积分运算电路实验报告数据分析_积分电路和微分电路的特点

惯性导航系统专题报告：测量感知的基础，精确制导的利 　　（报告出品方/作者：中信建投证券，黎韬扬） 　　一、惯性技术：测量物体运动，感知物体姿态 　　1.1 惯性技术多学科交叉，发展历史源远流长 　　惯性技术是以牛顿运动定律为基础的多学科交叉综合技术，其指通过感知运动体在惯性空间的角运动、线 运动，进而运动体的姿态、位置和速度等信息，从而实现对运动物体姿态和运动轨迹进行测量和控制的一 门技术，也是惯性仪表、惯性导航、惯性测量、惯性稳控等技术的统称。 惯性技术的应用以惯性仪表和惯性系统为载体，基础器件为陀螺仪和加速度计。其通过陀螺仪获知运动体 的角速度，用以测量运动体的角度变化；通过加速度计获知运动体的线性加速度，用以测量运动体的速度变化。 将此二者辅以时间维度进行自主运算后，即可实现对物体在一定期间的运动姿态、位置、速度等信息的精确感 知和测量，进而在对这些信息进行综合处理的基础上实现对运动体之运动参数的有效控制。将上述感知、测量、 控制的结果结合下游应用领域的具体需求，即可实现惯性技术的实际应用。 　　1.2 我国惯性技术处于追赶阶段，相关企业不断涌现 　　全球惯性技术开发分为四个层次，目前我国居第三层次，具备部分研发能力。根据美国国防部的统计数据， 美国防部把从事惯性技术领域研究和开发的国家分为 4 个层次：属于第一层次的有美国、英国和法国，完全具 备自主研究和开发惯性技术能力；属于第二层次的有俄罗斯、德国、以色列和日本，具备大部分自主研发能力； 属于第三层次的有中国、澳大利亚、加拿大、瑞典、乌克兰，具备部分研发能力；属于第四层次的有韩国、印 度、巴西、朝鲜、瑞士、意大利等，具备较为有限的惯性技术研发能力。 美国的霍尼韦尔（Honeywell）、诺格（Northrop Grumman）和法国的赛峰（SAFRAN）为全球惯性技术领域 顶尖公司。目前，美国主要的惯性导航技术公司包括：霍尼韦尔、诺格公司、大西洋惯性系统、亚诺德半导体 （ADI）和吉尔福特等；法国主要的惯性导航技术公司包括赛峰、iXblue、泰雷兹集团等。其他国家主要的惯性 技术公司包括：英国 BAE 系统公司；德国博世公司；俄罗斯物理光学、陀螺仪光学、拉明斯克仪表厂和 Optolink； 日本航空电子工业、三菱精密；挪威 Sensonor 等。 国内具备惯性传感器制造能力的企业主要有航天三十三所、航天电子等，多为军工企业，具备惯导系统制 造能力的企业包括航天三十三所、航天电子、晨曦航空、星网宇达、北方导航、西安现代控制技术研究所、中 国兵器工业导航与控制技术研究所等。 　　

　　二、惯性导航系统：惯性导航器件的载体，实现测量计算功能 　　2.1 自助式导航系统，不依赖外界信息输入 　　惯性系统以惯性器件为核心，利用集成技术实现导航、姿态稳定、测量等功能，其中惯性导航应用最为广 泛。惯性导航是一种自助式的导航设备。其基本工作原理是利用陀螺仪和加速度计（统称为惯性仪表）测量载 体在惯性参考系下的角速度和加速度，并通过计算机对时间进行积分、运算得到速度和相对位置，且把它变换 到导航坐标系中，这样结合最初的位置信息，就可以得到载体现在所处的位置。 惯性导航具有隐蔽性高、覆盖范围广、短期精度高等优点。相对于卫星导航系统需要依靠卫星完成导航工 作，惯性导航依靠自身搭载的惯性器件完成导航工作，不依靠外界信息同时也不向外部辐射能量，因此具备较 高的隐蔽性；惯性导航系统可以全天候工作于高空、地表、水下等各种环境，导航覆盖范围较广；惯性导航系 统可以依靠惯性器件输出角（加）速度、线（加）速度、航向和姿态等数据，与卫星导航系统相比数据提供更为 丰富；同时，惯性导航系统可以进行实时、连续工作，数据更新频率快、短期精度高。 　　2.2 两种方案并存，捷联式逐渐取代平台式成为主流 　　惯性导航系统有平台式和捷联式两类实现方案。前者有跟踪导航坐标系的物理平台，惯性仪表安装在平台 上，对加速度计信号进行积分可得到速度及位置信息，姿态信息由平台环架上的姿态角传感器提供；惯导平台 可隔离载体角运动，因而能降低动态误差，但存在体积大、可靠性低、成本高、维护不便等不足。 平台式惯导将惯性敏感器（陀螺仪和加速度计）安装在惯性平台的台体上。根据建立坐标系的不同，平台式惯导可分为空间稳定平台式惯导和当地水平式惯导两类。空间稳定平台式惯导的台体相对惯性空间稳定，用 以建立惯性坐标系，地球自转、重力加速度等影响由导航计算机加以补偿，这种系统多用于运载火箭的主动段 和一些航天器上。当地水平式惯导的特点是台体上的两个加速度计输入轴所构成的基准平面能够始终跟踪载体 所在点的水平面，因此加速度计不受重力加速度的影响，这种系统多用于沿地球表面运动的载体，如飞机、船 舶等。 　　激光陀螺仪技术的成熟，使捷联惯导系统逐步取代了平台惯导系统。捷联惯导系统除了具有结构简单、成 本低、体积重量小、准备时间短、MTBF 长等优点外，捷联惯导可供利用的信息比平台式惯导多，这对传递对 准及火控系统来说十分重要。因此捷联惯导系统取代平台式惯导系统是必然趋势，事实上美国在 15 年前就从挠 性平台惯导的生产转向了激光捷联惯导的生产。捷联惯导系统的物理结构简化实际上是用算法和软件的复杂设 计换取的，而当前计算机水平的飞速提高为这种复杂设计提供了实现保障，所以算法是捷联惯导的核心，在惯 性器件等硬件配置已定的情况下，算法决定了捷联惯导系统的性能。 捷联式惯导系统没有物理平台，惯性仪表与载体直接固连，惯性平台功能由计算机软件实现，姿态角通过 计算得到，也称为“数学平台”。由于捷联系统中惯性仪表要承受载体角运动的影响，故要求其动态范围大、频 带宽、环境适应性好等，对导航计算机的速度与容量要求较高。捷联系统具有结构紧凑、可靠性高、质量轻、 体积小、功耗低、维护方便、成本低等优点，也便于与其他导航系统或设备进行集成化、一体化设计，已成为 现代惯性系统技术发展的主流方案。 捷联惯导系统采用数学平台，即在计算机中实时计算出姿态矩阵，建立起数学平台，姿态更新计算、导航 计算是捷联惯导系统的算法核心，也是影响其精度的主要因素。传统的姿态更新算法有欧拉角法、方向余弦法 和四数法。其中四数法算法简单，计算量小，因而在工程实际中经常采用。由于刚体转动的不可交换性， 在姿态更新计算中不可避免地引入了不可交换误差，但这种误差属于算法误差，因此它是能够通过算法的改进 而得以减小的。 　　

　　平台式惯导系统和捷联式惯导系统的主要区别是：前者有实体的物理平台，陀螺和加速度计置于陀螺稳定 的平台上，该平台跟踪导航坐标系，以实现速度和位置解算，姿态数据直接取自于平台的环架；后者的陀螺和 加速度计直接固连在载体上作为测量基准，它不再采用机电平台，惯性平台的功能由计算机完成，即在计算机 内建立一个数学平台取代机电平台的功能，其飞行器姿态数据通过计算机计算得到，故有时也称其为“数学平 台”，这是捷联惯导系统区别于平台式惯导系统的根本点。 陀螺动态范围要求不同。平台惯导系统陀螺安装在平台台体上，陀螺感测台体偏离导航坐标系的偏差，平 台通过稳定回路消除这种偏差，其作用是隔离掉运载体的角运动，使陀螺的工作环境不受运载体角运动的影响。 同时，平台通过修正回路使陀螺按一定要求进动，控制平台跟踪导航坐标系的旋转运动。而导航坐标系的旋转 仅由运载体相对于地球的线运动和地球的自转引起，这些旋转角速度都十分微小，所以对陀螺的指令施矩电流 是很小的。这就是说平台惯导陀螺的动态范围可设计得较小。但捷联惯导陀螺直接安装在运载体上，陀螺必须 跟随运载体的角运动，施矩电流远比仅跟踪导航坐标系的施矩电流大，即捷联惯导所用陀螺的动态范围远比平 台惯导所采用的大。 　　惯导器件的工作环境不同，惯导器件动态误差和静态误差的补偿要求也不同。在平台惯导系统中，平台对 运载体的角运动起隔离作用，安装在平台上的惯导器件只需对线加速度引起的静态误差作补偿。而捷联惯导系 统中的惯性器件除补偿静态误差以外，还需要对角速度和角加速度引起的动态误差作补偿。因此必须在实验室 条件下对捷联陀螺和加速度计的动、静态误差系数作严格的测试和标定。 计算量不同。平台惯导中，平台以物理实体形式存在，平台模拟了导航坐标系，运载体的姿态角和航向角 可直接从平台框架上拾取或仅通过少量计算获得。但在捷联惯导中，平台并不实体存在，而以数学平台形式存 在，姿态角和航向角都必须经过计算获得，计算量庞大。 　　三、核心器件决定系统性能，技术路线加速迭代 　　3.1 IMU：惯性导航系统核心传感器，陀螺仪和加速度计的载体 　　惯性导航系统通常由惯性测量装置、计算机、控制显示器、专用电路模块等组成。惯性测量单（Inertial Measurement Unit，IMU）是惯性导航系统的核心传感器，通常由 3 轴陀螺和 3 轴加速度计组成，主要用来检测 和测量加速度、倾斜、冲击、振动、旋转和多自由度运动。 　　惯性导航系统专用电路模块包括导航计算机电路、I/F 转换电路和母板电路等。由于陀螺仪、加速度计输 出的电流属于模拟信号，计算机无法处理，因此需要经过 I/F 转换电路将电流信号转换为数字信号。导航计算 机采集陀螺仪和加速度计信号，完成误差补偿、初始对准和导航解算，得到运载体在导航坐标系上的速度、位 置和航向、姿态信息，并发送到运载体的制导控制系统；然后由制导控制系统结合卫星、图像、红外等信息完 成综合解算、制导控制算法，生成舵机指令，实现精确制导。 　　狭义上，一个 IMU 内在正交的三轴上安装陀螺仪和加速度计，共 6 个自由度，来测量物体在三维空间中的 角速度和加速度，这就是我们熟知的“6 轴 IMU”；广义上，IMU 可在加速度计和陀螺仪的基础上加入磁力计， 可形成如今已被大众知晓的“9 轴 IMU”，可用于提升航向角的测量精度。 　　据 Yole development，IMU 约占惯导系统成本的 20%，2018 年全球规模约 1.6 亿美，预计 2022、2027、 2032 年全球 IMU 市场规模分别达到 9 亿美、47 亿美、210 亿美，2022-2032 年 CAGR 高达 37%，对应 2032 年惯导系统全球市场空间有望超千亿美。据 mordorintelligence 预测，高性能惯性测量单（IMU）市场 在 2020 年价值 151.4 亿美，预计到 2026 年将达到 227.2 亿美，在预测期间（2021-2026 年）的复合年增长 率为 6%。 　　

　　3.2 陀螺仪：角速度测量单，技术路线快速迭代 　　陀螺和加速度计等惯性传感器是惯性导航系统的核心器件，对系统的精度起决定性作用。其中陀螺用以获 取运动的角速度并测量其角度变化，通过角速度方向信息，在惯性导航中起到姿态解算、辅助定位的作用。 　　陀螺仪种类多种多样，按陀螺转子主轴所具有的进动自由度数目可分为二自由度陀螺仪和单自由度陀螺仪； 按支承系统可分为滚珠轴承陀螺，液浮陀螺、气浮陀螺、磁浮陀螺，挠性陀螺和静电陀螺；按物理原理分为利 用高速旋转体物理特性工作的转子式陀螺和利用其他物理原理工作的半球谐振陀螺、微机械陀螺、环形激光陀 螺和光纤陀螺等。 　　按照陀螺仪发展历程，陀螺仪由最初的转子陀螺仪逐渐发展为如今广泛应用的光学陀螺仪，以及仍在进一 步研发推广中的振动陀螺仪、原子陀螺仪等。 　　不同应用领域对陀螺仪的性能具有不同的要求，根据陀螺仪核心指标零偏稳定性（衡量陀螺仪在一个工作 周期内，当输入角速率为零时，陀螺仪输出值围绕其均值的离散程度，数值越小表示性能越高），一般将陀螺仪 分为战略级、导航级、战术级、商业级。 战略级应用场景集中于航天和航海领域，包括战略导弹核潜艇、航空母舰或者洲际导弹等，精度要求高水 平，多使用激光陀螺仪；导航级应用场景多为飞机、中远程导弹武器等，精度要求中高水平，多使用激光陀螺 仪、光纤陀螺仪；战术级应用场景包括装甲车辆、中短程制导武器等，精度要求中低水平，多使用光纤陀螺仪 和动力调谐陀螺仪；商业级应用场景为民用，常用领域包括汽车导航、消费电子产品等，精度要求较低，多使 用 MEMS 陀螺仪。不同运用领域对陀螺仪的性能要求不同，通常需要综合考虑精度、体积与成本等因素。例如 小型化制导武器对精度要求适中，但需要小体积、低成本与高稳定性的特性，而战略级运用则追求极致的精度 特性，体积与成本则可以适当放松要求。 　　转子陀螺仪可分为液浮陀螺仪、动力调谐陀螺、静电陀螺仪等，相对于光学陀螺仪，其应用场景相对较窄。 液浮陀螺仪是利用液体的静浮力将陀螺仪组件悬浮起来的陀螺仪，制造工艺较为复杂，成本较高且寿命较短， 因此国外在 20 世纪 80 年代就被激光陀螺仪和光纤陀螺仪所取代，目前国内少部分高精度军用领域还在使用。 　　

　　动力调谐陀螺仪相比于液浮陀螺仪结构简单、精度中等、成本较低，在 20 世纪 70 年代开始广泛用于多种 军用领域，但随着光学陀螺仪的发展，动力调谐陀螺仪在导航级应用领域中开始逐步被替代，目前主要用于战术级应用。相较于大多光学陀螺仪，动力调谐陀螺仪在结构尺寸、成本方面具有一定优势；而相对于大多 MEMS 陀螺仪，动力调谐陀螺仪在环境适应性方面上具有一定优势。特别是在小型化制导武器导引头稳定平台系统方 面，微型化动力调谐陀螺仪是较好选择，并在我国现役多型国家重点武器装备上使用。 　　静电陀螺仪是利用球形转子与电容极板之间的强电场产生的静电吸力将空心或实心球形转子悬浮起来的陀 螺仪。静电陀螺仪内部被抽成高真空，精度高，目前通常被用在弹道导弹、核潜艇和航空母舰等高精度军用领 域。 　　光学陀螺仪可分为激光陀螺与光纤陀螺，原理基于萨格奈克效应，其特点是反应时间短、动态范围大、可 靠性高、环境适应性强、易维护、寿命长。光学陀螺技术较为成熟，精度高，随着产品迭代，光学陀螺及其系 统应用从战术级应用逐步拓展到导航级应用，在陆、海、空、天等多个领域中得到批量应用。 　　激光陀螺，是指利用激光光束的光程差测量物体角位移的装置。例如，一个三角形环状激光器，其中放置 激光发生器，产生氦氖激光在三角形三个顶端放置反射镜形成闭合光路，使分光镜将一束激光分为正反两向传 播的两束激光。当物体（激光器）没有角位移时，两束激光没有光程差，它们会聚在一起时不相干涉。如果物 体移动产生角位移，两束激光相遇时就会产生干涉，利用光的干涉条纹测出物体的角位移，以此计算出物体的 角速度，从而完成机械式陀螺同样的任务。 激光陀螺集光、机、电、算等尖端科技于一身，广泛覆盖陆海空天多个领域。激光陀螺是衡量一个国家光 学技术发展水平的重要标志之一。它的精度大大高于机械式陀螺，没有运动部件，易于维护，可靠性高，寿命 长，从而取代机械式陀螺，成为大中型飞机惯性基准系统的核心部件。在航海方面，作为导航仪器，激光陀螺 导航系统是当今美国海军水面舰船和潜艇的标准设备。 　　光纤陀螺仪与传统的转子陀螺仪相比，不使用机械转动件，灵敏度更高，与环形激光陀螺仪相比，不需要 光学腔的精密加工、机械偏置和高压电源，制造工艺更为简单，使用寿命更长；与 MEMS 陀螺仪相比，在技术性能和环境适应性上具有优势。因此光纤陀螺仪是目前国内惯性技术领域应用范围最广的陀螺仪。 振动陀螺仪基于哥氏振动效应和微纳加工技术，典型代表是半球谐振陀螺和 MEMS 陀螺。半球谐振陀螺 是哥式振动陀螺仪中的一种高精度陀螺仪，正逐步在空间、航空、航海等领域开展应用，但受限于结构及制造 技术，市场上可规模化生产的企业较少，现阶段主要应用于高精度的空间领域。 　　振动陀螺仪中的 MEMS 陀螺仪具有体积小、质量轻、集成化程度高、功耗低、成本低等优点，相比光学陀 螺仪和机械转子陀螺仪，现阶段其精度还相对较低，环境适应性能力较低。在消费类电子方面，低精度 MEMS 陀螺仪应用领域不断拓展，主要用在手机、游戏机、音乐播放器等手持设备上，使得人机互动达到一个新的高 度；中级 MEMS 陀螺仪主要用于汽车电子稳定系统、GPS 辅助导航系统、精密农业、工业自动化、大型医疗设 备等；在军工领域，现阶段高精度的 MEMS 陀螺仪还不够成熟，应用较少。 　　原子陀螺仪基于现代量子力学技术。典型代表为核磁共振陀螺、原子干涉陀螺。其目标是实现高精度、高 可靠、小型化和更广泛应用领域的导航系统，核磁共振陀螺仪和原子干涉陀螺仪则分别处于工程样机阶段和原 理样机阶段。 　　随着物理学、新材料、高度专业化制造以及其他相关技术的发展，核磁共振陀螺有望在 5 到 10 年内以捷联 方式应用于无人机、水下潜航器、地面车辆、临近空间飞行器以及单兵装备等任何需要小尺寸和低功率高精度 导航的民用和军事领域。 光脉冲原子干涉陀螺仪经过近 30 年的研发努力和技术尝试，逐渐形成了一些较为成熟的技术方案或者构 型。若按照所采用的原子束源的类型来分类，可以分为连续型原子干涉陀螺仪和脉冲型原子干涉陀螺仪，二者 的原子波源分别为连续出射的原子束和脉冲式抛射的冷原子云团。若按照 Raman 光与原子相互作用的构型进行 分类，则分为上述的三脉冲和四脉冲构型。 凭借其灵敏度高、长期稳定性好、扩展性强的技术特点，原子干涉陀螺仪成为当前超高精度陀螺仪研制的 一种主流方案。经过 30 余年的迭代，原子干涉陀螺仪历经第一代原理验证与第二代高性能实验室演示的发展， 其零偏不稳定性达到了纳弧度每秒（nrad/s）量级。 　　

　　3.3 加速度计：军用石英加计成为主流，民用 MEMS 成为主流 　　加速度计是惯性测量和导航系统的主要惯性件之一，它的输出与运载体的运动加速度成比例。其作用原 理是基于牛顿的经典力学定律。加速度计测量出运载体的线加速度，经一次积分可获得运动速度，经两次积分 便获得位置数据。因此，在惯性测量和导航系统中，对加速度计的精度指标要求相当高，通常要求加速度计的 灵敏度极高，各种性能系数的稳定性也极高。 线加速度计的种类很多，由发展时间的先后依次为：三四十年代的摆式积分陀螺加速度计和宝石轴承摆式 加速度计；60 年代中期开始发展起来的液浮摆式加速度计、挠性加速度计、压电加速度计、电磁加速度计等， 以后是静电加速度计、激光加速度计；70 年代以后，除了上述各类加速度计不断改进提高之外，多功能传感器 和其他基于新支承形式、新材料、新工艺的加速度计蓬勃发展。尤其是硅基集成式微加速度计，近 10 年来成为 竞相研制的热点。 根据加速度计的核心性能参数情况，一般将加速度计分为战略级、导航级、战术级、消费级。 　　加速度计有各种分类方法。通常综合几种不同分类法的特点来命名一种加速度计，目前，加速度计的类型 主要有摆式积分陀螺加速度计、挠性摆式加速度计、石英振梁式加速度计、硅微机械加速度计、微光学加速度 计、原子加速度计和光力学加速度计等。目前，成熟的加速度计产品精度从高到低依次是积分陀螺加速度计、 石英振梁加速度计、挠性摆式加速度计和 MEMS 加速度计，已经覆盖了目前绝大部分的应用场景。 　　按检测质量的运动方式可分为线位移加速度计和摆式加速度计，前者是测量检测质量沿导轨方向的直线位 移量，后者是测量检测质量绕支承摆动而产生的角位移量。 按测量系统形式分，有开环式和闭环式两类。开环式加速度计又称为简单加速度计，被测的加速度值经敏 感件、信号传感器、放大器变成电信号直接输出。闭环式加速度计又称为力平衡式加速度计（又称力反馈加 速度计或伺服加速度计），被测的加速度变成电信号后，加到力矩器上，使活动机构恢复平衡位置。 按输出信号分，有加速度计、积分加速度计和双重积分加速度计，分别提供加速度、速度和距离信息。按 测量的自由度分，有单轴、双轴、三轴加速度计。 按测量加速度的原理分，有压电、振弦、振梁、光学和摆式加速度计。按支承方式将其分为宝石支承、挠性 支承、气浮、液浮、磁悬浮和静电悬浮等。 　　摆式积分陀螺加速度计是利用在自转轴上有一定摆性的积分陀螺来测量比力的装置。多用于导弹制导系统， 由积分陀螺、伺服电机和单轴转台等组成。在陀螺的自转轴上，有一个偏离输出轴一定距离的不平衡质量，形 成摆。当沿输入轴有加速度作用时，惯性力矩使摆绕输出轴转动，角度传感器即产生一个正比于框架转角的电 压信号，经放大后送入伺服电机、使装有陀螺的转台转动而在陀螺框架上产生一个陀螺力矩来平衡惯性力矩， 使陀螺转子轴趋向于零位。单位时间内转台的转角即加速度的量度的精度为 10-8g～10-5g（量级），是技术成熟 且精度最高的机械式加速度计，但其结构复杂、体积及质量大、成本高，目前应用于远程战略导弹和大型运载 火箭的惯性制导系统。 　　挠性摆式加速度计和石英振梁加速度计是目前主流的工程应用加速度计，挠性摆式加速度计包括石英、金 属和硅基挠性加速度计，具有体积小和精度高的优点，精度为 10-6g～10-3g（量级），主要应用于海陆空导航和 战术级至导航级导弹制导等领域。 石英挠性加速度计是机械摆式加速度计的主流产品，精度可达 10-6g 水平，技术已成熟且应用最广。当有加 速度作用于检测石英摆敏感质量时，摆质量因惯性而偏离平衡位置，电容检测器差动地检测摆质量的位移量， 并输出与此位移量成正比的电信号，经伺服电路放大处理，向力矩器线圈提供电流，该电流与永久磁铁作用的 结果是产生一平衡力，以平衡作用于摆质量的惯性力，使摆质量处于新的平衡位置。力矩器线圈所施加的电流 大小代表输入加速度的大小，电流方向代表输入加速度的方向。 　　石英振梁加速度计是一种基于石英振梁力频特性的新型高精度固态传感器。激振电路对石英振梁进行压电 激励，使其在谐振频率点处形成弯曲振动，质量块将外界的输入加速度转换成作用在振梁上的轴向力。结合振 梁的力频特性，通过改变振梁的刚度使其谐振频率发生变化，检测两个振梁的频率差获得加速度的大小和方向 信息。石英振梁加速度计抗环境噪声能力较强，精度较石英挠性加速度计稍高，可应用于导航级惯性系统。体 积小巧的中低精度石英振梁加速度计利用谐振器的力频率特性来测量加速度，在国外已有大量应用。 　　MEMS 加速度计是一种能够测量物体线加速度的器件，通常由质量块、阻尼器、弹性件、敏感件和适 调电路等部分组成。按工作原理划分，MEMS 加速度计可以分为以下类型：电容式、压电式、热感式、谐振式 等。其中，电容式 MEMS 加速度计是目前应用最多的类型。电容式 MEMS 加速度计具有检测精度高、受温度 影响小、功耗低、宽动态范围、以及可以测量静态加速度等优点，被广泛应用于消费电子、汽车、工业、高可靠 等各个领域。高精度的 MEMS 加速度计已有成熟产品的精度为 10-4g～10-3g（量级），可基本满足战术级需求， 已在国外武器系统中广泛应用。MEMS 谐振式加速度计的精度已经达到 10-6g（量级），但还处于实验室研究阶 段。 　　

　　欧美多国仍在大量投入研发具有更高精度潜力的下一代加速度计，主要是基于光学效应、量子效应（物质 波干涉）和光力耦合效应等的新型高精度加速度计。光力学加速度计具有前所未有的测量精度，可接近甚至突 破标准量子极限，是与原子干涉加速度计精度相当的下一代高精度加速度计，发展潜力巨大。 随着硅光集成技术的快速发展，融合光学效应传感和微加工技术的微光学加速度计（MOEMS）获得了快 速发展。与传统加速度计相比，微光学加速度计具有体积小、精度高和抗电磁干扰的优点，主要分为微纳光纤 环式、亚波长谐振式、光波导光强检测式、微结构光栅式和光纤 F-P 腔式等，有望用于中、高精度惯性导航领 域。原子干涉（量子）加速度计是利用物质波干涉技术的新型惯性器件，利用激光冷却操控原子分束、合束发 生干涉，通过冷原子团自由落体时间测量加速度。原子干涉加速度计具有超高的长期稳定性，精度可以达到 10 －9g。近年来，有学者提出基于光力悬浮微球介质的悬浮光力学加速度计和基于光场、机械结构相互耦合的腔光 力学加速度计。 　　四、细分产业链众多，发展潜力巨大 　　4.1 未来发展趋势：高精度、低成本、小体积等 　　为不断提升竞争力，惯性系统正向着高精度、小体积、抗恶劣环境、快速启动、标准化、货架式方向发展， 关键技术包括系统的数字化、集成化、通电快速热稳定及动态快速对准（含自主对准和传递对准）等技术。平 台式惯性系统需充分利用最新控制理论和控制技术来进一步改善其稳定回路的性能；捷联式系统将越来越多地 采用数字化固态惯性仪表和系统集成一体化、先进数据滤波等技术，使其综合性能不断提高。另外，随着深空 探测任务的逐步实施和惯性技术水平的不断提高，今后的研究还包括月球、火星等地外星球表面和行星际航行 的惯性导航理论、误差模型及工程实现技术。 　　另一方面，惯性仪表则正不断向更高精度（如原子陀螺）、更小型化（如 MEMS 陀螺）等方向发展。现有 转子式、光学陀螺等惯性仪表及配套器件的精度、可靠性等性能还需要进一步提高。新概念惯性仪表不断提 出，如光子晶体光纤陀螺、MEMS 陀螺、集成光学/MOEMS 陀螺、原子干涉/自旋陀螺及多类新型加速度计等， 研究重点是新原理、新方法、新工艺。 惯性导航技术自身的发展主要依靠三方面科技发展水平的支撑：新型的测量原理、惯性器件及先进的制造 工艺技术、计算机软硬件技术。早期惯性导航系统是以机械陀螺为核心、以模拟电路为主要硬件实现形式的机 械框架平台式惯性导航系统。随着计算机硬件技术发展，硬件计算速度大幅度提高、存储容量进一步扩大，逐 渐发展出机械陀螺的捷联式惯性导航系统，而且捷联式惯性导航系统的计算速度和功能不断提高。关键器件的 陀螺则由机械式陀螺发展到光学陀螺（即光纤陀螺和激光陀螺），这是惯性技术发展的一大革命，与以前的机械 陀螺器件有着本质的区别。光学陀螺测量角速度的传感器已经没有机械转子，因此使得捷联式惯性导航系统的 测量范围足够大，且系统的数字化程度大幅提高。目前，激光捷联惯导系统和光纤捷联惯导系统分别占据高、 中精度的应用领域。在可预见的未来，光纤陀螺惯导系统将向高精度方向发展，而激光陀螺惯导系统将向小型 化方向发展。 　　总体而言，随着惯性技术不断发展，惯性仪表与惯性系统技术主要向着高性能、低成本和小型化方向发展， 分别满足战略武器的高精度需求、各种常规运载体导航及稳定平台的高动态与高可靠性需求、民用市场的低成 本与大批量需求等不同需求。 　　4.2 产业链不同环节差别较大，下游应用市场潜力巨大 　　惯性导航系统 2024 年市场规模预计达 459.7 亿，军用市场为主要下游应用场景。根据头豹研究院预测， 2024 年中国惯性导航军用市场规模为 340.2 亿，民用市场规模为 119.5 亿，其中军用市场占比为 74%，是 中国惯性导航的主要下游应用场景。 　　惯性导航产业链分为上游器件及材料层、中游惯性器件层和下游系统层三个环节。其中产业链上游参与 主体为器件及材料供应商，主要包括光纤、晶圆、电子器件等；产业链中游为惯性器件生产企业，主要包 括陀螺仪和加速度计等；产业链下游为惯性组合导航系统成商，其主要产品包括信息采集处理模块、测量单 模块，以及对各模块进行系统集成和软件设计；下游应用则为各类型军用车、导弹、船舰、航天等军工单位及 消费电子、无人机、自动驾驶等相关行业民用企业。 　　

　　产业链中上游研发和制造难度大，催生“专精特新”小巨人的诞生。惯性器件对惯性导航起到决定性作用， 且其技术门槛高，是产业链的核心部分，而不同技术路线核心壁垒环节有所不同，以光纤陀螺和 MEMS 陀螺为 例，前者核心环节更偏上游，光纤环、Y 波导等核心零部件为主要壁垒，后者核心环节更偏中游，MEMS 陀螺 的设计和制造能力为主要壁垒。因此有较多掌握核心技术的民营企业参与，如长盈通、芯动联科、上海傲世、 世维通等。 　　产业链下游对硬件集成、算法和定制化要求较高，研发投入周期较长，故多为军工院所。产业链下游主要 根据应用端客户的需求，对上游器件厂商生产的标准化惯性器件进行惯性技术测试等相关工序，根据参数及目 标工作环境调整惯性技术系统以对惯性器件进行纠偏、补偿等，集成相关功能性芯片、基础器件等工序，并选用适当算法、参数，开发适合客户行业及工作特点的软件，最终集成为能够让下游终端用户直接应用的惯性 技术产品。由于下游企业需要长期跟随武器型号进行预研，故研发周期较长，多为军工核心院所，如中国航天 科工集团第三研究院第三十三研究所、西安现代控制技术研究所、中国兵器工业导航与控制技术研究所、航天 十三所、航空六一八所等，民营企业市场份额较小，如理工导航、星网宇达等。 　　（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。） 　　报告来源：【未来智库】。