MEMS可否取代光纤陀螺仪技术？

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。

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显示了独立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。独立GPS解决方案的误差多达100米。

图2：此图显示有多路径干扰的独立GPS解决方案结果

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红色，独立GPS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绿色，独立GPS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绿色，独立GPS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)比较。独立GPS为蓝色。

独立INS结果：示例和基准

两个系统之间的最后一项比较是独立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5,500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：独立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：独立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：独立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。(end)