张嵘（清华大学导航技术工程中心副主任）

摘要：惯性技术应用行业是具有综合性、交叉性的高科技先进制造产业，主要应用于敏感运动体在惯性空间的角运动、线运动，进而获取运动体的姿态、位置和速度等信息。惯性技术应用不仅在国防工业中占有非常重要的地位，而且在民用领域展现出巨大的市场空间。本文着重分析了惯性技术在国防、无人机、石油勘探、交通测量、应急通讯等领域的市场情况和应用前景，并期望有关部门与企业加大对惯性技术在民用领域发展的重视力度，组织制定发展规划、加强协调，创造出良好的经济效益和社会效益。

关键词：惯性技术；惯性技术应用；国防、无人机、石油勘探；交通测量；应急通信、市场需求

一、引言

惯性技术是惯性导航与测控技术、惯性仪表技术以及有关设备和装置技术的统称。重点应用是通过测量大地物理参数，从而结算出载体的姿态和位置。它在国防科学技术中占有非常重要的地位，因而成为世界各工业强国重点发展的技术领域。同时，随着惯性技术的不断发展其在民用领域展现出巨大的发展空间。许多国家已将其应用到民用航空、船舶、地面车辆、大地测量、地质勘探、海洋探测、气象探测、高层建筑、桥梁和隧道等诸多领域。其中，我国民用市场惯性技术应用主要集中于无人机、石油勘探、交通测量、应急通讯等领域。国内惯性技术在民用领域应用前景广阔，市场需求快速上升。

二、惯性技术的发展历程

惯性技术分为惯性仪表与惯性系统两个技术层次。惯性仪表主要包括测量角运动的陀螺和测量线运动的加速度计；惯性系统是以惯性仪表为核心，利用集成技术实现的惯性测量、导航及稳控系统。

惯性仪表是惯性技术发展及应用的基础性器件，17世纪的牛顿力学定律和万有引力定律成为惯性技术的基本原理，1852年，法国物理学家傅科发现了陀螺效应。1907年，德国科学家安修茨制造了第一个实用陀螺。1905年爱因斯坦提出狭义相对论后，1913 年法国科学家萨格奈克发现了Sagnac效应。此后，液浮陀螺、气浮陀螺、磁浮陀螺、挠性陀螺等传统的机械陀螺相继问世，在各种武器装备中得到了广泛的应用。20世纪八十年代，激光陀螺、光纤陀螺等现代陀螺相继实用化，惯性仪表技术得到了革命性的发展。随后各种新型惯性仪表陆续问世，其中最主要的是小型、低成本、高可靠性的MEMS惯性器件，该器件直接促成了惯性技术的民用化应用及推广。

随着惯性仪表的发展，由陀螺仪和加速度计构成的惯性系统也逐步发展起来。1942年，德国在V2火箭上首先成功应用了惯性导航系统；到二十世纪五十年代，惯性导航系统在飞机上试飞成功；1958年舡鱼号潜艇依靠惯性导航在北极冰下航行21天；八十年代出现的光学惯导系统已广泛应用于导弹、舰船及飞机导航系统。九十年代开始出现基于微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS）惯性器件的惯性导航系统,为了提高MEMS系统的精度，新型组合导航系统开始大量出现，其中最成功的是惯性/GPS组合导航系统，该系统将惯性导航和卫星导航匹配起来，使之相互取长补短，有效提高惯性导航的性能和精度，并大大降低了成本。

我国的惯性技术发展已有近60年的历史，经历了从无到有、从弱到强、从落后到先进的发展历程。二十世纪五十年代，我国成功研制了液浮陀螺；七十年代，我国成功研制了平台式惯导系统；八十年代末研制成功捷联式惯导系统；九十年代开始出现基于光纤、激光陀螺的惯性导航系统；2000年以后，我国也逐步开始MEMS陀螺及其惯导系统的研制工作。目前，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。此外，随着我国惯性技术的低成本发展，惯性技术在我国国民经济领域的应用与推广也得到了快速的发展，目前已大量应用于大地测量、石油钻井、电子交通、汽车安全、消费电子等领域。

三、惯性技术发展方向

随着惯性技术的不断发展，惯性仪表与惯性系统技术主要向着高性能和低成本两个方向发展，在战略武器的高精度需求、各种常规运载体导航及稳定平台的高动态与高可靠性需求、民用市场的低成本与大批量需求等不同重大需求牵引下，惯性技术又形成了不同的研究方向，主要包括：（1）针对战略武器的高精度惯性仪表与系统技术；（2）针对常规运载体导航及稳定平台的高动态、高可靠惯性技术；（3）针对民用市场应用的小型低成本惯性技术。

（1）战略武器高精度惯性仪表与系统技术

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。据世界惯性技术的权威机构美国Droper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。目前，国际最高水平的光纤陀螺已经达到0.0001°/h-0.001°/h的零偏稳定性，成为未来替代高精度三浮陀螺和静电陀螺第一选择。此外，为了满足大型飞机、舰船、潜艇等长航时运载体的高精度自主定位问题，旋转调制式捷联惯导系统技术也是未来高精度惯性技术领域的重点发展方向。

（2）常规运载体导航及稳定平台的高动态、高可靠惯性技术

光纤陀螺可分为高精度和高过载两大分支，基于量子力学的光纤陀螺是全固态结构，无活动部件，具有动态范围大、启动快、可靠性好的优点，非常适用于大过载工作环境，主要应用对象是高动态运载体导航与高精度惯性稳定平台。因此，基于高过载、高可靠性光纤陀螺的惯性导航与测量系统是常规运载体导航与稳定平台领域的重要发展方向。

此外，为解决惯性导航误差随时间积累的问题，惯性/卫星组合导航技术也将是未来惯性技术热点研究内容之一。组合导航的研究将以高动态、高精度、高可靠为背景，着重解决卫星导航抗干扰、动态响应、深组合、系统集成及优化技术，提高组合导航系统在恶劣条件下的生存能力和系统精度。

（3）针对民用市场应用的小型低成本惯性技术

小型、低成本MEMS惯性器件及系统是未来中低精度惯性技术领域的主要发展方向，目前我国已开发了一系列的MEMS惯性器件及相应的系统，但器件及系统的精度、可靠性较国外的系统仍然存在一定的差距；此外，我国在MEMS惯性技术的民用化应用与推广方面也有待进一步提升。未来一段时间内，小型低成本惯性技术的发展主要包括三个方面，一是进一步加强MEMS惯性仪表设计理论及加工工艺研究，用于研制出新机理、新工艺的高精度、高可靠性惯性器件；二是利用现有的惯性器件对MEMS惯性组合导航算法进行研究，以提高组合导航系统的精度，重点包括GPS，三轴陀螺和加速度计，气压传感器、温度传感器、地磁综合性组合导航系统研究；三是进一步加强MEMS惯性测量与导航系统技术应用研究，拓展应用领域，提升应用的广度和深度。

四、市场情况和应用前景

（一）国防领域

惯性导航及控制系统最初为军用需求而设计，主要为航空、航天、地面及海上军事用户提供导航及控制服务，是现代国防系统的核心和关键技术产品，被广泛应用于军用飞机、导弹、舰艇、核潜艇及坦克等国防领域。

（1）航空领域

航空惯性导航系统是应军用飞机的需要研制发展起来的。随着20世纪我国自行研制的第一代机载惯导系统开始装备军用飞机，我国航空惯性技术的应用和研制水平得到了大幅提升。同时，以基于动力调谐陀螺的捷联惯导系统为核心，综合卫星、多普勒雷达及磁传感器等导航设备的信息，采用余度配置和多传感器信息融合技术的惯性基组合导航系统也形成了系列化产品，应用于中低精度领域。

近年来，随着国内激光陀螺生产水平的不断提高和捷联惯性系统技术的不断进步，激光捷联惯导系统已完成定型并开始形成装备产品，以其准备时间短、快速反应能力强、导航精度高等优点成为新机型研制和老机型改造的首选惯导产品。随着新型载体对导航精度要求的不断提高，更高精度的航空惯导系统也已开始研制，以满足日益增长的长航时、高精度导航需求。

（2）航天领域

我国惯性技术发展历程与惯性技术在航天领域的应用情况密切相关，既得益于航天领域需求的牵引，同时也推进了航天技术的发展。国内有多所高校与科研院所从事航天领域惯性技术研究与应用研究，研制了包括早期的气浮陀螺平台系统、动调陀螺平台系统及目前"神舟"系列飞船、新型导弹、运载火箭采用的惯性仪表在内的多型惯性系统，为我国航天与导弹事业的发展做出了卓越贡献。

目前，我国的火箭运载器用惯性系统正在经历从平台系统向捷联系统特别是光学陀螺捷联系统过渡的过程，捷联系统以其小体积、低重量、不受限制的全姿态机动能力、易于实现的冗余设计等特点，将越来越广泛地应用于运载火箭等具有超高可靠性要求的领域，为提高精度、减低成本而采用的组合导航技术也将得到越来越广泛的应用。

（3）陆用领域

陆用惯性导航系统是应现代地面战争条件下新的作战方式的要求而产生的，这种作战方式要求部队能在广阔的作战地域内快速准确机动，并能够迅速投入战斗；要求坦克、装甲战车等地面作战平台不仅要具有高机动性和运动中射击能力，还能够随时掌握自己、友军、敌军的位置以便协同作战；要求自行火炮之类的作战车辆必须具备频繁且随机地机动与快速瞄准射击的能力，并能够迅速转移到新的射击阵地。所有上述特征都需要地面作战平台具备地面自主导航能力，即在复杂的战场环境下、在无法依赖外部信息的条件下能够自主实时测量自身位置的变化，准确确定当前的位置，精确保持动态姿态基准。

（4）航海领域

航海领域惯性系统的研制和发展源自潜艇的装备需要，其作用是为长期在水下潜航的潜艇连续提供安全航行和发射导弹所需的导航参数和艇体运动参数。潜艇采用惯性导航技术可以增强长时间隐蔽性，也可提高导弹发射的命中概率。此后，随着惯性导航系统成本的不断降低和中等精度舰船惯性导航系统的出现，许多载有导弹武器的水面舰艇也装备了惯性系统。

我国舰船惯性导航系统的发展始于20世纪50年代，经过了以基于传统机电陀螺仪的平台罗经、平台式惯导为代表的早期发展阶段，近年来在高精度系统方面取得了较大的进展，在追求性价比方面也进行了有益的尝试：液浮惯性导航系统精度不断提高，静电陀螺监控器技术日趋完善，激光惯性导航系统逐渐成熟，光纤罗经也已开始应用。

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。我国在国防领域从事惯性技术产品研发及生产的企业主要为航天33所、13所、航空618所、船舶707所、兵器系统所等几家军工研究所，并且主导了该领域的市场竞争格局。随着我国惯性技术的发展，惯性技术应用产品在我国国防领域将发挥越来越重要的作用。

随着国家经济社会发展，中国国防费保持适度合理增长。2008年，中国年度国防费为4,178.76亿元，2012年增长到6,702.74亿元，年复合增长率为12.5%。但与其他国家相比还处于较低的水平。2012年美国的国防预算总额达到了6,710亿美元，比中国国防预算的7倍还多。随着我国国防开支稳步增长、国防信息化建设的加强，惯性导航及控制系统作为国防信息化建设的基础，市场需求将稳定快速增长。我国“十二五”规划纲要提出，未来5年，中国将全面加强军队现代化、正规化建设，预示中国军队装备水平将会有重大提升，武器装备现代化水平将实现质的飞跃，机械化和信息化将实现融合集成，并举发展。预测2012-2015年军费每年平均增长约700亿元。惯性导航及控制类产品市场规模将以年均25%左右的速度快速发展，2015年用于研发及国防装备的惯性产品市场容量将达到293亿元。

图表1：2010-2015年我国国防市场惯性产品市场容量

单位：亿元

 

（二）无人机领域

惯性技术在无人机上的应用，主要是利用新型惯性器件及捷联惯性导航技术为无人机提供精确的速度、位置、姿态等信息，从而实现其精确的导航定位。目前无人机在军事领域的应用最为成熟。同时随着人们对无人机认知程度的加深，其在遥感测绘、边海防、森林防火、管道巡线、应急救灾、警务执法等民用领域呈现出迅猛的发展之势。

在防灾减灾领域，无人机航拍系统作为传统航拍摄影测量手段的有力补充，在小区域和飞行困难地区的高分辨率图像和视频快速获取方面具有明显优势。特别是在道路阻断、能见度差的情况下，无人机能充分发挥无人驾驶飞行、低空作业的优势，在恶劣条件下作业，可很好地完成受灾严重地区的航拍任务，实现以无人机遥感为基础、多源遥感支持下的应急指挥、灾后评估、防减灾预案等方面的技术应用。在火灾监控领域，无人机低空检测系统具有机动快速、使用成本低、维护操作简单等技术特点，在对车辆和人员无法到达的地带进行资源环境检测、森林火灾监视及救援指挥等方面具有独特的优势。在气象探测领域，气象卫星和遥感无人机已成功地监测了每年全球发生在海洋面上的所有飓风和热带风暴，预报台风路径的准确率也在逐年提高。在城市安保领域，无人机可对城市重要目标进行侦查和识别，对人流量、车流量等管制疏导情况进行评估，可尽快了解交通拥挤堵塞地点、事故发生地点和现场情况等。在国土调查领域，无人机可广泛应用在建筑密度分布规律研究、在建工地调查、垃圾堆场的空间分布，污水治理和改造工程的补充论证，为建厂规划或改造提供影响资料等。

随着无人机应用领域的不断拓展和深入，无人机对导航系统精度的要求也越来越高。作为无人机导航系统，其主要任务是确定无人机实时位置、速度和姿态等相关参数或信息。其中，以惯性导航系统为基础的组合导航是无人机自主精确导航的主要发展方向。惯性组合导航系统具有保密性强、不易受外界条件和人为因素的干扰、全天候等优点，能弥补单一卫星导航系统环路带宽窄，易受干扰，接收机数据更新率低，难以满足实时测量与控制的要求等缺点，具有体积小、成本低和输出信息连续等优势，能够获得准确的姿态、航向、气压高度、空速和位置等信息，可实现高精度、高动态性及高可靠性的自主导航。

根据近年来的采购情况，初步估算我国无人机市场的年销售额近5亿元，每年用于研发与采购的总金额不到10亿元，仅占到当年国防经费中装备费的0.5%左右，其中惯性产品占比25%，为1.25亿元。未来3-5年，国内无人机领域就将进入批量采购和应用的阶段，市场规模可望实现年均30%以上的加速增长。据此测算，2015年我国无人机市场容量将达到19亿元，其惯性产品需求将达到4.64亿元。

图表2：2010-2015年我国无人机市场惯性产品市场容量

单位：亿元

 

（三）石油勘探领域

在资源勘探领域的钻探开采中，需要测量井身轨迹和钻头的实际位置，从而保证井深达到预定位置。尤其是石油勘探行业，对斜度和方位的测量有着更高的要求。在石油资源日益枯竭的背景下，国内外钻井界纷纷将目光投向滩海、湖泊、稠油油藏及海洋等复杂地况的勘探和开发。大位移井、大斜度井、丛式井、水平井的日益增多需要精度更高、性能更加可靠的石油测斜仪器。惯性技术的应用，使得这种要求得以满足。惯性基石油测斜仪作为国际钻井中普遍采用的先进测量仪器，能够在175摄氏度的高温环境下可靠测量定向参数和伽玛值，耐温高达200摄氏度，耐压高达150MPa，并将深井中测试的数据准确、及时地反馈到地面控制中心，通过远程控制系统实现钻井方向的精确导航。

近年来，我国石油勘探领域里的惯性技术应用研究发展较快，国内惯性技术的快速发展也为其在我国石油勘探领域里的应用创造了必要的条件。国内多家企业已经开始进行地质旋转导向钻井技术的研究。具有代表性的是由中国石油天然气集团公司研制的CGDS-l地质导向钻井系统。同时，基于惯性技术的石油测斜仪已经在我国石油勘探领域得到了较好的推广和应用。国土资源部、建设部、中石油、中石化、中海油等国家部委和行业总公司对此类产品有着强烈的需求。2006年我国石油测井仪器销售总额为11.2亿，2010年为21.9亿元，2011年增长到25.7亿元，复合增长率为18.25%。其中，2010年基于惯性技术的石油测斜仪销售额为15.33亿元，占石油测井仪器销售总额的比例为70%。随着石油开发向更深、更复杂和隐蔽性更强的油气藏拓展，我国对惯性基石油测斜仪的需求将逐步增加，按照18%的年均复合增长率，2015年惯性基石油测斜仪市场规模将达到35亿元。

图表3：2010-2015年中国石油测斜仪器市场容量

单位：亿元

 

（四）交通测量市场

（1）电子路考

随着经济的快速发展，我国车辆数量迅猛增加。截至2011年底，我国汽车保有量10,578.77万辆，驾驶人员23,562.34万人，分别为1991年的17倍和13倍。随着汽车数量的迅猛增加，我国道路交通事故也居高不下。道路交通事故居高不下的重要原因是驾驶员考试尚未完全电子化，人为干预因素较多，驾驶员技术水平参差不齐。智能化电子路考系统是一套集计算机技术、自动控制、卫星定位、惯性导航及数字化通信技术为一体的综合性考试设备系统，该系统通过安装在车上的陀螺仪、惯性导航（INS）及GPS等设备实时监测车辆的行驶轨迹和运行姿态，以及超、会车过程中的车辆相对位置等数据信息，通过实时采集来自场地项目设备和车载设备的传感信号、车辆定位和姿态数据，通过评判软件实时判定考生在当前项目中的驾驶行为是否正确、合理，进而实现考试全过程的精确判分。这套系统即时记录考生考试全过程，摈弃了传统人工考试的随意性，保证了考试结果的客观公正性。

根据统计，我国有2,862个县级行政区划。如果全国的县级车管所在驾照路考中全面推行电子智能评判取代以往的人工考试，仅县级车管所的市场规模将达到30-33亿元，再加上市级的车管所及驾校的数量，市场发展空间巨大。

（2）高铁检测

统计显示，2010年，我国高速铁路运营里程已达8,538km。2011年我国高速铁路运营里程新增4,715公里，总里程突破1.3万公里。预计2015年高速铁路运营里程将达1.6万公里以上，年复合增长率为4.82%。随着高速铁路运营里程的不断延伸，我国对高速铁路特别是繁忙干线高速铁路的运营维护效率提出了更高的要求。繁忙干线高速铁路的人工养护越来越不适应现实的需要。高质量、高效率养护技术已经成为我国高速铁路实现自动化养护的必然需求。基于惯性技术的路轨检测车可以定期对铁路轨道进行检测，判断轨道是否发生型变、损失、路基是否沉降等。根据全国整个高铁的运营里程进行推算，如果按照每60公里需一套轨道检测设备，每套设备平均市场价140万元测算，那么到2015年整个高速铁路运输行业对铁路检测设备的市场需求为3.7亿元。同时我国的既有铁路和地铁、城市轻轨等领域都需要轨道检测系统，惯性技术应用产品在该领域的应用市场前景广阔。

（五）通信市场

我国是个自然灾害多发的国家，党和政府十分重视抢险救援工作。2008年以来，接连发生汶川大地震、玉树地震、南方水灾等重大自然灾害，给国家与人民生命财产带来重大损失。在抢险救灾、应对各类突发事件中，应急通信系统作为应急指挥的中枢神经，可以及时、准确地传递第一手信息，确保应急指挥中心、联动平台与现场之间的通信畅通，在应急管理中发挥了至关重要的作用。在国家政策的大力支持下，在未来的几十年内，应急通信产业将高速增长。

其中，作为应急通信产业的核心装备动中通主要由天线及馈源系统、转动平台、信息反馈系统、信息采集及处理系统、跟踪控制系统、通信系统等组成。动中通机动性强，优势明显，移动起来也可以通信等特点，使它成为面对灾害时的通信首要选择。2008年汶川大地震，动中通凭借其优异的表现，在灾区与外界中端通信仅六个小时之后，就恢复了通信，在整个抗震救灾过程中时刻保持信号畅通挽救了灾区无数人民的生命和财产安全。

作为动中通的核心部件，高性能动中通天线系统通过内置的高精度惯性传感器，结合GPS定位模块，实现高精度姿态控制，在车辆运动过程中根据惯性测量信息自动控制天线的方位、仰角和极化角，确保天线的波束中心始终精确指向卫星。系统在静态、高速、高动态下均可稳定运行，具有很高的机动性和灵活性，应用领域广泛。

目前我国的“动中通”系统产品在军民市场上正处于快速的发展阶段。据行业专家分析，“十二五”期间，我国军队将配套1,000套车载动中通设备，按照动中通天线系统80万/套测算，市场规模将达到8亿元。根据对国内市场的分析调查，2010年国内动中通天线系统的市场需求为500套/年，2011年达到800套，按照市场均价60万/套计算，市场规模在3-4.8亿元。预计未来五年，市场规模将会以30%左右的速度快速增长，市场需求量将达到1,000套/年以上，市场规模将达到13.71亿元。

图表4：2010-2015年“动中通”卫星通信系统产品市场容量

单位：亿元

 

五、结束语

我国的惯性技术发展已有50余年的历史，经历了从无到有、从弱到强、从落后到先进的发展历程，取得了长足的进步，创造了一系列辉煌的成绩。惯性技术应用范围将进一步拓宽，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。随着行业内企业持续不断的市场引导以及下游客户的需求升级，惯性技术应用市场规模将快速增长，规模效应明显。希望有关部门与企业加大重视力度，组织制定发展规划、加强协调，共同努力工作，创造出良好的经济效益和社会效益。

 

 

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