全球陀螺仪竞争格局:国产距离第一梯队还有多远?

全球惯性技术开发分为四个层次,目前我国居第三层次,具备部分研发能力。

  一、全球市场格局:美国处于绝对领先地位,中国尚属第三梯队

  全球惯性导航市场规模预计 2020 年将达到 88.7 亿美元,2016-2020 年复合增长率为 13.81%。根据MarketsandMarkets 在 2016 年 1 月发布的预测报告,受益于飞机数量的增加、对导航精度的要求提高以及部件的微小型化和低成本等,2015-2020 年全球惯性导航市场将以复合年增长率(CAGR)13.81%的速度增长,由 2015年的 46.4 亿美元增长到 2020 年的 88.7 亿美元。

  全球惯性技术开发分为四个层次,目前我国居第三层次,具备部分研发能力。根据美国国防部的统计数据,美国防部把从事惯性技术领域研究和开发的国家分为 4 个层次:属于第一层次的有美国、英国和法国,完全具备自主研究和开发惯性技术能力;属于第二层次的有俄罗斯、德国、以色列和日本,具备大部分自主研发能力;属于第三层次的有中国、澳大利亚、加拿大、瑞典、乌克兰,具备部分研发能力;属于第四层次的有韩国、印度、巴西、朝鲜、瑞士、意大利等,具备较为有限的惯性技术研发能力。

  美国的霍尼韦尔、诺格和法国的赛峰为全球惯性技术领域顶尖公司。目前,美国主要的惯性导航技术公司包括:霍尼韦尔、诺格公司、大西洋惯性系统、亚诺德半导体(ADI)和吉尔福特等;法国主要的惯性导航技术公司包括赛峰、iXblue、泰雷兹集团等。其他国家主要的惯性技术公司包括:英国 BAE 系统公司;德国博世公司;俄罗斯物理光学、陀螺仪光学、拉明斯克仪表厂和 Optolink;日本航空电子工业、三菱精密;挪威 Sensonor 等。

  二、激光陀螺仪竞争格局

  在激光陀螺仪领域,仅美国、法国、俄罗斯、德国及中国等少数国家可以进行研制量产。目前,在激光陀螺仪领域的相关企业有美国 Draper 实验室、霍尼韦尔公司、诺格公司、吉尔福特公司等,法国萨基姆公司(赛峰集团子公司)、Sextant 公司等,日本的宇宙开发事业团、国家宇航实验室、航空电子工业有限公司(JAE),俄罗斯的 Polyus 研究所、电子光学公司等。在专利申请及发文数量方面,美国、日本、德国、欧专局、法国等国家/机构的激光陀螺仪领域研究发文数量占总数量的近 75%。

  霍尼韦尔是激光陀螺仪领域研发领先企业。目前,霍尼韦尔公司主要激光陀螺仪产品包括 GG1308、GG1320、GG1342、GG1389,其中,高精度以 GG1389 为代表,其零偏稳定性达到了 1.5×10-4o/h,是世界上精度最高的激光陀螺仪。低精度以 GG1308、GG1320 为代表,GG1389 陀螺仪的该公司 GG1308 陀螺仪的零偏稳定性为 1~5o/h,是世界上体积最小的产品化激光陀螺仪,采用该陀螺仪的惯导系统型号主要有 HGl500 IMU 和 HGl700 IMU(包含 3 个 GG1308 陀螺仪和 3 个 RBA-500 石英振梁加速度计)两种,主要用于美军 JDAM 联合直接攻击炸弹和制导多管火箭发射系统等装备。

  诺格收购利顿工业公司,成为激光陀螺仪的主要生产者。利顿工业公司研制的激光陀螺仪以正方形光路的机抖陀螺仪和异面腔四频差动陀螺仪为主,其中机抖陀螺仪主要包括 LG2717(零偏稳定性优于 0.05 o /h)和LG8028(零偏稳定性优于 0.01o /h),分别应用于航空导航系统和中高精度导航系统。公司异面腔四频差动激光陀螺仪与同等尺寸的机抖陀螺仪相比,能以较小的尺寸获得了优于 0.01o/h 的精度,大批量生产的 LN 100 系列、

  LN 120G 和 LTN 101 惯导系统均采用了腔长为 18.4cm 的该陀螺仪。

  法国赛峰 (萨基姆)公司是欧洲最大的激光陀螺仪生产厂家。公司于 1977 年开始涉足激光陀螺仪领域,其激光陀螺仪产品主要以 GLC-8、GLC-l6 和 GLS-32 激光陀螺仪为主。其中,GLS-32 机抖陀螺仪主要用于航空及潜艇的捷联惯导系统,采用该陀螺仪的 SIGMA40 惯导系统的导航定位精度为 1.5 n mile/24h;GLC-l6 型陀螺仪(零偏稳定性 0.01 o /h)是一种方形光路的机抖陀螺仪,主要用于直升机、小型运载火箭等;GLC-8 型陀螺仪腔长仅为 8cm,零偏稳定性 0.1~10 o /h,主要用于射程 60~100km 的战术导弹。

  三、光纤陀螺仪竞争格局

  美国始终保持领先地位,日本在中低精度陀螺仪应用方面位居世界前列。目前,国外研制和生产光纤陀螺仪的相关单位有美国 Draper 实验室、诺格公司、霍尼韦尔公司、KVH 公司等,法国萨基姆公司、iXblue 公司等,日本三菱精密有限公司,俄罗斯 Optolink 公司等等。

  自 20 世纪 70 年代至今,光纤陀螺仪关键技术不断取得重大突破,应用领域长袖拓展,目前光纤陀螺仪的精度最高可达 8×10-5o/h,在高端领域已经与激光陀螺仪形成竞争的态势。

  霍尼韦尔是最早研制光纤陀螺仪的公司之一。公司自20世纪80年代中期开始研发各类精度的光纤陀螺仪,其干涉式光纤陀螺仪产品的零偏稳定性范围为 10-4o/h~10-3o/h.2016 年,其用于太空应用的高性能太空光纤陀螺仪(HPSFOG),精度范围达 2*10-4o/h~6*10-4o/h.除了干涉式光纤陀螺仪,公司还进行了谐振式光纤陀螺仪的研究,样品的零偏稳定性优于 0. 1o/h.

  诺格光纤陀螺仪产品线极为丰富,在光纤陀螺仪领域占据领先地位。公司自 1988 年开始研制基于光纤陀螺仪 IMU 系统,代表产品分为 uFORS 系列与 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点,多用于 IMU、AHRS 等军用系统。截至 2016 年,公司已交付超过 30000 个基于光纤陀螺仪的惯性导航产品以及超过 10000 个光纤陀螺仪速率传感器,奠定了公司在光纤陀螺仪领域的领先地位。

  四、MEMS 陀螺仪竞争格局

  美国 Draper 实验室、霍尼韦尔公司所生产的 MEMS 陀螺仪的偏置稳定性、定位精度处于世界领先水平。目前,MEMS 陀螺仪相关研究单位有美国 Draper 实验室、霍尼韦尔、大西洋惯性系统公司、InvenSense 公司、波音公司等,英国 BAE 系统公司,挪威 Sensonor 公司,日本东芝公司等。

  MEMS 是当前惯性陀螺仪研究的焦点。自 20 世纪 80 年代发展至今,MEMS 陀螺仪关键技术研发突飞猛进,成为学术研究领域的焦点,在美国 DARPANGIMG 项目支持下,多环碟形陀螺仪最高精度达 0.003o/h.

  德国博世公司 MEMS 陀螺仪专利申请最多。博世公司发布了 DRS-MM1、DRS-MM2 和 DRS-MM3 共 3 代 MEMS陀螺仪产品,其中 DRS-MM3 零偏稳定性达到 1.5o/h,主要面向汽车和消费电子应用。英国 BAE 公司 MEMS 谐振环陀螺仪最小体积仅有 16.387cm3,零偏稳定性优于 0.1o/h,IMU 可植入士兵战靴,实现单兵全时导航。BAE谐振环陀螺仪有角速率和速率积分两种模式,用于高速旋转弹、中程导弹和美国 155mm 制导神箭炮弹等武器系统。

  日本硅传感系统公司的 MEMS 谐振环陀螺仪是该领域内精度的最高水平,最新产品零偏稳定性优于 0.06o/h,角度随机游走优于 0.01o/h 1/2.

  美国 Draper 实验室是 MEMS 陀螺仪研究领域领导者。Draper 实验室研制了双框架结构、调频音叉结构和振动轮结构 MEMS 陀螺仪,霍尼韦尔购买其调频音叉结构 MEMS 陀螺仪专利,在此基础之上研发出系列 MEMS 陀螺仪,零偏稳定性优于 10o/h,大量应用于 JDAM 制导炸弹等武器系统。针对单兵导航和惯性寻北需求,霍尼韦尔公司与 Draper 实验室共同开展高性能硅 MEMS 陀螺仪研究。大西洋惯性系统公司研制振动环结构 MEMS 陀螺仪,其产品 CRS09 广泛应用在 NLAW 反坦克武器、A-Darter 空空导弹、MBDA 海狼舰船防御导弹等武器装备中。

文章参考自中信建投证券。

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