慣性導(dǎo)航

Inertial Navigation System，INS

慣性導(dǎo)航(Inertial Navigation System，INS)也簡稱為慣導(dǎo)系統(tǒng)，是一種不依賴外部導(dǎo)航信息的自主式導(dǎo)航定位技術(shù)。其基本工作原理是通過測量線加速度和角速度來解算運載體位置信息并實現(xiàn)定位導(dǎo)航。由于不向外部輻射能量、不依賴于外部信息，因而具備不與外界交互而自主獨立工作的能力。

其工作環(huán)境不僅包括空中、地面，還可以在水下，主要應(yīng)用于軍用飛機、民用飛機、軍艦、潛艇、人造衛(wèi)星、太空發(fā)射器和遠程彈道導(dǎo)彈等運載工具上定位和導(dǎo)航。

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)至少需要包括含有【加速度計】、【陀螺儀】等慣性測量單元和用于推理的計算單元兩大部分。

加速度計

用于測量物體在三維空間中的加速度。加速度計是一種用于測量物體加速度的裝置，其工作原理基于牛頓第二定律，通過測量物體所受的“慣性力”來推算加速度。在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中，加速度計是獲取物體線加速度的關(guān)鍵元件。

陀螺儀

用于測量物體繞三個軸的旋轉(zhuǎn)速率。陀螺儀基于高速旋轉(zhuǎn)物體的穩(wěn)定性，能夠敏感地測量角速度和角偏差，廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航、定位及姿態(tài)控制等領(lǐng)域。

01

陀螺儀分類

按技術(shù)原理及發(fā)展先后分類

第一代（機電陀螺儀）:基于牛頓力學(xué)，通過轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動或振動產(chǎn)生的陀螺力矩測量角運動，代表類型包括液浮陀螺、靜電陀螺和動力調(diào)諧陀螺。

第二代（光學(xué)陀螺儀）:基于薩格奈克效應(yīng)，利用激光或光纖環(huán)形光路中兩束反向光的干涉或相位差檢測角速度，主要分為激光陀螺和光纖陀螺。

第三代（振動陀螺儀）:基于哥氏振動效應(yīng)與微納技術(shù)，通過諧振子振動受旋轉(zhuǎn)影響產(chǎn)生的信號測量角速度，代表為MEMS陀螺（硅微機械結(jié)構(gòu)）和半球諧振陀螺（靜電激勵振動）。

第四代（量子技術(shù)陀螺）:結(jié)合微機電與量子效應(yīng)（如核磁共振、原子干涉），目標為高精度、小型化導(dǎo)航系統(tǒng)，目前處于早期研究階段，代表包括核磁共振陀螺和原子干涉陀螺。

按照精度及應(yīng)用場景劃分

陀螺儀主要精度指標包括系統(tǒng)性漂移率（系統(tǒng)誤差，可軟件補償）、隨機性漂移率（隨機誤差）、零偏穩(wěn)定性，以上數(shù)值越小表示精度水平越高，其中零偏穩(wěn)定性是最核心的指標，其用來衡量陀螺儀在一個工作周期內(nèi)，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。按照零偏穩(wěn)定性不同，以及陀螺儀的應(yīng)用場景分為戰(zhàn)略級、導(dǎo)航級、戰(zhàn)術(shù)級、消費級（表1.1）。

圖表1.1：各類別陀螺儀的主要應(yīng)用領(lǐng)域、指標要求

其中半球諧振陀螺的應(yīng)用范圍跨度較大，涵蓋了戰(zhàn)略級至戰(zhàn)術(shù)級領(lǐng)域；激光陀螺和光纖陀螺主要應(yīng)用于導(dǎo)航級和戰(zhàn)術(shù)級領(lǐng)域；MEMS陀螺現(xiàn)主要應(yīng)用于消費級領(lǐng)域。

02

國內(nèi)陀螺儀發(fā)展歷程

早在20世紀50年代，中國的陀螺儀研究就開始萌芽。清華大學(xué)是國內(nèi)最早開展陀螺儀研究的機構(gòu)之一，1959年成立了陀螺與導(dǎo)航儀器教研組，標志著國內(nèi)陀螺儀技術(shù)研究的開端。初期的研究集中在液浮陀螺儀。

20世紀80年代，北京天空航天大學(xué)張維敘教授率先開展光纖陀螺研究。張維敘教授是北京航空航天大學(xué)的知名學(xué)者，被譽為中國光纖陀螺技術(shù)的奠基人。其不僅率先在國內(nèi)開展光纖陀螺技術(shù)研究，還突破了保偏光纖耦合器、集成光學(xué)調(diào)制器和抗輻射光纖光源等核心器件的技術(shù)瓶頸，為我國高精度光纖陀螺的發(fā)展和應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。

1994年國防科技大學(xué)教授、中國工程院院士高伯龍研制出我國第一臺激光陀螺，使中國成為第四個擁有獨立研制激光陀螺的國家，拉開了光學(xué)陀螺儀產(chǎn)業(yè)化的序幕。高伯龍院士是國防科技大學(xué)的教授，中國工程院院士，被譽為“中國激光陀螺奠基人”。他帶領(lǐng)團隊從零開始，經(jīng)過長期的努力，成功研制出多種型號的激光陀螺，并解決了激光陀螺研制過程中的一系列關(guān)鍵技術(shù)難題。其研究成果不僅在國內(nèi)產(chǎn)生了深遠影響，也為國際導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展做出了重要貢獻。

此外還有張春熹教授，現(xiàn)任北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院“光學(xué)工程”學(xué)科責(zé)任教授、博士生導(dǎo)師。是我國光纖陀螺學(xué)術(shù)帶頭人之一，從1993年博士生開始一直從事光纖陀螺理論、技術(shù)與應(yīng)用研究，建立了我國閉環(huán)光纖陀螺理論與技術(shù)體系、陀螺用光電子器件研制生產(chǎn)體系，打破封鎖實現(xiàn)了完全自主可控；使我國光纖陀螺精度提升了4個數(shù)量級，成為美、法后精度達到到10-5°/h極限量級的國家，讓光纖陀螺成為我國精確打擊武器體系主選產(chǎn)品。

03

慣性導(dǎo)航總體市場規(guī)模

及發(fā)展現(xiàn)狀

我國慣性導(dǎo)航市場處于快速增長階段，市場橫縱向發(fā)展趨勢明顯，原有應(yīng)用領(lǐng)域如精確制導(dǎo)武器、航空航天領(lǐng)域等不斷縱向深化發(fā)展；同時地下管線測繪、室內(nèi)外無縫導(dǎo)航、移動測量、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測、消費電子等新興應(yīng)用領(lǐng)域也不斷涌現(xiàn)，橫向擴張趨勢明顯。預(yù)計到2026年中國慣性導(dǎo)航系統(tǒng)行業(yè)市場規(guī)模將達到480億元，2014-2026年年復(fù)合增速14.50%。

圖：2014-2026年中國慣性導(dǎo)航市場規(guī)模統(tǒng)計數(shù)據(jù)及預(yù)測

數(shù)據(jù)來源：中國產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)

05

軍用、民用慣性導(dǎo)航

市場需求分析

中國慣性導(dǎo)航行業(yè)下游應(yīng)用包括軍用和民用兩部分。軍用市場目前仍是中國慣性導(dǎo)航行業(yè)的主流應(yīng)用場景。在民用部分，伴隨著無人機、通用航空、石油鉆探、高鐵檢測、自動駕駛等應(yīng)用場景的拓展，存在較大的增長空間。

軍用慣性導(dǎo)航分析

2025 年中國國防預(yù)算達 1.81 萬億元，同比增長 7.2%，連續(xù)三年維持穩(wěn)定增幅，重點支持航空裝備現(xiàn)代化與精確制導(dǎo)武器研發(fā)。

圖：2008-2024年我國公共財政支出國防預(yù)算情況(單位：億元)

（資料來源:Wind，國防部，光明網(wǎng)，方正證券研究所）

而慣性導(dǎo)航技術(shù)是軍事領(lǐng)域最重要的核心通用技術(shù)之一，慣性導(dǎo)航的發(fā)展水平直接影響了一個國家武器裝備的先進性。慣性器件作為多種裝備關(guān)鍵分系統(tǒng)的核心器件將受益于裝備采購費的持續(xù)增長。以下是對于軍用慣性導(dǎo)航細分領(lǐng)域的需求分析。

圖表：軍用慣導(dǎo)細分領(lǐng)域慣導(dǎo)系統(tǒng)需求分析

民用慣性導(dǎo)航需求分析

01

｜航空領(lǐng)域

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在飛機上的應(yīng)用廣泛，尤其是在跨洋飛行的大型客機中，慣導(dǎo)系統(tǒng)是導(dǎo)航的主要設(shè)備之一，對飛機的安全性和準確性至關(guān)重要。

C919是中國自主研發(fā)的大型客機，中國商飛預(yù)測預(yù)計2019至2038年，C919需求約2000 架，市場規(guī)模約1000億美元，而民航客機的慣導(dǎo)系統(tǒng)價值量占比相對較高，通常在整個飛機系統(tǒng)中占比5%至10%左右，因此會帶來50-100億美元的市場。C919的慣導(dǎo)系統(tǒng)采用了光纖陀螺儀和加速度計構(gòu)成的慣性測量單元。

此外2024年，“低空經(jīng)濟”首次寫入政府工作報告，工信部《通用航空裝備創(chuàng)新應(yīng)用實施方案（2024—2030年）》提出“到2030年，推動低空經(jīng)濟形成萬億級市場規(guī)模”。而慣性導(dǎo)航系統(tǒng)作為低空飛行器的基礎(chǔ)性系統(tǒng)，對復(fù)雜環(huán)境下的飛行安全、運行效率等方面起著重要作用，因此低空經(jīng)濟的發(fā)展將助推慣導(dǎo)系統(tǒng)的規(guī)模增長。

02

｜石油鉆探領(lǐng)域

隨著石油資源日益枯竭，勘探和開發(fā)情況愈加復(fù)雜，因此就需要精度更高、性能更加可靠的石油測斜儀器（石油鉆井工程中的核心測量設(shè)備，主要用于實時監(jiān)測鉆孔的井斜角、方位角等參數(shù)。其核心功能是確保鉆井軌跡符合設(shè)計要求，避免鉆頭偏離目標儲層，從而提高油氣開采效率并降低工程風(fēng)險。）而陀螺儀是石油測斜儀實現(xiàn)高精度、全環(huán)境適用的關(guān)鍵技術(shù)突破點，擴展了測斜儀在復(fù)雜井型和極端工況下的應(yīng)用范圍。

在石油鉆探領(lǐng)域，目前國內(nèi)的使用客戶主要為中石油、中石化、中海油。存在較大的市場空間。

03

｜高鐵檢測領(lǐng)域

慣性技術(shù)在高鐵軌道檢測中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，能夠自動測量軌道的各種參數(shù)，包括高低、軌向、水平、扭曲和軌距等，有助于及時發(fā)現(xiàn)并修復(fù)軌道問題，保障高鐵的安全運行。2019年底至2024年，中國高速鐵路營業(yè)總里程由3.5萬公里增長至4.8萬公里，復(fù)合增長速度約為6.5%。隨著高鐵建設(shè)進程不斷推進，高鐵軌道檢測需求也將不斷增加。

04

｜自動駕駛領(lǐng)域

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是智能駕駛的關(guān)鍵組成部分，尤其在GPS信號不佳的環(huán)境中，它能提供高精度的定位信息。根據(jù)iimedia估計，2025年全球無人駕駛汽車市場規(guī)模將突破1200億美元，2021-2025年復(fù)合增長率為46.78%，增長潛力大。預(yù)計2025年我國L2級乘用車滲透率有望達到50%，銷量達到1305.5萬輛，L3級乘用車滲透率為4%。L2及以上基本都需要配備一套IMU。作為自動駕駛的標配產(chǎn)品，隨著L2及以上自動駕駛的逐步滲透，車載慣性導(dǎo)航市場空間有望快速擴大。

05

陀螺儀市場及競爭格局

從不同技術(shù)角度來看。

半球諧振陀螺（HRG）

半球諧振陀螺（HRG）雖然具備從戰(zhàn)術(shù)級、戰(zhàn)略級、導(dǎo)航級的廣泛應(yīng)用潛力，但其市場規(guī)模仍受制于造工藝復(fù)雜度高、研發(fā)周期長且成本高昂、民用市場滲透率低多重因素制約。

激光陀螺儀

激光陀螺儀則是因為物理尺寸與重量不斷優(yōu)化，憑借其測量優(yōu)勢，在國防軍工、航空航天等多個領(lǐng)域均展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用潛力。未來伴隨我國國防軍工以及航空航天行業(yè)發(fā)展速度加快，激光陀螺市場空間將進一步擴展。

MEMS

預(yù)計2028年，中國高性能MEMS陀螺儀市場規(guī)模將達到74億元。

光纖陀螺

根據(jù)市場調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，光纖陀螺的市場規(guī)模在2024年達到258億元，復(fù)合增長率為19.6%。因其核心工藝存在缺陷、場景適應(yīng)性不足，加上產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵環(huán)節(jié)受制于人等綜合因素，市場規(guī)模在特定維度上存在局限性。

06

技術(shù)封鎖與自主發(fā)展

高端陀螺儀作為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核心部件，中國和西方國家長期實行雙向出口管制，美國通過多維度政策強化對華技術(shù)封鎖。

【技術(shù)清單管控】

《瓦森納協(xié)定》修訂，2023年新增“導(dǎo)航工具”條目，對慣性測量單元（IMU）、加速度計、陀螺儀等傳感器進行限制。此外還將氧化鎵、金剛石等半導(dǎo)體材料納入管制，間接影響高端陀螺儀制造所需的材料供應(yīng)鏈。

【實體清單與終端用戶限制】

企業(yè)精準打擊：2024年5月，某些國產(chǎn)FOG制造商被列入SDN清單，禁止美國企業(yè)與這些公司開展技術(shù)合作。

終端用戶限制：2023年美國進一步擴大“軍事最終用戶”定義，即使民用企業(yè)涉及軍事供應(yīng)鏈，其采購?fù)勇輧x等設(shè)備也需額外審批。

【自主發(fā)展】

我國的慣性導(dǎo)航技術(shù)已有近60年的歷史，經(jīng)歷了從無到有、從弱到強、從落后到先進的發(fā)展歷程。慣性導(dǎo)航的發(fā)展水平直接影響了一個國家武器裝備的先進性。考慮到我國慣性導(dǎo)航技術(shù)與英法美等國家仍然有較大差距，而該技術(shù)對提升我國武器裝備的先進性，實現(xiàn)精準的軍事打擊具有至關(guān)重要的作用，因此我國將會長期增加慣性導(dǎo)航技術(shù)的研發(fā)力度。

以下是具體的支持政策為突破“卡脖子”困境，中國通過政策扶持、技術(shù)攻關(guān)和產(chǎn)業(yè)鏈整合多措并舉推進替代：

《中國制造 2025》：提出通過“三步走”實現(xiàn)制造強國的戰(zhàn)略目標，強調(diào)提高國家制造業(yè)創(chuàng)新能力，加強核心基礎(chǔ)零部件、先進基礎(chǔ)工藝、關(guān)鍵基礎(chǔ)材料和產(chǎn)業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)等“四基” 建設(shè)，為高端陀螺儀等關(guān)鍵零部件的國產(chǎn)替代提供了戰(zhàn)略指引，推動產(chǎn)業(yè)向中高端邁進。

《強基工程》：聚焦高端芯片、新材料、智能制造裝備、工業(yè)基礎(chǔ)軟件等關(guān)鍵領(lǐng)域，旨在突破一批關(guān)鍵核心技術(shù)，其中涉及陀螺儀制造所需的材料、工藝、芯片設(shè)計等基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)，為國產(chǎn)高端陀螺儀的研發(fā)和生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

《十四五發(fā)展規(guī)劃》：明確提出要堅持創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展，全面塑造發(fā)展新優(yōu)勢，加強原創(chuàng)性引領(lǐng)性科技攻關(guān)，在人工智能、量子信息、集成電路、生命健康、腦科學(xué)、生物育種、空天科技、深地深海等前沿領(lǐng)域?qū)嵤┮慌哂星罢靶浴?zhàn)略性的國家重大科技項目，這為包括高端陀螺儀在內(nèi)的慣性導(dǎo)航領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新和國產(chǎn)替代提供了政策支持和發(fā)展機遇。

此外各地政府積極出臺“專精特新”政策，鼓勵中小企業(yè)專注于細分領(lǐng)域，加大在技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)品研發(fā)等方面的投入，在陀螺儀領(lǐng)域細分方向上進行技術(shù)突破和產(chǎn)品創(chuàng)新，提升國產(chǎn)陀螺儀的性能和質(zhì)量，逐步實現(xiàn)對進口產(chǎn)品的替代。