2022年国外惯性技术发展与回顾

2022年国外惯性技术发展与回顾

淦述荣1 ,陈少春1 ,高溥泽2 ,宋丽君3

1. 北京海鹰科技情报研究所,北京 100074;

2. 北京自动化控制设备研究所,北京 100074;

3. 西安建筑科技大学信息与控制工程学院,西安 710055

摘要:

惯性技术广泛应用于海、陆、空、天各种载体的导航、定位与控制。通过对2022年的IEEE 惯性传感器与系统会议、DGON 惯性传感器系统会议、MEMS国际会议和圣彼得堡组合导航会议 等惯性技术相关会议文献以及惯性技术领域相关机构披露的动态信息进行的详细梳理,总结了光 学陀螺、微机电(MEMS)陀螺、半球谐振陀螺(HRG)、加速度计以及新兴的量子惯性传感器等惯性 仪表及惯性导航系统(INS)的发展现状,并对惯性技术领域的发展趋势进行了分析与展望。当前, 惯性技术领域相关研究主要侧重于小型化、提高精度和降低成本等方面。其中,光学陀螺较为成 熟,更为侧重于小型化相关研究;微机电陀螺正在致力于向导航级性能突破和发展;半球谐振陀螺 主要着力于探索降低高端产品的制造成本。

0 引言

2022年是世界不平凡的一年。从2022年2月 24日至今,俄乌冲突到战争已经过去了一年多的时 间。这一年,不仅世界政治、经济格局发生了变化, 而且世界科技装备也有了突飞猛进的发展,尤其战 争的胶着,给各国国防装备的发展带来了重要的启 示,尤其是关系到战场装备的导航定位、稳姿定向 控制的核心惯性器件的应用适配和发展需求,也受 到极大的挑战和冲击。

战场电子战、网络对抗、星链及无人机群的凸 显,使 GPS在作战使用过程中极易受到干扰、压制 与屏蔽等多种影响,单一的 GPS导航已经难以满足 现代战争对于导航信息的需求。近年来,以美国为 代表的军事强国致力于发展多种可 替 代 PNT 技 术,通 过 大 量 引 入 各 类 自 主 导 航 信 息 源 来 补 充 GPS,增强其导航系统的战场应用性能精度和适应 可靠性。惯性技术是国家综合 PNT 体系的重要组 成部分,具 有 精 确 自 主 导 航、定 位,不 易 受 外 部 干 扰,适用范围广等优势,一直是军事强国竞相发展 的核心技术。惯性导航技术具有百年发展历史,基 于其完全自主、高精度和不易受干扰的特性,被广 泛应用 于 陆 海 空 天 关 键 军 事 与 民 用 领 域,成 为 GNSS之外最重要的 PNT 技术来源。

作为惯性导航系统的核心与基础,陀螺仪和加 速度计技 术 持 续 发 展,引 领 着 惯 性 产 品 的 更 新 换 代。传统的机电陀螺技术早已成熟,静电和三浮陀 螺主要应用于需要超高精度的战略平台,动调陀螺 主要应用于导航级和战术级平台惯导系统,由于具 有活动部件,复杂度和成本较高,机电陀螺的应用 领域在逐 渐 缩 小;国 外 激 光 陀 螺 技 术 已 经 非 常 成 熟,并已成为导航和战略级性能以及一些战术级性 能的标准。受既有市场使用情况和技术成熟度的 影响,激光陀螺在高端导航市场和应用中仍占据主 导地位;光纤陀螺(FOG)技术相对成熟,正朝着更 高精度和更小型化两个方向发展,并在空间导航、 平台稳定、导 弹 制 导 以 及 工 业 级 领 域 得 到 大 量 应 用,新兴光子纠缠光纤陀螺研究也在进行中;微机 电(MEMS)陀螺和加速度计具有高环境适应性、尺 寸小、质量小、功耗低和成本低 (低 SWaP-C)等 特 点,在工业级和军用战术级领域有着不错的市场份额,而且该技术正在向导航级性能突破和发展,目 前已出现导航级工程样机,预计未来将进入高端战 术级和导航级应用市场;半球谐振陀螺技术近年已 实现重大突破,其精度涵盖战术级、导航级和战略 级,随着赛峰集团实现半球谐振陀螺的工业化批生 产有效降低了成本,其应用范围已从传统的空间应 用和核潜艇等高端市场逐步拓展到了舰船、飞机、 火炮和战车等广阔领域,以明显的体积、成本优势 挑战着传统技术;原子陀螺和原子干涉仪等量子惯 性传感技术整体上仍处于工程化探索阶段,但量子 重力仪技术得到了较为快速的发展,市场上已出现 商业化产品原型;加速度计整体性能稳步提升,应 用领域不断拓展。摆式积分陀螺加速度计精度依 然稳居高位,但鉴于其体积和成本极大地限制了其 应用价值,石英摆式力平衡加速度计在近几年来由 应用市场推动了其性能精度、成本体积的不同程度 的提升,成为遍及多个领域、覆盖多个精度级别层 次的核心产品。其中,高抗过载能力的蓝宝石摆式 加速度计也在悄然兴起。同时,作为战略第三代的 硅振梁加速度计,因其精度、成本、体积、功耗的综 合性价比得到快速发展,已经进入工程应用阶段。

1 激光陀螺

激光陀螺基于Sagnac效应测量角速度,具有启 动快、动态特性好、标度因子稳定及环境适应性好 等特点。美国在20世纪70年代最先研制出工程样 机,80年代开始在武器系统中应用,目前技术已非 常成熟,最高工程化精度达到0.00015(°)/h [1],在 导航级和战略级应用中占据重要地位,在制导弹药 等战术级应用中也有大量应用。据2022年 Yole报 告数据显示,基于环形激光陀螺的系统2021年收入 市场份额为13.02亿美元,在高端惯性导航系统 市场中仍然占据主导地位。

国外关于激光陀螺技术的研究主要侧重于在 分析相关影响因素的基础上探索针对性地优化激 光陀螺的 性 能。2022 年,莫 斯 科 物 理 技 术 学 院 的 Y.Broslavets等人报告了其在非平面腔四频塞曼 激光陀螺仪上的最新研究成果,提出了一种通过最 优选择周界控制系统操作点来减少外部磁场影响 的方法,并分析了影响进一步提高测量精度的可能 性因素。莫斯科罗蒙诺索夫国立大学 G.Barant-sev等人提出了环形激光陀螺机械抖动装置的动态 弹性扭转的数学模型,并分析了其对捷联惯性导航 系统姿态确定精度的影响及其校准方法。谢尔 普霍夫工厂的 E. Petrukhin等人研究了衍射非互 易性对激光陀螺的影响,其模型实验结果表明其采 用的方法能够识别由衍射效应引起的变形幅度和 激光陀螺零位漂移。

总体来看,国外激光陀螺技术已非常成熟,技 术发展和产品升级的趋势明显变缓,但基于激光陀 螺的惯导系统仍然是国外武器装备导航系统的重 要选择之一。

2 光纤陀螺

小型化光纤陀螺开发方面,法国iXblue公司报告了 UmiX惯性测量单元中的光纤陀螺小型化技 术。干涉仪采用全新的直径127μm 的保偏老虎型 光纤,以外径约40mm 的紧凑四极光纤环圈实现了 3.5m2 的Sagnac面积(图1),角度随机游走(ARW) 为0.006(°)/h1/2,运行中零偏优于0.005(°)/h,变温 零偏 残 差 为 0.02 (°)/h,标 度 因 数 稳 定 性 优 于 40×10-6[10],该 公 司 还 采 用 瑞 利-光 频 域 反 射 (ROFDR)方法来表征光纤陀螺四极光纤环圈沿光纤 的纵向应变分布,可有效地揭示光纤环圈复杂热机 械行 为。俄 罗 斯 Fizoptika公 司 推 出 了 VG221 微小型光纤陀螺,其动态范围为400 (°)/s,零偏稳 定性为1 (°)/h,角度随机游走为0.05 (°)/h1/2,直 径33mm,质量15g,功耗0.3 W,该公司还在其紧 凑型单轴陀螺 VG221和三轴陀螺 G181基础上开 发了小型三轴光纤陀螺 G121,其尺寸为52 mm× 58 mm×37 mm,质 量 为 125g,零 偏 稳 定 性 为 3(°)/h,角随机游走为0.025(°)/h1/2。

图1 FOG40干涉仪:Sagnac面积3.5m2 的闭环光纤陀螺

在光纤陀螺惯性系统方面,国外主要厂商推出了 一系列SWaP(尺寸、质量和功耗)性能更优、结构更 紧凑的惯性系统产品。2022年,俄罗斯 Optolink公 司报道 了 其 小 型 光 纤 陀 螺 惯 性 测 量 单 元 (IMU) IMU200和IMU400的性能,其中,IMU200的 SWaP 性能为75mm×75mm×60mm、质量小于0.5kg、 功耗小于 等 于 6 W,陀 螺 角 度 随 机 游 走(ARW)为 0.015(°)/h1/2,陀螺零偏不稳定性(BI)为0.02(°)/h; IMU400的SWaP性能为80mm×95mm×62mm、 质量小于0.7kg、功耗小于等于7W,陀螺 ARW 为 0.007(°)/h1/2,陀螺 BI为0.01 (°)/h [12]。澳大利亚 AdvancedNavigation公司推出了新型数字光纤陀螺 (DFOG)惯 性 导 航 系 统 (INS)BoreasD70,其 尺 寸 (160mm×140mm×115.5mm)、质量(2.5kg)、功耗(12 W)和成本相较其他导航系统降低了40%左 右,可提供0.01 (°)/h的零偏不稳定性,0.01°的滚 转/俯仰精度和0.1°的航向精度。俄罗斯 Fizoptika 公司推出了微小型光纤陀螺惯性测量单元 U121D, 其动态范围为400(°)/s、ARW 为0.05(°)/h1/2、质 量为160g、功耗为1.5 W。美国 EMCORE公司推 出了 TAC-450系列小型光纤陀螺惯性测量单元, TAC-450系列 采 用 光 子 集 成 芯 片(PIC)技 术,包 括 TAC-450-360、-340和-320三型,其质量为0.7kg,陀螺 零偏稳定性为0.05(°)/h,ARW 为0.012(°)/h1/2, 可提供多种惯性级加速度计和磁力计选项。意大利 Civitanavi系统公司和美国霍尼韦尔公司合作开发了 HG2802高性能战术级光纤陀螺惯性测量单元,其动态 范围为900 (°)/s,在全温度范围内零偏重复性小于 1(°)/h,零偏稳定性为0.05(°)/h,ARW 为0.05(°)/ h1/2。美国惯性实验室推出了IMU-FI-200C小型光 纤陀螺惯性测量单元(图2),该系统经过全面校准、 温度补偿,具有低噪声和高可靠性,其陀螺零偏重复 性为0.5(°)/h、加速度计零偏重复性小于0.002g, 质量790g,功耗5.5W。

在光纤陀螺应用方面,2022年6月,康斯伯格 国防和航空航天公司已选择法国iXblue公司为新 建造的 U212CD 潜艇提供更强的导航能力,这些潜 艇将用于挪威和德国海军。新款 U212CD 潜艇由 蒂森克 虏 伯 船 舶 系 统 公 司 (TKMS)建 造,将 配 备 iXblueMarinsM8光纤陀螺惯性导航系统。

总体来看,国外光纤陀螺技术相对成熟,目前 主要发展方向是进一步提升综合性能和小型化两 个方面。同时,基于光纤陀螺的惯性导航系统应用 领域在不断拓展,已开始在无人系统、潜艇等领域有所应用。

3 微机电陀螺

微机电陀螺主要基于科里奥利效应,采用石英 或硅为敏感结构材料,利用微加工工艺技术,具有 高可靠性、低SWaP(体积、质量、功耗)、低成本及环 境适应性好等特点,美国在20世纪90年代开始实 现工程化应用,目前在战术级和工业级市场中得到 了广泛应用,其性能正持续向导航级精度发展。据 2022年 Yole报告数据显示,基于 MEMS陀螺的系 统2021年收入市场份额为7.1亿美元。

2022年,MEMS 陀螺的相关研究主要是侧重 于导航级高精度探索、降噪方法研究、制造工艺优 化、敏感结构及系统设计等方面。

在降噪方法研究方面,伊朗谢里夫理工大学的 J. Abbasi等人提出了一种采用自回归模型作为卡 尔曼滤波器的过程环节对 MEMS陀螺的长期误差 (低频分量)进行降噪的方法,静态测试结果显示该方法可使长期误差减少50% 。法国泰雷兹公司 的研究人员分析了硅蚀刻缺陷对 MEMS陀螺正交 误差的影响,并提出在确定 MEMS 陀螺仪尺寸时 应考量 弯 曲 梁 宽 度 变 化 以 避 免 产 生 较 高 的 正 交 误差。

在制造工艺优化方面,意法半导体公司开发了 用于制 造 高 性 能 惯 性 传 感 器 的 ThELMA-Double 微机械加工技术平台,通过使用多个独立的厚外延 多晶硅层制造结构和电气元件,可在不牺牲电气性 能和机 械 鲁 棒 性 的 前 提 下 缩 小 惯 性 传 感 器 的 尺 寸,同时采用 ThELMA-Double工艺制造了首款 6轴惯性测量单元原型,在电气性能和机械鲁棒性 方面均 有 提 升。美 国 加 州 大 学 欧 文 分 校 的 D. Vatanparvar等人提出采用飞秒激光诱导化学蚀刻 (FLICE)工艺来进行电容式 MEMS谐振器的数字 化制造,同时实现了宽高比高达 55∶1 的 通 道 和 0.6M 量级的高品质因子,其研究结果表明 FLICE 工艺有可能成为传统等离子体刻蚀技术的替代方 案,用以实现具有超高电容转导的高品质因子熔融 石英 MEMS谐振器。

在敏感结构及系统设计方面,日本东北大学的 研究人员开发了一种具有独立调谐振频率和品质 因子能力的三质量谐振器(TMR),其品质因子可调 谐19%,而谐振频率变化仅为162×10-6。该研 究团队还开发了一种采用(100)单晶硅制造的新型 模 式 匹 配 多 环 盘 谐 振 器,其 频 率 失 配 仅 为 0.14% ,并针对该多环谐振器提出了一种基于热 弹性耗散的品质因子微调方法,可独立地调整两个 正交模态的品质因子。剑桥大学的 M. Parajuli 等人设计了一种品质因子高达100万的四叶悬架系 统硅 MEMS陀螺(图4),在使用静电频率调谐实现 模态匹配后测得的角度随机游走为0.01 (°)/h1/2、 零偏不稳定性为0.34(°)/h 。

MEMS陀螺惯性系统方面,国外主要厂商推出 了一系列小型化、高精度惯性系统产品。2022年,法国SBGSystems公司推出了其首款战术级微型 惯性测量单元 Pulse-40(图5),采用独特的冗余设 计可在缩小器件尺寸的同时将性能水平推至最大。通过将该惯性测量单元与多波段 RTK GNSS接收 器相结合,SBG Systems公司推出了 QuantaPlus 微小型惯性导航系统,该产品外形尺寸 50 mm× 37mm×23 mm,质量38g,俯仰精度为0.015°,航 向精度为0.035°,定位精度为1cm,即使在最恶劣 的 GNSS环境中也能获得可靠的位置和姿态。美 国惯性实验室推出了战术级 MEMS惯性测量单元 Kernel-210和 Kernel-220,两者都是IMU-P战术单元 的小型化版本,其陀螺零偏稳定性为1(°)/h、加速度 计零偏稳定性为0.005mg。意法半导体推出了高性 能6轴 MEMS惯性测量单元 LSM6DSV16X,实现了 650μA下的低功耗运行和2.8mdps/Hz1/2的极低陀 螺仪噪声水平。日本TDK公司推出了InvenSense ICM-45xxx系列6轴 MEMS运动传感器,采用片上 自校准和其首创的BalancedGyroTM 技术,允许在芯片 上进行灵敏度校准,使陀螺仪精度寿命提高10倍, 并显著节省了工厂校准的工作量和成本。意大利 Civitanavi系 统 公 司 推 出 了 基 于 GNSS 和 4 个 MEMS惯性测量单元的高精度 MIMU-M 惯性导 航系统,其飞行测试结果表明在 GNSS辅助下姿态 误差(RMS)小于0.2°、真实航向精度漂移为1 (°)/ 10min 。

MEMS陀 螺 应 用 方 面,2022 年 3 月,英 国 SiliconSensing公司的 AMU30MEMS惯性测量单 元被集成到五月花号自主船(MAS)为其跨大西洋 航行提供海上通用导航能力。5月,美国 EMCORE 公司获得一家主要国际武器系统制造商为精确制 导弹药提供多个SDI170MEMS惯性测量单元的初 始合同。SDI170将被整合到一个制导系统中,以提高通用弹药的精度并将其转换为智能武器系统。5 月,EMCORE公司获得一份价值约2100万美元的 10年期生产合同,为先进井筒测量设备提供定制 MEMS陀螺。9月,澳大利亚 AdvancedNavigation 公司的 双 天 线 GNSS 辅 助 MEMS 惯 性 导 航 系 统 CertusEvo被 Dynetics公司选中用于其承研的无 人机回收项目。CertusEvo可提供接近光纤陀螺的 性能,结合 MEMS传感器的可靠性,其滚动和俯仰精 度为0.03°,航向精度为0.05°,定位精度为10mm。10月,英国BAE系统公司在为瑞典国防物资管理局 (FMV)升级 CV90履带车辆车队的项目中,选择了 AdvancedNavigation公司的 Motus惯性导航系统。该系统采用高精度的 MEMS陀螺和加速度计,其陀 螺零偏不稳定性为0.02 (°)/h,滚动和俯仰精度为 0.05°,航向精度为0.8°。

4 半球谐振陀螺

半球谐振陀螺是一种高性能的科里奥利振动 陀螺,具有精度高、SWaP 低、可靠性高、抗辐射、使 用寿命长和环境适应性强等特点。目前,美国诺格 和法国赛 峰 HRG 技 术 水 平 领 先,最 高 精 度 达 到 0.0001(°)/h 。美国从20世纪90年代实现了 高精度 HRG 的空间领域应用,俄罗斯在2000年后 实现了导航级以上 HRG 的装备和空间应用,法国 赛峰集团在2010年后实现技术和批生产能力突破, 采用全角控制方式,以大量程、更低成本和 SWaP, 将 HRG 的应用领域大幅拓宽,开发了多种海、陆、 空、天领域应用的惯导系统。据2022年 Yole报告 数据显示,基于半球谐振陀螺的系统2021年收入市 场份额为1.72亿美元。

2022年国外半球谐振陀螺研究主要侧重于产 品开发、微半球谐振陀螺设计制造和半球谐振陀螺 性能优化。

在半球谐振陀螺产品开发方面,InnaLabs公司 和欧洲航天局报告了其耐辐射的三轴科里奥利振 动陀螺 ARIETIS-NS的测试结果,其零偏不稳定性 优于0.1(°)/h、角度随机游走优于0.005 (°)/h1/2、 质量为1.2kg、功耗小于7W,已在太空中无故障地 累计运行超过250万小时[29]。在微半球谐振陀螺设计制造方面,加州大学欧 文分校的研究人员开发了一种采用三叠层晶片键 合和高温微抛光工艺实现熔融石英双壳层结构的 制造工艺,制造并演示了品质因数高达183万、振幅衰减时间为120s的熔融石英双壳谐振器原型。该团队还开发了一种集成于平面电极基板的熔融 石英双壳陀螺(图6),该陀螺在n=2和n=3模态 下分别实现了0.03和0.083(°)/h1/2的角度随机游 走以及0.4和0.75(°)/h的零偏不稳定性。

           在半球谐振陀螺性能优化方面,加州大学欧文 分校的研究人员分析了金属化镀膜对熔融石英双 壳微半球谐振陀螺性能的影响,确定了 Cr膜的最 佳厚度以实现最小的品质因数损失。该研究团 队还分析了熔融石英双壳陀螺几何结构对能量损 失 的 影 响。萨 拉 托 夫 国 立 技 术 大 学 的 R. Ermakov等人针对半球谐振陀螺建立了一个考虑 各种外部干扰影响的误差模型,可评估振动对基于 半球谐振陀螺的测量设备读数的影响。

在系统和应用方面,法国赛峰集团将 HRGCrystalTM 半球谐振陀螺与导航级 MEMS闭环加速度计配 合,设计出紧凑的IMU,其尺寸6cm×9cm×9cm, 质量430g,功耗小于5 W。将该IMU 安装在 GeonyxTM 惯性导航系统的底座上,进行了寻北、机载 导航和陆地导航试验验证,实现了导航级性能,这 将进一步提升赛峰导航级 HRG 惯性系统的SWaPC优势。2022年6月,空中客车直升机公司已选 择赛峰电子与防务公司为未来的 H160M Guépard 直升机配备SkyNaute超紧凑型惯性/GNSS组合导 航系统(图7),该导航系统采用半球谐振陀螺 HRG CrystalTM ,实现了超高可靠性和较好的SWaP(3L/ 3kg/20 W)。      

5 量子惯性传感器

量子惯性传感器整体上还处于实验研究和初 步工程化探索阶段。其中,作为自旋转子的核磁共 振原子和瑟夫原子陀螺已经进入工程化探索阶段,而波动干涉型原子陀螺还处于原理实验研究阶段。但是,量子重力仪近年来发展迅速,目前正逐步走 向商业化、实用化阶段。

 在自旋型原子陀螺方面,2022年,美国威斯康 方 大学研究了核磁共振陀螺的混合 PM-PDM 调制 国 法,获得 mHz级的转动灵敏度。德国、波兰、美 多家单位合作研究了原子自旋陀螺的极化动力 学,提出了一种补偿磁场闭环控制的新方法,通过 该方法优化工作参数,系统与以前最好的联合磁强 计相比具有相当的灵敏度,而惰性气体密度降低到 1/4,实现的陀螺灵敏度为0.5μrads-1/Hz1/2,等效 磁场灵敏度为2.5fT/ Hz1/2。韩国防务发展局 研制了原子自旋陀螺气室的制作系统,研究了气室 制作工艺,测试了制作气室的 Xe同位素横弛豫时 间和信噪比,预期在1Hz重复率下实现陀螺角度随 机游 走 0.062 (°)/h1/2。俄 罗 斯 ConcernCSRI Elektropribor,JSC研究中心对核磁共振陀螺的零 偏补偿进行了实验研究,通过品质因子估算方法有 效提升了陀螺精度。该机构还研究了微小型核 磁共振陀螺气室的设计和制作工艺,通过理论设计 和实验验证以实现陀螺角度随机游走的最优化。

在冷原子干涉陀螺方面,2022年,美国弗吉尼亚 大学改进了基于玻色凝聚原子的双 Sagnac干涉仪, 其转动灵敏度的散粒噪声极限可达6×10-7rad/s。法国巴黎天文台等单位研制了高稳定双轴冷原子 陀螺仪 SYRTE,其 凭 借 11cm2 的 大 物 理 面 积 和 800ms的长采集时间,灵敏度和稳定 性 达 到 3× 10-10rad·s-1。

在冷原子惯性导航系统方面,巴黎萨克雷大学 的J.Bernard等人研制了机载应用的冷原子惯性 测量单元,其方案是用单一的原子干涉传感器交替测量三向加速度和三向旋转,每向量子测量都与经 典惯性传感器结合互补,以提供高动态的精确连续 测量。

在冷原子重力仪方面,2022年,伯明翰大学的 BenStray等人研制了一款类似沙漏构造的冷原子重 力梯度仪,实现统计不确定性20E(1E=10-9/s2),等 效每个重力仪不确定性1.4ng,性能与其他商用产品 相比提高了1.5~4倍,在户外实验中以信噪比8成 功检测出路面下约0.5m 的截面尺寸2m×2m的隧 道。法国航空航天研究院和巴黎萨克雷大学的 A.Bonnin等人研制了绝对冷原子海洋航空重力仪 GIRAFE,其稳定性和重复性在海上测量中达到几 个0.1×10-5 m·s-2,在 空 中 测 量 达 到 几 个 1× 10-5 m·s-2。2022年5月,法国iXblue公司推 出了世界上第一台工业级紧凑便携式差分量子重 力仪(DQG)(图8),该 DQG 原型机具有优于 1E (即10-9/s2)的高分辨率,可同时测量重力加速度 及其垂直梯度的绝对值。7月,iXblue公司与美国 国家地质和火山研究所合作,使用量子重力仪对埃 特纳火山引起的重力变化进行监测。该仪器可在 其他技术无法使用的情况下,依旧提供高品质的监 测数据。

6 加速度计

加速度计是与陀螺仪匹配的另一种核心惯性 器件,当前工程应用的主要加速度计包括摆式积分 陀螺加速度计、挠性摆式加速度计以及 MEMS 谐 振式加速度计等。其中,目前战略级应用的是摆式 积分陀螺加速度计;挠性摆式加速度计则是导航级 和战术级应用的主流产品;MEMS谐振式加速度计包括石英振梁加速度计和硅谐振加速度计,是近年 快速发展的热点技术,在工业级和战术级领域已广 泛应用,其 中 石 英 振 梁 加 速 度 计 已 实 现 导 航 级 精 度,未来有望进入导航级与战略级应用领域。

2022年,国外相关研究机构和厂商持续致力于 提升加速度计综合性能,主要侧重于新型加速度计 的研发、MEMS加速度计产品的研发、MEMS加速 度计性能提升研究及应用领域的拓展等。

在新型加速度计开发方面,伊斯法罕大学的 M. Rahimi等人开发了一种基于法布里-珀罗(FP)微腔 的差分微光机电系统(MOEMS)加速度计,在±1g 范围内具有良好的线性响应,静态表征中的光学灵敏 度和分辨率分别为6.52nm/g 和153μg 。Exail集 团(前身为iXblue)发布了在iXAtom 联合实验室开发 的第一款三轴量子传感器,能够在3个维度、任何方 向上连续跟踪并测量加速度。该传感器以传统传感 器的速率(带宽1kHz)提供连续信号,但借助基于量 子测量提供的原位和实时校准使其精度提高了50倍 (6×10-8g)。英国 Teledynee2v公司在两个低 轨小卫星大气密度测量任务 CASPA-ADM 和 QACE的牵引下,正在研制紧凑型冷原子加速度计, 其目标灵敏度为2.3×10-8 m/s2/Hz1/2。

在 MEMS加速度计产品开发方面,美国霍尼韦 尔公司推出了高性能、高可靠性的硅 MEMS加速度 计 MV60,该传感器安装在1.085平方英寸(1平方英 寸=645.16mm2)的电路板上,质量6.5g,功耗小于 45mW,可承受5000g 的冲击,并具有大于300Hz 的带宽,60g 的量程,0.2~1mg的年零偏重复性和 30×10-6 ~75×10-6 的 标 度 因 子 重 复 性。美 国 SiliconDesigns 公 司 推 出 了 1527 型 系 列 战 术 级 MEMS 加 速 度 计,其 零 偏 重 复 性 优 于2mg,质 量 0.68g,功耗33mW,特别适合于需要低功耗、低噪 声、在大温度变化范围和辐射暴露环境下长期可靠运 行的空间应用。在1527型 MEMS加速度计芯片和 专有电子器件集成基础上,SiliconDesigns公司开发 了2290型系列高精度单轴 MEMS直流校准参考加 速度计,具有超低噪声性能和惯性级稳定性,可用于 在端到端校准和相关性能验证期间确定未知 MEMS 直流加速度计的灵敏度和频率响应特性。

在 MEMS加速度计性能提升研究方面,美国 EMCORE公司开发了一种新的温度校准方法可使 其高精度石英 MEMS加速度计获得高端导航级性 能,该加速度计的常温零偏不稳定性为30ng,常规校准后全温零偏为25μg,在采用多谐振模态运行机 制和自校准算法后全温零偏优于2μg 。法国泰 雷兹公司为其导航级 MEMS谐振加速度计开发和 优化了低噪声混合信号专用集成电路(ASIC),使加 速 度 计 零 偏 不 稳 定 性 达 到 0.3μg,噪 声 达 到 1μg/Hz1/2的白噪声水平。法国格勒诺布尔-阿 尔卑斯大学的 T. Miani等人通过采用增强晶圆级 封装改善了其基于纳米谐振器的谐振加速度计性 能,改进后的加速度计可在近1kHz的大带宽范围 内达到1.75μg/Hz1/2 的噪声水平。日本东芝公 司开发了一种带有 T 形电极的 MEMS差分谐振加 速度计,具有7.9μg 的零偏不稳定性和134dB 的 高动态 范 围。英 国 剑 桥 大 学 的 G. SobrevielaFalces等人开发了一种导航级差分 MEMS振梁加 速度计,在10s积分时间内的运行零偏不稳定性为 0.123μg,速度随机游走为0.7μg/Hz1/2。  

在应用拓展方面,赛峰电子与防务公司报道了 其基于硅 MEMS加速度计的高端惯性导航的性能 演示结果。赛峰子公司赛峰传感技术瑞士公司(原 赛峰 Colibrys)在2020年实现了导航级硅 MEMS 加速度计及批生产能力,零偏和标度因子分别达到 30μg 和30ppm。目前,该加速度计与 HRGCrystalTM 半球谐振陀螺配合设计成新的惯性导航系统, 并进行了试验验证,结果表明其与当前应用的挠性 摆式速度计具有相同的导航性能。以色列物理 逻辑公司推出了一种面向能源市场应用的耐高温 闭环 MEMS加速度计,在其 MAXL-CL-3000系列 MEMS芯片设计的基础上进行了改进,可在125~ 150℃的高温环境下保持低至500μg 的长期零偏重 复性和400×10-6 的 长 期 标 度 因 数 重 复 性。法 国 iXblue公司报告了对其小型导航级石英振梁加速 度计在空间应用方面的改进,主要是侧重于针对电 路的升级使其符合空间应用的需求。  

7 组织机构的发展变化

2022年,各组织机构也在不断推进结构调整、 融资与并购以加快技术发展和市场整合步伐,使其 规模实力显著增强,发展质量显著提升。澳大利亚 AdvancedNavigation公司完成了 B 轮6800万美 元融资以加快推广其光纤陀螺技术和产品的应用。意大利 Civitanavi公司在泛欧交易所以4000万欧 元IPO 上市融资支持加快光纤陀螺业务发展。初 创企业 ZeroPointMotion融资340万美元用以进一步开发基于微谐振器环形技术的光子集成光纤 陀螺。美国 EMCORE公司以约500万美元的全现 金交易方式完成了对 L3Harris公司空间和导航业 务的收购。此次收购使 EMCORE公司在获得环形 激光陀螺技术的同时,将光纤陀螺产品组合扩展到 战略级应用,并进入太空市场。EMCORE 公司还 收购了 KVH 公司的惯性导航业务,在获得光子芯 片集成光纤陀螺技术的同时,拓展了陆军和各种地 面应用客户群体,并在不断增长的工业自主市场中 开辟了新机遇。法国 GroupeGorgé集团收购了法 国导航公司iXblue,并将其与此前收购的 ECA 集 团合并到新的联合品牌 Exail下运营,两者合并后 将可为客户提供从组件到复杂系统的完整海军系 统和子系统,并进一步扩大了市场覆盖范围和客户 群体。法国赛峰集团完成对法国 Orolia公司的正 式收购,通过将 Orolia的精确时间参考技术与其成 熟的惯性导航解决方案结合在一起,将能够提供一 套完整弹性 PNT 架构和设备,以满足航空、国防、 太空和交通运输等领域的导航需求。同时,赛峰集 团还将子公司 Colibrys(瑞士)和Sensonor(挪威)合 并为赛峰传感技术公司以整合其微传感器业务,进 一步加强其在弹性 PNT 解决方案市场中的地位。

8 展望

惯性技术经过百余年的发展,已形成内涵丰富 的技术体系,惯性技术在向更高性能水平突破,同 时向低SWaP-C的方向发展,呈现出多层次竞争发 展的态势,相关技术在取得进步和拓展市场的同时 也在面临竞争与更新换代,新技术将不断发展并推 动市场格局发生新的变化。

国外陀螺技术的发展趋势如图9所示。激光 陀螺技术已经成熟,随着光纤陀螺和半球谐振陀螺 技术的发展,其现有的市场主导地位将受到挑战; 光纤陀螺技术相对较为成熟,仍在向进一步提高精 度与小型化方向发展,同时拓展应用市场;半球谐 振陀螺将持续发展并趋于成熟,拓展导航级和战略 级应 用 市 场,以 明 显 的 SWaP-C 优 势 挑 战 传 统 技 术;MEMS陀螺在未来10年可能趋于成熟,性能也 将进一步提高,在中低战术级市场应用占据主导, 在高端战术级和导航级应用上也将开拓市场;光子 集成技术和量子技术处于起步和快速发展阶段,从 技术发展周期规律来看,可能要在2030年之后才能 初步成熟和工程化应用。

国外加速度计在军用和民用领域仍将朝着高 精度和低SWaP-C方向发展。在民用领域,低成本 的加速度计及惯性系统在制造业、新能源及交通等 领域得到了广泛的应用;在军用领域,高性能仍将 是研究机构和厂商致力发展的重点方向,MEMS加 速计性能稳步提升并有望拓展到导航级等更为广 阔的应用领域;微光学加速度计、原子加速度计等 新型加速度计的发展步伐正在加快,未来有望在更 高精度的场景中得到应用。

国外惯性导航系统主要向着高性能、低成本和 小型化方向发展,以分别满足战略武器的高精度需 求、各类常 规 武 器 和 平 台 的 高 动 态 与 高 可 靠 性 需 求、民用市场的低成本与高可靠性需求。基于军用 领域对惯性导航系统的高可靠性的更高要求,国外 正在积极探索以惯性导航系统为核心的多源融合 导航技术,美国霍尼韦尔公司已于2022年4月成功 验证了以视觉、天体和磁异常辅助惯性导航系统的 高可靠性、高性能替代性导航解决方案,未来以惯 性导航系统为核心的多源融合导航技术将有望实 现更为快速的发展和更为广泛的应用。

（原文有删减）

【作者简介】淦述荣(1986-),男,硕士,高级工程师,主要从事惯性与导航技术方面的研究。

来源：导航定位与授时

转自：“测绘学术资讯”微信公众号

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