MEMS和FOG的精确导航之争

Chris Goodall博士, Sarah Carmichael, 和 Bob Scannell

光纤陀螺仪(FOG)以前曾经是环形激光陀螺仪(RLG)等其他技术的低成本替代品，现在该技术面临着新的竞争。微机电系统(MEMS)陀螺仪开始抢夺传统FOG应用的市场份额。具体来说，天线阵列稳定、农业机械控制、常规车辆导航成为MEMS和FOG对峙的战场。

为了确定用于导航应用的这两种技术之间的相似点，我们将对选定的高端MEMS陀螺仪与低端FOG陀螺仪进行比较。我们在分析中使用了导航软件和测试案例作为控制，以确定MEMS是否真正为在战术导航性能水平上使用做好了准备。

MEMS用于精确导航

过去几年中，MEMS在导航行业日益受到青睐，因为它提供更好的误差特性和环境稳定性、更高的带宽和更出色的g灵敏度，而且嵌入式运算能力的应用日益广泛，可以运行高级融合和传感器误差建模算法。

新的精密惯性导航系统(INS)市场正在形成气候，MEMS技术也在进入以往被FOG技术主导的市场。从FOG到MEMS技术的一个明显转变是天线阵列稳定应用。

机器控制应用也可以得益于MEMS技术的进步。以前，用户偏好价格30,000美元以上的FOG或RLG导航系统，因为其精确度和可靠性比具有代表性的1,000美元MEMS导航系统高出20倍。低成本MEMS导航系统的改进使很多应用受益极大，精密农业和UGV/UAV/USV便是其中两个典型的例子。

实时导航硬件

本例中使用的导航系统的设计目的是为电机提供高速率的高度输出，然后该电机再让车辆顶棚上的天线阵列达到稳定。天线阵列的用途是维持与地球同步卫星之间的通信。

该导航系统用作束带式INS/GNSS导航器，提供高速率的位置和速度数据。惯性测量单元(IMU)数据以1000 Hz频率流向导航滤波器，这些数据包用于预测位置、速度和高度。从双天线获取的GNSS位置、速度和航向用作对导航滤波器的更新。当GNSS不可用时，则使用磁力计来帮助初始化航向。使用气压计来帮助确定高度。

特殊校准程序与导航滤波器并行发生。这些程序校准磁力计、双天线安装对准误差、IMU安装对准误差，还校准车辆振动水平以便进行静态期检测。

该系统可在两种硬件配置中工作。第一种配置包括两个FOG(检测航向和俯仰角)、一个MEMS陀螺仪(检测滚动)、三轴MEMS加速度计、三轴MEMS磁力计、MEMS气压计，传感器硬件的总物料成本(BOM)约为8,000美元(小批量)。

第二种配置包含三个MEMS陀螺仪(用于检测所有方位角)，以及与前一种配置相同的三轴MEMS加速度计、三轴MEMS磁力计和MEMS气压计，总成本约为1,000美元(小批量)。这些系统的价格可能随着市场条件和订货量而波动，但通常而言，FOG的价格比MEMS高出八至十倍。

为此设计选择的MEMS陀螺仪和加速度计具有在同一价位中非常出色的偏置稳定度、正交性、g灵敏度和带宽。这种系统的主要限制是带宽要求高。很多MEMS加速度计提供高带宽，但MEMS陀螺仪通常仅有100 Hz或更低的带宽。对于普通车辆导航，这一点还不会产生影响，但此系统是针对需要适应高速率控制的应用设计的。此外还有几种MEMS陀螺仪提供良好的偏置稳定度，但带宽降低或噪声很高。为本系统选择的MEMS陀螺仪在带宽和性能之间达到了平衡。表1给出了所选MEMS的实际规格。

 

	测量	值	单位
陀螺仪	带宽	330	Hz
	偏置不稳定度	6.25	deg/hr
	角向随机游动	0.3	deg/sqrt(hr)
	g灵敏度	0.009	deg/s/g
加速度计	带宽	330	Hz
	偏置不稳定度	32	µg
	速度随机游动	0.023	m/s/sqrt(hr)

 

惯性MEMS的采用率处于上升态势。因此，人们为发展该技术进行了大量投资。

本系统中使用的MEMS陀螺仪采用多核架构，该架构在稳定度、噪声、线性度和线性g性能之间达到了优化平衡。完全差分四谐振器与片内高性能信号调理密切配合，使得谐振器的必需响应范围较小，位于高度线性区，并且提供高抗振动性能。

由于MEMS陀螺仪和加速度计集成到多轴IMU中(参见图1)，传感器的x/y/z正交性可能成为主要误差源。通常将这种误差规定为跨轴灵敏度或对准误差。常见规格是±2%跨轴灵敏度。本系统的IMU具有0.087%的跨轴灵敏度(0.05度正交性)。更重要的是，由于器件特定的校准在出厂前完成，此规格在温度范围内有效。对于特定旋转速率，例如在偏航轴上，正交轴的速率输出等于CrossAxisSensitivity*YawRate，即使滚动轴和俯仰轴上的实际旋转为零。2%的跨轴误差通常会导致除了本有的陀螺仪噪声之外，还会增加一个数量级的轴外噪声；而此处IMU的0.087%灵敏度与本有的陀螺仪噪声水平达到精确平衡。

图1. MEMS IMU配置(ADIS16485)

可用带宽及其与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，与总降噪有关，而有些结构带宽有限(通常低于100 Hz)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330 Hz，采用嵌入式的可调滤波系统，提供合理平衡的方法，较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、性能和尺寸这几种因素选择的。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具有更好的偏置稳定度，角向随机游动也有了显著改进。

 

	性能测量	Value	Units
陀螺仪	带宽	1000	Hz
	偏置稳定性	3	deg/hr
	角向随机游动	0.1	deg/sqrt(hr)

 

导航软件

实时导航软件在1,000 Hz下处理解决方案，结合使用传统的SINS机制和测量更新。测量更新来自多个来源，包括：

GNSS位置和速度

双天线航向更新

磁力计航向更新

气压计高度更新

来自车辆OBDII的可选速度更新

所有更新都用于纠正仅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，也会从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滚动、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。

仅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。方位角(滚动、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。

 

	FOG	MEMS
滚动RMS误差(度)	0.08	0.10
俯仰RMS误差(度)	0.08	0.10
航向RMS误差(度)	0.13	0.14

 

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。

不良信号GNSS定位结果

下一个测试的目标是在存在GNSS多路径的情况下比较两个系统。行驶轨迹位于卡尔加里市的中心城区，包括一些很窄的小巷，车行缓慢，同时周围布满高层建筑。

现在，性能测试重点包括了定位结果，因为在缺少高质量GNSS测量的情况下，陀螺仪可能对位置性能产生很大影响。此测试结果显示两个系统的性能相当。但是，FOG系统高出大约20%至30%。

图2显示了仅GPS解决方案的示意图。在对复杂的中心城区行驶轨迹进行导航时，本测试使用的高精度GPS接收器遇到了严重的信号反射。仅GPS解决方案的误差多达100米。

图2. 多路径下仅使用GPS的结果

红色的FOG集成解决方案(图3)清晰显示中心城区车辆的行驶路径，精确到10米以内。

图3. FOG/GPS集成解决方案(FOG+GPS为红色，仅GPS为蓝色)

MEMS解决方案在图4中以绿色显示，始终在15米之内。该解决方案更易受到不精确GNSS位置更新的影响，因为INS预测的权重较低。

图4. MEMS/GPS集成解决方案(MEMS + GPS为绿色，仅GPS为蓝色）

为帮助MEMS解决方案克服不精确的GPS更新，我们使用了额外的传感器。图5显示将OBDII添加到系统以获取车辆速度。

图5. MEMS/GPS/OBDII集成解决方案(MEMS + GPS + OBDII为绿色，仅GPS为蓝色)

MEMS解决方案始终在10米之内，甚至可能稍优于没有OBDII的FOG，如图6中的放大图所示。

图6.带有 OBDII的MEMS(绿色)与没有OBDII的FOG(红色)、仅GPS(蓝色)比较

仅INS结果：示例和基准

两个系统之间的最后一项比较是仅INS导航测试。系统使用开放天空GNSS更新进行融合。然后断开两个系统的天线连接，持续4.5分钟，位置漂移用作性能指标。在此时间内行驶的距离约为5500米。

图7显示了整个轨迹。蓝色直线从右下方延伸至左上方，在右下方GPS断开连接，在左上方GPS重新连接。

图7. 仅INS测试路径

在这次GNSS中断期间，FOG系统的运行情况很好，最大漂移为7米，如图8所示。5分钟之后，FOG系统的典型漂移性能基准测试结果为25米，因此这次特殊中断的情况略好于典型性能。

图8. 仅FOG漂移

在没有GNSS更新的情况下，MEMS系统在4.5分钟之后的漂移为75米。此类漂移大多为沿航迹误差，主要是由于加速计导致的。MEMS系统的基准测试结果是在没有GNSS更新的情况下，5分钟后的典型漂移为75米，比FOG漂移大三倍左右。

图9. 仅MEMS漂移

为MEMS系统添加OBDII更新之后，漂移改进至小于10米，与FOG解决方案相当。在没有GNSS更新的情况下，带有OBDII的MEMS系统的典型基准性能在5分钟之后产生大约30米的位置漂移，也与FOG基准结果相当。

图10. 带有OBDII的MEMS系统的漂移

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系统相同的性能水平。

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。

审核编辑：郭婷