2019年国外惯性技术发展与回顾

2020-02-18薛连莉沈玉芃

导航定位与授时 2020年1期

薛连莉，沈玉芃，徐月

(北京海鹰科技情报研究所，北京 100074)

0 引言

在信息化条件下，现代战争对导航的需求与日俱增，导航系统是武器装备不可或缺的重要组成部分。围绕导航系统的攻防博弈，美国首先提出导航战(Navigation Warfare，NAVWAR)概念，随后俄罗斯、欧洲各国、日本、印度等同样开始为导航战蓄力，导航领域逐渐成为军事竞争的战略要地。为了满足多样化的定位、导航与授时(Positioning, Navigation and Timing，PNT)需求，国外积极探索研究多种自主导航定位技术手段[1]。惯性技术不受外界干扰，完全利用自包含传感器从载体及其外部自然环境中感知的信息进行导航，是重要的导航领域技术手段之一。

近年来，在惯性技术领域，国外霍尼韦尔、诺格、iXblue、赛峰等公司不断报道一些动态信息，披露了以光学陀螺、微机电(Micro-Electro-Mecha-nical System，MEMS)陀螺、半球谐振陀螺(Hemispherical Resonator Gyro, HRG)、原子陀螺、加速度计等为代表的惯性仪表及系统的发展，本文梳理了相关动态信息，介绍了惯性仪表及系统的发展现状，并对惯性技术的发展进行了分析展望。

1 光学陀螺

光学陀螺主要有激光陀螺和光纤陀螺两大类。其中，光纤陀螺按其工作原理可分为干涉式光纤陀螺(Interferometric Fiber Optic Gyroscope，IFOG)、谐振式光纤陀螺和受激布里渊散射光纤陀螺。

光学陀螺技术日趋成熟，精度突飞猛进，体积功耗不断降低。目前，激光陀螺最高精度优于0.0002(°)/h，光纤陀螺最高精度可达0.00008(°)/h，光学陀螺及其系统应用从战术级逐步拓展到战略级，在陆、海、空、天等多个领域中得到大批量应用，占据着主导地位。

1.1 激光陀螺

激光陀螺技术研究方面，加州理工学院的Lai Y H研究了在单片硅芯片上使用反向传播布里渊激光器的激光陀螺仪，证明了基于芯片的布里渊激光陀螺仪的可行性[2]。康奈尔大学的Angela D D V等提出了一种新颖的技术来研究和消除激光效应的非线性，并将该分析应用于GP2和GINGERINO这2个环形激光器样机[3]。

激光陀螺惯性系统方面，2019年9月，美国陆军合同司令部宣布与霍尼韦尔公司签订了价值3790万美元的战术先进地面惯性导航装置TALIN 5000型的采购合同，预计2023年9月完成。TALIN 5000系统采用霍尼韦尔公司的环形激光陀螺仪和加速度计，提供全球定位系统(Global Positioning System，GPS)拒止环境下的惯性导航。

总体来看，国外激光陀螺的研究2019年并未披露突破性进展，研究方向包括小型化和性能改进[4]；基于激光陀螺的惯性导航系统仍是陆用战车、导弹等武器装备的重要选择之一。

1.2 光纤陀螺

光纤陀螺技术研究方面，国外不断推进相关技术的研究，采用多种方法从精度、尺寸和成本等方面提高光纤陀螺的综合性能。Therice A M等提出了三种方法提高光纤陀螺的总体性能[5]：一是用低相干激光器代替光纤陀螺中使用的时间相干掺饵光纤光源，使得噪声和漂移接近战略级性能，光源波长稳定性优于10-6；二是在光纤陀螺的感应线圈中使用空心光纤以减少热漂移，噪声实现0.135(°)/h1/2；三是由2个环形谐振器耦合组成的光学陀螺仪，试验结果显示该陀螺仪的旋转灵敏度至少是具有相同半径和损耗的优化单环谐振器的170倍[6-10]。日本Tsune-hiko I等提出了一种自动驾驶用低成本干涉式光纤陀螺仪的制造方法，采用精确对准的四极光纤线圈和调制部件，减少热感应光学相位差和抑制不必要的偏振串扰；并开发出一种自动光纤绕线机，在提高产品性能的同时减少了工作时间，降低了干涉式光纤陀螺的制造成本[11]。日本宇宙航空研究开发机构(Japan Aerospace Exploration Agency，JAXA)提出了一种干涉式光纤陀螺传感器线圈，该线圈由多芯光纤与扇入/扇出设备拼接而成，实现了0.002(°)/h1/2的角度随机游走性能，研究表明七芯波导环可成功用作Sagnac干涉仪[12-13]。KVH公司将光子芯片技术整合到高精度光纤陀螺产品中，得到的Photonic Gyro IMU样机中陀螺角度随机游走优于0.0097(°)/h1/2，零偏稳定性为0.02(°)/h。随着该款光子芯片技术的研发，KVH将实现高性能、低成本惯性系统的量产。

此外，新技术的发展或能推动光纤陀螺性能的突破性进展。在第六届惯性传感器与系统国际研讨会上，美国加州理工学院的Parham P K等首次展示了其硅集成光学陀螺仪及互易灵敏度增强(Reciprocity Sensitivity Enhancement，RSE)技术，这种技术可以降低光纤陀螺仪的噪声并使其小型化[14]。奥地利科学院和维也纳量子科学与技术中心的物理学家在《New Journal of Physics》发表论文的研究成果表明：使用纠缠光子可以克服光纤陀螺的噪声极限，达到经典光无法达到的精确度，并有望得到光纤陀螺更高的灵敏度极限[15]。

光纤陀螺惯性系统方面，美国诺格公司推出光纤惯性导航系统SeaFind，可提供与MK39环形激光陀螺罗盘系列惯性导航产品相同的性能水平，且尺寸大大减小，仅为250mm×250mm×127mm；法国SBG Systems公司在美国丹佛举行的国际激光雷达测绘论坛(International LiDAR Mapping Forum, ILMF)上宣布推出Horizon IMU，这是一款基于光纤陀螺的高性能惯性测量单元(Inertial Measurement Unit, IMU)，专为要求苛刻的测量应用而设计，如高海拔地区无人机的数据采集、密集城区的移动测绘以及自动驾驶平台的测试。法国iXblue公司在SAS 2019上公开了一款新型军用战略级光纤陀螺惯导系统MARINS M11，导航精度达到1nmile/15d，可用于水面舰船和潜艇导航。

光纤惯性系统的应用方面，Draper实验室为美海军三叉戟II计划(潜射弹道核导弹+战略核潜艇)研究的新型制导系统，选择用干涉式光纤陀螺仪代替原始的机械陀螺仪，这标志着干涉型光纤陀螺惯性系统逐渐用于战略武器。

光纤陀螺朝着战略级超高精度、导航级强环境适应性、集成化超小型低成本方向发展，通过开展光纤陀螺噪声抑制、精密绕环、纠缠光子、集成芯片等技术研究提高陀螺的精度和稳定性，降低其体积和成本。

2 MEMS陀螺

现有MEMS陀螺主要基于哥氏效应，包括线振动式MEMS陀螺仪、角振动式MEMS陀螺仪、振动环式MEMS陀螺仪和悬浮转子式MEMS陀螺仪。精度范围覆盖0.01～500(°)/h，以其体积小、质量小、功耗和成本适中、可靠性高等特点在精确制导弹药、汽车和消费电子领域中得到大量应用，是近期惯性技术领域重要的研究热点之一。

国外军用MEMS陀螺技术路线和商用MEMS陀螺技术路线完全不同。美国DARPA Micro-PNT等项目重点支持振动环式和悬浮转子式MEMS陀螺仪的研制，并取得很好结果[16]。

在DARPA 精确鲁棒惯性制导弹药的先进惯性微传感器(Precise Robust Inertial Guidance for Munitions Advanced Inertial Micro Sensors, PRIGM AMIS)子项目支持下，卡内基·梅隆大学的研究人员通过声学和光学组件的材料和器件设计实现了陀螺性能增强，声光陀螺仪在灵敏度(9x)、信噪比(13x)和稳定性(超过100s)方面性能得到提升，同时器件外形尺寸减小了一半[17]；密歇根大学的研究人员提出了一种用于高Q值陀螺仪精密壳集成谐振器的改进设计和制造方法，在7000g冲击下成功测试了壳的抗冲击能力[18]。在DARPA微型速率积分陀螺(Micro Rate Integrating Gyroscope，MRIG)项目支持下，密歇根大学的研究人员成功研制了一种Q值达154万的真空封装熔融石英鸟盆型微谐振陀螺仪，零偏稳定性达0.0103(°)/h[19]。在DARPA 活跃层主次级校准(Primary and Secondary Calibra-tion on Active Layer，PASCAL)项目支持下，乔治亚理工学院的研究人员设计了采用三维纳米间隙深反应离子刻蚀工艺制造的高Q值和高动态范围的授时和惯性测量单元(Timing and Inertial Measurement Unit，TIMU)，先进的接口电路架构为高Q值陀螺仪提供自校准，大大降低了漂移[20]。加州大学欧文分校的Andrei M S团队介绍了微加工熔融石英半环形壳设计和制造的最新进展，该制造基于微玻璃吹制工艺，经证实可实现高Q值(170万)MEMS谐振子和陀螺仪[21]。

此外，2019年4月，霍尼韦尔公司报告了其用于平台稳定的MEMS面外陀螺仪性能结果，实现了优于0.006(°)/h1/2的角度随机游走和0.2(°)/h的中值零偏稳定性。作为驱动和检测模态下的特征传感器，频率间隔大于700Hz，从而允许带宽大于300Hz。HG6900 IMU将集成这些传感器，体积为259cm3[22]。2019年9月，霍尼韦尔公司推出了基于MEMS技术的HGuide i300 IMU和HG4930 S-Class IMU两款新型IMU，力求实现小型化、低功耗和经济高效的光纤陀螺替代方案。

国外相关研究机构不断开展研究以提高MEMS陀螺的精度，通过在微加工、专用集成电路、测控电路、结构与材料等方面开展优化设计，将MEMS陀螺的精度提高到导航级，并不断降低其体积和成本。MEMS惯性器件具有巨大的潜力，可为移动设备创造新的应用领域，并具有更大的灵活性和更高的可靠性。

3 半球谐振陀螺

半球谐振陀螺作为最具潜力的哥氏振动陀螺，最高精度可达0.0001(°)/h，连续工作15年的可靠度高达0.995，在同等精度陀螺中具有体积质量优势，半球谐振陀螺及其系统逐步在空间、航空、航海等领域开展应用，成为近期惯性技术领域的研究热点之一。

半球谐振陀螺仪按结构形式可分为两件套和三件套半球谐振陀螺仪，按控制形式可分为全角模式和力平衡模式半球谐振陀螺仪。以法国赛峰电子与防务公司为代表，具备0.0005～0.005(°)/h精度范围的半球谐振陀螺量产能力。采用全角模式、平面电极，并将陀螺零件数量简化成3个，更易加工、实现低成本和批量化生产。在DARPA公布的比较研究中，赛峰电子与防务公司的半球谐振陀螺被评为导航级领域中具有最佳成本、尺寸、质量和功率(C-SWaP)的传感器，可与霍尼韦尔公司的HG9900或诺格公司的半球谐振陀螺仪竞争，如图1所示。

2019年，赛峰电子与防务公司报道了半球谐振陀螺的最新进展，基于该陀螺的BLACK-ONYXTMDUAL CORE HP惯性导航系统质量小于25kg，尺寸小于0.028m3，功耗小于50W，精度达1nmile/120h。同时，凭借着半球谐振陀螺的超高SWaP性能，GEONYXTM惯性导航系统可用于火炮和战车的精确导航和指向[23]，如表1所示；此外，基于半球谐振陀螺的SpaceNaute惯性参考系统已被欧洲Ariane 6太空发射器选用，预计将于2020年7月首次发射[24]；针对士兵指向应用和便携式系统，赛峰电子与防务公司开发了Sterna超轻寻北仪，可在100s内快速寻北，精度优于0.7mil。

图1 不同传感器C-SWaP随导航性能的变化Fig.1 C-SWaP over navigation performance for various sensors

表1 陆用惯性系统关键特征参数Tab.1 Key characteristics of land INS

美国诺格公司在多年半球谐振陀螺研究的基础上，正在开发新型LR-450 IMU中的毫米半球谐振陀螺仪，专为质量更小、成本更低的小型平台而设计[25]。

国外新一代半球谐振陀螺精度已达0.0001(°)/h、10-7的水平，半球陀螺谐振子典型尺寸(直径)在5mm左右，Q值达到1×107。新一代半球陀螺具有高精度、高可靠、结构简单等优点，且3D微纳制造技术的快速进步，有力地推动了具有MEMS特征尺寸的高线性度微半球陀螺技术发展。随着半球谐振陀螺性能的提高和尺寸的减小，其应用范围也不断扩展。

4 原子陀螺

原子光子领域的重大科学发现和量子调控技术的飞速发展，推动了以核磁共振陀螺、原子干涉陀螺、无自旋交换弛豫(Spin Exchange Relaxation Free, SERF)原子自旋陀螺为代表的原子陀螺性能不断提升[26-27]，在军用和民用领域已表现出巨大的发展潜力和应用价值，在相关研究机构的共同努力下，其工程化进程日益加快。

加州大学欧文分校的研究人员介绍了一种用于制造核磁共振陀螺仪和核磁共振磁力计的原子传感器MEMS组件的批处理方法，引入的方法利用了玻璃吹制工艺、折纸式折叠和更传统的MEMS制造，得到的核磁共振陀螺仪角度随机游走为0.1(°)/h1/2[28]；通过开展系统小型化和高精度等关键技术攻关，进一步提高核磁共振陀螺的工程化实现。在DARPA的精确惯性导航系统(Precise Integrated Naviga-tion System，PINS)和自适应导航系统(Adaptive Navigation System，ANS)项目支持下，AOSense公司的原子干涉陀螺精度达5×10-6(°)/h。美国桑迪亚国家实验室的原子干涉陀螺仪内腔尺寸为20mm×30mm×60mm，灵敏度为1×10-6rad/sHz1/2。在美国的小企业创新研究计划(Small Business Innovation Research，SBIR)项目支持下，Twinleaf公司的核自旋陀螺精度达1×10-4(°)/h。

5 加速度计

加速度计正向两级化发展，消费级加速度计的应用领域不断拓展，随着制造商的增多，成本不断下降；军用级加速度计精度不断提高，性能也不断提升。

1)摆式积分陀螺加速度计精度最高，可达到0.1μg，但结构复杂、体积大、价格贵，主要用于战略导弹等高端武器装备。

2)挠性摆式加速度计主要包括石英摆式加速度计和硅摆式加速度计，精度范围覆盖5～1000μg，是目前主流的工程应用加速度计，在陆、海、空、天、制导弹药等多个领域中得到大量应用。

3)石英振梁加速度计正处于技术转化至成熟应用的快速发展阶段，极具发展潜力，精度已达到10μg，最高精度接近1μg，广泛应用于战术级导航应用领域，近期有望进入战略级应用领域。2019年，iXblue公司宣布其首款满足高性能应用的石英振梁加速度计iXal A5，零偏20～150μg、标度因数(2～60)×10-6，该加速度计基于振梁加速度计技术以及由法国航空航天实验室(Onera)开发的振动惯性加速度计概念研发，iXblue将其产业化。

4)硅微机电加速度计在体积、质量、功耗和成本方面综合优势明显，在制导弹药、机器人、汽车消费电子应用的牵引下，性能日益提升，工程产品精度可达0.1～1mg。特别在高g传感和高分辨振动感应的细分应用领域中，微机电加速度计能够充分发挥其优势。

5)微光学加速度计、原子加速度计等新型加速度计正在逐步走出基础科学实验室，应用于更广阔世界。iXblue公司提出了一种将宽带宽和高动态测量范围的机械式加速度计与基于冷原子干涉测量的高稳定性量子加速度计相结合的混合式加速度计。该混合式传感器具有传统加速度计的高动态范围和高带宽，以及量子加速度计的长期稳定性，在恶劣条件下具有良好的运行状态，其精度可达10ng[29]。英国帝国理工学院开发了一种基于冷原子的加速度计，稳定性比传统的高约1000倍，作为潜艇量子导航系统的一部分。

加速度计用材料方面，部分研究机构开始采用石墨烯制造加速度计。瑞典皇家理工学院的研究人员利用高导电纳米材料石墨烯开发出了一款全球最小的加速度计，在可穿戴人体监测传感器和导航技术领域开创突破性应用[30]。

6 惯性技术发展趋势

目前，国外陀螺技术的发展阶段如图 2所示，国外加速度计技术的发展阶段如图 3所示。

展望未来，惯性技术呈现的发展趋势如下：

1)精度作为惯性技术的核心指标，始终指引着陀螺、加速度计以及系统技术的发展，同时牵引相关前沿科学技术在惯性技术领域的应用。光学陀螺技术目前处于最成熟阶段，未来其精度从战术级、导航级逐渐延伸到战略级。MEMS陀螺目前已在战术级占据主导地位，后续在微纳米技术和微加工艺等发展的推动下，精度将覆盖导航级。在前沿科学技术的推动下，以原子陀螺为代表的新型惯性仪表将不断涌现，技术成熟度持续提升，有望取得理论上的高精度。

2)惯性技术综合性能日益提升，体现在体积减小、质量减小、功耗降低和成本降低。除精度指标之外，国外惯性技术日益追求体积、质量、功耗和成本的综合性能优化。小型化、轻型、低功耗是国外惯性仪表的重要发展趋势。

3)国外惯性技术公司依托核心技术，通过系列化产品满足不同需求，力图占领不同领域，扩大其市场份额。以半球谐振陀螺为例，赛峰公司根据陆地、海洋、天空环境的不同，不断开发出不同的半球谐振陀螺惯性系统，包括寻北仪、陆用导航系统、船用导航系统、精确制导武器、航空导航系统、航天导航系统等，通过丰富产品线力图占领不同领域，达到扩大市场份额的目的。

4)惯性仪表和系统的可靠性提高，环境适应性增强。以光学陀螺和半球谐振陀螺为代表，惯性仪表和系统的可靠性日益提高，光学陀螺惯导系统的平均无故障时间可达10万h；半球谐振陀螺惯导系统的平均无故障时间甚至高达100万h。同时，环境适应性不断增强，MEMS惯导系统可承受20000g的冲击；半球谐振陀螺惯导系统具备超宽的工作温度范围：-95℃～155℃。

5)新型惯性仪表不断涌现和快速发展。在原子技术等前沿技术发展的推动下，在不依赖卫星导航的武器装备需求牵引下，世界各主要国家和惯性技术研究机构大力投入发展新型惯性技术。预计在未来一段时期内，新型惯性仪表将不断涌现，处于高速发展阶段。

7 组织机构的发展变化

机构为研究服务，机构调整无疑彰显研究态势与动向，更是研究内容的需求，及时把握各机构发展变化也就十分必要[31-32]。2019年，Emcore公司以大约2580万美元的价格收购了SDI公司，将雷锡恩公司、洛马公司和波音777X项目添加到Emcore公司现有的导航系统产品组合中，扩大Emcore公司的导航系统产品组合，使航空和国防市场成为Emcore公司最大的收入来源。赛峰公司和Orolia宣布签署战略合作伙伴关系，为军队提供GPS拒止环境下最新的弹性定位、导航和授时(Resilient PNT，RPNT)解决方案，计划重点包括导航战、移动和固定PNT解决方案。三菱电机欧洲公司在德国分公司总部成立了一个高精度定位系统事业部，新部门为德国和欧洲客户提供关键技术，加速引入厘米级自动驾驶和安全驾驶辅助方案。iXblue公司宣布任命Thomas Buret为其首席运营官，推动iXblue公司在海事应用、光子学和自主性等技术领域更快发展。2019年，各组织机构不断推进结构调整、并购与重组，开展战略合作，规模实力显著增强，发展质量明显提升。