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惯性导航:军民两大领域空间广阔,一二代已广泛应用,第三代加速
时间:2022-08-31 21:48:07   来源:本站    浏览量:328

惯性导航系统以其具有的独立性、自主性,被普遍应用于运动载体的位姿检测与导航控制。惯性导航不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量。与卫星导航技术相比较,惯性导航具有隐蔽性好,不受外界电磁干扰的影响,可全天候、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,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等优势。


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1 惯性导航广泛应用于军民多个领域


1.1 惯性导航是最主要的自主导航方式


导航按方式可分为自主式和非自主式两大类。自主导航指运动载体在不依赖外部支持的情况下,仅利用自身携带的测量设备实时确定自身的位置、姿态和速度,例如惯性导航、多普勒导航和天文导航等。非自主导航指由导航设备通过无线电等遥控手段对飞行器进行导引的方法,如卫星导航、无线电导航、雷达导航等。自主导航在提高载体拒止环境下生存能力和满足任务特殊阶段导航需求等多方面具有明显优势,广泛应用于航天器、航空器、舰艇、车辆、单兵等场景。


惯性导航技术的基本工作原理是以牛顿力学定律为基础,通过测量运动载体在惯性参考系的角速度和加速度,将它对时间进行积分,且把它变换到导航坐标系中,进而通过运算得到运动载体在导航坐标系中的速度、位置及姿态等信息。


基于该技术的惯性导航系统可装备于运动载体(如飞机、船舶等)并用于对其实现导航定位,系统通过连续测得运载体角速度和线速度后通过积分运算可推算出其下一点的位置,因此可连续测出运动载体的当前位置。

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惯性导航系统以其具有的独立性、自主性,被普遍应用于运动载体的位姿检测与导航控制。惯性导航不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量。与卫星导航技术相比较,惯性导航具有隐蔽性好,不受外界电磁干扰的影响,可全天候、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,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等优势。

目前组合导航技术有惯性/卫星/雷达、惯性/卫星、惯性/卫星/红外、惯性/卫星/毫米波等。由于惯性和卫星的组合可扬长避短、全面可靠,因此惯性/卫星组合导航技术是导航制导领域内的主流方案之一。

1.2 惯性导航在军品中广泛应用于各类武器装备

惯性导航及控制系统是现代国防系统的核心和关键技术产品,被广泛应用于军用飞机、导弹、舰艇、核潜艇及坦克等领域。


航空领域:航空惯性导航系统是应军用飞机的需要发展起来的。惯性导航在军用飞机上的应用始于 20 世纪 60 年代,美国第二代超声速战斗机 F104 装备了平台式液浮陀螺仪惯性导航系统。随着成本更低、性能更好的动力调谐陀螺仪研制成功,20 世纪 70 年代开始,第三代战斗机(F14/15/16 和 Su-27 等)装备的大多为动力调谐陀螺仪惯性导航系统。美国现役主流战机包括 F-22 和 F-35 等,则基本采用环形激光陀螺仪捷联式惯性导航系统。2020 年,我国军用飞机惯导系统市场空间约 25 亿元。


精确制导武器领域:惯性技术是导弹和制导弹药最常采用的制导技术之一。根据理工导航招股说明书的测算,2020 年,惯性导航系统在导弹和制导炸弹领域的市场空间约 77 亿元。我们认为,随着近几年军工行业的较快发展,该市场空间有望保持较快增长。

航天领域:惯性导航广泛应用于运载火箭、卫星、飞船等多个航天领域,2020年,航天领域航天惯导市场空间约 6.24 亿。随着近年来国内航天活动持续增长,该领域惯导需求也有望保持较快增长。

陆战领域:陆用惯性导航系统是应现代地面战争条件下新的作战方式的要求而产生的。这种作战方式要求部队能在广阔的作战地域内快速准确机动,并能够迅速投入战斗,要求坦克、装甲战车等地面作战平台不仅要具有高机动性和运动中射击能力,还能够随时掌握自己、友军、敌军的位置以便协同作战;要求自行火炮之类的作战车辆必须具备频繁且随机地机动与快速瞄准射击的能力,并能够迅速转移到新的射击阵地。所有上述特征都需要地面作战平台具备地面自主导航能力,即在复杂的战场环境下,在无法依赖外部信息的条件下能够自主实时测量自身位置的变化,准确确定当前的位置,精确保持动态姿态基准。2020 年,陆军装甲车辆惯导系统的市场空间约 8.72 亿元。

舰用领域:航海领域惯性系统的研制和发展源自潜艇的装备需要,其作用是为长期在水下潜航的潜艇连续提供安全航行和发射导弹所需的导航参数和艇体运动参数。潜艇采用惯性导航技术可以增强长时间隐蔽性,也可提高导弹发射的命中概率。此后,随着惯性导航系统成本的不断降低和中等精度舰船惯性导航系统的出现,许多载有导弹武器的水面舰艇也装备了惯性导航系统。2020 年,我国海军舰船惯导系统市场空间约 4.8 亿元。

1.3 惯性导航在民品中广泛应用于无人机、智能驾驶等领域

无人机:惯性技术在无人机上的应用,主要是利用新型惯性器件及捷联惯性导航技术为无人机提供精确的速度、位置、姿态等信息,从而实现其精确的导航定位。目前无人机在军事领域的应用最为成熟,同时随着人们对无人机认知程度的加深,其在遥感测绘、边海防、森林防火、管道巡线、应急救灾、警务执法等民用领域呈现出迅猛的发展态势。据艾瑞咨询预计,2025 年中国民用无人机市场规模将超过 700 亿元,其中航拍及娱乐 300 亿元,农林植保 200 亿元,安防 150亿元,电力 50 亿元,其它 50 亿元。保守按照惯性产品价值占比 10%估算,2025年中国民用无人机领域惯性导航产品市场空间可达 70 亿元以上。

智能驾驶:惯性导航具有输出信息不间断、不受外界干扰等独特优势,可保证在任何时刻以高频次输出车辆运动参数,为决策中心提供连续的车辆位置、姿态信息,这是任何传感器都无法比拟的。车用高精度的惯性导航是随着智能驾驶的兴起新增的市场。根据著名传感器研究机构 Yole development 的估计,自动驾驶惯性传感器 IMU 的 2018 年的全球市场规模为 1.6 亿美元,预计到 2022 年将达 9 亿美元。根据惯性导航传感器价格一般是惯性导航系统的 1/5,由此测算自动驾驶领域惯导系统的全球市场空间在 2018 年为 8 亿美元,至 2022 年为 45 亿美元,对应 2018-2022 年 CAGR 为 54%。


其他还包括石油勘探领域、动中通移动通讯等领域。在资源勘探领域的钻探开采中,需要测量井身轨迹和钻头的实际位置,从而保证井深达到预定位置,尤其是石油勘探行业,对斜度和方位的测量有着更高的要求,惯性基石油测斜仪是国际钻井中普遍采用的先进测量仪器。“动中通”是指通过天线基座对天线进行动态调整,使平台保持和通讯卫星相对稳定的状态,从而保证通讯质量。惯性传感器是动中通的核心部件,在车辆运动过程中根据惯性测量信息自动控制天线的方位、仰角和极化角,确保天线的波束中心始终精确指向卫星。

1.4 惯性导航系统市场保持较快增长

根据中国产业信息网数据,全球惯性导航市场规模预计 2020 年将达到 88.6亿美元,2016-2020 年复合增长率为 13.81%。由 2015 年的 46.4 亿美元增长到2020 年的 88.6 亿美元。我国惯性导航应用领域不断扩大,市场需求快速增长,2014 年以来,我国惯性导航市场规模保持 10%以上的高速度增长,军用市场逐渐成熟,民用市场应用范围逐渐增多,增长率高于军用市场。


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2 第一二代惯导已经成熟,第三代加速发展

2.1 惯导划代及其对比

陀螺仪、加速度计是惯性导航系统中的核心器件。陀螺仪用于测量运载体相对惯性空间的角速度,角速度通常用每秒的旋转角度 deg/s(degree per second)来表示。通过按时间对角速度进行积分可得到角度位置,以此测量运载体的姿态变化。

陀螺仪根据其工作原理可分为 4 代。第一代陀螺仪基于牛顿经典力学,奠定了惯性导航发展的基础,典型代表为三浮陀螺、静电陀螺以及动力调谐陀螺;第二代陀螺仪基于萨格耐克效应,典型代表是激光陀螺和光纤陀螺;第三代陀螺仪基于哥氏振动效应和微米/纳米技术,典型代表是 MEMS 陀螺和半球谐振陀螺;第四代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,目前处于早期研究阶段。


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不同陀螺仪基于其工作原理和结构特性,在精度、体积和成本等方面表现出不同特点,应用领域各有侧重。传统机电陀螺目前仍是工程应用精度最高的陀螺,但结构尺寸较大,主要应用于战略核潜艇、战略导弹等战略级应用中;光学陀螺整体上技术相对较为成熟,具有高精度、高可靠性的特点,基于高精度光学陀螺的惯性系统仍然是陆海空天等领域武器装备导航级应用的重要选择;同时,中低精度的光学陀螺在导弹武器和制导弹药等战术级领域也有广泛的应用;微机电陀螺体积小、质量小、功耗低且成本适中,但精度相对偏低,目前主要应用于军用战术级市场和工业市场。半球谐振陀螺在同等精度下具有较好的尺寸、质量和成本效益,且可靠性高,国外基于半球谐振陀螺的惯性导航系统已成功应用于火炮和战车、快艇、太空发射器等陆海空天武器装备平台。

不同领域对惯性器件性能要求的侧重各不相同,从精度方面看,航天与航海领域对精度要求高,其连续工作时间也较长;从系统寿命来看,发射后无法更换或维修的卫星、空间站等航天器要求最高,制导武器对系统寿命要求最短,但须满足长期战备的高可靠性要求。


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2.2 第一代:动力调谐陀螺仪广泛应用于光电稳定平台、导引头伺服系统


第一代陀螺基于牛顿经典力学原理,典型代表有三浮陀螺仪、静电陀螺仪以及动力调谐陀螺仪。动力调谐陀螺发明于 20 世纪 60 年代初,是一种二自由度的干式陀螺,它利用挠性支承悬挂陀螺转子,并将陀螺转子与驱动电机隔开,其挠性支承的弹性刚度由支承本身产生的动力效应来补偿,具有体积小、结构简单、可靠性高等特点。现代动力调谐陀螺的尺寸一般为直径 30mm,长 50mm,小型器件可达到直径 20mm,长为 25mm。目前,动力调谐陀螺的技术已经发展得相当成熟,在大多数战术级武器系统中应用广泛。


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当前,动力调谐陀螺被广泛应用在光电稳定平台、导弹导引头伺服系统控制平台上。激光和光纤陀螺精度和成本很高,属于单自由度陀螺仪,微机电陀螺精度相对偏低,动力调谐陀螺精度成本适中,而且属于双自由度陀螺仪,是光电稳定平台、导引头伺服系统控制平台的首选。例如:法国 SFIM 公司生产的双轴速率陀螺稳定平台 M334 系列,由 GAM-1G 动力调谐陀螺和两套稳定回路组成。动力调谐陀螺未来研究重点将集中于:改善机械结构,提高精度、动态性能和工作寿命,减少噪声与功耗;研制数字再平衡回路,实现陀螺与电路的小型化和一体化。

2.3 第二代:激光惯导与光纤惯导已占据主流位置

第二代陀螺基于萨格奈克效应,典型代表是激光陀螺和光纤陀螺,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。

光纤陀螺在同一闭合光路中从同一光源发出的两束特征相同的光,以相反的方向进行传播,最后汇合到同一探测点。若绕垂直于闭合光路所在平面的轴线,相对惯性空间存在着转动角速度,则正、反方向传播的光束走过的光程不同,就产生光程差,光程差与旋转的角速度成正比。因此,只要确定了光程差,即可测得角速度。光纤陀螺由光源、探测器、耦合器、Y 波导、光纤环组件、光信息处理电路等部分构成。


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光纤陀螺仪目前是惯性技术研究领域的主流陀螺仪,早在 2005 年,就已占据国外中近程导弹、中程导弹、卫星等武器装备领域一半以上的用量。

2.4 第三代:MEMS 惯导正在加速发展

第三代陀螺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。MEMS 陀螺仪具有体积小、重量轻、环境适应性强、价格低、易于大批量生产等特点,率先在汽车和消费电子领域得到了大量应用。随着性能的进一步提高,MEMS 陀螺仪应用也被拓展到了工业、航空航天等领域。

MEMS 陀螺仪的核心是一颗微机械(MEMS)芯片,一颗专用控制电路(ASIC)芯片及应力隔离封装。其工作原理为:采用半导体加工技术在硅晶圆上制造出的MEMS 芯片,在 ASIC 芯片的驱动控制下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,ASIC 芯片再将上述信号变化转化成电学信号,最终通过封装将芯片保护起来并将信号输出,从而实现外部信息获取与交互的功能。

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MEMS 陀螺仪和两光陀螺在部分无人系统、高端工业、高可靠等应用领域有所重合。随着高性能 MEMS 陀螺仪的精度不断提升,并依托成本的优势,可逐步应用于中低精度两光陀螺的应用领域。同时,由于高性能 MEMS 陀螺仪具有小体积、高集成、抗高过载的优势,可以解决光纤陀螺和激光陀螺由于体积较大、抗冲击能力弱的问题,满足高可靠、无人系统等领域智能化升级的要求,进一步拓展高性能 MEMS 陀螺仪的增量市场。

根据 Yole 发布的 High-End Inertial Sensing 2022,高性能 MEMS 陀螺仪在工业级应用领域使用较为广泛,占据了该应用领域 86%的市场份额,具体应用场景包括资源勘探、测量测绘、光电吊舱等;在战术级和导航级应用领域,两光陀螺应用比较广泛,分别占据了该应用领域 78%和 92%的市场份额,具体应用场景包括无人系统、卫星姿态控制系统、动中通等;在战略级应用领域,激光陀螺仪的适用性较强,占据了该应用领域 72%的市场份额,具体应用场景为航天航海等领域。

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2.5 第四代:仍在探索中

第四代陀螺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,目前仍处于早期研究阶段。


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3 惯导产业链、竞争格局与发展趋势

3.1 惯导产业链

惯性导航产业链的供给端主要分为器件制造、模块组装和软件设计、系统集成三个层级。产业链上游主要包括电子元器件、惯性器件和其他参考信息设备;产业链中游主要包括信息采集处理模块、测量单元模块和卫星测姿模块,以及对各模块进行系统集成和软件设计等工作;产业链下游即需求端,包括了军用领域和民用领域的各大终端客户。


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产业链上游惯性器件研发和制造难度大,价值也相对较高。目前我国在中低端陀螺仪层面已基本实现了国产化,部分高端陀螺仪仍依赖进口。


产业链中游主要根据下游客户的需求,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、基础元器件等工序,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。


产业链下游面对行业客户需求,满足军用、民用不同领域客户对惯性导航系统性能的要求。惯性导航技术作为国防关键技术,是武器装备信息化的主要支撑技术之一,是提高我军作战能力的关键因素。同时,随着惯性技术的不断发展,其在民用领域展现出巨大的发展空间,许多国家已将其应用到民用航空、船舶、地面辆、大地测量、地质勘探、海洋探测、气象探测、高层建筑、桥梁和隧道等诸多领域。


3.2 竞争格局:参与者众多,科研院所一般具有多种惯导能力


惯导系统应用广泛,市场参与者也非常多。各军工集团一般都有相应的科研院所或厂从事惯导系统研制生产,而且科研院所一般具有多种惯导的生产能力。


以航天 33 所为例,2022 年 11 月 8 日,中国航天科工三院 33 所携机载惯性导航系统、水面/水下平台惯导系统、陆用定位定向系统、伺服系统等多个系列近 20件产品首次集中亮相第十四届中国国际航空航天博览会,包括石英加速度计、MEMS 陀螺仪、激光陀螺仪、光纤陀螺仪、挠性陀螺仪等多种惯性器件。伴随着惯导系统市场空间日益增大,行业竞争也不断加剧,军工行业配套模式已由过去的定点配套进入当前的充分竞争择优模式,民营企业越来越多的参与到惯导系统产业链各个环节中。


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3.3 低成本是重要趋势,驱动产业链纵向一体化发展

随着惯性技术不断发展,惯性仪表与惯性系统技术主要向高性能、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。


低成本要求驱动惯导产业链纵向一体化发展。以理工导航为例,其部分陀螺仪采用外购形式获得,公司拟通过全资子公司七星导航开展光纤陀螺仪生产建设项目,增加公司新的盈利点,进一步提高公司的持续盈利能力。长盈通具备了“环-纤-胶-模块-设备”一体化微型产业链,打通了上下游产业链,实现产业协同发展,具备较强成本控制能力和产业扩展能力。

(报告作者:中邮证券分析师 鲍学博) 发布:天空海一体化导航与探测网



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