以MEMS技术为基础的组合导航系统

哈尔滨工程大学以MEMS技术为基础的组合导航系统自动化学院导航制导与控制以MEMS技术为基础的组合导航系统姓名：唐苗苗学号：B4110400072011年10月8日以MEMS技术为基础的组合导航系统：一、组合导航系统的研究背景和研究意义二、微型惯性测量器件的基本介绍三、组合导航系统的基本组成四、组合导航系统的组合方式五、组合导航系统的导航算法六、组合导航系统的应用七、GPS与无陀螺微惯性组合导航系统一、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12020年陀螺仪发展趋势预测二、微型惯性测量器件的基本介绍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：二、微型惯性测量器件的基本介绍图2ADXRS系列硅微陀螺仪图3BSAC的双轴微机械陀螺仪图4JPL四叶式陀螺结构示意图和照片二、微型惯性测量器件的基本介绍图5Litton公司生产的硅陀螺图6BAE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8JPL苜宿叶式微机械陀螺仪图9Litton研制的微机械陀螺仪图10Base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三轴数字陀螺仪图13Kearfott研制的微机械陀螺仪图14LITEF研制的微机械陀螺仪图15AD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ctxxxVVVctxxxVVV二、微型惯性测量器件的基本介绍图16Draper实验室的硅加速度计图17Litef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图19加州大学伯克利分校研图20LittonSIACTM硅加速度计制的单质量块三轴加速度计二、微型惯性测量器件的基本介绍图21Draper实验室和波音公司生产图22ADI公司生产的ADXL的MEMS惯性系统IMU的分解图203双轴硅微加速度计二、微型惯性测量器件的基本介绍图23HoneywellQA3000系列加速度计二、微型惯性测量器件的基本介绍图24VITTechnologies的CMA3000三轴MEMS加速度计二、微型惯性测量器件的基本介绍图25LIS3DxFemtoMEMS三轴数字加速度计二、微型惯性测量器件的基本介绍图26Honeywell公司研制的HG1900MIMU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图27Litton公司研制的LN-200IMU二、微型惯性测量器件的基本介绍图28Honeywell的MEMSIMU产品二、微型惯性测量器件的基本介绍图29Honeywell的HG1900MEMSIMU产品二、微型惯性测量器件的基本介绍图30MEMSICIMU440图31Honeywell公司生产的HG1930IMU二、微型惯性测量器件的基本介绍2、国内相关研制单位国内相关研制单位如下图所示：东南大学哈尔滨工业大学西北工业大学国防科技大学北京航空航天大学清华大学高校上海冶金所所信息产业部所中电科技集团第研究所1326二、微型惯性测量器件的基本介绍3、微型惯性测量器件的性能指标分析下表为不同级别的陀螺仪性能指标：表1不同级别陀螺仪性能指标分析参数速率级战术级惯性级角随机游走（°/h）0.50.5~0.050.001零漂（°/h）10~10000.1~100.01尺度因子（%）0.1~10.01~0.10.001测量范围（°/s）50~1000500400带宽（Hz）70~100~100抗震性（1ms）1000g1000~10000g1000g表2ADI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3ADI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二、微型惯性测量器件的基本介绍单位测量范围分辨率灵敏度线性度时间漂移复旦大学0.22µV(rad/s)清华大学±400°/s≤0.1°/s1.9mV(°/s)BEI±5~±1000°/s≤0.004°/s2.5~50mV(°/s)0.05%满量程时间漂移0.05°/sQRS-141000°/s以内可调0.004°/s0.1V/°/s5%GYRO-21000°/s以内可调0.004°/s0.1V/°/s5%VG941-3500°/s0.03°/s0.3%十三所±200°/s0.05°/s表5国内部分单位研制的微机械加速度计的性能指标二、微型惯性测量器件的基本介绍单位量程灵敏度线性度分辨率零偏稳定性其它北京大学-1~+1g3V/g99.779%1mg—抗冲击5000g清华大学±30g0.4V/g——0.0002mg噪声0.0002g.√Hz上海冶金所±1—0.1%——横向灵敏度0.1%±0.1—0.05%———±0.01—0.3%———信息产业部13所75g0.1V/g—1mg—工作带宽上海冶金所±1g412mV/g小于0.4%———表6国外部分单位研制的微机械加速度计的性能指标二、微型惯性测量器件的基本介绍单位量程灵敏度线性度分辨率其它Kistler-1~+1g10V/g±0.2%FS0.3mg抗冲击2000g±10g1V/g±0.2%FS1.5mgEndevco40g50mV/g—1mg频率响应1~10HzEG&GICSENSORS±2g1.75/3mV/g±0.2~±1%—横向灵敏度±1~±3%FS±10g1.5/3mV/g±0.2~±1%—横向灵敏度±1~±3%FS1、组合导航系统的种类（以MEMS技术为基础）组合导航系统的种类很多，主要还是以微型测量单元IMU构成的捷联惯性导航系统和GPS组成的组合导航系统为主。此外，在某些应用场合，人们还将多普勒计程仪、雷达导航系统和微惯性导航系统构成组合导航系统。下面是国内外的一些生产厂家生产的以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星导航系统组合无陀螺微惯导系统与卫系统与导航系统组合微惯导系统、卫星导航系统与磁传感器组合微惯导系统、卫星导航、电子罗盘）组合（如磁强计、微惯导系统与磁传感器）组合、北斗系统（如微惯导系统与卫星导航组合导航系统EC2GPS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32SiNAV型MEMS组合导航系统外观图三、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33UNCUN1产品外观图三、组合导航系统的基本组成三、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-MarkFamily），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、广域增强系统等图34Land-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（CrossbowTechnology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图35NAV440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（CloudCapTechnology）生产的短笛系列（PiccoloFamily）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，体积更小图36Piccolo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37Honeywell的IGS200图38Honeywell的INS/GPS组合导航系统紧组合导航系统三、组合导航系统的基本组成图39PNS100GNSS/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图40哈尔滨工业大学生产的MIMU与样机系统外观图参数陀螺加速度计测量范围±100°/s±2g标度因数非线性度0.05%0.5%带宽50Hz0~300Hz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：图42MSINS-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三、组合导航系统的基本组成微型GPS接收器MIMUMIMU数据采集模块数据处理系统GPS数据采集模块微惯性传感器模块电源导航计算机三、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43位置/速度组合模式图44伪距/伪距率组合模式2、按组合状态维数的不同分类：四、组合导航系统的组合方式伪距率组合伪距速度组合位置//降维组合系统全维组合系统四、组合导航系统的组合方式3、按组合深度进行分类：还有一些组合导航系统采用超紧组合方式进行组合导航：图45GPS-MSINS松组合方式图46GPS-MSINS紧组合方式4、按误差校正方式进行分类紧组合（深组合）松组合（浅组合）GPS（位置、速度、时间、姿态）组合处理器(位置、速度、姿态)(位置、速度、时间)SINS误差反馈辅助反馈GPS位置、速度、时间、姿态组合处理器辅助速度和姿态误差伪距、伪距率SINS反馈校正组合输