智能手機等移動設備中的MEMS傳感器

室內方位檢測

盡管智能手機內置GPS接收器，在戶外的定位功能非常不錯，可在數字地圖上顯示航向，但是，某些GPS接收器在室內或高樓林立的城區無法接收衛星定位信號。即便在戶外，當汽車或行人靜止時，GPS也無法提供精確的方位或航向信息。GPS無法區分微小的高度變化。此外，GPS僅憑一個天線無法為手機或汽車用戶提供俯仰/滾轉/航向等姿態信息。

DGPS的定位精度為幾cm，但是需要另一個GPS接收器做基站，使用某一種距離粗捕獲碼向移動GPS接收器發射參考位置信息。輔助全球定位系統(A-GPS)在某種程度上有助于GPS獲得室內定位信息，但無法在可以接受的間隔內提供精確的定位信息。當手機用戶靜止時，至少需要三個GPS天線才能檢測到用戶的姿態信息。不過，目前還無法在一部智能手機上安裝多個GPS天線。

因此，僅有GPS的智能手機無法為用戶提供精確的方位和姿態信息。自導式MEMS傳感器是協助GPS實現一體化導航系統、提供室內外LBS定位服務的選擇。

當天線沒有被遮擋時，GPS接收器的絕對定位精度是3m到20m，這個參數在一段時期后不會發生漂移。基于MEMS傳感器的捷聯式慣性導航系統(Strap-down Inertial Navigation System，SINS) 可在很短時間內提供精確的定位信息。但是，根據運動傳感器的性能，這種導航系統在使用一段時間后很快就會發生精度漂移現象。行人航位推算系統（Pedestrian Dead Reckoning，PDR）是一個根據步長和方位計算從室內已知初始位置開始的行走距離的相對導航系統，雖然定位精度不會隨時間推移而發生漂移，但是需要在受磁力干擾的環境內保持航向精度。此外，GPS需要對步長進行校準，才能達到可以接受的定位精度。

按照捷聯式慣性導航系統理論，根據內在的偏差漂移和比例因數，慣性傳感器(3軸加速度計和3軸陀螺儀)可分為三大類：導航級、戰術級和商用級。通過下面兩個方程式 ⑴ ，可以計算出獨立的加速度計和陀螺儀的水平位置誤差。

加速度計的位置誤差: PE_ACC＝1/2 ACC_biasT2 (1)

其中ACC_bias是加速度計長期偏差穩定性，單位是mg；g=9.81m/s2；T是雙重積分周期，單位是s；PE_ACC是ACC_bias造成的位置誤差，單位是m。

陀螺儀的位置誤差:PE_GYRO＝1/6 gGYRO_biasT3 (2)

其中g是地球重力，9.81m/s2；GYRO_bias

陀螺儀長期偏差穩定性，單位是rad/s；T是雙重積分周期，單位是s，PE_ACC是GYRO_bias造成的位置誤差，單位是m。

以上兩個方程式可用于計算典型慣性傳感器的性能和長期偏差穩定性引起的水平位置誤差。當慣性傳感器與GPS集成在一起時，這些誤差不會隨時間推移而擴大，其它引起位置誤差的因素，如失匹、非線性和溫度影響，也應在計算中給予考慮。

最近在MEMS工藝上取得的進步使MEMS加速度計和陀螺儀能夠連續地提供更高的定位性能，使商用級產品更接近戰術級產品的性能。在較短的時間，如1分鐘內，獨立的加速度計和陀螺儀可取得相對較高的測量精度。當GPS信號受阻時，這對于GPS/SINS一體化導航系統很有用。

對于消費電子產品，室內行人航位推算系統5%的行進距離誤差通常是可以接受的。例如，當一個人走過100m的距離時，定位誤差應該在5m范圍內。這要求航向誤差在±2°到±5°之間[2]。例如，如果航位誤差是2°，當一個人走過100m的距離時，定位誤差應該在3.5m范圍內[即2×100m×sin(2°/2)]。

此外，由于MEMS壓力傳感器能夠測量相對于海平面的絕對氣壓。因此，它可以確定手機用戶在海平面以下600m到海平面以上 9000m之間的高度，輔助GPS的高度測量[2]。利用MEMS傳感器與GPS接收器的行人航位推算系統結構圖如圖2所示。

圖2 移動設備行人航位推算系統結構圖