2019年國外慣性技術發展與回顧

薛連莉，沈玉芃，徐 月

(北京海鷹科技情報研究所，北京 100074)

0 引言

在信息化條件下，現代戰爭對導航的需求與日俱增，導航系統是武器裝備不可或缺的重要組成部分。圍繞導航系統的攻防博弈，美國首先提出導航戰(Navigation Warfare，NAVWAR)概念，隨后俄羅斯、歐洲各國、日本、印度等同樣開始為導航戰蓄力，導航領域逐漸成為軍事競爭的戰略要地。為了滿足多樣化的定位、導航與授時(Positioning, Navigation and Timing，PNT)需求，國外積極探索研究多種自主導航定位技術手段[1]。慣性技術不受外界干擾，完全利用自包含傳感器從載體及其外部自然環境中感知的信息進行導航，是重要的導航領域技術手段之一。

近年來，在慣性技術領域，國外霍尼韋爾、諾格、iXblue、賽峰等公司不斷報道一些動態信息，披露了以光學陀螺、微機電(Micro-Electro-Mecha-nical System，MEMS)陀螺、半球諧振陀螺(Hemispherical Resonator Gyro, HRG)、原子陀螺、加速度計等為代表的慣性儀表及系統的發展，本文梳理了相關動態信息，介紹了慣性儀表及系統的發展現狀，并對慣性技術的發展進行了分析展望。

1 光學陀螺

光學陀螺主要有激光陀螺和光纖陀螺兩大類。其中，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)、諧振式光纖陀螺和受激布里淵散射光纖陀螺。

光學陀螺技術日趨成熟，精度突飛猛進，體積功耗不斷降低。目前，激光陀螺最高精度優于0.0002(°)/h，光纖陀螺最高精度可達0.00008(°)/h，光學陀螺及其系統應用從戰術級逐步拓展到戰略級，在陸、海、空、天等多個領域中得到大批量應用，占據著主導地位。

1.1 激光陀螺

激光陀螺技術研究方面，加州理工學院的Lai Y H研究了在單片硅芯片上使用反向傳播布里淵激光器的激光陀螺儀，證明了基于芯片的布里淵激光陀螺儀的可行性[2]。康奈爾大學的Angela D D V等提出了一種新穎的技術來研究和消除激光效應的非線性，并將該分析應用于GP2和GINGERINO這2個環形激光器樣機[3]。

激光陀螺慣性系統方面，2019年9月，美國陸軍合同司令部宣布與霍尼韋爾公司簽訂了價值3790萬美元的戰術先進地面慣性導航裝置TALIN 5000型的采購合同，預計2023年9月完成。TALIN 5000系統采用霍尼韋爾公司的環形激光陀螺儀和加速度計，提供全球定位系統(Global Positioning System，GPS)拒止環境下的慣性導航。

總體來看，國外激光陀螺的研究2019年并未披露突破性進展，研究方向包括小型化和性能改進[4]；基于激光陀螺的慣性導航系統仍是陸用戰車、導彈等武器裝備的重要選擇之一。

1.2 光纖陀螺

光纖陀螺技術研究方面，國外不斷推進相關技術的研究，采用多種方法從精度、尺寸和成本等方面提高光纖陀螺的綜合性能。Therice A M等提出了三種方法提高光纖陀螺的總體性能[5]：一是用低相干激光器代替光纖陀螺中使用的時間相干摻餌光纖光源，使得噪聲和漂移接近戰略級性能，光源波長穩定性優于10-6；二是在光纖陀螺的感應線圈中使用空心光纖以減少熱漂移，噪聲實現0.135(°)/h1/2；三是由2個環形諧振器耦合組成的光學陀螺儀，試驗結果顯示該陀螺儀的旋轉靈敏度至少是具有相同半徑和損耗的優化單環諧振器的170倍[6-10]。日本Tsune-hiko I等提出了一種自動駕駛用低成本干涉式光纖陀螺儀的制造方法，采用精確對準的四極光纖線圈和調制部件，減少熱感應光學相位差和抑制不必要的偏振串擾；并開發出一種自動光纖繞線機，在提高產品性能的同時減少了工作時間，降低了干涉式光纖陀螺的制造成本[11]。日本宇宙航空研究開發機構(Japan Aerospace Exploration Agency，JAXA)提出了一種干涉式光纖陀螺傳感器線圈，該線圈由多芯光纖與扇入/扇出設備拼接而成，實現了0.002(°)/h1/2的角度隨機游走性能，研究表明七芯波導環可成功用作Sagnac干涉儀[12-13]。KVH公司將光子芯片技術整合到高精度光纖陀螺產品中，得到的Photonic Gyro IMU樣機中陀螺角度隨機游走優于0.0097(°)/h1/2，零偏穩定性為0.02(°)/h。隨著該款光子芯片技術的研發，KVH將實現高性能、低成本慣性系統的量產。

此外，新技術的發展或能推動光纖陀螺性能的突破性進展。在第六屆慣性傳感器與系統國際研討會上，美國加州理工學院的Parham P K等首次展示了其硅集成光學陀螺儀及互易靈敏度增強(Reciprocity Sensitivity Enhancement，RSE)技術，這種技術可以降低光纖陀螺儀的噪聲并使其小型化[14]。奧地利科學院和維也納量子科學與技術中心的物理學家在《New Journal of Physics》發表論文的研究成果表明：使用糾纏光子可以克服光纖陀螺的噪聲極限，達到經典光無法達到的精確度，并有望得到光纖陀螺更高的靈敏度極限[15]。

光纖陀螺慣性系統方面，美國諾格公司推出光纖慣性導航系統SeaFind，可提供與MK39環形激光陀螺羅盤系列慣性導航產品相同的性能水平，且尺寸大大減小，僅為250mm×250mm×127mm；法國SBG Systems公司在美國丹佛舉行的國際激光雷達測繪論壇(International LiDAR Mapping Forum, ILMF)上宣布推出Horizon IMU，這是一款基于光纖陀螺的高性能慣性測量單元(Inertial Measurement Unit, IMU)，專為要求苛刻的測量應用而設計，如高海拔地區無人機的數據采集、密集城區的移動測繪以及自動駕駛平臺的測試。法國iXblue公司在SAS 2019上公開了一款新型軍用戰略級光纖陀螺慣導系統MARINS M11，導航精度達到1nmile/15d，可用于水面艦船和潛艇導航。

光纖慣性系統的應用方面，Draper實驗室為美海軍三叉戟II計劃(潛射彈道核導彈+戰略核潛艇)研究的新型制導系統，選擇用干涉式光纖陀螺儀代替原始的機械陀螺儀，這標志著干涉型光纖陀螺慣性系統逐漸用于戰略武器。

光纖陀螺朝著戰略級超高精度、導航級強環境適應性、集成化超小型低成本方向發展，通過開展光纖陀螺噪聲抑制、精密繞環、糾纏光子、集成芯片等技術研究提高陀螺的精度和穩定性，降低其體積和成本。

2 MEMS陀螺

現有MEMS陀螺主要基于哥氏效應，包括線振動式MEMS陀螺儀、角振動式MEMS陀螺儀、振動環式MEMS陀螺儀和懸浮轉子式MEMS陀螺儀。精度范圍覆蓋0.01～500(°)/h，以其體積小、質量小、功耗和成本適中、可靠性高等特點在精確制導彈藥、汽車和消費電子領域中得到大量應用，是近期慣性技術領域重要的研究熱點之一。

國外軍用MEMS陀螺技術路線和商用MEMS陀螺技術路線完全不同。美國DARPA Micro-PNT等項目重點支持振動環式和懸浮轉子式MEMS陀螺儀的研制，并取得很好結果[16]。

在DARPA 精確魯棒慣性制導彈藥的先進慣性微傳感器(Precise Robust Inertial Guidance for Munitions Advanced Inertial Micro Sensors, PRIGM AMIS)子項目支持下，卡內基·梅隆大學的研究人員通過聲學和光學組件的材料和器件設計實現了陀螺性能增強，聲光陀螺儀在靈敏度(9x)、信噪比(13x)和穩定性(超過100s)方面性能得到提升，同時器件外形尺寸減小了一半[17]；密歇根大學的研究人員提出了一種用于高Q值陀螺儀精密殼集成諧振器的改進設計和制造方法，在7000g沖擊下成功測試了殼的抗沖擊能力[18]。在DARPA微型速率積分陀螺(Micro Rate Integrating Gyroscope，MRIG)項目支持下，密歇根大學的研究人員成功研制了一種Q值達154萬的真空封裝熔融石英鳥盆型微諧振陀螺儀，零偏穩定性達0.0103(°)/h[19]。在DARPA 活躍層主次級校準(Primary and Secondary Calibra-tion on Active Layer，PASCAL)項目支持下，喬治亞理工學院的研究人員設計了采用三維納米間隙深反應離子刻蝕工藝制造的高Q值和高動態范圍的授時和慣性測量單元(Timing and Inertial Measurement Unit，TIMU)，先進的接口電路架構為高Q值陀螺儀提供自校準，大大降低了漂移[20]。加州大學歐文分校的Andrei M S團隊介紹了微加工熔融石英半環形殼設計和制造的最新進展，該制造基于微玻璃吹制工藝，經證實可實現高Q值(170萬)MEMS諧振子和陀螺儀[21]。

此外，2019年4月，霍尼韋爾公司報告了其用于平臺穩定的MEMS面外陀螺儀性能結果，實現了優于0.006(°)/h1/2的角度隨機游走和0.2(°)/h的中值零偏穩定性。作為驅動和檢測模態下的特征傳感器，頻率間隔大于700Hz，從而允許帶寬大于300Hz。HG6900 IMU將集成這些傳感器，體積為259cm3[22]。2019年9月，霍尼韋爾公司推出了基于MEMS技術的HGuide i300 IMU和HG4930 S-Class IMU兩款新型IMU，力求實現小型化、低功耗和經濟高效的光纖陀螺替代方案。

國外相關研究機構不斷開展研究以提高MEMS陀螺的精度，通過在微加工、專用集成電路、測控電路、結構與材料等方面開展優化設計，將MEMS陀螺的精度提高到導航級，并不斷降低其體積和成本。MEMS慣性器件具有巨大的潛力，可為移動設備創造新的應用領域，并具有更大的靈活性和更高的可靠性。

3 半球諧振陀螺

半球諧振陀螺作為最具潛力的哥氏振動陀螺，最高精度可達0.0001(°)/h，連續工作15年的可靠度高達0.995，在同等精度陀螺中具有體積質量優勢，半球諧振陀螺及其系統逐步在空間、航空、航海等領域開展應用，成為近期慣性技術領域的研究熱點之一。

半球諧振陀螺儀按結構形式可分為兩件套和三件套半球諧振陀螺儀，按控制形式可分為全角模式和力平衡模式半球諧振陀螺儀。以法國賽峰電子與防務公司為代表，具備0.0005～0.005(°)/h精度范圍的半球諧振陀螺量產能力。采用全角模式、平面電極，并將陀螺零件數量簡化成3個，更易加工、實現低成本和批量化生產。在DARPA公布的比較研究中，賽峰電子與防務公司的半球諧振陀螺被評為導航級領域中具有最佳成本、尺寸、質量和功率(C-SWaP)的傳感器，可與霍尼韋爾公司的HG9900或諾格公司的半球諧振陀螺儀競爭，如圖1所示。

2019年，賽峰電子與防務公司報道了半球諧振陀螺的最新進展，基于該陀螺的BLACK-ONYXTMDUAL CORE HP慣性導航系統質量小于25kg，尺寸小于0.028m3，功耗小于50W，精度達1nmile/120h。同時，憑借著半球諧振陀螺的超高SWaP性能，GEONYXTM慣性導航系統可用于火炮和戰車的精確導航和指向[23]，如表1所示；此外，基于半球諧振陀螺的SpaceNaute慣性參考系統已被歐洲Ariane 6太空發射器選用，預計將于2020年7月首次發射[24]；針對士兵指向應用和便攜式系統，賽峰電子與防務公司開發了Sterna超輕尋北儀，可在100s內快速尋北，精度優于0.7mil。

圖1 不同傳感器C-SWaP隨導航性能的變化Fig.1 C-SWaP over navigation performance for various sensors

表1 陸用慣性系統關鍵特征參數Tab.1 Key characteristics of land INS

美國諾格公司在多年半球諧振陀螺研究的基礎上，正在開發新型LR-450 IMU中的毫米半球諧振陀螺儀，專為質量更小、成本更低的小型平臺而設計[25]。

國外新一代半球諧振陀螺精度已達0.0001(°)/h、10-7的水平，半球陀螺諧振子典型尺寸(直徑)在5mm左右，Q值達到1×107。新一代半球陀螺具有高精度、高可靠、結構簡單等優點，且3D微納制造技術的快速進步，有力地推動了具有MEMS特征尺寸的高線性度微半球陀螺技術發展。隨著半球諧振陀螺性能的提高和尺寸的減小，其應用范圍也不斷擴展。

4 原子陀螺

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，推動了以核磁共振陀螺、原子干涉陀螺、無自旋交換弛豫(Spin Exchange Relaxation Free, SERF)原子自旋陀螺為代表的原子陀螺性能不斷提升[26-27]，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。

加州大學歐文分校的研究人員介紹了一種用于制造核磁共振陀螺儀和核磁共振磁力計的原子傳感器MEMS組件的批處理方法，引入的方法利用了玻璃吹制工藝、折紙式折疊和更傳統的MEMS制造，得到的核磁共振陀螺儀角度隨機游走為0.1(°)/h1/2[28]；通過開展系統小型化和高精度等關鍵技術攻關，進一步提高核磁共振陀螺的工程化實現。在DARPA的精確慣性導航系統(Precise Integrated Naviga-tion System，PINS)和自適應導航系統(Adaptive Navigation System，ANS)項目支持下，AOSense公司的原子干涉陀螺精度達5×10-6(°)/h。美國桑迪亞國家實驗室的原子干涉陀螺儀內腔尺寸為20mm×30mm×60mm，靈敏度為1×10-6rad/sHz1/2。在美國的小企業創新研究計劃(Small Business Innovation Research，SBIR)項目支持下，Twinleaf公司的核自旋陀螺精度達1×10-4(°)/h。

5 加速度計

加速度計正向兩級化發展，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。

1)擺式積分陀螺加速度計精度最高，可達到0.1μg，但結構復雜、體積大、價格貴，主要用于戰略導彈等高端武器裝備。

2)撓性擺式加速度計主要包括石英擺式加速度計和硅擺式加速度計，精度范圍覆蓋5～1000μg，是目前主流的工程應用加速度計，在陸、海、空、天、制導彈藥等多個領域中得到大量應用。

3)石英振梁加速度計正處于技術轉化至成熟應用的快速發展階段，極具發展潛力，精度已達到10μg，最高精度接近1μg，廣泛應用于戰術級導航應用領域，近期有望進入戰略級應用領域。2019年，iXblue公司宣布其首款滿足高性能應用的石英振梁加速度計iXal A5，零偏20～150μg、標度因數(2～60)×10-6，該加速度計基于振梁加速度計技術以及由法國航空航天實驗室(Onera)開發的振動慣性加速度計概念研發，iXblue將其產業化。

4)硅微機電加速度計在體積、質量、功耗和成本方面綜合優勢明顯，在制導彈藥、機器人、汽車消費電子應用的牽引下，性能日益提升，工程產品精度可達0.1～1mg。特別在高g傳感和高分辨振動感應的細分應用領域中，微機電加速度計能夠充分發揮其優勢。

5)微光學加速度計、原子加速度計等新型加速度計正在逐步走出基礎科學實驗室，應用于更廣闊世界。iXblue公司提出了一種將寬帶寬和高動態測量范圍的機械式加速度計與基于冷原子干涉測量的高穩定性量子加速度計相結合的混合式加速度計。該混合式傳感器具有傳統加速度計的高動態范圍和高帶寬，以及量子加速度計的長期穩定性，在惡劣條件下具有良好的運行狀態，其精度可達10ng[29]。英國帝國理工學院開發了一種基于冷原子的加速度計，穩定性比傳統的高約1000倍，作為潛艇量子導航系統的一部分。

加速度計用材料方面，部分研究機構開始采用石墨烯制造加速度計。瑞典皇家理工學院的研究人員利用高導電納米材料石墨烯開發出了一款全球最小的加速度計，在可穿戴人體監測傳感器和導航技術領域開創突破性應用[30]。

6 慣性技術發展趨勢

目前，國外陀螺技術的發展階段如圖 2所示，國外加速度計技術的發展階段如圖 3所示。

展望未來，慣性技術呈現的發展趨勢如下：

1)精度作為慣性技術的核心指標，始終指引著陀螺、加速度計以及系統技術的發展，同時牽引相關前沿科學技術在慣性技術領域的應用。光學陀螺技術目前處于最成熟階段，未來其精度從戰術級、導航級逐漸延伸到戰略級。MEMS陀螺目前已在戰術級占據主導地位，后續在微納米技術和微加工藝等發展的推動下，精度將覆蓋導航級。在前沿科學技術的推動下，以原子陀螺為代表的新型慣性儀表將不斷涌現，技術成熟度持續提升，有望取得理論上的高精度。

2)慣性技術綜合性能日益提升，體現在體積減小、質量減小、功耗降低和成本降低。除精度指標之外，國外慣性技術日益追求體積、質量、功耗和成本的綜合性能優化。小型化、輕型、低功耗是國外慣性儀表的重要發展趨勢。

3)國外慣性技術公司依托核心技術，通過系列化產品滿足不同需求，力圖占領不同領域，擴大其市場份額。以半球諧振陀螺為例，賽峰公司根據陸地、海洋、天空環境的不同，不斷開發出不同的半球諧振陀螺慣性系統，包括尋北儀、陸用導航系統、船用導航系統、精確制導武器、航空導航系統、航天導航系統等，通過豐富產品線力圖占領不同領域，達到擴大市場份額的目的。

4)慣性儀表和系統的可靠性提高，環境適應性增強。以光學陀螺和半球諧振陀螺為代表，慣性儀表和系統的可靠性日益提高，光學陀螺慣導系統的平均無故障時間可達10萬h；半球諧振陀螺慣導系統的平均無故障時間甚至高達100萬h。同時，環境適應性不斷增強，MEMS慣導系統可承受20000g的沖擊；半球諧振陀螺慣導系統具備超寬的工作溫度范圍：-95℃～155℃。

5)新型慣性儀表不斷涌現和快速發展。在原子技術等前沿技術發展的推動下，在不依賴衛星導航的武器裝備需求牽引下，世界各主要國家和慣性技術研究機構大力投入發展新型慣性技術。預計在未來一段時期內，新型慣性儀表將不斷涌現，處于高速發展階段。

7 組織機構的發展變化

機構為研究服務，機構調整無疑彰顯研究態勢與動向，更是研究內容的需求，及時把握各機構發展變化也就十分必要[31-32]。2019年，Emcore公司以大約2580萬美元的價格收購了SDI公司，將雷錫恩公司、洛馬公司和波音777X項目添加到Emcore公司現有的導航系統產品組合中，擴大Emcore公司的導航系統產品組合，使航空和國防市場成為Emcore公司最大的收入來源。賽峰公司和Orolia宣布簽署戰略合作伙伴關系，為軍隊提供GPS拒止環境下最新的彈性定位、導航和授時(Resilient PNT，RPNT)解決方案，計劃重點包括導航戰、移動和固定PNT解決方案。三菱電機歐洲公司在德國分公司總部成立了一個高精度定位系統事業部，新部門為德國和歐洲客戶提供關鍵技術，加速引入厘米級自動駕駛和安全駕駛輔助方案。iXblue公司宣布任命Thomas Buret為其首席運營官，推動iXblue公司在海事應用、光子學和自主性等技術領域更快發展。2019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。

8 結束語

2019年，隨著現代科學技術的高速發展，在航空、航天、航海以及武器裝備需求牽引下，在現代物理學、計算機和電子技術、先進微加工藝技術聯合推動下，慣性技術受到世界各主要國家和研究機構的關注，取得了巨大的進步。

慣性技術關系到國家安全和國民經濟建設，屬于基礎性、戰略性和前沿性的軍民兩用高新技術，其發展一直受到國防和國民經濟建設重大需求的牽引，相關組織機構不斷推進結構調整、并購與重組，開展戰略合作，實力明顯增強。未來，慣性技術將持續受到世界各國的高度關注。