齊廣峰，呂軍鋒

（1.海軍裝備部 陜西 西安 710043；2.北方光電股份有限公司 陜西 西安 710043）

微機電系統(tǒng)（Micro-electromechanical Systems，MEMS）慣性傳感器及慣性系統(tǒng)已成為未來導航技術(shù)不可或缺的發(fā)展方向。MEMS技術(shù)以其體積小、重量輕、低功耗低、成本低以及抗沖擊等優(yōu)點得到了廣泛應用。目前消費級MEMS慣性技術(shù)的發(fā)展已較為成熟，其與磁強計、速度計及以GPS為代表的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) （Global Navigation Satellite System，GNSS）等輔助系統(tǒng)構(gòu)成組合系統(tǒng)，可為大多數(shù)導航應用提供適當?shù)慕鉀Q方案。

1 MEMS慣性傳感器發(fā)展狀況

將導航系統(tǒng)工作一小時的水平位置圓概率誤差（Circular Error Probability，CEP）稱為 CEP速率（單位為 nm/h）。美國在20世紀70年代，根據(jù)INS獨立運行的CEP速率，分為高精度（戰(zhàn)略級）系統(tǒng)（0.1 nm/h）、中精度（導航級）系統(tǒng)（1 nm/h）和低精度（戰(zhàn)術(shù)級）系統(tǒng)（10 nm/h）[1]。 文獻[2]進一步將慣性導航系統(tǒng)（INS）精度分為：戰(zhàn)略級、導航級、戰(zhàn)術(shù)級、消費級，對應的慣性傳感器精度如表1所示。

隨著硅半導體工藝的成熟和完善，自20世紀80年代起出現(xiàn)的MEMS慣性傳感器技術(shù)，極大的促進了慣性技術(shù)在對成本、尺寸和功耗敏感的潛在應用領域中的發(fā)展。

表1 慣性傳感器的精度級別Tab.1 Level of precision inertial sensors

MEMS加速度計按其測量原理可分為擺式加速度計和諧振式加速度計。目前擺式MEMS加速度計的測量精度可達25μg至1 mg，諧振式MEMS加速度計的測量精度接近1 μg，因此MEMS加速度計已能滿足大部分導航的精度需求。

振動型敏感器是目前MEMS陀螺的研究重點，具體包括：調(diào)諧音叉型陀螺和諧振環(huán)型陀螺。前者工藝簡單利于大批量低成本生產(chǎn)；后者具有更高的理論精度但結(jié)構(gòu)及原理更為復雜。隨著對器件內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)、尺寸、電子學及封裝技術(shù)與器件性能之間關系研究的深入，以及平面壁蝕刻技術(shù)等制造工藝的完善，MEMS陀螺精度近年來得到了快速提高。目前精度達10°/h的MEMS陀螺已投入商用，國際上MEMS陀螺的最高實驗室精度已優(yōu)于0.01°/h[3]。

低成本微小型固態(tài)傳感器，是現(xiàn)代慣性器件技術(shù)發(fā)展的目標。0.01～10°/h的陀螺能夠滿足大多數(shù)導航應用的精度要求。目前光學陀螺已代替機械式陀螺成為在這一精度范圍應用的主要敏感器。MEMS陀螺已拓展至中低精度的戰(zhàn)術(shù)級應用領域，隨著技術(shù)的進步，MEMS陀螺勢必將取代大多數(shù)戰(zhàn)術(shù)級應用中的光學陀螺。

2 MEMS慣性系統(tǒng)發(fā)展狀況

MEMS慣性系統(tǒng)分為慣性測量單元（IMU）和慣性導航系統(tǒng)（INS）。采用MEMS－IMU與GPS構(gòu)成SINS/GPS組合導航系統(tǒng)，是目前MEMS－INS應用的主要形式。這是由于：一方面目前MEMS－IMU的精度低，以其構(gòu)成的SINS僅能維持數(shù)秒有價值的導航數(shù)據(jù)，組合導航技術(shù)是提高MEMS－INS性能最具性價比的技術(shù)途徑；另一方面，MEMS－IMU極大的降低了組合系統(tǒng)中SINS的成本，使MEMS組合導航系統(tǒng)極具成本優(yōu)勢，促進了組合導航技術(shù)的發(fā)展和應用。

2.1 Draper實驗室MEMS組合導航系統(tǒng)研究概況

美國國防部高等研究計劃局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）自20世紀90年代起啟動了一系列MEMS慣性技術(shù)的研究項目。受其資助，美國Draper實驗室在該領域進行了大量研究工作，處于國際領先地位。

Draper實驗室1994年首次推出由3只MEMS陀螺及3只MEMS加速度計構(gòu)成的IMU，并于1995年起進行了一系列驗證研究項目，以評估MEMSSINS/GPS組合導航技術(shù)在制導彈藥等戰(zhàn)術(shù)應用中的可行性。如圖1所示[4]，其研究項目具體包括：增程制導彈藥，彈藥能力先進技術(shù)驗證，低成本制導電子單元INS/GPS。此外，其采用在DARAPA的MEMSIMU項目和通用制導慣性測量單元項目資助下研制的MEMS－IMU與一個加裝選擇可用性反誘騙模塊（Selective Availability Anti Spoof Module，SAASM）的 GPS接收機，實現(xiàn)了 MEMS－INS/GPS深耦合。

圖1 Draper實驗室MEMSSINS/GPS組合導航系統(tǒng)研發(fā)歷程Fig.1 Draper laboratory MEMSSINS/GPSintegrated navigation system R&D process

上述研究表明，采用消費級MEMS－IMU與GPS構(gòu)成的緊組合及深組合系統(tǒng)能夠滿足戰(zhàn)術(shù)級導航應用需求，成本低且具有一定的抗GPS干擾能力。

2.2 MEMS-IMU研制進展

1999年Honeywell公司從波音北美公司收購了Draper實驗室MEMS慣性技術(shù)，在其基礎上進行戰(zhàn)術(shù)級MEMS－IMU研發(fā)。此外，BAE、BEI、ADI及一批慣性技術(shù)領域內(nèi)的著名研究機構(gòu)也紛紛致力于MEMS－IMU在精度、體積、成本等方面的優(yōu)化。以零偏不穩(wěn)定性 （Bias Instability，BI）及隨機游走（Random Walk，RW）為主要指標，近年來 MEMS－IMU 的研制進展可總結(jié)如表 2所示[5－6]。

表2 近年來的MEMS-IMU研制進展Tab.2 MEMS-IMU recent research progress

由此可見，近年來MEMS－IMU的發(fā)展呈現(xiàn)出兩個主要特點：戰(zhàn)術(shù)級MEMS－IMU的性能進一步提高，且體積、重量及成本逐步降低；消費級MEMS－IMU的精度、量程及環(huán)境適應性（溫度、加速度）等性能正逐步提高。

2.3 MEMS組合導航技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，利用低成本的消費級MEMS－IMU進行SINS/GPS組合導航技術(shù)研究受到了廣泛的重視。國外MEMS SINS/GPS組合導航技術(shù)起步較早，已有成熟的產(chǎn)品。其中，戰(zhàn)術(shù)級MEMS組合系統(tǒng)主要以提高GPS抗干擾能力為發(fā)展目標，目前已發(fā)展至與P（Y）碼深組合階段；不同形式的松組合及緊組合系統(tǒng)在軍用及民用領域得到廣泛研究和應用。低成本MEMS－IMU與GPS、磁強計等輔助導航系統(tǒng)構(gòu)成的小型化、低成本多傳感器組合導航系統(tǒng)成為當前的研究熱點之一。Stanford大學采用3天線GPS接收機構(gòu)成超短基線GPS姿態(tài)解算與低成本MEMS－IMU姿態(tài)解算進行融合[7]。飛行試驗表明，當GPS正常工作時，組合系統(tǒng)利用MEMS－IMU的測姿精度與高精度IMU相近，優(yōu)于0.2°；當GPS中斷1～2分鐘時，低成本MEMS－IMU獨立運行的姿態(tài)精度可維持在2～6°以內(nèi)。

隨著磁傳感器的小型化，地磁航向系統(tǒng)也被視為MEMS－IMU的一種重要的輔助系統(tǒng)。美國Crossbow公司最新的NAV440及GNAV540利用低成本MEMS－IMU及三軸磁強計構(gòu)成姿態(tài)航向參考系統(tǒng) （Attitude and Heading Reference System，AHRS），并與C/A碼GPS接收機組合。系統(tǒng)采用松組合方式，以GPS位置、速度信息及地磁航向信息為外部觀測量對MEMS－IMU的姿態(tài)解算誤差和傳感器誤差進行校正。飛行測試表明該系統(tǒng)在GPS信號完全中斷時可在1分鐘內(nèi)維持1 m的導航精度[8]。荷蘭Xsens公司針對民用市場推出的MTi等多個系列AHRS，采用了ADI公司的低成本MEMS慣性傳感器和磁強計。其2012年推出的AHRS/GPS組合導航系統(tǒng) MTi－G－700，動態(tài)姿態(tài)精度優(yōu)于 1°，位置精度達 1 m（1σSTD），體積 55 cm3，重量 55g。

國內(nèi)MEMS SINS/GPS組合導航技術(shù)尚處于研制試驗階段，主要的研究力量集中在高校及研究所。清華大學采用美國BEI公司的微型諧振陀螺及IC Sensors公司的硅微加速度計研制MEMS－IMU，車載實驗表明組合系統(tǒng)的定位誤差（CEP<4m）優(yōu)于 GPS的定位誤差（CEP=15 m），且當GPS短時間失鎖時，組合系統(tǒng)輸出未發(fā)生突跳且在恒速行駛時仍能維持較高的定位精度（CEP=1.61 m）[9]。上海交通大學利用3DM－GX1的MEMS器件和NovAtel的OEMV－1G型接收機研制了松組合系統(tǒng)，車載實驗表明，組合系統(tǒng)在衛(wèi)星狀況良好時的定位精度優(yōu)于2 m；衛(wèi)星失效30 s時MEMS－IMU獨立工作的位置誤差為 150～200 m；在衛(wèi)星失效階段引入車輛約束條件及磁羅盤輔助設備，組合系統(tǒng)在直線段定位精度為3 m，在拐彎段最大位置誤差為30 m[10]。哈爾濱工程大學對MEMS AHRS/GPS緊組合融合濾波技術(shù)進行了研究[11]。

3 發(fā)展趨勢

目前各種導航應用對MEMS慣性導航技術(shù)的發(fā)展起到了巨大的推動作用，其主要發(fā)展目標是繼續(xù)降提高系統(tǒng)精度、降低附帶傷害、增大有效范圍并降低尺寸和成本，提高環(huán)境適應性。為實現(xiàn)上述目標，需要在高性能MEMS陀螺、芯片級MEMS－IMU、芯片級MEMS組合導航系統(tǒng)以及多傳感器組合導航算法等方面展開深入研究。

未來高性能MEMS陀螺的研究內(nèi)容主要包括：MEMS速率積分陀螺、導航級MEMS陀螺、微型冷原子傳感器及光學MEMS陀螺等。目前國際上已開始采用特定用途集成電路（Application Specific Integrated Circuit， ASIC） 將 MEMS傳感器和處理器進行封裝，研制芯片級MEMS－IMU。美國DARPA的芯片級時間慣性測量單元（Timing and Inertial Measurement Unit， TIMU）研究 2010 年取得成功[4]。

此外，盡管MEMS－IMU的性能提升降低了導航系統(tǒng)對GPS等輔助系統(tǒng)的依賴，但輔助系統(tǒng)仍是確保導航任務成功的必要保障。例如戰(zhàn)術(shù)級MEMS－IMU在純慣導模式下3分鐘內(nèi)的位置誤差可達到150 m左右不能滿足實際需求。因此MEMS－IMU與GPS等輔助系統(tǒng)構(gòu)成的多傳感器組合導航系統(tǒng)，仍是未來一個重要的發(fā)展方向。

據(jù)統(tǒng)計僅2008年全球共計生產(chǎn)了7.52億個MEMS加速度計和陀螺，應用于汽車工業(yè)及消費電子工業(yè)，其市場規(guī)模正以10%～20%的年增長率成長。MEMS傳感器及IMU的市場份額由2009年的18億美元增長到2013年的30億美元[12]。由于戰(zhàn)術(shù)級MEMS－IMU的發(fā)展，MEMS技術(shù)在國防領域的市場份額正逐步增長。

4 結(jié)束語

微電子技術(shù)的發(fā)展取代了傳統(tǒng)的模擬、數(shù)字電路技術(shù)，改變了人類的日常生活。與之類似，MEMS技術(shù)作為微電子技術(shù)的延伸，未來將對導航技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生深遠影響。MEMS慣性傳感器和慣性系統(tǒng)在各個領域均具有重大意義，是關系到國家經(jīng)濟、安全和國際競爭力的戰(zhàn)略技術(shù)。

本文著重介紹了MEMS慣性系統(tǒng)近年來的新進展。通過對比，可以發(fā)現(xiàn)國內(nèi)外在該領域仍存在差距，這需要我國相關科研單位密切跟蹤國際發(fā)展動態(tài)，從傳感器結(jié)構(gòu)、材料、封裝、工藝以及系統(tǒng)設計、測試等多方面出發(fā)，制定周密的研發(fā)計劃，促進我國MEMS慣性技術(shù)的發(fā)展。

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