INS慣性導航

慣性導航傳感器有多準確？

 INS 傳感器主要根據(jù)陀螺儀性能可分為 五個性能等級（見下文詳細信息）。

雖然 INS 還會有其他傳感器，例如加速度計和磁力計，但陀螺儀的成本與性能是決定性能等級的主要因素。例如，基于 MEMS 的 INS 性能通常從消費級到戰(zhàn)術級不等。然而，隨著 MEMS 和數(shù)據(jù)融合技術的最 新進展，我們現(xiàn)在看到基于 MEMS 的 INS 性能接近高端戰(zhàn)術級。

性能等級：消費/汽車

· 陀螺儀零偏穩(wěn)定性：超過 20 °/h

· 費用：$

· 應用示例：運動檢測

· 傳感器技術：MEMS

· 先進的導航產(chǎn)品：–

性能等級：工業(yè)/戰(zhàn)術

· 陀螺儀零偏穩(wěn)定性：5 – 20 °/h

· 費用：$$

· 示例應用：機器人和工業(yè)應用

· 傳感器技術：MEMS

· 先進導航產(chǎn)品：GNSS 羅盤

性能等級：高端戰(zhàn)術

· 陀螺儀零偏穩(wěn)定性：0.1 – 5 °/h

· 費用：$$$

· 示例應用：平臺穩(wěn)定和自主系統(tǒng)

· 傳感器技術：MEMS / FOG（光纖陀螺儀）/RLG（環(huán)形激光陀螺儀）

· 高級導航產(chǎn)品：Spatial、Certus、Certus Evo

性能等級：導航

· 陀螺儀零偏穩(wěn)定性：0.01 – 0.1 °/h

· 費用：$$$$

· 應用示例：飛機/海上導航

· 傳感器技術：FOG/RLG

· 先進導航產(chǎn)品：Spatial FOG、Spatial FOG Dual

績效等級：戰(zhàn)略

· 陀螺儀零偏穩(wěn)定性：0.0001 – 0.01 °/h

· 費用：$$$$$

· 示例應用：潛艇導航

· 傳感器技術：FOG/RLG

· 先進導航產(chǎn)品：Boreas

慣性導航系統(tǒng)有多準確？

慣性導航系統(tǒng)有很多種，其精度各有不同。

利用光纖陀螺儀 (FOG) 的高端 INS 精度可達厘米級，可用于航空航天探索、AUV 和國防應用。與 GNSS 不同，慣性導航系統(tǒng)不受干擾或欺騙的影響，因為它們不需要來自衛(wèi)星或基站等外部來源的參考。

使用慣性導航系統(tǒng)有哪些好處？

慣性導航系統(tǒng)是提供位置數(shù)據(jù)的成熟解決方案。慣性導航系統(tǒng)有多種類型，包括輕量級 MEMS（微機電系統(tǒng)）、動態(tài)光纖陀螺儀 (FOG) 和更先進的數(shù)字光纖陀螺儀 (DFOG)。

慣性導航系統(tǒng)在 GNSS 被禁用（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）的環(huán)境中尤其有用。GNSS 可能會在隧道等地下環(huán)境或水下環(huán)境中受到干擾。GNSS 信號還可能通過多路徑或大氣干擾受到干擾。雖然這可能會給手機導航帶來不便，但對于航空測量或國防應用等來說，定位是不容許出錯的。

這就是為什么集成 GNSS 的慣性導航系統(tǒng)更加可靠，因為 INS 本質(zhì)上可以減少 GNSS 單獨使用時可能出現(xiàn)的誤差。慣性導航系統(tǒng)無需與基站通信即可有效、準確地運行，非常適合 GNSS 容易出現(xiàn)誤差或根本無法使用的情況。

可以使用哪些方法來提高 INS（RTK、里程表、空氣數(shù)據(jù)單元、DVL）的性能？

通過使用外部輔助傳感器，可以進一步提高 INS 的精度。這些傳感器的輸入可用作傳感器融合算法的附加數(shù)據(jù)，以更好地估計位置、速度和方向。

INS 使用的輔助傳感器類型在很大程度上取決于應用。輔助傳感器的一些示例包括：

· 車輪轉(zhuǎn)速傳感器 - 陸地應用 - 通過車輪旋轉(zhuǎn)測量車速。

· OBDII 里程表 - 陸地應用 - 與車載計算機通信，向 INS 提供車速。

· 空氣數(shù)據(jù)單元 - 空氣應用 - 測量皮托管空速和氣壓高度。

· 多普勒速度計 (DVL) – 海底應用 – 這是一種估算相對于海底的速度的聲學傳感器。

所有先進導航 INS 解決方案均可與各種傳感技術接口以提高性能

Advanced Navigation 是最 大的慣性導航系統(tǒng) (INS) 制造商之一。我們的 MEMS 和 FOG慣性導航系統(tǒng)系列可在最苛刻的條件下提供準確的位置、速度、加速度和方向。它們將溫度校準的加速度計、陀螺儀、磁力計和壓力傳感器與最 先進的 RTK GNSS 接收器相結(jié)合。這些與 基于 AI 的算法相結(jié)合 ，以最 低的 SWaP-C（尺寸、重量、功耗、成本）提供最 高的性能。

這種專有算法通過比傳統(tǒng)卡爾曼濾波器更快地跟蹤傳感器誤差來提高 INS 精度。對于許多傳統(tǒng)慣性導航系統(tǒng)，對位置、速度和加速度應用基本的線性約束。相比之下，基于高級導航 AI 的算法應用了更全面的動態(tài)約束，具有完整的車輛運動物理模型，可以更好地跟蹤誤差、提供更可靠的數(shù)據(jù)和更高的精度。

高級導航慣性導航系統(tǒng)包含 可靠的傳感器 ，每個傳感器都經(jīng)過了 8 小時的嚴格溫度校準過程。這為每種傳感器類別在 -40° C 至 85° C 的整個工作溫度范圍內(nèi)提供了最 高的精度。

GNSS 接收器支持所有當前的導航衛(wèi)星星座，包括 GPS、GLONASS、GALILEO、北斗和 QZSS。

1000 Hz 的高內(nèi)部濾波率可確保  在最苛刻的應用中實現(xiàn)高動態(tài)性能。

INS 系列涵蓋四個關鍵性能等級（工業(yè)、戰(zhàn)術、導航和戰(zhàn)略），使客戶能夠使用單一供應商滿足多種應用和精度需求。

得益于垂直整合，先進導航完全控制了硬件制造和軟件設計，使我們能夠 為精準可靠的導航和定位樹立新的標桿。

先進的導航 INS 產(chǎn)品被許多世界 領先的公司用于 商業(yè)和國防應用。我們的全球支持工程師團隊確保我們的解決方案能夠成功集成到您的系統(tǒng)中。

Pulse-40 慣性測量單元

SBG Systems 的 Pulse-40 IMU 是一款 6 自由度戰(zhàn)術級 IMU，可為 SWaP-C 受限應用提供出色的性能，可在惡劣條件下運行。Pulse-40 IMU 重量僅為 12 克，采用 0.3 W 傳感器。超低噪音陀螺儀和高精度加速度計使其非常適合高振動環(huán)境。 

SBG 系統(tǒng) Pulse-40 IMU

SBG Systems 的 Pulse-40 IMU 是一款 6 自由度戰(zhàn)術級慣性測量裝置，可為 SWaP-C 受限應用提供出色的性能，可在惡劣條件下運行。Pulse-40 IMU 重量僅為 12 克，采用 0.3 W 傳感器。超低噪音陀螺儀和高精度加速度計使其非常適合高振動環(huán)境。 

特征

· 高帶寬（500Hz）

· 高數(shù)據(jù)速率（2KHz）

· 運動到輸出延遲 < 2ms

· 超低噪音陀螺儀（0.08°/√h）

· 異常振動誤差 (VRE)

· 校準范圍為-40 至 85°C

Pulse-40 可承受各種挑戰(zhàn)，在各種天氣和高振動條件下為您提供可靠的戰(zhàn)術級精度。鋁制外殼確保長期耐用性，高端 MEMS 陀螺儀經(jīng)久耐用，因此您可以信賴 Pulse-40 能夠長期滿足 SBG 設定的高質(zhì)量要求。Pulse-40 提供兩年保修，以支持 SBG 系統(tǒng)的質(zhì)量和可靠性。

概述

SBG Systems 的 Pulse-40 戰(zhàn)術級 IMU 非常適合高頻動態(tài)和高振動環(huán)境。其極低的噪音可降低對控制系統(tǒng)的影響。SBG 的生產(chǎn)流程和校準可確保一致性和可重復的行為。

Pulse-40 將您的導航系統(tǒng)提升至戰(zhàn)術級別。在所有條件下（包括高振動環(huán)境）都能保證性能。讓您的系統(tǒng)更加可靠，并為您的核心業(yè)務節(jié)省重量、功耗和預算。

Pulse-40 標準距離 IMU

Pulse-40 IMU 標準范圍 IMU 是一種小型戰(zhàn)術級慣性測量單元 (IMU)，它嵌入低噪聲陀螺儀和加速度計，以在所有條件下精度和穩(wěn)健性都至關重要的應用中提供最 佳性能。

不要在尺寸、性能和成本之間妥協(xié)！

· 最 佳 SWaP-C：12 克，0.3 瓦

· 超低噪音陀螺儀（0.08°/√h），具有出色的零偏不穩(wěn)定性（0.8°/h）

· 高精度加速度計 (6μg)

· 高帶寬（480Hz）

· 高品質(zhì) IMU 校準溫度范圍為 -40°C 至 85°C

IMU 精度誤差定義

§陀螺儀誤差

o 零偏穩(wěn)定性

偏差穩(wěn)定性（或偏差不穩(wěn)定性）定義為測量值相對于其輸出速率平均值的漂移。偏差穩(wěn)定性測量值可告訴您陀螺儀輸出在一定時間內(nèi)的穩(wěn)定性。偏差可描述為偏差重復性（IMU 不同周期內(nèi)的變化）或偏差穩(wěn)定性（IMU 單個操作期間的變化）。

o 角度隨機游動

由于熱電反應，MEMS 陀螺儀會出現(xiàn)高頻白噪聲。這種隨機噪聲是一種額外的信號誤差源，無法通過校準建模出來。這種隨機游走會導致誤差增長與時間的平方根成正比。

o 校準誤差

“校準誤差”是指陀螺儀的比例因子、對準度和線性度方面的誤差。此類誤差往往會在設備轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生誤差。這些誤差可能會導致額外的漂移。

加速度計誤差

o 恒定偏壓

加速度計的偏差是其輸出信號與實際加速度值的偏移。恒定的偏差誤差會導致位置誤差，并且會隨時間而增大?？梢酝ㄟ^測量加速度計在未經(jīng)歷任何加速度時輸出的長期平均值來估計偏差。但是，重力作用于加速度計，這將表現(xiàn)為偏差。為了測量偏差，必須知道設備相對于重力場的精 確方向。實際上，這可以通過校準和正交性測量來實現(xiàn)。

o 速度隨機游動

加速度計的輸出受電子傳感器噪聲的影響。白噪聲中的誤差與時間的平方根成比例增長。加速度計輸出上的白噪聲會產(chǎn)生速度隨機游走，通常以 m/s/√h 為單位。

o 比例因子

比例因子是加速度計輸入與實際傳感器測量輸出之間的關系。比例因子以 ppm 表示，因此是輸入變化與實際測量值的線性增長。

o 振動校正誤差

振動校正誤差 (VRE) 是加速度計對傳感器中電流校正的響應，導致加速度計的偏移。這可能是一個顯著的累積誤差，會隨時間推移而傳播，并可能導致穩(wěn)定性過度補償。VRE 高度依賴于加速度計經(jīng)歷的振動曲線和傳感器的全量程范圍。VRE 在高動態(tài)環(huán)境中最為活躍。

選擇 IMU：FOG 與 MEMS IMU

概括

IMU 技術的改進徹底改變了定位和導航行業(yè)，隨著新型 MEMS 陀螺儀傳感器達到更高的精度，消費級微機電系統(tǒng) (MEMS) 陀螺儀和工業(yè)級光纖陀螺儀 (FOG) 之間的差距正在縮小。本文簡要介紹了 FOG IMU 與 MEMS IMU 之間的主要區(qū)別以及它們之間的性能特征。

工作原理

基于 FOG 的 IMU

光纖陀螺儀使用光纖環(huán)并測量相反環(huán)中光束的干涉以檢測每個軸的旋轉(zhuǎn)。所用的硬件更昂貴、更大，并且通常消耗更多功率，但其沒有移動部件，因此對溫度變化和機械振動不太敏感。光纖陀螺儀非常適合采礦、工業(yè)機器指向和重型設備穩(wěn)定等要求苛刻的高溫、高振動環(huán)境。

基于 MEMS 的 IMU

MEMS 傳感器更小更輕，但由于其機械特性，它們對未建模的溫度和振動效應更敏感。這些效應會增加噪聲（角隨機游走）并導致與建模噪聲系數(shù)的偏差。有關 IMU 精度參數(shù)的更多信息，請參閱我們相關的知識庫文章。

每種類型的優(yōu)點

FOG 的卓越精度體現(xiàn)在低偏置不穩(wěn)定性或隨時間漂移方面。對于需要航位推算位置更新或經(jīng)歷長期 GNSS 中斷的應用，這是一個因素，F(xiàn)OG 陀螺儀的性能比 MEMS 高出一個數(shù)量級。另一方面，如果 IMU 傳感器僅用于在建模良好的動態(tài)環(huán)境中對 GNSS 傳感器進行短期更新，則 MEMS 傳感器可能就是所需的全部。

MEMS IMU 的吸引力在于尺寸、功率和價格。機器人和無人機等應用對有效載荷尺寸和重量的要求很高，而最 新的 MEMS 傳感器非常小巧，而且與工業(yè)和戰(zhàn)術 FOG IMU 相比，功率效率更高。它們可以在相對穩(wěn)定和可預測的動態(tài)環(huán)境中（如公路車輛、飛機和海上船舶）提供出色的位置和姿態(tài)更新，而且成本通常不到優(yōu)質(zhì) FOG IMU 的一半。

如何在 FOG 與 MEMS IMU 之間進行選擇

總之，IMU 的選擇取決于應用和環(huán)境。

FOG IMU 適用于：

· 絕 對姿態(tài)精度

· 高溫

· 高振動

· 隨時間變化的偏置穩(wěn)定性

MEMS IMU 適用于：

· 重量輕、體積小

· 低功耗

· 短距離指向傳感器

· 可預測動態(tài)環(huán)境中的 GNSS 集成

和所有事物一樣，慣性導航也有其優(yōu)點和缺點。雖然慣性導航系統(tǒng)在測量位置、方向和動態(tài)方面無疑表現(xiàn)良好，但基本的無輔助慣性導航系統(tǒng)的一個致命弱點是漂移。

無輔助是指系統(tǒng)僅使用加速度計和陀螺儀測量來計算其位置。漂移是用來描述加速度計和陀螺儀測量中小誤差的積累的術語，這些誤差逐漸導致 INS 位置估計變得越來越不準確。