一文解析MEMS战场导航

　　低成本的GPS干扰和欺骗技术的可用性使得仅GPS的定位和导航解决方案对于在战场环境中的士兵而言，成为日益危险的选择。因此，至关重要的是，必须开发一种独立的，非基础设施的定位技术，以保持现代士兵的最佳作战能力。

　　惯性导航可以解决此问题。

　　但是惯性解决方案并不容易实施。例如，在战场上，士兵往往会躲避，俯冲，躲避和奔跑，从而带来运动测量挑战，即使在现有的车辆惯性导航装置中，该误差通常也会太大，从而导致跟踪误差。

　　全球定位系统

　　几十年来，GPS一直是战场上士兵的首选跟踪和导航解决方案。不幸的是，大多数敌人现在都可以使用非常便宜且广泛使用的技术来干扰GPS定位信号。但是更危险的是，不仅GPS信号会被阻塞，还可能被欺骗。在最坏的情况下，敌人可能将士兵转移到危险地带，甚至可能使士兵无意中向自己的位置开火。

　　MEMS导航

　　市场上已经有许多惯性测量单元（IMU），但还没有一个能够充分解决惯性行人跟踪的问题。它们是最终解决方案中极具吸引力的一部分，因为它们仅依赖于测量用户运动产生的力，而独立于基础设施技术（例如WiFi，BLE信标或其他基于RF或基于摄像头的锚定技术）进行操作–因操作演员的不良行为而被卡住，欺骗或误入歧途。

　　但是，目前尚不存在能够充分整合用户加速度以真正跟踪位置的IMU，但同时也不会因士兵在战场上的活动而被抛弃。通过增加惯性传感器的灵敏度以准确地测量由人类运动产生的小加速度，对人类运动的其他伪像的敏感性在传感器测量光谱的相对侧上产生了明显的误差。也就是说，饱和度以及其他由高强度和快速运动引起的误差会产生甚至更大的误差，这使得这种跟踪非常困难。

　　理想情况下，MEMS惯性传感器体积小，重量轻，功耗低且成本低，非常适合拆卸的士兵应用。换句话说，它们具有低SWaP-C的所有最理想的特性（尺寸，重量和功率成本）。每个士兵都可以轻松地携带一个或多个武器-放在手表，背包，头盔或武器上。但是，它们在灵敏度，噪声，偏置漂移和其他相关错误模式方面的性能使其在惯性导航中的表现非常差。在几分钟之内，可能会累积多达数百米甚至数千米的定位误差，从而使其惯性导航功效无法使用。但是，它们可以通过航位推测法合理地应用于位置跟踪。

　　推算最简单的形式是通过测量用户在一系列方向上行驶了多远来跟踪用户的位置。如果IMU可以提供相对于北方的相对准确的方向（磁罗盘），然后测量用户已经走了多远（步进计数），则可以构建一个相当准确的位置。生产精确，可靠的MEMS航位推算系统存在许多挑战，但至少该应用不会突破传感器本身的性能极限。

　　MEMS陀螺仪是一种由硅微加工而成的光盘，被激发后以明显高于要测量的运动带宽的速率振动。当光盘沿一个轴振动时，如果沿其敏感轴旋转，则会产生科里奥利力，该力将振动力发送到正交轴上，该正交轴被测量并与旋转的角速度成比例。但是，与该旋转速率相对应的信号幅度很小，它不是位移的直接测量值，而是随时间变化的位移率，然后需要将其积分到角位移中。但是，它只需要一次积分，而不需要使用加速度计确定线性位移所需的二次积分。

　　陀螺仪仅用于测量相对于任意起点的相对旋转。它不受线性加速度的影响（或几乎不受线性加速度的影响），因此无论冲击和振动如何，它都有助于提供非常精确的旋转测量。由于其测量特性，它可提供准确的角位移，且延迟和超调量极低。

　　从A点到B点

　　IMU可以准确确定行进方向，从而跟踪士兵离开A点后的路径。需要里程表功能来测量他们向B点前进时在任何给定方向上行进了多远。汽车的里程表相对简单。有一个传感器，它计算汽车车轮的部分和完全旋转的次数，并将其乘以车轮的周长得出一个相当准确的行驶距离。现代里程表的精确度可达到汽车实际行驶距离的0.1％之内。对人来说，类似的功能只是计步器或计步器。在过去的五年中，由于活动设备，智能手表和手机的使用，计步器得到了极大的改善。

　　这种方法的复杂性在于确定步行，慢跑，跑步甚至爬行的不同步幅。有几种可用的方法可以很好地确定步幅长度-例如，在有GPS覆盖范围的情况下对开放天空中的步数进行计数，然后将行进距离除以两个端点之间采取的步数。无论如何，这是一个可解决的问题，仅取决于特定用例的可接受程序。

　　在战斗中导航

　　现在，最新一代的MEMS陀螺仪可以很好地跟踪士兵的动态运动长达30分钟，而不会出现明显的偏差或比例误差。我们开发的系统目前还无法与它们配合的唯一方法是使用陀螺罗盘技术将其锁定在North上，因为它们的1/f噪声仍然约高50倍。MEMS非常适合在短时间内跟踪高动态运动，例如与Wii控制器一起玩。但是对于需要低噪声和高灵敏度的应用，例如测量地球每小时15°的自转速度（这是一个很小的信号），还远远不够。

　　寻找坐标

　　可以通过纬度和经度来确定绝对地理位置。

　　纬度

　　IMU的加速度计可以直接测量重力加速度矢量的方向，这意味着它可以准确地确定向下的方向（朝向地球中心）。陀螺仪可以准确地测量地球在给定位置的自转角速度的X，Y和Z分量。然后，可以通过使用这两个测量值轻松确定纬度。

　　经度

　　经度可以通过测量测得的地理北部和磁性北部之间的偏角来计算。两者沿不同的轴对齐，因此在您的经度上，它们之间的方向始终存在偏差。由于两种测量都是在三个维度上进行的（地球自转轴和从地球磁偶极子轴产生的通量线），因此您可以转换这两个维度之间的三维空间差异，以便纵向定位球体的表面，尤其是在先前的测量已经确定了纬度的情况下。

　　具有高档陀螺仪的IMU可以通过陀螺罗经（或向北寻线）来定位真北，但是它需要一个磁罗盘来定位磁北。但是，尽管有很多要说的磁传感器可以让您直接向北读取数据，但测量的易错性仍然存在严重的问题。除了校准用户身体上的硬铁和软铁干扰之外，通常还会出现难以解决的外部磁畸变。例如，如果一个士兵走过用钢筋建造的墙，则会在磁测量中产生很大的误差。在城市战争环境中，还有许多其他干扰源，包括车辆，建筑物，武器，法令以及士兵可能遇到的许多其他结构。