2020年国外惯性技术发展与回顾

2021-05-18薛连莉翟峻仪葛悦涛

导航定位与授时 2021年3期

薛连莉，翟峻仪，葛悦涛

(1.中移动金融科技有限公司，北京100011；2.航天科工空间工程发展有限公司，北京 100854；3.北京海鹰科技情报研究所，北京 100074)

0 引言

2020年，一场新冠疫情席卷全球，给世界带来了巨大变化。新冠疫情对人类生活、全球经济和企业造成的全面影响尽管尚不明确，但已经显著推动了变革。民用领域，得益于陀螺和加速度计技术的快速发展，惯性系统在工业应用中愈发普遍，能够以较低的成本和优越的性能实现新功能的集成。军用领域，区域不稳定、石油战、伊朗暗杀、德黑兰客机意外坠毁等事件让地缘政治紧张局势进一步升级，相关国家可能会为了捍卫国家主权、领土安全和稳定增加军费开支，势必会直接影响军用惯性系统的发展。本文梳理了惯性技术领域的相关动态信息，介绍了惯性仪表和系统的发展及应用现状，并对惯性与导航技术进行了分析和展望。

1 陀螺

1.1 光学陀螺

光学陀螺主要有激光陀螺和光纤陀螺两大类。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(Resonator Fiber Optic Gyroscope，RFOG)和受激布里渊散射光纤陀螺。随着光子组件集成、超低损耗单片波导[1]和厘米级超高Q值谐振器[2]的稳步发展，基于光子集成芯片的光学陀螺仪愈发受到关注。

1.1.1 激光陀螺

激光陀螺方面，在美国国防高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA)的支持下，加州理工学院的Y. H.Lai等结合光学和微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)的优势，研发出概念验证的芯片基环形激光陀螺仪，角度随机游走噪声低至0.068(°)/h1/2，零偏稳定性为3.6(°)/ h，灵敏度为5(°)/ h，可用于测量地球自转，是芯片级光学陀螺仪的重要里程碑[3-4]。

激光陀螺惯性系统方面，美国海军海上系统司令部宣布授予诺格公司斯佩里海事分部2.1亿美元合同，继续生产AN/WSN-7导航系统，计划于2022年12月完成。AN/WSN-7环形激光陀螺惯性导航系统(Inertial Navigation System, INS)定位导航误差约为1n mile/d，该系统设计用于替代WSN-2质量自旋陀螺惯性导航系统。此外，斯佩里海事分部正在研发WSN-12新一代舰载惯性导航系统，于2020年年底交付首批工程开发模型。

总体来看，2020年，国外激光陀螺重点关注陀螺的小型化方面，基于激光陀螺的惯性导航系统目前仍是美国海军的重要选择。

1.1.2 光纤陀螺

光纤陀螺方面，为了满足大众市场对低成本、紧凑和尽可能高精度的惯性传感器的需求，俄罗斯Optolink公司推出了基于IFOG的新产品：超紧凑型导航级惯性测量单元IMU400(图1)，其尺寸、质量和功耗(Size Weight and Power，SWaP)性能为：80mm×95mm×62mm，0.7kg，0.5L，<7W；IMU400中陀螺的主要参数为：角度随机游走为0.007(°)/h1/2，零偏稳定性为0.01(°)/h[5]。俄罗斯Fizoptika公司推出了该公司最小的差分输出光纤陀螺VG191A，角度随机游走为0.015(°)/h1/2，零偏稳定性为1(°)/h，直径仅为24mm，长度为40mm，质量仅为30g，是尺寸、质量和功率受限的无人机、机器人和无人系统的理想选择。英国南安普敦大学的研究人员通过使用直径为10cm的7芯光纤线圈，得到了长期零偏稳定性优于0.02(°)/h，角度随机游走优于2.4×10-3(°)/h1/2的IFOG[6]。

图1 IMU400外部和内部视图

光纤陀螺惯导系统方面，法国iXblue集团宣布推出新型光纤陀螺惯导系统Atlans A9，满足全系列陆地和空中移动测绘应用需求，并在城市峡谷、山区或森林地区等全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)受限的环境中提供高度精确的定位。法国海军追风级轻型护卫舰选择了iXblue基于光纤陀螺的Marins惯导系统，该系统已装备超过650艘水面舰和水下平台；法国国家海洋科学研究所选择将iXblue的导航技术集成到新型6000m海上机器人联盟潜航器(CORAL Autonomous Underwater Vehicle，CORAL AUV)中，并配备了iXblue的Phins C7惯性导航系统；美国海洋与地球物理仪器公司选择了iXblue的Atlans A7惯导系统作为新的移动制图激光雷达解决方案，可在缺乏连续全球定位系统(Global Positioning System，GPS)信号的环境中进行连续采集操作；由iXblue开发的blueSeis-3A旋转地震仪已成功安装在伯克利地震实验室，通过测量地面的旋转运动，可以对地震波进行完整的测量；瑞典国防装备管理局选择为其CB90战斗舰配备 iXblue的Quadrans导航系统。Emcore公司的EN-300光纤陀螺惯性测量单元(Inertial Measurement Unit，IMU)已实现批量生产，通过形式、尺寸和功能兼容的封装，可将传统系统的零偏性能提高10倍。由于采用固态光纤陀螺收发器和先进的集成光学器件三轴闭环设计，与传统IMU相比，具有更高的可靠性和更低的成本，商用现货EN-300-3模型可实现低至0.04(°)/h的零偏运行稳定性和0.015(°)/h1/2的角度随机游走。KVH公司的光子集成芯片(Photonic Integrated Chip，PIC)技术已纳入现有产品线，基于该技术的P-1775惯性测量单元已集成到其下一代运载火箭中，采用PIC内置技术的产品设计精度比其他价格更便宜的MEMS惯性测量单元的精度高20倍；KVH获得了价值1000万美元的TACNAV战术导航系统订单，基于光纤陀螺的TACNAV系统旨在为坦克、全地形车辆、装甲车、侦察和战斗支援车等提供无干扰的惯性导航数据，确保士兵和任务的正常运行。诺格公司将为毅力号火星探测器提供LN-200S惯性测量单元，低成本、尺寸、质量和功耗(Cost Size Weight and Power，C-SWaP)的LN-200S具有3个光纤陀螺和3个硅MEMS加速度计，采用密封包装，非常适合航天应用，包括小行星和行星探测器。

目前，光纤陀螺已经达到了超越激光陀螺的极限理论性能，由于其固有的低噪声和可扩展性，使其成为了少数几个能够实现性能与C-SWaP相统一的陀螺惯性器件之一，尤其是目前在惯性导航系统中逐步体现出独特优势的IFOG，已经在广泛的应用中部分取代了其主要竞争对手环形激光陀螺。

1.2 MEMS陀螺

典型的MEMS陀螺有音叉陀螺、振动板陀螺、谐振式环形陀螺、悬浮质量自旋式陀螺、石英盘式谐振陀螺和微型速率积分陀螺(Micro Rate Integrating Gyroscope，MRIG)等，相关研究机构有Draper实验室、赛峰集团、诺格公司、霍尼韦尔公司、Emcore/SDI公司、法国国家航空航天研究中心、精工爱普生、模拟器件公司、喷气推进实验室、Sensonor公司、大西洋惯性系统公司/联合技术公司、古德里奇惯性系统公司、硅传感系统公司和密歇根大学等。多家制造商已投产零偏稳定性约为1～5(°)/h的陀螺和惯性测量单元，部分优于1(°)/h。

MEMS陀螺方面，在DARPA MRIG和先进惯性微传感器(Advanced Inertial Micro Sensors，AMIS)项目的支持下，密歇根大学的N.Khalil团队开发出一种Q值达520万的小型(直径为1cm)、低成本且高精确度的精密壳积分(Precision Shell Integrating，PSI)陀螺，角度随机游走为0.00016(°)/h1/2，零偏稳定性为0.0014(°)/h，无需任何温度补偿[7]，如图2所示。此外，该团队还提出了一种由梯形结构组成的具有高Q值和模式匹配的硅基MEMS陀螺，梯形结构能够抑制能量耗散，使驱动模式和传感模式的Q值达到了120000，角度随机游走为0.020(°)/h1/2，零偏稳定性为0.20(°)/h[8]；S.Singh等还报道了用于高性能陀螺仪的 3D壳谐振器，首次实现了微尺度弯曲电极的制造，在工作频率为6000Hz的情况下，可获得高达40万的Q值和低至1.3Hz的分频[9]。在DARPA和美国海军的支持下(N66001-16-1-4021)，加州大学欧文分校的A.M.Shkel团队继续报道了其动态放大双质量块陀螺(Dynamically Amplified dual-mass Gyroscope，DAG)的研究进展，并首次介绍了捕获与保持(Trap-and-Hold，TAH)这一概念，可有效增强陀螺对机械冲击和振动残余力的影响[10-11]。斯坦福大学的研究人员比较了MEMS谐振盘陀螺(Disc Resonating Gyroscope，DRG)10种不同设计的外延封装在接近50000g冲击下的耐受能力，结果表明，DRG环间的较大间隙可能有助于防止振荡后的频率偏移[12]。为了克服恶劣环境的限制，通用电子集团的研究人员开发出一种基于MEMS的低成本多环陀螺(Multi-Ring Gyroscope，MRG)，能够在300℃的随钻测量应用中寻找方位角，已证明MRG原型可以实现优于0.003(°)/h1/2的角度随机游走和0.01(°)/h的零偏稳定性，并能够满足优于0.25°的寻北精度[13]。为降低频率不匹配度，研究者们提出了不同的谐振腔制造技术[14-15]，日本东北大学的S.Tanaka团队设计了一种新型的三集成谐振腔，可有效地改善其谐振频率和品质因数[16]。该团队还提出了在石英玻璃基板上制造石英玻璃微结构的技术，在制造过程中使用牺牲金属支撑结构的方法很好地保护了器件，并且可以通过时间控制的牺牲蚀刻成功地释放临时支撑结构[17]。为满足国防部系统对性能、成本、供应链可靠性以及与未来技术发展兼容性的需求，加拿大Teledyne DALSA半导体公司在200mm直径晶圆的生产中，采用了高性能的低泄漏率晶圆级真空封装(Wafer-Level Vacuum Packa-ging，WLVP)工艺，促进了新设备概念向批量生产的快速过渡[18]。法国泰雷兹集团提出了一种用于航天应用的轴对称双质量块MEMS陀螺仪，测得的角度随机游走为0.006(°)/h1/2，零偏稳定性为0.012(°)/h(热校正后为0.007(°)/h)[19]。

图2 PSI陀螺的微机电谐振腔和真空封装的微机电谐振腔

MEMS陀螺惯导系统方面，Emcore公司展示了一种基于SDI500的小型惯性测量单元，运行中具有导航级性能，该IMU基于3个石英MEMS科里奥利振动陀螺(Coriolis Vibratory Gyroscope，CVG)和3个石英MEMS共振加速度计，在稳定温度下，陀螺角度随机游走优于0.0008(°)/h1/2，零偏稳定性为0.005(°)/h，加速度计显示出50μg/Hz1/2的噪声水平和3μg的零偏稳定性[20]。Emcore公司与雷声技术公司签订了价值360万美元的合同，为MK-54轻型鱼雷提供SDI500惯性测量单元，计划于2021年9月完成。InertialWave公司提出了用于导航级惯性传感器的通用ASIC iWCA1001和具有INS集成架构的片上导航系统(NSoCTM)，显著提高了生产规模，并从根本上降低了惯性导航系统的C-SWaP，且有效适应了空间辐射环境[21]。霍尼韦尔公司推出了轻小型GNSS/INS HGuide n380，与其先前的惯性导航系统相比，HGuide n380体积更小、质量更小且价格更低，可承受空中、陆地或海上的恶劣环境。日本村田制作所研发了能支持要求达到车辆安全完整性等级ASIL D级的6轴一体封装、3D MEMS惯性力传感器SCHA600系列，并计划于2020年12月底开始批量生产。

随着MEMS陀螺微加工精度的不断提高、封装应力敏感性不断降低、电子设备不断优化、综合性能不断提升，势必会影响战术级环形激光陀螺和光纤陀螺，预计未来10年，MEMS陀螺性能将提升1个数量级。

1.3 半球谐振陀螺

2020年，赛峰集团和诺格公司两家在半球谐振陀螺研发和生产方面占领先地位的企业均未披露相关信息；半球谐振陀螺向小型化发展取得实质性进步，从表1可以看出，目前半球谐振陀螺的尺寸稍大但精度却达到导航级。

表1 不同陀螺仪的比较

1.4 原子陀螺

原子陀螺的典型代表有核磁共振陀螺、原子干涉陀螺和无自旋交换弛豫原子自旋陀螺，其中原子干涉陀螺的原理实验样机已经实现陀螺效应，核磁共振陀螺和SERF原子自旋陀螺以及测力测磁装置已经进入工程研制实验阶段，性能不断提升。研究进展方面，2020年，康奈尔大学的研究人员基于局限在光学微环谐振器周围的物质波孤子之间的干扰，提出了一种捕获原子Sagnac陀螺的新颖实现方法。这种方法将微纳光学技术用于原子捕获并进行干涉，既有超冷物质波干涉仪的长期稳定性好和超高灵敏度的优点，也有微纳光学架构的鲁棒性好、可扩展性强和操作功耗低的优点[28]。

2 加速度计

加速度计继续向两级化发展，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。摆式积分陀螺加速度计依然是战略应用领域的首选，摆式再平衡加速度计和石英谐振加速度计主要用于导航级应用，硅微机电加速度计的C-SWaP性能优势明显，在工业级领域应用广泛。

研究进展方面，2020年，葡萄牙米尼奥大学的E.M.Eurico等测试了基于双端音叉谐振器的调频加速度计，结果显示差分配置和使用基于聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxanes，PDMS)的软胶封装使传感器的应力漂移最小化[29]；L.Vasco等介绍了采用Sigma-Delta调制的小尺寸真空封装电容式MEMS加速度计，在现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)中实现了三种不同的调制阶数，从而可以灵活地实时调整环路参数[30]。斯坦福大学的研究人员测试了四种不同提高热加速度计性能的方法：直流加热和感应、交流加热和直流感应、直流加热和交流感应以及交流加热和感应，结果表明，调制加热器和传感器可以显著改善热加速度计的性能[31]。在MEMS加速度计中，抵抗粘滞问题的鲁棒性是关键性能指标，基于二自由度机械结构产生的反冲效果，意法半导体的G.Gattere等设计了一种新的MEMS电容式加速度计架构，能够提高器件在高g冲击下的鲁棒性，使静摩擦的发生率大大降低[32]。据报道，赛峰的硅MEMS导航级加速度计(图3)准备投入量产，其零偏温度稳定性优于30μg，标度因数全温稳定性优于3×10-5，该加速度计与赛峰集团的HRG CrystalTM陀螺仪组合在一起，可提供C-SWaP 性能优异的惯性导航系统[33]。各研究机构通过改进设计和工艺，不断提高加速度计性能，推动高性能加速度计的量产。

图3 赛峰集团的导航级加速度计

3 惯性技术发展趋势

目前，国外陀螺技术的发展如图4所示，国外加速度计的发展如图5所示。

图4 国外陀螺发展现状

图5 国外加速度计发展现状

展望未来，惯性技术呈现的发展趋势如下：

1)环形激光陀螺依旧是航空航天及其他高端导航与战略应用的重要选择，在高端惯性市场占据领导地位，2020年披露的市场规模达15.22亿美元[34]。近年来，激光陀螺在小型化方面也在不断尝试，除非光纤陀螺能够以更低的成本和更小的尺寸达到同等的性能和可靠性，否则难以撼动环形激光陀螺在高端市场的地位。

2)光纤陀螺在各种战术与导航级应用领域和部分工业级应用领域中应用较广，2020年披露的市场规模达6.51亿美元[34]。由于战术级和工业级应用领域对更小尺寸传感器的需求，业界正在开发集成解决方案。目前，光纤陀螺与环形激光陀螺、MEMS陀螺的竞争越来越激烈，提高精度和降低成本成为必然。

3)MEMS陀螺在工业应用领域占主导地位，并不断发展，对陀螺市场前景影响较大，2020年披露的硅微机电陀螺市场规模达4.51亿美元[34]。在工业应用领域，MEMS陀螺与光纤陀螺不断竞争。未来，随着MEMS陀螺微加工精度的不断提高、封装敏感性不断降低、电子设备不断优化、综合性能不断提升，MEMS会以更低的成本和更高的性能向光纤陀螺发起挑战。

4)半球谐振陀螺在技术研究领域未披露突破性的进展，但随着赛峰集团和诺格公司通过将技术产业化，降低了半球谐振陀螺的成本，未来，半球谐振陀螺或能改变陀螺领域的应用分布现状。

5)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，推动了原子陀螺性能的不断提升，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。

6)加速度计领域，摆式积分陀螺加速度计依然是战略应用领域的首选，力再平衡加速度计在战术/惯性导航级设备市场规模最大，MEMS加速度计达到了战术级应用，并已开始渗透导航级应用，部分公司致力于开发导航级硅MEMS加速度计并实现量产。

4 美国为增强PNT能力的举措

近年来，随着反卫星、电磁干扰等技术的快速发展，GPS的脆弱性暴露无遗，为增强定位导航与授时(Positioning, Navigation and Timing，PNT)能力，美国采取了一系列的措施。在政策层面，美国前总统特朗普签署“关于通过负责任地使用定位、导航与授时服务以增强国家弹性”的行政令，旨在防止PNT信号受到干扰与操纵，增强美国PNT能力；美国国防部发布了一份建立国防科学委员会定位、导航与授时工作组的备忘录，重点强调将其他系统添加到PNT体系结构中，以获得更高的效率和经济收益；弹性导航与授时基金会(RNT)发布文件《弹性国家授时架构》，讨论了可靠且具有弹性的国家授时体系的需求和实施措施[35]。在技术层面，量子概念备受关注，美国空军研究实验室正在寻找用于磁力计的量子材料，并资助麻省理工学院林肯实验室研究磁力计原型，有望在2021年左右演示；美国国防部创新局宣布希望2年内开发出天基量子传感样机，这种传感器可以为天基量子互联网做出贡献，并能够为在GPS范围之外运行的太空飞行器提供必要的定位数据，定位误差在外太空漂移不大于100m/h，在地面环境下漂移不大于30m/h，而其体积小于0.1m3。在系统层面，美国海军信息战中心与美国空军太空与导弹系统中心合作，授予博思艾伦咨询公司价值1.78亿美元的合同，为先进全球卫星定位系统现代化提供技术工程服务；美国空军寿命周期管理中心授予霍尼韦尔公司一份总金额9915万美元成本加定酬类及固定价格类合同(FA8576-20-C-0001)，内容涉及现代化嵌入式全球定位/惯性导航系统(EGI-M)的工程、制造和开发(Engineering, Manufacturing, and Development, EMD)，EGI-M系统基于模块化的开放系统架构，将新功能快速集成于F-22喷气式战斗机和E-2D舰载雷达飞机等军用飞机中，可在GPS受限的环境中运行。

此外，美国还积极寻找其他辅助或替代导航方法。2020年，美国空军与麻省理工学院签订合同，共同实施人工智能加速器项目，旨在利用人工智能推动包括地磁导航在内的多项先进技术研发。在该项目实施过程中，美空军为其提供多种政策和活动支持。一方面，美空军拿出军用数据库与科研界共享，力求推动研究尽快取得实质性进展；另一方面，美空军以改进人工智能工具提升地磁导航效能为主题，举办挑战赛。目前研究显示，地磁导航定位精度可精确至10m，略低于GPS的3m精度。

5 组织机构的发展变化

组织机构的调整在一定程度上反映了研究态势与动向，及时把握各机构发展变化也就十分必要[36]。2020年，美国陆军正在建立一个新的PNT现代化办公室和开放式创新实验室，用于开发射频系统、GPS、芯片级原子钟、其他授时技术和天体导航等，使PNT系统能在GPS信号被拒、降级或欺骗的地区正常运行，以减少士兵对GPS的依赖，该办公室预计每5年发布一次新的PNT系统解决方案；美国空军正在建立一个导航战实验室(Naviga-tion Warfare Laboratory，NWL)，旨在研究如果敌方攻击其GPS信号或其他PNT系统时军用飞机的飞行问题，该实验室计划于2021年5月投入运营；英国政府投资3600万英镑建立了一个新的国家授时中心，以减少公共服务及其经济对GNSS的依赖，英国的紧急服务响应机构和其他关键服务可以通过国家授时中心弹性授时；英国BAE系统公司宣布已达成两项资产收购协议，其一是以19.25亿美元现金收购美国柯林斯航宇系统公司的军用GPS业务，其二是以2.75亿美元现金收购美国雷锡恩公司的机载战术无线电业务；法国SBG系统公司在新加坡开设新的子公司，将为亚洲地区提供销售和技术支持，SBG系统公司主要设计、制造和销售惯性传感器，如惯性测量单元、姿态和航向参考系统、惯性导航系统等。2020年，为减少对GPS的依赖，美国和英国相继成立相关机构，致力于PNT技术研究，部分公司随着业务的扩大，不断推进结构调整、并购与重组，规模实力明显增强。