MEMS和FOG的精确导航之争

图1：MEMS IMU配置(ADIS16485)。

可用带宽及其跨轴相位匹配能力的关系对于多轴设计也至关重要。有些陀螺仪结构带宽有限，与降低总噪有关，而有些结构带宽有限(通常低于100Hz)是由于反馈电子器件中使用的传感器处理导致的。

这可能导致通过传感器信号路径的相位相关误差波动增加，特别是在卡尔曼滤波器中。MEMS IMU的可用带宽为330Hz，采用嵌入式的可调滤波系统，提供合理平衡的方法，最大程度地减少总误差源，并通过嵌入式滤波实现系统特定的误差优化，即便在场中也是如此。

在此MEMS IMU中使用的核心传感器具有固有的振动抑制能力和线性度，不仅使得它们的性能适合高动态应用，而且还在极端环境条件下具有稳定性和可预测性。

本设计使用的FOG是综合权衡价格、性能和大小这几种因素选择的。FOG的带宽、偏置稳定度和噪声水平是最终选择传感器的决定性因素。表2给出了重要的性能参数。与MEMS相比，FOG具有更好的零偏稳定度，角度随机游动也有了显著改进。

表2：FOG规格(uFors-6U)。

所有更新都用于纠正独立INS解决方案的漂移，但更新本身也可能中断或不准确。

双天线航向更新具有良好的精确度，但易受多路径影响。因此，双天线航向更新仅在开放天空环境中是可靠的。对于来自GNSS接收器的位置和速度预测，情况同样如此，也从SBAS受益。

来自磁力计的航向预测可能由于在校准期间的垂直可观察性不佳，而受到较大倾斜角的影响。磁力计在含铁物质周围也可能不精确，例如在其他车辆旁边行驶时。因此，磁力计用于在GNSS不可用时帮助初始化系统，或在GNSS长时间中断时(例如20分钟)帮助减小航向漂移。

气压计用于在GNSS不可用或不精确时帮助获取高度读数。速度更新用于在没有GNSS更新的情况下防止速度漂移，特别是在沿航迹方向。这些速度更新也可帮助减少解决方案的位置不确定性，这有助于抑制不准确的GNSS位置更新。整个导航软件的设计目的是在任何GNSS条件下提供精确结果。

导航测试

为了正确比较两个系统，我们设计了三个系统级导航基准测试：

* 在具有良好GNSS信号的开放天空环境下评估横滚、俯仰和航向的精确性。

* GNSS多路径场景，例如在城市中心区，由于存在高层建筑，GNSS解决方案质量可能不好。本测试的目的是比较滤波位置性能，它也会显示高度和速度误差。

* 独立INS性能测试，旨在评估INS位置漂移，也代表速度和高度性能。

开放天空高度结果

在GPS可用且位于多个卫星的直射范围内的情况下，两个系统的定位和速度结果是相似的。高度角(横滚、俯仰和航向)是我们比较的主要导航参数，因为它们在很大程度上是由陀螺仪性能决定的。

当GNSS可用时，两种系统的高度性能几乎是相同的，但FOG具有大约5%的优势。

结束语

FOG和MEMS两者相比非常接近，特别是现在MEMS的性能正在接近FOG战术级性能水平。FOG仍然在性能上具有优势，但其成本却比MEMS高出10倍。如果可以使用GNSS，而且应用的目的是在开放天空环境中运行，则MEMS可以取代一些低端FOG。如果应用的目的是在信号不良的GNSS环境中使用，MEMS也可以取代一些FOG系统，但性能要低20%至30%。

在独立INS性能方面，FOG仍然具有优势，但如果应用能够接收车辆或平台速度更新，则MEMS系统可以达到与独立FOG系统相同的水平。

随着MEMS技术的持续进步，以及其他传感器(例如OBDII)的辅助，MEMS取代FOG技术可能在不久的将来实现。