薛連莉，陳少春，陳效真

(1.北京海鷹科技情報(bào)研究所，北京 100074；2.北京航天控制儀器研究所，北京 100039)

0　引言

高技術(shù)的迅猛發(fā)展，尤其是干擾技術(shù)的興起，更體現(xiàn)了慣性技術(shù)對(duì)導(dǎo)航制導(dǎo)的價(jià)值。本文主要對(duì)國(guó)外慣性相關(guān)機(jī)構(gòu)的變化和發(fā)展、慣性技術(shù)相關(guān)文獻(xiàn)等進(jìn)行了梳理。相關(guān)機(jī)構(gòu)包括美國(guó)國(guó)防部預(yù)研計(jì)劃局(DARPA)、Draper實(shí)驗(yàn)室、諾格公司、霍尼韋爾公司、亞諾德半導(dǎo)體(ADI)公司、大西洋慣性系統(tǒng)公司、基爾福特公司、KVH公司、噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室、斯坦福大學(xué)、密歇根大學(xué)、加州大學(xué)等，法國(guó)賽峰集團(tuán)、iXblue集團(tuán)、泰雷茲集團(tuán)等，英國(guó)BAE系統(tǒng)公司，德國(guó)博世公司，挪威Sensonor公司，俄羅斯中央電氣儀表研究所、物理光學(xué)公司、精密機(jī)械與控制研究所、陀螺光學(xué)股份有限公司、拉明斯克儀表廠、Optolink公司等，日本航空電子工業(yè)有限公司、三菱精密有限公司等，主要分布如圖1所示。由圖1可知，北美是慣性技術(shù)的活躍區(qū)域，其次是歐洲和亞洲。近年來，搜集整理到慣性技術(shù)相關(guān)動(dòng)態(tài)上百余條、多個(gè)慣性技術(shù)相關(guān)會(huì)議論文集以及大量慣性技術(shù)相關(guān)文獻(xiàn)、專利，經(jīng)分析梳理，得出慣性技術(shù)的一些新進(jìn)展。

1　慣性領(lǐng)域相關(guān)機(jī)構(gòu)的變化情況

美國(guó)諾格公司于1994年組建。2001年，該公司以51億美元的價(jià)格收購(gòu)利頓工業(yè)公司歸其電子系統(tǒng)部；而利頓工業(yè)公司早在1996年就已收購(gòu)斯佩里航海公司；德國(guó)利鐵夫公司是利頓工業(yè)公司的德國(guó)分公司。因此，美國(guó)利頓工業(yè)公司、斯佩里航海公司、德國(guó)利鐵夫公司現(xiàn)皆隸屬諾格公司，是慣性技術(shù)產(chǎn)品主要研制機(jī)構(gòu)。

BAE公司是英國(guó)飛機(jī)、軍火和國(guó)防系統(tǒng)的生產(chǎn)商。1999年，該公司購(gòu)買了馬可尼電子系統(tǒng)公司、通用電子公司的國(guó)防電子和海軍造船子公司，組成了BAE系統(tǒng)公司。美國(guó)BAE系統(tǒng)公司為英國(guó)BAE系統(tǒng)公司的子公司。BAE系統(tǒng)公司的主要產(chǎn)品有精確著陸系統(tǒng)、Doppler設(shè)備、GPS和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)等。2007年8月，BAE系統(tǒng)公司以1.4億美元的價(jià)格，將慣性產(chǎn)品業(yè)務(wù)出售給J.F雷曼公司，成立了大西洋慣性系統(tǒng)(AIS)公司。2009年12月，古德里奇公司與AIS公司達(dá)成價(jià)值3.75億美元的并購(gòu)協(xié)議，并購(gòu)后AIS公司將被納入古德里奇公司電子系統(tǒng)分部的傳感器和綜合系統(tǒng)業(yè)務(wù)。2012年7月，美國(guó)聯(lián)合技術(shù)公司(UTC)收購(gòu)古德里奇公司，同時(shí)將收購(gòu)的古德里奇公司與漢盛公司合并組成UTC宇航系統(tǒng)公司。據(jù)羅克韋爾·柯林斯公司2018年1月11日?qǐng)?bào)道，經(jīng)過投票，該公司超過96%的股東贊成公司被UTC收購(gòu)，交易預(yù)計(jì)將在2018年第3季度完成。完成交易后，羅克韋爾·柯林斯公司將與UTC宇航系統(tǒng)公司合并，成立一個(gè)新的聯(lián)合技術(shù)公司，名為柯林斯宇航系統(tǒng)公司。據(jù)UTC預(yù)計(jì)，兩家企業(yè)的合并將實(shí)現(xiàn)超過5億美元的成本協(xié)同效應(yīng)。

法國(guó)通用機(jī)械電氣公司即法國(guó)薩基姆公司，該公司在航空、航海、陸地用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)方面位列歐洲前位。2005年，斯奈克瑪公司和薩基姆公司合并成賽峰集團(tuán)。而據(jù)賽峰集團(tuán)2016年5月宣布，薩基姆公司、斯奈克瑪公司、透博梅卡等公司名稱將不再使用，統(tǒng)一使用賽峰集團(tuán)品牌，薩基姆公司更名為賽峰電子與防務(wù)公司。

機(jī)構(gòu)為研究服務(wù)，機(jī)構(gòu)調(diào)整無疑彰顯研究態(tài)勢(shì)與動(dòng)向，更是研究?jī)?nèi)容的需求，及時(shí)把握各機(jī)構(gòu)發(fā)展變化也就十分必要。

2　慣性儀表及系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用

目前，光學(xué)陀螺已占領(lǐng)高精度應(yīng)用市場(chǎng)，微機(jī)電陀螺和原子陀螺取得重要進(jìn)展。在2017年國(guó)外慣性相關(guān)會(huì)議上，來自NSIT、斯坦福大學(xué)、DARPA、諾格公司、霍尼韋爾公司、iXblue公司等的專家、學(xué)者分別從不同角度報(bào)道了光學(xué)陀螺、MEMS陀螺和原子陀螺的研究，本文將介紹以上技術(shù)領(lǐng)域的新進(jìn)展。

2.1　激光陀螺

國(guó)外激光陀螺領(lǐng)域相關(guān)單位有美國(guó)DARPA、Draper實(shí)驗(yàn)室、霍尼韋爾公司、諾格公司、Singer-Kearfott公司等，法國(guó)薩基姆公司、Sextant公司等，日本的宇宙開發(fā)事業(yè)團(tuán)(NASDA)、國(guó)家宇航實(shí)驗(yàn)室、日本航空電子工業(yè)有限公司(JAE)，俄羅斯的Polyus研究所、電子光學(xué)(Electrooptika)公司等。自20世紀(jì)60年代發(fā)展至今，激光陀螺主要關(guān)鍵技術(shù)已取得突破，在多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。近兩年，涉及激光陀螺技術(shù)的論文和專利數(shù)量相對(duì)較少。在專利申請(qǐng)及發(fā)文數(shù)量方面，美國(guó)、日本、德國(guó)、歐專局、法國(guó)等國(guó)家/機(jī)構(gòu)的激光陀螺發(fā)文數(shù)量占總數(shù)量的近75%。

(1)霍尼韋爾公司

霍尼韋爾公司是世界激光陀螺研究的先驅(qū)，長(zhǎng)期以來一直領(lǐng)跑國(guó)際激光陀螺領(lǐng)域的最新進(jìn)展。公司在激光陀螺方面的基本發(fā)展路線是：以技術(shù)發(fā)展為基礎(chǔ)，拓展產(chǎn)品成系列化，形成GG1308、GG1320、GG1342、GG1389系列產(chǎn)品，在型譜中發(fā)展標(biāo)準(zhǔn)、典型產(chǎn)品。高精度以GG1389為代表，低精度以GG1308、GG1320為代表。2007年年初，霍尼韋爾公司發(fā)布了GG1320的升級(jí)產(chǎn)品——GG1320AN(軍用)和GG1320AN01(民用)，用于航天領(lǐng)域的導(dǎo)航級(jí)HG9848-IMU和代表激光陀螺慣性器件最新發(fā)展水平的HG9900-IMU均采用GG1320AN作為姿態(tài)測(cè)量傳感器。2016年3月，美國(guó)國(guó)防后勤局陸海分部授予霍尼韋爾公司宇航分部一項(xiàng)為期3年金額3890萬美元的合同，為美國(guó)海軍AN/WSN-7海上導(dǎo)航系統(tǒng)研制環(huán)形激光陀螺。2016年10月，霍尼韋爾公司宣布對(duì)其Laseref系列慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)，新的Laseref IV慣導(dǎo)系統(tǒng)將取代之前的Laseref Ⅱ/Ⅲ慣導(dǎo)系統(tǒng)。

(2)諾格公司

諾格公司于2001年收購(gòu)了利頓工業(yè)公司，成為激光陀螺的主要生產(chǎn)者，其基本發(fā)展路線是：1994年之前主要發(fā)展機(jī)抖激光陀螺技術(shù)；1994年—2000年發(fā)展三軸激光陀螺以及零閉鎖陀螺技術(shù)，2000年后的研究主要是微型激光陀螺。目前，該公司的MK39/MK49系列慣導(dǎo)系統(tǒng)已被超過24個(gè)國(guó)家的海軍選用，主要用于為艦艇平臺(tái)和火控系統(tǒng)提供位置、姿態(tài)、速度和方向數(shù)據(jù)。由MK39/MK49改裝而成的AN/WSN-7/7A/7B慣導(dǎo)系統(tǒng)是美海軍的自用型。其中，AN/WSN-7/7A慣導(dǎo)系統(tǒng)(精度達(dá)1nmile/14d)采用霍尼韋爾公司的GG1342激光陀螺，AN/WSN-7B慣導(dǎo)系統(tǒng)(精度達(dá)1nmile/d)采用霍尼韋爾公司的GG1320激光陀螺。據(jù)報(bào)道，2017年9月，美海軍授予諾格公司1103萬美元合同，生產(chǎn)AN/WSN-7環(huán)形激光陀螺導(dǎo)航系統(tǒng)組件用于安裝美海軍水面艦艇、潛艇，預(yù)計(jì)2019年4月完成。

(3)賽峰電子與防務(wù)公司

法國(guó)賽峰電子與防務(wù)(薩基姆)公司1977年開始涉足激光陀螺領(lǐng)域，目前是歐洲最大的激光陀螺生產(chǎn)廠家。薩基姆公司激光陀螺產(chǎn)品主要以GLC-8、GLC-l6和GLS-32激光陀螺為主，形成系列慣導(dǎo)產(chǎn)品，如SIGMA 95、SIGMA 30和SIGMA 40，廣泛用于軍用飛機(jī)、無人機(jī)、無人水下潛艇、導(dǎo)彈等領(lǐng)域。2015年2月，印度斯坦航空有限公司(HAL)與薩基姆公司簽訂了技術(shù)轉(zhuǎn)讓協(xié)議，根據(jù)協(xié)議條款，HAL將為印度空軍生產(chǎn)SIGMA 95慣導(dǎo)系統(tǒng)。目前，印度空軍和海軍部署了數(shù)百架作戰(zhàn)飛機(jī)都已配置了薩基姆的激光陀螺導(dǎo)航系統(tǒng)，包括鷹、捷豹、米格-29和蘇-27和蘇-30。2016年10月，采用SIGMA 40慣導(dǎo)系統(tǒng)對(duì)AGM-84魚叉反艦導(dǎo)彈進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)的甲米輕型護(hù)衛(wèi)艦和KDX級(jí)護(hù)衛(wèi)艦在泰國(guó)成功進(jìn)行測(cè)試。

2.2　光纖陀螺

國(guó)外光纖陀螺相關(guān)單位主要有美國(guó)DARPA、Draper實(shí)驗(yàn)室、諾格公司、霍尼韋爾公司、KVH公司等，法國(guó)薩基姆公司、iXblue公司等，日本三菱精密有限公司，俄羅斯Optolink公司等。自20世紀(jì)70年代發(fā)展至今，光纖陀螺關(guān)鍵技術(shù)取得重大突破，應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，與激光陀螺形成了相互補(bǔ)充甚至競(jìng)爭(zhēng)的態(tài)勢(shì)。目前，光纖陀螺的精度最高可達(dá)8×10-5(°)/h，表1為當(dāng)前不同機(jī)構(gòu)性能最高的光纖陀螺儀及其參數(shù)。

(1)霍尼韋爾公司

霍尼韋爾公司自20世紀(jì)80年代中期開始研發(fā)各類精度的光纖陀螺，將保偏和去極化閉環(huán)結(jié)構(gòu)作為高性能補(bǔ)充成分應(yīng)用到環(huán)形激光陀螺產(chǎn)品線上，研發(fā)了一系列干涉型光纖陀螺產(chǎn)品，零偏穩(wěn)定性范圍為0.0001(°)/h～0.001(°)/h。2016年，該公司披露其用于太空應(yīng)用的高性能太空光纖陀螺(HPSFOG)，精度范圍達(dá)0.0002(°)/h ～0.0006(°)/h。除了干涉式光纖陀螺，霍尼韋爾公司還進(jìn)行了諧振式光纖陀螺的研究。2017年，霍尼韋爾公司報(bào)道了緊湊型諧振式光纖陀螺技術(shù)進(jìn)展，該陀螺首次采用硅基光學(xué)芯片(SIOB)技術(shù)，在敏感環(huán)尺寸為5.08cm下，得到樣機(jī)初步試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果：隨機(jī)游走優(yōu)于0.0029(°)/ h1/2，零偏穩(wěn)定性優(yōu)于0.1(°)/h。

(2)諾格公司

諾格公司自1988年開始研制基于光纖陀螺IMU系統(tǒng)，代表產(chǎn)品分為uFORS系列與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點(diǎn)，多用于IMU、AHRS等軍用系統(tǒng)。據(jù)諾格公司2016年報(bào)道，該公司已交付超過30000個(gè)基于光纖陀螺的慣性導(dǎo)航產(chǎn)品以及超過10000個(gè)光纖陀螺速率傳感器，而這奠定了諾格公司在光纖陀螺領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。

(3)KVH公司

據(jù)KVH公司2016年12月報(bào)道，經(jīng)過20年的發(fā)展，該公司的光纖陀螺已經(jīng)由大型、低性能的光纖陀螺發(fā)展成了緊湊型、精確的光纖陀螺及其慣導(dǎo)系統(tǒng)。KVH公司光纖陀螺和光纖陀螺基慣性系統(tǒng)的成功很大程度上歸結(jié)于該公司光纖的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)、制造過程以及信號(hào)處理過程，比如KVH公司設(shè)計(jì)和制造的開環(huán)光纖陀螺可為小封裝提供戰(zhàn)術(shù)級(jí)性能。

(4)法國(guó)iXblue公司

經(jīng)過數(shù)十年的持續(xù)研發(fā)，iXblue公司的光纖陀螺應(yīng)用系統(tǒng)覆蓋了航海、陸地和空間應(yīng)用等場(chǎng)合，涵蓋了從戰(zhàn)術(shù)級(jí)到戰(zhàn)略級(jí)的各個(gè)精度范圍。該公司基于光纖陀螺的姿態(tài)航向參考系統(tǒng)OCTANS非常適用于各種水面艦艇，基于光纖陀螺的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)PHINS的性能優(yōu)于OCTANS，能實(shí)現(xiàn)在無GPS信號(hào)情況下的精確慣性導(dǎo)航，目前廣泛應(yīng)用在多國(guó)海軍裝備上。MARINS是該公司專為軍事用途開發(fā)的高精度光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)，系統(tǒng)上的光纖陀螺使用了長(zhǎng)5km的光纖環(huán)，陀螺零偏穩(wěn)定性為1.8×10 (°)/h，角度隨機(jī)游走為1×10-4(°)/h1/2，能實(shí)現(xiàn)1nmile/72h的高精度純慣性導(dǎo)航。2016年，英國(guó)皇家海軍授予iXblue的戰(zhàn)略合作伙伴洛馬英國(guó)公司一份5年期合同，選擇iXblue的高級(jí)MARINS M7系統(tǒng)對(duì)35艘大型水面艦艇和潛艇的導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)，iXblue將為35艘英國(guó)皇家海軍大型水面艦艇和潛艇提供70套MARINS M7系統(tǒng)。此外，該公司還推出了用于水下航行器的高性能光纖陀螺慣性導(dǎo)航系統(tǒng)PHINS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。與iXblue公司MARINS系列慣導(dǎo)系統(tǒng)相比，PHINS慣導(dǎo)系統(tǒng)的體積和質(zhì)量大大減小，如表2和表3所示。

表2　iXblue公司PHINS系列慣導(dǎo)系統(tǒng)參數(shù)

表3　iXblue公司MARINS系列慣導(dǎo)系統(tǒng)參數(shù)

(5)俄羅斯

俄羅斯Optolink公司2017年9月在德國(guó)Karlsruhe 舉辦慣性傳感器與系統(tǒng)會(huì)議，展示光纖陀螺儀SRS-5000，零偏穩(wěn)定性達(dá)8×10-5(°)/h，如圖2、圖3所示。此外，2016年，該公司還提出采用跨條紋檢測(cè)形式增加現(xiàn)有高精度光纖陀螺動(dòng)態(tài)范圍的兼顧大動(dòng)態(tài)范圍和高精度兩大技術(shù)優(yōu)勢(shì)的光纖陀螺。同時(shí)，空間應(yīng)用FOG VOBIS研究和飛行試驗(yàn)結(jié)果，陀螺儀零偏穩(wěn)定性優(yōu)于0.03(°)/h，隨機(jī)游走優(yōu)于0.005(°)/ h1/2。表明歷經(jīng)15個(gè)月的對(duì)地靜止軌道(GEO)飛行試驗(yàn)測(cè)試后性能沒有衰減，加速壽命試驗(yàn)表明VOBIS在高真空度和高輻照環(huán)境中的工作壽命能夠長(zhǎng)達(dá)15年。

(6)其他機(jī)構(gòu)

此外，加州大學(xué)、畢爾肯大學(xué)、Nufern公司等都報(bào)道了光纖陀螺新技術(shù)、新原理和新方法?？傮w上，干涉式光纖陀螺技術(shù)日漸成熟，涵蓋軍民應(yīng)用各領(lǐng)域，工程化應(yīng)用廣泛。緊湊型諧振式光纖陀螺(RMOG)技術(shù)有望解決制約RFOG的小型化、集成化難題，霍尼韋爾公司首次驗(yàn)證其實(shí)用化?？傊嵘阅?、小型化和集成化是提升光纖陀螺綜合競(jìng)爭(zhēng)力，提升與其他類陀螺競(jìng)爭(zhēng)的主要手段，應(yīng)為當(dāng)前FOG研究熱點(diǎn)。

2.3　MEMS陀螺

MEMS陀螺儀相關(guān)研究單位有美國(guó)DARPA、Draper實(shí)驗(yàn)室、霍尼韋爾公司、大西洋慣性系統(tǒng)公司、InvenSense公司、波音公司、斯坦福大學(xué)、密歇根大學(xué)、加州大學(xué)、HRL實(shí)驗(yàn)室等，英國(guó)BAE系統(tǒng)公司，挪威Sensonor公司，日本東北大學(xué)、東芝公司等。自20世紀(jì)80年代發(fā)展至今，MEMS陀螺關(guān)鍵技術(shù)不斷取得突破，應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，如圖4所示。在美國(guó)DARPA NGIMG 項(xiàng)目支持下，多環(huán)碟形陀螺最高精度達(dá)0.003(°) /h。從近年國(guó)外慣性相關(guān)會(huì)議的論文集來看，MEMS陀螺是慣性領(lǐng)域的研究焦點(diǎn)，報(bào)道文獻(xiàn)數(shù)量占比較高。

美國(guó)Draper實(shí)驗(yàn)室作為微機(jī)電陀螺研究領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，先后研制了雙框架結(jié)構(gòu)、調(diào)頻音叉結(jié)構(gòu)和振動(dòng)輪結(jié)構(gòu)微機(jī)電陀螺?；裟犴f爾公司購(gòu)買其調(diào)頻音叉結(jié)構(gòu)微機(jī)電陀螺專利，研制了一系列微機(jī)電陀螺儀，零偏穩(wěn)定性優(yōu)于10(°)/h，大量應(yīng)用于JDAM制導(dǎo)炸彈等武器系統(tǒng)。針對(duì)單兵導(dǎo)航和慣性尋北需求，霍尼韋爾公司還與Draper實(shí)驗(yàn)室共同開展高性能硅微陀螺研究。在現(xiàn)有音叉式微陀螺結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化，顯著改善了微陀螺性能靈敏度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

大西洋慣性系統(tǒng)公司研制了振動(dòng)環(huán)結(jié)構(gòu)微陀螺，其產(chǎn)品CRS09廣泛應(yīng)用在NLAW反坦克武器、A-Darter空空導(dǎo)彈、MBDA海狼艦船防御導(dǎo)彈等武器裝備中。此外，該公司SiIMU02、SiIMU04、MinIM和μN(yùn)av等慣導(dǎo)系統(tǒng)也得到廣泛應(yīng)用。簡(jiǎn)氏防務(wù)周刊2017年9月報(bào)道大西洋慣性系統(tǒng)公司開發(fā)出TITAN和LITIS兩種新型微機(jī)電慣性測(cè)量單元，性能精度范圍和續(xù)航能力比SiIMU02有所提高。

亞諾德報(bào)道體公司主要微慣性器件產(chǎn)品為iMEMS 和iSensor兩個(gè)系列，分別采用單片集成和系統(tǒng)集成技術(shù)，其中采用系統(tǒng)集成技術(shù)的微陀螺產(chǎn)品ADIS16135零偏穩(wěn)定性已達(dá)到6(°)/h。

德國(guó)博世公司MEMS陀螺專利申請(qǐng)最多，發(fā)布了DRS-MM1、DRS-MM2和DRS-MM3這3代微陀螺產(chǎn)品。其中，DRS-MM3零偏穩(wěn)定性達(dá)到1.5(°)/h，主要面向汽車和消費(fèi)電子應(yīng)用。

英國(guó)BAE公司采用MEMS諧振環(huán)陀螺實(shí)現(xiàn)MEMS IMU系列化，如圖5所示，最小體積僅有16.387cm3，零偏穩(wěn)定性優(yōu)于0.1(°)/h，IMU可植入士兵戰(zhàn)靴，實(shí)現(xiàn)單兵全時(shí)導(dǎo)航。BAE諧振環(huán)陀螺有角速率和速率積分兩種模式，用于高速旋轉(zhuǎn)彈、中程導(dǎo)彈和美國(guó)155mm制導(dǎo)神箭炮彈等武器系統(tǒng)。

挪威Sensonor公司公開報(bào)道精度最高產(chǎn)品SAR500蝶形陀螺，SAR500測(cè)量范圍為±500(°)/s，標(biāo)度因數(shù)誤差為±3×10-4，零位穩(wěn)定性優(yōu)于0.04(°)/h，零偏重復(fù)性優(yōu)于0.1(°)/h。

日本硅傳感系統(tǒng)公司(SSS)一直研制MEMS諧振環(huán)陀螺，最新產(chǎn)品零偏穩(wěn)定性優(yōu)于0.06(°)/h，角度隨機(jī)游走優(yōu)于0.01(°)/h1/2，是諧振環(huán)陀螺最高水平。

迄今為止，高性能慣性傳感器市場(chǎng)，如戰(zhàn)術(shù)等級(jí)以上的市場(chǎng)已被半球諧振陀螺、RLG、FOG主導(dǎo)。雖然這些傳感器的尺寸、功率要求和成本在過去的20年中已經(jīng)大大降低，并且可以預(yù)期進(jìn)一步的降低，但是戰(zhàn)術(shù)IMU尺寸保持在0.5L的量級(jí)，并且成本保持在10K的量級(jí)。而隨著MEMS IMU的發(fā)展，功耗和成本的不斷降低，其對(duì)戰(zhàn)術(shù)和導(dǎo)航級(jí)應(yīng)用的傳統(tǒng)傳感器威脅越來越大。

2.4　原子陀螺儀

國(guó)外原子陀螺儀相關(guān)單位有美國(guó)DARPA、Draper實(shí)驗(yàn)室、諾格公司、霍尼韋爾公司、Singer-Kearfott公司、洛馬公司、AOSense公司、斯坦福大學(xué)、耶魯大學(xué)、加州大學(xué)，法國(guó)巴黎天文臺(tái)、高等光學(xué)研究所、薩基姆公司、泰雷茲公司，德國(guó)Aesculap公司，日本京都大學(xué)等。目前，國(guó)外重點(diǎn)研究核磁共振陀螺和原子干涉陀螺。

核磁共振陀螺方面，在DARPA芯片級(jí)組合原子導(dǎo)航項(xiàng)目(C-SCAN)的支持下，諾格公司目前已研制出零偏穩(wěn)定性達(dá)0.01(°)/h的核磁共振慣導(dǎo)系統(tǒng)工程樣機(jī)；加州大學(xué)提出了一種實(shí)現(xiàn)高精度微型核磁共振陀螺儀的3D立體折疊式微型核磁共振陀螺方案，實(shí)現(xiàn)了核心器部件的設(shè)計(jì)與研制，基于實(shí)現(xiàn)的核心器件性能，1mm原子氣室構(gòu)建的核磁共振陀螺理論上能夠?qū)崿F(xiàn)角度隨機(jī)游走0.1(°)/h1/2。

原子干涉陀螺技術(shù)的發(fā)展引起了美國(guó)和歐洲的巨大興趣，先后在此領(lǐng)域啟動(dòng)了相關(guān)項(xiàng)目，如美國(guó)DARPA的精密級(jí)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(PINS)項(xiàng)目、歐洲的高精度冷原子空間干涉儀計(jì)劃(HYPER)和空間原子干涉計(jì)劃(SAI)。Draper實(shí)驗(yàn)室自2010年以來，聯(lián)合MIT持續(xù)開展了原子干涉陀螺研究。針對(duì)原子干涉回路面積小、陀螺靈敏度低的難題，設(shè)計(jì)操控光場(chǎng)，在快速絕熱掃頻中產(chǎn)生同步Raman躍遷，將原子團(tuán)分束能量從2hk提高到30hk，原子干涉靈敏度提高15倍。美國(guó)圣地亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室從減小渡越時(shí)間的思路出發(fā)，研制了基于熱原子干涉的原子陀螺和加速度計(jì)。法國(guó)巴黎天文臺(tái)、PSL大學(xué)等在法國(guó)國(guó)家空間研究中心的資助下進(jìn)行了冷原子干涉陀螺儀的研究，2017年，Savoie等提出了一種具有實(shí)時(shí)振動(dòng)補(bǔ)償?shù)母哽`敏度冷原子陀螺儀，Nicolas等提出了一種用于增強(qiáng)原子干涉測(cè)量的大模態(tài)光學(xué)共振器。

3　不依賴GPS的部分項(xiàng)目新進(jìn)展

隨著GPS研究的深入，GPS干擾、欺騙、壓制技術(shù)日趨成熟，世界主要強(qiáng)國(guó)均列裝了GPS對(duì)抗設(shè)備，現(xiàn)有第2代GPS已經(jīng)無法為美軍提供可靠、精確定位。美國(guó)為保持衛(wèi)星導(dǎo)航先進(jìn)地位，為美軍現(xiàn)代化信息戰(zhàn)、導(dǎo)航戰(zhàn)和電子對(duì)抗中奠定優(yōu)勢(shì)確立了GPS-Ⅲ計(jì)劃，旨在通過技術(shù)升級(jí)，提升GPS定位精度和抗干擾能力。目前，美軍已與洛馬公司簽訂10顆GPS-Ⅲ衛(wèi)星訂購(gòu)計(jì)劃。GPS Ⅲ SV01已于2016年12月完成了全部地面測(cè)試，具備發(fā)射條件。GPS Ⅲ SV02于2017年5月完成整合，7月完成聲學(xué)測(cè)試，預(yù)計(jì)2018年交付美空軍。GPS Ⅲ SV03現(xiàn)已組裝完成，正在準(zhǔn)備開始環(huán)境測(cè)試。

此外，美國(guó)又在尋求替代和補(bǔ)充措施。2017年5月31日，美國(guó)陸軍在聯(lián)邦商業(yè)機(jī)會(huì)網(wǎng)(FBO)發(fā)布了可靠導(dǎo)航、定位與授時(shí)(A-PNT)項(xiàng)目征詢書，在建立反介入和區(qū)域拒止能力時(shí)幫助其擴(kuò)展PNT功能，以確保A-PNT項(xiàng)目順利進(jìn)行。6月，陸軍快速能力辦公室作戰(zhàn)負(fù)責(zé)人在第16屆陸軍通信與電子協(xié)會(huì)(AFCEA)年會(huì)上提到，下一代PNT技術(shù)可免受網(wǎng)絡(luò)攻擊,預(yù)計(jì)在2018年年初實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)評(píng)估，代替GPS導(dǎo)航的新型PNT系統(tǒng)將依靠冷原子干涉技術(shù)。7月，美國(guó)陸軍快速能力辦公室發(fā)布了“PNT替代方案”信息征集書(RFI)，旨在開發(fā)相關(guān)系統(tǒng)尋求技術(shù)發(fā)展。針對(duì)GPS拒止情況下的導(dǎo)航，DARPA的部分項(xiàng)目取得了一些進(jìn)展。

3.1　全源定位與導(dǎo)航(ASPN)項(xiàng)目

2017年5月，美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室宣布ASPN系統(tǒng)戰(zhàn)斗機(jī)平臺(tái)功能驗(yàn)證試驗(yàn)獲得成功。至此，該系統(tǒng)海陸空高低速平臺(tái)和單兵裝備功能驗(yàn)證全部完成，這標(biāo)志著世界首個(gè)多平臺(tái)通用、可綜合利用各種信息的高精度導(dǎo)航系統(tǒng)即將進(jìn)入實(shí)用階段。

ASPN項(xiàng)目于2011年啟動(dòng)，由空軍研究實(shí)驗(yàn)室、DARPA聯(lián)合開發(fā)，陸軍通信與電子研發(fā)工程中心、海軍空間與海戰(zhàn)系統(tǒng)司令部、NASA參與。2012年6月，Draper實(shí)驗(yàn)室和阿爾貢ST公司完成了理論算法和軟件體系架構(gòu)開發(fā)；2016年，諾格公司、科學(xué)應(yīng)用國(guó)際公司等完成了原型系統(tǒng)、實(shí)時(shí)導(dǎo)航算法和傳感器新測(cè)量方法開發(fā)；2016年10月—2017年5月，系統(tǒng)在有/無GPS環(huán)境下完成了多平臺(tái)框架通用性及綜合導(dǎo)航能力驗(yàn)證。下一步，ASPN系統(tǒng)可能將在美國(guó)空軍“快速輕量自主系統(tǒng)”無人機(jī)項(xiàng)目中應(yīng)用，并通過陸軍“可靠定位導(dǎo)航與授時(shí)”項(xiàng)目進(jìn)一步改進(jìn)升級(jí)。

3.2　精確魯棒慣性制導(dǎo)彈藥(PRIGM)項(xiàng)目

2017年9月，DARPA的Robert Lutwak在夏威夷召開的慣性傳感器與系統(tǒng)會(huì)議上介紹了PRIGM項(xiàng)目的研究進(jìn)展。其中，先進(jìn)導(dǎo)航慣性測(cè)量單元(NGIMU)正在為當(dāng)前部署的戰(zhàn)術(shù)級(jí)MEMS IMU開發(fā)接口兼容的插入式替代品，而先進(jìn)慣性微傳感器(AIMS)正在研究未來慣性傳感器的新型架構(gòu)、材料和操作模式，這些慣性傳感器在極端條件下能夠提供卓越的導(dǎo)航性能。

2015年，針對(duì)高級(jí)慣性器件，DARPA新啟動(dòng)了精確魯棒慣性制導(dǎo)彈藥(PRIGM)項(xiàng)目，研制高級(jí)新型低C-SWaP慣性微傳感器。2016年3月，DARPA微系統(tǒng)技術(shù)辦公室選定諾格為PRIGM開發(fā)基于MEMS的新一代IMU，該系統(tǒng)通過加速度和角速度測(cè)量，為飛控系統(tǒng)導(dǎo)航提供數(shù)據(jù)輸出。在627萬美元的基本合同中，要求諾格公司驗(yàn)證其MEMS陀螺儀和加速計(jì)滿足規(guī)定性能及環(huán)境要求。追加的530萬美元合同要求評(píng)估LR-500是否滿足尺寸、質(zhì)量、功率及性能參數(shù)要求，并在國(guó)防部仿真環(huán)境中進(jìn)行IMU原型系統(tǒng)測(cè)試。

3.3　快速輕量自主(FLA)項(xiàng)目

2017年8月，Draper實(shí)驗(yàn)室和麻省理工學(xué)院在DARPA的FLA項(xiàng)目中開發(fā)了先進(jìn)的無人機(jī)視覺輔助導(dǎo)航技術(shù)，可不依賴GPS、詳細(xì)的環(huán)境地圖或者動(dòng)作捕捉系統(tǒng)等外部支持，使無人機(jī)實(shí)現(xiàn)在未知環(huán)境中的自主感知和機(jī)動(dòng)。Draper實(shí)驗(yàn)室在FLA項(xiàng)目中發(fā)展了一種創(chuàng)新的姿態(tài)評(píng)估方法，由視覺和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組成，結(jié)合兩種感知方法的優(yōu)勢(shì)，相比于單獨(dú)使用每種方法在時(shí)間維度上誤差積累更慢，實(shí)現(xiàn)所有飛行軌跡的位置、姿態(tài)和速度評(píng)估。FLA項(xiàng)目于2014年12月啟動(dòng)，旨在發(fā)展全新算法使小型無人機(jī)在無操作人員遙控信號(hào)和GPS信號(hào)介入的情況下，僅憑借自身攜帶的高分辨度攝像機(jī)、激光雷達(dá)、聲納或慣性測(cè)量單元，便可在房間、樓梯、走廊或其他設(shè)障環(huán)境中執(zhí)行自主導(dǎo)航飛行等低等級(jí)的任務(wù)。2016年2月，F(xiàn)LA項(xiàng)目完成首飛，第1階段于2017年6月宣告結(jié)束。

4　結(jié)論

總體來說，國(guó)外慣性技術(shù)有以下幾個(gè)趨勢(shì)：

1)在高端慣性系統(tǒng)應(yīng)用方面，環(huán)形激光陀螺儀、光纖陀螺儀和半球諧振陀螺競(jìng)爭(zhēng)激烈。環(huán)形激光陀螺市場(chǎng)占有率最高，光纖陀螺、半球諧振陀螺和硅MEMS陀螺次之，這種情況短期內(nèi)不會(huì)改變。圖6為法國(guó)Yole發(fā)展公司公布的2017年和預(yù)測(cè)的2022年高端慣性系統(tǒng)分布圖。

2)硅基MEMS陀螺儀正逐漸取代低端應(yīng)用領(lǐng)域光纖陀螺，但取代那些精度要求高的應(yīng)用仍需要時(shí)間。與此同時(shí)，KVH和iXblue等光纖陀螺廠商也在不斷改進(jìn)其光纖陀螺技術(shù)，降低尺寸和成本。

3)環(huán)形激光陀螺受到半球諧振陀螺在高性能應(yīng)用領(lǐng)域的挑戰(zhàn)。美國(guó)諾格公司和法國(guó)賽峰集團(tuán)的投資，使半球諧振陀螺儀取得巨大進(jìn)步，半球諧振陀螺市場(chǎng)占有率不斷提高。

4)低成本、尺寸、質(zhì)量和功率(CSWAP)成為提升慣性技術(shù)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵。美國(guó)DARPA針對(duì)慣性器件與系統(tǒng)提出了CSWaP綜合指標(biāo)，即成本、尺寸、質(zhì)量和功耗的乘積，CSWaP綜合指標(biāo)越小越具有競(jìng)爭(zhēng)力。為追求CSWaP的最佳，法國(guó)薩基姆公司將高端振動(dòng)陀螺與MEMS加速度計(jì)和微型電子板相關(guān)聯(lián)，設(shè)計(jì)出PRIMU滿足各種導(dǎo)航應(yīng)用需求。

5)隨著各種干擾技術(shù)發(fā)展和GPS拒止情況時(shí)有發(fā)生，多源復(fù)合導(dǎo)航成為慣性技術(shù)發(fā)展的重要方向。在2017年9月慣性會(huì)議上，AFIT的John Raquet博士列舉了一些不使用GPS替代方案，包括視覺輔助、機(jī)會(huì)信號(hào)、激光雷達(dá)、偽衛(wèi)星/信標(biāo)、磁場(chǎng)變化和星體跟蹤等。2017年10月，諾格公司宣布其開發(fā)出全源自適應(yīng)融合(ASAF)軟件，ASAF搜集來自各種信息源的數(shù)據(jù)，如雷達(dá)、電光/紅外、激光雷達(dá)、星體跟蹤、磁力計(jì)、高度計(jì)等，通過使用高速算法和硬件得到導(dǎo)航解決方案。此外，DARPA針對(duì)GPS拒止情況下開展的一系列項(xiàng)目也取得了一定進(jìn)展。

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