MEMS和FOG的精確導航之爭

圖1：MEMS IMU配置(ADIS16485)。

可用帶寬及其跨軸相位匹配能力的關(guān)系對于多軸設計也至關(guān)重要。有些陀螺儀結構帶寬有限，與降低總噪有關(guān)，而有些結構帶寬有限(通常低于100Hz)是由于反饋電子器件中使用的傳感器處理導致的。

這可能導致通過(guò)傳感器信號路徑的相位相關(guān)誤差波動(dòng)增加，特別是在卡爾曼濾波器中。MEMS IMU的可用帶寬為330Hz，采用嵌入式的可調濾波系統，提供合理平衡的方法，最大程度地減少總誤差源，并通過(guò)嵌入式濾波實(shí)現系統特定的誤差優(yōu)化，即便在場(chǎng)中也是如此。

在此MEMS IMU中使用的核心傳感器具有固有的振動(dòng)抑制能力和線(xiàn)性度，不僅使得它們的性能適合高動(dòng)態(tài)應用，而且還在極端環(huán)境條件下具有穩定性和可預測性。

本設計使用的FOG是綜合權衡價(jià)格、性能和大小這幾種因素選擇的。FOG的帶寬、偏置穩定度和噪聲水平是最終選擇傳感器的決定性因素。表2給出了重要的性能參數。與MEMS相比，FOG具有更好的零偏穩定度，角度隨機游動(dòng)也有了顯著(zhù)改進(jìn)。

表2：FOG規格(uFors-6U)。

所有更新都用于糾正獨立INS解決方案的漂移，但更新本身也可能中斷或不準確。

雙天線(xiàn)航向更新具有良好的精確度，但易受多路徑影響。因此，雙天線(xiàn)航向更新僅在開(kāi)放天空環(huán)境中是可靠的。對于來(lái)自GNSS接收器的位置和速度預測，情況同樣如此，也從SBAS受益。

來(lái)自磁力計的航向預測可能由于在校準期間的垂直可觀(guān)察性不佳，而受到較大傾斜角的影響。磁力計在含鐵物質(zhì)周?chē)部赡懿痪_，例如在其他車(chē)輛旁邊行駛時(shí)。因此，磁力計用于在GNSS不可用時(shí)幫助初始化系統，或在GNSS長(cháng)時(shí)間中斷時(shí)(例如20分鐘)幫助減小航向漂移。

氣壓計用于在GNSS不可用或不精確時(shí)幫助獲取高度讀數。速度更新用于在沒(méi)有GNSS更新的情況下防止速度漂移，特別是在沿航跡方向。這些速度更新也可幫助減少解決方案的位置不確定性，這有助于抑制不準確的GNSS位置更新。整個(gè)導航軟件的設計目的是在任何GNSS條件下提供精確結果。

導航測試

為了正確比較兩個(gè)系統，我們設計了三個(gè)系統級導航基準測試：

* 在具有良好GNSS信號的開(kāi)放天空環(huán)境下評估橫滾、俯仰和航向的精確性。

* GNSS多路徑場(chǎng)景，例如在城市中心區，由于存在高層建筑，GNSS解決方案質(zhì)量可能不好。本測試的目的是比較濾波位置性能，它也會(huì )顯示高度和速度誤差。

* 獨立INS性能測試，旨在評估INS位置漂移，也代表速度和高度性能。

開(kāi)放天空高度結果

在GPS可用且位于多個(gè)衛星的直射范圍內的情況下，兩個(gè)系統的定位和速度結果是相似的。高度角(橫滾、俯仰和航向)是我們比較的主要導航參數，因為它們在很大程度上是由陀螺儀性能決定的。

當GNSS可用時(shí)，兩種系統的高度性能幾乎是相同的，但FOG具有大約5%的優(yōu)勢。

結束語(yǔ)

FOG和MEMS兩者相比非常接近，特別是現在MEMS的性能正在接近FOG戰術(shù)級性能水平。FOG仍然在性能上具有優(yōu)勢，但其成本卻比MEMS高出10倍。如果可以使用GNSS，而且應用的目的是在開(kāi)放天空環(huán)境中運行，則MEMS可以取代一些低端FOG。如果應用的目的是在信號不良的GNSS環(huán)境中使用，MEMS也可以取代一些FOG系統，但性能要低20%至30%。

在獨立INS性能方面，FOG仍然具有優(yōu)勢，但如果應用能夠接收車(chē)輛或平臺速度更新，則MEMS系統可以達到與獨立FOG系統相同的水平。

隨著(zhù)MEMS技術(shù)的持續進(jìn)步，以及其他傳感器(例如OBDII)的輔助，MEMS取代FOG技術(shù)可能在不久的將來(lái)實(shí)現。