基于MEMS陀螺儀和加速度計的接收模塊可實現(xiàn)批量方位標記

尋北精度對于確定地面車輛、海上船只和空中飛行器的方向至關(guān)重要，同時也是確定Qibla方向（朝拜方向）的參考基準。經(jīng)緯儀主要用于角度測量應(yīng)用，包括確定穆斯林進行祈禱朝拜的方向。然而，通過經(jīng)緯儀從室外逐點轉(zhuǎn)移到室內(nèi)需要多個專業(yè)人員，過程非常復(fù)雜。

因此，迫切需要一種基于真北的高精度、緊湊、可移動的測向和標記系統(tǒng)，并且成本低，并對非專業(yè)人士來說易于使用。該系統(tǒng)設(shè)計必須堅固耐用，能夠廣泛適用于高層建筑內(nèi)外以及不同的地理環(huán)境。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，莫納什大學(xué)馬來西亞分校、馬來西亞國立大學(xué)的研究人員利用MEMS陀螺儀、加速度計和全球定位系統(tǒng)（GPS）開發(fā)出一種高精度、低成本的尋北定向系統(tǒng)原型。其MEMS陀螺儀的零偏穩(wěn)定系數(shù)為0.001241°/s，小于地球角速度0.0042°/s，適用于尋北測量。經(jīng)現(xiàn)場測試證明，基于真北確定Qibla方向的系統(tǒng)原型在尋北定向方面的平均準確率為99%，誤差為0°7′6"。相關(guān)研究成果已發(fā)表于IEEE Access期刊。

該尋北系統(tǒng)由發(fā)射模塊和接收模塊組成。放置于室外的發(fā)射模塊包括一個GPS定位系統(tǒng)，以提供位置信息（緯度和經(jīng)度），并將信息通過433MHz射頻無線通信技術(shù)傳送到建筑物內(nèi)部的接收模塊，之后利用矢量代數(shù)公式處理位置信息，以確定Qibla角度。置于室內(nèi)的接收模塊由安裝在步進電機水平旋轉(zhuǎn)激光器上的MEMS陀螺儀和加速度計組成，用于檢測真北并標記方位。

基于GPS的發(fā)射模塊

基于MEMS陀螺儀和加速度計的接收模塊

a）安裝在發(fā)射模塊中的433 MHz v1.1射頻收發(fā)模塊；b）安裝在接收模塊中的RFBee 433 MHz UART無線模塊（1km）

研究人員通過實施四點靜態(tài)旋轉(zhuǎn)方法來補償陀螺儀的零偏，并通過數(shù)字互補濾波器系統(tǒng)來濾除數(shù)據(jù)中的漂移誤差和波動，從而實現(xiàn)測量精度。

當(dāng)MEMS陀螺儀朝向a）真北、b）東、c）南、d）西時的輸出測量

每個測量點的測量結(jié)果代表每個方向50次測量的平均方位角

為了評估該尋北系統(tǒng)原型的可行性和穩(wěn)定性，研究人員在馬來西亞的三個地點進行了現(xiàn)場測試，每個地點都具有不同的地理環(huán)境，并分別采取了四種測試情況。根據(jù)現(xiàn)場測試結(jié)果，兩個模塊的最大通信距離為600m，最大通信高度為14.58m?，F(xiàn)場測試結(jié)果由馬來西亞法定機構(gòu)（國家測繪局、伊斯蘭教發(fā)展署和國家穆夫提部門）審定。結(jié)果表明，基于真北確定Qibla方向的原型系統(tǒng)在尋北定向方面的平均精度達到了99%，誤差為0°7'6"。

經(jīng)過各項實驗，驗證了該尋北系統(tǒng)原型具有四方面優(yōu)勢。首先，該原型可以處理不同的現(xiàn)場情況，由于可以適當(dāng)抑制誤差，因此能夠提供高度準確的讀數(shù)。其次，基于GPS的發(fā)射模塊放置在建筑物外部，基于MEMS陀螺儀和加速度計的接收模塊置于建筑物內(nèi)部，雙模塊配置使得測量過程更加靈活。第三，所有計算和檢測都由系統(tǒng)自動完成，易于非專業(yè)人員使用。用戶只需要放置模塊并確保它們能夠正常通信即可。最后，其發(fā)射模塊非常緊湊輕便，而相對較大的接收模塊也僅重1.5kg左右。因此，該原型能夠?qū)崿F(xiàn)在多個子位置進行批量方位標記。

研究人員稱，未來的工作將聚焦于縮短尋北所需的時間，并將接收模塊設(shè)計得更加緊湊和耐用。