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全球及中国光纤陀螺行业市场竞争规模分析预测及重点企业运营格局可行性研究


光纤陀螺是光纤惯性导航系统中的核心部件,是惯性导航技术领域最为基础、核心、关键的装置与系统之一。

中金企信国际咨询公布的《2022-2028年中国光纤陀螺市场供需发展前景及投资战略预测报告

(1)惯性导航技术:惯性导航(Inertial Navigation  System,INS)是一种不依赖外部导航信息的自主式导航定位技术,其基本工作原理是通过测量线加速度和角速度来解算运体位置信息并实现定位导航,由于不向外部辐射能量、不依赖于外部信息,因而具备不与外界交互而自主独立工作的能力。惯性导航在军事及民用领域具有广泛应用,包括各型飞机、导弹、远程火箭弹、制导炸弹、潜艇及水面舰艇、陆地战车等国防军事装备及各类航天器、陆地与海洋勘探策划、自动驾驶、手机、可穿戴设备、VR/AR设备等民用领域均有应用,属于国家鼓励发展的高科技产业。

惯性导航系统是以测量角速度的陀螺和测量线加速度的加速度计为敏感元器件,根据陀螺的输出建立导航坐标系,根据加速度的输出并结合初始运动状态,推算出运载体的实时速度、位置和航行、姿态等导航参数的解算系统。作为三大常见定位技术之一(三大常见定位技术分别是以卫星定位GNSS为代表的信息定位、以激光雷达定位为代表的环境特征匹配定位,以及惯性导航定位),惯性导航定位的优势是具有强自主性、强抗干扰能力和不依赖外界信号等特性,同时可为运载体全面提供位置、姿态、速度等信息,因此具有不可替代性。但惯性导航也存在误差累计等缺点,因而经常由全球导航卫星系统和惯性测量单元(IMU)组合成导航系统方案。

陀螺和加速度计等惯性传感器是惯性导航系统的核心器件,对系统的精度起决定性作用。其中,陀螺用以获取运动的角速度并测量其角度变化,通过角速度获取方向信息,在惯性导航中起到姿态解算、辅助定位的作用;加速度计用以获取运载体的线性加速度并测量其速度变化,起定位及修正姿态作用。通常情况下,每套惯性测量单元装置包含3组陀螺和加速度计,分别测量三个自由度的角速度和线加速度。

惯性导航行业通常与制导控制行业并称,需要融合惯性制导、制导控制、运动控制、运动传感等领域的核心技术,属于新一代信息技术与高端装备制造相融合的高新技术与战略性新兴产业。从产业链角度,惯性导航分为上游器件层、中游系统层和下游应用层三个环节。其中上游器件层对惯性导航系统起到决定性作用,且其技术门槛高,是产业链的核心部分,即惯性传感器供应商及GNSS元器件供应商;产业链中游为惯性导航系统模块生产企业、GNSS模块生产企业及惯性组合导航系统集成商;产业链下游为需求端,即各种应用领域,包括军用领域和民用领域的各大终端客户.军用领域方面,惯导系统在舰艇船舶、航空飞行器、航天飞机、制导武器、陆地车辆、机器人等装备上均有所应用,民用领域则包括消费电子、无人机、自动驾驶等相关行业。其中,军用领域为主要需求市场,其应用占比约80%,包括军用车、导弹、航天、舰船等军工企业;民用领域则包括消费电子、无人机、自动驾驶等相关行业,应用占比约20%。

(2)光纤陀螺之于惯性导航:陀螺、加速度计是惯性导航系统的核心器件,决定了惯性导航系统的精度。光纤陀螺是现代惯性导航的主流仪表之一,由于具有质量轻、体积小、结构紧凑、灵敏度和精度高、工作可靠等优点,在很多领域已经完全取代了机械式的传统陀螺,成为现代导航仪器中的关键部件,尤其在惯性导航市场的最大领域——军用市场应用广泛。

①陀螺的分类:根据工作的原理不同,现代陀螺可划分为激光陀螺、光纤陀螺、MEMS陀螺及半球谐振陀螺等。自1910年首次用于船载指北陀螺罗经以来,陀螺技术已发展了四代。传统意义上的陀螺是指服从牛顿力学的机电陀螺,随着激光技术和微电子技术的发展,光学陀螺和MEMS陀螺等建立在全新测量原理上的陀螺蓬勃发展。光纤陀螺和激光陀螺均属于光学陀螺范畴。

②光纤陀螺的工作原理:光纤陀螺(Fiber Optic Gyro,FOG)的基本原理来自光学萨格纳克(Sagnac)效应。Sagnac效应是相对于惯性空间转动的闭环光路中传播光的一种普遍的相关效应,即在闭合光路中存在两束从光路同一点出发的、沿相反方向传播的光,两束光沿光路传播一周回到出发点时,如果闭合光路所在平面的法线方向存在相对惯性空间的角速度,则两束光之间会产生与角速度相关的相位差。光纤陀螺通过光纤环的匝数和长度来增加所围绕的总面积,进而增强Sagnac效应,从而实现载体角速度信息的精确测量。

③光纤陀螺的优势:光纤陀螺是一种全固态的陀螺,主要优点在于高可靠性、长寿命、快速启动、耐冲击和振动、对重力不敏感、大动态范围等,这是传统机电陀螺所无法比拟的。具体而言,与传统的机电陀螺相比,光纤陀螺不使用机械转动部件,所以灵敏度更高;与环形激光陀螺相比,不需要精密加工的光学腔、克服锁区的机械偏频机构、几千伏的高压电源等,制造工艺更为简单,使用寿命更长;与MEMS陀螺相比,在技术指标和环境适应性上具有优势。因此光纤陀螺近些年来成为国内各军用导航设备的主力传感器,占据了绝大部分的市场份额。

④光纤陀螺行业应用情况:光纤陀螺目前已是惯性技术研究领域的主流陀螺。早在2005年,光纤陀螺就已占据国外中近程导弹、中程导弹、卫星等武器装备领域一半以上的用量。惯性技术是提高战略武器(如弹道导弹、运载火箭、卫星等)导航、制导与控制精度的核心技术。根据世界惯性技术权威机构美国麻省理工学院Draper实验室预测,光纤陀螺将成为未来高精度惯性导航领域的主导器件,基于光纤陀螺的惯导系统是实现战略武器高精度信息获取的关键测量系统,因此高精度光纤陀螺及其惯导系统是未来战略武器高精度惯导系统发展的最主要方向。国外的惯性技术属于高度保密的军用核心技术,禁止向我国出口和转让。

一般而言,视应用场景性能需求,不同精度的光纤陀螺对应不同的应用范围,涵盖从战略级武器装备到商业级民用产品的各领域。中高精度的光纤陀螺主要应用在航空航天等高端武器装备领域,而低成本、低精度光纤陀螺主要应用在石油勘查、工业机器人等精度要求不高的民用领域。另外,在中高端无人机的飞行控制、高铁振动传感及铁路轨道检测、航空、陆上移动测绘、无人驾驶汽车等领域也有广泛的应用。光电集成、专用光纤等先进微电子与光电子技术的发展,加速了光纤陀螺的小型化和低成本化。

(3)国内外光纤陀螺发展概况:自20世纪70年代现代光纤陀螺设想提出以来,光纤陀螺关键技术发展至今已取得重大突破,应用领域不断拓展。美国是最早进行光纤陀螺研究和应用的国家,相关单位有美国DARPA(美国国防高级研究计划局)、Draper实验室、诺格公司、Honeywell公司、KVH公司等。日本紧跟美国,处于世界前列,其主要研究机构有东京大学尖端技术室和日立、住友电工、三菱、日本航空电子工业等公司。此外,法国(萨基姆公司、iX blue公司)、德国和俄罗斯(Op to link公司)等国家光纤陀螺的研究和应用技术也较为成熟。

国外公开报道的光纤陀螺长时间零偏稳定性已优于0.00001(˚)/h,惯导系统中实际应用的也已达到0.00001(˚)/h量级。研制单位主要包括法国iX  blue公司、美国Honeywell公司、美国L3Space & Navigation公司、俄罗斯Op to link公司和意大利GEM elettronica Srl等。

国内对于光纤陀螺的研究起步相对较晚,但发展较快。在国内光纤通信和光电子器件发展基础上,目前我国光纤陀螺性能和应用均已达到国际先进水平。在高端产品方面,我国与外国顶尖产品的技术差距在不断缩小。国内从事光纤陀螺研发生产的单位主要有:北京航空航天大学、哈尔滨工程大学、北京理工大学、浙江大学及航天科工集团、航天科技集团、兵器工业集团等军工集团下属科研单位。

 

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