MEMS可否取代光纖陀螺儀技術？
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為了確定用于導航應用的這兩種技術之間的相似點，我們將對選定的高端MEMS陀螺儀與低端FOG陀螺儀進行比較。我們在分析中使用了導航軟件和測試案例作為控制，以確定MEMS是否真正為在戰術導航性能水平上使用做好了準備。
MEMS用于精確導航
過去幾年中，MEMS在導航行業日益受到青睞，因為它提供了經過改進的誤差特性和環境穩定性，以及更多的帶寬和更出色的g靈敏度，而且嵌入式運算能力的應用日益廣泛，可以運行高級融合和傳感器誤差建模算法。
新的精密慣性導航系統(INS)市場正在形成氣候，MEMS技術也在進入以往被FOG技術主導的市場。從FOG到MEMS技術的一個明顯轉變是天線陣列穩定應用。
機器控制應用也可以得益于MEMS技術的進步。以前，用戶偏好價格30,000美元以上的FOG或RLG導航系統，因為其精確度和可靠性比具有代表性的1,000美元MEMS導航系統高出20倍。低成本MEMS導航系統的改進使很多應用極大受益，精密農業和UGV/UAV/USV便是其中兩個典型的例子。
實時導航硬件
本例中使用的導航系統的設計目的是為電機提供高速率的高度輸出，然后該電機再讓車輛頂棚上的天線陣列達到穩定。天線陣列的用途是維持與地球同步衛星之間的通信。
該導航系統用作束帶式INS/GNSS導航器，提供高速率的位置和速度數據。慣性測量單元(IMU)數據以1,000 Hz頻率流向導航濾波器，這些數據包用于預測位置、速度和高度解決方案。從雙天線獲取的GNSS位置、速度和航向用作對導航濾波器的更新。當GNSS不可用時，則使用磁力計來幫助初始化航向。使用氣壓計來幫助確定高度。
特殊校準程序與導航濾波器并行發生。這些程序校準磁力計、雙天線安裝對準誤差、IMU安裝對準誤差，還校準車輛振動水平以便進行靜態期檢測。
該系統可在兩種硬件配置中工作。第一種配置包括兩個FOG(檢測航向角和俯仰角)、一個MEMS陀螺儀（檢測橫滾）、三軸MEMS加速度計、三軸MEMS磁力計、MEMS氣壓計，傳感器硬件的總物料成本(BOM)為大約8,000美元(小批量售價)。
第二種配置包含三個MEMS陀螺儀(用于檢測所有方位角)，以及與前一種配置相同的三軸MEMS加速度計、三軸MEMS磁力計和MEMS氣壓計，總成本為大約1,000美元(小批量售價)。這些系統的價格可能隨著市場條件和售量而波動，但通常而言，FOG的價格比MEMS高出八至十倍。
為此設計選擇的MEMS陀螺儀和加速度計具有在同一價位中非常出色的偏置穩定度、正交性、g靈敏度和帶寬。這種系統的主要限制是帶寬要求高。很多MEMS加速度計提供高帶寬，但MEMS陀螺儀通常僅有100 Hz或更低的帶寬。
對于普通車輛導航，這一點還不會產生影響，但此系統是針對需要適應高速率控制的應用設計的。此外還有幾種MEMS陀螺儀提供良好的偏置穩定度，但帶寬降低或噪聲很高。為本系統選擇的MEMS陀螺儀在帶寬和性能之間達到了平衡。表1給出了所選MEMS的實際規格。
本系統中使用的MEMS陀螺儀采用多核架構，該架構在穩定度、噪聲、線性度和線性g性能之間達到了優化平衡。完全差分四諧振器與片內高性能信號調理密切配合，從而使得諧振器的必需響應范圍最小，位于高度線性區，并且提供高度的振動抑制。
由于MEMS陀螺儀和加速度計集成到多軸IMU中(請參見圖1)，傳感器的x/y/z正交性可能成為主要誤差源。主要誤差源往往由跨軸靈敏度或對準誤差指定。常見規格是±2%跨軸靈敏度。本系統的IMU具有0.087%的跨軸靈敏度(0.05°度正交性)。更重要的是，由于器件特定的校準在出廠前完成，此規格在溫度范圍內有效。
對于特定旋轉速率，例如在偏航軸上，正交軸的速率輸出等于跨軸軸靈敏度乘以偏航率(Cross Axis Sensitivity*Yaw Rate)，即使橫滾軸和俯仰軸上的實際旋轉為零。2%的跨軸誤差通常會導致除了本有的陀螺儀噪聲之外，還會增加一個數量級的軸外噪聲；而此處IMU的0.087%靈敏度與本有的陀螺儀噪聲水平達到精確平衡。
圖1：MEMS IMU配置(ADIS16485)
這可能導致通過傳感器信號路徑的相位相關誤差波動增加，特別是在卡爾曼濾波器中。MEMS IMU的可用帶寬為330 Hz，采用嵌入式的可調濾波系統，提供合理平衡的方法，最大程度地減少總誤差源，并通過嵌入式濾波實現系統特定的誤差優化，即便在場中也是如此。
在此MEMS IMU中使用的核心傳感器具有固有的振動抑制能力和線性度，不僅使得它們的性能適合高動態應用，而且還在極端環境條件下具有穩定性和可預測性。
本設計使用的FOG是綜合權衡價格、性能和大小這幾種因素選擇的。FOG的帶寬、偏置穩定度和噪聲水平是最終選擇傳感器的決定性因素。表2給出了重要的性能參數。與MEMS相比，FOG具有更好的零偏穩定度，角度隨機游動也有了顯著改進。 加速度計相關文章:加速度計原理
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