2025年4月7日，法国泰雷兹集团宣布推出一款采用MEMS（微机电系统）技术的新型惯性测量单元（IMU）。该产品基于泰雷兹TopAxyz IMU系列，采用三轴环形激光陀螺仪和MEMS加速度计，专为大规模生产而设计，保持高性能的同时，具有更低的体积、重量和功耗。预计首批交付时间为 2026年下半年。

泰雷兹新型IMU概念图,包括三轴环形激光陀螺仪和MEMS加速度计（泰雷兹官网图片）

惯性测量单元（IMU）是现代飞机导航、飞行控制和姿态监测系统中不可或缺的核心部件之一。IMU内的加速度计能够实时测量飞机在三个轴向上的加速度。通过精确的数学积分运算，加速度数据被转换为飞机的速度变化信息，进一步积分得到飞机的位置变化情况。结合初始的位置和速度数据，IMU可以持续、实时地计算出飞机在三维空间中的当前位置和速度矢量，即使在没有外部导航信号（如 GPS）的情况下，也能为飞机的自主导航提供关键支持。IMU内的陀螺仪能够实时、精确地测量飞机绕三个轴的旋转角速度，并通过积分计算得到飞机的姿态角，包括俯仰角、偏航角和滚转角。这些姿态角信息对于飞机的飞行控制系统至关重要，它使得飞行控制系统能够实时了解飞机的姿态状态，并根据预设的飞行控制律和目标姿态，精确地调整飞机的各个控制面（如副翼、升降舵、方向舵等）和发动机推力，以保持飞机的稳定飞行或实现预期的飞行姿态变化。

在现代飞机的综合航电系统中，IMU与其他传感器（如大气数据系统、GPS 等）以及飞行控制系统、航空电子任务系统等进行深度融合。通过数据总线，这些系统之间可以实现快速、高效的信息共享和交互，从而实现更复杂、更精确的飞行控制和管理功能，提高飞机的整体性能和作战效能。

主要优势

高性能与强适应能力

TopAxyz系列是泰雷兹最新一代高性能惯性测量单元，采用基于环形激光陀螺仪（RLG）的先进惯性技术，可达到导航级或战术级性能，已广泛应用于各类民用和军用平台，例如飞机、直升机、无人机、陆地车辆、导弹、舰船等。航空领域，该产品已被应用于军用运输机（KC390；C295）、战斗机（幻影 2000；苏霍伊）、直升机（虎式）、民用客机（A350  XWB；ATR-600）。在商用航空领域，TopAxyz已累计飞行了3500万小时，即使在最严苛的条件下也能展现出最佳的精度、安全性和可靠性。

惯性测量单元是海陆空各类有人和无人平台新型多传感器数据融合的核心设备。多传感器数据融合效率与卡尔曼滤波器中引入的传感器模型直接相关。TopAxyz IMU及其环形激光陀螺仪具有最简单的数据模型，仅限于少数参数，在各种外部环境（例如气候、磁场、冲击、振动）中均具有高度代表性。TopAxyz IMU提供来自陀螺仪和加速度计的角速率和加速度测量，并补偿温度变化以及圆锥运动和划桨运动。内置补偿功能经过优化，可最大限度地提高传感器性能并降低用户计算复杂度。可靠性方面，TopAxyz IMU按照最高安全关键等级标准（即DO-254 A级）开发，并具备永久全面的自我监控功能，这得益于详尽的故障模式分析（FMEA），为各类应用提供最高级别的完好性保障。

新产品采用了MEMS加速度计而非传统的机械式加速度计。经实际测试，新型惯性测量单元不仅保持了原有产品的高性能，能够提供精确的定位、导航、姿态和航向信息，而且增强了在强加速、振动、复杂电磁场和超高速等恶劣环境下的适应能力。面对近年来日益普遍的卫星导航信号干扰和欺骗威胁，TopAxyz新型惯性测量单元仍能保持强大的导航能力，提供GNSS拒止条件下更具“弹性”的导航方案。

降低体积、重量、功耗

MEMS技术被广泛应用于制造低成本、小型化的惯性导航系统，包括MEMS加速度计和陀螺仪。TopAxyz新型惯性测量单元采用了数字MEMS加速度计，相比于之前的产品，体积更小（缩小20%），重量更轻（减少10%），功耗更低，更利于大规模生产。体积和重量减小对于空间有限的飞机平台具有重要意义；功耗降低意味着延长了设备工作时间，减少了散热需求。

此外，新产品在设计之初就考虑了规模化生产的需求：一是制造工艺简化，通过优化产品结构和组件选择，减少了制造过程中的复杂步骤，提高了生产效率和一致性。二是自动化测试系统，开发了专用的自动化测试平台，能够高效完成IMU的校准和性能验证，减少了人工操作环节。三是产能扩充计划，泰雷兹法国波尔多的生产基地正在进行扩建，计划将年产能从当前的300台提升至1000台，为满足商用和军用市场的长期需求提供可持续的工业基础。

核心技术

惯性测量单元中最重要的组件是陀螺仪和加速度计，主要精度指标包括零偏稳定性、标度因子、角度随机漂移等。泰雷兹将其惯性测量单元按照陀螺仪和加速度计的零偏稳定性量级分为高性能和低性能，高性能产品主要用于航空、航天、航海、武器瞄准等应用，低性能产品用于汽车、消费电子等应用。零偏稳定性越小，代表惯性测量单元的精度越高，性能越好；同时成本、体积等也会更高。针对不同的应用场景，一般会在满足精度要求的条件下，选择更加低成本、高可靠的加速度计和陀螺仪技术方案。

不同应用类型IMU性能（泰雷兹官网图片）

TopAxyz IMU主要指标

环形激光陀螺仪

TopAxyz采用了先进的环形激光陀螺仪（RLG）技术，具有高精度、高可靠、稳定性好、抗干扰能力强等优势，且比光纤陀螺仪（FOG）和半球谐振陀螺仪（HRG）更加紧凑。以TopAxyz海军平台型惯性导航系统为例，其体积、重量和功耗都显著降低，因此更易于集成到舰船等有限空间环境。

应用不同陀螺仪的惯性导航系统指标

（泰雷兹官网）

数字MEMS加速度计

TopAxyz数字MEMS加速度计可提供从导航级到战术级的广泛性能范围，适用于各类民用和军用平台的惯性导航系统、飞行控制与制导系统等。该产品精度小于70 μg，测量范围高达100g；可替代传统的石英加速度计；具有30年以上的使用寿命，可靠性高；采用了泰雷兹的专利技术和设计；易于集成到各种平台。主要特点包括：

在恶劣环境下高达100 g测量范围；

优异的长期稳定性，兼容高级惯性系统；

标准数字接口（SPI）可直接提供速度增量，简化信号处理；

可配置同步模式，可作为主设备或从设备，数据速率可编程；

永久自我监控（IBIT、CBIT）检测安全关键系统的内部故障，增强可维护性；

用于热补偿的内部温度传感器；

补偿参数存储在内部存储器中；

通过主数字接口访问传感器参数，简化了传感器的控制和监控。

TopAxyz数字MEMS加速度计尺寸相当于一块积木（泰雷兹官网图片）

TopAxyz数字MEMS加速度计主要指标

未来发展

MEMS技术广泛应用

基于MEMS技术的惯性测量单元具有小型化、低功耗、高可靠等优势，已被广泛应用于小型或微型无人机等平台，然而其精度还有待提高。为将MEMS惯性测量单元精度提升至导航级，泰雷兹目前采用了MEMS加速度计与环形激光陀螺仪的组合，保证高精度的同时适当降低体积和成本，同时正在加大MEMS技术研发投入，以进一步优化其在新一代IMU中的应用。霍尼韦尔采用了MEMS加速度计与MEMS陀螺仪的组合，并通过算法结合GPS、气压计、磁力计等多源数据提高其精度和完好性。

霍尼韦尔AH-2000 GPS辅助MEMS航姿基准系统（霍尼韦尔官网图片）

随着技术进步，MEMS技术将更加广泛应用于航空导航领域。一方面，技术优化推动精度提升：通过微纳加工工艺改进、材料优化、传感器设计创新等，有望进一步提高MEMS加速度计和MEMS陀螺仪的精度。例如，采用更先进的制造工艺可以减少传感器的结构误差，提高其灵敏度和分辨率；选择高性能材料并进行特殊处理，可以增强传感器的稳定性和抗干扰能力。另一方面，多传感器融合增强性能：将MEMS加速度计和陀螺仪与其他传感器（如磁力计等）进行数据融合，结合先进的算法，能够有效提高系统的整体导航精度和可靠性；与其他导航技术（如GPS、北斗等）的集成，也将进一步拓展其应用范围。

融合量子传感新方向

量子传感器有望在未来10年内实现商业化应用，其精度可能比当前最先进的传感器提高一个数量级。泰雷兹已与欧洲多家研究机构合作，开展量子惯性导航的预研工作，例如利用冷原子干涉原理实现高精度、高稳定性的自主导航。英国帝国理工学院的团队将芯片级的量子传感器与MEMS惯性测量单元（IMU）集成在一起，开发出一种名为 “量子加速度计” 的紧凑型设备，通过测量量子粒子的运动来检测车辆的微小运动，进而提高导航精度，使其能够应用于自动驾驶汽车等场景。此外，量子磁强计、量子增强型腔光力传感器、量子电流传感器等也可与MEMS惯导相结合，增强导航精度和可靠性。

结束语

泰雷兹下一代TopAxyz高性能惯性测量单元采用了环形激光陀螺仪和数字MEMS加速度计，保持高性能的同时，降低了体积、重量和功耗。一方面，推动IMU技术向更高精度、更小型化、更低功耗的方向发展；另一方面，加速传统机械惯性传感器向MEMS技术的转变。

中国航空工业发展研究中心 刘禹彤 孙友师

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