MEMS慣性導航與姿態測量系統解決方案
一、系統概述
MEMS慣性導航與姿態測量系統內含三軸低成本MEMS陀螺與三軸MEMS加速度計，通過捷聯慣性導航解算算法，可實時輸出高精度的三維位置、三維速度、三軸姿態、三軸角速度及三軸加速度信息。為克服MEMS慣性器件誤差較低的問題，系統需要與GPS或北斗衛星導航系統進行組合，通過慣性/衛星組合導航解算，可更有效全面地提高系統的性能，使得系統的輸出精度大大提高，同時可增強系統的可靠性、可用性、環境適應性和動態性。
圖1 MEMS慣性導航與姿態測量系統
二、系統特點及優勢
（1）高精度測量：通過高效的慣性/衛星組合導航算法，可有效補償MEMS慣性器件的輸出誤差，使得系統的姿態測量精度可達0.2°-0.3°，航向測量精度可達0.3-0.5°；
（2）高帶寬：系統數據輸出頻率最高可達200Hz，數據的整體延時優于5ms；
（3）遮擋保持：系統在衛星信號無效的情況下，可以保持約30°/h的航向角、姿態角精度，可抗短時遮擋；
（4）完整的運動信息：系統可以輸出載體運動的三維角速度、三維加速度、三軸姿態角、三維速度、三維位置等全部運動信息；
（5）高可靠性：系統選用低成本MEMS慣性器件，具有結構簡單，可靠性高等特點；
（6）豐富的軟硬件接口：系統擁有RS232/RS422等輸出接口，可通過命令控制改變產品的輸出格式及信息量；
（7）個性化定制服務：慣性導航與姿態測量系統由我公司全自主研發設計，可以根據用戶的需求對系統進行個性化改造，從而最大限度地滿足用戶需求。
三、系統工作原理
MEMS慣性導航與姿態測量系統工作原理如圖2所示：
（1）慣性測量單元（Inertial Measurement Uint,IMU）接收數據采集單元輸出的三軸角速度數據和三軸加速度數據，IMU誤差補償單元用于對陀螺及加速度計的輸出信號進行誤差補償，包括陀螺、加速度計的零偏、刻度系數、零偏溫度誤差、刻度系數溫度誤差、刻度系數非線性誤差、交叉耦合誤差等，IMU將經誤差補償后的三軸角速度和三軸線加速度數據傳送給捷聯慣性導航解算單元。
（2）捷聯慣性導航解算單元對于經誤差補償后的三軸角速度、三軸線加速度信號，通過捷聯慣性導航解算算法，計算得到載體的位置、速度、姿態信息，然后將此信息傳輸給組合導航Kalman濾波器。
（3）組合導航解算單元將捷聯慣性導航單元輸出的載體的位置、速度、姿態信息與衛星導航系統（GPS或北斗）輸出的載體位置、速度等信息進行融合，通過Kalman濾波組合導航算法，估算得到捷聯慣導系統的位置、速度、姿態、角速度、加速度誤差，并進行誤差補償，從而計算得到高精度輸出信息，滿足控制系統的要求。
圖2 MEMS慣性導航與姿態測量系統工作原理圖
四、系統工作流程
系統工作流程如圖3所示。系統上電并完成自檢成功后，開始初始化，初始化完成后，導航計算機開始等待IMU數據，然后開始進行初始對準，初始對準后自動進入導航狀態。在導航狀態下，系統需要實時判斷衛星導航系統的工作狀態，如果GNSS有效，系統自動進入組合導航狀態，如果GNSS無效，系統進入純慣性導航狀態。
圖3 MEMS慣性導航與姿態測量系統工作流程
五、關鍵性能指標
| 測量范圍 | 方位角測量范圍 | 0°~360° |
| 俯仰角測量范圍 | ±90° | |
| 滾動角測量范圍 | ±180° | |
| 角速率 | ±100°/s | |
| 加速度 | ±5g | |
| 緯度 | ±85° | |
| 陀螺性能 | 常值零偏 | ≤0.02°/s |
| 零偏穩定性 | ≤0.01°/s （1σ） | |
| 零偏重復性 | ≤0.01°/s （1σ） | |
| 比例因子非線性度 | ≤0.2% | |
| 正交特性 | ≤0.1% | |
| 加計性能 | 常值零偏 | ≤3mg |
| 零偏穩定性 | 1.0mg （1σ） | |
| 零偏重復性 | ≤1.0mg（1σ） | |
| 正交特性 | ≤0.2% | |
| 測量精度 | 航向（GNSS有效） | 0.1° （雙天線模式：基線長度≥2m 、1σ） 0.3° （單天線模式：動態啟動后或賦值后 、1σ） |
| 姿態（GPS有效） | 0.2° （1σ） | |
| 位置（GPS有效） | 5m（CEP） | |
| 速度精度（GPS有效） | 0.3m/s（rms）、（1σ） | |
| 準備時間 | 啟動時間 | ≤10s |
| 穩定時間 | GNSS位置有效后系統正常工作 （具體時間視周圍環境而定，開闊地2min） | |
| 電 源 | 電 壓 | 直流（DC）9~13V、12V±10%（額定） |
| 功 率 | ≤4W | |
| 物理指標 | 體 積 | 88.9×58.4×35 mm（X，Y，Z） |
| 重 量 | ≤300g（主機部分） | |
| 工作溫度 | -40℃ ～ +55℃ | |
| 存儲溫度 | -45℃ ～ +65℃ | |
| 可 靠 性 | 平均無故障時間（MTBF） | 2000h |
| 連續工作時間 | ≥24h |
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