基于MEMS陀螺仪和加速度计的接收模块可实现批量方位标记

寻北精度对于确定地面车辆、海上船只和空中飞行器的方向至关重要，同时也是确定Qibla方向（朝拜方向）的参考基准。经纬仪主要用于角度测量应用，包括确定穆斯林进行祈祷朝拜的方向。然而，通过经纬仪从室外逐点转移到室内需要多个专业人员，过程非常复杂。

因此，迫切需要一种基于真北的高精度、紧凑、可移动的测向和标记系统，并且成本低，并对非专业人士来说易于使用。该系统设计必须坚固耐用，能够广泛适用于高层建筑内外以及不同的地理环境。

据麦姆斯咨询报道，近期，莫纳什大学马来西亚分校、马来西亚国立大学的研究人员利用MEMS陀螺仪、加速度计和全球定位系统（GPS）开发出一种高精度、低成本的寻北定向系统原型。其MEMS陀螺仪的零偏稳定系数为0.001241°/s，小于地球角速度0.0042°/s，适用于寻北测量。经现场测试证明，基于真北确定Qibla方向的系统原型在寻北定向方面的平均准确率为99%，误差为0°7′6"。相关研究成果已发表于IEEE Access期刊。

该寻北系统由发射模块和接收模块组成。放置于室外的发射模块包括一个GPS定位系统，以提供位置信息（纬度和经度），并将信息通过433MHz射频无线通信技术传送到建筑物内部的接收模块，之后利用矢量代数公式处理位置信息，以确定Qibla角度。置于室内的接收模块由安装在步进电机水平旋转激光器上的MEMS陀螺仪和加速度计组成，用于检测真北并标记方位。

基于GPS的发射模块

基于MEMS陀螺仪和加速度计的接收模块

a）安装在发射模块中的433 MHz v1.1射频收发模块；b）安装在接收模块中的RFBee 433 MHz UART无线模块（1km）

研究人员通过实施四点静态旋转方法来补偿陀螺仪的零偏，并通过数字互补滤波器系统来滤除数据中的漂移误差和波动，从而实现测量精度。

当MEMS陀螺仪朝向a）真北、b）东、c）南、d）西时的输出测量

每个测量点的测量结果代表每个方向50次测量的平均方位角

为了评估该寻北系统原型的可行性和稳定性，研究人员在马来西亚的三个地点进行了现场测试，每个地点都具有不同的地理环境，并分别采取了四种测试情况。根据现场测试结果，两个模块的最大通信距离为600m，最大通信高度为14.58m。现场测试结果由马来西亚法定机构（国家测绘局、伊斯兰教发展署和国家穆夫提部门）审定。结果表明，基于真北确定Qibla方向的原型系统在寻北定向方面的平均精度达到了99%，误差为0°7'6"。

经过各项实验，验证了该寻北系统原型具有四方面优势。首先，该原型可以处理不同的现场情况，由于可以适当抑制误差，因此能够提供高度准确的读数。其次，基于GPS的发射模块放置在建筑物外部，基于MEMS陀螺仪和加速度计的接收模块置于建筑物内部，双模块配置使得测量过程更加灵活。第三，所有计算和检测都由系统自动完成，易于非专业人员使用。用户只需要放置模块并确保它们能够正常通信即可。最后，其发射模块非常紧凑轻便，而相对较大的接收模块也仅重1.5kg左右。因此，该原型能够实现在多个子位置进行批量方位标记。

研究人员称，未来的工作将聚焦于缩短寻北所需的时间，并将接收模块设计得更加紧凑和耐用。

审核编辑：彭静