MEMS和FOG的精確導(dǎo)航之爭(zhēng)

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(duì)于多軸設(shè)計(jì)也至關(guān)重要。有些陀螺儀結(jié)構(gòu)帶寬有限，與降低總噪有關(guān)，而有些結(jié)構(gòu)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(dǎo)致的。

這可能導(dǎo)致通過(guò)傳感器信號(hào)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(diào)濾波系統(tǒng)，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(xiàn)系統(tǒng)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)抑制能力和線性度，不僅使得它們的性能適合高動(dòng)態(tài)應(yīng)用，而且還在極端環(huán)境條件下具有穩(wěn)定性和可預(yù)測(cè)性。

本設(shè)計(jì)使用的FOG是綜合權(quán)衡價(jià)格、性能和大小這幾種因素選擇的。FOG的帶寬、偏置穩(wěn)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(shù)。與MEMS相比，F(xiàn)OG具有更好的零偏穩(wěn)定度，角度隨機(jī)游動(dòng)也有了顯著改進(jìn)。

表2：FOG規(guī)格(uFors-6U)。

所有更新都用于糾正獨(dú)立INS解決方案的漂移，但更新本身也可能中斷或不準(zhǔn)確。

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

來(lái)自磁力計(jì)的航向預(yù)測(cè)可能由于在校準(zhǔn)期間的垂直可觀察性不佳，而受到較大傾斜角的影響。磁力計(jì)在含鐵物質(zhì)周圍也可能不精確，例如在其他車輛旁邊行駛時(shí)。因此，磁力計(jì)用于在GNSS不可用時(shí)幫助初始化系統(tǒng)，或在GNSS長(zhǎng)時(shí)間中斷時(shí)(例如20分鐘)幫助減小航向漂移。

氣壓計(jì)用于在GNSS不可用或不精確時(shí)幫助獲取高度讀數(shù)。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(zhǔn)確的GNSS位置更新。整個(gè)導(dǎo)航軟件的設(shè)計(jì)目的是在任何GNSS條件下提供精確結(jié)果。

導(dǎo)航測(cè)試

為了正確比較兩個(gè)系統(tǒng)，我們?cè)O(shè)計(jì)了三個(gè)系統(tǒng)級(jí)導(dǎo)航基準(zhǔn)測(cè)試：

* 在具有良好GNSS信號(hào)的開(kāi)放天空環(huán)境下評(píng)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(qū)，由于存在高層建筑，GNSS解決方案質(zhì)量可能不好。本測(cè)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(dú)立INS性能測(cè)試，旨在評(píng)估INS位置漂移，也代表速度和高度性能。

開(kāi)放天空高度結(jié)果

在GPS可用且位于多個(gè)衛(wèi)星的直射范圍內(nèi)的情況下，兩個(gè)系統(tǒng)的定位和速度結(jié)果是相似的。高度角(橫滾、俯仰和航向)是我們比較的主要導(dǎo)航參數(shù)，因?yàn)樗鼈冊(cè)诤艽蟪潭壬鲜怯赏勇輧x性能決定的。

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

結(jié)束語(yǔ)

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

在獨(dú)立INS性能方面，F(xiàn)OG仍然具有優(yōu)勢(shì)，但如果應(yīng)用能夠接收車輛或平臺(tái)速度更新，則MEMS系統(tǒng)可以達(dá)到與獨(dú)立FOG系統(tǒng)相同的水平。

隨著MEMS技術(shù)的持續(xù)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(xiàn)。