高端參考系統（AHRS）究竟好在哪里？

AHRS（Attitude and Heading Reference System）俗稱，能夠為飛行器提供準確可靠的橫滾、俯仰、航向等姿態與航行信息。產品由加 速度傳感器 、以及磁 力傳感器 等組成，內部一般采用卡爾曼濾波器作為多 傳感器 數據融合單元進行航姿解算。AHRS起源于飛行器相關技術，但是近些年隨著器件成本的不斷降低也被廣泛應用于機動車輛與無人機、工業設備、攝像與天線云臺、地面及水下設備、虛擬現實、生命運動科學分析、室內定位等領域需要三維姿態測量的產品中。

圖1 航姿參考系統（AHRS）應用示意圖

目前市面上比較知名的AHRS產品有荷蘭XSENS公司的MTi系列、法國SBG公司的Ellipse/Ekinox系列、挪威Sensonor公司的STIM系列等，國內也有一些同類產品，但指標體系不統一，精度和市場份額均無明顯優勢。

ARHS最重要的指標有姿態（橫滾、俯仰）精度、航向精度、航向漂移等，經過對國外幾家較為知名的AHRS廠商及代理商的調研，市面上的大部分俯仰和橫滾動態精度標稱為0.1~0.5°之間、航向動態精度標稱為0.5~2°之間的AHRS產品，單個報價基本都在10000元以上，這個價格對于消費、行業市場的批量應用來說存在較大障礙。另外，筆者通過比較對應的指標，發現各型AHRS的標價比較混亂，相差數萬元的產品，從指標上來看并無明顯的區別。由此筆者提出了幾個疑問：（1）這些所謂的價格上比較高端的AHRS究竟好在哪里？（2）國內的AHRS產品對比國外的有什么差距或者說差別呢？（3）AHRS產品的開發難點在哪里、門檻有多高？（4）無人機、無人車、機器人、AGV、室內定位、平臺姿態穩定等領域需要的AHRS精度和成本到底是什么級別的？

在筆者調研的AHRS里面，都沒有采用高可靠性加速度計和高精度陀螺儀，而是普遍采用低成本的微機電系統( Micro-Electro-Mechanical System，MEMS )器件為主構成的航姿參考系統，如MEMS加速度計、磁力計、陀螺儀等。這些傳感器通常成本低廉、精度較低，所以在這種低精度陀螺儀和加速度計的架構下必須綜合運用地球的重力場、磁場等場向量來進行修正，關鍵的就是各家廠商的融合算法，是否能夠讓AHRS在靜態、動態及磁干擾等環境下都能輸出精確、穩定的姿態數據。

格納微科技核心業務是微室內定位，立足以低成本的通用MEMS器件為基礎，通過載體運動模式學習、濾波算法設計、硬件和結構設計等，實現不依賴衛星和外部基站的高精度室內自主定位。在純慣性/無外部輔助手段的情況下，格納微科技的微慣導產品定位精度優于0.3%（步行1公里誤差不到3米），為業內公開的最高性能指標。基于市場上無人機、無人車、AGV、服務機器人、安防機器人、輪式車輛等行業對AHRS需求的猛增，團隊經過多年積累，推出SurPass系列航姿參考系統產品，寓意“不斷超越”。產品采用經過充分選型的MEMS加速度計、陀螺儀和磁力計進行組合，嚴格密封設計以及結構工藝保證產品在惡劣的環境下仍能實現精密地測量。通過非線性補償、正交補償、溫度補償和漂移補償等多種補償，可以大大消除誤差源，提高產品精度水平。同時智能識別和濾除外部磁場干擾，并采用自適應濾波算法對靜止或運動物體的姿態參數和航向角進行最優估計，實時解算出高精度的橫滾角、俯仰角和航向角。

圖2 格納微科技SurPass-A100航姿參考系統

近日，格納微科技的SurPass-A100航姿參考系統產品經過長期研發首次向市場推出，我們選取行業內指標較高的一款進口AHRS產品（以下稱XXAHRS），并以一款高精度光纖（Fiber-optic Gyroscope， FOG）慣導設備（以下稱FOG）作為標準進行了對比測試。

將SurPass-A100、XXAHRS與FOG固定在同一個平臺上，進行了長時間的動態和靜態測試。如圖3所示，SurPass-A100、XXAHRS角度解算誤差（以FOG為標準）分別用藍色、紅色表示，縱軸表現的是和FOG的實時角度差，作為誤差量進行評估。首先靜止700秒左右，靜態時SurPass-A100、XXAHRS兩者姿態和航向保持能力基本相當，和FOG相比漂移誤差大約0.3°（RMS）；然后通過空間自由旋轉模擬平臺連續運動約1200秒，動態時SurPass-A100的姿態（Roll/Pitch）和航向（Yaw）表現更為穩定，整體誤差跳動較?。ǚ讲钚。?/span>SurPass-A100、XXAHRS的航向動態響應誤差分別為≤2.52°/2.67°（RMS）。二者在運動過程中累積產生的少量姿態漂移在靜止后有通過算法修正，修正后的姿態誤差均≤1°。從航向角來看，SurPass-A100的動態響應精度十分優良，明顯誤差跳動幅度更小，在恢復靜止狀態后， SurPass-A100、XXAHRS在運動過程中累積產生的航向漂移在靜止后基本被完全消除。但同時在恢復靜止后，SurPass-A100更快的響應至靜止狀態，而XXAHRS還有幾秒到十幾秒的修正遲滯。如果在需要快速姿態響應的場景如無人機等應用，顯然SurPass-A100更為合適。

圖3 SurPass-A100、XXAHRS角度解算誤差對比圖

（從上到下依次為俯仰角、橫滾角、航向角的解算誤差）

圖4 SurPass-A100、XXAHRS、FOG角度解算結果對比局部放大圖

（從上到下依次為俯仰角、橫滾角、航向角的解算結果）

圖4將SurPass-A100、XXAHRS、FOG角度解算結果對比情況進行了局部放大，分別用藍色、綠色、紅色表示?？梢钥吹皆趧討B測試過程中SurPass-A100的動態響應表現更為細膩，和FOG的曲線基本完全一致，而XXAHRS的綠色曲線會不時出現部分區間偏差較大的現象，但是長期趨勢表現也較好。動態響應來看，SurPass-A100、XXAHRS二者基本相當，SurPass-A100表現略優。另外，SurPass-A100在抗磁擾方面也做了大量優化，通過外部加載磁場干擾，實測表明短時磁場擾動對產品性能幾乎沒有影響。

綜合來看，格納微科技推出的SurPass-A100的動態、靜態指標和XXAHRS基本相當，但SurPass-A100的單價僅為XXAHRS的1/3。SurPass-A100不拿靜態數據玩數字游戲，用實測數據說話，指標真正媲美“高端AHRS”，在動態特性、長期穩定性和環境適應性上遠勝“某寶”上魚龍混雜的低端同類產品，具備良好的動態響應特性、方向保持能力、抗磁擾能力。