表征光纖陀螺四極光纖環(huán)圈沿光纖的縱向應(yīng)變分布,可有效地揭示光纖環(huán)圈復(fù)雜熱機(jī)械行為[11]。俄羅斯Fizoptika公司推出了VG221微小型光纖陀螺,其動(dòng)態(tài)范圍為400 (°)/s,零偏穩(wěn)定性為1 (°)/h,角度隨機(jī)游走為0.05 (°)/h1/2,直徑33 mm,質(zhì)量15 g,功耗0.3 W,該公司還在其緊湊型單軸陀螺VG221和三軸陀螺G181基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了小型三軸光纖陀螺G121,其尺寸為52 mm×58 mm×37 mm,質(zhì)量為125 g,零偏穩(wěn)定性為3 (°)/h,角隨機(jī)游走為0.025 (°)/h1/2。

圖1 FOG40干涉儀:Sagnac面積3.5 m2的閉環(huán)光纖陀螺Fig.1 FOG40 interferometer: a closed loop FOG with 3.5 m2 of Sagnac surface

在光纖陀螺慣性系統(tǒng)方面,國(guó)外主要廠商推出了一系列SWaP(尺寸、質(zhì)量和功耗)性能更優(yōu)、結(jié)構(gòu)更緊湊的慣性系統(tǒng)產(chǎn)品。2022年,俄羅斯Optolink公司報(bào)道了其小型光纖陀螺慣性測(cè)量單元(IMU)IMU200和IMU400的性能,其中,IMU200的SWaP性能為75 mm×75 mm×60 mm、質(zhì)量小于0.5 kg、功耗小于等于6 W,陀螺角度隨機(jī)游走(ARW)為0.015 (°)/h1/2,陀螺零偏不穩(wěn)定性(BI)為0.02 (°)/h;IMU400的SWaP性能為80 mm×95 mm×62 mm、質(zhì)量小于0.7 kg、功耗小于等于7 W,陀螺ARW為0.007 (°)/h1/2,陀螺BI為0.01 (°)/h[12]。澳大利亞Advanced Navigation公司推出了新型數(shù)字光纖陀螺(DFOG)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)Boreas D70,其尺寸(160 mm×140 mm×115.5 mm)、質(zhì)量(2.5 kg)、功耗(12 W)和成本相較其他導(dǎo)航系統(tǒng)降低了40%左右,可提供0.01 (°)/h的零偏不穩(wěn)定性,0.01°的滾轉(zhuǎn)/俯仰精度和0.1°的航向精度。俄羅斯Fizoptika公司推出了微小型光纖陀螺慣性測(cè)量單元U121D,其動(dòng)態(tài)范圍為400 (°)/s、ARW為0.05 (°)/h1/2、質(zhì)量為160 g、功耗為1.5 W。美國(guó)EMCORE公司推出了TAC-450系列小型光纖陀螺慣性測(cè)量單元,TAC-450系列采用光子集成芯片(PIC)技術(shù),包括TAC-450-360、-340和-320三型,其質(zhì)量為0.7 kg,陀螺零偏穩(wěn)定性為0.05 (°)/h,ARW為0.012 (°)/h1/2,可提供多種慣性級(jí)加速度計(jì)和磁力計(jì)選項(xiàng)。意大利Civitanavi系統(tǒng)公司和美國(guó)霍尼韋爾公司合作開(kāi)發(fā)了HG2802高性能戰(zhàn)術(shù)級(jí)光纖陀螺慣性測(cè)量單元,其動(dòng)態(tài)范圍為900 (°)/s,在全溫度范圍內(nèi)零偏重復(fù)性小于1 (°)/h,零偏穩(wěn)定性為0.05 (°)/h,ARW為0.05 (°)/h1/2。美國(guó)慣性實(shí)驗(yàn)室推出了IMU-FI-200C小型光纖陀螺慣性測(cè)量單元(圖2),該系統(tǒng)經(jīng)過(guò)全面校準(zhǔn)、溫度補(bǔ)償,具有低噪聲和高可靠性,其陀螺零偏重復(fù)性為0.5 (°)/h、加速度計(jì)零偏重復(fù)性小于0.002g,質(zhì)量790 g,功耗5.5W。

圖2 IMU-FI-200C慣性測(cè)量單元Fig.2 IMU-FI-200C inertial measurement unit

在光纖陀螺應(yīng)用方面,2022年6月,康斯伯格國(guó)防和航空航天公司已選擇法國(guó)iXblue公司為新建造的U212CD潛艇提供更強(qiáng)的導(dǎo)航能力,這些潛艇將用于挪威和德國(guó)海軍。新款U212CD潛艇由蒂森克虜伯船舶系統(tǒng)公司(TKMS)建造,將配備iXblue Marins M8光纖陀螺慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。

總體來(lái)看,國(guó)外光纖陀螺技術(shù)相對(duì)成熟,目前主要發(fā)展方向是進(jìn)一步提升綜合性能和小型化兩個(gè)方面。同時(shí),基于光纖陀螺的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域在不斷拓展,已開(kāi)始在無(wú)人系統(tǒng)、潛艇等領(lǐng)域有所應(yīng)用。

3 微機(jī)電陀螺

微機(jī)電陀螺主要基于科里奧利效應(yīng),采用石英或硅為敏感結(jié)構(gòu)材料,利用微加工工藝技術(shù),具有高可靠性、低SWaP(體積、質(zhì)量、功耗)、低成本及環(huán)境適應(yīng)性好等特點(diǎn),美國(guó)在20世紀(jì)90年代開(kāi)始實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用,目前在戰(zhàn)術(shù)級(jí)和工業(yè)級(jí)市場(chǎng)中得到了廣泛應(yīng)用,其性能正持續(xù)向?qū)Ш郊?jí)精度發(fā)展。據(jù)2022年Yole報(bào)告數(shù)據(jù)顯示,基于MEMS陀螺的系統(tǒng)2021年收入市場(chǎng)份額為7.1億美元[2]。

2022年,MEMS陀螺的相關(guān)研究主要是側(cè)重于導(dǎo)航級(jí)高精度探索、降噪方法研究、制造工藝優(yōu)化、敏感結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面。

在面向?qū)Ш郊?jí)高精度探索方面,法國(guó)賽峰電子與防務(wù)公司介紹了其硅MEMS陀螺的設(shè)計(jì)和性能測(cè)試,采用軸對(duì)稱雙質(zhì)量塊和完全平衡的陀螺模式,具有量程1 000 (°)/s,室溫下零偏不穩(wěn)定性0.007 (°)/h,全溫下零偏誤差0.1 (°)/h,標(biāo)度因子誤差小于20×10-6的近導(dǎo)航級(jí)性能[13]。法國(guó)航空航天實(shí)驗(yàn)室(ONERA)的研究人員開(kāi)發(fā)了一種面向?qū)Ш綉?yīng)用的新型軸對(duì)稱石英MEMS陀螺儀GYTRIX(圖3),其角度隨機(jī)游走達(dá)0.003 (°)/h1/2,零偏穩(wěn)定性優(yōu)于0.1 (°)/h[14]。米蘭理工大學(xué)的A. Buffoli等人開(kāi)發(fā)了一種基于壓阻式納米微機(jī)電傳感(NEMS)的近導(dǎo)航級(jí)陀螺,其敏感結(jié)構(gòu)面積僅1.3 mm2,噪聲0.005 (°)/h1/2,零偏不穩(wěn)定性0.015 (°)/h[15]。

圖3 GYTRIX陀螺儀Fig.3 GYTRIX gyroscope

在降噪方法研究方面,伊朗謝里夫理工大學(xué)的J. Abbasi等人提出了一種采用自回歸模型作為卡爾曼濾波器的過(guò)程環(huán)節(jié)對(duì)MEMS陀螺的長(zhǎng)期誤差(低頻分量)進(jìn)行降噪的方法,靜態(tài)測(cè)試結(jié)果顯示該方法可使長(zhǎng)期誤差減少50%[16]。法國(guó)泰雷茲公司的研究人員分析了硅蝕刻缺陷對(duì)MEMS陀螺正交誤差的影響,并提出在確定MEMS陀螺儀尺寸時(shí)應(yīng)考量彎曲梁寬度變化以避免產(chǎn)生較高的正交誤差[17]。

在制造工藝優(yōu)化方面,意法半導(dǎo)體公司開(kāi)發(fā)了用于制造高性能慣性傳感器的ThELMA-Double微機(jī)械加工技術(shù)平臺(tái),通過(guò)使用多個(gè)獨(dú)立的厚外延多晶硅層制造結(jié)構(gòu)和電氣元件,可在不犧牲電氣性能和機(jī)械魯棒性的前提下縮小慣性傳感器的尺寸[18],同時(shí)采用ThELMA-Double工藝制造了首款6軸慣性測(cè)量單元原型,在電氣性能和機(jī)械魯棒性方面均有提升[19]。美國(guó)加州大學(xué)歐文分校的D. Vatanparvar等人提出采用飛秒激光誘導(dǎo)化學(xué)蝕刻(FLICE)工藝來(lái)進(jìn)行電容式MEMS諧振器的數(shù)字化制造,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了寬高比高達(dá)55∶1的通道和0.6 M量級(jí)的高品質(zhì)因子,其研究結(jié)果表明FLICE工藝有可能成為傳統(tǒng)等離子體刻蝕技術(shù)的替代方案,用以實(shí)現(xiàn)具有超高電容轉(zhuǎn)導(dǎo)的高品質(zhì)因子熔融石英MEMS諧振器[20]。

在敏感結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面,日本東北大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)了一種具有獨(dú)立調(diào)諧振頻率和品質(zhì)因子能力的三質(zhì)量諧振器(TMR),其品質(zhì)因子可調(diào)諧19%,而諧振頻率變化僅為162×10-6[21]。該研究團(tuán)隊(duì)還開(kāi)發(fā)了一種采用(100)單晶硅制造的新型模式匹配多環(huán)盤(pán)諧振器,其頻率失配僅為0.14%[22],并針對(duì)該多環(huán)諧振器提出了一種基于熱彈性耗散的品質(zhì)因子微調(diào)方法,可獨(dú)立地調(diào)整兩個(gè)正交模態(tài)的品質(zhì)因子[23]。劍橋大學(xué)的M. Parajuli等人設(shè)計(jì)了一種品質(zhì)因子高達(dá)100萬(wàn)的四葉懸架系統(tǒng)硅MEMS陀螺(圖4),在使用靜電頻率調(diào)諧實(shí)現(xiàn)模態(tài)匹配后測(cè)得的角度隨機(jī)游走為0.01 (°)/h1/2、零偏不穩(wěn)定性為0.34 (°)/h[24]。

圖4 四葉懸架系統(tǒng)Fig.4 Quatrefoil suspension system

MEMS陀螺慣性系統(tǒng)方面,國(guó)外主要廠商推出了一系列小型化、高精度慣性系統(tǒng)產(chǎn)品。2022年,法國(guó)SBG Systems公司推出了其首款戰(zhàn)術(shù)級(jí)微型慣性測(cè)量單元Pulse-40(圖5),采用獨(dú)特的冗余設(shè)計(jì)可在縮小器件尺寸的同時(shí)將性能水平推至最大。通過(guò)將該慣性測(cè)量單元與多波段RTK GNSS接收器相結(jié)合,SBG Systems公司推出了Quanta Plus微小型慣性導(dǎo)航系統(tǒng),該產(chǎn)品外形尺寸50 mm×37 mm×23 mm,質(zhì)量38g,俯仰精度為0.015°,航向精度為0.035°,定位精度為1 cm,即使在最惡劣的GNSS環(huán)境中也能獲得可靠的位置和姿態(tài)。美國(guó)慣性實(shí)驗(yàn)室推出了戰(zhàn)術(shù)級(jí)MEMS慣性測(cè)量單元Kernel-210和Kernel-220,兩者都是IMU-P戰(zhàn)術(shù)單元的小型化版本,其陀螺零偏穩(wěn)定性為1 (°)/h、加速度計(jì)零偏穩(wěn)定性為0.005 mg。意法半導(dǎo)體推出了高性能6軸MEMS慣性測(cè)量單元LSM6DSV16X,實(shí)現(xiàn)了650 μA下的低功耗運(yùn)行和2.8 mdps/Hz1/2的極低陀螺儀噪聲水平[25]。日本TDK公司推出了InvenSense ICM-45xxx系列6軸MEMS運(yùn)動(dòng)傳感器,采用片上自校準(zhǔn)和其首創(chuàng)的BalancedGyroTM技術(shù),允許在芯片上進(jìn)行靈敏度校準(zhǔn),使陀螺儀精度壽命提高10倍,并顯著節(jié)省了工廠校準(zhǔn)的工作量和成本。意大利Civitanavi系統(tǒng)公司推出了基于GNSS和4個(gè)MEMS慣性測(cè)量單元的高精度MIMU-M慣性導(dǎo)航系統(tǒng),其飛行測(cè)試結(jié)果表明在GNSS輔助下姿態(tài)誤差(RMS)小于0.2°、真實(shí)航向精度漂移為1 (°)/10 min[26]。

圖5 Pulse-40慣性測(cè)量單元Fig.5 Pulse-40 inertial measurement unit

MEMS陀螺應(yīng)用方面,2022年3月,英國(guó)Silicon Sensing公司的AMU30 MEMS慣性測(cè)量單元被集成到五月花號(hào)自主船(MAS)為其跨大西洋航行提供海上通用導(dǎo)航能力。5月,美國(guó)EMCORE公司獲得一家主要國(guó)際武器系統(tǒng)制造商為精確制導(dǎo)彈藥提供多個(gè)SDI170 MEMS慣性測(cè)量單元的初始合同。SDI170將被整合到一個(gè)制導(dǎo)系統(tǒng)中,以提高通用彈藥的精度并將其轉(zhuǎn)換為智能武器系統(tǒng)。5月,EMCORE公司獲得一份價(jià)值約2 100萬(wàn)美元的10年期生產(chǎn)合同,為先進(jìn)井筒測(cè)量設(shè)備提供定制MEMS陀螺。9月,澳大利亞Advanced Navigation公司的雙天線GNSS輔助MEMS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)Certus Evo被Dynetics公司選中用于其承研的無(wú)人機(jī)回收項(xiàng)目。Certus Evo可提供接近光纖陀螺的性能,結(jié)合MEMS傳感器的可靠性,其滾動(dòng)和俯仰精度為0.03°,航向精度為0.05°,定位精度為10 mm。10月,英國(guó)BAE系統(tǒng)公司在為瑞典國(guó)防物資管理局(FMV)升級(jí)CV90履帶車輛車隊(duì)的項(xiàng)目中,選擇了Advanced Navigation公司的Motus慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用高精度的MEMS陀螺和加速度計(jì),其陀螺零偏不穩(wěn)定性為0.02 (°)/h,滾動(dòng)和俯仰精度為0.05°,航向精度為0.8°。

4 半球諧振陀螺

半球諧振陀螺是一種高性能的科里奧利振動(dòng)陀螺,具有精度高、SWaP低、可靠性高、抗輻射、使用壽命長(zhǎng)和環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。目前,美國(guó)諾格和法國(guó)賽峰HRG技術(shù)水平領(lǐng)先,最高精度達(dá)到0.000 1 (°)/h[27-28]。美國(guó)從20世紀(jì)90年代實(shí)現(xiàn)了高精度HRG的空間領(lǐng)域應(yīng)用,俄羅斯在2000年后實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)航級(jí)以上HRG的裝備和空間應(yīng)用,法國(guó)賽峰集團(tuán)在2010年后實(shí)現(xiàn)技術(shù)和批生產(chǎn)能力突破,采用全角控制方式,以大量程、更低成本和SWaP,將HRG的應(yīng)用領(lǐng)域大幅拓寬,開(kāi)發(fā)了多種海、陸、空、天領(lǐng)域應(yīng)用的慣導(dǎo)系統(tǒng)。據(jù)2022年Yole報(bào)告數(shù)據(jù)顯示,基于半球諧振陀螺的系統(tǒng)2021年收入市場(chǎng)份額為1.72億美元[2]。

2022年國(guó)外半球諧振陀螺研究主要側(cè)重于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、微半球諧振陀螺設(shè)計(jì)制造和半球諧振陀螺性能優(yōu)化。

在半球諧振陀螺產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方面,InnaLabs公司和歐洲航天局報(bào)告了其耐輻射的三軸科里奧利振動(dòng)陀螺ARIETIS-NS的測(cè)試結(jié)果,其零偏不穩(wěn)定性優(yōu)于0.1 (°)/h、角度隨機(jī)游走優(yōu)于0.005 (°)/h1/2、質(zhì)量為1.2 kg、功耗小于7 W,已在太空中無(wú)故障地累計(jì)運(yùn)行超過(guò)250萬(wàn)小時(shí)[29]。

在微半球諧振陀螺設(shè)計(jì)制造方面,加州大學(xué)歐文分校的研究人員開(kāi)發(fā)了一種采用三疊層晶片鍵合和高溫微拋光工藝實(shí)現(xiàn)熔融石英雙殼層結(jié)構(gòu)的制造工藝,制造并演示了品質(zhì)因數(shù)高達(dá)183萬(wàn)、振幅衰減時(shí)間為120 s的熔融石英雙殼諧振器原型[30]。該團(tuán)隊(duì)還開(kāi)發(fā)了一種集成于平面電極基板的熔融石英雙殼陀螺(圖6),該陀螺在n=2和n=3模態(tài)下分別實(shí)現(xiàn)了0.03和0.083 (°)/h1/2的角度隨機(jī)游走以及0.4和0.75 (°)/h的零偏不穩(wěn)定性[31]。

圖6 熔融石英雙殼陀螺示意圖Fig.6 Schematics of a FS dual-shell gyroscope

在半球諧振陀螺性能優(yōu)化方面,加州大學(xué)歐文分校的研究人員分析了金屬化鍍膜對(duì)熔融石英雙殼微半球諧振陀螺性能的影響,確定了Cr膜的最佳厚度以實(shí)現(xiàn)最小的品質(zhì)因數(shù)損失[32]。該研究團(tuán)隊(duì)還分析了熔融石英雙殼陀螺幾何結(jié)構(gòu)對(duì)能量損失的影響[33]。薩拉托夫國(guó)立技術(shù)大學(xué)的R. Ermakov等人針對(duì)半球諧振陀螺建立了一個(gè)考慮各種外部干擾影響的誤差模型,可評(píng)估振動(dòng)對(duì)基于半球諧振陀螺的測(cè)量設(shè)備讀數(shù)的影響[34]。

在系統(tǒng)和應(yīng)用方面,法國(guó)賽峰集團(tuán)將HRG CrystalTM半球諧振陀螺與導(dǎo)航級(jí)MEMS閉環(huán)加速度計(jì)配合,設(shè)計(jì)出緊湊的IMU,其尺寸6 cm×9 cm×9 cm,質(zhì)量430 g,功耗小于5 W。將該IMU安裝在GeonyxTM慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的底座上,進(jìn)行了尋北、機(jī)載導(dǎo)航和陸地導(dǎo)航試驗(yàn)驗(yàn)證,實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)航級(jí)性能,這將進(jìn)一步提升賽峰導(dǎo)航級(jí)HRG慣性系統(tǒng)的SWaP-C優(yōu)勢(shì)[35]。2022年6月,空中客車直升機(jī)公司已選擇賽峰電子與防務(wù)公司為未來(lái)的H160M Guépard直升機(jī)配備SkyNaute超緊湊型慣性/GNSS組合導(dǎo)航系統(tǒng)(圖7),該導(dǎo)航系統(tǒng)采用半球諧振陀螺HRG CrystalTM,實(shí)現(xiàn)了超高可靠性和較好的SWaP(3 L/3 kg/20 W)。

圖7 SkyNauteTM慣性/GNSS組合導(dǎo)航系統(tǒng)Fig.7 SkyNauteTM hybrid inertial/GNSS navigation system

5 量子慣性傳感器

量子慣性傳感器整體上還處于實(shí)驗(yàn)研究和初步工程化探索階段。其中,作為自旋轉(zhuǎn)子的核磁共振原子和瑟夫原子陀螺已經(jīng)進(jìn)入工程化探索階段,而波動(dòng)干涉型原子陀螺還處于原理實(shí)驗(yàn)研究階段。但是,量子重力儀近年來(lái)發(fā)展迅速,目前正逐步走向商業(yè)化、實(shí)用化階段。

在自旋型原子陀螺方面,2022年,美國(guó)威斯康星大學(xué)研究了核磁共振陀螺的混合PM-PDM調(diào)制方法,獲得mHz級(jí)的轉(zhuǎn)動(dòng)靈敏度。德國(guó)、波蘭、美國(guó)多家單位合作研究了原子自旋陀螺的極化動(dòng)力學(xué),提出了一種補(bǔ)償磁場(chǎng)閉環(huán)控制的新方法,通過(guò)該方法優(yōu)化工作參數(shù),系統(tǒng)與以前最好的聯(lián)合磁強(qiáng)計(jì)相比具有相當(dāng)?shù)撵`敏度,而惰性氣體密度降低到1/4,實(shí)現(xiàn)的陀螺靈敏度為0.5 μrad s-1/Hz1/2,等效磁場(chǎng)靈敏度為2.5 fT/ Hz1/2[36]。韓國(guó)防務(wù)發(fā)展局研制了原子自旋陀螺氣室的制作系統(tǒng),研究了氣室制作工藝,測(cè)試了制作氣室的Xe同位素橫弛豫時(shí)間和信噪比,預(yù)期在1Hz重復(fù)率下實(shí)現(xiàn)陀螺角度隨機(jī)游走0.062 (°)/h1/2[37]。俄羅斯Concern CSRI Elektropribor, JSC研究中心對(duì)核磁共振陀螺的零偏補(bǔ)償進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,通過(guò)品質(zhì)因子估算方法有效提升了陀螺精度[38]。該機(jī)構(gòu)還研究了微小型核磁共振陀螺氣室的設(shè)計(jì)和制作工藝,通過(guò)理論設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證以實(shí)現(xiàn)陀螺角度隨機(jī)游走的最優(yōu)化。

在冷原子干涉陀螺方面,2022年,美國(guó)弗吉尼亞大學(xué)改進(jìn)了基于玻色凝聚原子的雙Sagnac干涉儀,其轉(zhuǎn)動(dòng)靈敏度的散粒噪聲極限可達(dá)6×10-7rad/s。法國(guó)巴黎天文臺(tái)等單位研制了高穩(wěn)定雙軸冷原子陀螺儀SYRTE,其憑借11 cm2的大物理面積和800 ms的長(zhǎng)采集時(shí)間,靈敏度和穩(wěn)定性達(dá)到3×10-10rad·s-1[39]。

在冷原子慣性導(dǎo)航系統(tǒng)方面,巴黎薩克雷大學(xué)的J. Bernard等人研制了機(jī)載應(yīng)用的冷原子慣性測(cè)量單元,其方案是用單一的原子干涉?zhèn)鞲衅鹘惶鏈y(cè)量三向加速度和三向旋轉(zhuǎn),每向量子測(cè)量都與經(jīng)典慣性傳感器結(jié)合互補(bǔ),以提供高動(dòng)態(tài)的精確連續(xù)測(cè)量[40]。

在冷原子重力儀方面,2022年,伯明翰大學(xué)的Ben Stray等人研制了一款類似沙漏構(gòu)造的冷原子重力梯度儀,實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)不確定性20E(1E=10-9/s2),等效每個(gè)重力儀不確定性1.4 ng,性能與其他商用產(chǎn)品相比提高了1.5～4倍,在戶外實(shí)驗(yàn)中以信噪比8成功檢測(cè)出路面下約0.5 m的截面尺寸2 m×2 m的隧道[41]。法國(guó)航空航天研究院和巴黎薩克雷大學(xué)的A. Bonnin等人研制了絕對(duì)冷原子海洋航空重力儀GIRAFE,其穩(wěn)定性和重復(fù)性在海上測(cè)量中達(dá)到幾個(gè)0.1×10-5m·s-2,在空中測(cè)量達(dá)到幾個(gè)1×10-5m·s-2[42]。2022年5月,法國(guó)iXblue公司推出了世界上第一臺(tái)工業(yè)級(jí)緊湊便攜式差分量子重力儀(DQG)(圖8),該DQG原型機(jī)具有優(yōu)于1 E(即10-9/s2)的高分辨率,可同時(shí)測(cè)量重力加速度及其垂直梯度的絕對(duì)值。7月,iXblue公司與美國(guó)國(guó)家地質(zhì)和火山研究所合作,使用量子重力儀對(duì)埃特納火山引起的重力變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)。該儀器可在其他技術(shù)無(wú)法使用的情況下,依舊提供高品質(zhì)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

圖8 iXblue 差分量子重力儀Fig.8 iXblue differential quantum gravimeter

6 加速度計(jì)

加速度計(jì)是與陀螺儀匹配的另一種核心慣性器件,當(dāng)前工程應(yīng)用的主要加速度計(jì)包括擺式積分陀螺加速度計(jì)、撓性擺式加速度計(jì)以及MEMS諧振式加速度計(jì)等。其中,目前戰(zhàn)略級(jí)應(yīng)用的是擺式積分陀螺加速度計(jì);撓性擺式加速度計(jì)則是導(dǎo)航級(jí)和戰(zhàn)術(shù)級(jí)應(yīng)用的主流產(chǎn)品;MEMS諧振式加速度計(jì)包括石英振梁加速度計(jì)和硅諧振加速度計(jì),是近年快速發(fā)展的熱點(diǎn)技術(shù),在工業(yè)級(jí)和戰(zhàn)術(shù)級(jí)領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用,其中石英振梁加速度計(jì)已實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航級(jí)精度,未來(lái)有望進(jìn)入導(dǎo)航級(jí)與戰(zhàn)略級(jí)應(yīng)用領(lǐng)域。

2022年,國(guó)外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)和廠商持續(xù)致力于提升加速度計(jì)綜合性能,主要側(cè)重于新型加速度計(jì)的研發(fā)、MEMS加速度計(jì)產(chǎn)品的研發(fā)、MEMS加速度計(jì)性能提升研究及應(yīng)用領(lǐng)域的拓展等。

在新型加速度計(jì)開(kāi)發(fā)方面,伊斯法罕大學(xué)的M. Rahimi等人開(kāi)發(fā)了一種基于法布里-珀羅(FP)微腔的差分微光機(jī)電系統(tǒng)(MOEMS)加速度計(jì),在±1g范圍內(nèi)具有良好的線性響應(yīng),靜態(tài)表征中的光學(xué)靈敏度和分辨率分別為6.52nm/g和153μg[43]。Exail集團(tuán)(前身為iXblue)發(fā)布了在iXAtom聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的第一款三軸量子傳感器,能夠在3個(gè)維度、任何方向上連續(xù)跟蹤并測(cè)量加速度。該傳感器以傳統(tǒng)傳感器的速率(帶寬1 kHz)提供連續(xù)信號(hào),但借助基于量子測(cè)量提供的原位和實(shí)時(shí)校準(zhǔn)使其精度提高了50倍(6×10-8g)[44]。英國(guó)Teledyne e2v公司在兩個(gè)低軌小衛(wèi)星大氣密度測(cè)量任務(wù)CASPA-ADM和Q-ACE的牽引下,正在研制緊湊型冷原子加速度計(jì),其目標(biāo)靈敏度為2.3×10-8m/s2/Hz1/2[45]。

在MEMS加速度計(jì)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方面,美國(guó)霍尼韋爾公司推出了高性能、高可靠性的硅MEMS加速度計(jì)MV60,該傳感器安裝在1.085平方英寸(1平方英寸=645.16 mm2)的電路板上,質(zhì)量6.5 g,功耗小于45 mW,可承受5 000g的沖擊,并具有大于300 Hz的帶寬,60g的量程,0.2～1mg的年零偏重復(fù)性和30×10-6～75×10-6的標(biāo)度因子重復(fù)性。美國(guó)Silicon Designs公司推出了1527型系列戰(zhàn)術(shù)級(jí)MEMS加速度計(jì),其零偏重復(fù)性優(yōu)于2 mg,質(zhì)量0.68 g,功耗33 mW,特別適合于需要低功耗、低噪聲、在大溫度變化范圍和輻射暴露環(huán)境下長(zhǎng)期可靠運(yùn)行的空間應(yīng)用。在1527型MEMS加速度計(jì)芯片和專有電子器件集成基礎(chǔ)上,Silicon Designs公司開(kāi)發(fā)了2290型系列高精度單軸MEMS直流校準(zhǔn)參考加速度計(jì),具有超低噪聲性能和慣性級(jí)穩(wěn)定性,可用于在端到端校準(zhǔn)和相關(guān)性能驗(yàn)證期間確定未知MEMS直流加速度計(jì)的靈敏度和頻率響應(yīng)特性。

在MEMS加速度計(jì)性能提升研究方面,美國(guó)EMCORE公司開(kāi)發(fā)了一種新的溫度校準(zhǔn)方法可使其高精度石英MEMS加速度計(jì)獲得高端導(dǎo)航級(jí)性能,該加速度計(jì)的常溫零偏不穩(wěn)定性為30ng,常規(guī)校準(zhǔn)后全溫零偏為25μg,在采用多諧振模態(tài)運(yùn)行機(jī)制和自校準(zhǔn)算法后全溫零偏優(yōu)于2μg[46]。法國(guó)泰雷茲公司為其導(dǎo)航級(jí)MEMS諧振加速度計(jì)開(kāi)發(fā)和優(yōu)化了低噪聲混合信號(hào)專用集成電路(ASIC),使加速度計(jì)零偏不穩(wěn)定性達(dá)到0.3μg,噪聲達(dá)到1μg/Hz1/2的白噪聲水平[47]。法國(guó)格勒諾布爾-阿爾卑斯大學(xué)的T. Miani等人通過(guò)采用增強(qiáng)晶圓級(jí)封裝改善了其基于納米諧振器的諧振加速度計(jì)性能,改進(jìn)后的加速度計(jì)可在近1 kHz的大帶寬范圍內(nèi)達(dá)到1.75μg/Hz1/2的噪聲水平[48]。日本東芝公司開(kāi)發(fā)了一種帶有T形電極的MEMS差分諧振加速度計(jì),具有7.9μg的零偏不穩(wěn)定性和134 dB的高動(dòng)態(tài)范圍[49]。英國(guó)劍橋大學(xué)的G. Sobreviela-Falces等人開(kāi)發(fā)了一種導(dǎo)航級(jí)差分MEMS振梁加速度計(jì),在10 s積分時(shí)間內(nèi)的運(yùn)行零偏不穩(wěn)定性為0.123μg,速度隨機(jī)游走為0.7μg/Hz1/2[50]。

在應(yīng)用拓展方面,賽峰電子與防務(wù)公司報(bào)道了其基于硅MEMS加速度計(jì)的高端慣性導(dǎo)航的性能演示結(jié)果。賽峰子公司賽峰傳感技術(shù)瑞士公司(原賽峰Colibrys)在2020年實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)航級(jí)硅MEMS加速度計(jì)及批生產(chǎn)能力,零偏和標(biāo)度因子分別達(dá)到30μg和30 ppm。目前,該加速度計(jì)與HRG CrystalTM半球諧振陀螺配合設(shè)計(jì)成新的慣性導(dǎo)航系統(tǒng),并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證,結(jié)果表明其與當(dāng)前應(yīng)用的撓性擺式速度計(jì)具有相同的導(dǎo)航性能[35]。以色列物理邏輯公司推出了一種面向能源市場(chǎng)應(yīng)用的耐高溫閉環(huán)MEMS加速度計(jì),在其MAXL-CL-3000系列MEMS芯片設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn),可在125～150 ℃的高溫環(huán)境下保持低至500μg的長(zhǎng)期零偏重復(fù)性和400×10-6的長(zhǎng)期標(biāo)度因數(shù)重復(fù)性。法國(guó)iXblue公司報(bào)告了對(duì)其小型導(dǎo)航級(jí)石英振梁加速度計(jì)在空間應(yīng)用方面的改進(jìn),主要是側(cè)重于針對(duì)電路的升級(jí)使其符合空間應(yīng)用的需求[51]。

7 組織機(jī)構(gòu)的發(fā)展變化

2022年,各組織機(jī)構(gòu)也在不斷推進(jìn)結(jié)構(gòu)調(diào)整、融資與并購(gòu)以加快技術(shù)發(fā)展和市場(chǎng)整合步伐,使其規(guī)模實(shí)力顯著增強(qiáng),發(fā)展質(zhì)量顯著提升。澳大利亞Advanced Navigation公司完成了B輪6 800萬(wàn)美元融資以加快推廣其光纖陀螺技術(shù)和產(chǎn)品的應(yīng)用。意大利Civitanavi公司在泛歐交易所以4 000萬(wàn)歐元IPO上市融資支持加快光纖陀螺業(yè)務(wù)發(fā)展。初創(chuàng)企業(yè)Zero Point Motion融資340萬(wàn)美元用以進(jìn)一步開(kāi)發(fā)基于微諧振器環(huán)形技術(shù)的光子集成光纖陀螺。美國(guó)EMCORE公司以約500萬(wàn)美元的全現(xiàn)金交易方式完成了對(duì)L3Harris公司空間和導(dǎo)航業(yè)務(wù)的收購(gòu)。此次收購(gòu)使EMCORE公司在獲得環(huán)形激光陀螺技術(shù)的同時(shí),將光纖陀螺產(chǎn)品組合擴(kuò)展到戰(zhàn)略級(jí)應(yīng)用,并進(jìn)入太空市場(chǎng)。EMCORE公司還收購(gòu)了KVH公司的慣性導(dǎo)航業(yè)務(wù),在獲得光子芯片集成光纖陀螺技術(shù)的同時(shí),拓展了陸軍和各種地面應(yīng)用客戶群體,并在不斷增長(zhǎng)的工業(yè)自主市場(chǎng)中開(kāi)辟了新機(jī)遇。法國(guó)Groupe Gorgé集團(tuán)收購(gòu)了法國(guó)導(dǎo)航公司iXblue,并將其與此前收購(gòu)的ECA集團(tuán)合并到新的聯(lián)合品牌Exail下運(yùn)營(yíng),兩者合并后將可為客戶提供從組件到復(fù)雜系統(tǒng)的完整海軍系統(tǒng)和子系統(tǒng),并進(jìn)一步擴(kuò)大了市場(chǎng)覆蓋范圍和客戶群體。法國(guó)賽峰集團(tuán)完成對(duì)法國(guó)Orolia公司的正式收購(gòu),通過(guò)將Orolia的精確時(shí)間參考技術(shù)與其成熟的慣性導(dǎo)航解決方案結(jié)合在一起,將能夠提供一套完整彈性PNT架構(gòu)和設(shè)備,以滿足航空、國(guó)防、太空和交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域的導(dǎo)航需求。同時(shí),賽峰集團(tuán)還將子公司Colibrys(瑞士)和Sensonor(挪威)合并為賽峰傳感技術(shù)公司以整合其微傳感器業(yè)務(wù),進(jìn)一步加強(qiáng)其在彈性PNT解決方案市場(chǎng)中的地位。

8 展望

慣性技術(shù)經(jīng)過(guò)百余年的發(fā)展,已形成內(nèi)涵豐富的技術(shù)體系,慣性技術(shù)在向更高性能水平突破,同時(shí)向低SWaP-C的方向發(fā)展,呈現(xiàn)出多層次競(jìng)爭(zhēng)發(fā)展的態(tài)勢(shì),相關(guān)技術(shù)在取得進(jìn)步和拓展市場(chǎng)的同時(shí)也在面臨競(jìng)爭(zhēng)與更新?lián)Q代,新技術(shù)將不斷發(fā)展并推動(dòng)市場(chǎng)格局發(fā)生新的變化。

國(guó)外陀螺技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)如圖9所示[2]。激光陀螺技術(shù)已經(jīng)成熟,隨著光纖陀螺和半球諧振陀螺技術(shù)的發(fā)展,其現(xiàn)有的市場(chǎng)主導(dǎo)地位將受到挑戰(zhàn);光纖陀螺技術(shù)相對(duì)較為成熟,仍在向進(jìn)一步提高精度與小型化方向發(fā)展,同時(shí)拓展應(yīng)用市場(chǎng);半球諧振陀螺將持續(xù)發(fā)展并趨于成熟,拓展導(dǎo)航級(jí)和戰(zhàn)略級(jí)應(yīng)用市場(chǎng),以明顯的SWaP-C優(yōu)勢(shì)挑戰(zhàn)傳統(tǒng)技術(shù);MEMS陀螺在未來(lái)10年可能趨于成熟,性能也將進(jìn)一步提高,在中低戰(zhàn)術(shù)級(jí)市場(chǎng)應(yīng)用占據(jù)主導(dǎo),在高端戰(zhàn)術(shù)級(jí)和導(dǎo)航級(jí)應(yīng)用上也將開(kāi)拓市場(chǎng);光子集成技術(shù)和量子技術(shù)處于起步和快速發(fā)展階段,從技術(shù)發(fā)展周期規(guī)律來(lái)看,可能要在2030年之后才能初步成熟和工程化應(yīng)用。

圖9 陀螺技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)Fig.9 Development trend of gyroscope technology

國(guó)外加速度計(jì)在軍用和民用領(lǐng)域仍將朝著高精度和低SWaP-C方向發(fā)展。在民用領(lǐng)域,低成本的加速度計(jì)及慣性系統(tǒng)在制造業(yè)、新能源及交通等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用;在軍用領(lǐng)域,高性能仍將是研究機(jī)構(gòu)和廠商致力發(fā)展的重點(diǎn)方向,MEMS加速計(jì)性能穩(wěn)步提升并有望拓展到導(dǎo)航級(jí)等更為廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域;微光學(xué)加速度計(jì)、原子加速度計(jì)等新型加速度計(jì)的發(fā)展步伐正在加快,未來(lái)有望在更高精度的場(chǎng)景中得到應(yīng)用。

國(guó)外慣性導(dǎo)航系統(tǒng)主要向著高性能、低成本和小型化方向發(fā)展,以分別滿足戰(zhàn)略武器的高精度需求、各類常規(guī)武器和平臺(tái)的高動(dòng)態(tài)與高可靠性需求、民用市場(chǎng)的低成本與高可靠性需求。基于軍用領(lǐng)域?qū)T性導(dǎo)航系統(tǒng)的高可靠性的更高要求,國(guó)外正在積極探索以慣性導(dǎo)航系統(tǒng)為核心的多源融合導(dǎo)航技術(shù),美國(guó)霍尼韋爾公司已于2022年4月成功驗(yàn)證了以視覺(jué)、天體和磁異常輔助慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的高可靠性、高性能替代性導(dǎo)航解決方案,未來(lái)以慣性導(dǎo)航系統(tǒng)為核心的多源融合導(dǎo)航技術(shù)將有望實(shí)現(xiàn)更為快速的發(fā)展和更為廣泛的應(yīng)用。