INS惯性导航

惯性导航传感器有多准确？

 INS 传感器主要根据陀螺仪性能可分为 五个性能等级（见下文详细信息）。

虽然 INS 还会有其他传感器，例如加速度计和磁力计，但陀螺仪的成本与性能是决定性能等级的主要因素。例如，基于 MEMS 的 INS 性能通常从消费级到战术级不等。然而，随着 MEMS 和数据融合技术的最 新进展，我们现在看到基于 MEMS 的 INS 性能接近高端战术级。

性能等级：消费/汽车

· 陀螺仪零偏稳定性：超过 20 °/h

· 费用：$

· 应用示例：运动检测

· 传感器技术：MEMS

· 先进的导航产品：–

性能等级：工业/战术

· 陀螺仪零偏稳定性：5 – 20 °/h

· 费用：$$

· 示例应用：机器人和工业应用

· 传感器技术：MEMS

· 先进导航产品：GNSS 罗盘

性能等级：高端战术

· 陀螺仪零偏稳定性：0.1 – 5 °/h

· 费用：$$$

· 示例应用：平台稳定和自主系统

· 传感器技术：MEMS / FOG（光纤陀螺仪）/RLG（环形激光陀螺仪）

· 高级导航产品：Spatial、Certus、Certus Evo

性能等级：导航

· 陀螺仪零偏稳定性：0.01 – 0.1 °/h

· 费用：$$$$

· 应用示例：飞机/海上导航

· 传感器技术：FOG/RLG

· 先进导航产品：Spatial FOG、Spatial FOG Dual

绩效等级：战略

· 陀螺仪零偏稳定性：0.0001 – 0.01 °/h

· 费用：$$$$$

· 示例应用：潜艇导航

· 传感器技术：FOG/RLG

· 先进导航产品：Boreas

惯性导航系统有多准确？

惯性导航系统有很多种，其精度各有不同。

利用光纤陀螺仪 (FOG) 的高端 INS 精度可达厘米级，可用于航空航天探索、AUV 和国防应用。与 GNSS 不同，惯性导航系统不受干扰或欺骗的影响，因为它们不需要来自卫星或基站等外部来源的参考。

使用惯性导航系统有哪些好处？

惯性导航系统是提供位置数据的成熟解决方案。惯性导航系统有多种类型，包括轻量级 MEMS（微机电系统）、动态光纤陀螺仪 (FOG) 和更先进的数字光纤陀螺仪 (DFOG)。

惯性导航系统在 GNSS 被禁用（全球导航卫星系统）的环境中尤其有用。GNSS 可能会在隧道等地下环境或水下环境中受到干扰。GNSS 信号还可能通过多路径或大气干扰受到干扰。虽然这可能会给手机导航带来不便，但对于航空测量或国防应用等来说，定位是不容许出错的。

这就是为什么集成 GNSS 的惯性导航系统更加可靠，因为 INS 本质上可以减少 GNSS 单独使用时可能出现的误差。惯性导航系统无需与基站通信即可有效、准确地运行，非常适合 GNSS 容易出现误差或根本无法使用的情况。

可以使用哪些方法来提高 INS（RTK、里程表、空气数据单元、DVL）的性能？

通过使用外部辅助传感器，可以进一步提高 INS 的精度。这些传感器的输入可用作传感器融合算法的附加数据，以更好地估计位置、速度和方向。

INS 使用的辅助传感器类型在很大程度上取决于应用。辅助传感器的一些示例包括：

· 车轮转速传感器 - 陆地应用 - 通过车轮旋转测量车速。

· OBDII 里程表 - 陆地应用 - 与车载计算机通信，向 INS 提供车速。

· 空气数据单元 - 空气应用 - 测量皮托管空速和气压高度。

· 多普勒速度计 (DVL) – 海底应用 – 这是一种估算相对于海底的速度的声学传感器。

所有先进导航 INS 解决方案均可与各种传感技术接口以提高性能

Advanced Navigation 是最 大的惯性导航系统 (INS) 制造商之一。我们的 MEMS 和 FOG惯性导航系统系列可在最苛刻的条件下提供准确的位置、速度、加速度和方向。它们将温度校准的加速度计、陀螺仪、磁力计和压力传感器与最 先进的 RTK GNSS 接收器相结合。这些与 基于 AI 的算法相结合 ，以最 低的 SWaP-C（尺寸、重量、功耗、成本）提供最 高的性能。

这种专有算法通过比传统卡尔曼滤波器更快地跟踪传感器误差来提高 INS 精度。对于许多传统惯性导航系统，对位置、速度和加速度应用基本的线性约束。相比之下，基于高级导航 AI 的算法应用了更全面的动态约束，具有完整的车辆运动物理模型，可以更好地跟踪误差、提供更可靠的数据和更高的精度。

高级导航惯性导航系统包含 可靠的传感器 ，每个传感器都经过了 8 小时的严格温度校准过程。这为每种传感器类别在 -40° C 至 85° C 的整个工作温度范围内提供了最 高的精度。

GNSS 接收器支持所有当前的导航卫星星座，包括 GPS、GLONASS、GALILEO、北斗和 QZSS。

1000 Hz 的高内部滤波率可确保  在最苛刻的应用中实现高动态性能。

INS 系列涵盖四个关键性能等级（工业、战术、导航和战略），使客户能够使用单一供应商满足多种应用和精度需求。

得益于垂直整合，先进导航完全控制了硬件制造和软件设计，使我们能够 为精准可靠的导航和定位树立新的标杆。

先进的导航 INS 产品被许多世界 领先的公司用于 商业和国防应用。我们的全球支持工程师团队确保我们的解决方案能够成功集成到您的系统中。

Pulse-40 惯性测量单元

SBG Systems 的 Pulse-40 IMU 是一款 6 自由度战术级 IMU，可为 SWaP-C 受限应用提供出色的性能，可在恶劣条件下运行。Pulse-40 IMU 重量仅为 12 克，采用 0.3 W 传感器。超低噪音陀螺仪和高精度加速度计使其非常适合高振动环境。 

SBG 系统 Pulse-40 IMU

SBG Systems 的 Pulse-40 IMU 是一款 6 自由度战术级惯性测量装置，可为 SWaP-C 受限应用提供出色的性能，可在恶劣条件下运行。Pulse-40 IMU 重量仅为 12 克，采用 0.3 W 传感器。超低噪音陀螺仪和高精度加速度计使其非常适合高振动环境。 

特征

· 高带宽（500Hz）

· 高数据速率（2KHz）

· 运动到输出延迟 < 2ms

· 超低噪音陀螺仪（0.08°/√h）

· 异常振动误差 (VRE)

· 校准范围为-40 至 85°C

Pulse-40 可承受各种挑战，在各种天气和高振动条件下为您提供可靠的战术级精度。铝制外壳确保长期耐用性，高端 MEMS 陀螺仪经久耐用，因此您可以信赖 Pulse-40 能够长期满足 SBG 设定的高质量要求。Pulse-40 提供两年保修，以支持 SBG 系统的质量和可靠性。

概述

SBG Systems 的 Pulse-40 战术级 IMU 非常适合高频动态和高振动环境。其极低的噪音可降低对控制系统的影响。SBG 的生产流程和校准可确保一致性和可重复的行为。

Pulse-40 将您的导航系统提升至战术级别。在所有条件下（包括高振动环境）都能保证性能。让您的系统更加可靠，并为您的核心业务节省重量、功耗和预算。

Pulse-40 标准距离 IMU

Pulse-40 IMU 标准范围 IMU 是一种小型战术级惯性测量单元 (IMU)，它嵌入低噪声陀螺仪和加速度计，以在所有条件下精度和稳健性都至关重要的应用中提供最 佳性能。

不要在尺寸、性能和成本之间妥协！

· 最 佳 SWaP-C：12 克，0.3 瓦

· 超低噪音陀螺仪（0.08°/√h），具有出色的零偏不稳定性（0.8°/h）

· 高精度加速度计 (6µg)

· 高带宽（480Hz）

· 高品质 IMU 校准温度范围为 -40°C 至 85°C

IMU 精度误差定义

§陀螺仪误差

o 零偏稳定性

偏差稳定性（或偏差不稳定性）定义为测量值相对于其输出速率平均值的漂移。偏差稳定性测量值可告诉您陀螺仪输出在一定时间内的稳定性。偏差可描述为偏差重复性（IMU 不同周期内的变化）或偏差稳定性（IMU 单个操作期间的变化）。

o 角度随机游动

由于热电反应，MEMS 陀螺仪会出现高频白噪声。这种随机噪声是一种额外的信号误差源，无法通过校准建模出来。这种随机游走会导致误差增长与时间的平方根成正比。

o 校准误差

“校准误差”是指陀螺仪的比例因子、对准度和线性度方面的误差。此类误差往往会在设备转动时产生误差。这些误差可能会导致额外的漂移。

加速度计误差

o 恒定偏压

加速度计的偏差是其输出信号与实际加速度值的偏移。恒定的偏差误差会导致位置误差，并且会随时间而增大。可以通过测量加速度计在未经历任何加速度时输出的长期平均值来估计偏差。但是，重力作用于加速度计，这将表现为偏差。为了测量偏差，必须知道设备相对于重力场的精 确方向。实际上，这可以通过校准和正交性测量来实现。

o 速度随机游动

加速度计的输出受电子传感器噪声的影响。白噪声中的误差与时间的平方根成比例增长。加速度计输出上的白噪声会产生速度随机游走，通常以 m/s/√h 为单位。

o 比例因子

比例因子是加速度计输入与实际传感器测量输出之间的关系。比例因子以 ppm 表示，因此是输入变化与实际测量值的线性增长。

o 振动校正误差

振动校正误差 (VRE) 是加速度计对传感器中电流校正的响应，导致加速度计的偏移。这可能是一个显著的累积误差，会随时间推移而传播，并可能导致稳定性过度补偿。VRE 高度依赖于加速度计经历的振动曲线和传感器的全量程范围。VRE 在高动态环境中最为活跃。

选择 IMU：FOG 与 MEMS IMU

概括

IMU 技术的改进彻底改变了定位和导航行业，随着新型 MEMS 陀螺仪传感器达到更高的精度，消费级微机电系统 (MEMS) 陀螺仪和工业级光纤陀螺仪 (FOG) 之间的差距正在缩小。本文简要介绍了 FOG IMU 与 MEMS IMU 之间的主要区别以及它们之间的性能特征。

工作原理

基于 FOG 的 IMU

光纤陀螺仪使用光纤环并测量相反环中光束的干涉以检测每个轴的旋转。所用的硬件更昂贵、更大，并且通常消耗更多功率，但其没有移动部件，因此对温度变化和机械振动不太敏感。光纤陀螺仪非常适合采矿、工业机器指向和重型设备稳定等要求苛刻的高温、高振动环境。

基于 MEMS 的 IMU

MEMS 传感器更小更轻，但由于其机械特性，它们对未建模的温度和振动效应更敏感。这些效应会增加噪声（角随机游走）并导致与建模噪声系数的偏差。有关 IMU 精度参数的更多信息，请参阅我们相关的知识库文章。

每种类型的优点

FOG 的卓越精度体现在低偏置不稳定性或随时间漂移方面。对于需要航位推算位置更新或经历长期 GNSS 中断的应用，这是一个因素，FOG 陀螺仪的性能比 MEMS 高出一个数量级。另一方面，如果 IMU 传感器仅用于在建模良好的动态环境中对 GNSS 传感器进行短期更新，则 MEMS 传感器可能就是所需的全部。

MEMS IMU 的吸引力在于尺寸、功率和价格。机器人和无人机等应用对有效载荷尺寸和重量的要求很高，而最 新的 MEMS 传感器非常小巧，而且与工业和战术 FOG IMU 相比，功率效率更高。它们可以在相对稳定和可预测的动态环境中（如公路车辆、飞机和海上船舶）提供出色的位置和姿态更新，而且成本通常不到优质 FOG IMU 的一半。

如何在 FOG 与 MEMS IMU 之间进行选择

总之，IMU 的选择取决于应用和环境。

FOG IMU 适用于：

· 绝 对姿态精度

· 高温

· 高振动

· 随时间变化的偏置稳定性

MEMS IMU 适用于：

· 重量轻、体积小

· 低功耗

· 短距离指向传感器

· 可预测动态环境中的 GNSS 集成

和所有事物一样，惯性导航也有其优点和缺点。虽然惯性导航系统在测量位置、方向和动态方面无疑表现良好，但基本的无辅助惯性导航系统的一个致命弱点是漂移。

无辅助是指系统仅使用加速度计和陀螺仪测量来计算其位置。漂移是用来描述加速度计和陀螺仪测量中小误差的积累的术语，这些误差逐渐导致 INS 位置估计变得越来越不准确。