2022年國外慣性技術發展與回顧

淦述榮, 陳少春, 高溥澤, 宋麗君

(1.北京海鷹科技情報研究所, 北京 100074;2.北京自動化控制設備研究所, 北京 100074;3.西安建筑科技大學信息與控制工程學院, 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,俄烏沖突到戰爭已經過去了一年多的時間。這一年,不僅世界政治、經濟格局發生了變化,而且世界科技裝備也有了突飛猛進的發展,尤其戰爭的膠著,給各國國防裝備的發展帶來了重要的啟示,尤其是關系到戰場裝備的導航定位、穩姿定向控制的核心慣性器件的應用適配和發展需求,也受到極大的挑戰和沖擊。

戰場電子戰、網絡對抗、星鏈及無人機群的凸顯,使GPS在作戰使用過程中極易受到干擾、壓制與屏蔽等多種影響,單一的GPS導航已經難以滿足現代戰爭對于導航信息的需求。近年來,以美國為代表的軍事強國致力于發展多種可替代PNT技術,通過大量引入各類自主導航信息源來補充GPS,增強其導航系統的戰場應用性能精度和適應可靠性。慣性技術是國家綜合PNT體系的重要組成部分,具有精確自主導航、定位,不易受外部干擾,適用范圍廣等優勢,一直是軍事強國競相發展的核心技術。慣性導航技術具有百年發展歷史,基于其完全自主、高精度和不易受干擾的特性,被廣泛應用于陸海空天關鍵軍事與民用領域,成為GNSS之外最重要的PNT技術來源。

作為慣性導航系統的核心與基礎,陀螺儀和加速度計技術持續發展,引領著慣性產品的更新換代。傳統的機電陀螺技術早已成熟,靜電和三浮陀螺主要應用于需要超高精度的戰略平臺,動調陀螺主要應用于導航級和戰術級平臺慣導系統,由于具有活動部件,復雜度和成本較高,機電陀螺的應用領域在逐漸縮小;國外激光陀螺技術已經非常成熟,并已成為導航和戰略級性能以及一些戰術級性能的標準。受既有市場使用情況和技術成熟度的影響,激光陀螺在高端導航市場和應用中仍占據主導地位;光纖陀螺(FOG)技術相對成熟,正朝著更高精度和更小型化兩個方向發展,并在空間導航、平臺穩定、導彈制導以及工業級領域得到大量應用,新興光子糾纏光纖陀螺研究也在進行中;微機電(MEMS)陀螺和加速度計具有高環境適應性、尺寸小、質量小、功耗低和成本低(低SWaP-C)等特點,在工業級和軍用戰術級領域有著不錯的市場份額,而且該技術正在向導航級性能突破和發展,目前已出現導航級工程樣機,預計未來將進入高端戰術級和導航級應用市場;半球諧振陀螺技術近年已實現重大突破,其精度涵蓋戰術級、導航級和戰略級,隨著賽峰集團實現半球諧振陀螺的工業化批生產有效降低了成本,其應用范圍已從傳統的空間應用和核潛艇等高端市場逐步拓展到了艦船、飛機、火炮和戰車等廣闊領域,以明顯的體積、成本優勢挑戰著傳統技術;原子陀螺和原子干涉儀等量子慣性傳感技術整體上仍處于工程化探索階段,但量子重力儀技術得到了較為快速的發展,市場上已出現商業化產品原型;加速度計整體性能穩步提升,應用領域不斷拓展。擺式積分陀螺加速度計精度依然穩居高位,但鑒于其體積和成本極大地限制了其應用價值,石英擺式力平衡加速度計在近幾年來由應用市場推動了其性能精度、成本體積的不同程度的提升,成為遍及多個領域、覆蓋多個精度級別層次的核心產品。其中,高抗過載能力的藍寶石擺式加速度計也在悄然興起。同時,作為戰略第三代的硅振梁加速度計,因其精度、成本、體積、功耗的綜合性價比得到快速發展,已經進入工程應用階段。

1 激光陀螺

激光陀螺基于Sagnac效應測量角速度,具有啟動快、動態特性好、標度因子穩定及環境適應性好等特點。美國在20世紀70年代最先研制出工程樣機,80年代開始在武器系統中應用,目前技術已非常成熟,最高工程化精度達到0.000 15(°)/h[1],在導航級和戰略級應用中占據重要地位,在制導彈藥等戰術級應用中也有大量應用。據2022年Yole報告數據顯示,基于環形激光陀螺的系統2021年收入市場份額為13.02億美元[2],在高端慣性導航系統市場中仍然占據主導地位。

國外關于激光陀螺技術的研究主要側重于在分析相關影響因素的基礎上探索針對性地優化激光陀螺的性能。2022年,莫斯科物理技術學院的Y. Broslavets等人報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,提出了一種通過最優選擇周界控制系統操作點來減少外部磁場影響的方法,并分析了影響進一步提高測量精度的可能性因素[3]。莫斯科羅蒙諾索夫國立大學G. Barantsev等人提出了環形激光陀螺機械抖動裝置的動態彈性扭轉的數學模型,并分析了其對捷聯慣性導航系統姿態確定精度的影響及其校準方法[4]。謝爾普霍夫工廠的E. Petrukhin等人研究了衍射非互易性對激光陀螺的影響,其模型實驗結果表明其采用的方法能夠識別由衍射效應引起的變形幅度和激光陀螺零位漂移[5]。

總體來看,國外激光陀螺技術已非常成熟,技術發展和產品升級的趨勢明顯變緩,但基于激光陀螺的慣導系統仍然是國外武器裝備導航系統的重要選擇之一。

2 光纖陀螺

光纖陀螺也基于Sagnec效應實現角速度的測量,具有全固態、低噪聲、高平均無故障工作時間、快速啟動及體積成本較低等特點,于20世紀90年代逐步進入工程應用,目前技術較為成熟,精度可達0.000 03 (°)/h[1],在導航級和戰略級應用中占據重要地位,在制導彈藥等戰術級應用中也有大量應用。據2022年Yole報告數據顯示,基于光纖陀螺的系統2021年收入市場份額為7.79億美元[2],市場份額僅次于激光陀螺。

2022年,國外光纖陀螺研究主要側重于探索提升信噪比、靈敏度等綜合性能以及開發小型化和芯片集成技術的光纖陀螺產品。

提升綜合性能方面,美國羅切斯特大學的M. Song等人將其開發的弱值放大技術應用于集成光學陀螺,可實現在不增加環形諧振器尺寸的情況下提高其信噪比和靈敏度[6]。日本東京工業大學的研究人員提出并通過實驗證明了使用對超輻射發光二極管驅動電流的直接反饋來抑制調制頻率及其三階諧波下的相對強度噪聲,可有效減小角度隨機游走,采用長度5 km、有效面積280 m2的光纖環圈,在40 h的測量時間內實現了15 μ(°)/h1/2的角度隨機游走和33 μ(°)/h的零偏不穩定性[7]。法國泰雷茲公司報告了利用光纖組件減少諧振式光纖陀螺(RFOG)中殘余幅度調制(RAM)的獨創技術,證明了調制頻率下的RAM峰值在光電二極管上可被完全抑制,并消除了RAM引起的鎖定點上的頻率漂移和零偏[8]。該團隊還分析了基于光子帶隙空芯光纖的RFOG環形腔的光傳輸損耗對波長的依賴性及其對RFOG性能的影響[9]。

小型化光纖陀螺開發方面,法國iXblue公司報告了UmiX慣性測量單元中的光纖陀螺小型化技術。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的緊湊四極光纖環圈實現了3.5 m2的Sagnac面積(圖1),角度隨機游走(ARW)為0.006 (°)/h1/2,運行中零偏優于0.005 (°)/h,變溫零偏殘差為0.02 (°)/h,標度因數穩定性優于40×10-6[10],該公司還采用瑞利-光頻域反射(R-OFDR)方法來表征光纖陀螺四極光纖環圈沿光纖的縱向應變分布,可有效地揭示光纖環圈復雜熱機械行為[11]。俄羅斯Fizoptika公司推出了VG221微小型光纖陀螺,其動態范圍為400 (°)/s,零偏穩定性為1 (°)/h,角度隨機游走為0.05 (°)/h1/2,直徑33 mm,質量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基礎上開發了小型三軸光纖陀螺G121,其尺寸為52 mm×58 mm×37 mm,質量為125 g,零偏穩定性為3 (°)/h,角隨機游走為0.025 (°)/h1/2。

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

在光纖陀螺慣性系統方面,國外主要廠商推出了一系列SWaP(尺寸、質量和功耗)性能更優、結構更緊湊的慣性系統產品。2022年,俄羅斯Optolink公司報道了其小型光纖陀螺慣性測量單元(IMU)IMU200和IMU400的性能,其中,IMU200的SWaP性能為75 mm×75 mm×60 mm、質量小于0.5 kg、功耗小于等于6 W,陀螺角度隨機游走(ARW)為0.015 (°)/h1/2,陀螺零偏不穩定性(BI)為0.02 (°)/h;IMU400的SWaP性能為80 mm×95 mm×62 mm、質量小于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公司推出了新型數字光纖陀螺(DFOG)慣性導航系統(INS)Boreas D70,其尺寸(160 mm×140 mm×115.5 mm)、質量(2.5 kg)、功耗(12 W)和成本相較其他導航系統降低了40%左右,可提供0.01 (°)/h的零偏不穩定性,0.01°的滾轉/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量單元U121D,其動態范圍為400 (°)/s、ARW為0.05 (°)/h1/2、質量為160 g、功耗為1.5 W。美國EMCORE公司推出了TAC-450系列小型光纖陀螺慣性測量單元,TAC-450系列采用光子集成芯片(PIC)技術,包括TAC-450-360、-340和-320三型,其質量為0.7 kg,陀螺零偏穩定性為0.05 (°)/h,ARW為0.012 (°)/h1/2,可提供多種慣性級加速度計和磁力計選項。意大利Civitanavi系統公司和美國霍尼韋爾公司合作開發了HG2802高性能戰術級光纖陀螺慣性測量單元,其動態范圍為900 (°)/s,在全溫度范圍內零偏重復性小于1 (°)/h,零偏穩定性為0.05 (°)/h,ARW為0.05 (°)/h1/2。美國慣性實驗室推出了IMU-FI-200C小型光纖陀螺慣性測量單元(圖2),該系統經過全面校準、溫度補償,具有低噪聲和高可靠性,其陀螺零偏重復性為0.5 (°)/h、加速度計零偏重復性小于0.002g,質量790 g,功耗5.5W。

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

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

總體來看,國外光纖陀螺技術相對成熟,目前主要發展方向是進一步提升綜合性能和小型化兩個方面。同時,基于光纖陀螺的慣性導航系統應用領域在不斷拓展,已開始在無人系統、潛艇等領域有所應用。

3 微機電陀螺

微機電陀螺主要基于科里奧利效應,采用石英或硅為敏感結構材料,利用微加工工藝技術,具有高可靠性、低SWaP(體積、質量、功耗)、低成本及環境適應性好等特點,美國在20世紀90年代開始實現工程化應用,目前在戰術級和工業級市場中得到了廣泛應用,其性能正持續向導航級精度發展。據2022年Yole報告數據顯示,基于MEMS陀螺的系統2021年收入市場份額為7.1億美元[2]。

2022年,MEMS陀螺的相關研究主要是側重于導航級高精度探索、降噪方法研究、制造工藝優化、敏感結構及系統設計等方面。

在面向導航級高精度探索方面,法國賽峰電子與防務公司介紹了其硅MEMS陀螺的設計和性能測試,采用軸對稱雙質量塊和完全平衡的陀螺模式,具有量程1 000 (°)/s,室溫下零偏不穩定性0.007 (°)/h,全溫下零偏誤差0.1 (°)/h,標度因子誤差小于20×10-6的近導航級性能[13]。法國航空航天實驗室(ONERA)的研究人員開發了一種面向導航應用的新型軸對稱石英MEMS陀螺儀GYTRIX(圖3),其角度隨機游走達0.003 (°)/h1/2,零偏穩定性優于0.1 (°)/h[14]。米蘭理工大學的A. Buffoli等人開發了一種基于壓阻式納米微機電傳感(NEMS)的近導航級陀螺,其敏感結構面積僅1.3 mm2,噪聲0.005 (°)/h1/2,零偏不穩定性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程環節對MEMS陀螺的長期誤差(低頻分量)進行降噪的方法,靜態測試結果顯示該方法可使長期誤差減少50%[16]。法國泰雷茲公司的研究人員分析了硅蝕刻缺陷對MEMS陀螺正交誤差的影響,并提出在確定MEMS陀螺儀尺寸時應考量彎曲梁寬度變化以避免產生較高的正交誤差[17]。

在制造工藝優化方面,意法半導體公司開發了用于制造高性能慣性傳感器的ThELMA-Double微機械加工技術平臺,通過使用多個獨立的厚外延多晶硅層制造結構和電氣元件,可在不犧牲電氣性能和機械魯棒性的前提下縮小慣性傳感器的尺寸[18],同時采用ThELMA-Double工藝制造了首款6軸慣性測量單元原型,在電氣性能和機械魯棒性方面均有提升[19]。美國加州大學歐文分校的D. Vatanparvar等人提出采用飛秒激光誘導化學蝕刻(FLICE)工藝來進行電容式MEMS諧振器的數字化制造,同時實現了寬高比高達55∶1的通道和0.6 M量級的高品質因子,其研究結果表明FLICE工藝有可能成為傳統等離子體刻蝕技術的替代方案,用以實現具有超高電容轉導的高品質因子熔融石英MEMS諧振器[20]。

在敏感結構及系統設計方面,日本東北大學的研究人員開發了一種具有獨立調諧振頻率和品質因子能力的三質量諧振器(TMR),其品質因子可調諧19%,而諧振頻率變化僅為162×10-6[21]。該研究團隊還開發了一種采用(100)單晶硅制造的新型模式匹配多環盤諧振器,其頻率失配僅為0.14%[22],并針對該多環諧振器提出了一種基于熱彈性耗散的品質因子微調方法,可獨立地調整兩個正交模態的品質因子[23]。劍橋大學的M. Parajuli等人設計了一種品質因子高達100萬的四葉懸架系統硅MEMS陀螺(圖4),在使用靜電頻率調諧實現模態匹配后測得的角度隨機游走為0.01 (°)/h1/2、零偏不穩定性為0.34 (°)/h[24]。

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

MEMS陀螺慣性系統方面,國外主要廠商推出了一系列小型化、高精度慣性系統產品。2022年,法國SBG Systems公司推出了其首款戰術級微型慣性測量單元Pulse-40(圖5),采用獨特的冗余設計可在縮小器件尺寸的同時將性能水平推至最大。通過將該慣性測量單元與多波段RTK GNSS接收器相結合,SBG Systems公司推出了Quanta Plus微小型慣性導航系統,該產品外形尺寸50 mm×37 mm×23 mm,質量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環境中也能獲得可靠的位置和姿態。美國慣性實驗室推出了戰術級MEMS慣性測量單元Kernel-210和Kernel-220,兩者都是IMU-P戰術單元的小型化版本,其陀螺零偏穩定性為1 (°)/h、加速度計零偏穩定性為0.005 mg。意法半導體推出了高性能6軸MEMS慣性測量單元LSM6DSV16X,實現了650 μA下的低功耗運行和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運動傳感器,采用片上自校準和其首創的BalancedGyroTM技術,允許在芯片上進行靈敏度校準,使陀螺儀精度壽命提高10倍,并顯著節省了工廠校準的工作量和成本。意大利Civitanavi系統公司推出了基于GNSS和4個MEMS慣性測量單元的高精度MIMU-M慣性導航系統,其飛行測試結果表明在GNSS輔助下姿態誤差(RMS)小于0.2°、真實航向精度漂移為1 (°)/10 min[26]。

圖5 Pulse-40慣性測量單元Fig.5 Pulse-40 inertial measurement unit

MEMS陀螺應用方面,2022年3月,英國Silicon Sensing公司的AMU30 MEMS慣性測量單元被集成到五月花號自主船(MAS)為其跨大西洋航行提供海上通用導航能力。5月,美國EMCORE公司獲得一家主要國際武器系統制造商為精確制導彈藥提供多個SDI170 MEMS慣性測量單元的初始合同。SDI170將被整合到一個制導系統中,以提高通用彈藥的精度并將其轉換為智能武器系統。5月,EMCORE公司獲得一份價值約2 100萬美元的10年期生產合同,為先進井筒測量設備提供定制MEMS陀螺。9月,澳大利亞Advanced Navigation公司的雙天線GNSS輔助MEMS慣性導航系統Certus Evo被Dynetics公司選中用于其承研的無人機回收項目。Certus Evo可提供接近光纖陀螺的性能,結合MEMS傳感器的可靠性,其滾動和俯仰精度為0.03°,航向精度為0.05°,定位精度為10 mm。10月,英國BAE系統公司在為瑞典國防物資管理局(FMV)升級CV90履帶車輛車隊的項目中,選擇了Advanced Navigation公司的Motus慣性導航系統。該系統采用高精度的MEMS陀螺和加速度計,其陀螺零偏不穩定性為0.02 (°)/h,滾動和俯仰精度為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陀螺,具有精度高、SWaP低、可靠性高、抗輻射、使用壽命長和環境適應性強等特點。目前,美國諾格和法國賽峰HRG技術水平領先,最高精度達到0.000 1 (°)/h[27-28]。美國從20世紀90年代實現了高精度HRG的空間領域應用,俄羅斯在2000年后實現了導航級以上HRG的裝備和空間應用,法國賽峰集團在2010年后實現技術和批生產能力突破,采用全角控制方式,以大量程、更低成本和SWaP,將HRG的應用領域大幅拓寬,開發了多種海、陸、空、天領域應用的慣導系統。據2022年Yole報告數據顯示,基于半球諧振陀螺的系統2021年收入市場份額為1.72億美元[2]。

2022年國外半球諧振陀螺研究主要側重于產品開發、微半球諧振陀螺設計制造和半球諧振陀螺性能優化。

在半球諧振陀螺產品開發方面,InnaLabs公司和歐洲航天局報告了其耐輻射的三軸科里奧利振動陀螺ARIETIS-NS的測試結果,其零偏不穩定性優于0.1 (°)/h、角度隨機游走優于0.005 (°)/h1/2、質量為1.2 kg、功耗小于7 W,已在太空中無故障地累計運行超過250萬小時[29]。

在微半球諧振陀螺設計制造方面,加州大學歐文分校的研究人員開發了一種采用三疊層晶片鍵合和高溫微拋光工藝實現熔融石英雙殼層結構的制造工藝,制造并演示了品質因數高達183萬、振幅衰減時間為120 s的熔融石英雙殼諧振器原型[30]。該團隊還開發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模態下分別實現了0.03和0.083 (°)/h1/2的角度隨機游走以及0.4和0.75 (°)/h的零偏不穩定性[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化方面,加州大學歐文分校的研究人員分析了金屬化鍍膜對熔融石英雙殼微半球諧振陀螺性能的影響,確定了Cr膜的最佳厚度以實現最小的品質因數損失[32]。該研究團隊還分析了熔融石英雙殼陀螺幾何結構對能量損失的影響[33]。薩拉托夫國立技術大學的R. Ermakov等人針對半球諧振陀螺建立了一個考慮各種外部干擾影響的誤差模型,可評估振動對基于半球諧振陀螺的測量設備讀數的影響[34]。

在系統和應用方面,法國賽峰集團將HRG CrystalTM半球諧振陀螺與導航級MEMS閉環加速度計配合,設計出緊湊的IMU,其尺寸6 cm×9 cm×9 cm,質量430 g,功耗小于5 W。將該IMU安裝在GeonyxTM慣性導航系統的底座上,進行了尋北、機載導航和陸地導航試驗驗證,實現了導航級性能,這將進一步提升賽峰導航級HRG慣性系統的SWaP-C優勢[35]。2022年6月,空中客車直升機公司已選擇賽峰電子與防務公司為未來的H160M Guépard直升機配備SkyNaute超緊湊型慣性/GNSS組合導航系統(圖7),該導航系統采用半球諧振陀螺HRG CrystalTM,實現了超高可靠性和較好的SWaP(3 L/3 kg/20 W)。

圖7 SkyNauteTM慣性/GNSS組合導航系統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驗研究和初步工程化探索階段。其中,作為自旋轉子的核磁共振原子和瑟夫原子陀螺已經進入工程化探索階段,而波動干涉型原子陀螺還處于原理實驗研究階段。但是,量子重力儀近年來發展迅速,目前正逐步走向商業化、實用化階段。

在自旋型原子陀螺方面,2022年,美國威斯康星大學研究了核磁共振陀螺的混合PM-PDM調制方法,獲得mHz級的轉動靈敏度。德國、波蘭、美國多家單位合作研究了原子自旋陀螺的極化動力學,提出了一種補償磁場閉環控制的新方法,通過該方法優化工作參數,系統與以前最好的聯合磁強計相比具有相當的靈敏度,而惰性氣體密度降低到1/4,實現的陀螺靈敏度為0.5 μrad s-1/Hz1/2,等效磁場靈敏度為2.5 fT/ Hz1/2[36]。韓國防務發展局研制了原子自旋陀螺氣室的制作系統,研究了氣室制作工藝,測試了制作氣室的Xe同位素橫弛豫時間和信噪比,預期在1Hz重復率下實現陀螺角度隨機游走0.062 (°)/h1/2[37]。俄羅斯Concern CSRI Elektropribor, JSC研究中心對核磁共振陀螺的零偏補償進行了實驗研究,通過品質因子估算方法有效提升了陀螺精度[38]。該機構還研究了微小型核磁共振陀螺氣室的設計和制作工藝,通過理論設計和實驗驗證以實現陀螺角度隨機游走的最優化。

在冷原子干涉陀螺方面,2022年,美國弗吉尼亞大學改進了基于玻色凝聚原子的雙Sagnac干涉儀,其轉動靈敏度的散粒噪聲極限可達6×10-7rad/s。法國巴黎天文臺等單位研制了高穩定雙軸冷原子陀螺儀SYRTE,其憑借11 cm2的大物理面積和800 ms的長采集時間,靈敏度和穩定性達到3×10-10rad·s-1[39]。

在冷原子慣性導航系統方面,巴黎薩克雷大學的J. Bernard等人研制了機載應用的冷原子慣性測量單元,其方案是用單一的原子干涉傳感器交替測量三向加速度和三向旋轉,每向量子測量都與經典慣性傳感器結合互補,以提供高動態的精確連續測量[40]。

在冷原子重力儀方面,2022年,伯明翰大學的Ben Stray等人研制了一款類似沙漏構造的冷原子重力梯度儀,實現統計不確定性20E(1E=10-9/s2),等效每個重力儀不確定性1.4 ng,性能與其他商用產品相比提高了1.5～4倍,在戶外實驗中以信噪比8成功檢測出路面下約0.5 m的截面尺寸2 m×2 m的隧道[41]。法國航空航天研究院和巴黎薩克雷大學的A. Bonnin等人研制了絕對冷原子海洋航空重力儀GIRAFE,其穩定性和重復性在海上測量中達到幾個0.1×10-5m·s-2,在空中測量達到幾個1×10-5m·s-2[42]。2022年5月,法國iXblue公司推出了世界上第一臺工業級緊湊便攜式差分量子重力儀(DQG)(圖8),該DQG原型機具有優于1 E(即10-9/s2)的高分辨率,可同時測量重力加速度及其垂直梯度的絕對值。7月,iXblue公司與美國國家地質和火山研究所合作,使用量子重力儀對埃特納火山引起的重力變化進行監測。該儀器可在其他技術無法使用的情況下,依舊提供高品質的監測數據。

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

6 加速度計

加速度計是與陀螺儀匹配的另一種核心慣性器件,當前工程應用的主要加速度計包括擺式積分陀螺加速度計、撓性擺式加速度計以及MEMS諧振式加速度計等。其中,目前戰略級應用的是擺式積分陀螺加速度計;撓性擺式加速度計則是導航級和戰術級應用的主流產品;MEMS諧振式加速度計包括石英振梁加速度計和硅諧振加速度計,是近年快速發展的熱點技術,在工業級和戰術級領域已廣泛應用,其中石英振梁加速度計已實現導航級精度,未來有望進入導航級與戰略級應用領域。

2022年,國外相關研究機構和廠商持續致力于提升加速度計綜合性能,主要側重于新型加速度計的研發、MEMS加速度計產品的研發、MEMS加速度計性能提升研究及應用領域的拓展等。

在新型加速度計開發方面,伊斯法罕大學的M. Rahimi等人開發了一種基于法布里-珀羅(FP)微腔的差分微光機電系統(MOEMS)加速度計,在±1g范圍內具有良好的線性響應,靜態表征中的光學靈敏度和分辨率分別為6.52nm/g和153μg[43]。Exail集團(前身為iXblue)發布了在iXAtom聯合實驗室開發的第一款三軸量子傳感器,能夠在3個維度、任何方向上連續跟蹤并測量加速度。該傳感器以傳統傳感器的速率(帶寬1 kHz)提供連續信號,但借助基于量子測量提供的原位和實時校準使其精度提高了50倍(6×10-8g)[44]。英國Teledyne e2v公司在兩個低軌小衛星大氣密度測量任務CASPA-ADM和Q-ACE的牽引下,正在研制緊湊型冷原子加速度計,其目標靈敏度為2.3×10-8m/s2/Hz1/2[45]。

在MEMS加速度計產品開發方面,美國霍尼韋爾公司推出了高性能、高可靠性的硅MEMS加速度計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的年零偏重復性和30×10-6～75×10-6的標度因子重復性。美國Silicon Designs公司推出了1527型系列戰術級MEMS加速度計,其零偏重復性優于2 mg,質量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境下長期可靠運行的空間應用。在1527型MEMS加速度計芯片和專有電子器件集成基礎上,Silicon Designs公司開發了2290型系列高精度單軸MEMS直流校準參考加速度計,具有超低噪聲性能和慣性級穩定性,可用于在端到端校準和相關性能驗證期間確定未知MEMS直流加速度計的靈敏度和頻率響應特性。

在MEMS加速度計性能提升研究方面,美國EMCORE公司開發了一種新的溫度校準方法可使其高精度石英MEMS加速度計獲得高端導航級性能,該加速度計的常溫零偏不穩定性為30ng,常規校準后全溫零偏為25μg,在采用多諧振模態運行機制和自校準算法后全溫零偏優于2μg[46]。法國泰雷茲公司為其導航級MEMS諧振加速度計開發和優化了低噪聲混合信號專用集成電路(ASIC),使加速度計零偏不穩定性達到0.3μg,噪聲達到1μg/Hz1/2的白噪聲水平[47]。法國格勒諾布爾-阿爾卑斯大學的T. Miani等人通過采用增強晶圓級封裝改善了其基于納米諧振器的諧振加速度計性能,改進后的加速度計可在近1 kHz的大帶寬范圍內達到1.75μg/Hz1/2的噪聲水平[48]。日本東芝公司開發了一種帶有T形電極的MEMS差分諧振加速度計,具有7.9μg的零偏不穩定性和134 dB的高動態范圍[49]。英國劍橋大學的G. Sobreviela-Falces等人開發了一種導航級差分MEMS振梁加速度計,在10 s積分時間內的運行零偏不穩定性為0.123μg,速度隨機游走為0.7μg/Hz1/2[50]。

在應用拓展方面,賽峰電子與防務公司報道了其基于硅MEMS加速度計的高端慣性導航的性能演示結果。賽峰子公司賽峰傳感技術瑞士公司(原賽峰Colibrys)在2020年實現了導航級硅MEMS加速度計及批生產能力,零偏和標度因子分別達到30μg和30 ppm。目前,該加速度計與HRG CrystalTM半球諧振陀螺配合設計成新的慣性導航系統,并進行了試驗驗證,結果表明其與當前應用的撓性擺式速度計具有相同的導航性能[35]。以色列物理邏輯公司推出了一種面向能源市場應用的耐高溫閉環MEMS加速度計,在其MAXL-CL-3000系列MEMS芯片設計的基礎上進行了改進,可在125～150 ℃的高溫環境下保持低至500μg的長期零偏重復性和400×10-6的長期標度因數重復性。法國iXblue公司報告了對其小型導航級石英振梁加速度計在空間應用方面的改進,主要是側重于針對電路的升級使其符合空間應用的需求[51]。

7 組織機構的發展變化

2022年,各組織機構也在不斷推進結構調整、融資與并購以加快技術發展和市場整合步伐,使其規模實力顯著增強,發展質量顯著提升。澳大利亞Advanced Navigation公司完成了B輪6 800萬美元融資以加快推廣其光纖陀螺技術和產品的應用。意大利Civitanavi公司在泛歐交易所以4 000萬歐元IPO上市融資支持加快光纖陀螺業務發展。初創企業Zero Point Motion融資340萬美元用以進一步開發基于微諧振器環形技術的光子集成光纖陀螺。美國EMCORE公司以約500萬美元的全現金交易方式完成了對L3Harris公司空間和導航業務的收購。此次收購使EMCORE公司在獲得環形激光陀螺技術的同時,將光纖陀螺產品組合擴展到戰略級應用,并進入太空市場。EMCORE公司還收購了KVH公司的慣性導航業務,在獲得光子芯片集成光纖陀螺技術的同時,拓展了陸軍和各種地面應用客戶群體,并在不斷增長的工業自主市場中開辟了新機遇。法國Groupe Gorgé集團收購了法國導航公司iXblue,并將其與此前收購的ECA集團合并到新的聯合品牌Exail下運營,兩者合并后將可為客戶提供從組件到復雜系統的完整海軍系統和子系統,并進一步擴大了市場覆蓋范圍和客戶群體。法國賽峰集團完成對法國Orolia公司的正式收購,通過將Orolia的精確時間參考技術與其成熟的慣性導航解決方案結合在一起,將能夠提供一套完整彈性PNT架構和設備,以滿足航空、國防、太空和交通運輸等領域的導航需求。同時,賽峰集團還將子公司Colibrys(瑞士)和Sensonor(挪威)合并為賽峰傳感技術公司以整合其微傳感器業務,進一步加強其在彈性PNT解決方案市場中的地位。

8 展望

慣性技術經過百余年的發展,已形成內涵豐富的技術體系,慣性技術在向更高性能水平突破,同時向低SWaP-C的方向發展,呈現出多層次競爭發展的態勢,相關技術在取得進步和拓展市場的同時也在面臨競爭與更新換代,新技術將不斷發展并推動市場格局發生新的變化。

國外陀螺技術的發展趨勢如圖9所示[2]。激光陀螺技術已經成熟,隨著光纖陀螺和半球諧振陀螺技術的發展,其現有的市場主導地位將受到挑戰;光纖陀螺技術相對較為成熟,仍在向進一步提高精度與小型化方向發展,同時拓展應用市場;半球諧振陀螺將持續發展并趨于成熟,拓展導航級和戰略級應用市場,以明顯的SWaP-C優勢挑戰傳統技術;MEMS陀螺在未來10年可能趨于成熟,性能也將進一步提高,在中低戰術級市場應用占據主導,在高端戰術級和導航級應用上也將開拓市場;光子集成技術和量子技術處于起步和快速發展階段,從技術發展周期規律來看,可能要在2030年之后才能初步成熟和工程化應用。

圖9 陀螺技術發展趨勢Fig.9 Development trend of gyroscope technology

國外加速度計在軍用和民用領域仍將朝著高精度和低SWaP-C方向發展。在民用領域,低成本的加速度計及慣性系統在制造業、新能源及交通等領域得到了廣泛的應用;在軍用領域,高性能仍將是研究機構和廠商致力發展的重點方向,MEMS加速計性能穩步提升并有望拓展到導航級等更為廣闊的應用領域;微光學加速度計、原子加速度計等新型加速度計的發展步伐正在加快,未來有望在更高精度的場景中得到應用。

國外慣性導航系統主要向著高性能、低成本和小型化方向發展,以分別滿足戰略武器的高精度需求、各類常規武器和平臺的高動態與高可靠性需求、民用市場的低成本與高可靠性需求。基于軍用領域對慣性導航系統的高可靠性的更高要求,國外正在積極探索以慣性導航系統為核心的多源融合導航技術,美國霍尼韋爾公司已于2022年4月成功驗證了以視覺、天體和磁異常輔助慣性導航系統的高可靠性、高性能替代性導航解決方案,未來以慣性導航系統為核心的多源融合導航技術將有望實現更為快速的發展和更為廣泛的應用。