智能手機等移動設備中的MEMS傳感器
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室內(nèi)方位檢測
盡管智能手機內(nèi)置GPS接收器，在戶外的定位功能非常不錯，可在數(shù)字地圖上顯示航向，但是，某些GPS接收器在室內(nèi)或高樓林立的城區(qū)無法接收衛(wèi)星定位信號。即便在戶外，當汽車或行人靜止時，GPS也無法提供精確的方位或航向信息。GPS無法區(qū)分微小的高度變化。此外，GPS僅憑一個天線無法為手機或汽車用戶提供俯仰/滾轉(zhuǎn)/航向等姿態(tài)信息。
DGPS的定位精度為幾cm，但是需要另一個GPS接收器做基站，使用某一種距離粗捕獲碼向移動GPS接收器發(fā)射參考位置信息。輔助全球定位系統(tǒng)(A-GPS)在某種程度上有助于GPS獲得室內(nèi)定位信息，但無法在可以接受的間隔內(nèi)提供精確的定位信息。當手機用戶靜止時，至少需要三個GPS天線才能檢測到用戶的姿態(tài)信息。不過，目前還無法在一部智能手機上安裝多個GPS天線。
因此，僅有GPS的智能手機無法為用戶提供精確的方位和姿態(tài)信息。自導式MEMS傳感器是協(xié)助GPS實現(xiàn)一體化導航系統(tǒng)、提供室內(nèi)外LBS定位服務的選擇。
當天線沒有被遮擋時，GPS接收器的絕對定位精度是3m到20m，這個參數(shù)在一段時期后不會發(fā)生漂移?；?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/MEMS">MEMS傳感器的捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)(Strap-down Inertial Navigation System，SINS) 可在很短時間內(nèi)提供精確的定位信息。但是，根據(jù)運動傳感器的性能，這種導航系統(tǒng)在使用一段時間后很快就會發(fā)生精度漂移現(xiàn)象。行人航位推算系統(tǒng)（Pedestrian Dead Reckoning，PDR）是一個根據(jù)步長和方位計算從室內(nèi)已知初始位置開始的行走距離的相對導航系統(tǒng)，雖然定位精度不會隨時間推移而發(fā)生漂移，但是需要在受磁力干擾的環(huán)境內(nèi)保持航向精度。此外，GPS需要對步長進行校準，才能達到可以接受的定位精度。
按照捷聯(lián)式慣性導航系統(tǒng)理論，根據(jù)內(nèi)在的偏差漂移和比例因數(shù)，慣性傳感器(3軸加速度計和3軸陀螺儀)可分為三大類：導航級、戰(zhàn)術級和商用級。通過下面兩個方程式 ⑴ ，可以計算出獨立的加速度計和陀螺儀的水平位置誤差。
加速度計的位置誤差: PE_ACC＝1/2 ACC_biasT2 (1)
其中ACC_bias是加速度計長期偏差穩(wěn)定性，單位是mg；g=9.81m/s2；T是雙重積分周期，單位是s；PE_ACC是ACC_bias造成的位置誤差，單位是m。
陀螺儀的位置誤差:PE_GYRO＝1/6 gGYRO_biasT3 (2)
其中g是地球重力，9.81m/s2；GYRO_bias
陀螺儀長期偏差穩(wěn)定性，單位是rad/s；T是雙重積分周期，單位是s，PE_ACC是GYRO_bias造成的位置誤差，單位是m。
以上兩個方程式可用于計算典型慣性傳感器的性能和長期偏差穩(wěn)定性引起的水平位置誤差。當慣性傳感器與GPS集成在一起時，這些誤差不會隨時間推移而擴大，其它引起位置誤差的因素，如失匹、非線性和溫度影響，也應在計算中給予考慮。
最近在MEMS工藝上取得的進步使MEMS加速度計和陀螺儀能夠連續(xù)地提供更高的定位性能，使商用級產(chǎn)品更接近戰(zhàn)術級產(chǎn)品的性能。在較短的時間，如1分鐘內(nèi)，獨立的加速度計和陀螺儀可取得相對較高的測量精度。當GPS信號受阻時，這對于GPS/SINS一體化導航系統(tǒng)很有用。
對于消費電子產(chǎn)品，室內(nèi)行人航位推算系統(tǒng)5%的行進距離誤差通常是可以接受的。例如，當一個人走過100m的距離時，定位誤差應該在5m范圍內(nèi)。這要求航向誤差在±2°到±5°之間[2]。例如，如果航位誤差是2°，當一個人走過100m的距離時，定位誤差應該在3.5m范圍內(nèi)[即2×100m×sin(2°/2)]。
此外，由于MEMS壓力傳感器能夠測量相對于海平面的絕對氣壓。因此，它可以確定手機用戶在海平面以下600m到海平面以上 9000m之間的高度，輔助GPS的高度測量[2]。利用MEMS傳感器與GPS接收器的行人航位推算系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
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