以MEMS技术为基础的组合导航系统

三、组合导航系统的基本组成
图24所示是美国的GNC公司生产的UNCUN1型组合导航系统，其性 能指标为： 组合方式：MIMU/GPS松组合方式 定位误差：小于15m（在广域增强系统可用情况下定位误差小于3m） 速度误差：小于0.2m/s
图33 UNCUN1产品外观图
三、组合导航系统的基本组成
图25所示是美国的角斗士技术公司（GT公司）生产的陆标系列的组合 导航系统（Land-Mark Family） ，其性能指标为： 组合方案：MIMU/GPS组合 定位误差：小于2.5m 特点：功耗低、精度高、功能全，可支持差分GPS、广域增强系统等
微型惯性测量器件以微机械陀螺和微机械加速度计为主， 另外某些单位还研制了微型磁传感器和微型惯性测量单元IMU. 1、国外研制单位和相关产品介绍 美国：AD公司、Draper实验室、BEI公司、Honeywell公司、 NASA下属的喷气动力实验室（JPL）、Litton公司、斯 坦福大学、加州大学伯克利分校等 英国：Base公司 德国：LITEF公司 此外，日本、俄罗斯、法国、加拿大等国的一些大学，科 研单位和公司也在从事微惯性测量器件的研制和生产工作。 下图所示是一些公司生产的以MEMS技术为基础的微机械 陀螺仪、微机械加速度计和微惯性测量组合：
四、组合导航系统的组合方式
以MEMS技术为基础的MIMU与GPS组合导航系统的组合方式很多，可 以按不同的分类方法进行分类： 1、按观测量的不同进行分类：
图14 LITEF研制的微机械陀螺仪
图15 AD公司生产的微机械加速度计
二、微型惯性测量器件的基本介绍
图16 Draper实验室的硅加速度计 图17 Litef公司的B-290硅加速度计
图18 加州大学伯克利分校 研制的三轴加速度计
二、微型惯性测量器件的基本介绍
图19 加州大学伯克利分校研 制的单质量块三轴加速度计
—
—
0.0002mg
噪声 0.0002 g. √Hz
横向灵敏 度0.1% —
上海冶金 所
±1 ±0.1
— —
0.1% 0.05%
— —
— —
±0.01
信息产业 部13所 上海冶金 所 >75g ±1g
—
0.1V/g 412mV/g
0.3%
— 小于0.4%
—
1mg —
—
— —
—
工作带宽 —
二、微型惯性测量器件的基本介绍
图23所示是美国的J.F.Lehman&Company公司生产的SiNAV型组合导航 系统，其性能指标为： 组合方式：MIMU/GPS紧组合耦合方式 定位误差：小于10m 速度误差：小于0.1m/s 耐冲击力：20000g 陀螺测量范围：±14000°/s
图32 SiNAV型MEMS组合导航系统外观图
图34 Land-Mark系列产品外观图
三、组合导航系统的基本组成
图26所示是美国的克尔斯博科技公司（Crossbow Technology公司）生产 的NAV440型组合导航系统其性能指标为： 组合方案：MIMU/GPS/磁强计组合 定位误差：小于2.5m 水平速度误差：小于0.4m/s 垂直速度误差：小于0.5m/s 应用范围：无人飞机控制、陆地车辆导航、平台稳定控制等领域
一、组合导航系统的研究背景和研究意义
虽然微型惯性导航系统的精度不高，除了在高精度导航领域 微惯导系统未得到广泛应用外，在许多低精度和中低精度领域微 惯性导航系统都得到了广泛的应用。 下图所示是人们预测的微型惯性器件在未来的发展和应用情 况：
图1 2020年陀螺仪发展趋势预测
二、微型惯性测量器件的基本介绍
图20 Litton SIACTM硅加速度计
二、微型惯性测量器件的基本介绍
图21 Draper实验室和波音公司生产 的MEMS惯性系统IMU的分解图
图22 ADI公司生产的ADXL 203双轴硅微加速度计
二、微型惯性测量器件的基本介绍
图23 Honeywell QA3000 系列加速度计
二、微型惯性测量器件的基本介绍
二、微型惯性测量器件的基本介绍
表2 ADI公司生产的MEMS陀螺仪的相关性能指标
二、微型惯性测量器件的基本介绍
表3 ADI公司生产的MEMS加速度计的相关性能指标
二、微型惯性测量器件的基本介绍
表4 国内外部分微机械陀螺的性能指标
单位 复旦大学 清华大学 BEI QRS-14 GYRO-2 ±400°/s ±5~ ±1000°/s 1000°/s以 内可调 1000°/s以 内可调 ≤0.1°/s ≤0.004°/s 0.004°/s 0.004°/s 测量范围 分辨率 灵敏度 0.22µ V(rad/ s) 1.9mV(°/s) 2.5~50mV( °/s) 0.1V/ °/s 0.1V/ °/s 0.05%满量 程 5% 5% 时间漂移 0.05°/s 线性度 时间漂移
二、微型惯性测量器件的基本介绍
图28 Honeywell的MEMS IMU产品
二、微型惯性测量器件的基本介绍
图29 Honeywell的HG1900 MEMS IMU产品
二、微型惯性测量器件的基本介绍
图30 MEMSIC IMU440
图31 Honeywell公司生产的
HG1930IMU
二、微型惯性测量器件的基本介绍
标度因数非线性度
带宽
<0.05%
>50Hz
<0.5%
0~300Hz
图40 哈尔滨工业大学生产的MIMU与样机系统外观图
三、组合导航系统的基本组成
清华大学采用 MIMU/GPS/ 磁强计组合导航方案，实现了原理样机的 研制，样机系统如图29所示：
图41 清华大学微型组合导航系统样机外观图
三、组合导航系统的基本组成
一、组合导航系统的研究背景和研究意义 1、组合导航系统的研究背景 以MEMS技术为基础的微型惯性导航系统相比传 统的惯性导航系统具有如下特点： （1）体积小 （2）成本低 （3）可靠性高 （4）精度低 微型惯性导航系统最大的缺点就是精度低，这严 重制约了微惯性导航系统的发展，因此近年来人们开 始将微惯性导航系统与其它导航系统如卫星定位系 统，天文导航系统进行结合。 2、组合导航系统的研究意义
图35 NAV440型组合导航系统外观图
三、组合导航系统的基本组成
图27所示是美国的云帽技术公司（Cloud Cap Technology）生产的短笛系 列（Piccolo Family）自动驾驶仪，具有如下特点： 组合方式：MIMU/GPS/松组合 特点：支持激光计、磁强计等辅助导航设备的即插即用功能 封装：采用碳纤维材料封装，相比早期产品重量更轻，体积更小
三、组合导航系统的基本组成

微惯性传感器模块：用来敏感载体的角运动和线运动 微型GPS接收机：接收卫星发送的载体的导航信息 数据采集模块：采集陀螺、加速度计和GPS接收机的信号 数据处理模块：对采集到的信号滤波、放大、A/D转换和误差补偿 导航计算机：用来进行导航解算和信息融合处理
二、微型惯性测量器件的基本介绍
图2 ADXRS系列硅微陀螺仪
图3 BSAC的双轴微机械陀螺仪
二、微型惯性测量器件的基本介绍
图5 Litton公司生产的硅陀螺
图6 BAE公司振环式硅微陀螺
图7 加州大学伯克利分校研制的10mm六自由度惯性传感器系统
二、微型惯性测量器件的基本介绍
图8 JPL苜宿叶式微机械陀螺仪
表6 国外部分单位研制的微机械加速度计的性能指标
单位
Kistler
量程
-1~+1g ±10g
灵敏度
10V/g 1V/g 50mV/g
线性度
±0.2%FS ±0.2%FS —
分辨率
0.3mg 1.5mg 1mg — —
其它
抗冲击2000g
Endevco
40g
频率响应 1~10Hz 横向灵敏度 ±1~±3%FS 横向灵敏度 ±1~±3%FS
图36 Piccolo自动驾驶仪系列产品外观图
三、组合导航系统的基本组成
图37 Honeywell的IGS200 组合导航系统
图38Honeywell的INS/GPS 紧组合导航系统
三、组合导航系统的基本组成
图39 PNS100 GNSS/INS紧耦合系统
三、组合导航系统的基本组成
图28所示是哈尔滨工业大学研制的MIMU/GPS/磁强计微型组合导航 系统试验样机，系统中微机械陀螺仪和微机械加速度计的性能指标如表7 所示： 表7 低精度硅微机械陀螺与加速度计参数 参数 测量范围 陀螺 ±100°/s 加速度计 ±2g
2、组合导航系统的基本构成（以MSINS-GPS组合导航系统为主） 下面的框图表示的是一个典型的基于MEMS的SINS与GPS的组合 导航系统的硬件组成：
微型GPS接收 器
GPS数据采集模 块
电源
数据处 理系统
导航计 算机
MIMU 微惯性传感器模 块 MIMU数据采集模 块

图42 MSINS-GPS组合导航系统的硬件构成方框图 下面介绍组合导航系统中各个模块的功能： 电源模块：给组合导航系统供电
图9 Litton研制的微机械陀螺仪 图10 Base研制的微机械陀螺仪
二、微型惯性测量器件的基本介绍
图11 欧盟资助的微观陀螺仪的结构图
二、微型惯性测量器件的基本介绍
图12 意法半导体公司的两款MEMS三轴数字陀螺仪
Vx Vxc Vxt
二、微型惯性测量器件的基本介绍
图13 Kearfott 研制的微机械陀螺仪
参数 角随机游走 （°/h） 零漂（ °/h ） 速率级 >0.5 10~1000 战术级 0.5~0.05 0.1~10 0.01~0.1 >500 ~100 1000~10000g 惯性级 <0.001 <0.01 <0.001 >400 ~100 1000g