国防军工周报：惯性导航专题&四季度业绩前瞻

国防军工周报(1.8-1.12)： 惯性导航专题&四季度业绩前瞻 国联证券国防军工研究团队 2024年1月14日 证券研究报告 报告评级：强于大市|维持 市场空间及相关公司梳理 第三部分 军品/民品对惯性导航系统精度要求的不同以及惯导系统的迭代升级 第二部分 目 录 第一部分 惯性导航的基本概念梳理及当前时点为什么需要关注此行业 第四部分 四季度业绩前瞻 1、惯性导航的基本概念梳理及当前时点为什么需要关注此行业 ◥惯性导航（InertialNavigationSystem，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载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。 ◥惯性导航系统是以测量角速度的陀螺仪和测量线加速度的加速度计为敏感元件，根据陀螺仪的输出建立导航坐标系，根据加速度计的输 惯性导航系统基本原理 出并结合初始运动状态，推算出运载体的实时速度、位置和航向、姿态等导航参数的解算系统。 ◥按照陀螺仪和加速度计在航行体上安装方式的不同，惯性导航系统可分为平台式和捷联式两种。 ◥平台式：平台式系统的加速度计安装在由陀螺仪稳定的惯性平台上，平台的作用是为加速度计提供一个参考坐标，同时隔离航行体的角运动。这样既可简化导航计算，又能为惯性仪表创造良好的工作环境。 平台式/捷联式惯导系统特点 ◥捷联式：捷联式系统是将相互正交的加速度计和陀螺仪直接安装在航行体上，这样测得的加速度、姿态角域角速度必须经过计算机进行坐标变换和计算才能得到所需的导航参数。由于捷联式对复杂机电平台依赖度低，逐渐发展为主流发展趋势。 类型 主要应用级别 定位误差典型值 定向误差典型值 技术特征 环境适应性 发展前景 平台式惯导系统 中高导航级、运动隔离 1-2海里/小时 0.1-0.2° 机电一体化系统，系统内部有三到四个实体框架 抗震、抗冲击能力有限 局部被淘汰、市场萎缩 捷联式惯导系 统 中高低导航级、 稳定控制 <1海里/小 时 0.05-0.1° 电子数字化系统，系统内部没有活动部件 抗震、抗冲击能力强 主流应用趋势 ◥根据薛连莉的《2016年国外惯性技术发展与回顾》。惯性技术已有百余年历史，按各类陀螺仪、理论，惯性技术发展通常分为4代。 ◥第一代基于牛顿经典力学原理，典型代表有三浮陀螺仪、动力调谐陀螺仪。特点是种类多、精度高、体积质量大。 ◥第二代基于Sagnac效应，典型代表是激光陀螺仪和光纤陀螺仪。特点是反应时间短、动态范围大、可靠性高。光学陀螺的出现有力推动了捷联惯性系统发展。 ◥第三代基于哥氏振动效应和微米/纳米技术，典型代表是MEMS陀螺仪。特点是体积小、成本低、中低精度、环境造应性强、易于大批量生产和产业化。MEMS惯性仪表的出现，使得惯性系统应用领域大大扩展。 ◥第四代基于现代量子力学技术，典型代表有核 磁共振陀螺、原子干涉陀螺。其特点是高精度、高可靠性、微小型、坏境适应性强。 惯性导航技术发展历程 ◥惯性导航主要由陀螺仪及加速度计组成。惯导系统迭代发展四轮，每一轮产品的基础物理原理均不相同，产品对应组成部件的工作原理也不相同。现阶段，惯导系统正在从基于Sagnac效应向基于基于哥氏振动效应和微米/纳米技术过渡，新产品替代老产品的过程中，带来新的投资机会。 陀螺仪技术迭代发展情况 加速度计技术迭代发展情况 ◥由于新一代惯导系统往往体积小、成本低、环境造应性强，使用范围会向更多民用领域扩展，市场空间更加广阔。 2、军品/民品对惯性导航系统精度要求的不同以及惯导系统的迭代升级 ◥高端惯性传感器包括加速度计、陀螺仪，其中陀螺仪为核心零部件。陀螺仪主要分为激光陀螺、光纤陀螺、半球谐振 陀螺和MEMS惯性传感器四类： 环形激光陀螺：航空航天及其他高端导航与战略应用的重要选择，2020年全球市场规模达15.22亿美元。 光纤陀螺：在各种战术与导航级应用领域和部分工业级应用领域中应用较广，2020年全球的市场规模达6.51亿美元。 半球谐振陀螺：在技术研究领域未披露突破性的进展，未来，随着成本降低或能改变陀螺领域的应用分布现状。 MEMS陀螺：在工业应用领域占主导地位，并不断发展，对陀螺市场前景影响较大，2020年全球的硅微机电陀螺市场规模达4.51亿美元。 ◥MEMS陀螺仪具有小型化、高集成、低成本的优势，解决了第一、二代陀螺仪体积质量大、成本高的不足，并随着精度和稳定性的持续提升，在陀螺仪市场中占据了重要的位置。 四种常见的惯导陀螺仪 资料来源：周年芳《惯性导航基本理论及发展综述》，杜小菁《基于MEMS的微型惯9性导航技术综述》，薛连莉《2019年国外惯性技术发展与回顾》，传感器专家网，仪表网，智能制造网，苏州赫孚，国联证券研究所 ◥根据DDamianos的《High-endinertialsensorsfordefense，aerospace&industrialapplications2020》分析，战略级陀螺仪成本及精度最高，约50000美元，偏差小于0.01°/h；导航级陀螺仪成本约30000美元，精度可达0.01°/h-0.5°/h；战术级陀螺仪成本约10000美元，精度约在0.1°/h-15°/h区间；工业级陀螺仪成本从几十到几百美元不等，精度普遍在10°/h以上；消费级陀螺仪成本可达约1美元，偏差超过40度/小时，精度最低。 不同种类陀螺仪对应零偏稳定性区间 不同种类陀螺仪对应价格 资料来源：DDamianos《High-endinertialsensorsfordefense，aerospace&industriala1p0plications2022》，薛连莉《2020年国外惯性技术发展与 回顾》，国联证券研究所 不同种类陀螺仪对应零偏稳定性区间 ◥加速度计现阶段正向两级化发展,消费级加速度计的应用领域不断拓展,随着制造商的增多,成本不断下降;军用级加速度计精度不断提高，性能也不断提升。 摆式积分陀螺加速度计：精度最高，可达到0.1μg, 但结构复杂、体积大、价格贵,主要用于战略导弹等 高端武器装备。 挠性摆式加速度计：精度范围覆盖5~1000μg，是目前主流的工程应用加速度计,在多个领域中得到大量应用。 石英振梁加速度计：正处于技术转化至成熟应用的快速发展阶段，极具发展潜力,精度已达到10μg,最高精度接近1μg,广泛应用于战术级导航应用领域，近期有望进入战略级应用领域。 硅微机电加速度计：在体积、质量、功耗和成本方面综合优势明显,在制导弹药、机器人、汽车消费电子应用的牵引下,性能日益提升,工程产品精度可达0.1~1mg。特别在高g传感和高分辨振动感应的细分应用领域中,微机电加速度计能够充分发挥其优势。 微光学加速度计、原子加速度计等新型加速度计正在逐步走出基础科学实验室，应用于更广阔世界。 M142发射平台系统 ◥1987年，美国总统里根和苏联领导人戈尔巴乔夫签署中导条约，销毁中、短程弹道导弹和巡航导弹，直至2019年该条约废除。由于中导条约影响，截至2021年美国陆军仅有一款战役战术导弹系统（ATACMS）在役，ATACMS系统多次参加实战，美陆军一直对其十分依赖。 M270发射平台系统 ◥ATACMS系统对应发射平台经历了M270（MLRS）→M270A1→M142（HIMARS）系统的技术迭代，2003年M142（HIMARS）通过定型测试后，M142制式编号开始进入低速量产，同年M270停产，故此M142（HIMARS，又名海玛斯）在很长一段时间内成为美陆军ATACMS唯一在产发射平台。 ◥海玛斯平台能够发射导弹及火箭弹两类武器，其中导弹先后发展形成了6个弹种系列。该弹最远射程300千米，可攻击 敌战役纵深的装甲集群等。 ◥海玛斯系统配置的火箭弹上经历了M26→M26A1→M30→M31的迭代过程，主要是通过优化发动机性能，增加INS/GPS组合 美国陆军精确制导弹药发展系列及主要性能 制导体制，实现火箭弹的增程和命中精度方面的提高。 主要性能 装备型号 GMLRS制导火箭弹 “神剑”155mm精确制导炮弹 120mm精确制导迫击炮弹 发射平台 MLRS、HIMRS 155mm榴弹炮 120mm迫击炮 弹药型号 M30、M31 BLOCKⅠa-1、Ⅰa-2 APMI GMLRS+ BLOCKⅠb PGMM(XM395) 最大射程/km 70 24、40 7 120 48～60 7.2～12 精度CEP/m 10-30 10-30 5～10 0.5 制导方式 INS/GPS INS/GPS INS/GPS制导 半主动激光末制导 进展情况 已装备 已装备 正发展 正发展 正发展 暂停发展 ◥海玛斯作为美军现役主力火箭炮，火箭弹主要型号为M30与M31，M30/31两种制导火箭弹统称GMLRS。根据张世展的《美国“海马斯”火箭弹抗干扰能力分析》，GMLRS火箭弹的装置制导为HG1700，GMLRS的精度是军事机密，早期的测试结果或可达到2.1米。火箭弹飞行速度达到3马赫，电磁干扰系统的干扰时间窗口短，海玛斯接收不到GPS后自动转入惯性制导方式，经计算惯性制导误差为3.75米。 ◥查询霍尼韦尔官方网站，HG1700惯导系统包含四类产品，其陀螺仪工作模式为环式激光陀螺（RLG），零偏稳定性指标最高精度为1°/h；加速度计工作模式为石英振梁式加速度计，零偏稳定性指标最高精度为1000μg。即，海玛斯上火箭弹使用的陀螺仪最高精度不超过1°/h，加速度计最高精度不超过1000μg，就可以达到70km对应约4米误差。 ◥零偏稳定性指标为1°/h，除激光陀螺能够达到外，部分光纤陀螺及MEMS陀螺也可以达到，且指标相同情况下往往价格 霍尼韦尔HG1700产品特点及精度 更低。故此，光纤陀螺及MEMS陀螺随着全系列指标的优化，也有望能够在火箭弹领域推广使用。 产品型号 产品编号 产品特点 应用情况 陀螺仪 加速度计 工作模式 Biasstability （°/hr） 工作模式 biasstability （μg） HG1700AG37 采用外部环境环 1 1000 HG1700AG72 隔离器过滤现实 武器、无 2 1000 HG1700 应用的不必要的传感器输入，简 人机、稳定平台和 RLG RBA HG1700AG60 3 2000 HG1700AG68 化系统集成，不 商业应用 5 3000 需外部散热器 3、市场空间及相关上市公司梳理 ◥行业空间方面，2014-2022年，受益于全球各国无人系统规模增长，以及新型弹道导弹系统、火炮系统等精确制导武器需求的持续增加，全球惯性导航系统市场维持较高增长，CAGR达8.84%；2022年全球惯性导航系统市场规模达195.88亿美元。 ◥随着MEMS技术的发展，惯导产品的成本逐渐降低，惯性导航技术在民用领域也开始被广泛使用，2022年市场规模约为 274.1亿元。 全球惯性导航市场规模 中国惯性导航市场规模 总体单位：航天科工二院、三院、四院，航天科技一院、五院、七院，兵器集团等 长盈通 上游 中游北方导航 理工导航 科工三院 33所 MEMS 相关企业 长飞光纤 下游导弹 火箭 卫星 ◥海玛斯火箭弹M30/M31使用的HG1700惯导系统，其陀螺仪工作模式为环式激光陀螺（RLG），零偏稳定性指标最高精度为1°/h。此精度部分光纤陀螺及MEMS陀螺也可以达到，而MEMS还具有成本低、体积小等有点，未来有望在火箭弹等军用领域快速普及。 4、四季度业绩前瞻 ◥预计军工行业2023年需求尚未落地，整体业绩在四季度依然承压，上游开始有部分价格压力的传导落地，利润率将有 所下滑，因此预计四季度业绩全行业是略微下滑的。 代码 名称 市值/亿 净利润/亿 业绩增