惯性导航：高精度导航新增长极_陶胤至

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1、惯性导航：高精度导航新增长极惯性导航：高精度导航新增长极 陶胤至 2016 年 4 月 8 日 电话：18201525373 邮件： 投资要点：投资要点： 惯性导航系统（惯性导航系统（INS，Inertial navigation system）简称惯导系统，）简称惯导系统，是是高精度卫星导航的高精度卫星导航的 重要技术之一重要技术之一。惯性导航系统具有自主性、隐蔽性、抗干扰、导航信息连续等优点，但同时 也存在着产品整体偏贵、初始化时间较长、误差累积等缺点，通常与全球卫星导航系统 （GNSS，Global Navigation Satellite System）接收设备联合使用。 惯用导航初为

2、军工惯用导航初为军工需求设计，需求设计，多为激光惯导或光纤惯导，多为激光惯导或光纤惯导，但在民用市场但在民用市场具有更广阔的具有更广阔的 应用空间应用空间和投资机会。民用惯导以和投资机会。民用惯导以 MEMS惯导惯导产品产品居多居多，并且短期，并且短期内内低精度的低精度的 MEMS惯导惯导 不具备全面替代军品惯导的机会不具备全面替代军品惯导的机会。惯性导航系统由加速度计、陀螺仪等惯性传感器及导航 解算软件组成的系统级产品。按照使用陀螺仪技术不同，通常分为激光惯导、光纤惯导、 MEMS 惯导。以 GNSS 导航产品为参考，军用导航市场目前占比尚不足 3%。2011-2015 年我 国高精度 GN

3、SS 专业应用市场年均增幅稳定保持在 20%以上，在 2015 年市场总产值达 370 亿元， 受益国家导航产业的发展与建设稳步推进， 未来五年仍有望持续保持 20%以上复合增 长，市场应用空间巨大。 耐威科技，是我国惯导行业龙头企业，拟收购全球最大耐威科技，是我国惯导行业龙头企业，拟收购全球最大 MEMS代工厂，在代工厂，在 MEMS制造制造 环节有望带来新的收环节有望带来新的收入增长点入增长点。公司产品线覆盖“惯性导航+卫星导航+组合导航”，超 80% 以上营收占比来自惯性导航系统产品与 GNSS 板卡。公司通过发股募资方式收购全球领先的 出MEMS代工厂企业赛莱克斯， 完成在MEMS制造

4、环节布局， 同时拟在北京建一座8吋MEMS 生产线，并计划于 2018 年投产，MEMS 纯代工业务净利润率约为 10%。赛莱克斯承诺 2015-2017 年累计贡献净利润不低于 12,798 万瑞典克朗 （约 9,812 万元） 。 据估算， 2011-2017 全球 MEMS 传感器市场保持年均 13%的增长，2017 年有望达到 210 亿美元，下游应用市场 空间巨大。 航天电子，是我国国防电子科技龙头，主营测控通信业务稳定，军用惯导技术国内领航天电子，是我国国防电子科技龙头，主营测控通信业务稳定，军用惯导技术国内领 先，先，公司通过资产注入进一步增强航天惯导产品实力公司通过资产注入进一

5、步增强航天惯导产品实力。公司主要从事测控通信、机电组件、 集成电路、惯性导航以及无人机等产品的研发、生产和销售，是我国航天国防电子科技应用 领域的优质企业。 测通通信业务占公司总收入 50%， 下游市场稳定， 未来有望保持较快增长。 惯导业务占比 8%，但公司是航天科技集团内唯一专业从事激光陀螺及系统研制的单位，拥 有多种系列化的激光惯导产品。2015 年 8 月发布重组预案，收购大股东旗下惯导、电缆资 产，并募资增强主业、补充流动资金。资产注入后，公司在惯导领域的方向将更加丰富，实 现军民市场资源优势互补，以及传统惯性导航市场和未来惯性导航终端产业市场的规模扩 张，盈利能力有望得到较大提升。

6、 风险因素风险因素。 惯性导航业务大幅波动风险、MEMS 传感器业务发展低于预期、 航天军工对 应业务领域发展增长低于预期。 盈利预测及投资评级盈利预测及投资评级。 耐威科技， 并表后预计 2015-2017 年 EPS 为为 0.77/0.94/1.12 元， 对应 PE为 70/57/48， 给予 “增持” 评级。 航天电子， 预计 2016-2018 年 EPS 为 0.33/0.39/0.47 元，对应 PE为 46/39/32，给予“增持”评级。 惯性导航惯性导航：高精度导航新增长极：高精度导航新增长极 在不借助辅助设备或技术的帮助下，通常的民用导航接收装置定位精度大约在10m20m

7、，能够满足大多数情况下的定位与导航需求。但在一些精细定位场景，如车道级导航、物流信息化管理、车辆跟踪调度等应用，对于导航定位精度的需求较高， 通常要达到分米级甚至亚分米级，这时就需通过其它辅助技术来进一步提高定位精度。 图 1：导航定位三种主要辅助技术 资料来源：互联网，个人整理 目前较为成熟的辅助技术主要有三种：基于地基增强系统的差分地位基于地基增强系统的差分地位、GNSS与航位推与航位推测系统的组合测系统的组合以及 GNSS定位值的电子地图匹配定位值的电子地图匹配。基于城市地基增强系统的差分定位技术，能够有效提高城市应用环境下的导航定位精度，成熟应用的 GPS 系统已在全球众多国家的主要城

8、市有建设和应用， 我国基于北斗二代导航的地基增强系统也在随着北斗全球组网在稳步的建设与改造中，地基增强系统的建设以政府投资建设为主导；GNSS 定位值的电子地图匹配，是在 GNSS 导航设备定位值和电子地图均包含误差的情况，通过电子地图技术中相应的软件处理算法，将导航设备定位值与电子地图网络数据库中对应的实际物理地点相匹配，以图像化的形式表示导航信息，使定位结果更加准确、平滑，同时也对接收机或相应传感器的测量误差校准具有重要利用价值，在此领域四维图新（四维图新（002405）是电子地图的龙头企业。 航位推测（DR，Dead reckoning）是在知道当前时刻位置的条件下，通过测量移动的距离和

9、方位，推算下一时刻位置的方法。GNSS 与导航推测系统的组合能有效提高 GNSS 系统的定位性能。惯性导航系统（惯性导航系统（INS，Inertial navigation system）简称惯导）简称惯导系统，它是航位推系统，它是航位推测系统的一种，也是目前最为常见和成熟使用的航位推测技术方法测系统的一种，也是目前最为常见和成熟使用的航位推测技术方法。 一个惯性导航系统通常包括惯性传感器、 计算机和在计算机上运行的导航算法， 而作为惯性导航系统核心部分的惯性传感器现在已成为大多数导弹、 潜艇、 飞机和轮船等运动载体上的一个标准器件，在消费市场领域，智能手机、平板电脑、可穿戴电子设备，也均有大

10、量实际应用。 惯性导航和航位推测系统通过安装在载体上的惯性传感器来感受、 测量载体的运动。 惯性传感器按照其所传感的物理量可大致分成以下两大类： （1）距离传感器：这是一类可用来测量加速度、速度或位移的传感器，例如加速度计、速度计、里程表、多普勒雷达和气压计等。 （2）角度传感器：这是一类可用来测量角度变化或方位的传感器，例如陀螺仪和磁罗盘等。 图 2：距离传感器 资料来源：互联网，个人整理 图 3：角度传感器 资料来源：互联网，个人整理 不同类型、不同形式的传感器各有其不同的工作原理、 性能、 价格等特点。 作为惯性导航系统的惯性传感器通常由加速度计和陀螺仪组成。 加速度计测量的是载体的运动

11、加速度。 弹簧型加速度计是将一定质量的物体固体连接到弹簧上，并将弹簧的另一端固定在载体上，而通过测量弹簧的伸缩度，我们可以依据牛顿第二定律计算出物体（以及相应载体）的加速度值。 需要注意的是，加速度计必须考虑随高度变化的地球重力场可能对其测量值的影响。 目前， 许多加速度计的设计正转向采用微机电系统（MEMS）形式。 陀螺仪是一种测量旋转速率或者说是单位时间内角度变化量的仪器， 它的惯性工作原理非常简单， 即一个旋转的陀螺仪在没有外界扭矩的作用下， 其旋转的速率和指向在空间保持不变。 一个陀螺仪可以用来测量位于某个平面内的旋转速率， 而三分量陀螺仪指的是在空间相互垂直的三个轴上各安装一个陀螺仪

12、， 用以测量物体的三维旋转运动。 陀螺仪有很多种形式，比如扰性陀螺、光纤陀螺、激光陀螺和 MEMS 陀螺等。 图 4 MEMS 惯导元器件 资料来源：互联网，个人整理 作为惯性导航系统中的惯性部分，惯性测量仪（IMU）通常由安装在三个方向相互垂直的轴上的共计三个陀螺仪和三个加速度计组成， 其中每一个轴上的一对陀螺仪与加速度计分别用来测量相应方向上的旋转角速度与运动加速度。 惯性导航系统在获得惯性测量仪的传感数据后， 通过计算可以确定载体在空间的六个自由度变量， 即三个空间位置坐标分量和三个运行姿态角度。 惯性导航基本上可分为平台式（Gimbaled）和捷联式（Strapdown）两大类。平台式

13、惯导有一个借助陀螺仪来稳定的物理实体平台， 而在捷联式惯导中， 陀螺仪和加速度计直接固连在载体上，并跟随载体在空间一起转动。与捷连式惯导相比， 平台式惯导的一个主要优点在于其较小的固有误差。 因为在平台式惯导中， 三个方向相互垂直的加速度计在空间保持方向不变， 始终只有竖直方向上的加速度计会受到与地球重力场有关的测量影响， 而不像捷联式惯导中的三个加速度计测量值均会受到地球重力场的影响，多数运载火箭采用平台式惯导。 与平台式惯导相比， 捷联式惯导也有其优越性。 因为捷联式惯导系统完全固定在载体上，所以该系统在机械设计上比较简单。 图 5 惯性导航的分类 资料来源：互联网，个人整理 虽然惯性导航

14、产品具有无源内部计数定位、短时延的高采样率和运算速度无源内部计数定位、短时延的高采样率和运算速度等优点，但也有高精度惯导传感器偏贵高精度惯导传感器偏贵、初始化时间较长初始化时间较长、误差累积误差累积等显著缺点。其中惯导系统在使用过程中， 传感测量值包含了各种误差和噪声， 并且随着积分运算逐渐在定位结果中进行累积。若定位结果未被及时校正、 重置，则定位误差可至无穷大， 该惯性导航系统最终会失去使用价值。因此通常情况下，惯性导航系统/航位推测（INS/DR）的使用脱离不了 GNSS 定位系统的协助，需要 GNSS 定位系统不定期修正惯导系统的各种误差。 它们在使用时功能特点功能特点上存在着很多互补

15、性互补性，主要表现在以下方面： （1）惯性导航系统的运行不依赖于任何外部信息，也不向外部辐射能量，因而它具有很好的隐蔽性和鲁棒性，可在空中、地面和水下等环境中工作，能达到 100%的定位有效率。GNSS 系统需要持续的接收来自接收机外部的四颗或更多颗 GNSS 系统可见卫星的信号后，才有可能实现定位。但 GNSS 系统电磁波很容易受到建筑物、树叶、高架桥等自然障碍物的遮挡而中断或削弱，而且接收机还会受到各种无意或故意的电磁波干扰、阻塞，这些因素极可能导致接收机的定位精度降低甚至根本不能实现定位。 （2）惯性导航系统通过对惯性测量值进行积分而完成定位。因此，虽然惯性传感器测量值中的误差、噪声可能

16、非常微小，系统在一小段时间内的相对定位精度也可能很高，但这些测量误差、 噪声在积分计算过程中会随着时间的推移而积累成越来越大的定位误差。 相反，GNSS 接收机一旦得到足够多个可供定位的卫星测量值，那么 GNSS 在正常情况下的定位精度大致在 10m20m，并且总的说来这一级别的定位精度并不随时间的推移而改变。 （3）惯性导航系统能够提供精度很高的运动位移量，然而因为缺少绝对定位功能，所以它必须与 GNSS 等某种绝对定位系统相结合才能开始有效工作。 （4）惯性传感器的工作是连续的，传感器测量值也几乎是连续的，它的测量采样率只受限于外界数据采集器的运算速度高低。 相反， GNSS 接收机的定位频率相对较低， 通常 GNSS接收机的定位频率在 1Hz 左右，即每秒定位一次，较高的定位频率可提升至 100Hz 左右。一般来讲，低定位频率的 GNSS 接收机不适合单独作为一些具有高动态性载体的导航系统。 （5）惯性