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2018年国外惯性技术发展与回顾

原标题:2018年国外惯性技术发展与回顾

引言

2018年,国外主要惯性机构继续深入开展相关技术的研究,研究热点主要集中于光纤陀螺(FOG)技术、微机电(MEMS)陀螺技术、半球谐振陀螺(HRG)技术、原子陀螺技术,并取得重要进展。此外,为满足现代复杂战场强对抗环境的应用需求,以美国为首的国家大力发展了全球定位系统(GPS)拒止环境下新型导航技术,相关项目也取得了一定进展。

1国外光纤陀螺精度不断提高,产品不断丰富,市场活跃

国外致力于干涉型光纤陀螺性能的提升和精度的提高,最新披露精度达10-5量级

在2018年的惯性相关会议上,俄罗斯Optolink公司宣布其开发出一款光纤陀螺仪样机SRS-5000,角度随机游走约为69×10-6(°)/h1/2,零偏稳定性优于8×10-5(°)/h,在SRS-5000的基础上得到IMU-5000和SINS-5000,目前正进行测试;斯坦福大学光子研究中心的Michel D教授讨论了光纤陀螺的最新发展,如实现光纤陀螺的低噪声和低漂移的方法;英国Fibercore有限公司开发出了一种新的保偏光纤,采用低应力涂层封装,可提供增强的微弯隔离和改进的蝶形设计。

图1 俄罗斯Optolink公司的IMU-5000

谐振式光纤陀螺取得重要进展,最新公布的长期零偏漂移可达0.007 (°)/h

谐振式光纤陀螺理论上具有比环形激光陀螺仪和干涉光纤陀螺更小的尺寸和更低的成本来满足导航级性能。霍尼韦尔长期以来致力于谐振式光纤陀螺的研究,在2018年德国导航学会举办的惯性传感器与系统会议上,霍尼韦尔公司展示了一种对谐振式光纤陀螺至关重要的新型调制技术,消除了由调制引起的零偏漂移,得到的陀螺仪长期零偏漂移为0.02~0.007 (°)/h。

为满足不同领域的应用需求,光纤陀螺产品不断涌现,市场活跃

法国iXblue集团继战略级惯导系统Marins-M7和Astrix200陀螺仪之后,重点开发超大型BlueSeis光纤陀螺产品系列,该系列产品致力于地球科学应用,尤其适用于地表运动测量;意大利Civitanavi系统公司开发了基于专有光纤陀螺技术的惯性导航系统,用于卫星发射装置的姿态稳定和导航;美国诺格公司利铁夫子公司正开发配备光纤陀螺仪的高精度海洋惯性参考系统LFK-150,作为LSR85的后继产品,LFK-150应该对全球多个海军使用的昂贵激光陀螺仪具有竞争力。

图2 诺格利铁夫公司的LFK-150惯性参考系统

此外,光纤陀螺市场活跃。2018年1月16日,美国KVH公司宣布收到了远程武器系统制造商580万美元的精密光纤陀螺产品订单(KVH的单轴DSP-3100、双轴DSP-1760和双轴DSP-1750光纤陀螺),以及美国国防承包商提供的与DSP-1760光纤陀螺相关的250万美元开发合同。2018年5月2日,KVH公司基于光纤陀螺的1750和1775惯性测量单元确定将用于VectorNav公司的VN-210和VN-310战术级全球导航卫星系统(GNSS)辅助惯性导航系统,配置KVH公司光纤陀螺惯性测量单元的VectorNav战术系列产品将被用于卫星移动通信、万向节和摄像头指向和稳定、武器系统瞄准和稳定、自动驾驶车辆导航、激光雷达制图、地理勘测等应用。

2微机电陀螺技术重点关注高精度、基础工艺、封装技术和误差标定补偿等方向

微机电陀螺技术是惯性领域的研究重点,近年来报道和文献占比较高。在美国国防预先研究计划局(DARPA)Micro-PNT项目的支持下,取得了很大进展。

高精度方面,在DARPA微速率积分陀螺(MRIG)项目的支持下,美国密歇根大学提出了一种鸟盆形轴对称三维微壳谐振器设计,得到的陀螺仪的角度随机游走由1.26×10-3(°)/h1/2提升到0.59×10-3(°)/h1/2,零偏稳定性达0.0391 (°)/h,若零偏稳定性与1/τ(τ为不对称阻尼)成线性关系,则预计零偏稳定性可提升到6.29×10-4(°)/h。

基础工艺方面,美国陆军实验室对高真空封装设备在烘烤温度和安装方式等进行改进优化;德国博世公司为进一步提高批生产微机电传感器的性能并减小其尺寸,开发了先进表面微加工工艺。

封装技术方面,佐治亚理工学院开发出一种晶圆级封装的微机电系统平台,可在单芯片上集成稳健授时和惯性测量单元(TIMU),得到的TIMU尺寸仅为4.5mm×5.5 mm×1mm,陀螺仪精度优于10 (°)/ h,加速度计精度优于100μg;法国Coventor有限公司的Arnaud P等人提出了一种芯片级封装三轴微机电陀螺仪的热机械仿真方法。

误差标定补偿方面,康奈尔大学介绍了一种用于三轴微机电陀螺标定补偿的三轴微调制平台,该微平台可用于抑制陀螺各轴向之间的交叉耦合,实现零位和标度因数的在线补偿;密歇根大学结合Invensense公司的MPU 6500微机电惯性测量单元,介绍了一种6自由度片上微调制技术,可实现微机电器件标度因数的在线测量和补偿。

在2018年导航与定位(PLANS)年会上,Draper实验室的Ralph E H讨论了基于微机电惯性技术的惯性仪器最新发展、微机电技术如何革新惯性导航和控制行业,以及随着微机电惯性技术广泛用于商业、军用、航天等领域,当前工业技术的发展趋势。最后认为,在陀螺仪和加速度计设计中采用先进的纳米和微加工方法将促使惯性器件不断发展。

3原子惯性传感器已转向关键技术及核心部件的分析、设计、与实现方法上

在原子惯性传感器方面,讨论的主题已经由介绍原理、方案和误差分配走向了对关键技术及核心部件的分析、设计与实现方法上。2018年的惯性相关会议上,印度理工学院德里分校的John K博士在介绍原子磁共振惯性传感器原理的基础上,重点探讨了原子惯性传感器的设计、操作和性能;德国莱布尼兹大学的研究人员展示了冷原子干涉传感器用于惯性导航的潜力,主要介绍了构建基于冷原子干涉传感器惯性平台在内的超高精度惯性传感器仿真平台;诺格公司报道了其核磁共振陀螺仪的最新进展,核磁共振陀螺仪的物理封装设计包含了许多新组件和材料,新功能也带来了新的挑战,如诺格公司通过采用一种热消磁方法解决了磁屏蔽层内的铁氧体内层问题。此外,诺格正开发一种紧凑型原子磁力计,尽管测试中暴露出一些设计缺陷,但问题都已解决。

图3 诺格公司外场试验的磁力计

2018年2月,英国CST Global公司牵头冷原子系统用大功率磷基分布反馈激光器项目,以支持锶离子原子钟系统的小型化,不仅将有助于减少量子钟光源的尺寸、质量和成本,还可以改进可靠性和输出功率。预计与现有系统相比,将在精度上可实现1万倍的提升。2018年5月,日本国家信息与通信技术研究所、日本东北大学、东京工业大学采用新结构研发出一款芯片尺寸原子钟,性能比已经商业化的模块级原子钟相比提升了一个量级,预期2019年推出该器件的样机。

4国际半球谐振陀螺随着其结构简化、成本降低,成为近期惯性技术领域的关注热点

美国诺格公司和法国赛峰与电子防务公司的投资,使固体谐振陀螺技术的市场占有率不断提高。诺格公司提出通过软件对科里奥利振动陀螺仪进行动态自校准的方法,大幅简化生产部件,小尺寸的毫米半球谐振陀螺仪可确保0.00025 (°)/h1/2的角度随机游走和0.0005 (°)/h的零偏稳定性。在2018年PLANS会议上,诺格公司称计划将这种能够完全实时自校准的微半球谐振陀螺(mHRG)产品化,目前,第一个mHRG惯性传感器组件(ISA)演示单元已经开始制造。在半球谐振陀螺的应用方面,2018年3月1日,诺格公司宣布为劳拉空间系统公司的下一代卫星星座提供基于半球谐振陀螺技术可扩展惯性参考单元(SIRUTM);2018年6月25日,诺格公司宣布将为气象卫星提供SIRUTM,为该卫星改善天气预报能力,从而提供更准确和及时的预报和警告。

图4 诺格公司的mHRG和mHRG ISA

法国赛峰电子与防务公司经历了10余年的研发,已掌握了批量制造高性能半球陀螺的技术。HRG的主要缺点是其制造成本主要与电极支架的制造和组装精度有关,赛峰电子与防务公司利用创新的设计解决了这一问题,降低了制造成本。

2018年4月,在IEEE惯性传感器与系统会议上,据赛峰电子与防务公司透露,该公司半球谐振陀螺测试结果表明,2000 h内的零偏稳定性优于0.0001(°)/h。

2018年6月,赛峰电子与防务公司展示了其基于半球谐振陀螺技术的陆上车辆惯性导航和指向系统Geonyx。通过测量平台的旋转以计算其精确的位置和姿态信息。2018年9月,赛峰电子与防务公司在德国导航学会举办的惯性传感器与系统会议上展示了基于HRG CrystalTM的纯惯性导航仪ONYXTM,基于ONYXTM惯性系统模块尺寸小于0.001m3、质量仅为1kg,还具备亚毫米的方位精度,其设计的主要驱动因素为成本、体积、质量和功耗(C-SWaP)性能和可靠性。由表1可见,与其它炮兵级陆地系统相比,ONYXTM在尺寸、功耗方面都更低,相应的成本也更低。

图5 GEONYX™陆地导航系统

图6 集成了32cm RLG UMI和ONYX™ INS组件

表1 炮兵级陆地系统的关键参数比较

5高端惯性市场上,环形激光陀螺、光纤陀螺、硅微机械陀螺和半球谐振陀螺技术产品占据主导地位

2018年1月,法国Yole发展公司发布《High End Inertial Sensors for Defense, Aerospace & Industrial Applications——2017 Report》报告,报告表明,高端惯性技术市场交易额达31.3亿美元,其中基于陀螺技术产品的交易额达28亿美元,占总量的90%。环形激光陀螺技术产品交易额达14.58亿美元,占陀螺技术产品交易总额的45%以上,在高端惯性技术领域占据主导地位,且逐渐用于工业领域,如霍尼韦尔公司的HG1700可用于机器人、汽车应用等;光纤陀螺市场不断扩大,交易额为6.24亿美元,主要厂商有诺格公司、KVH公司、iXblue集团、Al Cielo、Fizoptica、Optolink和Civitanaviare等,随着FOG性能的提高,其所占市场份额有望增加;硅微机电技术在过去几年取得了很大进展,其应用领域也越来越广,硅微机电陀螺技术产品交易额达4.35亿美元,霍尼韦尔公司、亚诺德半导体公司和SDI公司在该市场占主导地位;半球谐振陀螺技术产品在惯性领域的交易额达1.77亿美元,目前正处于低速扩张状态,诺格公司和赛峰电子与防务公司竞争激烈,价格会成为半球谐振陀螺成功应用和扩展的关键;由于成本原因,石英微机电技术产品在惯性领域的交易额较低,仅为0.41亿美元。

6量子加速度计、微型光学陀螺等前沿技术和产品涌现

2018年11月,在英国国家量子科技展上,展出并演示了M Squared激光系统公司和伦敦帝国理工学院联合研制的量子加速计,量子加速度计根据测量超冷原子的特性而获得精度和准确度。该设备可完全不依赖GPS等卫星导航系统,可在任何位置进行精确定位导航。

2018年10月,美国加州理工学院开发出一种新型光学陀螺,尺寸仅为目前最先进陀螺仪设备的五百分之一,仅为米粒大小,检测到相位移动小于当前陀螺仪的三十分之一,采用了“互易灵敏度增强”的新技术。相关成果发表再《Nature Photonics》上。

图7 用米粒作为对比的新型光学陀螺仪

7美国持续推进GPS性能降级和拒止环境下的导航、定位与授时(PNT)能力,相关项目取得新进展

2018年1月,美国国防部在拉斯维加斯附近举行大规模空中作战演习“红旗”中,为使美国及盟国的空中武器装备和平台摆脱对GPS系统的依赖,设置了“关闭”GPS,依靠无线电设备、惯性导航系统或者雷达导航等定位方式,开展打击任务的演习,从而催促了惯性导航系统的发展。

2018年5月,据National Defense Magazine网站报道,DARPA对抗环境下的时间、空间和方位信息(STOIC)项目正进行外场测试,预计2019年4~5月完成项目的演示验证,探索使用甚低频信号在GPS拒止环境中执行定位、导航和授时功能的可能性;STOIC项目是DARPA于2014年提出,目的是寻求为各军种开发一种备用的定位、导航和授时系统,以便在GPS拒止条件下使用。该项目于2015年春季开始,已完成概念设计、行业研究、分析、建模、仿真和用于概念验证的数据收集等工作,目前处于第三阶段。

2018年8月,据Military Aerospace网站报道,美军研究人员希望工业部门能够为高性能PNT设备研发一种相对便携的光子集成电路(PIC),可在GPS信号不可用的情况下替代GPS。7月末,DARPA发布原子-光子集成(A-PhI)项目建议征集书,以寻求降低原子俘获高性能PNT设备的复杂度的方法。该项目还要研发原子俘获陀螺仪,即对干涉型光纤陀螺仪进行物质波模拟。可靠PNT是美国军事任务的关键资源,影响通信、导航、侦察和电子战(EW)等领域。PNT信息一般来自GPS导航卫星,但这种方式容易遭到敌军干扰和破坏,因此需要另外的技术手段作为补充。时钟和惯性测量单元的准确度在短时间内与GPS相当,而这就是A-PhI项目的意义所在。

8为满足现代复杂战场强对抗环境应用的需求,积极采取基于惯性技术的多源组合导航方法

在2018年PLANS会议上,来自俄亥俄州立大学的Maarten U de H教授介绍了在GNSS信号不可用的城市和室内环境中进行导航的最新技术趋势。Haag教授表示,当前有三种替代导航方法,即图像/雷达/多普勒/航位推算辅助惯性传感器进行导航、基于信标的导航(包括伪卫星)以及利用机会信号进行导航,如Wifi。其中,基于光电技术的导航方法包括激光和图像辅助的惯性导航方法、使用激光和成像传感器的同时同步定位和映射(SLAM)方法。前者与惯导系统的紧密结合能实现类似于GPS/INS组合系统的性能。

在此会议上,加拿大多所大学针对GNSS拒止的情况,提出了利用雷达或者将多个低成本超声波传感器与使用扩展卡尔曼滤波器的惯性测量单元进行集成,来实现对陆地车辆的导航。美国普渡大学的研究人员提出了一种用于室内雷达移动测绘系统基于SLAM的伪GNSS/INS系统,针对GNSS失效的情况,还提出了一种用于无人机移动测绘的图像辅助GNSS/INS系统。意大利都灵理工大学的研究人员提出一种使用低成本惯性传感器进行无人地面车辆的视觉测距。在2018年德国导航学会举办的惯性与系统会议上,赛峰电子与防务公司的研究人员在Epsilon 10样机上首次应用了基于深度学习识别信标的视觉惯性辅助导航技术,得到的水平位置精度为26cm。

2018年,在惯性技术领域,世界主要国家持续推进相关技术研究,并取得了一定进展。为满足武器装备更高精度的要求,需大力发展高精度光纤陀螺、半球谐振陀螺、原子陀螺技术以及相应的前沿技术;为满足民用应用对低成本的要求,需大力发展微机电陀螺技术;以美国为主的国家在不依赖GPS的PNT技术研究方面已抢占先机,集中力量开展相关研究显得尤为重要。

本文将刊载于《飞航导弹》2019年第4期

作者:北京海鹰科技情报研究所 薛连莉 葛悦涛 陈少春返回搜狐,查看更多

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