惯性器件行业现状及发展态势
思瀚产业研究院 天箭惯性    2023-09-22

（1）惯性技术简介

惯性技术是以牛顿运动定律为基础的多学科交叉综合技术，通过感知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，从而实现对运动物体姿态和运动轨迹进行测量和控制的一门技术，也是惯性器件、惯性导航、惯性制导、惯性姿态稳定等技术的统称。

惯性技术的应用以惯性器件、惯性系统为载体，其中惯性器件作为惯性系统的核心器件，在实现惯性技术应用的过程中起着重要作用。惯性器件主要包括陀螺仪和加速度计，陀螺仪获知运动体的角速度，用以计算运动体的角度变化；加速度计获知运动体的线性加速度，用以计算运动体的速度变化。

结合惯性器件的信息，惯性系统辅以时间维度进行自主运算后，即可实现对物体在一定期间的运动姿态、位置、速度等信息的精确感知和测量，进而在对这些信息进行综合处理的基础上实现对运动体之运动参数的有效控制。将上述感知、测量、控制的结果结合下游应用领域的具体需求，即可实现惯性技术的实际应用。

（2）惯性器件行业概况

随着惯性器件的持续发展，惯性技术水平大幅提升，其中陀螺仪技术的发展尤为重要。陀螺仪技术自问世以来，发展至今已有 160 余年历史，在导航、制导与控制等领域得到了广泛应用。随着科学理论的进步和工艺水平的不断提高，基于不同测量原理的陀螺仪相继出现，各国对陀螺仪精度、稳定性、可靠性、成本、体积等性能指标的不懈追求，极大地促进了陀螺仪技术的发展。

陀螺仪按其测量原理可划分为：基于牛顿经典力学原理的转子陀螺仪，典型代表有液浮陀螺仪、动力调谐陀螺仪以及静电陀螺仪；基于萨格纳克（Sagnac）效应的光学陀螺仪，典型代表是激光陀螺仪和光纤陀螺仪；基于哥氏振动效应和微米/纳米技术的 MEMS 陀螺仪和半球谐振陀螺仪；基于现代量子力学技术的核磁共振陀螺仪、原子干涉陀螺仪。

2、行业发展态势

（1）各类陀螺仪在不同应用场景持续发展

现阶段半球谐振陀螺仪主要应用于高精度的空间领域，而核磁共振陀螺仪和原子干涉陀螺仪则分别处于工程样机阶段和原理样机阶段，目前我国应用最多的主要包括光纤陀螺仪、激光陀螺仪、动力调谐陀螺仪以及 MEMS 陀螺仪。

不同应用领域对陀螺仪的性能具有不同的要求，根据陀螺仪核心指标零偏稳定性（衡量陀螺仪在一个工作周期内，当输入角速率为零时，陀螺仪输出值围绕其均值的离散程度，数值越小表示性能越高），一般将陀螺仪分为战略级、导航级、战术级、商业级。

战略级应用场景集中于航天和航海领域，包括战略导弹核潜艇、航空母舰或者洲际导弹等，精度要求高水平，多使用激光陀螺仪；导航级应用场景多为飞机、中远程导弹武器等，精度要求中高水平，多使用激光陀螺仪、光纤陀螺仪；战术级应用场景包括装甲车辆、中短程制导武器等，精度要求中低水平，多使用光纤陀螺仪和动力调谐陀螺仪；商业级应用场景为民用，常用领域包括汽车导航、消费电子产品等，精度要求较低，多使用 MEMS 陀螺仪。

不同运用领域对陀螺仪的性能要求不同，通常需要综合考虑精度、体积与成本等因素。例如小型化制导武器对精度要求适中，但需要小体积、低成本与高稳定性的特性，而战略级运用则追求极致的精度特性，体积与成本则可以适当放松要求。

①转子陀螺仪

转子陀螺仪包括液浮陀螺仪、动力调谐陀螺仪、静电陀螺仪。液浮陀螺仪是利用液体的静浮力将陀螺仪组件悬浮起来的陀螺仪，制造工艺较为复杂，成本较高且寿命较短，因此国外在 20 世纪 80 年代就被激光陀螺仪和光纤陀螺仪所取代，目前国内少部分高精度军用领域还在使用。

相比于液浮陀螺仪，动力调谐陀螺仪结构简单、精度中等、成本较低，在20 世纪 70 年代开始广泛用于多种军用领域，但随着光学陀螺仪的发展，动力调谐陀螺仪在导航级应用领域中开始逐步被替代，目前主要用于战术级应用。相较于大多光学陀螺仪，动力调谐陀螺仪在结构尺寸、成本方面具有一定优势；而相对于大多 MEMS 陀螺仪，动力调谐陀螺仪在环境适应性方面上具有一定优势。特别是在小型化制导武器导引头稳定平台系统方面，微型化动力调谐陀螺仪是较好选择，并在我国现役多型国家重点武器装备上使用。

静电陀螺仪是利用球形转子与电容极板之间的强电场产生的静电吸力将空心或实心球形转子悬浮起来的陀螺仪。静电陀螺仪内部被抽成高真空，精度高，目前通常被用在弹道导弹、核潜艇和航空母舰等高精度军用领域。相对于光学陀螺仪，液浮、动力调谐等转子陀螺仪的应用场景相对较窄。

②光学陀螺仪

光学陀螺仪包括激光陀螺仪和光纤陀螺仪。

激光陀螺仪在战略级、导航级惯性导航系统中均有应用，主要满足航空航天、海军舰船等军事装备的较高精度需求。

光纤陀螺仪使用光纤作为激光回路，由于光纤可以进行绕制，因此光纤陀螺仪中激光回路的长度比环形激光陀螺仪大大增加，陀螺仪灵敏度实现提高。与传统的转子陀螺仪相比，光纤陀螺仪不使用机械转动件，灵敏度更高，与环形激光陀螺仪相比，不需要光学腔的精密加工、机械偏置和高压电源，制造工艺更为简单，使用寿命更长；与 MEMS 陀螺仪相比，在技术性能和环境适应性上具有优势。因此光纤陀螺仪是目前国内惯性技术领域应用范围最广的陀螺仪。视应用场景性能需求，不同精度的光纤陀螺仪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仪主要应用在航空航天等高端武器装备领域，而低成本、低精度光纤陀螺仪主要应用在石油勘查、工业机器人等对精度要求不高的民用领域。

③振动陀螺仪

振动陀螺仪中的 MEMS 陀螺仪具有体积小、质量轻、集成化程度高、功耗低、成本低等优点，相比光学陀螺仪和机械转子陀螺仪，现阶段其精度还相对较低，环境适应性能力较低。在消费类电子方面，低精度 MEMS 陀螺仪应用领域不断拓展，主要用在手机、游戏机、音乐播放器等手持设备上，使得人机互动达到一个新的高度；中级 MEMS 陀螺仪主要用于汽车电子稳定系统、GPS 辅助导航系统、精密农业、工业自动化、大型医疗设备等；在军工领域，现阶段高精度的 MEMS 陀螺仪还不够成熟，应用较少。

（2）惯性器件及系统的市场需求持续提升

①惯性器件市场

近年来，由于汽车工业、消费电子、航空航天以及武器装备领域的快速发展，惯性技术的应用范围也不断扩大，惯性器件及系统的市场需求持续增加。根据Global Industry Analysts, Inc 在 2021 年发布的预测，全球加速计及陀螺仪的市场规模预计在分析期间（2020 年～2027 年）将以 3.8％的年复合增长率增长，从2020 年的 31 亿美元，到 2027 年达到 41 亿美元。

②惯性系统市场

惯性系统是以惯性器件为核心，利用集成技术实现导航、姿态稳定、测量等功能，其中惯性导航应用最为广泛。

A、惯性导航

惯性导航是一种自助式的导航设备。其基本工作原理是利用陀螺仪和加速度计测量载体在惯性参考系下的角速度和加速度，并对时间进行积分、运算得到速度和相对位置，且把它变换到导航坐标系中，这样结合最初的位置信息，就可以得到载体现在所处的位置。

惯性导航具有隐蔽性高、覆盖范围广、短期精度高等优点。相对于卫星导航系统需要依靠卫星完成导航工作，惯性导航依靠自身搭载的惯性器件完成导航工作，不依靠外界信息同时也不向外部辐射能量，因此具备较高的隐蔽性；惯性导航系统可以全天候工作于高空、地表、水下等各种环境，导航覆盖范围较广；惯性导航系统可以依靠惯性器件输出角（加）速度、线（加）速度、航向和姿态等数据，与卫星导航系统相比数据提供更为丰富；同时，惯性导航系统可以进行实时、连续工作，数据更新频率快、短期精度高。

惯性导航系统应用范围较广，军用领域方面，在舰艇船舶、航空飞行器、航天飞机、陆地车辆等装备上均有所应用；民用市场则包括电子交通、汽车安全、消费电子等领域。根据头豹研究院预测，2024 年中国惯性导航军用市场规模为310.2 亿元，民用市场规模为 119.5 亿元，其中军用市场占比为 72.2%，是中国惯性导航的主要下游应用场景。

B、惯性制导

惯性制导利用惯性原理控制和导引导弹（或运载火箭）飞向目标的应用。惯性制导的原理是利用惯性测量单元测出导弹的运动参数，形成制导指令，通过控制发动机推力的方向、大小和作用时间，把导弹自动引导到目标区。惯性制导是以自主方式工作的，不与外界发生联系，所以抗干扰性强和隐蔽性好。

C、姿态稳定

姿态稳定指采用惯性器件作为反馈元件，利用惯性器件特性保持运动载体及其相关设备的稳定。姿态稳定被广泛应用于装甲车辆、船舰、飞机以及导弹等军用领域，比如用于坦克的光学稳瞄系统，从而保障坦克火力射击的稳定性，减少车体振动等外界环境干扰的影响；比如为了减少外界扰动对于红外成像跟踪的影响，用于导弹导引头、机载吊舱设备的稳定平台系统。现代战争要求打击平台和打击武器具有较高的精准度，惯性稳定平台系统能够有效提高武器装备的精准打击能力，提高整体作战效能，具有良好的市场需求。

（3）惯性技术应用的终端市场规模持续增加

惯性技术应用的终端市场分为军用和民用市场，在军用市场主要用于各类型武器装备。

① 军用市场

近年来国际局势错综复杂，加强军队现代化建设对于维护我国稳定发展尤为重要。2023 年 3 月 5 日，全国两会《关于 2022 年中央和地方预算执行情况与 2023年中央和地方预算草案的报告》发布。报告中指出，2023 年中国国防支出 15,537亿元，增长 7.2%。2021 年以来，我国国防预算增速逐年上调。

2020 年，我国国防支出预算 1.27 万亿元，增速 6.6%；2021 年、2022 年和 2023 年，我国国防支出预算分别为 1.38 万亿元、1.48 万亿元和 1.55 万亿元，增速分别为 6.8%、7.1%和 7.2%。随着我国军费稳定增长，装备采购力度有望持续加大，而惯性器件作为多种装备关键分系统的核心器件，将受益于装备采购费的持续增长。

A、导弹

目前惯性制导已普遍应用在我国空空导弹、巡航导弹和弹道导弹等领域，同时惯性稳定控制也广泛用于多种精确制导武器等领域。导弹是由导弹弹体、弹药、导引头、发动机等构成的，能独立执行作战任务的武器系统。从多场近代信息战争可知，导弹以其优异作战性能，在战争防御和攻击中重要性愈加凸显。

我国现役导弹整体技术实力处于国际领先地位，但装备配置数目较低，与美国等有较大差距。根据浙商证券股份有限公司 2021 年发布的研究报告显示，20 世纪 90 年代的几场局部战争中精确制导弹药的使用比重逐渐达到 70%以上，导弹便是精确制导弹药的主要类型之一，在今天世界各国军事力量中占据极其重要的位置。

从“十三五”开始，新型武器平台持续上量，导弹作为武器平台的配套装备，需求也相应增加。另外，导弹作为武器平台上的一种“消耗品”，需要有相应储备，武器平台数量的增长，给导弹带来更大的需求。同时“聚焦备战打仗”、“实战化训练”，“实战化”已经是目前我国事训练的指导思想，“实战化训练”将带来弹药消耗的增长。

从实际情况来看我军的弹药消耗量也在持续增加。2019 年解放军报报导，东部战区某旅“2018 年枪弹、炮弹、导弹消耗分是别是 2017 年的 2.4 倍、3.9倍、2.7 倍；2021 年国防部新闻发言人表示，2021 年上半年“各部队开训即掀起练兵热潮，突出按纲施训打基础，坚持实战练兵强能力，与往年同期相比，全军弹药消耗大幅增加，高难课目训练比重持续加大，部队训练质效稳中有升。”2022年政府工作报告提出“全面深化练兵备战，坚定灵活开展军事斗争”，练兵备战被提到了新的高度。

“十四五”期间导弹需求保持持续增长态势，惯性器件作为导弹制导和稳控平台系统的重要器件，将会持续受益。

B、军用飞机

在现代战争中，由于战场环境的复杂性，军用飞机难以完全依靠卫星定位系统和地面导航装备完成导航工作，惯性导航系统不受外界信息干扰和战场地理环境制约，可以保障军机在战斗期间完成实时导航和定位。不同机种的任务特点对导航精度要求有一定差别，但整体需求基本为导航级精度。

相比于美国，我国不仅在战机数量上有巨大差距，在飞机代数也有明显差距，目前我国仍有一半的战斗机为二代机，二代机大多数采用机械转子陀螺仪惯导系统，随着歼-7、歼-8 等机型的陆续退役，机械转子陀螺仪惯导未来也将逐渐被淘汰。未来我国空军二代机将逐步退出战备序列，主战机型将以三代机为主逐渐向四代机过渡。未来我国新增军用飞机将逐步采用激光和光纤陀螺仪惯导系统，预计未来我国军用飞机升级换装需求将会促进惯性器件的需求。

直升机已成为现代战争不可缺少的武器装备，直升机精确打击技术和光电技术密切相关。从第 1 代直升机采用的白天型红外制导、电视制导等，到第 2 代、第 3 代直升机采用的昼夜型激光制导、毫米波制导等，直升机稳瞄系统起着至关重要的核心作用，不仅要完成光电制导，而且要实现瞄准线的稳定和目标搜索、瞄准与跟踪。随着未来“发射后不管”的制导技术发展，光电系统仍将在导引头系统和稳瞄系统中扮演重要角色。

C、地面装甲车辆

惯导系统一方面可以为火炮提供航向角和姿态角，另一方面可以协助装甲部队在卫星导航失效的条件下快速准确移动到指定位置参与战斗。我国装甲车辆武器装备体系中老旧型号占比较高，未来新型主战坦克和装甲步兵车辆将会加速列装，同时有牵引火炮、自行火炮和自行火箭炮车等装甲车辆装备也将进入更新换代过程。目前我国新式坦克装备均配备光纤陀螺仪惯导系统，随着装甲车辆升级换代的进度的加快，惯性器件作为惯性系统的核心器件将会受益。

D、航天领域

惯性技术在航天领域的应用可以分为两方面：一是用于卫星和载人飞船等航天器的姿态稳定，二是用于运载火箭的导航、控制等。根据中国航天科技集团有限公司 2023 年发布的《中国航天科技活动蓝皮书（2022 年）》，世界主要航天国家高度重视航天战略地位，推进相关战略部署。2022 年，中国全年完成 64 次发射任务，研制发射 188 个航天器，总质量 197.21 吨居世界第二位，各项数据均创历史新高。随着航天领域战略部署的加快，惯性器件将会受益。

E、海军船舰

现代舰船出海训练、执行任务非常频繁，并且出海时间较长。为保障舰船的航海安全，要求作为舰载主要导航设备的惯性导航系统在长时间内保持高精度，对可靠性等也提出了更高要求。

受海面复杂气象条件影响，颠簸起伏的海面势必对舰载武器的打击精度或者其他舰载装备的稳定可靠工作造成影响，陀螺仪应用在舰载武器的稳定平台系统中，它可以使武器系统具备更加稳定的工作基准，瞄准系统具备更高的瞄准精度，使得武器系统拥有更好的机动性、实用性和可靠性。

②民用市场

随着国民经济的持续增长，惯性技术在无人机、石油勘探、移动通信、消费电子等领域得到了广泛应用。