惯性技术学科发展研究报告.doc

惯性技术学科发展研究报告20092010（全文）一、引言惯性技术是用来实现运动物体姿态和运动轨迹控制的一门技术，它是惯性仪表、惯性稳定、惯性系统、惯性制导与惯性测量等及其相关技术的总称。惯性技术涉及物理、数学、力学、光学、材料学、精密机械学、电子技术、计算机技术、控制技术、测试技术、仿真技术、加工制造及工艺技术等，是一门多学科交叉的技术，主要研究惯性仪表和惯性系统的理论、设计、制造、试验、应用、维护，广泛应用于航空、航天、航海、陆地导航及大地测量、钻井开隧道、地质勘探、机器人、车辆、医疗设备等，以及照相机、手机、玩具等领域，总之，敏感物体运动姿态和轨迹、定位和定向都少不了它。惯性技术从最初的原理探究到如今的大量产品研发和应用，经历了漫长的发展历程，取得了迅速发展。以陀螺为例，从传统的浮子式陀螺发展到挠性陀螺、静电陀螺、激光陀螺、光纤陀螺、微机电陀螺等多个类型，在军、民两类市场的引导下，向着“缩减成本、减小体积、满足需求”的方向不断发展；利用卫星、星光、景象、地形、重力、地磁等外部信息，实现多传感器的智能信息融合，进一步提高了导航系统的精度，也使得惯性技术和产品在更多的领域得到应用和推广。我国惯性技术的发展已有50余年的历史，从无到有，从弱到强、从落后到先进，取得了长足的进步，创造了一系列成绩；尤其是改革开放以来，惯性技术产品的需求快速增长，伴随着我国计算机技术、信息技术、微电子技术、新材料、新工艺等高新技术的不断进步，惯性技术产业迅猛发展，已成为最具活力的现代工程技术学科之一。目前，我国已经基本具备了研制生产高、中、低精度惯性仪表及系统的能力和条件，我国自行研制的各类惯性产品已经广泛应用于国防建设和国民经济的各个领域，由此构成的海、陆、空、天武器的精确打击程度越来越高。特别是载人航天工程的圆满成功、探月工程的顺利实施，标志着我国惯性技术的发展已经具有相当的水平。本节主要阐述近年来我国惯性技术的发展现状和惯性技术在各领域的应用成果，分析国际惯性技术发展状况及我国在该技术领域与国际先进水平的差距，研究提出未来几年内惯性技术的发展趋势，为加强我国惯性技术学科发展提出建议、措施和策略。二、近年来我国本学科的主要进展（一）惯性仪表技术我国已经建立起完备的惯性仪表研究、试验、生产体系，在基础工业进步和发展需求牵引的共同推动作用下，仪表的精度、可靠性、稳定性、环境适应性得到了较大幅度提升。以液浮陀螺、三浮（液浮、气浮、磁悬浮）陀螺、静电陀螺、动力调谐陀螺为代表的传统机械陀螺技术不断成熟；激光陀螺性能稳步提升，光纤陀螺技术快速发展；各型加速度计性能得到提高，产品系列更加丰富；微机电（MEMS）惯性仪表技术取得了迅速发展，工程化应用技术取得突破；先进惯性执行机构技术研究进展迅速，已经进入工程应用；通过提升惯性技术新概念、新原理、新技术、新方法的理论研究水平，以光子晶体光纤陀螺、微光机电陀螺、原子陀螺为代表的新型陀螺技术与国际先进水平的差距不断缩小。（二）惯性系统技术惯性系统技术的研究重点主要集中在系统分析与总体技术、仪表应用技术、试验与仿真技术、标定与补偿技术等方面。在传统机械陀螺技术不断成熟的基础上，平台式惯性系统技术得到协调发展，关键技术获得成功突破，精度水平取得长足进步，形成了产品的系列化型谱；捷联惯性系统技术发展迅速，通过开展大量的基础技术研究工作，系统精度水平有了较大提高，激光陀螺捷联系统技术已经达到相当的精度水平，光纤陀螺的捷联系统技术也已进入工程应用阶段，MEMS捷联系统技术正在重点研究突破；为提高惯性系统精度的陀螺监控技术取得突破进展，系统长期精度得到显著提升。（三）惯性基组合技术我国惯性基组合系统技术发展与各种导航技术的发展紧密相关：卫星导航技术随着“北斗”系统的逐步建设而不断成熟；自主研发的惯性/地形辅助导航系统已获得成功应用；地磁测量和地磁导航技术发展很快；天文导航中的星体跟踪器技术取得突破；视觉导航在景象匹配技术方面取得进步，所有这些都为我国惯性基组合系统技术发展奠定了坚实的基础。（四）惯性领域测试技术与设备在惯性领域测试技术方面，主要开展了惯性仪表的环境适应性测试技术研究、惯性测量装置（IMU）的分离标定技术研究、惯性系统的字标定及辅助信息标定技术研究等工作，在系统的故障诊断与状态实时检测技术方面取得了进展。在测试设备方面，目前我国已经具备研制包括各类转台、摇摆台、角振动台、线振动台、精密离心机、六自由度仿真设备、目标运动仿真设备、负载仿真设备、复合环境测试设备在内的所有惯性系统测试及运动仿真设备的能力。（五）惯性应用技术惯性应用技术的研究进展集中体现在惯性仪表及系统自身的性能不断提高、惯性系统在不同应用场合下的环境适应性技术得到提升、惯性产品的应用范围不断拓展。目前，我国航海领域高精度惯性系统已经从液浮陀螺平台系统发展到静电陀螺导航仪；光学捷联惯性系统在航天、航空、陆用领域的应用数量进一步增加；以微机电惯性仪表为核心的微小型惯性系统的应用技术取得突破；惯性产品在石油与地质勘探测量、机器人等领域的应用技术也得到进一步提升。三、本学科国内外发展状况比较西方发达国家代表了惯性仪表技术的国际先进水平，以陀螺技术为例，其传统机械转子陀螺技术在经历了包括滚珠轴承支承、液浮支承、气浮支承、磁浮支承、挠性支承、静电支承在内的多种支承技术之后，已经达到非常成熟的地步；光学陀螺技术经过40余年的发展也已经达到了鼎盛时期；微机电陀螺技术以其产品在成本、尺寸和重量等方面的潜在优势正在经历高速发展期；新型陀螺技术也已得到重点关注和大力发展。我国在惯性技术领域与上述国际先进水平相比还存在一定的差距，主要原因在于理论研究的深度和广度不足，基础工业条件上的薄弱以及对惯性技术发展规律认识上欠缺。具体到技术上，体现在以下几个方面。（一）惯性仪表技术我国的传统机械陀螺与国际先进水平之间的差距主要体现在仪表材料技术、超精密制造技术等基础工业方面，在技术的成熟度方面还有较大的发展空间。光学陀螺技术方面，国内在仪表精度、电子技术、仪表环境适应性技术、市场占有率等方面相对落后。国外的微机电惯性仪表技术进展迅速，批量生产的产品已经进入战术级应用领域，国内在这一精度领域的主导技术仍以动力调谐陀螺和光学陀螺为主，微机电惯性仪表在设计理论、制造工艺、集成电路技术、工程化技术等方面与国外相比还有相当大的差距；我国的微机电加速度计尚未开始广泛应用，机械加速度计在精度与稳定性方面也相对落后。惯性执行机构方面，国内在磁悬浮变速控制力矩陀螺技术、陀螺/飞轮一体化技术等方面与国外先进水平相比有一定差距。我国的半球谐振陀螺技术在仪表精度与稳定性、工艺技术等方面还落后于国际先进水平。在新型惯性仪表技术的基础研究上与国外相比也有差距。（二）惯性系统技术我国的平台式惯性系统技术在制造工艺水平、元器件稳定性、材料技术等方面与国际先进水平相比有一定差距，在系统的长期稳定性方面也有待提高。捷联惯性系统技术方面，我国需要在惯性仪表精度、捷联算法的实际性能、系统成本与体积、功能及可靠性等方面进一步提高。在陀螺监控技术方面，国内的相关研究起步较晚，在一些重点技术环节上与国际先进水平相比还有差距，应用领域也有待拓展。（三）惯性基组合技术我国惯性基组合技术与国际先进水平的差距主要体现在研究的原创性及工程应用方面，在各种辅助信息的测量获得、匹配理论、匹配算法等方面也落后于国际先进水平。目前，国内的惯性/卫星组合导航技术在系统的成熟度、新技术研究的验证和应用方面有待提高；在地磁导航的数据图精度、抗干扰补偿技术方面，在星光导航的星敏感器敏感芯片技术方面，在地形导航、视觉导航的应用技术方面，与国际先进水平相比均有一定的差距。（四）惯性领域测试技术与设备惯性测试技术领域，我国在惯性仪表尤其是新型惯性仪表的测试方法和技术、误差来源与补偿等方面的研究上与国外先进水平相比还有差距；在惯性测量装置（IMU）与系统级的测试技术上，国内目前还主要集中在对分立标定方法的研究上，与国外的全参数一体化标定方法相比也有待提高。测试设备领域，我国在设备的角位置分辨率与测角精度、极限转速、大载荷高动态条件下的跟踪精度与结构刚性等方面落后于国际先进水平。（五）惯性应用技术我国在惯性技术的应用方面与国际先进水平相比仍存在差距。在航天、航海、航空领域里，这种差距主要体现在惯性技术的应用范围、惯性仪表与系统的精度及可靠性、系统的体积与成本等方面；在陆用领域，国内在陆用惯性系统晃动及运动基座情况下的初始对准技术实用化方面，在系统的容错和故障诊断技术方面与国外相比有差距；在石油地质领域的高端惯性仪表技术方面有待提高；在机器人领域惯性系统的体积、长时间工作能力、精度和智能化等方面相对落后。四、本学科的发展趋势及建议（一）本学科的发展趋势当前，随着现代科技的高速发展，惯性技术也朝着高精度、高可靠性、小型化、应用领域更加广泛的方向迈进。经过多年技术发展和积累，我国的现代数学、现代物理学等理论基础学科以及材料科学、电子/微电子/计算机技术得到极大发展，零件的制造、装配精度持续提高，精确的测试、特性表征和标定手段日益丰富，这为我国惯性技术的进一步发展创造了良好条件。当前国内外惯性技术发展呈现以下趋势。1.惯性仪表技术传统机械转子陀螺技术日臻成熟；激光陀螺与光纤陀螺技术仍将继续占据相当大的市场；微机电惯性仪表技术发展迅猛，进入中低端应用领域；加速度计精度与可靠性将进一步提高；新型惯性仪表技术研究步伐将明显加快，有望获得突破。2.惯性系统技术尽管惯性系统的基本原理并没有随着应用领域的变化而发生改变，但是由于应用领域的不同，从系统角度来看，采用的惯性仪表以及实施导航所采用的方法也在不断发生变化。未来发展中，在特定领域，平台惯性系统技术仍将保留一定市场，但总的趋势上，惯性系统将逐步从平台技术转向捷联技术；以惯性技术为主的惯性/多信息组合导航技术向深度化、多样化发展；陀螺监控技术将在超高精度应用领域里得到广泛应用，仍是静电陀螺导航仪和高精度光学陀螺惯性系统进一步提高系统精度的发展方向。3.惯性技术领域测试技术与设备随着惯性技术的快速发展，惯性技术领域测试技术与设备也将继续向前迈进。单表级试验将更侧重于长期稳定性和重复性测试，大过载测试以及角动态测试。系统级测试则趋向于自标定和对准测试，以及复合环境测试；测试系统负载向大型化、综合化发展，台体向多轴（自由度）化发展，定位向更高精度发展，配套单元向标准化、组合化、系列化发展，速度范围向低速段和高速段扩展，动态响应向大加速度宽频带发展，伺服系统将由模拟控制向数字控制发展。4.惯性系统应用技术从发展趋势上来看，海、陆、空、天领域里利用纯惯性或惯性基组合系统技术实现自主、隐蔽的远程精确打击的需求不会发生本质的改变。在航天、航空、陆用领域的导航制导系统中，光学捷联惯性系统的应用数量将进一步增加，以微机电惯性仪表为核心的微小型惯性系统将在导弹的制导、稳定与控制以及陆用导航领域得到大量的应用；在航海领域高精度系统已从液浮陀螺平台系统发展到静电陀螺导航仪，并进一步向高精度光学陀螺导航仪发展，辅助以重力无源导航技术；微机电仪表技术将使惯性系统的小型化、低成本和低功耗发展趋势更加明显，惯性系统的应用范围也将进一步拓宽，不再仅局限于舰船、飞机、火箭、卫星以及导弹，而是将迅速扩展到更多领域，特别是一些不以导航为主要目的惯性系统，其应用领域将非常广泛。 (二)对我国本学科发展的建议惯性技术以自主、隐蔽、全天候、抗干扰的突出优点是实现运动体运动测量的理想手段，已成为航空、航天、航海、陆地导航及大地测量等领域不可缺少、无可取代的重要组成部分。惯性技术的地位如此重要，使其普遍受到世界上技术先进国家的重视。我国惯性技术也正在经历着一个变革、发展的重要时期，为此，针对我国的惯性技术发展提出几点建议：（1）在发展思路上，强化专业技术引领作用，精心谋划惯性技术长远发展。为促进惯性技术又好又快发展，建议更加充分地发挥惯性技术学会的平台作用，进一步加强惯性技术发展的顶层战略谋划，提高对惯性技术需求的敏感性和预见性，更好地把握发展方向、优化产业布局。通过对技术发展基础、技术发展优势的分析与比较，明晰专业建设与发展的分工，强调专业间的深入协作，避免重复投入。（2）在基础研究上，积极倡导自主创新，提升可持续发展能力。进一步加强基础研究，加大新型惯性仪表基础理论、材料、工艺、测试技术等方面的研究力度；要重点突破对国防、民生有重大影响的惯性关键技术；通过基础理论的原始创新推动技术创新，应重点在微光机电惯性仪表、小型高精度加速度计等项目上开展新概念、新原理、新技术、新方法等探索性研究，切实提升可持续发展能力。注重惯性技术与现代数学、现代物理学、材料学、微电子技术等基础学科的融合，定期、有计划地开展惯性技术与各类基础学科、领域人员的交流和研讨，推进现代基础学科研究成果向惯性技术应用的延伸，加强惯性技术应用对基础学科研究的牵引作用，在惯性技术对应的基础学科层面内做好自主创新、技术引进工作，形成多学科相互促进的良性发展格局。（3）在技术发展上，加大瓶颈技术攻关力度，满足国防、民生的急需。本着“有所为，有所不为”的发展思路，加强微惯性仪表技术研究，满足各种低精度领域对微惯性系统的急需；加强高精度加速度计技术研究，满足国防领域对纯惯性制导精度提高的需求；加强高精度光学陀螺及其系统技术研究，满足航天、航空、航海领域对长航时高精度的需求。（4）在成果转化上，采取小步快跑的模式，加快工程应用步伐。在惯性技术基础理论研究方面，要充分发挥高校的理论优势，同时紧密结合工程