0 引言

隨著信息化技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代對導(dǎo)航信息的需求與日俱增，精度要求日益提升。慣性導(dǎo)航憑借其不易受外界干擾、精度相對較高等優(yōu)點，成為現(xiàn)代的重要導(dǎo)航方式，應(yīng)用于陸海空天等高精尖領(lǐng)域，并不斷向民用領(lǐng)域擴展延伸。

慣性傳感器是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的部件，主要分為陀螺儀和加速度計。不同的慣性傳感器基于其工作原理和結(jié)構(gòu)特性，在精度、體積和成本等方面表現(xiàn)出不同特點。傳統(tǒng)機電陀螺目前仍是工程應(yīng)用精度的陀螺[1]，但結(jié)構(gòu)尺寸較大，主要應(yīng)用于戰(zhàn)略核潛艇、應(yīng)用中；光學(xué)陀螺整體上技術(shù)相對較為成熟，具有高精度、高可靠性的特點，基于高精度光學(xué)陀螺的慣性系統(tǒng)仍然是陸?？仗斓阮I(lǐng)域武器裝備導(dǎo)航級應(yīng)用的重要選擇；微機電陀螺體積小、質(zhì)量小、功耗低且成本適中，但精度相對偏低，目前主要應(yīng)用于戰(zhàn)術(shù)級市場和工業(yè)市場[2]；半球諧振陀螺同等精度下具有較好的尺寸、質(zhì)量和成本效益，且可靠性高，國外基于半球諧振陀螺的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)已成功應(yīng)用于火炮和戰(zhàn)車、快艇、太空發(fā)射器等陸?？仗煳淦餮b備平臺，未來隨著半球諧振陀螺性能的提高和尺寸的減小，其應(yīng)用范圍也將不斷擴展[3]；原子陀螺精度較高，但仍處于工程化探索階段；加速度計朝著兩級化發(fā)展，消費級加速度計成本不斷下降，級加速度計性能不斷提升。

1 光學(xué)陀螺

光學(xué)陀螺主要包括激光陀螺和光纖陀螺兩大類。光學(xué)陀螺精度相對較高，技術(shù)日趨成熟，器件的質(zhì)量不斷提升，體積和功耗也不斷降低。目前，國外激光陀螺精度0.00015(°)/h，光纖陀螺精度0.00003(°)/h[1]。光學(xué)陀螺慣性系統(tǒng)在陸用戰(zhàn)車、水面艦艇等陸?？昭b備領(lǐng)域得到了應(yīng)用。

1.1 激光陀螺

激光陀螺的主要優(yōu)勢是沒有轉(zhuǎn)子活動部件，精度高、穩(wěn)定性好、重復(fù)性好、工作壽命長。與同為光學(xué)陀螺的光纖陀螺相比，激光陀螺的標(biāo)度因數(shù)非常穩(wěn)定，且動態(tài)特性好，在對標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定性要求極高的應(yīng)用中，激光陀螺仍是陀螺。迄今為止，雖然各種新型陀螺儀不斷出現(xiàn)，但是激光陀螺的應(yīng)用綜合性價比、環(huán)境適應(yīng)性能均處于優(yōu)勢地位。

國外關(guān)于激光陀螺技術(shù)的研究主要側(cè)重于提升激光陀螺的測量精度，技術(shù)途徑包括參數(shù)調(diào)節(jié)、激光諧振腔優(yōu)化及偏頻技術(shù)等方面。2021年，莫斯科物理技術(shù)學(xué)院Y.Broslavets等研究了基于YAG:Cr 4+寬帶增益介質(zhì)并在鎖模機制下運行的多頻固態(tài)環(huán)形激光陀螺，確定了確保角度測量精度的激光參數(shù)[4]；該團隊還研究了周長為28cm的非平面對稱腔四頻塞曼環(huán)形激光陀螺的可實現(xiàn)精度，提出了一種補償外磁場影響的方法，以及相應(yīng)的陀螺周長等參數(shù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)[5]。莫斯科羅蒙諾索夫國立大學(xué)的G. Barantsev等分析了環(huán)形激光陀螺機械抖動裝置可能受到的動態(tài)彈性扭轉(zhuǎn)對捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)姿態(tài)確定精度的影響，并提出了一種利用補償姿態(tài)積分對這種影響進行參數(shù)校準(zhǔn)的方法[6]。

在激光陀螺慣性系統(tǒng)方面，2021年7月，英國Sonardyne公司為日本川崎重工(KHI)的商用海底精密檢查器配套了SPRINT-Nav 700，用于導(dǎo)航、跟蹤和控制。SPRINT-Nav 700采用霍尼韋爾公司的環(huán)形激光陀螺儀和加速度計，可支持準(zhǔn)確和長時間導(dǎo)航，并能夠限度地降低復(fù)雜性和減少有效載荷空間消耗。2021年11月，法國泰雷茲公司和德國CS GROUP公司聯(lián)合為法國海軍水面艦艇開發(fā)了一套高性能、彈性的網(wǎng)絡(luò)安全導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用泰雷茲公司的基于環(huán)形激光陀螺儀和加速度計的TopAxyz慣性導(dǎo)航裝置，可提供準(zhǔn)確、可靠的導(dǎo)航信息，不受海況和船只位置的影響。

總體來看，2021年國外激光陀螺發(fā)展主要在小型化、低精度環(huán)形激光陀螺和大尺寸、超高精度環(huán)形激光陀螺兩個方面，相關(guān)研究主要還是側(cè)重于提升測量精度；基于高精度激光陀螺的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)仍然是水下航行器和水面艦艇等裝備的重要選擇之一。

1.2 光纖陀螺

在光纖陀螺方面，國外主要采用多種光學(xué)調(diào)制方法來提升光纖陀螺綜合性能。2021年，布爾諾科技大學(xué)的M. Skalsk等提出了一種在低成本全光纖干涉陀螺儀中實現(xiàn)標(biāo)度因數(shù)穩(wěn)定和調(diào)制深度控制的方法，該方法利用壓電相位調(diào)制器在閉環(huán)中執(zhí)行偏置調(diào)制和Sagnac相移補償，可將標(biāo)度因數(shù)漂移降低1個數(shù)量級以上[7]?？财ぜ{斯州立大學(xué)的研究人員提出了一種基于均值解調(diào)方案提高開環(huán)光纖陀螺線性度的方法，該方法可以使傳感器輸出的線性度提高65倍，非線性誤差優(yōu)于2.3×10-4[8]。斯坦福大學(xué)的研究人員提出通過優(yōu)化相位偏差來小化加寬激光器驅(qū)動光纖陀螺儀的角度隨機游走(Angle Random Walk，ARW)的方法，該方法對于方波調(diào)制在偏置時的ARW可改善約10dB[9]。巴黎薩克雷大學(xué)的M. Descampeaux等提出了一種無源諧振器光纖陀螺儀(Resonator Fiber Optic Gyroscope，RFOG)殘差調(diào)幅控制新方法，使用單個光電探測器產(chǎn)生兩個誤差信號，同時抵消激光頻率和剩余幅度調(diào)制(Residual Amplitude Modulation，RAM)[10]。

在光纖陀螺慣性系統(tǒng)方面，2021年，澳大利亞Advanced Navigation公司推出具有自主的數(shù)字光纖陀螺慣性導(dǎo)航系統(tǒng)Boreas D90，其尺寸為160mm×140mm×115.5mm、質(zhì)量為2.5kg、功耗為12W，成本較其他導(dǎo)航系統(tǒng)降低了約40%，可提供0.001(°)/h的戰(zhàn)略級零偏穩(wěn)定性，0.005°的滾轉(zhuǎn)/俯仰精度和0.01°的航向精度。韓國Fiberpro公司推出了戰(zhàn)術(shù)級光纖陀螺慣性測量單元(Inertial Measurement Unit，IMU)FI200C，該IMU在全溫度范圍內(nèi)零偏重復(fù)性小于0.5(°)/h，ARW為0.03(°)/h1/2，質(zhì)量為790g，功耗為5W。俄羅斯Fizoptika公司推出了光纖陀螺IMU U181，該IMU動態(tài)范圍為300(°)/s，ARW為0.025(°)/h1/2，質(zhì)量為200g，功耗為1.5W。

在光纖陀螺應(yīng)用方面，2021年1月，挪威Vard集團選擇法國iXblue公司為挪威海岸隊的新型P6615 Jan Mayen級戰(zhàn)船提供導(dǎo)航系統(tǒng)研制生產(chǎn)。得益于其捷聯(lián)式光纖陀螺儀技術(shù)，iXblue公司的Marins系列慣性導(dǎo)航系統(tǒng)已被證明可以在北極等高緯度地區(qū)提供準(zhǔn)確、彈性和安全的導(dǎo)航。2021年4月，俄羅斯Optolink公司的TRS-500光纖陀螺儀安裝在的聯(lián)盟號MS-17航天器的著陸模塊控制系統(tǒng)中，成功協(xié)助執(zhí)行了著陸任務(wù)。Optolink公司TRS-500小尺寸三軸閉環(huán)光纖陀螺儀對地球旋轉(zhuǎn)速率敏感，與開環(huán)陀螺相比，其對零操作及模數(shù)輸出使其能夠提供更高的標(biāo)度因數(shù)準(zhǔn)確度和更大的動態(tài)范圍，特別適用于高機動性載體。

總體來看，2021年國外光纖陀螺技術(shù)的研究重點主要是通過光學(xué)調(diào)制、工藝優(yōu)化等方法，使其朝著高精度、小型化、低成本及良好惡劣環(huán)境適應(yīng)性等方向發(fā)展；基于光纖陀螺的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，具有小型化、高性能的特點，是陸用戰(zhàn)車、水面戰(zhàn)船、航天器等武器裝備的重要選擇之一。

2 微機電陀螺

微機電(Micro Electro Mechanical Systems，MEMS)陀螺具有體積小、質(zhì)量小、功耗低等特點，在和民用市場都得到了應(yīng)用，是慣性技術(shù)領(lǐng)域重要的研究熱點之一。

2021年，MEMS陀螺的相關(guān)研究主要側(cè)重于通過結(jié)構(gòu)小型化、制造工藝優(yōu)化、諧振器優(yōu)化設(shè)計、測控電路的誤差補償設(shè)計等方法來提升MEMS陀螺儀的整體性能。

在結(jié)構(gòu)小型化方面，米蘭理工大學(xué)的M. Gianollo等在1mm2面積內(nèi)，采用標(biāo)準(zhǔn)MEMS工藝制造了一種結(jié)構(gòu)小型化的四質(zhì)量塊陀螺儀，并實現(xiàn)了低至20μHz/Hz1/2的相位噪聲[11]。米蘭理工大學(xué)的M. Gadola等設(shè)計了一種尺寸為1.2mm2、帶寬為100Hz的微型俯仰/滾動陀螺儀，其在平面內(nèi)測得的ARW為600μ(°)/s/Hz1/2，零偏不穩(wěn)定性為2.8(°)/h。該陀螺儀采用結(jié)合積分補償?shù)男录軜?gòu)，獲得了比前一代產(chǎn)品高出10倍的標(biāo)度因數(shù)，同時還優(yōu)化了能量傳輸以及振動穩(wěn)定性[12]。日本硅傳感系統(tǒng)公司升級了陀螺儀CRS39A，使其質(zhì)量減小了40%，且組件更易安裝在具有25mm直徑套管的井下鉆井設(shè)備中。日本TDK公司旗下Tronics Microsystems公司推出了用于無人系統(tǒng)和自動駕駛汽車領(lǐng)域的高精度數(shù)字MEMS陀螺儀GYPRO，其質(zhì)量為2g，易于集成且材料費用低，可提供噪聲、低延遲和高線性度的角速率測量。美國ADI公司報告了其用于ADIS1654x系列IMU的小尺寸、抗振、低噪聲MEMS陀螺儀的性能參數(shù)，實現(xiàn)了0.55(°)/h的零偏不穩(wěn)定性，50(°)/h的10年內(nèi)零偏重復(fù)性；集成了該MEMS陀螺儀的新一代IMU零偏性能提升了4倍，靈敏度提高了30倍，重復(fù)性提高了10倍[13]。

在制造工藝優(yōu)化方面，美國通用電氣公司開發(fā)了一種名為GE Polaris的導(dǎo)航級低成本慣性MEMS工藝流程，GE Polaris共有六層掩模層，具有厚絕緣硅和20～200μm的器件層，30∶1的高縱橫比蝕刻，采用硅通孔技術(shù)的晶圓級真空密封[14]。加州大學(xué)的D. Vatanparvar等開發(fā)了一種硅基熔融石英微型環(huán)形陀螺的制作工藝，使陀螺Q值高達53.9萬，分頻低至8Hz[15]。日本硅傳感系統(tǒng)公司推出了一種新型高性能/低噪聲單軸全硅陀螺儀CRH03，在MEMS和電子設(shè)備兩方面進行了改進，使功耗比上一代產(chǎn)品CRH02降低了30%，抗振性能更高，其零偏不穩(wěn)定性為0.03(°)/h，ARW為0.005(°)/h1/2。

在諧振器優(yōu)化設(shè)計方面，密歇根大學(xué)的J. Cho等成功研制了一種高Q值導(dǎo)航級熔融石英微型盆狀諧振陀螺儀，直徑5mm的微型盆狀諧振器Q值可達到587萬，短期運行零偏穩(wěn)定性為0.01(°)/h；直徑10mm的微型盆狀諧振器Q值可達到1250萬，短期運行零偏穩(wěn)定性為0.00138(°)/h[16]。日本東北大學(xué)的研究團隊提出了一種使用附加應(yīng)力抵消結(jié)構(gòu)來減少錨定損失的電磁環(huán)諧振器的設(shè)計方法，頻率失配低至0.17%[17]；該研究團隊還設(shè)計了一種利用模態(tài)定位的新型高剛度靈敏度三自由度諧振器，這種新穎設(shè)計中的模式定位可通過調(diào)整剛度來調(diào)整靈敏度，測量結(jié)果顯示，制造的靈敏度為209.6；通過施加39.3V的直流偏置，靈敏度可提高到56679[18]。

在速率檢測方案的誤差補償設(shè)計方面，米蘭理工大學(xué)的L. G.Pagani等提出了一種用于改善調(diào)幅電容MEMS陀螺儀零速率輸出穩(wěn)定性的閉環(huán)方法，測試結(jié)果表明，陀螺儀溫度穩(wěn)定性提高了300倍[19]。

在全角檢測模式的測控電路誤差補償設(shè)計方面，日本東芝公司研發(fā)了世界上個工作在全角模式下的可以檢測地球自轉(zhuǎn)的MEMS速率積分陀螺儀模塊，實驗結(jié)果表明，陀螺在該全角測控電路下的零偏不穩(wěn)定性達到了0.1(°)/h，實現(xiàn)了地速測量驗證[20]。

在精度提升方面，在美國部高級研究計劃局(Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA)導(dǎo)航級IMU(PRIGM NGIMU)項目的支持下，美國霍尼韋爾公司正在開發(fā)一款型號為HG7930的基于MEMS的IMU(圖1)。相較于HG1930戰(zhàn)術(shù)級MEMS IMU，在體積略有增加的情況下，性能提升了1個數(shù)量級，其陀螺儀ARW可達0.0035(°)/h1/2，陀螺儀零偏重復(fù)性優(yōu)于0.1(°)/h，加速度計零偏重復(fù)性優(yōu)于20μg[21]。美國角斗士技術(shù)公司發(fā)布的SX2系列低噪聲、高速MEMS慣性傳感器，在性能方面取得了巨大進步，ARW低至0.0018(°)/s/Hz1/2，擁有600Hz帶寬，高達10kHz的數(shù)據(jù)速率和低于100μs的延遲。日本村田制作所開發(fā)了一種新型MEMS六自由度慣性傳感器SCHA63T，用于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System，GNSS)定位輔助和動態(tài)傾斜檢測。SCHA63T傳感器包括三軸陀螺和三軸加速度計，陀螺零偏不穩(wěn)定性低至1(°)/h，陀螺儀噪聲密度為0.0015(°)/s/Hz1/2。美國慣性實驗室推出了MEMS慣性測量單元IMU-NAV-100，水平精度0.03°，陀螺儀零偏穩(wěn)定性可達0.5(°)/h，加速度計零偏穩(wěn)定性0.003mg。

圖1 霍尼韋爾HG7930 IMU原型

Fig.1 Prototype of Honeywell HG7930 IMU

在低成本設(shè)計方面，德國博世公司的研究人員使用冗余、低成本MEMS傳感器陣列提升純慣性導(dǎo)航定位精度，結(jié)果表明，使用由14個設(shè)備組成的陣列相較于單個設(shè)備，其導(dǎo)航的誤差性能水平提高了

在結(jié)構(gòu)小型化方面，日本硅傳感系統(tǒng)公司推出了一種新的九自由度慣性測量單元DMU41(圖2)。該慣性測量單元擁有與光纖陀螺儀幾乎相同的性能，其尺寸為50mm×50mm×50mm，質(zhì)量為200g，與該公司DMU30慣性測量單元相比，體積減少了54%，質(zhì)量減小了42%，功耗降低了50%。美國霍尼韋爾公司推出的用于小型衛(wèi)星導(dǎo)航的微型空間抗輻射慣性傳感器HG4934，質(zhì)量為145g，小體積和低功耗適合應(yīng)用于小型低成本衛(wèi)星。美國EMCORE公司推出的新型MEMS慣性測量單元SDC500，采用小巧、輕便、低功耗和密封設(shè)計，提供了的集成功能，根據(jù)溫度、沖擊和振動環(huán)境的不同，陀螺儀零偏為1(°)/h～20(°)/h，加速度計零偏為1mg～5mg。

圖2 慣性測量單元DMU41

Fig.2 DMU41 IMU

3 半球諧振陀螺

半球諧振陀螺基于哥氏振動原理，是一種高精度新型固體振動陀螺，具有結(jié)構(gòu)簡單、啟動時間短、可承受大過載、物理特性穩(wěn)定、可靠性高和超長壽命的優(yōu)勢，是有潛力實現(xiàn)高精度、小型化、低成本的陀螺儀，已實現(xiàn)0.0001(°)/h的高精度[3]，成為國外慣性技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點之一。而半球諧振子作為半球諧振陀螺的心臟，其性能在多個方面影響半球諧振陀螺產(chǎn)品的精度，也直接決定整個陀螺的性能。尤其是半球諧振子的異形加工精度，已成為制約半球諧振陀螺發(fā)展和應(yīng)用的技術(shù)瓶頸。

2021年6月，法國賽峰公司推出了其專為法國海上突擊隊設(shè)計的兩棲慣性導(dǎo)航系統(tǒng)GEO-NYXTM M，該導(dǎo)航系統(tǒng)采用半球諧振陀螺儀HRG CrystalTM，實現(xiàn)了高可靠性、的功率/質(zhì)量/尺寸比，且完全靜音；GEONYXTM M對環(huán)境完全不敏感，能夠在極端條件下運行，可用于海軍快艇平臺和陸基平臺，可提供導(dǎo)航和瞄準(zhǔn)兩種典型應(yīng)用。

4 原子陀螺

原子陀螺目前整體上還處于實驗研究和初步工程化探索階段，尚未形成大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。在研究進展方面，2021年，康奈爾大學(xué)的研究人員研究了金剛石MEMS諧振器中產(chǎn)生的千兆赫茲頻率應(yīng)變振蕩，以驅(qū)動金剛石氮空位(NV)中心的自旋和軌道共振，利用室溫下的自旋-應(yīng)變相互作用，驗證了雙量子和單量子躍遷的相干自旋控制[23]。伯明翰大學(xué)的B. Adams等研制了一種用于重力地圖匹配導(dǎo)航的便攜式高數(shù)據(jù)速率原子干涉重力儀(HIDRAG)，其目標(biāo)靈敏度在100Hz數(shù)據(jù)速率下為10-7g/Hz1/2，月穩(wěn)定性為10-9g[24]。德國博世公司的R. Cipolletti等開展了核磁共振陀螺儀瞬態(tài)特性的建模研究，提出了基于自旋的導(dǎo)航級陀螺儀的建模和參數(shù)優(yōu)化方法[25]。德國博世公司的J.Riedrich-M?ller等開展了MEMS氣室中氙原子核自旋進動的自由感應(yīng)衰減測量實驗，在實現(xiàn)緊湊型核磁共振陀螺儀方面邁出了重要一步[26]。2021年3月，澳大利亞Advanced Navigation公司與澳大利亞Q-CTRL公司獲得了澳大利亞“月球到火星”計劃的資金支持，兩家公司將合作為太空運載火箭、衛(wèi)星和著陸器研發(fā)量子增強的慣性導(dǎo)航解決方案，該方案旨在為美國國家航空航天局(National Aero-nautics and Space Administration，NASA)的Artemis月球探索計劃提供高精度慣性導(dǎo)航技術(shù)，并支持NASA執(zhí)行未來的深空、月球和星際飛行任務(wù)。

5 加速度計

2021年，加速度計繼續(xù)朝著兩級化發(fā)展，消費級加速度計的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，成本不斷下降；級加速度計的精度不斷提高，綜合性能也不斷提升。相關(guān)研究機構(gòu)和廠商也持續(xù)發(fā)力，致力于提升加速度計的整體性能，相關(guān)研究主要是基于加速度計的本底噪聲改善、信號帶寬提高、測量范圍拓寬和測量精度提升等方面。

在本底噪聲改善方面，英國Silicon Microgravity公司的M. Pandit等提出了一種通過避免高頻地震噪聲在長周期測量中的混疊，以改善諧振式MEMS加速度計本底噪聲的方法，使本底噪聲性能提升了13倍，實現(xiàn)了具有10ng/Hz1/2本底噪聲的諧振加速度計[27]。劍橋大學(xué)的G. Sobreviela-Falces等設(shè)計了一種在地震學(xué)和重力測量應(yīng)用中具有較好穩(wěn)定性的差分MEMS振梁加速度計，可實現(xiàn)優(yōu)于10ng的零偏不穩(wěn)定性和10n