中国惯性导航器件市场分析报告(22页)-销售管理(编辑修改稿)

中国惯性导航器件市场分析报告(22页)-销售管理(编辑修改稿)内容摘要：

速变化产生的信道衰落，严重时能使卫星导航系统出现暂时的失效。 为防止民用 GPS 接收机转为军事用途，美国国防部引入 “选择可用性 ”（ SA） 技术，即在现有 C/A 码 GPS 接收机性能水平上，将一个约 毫秒颤抖噪声的人为误差加入到时钟信号，使接收到的定位信号偏差以 米 /秒的速度增加，使其定位精度下降到约 100 米。 为防止敌方干扰，还对 P 码加密，使其工作在 “抗电子 欺骗 ”（ AS）方式，只有加装保密的 AS 模块的军用 GPS 接收机，才能正常接收 P（ Y）码信号。 实施 SA 技术后， SA 误差已经成为影响 GPS 定位误差的最主要因素。 虽然美国在 2020 年 5 月 1 日取消了 SA，但是战时或必要时，美国可能恢复或采用类似的干扰技术。 惯性导航系统（ INS）是一个自主式的空间基准保持系统，由惯性测量装置、控制显示装置、状态选择装置、导航计算机等组成。 惯性测量装置包括 3 个加速度计和 3 个陀螺仪。 前者用来测量运载器的 3 个平移运动的加速度 ，指示当地地垂线的方向；后者用来测量运载器的 3 个转动运动的角位移，指示地球自转轴的方向。 惯性导航系统主要优点是： ① 由于它是不依赖于任何外部信息．也不向外部辐射能量的自主式系统． 故隐蔽性好已不受外界电磁干扰的影响； ② 可全天流全球、全时间地工作于空中地球表面乃至水下． ③ 能提供位置、速度、航向和姿态角数据，所产生的导 航信息连续性好而且噪声低． ④ 数据更新率高、短期精度和稳定性好． 其主要缺点是： ① 由于导航信息经过积分而产生，定位误差随时间而增大，长期精度差； ② 每次使用之前需要较长的初始对准时间； ③ 设备的价格较昂 贵； ④ 不能给出时间信息。 三、惯性导航器件介绍 惯性导航系统通常由惯性测量装置、计算机、控制显示器等组成。 惯性测量装置包括陀螺仪 和加速度计 ， 是惯性导航系统中核心的导航器件。 （一）陀螺仪 陀螺仪基本原理 绕一个支点高速转动的刚体称为 陀螺。 通常所说的陀螺是特指对称陀螺，它是一个质量均匀分布的、具有轴对称形状的刚体，其几何对称轴就是它的自转轴。 在一定的初始条件和一定的外力矩在作用下，陀螺会在不停自转的同时，还绕着另一个固定的转轴不停地旋转，这就是陀螺的旋进，又称为回转效应。 一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不 受外力影响时，是不会改变的。 将陀螺安装在 框架装置上，使陀螺的自转轴有角转动的自由度，这种装置的总体叫做陀螺仪。 陀螺仪的基本原理可以用以上的图进行说明。 用四个质点 ABCD 来表示边上的区域。 轴的底部被托住静止但是能够各个方向旋转。 当一个倾斜力作用在顶部的轴上的时候，质点 A 向上运动，质点 C 则向下运动，如其中的子图 1。 因为陀螺仪是顺时针旋转，在旋转 90 度角之后，质点 A 将会到达质点 B 的位置。 CD 两个质点的情况也是一样的。 子图 2 中质点 A 当处于如图的 90 度位置的时候会继续向上运动，质点 C 也继续向下。 AC 质点的组合将导致轴在子图 2 所示的运动平面内运动。 一个陀螺仪的轴在一个合适的角度上旋转，在这种情况下，如果 陀螺仪逆时针旋转，轴将会在运动平面上向左运动。 如果在顺时针的情况中，倾斜力是一个推力而不是拉力的话，运动将会向左发生。 在子图 3 中，当陀螺仪旋转了另一个 90 度的时候，质点 C 在质点 A 受力之前的位置。 C 质点的向下运动现在受到了倾斜力的阻碍并且轴不能在倾斜力平面上运动。 倾斜力推轴的力量越大，当边缘旋转大约 180 度时，另一侧的边缘推动轴向回运动。 陀螺仪在工作时要给它一个力，使它快速旋转起来，一般能达到每分钟几十万转，可以工作很长时间。 然后用多种方法读取轴所指示的方向，并自动将数据信号传给控制系统。 陀螺仪的关键是轴的 不变性。 现代 陀螺仪的种类 传统的惯性陀螺仪主要是指机械式的陀螺仪，机械式的陀螺仪对工艺结构的要求很高，结构复杂，它的精度受到了很多方面的制约。 自从上个世纪七十年代以来，现代陀螺仪的发展已经进入了一个全新的阶段。 现代陀螺仪主要有以下两大类： （ 1）经典力学陀螺仪 经典力学陀螺仪根据经典牛顿力学研制而成，常见的经典力学陀螺仪 有转子陀螺仪和振动陀螺仪。 ①转 子陀螺仪 转子陀螺仪是把高速旋转的刚体转子支承起来，使之获得转动自由度的一种装置，转子轴能在惯性空间保持定轴性，它可以用来测量角位移或 角速度。 转子陀螺仪的关键技术在于转子的高速旋转和支承方式。 早期的转子陀螺仪采用机械轴承支撑，由于机械轴承存在摩擦力矩，不可能使陀螺仪达到很高精度。 此后人们采用各种特殊的支承方式来支承转子，以提高陀螺仪的精度。 20 世纪 50 年代美国首先研制出液浮陀螺仪，广泛用于飞机、舰船、导弹的惯性导航与制导，此后依次出现了采用动压气浮支承的气浮陀螺仪、液浮 气浮 磁悬浮结合的三浮陀螺仪。 20 世纪 60 年代初期，出现了采用挠性支承的细颈式和动力调谐式挠性陀螺仪。 这类陀螺仪结构简单，成本较低，获得广泛应用。 20 世纪 70 年代，研 制出采用静电支承的高精度静电陀螺仪。 ②振动陀螺仪 旋转物体在径向线速度的作用下会产生哥式力（哥式力 FC=MV*Ω， M 为物体质量， V 为物体相对线速度，Ω为物体转动角速度）， 同时会产生哥式加速度，哥式加速度改变振动原件的运动，运动变化量与输入的角速度成正比。 通过测量运动的变化量，实现角速度的测量。 振动陀螺仪可分为半球谐振式陀螺仪、音叉式振动陀螺仪、硅微机电 （ MENS） 振动陀螺仪。 半球谐振式陀螺仪采用静电力激励半球谐振子谐振，通过测量筑波相对基座的转角，实现角速度测量。 20 世纪 80 年代美国 Delco 公司及俄罗 斯的 Medi公司分别开发出了新型半球共振陀螺仪。 半球谐振式陀螺仪寿命长，断电可工作。 音叉振动陀螺仪采用驱动力激励两音叉作相向振动，当基座绕音叉的中心轴转动时产生哥式惯性力矩，带动音叉作扭转振动，其幅值正比于输入角速度，通过测量扭转角来实现角速度测量。 硅微机电（ MENS）振动陀螺仪采用静电力驱动物体作角振动 ，通过检测角振幅，实现角速度测量。 20 世纪 80 年代，美国 Draper 实验室 研制出世界上首个MENS 陀螺仪，使惯性技术产生了一次新的飞跃。 MENS 陀螺仪的优点是成本低，体积小，质量轻，功耗低，可与电 路集成。 （ 2）光学陀螺仪 光学陀螺仪的基本原理是利用光的 Sagnac 效应：假设光程长所包围的面积为 A，装置旋转的角速度为ω，则光程差为： 4AL C。 通过测量光程差就可以求出角速度ω。 1925 年迈克尔森制造出首个环形光学陀螺仪， 1960 年激光出现， 1963 年司伯里公司演示了世界上第一台环形激光器，这标志着环形激光陀螺仪发展的开始。 1976 年美国犹他大学提出光纤陀螺的概念并首先研制出实验装置， 20 世纪90 年代开始光纤陀螺仪的精度迅速提高，已达到 /h。 与其他陀螺仪相比，光学陀螺仪具有精度高、动态范围大、启动快、抗冲击等优点。 （二）加速度计 加速度计是惯导系统中的最重要元件之一 ,用来测量沿其输入轴作用的常值和低频加速度 ， 当前无论在航天航空 ,还是在其它技术领域都得到了广泛应用。 加速度计的基本原理 加速度计由检测质量（也称敏感质量）、 支承 、 电位器 、 弹簧 、 阻尼器 和壳体组成。 检测质量受支承的约束只能沿一条 轴线 移动，这个轴常称为输入轴或敏感轴。 当仪表壳体随着运载体沿敏感轴方向作加速运动时，根据 牛顿定律 ，具有一定惯性的检测质量力图保持其原来的运动状态不变。 它与壳体之间将产生 相对运动 ，使弹簧 变形 ，于是检测质量在弹簧力的作用下随之加速运动。 当弹簧力与检测质量加速运动时产生的 惯性力 相平衡时，检测质量与壳体之间便不再有相对运动，这时弹簧的变形反映被测加速度的大小。 电位器作为位移传感元件把 加速度 信号转换为电信号，以供输出。 加速度计的种类 当前为了测量惯导系统中的加速度所采用的主要有摆式积分陀螺加速度计 、力平衡式加速度计 、 石英挠性 加速度计 、 石英 振梁加速度计和单晶硅微加工加速度计。 （ 1）力平衡式 加速度计 力平衡式加速度 计是当前惯导系统中应用最广泛的一种加速度计 ,它利用闭路系统的负反馈原理把检测质量悬浮在其结构的某一固定位置 上。 力平衡式加速度计主要由机电部件 和补 偿回路两部分组成。 力平衡式加速度计的优点在于 动态范围宽 ， 偏值误差 小， 交叉 耦合和 振动整流误差小 ， 线性度高。 缺点在于机械和电子线路较复杂，功耗大。 力平衡式加速度计技术今后的发展方向重点在改进磁路 (采用高磁能积的稀土永磁材料以及改善温度稳定性等 )、 挠性铰链 、 电子线路和模数转换等方面。 （ 2） 石英挠性加速度计 石英挠性加速度计是一种力平衡式传感器，它将输入加速度转换成其挠 性摆片的微小位移，并用反馈力加以平衡。 由于采用了力反馈回路，使这种挠性加速度计具。