2024MEMS慣導行業儀表分類、軍事應用及代表企業分析報告（52頁）.pdf

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1、2023 年深度行業分析研究報告 目錄目錄 1、慣性導航系統和其他導航系統的區別與聯系.-5-1.1、慣性導航系統和其他導航系統的區別.-5-1.1.1、無線電導航系統.-5-1.1.2、自主導航系統.-7-1.2、慣性導航系統與其他導航系統的聯系組合導航系統.-8-2、慣性儀表.-10-2.1、慣性儀表概況.-10-2.2、評價慣性儀表的核心技術指標及等級劃分.-10-2.3、陀螺儀類別與特點.-11-2.4、加速度計類別與特點.-13-2.5、各類慣性儀表應用情況預測.-14-2.6、各類慣性儀表現階段實際應用情況.-16-3、MEMS 慣性儀表.-18-3.1、MEMS 慣性儀表概況.-

2、18-3.2、MEMS 慣性儀表材料及工藝.-19-3.3、MEMS 慣性儀表分類.-22-4、MEMS 慣性儀表的軍事應用.-23-4.1、MEMS 慣性儀表軍事應用優勢.-23-4.2、MEMS 慣性儀表軍事領域可用范圍廣泛.-24-4.3、MEMS 慣性儀表軍事應用現狀.-26-4.4、MEMS 慣性儀表軍事應用前景.-40-4.5、MEMS 慣性儀表軍事應用發展趨勢.-43-4.6、美國軍用 MEMS 慣性儀表發展復盤先揚長再補短.-44-5、MEMS 慣性儀表相關企業.-50-圖目錄 圖 1、戰斧導彈的地形輔助導航與數字景象匹配導航.-9-圖 2、慣性導航系統組成.-10-圖 3、陀

3、螺儀應用短期預測.-15-圖 4、陀螺儀應用長期預測.-15-圖 5、加速度計應用短期預測.-15-圖 6、加速度計應用長期預測.-15-圖 7、各類型慣導系統成本預測.-16-圖 8、各類陀螺儀市場滲透率提升分析.-17-圖 9、MEMS 陀螺儀.-18-圖 10、MEMS 與半導體工藝.-19-圖 11、MEMS 陀螺儀分類.-22-圖 12、MEMS 加速度計分類.-22-圖 13、軍用陀螺儀指標比較.-24-圖 14、MEMS 陀螺儀精度對彈藥 CEP 影響.-24-圖 15、2011 年各類陀螺儀可用范圍分析.-25-圖 16、2011 年各類加速度計可用范圍分析.-26-圖 17、

4、陀螺與加速度計技術成熟度.-27-圖 18、“克萊門汀號”探月器.-28-UZ0X3VEUOZFZPZ6M9R8OoMoOmOmQlOqQsRiNmMpR6MmNmMNZsRvMvPoOsM 圖 19、“火星漫游者”火星車.-28-圖 20、AGM-142 空地導彈.-29-圖 21、AIM-120 先進中距空對空導彈（AMRAAM）.-29-圖 22、BQM-74 亞聲速靶機.-30-圖 23、“捕食者”無人機.-30-圖 24、“全球鷹”無人機.-31-圖 25、“蘭天”機載吊艙式光電系統.-31-圖 26、MK-48 魚雷.-32-圖 27、Sting Ray 魚雷.-32-圖 28、C

5、H-46 直升機.-33-圖 29、RAH-66 直升機.-34-圖 30、MB-339 教練機：.-34-圖 31、小直徑制導炸彈（Small Diameter Bomb，SDB）.-35-圖 32、寶石路（Paveway）.-36-圖 33、垂直發射“海狼”導彈系統.-37-圖 34、ERGM.-37-圖 35、旋轉彈體導彈（RAM）.-38-圖 36、JDAM.-39-圖 37、雷神亞瑟王神劍制導炮彈.-40-圖 38、Draper 實驗室對 MEMS 慣導軍用預測.-41-圖 39、Nigel 提出的通用型 MEMS IMU 方案.-41-圖 40、彈藥環境.-42-圖 41、Accu

6、lar 制導火箭彈.-42-圖 42、DARPA 實施的 MEMS 慣導演示驗證項目.-44-圖 43、ERGM 飛行試驗.-45-圖 44、MMIMU 的設計目標與實際性能.-46-圖 45、HG1700 與 HG1900 產品對比.-47-圖 46、CGIMU 各個階段的研制目標.-48-圖 47、NLOS-LS 網火系統.-49-表目錄表目錄 表 1、導航系統.-5-表 2、戰斧導彈導航方式.-9-表 3、評價慣性儀表的核心技術指標.-11-表 4、各級別應用對慣性儀表的精度要求.-11-表 5、各類陀螺儀參數比較.-13-表 6、各類加速度計精度比較.-14-表 7、各級別采用的慣性儀

7、表.-17-表 8、MEMS 加工工藝技術和 IC 加工工藝技術的比較.-20-表 9、MEMS 慣性儀表適配于導彈的情況分析.-26-表 10、AGM-142 空地導彈.-29-表 11、AIM-120 先進中距空對空導彈（AMRAAM）.-29-表 12、MK-48 魚雷.-32-表 13、Sting Ray 魚雷.-33-表 14、小直徑制導炸彈（Small Diameter Bomb，SDB）.-35-表 15、“海狼”導彈系統.-37-表 16、ERGM.-38-表 17、旋轉彈體導彈 RAM.-38-表 18、JDAM 基本情況.-39-表 19、JDAM 各型號情況.-39-表

8、20、雷神亞瑟王神劍制導炮彈.-40-表 21、NLOS-LS 網火系統.-49-表 22、國外代表性企業 MEMS 陀螺指標.-52-表 23、國外代表性企業 MEMS 加速度計指標.-52-1、慣性導航慣性導航系統系統和其他導航系統的區別與聯系和其他導航系統的區別與聯系 1.1、慣性導航系統和其他導航系統的區別慣性導航系統和其他導航系統的區別 導航系統是艦船、飛機、航天器等載體上的重要設備，其主要任務就是在預先規定好航行計劃的前提下，以要求的精度，在一定時間內將載體引航到目的地。為此，導航系統必須提供精確的導航參數，如姿態角、航向、位置、速度等。導航系統可以分為無線電導航系統和自主式導航系

9、統兩類，無線電導航系統又可分為地基、星基和基于無線網絡三種，具體包含伏爾/地美依系統（VOR/DME）、塔康系統（TACAN）等，自主導航具體包含慣性導航、多普勒導航等。表表 1、導航系統導航系統 無線電導航無線電導航 自主導航自主導航 地基地基 星基星基 基于無線網絡基于無線網絡 伏爾/地美依系統（VOR/DME）美國 GPS 通訊、導航、識別綜合系統（CNI）慣性導航慣性導航 塔康系統（TACAN）俄羅斯 GLONASS 多普勒導航 無線電信標系統（RBS）歐洲 Galileo 地形輔助導航 羅蘭-C 系統（LORAN-C）中國北斗 數字景象匹配導航 奧米加系統（Omega）地磁導航 航管

10、系統 天文導航 著陸引導系統 資料來源：導航的軍事分類與應用，邱致和、無線電導航綜述，丁子明，言中、自主導航技術發展現狀與趨勢，王巍、慣性導航技術的發展及其應用，周徐昌、地磁導航技術研究進展綜述，周能兵、現代軍用導航技術，馬超杰，林志丹、中國科學院網、澎湃網、北京航空航天大學網，興業證券經濟與金融研究院整理 1.1.1、無線電導航系統、無線電導航系統 無線電導航系統的原理是，導航設備通過測量無線電導航臺發射信號（無線電電磁波）的時間、相位、幅度、頻率參量，可確定運動載體相對于導航臺的方位、距離和距離差等幾何參量，從而確定運動載體與導航臺之間的相對位置關系，據此實現對運動載體的定位和導航。按導航

11、臺站設置的位置不同，無線電導航系統分為地基、星基和基于無線網絡三種。地基地基無線電導航無線電導航 地基無線電導航是在陸上（有時也在艦上）設置一些導航臺，發射無線電信號，當裝有相應機載或艦載導航設備的飛機或艦船進入其覆蓋區后，便能確定自己的 實時位置。地基無線電導航主要有伏爾/地美依系統（VOR/DME）、塔康系統（TACAN）、無線電信標系統（RBS）、羅蘭-C 系統（LORAN-C）、奧米加系統（Omega）、航管系統、著陸引導系統等。這些系統除了無線電信標是更早的系統之外，基本上是在二次世界大戰期間或基于大戰中發展起來的軍事技術在戰后建立起來的。至今，各種導航臺已遍布全球，形成一套頗為完備

12、的體系，仍在為飛機和艦船的各航行階段提供航行引導服務。地基無線電導航的主要缺點是，一種系統不能同時實現大的覆蓋范圍和高的導航精度兩項要求。伏爾伏爾/地美依系統地美依系統（VOR/DME）：VOR 是工作在甚高頻頻段的相位測角系統，運動載體可用它測知相對于航向臺的方位。DME 是工作在超高頻頻段的脈沖測距系統，運動載體用它可測知相對于該臺站的距離。這二種設備常結合在一起，主要用作航空港的終端導航設備。塔康系統塔康系統（TACAN）：是軍用型的近程導航系統。工作在超高頻頻段，其測角精度比 VOR 高，能同時給運動載體提供相對于臺站的方位和距離，適合于以小型機場或軍艦為中心的戰術活動，是美國和北大西

13、洋公約組織國家的標準軍用導航系統。塔康臺有時和伏爾臺裝在一起，組成軍民共用的系統。無線電信標系統無線電信標系統（RBS）：）：一種測角系統。這類系統大多工作于中波波段，一般用于國內航路和終端，引導飛機出航、歸航和非精密進場著陸。也可用作地標，指示地面目標、機場、航路點信標系統的位置。羅蘭羅蘭-C 系統系統（LORAN-C）：）：工作頻率為 100kHz 的脈沖相位測距差系統。其地面設備通常由 34 座導航臺組成導航臺鏈。主要用于沿海導航。該系統還兼具授時功能，其授時精度約 0.5s。奧米加系統奧米加系統（Omega）：）：工作于甚低頻的相位測距差系統，也可以測距方式工作。八座地面臺就可覆蓋整個

14、地球表面?？捎糜谠窖蠛叫?。甚低頻有一定的入水能力，因而可供潛艇在不深的水下作定位之用。航管系統航管系統：通常由一次雷達（環視雷達、測高雷達）、二次雷達（地面詢問器，機載應答器）、通訊設備和地面控制中心組成，用以監視、識別其覆蓋區域內的飛機，提供航行安全保障。著陸引導系統著陸引導系統：目前廣泛使用的民用著陸系統是儀表著陸系統（ILS），是工作于米波波段的振幅測角系統。它給飛行員提供相對于下滑航道的水平和垂直方向上的偏離信息，告訴飛行員已飛臨離跑道始端規定距離上空，提醒飛行員查核此時 應有的下滑高度。星基星基無線電導航無線電導航 大致可以說星基無線電導航是把地基無線電導航的導航臺放到了人造衛星上。

15、衛星導航由空間段（衛星星座），地面段（分布在全球的主控站、監視站，上行注入站）和用戶設備組成。由于衛星可以看到大片地球表面，又發射高頻率信號，因此既可利用由多顆衛星組成的星座覆蓋全球，又有高的精度。這就消除了地基無線電導航的缺點。目前，全世界有四大全球衛星導航系統，即，美國全球定位系統（GPS）、俄羅斯格洛納斯衛星導航定位系統（GLONASS）、歐洲伽利略衛星導航定位系統（Galileo）、中國北斗衛星導航系統（BDS）。除此之外還有區域系統及增強系統。星基無線電導航最主要的缺點是，衛星發射的信號要經過 20000 公里左右的距離才能傳播到地面，因此信號太弱，容易受到干擾，也容易受到樹蔭和房屋

16、的遮擋。全球定位系統全球定位系統（GPS）：用戶搜捕并有選擇地跟蹤四顆衛星發射的訊號，從訊號中提取星歷，測量訊號到達時間，經迭代定位計算，就可求得用戶自己的位置和精確的時間；從訊號中提取多普勒頻率，就能得到用戶的三維速度值。因而系統可同時向用戶提供七維導航數據（三維位置，三維速度，時間），適用于海、陸、空、外層空間的各種運動載體?；跓o線網絡的無線電導航基于無線網絡的無線電導航 一些戰術無線移動通信系統的結構是，把用戶設備組織成網絡，用戶之間除了能夠作一對一的通信之外，還可以作一對多或多對一的通信，還可以經過不同的路由中繼?；跓o線網絡的導航的優點是信號采用跳頻、直接序列擴頻、糾檢錯編碼等方式

17、和多重保密措施，通信距離近，因而抗干擾和保密能力都很強?；跓o線網絡的無線電導航主要有“通訊、導航、識別綜合系統（CNI）”等。通訊、導航、識別綜合系統（通訊、導航、識別綜合系統（CNI）：一種多邊測偽距系統，大多工作在分米波段。所得到的導航位置數據是以系統中某一輻射源為基準的相對格網坐標表示的，因而完成的是相對導航。若系統中某一成員已知其準確的地理坐標，則能實現絕對導航功能。1.1.2、自主導航系統、自主導航系統 自主導航技術是指運動載體在不依賴外部支持的情況下，僅利用自身攜帶的測量設備實時確定自身相對某個坐標系的位置、姿態和速度，來引導航行的導航方法。一般而言，自主導航可以分為兩類：1）從

18、嚴格意義來講，完全自主導航僅依賴自身的慣導設備，既不發射、也不吸收外界的任何聲、光、電等信息，具有很好的隱蔽性和環境抵抗性；2）從更廣義的角度來講，所有不需要外部支持設備，可自 己測得或主動獲取外部信息的導航方式均為自主導航。慣性導航慣性導航：慣性導航通過陀螺和加速度計測量載體的角速率和加速度信息，經積分運算得到載體的速度和位置信息。慣性導航不依賴于外界的導航臺，也沒有電波傳播，可用于海、陸、空、天及水下環境，隱蔽性好，不可能被干擾，無法反利用，生存能力強。慣性導航的主要缺點是位置誤差隨工作時間而增加，因此一般要和衛星導航相組合使用，以把兩種系統的優點結合起來。多普勒多普勒導航導航：多普勒導航

19、是一種飛機導航系統。機載多普勒雷達斜向對地面發射電波。因飛機在運動，地面的漫反射回波中帶有多普勒頻移，根據這種頻移可以算出飛機的三維速度，經過對時間的一次積分，便可以算出飛機的已飛距離。地形輔助導航地形輔助導航：運載平臺事先存儲所要飛越地區的三維數字地圖。在飛行過程中，運載平臺上的氣壓高度表產生的海拔高度與由雷達高度表產生的相對高度相減，得出飛過的地形剖面圖。地形輔助導航系統將這一剖面圖與所存儲的數字地圖相比較，當達到匹配時，便求出了飛機所在點的位置。數字景象匹配導航數字景象匹配導航：數字景象匹配導航的原理與地形輔助導航類似，運載體將預先拍攝到的地面景象照片，按照象素尺寸制成數字化地圖，形成基

20、準圖。當運載體飛到預定位置時，拍攝正下方地面的圖像，并按象點尺寸、飛行高度和視場等參數生成一定大小的實時圖。數字景象匹配導航當系統將實時圖與基準圖相比較。由于基準圖的地理坐標位置(或與目標的相對位置)是事先知道的。因此，根據它與實時圖的配準位置，便可確定導彈相對于目標的位置。地磁導航：地磁導航：地磁導航的原理是通過地磁傳感器測量載體所在位置的地磁信息，再與事先測繪完備并儲存在載體計算機上的地磁圖進行匹配，得出載體的實時位置信息；其次，捷聯于載體上的地磁傳感器隨著載體變換姿態，地磁傳感器根據不同的姿態輸出不同的磁場矢量信息，以反映載體的姿態信息。天文導航天文導航：天文導航是根據天體在天球上的精確

21、坐標和地球的運動規律來測量天體相對于載體的準確坐標，通過相應的數學模型解算出載體位置、航向或姿態的導航方法。天文導航技術建立在恒星參考系基礎之上，不需要地面設備，利用天體輻射能（星光、射電及紅外輻射），隱蔽性好，不受人工與自然電磁波干擾，測量誤差也不隨時間而積累，對于遠距離、長時間飛行（航行）的平臺是一種較好的導航手段。1.2、慣性導航系統與其他導航系統的聯系慣性導航系統與其他導航系統的聯系組合導航系統組合導航系統 由于慣性導航原理決定了單一慣性導航系統的導航誤差將隨時間而累積，導航精度隨時間而發散，因此慣性導航系統不能單獨長時間工作，須定期校準。隨著現代控制理論及微電子、計算機和信息融合等的

22、發展，在導航領域展開了以慣性導 航系統為主的多導航系統組合導航的研究。組合導航的基本原理是利用信息融合技術，通過最優估計、數字濾波等信號處理方法把各種導航系統如無線電、衛星、天文、地形及景象匹配等導航系統的結合，以發揮各種導航技術優勢，達到比任何單一導航方式更高的導航精度和可靠性。常見有以慣性導航和 GPS 衛星導航組合的（INS/GPS）導航系統。與慣導相比，GPS 具有成本低，導航精度高，且誤差不隨時間積累等優點，GPS 導航系統輸出的導航信息作為系統狀態的觀測量，通過卡爾曼濾波對系統的狀態（位置、速度等）及誤差進行最優估計，以實現對慣導系統的校準和誤差補償。而慣導系統自主、實時、連續等優

23、點可彌補 GPS 易受干擾、動態環境可靠性差的不足。隨著多傳感器融合理論的發展，組合導航系統從 INS/多普勒、INS/天文、INS/VOR/DEM、INS/LORAN 等，發展到 INS/地形匹配、INS/圖像匹配，及多種系統和傳感器組合的 INS/GPS/地形輪廓/景象匹配。以美國“戰斧”巡航導彈的發展為例，其導航系統由 Block1 的 2 種發展為 Block4 的5 種。表表 2、戰斧導彈導航方式戰斧導彈導航方式 戰斧導彈戰斧導彈 制導系統及精度制導系統及精度 Block1 慣性導航系統+低星匹配系統（百米級）Block2 慣性導航系統+地形匹配+數字景象匹配（十米級）Block3

24、慣性導航系統+地形匹配+數字景象匹配+全球定位系統（米級）Block4 慣性導航系統+地形匹配+數字景象匹配+全球定位系統+精確地形輔助導航（米級）資料來源：彈載 SINS_GPS_SAR 組合導航算法的研究，孫婷婷，興業證券經濟與金融研究院整理 圖圖 1、戰斧導彈的、戰斧導彈的地形輔助導航與數字景象匹配導航地形輔助導航與數字景象匹配導航 資料來源：戰斧巡航導彈透視，耿海軍，興業證券經濟與金融研究院整理 2、慣性慣性儀表儀表 2.1、慣性儀表概況、慣性儀表概況 慣性導航技術是在各種復雜環境條件下自主建立運動載體的方位、姿態基準的唯一有效手段。慣性導航系統（一般又稱為慣性測量單元，Inertia

25、l Measurement Unit，IMU）先測量載體的角速度和線加速度，再經積分運算得到載體的速度和位置。慣性導航系統利用陀螺儀和加速度計分別測量載體運動的角速度和線加速度。陀螺儀和加速度計統稱慣性儀表。一個慣性導航系統通常包含三個軸向的陀螺和三個軸向的加速度計，每一個陀螺儀和加速度計都安裝在一個軸上，三個軸相互正交，這樣就可以測量三個方向上的角速度和線加速度，工作原理如下圖所示。圖圖 2、慣性導航系統組成、慣性導航系統組成 資料來源：理工導航招股說明書，陳明玥，興業證券經濟與金融研究院整理 慣性導航系統有平臺式和捷聯式兩種，最早出現的是平臺式。平臺式以陀螺為基礎構筑一個不隨運載體（飛機、

26、艦船和導彈等）姿態和載體在地球上的位置變化影響的穩定平臺，保持著指向東、北、天三個方向的坐標系。固定在穩定平臺上的加速度計分別測量出載體在這三個方向上的加速度。分別對這些加速度在時間上作一次和二次積分，便能導出載體的速度和所經過的距離。載體的航向與姿態信息由穩定平臺感知。捷聯式的陀螺和加速度計均直接固連在運載體上。實質上是用數學平臺取代了機電平臺。捷聯式慣導是隨計算機技術和光學陀螺的出現而發展起來的，體積重量都比平臺式慣導小，可靠性明顯提高。2.2、評價評價慣性儀表的慣性儀表的核心核心技術技術指標及指標及等級劃分等級劃分 為評價陀螺儀/加速度計的性能，行業定義了一系列技術指標，這些指標一般統稱

27、為精度，具體如下表所示。userid:93117,docid:156036,date:2024-03-08, 表表 3、評價慣性儀表的核心技術指標評價慣性儀表的核心技術指標 技術指標技術指標 說明說明 零偏穩定性零偏穩定性 基于 ALLAN 方差方法，衡量陀螺儀/加速度計在一個工作周期內，當輸入角速率為零時，陀螺儀輸出值圍繞其均值的離散程度。數值越小表示性能越高 零偏重復性零偏重復性 在同樣條件下及規定間隔時間內，多次通電過程中，陀螺儀/加速度計零偏相對其均值的離散程，以多次測試所得零偏的標準偏差表示。數值越小表示性能越高。角度角度/線速度線速度隨機隨機游走游走 表征輸出白噪聲大小的一項技術指

28、標，反映陀螺儀/加速度計輸出的角速率積分（角度）/加速度隨時間積累的不確定性。數值越小表示性能越高 標度因數精度標度因數精度 表征陀螺儀/加速度計由于溫度變化、非線性、重復性等影響因素，其標度因數圍繞均值的離散程度，一般用 ppm（parts per million）表示。數值越小表示性能越高 資料來源：芯動聯科招股說明書，興業證券經濟與金融研究院整理 應用領域不同，對慣性儀表的精度要求也不同。一般可按不同的精度要求將各種應用領域劃分為四個級別戰略級、導航級、戰術級和消費級，具體如下表所示。表表 4、各級別應用對慣性儀表的精度要求、各級別應用對慣性儀表的精度要求 類別類別 戰略級戰略級 導航級

29、導航級 戰術級戰術級 消費級消費級 應用領域應用領域 航天、航海等 航空、長航時無人系統等 測繪，資源勘探、車輛和飛行體等 消費電子等 陀螺儀陀螺儀 零偏穩定性（零偏穩定性（/h）15 標度因數精度（標度因數精度（ppm）1000 角度隨機游走（角度隨機游走（/h）0.5 加速度計加速度計 零偏穩定性（零偏穩定性（g）1000 標度因數精度（標度因數精度（ppm）10 500 1000 資料來源：芯動聯科招股說明書，興業證券經濟與金融研究院整理 2.3、陀螺儀、陀螺儀類別類別與與特點特點 經歷一百多年的漫長發展，人們研制出了多種基于不同測量原理、具有不同測量精度的陀螺儀。按不同測量原理和發明先

30、后，通常分為四代。第一代，基于牛頓經典力學原理，利用高速轉子的轉軸穩定性來測量物體角位移的裝置，一般統稱為機械陀螺機械陀螺。典型代表有液浮陀螺儀、液浮陀螺儀、靜電陀螺以及動力調諧靜電陀螺以及動力調諧陀螺陀螺等。液浮陀螺儀和靜電陀螺儀都是超高精度陀螺儀。液浮陀螺精度雖高，但結構復雜，制造困難、成本也很高，我國 2011 年之前主流艦艇全部采用液浮陀螺儀平臺式慣導。靜電陀螺儀是目前最高精度的陀螺儀，精度可達 108106(/h)量級，但成本較高，結構體積較為龐大，且需要嚴格控制工作時溫度，另外啟動速度慢，需要 加阻尼之后才能運行，一般應用在彈道導彈核潛艇或航空母艦上，目前全球只有中國、美國、俄羅斯

31、和法國具備研制并成功應用靜電陀螺的實力。動力調諧陀螺儀是中低精度陀螺儀，體積較小，成本低廉，在 20 世紀 70 年代到20 世紀 90 年代被廣泛應用。美國第二代戰機采用液浮陀螺儀，但到第三代戰斗機已多采用動力調諧陀螺儀，目前國內外已基本停止了對動力調諧陀螺儀的研究且少有應用。第二代，基于薩格奈克效應，利用光束的光程差測量物體角位移的裝置。典型代表是激光陀螺激光陀螺和光纖陀螺光纖陀螺，其特點是反應時間短、動態范圍大、可靠性高、環境適應性強、易維護、壽命長。光學陀螺技術較為成熟，精度高，隨著產品迭代，光學陀螺及其系統應用從戰術級應用逐步拓展到導航級應用，在陸、海、空、天等多個領域中得到批量應用

32、，但由于其成本高、體積大，應用領域受到一定限制。第三代，基于哥氏振動效應，通過檢測哥氏加速度測量物體角位移的裝置（哥氏加速度是以法國科學家G.G.de Coriolis命名的出現在旋轉坐標系中的表征加速度，其與旋轉坐標系的旋轉速率成比）。與機械陀螺相比，哥氏振動陀螺是一種無轉子陀螺，它用振動元件取代了傳統陀螺的機械轉子，用微幅振動取代了高速旋轉，因而具有壽命長、可靠性高、體積小、重量輕、精度高等突出特點，哥氏振動陀螺主要包括壓電振動陀螺、半球諧振陀螺和壓電振動陀螺、半球諧振陀螺和 MEMS（振動）（振動）陀螺陀螺。壓電振動陀螺已廣泛用于導彈、飛機、艦船、坦克、潛艇、魚雷、炮彈等武器裝備的導航及

33、測控系統，也廣泛用于汽車、醫療器械、地質勘探等民用系統。半球諧振陀螺已廣泛用于空間任務，在各種高精度導航系統中可發揮其獨特的優勢，也適合用于石油鉆探、地球物理探測等民用領域。MEMS 全稱 Micro Electro-Mechanical System（微機電系統），是精細加工的一種，它是建立在微米/納米技術（micro/nanotechnology）基礎上的 21 世紀前沿技術，也被稱為微系統（Microsystem）、微機器或微機械（Micromachine）等。采用 MEMS技術生產的陀螺是 MEMS 陀螺，MEMS（振動）陀螺的價格低，可靠性高、尺寸小、重量輕，其應用正快速從汽車工業領

34、域擴展至消費電子和個人導航系統等領域，偏置穩定性已達到 0.1（/h），從而進入高精度應用市場。雖然大部分 MEMS陀螺都是基于哥式振動效應研制而成，但 MEMS 陀螺也包含流體陀螺、固體微陀螺、懸浮轉子式微陀螺等多種其他品類。目前，MEMS 振動陀螺是 MEMS 陀螺市場應用中發展速度最快的之一。融合了 MEMS 技術和光學檢測技術的微光機電系統（Micro-Opto Electro-Mechanical System，MOEMS 或 Integrated Optics，IO）陀螺不僅具有 MEMS 體積小、質量輕和易大批量生產的優勢，更兼具光學檢測精度高、響應快和抗電磁干擾的優勢，是未來微

35、型慣性器件的一個重要方向。第四代，基于現代量子力學技術。典型代表為核磁共振陀螺核磁共振陀螺、原子干涉陀螺原子干涉陀螺。其目標是實現高精度、高可靠、小型化和更廣泛應用領域的導航系統，目前仍處于早期研究階段。表表 5、各類各類陀螺儀參數比較陀螺儀參數比較 陀螺類型陀螺類型 精度精度（零偏穩定零偏穩定性，性，/h）精度潛力精度潛力 穩定時間穩定時間 體積體積 成本成本 抗干擾能力抗干擾能力 原子干涉陀螺儀 0.00001 超高/靜電陀螺儀 0.0001 高 慢 大 高 弱 半球諧振陀螺儀 0.0001 高 快 小 中 強 液浮陀螺儀 0.001 中 慢 大 高 弱 激光陀螺儀 0.001 中 快 中

36、 中 中 光纖陀螺儀 0.001 中 快 中 低 中 動力調諧陀螺儀 0.01 中 中 中 低 中 MEMS 陀螺儀 0.1 中 快 小 低 中 資料來源：天箭慣性招股說明書，興業證券經濟與金融研究院整理 2.4、加速度加速度計計類別類別與與特點特點 種類繁多的加速度計有各種分類方法。按測量系統形式分，有開環式和閉環式兩類。開環式加速度計又稱為簡單加速度計簡單加速度計，被測的加速度值經敏感元件、信號傳感器、放大器變成電信號直接輸出。這種加速度計構造簡單、體積小、成本低、但精度較低。閉環式加速度計又稱為力平衡式加速度計力平衡式加速度計（又稱力反饋加速度計或伺服加速度計），被測的加速度變成電信號后

37、，加到力矩器上，使活動機構恢復平衡位置。由于采用了力反饋回路，該加速度計精度高，抗干擾能力強。按測量的自由度分，有單軸單軸、雙軸雙軸、三軸三軸加速度計。按測量加速度的原理分，有壓電壓電、諧諧振振（振弦振弦、振梁振梁）、光學光學和擺式加速度計擺式加速度計。按支承方式分，有液浮液浮、撓性撓性和靜電加靜電加速度計速度計?，F在性能最好的加速度計是擺式積分陀螺加速度計（PIGA），用于戰略導彈制導。PIGA 是一種非常穩定的線性器件，在寬的動態范圍內有很高的分辨率，并且是迄今為止唯一能夠滿足戰略導彈要求的加速度計。石英振梁式加速度計（VBA 或 VQA）具有直接頻率輸出、功耗小、可靠性和穩定性高、線性度

38、高、量程大（可高達 1200g）、體積小、成本低和易于成批加工等優點。VBA 在國外發展的比較早，最早可追尋到 1981 年，目前已得到廣泛的應用。石英撓性加速度計具有精度和靈敏度高、功耗小、熱穩定性好、機械遲滯和彈性后效小、易于小型化等特點，在大地測量系統中有廣泛的用途。這種加速度計的主要缺點是，測量加速度超過 30g 時，其非線性誤差明顯增大，同時不能承受太大的沖擊振動。采用 MEMS 技術生產的陀螺是 MEMS 陀螺，特殊的，采用 MEMS 技術生產的石英振梁加速度計也屬于 MEMS 加速度計的一種。與 MEMS 陀螺儀類似，MEMS加速度計也具有體積小、質量輕，結構簡單、成本低、可靠性

39、高和抗沖擊能力強等特點，在航空航天和汽車等領域有十分廣闊的應用前景。目前在國外，低精度的 MEMS 加速度計已形成系列產品，中高精度的偏置穩定性達到 20g，標度因數穩定性達到 50106。與 MOEMS 陀螺相似，MOEMS 加速度計也融合了 MEMS 技術和光學檢測技術，并且 MOEMS 加速度計的研究比 MOEMS 陀螺更廣泛，早在上世紀 90 年代初就有了 MOEMS 加速度計的報道，MOEMS 加速度計產品已得到實際應用，是極具應用潛力的下一代加速度計。量子（原子）加速度計已進入實驗室樣機研究階段，是未來超高精度戰略級加速度計的代表。美國政府問責局（GAO）2019 年發布報告稱美陸

40、軍到本世紀中葉有望實現量子定位和導航能力。量子慣性導航技術的優勢在于：一是拒止環境下可用；二是其精度比傳統導航手段高約 1000 倍。一旦成功問世，該技術將應用到商業領域，同時也會對軍事領域未來幾代武器裝備的發展產生深遠影響。表表 6、各類加速度計精度比較各類加速度計精度比較 分類分類 擺式積分擺式積分陀螺陀螺陀陀螺加速度計螺加速度計 石英石英撓性擺式加撓性擺式加速度計速度計 石英振梁加速度石英振梁加速度計計 MEMS 加速度加速度計計 原子加速度計原子加速度計 精度精度（零偏穩定（零偏穩定性）性）0.1g 51000g 110g 0.11mg 10ng 資料來源：輕小型慣性導航系統研究綜述，

41、董銘濤，興業證券經濟與金融研究院整理 2.5、各類慣性儀表應用情況預測、各類慣性儀表應用情況預測 下圖為美國 MIT 學者 George T 在 2011 年年預測的各類型陀螺儀短期和長期的應用情況。短期來看，MEMS 陀螺和光纖陀螺將取代眾多激光陀螺和機械陀螺的應用市場；長期來看，MEMS 陀螺和 MOEMS 陀螺將占據中低精度陀螺的主要市場。圖圖 3、陀螺儀應用短期預測、陀螺儀應用短期預測 圖圖 4、陀螺儀應用長期預測、陀螺儀應用長期預測 資料來源：INS/GPS Technology Trends，George T，興業證券經濟與金融研究院整理 資料來源：INS/GPS Technolo

42、gy Trends，George T，興業證券經濟與金融研究院整理 下圖為美國 MIT 學者 George T 在 2011 年預測的各類型加速度計短期和長期的應用情況。短期來看，低精度市場將由 MEMS 加速度計占據，高精度市場將由機械加速度計（指 PIGA 加速度計等）和諧振加速度計（指石英振梁加速度計等）占據。長期來看，MEMS 加速度計和 MOEMS 加速度計將占據中低精度加速度計的主要市場。圖圖 5、加速度計應用短期預測、加速度計應用短期預測 圖圖 6、加速度計應用長期預測、加速度計應用長期預測 資料來源：INS/GPS Technology Trends，George T，興業證券

43、經濟與金融研究院整理 資料來源：INS/GPS Technology Trends，George T，興業證券經濟與金融研究院整理 這樣預測的原因有兩方面：1）MEMS 慣性儀表的性能會如過去幾十年一樣成數量級提升；2）在一個芯片上集成六個慣性傳感器是將 INS/GPS 組合導航系統的價格降低到 1000 美元的唯一方法。MEMS 慣性儀表價格的低廉與其生產材料和生產方法有關。早期，MEMS 慣性儀表多采用石英材料，因為石英材料的品質因數Q值很高，但石英材料加工難度大，成本高。因為硅材料結構完整，彈性好，也比較容易得到高 Q 值的微機械結構，所以目前 MEMS 慣性儀表多采用硅材料，硅材料可采

44、用傳統集成電路（IC）加工工藝，在一片 3 英寸或 4 英寸的硅片可以制作成百上千個硅微慣性器件，每個器件的體積重量都很小，而且單個器件的成本很低。正是因為硅微慣性器件展現出了多種優勢，各國加大了提高相關加工工藝水平的力度，取得了多個突破性的進步，促使 MEMS 慣性儀表的性能迅速提高。下圖展示了慣性儀器技術和性能對 INS 或 INS/GPS 組合慣導系統成本的預測（相對來講 GPS 接收器的成本微不足道）。這些系統分為：1）搭配任意類型加速度計的激光陀螺或光纖陀螺系統；2）石英陀螺儀和石英加速度計組合而成的石英系統；3）MEMS 或 MEOMS 系統。顯然，MEMS 或 MEOMS 系統成

45、本最低，但要達到最終的低成本，必須達到數百萬的產量。圖圖 7、各類型慣導系統成本預測、各類型慣導系統成本預測 資料來源：INS/GPS Technology Trends，George T，興業證券經濟與金融研究院整理 2.6、各類慣性儀表、各類慣性儀表現階段實際現階段實際應用情況應用情況 目前各級別主要采用的慣性儀表情況如下表所示。特別地，隨 MEMS 慣性儀表的精度不斷提高，其已可應用于導航級領域。表表 7、各級別采用的慣性儀表、各級別采用的慣性儀表 戰略級戰略級 導航級導航級 戰術級戰術級 消費級消費級 陀螺儀陀螺儀 靜電陀螺儀、激光陀螺儀、光纖陀螺儀 激光陀螺儀、光纖陀螺儀、動力調諧陀

46、螺儀、MEMS 陀螺儀 激光陀螺儀、光纖陀螺儀、動力調諧陀螺儀、MEMS 陀螺儀 MEMS 陀螺儀 加速度計加速度計 機械擺式加速度計（指PIGA 加速度計等）、石英加速度計 機械擺式加速度計（指PIGA 加速度計等）、石英加速度計、MEMS加速度計 石英加速度計、MEMS加速度計 MEMS 加速度計 資料來源：芯動聯科招股說明書，興業證券經濟與金融研究院整理 根據 Yole 在 2022 年發布的High-End Inertial Sensing，在戰術級和導航級應用領域，兩光陀螺仍分別占據了 78%和 92%的市場份額，在戰略級應用領域，激光陀螺儀仍占據 72%的市場份額。由此可見，目前

47、MEMS 陀螺儀的滲透率還未達到George T 的預測。不過，根據 Yole 的統計與分析，各類陀螺儀的滲透率提升模式大致相似，即早、中、后期呈現滲透率提升速度慢、快、慢的特征，據其最新的分析，目前 MEMS 陀螺儀正處于滲透率提升速度較快的中期階段。圖圖 8、各類陀螺儀市場滲透率提升分析、各類陀螺儀市場滲透率提升分析 資料來源：high end inertial sensing 2022，Yole，興業證券經濟與金融研究院整理 3、MEMS 慣性儀表慣性儀表 3.1、MEMS 慣性儀表概況慣性儀表概況 MEMS（微機電系統）是精細加工的一種，它是建立在微米/納米技術（micro/nanot

48、echnology）基礎上的 21 世紀前沿技術。MEMS 這一概念在國際上尚未有統一的名稱和定義：美國在這一方面的研究是在半導體集成電路（Integrated Circuit，IC）工藝技術基礎上延伸和拓展而來的，故稱之為 MEMS，這也是目前廣為使用的名稱；歐洲稱之為 Microsystem，即微系統，這一稱謂更強調系統的觀點，即如何將多個微型化的傳感器、執行器、處理電路等元部件集成為一個智能化的有機整體；在精密機械加工方面有傳統優勢的日本則稱之為 Micromachine，即微機器，或微機械。MEMS 系統主要包括微型傳感器/執行器和相應的處理電路。作為輸入信號的自然界各種信息首先通過傳

49、感器轉換成電信號，經過信號處理后（包括模擬/數字信號間的變換）再通過微執行器對外部世界發生作用。傳感器可以實現能量的轉化，從而將加速度、熱等現實世界的信號轉換為系統可以處理的電信號。執行器則根據信號處理電路發出的指令自動完成人們所需要的操作。信號處理部分則可以進行信號轉化、放大和計算等處理。MEMS 陀螺儀是采用 MEMS 技術生產的陀螺儀。其核心是一顆微機械（MEMS）芯片，一顆專用控制電路（ASIC）芯片及應力隔離封裝。其工作原理為：MEMS芯片在 ASIC 芯片的驅動控制下感應外部待測信號并將其轉化為電容、電阻、電荷等信號變化，ASIC 芯片再將上述信號變化轉化成電學信號，最終通過封裝將

50、芯片保護起來并將信號輸出，從而實現外部信息獲取與交互的功能。圖圖 9、MEMS 陀螺儀陀螺儀 資料來源：芯動聯科招股說明書，興業證券經濟與金融研究院整理 MEMS 加速度計是采用 MEMS 技術生產的加速度計。MEMS 加速度計的核心是一顆 MEMS 芯片、一顆 ASIC 芯片及應力隔離封裝。其產品構造與前述陀螺儀基 本相同。MEMS 加速度計利用敏感結構將線加速度的變化轉換為電容（或其他物理量）的變化量，最終通過專用集成電路讀出電容值的變化，得到物體運動的加速度值。產品主要包含加速度計敏感結構和 ASIC 芯片，ASIC 芯片由電容/電壓變換電路。3.2、MEMS 慣性儀表慣性儀表材料及工藝

51、材料及工藝 MEMS 的材料與加工技術是 MEMS 技術的主要組成部分。MEMS 發源于微電子技術，其材料仍以硅為主，主要加工技術則借用了半導體工藝。不過，由于 MEMS的應用涉及多個領域，其材料與加工手段要比集成電路（IC）豐富得多。圖圖 10、MEMS 與半導體工藝與半導體工藝 資料來源：High G MEMS IMUs&Common Guidance，Nigel，興業證券經濟與金融研究院整理 一種 MEMS 器件，往往對應一種工藝，這說明了 MEMS 的天然屬性。MEMS 的微機械可動結構是 IC 不具備的，由于這種專用性和特殊性，導致 MEMS 最初的發展模式是非標準化的。為了降低成本

52、，MEMS 廠商可能會犧牲 MEMS 器件本身的一部分性能來尋求標準化工藝。因此，MEMS 廠商會依據不同器件的共同特點進行分類，朝著共用性強的幾個標準化方向發展。由于 MEMS 器件種類繁多，從某個局部或類別來講，MEMS 工藝是標準化的；但是從整體來講，MEMS 工藝是無法實現標準化。MEMS 加工工藝技術主要分為硅基微機械加工工藝硅基微機械加工工藝和非硅基微機械加工工藝非硅基微機械加工工藝兩種。硅基微機械加工工藝主要是以美國為代表的利用化學腐蝕技術或集成電路（IC）工藝對硅材料進行加工的方法，其加工手段有表面微機械加工表面微機械加工、體硅微機械加工體硅微機械加工、SOI 技術技術和復合微

53、機械加工技術復合微機械加工技術等。非硅基微機械加工技術主要有 LIGA 加工技加工技 術術（德文 Lithograpie 光刻，Galvanoformung 電鑄和 Abformung 塑鑄三個詞的縮寫）、激光微加工技術激光微加工技術和紫外線厚膠光刻工藝技術紫外線厚膠光刻工藝技術等。MEMS 硅基微加工技術可走向標準化 IC 工藝，可以實現微機械和電子系統的集成，而且適合于批量生產，已經成為 MEMS 系統的主體技術。CMOS 工藝已經在IC 制造中廣泛采用，用它來實現 MEMS 的量產，既不用更換設備，材料也是標準的，從而 MEMS 的制造可以獲得低成本和高產出率的優勢，同時，大批量的生產保

54、證了所有設備和工藝都能夠按照規定進行測試，晶圓在整個制造過程中可以受到連續監控，進而可以減少差異，提高良品率。使用標準技術生產出來的 MEMS器件也將很容易集成到其它系統中，在某種意義上講，MEMS 可以看成是 CMOS集成電路的擴展，MEMS 為整個系統提供了獲取信號的微傳感器和執行命令的微執行器。一般芯片只是利用了硅半導體的電氣特性，而 MEMS 則結合了芯片的電氣和機械可動結構兩種特性，在微小尺度上實現了與外界電、熱、光、聲、磁信號的相互作用。MEMS 硅基微加工技術既有傳統性，也有特殊性。比如：雖然 MEMS 硅基微加工技術采用了傳統的 IC 工藝，如光刻、刻蝕、鍵合等。但鑒于 MEM

55、S 器件結構的特殊性，MEMS 加工與傳統 IC 加工又有很大不同。如在光刻環節，MEMS 要采用雙面光刻機和大景深光刻，其中，雙面曝光的對準是 MEMS 光刻的關鍵步驟。也應看到，還有很多非硅、流體或磁 MEMS 產品，這些產品要形成標準化 IC 工藝還非常困難。以石英材料為例，相對于硅材料的微加工工藝來說，石英的微加工工藝還是處于早期的濕法腐蝕階段，加工方法單一、精度低。同時石英材料復雜的晶向結構也導致濕法腐蝕很難加工出復雜的傳感器整體結構，成品率難以控制導致成本較高。表表 8、MEMS 加工工藝技術和加工工藝技術和 IC 加工工藝技術的比較加工工藝技術的比較 名稱名稱 MEMS 加工工藝

56、 IC 加工工藝 光刻技術光刻技術 雙面光刻技術 單面光刻技術 腐蝕技腐蝕技術術 干法 深層、高深寬比腐蝕 薄膜腐蝕 濕法 各向異性腐蝕、自停止技術、深層體硅腐蝕 各向同性腐蝕、陽極腐蝕、電鈍化腐蝕、限于表面加工。犧牲層技術犧牲層技術 表面微加工工藝，與 IC 工藝兼容，用于制造表面活動結構。一般不用 鍵合技術鍵合技術 SI/SI 直接鍵合、SI/玻璃陽極鍵合。高溫鍵合制作 SOI 材料 LIGA 技術技術 制作高深寬比結構、成本高。無 資料來源：基于 SOI 技術的 MEMS 慣性加速度計的設計與優化，趙文靜，興業證券經濟與金融研究院整理 硅基微機械加工工藝硅基微機械加工工藝 表面微機械加工

57、技術（表面微機械加工技術（Surface Micro Machining）：是利用 IC 平面加工技術來加工微機械裝置，其最大優點是與 IC 加工工藝完全兼容，采用該技術制造的機械結構都是二維結構。表面微加工器件由犧牲層、微結構層和絕緣層這 3 個部分的器件構成。表面微加工技術需要在基底上面構造器件材料層，掩模的設計和生產比較復雜，且必須要腐蝕掉犧牲層，整個技術工藝耗時長、成本較高。表面微加工技術有很多優點，它不受硅晶片厚度的限制，薄膜材料的選擇范圍較大，能夠加工一些較復雜的結構形狀，還可用來構造大長寬比（即硅片平面內的長度遠大于寬度）的結構，也可采用多層結構層、固定層和犧牲層來構造壓力傳感器

58、、加速度計和微陀螺等微型器件。采用這種工藝比較著名成熟的是 ADI 公司的 ADXI 系列產品，廣泛用于汽車行業，并已形成產業化發展趨勢，成為全球最大的 MEMS慣性傳感器供應商。體硅微機械加工（體硅微機械加工（Bulk Silicon Micromachining）技術）技術：是將整塊材料（如單晶硅片）加工成微機械結構的工藝，其工藝尺度較大且比較粗糙，它是選擇性的去除硅襯底，并形成微機械元件的一種工藝。體硅微機械加工是一種有效且非常便利的微機械加工方式，可以方便形成各種微機械結構，特點是工藝簡單成熟；成本低、但材料損失大；受所用硅晶片厚度限制，適用于表面尺寸遠大于深度尺寸的結構。體硅腐蝕可以

59、按所用腐蝕劑的不同分為干法腐蝕和濕法腐蝕，也可以根據腐蝕劑對單晶硅各晶面腐蝕速率的不同分為各向同性腐蝕和各向異性腐蝕，大多數液體腐蝕劑的腐蝕速度可由摻雜劑和電化學偏壓進行調節控制，其中最為常用的是硅各向異性腐蝕。根據刻蝕途徑的不同，體硅微機械加工還分為硅的各向異性化學濕法腐蝕技術、熔解硅片技術、反應離子深刻蝕（Reaction Ion Etch，RIE）技術。斯坦福大學一直在研究開發深度反應離子刻蝕（DRIE）技術，這種技術將可能實現對硅材料的刻蝕深度達 200m，并可獲得接近理想狀態的垂直刻蝕、窄溝道及孔的刻蝕，還可以保持較高的精度。同時，這技術也促進了 MEMS 技術在生物醫學領域、航空航

60、天領域以及軍事領域的進一步應用。SOI 技術：技術：SOI 技術是集成電路進入亞微米級后突破體硅材料和硅集成電路限制而出現的新型集成電路工藝技術。SOI 指的是絕緣基底上的硅，其結構可以是絕緣基底 Si 層加頂層單晶 Si 層的雙層結構，也可以是以絕緣薄層為中間層的三明治結構。IBM 公司對于 45nm 的體硅器件和 SOI 器件進行性能比較結果說明：在相同漏電流的情況下，SOI 器件結構的整體性能相對于體硅器件結構性能提高了30%。Ireland 公司在這方面也進行了相關研究和試驗，最終結果表明，在相同性能下，SOI 器件結構的功耗可以降低 40%。同時，IBM 公司還在不變化最初設計和當前

61、工藝水平條件的情況下進行了 SOI 器件結構運作速度的研究，結果表明采用 SOI 技術的器件結構使采用同樣工藝的 CMOS 電路的速度提高了很多；基于SOI 技術的 CPU 芯片速度比采用體硅工藝的芯片提高了近 100MHz。隨著微型電 子產品的快速發展和應用，SOI 技術將成為 0.1m 左右低壓低功耗集成電路的主流技術，也被公認為是“21 世紀硅集成電路技術”的基礎。非硅基微機械加工工藝非硅基微機械加工工藝 LIGA：是德國 Karlsruhe 研究中心開發的利用 X 射線光刻技術，通過電鑄成型和注塑形成深層微結構的方法，利用 LIGA 技術可以加工各種金屬、塑料、陶瓷等材料，利用此方法制

62、作的結構形狀深寬比大、準確度高、垂直度高，并且易批量生產。近幾年，在保持微米級較小分辨率的前提下，通過把普通的近紫外線光刻技術擴展到厚抗腐蝕層（1580m）的光刻技術，然后通過電鑄技術加工制造出三維的金屬結構，這就是準 LIGA 加工工藝。目前，正在開發高能紫外線光源和深層紫外線光刻膠技術，以期進一步擴大其應用范圍。激光微加工技術激光微加工技術：是通過改變光束的強度和掃描幅度對基片表面的光刻膠進行曝光，然后進行顯影，最后采用刻蝕、沉淀、摻雜等工藝按光刻膠模型加工成微機械結構，它具有工藝簡單、成本低等優點，而紫外線厚膠光刻工藝技術作為高深寬比微機械結構制造的關鍵工藝，已成為微機械工藝技術研究的熱

63、點，目前應用較多的紫外光刻厚膠技術是 SU-8，它具有高的熱和化學穩定性，以及有良好的力學性能，并且在紫外光刻中，曝光量均勻，可以形成結構復雜、深寬比大的微型結構。3.3、MEMS 慣性儀表慣性儀表分類分類 MEMS 陀螺儀可以從振動結構、材料、加工方式、驅動方式等幾個方面進行分類；MEMS 加速度計可以從檢測方式、敏感軸數目、運動方式等幾個方面進行分類。圖圖 11、MEMS 陀螺儀分類陀螺儀分類 圖圖 12、MEMS 加速度計分類加速度計分類 資料來源：MEMS 慣性傳感器研究現狀與發展趨勢，李曉陽，興業證券經濟與金融研究院整理 資料來源：MEMS 慣性傳感器研究現狀與發展趨勢，李曉陽，興業

64、證券經濟與金融研究院整理 4、MEMS 慣性儀表慣性儀表的的軍事軍事應用應用 4.1、MEMS 慣性儀表慣性儀表軍事應用軍事應用優勢優勢 相比于傳統慣性儀表，MEMS 慣性儀表具有以下特點，這些特點使其適合應用于軍事領域：1)體積小、質量輕、功耗低：體積小、質量輕、功耗低：通過半導體加工工藝制作，因而整個芯片不僅體積微小而且重量非常輕，功耗微乎其微。2)成本低：成本低：多采用硅作為加工材料，在一片 3 英寸或 4 英寸的硅片可以制作成百上千個微慣性器件，當采用成熟的工藝大批量生產時，成品率很高，單個器件的成本微不足道。一般來說，能測量 6 個自由度的傳統慣性儀表需要 10萬元以上，而若采用 M

65、EMS 慣性儀表，成本可以降至數萬元。3)可靠性高：可靠性高：因為沒有高速旋轉的轉子，可視為固態裝置，所以工作壽命長、抗沖擊，甚至可以承受 100000g 以上的沖擊；隨著尺寸的減小，與尺寸 3 次方成正比的慣性力、體積力及電磁力等的作用將明顯減弱，容易獲得高靈敏度和快響應；隨著尺寸的減小，元器件材料內部缺陷出現的可能性減小，因而元器件材料的機械強度會增加；由于體積小、重量輕、成本低，特別適合于采用冗余配置方案，使可靠性得到進一步提高；高集成度可將慣性器件和電子線路集成在同一芯片上，減少了干擾。4)測量范圍大：測量范圍大：對于傳統的加速度計，由于其檢測質量較大，不宜測量高 g 的加速度，而 M

66、EMS 微加速度計檢測質量很小，可以用來進行高 g 的測量。對于傳統的轉子陀螺儀，由于其動量矩較大，測量范圍受到力矩器等諸多因素的制約，而 MEMS 陀螺儀可以很容易達到較大的測量范圍。下圖是美國精確彈藥中心專家 Nigel 于 2001 年對幾款已經量產或正在研制的激光陀螺、光纖陀螺、MEMS 陀螺的比較。由圖可見，MEMS 陀螺的體積、重量、功率、價格、可靠性指標均明顯好于激光陀螺與光纖陀螺。圖圖 13、軍用陀螺儀指標比較軍用陀螺儀指標比較 資料來源：High G MEMS IMUs&Common Guidance，Nigel，興業證券經濟與金融研究院整理 4.2、MEMS 慣性儀表慣性儀

67、表軍事領域可用范圍軍事領域可用范圍廣泛廣泛 影響 MEMS 慣性儀表在軍事領域可用范圍的主要因素之一是精度。下圖展示了不同零偏穩定性（精度指標之一）的陀螺儀（在沒有 GPS 輔助時）對制導彈藥命中指標的影響。由圖可見，1000/h、10/h、1/h 精度的陀螺儀可使制導彈藥在 6km射程時的 CEP（圓概率誤差）達到 200 米、40 米、10 米。圖圖 14、MEMS 陀螺儀精度對彈藥陀螺儀精度對彈藥 CEP 影響影響 資料來源：High G MEMS IMUs&Common Guidance，Nigel，興業證券經濟與金融研究院整理 2011 年美國 MIT 學者 George T 對當時

68、陀螺儀的可用范圍進行了分析。分析從零偏穩定性和標度因數穩定性兩個精度指標入手，根據武器裝備的需求以及當時各類陀螺儀可達到的指標值，劃定能夠應用于特定武器裝備的陀螺儀類型。圖中顯示，按 2011 年的指標狀態，MEMS 陀螺儀可以應用于靈巧彈藥、機器人、戰術導彈、魚雷等。據靈巧彈藥發展概述，靈巧彈藥指在外彈道某段上能自身搜索、識別目標，或者自身搜索、識別目標后還能跟蹤目標，直至命中和毀傷目標的彈藥，包含彈道修正彈、制導炸彈、制導火箭彈、制導炮彈、末敏彈、廣域值守彈藥和巡飛彈等。圖圖 15、2011 年各類陀螺儀可用范圍分析年各類陀螺儀可用范圍分析 資料來源：INS/GPS Technology

69、Trends，George T，興業證券經濟與金融研究院整理 2011 年美國 MIT 學者 George T 對當時加速度計的可用范圍進行了分析。分析同樣從零偏穩定性和標度因數穩定性兩個精度指標入手，根據武器裝備的需求以及當時各類加速度計可達到的指標值，劃定能夠應用于特定武器裝備的加速度計類型。圖中顯示，按 2011 年的指標狀態，MEMS 加速度計不僅可以應用于戰術導彈，更是可以應用于巡航彈、潛艇等長航時武器。圖圖 16、2011 年各類加速度計可用范圍分析年各類加速度計可用范圍分析 資料來源：INS/GPS Technology Trends，George T，興業證券經濟與金融研究院整

70、理 特別地，美國 Draper 實驗室還專門針對 MEMS 慣性儀表適配于導彈的情況進行了分析。分析從零偏穩定性這一精度指標入手，根據各類導彈的指標要求以及當時 MEMS 慣性儀表可達到的指標值，判定 MEMS 慣性儀表是否能夠滿足于特定類型導彈的需要。圖中顯示，按 2011 年的指標狀態，MEMS 加速度計可以滿足絕大部分導彈的使用需要，而 MEMS 陀螺儀僅能滿足空空、地空和部分空地導彈的需要，尚不能滿足地地以及遠程導彈的需要。表表 9、MEMS 慣性儀表適配于導彈的情況分析慣性儀表適配于導彈的情況分析 藍色表示 MEMS 慣性儀表可以滿足 導彈類型導彈類型 陀螺儀（陀螺儀（/(hr)）加

71、速度計加速度計(g）空對空空對空 10-100 500-1000 地對空地對空 10-100 500-1000 空對地空對地 0.1-10 50-500 中程制導中程制導 0.01-1.0 20-200 地對地地對地 0.001-0.1 5-100 長距離長距離 0.001-0.01 5-50 資料來源：Inertial MEMS Systems and Applications，N.Barbour，興業證券經濟與金融研究院整理 4.3、MEMS 慣性儀表軍事慣性儀表軍事應用應用現狀現狀 MEMS 慣性儀表在軍事領域已有較為成熟的應用。下圖是美國 Draper 實驗室 2011年給出的當時各類

72、慣性儀表的成熟度。圖中顯示，2011 年戰術級 MEMS 陀螺儀和加速度計都已進入批量生產階段，導航級 MEMS 陀螺儀處于工程模型階段，戰略級和導航級 MEMS 加速度計處于工程模型與原理樣機之間。圖圖 17、陀螺與加速度計技術成熟度、陀螺與加速度計技術成熟度 資料來源：Inertial Navigation Sensors，N.Barbour，興業證券經濟與金融研究院整理 歷經多年發展，軍事領域出現了幾款有代表性的 MEMS 慣性儀表產品。其中有MEMS 加速度計與光纖陀螺儀組合而成的 IMU，也有 MEMS 加速度計和 MEMS陀螺儀組合而成的 IMU。據Inertial MEMS Sy

73、stems and Applications，一些制造商可以提供具有戰術級性能的全 MEMS IMU（陀螺儀和加速度計均選用 MEMS產品），全 MEMS IMU 目前（2011 年）局限于戰術級別應用的主因在于陀螺而非加速度計。從典型 MEMS 慣性儀表的應用來看，MEMS 加速度計的應用范圍更廣。下文具體介紹 Litton SiACTM硅微加速度計、RBA 500 石英振梁加速度計、SiIMU、HG1930 IMU 的應用情況。SiACTM硅微硅微加速度計加速度計 SiACTM硅微加速度計是一種單質量塊三軸加速度計，是中高精度 MEMS 加速度計的典型代表，SiAcTM硅微加速度計的性能已

74、能滿足在 GPS 拒止條件下獨立導航18 分鐘的戰術級武器需要。SiACTM與光纖陀螺儀共同組成 LN-200 IMU。諾斯羅普 格魯曼公司自 1994 年至今已經向 100 多家客戶交付了超過 20000 套LN-200 IMU。LN-200 是一種體型小、重量輕、可靠性高的慣導，現已在多種衛星（如“克萊門汀”月球探測器）、“火星漫游者”火星車、AGM-142 空地導彈、BQM-74E 亞聲速靶機、“蘭天”機載吊艙式光電系統、“全球鷹”無人機、“捕食者”無人機、“先進中距空空導彈”、MK-48 魚雷、Sting Ray 魚雷、CH-46 直升機、RAH-66 直升機、MB339 教練機、雷達

75、（運動補償系統）等平臺上得到應用，并在遠程制導火箭彈先進技術演示項目（GMLRS ATD）中得以應用。上述平臺簡介如下?！翱巳R門汀克萊門汀”月球探測器：月球探測器：克萊門汀號（Clementine，正式名稱是 Deep Space Program Science Experiment，意為外太空計劃科學實驗）是由美國彈道導彈防御組織和 NASA 共同執行的月球任務。該探測器發射于 1994 年 1 月 25 日。該任務的目的是要測試長時間暴露在太空環境下科學儀器的感應器和衛星組件的狀態，并且進行月球和近地小行星 1620 的探測任務。小行星任務部分因為儀器損壞而未執行。圖圖 18、“克萊門汀號

76、克萊門汀號”探月器探月器 資料來源：維基百科，興業證券經濟與金融研究院整理 “火星漫游者火星漫游者”火星車火星車：火星漫游者是美國國家航空航天局的 2003 年火星探測計劃。這項計劃的主要目的是將勇氣號（Spirit，MER-A）和機遇號（Opportunity，MER-B）兩輛火星車送往火星，對火星進行實地考察。圖圖 19、“火星漫游者火星漫游者”火星車火星車 資料來源：諾斯羅普 格魯曼公司官網，興業證券經濟與金融研究院整理 AGM-142 空地導彈：空地導彈：“大力水手”是以色列研制和使用的空對地導彈系列，其中有多個型號是為以色列和出口用戶研制的。據推測，“大力水手”的一種遠程潛射巡航導彈

77、變型已被用于以色列的核潛艇部隊。美國在使用中，“大力水手”導彈被命名為 AGM-142，主要裝備于 B-52H 轟炸機，使其能夠在足夠的射程內攻擊高價值的固定目標，并提供防御保護。圖圖 20、AGM-142 空地導彈空地導彈 資料來源：維基百科，興業證券經濟與金融研究院整理 表表 10、AGM-142 空地導彈空地導彈 服役時間服役時間 生產商生產商 作用距離作用距離 重量重量 長度長度 直徑直徑 翼展翼展 1985 年至今 拉斐爾公司 78km 1360kg 4.82m 533mm 198cm 資料來源：維基百科，興業證券經濟與金融研究院整理 先進中距空空導彈：先進中距空空導彈：AIM-12

78、0 先進中距空對空導彈（AMRAAM）是美國的一種超視距空對空導彈，能夠全天候晝夜作戰。截至 2008 年，AMRAAM 已為美國空軍、美國海軍和 33 個國際客戶生產了 14,000 多枚。AMRAAM 已在數次交戰中使用，在伊拉克、波斯尼亞、科索沃、印度和敘利亞上空的沖突中取得了 16 次空對空擊殺的戰績。圖圖 21、AIM-120 先進中距空對空導彈（先進中距空對空導彈（AMRAAM）資料來源：維基百科，興業證券經濟與金融研究院整理 表表 11、AIM-120 先進中距空對空導彈（先進中距空對空導彈（AMRAAM）服役時間服役時間 生產商生產商 價格價格 最大速度最大速度 作用距離作用距

79、離 重量重量 長度長度 直徑直徑 翼展翼展 1991 年至今年至今 雷神公司 109 萬美元 4 馬赫 105km160km 161.5kg 3.65m 178mm 484mm 資料來源：維基百科，興業證券經濟與金融研究院整理 BQM-74E 亞聲速靶機：亞聲速靶機：BQM-74 是諾斯羅普 格魯曼公司生產的一系列靶機，包括 MQM-74A、MQM-74C 和 BQM-74E 等型。它們是可回收、遙控的亞聲速空中目標，速度可達 0.86 馬赫，高度為 30 至 40,000 英尺（10 至 12,000 米）。截至2006 年，該系列靶機已交付超過 8500 架，每年平均執行 250 次飛行任

80、務。圖圖 22、BQM-74 亞聲速靶機亞聲速靶機 資料來源：維基百科，興業證券經濟與金融研究院整理 “捕食者捕食者”無人機：無人機：MQ-1 捕食者（Predator）被美國空軍描述為“中海拔、長時程”（MALE，Medium-Altitude，Long-Endurance unmanned aircraft system）無人機系統，由通用原子公司研制，單價約 403 萬美元（2010 年），已交付約 360 架?！安妒痴摺睙o人機可以扮演偵察角色，可發射兩枚 AGM-114 地獄火飛彈。從 1995 年服役以來，該型飛機參加過阿富汗、巴基斯坦、波斯尼亞、塞爾維亞、伊拉克、也門和利比亞的戰斗

81、。圖圖 23、“捕食者捕食者”無人機無人機 資料來源：維基百科，興業證券經濟與金融研究院整理 “全球鷹全球鷹”無人機：無人機：RQ-4 全球鷹（英語：Global Hawk）是由諾斯羅普 格魯曼公司生產的無人機，主要服役于美國空軍與美國海軍。它可以提供后方指揮官綜觀戰場或是細部目標監視的能力。白天監視區域超過 100,000 平方公里。1999 年首飛，單價約為 5100 萬美元（2002 年）。圖圖 24、“全球鷹全球鷹”無人機無人機 資料來源：維基百科，興業證券經濟與金融研究院整理 “蘭天蘭天”機載吊艙式光電系統：機載吊艙式光電系統：夜間低空導航暨紅外線瞄準吊艙（英語：Low Altitu

82、de Navigation and Targeting Infrared for Night）或蘭天（LANTIRN），由馬丁 馬瑞塔公司開發，為一組結合了導航和紅外線瞄準吊艙的系統，配備 LANTIRN 吊艙的戰機可以在夜間及任何氣候下皆可執行飛行作戰。第一批 LANTIRN 吊艙在 1987年 3 月 31 日撥交美國空軍，1989 年 9 月達成初期作戰能力標準，首次作戰為 1991年的波斯灣戰爭。LANTIRN 在 F-15E 攻擊鷹式戰斗轟炸機、F-16 戰隼戰斗機（第40/42 批次 C/D 型）和 F-14 雄貓式戰斗機等機型中使用。圖圖 25、“蘭天蘭天”機載吊艙式光電系統機載

83、吊艙式光電系統 資料來源：維基百科，興業證券經濟與金融研究院整理 MK-48 魚雷魚雷：Mk-48 型魚雷（Mark 48 torpedo）是美國海軍潛艦的主力重型魚雷，能夠對付水面與水下的各類目標，也是美國官方公開描述，可以達到蘇聯阿爾發級潛艇的潛深（800 米）并且予以追蹤攻擊的魚雷。除了美國海軍以外，也同時外銷到其他國家海軍。Mk-48 有兩種主要型號，第一種是原始型，包含衍生的修改升級型 Mod 0 到 Mod 4，第二種是先進能力型（ADCAP），包含 Mod 5 以后的各型 Mk 48 型魚雷。圖圖 26、MK-48 魚雷魚雷 資料來源：維基百科，興業證券經濟與金融研究院整理 表表

84、 12、MK-48 魚雷魚雷 服役時間服役時間 生產商生產商 價格價格 最大速度最大速度 作用距離作用距離 重量重量 Mod 1：1972年至今 ADCAP：1988 年至今 Mod 1：Gould/霍尼韋爾 ADCAP：休斯飛機公司 89 萬美元(1978 年)350 萬美元(1988 年)28 節 55 節下 38 千米 40 節下 50 千米 3,434 磅(早期)3,695 磅(ADCAP)資料來源：維基百科，興業證券經濟與金融研究院整理 Sting Ray 魚雷魚雷：出于不依賴美國魚雷采購的愿望，英國于 1964 年啟動了一項魚雷研發計劃。該魚雷最初被命名為“海軍和空軍參謀部需求（N

85、ASR）7511”，后來在 20 世紀 70 年代末被命名為“Sting Ray”魚雷。Sting Ray 魚雷由 GEC-Marconi 公司制造（后被 BAE系統公司收購），于 1983 年開始服役。圖圖 27、Sting Ray 魚雷魚雷 資料來源：維基百科，興業證券經濟與金融研究院整理 表表 13、Sting Ray 魚雷魚雷 服役時間服役時間 生產商生產商 最大速度最大速度 作用距離作用距離 重量重量 1983 年至今 GEC Marconi 公司（后被BAE 系統公司收購）45 節 811 千米 589 磅 資料來源：維基百科，興業證券經濟與金融研究院整理 CH-46 直升機：直升

86、機：CH-46“海騎士”是波音公司生產的一種縱列雙旋翼運輸直升機，價格 600 萬美元（1987 年），已累計交付 524 架，服役年份為 1964-2004 年。它由美國海軍陸戰隊（USMC）使用，且提供全天候、白天和晚上突擊運輸作戰部隊，額外的任務包括戰斗支援，搜索與營救（SAR）等。加拿大也使用海騎士，命名為 CH-113，其他出口客戶包括日本、瑞典和沙特阿拉伯。圖圖 28、CH-46 直升機直升機 資料來源：wikiwand，興業證券經濟與金融研究院整理 RAH-66 直升機：直升機：RAH-66 科曼奇（英語：Comanche）是一款由波音與塞考斯基為美國陸軍合作開發，但在 2004

87、 年 2 月開發接近完成、即將投產的時點因計劃終止而未能實際量產的先進軍用直升機。RAH-66 是一款具有低可偵測性（匿蹤）科技的設計，預定做為武裝偵察任務用。如果加入美軍服役，它將會是美軍直升機之中首架設計專為全天候武裝偵查任務與低可偵測性直升機。該直升機 1995 年的價格約為 1300 萬美元。圖圖 29、RAH-66 直升機直升機 資料來源：維基百科，興業證券經濟與金融研究院整理 MB-339 教練機：教練機：MB-339 是意大利于第二次世界大戰后自行研發的噴射教練機，1976 年 8 月首次試飛成功并于 1978 年開始交付意大利空軍，已累計交付 213 架。圖圖 30、MB-33

88、9 教練機：教練機：資料來源：維基百科，興業證券經濟與金融研究院整理 遠程制導火箭彈遠程制導火箭彈系統系統先進技術先進技術演示項目演示項目（Guided Multiple Launch Rocket System Advanced Technology Demonstration，GMLRS ATD）：參考下文 RBA 500 石英振石英振梁加速度計小節梁加速度計小節。RBA 500 石英振梁石英振梁加速度計加速度計 SundStrand 公司（后被 Allied Signal 公司收購，Allied Signal 公司后被 Honeywell公司收購）研制的 RBA500 加速度計是一種石英

89、振梁式的 MEMS 加速度計。石英晶體作為天然的諧振器加工材料，具有硅材料所不具備的個優勢：固有的壓電特性和良好的諧振器材料特性，前者使諧振式加速度計易于激勵振動，后者保證傳感器具有高的品質因數、低噪音和高精度。但是，相對于硅材料的微加工工藝來說，石英的微加工工藝還是處于早期的濕法腐蝕階段，加工方法單一、精度低。同時石英材料復雜的晶向結構也導致濕法腐蝕很難加工出復雜的傳感器整 體結構，成品率難以控制導致成本較高。RBA500 石英振梁加速度計與激光陀螺共同組成 HG1700 IMU，HG1700 作為一種低成本激光慣導，可應用于戰術導彈、智能彈藥、防區外武器和無人飛行器上，目前已累計生產 20

90、 萬套，美國聯合直接攻擊彈藥（JDAM）（早期采用，現階段使用全 MEMS 慣導，具體情況參見下文 HG1930 IMU 小節）、小直徑制導炸彈（SDB）和 GMLRS 火箭彈均采用該慣性測量組件。RBA500 石英振梁加速度計與 MEMS 陀螺共同組成 HG1900 IMU，HG1900 作為HG1700 的低成本改進方案，可滿足戰術導彈、智能彈藥的應用需求，可作為HG1700 的替代產品，主要應用于激光制導武器，典型代表為寶石路炸彈（Paveway）。小直徑制導炸彈（小直徑制導炸彈（Small Diameter Bomb，SDB）：GBU-39/B 小直徑炸彈（SDB）是一種重 250 磅

91、（110 千克）的精確制導滑翔炸彈，旨在為飛機提供攜帶更多數量、更精確炸彈的能力。美國空軍的大多數飛機都能攜帶一包四枚 SDB。地面發射小直徑炸彈（GLSDB）后來被開發出來，使 SDB 能夠從各種地面發射器和配置中發射。圖圖 31、小直徑制導炸彈、小直徑制導炸彈（Small Diameter Bomb，SDB）資料來源：維基百科，興業證券經濟與金融研究院整理 表表 14、小直徑制導炸彈（、小直徑制導炸彈（Small Diameter Bomb，SDB）服役時間服役時間 生產商生產商 制造數量制造數量 價格價格 作用距離作用距離 重量重量 精度精度 2006 年至今 波音公司 超過 17000

92、 枚 約 4 萬美元 150km 129kg 1m CEP 資料來源：維基百科，興業證券經濟與金融研究院整理 GMLRS 火箭彈：火箭彈：多管火箭炮系統（Multiple Launch Rocket System，MLRS）包含M270 和 M142（海馬斯）兩種火箭炮，可發射 MLRS 系列火箭彈（MFOM）和MGM-140 ATACMS 制導導彈。MLRS 系列火箭彈早期為 M26、M27、M28、M29等非制導型。1994 年，美國陸軍啟動了 GMLRS ATD 項目，以開發 M26 的制導衍生型火箭彈。GMLRS ATD 項目旨在給非制導的 M26 火箭彈研制一款低成本的 制導系統（目

93、標成本為 12000 美元），制導系統由慣導和 GPS 組合而成。該項目在 1993 年組織實驗，慣導系統分別使用霍尼韋爾公司 HG1700 型 IMU 和諾斯羅普 格魯曼公司 LN-200 型 IMU 進行測試，測試中測試中 HG1700 達到精度要求而達到精度要求而 LN-200 沒有達到精度要求。沒有達到精度要求。該項目已于 1999 年順利結束并轉入工程研制階段，制導化改造后的 M26 被命名為 M30。此后美國又進一步研制出 M31 型制導火箭彈。M30/31 制導火箭彈最大射程可達 70 公里，是早期型 M26 無制導火箭彈的兩倍以上，其圓概率誤差也僅為數米，很接近半主動激光制導的

94、打擊精度。更重要的是，M30/31 型制導火箭彈的造價也只有 10 萬美元，比“陶”式反坦克導彈還要便宜，性價比非常高。該火箭彈一進入部隊服役，美國陸軍便開始在苦戰連連的阿富汗以及伊拉克戰場上大量使用。鑒于阿富汗和伊拉克戰場優異表現，因此，從服役至今美國陸軍為現役 M270 火箭炮和 M142 火箭炮采購的基本上都是 M30/31 型火箭彈，而不再采購 M26 系列無制導火箭彈。據2023 年國防預算概覽，美國2022 年采購 6374 發 GMLRS 火箭彈，2023 年采購 4718 發 GMLRS 火箭彈。寶石路寶石路（Paveway）：寶石路 IV 是英國雷神公司生產的一種 GPS/I

95、NS 和激光制導雙模式炸彈。該武器將制導組件添加到改進型 Mk 82 通用炸彈上，并提高了穿透性能。它既可以只使用慣性測量單元（IMU）發射，也可以使用全球定位系統制導發射。圖圖 32、寶石路寶石路（Paveway）資料來源：維基百科，興業證券經濟與金融研究院整理 SiIMU 英國宇航系統公司的 SiIMU 包含 3 個硅微振動陀螺（SiSVG）和 3 個硅加速度計，已成功應用于英國垂直發射海狼導彈系統（Block2 項目）、美國海軍 ERGM（Extended Range Guided Munition，增程制導彈藥）和“旋轉彈體導彈”（RAM）等制導武器中。這些制導武器的簡要情況如下。垂直

96、發射垂直發射“海狼海狼”導彈系統導彈系統：“海狼”是一種海軍地對空導彈系統，由英國宇航公司（BAC）設計和制造，后改為英國宇航（BAE）動力公司，現為 MBDA 公司。它是一種自動點防御武器系統，用于防御掠海和高角度反艦導彈和飛機。英國皇家海軍裝備了兩種型號，即 GWS-25 常規發射海狼（CLSW）和 GWS-26 垂直發射 海狼（VLSW）。在英國皇家海軍服役的“海狼”正在被“海王”取代。圖圖 33、垂直發射垂直發射“海狼海狼”導彈系統導彈系統 資料來源：維基百科，興業證券經濟與金融研究院整理 表表 15、“海狼海狼”導彈系統導彈系統 服役時間服役時間 生產商生產商 最大速度最大速度 重量

97、重量 長度長度 直徑直徑 翼展翼展 1979 年開始服役 MBDA 公司 3 馬赫 82kg 1.9m 180mm 450mm 資料來源：維基百科，興業證券經濟與金融研究院整理 ERGM（Extended Range Guided Munition，增程制導彈藥）：，增程制導彈藥）：ERGM 是雷神公司為美國海軍研制的一種精確制導火箭助推的 127 毫米炮彈。該項目經過 12 年的開發，耗資 6 億多美元，于 2008 年 3 月被取消。研發階段，該彈也被命名為 EX-171。ERGM 由 127 毫米 62 口徑 Mark 45 Mod 4 火炮發射，原擬裝備于伯克級驅逐艦 DDG-81 等

98、?？煽啃圆蛔闶?ERGM 取消的因素之一，盡管 ERGM 的研發時間很長，但其工作可靠性卻始終比不上老式但價格卻低得多的激光制導炮彈 M712，2008 年 2 月，制導組件、火箭發動機和尾翼在測試中全部失效。成本上升是 ERGM 取消的另一個因素。炮彈的單位成本從 1997 年的 45000 美元增加到 2006 年的 191000 美元（M712 的單位生產價格約為 30000 美元），預計購買量從 8500 枚減少到約 3150枚。2008 年 3 月 19 日，海軍正式取消了 ERGM 項目。圖圖 34、ERGM 資料來源：維基百科，興業證券經濟與金融研究院整理 表表 16、ERGM

99、生產商生產商 價格價格 射程射程 精度精度 重量重量 長度長度 直徑直徑 雷神公司 約 19 萬美元（2006 年）110km 20m CEP 50kg 1.55m 127mm 資料來源：維基百科，興業證券經濟與金融研究院整理 旋轉彈體導彈旋轉彈體導彈（RAM）：）：RIM-116 旋轉彈體導彈（RAM）是一種小型、輕質、紅外尋的地對空導彈，德國、日本、希臘、土耳其、韓國、沙特阿拉伯、埃及、墨西哥、阿聯酋和美國海軍都在使用。它最初主要是作為一種點防御武器來對付反艦導彈。旋轉彈體導彈（RAM）與 Mk 49 導彈發射系統（GMLS）和輔助設備一起構成了 RAM Mk 31 導彈武器系統（GMWS

100、）。美國海軍計劃總共購買約 1600 枚 RAM 和 115 個發射系統，裝備 74 艘艦艇。該導彈目前在杰拉爾德-福特級航空母艦、尼米茲級航空母艦、黃蜂級兩棲攻擊艦、美國級兩棲攻擊艦、圣安東尼奧級兩棲運輸船塢艦、惠德貝島級船塢登陸艦、哈珀斯費里級船塢登陸艦和瀕海戰斗艦（LCS）上使用。圖圖 35、旋轉彈體導彈（旋轉彈體導彈（RAM）資料來源：維基百科，興業證券經濟與金融研究院整理 表表 17、旋轉彈體導彈旋轉彈體導彈 RAM 服役時間服役時間 生產商生產商 價格價格 射程射程 命中率命中率 重量重量 長度長度 1992 年至今 雷神公司和迪爾防務公司 約 90 萬美元 10km 95%73.

101、5kg 2.79m 資料來源：維基百科，興業證券經濟與金融研究院整理 HG1930 IMU 霍尼韋爾公司的 HG1930 是目前世界范圍內最為先進、裝備應用最為廣泛的MEMS IMU，其傳感器均采用霍尼韋爾設計制造的硅基 MEMS 陀螺和 MEMS 加速度計。該款產品是霍尼韋爾公司基于 Draper 實驗室的研究基礎，經過 2004-2014年約 10 年的持續研發改進，于 2009 年左右基本定型，至 2013 年已十分成熟，并已批量應用于實戰裝備中。HG1930 的主要應用市場是無人機、制導炮彈、戰術導彈、靈巧彈藥和平臺穩定控制，其已知的應用載體包括聯合直接攻擊彈藥（JDAM）、雷神亞瑟王

102、神劍制導炮彈等。這些平臺的簡要情況如下。聯合直接攻擊彈藥聯合直接攻擊彈藥（JDAM）：）：聯合直接攻擊彈藥（JDAM）是一種制導組件，可將無制導炸彈轉化為全天候精確制導彈藥，射程可達 15 海里（28 公里）。該系統的關鍵部件是一個帶有空氣動力控制面的尾翼、一個（機身）彈帶套件以及一個慣性制導系統和全球定位系統制導控制單元的組合。當 JDAM 安裝在無制導炸彈上時，炸彈名稱變為 GBU（Guided Bomb Unit，制導炸彈單元）-XX，如安裝了JDAM 的 Mark 84 炸彈被稱為 GBU-31。JDAM 由美國空軍和美國海軍聯合開發，因此在 JDAM 中使用了“聯合”一詞。從 199

103、8 年到 2016 年 11 月，波音公司完成了 30 多萬套 JDAM 制導組件。截至 2024 年 1 月，共生產了 55 萬套。與巡航導彈等相比，JDAM 炸彈價格低廉。JDAM 套件的最初成本估計為每套40,000 美元，但經過競標后，以每套 18,000 美元的價格交付。JDAM 套件的成本加 Mk80 系列鐵質炸彈、引信等的成本之和約 30,000 美元。相比之下，被稱為“戰術戰斧”的最新型“戰斧”巡航導彈的成本接近 730,000 美元（2006 財年）。圖圖 36、JDAM 資料來源：維基百科，興業證券經濟與金融研究院整理 表表 18、JDAM 基本情況基本情況 服役時間服役時

104、間 生產商生產商 價格價格 發射平臺發射平臺 1999 年至今 波音公司 2.13.6 萬美元（整彈價格）F-15E，F-16，F/A-18，F/A-18E/F，AV-8B，A-10，B-1B，B-52H，F-22，B-2A，F-35，MQ-9，MiG-29，Su-27，狂風，鷹獅 資料來源：維基百科，興業證券經濟與金融研究院整理 表表 19、JDAM 各型號情況各型號情況 GBU-38 GBU-54 JDAM-ER GBU-32 GBU-55 GBU-31 GBU-56 彈頭彈頭 Mark82 Mark83 Mark84&BLU-109 發射重量發射重量 253.6kg 260.8268kg

105、 226kg 460.5kg 475kg 925.4961.4kg 961.6968.4kg 彈長彈長 2.352m 2.38m/3.035m 3.05m 3.8793.774m 3.85m 翼展翼展 356mm 431.8mm/498mm 635mm 642.6mm 最大距離最大距離 24km 72.5km 24km 精度精度 GPS:5m 慣性導航:30m 資料來源：維基百科，興業證券經濟與金融研究院整理 雷神亞瑟王神劍制導炮彈：雷神亞瑟王神劍制導炮彈：M982“神劍”（前身為 XM982）是美國陸軍研究實驗室（ARL）和美國陸軍軍備研究、開發和工程中心（ARDEC）合作開發的一種 155

106、毫米增程制導炮彈。它是一種全球定位系統和慣性制導彈藥，可用于距離友軍 75-150 米范圍內的近距離支援，或用于目標距離平民太近而無法使用常規非制導炮火攻擊的情況。2015 年，美國計劃采購 7474 發，2015 財年項目總成本為 19.34 億美元，平均每發成本為 258,777 美元。到 2016 年，每發成本降至 68,000 美元。截至 2018 年 10 月，已在戰斗中發射了 1400 多發該型炮彈。圖圖 37、雷神亞瑟王神劍制導炮彈雷神亞瑟王神劍制導炮彈 資料來源：維基百科，興業證券經濟與金融研究院整理 表表 20、雷神亞瑟王神劍制導炮彈、雷神亞瑟王神劍制導炮彈 服役時間服役時間

107、 生產商生產商 價格價格 射程射程 精度精度 重量重量 長度長度 2012 年至今 BAE 公司和雷神公司 約 11.28 萬美元 70km（最新測試距離）4m CEP 48kg 100cm 資料來源：維基百科，興業證券經濟與金融研究院整理 4.4、MEMS 慣性儀表慣性儀表軍事應用軍事應用前景前景 下圖是美國 Draper 實驗室在 2011 年預測的未來各類慣性傳感技術的應用領域，按其預測，低精度戰術武器市場將由 MEMS 慣性儀表占領。美國精確彈藥中心專家 Nigel 提出要研制通用型的 MEMS IMU（即 4.6 小節中“通用制導慣性測量裝置”（CGIMU）項目），以滿足美軍 90%

108、制導武器的需要，如該計劃實現，可為美軍節省 16.8 億美金（2006-2023 年）。具體來講，MEMS 慣導在常規武器制導化、戰術武器領域推廣應用以及拓展微小衛星應用潛力較大。圖圖 38、Draper 實驗室對實驗室對 MEMS 慣導軍用預測慣導軍用預測 圖圖 39、Nigel 提出的通用型提出的通用型 MEMS IMU 方案方案 資料來源：Inertial Navigation Sensors，Barbour，興業證券經濟與金融研究院整理 資料來源：High G MEMS IMUs&Common Guidance，Nigel，興業證券經濟與金融研究院整理 常規武器制導化常規武器制導化 傳

109、統彈藥如迫擊炮彈、榴彈、火箭彈、航空炸彈等以其制造簡單、使用方便、價格低廉、火力迅猛、密集壓制等特點在戰爭的歷史上發揮了巨大作用，但其存在著發射或投射彈藥后再也無法干預和矯正彈藥的行為和狀態的不足，在諸多因素影響下，傳統彈藥的散布大，精度差，效能低。近年來的戰爭都充分表明，精確制導武器在現代戰爭中的武器中占主導地位，實施精確打擊已成為現代戰爭的主要作戰方式，在戰爭中的使用數量和比例的迅猛增加。然而高精度的制導武器如導彈雖然命中精度高，但造價昂貴，生產和維護技術復雜，部隊裝備數量有限。綜上所述，鑒于傳統彈藥和精確打擊武器各自的不足，迫切需要一種低成本制導彈藥填補低精度、低成本無控彈藥和高精度、高

110、成本精確制導導彈之間的空白，實現常規武器的低成本制導化。常規武器制導化對陀螺和加速度傳感器提出了以下要求：1）精度要達到戰術級；2）必須具有抗惡劣環境的能力（發射時的高 g 值等）；3）成本必須低廉且適應批生產的要求。圖圖 40、彈藥環境彈藥環境 資料來源：淺析 MEMS 慣性技術在制導彈藥中的應用，李清洲，興業證券經濟與金融研究院整理 傳統慣導系統具有體積大、成本高、不宜大量生產等缺點，難以滿足當前需要，而 MEMS 慣導具有耐沖擊、體積小、低成本、低功耗、高可靠性等突出的優點。采用 MEMS 慣性儀表，是常規武器制導化改造的必然選擇。MEMS 慣導在常規武器制導化領域的案例包括：1）制導炸

111、彈方面，有美國的 JDAM制導炸彈等；2）制導炮彈方面，有美國的“神劍”XM982 精確制導增程炮彈等。3）制導火箭彈方面，有以色列的 Accular 制導火箭彈等。JDAM 與 XM982 的情況已在 2.3 節陳述，Accular 制導火箭彈簡要情況如下。Accular 制導火箭彈制導火箭彈：Accular 是以色列軍事工業公司（IMI）開發和制造的火炮火箭彈系列，供以色列國防軍和國際客戶使用。它有 2 種不同的口徑，最大射程為40 千米，配備 2035 千克單兵穿甲彈頭或受控破片殺傷彈頭，CEP 精度為 10 米。圖圖 41、Accular 制導火箭彈制導火箭彈 資料來源：維基百科，興業

112、證券經濟與金融研究院整理 在在戰術武器戰術武器領域領域推廣應用推廣應用 戰術武器范圍廣、空間大。與激光陀螺、光纖陀螺等比，MEMS 慣性儀表在體積、重量、功耗與成本等方面有優勢，但現有精度仍有差距。為揚長避短，可將 MEMS慣性儀表與 GPS 技術相結合構成組合導航系統進行制導控制，即利用 GPS 連續提供的高精度位置信息和速度信息，估計并校正慣導系統的誤差參數，實現空中傳遞對準和標定，來彌補慣導的誤差；同時，利用慣導系統的短期高精度來彌補GPS 接收機在受干擾時誤差增大或遮擋時丟失信號等缺點，并借助慣導系統的姿態信息和角速度信息，提高 GPS 接收機天線的定向操縱性能，使之快速捕獲或重新捕獲

113、 GPS 衛星信號，從而使得整個組合制導系統達到最優化。拓展拓展微小衛星微小衛星應用應用 微小衛星具有成本較低、發射靈活、適宜冗余組網等優點，衛星互聯網的興起大大促進了微小衛星的快速發展。MEMS 慣導系統以其小型化、高集成、低成本的優勢，逐步適用于體積和重量受限的微小衛星等系統。小型衛星是指能用小型運載火箭發射的常規設計的航天器，其重量范圍約為 10-500kg。微型衛星在所有系統和分系統中全部體現微型制造技術成果，并能執行衛星應有的功能，重量約為 0.1-10kg。納米衛星是依靠一種分布式的體系結構完成自身功能，并將尺度減至最小可能的微型衛星，重量范圍約小于 0.1kg。隨著衛星尺寸重量向

114、小型化發展，現有的衛星用慣性姿態敏感與控制裝置已不能滿足要求，必須由尺寸更小，重量更輕的微型慣性器件來代替。而納米衛星更是在硅基片上堆砌各種專用集成微型儀器的芯片衛星，集成了制導、導航、控制、姿態控制、熱控制、能源和通訊等功能，要求慣性器件的集成度更高、性能更好。4.5、MEMS 慣性儀表慣性儀表軍事應用軍事應用發展發展趨勢趨勢 MEMS 慣導在軍事領域的應用是一個系統工程問題，目前仍面臨至少下述三個需要重點提高的方面。全溫性能指標全溫性能指標 MEMS 慣導敏感結構多是采用硅基材料加工而成的，硅基材料的溫度特性直接影響硅諧振器的諧振特性，進而影響其諧振頻率、幅值以及相位，最終影響 MEMS慣

115、導的全溫零偏和標度因數的性能指標。目前，提高 MEMS 慣導溫度性能指標采取的主要措施是建立性能指標的溫度模型，并迸行溫度補償。但 MEMS 慣導溫度性能指標還有待進一步提高，這就需要開展溫度對 MEMS 結構工作參數的影響機理研究，從源頭上將溫度影響因素引入整個 MEMS 系統的研究設計中。復合力學環境適應性復合力學環境適應性 導彈在發射時的瞬時沖擊、主動段飛行時發動機推力脈動產生的振動、自動駕駛 儀舵機系統中的舵偏轉運動產生的定頻振動、超聲速行過程中的噪聲（又叫“音振”）、旋轉體制彈藥的高速旋轉產生的離心力等等，這些力綜合作用形成飛行過程中復雜的復合力學環境。導彈飛行過程與地面測試存在著天

116、地環境差，使得由地面單一環境測試得出的誤差模型與實際飛行有很大的差別，使得 MEMS 慣導在導彈飛行過程中復合力學條件下工作可靠性問題沒有得到完全解決。MEMS 加工工藝加工工藝 MEMS 陀螺儀對微機械加工工藝具有高度的敏感性，加工工藝偏差、加工應力以及可靠性等對 MEMS 陀螺儀的成品率至關重要。整個微機械加工工藝流程是實現MEMS 陀螺儀長期穩定工作的基礎，主要包含加工精度控制、工藝參數在線控制以及環境適應性篩選三個方面。4.6、美國美國軍用軍用 MEMS 慣性儀表慣性儀表發展復盤發展復盤先揚長再補短先揚長再補短 從 20 世紀 90 年代初開始，美國軍事部門就很重視 MEMS 慣導在武

117、器制導領域的應用與發展。從 1995 年開始，國防高級研究項目局（DARPA）資助了一系列旨在演示驗證 MEMS 慣導應用于武器制導領域的項目。其中比較典型的項目有：“增程制導彈藥”（ERGM）演示驗證計劃、“抗高過載彈藥先進技術演示驗證”（CMATD）項目、“微機電慣性測量裝置”（MMIMU）計劃、“通用制導慣性測量裝置”（CGIMU）項目等。圖圖 42、DARPA 實施的實施的 MEMS 慣導慣導演示驗證項目演示驗證項目 資料來源：慣性制導系統的發展，祝斌，興業證券經濟與金融研究院整理 經過一系列項目的成功實施，美軍首先驗證了 MEMS 慣導可以很好地應用于高過載炮射環境中，之后研制出了可

118、替代 HG1700 激光陀螺型 IMU 的 MEMS 陀螺型 IMU（HG1700 可應用于戰術導彈、智能彈藥、防區外武器和無人飛行器上，已累計生產 20 萬套），接著又開始著手研制可滿足 90%戰術級武器需要的 MEMS 慣導，2016 年開展可滿足導航級武器需要的 MEMS 慣導研制，最近在開展旨在進一步提高 MEMS 慣導精度的研究?！霸龀讨茖椝幵龀讨茖椝帯保‥RGM）演示驗證計劃）演示驗證計劃 1995 年 3 月，美國海軍水面火力支援部提出了 ERGM 演示驗證計劃。它是基于MEMS 技術的 INS/GPS 組合制導系統應用于機炮發射環境中的首個成功的演示驗證計劃。ERGM 的制

119、導系統尺寸大小為 2065cm3，其主要組成部分為英國宇航系統公司生產的慣性測量裝置SiIMU和羅克韋爾-柯林斯公司生產的GPS接收機。SiIMU 包含 6 個 MEMS 慣性傳感器，分別是 3 個硅微振動陀螺（SiSVG）和 3 個硅加速度計，可提供充分補償的 6 自由度角速率和加速度測量，已成功應用于英國垂直發射海狼導彈系統（Block2 項目）、美國海軍 ERGM 和“旋轉彈體導彈”（RAM）等制導武器中。ERGM 首次飛行試驗于 1996 年 11 月進行，此后又于 1997 年 4 月進行了另外兩次飛行試驗。這幾次試驗均獲得了成功，從而充分驗證了基于 MEMS 技術的INS/GPS

120、組合制導系統可以很好地應用于機炮發射環境中。圖圖 43、ERGM 飛行試驗飛行試驗 資料來源：Inertial MEMS Systems and Applications，N.Barbour，興業證券經濟與金融研究院整理 “抗高過載彈藥先進技術演示驗證抗高過載彈藥先進技術演示驗證”（CMATD）項目）項目 1996 年 3 月，美國海軍研究局正式啟動了為期 4 年（1996 年 3 月至 2000 年 2 月）的 CMATD 項目，其項目目標是在非制導炮彈的引信段內演示驗證基于 MEMS 技術的制導、導航和控制（GN&C）系統。CMATD 為 127mm 口徑的炮射彈藥，機炮發射過載為 650

121、0g，初始速度約為 670m/s。其制導系統大小為 215cm3，其中制導/導航電子單元占 131cm3，主要包括由 3 個 MEMS 陀螺和 3 個加速度計組成的 6 個單軸慣性模塊、1 臺 GPS 接收機、1 臺飛行計算處理器以及電源調節電路等。其選用的 MEMS 陀螺和加速度計與 ERGM 相似，不過由于采用了專用集成電路和疊層型多芯片組件（MCM-L）技術，使得其尺寸更小、性能更高。CMATD 共進行了三次飛行試驗，其中兩次于 1999 年 8 月進行，最后一次于 2000 年 2 月進行，三次飛行試驗均取得了成功?！拔C電慣性測量裝置微機電慣性測量裝置”（MMIMU）計劃）計劃 20

122、00 年，DARPA 和空軍研究實驗室共同出資啟動了一項旨在研制當時世界上性能最高的MEMS慣性測量裝置的計劃。MMIMU的設計性能目標為1/h（陀螺儀）和 1 10-4g（加速度計），抗過載能力為 20000g，裝置生產成本為 1200 美元/套。此外，作為霍尼韋爾公司 HG1700 型 IMU 的低成本替代品，MMIMU 應能與HG1700 在電氣和機械方面進行互換，從而使用戶不需很大的經費投入就可以輕易地應用新技術進行裝置轉換。2002 年 8 月，Draper 實驗室公司成功研制出第一個 MMIMU，并順利通過測試。MMIMU 的相關技術后來被轉讓給霍尼韋爾公司，霍尼韋爾在此基礎上生產

123、出了 HG1900 型 IMU。HG1700 采用激光陀螺和石英振梁 MEMS 加速度計（RBA 500），典型應用有美國聯合直接攻擊彈藥（JDAM）等。據報道，新一代 JDAM 已用 HG1900 替代了HG1700，HG1900 采用 MEMS 陀螺和石英加速度計。圖圖 44、MMIMU 的設計目標與實際性能的設計目標與實際性能 資料來源：MEMS 慣性制導系統的發展，祝斌，興業證券經濟與金融研究院整理 圖圖 45、HG1700 與與 HG1900 產品對比產品對比 資料來源：低成本慣性測量組件在制導彈藥上的應用研究，周燾，興業證券經濟與金融研究院整理 “通用制導慣性測量裝置通用制導慣性測

124、量裝置”（CGIMU）項目）項目 2002 年，美國陸軍開始了一項名為“通用制導通用傳感器”（CGCS）的計劃，旨在開發一種陸、海、空三軍通用的、具有足夠小的尺寸、戰術級性能、低成本的、適用于 90%（甚至以上）的美國防部戰術級武器制導的慣性傳感器及慣性測量裝置。該計劃分 3 個階段逐步實施。其首要目標是設計、研制和生產一種能夠承受20000g 以上發射加速度、精度小于 0.5/h、體積小于 12.9cm3、價格低于政府期望值（低于 1200 美元）的慣性測量裝置；第二個目標是設計、研制和生產具有抗干擾能力、與 GPS 接收機高度結合或深度集成的慣性測量裝置（DI-GNU）。具體各個階段目標如

125、下表所示。圖圖 46、CGIMU 各個階段的研制目標各個階段的研制目標 資料來源：MEMS 慣性制導系統的發展，祝斌，興業證券經濟與金融研究院整理 CGIMU 由霍尼韋爾公司和 Draper 實驗室公司負責研制?；裟犴f爾把三個階段的IMU 分別命名為 HG1920 型、HG1930 型和 HG1940 型，其中采用了德雷伯實驗室公司研制 MMIMU 的技術。CGCS 計劃的另一個重要目標是在研制出來的 CGIMU 基礎上與先進的 GPS 接收模塊進行深度組合，形成用于下一代制導武器的深度耦合制導和導航裝置（DI-GNU）。DI-GNU 中的 GPS 數字接收機由羅克韋爾-柯林斯公司提供，其中包

126、含了先進的反電子欺騙模塊。DI-GNU 同樣根據美國防部的要求分為三個階段進行螺旋式的性能改進。隨著 DI-GNU 項目的順利進行，霍尼韋爾公司和羅克韋爾-柯林斯公司還共同出資成立了名為集成制導系統公司（LLC）的新公司，其主導產品即為命名為 IGS-2XX 系列的基于 DI-GNU 改進的 INS/GPS 制導系統。據報道，IGS 目前已確定用于美國陸軍“非瞄準線發射系統”（NLOS-LS，又名“網火”系統）精確攻擊導彈（PAM）和發射箱裝置（CLU）等制導武器中。NLOS-LS 網火系統：網火系統：NLOS-LS 是洛克希德-馬丁公司和雷神公司合伙的 LLC 公司正在開發的一種獨立導彈發射

127、系統。每個發射箱裝置（CLU）可容納 15 枚導彈和一個自定位網絡通信系統。集裝箱發射單元可以連接起來進行協同發射，導彈 通過自主垂直發射進行遠程發射和控制。該計劃于 2011 年初取消。該導彈是為美國海軍瀕海戰斗艦研制的，但因性能問題而飽受批評。圖圖 47、NLOS-LS 網火系統網火系統 資料來源：維基百科，興業證券經濟與金融研究院整理 表表 21、NLOS-LS 網火系統網火系統 生產商生產商 價格價格 射程射程 長度長度 彈徑彈徑 重量重量 洛馬公司和雷神公司 約 47 萬美元/發 25km 1500mm 180mm 53kg 資料來源：維基百科，興業證券經濟與金融研究院整理 “彈用精

128、確魯棒慣性制導彈用精確魯棒慣性制導”（PRIGM）項目）項目 2016 財年，DARPA 投入 1630 萬美元用于彈藥導航級慣性測量單元（PRIGM-NGIMU）項目，2016 年初 DARPA 與諾斯羅普格魯曼公司和 HRL 實驗室分別簽訂了研發合同：諾斯羅普格魯曼公司負責制造導航級的MEMS慣性測量裝置，實現在 GPS 拒止環境下的彈藥制導功能，將交付硬件以及進行飛行驗證試驗；HRL 實驗室負責研制抗振抗沖擊慣性傳感器技術，利用原子鐘超精細躍遷頻率的精確性使先進 MEMS 慣導陀螺達到等同甚至超越現有 GPS/INS 系統的導航精度。2021 年 1 月，PRIGM 項目下的新一代高精度

129、 HG7930 慣性測量單元完成原型研制，精度較目前廣泛使用的 HG1930 慣性測量單元高出 1 個數量級。該慣性測量單元使用基于下一代微機電系統技術的傳感器來實現高精度測量，后續將在保持尺寸、重量和功耗的同時，使傳感器精度提升 3 個數量級。該慣性測量單元可用于導彈、航空制導炸彈、無人機等裝備，在不增加有效載荷的情況下，大幅度提高制導性能。5、MEMS 慣性儀表慣性儀表相關相關企業企業 消費級消費級 MEMS 慣性慣性儀表領域儀表領域：據三十年不斷發展的 MEMS 慣性傳感器，我國作為全球最大的電子產品生產基地，正消耗著全球四分之一的 MEMS 傳感器，需求和市場是巨大的。但是，目前我國大

130、部分 MEMS 傳感器仍然依賴于進口。Bosch（博世）、ST（意法半導體公司）、TDK 等大公司擁有雄厚的技術實力和資金實力，自己設計傳感器，自己生產傳感器晶圓，他們的產品無論在價格還是性能等方面均具有巨大的優勢。2006 年起，我國陸續出臺措施，引導 MEMS 傳感器行業穩步發展。在政策和市場的雙重加持下，涌現出了一批優秀的國產 MEMS 傳感器企業。國內已有提供專業 MEMS 代工服務的公司，也有提供封裝和測試代工的企業，具備了 MEMS 結構芯片的加工、封裝和測試能力，但是一致性、重復性、良率等還不能滿足產品競爭的要求。高性能高性能 MEMS 慣性儀表領域：慣性儀表領域：據三十年不斷發

131、展的 MEMS 慣性傳感器，軍用MEMS 慣性儀表應用主要集中在戰術級以上，這類高性能 MEMS 慣性傳感器產品的市場集中度較高，市場份額主要被 Honeywell（霍尼韋爾公司）、ADI（亞諾德半導體公司）、Northrop Grumman（諾斯羅普格魯曼公司）等巨頭占據，份額在50%以上。國產高性能 MEMS 陀螺產品的核心指標可以與國際大公司 Honeywell對標，已實現國內自主生產，雖然市場滲透率有待進一步提升，但是解決了裝備應用“卡脖子”的問題。下文主要介紹高性能 MEMS 慣性儀表國外企業的情況。諾斯羅普諾斯羅普 格魯曼格魯曼（股票代碼：（股票代碼：NOC）諾斯羅普格魯曼公司是一

132、家美國跨國航空航天和國防技術公司，是世界上最大的武器制造商和軍事技術提供商之一，有 95,000名員工，營業收入超過 360 億美元。諾斯羅普格魯曼公司領導著 B-21“突襲者”遠程隱形戰略轟炸機的研發工作，該公司的其他項目還包括開發和生產詹姆斯-韋伯太空望遠鏡，以及為美國國家航空航天局的太空發射系統計劃生產固體火箭助推器等。諾斯羅普格魯曼公司被美國國防部高級研究計劃局（DARPA）微系統技術辦公室選中，開發基于 MEMS 技術的下一代導航級慣性測量單元。2001 年，諾斯羅普格魯曼公司先后收購了美國 Litton 公司和德國 LITEF 公司。Litton 公司是為美國政府和國際客戶提供先進

133、電子和信息系統的領先供應商，也是為美國和外國海軍設計和建造非核動力水面戰斗艦艇的主要公司，Litton 公司生產了著名的 SiAcTM硅微加速度計（詳見 2.3 節）。LITEF 是開發和制造導航與傳感器系統的領先企業之一，成立于 1961 年，總部位于德國。產品范圍包括傳感器、慣性測量單元、姿態和航向參考系統等。LITEF 的產品遍布全球，應用范圍包含民用航空、軍用航空、陸地和海洋應用以及工業解 決方案等?；裟犴f爾霍尼韋爾（股票代碼：（股票代碼：HON）霍尼韋爾由聯合訊號公司及霍尼韋爾公司合并而成，是在多元化技術和制造業方面占世界領導地位的跨國公司，總部在美國，員工總數約為 97,000 人

134、，營業收入超過 350 億美元。該公司主要產品被廣泛應用于農業、自主式水下航行器、通信、工業設備、船舶及潛航器、石油和天然氣、機器人、地圖測繪、穩定平臺、交通運輸、無人機、地面無人車輛等領域?；裟犴f爾高性能硅基 MEMS 慣性傳感器銷售額位居世界前列。陀螺儀方面，霍尼韋爾的 MEMS 陀螺儀是行業內戰術級陀螺儀的標桿產品；加速度計方面，霍尼韋爾的 MEMS 加速度計可達到導航級和戰術級水平。目前霍尼韋爾正推動高性能MEMS 傳感器替代光學陀螺儀。ADI（股票代碼：（股票代碼：ADI）ADI是全球領先的高性能模擬技術公司，總部位于美國，員工總數約為24,450人，營業收入超過 120 億美元。A

135、DI 將 MEMS 技術應用于傳感器和執行器產品中，其 MEMS 產品組合包括用于感測線加速度的加速度計、用于感測旋轉的陀螺儀、用于感測多個自由度（沿多個軸組合多種感測類型）的慣性測量單元，以及適用于無線電和儀器系統的寬帶開關。ADI 的高性能硅基 MEMS 慣性傳感器技術水平領先，產品耐惡劣環境能力強，性能覆蓋工業級和低端戰術級，在工業級陀螺儀領域具備較大影響力，出貨量位居世界前列。Safran Sensing Technologies（賽峰傳感技術公司）（賽峰傳感技術公司）賽峰傳感技術公司是一家高精度 MEMS 陀螺儀和 IMU 生產商，同時還在其晶圓工廠提供代工服務。2022 年 5 月

136、，法國賽峰集團將近期收購的 Sensonor（挪威）和 Colibrys（瑞士）兩家子公司歸并為一家公司賽峰傳感技術公司。Sensonor 是 MEMS 技術的全球領導者，在開發和制造高性能傳感器方面擁有 30多年的經驗，2020 年員工總數為 63 人，營業收入約 1500 萬美元。該公司設計和制造高精度戰術級陀螺儀傳感器、MEMS 陀螺儀模塊和慣性測量單元，為工業和商業市場等領域客戶提供服務。Colibrys 公司成立于 2001 年，原從瑞士電子和微技術中心（CSEM）剝離，專門生產高精度傳感器。公司有員工 53 人，營收超過 1400 萬美元。Colibrys 是基于MEMS 技術加速

137、度傳感器的全球領先的供應商之一，一直在開發和生產用于航空和安全關鍵應用的 MEMS 加速度計，具有完備的 MEMS 產品設計、研究開發、芯片生產、封裝和混合機電元件測試技術。Colibrys 產品有戰術級 MEMS 加速度計和導航級加速度計。因其技術迭代慢，輸出非數字化，市場份額呈下降趨勢。Silicon Sensing Silicon Sensing是柯林斯航空航天公司和住友精密公司于1999年成立的合資企業，總部位于英國，員工總數為 100 人。Silicon Sensing 是一家陀螺儀和慣性系統工程開發公司。該公司的產品包括 MEMS 陀螺儀傳感器、加速度計等，廣泛應用于航空、測繪、鉆

138、井、精準農業、導航輔助、自動駕駛等多個領域，其產品技術較為先進，產品耐惡劣環境能力強，性能覆蓋工業級，戰術級。國外代表性企業 MEMS 陀螺指標情況如下表所示。HG4930 為 Honeywell 已量產性能最優的硅基 MEMS 陀螺儀組成的慣性測量單元。CRH03 為 Silicon Sensing 已量產性能最優的硅基 MEMS 陀螺儀。STIM210 為 Sensornor 已量產性能最優的三軸硅基 MEMS 陀螺儀組件。表表 22、國外代表性企業、國外代表性企業 MEMS 陀螺指標陀螺指標 性能指標性能指標 Honeywell（HG4930）SiliconSensing（CRH03）S

139、ensonor（STIM210）零偏穩定性（零偏穩定性（/h)0.25 0.12 0.3 角度隨機游走（角度隨機游走（/h）0.04 0.017 0.15 標度因數精度（標度因數精度（ppm）/200 500 資料來源：芯動聯科招股說明書，興業證券經濟與金融研究院整理 國外代表性企業 MEMS 加速度計指標情況如下表所示。HG4930 為 Honeywell 已量產性能最優的硅基 MEMS 陀螺儀組成的慣性測量單元。Colibrys 的 MS1030 是目前已知可以購買的較優性能的單軸導航級模擬輸出 MEMS 加速度計。ADI 公司的 ADXL357 為目前世界上較高性能的單片三軸 MEMS 加速度計芯片之一。表表 23、國外代表性企業、國外代表性企業 MEMS 加速度計指標加速度計指標 性能指標性能指標 Honeywell（HG4930）Colibrys（MS1030）ADI（ADXL357）零偏穩定性（零偏穩定性（g）25 30 10 角度隨機游走（角度隨機游走（g/hz）30 100 110 標度因數精度（標度因數精度（ppm）500 2000 13000 資料來源：芯動聯科招股說明書，興業證券經濟與金融研究院整理