惯性导航：军民融合促惯导民营企业快速发展.pdf

敬请参阅最后一页免责声明 -1- 证券研究报告 2018 年 05 月 31 日 中小盘 研究 惯性导航 ： 军民融合促 惯导 民营 企业 快速发展 中小盘伐谋主题 伐谋 -中小盘主题 孙金钜（分析师） 任浪（分析师） 021-68866881 sunjinjuxsdzq 证书编号： S0280518010002 021-68865595-232 renlangxsdzq 证书编号： S0280518010003 军 用惯导 市场空间 超过 200 亿 ，装备信息化 需求 利好行业 惯导产品 广泛应用 于 海陆空天等各类军用和民用 领域 ， 包括各类军用和民用的 飞机、 火箭 、车辆、船舶的导航、姿态控制和仪表 显示 模块 ，以及卫星通信、消费电子、交通测量等特定领域。 近年来，我国的国防开支稳步增长， 据 财政部 公开 数据， 2018 年我国国防开支预算达到 1.11 万亿，同比增长 8.25%；惯导作为导航和仪表系统的 重要 组成部分，受益于装备信息化 要求 ，市场 需求 快速增长 。 据 清华大学 导航技术工程 中心 在 惯性技术在军民市场应用前景与展望 一文中 的分析预测 ， 2015 年 用于研发及国防装备的惯性产品市场容量 为 293 亿元 ， 产品市场规模将以年均 25%左右的速度快速 增长 。 军 品 市场格局集中，价值量 和壁垒来自 核心器件 军 用 惯导对 于精度指标的苛刻要求决定了惯导核心器件的研发和制造难度高，过去国内仅有数家科研院所 具备 研制光纤陀螺、激光陀螺和 中 高精度加速度计的能力；相应的核心器件价格高昂，惯导产品的价值量也主要集中在核心器件上 。 惯导产品的 下游 应 用领域非常广，覆盖军用和民用的多个领域。 其中， 民用市场格局分散， 海外公司 的产品 可以参与 市场竞争 ， 国内企业 产品 同质化明显 ； 军用惯导 产品的 市场格局相对较好 ， 但受技术实力、采购体系 和 军工 资质的限制， 相关 产品 主要由军工集团下属的科研院所进行研制和生产，民企渗透率 较 低。 军民融合战略不断深入， 看 好 惯导行业民参军企业 快 速发展 党的十八大以来，军民融合发展上升为国家战略 ， 随着 推进装备领域军民融合深度发展的思路举措 、关于推动国防科技工业军民融合深度发展的意见等一系列重要 政策陆续 出台 ， 军民融合发展战略逐步进入落地实施阶段 。我们认为政策和企业层面的积极 变化 已经陆续出现 ， 装备采购体系 中由于历史和体制原因造成的障碍正在被逐步清除和规范 ， 军工产品定价和采购机制变化有利于引入竞争 ， 民营企业 逐渐掌握核心器件的制造能力， 技术实力显著提升。 我们看好掌握惯导核心器件 生产能力 ， 且 已具备装备生产相关资质的企业 ，借助军民融合战略东风， 实现民参军业务快速发展 。 受益标的： 星网宇达 （ 002829） 、晨曦航空 （ 300581） 、耐威科技 （ 300456）等 。 其中，星网宇达全面发力智能无人战略， 具备中高端光纤陀螺和加速度计的研制能力，其 军工 业务有望迎来 快速发展；晨曦航空是稀缺的飞控和航空电子标的， 产品进入列装体系，客户 稳定， 军工信息化业务有望加速；耐威科技 通过并购全球领先的 MEMS代工企业赛莱克斯，实现了 导航和 MEMS代工业务双轮驱动， 2017 年航空电子 业务 实现 突破。 风险提示： 行业订单波动，产品研发和定型进展不达预期 相关 报 告 体外诊断（ IVD）行业系列四：快速崛起的独立医学实验室 2018-05-26 体外诊断（ IVD）行业系列三：高端免疫，有望走出“中国罗氏”的蓝海2018-04-25 汽车 +5G 两大新兴需求刺激 PCB 行业高增长 2018-04-10 锂电池趋软怕硬，铝塑膜大有可为，首推新纶科技 2018-04-09 孙金钜（分析师）： 021-68866881 证书编号： S0280518010002 邮箱： sunjinjuxsdzq 任浪（分析师）： 021-68865595-232 证书编号： S0280518010003 邮箱： renlangxsdzq 吴吉森（联系人）： 021-68865595-205 证书编号： S0280118020006 邮箱： wujisenxsdzq 黄泽鹏（联系人）： 021-68865595-202 证书编号： S0280118010039 邮箱： huangzepengxsdzq 中小盘研究团队 2018-05-31 中小盘 研究 敬请参阅最后一页免责声明 -2- 证券研究报告 目 录 1、 陀螺仪和加速度计是惯性技术的核心，技术路线不断向高精度、小型化方向演进 . 4 1.1、 惯性技术原理：依托陀螺仪和加速度计获得物体行动轨迹 . 4 1.2、 从机械到光学再到 MEMS，体积和精度指标不断突破 . 5 1.3、 惯性技术的主流陀螺仪技术一览 . 6 1.3.1、 激光陀螺原理： Sagnac 原理结合干涉效应，量产陀螺的精度巅峰 . 7 1.3.2、 光纤陀螺原理：基于 Sagnac 原理，军工应用最广泛的陀螺产品 . 7 1.3.3、 MEMS 陀螺技术原理：半导体与机械技术的结合，体积和成本的重大突破 . 8 1.3.4、 中高端陀螺仪的苛刻精度要求决定了产品的技术难度和价格水平 . 8 1.4、 惯性技术的主流加速度计技术一览 . 9 2、 惯性技术广泛应用于军用民用各领域，军品市场集中度高 . 11 2.1、 惯导技术广泛应用于海陆空天各个领域，军用属性无可替代 . 11 2.1.1、 典型案例：战斧导弹是多种制导技术协同工作的范例 . 12 2.2、 民用惯性产品广泛应用于消费级产品领域，关注无人驾驶带来的新需求 . 12 2.2.1、 典型案例：惯导系统是无人驾驶方案中不可或缺的传感器组件 . 12 2.3、 我国国防开支稳定增长， 2015 年军用惯导市场容量达到 293 亿元。 . 13 2.4、 技术和体制因素共同决定了军用惯导市场格局高度集中 . 14 2.5、 惯导系统的价值量主要来自惯性器件，下游军工市场化程度较低 . 15 3、 军民融合国家战略不断深化，军用惯导市场格局有望松动 . 16 3.1、 军民融合国家战略不断深化，民参军是军民融合发展的破题关键 . 16 3.2、 装备采购体系不断引入竞争机制，军用惯导市场格局有望松动 . 17 4、 受益标的 . 18 4.1、 星网宇达：全面发力智能无人战略，看好惯导军工业务快速发展 . 18 4.2、 晨曦航空：稀缺飞控和航空电子行业民企标的，军工信息化业务有望加速 . 18 4.3、 耐威科技：导航和 MEMS 代工业务双轮驱动，航空电子迎来突破 . 19 图表目录 图 1： 使用角速度和加速度数据积分计算物体的位臵、速度和姿态信息 . 5 图 2： 激光陀螺、光纤陀螺和 MEMS 陀螺一览 . 5 图 3： 惯性导航技术发展主要围绕陀螺仪、加速度计和计算平台的技术进步展开 . 6 图 4： 精度水平不同决定了不同类型陀螺的应用领域有所差别 . 6 图 5： Sagnac 效应图解：在陀螺旋转过程形成光的干涉效应 . 7 图 6： 光纤陀螺中光纤线圈放大了光程差，可以较低技术难度测量 Sagnac 效应 . 8 图 7： MEMS 陀螺仪有多种实现方式，如框架式角振动陀螺和音叉式谐振陀螺等 . 8 图 8： 决定加速度计应用场景的是精度水平、工作场景特点和动态范围等指标 . 9 图 9： 挠性加速度计的结构原理和实物实例 . 9 图 10： 振梁式加速度计的结构原理和实物实例 . 10 图 11： 振梁式加速度计的结构原理和局部电镜图 . 10 图 12： 惯性技术的在军用、民用领域应用广泛 . 11 图 13： 巡航导弹导引系统工作原理 . 12 图 14： 无人驾驶异构多传感器前融合平台示例 . 12 图 15： 我国国防开支稳步增长 . 13 图 16： 2016 年 MEMS 惯性传感器全球市场达到 35 亿美元 . 13 图 17： 价值量集中在惯性器件，下游军工市场化程度较低 . 15 2018-05-31 中小盘 研究 敬请参阅最后一页免责声明 -3- 证券研究报告 图 18： 营业收入快速增长，智能无人战略初见成效 . 18 图 19： 管理费用对当期利润形成一定压力 . 18 图 20： 订单推迟拖累当期收入，存量订单有望加速执行 . 19 图 21： 利润和收入同向变动，存量订单有望加速执行 . 19 图 22： 并购 Silex 大幅导致营收大幅提升 . 19 图 23： MEMS 产线大额投资导致盈利压力 . 19 表 1： 惯性导航和卫星导航各有优势，多数场景采用组合导航方式 . 4 表 2： 军用装备用惯导产品绝大多数由国内科研院所研制 . 14 表 3： 2013 年以来军民融合发展重要政策梳理 . 16 2018-05-31 中小盘 研究 敬请参阅最后一页免责声明 -4- 证券研究报告 1、 陀螺仪和 加速度计 是惯性技术的核心，技术路线不断向高精度、小型化方向演进 惯性技术是以牛顿定律为基础的多学科交叉技术，是一项通过感知物体在惯性空间的角速度、线速度，进而获取物体的姿态、位臵和速度等信息，从而实现对运动物体姿态和运动轨迹进行测量和控制的技术。也是惯性仪表、惯性导航、惯性测量、惯性稳控等技术的统称。 惯性导航是一项广泛应用于军用、民用领域的高精尖技术。目前主要的导航技术有惯性导航、卫星导航、天文导航等。惯性导航和卫星导航是目前主流的两种导航技术，惯性导航基于对载体的角速度和加速度测量推算载体的运动信息，数据更新率和短期精度高，不依赖外界，但误差随时间累积而不断放大，价格较贵；卫星导航通过与卫星通信来计算自身的位臵和运动信息，误差与运行时间无关，价格较低，但易受干扰，动态性能差。 多数场景 往往采用惯导 和 卫星导航 联合工作的 方式提供低成本的精确导航，但在军用、特定应用场景下，惯导是唯一选择。 表 1： 惯性导航和卫星导航 各有优势，多数场景采用组合 导航 方式 资料来源：新时代证券研究所 惯性导航系统（ Internal Navigation System, INS）由陀螺仪、 加速度计 等惯性传感器和导航解算系统集成而成。陀螺仪和 加速度计 是系统的核心器件，陀螺仪测量物体的角速度， 加速度计 测量物体的加速度。导航技术的进步主要取决于陀螺仪和加速度计 的进步，而高端产品如光学陀螺仪的技术难度较大，世界上只有少数国家有能力研发制造。 1.1、 惯性技术原理：依托陀螺仪和 加速度计 获得物体行动轨迹 典型的惯导产品包含 3 组陀螺仪和 加速度计 ，分别测量三个自由度的 角速度 和加速度，通过积分即可获得物体在三维空间的运动速度和轨迹。在实际应用中，需要利用 GPS、北斗等方式产生的信号进行初始化，结合惯导信号和卫星导航信号进行 进 行卡尔曼滤波处理，得出其最佳推算的定位信息。 技术特点 惯性导航 卫星导航 工作时的独立性 不依赖外界，不受外界信息干扰，隐蔽性好；可全天候、全球、全时间工作于空中、地表乃至地下、水下、室内 依赖卫星信号，易受外界干扰，影响导航连续性、稳定性 数据持续性 数据更新率高，短期精度和稳定性好 动态性能较差，难以在高速运动物体上连续测量和导航 时间校准 每次使用之前需要初始校准时间 无需初始校准；组网还可进行差分，测量精度更高 导航定位误差 采用积分算法，误差随运动载体运行时不断累积 误差于运动载体运行时间无关 其他信息 可提供载体的姿态航向信息 单个终端无法提供姿态信息；可以授时 成本 价格昂贵 价格较低 应用 军用领域： 航空、航天、 船舶 、坦克、装甲车辆、无人机惯性导航 军用领域： 卫星导航 、 航空航天、 船舶、坦克、装甲车辆、无人机 民用领域：在不采用高精度惯性器件基础上，采用惯导 +卫星导航的方式可以提升精度，降低成本 2018-05-31 中小盘 研究 敬请参阅最后一页免责声明 -5- 证券研究报告 图 1： 使用 角速度和加速度数据积分计算 物体的位臵 、 速度 和姿态 信息 资料来源： 星网宇达招股说明书 、 新时代证券研究所 1.2、 从机械到光学再到 MEMS，体积和精度指标不断突破 陀螺仪是决定惯性导航精度的关键部件，目前主流的惯导技术根据陀螺仪技术路线的不同，分为光学陀螺（光纤陀螺、激光陀螺）和 MEMS（微机电）陀螺。惯导技术的发展主要依赖三方面科技发展水平作为支撑：新的测量原理、惯性器件及其制造工艺、计算机软硬件技术。 图 2： 激光陀螺、光纤陀螺和 MEMS 陀螺一览 资料来源： 科技部网站 、 星网宇达官网网站 、 新时代证券研究所 早期惯导系统是以机械陀螺为核心，以模拟电路为主要硬件实现形式的机械框架平台式惯导系统。随着计算能力的提升，惯导系统可以通过计算能力直接解算，不再需要构建稳定平台，从而出现了捷联式惯导系统。 关键的陀螺仪则由机械陀螺（液浮陀螺、气浮陀螺、静电陀螺、挠性陀螺等）向光学陀螺（激光陀螺、光纤陀螺）演进，目前形成了激光陀螺和光纤陀螺分别占据高、中端领域的技术格局。 MEMS（微机电）技术作为全新的技术路线，在体积上 有 明显优势，精度上还有较大进步空间。未来的技术演进路线仍然会围绕体积和激光陀螺 光纤陀螺 MEMS 陀螺 2018-05-31 中小盘 研究 敬请参阅最后一页免责声明 -6- 证券研究报告 精度指标展开，潜在的技术路线包括 NEMS（ Nano Electro Mechanical System，更小尺寸的微机电 技术 ）、原子干涉陀螺等，但离实际应用仍有较 长距离 。 图 3： 惯性导航技术发展主要围绕陀螺仪、加速度计和计算平台的技术进步展开 资料来源： 惯性导航技术的新进展及发展趋势 、 新时代证券研究所 1.3、 惯性技术的主流陀螺仪技术一览 目前，主流的惯性技术主要使用光学陀螺和 MEMS 陀螺。其中，光学陀螺主要应用在精度要求较高的领域， MEMS 陀螺则能较好平衡精度、体积和成本的关系。 图 4： 精度水平不同决定了不同类型陀螺的应用领域有所差别 2018-05-31 中小盘 研究 敬请参阅最后一页免责声明 -7- 证券研究报告 资料来源： 北约组织 2008 年陀螺仪应用状况分析 、 新时代证券研究所 1.3.1、 激光陀螺原理： Sagnac 原理结合干涉效应，量产陀螺的精度巅峰 激光陀螺主要基于 Sagnac 原理研制，主要原理为构建正反两条光环路，当环路发生转动时，两个环路的光程差出现变化，两束光发生相位移动，从而产生干涉效应，通过测量干涉效应即可还原角速度的大小。激光陀螺的制造难度主要集中在谐振腔体和反射镜的加工上，世界范围内掌握该项技术的国家屈指可数。 图 5： Sagnac 效应 图解：在陀螺旋转过程形成光的干涉效应 资料来源： 神奇的惯性世界 、 新时代证券研究所 激光惯导是主流惯导系统中精度指标最高的惯导系 统，主要应用在航空航天、潜艇、舰船等对精度和动态性能要求苛刻的领域，这些领域往往具备战略意义，投入不计成本，但需求数量相对较少；同时，激光惯导的制造工艺苛刻，研发费用高昂，没有量产分摊研发费用 ， 导致产品单价极高，通常在百万级别。 1.3.2、 光纤陀螺原理：基于 Sagnac 原理，军工应用最广泛的陀螺产品 光纤陀螺的原理与激光陀螺类似，即通过 Sagnac原理把角速度转化为光程差，从而进行测量。而光纤可以绕制许多圈，从而很容易将光路面积增加成百上千倍，以实现提高陀螺灵敏度的目的。光纤陀螺由两大部分组成：光学部分和信号处理部分 。光学部分主要是光源和光纤线圈组成。 2018-05-31 中小盘 研究 敬请参阅最后一页免责声明 -8- 证券研究报告 图 6： 光纤陀螺中光纤线圈放大了光程差，可以较低技术难度测量 Sagnac 效应 资料来源： 神奇的惯性世界 、 新时代证券研究所 光纤惯导的精度指标略低于激光惯导，主要满足中高精度的战术和战略需求，包括战术导弹、飞机、车辆、舰船等，与激光惯导的应用领域有一定的重叠。价格通常在几十万左右。 1.3.3、 MEMS 陀螺技术原理：半导体与机械技术的结合，体积和成本的重大突破 MEMS 陀螺的制作主要基于半导体生产中成熟的沉积、蚀刻和掺杂等工艺完成。技术原理上，所有 MEMS 陀螺都是非旋转结构，通过获取一个振动机械元件上的哥氏加速度效应，实现角速率检测。 图 7： MEMS 陀螺仪有多种实现方式，如框架式角振动陀螺和音叉式谐振陀螺 等 资料来源： 神奇的惯性世界 、 新时代证券研究所 MEMS 惯导的精度指标明显低于光学陀螺，但具备成本低、体积小的优势，在战术武器、民用消费级产品上有广泛应用。价格水平范围较大，显著低于光学陀螺。 1.3.4、 中高端陀螺仪的苛刻精度要求决定了产品的技术难度和价格水平 按照精度性能，陀螺仪可以分为：高精度陀螺（惯性级、陀螺漂移率优于 0.001度 /小时）、中精度陀螺（导航级、陀螺漂移率优于 0.001 度 /小时）低精度陀螺（速率级、陀螺漂移率优于 0.1-1 度 /小时）。 以导航级陀螺为例，它能使用户获得大约 1 海里 /小时的位臵精度和 1 毫弧度的方位精度。而漂移优于 0.01 度 /小时意味着能测量相当于每 3 年旋转 1 圈的旋转角度。同时，由于导航级陀螺的测量上限要求是 3000 度 /秒（ 107度 /小时）或更高。这就要求导航级陀螺必须具备 10-2-107度 /小时的动态范围，横跨 9 个数量级。大多2018-05-31 中小盘 研究 敬请参阅最后一页免责声明 -9- 证券研究报告 数导航系统还要求这种测量以 100-200 次 /秒的高频率进行，苛刻的性能要求导致陀螺仪 表结构复杂，价格高昂。 1.4、 惯性技术的主流加速度计技术一览 加速度计 的种类很多，按工作原理可分为线位移式和摆式、振梁式、振弦式、压电式、压阻式、摆式积分陀螺 加速度计 等，按支承方式有液浮、气浮、挠性、磁悬浮、静电等。目前常用的有液浮、摆式和挠性 加速度计 。 目前，通过改进支承技术等方式， 加速度计 的精度水平已经明显领先陀螺仪的精度水平。典型 加速度计 的阈值已经 达到 10-8-10-9G。通过误差测试、分离、补偿和校准后，其零偏稳定性可达到 10-6G。 图 8： 决定加速度计应用场景的是精度水平、工作场景特点和动态范围等指标 资料来源： 北约组织 2008 年加速度计应用状况分析 、 新时代证券研究所 挠性加速度计： 挠性 加速度计 是一种检测质量由挠性架构支撑的 加速度计 ，也是一种摆式 加速度计 ，他的摆组件弹性地连接在某种类型的挠性支撑上。挠性支撑消除了轴承的摩擦力矩，当摆组件的偏转角很小时，由此引入的微小弹性力矩往往可以忽略，保证了系统精度。 图 9： 挠性加速度计的结构原理 和实物实例 资料来源： 神奇的惯性世界 、 新时代证券研究所 振梁式 加速度计 ： 2018-05-31 中小盘 研究 敬请参阅最后一页免责声明 -10- 证券研究报告 振梁式 加速度计 基于吉他弦的工作原理，即频率与施加的拉力平方根成比例。从而摆脱了传统摆式 加速度计 容易受动态输入干扰的缺点。振梁式 加速度计 具有小型化、低功耗、低成本、数字输出和易于大批量生产等优点。 图 10： 振梁式加速度计的结构原理 和实物实例 资料来源： 神奇的惯性世界 、 新时代证券研究所 MEMS 加速度计 ： MEMS 加速度计 普遍采用蚀刻、光刻等手段加工而成。原理上基本都采用挠性 加速度计 原理，即都有敏感质量，采用挠性支撑。典型实现方式包括梳齿式、摆式等结构。 图 11： 振梁式加速度计的结构原理和局部电镜图 资料来源： 神奇的惯性世界 、 新时代证券研究所