導航中獲取航向的常用方法

本白皮書介紹了使用姿態航向參考系統（AHRS）或慣性導航系統（INS）時用於確定導航航向的不同方法，並根據典型的應用要求推薦合適的航向源。這些只是建議性的，應針對個別應用進行全面評估。

速度航向

速度航向的工作原理是透過連續的GNSS測量從速度和加速度的方向得出航向。它適用於在大多數情況下不會側向行駛的輪式或軌道式車輛，其航向主要用於行進中的導航，而不會受到長時間的GNSS干擾。速度航向需要GNSS定位，並且水平車輛速度至少為1。15 m/s。因此，航向精度取決於GNSS訊號的質量和車輛行駛的速度。

雖然速度航向基本上不受電磁干擾的影響，但速度方向很容易受到衛星干擾的干擾，例如樹木或高樓大廈的干擾。速度航向具有較少的安裝約束避免干擾，並且比磁航向（例如，使用里程錶輸入）更容易提供輔助。與磁力計不同，它不需要在安裝後進行校準。

速度航向不適用於直升機，輪船或其他側向移動（側滑）的運動載體，因為該演算法推算的是對地航向而不是車輛航向。對於固定式應用，例如方向對準或跟蹤緩慢移動的物體（例如裝有INS的人）的前進方向，它也無效。在長時間內無法使用GNSS的環境（例如海底或採礦應用）中，不應使用速度航向。

速度航向對於執行速度超過1。15 m/s的汽車，鐵路和輪式車輛非常有效果。

Advanced Navigation裝置包括倒車檢測演算法，可確定車輛是否已轉彎或僅在倒車行駛。

磁航向

磁力計容易受到附近的鐵質物體和磁鐵的干擾（靜態干擾）以及會產生不同水平電磁場的裝置（動態干擾）的影響。磁航向使用三個磁力計來測量地球磁場的強度，絕對的3D方向。使用磁航向的導航系統應在安裝後進行校準。這是因為地球磁場根據緯度和經度而變化。未校準的磁航向的準確度明顯較低，建議用於極精度航向的測量。

在將INS安裝到車輛上之後，可以透過執行磁校準程式來測量和補償作為車輛一部分或隨車輛移動的靜態干擾源。除非車輛上INS的位置發生變化或車輛上的其他專案被更改，否則此校準僅需要一次。建議使用3D校準程式，該程式要求圍繞每個軸至少旋轉一圈，但是由於重量或體積的原因，這在許多車輛上可能無法實現。只能透過繞一個軸旋轉來執行不太精確的2D磁校準。

動態干擾源包括大電流接線，電機，伺服器，螺線管和不隨INS一起移動的大量含鐵材料。動態干擾源的固有幅度會隨時間變化，無法簡單地進行校準。因此，基於磁力計的INS應儘可能遠離這些干擾源。使用高導磁合金或類似材料對干擾訊號源進行磁遮蔽會一定程度上有所幫助，但是遠離這些干擾源是最有效的緩解方法。

Advanced Navigation裝置包括一種特殊的演算法，可以幫助消除動態磁干擾的影響，並可以補償遇到的最典型的干擾源。

磁航向能夠在大多數工作條件下提供航向，但與雙天線航向相比，其準確性要低得多。這使其成為成本受限或GNSS訊號接收條件較差環境下的首選方法。

陀螺航向（尋北航向）

使用FOG（光纖陀螺儀）進行尋北非常準確，但是此精度取決於緯度；越靠近赤道，航向精度越高，因為在赤道處的相對運動更大。確定航向的另一種方法是測量地球在太空中的自轉，這一過程通常稱為尋北航向或陀螺航向。使用複雜的3維數學演算法，可以透過在一段時間內進行陀螺儀測量來確定真北方向。地球每24小時以360度（每分鐘0。25度）的速度旋轉，因此需要使用極為靈敏的陀螺儀來分辨出這一變化。

陀螺羅盤/光纖陀螺儀對運動，衝擊和振動很敏感，需要一些程式和時間進行初始化，這使其不適用於某些車輛和應用，但是，他們可以在沒有任何外部參考的情況下確定航向。陀螺航向在GNSS無法使用的環境下（需要有較低的衝擊和振動）是一個很好的選擇。

雙天線GNSS航向

雙天線GNSS接收機可以透過比較兩個GNSS天線的位置來確定航向。當可獲得良好的GNSS訊號接收時，首選此方法。此方案有很好的成本效益，並且能提供非常準確的航向。透過增加天線間隔距離，可以進一步提高航向精度。

聲學航向（水下應用）

聲學航向允許來自諸如水面船上的雙天線GNSS之類的已知的航向，透過水聲傳遞到海底裝置。這種航向傳遞方法使用一對USBL（超短基線）裝置來計算訊號的聲學接近角，並且可以獲得與高階陀螺羅盤相當的角度精度。

聲學航向對電磁或電干擾不敏感，特別適用於相對靠近地面執行或需要將資料或訊號連結到地面系統的系統。與陀螺航向不同，聲學航向不依賴於緯度。

選型建議

下面將根據常見情況，對選擇導航航向源提出一些一般性建議。根據我們廣泛的客戶群，我們確定了與應用最匹配的Advanced Navigation裝置。

陸地車輛

公路車輛

公路車輛通常能夠執行2D磁性校準過程，而3D校準在物理上幾乎總是不可能的。 車輛也可以使用陀螺羅經，但通常出於成本考慮而將其排除在外，除非在地下進行使用（例如採礦）。它們不受大幅度橫向運動的影響，這意味著其航線和航向通常是相同的，因此速度航向是可以使用的，但它們通常會受到短期GNSS限制的環境（例如隧道）影響。 一個關鍵的選擇標準是沒有GNSS訊號的車輛必須執行多長時間； 更長的使用週期將需要更強大（更昂貴）的慣性測量裝置。

越野車

越野車輛通常能夠執行2D磁校準和尋北過程。高振動和衝擊水平也使其不適用於基於FOG的裝置。

火車

火車通常無法執行任何型別的磁校準，並且還會受到高水平的動態電磁干擾，從而使磁航向變得不可靠。火車在軌道上行駛受到橫向約束，這意味著航線和航向始終相同。從表面上看，速度航向是適用的，但是，在GNSS受限的環境（例如隧道）中，火車需要長期執行，並且長時間停車會導致航向漂移。建議將雙天線系統用於此應用，以提供最大化航向精度和穩定性。如果在GNSS受限的環境（例如隧道）中的相對時間長並且對精度要求較高，則建議使用基於FOG的系統，因為該應用通常衝擊和振動水平不高，因此將表現出良好的效能。

海洋船舶

船舶和小船

船舶通常能夠執行2D磁校準，並且只要將INS與強電磁干擾源充分隔開，磁航向也是可行的選擇。不建議使用速度航向，因為大多數船隻在水流，風，推進器等的影響下可以側向移動。有時，它們會受到GNSS限制的短期環境（例如橋樑）的影響，或者在航行時接近障礙物。

對於大多數水面船隻而言，最佳的導航航向源是雙天線航向。這樣可以在衛星干擾最小的環境中以比陀螺羅盤更低的價格進行非常精確的導航。對於從事高精度應用的船舶，建議使用基於FOG的GNSS系統。

水下航行器

水下航行器以低速執行，並且會產生較大的側向運動，因此無法使用速度航向。除了在水面之外，缺少GNSS衛星的可見性，也排除了雙天線GNSS航向方案。

建議將陀螺航向作為水下航行器的航向源，因為低動態，阻尼良好的操作環境可在不依賴GNSS衛星訊號的情況下最大限度地提高可達到的精度。

對於在1000m以內水深執行的水下航行器，建議使用聲學航向，因為它比基於磁力計的解決方案更準確，並且比陀螺羅盤便宜。

空中飛行器

固定翼飛機

超高速固定翼飛機可能會遇到速度和/或高度限制，這會限制GNSS接收器的選項，並因此限制可用的INS選擇。大多數固定翼飛機的移動速度太快，以致於無法正確地跟蹤陀螺羅盤，因此不建議使用這種航向方法。

儘管磁航向是可用的，但其精度大大低於雙天線GNSS航向，建議將其用於絕大多數機載應用。

直升機

儘管通常不考慮速度和高度限制，但適用於固定翼飛機的大多數情況也適用於直升機。

多旋翼飛機

振動，高動態和SWaP（尺寸，重量和功率）的考慮，經常會排除了陀螺羅盤航向。

垂直起降飛機

VTOL（垂直起降）飛機的執行條件類似於多旋翼飛機。

氣球和高海拔低速飛行器

這類飛行器的動態性相對較低，因此磁航向或陀螺航向都可能是合適的選擇。由於飛行器通常會橫向移動，因此不建議使用速度航向。製造氣球的一個區別是，航線可能比有效載荷的航向更為有用。根據飛行器的大小，可進行2D或3D磁校準。

這些飛行器可能會遇到高度限制，這會限制GNSS接收器選項，並因此限制可用的INS選擇。根據ITAR規定，許多商用GNSS接收器都設計為在18，000m高度以上停止執行。