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惯性导航系统应用一片亟待开发的蓝海市场

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导读:惯性导航系统(INS)是一种自主式推算导航技术,不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量,因此具有隐蔽性好、不受外界电磁干扰影响等独特优势。

在自动驾驶领域,仍是惯性导航系统应用一片亟待开发的蓝海市场,具有广阔的市场空间。根据中国产业信息网的预测,预计2026年惯性导航系统的市场规模有望达到482亿元。受益于自动驾驶技术的快速发展,惯性导航有望迎来广阔市场空间。

惯性导航系统是利用惯性传感器(IMU)测量载体的比力及角速度信息,结合给定的初始条件,与GNSS等系统的信息融合,从而进行实时推算速度、位置、姿态等参数的自主式导航系统。

惯性导航技术是决定载体运行品质、运行安全、运行控制的核心关键技术。在惯性导航的众多应用领域当中,军事领域的应用相对成熟,在国防科技中占有重要地位。最初主要应用于精确制导等特殊领域,是战斗机、巡航导弹、洲际导弹、核潜艇、水面舰艇、陆地战车等武器及卫星、飞船、航天飞机、运载火箭等航天器等国防军事领域的必备导航设备。

在自动驾驶领域,仍是惯性导航系统应用一片亟待开发的蓝海市场,具有广阔的市场空间。

20世纪初期,随着火箭技术的大规模发展,惯性技术开始蓬勃发展。德国率先以惯性技术为基础成功研制了V-II火箭的制导系统,标志着惯性技术在导航领域的首次成功应用。其后惯性导航不断被应用于潜水艇、卫星、导弹、飞机、太空实验平台等工作环境复杂、数据要求全面的运载体之上。

一、惯性导航产业链

惯性导航产业链主要分为基础器件制造、惯性导航产品系统和下游的应用领域。上游惯导系统元器件主要包括电子元器件、惯性器件和其他参考信息设备。中游主要产品包括信息采集处理模块、测量单元模块和卫星测姿模块,以及对各模块进行系统集成和软件设计。下游惯性导航产品主要面向国防装备、航空航天、航海陆运、科研教学、仪器制造和汽车电子等领域。

惯性导航产业链

二、上游基础器件:核心装置,价值占比最高

上游惯性器件是核心装置,在惯导系统领域中制造难度最大,价值占比最高,但毛利率水平低于中游。惯性器件包括陀螺仪、加速度计等惯性传感器及光学器件、电子元器件等。根据Yole Development 的统计,2019年全球各品类惯性传感器合计市场容量为32.4亿美元,预计到2025年市场总规模将达到38亿美元。

加速度计和磁传感器示意图:

陀螺仪

惯性导航系统是利用陀螺仪和加速度计为传感元件,通过测量惯性空间的旋转角速度和线加速度,根据经典的惯性力学原理建立空间三维运动方程,实时解算载体的速度、位置、姿态等运动全部参量。

根据陀螺仪的不同,可分为机械(常用的为挠性陀螺、液浮陀螺)、光纤、激光、微机械(压电、震动等)等类型的惯性导航系统。

惯导系统根据陀螺仪分类

从市场格局来看,目前中国在惯导技术上与国际领先水平存在差距,中低端陀螺仪已基本实现了国产化,高端陀螺仪仍依赖进口。对于精度需求不高的民用惯导系统,上游陀螺仪供给充分,价格稳定。

从惯性传感器组合市场竞争格局来看,中国市场主要由博世、意法半导体、TDK、霍尼韦尔和亚德诺等海外龙头企业占据。

2019年惯性传感器组合市场竞争格局

三、中游:惯性导航系统产品

惯性导航产业链中游主要根据下游客户对惯性产品需求及实际工作环境将上游厂商生产的标准化惯性器件进行惯性技术测试等相关工序,并根据参数及目标工作环境调整惯性技术系统以对惯性器件进行纠偏、补偿等,结合集成相关功能性芯片、基础元器件等工序,并选用适当算法、参数,开发适合客户行业及工作特点的软件,最终进行系统集成形成能为下游终端用户直接应用的惯性技术产品。

激光惯导精度最高,战略导弹、战斗机、直升机、潜艇和舰艇通常采用激光系统作为主惯导系统,成本为百万级别。

光纤惯导精度整体略次于激光惯导系统,在卫星、中程导弹、直升机和教练机也有广泛应用,成本为几十万级别。

MEMS惯导系统精度相对较低,能够在短时间内保持高精度,但具备成本低、体积小的优势,在战术导弹、鱼雷等消耗性武器上有广泛的应用,成本为十万元级别。

MEMS惯性传感器研发、制造商一览表

国内传统惯导技术源头包括航天科技13所、航天科工33所、船舶707所、航空618所及兵器214所等。主要为军工企业,以武器装备为主,高精度,高成本,低产量,对民用市场不敏感。

具备惯导系统制造能力的企业包括航天33所、航天13所、中航618所、航天电子、航天704所、耐威科技、西安晨曦、中星测控和星网宇达等。

惯性导航产品市场的主要竞争者

四、下游应用领域:军用和民用两部分

下游应用军用市场基本被国内军工企业占据,民营企业集中在民用市场。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。我国军工企业具备惯性技术全产业链的生产能力,大部分的军用惯性技术市场被军工企业占据。民用市场包括大地测量、石油钻井、电子交通、汽车安全、消费电子等领域。

五、惯性导航系统:自动驾驶高精度定位关键部件

在惯导的众多应用领域当中,军事领域的应用相对成熟,而自动驾驶领域,仍是惯导系统应用一片亟待开发的蓝海市场。组合惯性导航系统是自动驾驶应对车辆复杂行驶环境的刚需。

传统GNSS定位需要RSK技术来提高定位精度,而RSK技术在星况不够良好时发生的多路径问题以及GNSS更新频率不够高带来的精度大幅下降的问题需要惯导系统进行辅助校准,惯导系统为提高自动驾驶全环境适应能力的必要补充。

目前惯性导航已成为众多车企量产自动驾驶的主流方案,小鹏P5/P7已标配惯性导航,蔚来ET7、智己L7、华为AITO、哪吒汽车等车型也将配置惯性导航。

除此以外,Waymo、Apollo、Momenta等面向L4路线的自动驾驶科技企业亦采用惯性导航作为自动驾驶标配硬件。

惯性导航系统有望凭借其自主性成为自动驾驶高精度定位中必不可少的关键部件,是L3及以上等级自动驾驶车辆不可或缺的模块,能够在GPS、GNSS、5G等外部信号不佳时通过自身运动信息实现定位。

目前国内已有多家优秀初创企业在车用惯性导航系统领域发展较快:

深圳导远科技有限公司专业从事惯性导航和光电技术开发,是国内先进惯性及光电传感产品的供应商。目前已为主流主机厂多款车型定点配套供货。

上海戴世智能科技有限公司目前已与上汽集团有战略合作。核心团队有汽车行业背景。公司惯导产品算法融合了车辆动力学方程,产品已经应用在无人机系统、汽车自动驾驶测试领域。

北京羲朗科技有限公司团队在军用惯导领域有深厚积累。目前已与京东无人车等进行合作。

汽车用的传感器对性能、体积、寿命要求非常高,决定了车用惯导传感器将采用MEMS技术。随着自动驾驶技术级别的提升,对MEMS惯性传感器芯片的性能要求将持续提高。

国内的惯性导航组合研发起步较晚,技术上与国外存在不小的差距。当前主要瓶颈在高精度惯组芯片设计、封装以及组合导航算法设计技术上。

算法的优劣决定传感器是否能发挥其最佳性能,也决定了惯性导航系统的稳定性和可靠性。随着惯性导航系统算法的不断成熟,通过算法优化来提升系统性能的空间越来越小,而对惯性传感器芯片硬件性能的依赖程度则会相应提高。

来源:行行查

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