2020年國(guó)外慣性技術(shù)發(fā)展與回顧

薛連莉，翟峻儀，葛悅濤

(1.中移動(dòng)金融科技有限公司，北京100011；2.航天科工空間工程發(fā)展有限公司，北京 100854；3.北京海鷹科技情報(bào)研究所，北京 100074)

0 引言

2020年，一場(chǎng)新冠疫情席卷全球，給世界帶來了巨大變化。新冠疫情對(duì)人類生活、全球經(jīng)濟(jì)和企業(yè)造成的全面影響盡管尚不明確，但已經(jīng)顯著推動(dòng)了變革。民用領(lǐng)域，得益于陀螺和加速度計(jì)技術(shù)的快速發(fā)展，慣性系統(tǒng)在工業(yè)應(yīng)用中愈發(fā)普遍，能夠以較低的成本和優(yōu)越的性能實(shí)現(xiàn)新功能的集成。軍用領(lǐng)域，區(qū)域不穩(wěn)定、石油戰(zhàn)、伊朗暗殺、德黑蘭客機(jī)意外墜毀等事件讓地緣政治緊張局勢(shì)進(jìn)一步升級(jí)，相關(guān)國(guó)家可能會(huì)為了捍衛(wèi)國(guó)家主權(quán)、領(lǐng)土安全和穩(wěn)定增加軍費(fèi)開支，勢(shì)必會(huì)直接影響軍用慣性系統(tǒng)的發(fā)展。本文梳理了慣性技術(shù)領(lǐng)域的相關(guān)動(dòng)態(tài)信息，介紹了慣性儀表和系統(tǒng)的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀，并對(duì)慣性與導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)行了分析和展望。

1 陀螺

1.1 光學(xué)陀螺

光學(xué)陀螺主要有激光陀螺和光纖陀螺兩大類。光纖陀螺按其工作原理可分為干涉式光纖陀螺(Interferometric Fiber Optic Gyroscope，IFOG)、諧振式光纖陀螺(Resonator Fiber Optic Gyroscope，RFOG)和受激布里淵散射光纖陀螺。隨著光子組件集成、超低損耗單片波導(dǎo)[1]和厘米級(jí)超高Q值諧振器[2]的穩(wěn)步發(fā)展，基于光子集成芯片的光學(xué)陀螺儀愈發(fā)受到關(guān)注。

1.1.1 激光陀螺

激光陀螺方面，在美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局(Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA)的支持下，加州理工學(xué)院的Y. H.Lai等結(jié)合光學(xué)和微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)的優(yōu)勢(shì)，研發(fā)出概念驗(yàn)證的芯片基環(huán)形激光陀螺儀，角度隨機(jī)游走噪聲低至0.068(°)/h1/2，零偏穩(wěn)定性為3.6(°)/ h，靈敏度為5(°)/ h，可用于測(cè)量地球自轉(zhuǎn)，是芯片級(jí)光學(xué)陀螺儀的重要里程碑[3-4]。

激光陀螺慣性系統(tǒng)方面，美國(guó)海軍海上系統(tǒng)司令部宣布授予諾格公司斯佩里海事分部2.1億美元合同，繼續(xù)生產(chǎn)AN/WSN-7導(dǎo)航系統(tǒng)，計(jì)劃于2022年12月完成。AN/WSN-7環(huán)形激光陀螺慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(Inertial Navigation System, INS)定位導(dǎo)航誤差約為1n mile/d，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)用于替代WSN-2質(zhì)量自旋陀螺慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。此外，斯佩里海事分部正在研發(fā)WSN-12新一代艦載慣性導(dǎo)航系統(tǒng)， 于2020年年底交付首批工程開發(fā)模型。

總體來看，2020年，國(guó)外激光陀螺重點(diǎn)關(guān)注陀螺的小型化方面，基于激光陀螺的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)目前仍是美國(guó)海軍的重要選擇。

1.1.2 光纖陀螺

光纖陀螺方面，為了滿足大眾市場(chǎng)對(duì)低成本、緊湊和盡可能高精度的慣性傳感器的需求，俄羅斯Optolink公司推出了基于IFOG的新產(chǎn)品：超緊湊型導(dǎo)航級(jí)慣性測(cè)量單元IMU400(圖1)，其尺寸、質(zhì)量和功耗(Size Weight and Power，SWaP)性能為：80mm×95mm×62mm，0.7kg，0.5L，<7W；IMU400中陀螺的主要參數(shù)為：角度隨機(jī)游走為0.007(°)/h1/2，零偏穩(wěn)定性為0.01(°)/h[5]。俄羅斯Fizoptika公司推出了該公司最小的差分輸出光纖陀螺VG191A，角度隨機(jī)游走為0.015(°)/h1/2，零偏穩(wěn)定性為1(°)/h，直徑僅為24mm，長(zhǎng)度為40mm，質(zhì)量?jī)H為30g，是尺寸、質(zhì)量和功率受限的無人機(jī)、機(jī)器人和無人系統(tǒng)的理想選擇。英國(guó)南安普敦大學(xué)的研究人員通過使用直徑為10cm的7芯光纖線圈，得到了長(zhǎng)期零偏穩(wěn)定性優(yōu)于0.02(°)/h，角度隨機(jī)游走優(yōu)于2.4×10-3(°)/h1/2的IFOG[6]。

圖1 IMU400外部和內(nèi)部視圖

光纖陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)方面，法國(guó)iXblue集團(tuán)宣布推出新型光纖陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)Atlans A9，滿足全系列陸地和空中移動(dòng)測(cè)繪應(yīng)用需求，并在城市峽谷、山區(qū)或森林地區(qū)等全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)受限的環(huán)境中提供高度精確的定位。法國(guó)海軍追風(fēng)級(jí)輕型護(hù)衛(wèi)艦選擇了iXblue基于光纖陀螺的Marins慣導(dǎo)系統(tǒng)，該系統(tǒng)已裝備超過650艘水面艦和水下平臺(tái)；法國(guó)國(guó)家海洋科學(xué)研究所選擇將iXblue的導(dǎo)航技術(shù)集成到新型6000m海上機(jī)器人聯(lián)盟潛航器(CORAL Autonomous Underwater Vehicle，CORAL AUV)中，并配備了iXblue的Phins C7慣性導(dǎo)航系統(tǒng)；美國(guó)海洋與地球物理儀器公司選擇了iXblue的Atlans A7慣導(dǎo)系統(tǒng)作為新的移動(dòng)制圖激光雷達(dá)解決方案，可在缺乏連續(xù)全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)信號(hào)的環(huán)境中進(jìn)行連續(xù)采集操作；由iXblue開發(fā)的blueSeis-3A旋轉(zhuǎn)地震儀已成功安裝在伯克利地震實(shí)驗(yàn)室，通過測(cè)量地面的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，可以對(duì)地震波進(jìn)行完整的測(cè)量；瑞典國(guó)防裝備管理局選擇為其CB90戰(zhàn)斗艦配備 iXblue的Quadrans導(dǎo)航系統(tǒng)。Emcore公司的EN-300光纖陀螺慣性測(cè)量單元(Inertial Measurement Unit，IMU)已實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，通過形式、尺寸和功能兼容的封裝，可將傳統(tǒng)系統(tǒng)的零偏性能提高10倍。由于采用固態(tài)光纖陀螺收發(fā)器和先進(jìn)的集成光學(xué)器件三軸閉環(huán)設(shè)計(jì)，與傳統(tǒng)IMU相比，具有更高的可靠性和更低的成本，商用現(xiàn)貨EN-300-3模型可實(shí)現(xiàn)低至0.04(°)/h的零偏運(yùn)行穩(wěn)定性和0.015(°)/h1/2的角度隨機(jī)游走。KVH公司的光子集成芯片(Photonic Integrated Chip，PIC)技術(shù)已納入現(xiàn)有產(chǎn)品線，基于該技術(shù)的P-1775慣性測(cè)量單元已集成到其下一代運(yùn)載火箭中，采用PIC內(nèi)置技術(shù)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)精度比其他價(jià)格更便宜的MEMS慣性測(cè)量單元的精度高20倍；KVH獲得了價(jià)值1000萬美元的TACNAV戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)訂單，基于光纖陀螺的TACNAV系統(tǒng)旨在為坦克、全地形車輛、裝甲車、偵察和戰(zhàn)斗支援車等提供無干擾的慣性導(dǎo)航數(shù)據(jù)，確保士兵和任務(wù)的正常運(yùn)行。諾格公司將為毅力號(hào)火星探測(cè)器提供LN-200S慣性測(cè)量單元，低成本、尺寸、質(zhì)量和功耗(Cost Size Weight and Power，C-SWaP)的LN-200S具有3個(gè)光纖陀螺和3個(gè)硅MEMS加速度計(jì)，采用密封包裝，非常適合航天應(yīng)用，包括小行星和行星探測(cè)器。

目前，光纖陀螺已經(jīng)達(dá)到了超越激光陀螺的極限理論性能，由于其固有的低噪聲和可擴(kuò)展性，使其成為了少數(shù)幾個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)性能與C-SWaP相統(tǒng)一的陀螺慣性器件之一，尤其是目前在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中逐步體現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)的IFOG，已經(jīng)在廣泛的應(yīng)用中部分取代了其主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手環(huán)形激光陀螺。

1.2 MEMS陀螺

典型的MEMS陀螺有音叉陀螺、振動(dòng)板陀螺、諧振式環(huán)形陀螺、懸浮質(zhì)量自旋式陀螺、石英盤式諧振陀螺和微型速率積分陀螺(Micro Rate Integrating Gyroscope，MRIG)等，相關(guān)研究機(jī)構(gòu)有Draper實(shí)驗(yàn)室、賽峰集團(tuán)、諾格公司、霍尼韋爾公司、Emcore/SDI公司、法國(guó)國(guó)家航空航天研究中心、精工愛普生、模擬器件公司、噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室、Sensonor公司、大西洋慣性系統(tǒng)公司/聯(lián)合技術(shù)公司、古德里奇慣性系統(tǒng)公司、硅傳感系統(tǒng)公司和密歇根大學(xué)等。多家制造商已投產(chǎn)零偏穩(wěn)定性約為1～5(°)/h的陀螺和慣性測(cè)量單元，部分優(yōu)于1(°)/h。

MEMS陀螺方面，在DARPA MRIG和先進(jìn)慣性微傳感器(Advanced Inertial Micro Sensors，AMIS)項(xiàng)目的支持下，密歇根大學(xué)的N.Khalil團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種Q值達(dá)520萬的小型(直徑為1cm)、低成本且高精確度的精密殼積分(Precision Shell Integrating，PSI)陀螺，角度隨機(jī)游走為0.00016(°)/h1/2，零偏穩(wěn)定性為0.0014(°)/h，無需任何溫度補(bǔ)償[7]，如圖2所示。此外，該團(tuán)隊(duì)還提出了一種由梯形結(jié)構(gòu)組成的具有高Q值和模式匹配的硅基MEMS陀螺，梯形結(jié)構(gòu)能夠抑制能量耗散，使驅(qū)動(dòng)模式和傳感模式的Q值達(dá)到了120000，角度隨機(jī)游走為0.020(°)/h1/2，零偏穩(wěn)定性為0.20(°)/h[8]；S.Singh等還報(bào)道了用于高性能陀螺儀的 3D殼諧振器，首次實(shí)現(xiàn)了微尺度彎曲電極的制造，在工作頻率為6000Hz的情況下，可獲得高達(dá)40萬的Q值和低至1.3Hz的分頻[9]。在DARPA和美國(guó)海軍的支持下(N66001-16-1-4021)，加州大學(xué)歐文分校的A.M.Shkel團(tuán)隊(duì)繼續(xù)報(bào)道了其動(dòng)態(tài)放大雙質(zhì)量塊陀螺(Dynamically Amplified dual-mass Gyroscope，DAG)的研究進(jìn)展，并首次介紹了捕獲與保持(Trap-and-Hold，TAH)這一概念，可有效增強(qiáng)陀螺對(duì)機(jī)械沖擊和振動(dòng)殘余力的影響[10-11]。斯坦福大學(xué)的研究人員比較了MEMS諧振盤陀螺(Disc Resonating Gyroscope，DRG)10種不同設(shè)計(jì)的外延封裝在接近50000g沖擊下的耐受能力，結(jié)果表明，DRG環(huán)間的較大間隙可能有助于防止振蕩后的頻率偏移[12]。為了克服惡劣環(huán)境的限制，通用電子集團(tuán)的研究人員開發(fā)出一種基于MEMS的低成本多環(huán)陀螺(Multi-Ring Gyroscope，MRG)，能夠在300℃的隨鉆測(cè)量應(yīng)用中尋找方位角，已證明MRG原型可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)于0.003(°)/h1/2的角度隨機(jī)游走和0.01(°)/h的零偏穩(wěn)定性，并能夠滿足優(yōu)于0.25°的尋北精度[13]。為降低頻率不匹配度，研究者們提出了不同的諧振腔制造技術(shù)[14-15]，日本東北大學(xué)的S.Tanaka團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種新型的三集成諧振腔，可有效地改善其諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)[16]。該團(tuán)隊(duì)還提出了在石英玻璃基板上制造石英玻璃微結(jié)構(gòu)的技術(shù)，在制造過程中使用犧牲金屬支撐結(jié)構(gòu)的方法很好地保護(hù)了器件，并且可以通過時(shí)間控制的犧牲蝕刻成功地釋放臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)[17]。為滿足國(guó)防部系統(tǒng)對(duì)性能、成本、供應(yīng)鏈可靠性以及與未來技術(shù)發(fā)展兼容性的需求，加拿大Teledyne DALSA半導(dǎo)體公司在200mm直徑晶圓的生產(chǎn)中，采用了高性能的低泄漏率晶圓級(jí)真空封裝(Wafer-Level Vacuum Packa-ging，WLVP)工藝，促進(jìn)了新設(shè)備概念向批量生產(chǎn)的快速過渡[18]。法國(guó)泰雷茲集團(tuán)提出了一種用于航天應(yīng)用的軸對(duì)稱雙質(zhì)量塊MEMS陀螺儀，測(cè)得的角度隨機(jī)游走為0.006(°)/h1/2，零偏穩(wěn)定性為0.012(°)/h(熱校正后為0.007(°)/h)[19]。

圖2 PSI陀螺的微機(jī)電諧振腔和真空封裝的微機(jī)電諧振腔

MEMS陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)方面，Emcore公司展示了一種基于SDI500的小型慣性測(cè)量單元，運(yùn)行中具有導(dǎo)航級(jí)性能，該IMU基于3個(gè)石英MEMS科里奧利振動(dòng)陀螺(Coriolis Vibratory Gyroscope，CVG)和3個(gè)石英MEMS共振加速度計(jì)，在穩(wěn)定溫度下，陀螺角度隨機(jī)游走優(yōu)于0.0008(°)/h1/2，零偏穩(wěn)定性為0.005(°)/h，加速度計(jì)顯示出50μg/Hz1/2的噪聲水平和3μg的零偏穩(wěn)定性[20]。Emcore公司與雷聲技術(shù)公司簽訂了價(jià)值360萬美元的合同，為MK-54輕型魚雷提供SDI500慣性測(cè)量單元，計(jì)劃于2021年9月完成。InertialWave公司提出了用于導(dǎo)航級(jí)慣性傳感器的通用ASIC iWCA1001和具有INS集成架構(gòu)的片上導(dǎo)航系統(tǒng)(NSoCTM)，顯著提高了生產(chǎn)規(guī)模，并從根本上降低了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的C-SWaP，且有效適應(yīng)了空間輻射環(huán)境[21]?；裟犴f爾公司推出了輕小型GNSS/INS HGuide n380，與其先前的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)相比，HGuide n380體積更小、質(zhì)量更小且價(jià)格更低，可承受空中、陸地或海上的惡劣環(huán)境。日本村田制作所研發(fā)了能支持要求達(dá)到車輛安全完整性等級(jí)ASIL D級(jí)的6軸一體封裝、3D MEMS慣性力傳感器SCHA600系列，并計(jì)劃于2020年12月底開始批量生產(chǎn)。

隨著MEMS陀螺微加工精度的不斷提高、封裝應(yīng)力敏感性不斷降低、電子設(shè)備不斷優(yōu)化、綜合性能不斷提升，勢(shì)必會(huì)影響戰(zhàn)術(shù)級(jí)環(huán)形激光陀螺和光纖陀螺，預(yù)計(jì)未來10年，MEMS陀螺性能將提升1個(gè)數(shù)量級(jí)。

1.3 半球諧振陀螺

2020年，賽峰集團(tuán)和諾格公司兩家在半球諧振陀螺研發(fā)和生產(chǎn)方面占領(lǐng)先地位的企業(yè)均未披露相關(guān)信息；半球諧振陀螺向小型化發(fā)展取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)步，從表1可以看出，目前半球諧振陀螺的尺寸稍大但精度卻達(dá)到導(dǎo)航級(jí)。

表1 不同陀螺儀的比較

1.4 原子陀螺

原子陀螺的典型代表有核磁共振陀螺、原子干涉陀螺和無自旋交換弛豫原子自旋陀螺，其中原子干涉陀螺的原理實(shí)驗(yàn)樣機(jī)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)陀螺效應(yīng)，核磁共振陀螺和SERF原子自旋陀螺以及測(cè)力測(cè)磁裝置已經(jīng)進(jìn)入工程研制實(shí)驗(yàn)階段，性能不斷提升。研究進(jìn)展方面，2020年，康奈爾大學(xué)的研究人員基于局限在光學(xué)微環(huán)諧振器周圍的物質(zhì)波孤子之間的干擾，提出了一種捕獲原子Sagnac陀螺的新穎實(shí)現(xiàn)方法。這種方法將微納光學(xué)技術(shù)用于原子捕獲并進(jìn)行干涉，既有超冷物質(zhì)波干涉儀的長(zhǎng)期穩(wěn)定性好和超高靈敏度的優(yōu)點(diǎn)，也有微納光學(xué)架構(gòu)的魯棒性好、可擴(kuò)展性強(qiáng)和操作功耗低的優(yōu)點(diǎn)[28]。

2 加速度計(jì)

加速度計(jì)繼續(xù)向兩級(jí)化發(fā)展，消費(fèi)級(jí)加速度計(jì)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，隨著制造商的增多，成本不斷下降；軍用級(jí)加速度計(jì)精度不斷提高，性能也不斷提升。擺式積分陀螺加速度計(jì)依然是戰(zhàn)略應(yīng)用領(lǐng)域的首選，擺式再平衡加速度計(jì)和石英諧振加速度計(jì)主要用于導(dǎo)航級(jí)應(yīng)用，硅微機(jī)電加速度計(jì)的C-SWaP性能優(yōu)勢(shì)明顯，在工業(yè)級(jí)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

研究進(jìn)展方面，2020年，葡萄牙米尼奧大學(xué)的E.M.Eurico等測(cè)試了基于雙端音叉諧振器的調(diào)頻加速度計(jì)，結(jié)果顯示差分配置和使用基于聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxanes，PDMS)的軟膠封裝使傳感器的應(yīng)力漂移最小化[29]；L.Vasco等介紹了采用Sigma-Delta調(diào)制的小尺寸真空封裝電容式MEMS加速度計(jì)，在現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA)中實(shí)現(xiàn)了三種不同的調(diào)制階數(shù)，從而可以靈活地實(shí)時(shí)調(diào)整環(huán)路參數(shù)[30]。斯坦福大學(xué)的研究人員測(cè)試了四種不同提高熱加速度計(jì)性能的方法：直流加熱和感應(yīng)、交流加熱和直流感應(yīng)、直流加熱和交流感應(yīng)以及交流加熱和感應(yīng)，結(jié)果表明，調(diào)制加熱器和傳感器可以顯著改善熱加速度計(jì)的性能[31]。在MEMS加速度計(jì)中，抵抗粘滯問題的魯棒性是關(guān)鍵性能指標(biāo)，基于二自由度機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的反沖效果，意法半導(dǎo)體的G.Gattere等設(shè)計(jì)了一種新的MEMS電容式加速度計(jì)架構(gòu)，能夠提高器件在高g沖擊下的魯棒性，使靜摩擦的發(fā)生率大大降低[32]。據(jù)報(bào)道，賽峰的硅MEMS導(dǎo)航級(jí)加速度計(jì)(圖3)準(zhǔn)備投入量產(chǎn)，其零偏溫度穩(wěn)定性優(yōu)于30μg，標(biāo)度因數(shù)全溫穩(wěn)定性優(yōu)于3×10-5，該加速度計(jì)與賽峰集團(tuán)的HRG CrystalTM陀螺儀組合在一起，可提供C-SWaP 性能優(yōu)異的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)[33]。各研究機(jī)構(gòu)通過改進(jìn)設(shè)計(jì)和工藝，不斷提高加速度計(jì)性能，推動(dòng)高性能加速度計(jì)的量產(chǎn)。

圖3 賽峰集團(tuán)的導(dǎo)航級(jí)加速度計(jì)

3 慣性技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

目前，國(guó)外陀螺技術(shù)的發(fā)展如圖4所示，國(guó)外加速度計(jì)的發(fā)展如圖5所示。

圖4 國(guó)外陀螺發(fā)展現(xiàn)狀

圖5 國(guó)外加速度計(jì)發(fā)展現(xiàn)狀

展望未來，慣性技術(shù)呈現(xiàn)的發(fā)展趨勢(shì)如下：

1)環(huán)形激光陀螺依舊是航空航天及其他高端導(dǎo)航與戰(zhàn)略應(yīng)用的重要選擇，在高端慣性市場(chǎng)占據(jù)領(lǐng)導(dǎo)地位，2020年披露的市場(chǎng)規(guī)模達(dá)15.22億美元[34]。近年來，激光陀螺在小型化方面也在不斷嘗試，除非光纖陀螺能夠以更低的成本和更小的尺寸達(dá)到同等的性能和可靠性，否則難以撼動(dòng)環(huán)形激光陀螺在高端市場(chǎng)的地位。

2)光纖陀螺在各種戰(zhàn)術(shù)與導(dǎo)航級(jí)應(yīng)用領(lǐng)域和部分工業(yè)級(jí)應(yīng)用領(lǐng)域中應(yīng)用較廣，2020年披露的市場(chǎng)規(guī)模達(dá)6.51億美元[34]。由于戰(zhàn)術(shù)級(jí)和工業(yè)級(jí)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ω〕叽鐐鞲衅鞯男枨?，業(yè)界正在開發(fā)集成解決方案。目前，光纖陀螺與環(huán)形激光陀螺、MEMS陀螺的競(jìng)爭(zhēng)越來越激烈，提高精度和降低成本成為必然。

3)MEMS陀螺在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域占主導(dǎo)地位，并不斷發(fā)展，對(duì)陀螺市場(chǎng)前景影響較大，2020年披露的硅微機(jī)電陀螺市場(chǎng)規(guī)模達(dá)4.51億美元[34]。在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，MEMS陀螺與光纖陀螺不斷競(jìng)爭(zhēng)。未來，隨著MEMS陀螺微加工精度的不斷提高、封裝敏感性不斷降低、電子設(shè)備不斷優(yōu)化、綜合性能不斷提升，MEMS會(huì)以更低的成本和更高的性能向光纖陀螺發(fā)起挑戰(zhàn)。

4)半球諧振陀螺在技術(shù)研究領(lǐng)域未披露突破性的進(jìn)展，但隨著賽峰集團(tuán)和諾格公司通過將技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，降低了半球諧振陀螺的成本，未來，半球諧振陀螺或能改變陀螺領(lǐng)域的應(yīng)用分布現(xiàn)狀。

5)原子光子領(lǐng)域的重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)和量子調(diào)控技術(shù)的飛速發(fā)展，推動(dòng)了原子陀螺性能的不斷提升，在軍用和民用領(lǐng)域已表現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用價(jià)值，在相關(guān)研究機(jī)構(gòu)的共同努力下，其工程化進(jìn)程日益加快。

6)加速度計(jì)領(lǐng)域，擺式積分陀螺加速度計(jì)依然是戰(zhàn)略應(yīng)用領(lǐng)域的首選，力再平衡加速度計(jì)在戰(zhàn)術(shù)/慣性導(dǎo)航級(jí)設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模最大，MEMS加速度計(jì)達(dá)到了戰(zhàn)術(shù)級(jí)應(yīng)用，并已開始滲透導(dǎo)航級(jí)應(yīng)用，部分公司致力于開發(fā)導(dǎo)航級(jí)硅MEMS加速度計(jì)并實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

4 美國(guó)為增強(qiáng)PNT能力的舉措

近年來，隨著反衛(wèi)星、電磁干擾等技術(shù)的快速發(fā)展，GPS的脆弱性暴露無遺，為增強(qiáng)定位導(dǎo)航與授時(shí)(Positioning, Navigation and Timing，PNT)能力，美國(guó)采取了一系列的措施。在政策層面，美國(guó)前總統(tǒng)特朗普簽署“關(guān)于通過負(fù)責(zé)任地使用定位、導(dǎo)航與授時(shí)服務(wù)以增強(qiáng)國(guó)家彈性”的行政令，旨在防止PNT信號(hào)受到干擾與操縱，增強(qiáng)美國(guó)PNT能力；美國(guó)國(guó)防部發(fā)布了一份建立國(guó)防科學(xué)委員會(huì)定位、導(dǎo)航與授時(shí)工作組的備忘錄，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)將其他系統(tǒng)添加到PNT體系結(jié)構(gòu)中，以獲得更高的效率和經(jīng)濟(jì)收益；彈性導(dǎo)航與授時(shí)基金會(huì)(RNT)發(fā)布文件《彈性國(guó)家授時(shí)架構(gòu)》，討論了可靠且具有彈性的國(guó)家授時(shí)體系的需求和實(shí)施措施[35]。在技術(shù)層面，量子概念備受關(guān)注，美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室正在尋找用于磁力計(jì)的量子材料，并資助麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室研究磁力計(jì)原型，有望在2021年左右演示；美國(guó)國(guó)防部創(chuàng)新局宣布希望2年內(nèi)開發(fā)出天基量子傳感樣機(jī)，這種傳感器可以為天基量子互聯(lián)網(wǎng)做出貢獻(xiàn)，并能夠?yàn)樵贕PS范圍之外運(yùn)行的太空飛行器提供必要的定位數(shù)據(jù)，定位誤差在外太空漂移不大于100m/h，在地面環(huán)境下漂移不大于30m/h，而其體積小于0.1m3。在系統(tǒng)層面，美國(guó)海軍信息戰(zhàn)中心與美國(guó)空軍太空與導(dǎo)彈系統(tǒng)中心合作，授予博思艾倫咨詢公司價(jià)值1.78億美元的合同，為先進(jìn)全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)現(xiàn)代化提供技術(shù)工程服務(wù)；美國(guó)空軍壽命周期管理中心授予霍尼韋爾公司一份總金額9915萬美元成本加定酬類及固定價(jià)格類合同(FA8576-20-C-0001)，內(nèi)容涉及現(xiàn)代化嵌入式全球定位/慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(EGI-M)的工程、制造和開發(fā)(Engineering, Manufacturing, and Development, EMD)，EGI-M系統(tǒng)基于模塊化的開放系統(tǒng)架構(gòu)，將新功能快速集成于F-22噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)和E-2D艦載雷達(dá)飛機(jī)等軍用飛機(jī)中，可在GPS受限的環(huán)境中運(yùn)行。

此外，美國(guó)還積極尋找其他輔助或替代導(dǎo)航方法。2020年，美國(guó)空軍與麻省理工學(xué)院簽訂合同，共同實(shí)施人工智能加速器項(xiàng)目，旨在利用人工智能推動(dòng)包括地磁導(dǎo)航在內(nèi)的多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)研發(fā)。在該項(xiàng)目實(shí)施過程中，美空軍為其提供多種政策和活動(dòng)支持。一方面，美空軍拿出軍用數(shù)據(jù)庫與科研界共享，力求推動(dòng)研究盡快取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展；另一方面，美空軍以改進(jìn)人工智能工具提升地磁導(dǎo)航效能為主題，舉辦挑戰(zhàn)賽。目前研究顯示，地磁導(dǎo)航定位精度可精確至10m，略低于GPS的3m精度。

5 組織機(jī)構(gòu)的發(fā)展變化

組織機(jī)構(gòu)的調(diào)整在一定程度上反映了研究態(tài)勢(shì)與動(dòng)向，及時(shí)把握各機(jī)構(gòu)發(fā)展變化也就十分必要[36]。2020年，美國(guó)陸軍正在建立一個(gè)新的PNT現(xiàn)代化辦公室和開放式創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，用于開發(fā)射頻系統(tǒng)、GPS、芯片級(jí)原子鐘、其他授時(shí)技術(shù)和天體導(dǎo)航等，使PNT系統(tǒng)能在GPS信號(hào)被拒、降級(jí)或欺騙的地區(qū)正常運(yùn)行，以減少士兵對(duì)GPS的依賴，該辦公室預(yù)計(jì)每5年發(fā)布一次新的PNT系統(tǒng)解決方案；美國(guó)空軍正在建立一個(gè)導(dǎo)航戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)室(Naviga-tion Warfare Laboratory，NWL)，旨在研究如果敵方攻擊其GPS信號(hào)或其他PNT系統(tǒng)時(shí)軍用飛機(jī)的飛行問題，該實(shí)驗(yàn)室計(jì)劃于2021年5月投入運(yùn)營(yíng)；英國(guó)政府投資3600萬英鎊建立了一個(gè)新的國(guó)家授時(shí)中心，以減少公共服務(wù)及其經(jīng)濟(jì)對(duì)GNSS的依賴，英國(guó)的緊急服務(wù)響應(yīng)機(jī)構(gòu)和其他關(guān)鍵服務(wù)可以通過國(guó)家授時(shí)中心彈性授時(shí)；英國(guó)BAE系統(tǒng)公司宣布已達(dá)成兩項(xiàng)資產(chǎn)收購協(xié)議，其一是以19.25億美元現(xiàn)金收購美國(guó)柯林斯航宇系統(tǒng)公司的軍用GPS業(yè)務(wù)，其二是以2.75億美元現(xiàn)金收購美國(guó)雷錫恩公司的機(jī)載戰(zhàn)術(shù)無線電業(yè)務(wù)；法國(guó)SBG系統(tǒng)公司在新加坡開設(shè)新的子公司，將為亞洲地區(qū)提供銷售和技術(shù)支持，SBG系統(tǒng)公司主要設(shè)計(jì)、制造和銷售慣性傳感器，如慣性測(cè)量單元、姿態(tài)和航向參考系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)等。2020年，為減少對(duì)GPS的依賴，美國(guó)和英國(guó)相繼成立相關(guān)機(jī)構(gòu)，致力于PNT技術(shù)研究，部分公司隨著業(yè)務(wù)的擴(kuò)大，不斷推進(jìn)結(jié)構(gòu)調(diào)整、并購與重組，規(guī)模實(shí)力明顯增強(qiáng)。

6 結(jié)束語

隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，慣性技術(shù)從海陸空天電等應(yīng)用領(lǐng)域，拓展到了國(guó)民經(jīng)濟(jì)的全方位應(yīng)用領(lǐng)域。新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革也推動(dòng)量子+人工智能、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、智能制造、新材料等前沿技術(shù)加速應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，也給慣性技術(shù)升級(jí)帶來契機(jī)，在這科學(xué)技術(shù)發(fā)展的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，正確認(rèn)知與思考慣性技術(shù)尤為必要。