俄乌战争已持续一年多的时间，在两国的较量之中，精确制弹药的使用发挥出了较大的作用。乌军使用的海马斯高机动火箭炮和神剑制导炮弹制导武器给俄军造成了巨大伤亡，乌军通过这两种精确制导弹药的大规模使用，将俄陆军反压回去。精确制导弹药自越南战争开始就多次出现在区域性战争中，由于其效果显著，已成为美军的重要武器。由于精确制导弹药精度高、成本低，同时能够有效减少弹药的消耗以及后勤的压力，并且易于大批量装备部队使用，各国都竞相发展精确制导弹药。   

图1 神剑执导炮弹                                   图2 海马斯高机动火箭炮

 制导弹药运动过程中的位置信息是由惯性导航系统提供的。惯性导航系统是利用敏感元件（陀螺仪、加速度计）测量载体相对惯性空间的线运动和角运动参数。惯性导航系统作为测量装置，其精度直接影响武器的打击精度，同时随着精确制导武器低成本发展的要求，陀螺仪面临着高精度、低成本、小型化的发展趋势。 

 一、什么是陀螺仪

陀螺仪是一种基于角动量不灭的原理设计出来的角运动测量装置，当陀螺转子高速旋转时，若没有任何外力矩作用在陀螺上，陀螺的自转轴在惯性空间中的指向就保持稳定不变，即指向一个固定的方向，同时反抗任何改变转子轴向的力量。陀螺在军事领域主要应用于飞机、舰船、导弹、火箭、车辆等载体上。

陀螺仪按原理不同可分为以经典力学为基础的机电式陀螺和以近代物理学效应为基础的光电式陀螺。机电式陀螺包括滚珠轴承支承陀螺、液浮陀螺、气浮陀螺、静电陀螺等转子式陀螺、以及如音叉陀螺、半球谐振陀螺和微机电（MEMS）陀螺等新型振动陀螺。光电式陀螺主要包括激光陀螺、光纤 陀螺、原子干涉陀螺、集成光学陀螺等。制导武器中陀螺的应用以液浮陀螺、激光陀螺、光纤陀螺和MEMS陀螺为主。

液浮陀螺

液浮陀螺发展于20世纪20年代，其利用阿基米德原理将陀螺框架组件置于高密度液体内，使浮力完全克服重力，实现中性悬浮使其支承轴承卸载。液浮陀螺仪具有精度高、可靠性高、环境适应能力强等优点，但结构比较复杂，生产成本较高，因此主要适用于精度要求高、环境条件恶劣的载体和系统中。两浮陀螺、三浮陀螺还具有寿命长的优点，特别适用于战略导弹、核潜艇、空间站等的导航和航姿系统。

激光陀螺

激光陀螺发展于20世纪60年代，利用光学中的Sagnac效应，通过运行在环形激光器腔内的顺、逆时针激光来完成角速度的测量。由于激光谐振条件的要求，Sagnac效应产生的光程差转换成了顺、逆时针运行激光的频率差，因此极大地提高了陀螺的响应灵敏度。激光陀螺具有精度高、测量动态范围大、启动时间短、可靠性高、寿命长、抗振动、抗冲击和温变环境能力强、分辨率高、快速启动等特性，但是同样面临成本高、体积大的缺陷。同时由于在现实中环路难以做到完全均匀，当旋转的角速度比较小的时候激光陀螺无法输出测量结果，也被称为激光陀螺的“闭锁效应”，为激光陀螺的实际应用带来较大困难。

光纤陀螺

光纤陀螺发展于20世纪80年代，在激光陀螺的基础上进一步改进而成，利用光纤代替了原来的光路，能够用较低成本解决激光陀螺的闭锁效应，并继承了激光陀螺的可靠性高、灵敏度高、寿命长、动态范围大、瞬间启动等优势。相比较激光陀螺，光纤陀螺具有结构简单、体积适中、重量轻、容易量产、价格低、不需要维护成本等特点，迅速被广泛接受和应用。但是光纤易受温度和缠绕变形的影响，影响测量精度。近年来，光纤陀螺仪的快速发展已经改变了制导系统的面貌，成为高精度制导系统的核心组成部分。

半球谐振陀螺

半球谐振陀螺是20世纪60年代出现的新型陀螺，其利用弹性驻波的惯性效应实现角速度测量，是哥式振动陀螺仪中的一种具有惯导级性能的高精度陀螺仪，随机漂移可达到10º/h量级，寿命高达15年。与传统机械陀螺相比，结构简单、没有磨损部件（机械转子、光源等），无需后期维护，具有很强的抗冲击能力，能承受大的机动过载；谐振子物理特性稳定，因而陀螺具有很高的可靠性和超长的寿命；此外半球谐振陀螺还具有抗辐射能力，使其非常适合在空间飞行器、卫星等辐射环境下长时间工作的装备中使用。

微机电陀螺

MEMS陀螺仪发展于20世纪80年代，指的是用微机械加工工艺制造的陀螺仪，目前主流是振动式，主要通过振动来诱导和探测科里奥利力（在旋转体系中进行直线运动的质点由于惯性相对于旋转体系会产生直线运动的偏移，这个导致偏移产生的“虚拟”力便被称为科里奥利力），从而对角速度进行测量。MEMS陀螺仪根据测量原理的不同，主要包括框架式角振动陀螺、音叉式梳状谐振陀螺、振动轮式硅微陀螺等。MEMS陀螺仪得益于其极低的成本和功耗，极小的体积和质量，集成方便和数据输出简单的特性，虽然精度水平比较低，但通过结合其他传感器的数据以及算法上的改进，MEMS陀螺仪在精度要求相对较低的军事领域得到广泛应用。

 二、陀螺仪发展现状

霍尼韦尔作为全球最大的惯性技术公司，其在陀螺仪领域的技术均处于领先地位。在激光陀螺仪方面，该公司GG1389高精度激光陀螺零偏稳定性达到了1.5×10-4°/h,是世界上精度最高的激光陀螺仪，GG1308 激光陀螺仪的零偏稳定性为1~5°/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上。世界上可以研制量产激光陀螺仪的国家仅有美国、法国、俄罗斯、德国及中国等少数国家。在激光陀螺方面做的较好的企业有美国Draper实验室、霍尼韦尔公司、诺格公司、吉尔福特公司、法国萨基姆公司（赛峰集团子公司）、Sextant公司、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。

霍尼韦尔也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 10-4°/h～10-3°/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. 1°/h。在光纤陀螺仪领域，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企业有美国Draper实验室、诺格公司、霍尼韦尔公司、KVH公司、法国萨基姆公司、iXblue公司、日本三菱精密有限公司、俄罗斯Optolink公司等。目前光纤陀螺仪的精度最高可达8×10-5°/h,在高端领域已经与激光陀螺仪形成竞争的态势。

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10°/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。在美国DARPANGIMG项目支持下，多环碟形陀螺仪最高精度达0.003°/h。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 0.1°/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0.06°/h，角度随机游走优于0.01°/h。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、英国BAE系统公司、挪威Sensonor公司、日本东芝公司等。

美国Northrop Grumman公司的半球谐振陀螺是当前谐振陀螺领域的标杆产品，主要型号为HRG130P,产品零偏稳定性小于0.0015(°)/h,该产品角度随机游走小于0.00015(°)/h,可靠性极高，另外,该系统公开报道的零偏稳定性达到0.0001(°)/h,角度随机游走达到0.00002(°)/h ,为目前基于半球谐振陀螺的惯性系统产品中公开报道的最高指标。法国Sagem公司半球谐振陀螺产品型号为Regys20,其零偏稳定性优于0.01(°)/h,比例因子误差为5×10 -6，角随机游走精确数值达到0.0001(°)/h ，目前,Sagem公司已有数千个半球谐振陀螺在陆基、航海、空间及导弹领域成功应用。俄罗斯在半球谐振陀螺研究方面包括梅吉科、拉明斯克机械制造局两家公司，产品精度达0.1~0.005 (°)/h。梅吉科公司最新型半球谐振陀螺为HRG-30ig，半球谐振子半径30mm，零偏稳定性优于0.005 (°)/h、角度随机游走优于0.003 (°)/h，2012年7月用于Yubileiny-2卫星，精度约0.01 (°)/h，2013年为欧洲引力波观测站提供的半球谐振陀螺系统精度达到0.0005 (°)/h；拉明斯科机械制造局生产的半球谐振陀螺主要应用于航空，研制开发出直径为50 mm，随机漂移达 0.005~0.01 (°)/h的半球谐振陀螺。

陀螺仪技术难度高，生产工艺复杂；在技术能力上，我国的陀螺仪技术水平已经能够追赶国际水平，但在工艺上与国外先进企业还存在一定差距。目前我国军用陀螺仪的研发和生产还主要集中在航天和航空领域的几家军工院所，目前也有少部分的民营企业参与进来；其中，在军用光纤陀螺领域，头部民营企业已具有小几亿元业绩规模；在激光陀螺领域，虽大多数民营企业业绩规模仍普遍较小，但创业企业活跃；目前MEMS陀螺仪参与企业较多，已有上市企业业绩规模达几亿元；目前半球谐振陀螺整体还处于研发阶段，离实际应用还需要一些时间。

三、精确制导弹药促使陀螺仪向高精度、低成本、小型化、轻量化发展

激光陀螺仪作为精度最高的陀螺仪，工艺复杂，成本居高不下，目前应用场景主要集中在对成本敏感度较低、对精度要求较高的弹道导弹和远程巡航导弹上以及一些工作环境相对恶劣的制导武器上，激光陀螺仪由于产能和生产工艺的原因导致价格较高，这在一定程度上限制了其应用场景的扩展。

光纤陀螺仪作为后起之秀，以其价格便宜的优势而快速应用到各种近、中程巡航导弹上。同时，凭借着其精度的不断提升快速的吞噬着激光陀螺仪的市场。如今，光纤陀螺仪在精度上已经可以同激光陀螺仪同台竞争，然而受其自身结构的影响，对一些工作环境恶劣的武器，光纤陀螺仪仍旧无法取代激光陀螺仪。

MEMS陀螺仪由于广泛应用于工业领域而被大家所熟识，MEMS陀螺仪当下精度依旧较低，在制导武器领域主要应用方向仅是一些近距离制导炮弹、靶弹等产品，暂时还没有办法向精度更高的武器上扩展，但随着半导体行业的发展，MEMS陀螺仪精度必定会得到提升，由此也会扩大其应用场景。

虽然我国制导弹药发展相对较晚，但以当下各国武器发展情况以及精确制导弹药的优点来看，我国未来在精确制导弹药上的装备数量也将大幅度提升。武器的打击精度永远是武器研制人员的追求，因此，高精度陀螺仪是精确制导弹药的首选，而当下高精度陀螺仪体积大，成本高，尚不能适应弹药这种体积小、成本低的武器。若想提高精确制导弹药的打击精度，对于陀螺仪来讲，有两条路线可以选择，其一提升MEMS陀螺仪精度，其二高精度陀螺仪向低成本、小型化发展。当前我国高精度的光电陀螺仪体积大、成本高，若想要应用于制导炮弹上，还需要改进工艺、提升产品良品率等。MEMS陀螺的精度会受半导体行业发展程度的影响，随着半导体行业的不断进步，MEMS陀螺仪精度会随之有一定程度的提升，而目前MEMS陀螺仪应用方向主要还是精度要求较低的制导弹药。

四、结语

面对着日益复杂的国际环境，唯有强大自身的军事实力，才能形成有力的威慑力量，并在战争中占据优势，精确制导弹药作为当今战场上的重要装备，已成为武器发展的重要方向，作为制导弹药产业链上游的陀螺仪也将迎来新的增长机遇。穗银资本作为一家深耕军工领域的专业投资机构，将持续关注和研究精确制导武器装备领域，挖掘产业链高价值投资机会，以资本参与国防建设，以专业助力企业成长。 

END