陀螺仪最新报告【免费获取】

编辑：感知芯视界 万仞

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惯性导航系统（以下简称惯导系统）是一种通过测量运载体加速度，并自动进行积分运算，获得运载体的瞬时速度和瞬时位置数据的技术。组成惯导系统的设备都安装在运载体内，惯导系统在工作时能够不依赖外界信息，也不向外界辐射能量，不易受到干扰，是一种自主式的导航系统。

表1 惯性导航与卫星导航的比较

数据来源：公开信息，中航信托股权团队整理

惯导系统的基本工作原理是：利用陀螺仪和加速度计测量运载体在惯性参考系下的加速度和角速度，并对时间进行积分、运算得到速度和相对位置，且把它变换到导航坐标中，这样结合运载体最初的位置信息，就可以得到运载体现在所处的位置。除了部分特殊应用场景外，大部分运载体通常以惯导系统为主，同时结合卫星导航系统进行误差修正，以提高导航系统整体性能。

图1 惯导系统工作原理

资料来源：中信建投证券研究发展部

惯导系统应用领域包括军用和民用两部分。在军用领域，惯导系统在舰艇船舶、航空飞行器、航天飞机、制导武器、陆地车辆、机器人等装备上均有所应用；民用市场包括大地测量、石油钻井、电子交通、汽车安全、消费电子等领域。

陀螺仪是惯性导航系统中的核心器件之一，用于测量运载体的角运动。通常情况下，每套惯性测量装置包含三组陀螺仪，分别测量三个自由度的角加速度，用于对初始速度、位置的叠加运算，得到物体在空间位置中的运动方向和速度，并最终实现导航功能。

图2 陀螺仪和加速度针装在运载体上的示意图

资料来源：百度百科

陀螺仪的发展，呈现出高精度、小型化、可靠性强的发展趋势。20世纪70年代后，随着光学、微电子技术和哥式振动效应在陀螺仪领域的应用，基于不同测量原理的光学陀螺仪（激光陀螺和光纤陀螺）、MEMS陀螺和半球谐振陀螺应运而生。当前，惯导陀螺仪应用主要以这四类陀螺为主，但在某些特殊场景，三浮陀螺仪等陀螺仪仍有使用。

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表2 陀螺仪发展历程

数据来源：公开信息，中航信托股权团队整理

根据中华人民共和国航天行业标准QJ1079A-2004《陀螺仪主要精度指标和测试方法》、国军标GJB2426-95《光纤陀螺测试方法》，惯性陀螺仪主要精度指标包括系统性漂移率、系统性漂移率的稳定性和随机性漂移率。

表3 惯导陀螺仪主要精度参数

数据来源：《陀螺仪主要精度指标和测试方法》、《光纤陀螺测试方法》，中航信托股权团队整理

根据应用场景和精度要求不同，可以将惯性导航所需陀螺仪分为战略级、导航级、战术级和消费级。其中，激光陀螺、光纤陀螺和半球谐振陀螺主要应用于战术级、导航级与战略级场景，MEMS陀螺主要应用于消费级场景。

表4 惯导陀螺仪分类与对比

数据来源：公开信息，中航信托股权团队整理

1、激光陀螺

激光陀螺（RLG）主要利用光程差原理——Sagnac效应来测量角速度。两束光波沿着同一圆周路径反向而行，而光源与圆周均发生旋转时，两束光的行进路程不同，产生了相位差，通过测量该相位差可以测出载体角速度。

图3 激光陀螺仪及其原理示意图

资料来源：《对Sagnac效应的一种解释》、《激光陀螺仪的分析及发展方向》，中航信托股权团队整理

激光陀螺精度较高，制造价格相对昂贵，因此主要在战略级、导航级和战术级惯性导航系统中应用，主要满足航空航天、海军舰船等军事装备的较高精度需求。

表5 激光陀螺仪优缺点

数据来源：公开信息，中航信托股权团队整理

2、光纤陀螺

光纤陀螺（FOG）基于与激光陀螺相同的基本原理——Sagnac效应来测量角速度，使用来自激光器的两个光束被注入到相同的光纤中，但是在相反的方向上由于Sagnac效应，抵抗旋转行进的光束经历比另一个光束稍短的路径延迟。因此光纤陀螺能够通过干涉测量来测量所得到的差分相移，从而将角速度的一个分量转换为光度测量的干涉图案的偏移，进而实现对角运动的测量。

图4 光纤陀螺仪及其原理示意图

资料来源：《对Sagnac效应解释》、《光纤陀螺仪的发展现状》，中航信托股权团队整理

当前，中高精度的光纤陀螺被应用在航空航天等武器装备领域，低成本、低精度光纤陀螺仪主要被应用在石油勘察、农用飞机姿态控制、机器人等许多精度要求不高的民用领域。

表6 光纤陀螺仪优缺点

数据来源：公开信息，中航信托股权团队整理

3、MEMS陀螺

MEMS陀螺主要由MEMS芯片和ASIC芯片构成。通过ASIC的驱动控制，MEMS芯片感应外部待测信号并将其转化为电容、电阻、电荷等信号变化，从而实现外部信息的获取与交互。

图5 MEMS陀螺仪内部结构示意图

资料来源：芯动联科招股说明书，浙商证券研究所

受到精度限制，MEMS陀螺主要用于消费级的应用场景，包括消费电子、汽车、医疗、工业、通信等多个领域。从2021年市场规模来看，消费电子、汽车和工业市场是MEMS最大的三个细分市场。

表7 MEMS陀螺仪优缺点

数据来源：公开信息，中航信托股权团队整理

4、半球谐振陀螺

传统三件套结构的半球谐振陀螺主要由半球谐振子、激励罩和读出基座三部分组成，新型半球谐振陀螺则由半球谐振子和读出基座两部分组成，半球谐振子是半球谐振陀螺的核心器件，半球谐振子的性能决定了陀螺的性能【1】。

半球谐振陀螺的工作原理为：利用哥式振动效应，通过半球谐振子径向振动产生的驻波沿环向的进动效应来感测基座的旋转，读出基座将角运动等信息输出，进而确定运载体的旋转角度或速度信息。

图6 半球谐振陀螺仪示意图

资料来源：《半球谐振陀螺研究现状与发展趋势》、《半球谐振陀螺发展综述》等，中航信托股权团队整理

传统半球谐振陀螺由于其极高精度、高可靠性和长寿命等特性，能够满足运载体长航时、高精度等方面的导航需求，因此主要被应用于空间飞行器、探测器以及卫星等高价值战略级项目中。但另一方面，传统半球谐振陀螺存在着动态范围小、应用范围狭窄等问题，因此长期以来其应用场景十分有限，导致该项技术并未得到大范围应用。

直到近十年来，法国和美国等国家实现了在新型半球谐振陀螺技术上的突破，有效解决了传统半球谐振陀螺动态范围小、应用范围狭窄等问题。

目前，半球谐振陀螺部分产品精度性能已超越光学陀螺。此外，半球谐振陀螺以其极为优异的SWaP（Size，Weight and Power）特性以及超高的可靠性，迅速引起国内外的高度关注【2】。

表8 半球谐振陀螺优缺点

数据来源：公开信息，中航信托股权团队整理

5、三类陀螺主要指标对比

近年来，随着半球谐振陀螺在成本降低、工艺提升等方面取得的技术突破，使半球谐振陀螺成为最具市场潜力的陀螺仪，基于美法等国的成功先例，半球谐振陀螺或将实现对光学陀螺的部分替代，改变惯性导航技术与装备体系格局【2】。

图7 三类陀螺的综合性能指标对比

资料来源：《半球谐振陀螺研究现状、关键技术和发展趋势分析》、《2021年国外惯性技术发展与回顾》，中航信托股权团队整理

2018年3月，在第五届IEEE惯性传感器与系统国际研讨会上，法国SAFRAN公司以《产自赛峰公司的半球谐振陀螺—改变游戏规则的技术》为题，对半球谐振陀螺原理、应用和极限精度测试做了发言，SAFRAN公司认为半球谐振陀螺技术是惯性领域“改变游戏规则”的创新性技术，可以取代环形激光陀螺和光纤陀螺，其发言内容在全球惯性技术领域内引起了巨大反响【3】。

2019年美国机构DAPRA公布了比较研究：SAFRAN公司的半球谐振陀螺被评为在导航级中具有最佳成本/尺寸/质量/功率（Cost Size Weight and Power，C-SWaP）的传感器【4】。

目前半球谐振陀螺的精度可达0.0001°/h，连续寿命为20年，可靠度达0.995，与当下的激光陀螺和光纤陀螺相比，半球谐振陀螺结构简单、零部件数大大减少，理论上精度不依赖于尺寸，噪声性能不受量子效应限制，因此，半球谐振陀螺是最有潜力实现高精度、小型化、低成本的陀螺仪。

全球市场方面，根据YOLE报告，2019年全球各型陀螺（MEMS陀螺、光纤陀螺、激光陀螺、半球谐振陀螺以及其他）市场规模合计约230亿元，预计2025年全球各型陀螺市场规模将达300亿元，2030年全球陀螺市场规模达370亿元。

图8 2019～2025年全球惯导陀螺在国防军事、航海航空等领域市场规模（百万美元）

数据来源：YOLE，中航信托股权团队整理

如下图所示，半球谐振陀螺的应用范围跨度较大，涵盖了战略级至战术级领域，激光陀螺和光纤陀螺主要应用于导航级和战术级领域，而MEMS陀螺主要应用于消费级领域。

图9 四类惯导陀螺部分参数比较

资料来源：公开资料，中航信托股权团队整理

四类陀螺仪的具体应用场景和应用情况介绍如下表所示。

表9 四类陀螺仪应用场景及应用情况

数据来源：公开信息，中航信托股权团队整理

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根据美国国防部的公开数据，美国国防部将从事惯性技术领域研究和开发的国家划分为四个层次：第一层次为美国、英国和法国，完全具备自主研究和开发惯性技术能力；第二层次为俄罗斯、德国、以色列和日本，具备大部分自主研发能力；第三层次为中国、澳大利亚、加拿大、瑞典、乌克兰，具备部分研发能力；第四层次为韩国、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。

1、美国

激光陀螺仪方面，美国相关企业包括霍尼韦尔公司、诺格公司、基尔福特公司等。其中，霍尼韦尔是激光陀螺仪领域研发领先企业，霍尼韦尔公司主要激光陀螺仪产品包括GG1308、GG1320、GG1342、GG1389，其中，高精度以GG1389为代表，其零偏稳定性达到了1.5×10-4°/h，是世界上精度最高的激光陀螺仪。GG1308陀螺仪主要美军JDAM联合直接攻击炸弹和制导多管火箭发射系统等装备。

光纤陀螺方面，美国处于领先地位，相关企业有美国诺格公司、霍尼韦尔公司等。其中，诺格光纤陀螺仪产品线较为丰富，在光纤陀螺仪领域占据领先地位。公司自1988年开始研制基于光纤陀螺仪IMU系统，代表产品分为uFORS系列与FOG-200系列。前者具有精度低、小型化特征；后者具有精度高的特点，多用于IMU、AHRS等军用系统。

图10 诺格公司部分光纤陀螺仪惯导产品

数据来源：诺格公司官网，中信建投证券研究发展部

军用MEMS陀螺方面，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。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。

相关研究机构在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。

半球谐振陀螺方面，美国企业的传统半球谐振陀螺技术处于领先地位。美国是世界上最早研究半球谐振陀螺的国家，美国诺格公司HRG130体积小、精度高，奠定了美国半球谐振陀螺的领先地位，成为业界研究半球谐振陀螺的原型。诺格公司最新型高精度半球谐振陀螺HRG130P针对哈勃望远镜精确指向开发的半球谐振陀螺，其测试阶段零偏稳定性达到0.00008°/h，角度随机游走达到0.00001°/h，为当前国内外半球谐振陀螺已报道的最高指标。

表10 美国半球谐振陀螺研制进展

数据来源：公开信息，中航信托股权团队整理

2、法国

激光陀螺方面，法国SAFRAN公司是欧洲最大的激光陀螺仪生产厂家。公司于1977年开始涉足激光陀螺仪领域，其激光陀螺仪产品主要以GLC-8、GLC-l6和GLS-32激光陀螺仪为主。其中，GLC-8型陀螺仪零偏稳定性0.1~10°/h，主要用于射程60~100km的战术导弹；GLC-l6型陀螺仪零偏稳定性0.01°/h，主要用于直升机、小型运载火箭等；GLS-32陀螺仪主要用于航空及潜艇的捷联惯导系统。

光纤陀螺方面，法国SAFRAN公司的产品主要应用于APIRS姿态航向参考系统，并最终应用于直升机。

半球谐振陀螺方面，法国企业正在推动半球谐振陀螺成为下一代最有潜力的陀螺技术【2】。法国SAFRAN公司为法国海军提供全部的主力战舰惯导设备，进入21世纪以来，SAFRAN公司一直以半球谐振陀螺技术作为战略发展方向，坚信半球谐振陀螺将是取代现有光学陀螺或静电陀螺的下一代最有潜力的陀螺技术，并且能满足超高精度（如战略核潜艇）的应用需求，因此将其作为研发的核心和重点产品。

表11 法国半球谐振陀螺研制进展

数据来源：公开信息，中航信托股权团队整理

1、惯导技术在军民领域应用广泛，中国惯性导航市场将持续发展。

惯性导航系统作为一种完全自主的导航系统，被广泛应用在军民领域。作为现代国防系统的核心和关键技术产品，惯导系统技术及其发展水平直接影响着国防武器装备的先进性。

当前，我国惯性导航市场处于快速发展阶段。根据头豹研究院预测，2019年至2024年中国惯性导航行业市场规模年复合增长率达20.0%，预计2024年中国惯导行业市场规模达430亿元。在2027年建军百年奋斗目标和2035年全面实现国防现代化建设的背景下，我国惯性导航市场将保持高速发展。

2、半球谐振陀螺作为国际前沿技术，有望重构惯导技术与装备体系。

陀螺仪是惯性导航系统的核心装置，影响着惯导系统的发展。近年来，随着半球谐振陀螺在成本降低、工艺提升等方面取得的技术突破，半球谐振陀螺已成为最具市场潜力的陀螺仪。

在实际应用方面，半球谐振陀螺已被美法两国批量应用于国防装备领域，并向高端民用场景进行拓展。面向未来，半球谐振陀螺将继续向高精度、大动态、低成本、小型化发展，推动其适应更多导航级、战术级应用场景，这或将改变惯性导航技术格局，助力惯导系统朝向小型化、高可靠性趋势发展【6】。

3、半球谐振陀螺具备C-SWaP突出优势，推动军用惯导系统提质增效。

与当下的激光陀螺和光纤陀螺相比，新型半球谐振陀螺结构简单、零部件数大大减少，理论上精度不依赖于尺寸，噪声性能不受量子效应限制，是具有更佳的尺寸、质量、功耗比和成本（C-SWaP）的陀螺仪。

近年来，我国众多科研院所积极开展新型半球谐振陀螺研究工作，持续攻克半球谐振子工艺、控制环路、信号提取及补偿等关键技术，推动半球谐振陀螺向卫星平台以外的其他场景应用。随着我国惯导系统建设的不断推进以及新型半球谐振陀螺技术的突破，相信在不远的未来，半球谐振陀螺将迎来产业化发展机遇，其C-SWaP潜质得到充分体现，进而促进我国军用惯导系统建设的提质增效与降本赋能。

西安精谐科技有限责任公司位于中国西安，是一家专业从事高精度球面加工技术研究和应用、高精度球面珩研设备、自动化产线及惯性仪表（陀螺）等产品的集科研、制造与销售于一体的高新技术企业。所生产的产品广泛的应用于航天、航空、航海、地面装甲、兵器等军工领域，同时在石油勘探、煤矿采掘、液压、球阀、医疗、测量、机电、机械、汽车、轨道交通等民用领域也有普遍的应用。

公司团队在多年高精度球面加工技术研究与应用的工艺累积基础上，运用自主研发的有专利权的一系列高精度球面珩研机，于2019年攻克了半球谐振陀螺核心部件半球谐振子的制造难关，产品精度达到外球面0.3μm圆度，内球面0.5μm圆度，同轴度达到0.7μm，表面粗糙度0.012μm，Q值≥1000万，频差≤0.1赫兹，国内处于技术领先水平，目前已成功开发出原理样机，具备小批量生产能力，有效地支持了国内半球谐振陀螺的研制。

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参考文献：

[1] 淦述荣,刘志强,宋丽君等.2021年国外惯性技术发展与回顾[J].导航定位与授时,2022,9(03):23-30.

[2] 曲天良.半球谐振陀螺研究现状、关键技术和发展趋势分析[J].光学与光电技术,2022,20(02):1-16.

[3] Delhay F. HRG by SAFRAN: the game-changing technology[C].IEEE International Symposium on Inertial Sensors and Systems,2018.

[4] 薛连莉,沈玉芃,徐月.2019年国外惯性技术发展与回顾[J].导航定位与授时,2020,(7):60-66.

[5] D Damianos，G Girardin. High-end inertial sensors for defense，aerospace & industrial applications[R].Lyon Villeurbanne:Yole Development,2020.

[6] Y Foloppe，Y Lenoir. HRG CrystalTM DUAL CORE：Rebooting the INS revolution[C]//2019 DGON Inertial Sensors and Systems(ISS).Braunschweig:IEEE,2019.