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解决方案

MEMS惯性导航与姿态测量系统解决方案

一、系统概述

MEMS惯性导航与姿态测量系统内含三轴低成本MEMS陀螺与三轴MEMS加速度计，通过捷联惯性导航解算算法，可实时输出高精度的三维位置、三维速度、三轴姿态、三轴角速度及三轴加速度信息。为克服MEMS惯性器件误差较低的问题，系统需要与GPS或北斗卫星导航系统进行组合，通过惯性/卫星组合导航解算，可更有效全面地提高系统的性能，使得系统的输出精度大大提高，同时可增强系统的可靠性、可用性、环境适应性和动态性。

图1 MEMS惯性导航与姿态测量系统

二、系统特点及优势

（1）高精度测量：通过高效的惯性/卫星组合导航算法，可有效补偿MEMS惯性器件的输出误差，使得系统的姿态测量精度可达0.2°-0.3°，航向测量精度可达0.3-0.5°；

（2）高带宽：系统数据输出频率最高可达200Hz，数据的整体延时优于5ms；

（3）遮挡保持：系统在卫星信号无效的情况下，可以保持约30°/h的航向角、姿态角精度，可抗短时遮挡；

（4）完整的运动信息：系统可以输出载体运动的三维角速度、三维加速度、三轴姿态角、三维速度、三维位置等全部运动信息；

（5）高可靠性：系统选用低成本MEMS惯性器件，具有结构简单，可靠性高等特点；

（6）丰富的软硬件接口：系统拥有RS232/RS422等输出接口，可通过命令控制改变产品的输出格式及信息量；

（7）个性化定制服务：惯性导航与姿态测量系统由我公司全自主研发设计，可以根据用户的需求对系统进行个性化改造，从而最大限度地满足用户需求。

三、系统工作原理

MEMS惯性导航与姿态测量系统工作原理如图2所示：

（1）惯性测量单元（Inertial Measurement Uint,IMU）接收数据采集单元输出的三轴角速度数据和三轴加速度数据，IMU误差补偿单元用于对陀螺及加速度计的输出信号进行误差补偿，包括陀螺、加速度计的零偏、刻度系数、零偏温度误差、刻度系数温度误差、刻度系数非线性误差、交叉耦合误差等，IMU将经误差补偿后的三轴角速度和三轴线加速度数据传送给捷联惯性导航解算单元。

（2）捷联惯性导航解算单元对于经误差补偿后的三轴角速度、三轴线加速度信号，通过捷联惯性导航解算算法，计算得到载体的位置、速度、姿态信息，然后将此信息传输给组合导航Kalman滤波器。

（3）组合导航解算单元将捷联惯性导航单元输出的载体的位置、速度、姿态信息与卫星导航系统（GPS或北斗）输出的载体位置、速度等信息进行融合，通过Kalman滤波组合导航算法，估算得到捷联惯导系统的位置、速度、姿态、角速度、加速度误差，并进行误差补偿，从而计算得到高精度输出信息，满足控制系统的要求。

图2 MEMS惯性导航与姿态测量系统工作原理图

四、系统工作流程

系统工作流程如图3所示。系统上电并完成自检成功后，开始初始化，初始化完成后，导航计算机开始等待IMU数据，然后开始进行初始对准，初始对准后自动进入导航状态。在导航状态下，系统需要实时判断卫星导航系统的工作状态，如果GNSS有效，系统自动进入组合导航状态，如果GNSS无效，系统进入纯惯性导航状态。

图3 MEMS惯性导航与姿态测量系统工作流程

五、关键性能指标

测量范围	方位角测量范围	0°~360°
	俯仰角测量范围	±90°
	滚动角测量范围	±180°
	角速率	±100°/s
	加速度	±5g
	纬度	±85°
陀螺性能	常值零偏	≤0.02°/s
	零偏稳定性	≤0.01°/s （1σ）
	零偏重复性	≤0.01°/s （1σ）
	比例因子非线性度	≤0.2%
	正交特性	≤0.1%
加计性能	常值零偏	≤3mg
	零偏稳定性	1.0mg （1σ）
	零偏重复性	≤1.0mg（1σ）
	正交特性	≤0.2%
测量精度	航向（GNSS有效）	0.1° （双天线模式：基线长度≥2m 、1σ） 0.3° （单天线模式：动态启动后或赋值后、1σ）
	姿态（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）
准备时间	启动时间	≤10s
准备时间	稳定时间	GNSS位置有效后系统正常工作（具体时间视周围环境而定，开阔地2min）
电源	电压	直流（DC）9~13V、12V±10%（额定）
电源	功率	≤4W
物理指标	体积	88.9×58.4×35 mm（X，Y，Z）
	重量	≤300g（主机部分）
	工作温度	-40℃ ～ +55℃
	存储温度	-45℃ ～ +65℃
可靠性	平均无故障时间（MTBF）	2000h
可靠性	连续工作时间	≥24h