DOI:10.13695/ki.12-1222/o3.2009.05.006第17卷第5期中国惯性技术学报V ol.17 No.5 2009年10月 Journal of Chinese Inertial Technology Oct. 2009 文章编号：1005-6734(2009)05-0562-06MEMS仪表惯性组合导航系统发展现状与趋势蔡春龙1, 刘 翼1，刘一薇2（1. 北京航天时代光电科技有限公司，北京100854；2. 航天东方红卫星有限公司，北京100094）摘要：基于MEMS仪表的惯性组合导航系统是飞行器实现轻小型化的关键配套设备之一。
针对国外MEMS惯性组合导航系统产品的实现方案与性能指标进行了综述；介绍我国在该领域的研究现状，简要分析当前存在的问题与技术瓶颈，指出我国应结合现有硅微惯性器件加工水平与理论研究成果展开有针对性的研究工作。
最后，对该领域的技术发展方向进行了分析。
关键词：微机械系统；组合导航系统；信息融合中图分类号：U666.1 文献标志码：AStatus quo and trend of inertial integratednavigation system based on MEMSCAI Chun-long1, LIU Yi1, LIU Yi-wei2(1. Beijing Aerospace Times Optical-Electronic Technology Co., Ltd., Beijing 100854, China;2. China Spacesat Co., Ltd., Beijing 100094, China)Abstract: As one of the core equipments of the miniaturization of vehicle, the inertial integrated navigation systembased on MEMS has significant meaning to both the aerospace industry and the construction of national defense.Firstly, the system solution and performance specification of foreign latest products are summarized. Then the statusquo of Chinese development is introduced. The problems and technological bottlenecks at present are analyzed. It isalso pointed out that some pertinent research should be made based on the present manufacturing level of Chinesemicro-silicon inertial sensors and existing theoretical achievements. Finally, the future development direction of thetechniques in this field is analyzed.Key words: MEMS; inertial integrated navigation system; filter; information fusion微机械惯性测量单元（Micro-Electronic Mechanical System Inertial Measurement Unit，MEMS-IMU）作为第三代惯性测量组件，与第一代机械转子陀螺惯性测量组件、第二代光电陀螺惯性测量组件相比，具有体积小、重量轻、功耗少、成本低、集成化程度高等优点，拥有更广阔的工程应用前景，尤其对于微小型运载体的导航、制导与姿态控制具有重要意义，已被多个国家列为未来惯性导航系统的重点发展方向之一。
但从目前国内外微机械惯性测量器件的研制现状来看，由于受到加工工艺、选材等因素的限制，MEMS-IMU在精度以及稳定性等方面与前两代惯性测量组件相比仍然存在较大差距，同时受限于惯导系统固有的导航误差随时间积累问题，微惯性导航系统尚不具备独立完成导航定位任务的能力。
因此，基于MEMS-IMU的组合导航方案是解决上述问题的一条有效途径。
目前，MEMS-IMU组合导航系统已经在民用和军用领域得到了广泛认可。
民用方面，具有导航定位功能的汽车、精细农业用机械与车辆、用于农药喷洒与林区防火的无人飞机等已部分装配该类型组合导航系统；军用方面，欧美发达国家已成功将其应用于战术制导武器、微小型无人侦查飞机、卫星探测、航天器导航等领域。
我国在该领域的研究工作起步较晚，目前正处于从原理样机研制向工程应用过渡阶段，国内各科研院所与高校正在加紧进行该领域的技术攻关工作。
收稿日期：2009-07-24；修回日期：2009-09-03作者简介：蔡春龙（1967—），男，研究员，研究方向为光纤陀螺捷联惯性导航系统。
E-mail：cai_chun_long@第5期 蔡春龙等：MEMS 仪表惯性组合导航系统发展现状与趋势 563本文首先综述国外MEMS-IMU 组合导航系统产品的开发现状，介绍国内在该领域的研究情况，概述组合导航系统信息融合算法，最后对该领域未来的发展趋势进行了分析。
1 国外发展现状西方国家尤其是美国在MEMS 惯性器件以及微型导航系统技术方面处于世界领先地位。
美国国防部高级研究计划署（DARPA ）以及其他政府部门在MEMS 的军事和商业应用方面进行战略性投入的资金每年都在1亿美元以上，并且逐年增加。
许多著名惯性器件研究机构及公司，已经在该领域实现了较高精度的工程化产品，典型产品按精度可以作如下分类。
1.1 低精度产品1）美国J. F. Lehman & Company 公司作为世界第二大防卫公司的英国BAE 系统公司已将其惯性器件业务出售给美国J. F. Lehman & Company 公司，后者重组该部门后成立了大西洋惯性系统项目部，继续开展惯性器件产品的研发与生产工作。
最新产品SiNA V 型组合导航系统（如图1所示）采用MIMU/GPS 紧耦合方案，定位误差小于10 m ，速度误差小于0.1 m/s ，可耐受20000g 的冲击，陀螺测量范围可达±14000 (°)/s 。
目前，SiNA V 型组合导航系统已被英国国防部确立为下一代战术制导武器与无人机的首选导航系统。
2）美国模拟器件公司（Analog Devices ）AD 公司发布的ADIS16400/16405型组合导航系统采用MIMU/磁强计组合导航方案，是一种完全自主式的组合导航系统，具有抗干扰能力强、可靠性高等优点，系统定位误差小于10 m ，内部结构框图如图2所示。
3）美国GNC 公司GNC 公司生产的UNCUN1型组合导航系统（如图3所示）采用MIMU/GPS 松组合方式，定位误差小于15 m ，在广域增强系统可用情况下定位误差小于3 m ，速度误差小于0.2 m/s 。
1.2 中高精度产品1）美国角斗士技术公司（Gladiator Technologies ）GT 公司生产的陆标系列（LandMark Family）组合导航系统（如图4所示）采用MIMU/GPS 组合导航方案，具有功耗低、精度高、功能全等特点，定位误差小于2.5 m 。
LandMark 20 eXT 型产品还同时支持差分GPS 、广域增强系统等功能。
564 中国惯性技术学报 第17卷2）美国克尔斯博科技公司（Crossbow Technology ）Crossbow 公司生产的NA V440型组合导航系统采用MIMU/GPS/磁强计组合导航方案，系统装配了高稳定性的硅微机械陀螺仪，采用复杂环境密封形式，定位误差小于2.5 m ，水平速度误差小于0.4 m/s ，垂直速度误差小于0.5 m/s ，主要应用于无人飞机控制、陆地车辆导航、平台稳定控制等领域。
系统外观如图5所示。
3）美国云帽技术公司（Cloud Cap Technology ）CCT 公司生产的短笛系列（Piccolo Family ）自动驾驶仪（如图6所示）采用MIMU/GPS 松组合方案，支持磁强计、激光高度计等辅助导航设备的即插即用功能。
研制中的领航员型组合导航系统采用MIMU/GPS 松组合方案，采用碳纤维材料封装，相比早期产品重量更轻、体积更小。
凭借雄厚的工业基础与科研实力，欧美各国在硅微惯性器件的理论研究、原理样机开发以及工程应用等方面已经取得了长足的发展。
美国Honeywell 公司生产的硅微机械陀螺实验室精度已经突破0.01 (°)/h ，工程应用精度实现0.1 (°)/h 。
与此同时，在相关产业及需求的带动下，基于MEMS 技术的组合导航系统的研制工作也已取得丰硕成果，并有多种产品在航天器上得到应用。
2 国内发展现状我国在MEMS 惯性技术领域的研究工作始于20世纪80年代末期，在跟踪国外先进技术的基础上，经过20余年的努力，已经在理论研究、原理样机开发等方面取得一定成果，初步具备工业生产能力，但与国外同类器件相比，在仪表精度、稳定性等指标方面仍然存在较大差距，在工程化研制、生产与应用方面尚处于起步阶段。
国内清华大学、北京航空航天大学、哈尔滨工业大学以及北京航天时代光电科技有限公司等单位都对基于MEMS 技术的组合导航系统展开了大量有针对性的研究工作，并取得一定成果，为今后的进一步发展奠定了基础。
2.1 MIMU/GPS 组合导航方案北京航天时代光电科技有限公司针对某型无人机的应用特点，采用MIMU/GPS 松组合方案，用低成本硅微MEMS 陀螺仪与加速度计实现了在GPS 信号可用或短时丢失情况下的导航定位功能，组合定位误差小于15 m ，速度误差小于0.6 m/s。
2.2 MIMU/GPS/磁强计组合导航方案哈尔滨工业大学研制的MIMU/GPS/磁强计微型组合导航系统（如图7所示），采用低精度硅微陀螺与加速度计（参数见表1），实现了原理样机的研制，地面跑车试验验证了该组合方案在采用温度补偿技术后，可以有效抑制与补偿硅微惯性仪表的漂移误差，提高导航精度[1]。
清华大学对低成本MEMS 惯性器件的组合导航算法进行了研究，采用MIMU/GPS/ 磁强计组合导航方案，实现了原理样机的研制，样机系统如图8所示[2]。