MEMS 與 FOG：環(huán)形激光陀螺儀 (RLG) 自 1963 年首次問世以來一直主導(dǎo)著慣性導(dǎo)航市場(chǎng)，最近其主導(dǎo)地位因光纖陀螺儀 (FOG) 技術(shù)的改進(jìn)而受到挑戰(zhàn)。這些技術(shù)進(jìn)步正在緩慢但肯定地侵蝕 RLG 在慣性導(dǎo)航市場(chǎng)中的地位，使老化的技術(shù)變得無關(guān)緊要。

      MEMS 是否會(huì)重復(fù)這個(gè)循環(huán)？

      這是一個(gè)合理的問題，因?yàn)榻陙碓摷夹g(shù)已取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，MEMS 陀螺儀傳感器實(shí)現(xiàn)了更高的精度、改進(jìn)的誤差特性和更好的 g 靈敏度，從而極大地提高了 MEMS 的整體性能。現(xiàn)在，這兩種技術(shù)經(jīng)常在眾多戰(zhàn)術(shù)和導(dǎo)航級(jí)應(yīng)用中正面交鋒。

      選擇慣性技術(shù)曾經(jīng)是一個(gè)簡(jiǎn)單的決定，但隨著兩種技術(shù)之間的競(jìng)爭(zhēng)加劇，導(dǎo)航工程師被迫更加關(guān)注其特定應(yīng)用的 SWaP-C（尺寸、重量、功率和成本）等因素在選擇任一解決方案之前。

      FOG 在關(guān)鍵應(yīng)用中仍占主導(dǎo)地位

      光纖已成為高端應(yīng)用久經(jīng)考驗(yàn)的解決方案，慢慢取代了老化的 RLG 技術(shù)。由于其噪聲極低的光纖陀螺儀，該技術(shù)提供了無與倫比的性能，可實(shí)現(xiàn)極其精確的導(dǎo)航，并且相對(duì)于其他技術(shù)具有較低的偏置不穩(wěn)定性和漂移，這對(duì)于在 GNSS 被拒絕的環(huán)境中保持正常運(yùn)行至關(guān)重要。

      FOG INS被認(rèn)為更適合關(guān)鍵導(dǎo)航解決方案，例如深海水下導(dǎo)航和航空航天應(yīng)用。雖然其較高的成本使其對(duì)低端市場(chǎng)望而卻步，但對(duì)價(jià)格不太敏感的最終用戶（例如軍用和商用飛機(jī)制造商）將負(fù)擔(dān)得起更高的精度。 FOG 固有的較低漂移也使其成為長(zhǎng)期 GNSS 拒絕應(yīng)用的首選，因?yàn)檎w誤差甚至低于可用的最精確的 MEMS INS。 

      使該技術(shù)如此有吸引力的另一個(gè)獨(dú)特功能是光纖陀螺儀的尋北能力。即使在運(yùn)動(dòng)時(shí)，F(xiàn)OG 也能精確測(cè)量地球的自轉(zhuǎn)角速度，并且能夠在幾分鐘內(nèi)準(zhǔn)確確定北方并實(shí)現(xiàn)陀螺羅盤航向。對(duì)于不能長(zhǎng)時(shí)間依賴任何 GPS 信號(hào)的海底應(yīng)用來說，這是一項(xiàng)特別受歡迎的功能。相反，MEMS技術(shù)沒有足夠的陀螺儀精度，需要依靠磁力計(jì)或雙天線GNSS來獲得準(zhǔn)確的航向。

      FOG 和 MEMS 精度都會(huì)受到溫度變化的影響。通?？梢酝ㄟ^在工作溫度范圍內(nèi)校準(zhǔn)系統(tǒng)來緩解此問題。 MEMS 技術(shù)對(duì)溫度波動(dòng)高度敏感，需要仔細(xì)的溫度補(bǔ)償。相比之下，設(shè)計(jì)良好、經(jīng)過適當(dāng)絕緣和校準(zhǔn)的光纖陀螺通常會(huì)表現(xiàn)更好。

      最后，雖然 FOG INS 在易振動(dòng)的環(huán)境中無法避免錯(cuò)誤，但由于 FOG 沒有任何移動(dòng)部件，因此它們可以比 MEMS 同類產(chǎn)品更好地處理振動(dòng)。因此，F(xiàn)OG 是采礦、工業(yè)應(yīng)用和航空航天領(lǐng)域重型設(shè)備穩(wěn)定的首選方法，在這些領(lǐng)域，飛機(jī)（尤其是機(jī)翼）會(huì)承受非常高的振動(dòng)。

      MEMS 縮小了價(jià)格與性能之間的差距

      微機(jī)電系統(tǒng)（或 MEMS）自 20 世紀(jì) 50 年代推出以來取得了快速發(fā)展。該技術(shù)由微型集成電路和硅基微電子技術(shù)制成，極大地改變了工業(yè)和消費(fèi)電子產(chǎn)品。對(duì)于慣性測(cè)量單元和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，MEMS 技術(shù)催生了各種慣性傳感器，包括陀螺儀、加速度計(jì)和磁力計(jì)。

      到目前為止，MEMS 的主要優(yōu)點(diǎn)是其成本極低，通常是 FOG 同類產(chǎn)品的 10 倍以上。使用更便宜的材料、先進(jìn)的制造工藝、更小的尺寸和大規(guī)模采用，都有助于MEMS 的生產(chǎn)成本更低。如今，它廣泛應(yīng)用于車載 GPS、無人機(jī)或攝像頭指向等應(yīng)用，而 FOG 技術(shù)的成本太高，無法實(shí)現(xiàn)商業(yè)意義。

      MEMS 設(shè)備還非常小且重量輕，因此可以在智能手機(jī)和玩具等狹小的空間中使用。 MEMS 現(xiàn)在隨處可見，從消費(fèi)級(jí)應(yīng)用到工業(yè)級(jí)應(yīng)用，各行各業(yè)都有其身影。這種小尺寸顯著推動(dòng)了 MEMS 在無人機(jī)測(cè)量市場(chǎng)的采用，尤其是 LiDAR 測(cè)量，該領(lǐng)域需要更高的精度，同時(shí)保持相對(duì)較小和較輕的尺寸，以便適合無人機(jī)。相比之下，光纖陀螺要大得多、重得多，從而減少了合適應(yīng)用的數(shù)量。

      MEMS 的耗電量也比 FOG 低，因此能源受限的車輛可以實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的任務(wù)時(shí)間。 MEMS 憑借其小尺寸和輕量化的特性，成為許多需要最低 SWaP-C（尺寸、重量、功耗和成本）的無人駕駛車輛的首選解決方案。

      但 MEMS 也并非沒有局限性。由于其機(jī)械特性和部件在高頻下振動(dòng)，MEMS 對(duì)振動(dòng)更加敏感，尤其是在諧波頻率下。振動(dòng)會(huì)增加傳感器輸出信號(hào)的噪聲，從而導(dǎo)致需要通過軟件進(jìn)行校正的偏差。

      這個(gè)問題可能會(huì)產(chǎn)生一些實(shí)際后果。人們發(fā)現(xiàn)，相當(dāng)數(shù)量的無人機(jī)陀螺儀在可聽頻率和超聲波頻率范圍內(nèi)都具有諧振頻率，這使得它們?nèi)菀资艿綋P(yáng)聲器噪聲的影響。因此，可以使用設(shè)置為正確頻率的揚(yáng)聲器通過“聲波攻擊”在遠(yuǎn)處使無人機(jī)墜毀。  

      由于線性加速度，MEMS 在陀螺儀測(cè)量中通常也容易出現(xiàn) g 靈敏度誤差，從而導(dǎo)致較大的偏差，直接影響 INS 姿態(tài)估計(jì)的準(zhǔn)確性。雖然加速度通常很短（只有幾秒），但在無人機(jī)等高動(dòng)態(tài)領(lǐng)域中卻很劇烈（5g 或更高），但隨著時(shí)間的推移誤差的累積不容忽視，需要進(jìn)行補(bǔ)償。校正是在濾波器級(jí)別完成的，但又增加了 FOG 替代方案不易受到影響的復(fù)雜性。 

      MEMS 與 FOG 的對(duì)比

      FOG 和 MEMS 解決方案并不總是容易相互比較，因?yàn)閮r(jià)格和性能之間的權(quán)衡仍然相當(dāng)巨大。然而，當(dāng)將低端 FOG 與高端 MEMS 進(jìn)行比較時(shí)，MEMS 在尺寸、重量、功耗和成本方面的吸引力與性能的小幅提升相比可能很有吸引力。

      最終，在這兩個(gè)系統(tǒng)中，F(xiàn)OG 將始終提供盡可能高水平的性能。真正的問題是：您的預(yù)算能否達(dá)到所需的性能水平，以及應(yīng)用程序能否適應(yīng)尺寸、重量和功率的增加。

標(biāo)準(zhǔn)

應(yīng)用領(lǐng)域