我国惯性导航产品市场研究报告.doc

我国惯性导航器件市场分析一、市场背景导航是一个技术门类的总称，它是引导飞机、船舶、车辆以及其它飞行体安全、准确地沿着选定的路线，准时到达目的地的一种手段。导航的基本功能是回答：我现在在哪里？我要去哪里？如何去？导航可以说是一门古老的技术，人类在相当早的时期就已经运用。在天气晴朗的时候，利用天空的星星来测定船体的方位，以判定航向，这可能是导航技术的最早应用。指南针的发明和使用，可说是海洋导航技术的一次革新。但是，由于地磁场分布不均，常使磁罗盘产生较大的误差。无线电导航技术的发明，克服了天气因素的影响，就其准确性和实用性而言，无疑具有革命性的意义。然而，在荒漠或海洋没有无线电发射台的地方，航向偏移的问题仍有可能发生。1957年，苏联发射了第一颗人造地球卫星。之后，各种类型、用途的卫星不断升空。空间新技术的发展，使人们的目光重新投向天空，卫星导航的新思路由此产生。于是，一些距离地球万里之遥的特制人造卫星开始围绕地球运转，同时发出信号。这种信号在地球上任何地方及任何气候条件下，都能用简单的仪器接收到。导航由此变得更加简单、准确。二、导航技术发展历程根据所采取的技术途径，导航技术分为天文导航、无线电导航、卫星导航及惯性导航四种类型。（一）天文导航天文导航是指根据天体来测定飞行器位置和航向的航行技术。天体的坐标位置和它的运动规律是已知的，测量天体相对于飞行器参考基准面的高度角和方位角就可以计算出飞行器的位置和航向。天文导航系统是自主式系统，不需要地面设备，不受人工或自然形成的电磁场的干扰，不向外辐射电磁波，隐蔽性好，定向、定位精度高，定位误差与时间无关，因而天文导航得到广泛应用。1、发展简况中国古籍有很多关于将天文应用于航海的记载。西汉淮南子·齐俗训：“夫乘舟而惑者，不知东西,见斗极则寤矣。”明武备志所收的过洋牵星图记有南北、东西星体在水天线上若干指（角度单位）的数据，用以估计船位。 欧洲在15世纪以前仅能白昼顺风沿岸航行。15世纪出现了用北极星高度或太阳中天高度求纬度的方法。当时只能先南北向驶到目的地的纬度，再东西向驶抵目的地。16世纪虽然已有观测月距（月星之间角距）求经度法，但不够准确，而且解算繁冗。18世纪六分仪和天文钟先后问世，前者用于观测天体高度，大大提高了准确性；后者可以在海上用时间法求经度。1837年美国船长T.H.萨姆纳发现天文船位线，从此可以在海上同时测定船位的经度和纬度，奠定了近代天文定位的基础。1875年法国海军军官圣伊莱尔发明截距法，简化了天文定位线测定作业，至今仍在应用。2、基本原理航空和航天的天文导航都是在航海天文导航基础上发展起来的。航空天文导航跟踪的天体主要是亮度较强的恒星。航天中则要用到亮度较弱的恒星或其他天体。以天体作为参考点，可确定飞行器在空中的真航向。使星体跟踪器中的望远镜自动对准天体方向可以测出飞行器前进方向（纵轴）与天体方向（即望远镜轴线方向）之间的夹角（称为航向角）。由于天体在任一瞬间相对于南北子午线之间的夹角（即天体方位角）是已知的。这样，从天体方位角中减去航向角就得到飞行器的真航向。通过测量天体相对于飞行器参考面的高度就可以判定飞行器的位置。3、天文导航的应用航空常用的天文导航仪器有星体跟踪器、天文罗盘和六分仪等。自动星体跟踪器(星敏感器)能从天空背景中搜索、识别和跟踪星体，并测出跟踪器瞄准线相对于参考坐标系的角度。天文罗盘通过测量太阳或星体方向来指示飞行器的航向。六分仪通过对恒星或行星的测量而指示出飞行器的位置和距离。天文导航经常与惯性导航、多普勒导航系统组成组合导航系统。这种组合式导航系统有很高的导航精度，适用于大型高空远程飞机和战略导弹的导航。把星体跟踪器固定在惯性平台上并组成天文惯性导航系统时，可为惯性导航系统的状态提供最优估计和进行补偿，从而使得一个中等精度和低成本的惯性导航系统能够输出高精度的导航参数。在低空飞行时因受能见度的限制较少采用天文导航，但对于高空远程轰炸机、运输机和侦察机作跨越海洋、通过极地、沙漠上空的飞行，天文导航则很适用。对于远程弹道导弹，天文导航能修正发射点的初始位置和瞄准角误差，所以特别适用于机动发射的导弹。弹道导弹可在主动飞行段的后期使用天文导航，也可借天文导航完成再入后的末制导用以修正风的影响。星体跟踪器对星体的瞄准能建立精确的几何参考坐标，并且在空间没有云的干扰，因而天文导航（星光制导）在航天器上得到更广泛的应用。 （二）无线电导航1、简介无线电导航是 飞机广泛使用的导航装置，指利用无线电引导飞行器沿规定航线安全达到目的地的技术。导航和定位密切相关 ，连续定位实质上就是导航。无线电导航主要利用电磁波传播的 3个基本特性：电磁波在自由空间的直线传播。电磁波在自由空间的传播速度是恒定的。电磁波在传播路线上遇到障碍物时会发生反射。2、基本原理由于无线电信号的接收具有方向性，特殊设计的天线与发出信号的电台方向不同，接收信号强弱有很大差别。利用这个原理，通过测量无线电导航台发射信号(无线电电磁波)的时间、相位、幅度、频率参量，可确定运动载体相对于导航台的方位、距离和距离差等几何参量，从而确定运动载体与导航台之间的相对位置关系，据此实现对运动载体的定位和导航。3、无线电导航的应用无线电导航按作用距离分近程、远程和洲际，也可根据原理的差别分成测距导航、测角导航和多普勒导航。 20世纪30年代，无线电导航开始用于飞机，这时主要是无线电罗盘和四航道无线电信标。二战期间，无线电导航获得大发展，由近距扩大到远距，由中波扩展到短波和超短波。1942年10月美国开始试验罗兰远距无线电导航系统，英国同时研制并使用了“奇”导航系统。二战后到50年代初，美国又研制成功罗兰C导航系统，其作用范围可达2000千米。1955年美国对新的无线电导航系统“奥米加”进行了试验，1966年用4个导航台进行了世界范围的试验。后来，“奥米加”导航系统利用全球的8个导航台实现了全球定位（三）卫星导航卫星导航是指采用导航卫星对地面、海洋、空中和空间用户进行导航定位的技术。导航卫星如同太空灯塔。卫星导航综合了传统导航的优点，实现了全球、全天候、高精度的导航定位。1、发展简况利用太阳、月球和其他自然天体导航已有数千年历史，由人造天体导航的设想虽然早在19世纪后半期就有人提出，但直到20世纪60年代才开始实现。1958年初，美国科学家在跟踪第一颗人造地球卫星时，无意中发现收到的无线电信号有多普勒效应，即卫星飞近地面接收机时，收到的无线电信号频率逐渐升高；卫星远离后，频率就变低。这一发现揭开了人类利用人造地球卫星进行导航定位的新纪元。1964年美国建成“子午仪”卫星导航系统，并交付海军使用，为核潜艇和水面舰艇等导航定位，1967年起开放民用。1973年美国军方始研制性能更优越的“导航星”全球定位系统（GPS），在1991年的海湾战争中得到广泛使用。卫星导航综合了传统导航系统的优点，真正实现了各种天气条件下全球高精度被动式导航定位。特别是时间测距卫星导航系统，不但能提供全球和近地空间连续立体覆盖、高精度三维定位和测速，而且抗干扰能力强。 卫星导航系统由导航卫星、地面台站和用户定位设备三个部分组成。导航卫星是卫星导航系统的空间部分，由多颗导航卫星构成空间导航网。地面台站通常包括跟踪站、遥测站、计算中心、注入站及时间统一系统等部分，用于跟踪、测量、计算及预报卫星轨道并对星上设备的工作进行控制管理。用户定位设备通常由接收机、定时器、数据预处理机、计算机和显示器等组成。它接收卫星发来的微弱信号，从中解调并译出卫星轨道参数和定时信息等，同时测出导航参数，再由计算机算出用户的位置坐标和速度矢量分量。2、基本原理卫星导航按测量导航参数的几何定位原理分为测角、时间测距、多普勒测速和组合法等系统，其中测角法和组合法因精度较低等原因没有实际应用。（1）多普勒测速定位：“子午仪”卫星导航系统采取这种方法。由地面向飞行器或由飞行器向地面发射固定频率的等幅电磁波，因飞行器与测控站存在相对运动，接收信号的频率与发射信号的频率互不相同。其频率之差就是多普勒频移。多普勒频移正比于测控站航天器方向上的速度分量，所以测出多普勒频移的大小，就可获得目标对测控站的相对径向速度。多普勒测速系统所获得的是径向速度信息，在获得初始距离的条件下将速度信息积分即可得到距离信息。距离信息的精度主要取决于初始距离的精度。初始距离可由其他精密测距设备提供，如激光测距设备等。80年代已有激光和多普勒测速系统合一的光电多站测量系统。多普勒测速系统可以是独立的测量系统，也可以在连续波多站系统和微波统一系统中作为测速分系统使用。（2）时间测距导航定位：GPS全球定位系统采用这种方法。GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。如图所示，假设t时刻在地面待测点上安置GPS接收机，可以测定GPS信号到达接收机的时间t，再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式：四个方程式中各个参数意义如下：x、y、z 为待测点坐标的空间直角坐标。xi 、yi 、zi (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4在t时刻的空间直角坐标，可由卫星导航电文求得。Vt i (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的卫星钟的钟差(指GPS卫星时钟与GPS标准时间的差别)，由卫星星历提供。Vto为接收机的钟差。由以上四个方程即可解算出待测点的坐标x、y、z 和接收机的钟差Vto。3、卫星导航的应用卫星导航位置精度可达几米，民用几十米。卫星导航技术已广泛用于军事，如车辆、坦克、火炮和步兵定位；引导海上舰队的会合、进出港领航与登陆；给反潜、布雷、扫雷、搜索、营救和发射导弹提供精确的位置信息；飞机精确投弹，照相侦察，实施空中支援、会合与加油，以及空中交通管制等；战略导弹精确制导，提高命中精度；低轨道侦察和监视卫星对目标精确定位和测图，以及为战略防御计划的战场管理、通信、指挥和控制提供统一的坐标系统等。4、未来发展趋势自20世纪90年代以来，全球卫星导航系统以其速度快、效率高、测量定位精度高等一系列特点，深受各个行业数据采集和资源监测人员的青睐。从近年的情况考察，全球卫星导航系统有如下发展趋势。（1）向多系统组合式导航方向发展为了摆脱对美、俄的导航定位系统的依赖，以免受制于人，世界各国、各地区和组织将纷纷建立自己的卫星导航定位系统，我国的北斗导航、欧盟的伽利略计划就在此列。通过对全球定位系统、北斗、格罗纳斯、伽利略等信号的组合利用，不但可提高定位精度，还可使用户摆脱对一个特定导航星座的依赖，可用性大大增强。（2）与惯性导航、无线电导航技术相结合由于惯性导航是完全自主的导航系统，在GPS失效的情况下，惯性导航仍可保持工作。在实际应用中，惯导系统和GPS接收机之间存在三种耦合方式：松散耦合、紧密耦合和深度耦合。在深度耦合中，GPS接收机作为一块线路板被嵌入到惯性导航的机箱内，这就是ECI系统。此外，GPS可与增强型定位系统（EPLS）相结合。EPLS是一种先进的无线电装置，它带有一定的自主导航能力。目前，已成功验证可以通过网络自动把GPS转换到EPLS。（3）向差分导航方向发展使用差分导航技术，既可降低或消除那些影响用户和基准站观测量的系统误差。包括信号传播延迟和导航星本身的误差，还可消除人为因素造成的误差。（四）惯性导航惯性导航是指通过测量飞行器的加速度，自动进行积分运算，获得飞行器瞬时速度和瞬时位置数据的技术。组成惯性导航系统的设备都安装在飞行器内，工作时不依赖外界信息，也不向外界辐射能量，不易受到干扰，是一种自主式导航系统。惯性导航系统分成平台式惯性导航系统和捷联式惯性导航系统两大类。平台式惯性导航系统将惯性测量元件安装在惯性平台上，惯性平台稳定在预定的坐标系内，为加速度计提供一个测量基准，并使惯性测量元件不受载体角运动的影响。导航计算机根据加速度计的输出和初始条件进行导航解算，得出载体的位置、速度等导航参数。捷联式惯性导航系统将惯性测量元件直接固联在载体上，测量沿载体坐标系的角速度和角加速度，计算机则利用陀螺的输出，进行坐标变换，求解载体的即时速度、位置等导航参数。组成惯性导航系统的设备都安装在飞行器内，工作时不依赖外界信息，也不向外界辐射能量，不易受到干扰，是一种自主式导航系统。1、发展简况 武器系统的发展和需求，促进了惯性技术的发展。二次大战后，机电陀螺技术发展迅速，液浮陀螺、静电陀螺和动力调谐陀螺先后成熟，被广泛用于惯性导航系统。60年代以来，随着激光的出现，激光陀螺和光纤陀螺问世，并以其优良的性能受到关注，迅速进入惯性导航领域。光电技术和微机电技术的发展，促成了半球谐振陀螺、石英音叉陀螺等新型陀螺和微机械加速度计的出现和发展。惯性测量元件的发展，为惯性导航装置和技术的发展奠定了良好的基础。2、基本原理惯性导航的基本工作原理是以牛顿力学定律为基础的，惯性测量装置包括3个加速度计和3个陀螺仪。前者用来测量运载器的3个平移运动的加速度，指示当地地垂线的方向；后者用来测量运载器的3个转动运动的角位移，指示地球自转轴的方向。通过测量 载体在惯性参考系的加速度，将它对时间进行一次积分，可以得到载体的速度信息，将加速度对时间进行二次积分，就可以得到载体的位移信息。把载体的速度信息和位移信息变换到导航坐标系中， 就能够得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置信息等。 3、惯性导航的应用惯性导航装置最先用于飞机。50年代初就已经演示了机载惯性导航系统。作为商业飞机和大多数军用航空器的惯性导航装置，要求固有位置误差的变化范围在0.52 n mile/h（海里/小时），速度误差为24m/s（米/秒）。70年代初，以机电陀螺为基础的机载惯性导航装置，已经达到了这些性能指标，可以满足军用和民用飞机的基本导航要求，但由于可靠性不高，因此飞机导航仍主要以无线电导航为基础。此后，机载惯性导航装置的发展目标是，提高可靠性，减少体积、重量和成本，降低维修费，从而减少寿命周期成本。这些要求则反过来推动了惯性测量器件，特别是光电惯性器件的发展。80年代。可靠性高、尺寸小、机械结构简单的激光陀螺成熟，并迅速应用在机载惯性导航装置中，一大批以激光陀螺为基础的惯性导航装置问世，并装备在军用和民用飞机上。激光陀螺正逐步在机载惯性导航领域占据主导地位。90年代，光纤陀螺成熟，并进入机载惯性导航领域。而GPS导航技术的发展以及与惯性导航装置组成机载综合导航系统，进一步强化了惯性导航在机载导航中的地位。惯性导航装置也成功地用于舰船。舰载惯性导航也是首先以机电陀螺为基础，然后转向光电陀螺。80年代初，美国研制出捷联式激光陀螺导航仪，实验证明其性能参数优于海军的规范要求。随后陆续研制出水面舰船、潜艇、核潜艇等用的高精度激光陀螺导航仪。其他国家也研制和装备了舰载光电导航装置。地面惯性导航装置的发展相对迟后一些。由于现代地面战争要求部队能在广阔的地域内快速机动，并迅速投入战斗。这种作战方式需要地面作战平台具有地面导航能力，以不断地准确确定当前位置和精确保持动态姿态基准。美国70 年代初期就开始考察地面导航的方法和技术。1980年有人提出无线电导航可能受到干扰，GPS卫星导航的卫星可能受到攻击，因而地面导航应以自主的惯性导航为基础。在军事部门的支持下，工业部门开始研究将激光陀螺用于地面导航，并将机载激光陀螺惯性导航系统安装在坦克上进行试验。结果，野外试验证明，获得的方位精度、位置精度、姿态误差等数据均优于陆军规范的要求，而且激光陀螺可靠性高、反应时间短、可提供数字输出，以其为基础的惯性导航系统可以满足地面战场的严酷使用要求。因此80年代中期以后，以激光陀螺和光纤陀螺为基础的地面导航系统逐步发展起来。如美国的M109A6“帕拉丁”自行榴弹炮、德国的“豹”2坦克、英国的“勇士”炮兵观察车、瑞典的TGR-11炮兵测地观察车、FH-77B 155mm牵引榴弹炮等，已经能够完全满足现代地面作战的要求。地面导航装置正逐渐成为地面作战平台必备的装备。（五）各种导航技术的比较无线电导航出现于二十世纪30年代末，成熟于二十世纪40年代，最初应用于飞机着陆系统，后来应用于炸弹投掷。无线电导航的魅力体现在它不受天气的影响，即使在天空多云的时候也可以使用。无线电导航有三个主要缺点：覆盖的工作区域小：在荒漠或海洋没有无线电发射台的地方，航向偏移的问题仍有可能发生。电波传播受大气影响，容易被干扰。定位精度不高：只有在视距或近似视距范围内才有可能实现高精度的定位。此外，在军事应用上，由于无线电导航需要建设地面基站，易于成为敌方攻击的目标。与无线电导航相比，天文导航有独立性强，仪器简单，费用节省，隐蔽性好，没有覆盖区限制，定位误差稳定，没有积累误差等优点。但天文导航受天气条件限制，解算复杂费时。卫星导航采用导航卫星对地面、海洋、空中和空间用户进行导航定位，导航卫星如同太空灯塔。卫星导航综合了传统导航的优点，实现了全球、全天候、高精度的导航定位。卫星导航信号穿过电离层产生的误差是重要的误差源之一，对于GPS和GLONASS卫星导航系统，电离层产生的误差高达几十米甚至百米量级。由于GPS和GLONASS卫星信号在地面都很弱，电离层快速变化产生的信道衰落，严重时能使卫星导航系统出现暂时的失效。为防止民用GPS接收机转为军事用途，美国国防部引入“选择可用性”（SA）技术，即在现有C/A码GPS接收机性能水平上，将一个约0.2毫秒颤抖噪声的人为误差加入到时钟信号，使接收到的定位信号偏差以0.46米/秒的速度增加，使其定位精度下降到约100米。为防止敌方干扰，还对P码加密，使其工作在“抗电子欺骗”（AS）方式，只有加装保密的AS模块的军用GPS接收机，才能正常接收P（Y）码信号。实施SA技术后，SA误差已经成为影响GPS定位误差的最主要因素。虽然美国在2000年5月1日取消了SA，但是战时或必要时，美国可能恢复或采用类似的干扰技术。惯性导航系统（INS）是一个自主式的空间基准保持系统，由惯性测量装置、控制显示装置、状态选择装置、导航计算机等组成。惯性测量装置包括3个加速度计和3个陀螺仪。前者用来测量运载器的3个平移运动的加速度，指示当地地垂线的方向；后者用来测量运载器的3个转动运动的角位移，指示地球自转轴的方向。惯性导航系统主要优点是：由于它是不依赖于任何外部信息也不向外部辐射能量的自主式系统 故隐蔽性好已不受外界电磁干扰的影响；可全天流全球、全时间地工作于空中地球表面乃至水下能提供位置、速度、航向和姿态角数据，所产生的导 航信息连续性好而且噪声低数据更新率高、短期精度和稳定性好其主要缺点是：由于导航信息经过积分而产生，定位误差随时间而增大，长期精度差； 每次使用之前需要较长的初始对准时间；设备的价格较昂贵；不能给出时间信息。三、惯性导航器件介绍惯性导航系统通常由惯性测量装置、计算机、控制显示器等组成。惯性测量装置包括陀螺仪和加速度计，是惯性导航系统中核心的导航器件。（一）陀螺仪1、陀螺仪基本原理绕一个支点高速转动的刚体称为陀螺。通常所说的陀螺是特指对称陀螺，它是一个质量均匀分布的、具有轴对称形状的刚体，其几何对称轴就是它的自转轴。在一定的初始条件和一定的外力矩在作用下，陀螺会在不停自转的同时，还绕着另一个固定的转轴不停地旋转，这就是陀螺的旋进，又称为回转效应。一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时，是不会改变的。将陀螺安装在框架装置上，使陀螺的自转轴有角转动的自由度，这种装置的总体叫做陀螺仪。陀螺仪的基本原理可以用以上的图进行说明。用四个质点ABCD来表示边上的区域。轴的底部被托住静止但是能够各个方向旋转。当一个倾斜力作用在顶部的轴上的时候，质点A向上运动，质点C则向下运动，如其中的子图1。因为陀螺仪是顺时针旋转，在旋转90度角之后，质点A将会到达质点B的位置。CD两个质点的情况也是一样的。子图2中质点A当处于如图的90度位置的时候会继续向上运动，质点C也继续向下。AC质点的组合将导致轴在子图2所示的运动平面内运动。一个陀螺仪的轴在一个合适的角度上旋转，在这种情况下，如果陀螺仪逆时针旋转，轴将会在运动平面上向左运动。如果在顺时针的情况中，倾斜力是一个推力而不是拉力的话，运动将会向左发生。在子图3中，当陀螺仪旋转了另一个90度的时候，质点C在质点A受力之前的位置。C质点的向下运动现在受到了倾斜力的阻碍并且轴不能在倾斜力平面上运动。倾斜力推轴的力量越大，当边缘旋转大约180度时，另一侧的边缘推动轴向回运动。陀螺仪在工作时要给它一个力，使它快速旋转起来，一般能达到每分钟几十万转，可以工作很长时间。然后用多种方法读取轴所指示的方向，并自动将数据信号传给控制系统。陀螺仪的关键是轴的不变性。2、现代陀螺仪的种类传统的惯性陀螺仪主要是指机械式的陀螺仪，机械式的陀螺仪对工艺结构的要求很高，结构复杂，它的精度受到了很多方面的制约。自从上个世纪七十年代以来，现代陀螺仪的发展已经进入了一个全新的阶段。现代陀螺仪主要有以下两大类：（1）经典力学陀螺仪经典力学陀螺仪根据经典牛顿力学研制而成，常见的经典力学陀螺仪有转子陀螺仪和振动陀螺仪。转子陀螺仪转子陀螺仪是把高速旋转的刚体转子支承起来，使之获得转动自由度的一种装置，转子轴能在惯性空间保持定轴性，它可以用来测量角位移或角速度。转子陀螺仪的关键技术在于转子的高速旋转和支承方式。早期的转子陀螺仪采用机械轴承支撑，由于机械轴承存在摩擦力矩，不可能使陀螺仪达到很高精度。此后人们采用各种特殊的支承方式来支承转子，以提高陀螺仪的精度。20世纪50年代美国首先研制出液浮陀螺仪，广泛用于飞机、舰船、导弹的惯性导航与制导，此后依次出现了采用动压气浮支承的气浮陀螺仪、液浮-气浮-磁悬浮结合的三浮陀螺仪。20世纪60年代初期，出现了采用挠性支承的细颈式和动力调谐式挠性陀螺仪。这类陀螺仪结构简单，成本较低，获得广泛应用。20世纪70年代，研制出采用静电支承的高精度静电陀螺仪。振动陀螺仪旋转物体在径向线速度的作用下会产生哥式力（哥式力FC=MV*，M为物体质量，V为物体相对线速度，为物体转动角速度），同时会产生哥式加速度，哥式加速度改变振动原件的运动，运动变化量与输入的角速度成正比。通过测量运动的变化量，实现角速度的测量。振动陀螺仪可分为半球谐振式陀螺仪、音叉式振动陀螺仪、硅微机电（MENS）振动陀螺仪。半球谐振式陀螺仪采用静电力激励半球谐振子谐振，通过测量筑波相对基座的转角，实现角速度测量。20世纪80年代美国Delco公司及俄罗斯的Medicom公司分别开发出了新型半球共振陀螺仪。半球谐振式陀螺仪寿命长，断电可工作。音叉振动陀螺仪采用驱动力激励两音叉作相向振动，当基座绕音叉的中心轴转动时产生哥式惯性力矩，带动音叉作扭转振动，其幅值正比于输入角速度，通过测量扭转角来实现角速度测量。硅微机电（MENS）振动陀螺仪采用静电力驱动物体作角振动，通过检测角振幅，实现角速度测量。20世纪80年代，美国Draper实验室研制出世界上首个MENS陀螺仪，使惯性技术产生了一次新的飞跃。MENS陀螺仪的优点是成本低，体积小，质量轻，功耗低，可与电路集成。（2）光学陀螺仪光学陀螺仪的基本原理是利用光的Sagnac效应：假设光程长所包围的面积为A，装置旋转的角速度为，则光程差为：。通过测量光程差就可以求出角速度。1925年迈克尔森制造出首个环形光学陀螺仪，1960年激光出现，1963年司伯里公司演示了世界上第一台环形激光器，这标志着环形激光陀螺仪发展的开始。1976年美国犹他大学提出光纤陀螺的概念并首先研制出实验装置，20世纪90年代开始光纤陀螺仪的精度迅速提高，已达到。与其他陀螺仪相比，光学陀螺仪具有精度高、动态范围大、启动快、抗冲击等优点。（二）加速度计加速度计是惯导系统中的最重要元件之一,用来测量沿其输入轴作用的常值和低频加速度，当前无论在航天航空,还是在其它技术领域都得到了广泛应用。1、加速度计的基本原理加速度计由检测质量（也称敏感质量）、支承、电位器、弹簧、阻尼器和壳体组成。检测质量受支承的约束只能沿一条轴线移动，这个轴常称为输入轴或敏感轴。当仪表壳体随着运载体沿敏感轴方向作加速运动时，根据牛顿定律，具有一定惯性的检测质量力图保持其原来的运动状态不变。它与壳体之间将产生相对运动，使弹簧变形，于是检测质量在弹簧力的作用下随之加速运动。当弹簧力与检测质量加速运动时产生的惯性力相平衡时，检测质量与壳体之间便不再有相对运动，这时弹簧的变形反映被测加速度的大小。电位器作为位移传感元件把加速度信号转换为电信号，以供输出。2、加速度计的种类当前为了测量惯导系统中的加速度所采用的主要有摆式积分陀螺加速度计、力平衡式加速度计、石英挠性加速度计、石英振梁加速度计和单晶硅微加工加速度计。（1）力平衡式加速度计力平衡式加速度计是当前惯导系统中应用最广泛的一种加速度计,它利用闭路系统的负反馈原理把检测质量悬浮在其结构的某一固定位置上。力平衡式加速度计主要由机电部件和补偿回路两部分组成。力平衡式加速度计的优点在于动态范围宽，偏值误差小，交叉耦合和振动整流误差小，线性度高。缺点在于机械和电子线路较复杂，功耗大。力平衡式加速度计技术今后的发展方向重点在改进磁路(采用高磁能积的稀土永磁材料以及改善温度稳定性等)、挠性铰链、电子线路和模数转换等方面。（2）石英挠性加速度计石英挠性加速度计是一种力平衡式传感器，它将输入加速度转换成其挠性摆片的微小位移，并用反馈力加以平衡。由于采用了力反馈回路，使这种挠性加速度计具有精度高，抗干扰能力强的特点。适合于低频低g值的加速度测量，是惯性导航和制导系统中不可缺少的关键器件之一。（3）石英振梁加速度计石英振梁加速度计是一种把力敏感振动石英梁作为敏感元件的加速度计，是能直接数字输出的加速度计，其输出频率可以完全由数字电路处理，不再有因模数转换带来的速度增量误差。在振梁加速度计中,力敏感晶体谐振器和晶振荡器电子线路代替了力平衡式加速度计的力矩器线圈、永久磁铁、传感器和归零电路，从而加速度计的机械组装比较简单，成本低，可靠性好，电子路的功耗小，且不随输入加速度而变化。由于直接数字输出，因此具有很高的性能价格比。（4）单晶硅微加工加速度计单晶硅微加工加速度计是用现有集成电路工艺对单晶硅片加工而成的。在现有的加速度计工业中，其降低成本的潜力是最大的。这种加速度计的优点成本低、尺寸小、机械性能好。四、我国惯性导航器件行业分析目前我国惯性器件最主要的用途在于军用武器系统，虽然国外很多军用微小惯性器件是成熟产品，但对中国严格禁运。国际形势的变化迫切需要发展拥有自主知识产权的惯性器件。1、我国惯性导航器件行业发展形势分析在经济高速发展的今天，国际格局已经发生了很大的变化，从整体来看国际关系趋于和平，全球大战已经不可能发生了，但局部战争会经常出现。因此，武器系统的研制方向也产生了很大的变化，一切从以人为本方向发展，大规模的杀伤性武器的研制将趋向停止。在局部战争中最有效的是小型的精确制导武器，它体积小、成本低、生产周期短、打击目标准确率高、负面效应小。美国近几年投入大量的经费进行精确制导武器的研制，据资料统计，在北约对南联盟的空袭中，所使用的武器，有98%是精确制导武器，并且显示出优异的作战效能。1999年5月7日，美国轰炸我国驻南联盟大使馆所使用的也是5枚全球定位系统制导、全天候、各重2000磅的联合直接攻击弹药(JDAM)。精确制导武器使超视距、多模式、多目标精确打击成为可能，旷日持久的局部战争将被速战速决取代，远程火力袭击的突然性空前增大，这一切将会对未来的战争形式产生深刻影响。武器系统的小型化、低成本、长寿命、精确制导等也是我军的发展目标，为了国家的迅速发展和壮大，确保国防安全，需要用有限的军费支出达到安全保卫的目的。目前国外很多军用微小惯性器件是成熟产品，但对中国严格禁运。国际形势的变化迫切需要发展拥有自主知识产权的惯性器件。2、惯性导航器件市场容量分析（1）国外惯性器件市场产业组织SEMI的数据显示，包括MEMS材料、设备和器件在内，2005年MEMS产业总规模为480亿美元，预计到2010年将增长到950亿美元，年复合增长率为15%。其中MEMS器件市场将从2005年的53亿美元增长到2010年的99亿美元。MEMS器件包括压力传感器、加速计、陀螺仪、麦克风、数字显示和振荡器等。根据国外相关资料，美国用于飞行控制系统的惯性导航器件（包括陀螺仪和加速度计）每套价格约为500美元，用于战略导弹的惯性导航器件每套价格约为2000美元，用于战术导弹的惯性导航器件每套价格约为10000美元，用于巡航导弹和航空器导航系统的惯性导航器件每套价格约为15000美元，美国整个惯性导航器件的市场容量约为5000亿美元。（2）国内惯性器件市场民用传感器市场2005年我国传感器市场销量为约为235亿元，据CCIDMRD（中国电子信息产业发展研究院微电子研究所）预测，2010年我国传感器市场销量将达到905亿元。未来五年，国内传感器市场平均销售增长率将达31%。车载GPS市场目前惯性器件在车载GPS系统中作为辅助设备，可以有效弥补GPS接收机在受到干扰时丢失信号的缺点，并可以提高GPS接收天线的定向操控性能。2006年我国汽车数量超过3300万辆，其中轿车1200万辆，但车载GPS装车率仅为2%，远低于日本的59%和欧美25%的水平。国家政策取向也显示了GPS日益受到重视。以北京市为例，2008年要给全市所有的公共汽车、出租车安装GPS监控系统，花费将达19.2亿元。2007年车载GPS市场销售突破了50亿元，赛迪顾问预计2010年车载GPS市场将达到100亿元人民币。军品市场从我国国情出发，我国用于武器装备的军费开支不可能维持在较高水平。根据2006年中国国防白皮书资料，2005年我国军费开支仅相当于美国的6.19%，其中装备费为836.54亿人民币。根据中国航空工业第六一八研究所的数据，目前国内每架飞机用于飞行控制系统的惯性导航器件价格约为20万元人民币，装备一枚惯性导航的战术导弹约为7万元人民币，国内整个惯性导航器件的市场容量约为100亿元人民币。3、惯性导航器件市场竞争（1）国外惯性导航器件生产厂商激光陀螺仪国外激光陀螺仪的研制单位很多，其中，美国和法国研制的水平较高，此外还有俄罗斯、德国等国家。美国研制激光陀螺仪的厂家有霍尼威尔、利顿、斯佩里等公司。美国利顿公司激光陀螺仪零漂值可达0.001°/h， 0.1°/的光纤陀螺仪已用于战术导弹的惯导系统,并且已批量生产采用光纤陀螺仪的姿态航向参考系统()。1963 年斯派利公司首次成功示了环形激光陀螺。1982 年霍尼韦尔公司批量生产 GG1342 激光陀螺采用 GG1320 激光陀螺的捷联惯H-764G 被用作标准航空惯导，装备了 50 种型号的飞机，所集成的数学平台罗经 MK45 替代了原有的船用罗经；最新型的GG1389激光陀螺仪零漂值已达0.00015°/h，GG1308 精度为0.1°/，已应用于 JDAM，批量很大。法国的激光陀螺仪和系统技术具有很强的实力。法国SWXTANT公司和SAGEM公司均从70年代开始研究激光陀螺技术，到目前已经形成不同尺寸和精度的激光陀螺仪。光纤陀螺仪美国的利顿公司在SDI计划下所研制的光学陀螺惯测装置FOGIMU中所应用的单晶硅加速度计的机械部分尺寸为8.1mm×5.1mm×5.1mm。诺斯罗普公司在微型惯测装置中使用的单晶硅微型加速度计,其机械部分尺寸为8mm×4mm×2mm，和它配套使用的微型光学陀螺也是用集成电路工艺加工的。日本研制光纤陀螺的单位有东京大学尖端技术室、日立公司、住友电工公司、三菱公司、日本航空电子工业公司等公司。日本的干涉式光纤陀螺仪已经完成了基础研究，正进入实用化阶段。东京大学进行研究的谐振腔光纤陀螺仪取得了很大进展。日本航空电子公司()生产的光纤陀螺仪,已用于遥控直升机、足球场用的剪草机和机器人。三菱公司生产的几种型号的光纤陀螺仪已用于发射运载器,并且已计划用于飞向月球的运载火箭。日本日立公司月产3000台光纤陀螺仪。日立公司研制用于汽车导航系统的光纤陀螺，1991年用于日产汽车。在日本，光纤陀螺作为汽车的旋转速率传感器已进入市场。俄罗斯的光纤陀螺有全光纤型和集成光学型。全光纤型采用的是光纤技术，即所有的光纤器件都做在同一根光纤上。Fizoptika公司研制的光纤陀螺已经商品化，产品型号有：VG949、VG941B等。国外很多厂商在研发干涉型光纤陀螺（IFOG），其中最有影响的是瑙斯罗珀格鲁曼，至 2003 年其总产量达 24000 只，精度为 1°/h，生产的 LN200 IMU 系列很有名气。目前，IFOG 的性能正逐渐接近激光陀螺，研究结果表明，IFOG 能达到极高精度：漂移稳定性 <0.0003°/h，随机游走系数 <0.00008°/ ，刻度系数误差<0.5m，所以将适用于高精度望远镜定向、图像系统、天线定向、潜艇的战略级高精度导航等领域。国际上正在研制下一代 IFOG 光纤，即光量子晶体光纤（Photonic CrystalFibers），其特点是：弯曲损失远小于常规光纤，所以体积可做得更小，传输损耗最小达 0.58dB/km。MEMS陀螺仪微电子机械系统（MEMS）惯性器件的制造基于集成电路成熟的制造工艺，可大规模大批量生产，成本控制得很低，低功耗，耐用，更改设计十分灵活。但是由于尺寸微小，所以仪表的灵敏度低，噪声大，温度变化引起的误差大，其影响系数高达 100m/。目前MEMS陀螺仪可达到的偏置稳定性在0.010.1°/。美国Drapa实验室为军用MEMS惯性仪表制定的目标为：MEMS陀螺仪偏置稳定性要求达到110°/h，MEMS加速度计达到0.5mg。据Drapa的报道，参与这一计划的立顿公司、霍利威尔公司等都已完成任务。Honeywell公司所生产的陀螺仪偏置稳定性为1.6°/，可抗20000g的冲击，目标成本价在1200美元。美国NASA下属的喷气实验室的MEMS陀螺仪偏置稳定性可达0.010.1°/h，应用于航天，如微小卫星。Draper/Honeywell 联合研制的MEMS 系列陀螺仪采用折叠梁结构，达到的漂移为 3 50°/h（3），温度工作范围 -40 +85，耐12000g 的冲击，用于增程制导炮弹的制导系统，2005 年完成了试射试验。JPL 与 Boeing Space System联合研制的 MEMS 陀螺则采用四叶苜蓿叶形结构，该陀螺的目标是漂移 0.01°/hIMU， 体积 <164cm3，重量 <0.23kg，单价 <2500 美元。瑙斯罗珀格鲁曼 采用扭杆支承结构，样机达到的漂移 <36°/h。加州大学 Berkeley 分校采用梳式结构，使驱动与信号测量间谐振轮式陀螺的振动轮受径的耦合达到最小。此外美国立顿公司加速度计的精度已达g量级。BAE SYSTEMS研制的谐振轮式陀螺在 1999 年试生产，月产量 3000 只，并应用于 MR- TRIGAT 反坦克导弹的姿态参考系统，2000 年 6 月作了成功试飞。（2）国内惯性器件生产厂商中国航天时代电子公司中国航天时代电子公司是国内最大的惯性器件供应商，是中国航天科技集团公司的全资子公司，位于北京市丰台区南四环西路188号，注册资金6亿人民币，资产总额90亿人民币，拥有