MEMS与FOG的精确制导之战
以前，光纤陀螺仪（FOG）比其他技术（如环形激光陀螺仪，RLG）的价格低廉，因此在竞争中颇具竞争优势。但如今，微机电系统（MEMS）陀螺仪已开始从传统FOG应用中夺走市场份额。具体来说，天线阵列稳定，农业机械控制和通用车辆导航是MEMS和FOG对抗的战场。
为了确定这两种技术在导航应用中的相似性，我们对高端MEMS陀螺仪和低端FOG陀螺仪进行了比较。在本次研究中，导航软件和测试用例是在分析中使用的控件，以确定MEMS是否真正准备好在战术导航性能级别上工作。
一、MEMS的精确制导
在过去的几年里，由于误差特性的改善、环境稳定性的提高、带宽的增加、g灵敏度的提高以及嵌入式计算能力的提高，MEMS在导航工业中得到了广泛的应用，嵌入式计算能力可以运行先进的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，MEMS技术也正在进入之前由FOG技术主导的市场。从FOG到MEMS技术的一个明显过渡是在天线阵稳定应用中。
机械控制应用也可以受益于MEMS技术的进步。传统上，用户倾向于成本超过30000美元的FOG或RLG导航系统，因为其性能比代表性的1000美元MEMS导航系统的精度和可靠性高20倍。精确农业和UGV/UAV/USV是两个应用实例，它们将极大地受益于低成本MEMS导航的改进。
二、MEMS VS FOG实时导航硬件配置
本次研究中所使用的导航系统旨在向电动机提供高姿态的输出，然后将电动机稳定在车顶上的天线阵列。天线阵的目的是保持与地球同步卫星的通信。
该导航系统被用作捆绑式INS / GNSS导航仪，可提供高速率位置和速度。惯性测量单位（IMU）数据以1000 Hz的速度流向导航滤波器，这些数据包用于预测位置，速度和姿态解。GNSS的位置、速度和来自双天线的航向被用作导航滤波器的更新。当全球导航卫星系统不可用时，磁强计被用来帮助初始化航向。气压计也被用来辅助海拔高度。
特殊校准程序与导航过滤器并行进行。这些程序校准了磁强计、双天线安装偏差、IMU安装偏差和静态周期检测车辆振动水平。
该系统设计为两种硬件配置。
第一种配置包括两个FOG（用于航向角和俯仰角）、一个MEMS陀螺仪（用于横摇）、一个三轴MEMS加速度计、一个三轴MEMS磁强计和一个MEMS气压计，传感器硬件材料清单（BOM）的总成本约为8000美元，适用于低体积。
第二种配置包括三个MEMS陀螺仪（适用于所有姿态角）、与前一种配置相同的三轴MEMS加速度计、三轴MEMS磁强计和MEMS气压计，低体积总成本约为1000美元。这些系统的价格可以随市场情况和容量而波动，但一般来说，光纤陀螺的价格是MEMS的8到10倍。
本次研究选用的MEMS陀螺仪和加速度计具有很好的偏置稳定性、正交性、g灵敏度和价格范围内的带宽。该系统的主要限制是高带宽要求。许多MEMS加速度计提供高带宽，但MEMS陀螺仪通常具有100hz或更低的带宽。这对于典型的车辆导航来说是很好的，但是该系统设计的应用程序需要适应高速率控制。
此外，有几种MEMS陀螺仪提供了良好的偏置稳定性，但带宽减小或噪声高。为该系统选择的MEMS陀螺仪平衡了带宽和性能。所选MEMS的实际规格如表1所示。
表1. MEMS IMU规范
将MEMS陀螺仪和加速度计集成到多轴IMU中（参见图1），潜在的主要误差源是传感器的x / y / z正交性。通常将其指定为横轴灵敏度或未对准。看到±2％跨轴灵敏度的规格是相当典型的。此系统的IMU具有0.087％（0.05°正交度）的横轴灵敏度。更重要的是，由于在工厂进行了特定于设备的校准，因此该规范会保留整个温度。对于给定的旋转速度，例如在偏航轴上，即使在横摇和俯仰轴上的实际旋转为零时，正交轴也将具有等于CrossAxisSensitivity×YawRate的速度输出。2％的跨轴误差通常会导致轴外噪声加法器超出原始陀螺仪噪声一个数量级；相反，此处的IMU的0.087％灵敏度已与原始陀螺仪噪声水平精心平衡。
惯性MEMS的采用率正在上升。因此，在推进这项技术方面投入了大量资金。
该系统中使用的MEMS陀螺仪采用多核结构，在稳定性、噪声、线性和线性-g性能之间实现了最佳平衡。全差分四谐振器与片上高性能信号调理紧密结合，从而使谐振器所需的响应范围最小化到高度线性区域，并提供高度的振动抑制。
将MEMS陀螺仪和加速度计集成到多轴IMU中（见图1），一个潜在的主要误差源是传感器的x/y/z正交性。通常将其指定为交叉轴灵敏度或未对准，一般可以看到±2%交叉轴灵敏度的规格。该系统的IMU具有0.087%（0.05°正交性）的交叉轴灵敏度。
更重要的是，由于在工厂进行了特定于设备的校准，因此该规范会保留整个温度。对于给定的转速，例如在偏航轴上，即使横摇轴和俯仰轴上的实际旋转为零，正交轴的速率输出也将等于横轴灵敏度×YawRate.2%的交叉轴误差通常会使离轴噪声加法器比本机陀螺仪噪声大一个数量级；相反，此处的IMU的0.087％灵敏度已与原始陀螺仪噪声水平精心平衡。
图1. MEMS IMU配置。
可用带宽及其与跨轴相位匹配能力的关联对于多轴设计也至关重要。一些陀螺仪结构具有与总噪声降低相关的带宽限制，而另一些结构由于反馈电子设备中使用的传感器处理而具有有限的带宽（通常低于100hz）。这会导致附加的相位相关误差波及传感器信号路径，特别是在卡尔曼滤波器中。
而MEMS IMU具有330赫兹的可用带宽和嵌入式可调滤波系统，它提供了一种均衡的方法来最小化总误差源，并允许使用嵌入式滤波优化系统特定的误差，即使在现场也是如此。
该MEMS IMU中使用的核心传感器在振动抑制和线性方面还具有固有的优势，使其性能不仅适合于高动态应用，而且在极端环境下也特别稳定且可预测。
本研究设计中使用的FOG是根据价格，性能和尺寸的组合来选择的。FOG的带宽，偏置稳定性和噪声水平是传感器最终选择的决定因素。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性和角随机游动特性。
表2. FOG规格
三、实时导航软件
实时导航软件以1000 Hz的频率处理解决方案，并使用传统的SINS机械化技术进行测量更新。度量更新来自多种来源，包括：
1.GNSS的位置和速度
2.双天线方向更新
3.磁力计标题更新
4.气压计高度更新
5.车辆OBDII的可选速度更新
每次更新都用于纠正仅INS解决方案的偏差，但是更新本身可能会中断或不准确。
双天线航向更新具有良好的精度，但容易出现多径现象。因此，双天线航向更新仅在露天时才可靠。从全球导航卫星系统接收器获得的位置和速度估计也可以得出同样的结论，这也得益于小卫星系统。
在校准过程中，由于垂直可观测性差，磁强计的航向估计可能会受到大倾角的影响。磁强计在其他铁材料周围也可能不准确，比如在其他车辆旁边行驶时。因此，在全球导航卫星系统不可用时，磁强计被用来帮助初始化系统，或在全球导航卫星系统很长一段时间内（例如20分钟）帮助减少航向漂移。
当全球导航卫星系统不可用或不准确时，气压计被用来辅助高度读数。速度更新用于防止速度在没有GNSS更新的情况下漂移，特别是在沿轨道方向。这些速度更新也有助于减少解决方案的位置不确定性，这有助于拒绝较差的全球导航卫星系统位置更新。整个导航软件的设计目的是在任何全球导航卫星系统条件下提供准确的结果。
四、MEMS与FOG导航测试结果
为了正确比较两个系统，设计了三个系统级导航基准测试：
1.具有良好GNSS信号的开阔天空，可评估侧倾，俯仰和航向的准确性。
2.GNSS多路径方案，例如在市区市区，由于建筑物较高，GNSS解决方案的质量可能很差。该测试的目的是比较滤波后的位置性能，该性能还将显示姿态和速度误差。
3.仅用惯性导航系统的性能来评估惯导系统的位置漂移，它同样代表了速度和姿态性能。
1、开放天空下的测试结果
由于全球定位系统可用，而且几颗卫星的视线清晰，两个系统的定位和速度结果相当。姿态角、横摇角、俯仰角和航向是比较的主要导航参数，因为它们在很大程度上取决于陀螺仪的性能。
表3.空中姿态结果
GNSS可用时，姿态性能几乎相同，而FOG的优势约为5％。
2、GNSS多路径方案测试结果
这个测试旨在比较存在GNSS多路径的两个系统。
在卡尔加里市中心行驶的轨迹包括一些非常狭窄的小巷和在被高楼包围的交通中缓慢行驶。
现在，对性能的关注可以包括定位结果，因为在缺乏高质量GNSS测量的情况下，陀螺仪可以为定位性能做出很大贡献。该测试的结果表明这两个系统具有可比性。但是，FOG系统大约要好20％到30％。
图2显示了仅GPS解决方案的示意图。该测试中使用的高精度GPS接收器在导航恶劣的市区轨迹时会遇到一些明显的信号反射。仅限GPS的解决方案的误差高达100米。
图2.多路径的仅GPS结果
红色的FOG集成解决方案（图3）清楚地显示了车辆经过的路径，并且在市区精确到10米或更高。
图3. FOG / GPS集成解决方案（FOG + GPS红色，仅GPS蓝色）
MEMS解决方案如图4所示，绿色始终在15米范围内。由于惯性导航系统预测的权重较弱，这种解决方案更容易被错误的GNSS位置更新“拉动”。
图4. MEMS / GPS集成解决方案（MEMS + GPS绿色，仅GPS蓝色）
为了帮助MEMS解决方案克服GPS更新不准确的问题，使用了其他传感器。图5显示了将OBDII添加到系统中以获取车速。
图5. MEMS / GPS / OBDII集成解决方案（MEMS + GPS + OBDII绿色，仅GPS蓝色）
MEMS解决方案始终都在10米以内，甚至可能比没有OBDII的FOG更好，如图6的放大图所示。
图6.带OBDII的MEMS（绿色）与不带OBDII的FOG（红色）相比，蓝色仅GPS
3、仅限INS的测试结果
这两个系统之间的最终比较是仅限于INS的导航测试。系统使用开放式GNSS更新进行了融合。然后在两个系统上断开天线连接4.5分钟，并将位置漂移用作性能指标。在这段时间内行进的距离约为5500米。
图7显示了轨迹的概图。蓝色直线显示GPS在右下角到左上角断开的位置，即重新连接的位置。
图7.仅限INS的测试路径
如图8所示，FOG系统在此GNSS中断期间的运行情况非常好，最大漂移为7米。FOG系统在5分钟后的典型漂移性能已被基准设定为25米，因此这一特定的中断比典型的性能稍好。
图8.仅FOG漂移
在没有全球导航卫星系统更新的情况下，MEMS系统在4.5分钟后出现了75米的漂移。这种漂移主要是由于加速度计引起的沿轨道误差。MEMS系统的基准测试表明，在没有全球导航卫星系统更新的情况下，5分钟后的典型漂移为75米，大约比FOG漂移大3倍。
图9.仅MEMS漂移
在MEMS系统中增加了OBDII的更新，漂移改善到了10米以下，或者相当于FOG解决方案。带有OBDII的MEMS系统的典型基准性能在没有GNSS更新的情况下，5分钟后会产生大约30米的位置漂移，这也等同于FOG基准测试结果。
图10.带有OBDII漂移的MEMS
五、结论
光纤陀螺（FOG）与微机电系统（MEMS）之间的较量是一场势均力敌的战争，特别是在MEMS的性能已接近光纤陀螺战术级性能水平的情况下。光纤陀螺在性能上仍有优势，但比MEMS贵10倍。如果全球导航卫星系统可用，并且应用的目的是在开阔的天空中运行，那么MEMS可以取代一些低端的FOG.如果要在退化的全球导航卫星系统环境中使用，那么MEMS也可能会取代某些FOG系统，代价是性能降低20%到30%。
对于独立式惯性导航系统的性能，FOG仍然具有优势，但如果应用程序能够接受车辆或平台速度更新，则可以使MEMS系统的性能与独立的FOG系统相同。
随着MEMS技术的不断进步、具有竞争力的价格以及其他传感器（如OBDII）的帮助，MEMS替代光纤陀螺技术的技术可能在不久的将来取得进展。
作者：Dr. Chris Goodall,Sarah Carmichael,Bob Scannell
来源：https://www.analog.com/en/technical-articles/the-battle-between-mems-and-fogs-for-precision-guidance.html#
编译：枭枭
