基于MEMS陀螺儀和加速度計(jì)的接收模塊可實(shí)現(xiàn)批量方位標(biāo)記

尋北精度對(duì)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(shí)也是確定Qibla方向（朝拜方向）的參考基準(zhǔn)。經(jīng)緯儀主要用于角度測(cè)量應(yīng)用，包括確定穆斯林進(jìn)行祈禱朝拜的方向。然而，通過經(jīng)緯儀從室外逐點(diǎn)轉(zhuǎn)移到室內(nèi)需要多個(gè)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(dòng)的測(cè)向和標(biāo)記系統(tǒng)，并且成本低，并對(duì)非專業(yè)人士來說易于使用。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須堅(jiān)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(bào)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(jì)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(cè)量。經(jīng)現(xiàn)場測(cè)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(zhǔn)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(gè)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(jìn)電機(jī)水平旋轉(zhuǎn)激光器上的MEMS陀螺儀和加速度計(jì)組成，用于檢測(cè)真北并標(biāo)記方位。

基于GPS的發(fā)射模塊

基于MEMS陀螺儀和加速度計(jì)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(shí)施四點(diǎn)靜態(tài)旋轉(zhuǎn)方法來補(bǔ)償陀螺儀的零偏，并通過數(shù)字互補(bǔ)濾波器系統(tǒng)來濾除數(shù)據(jù)中的漂移誤差和波動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)量精度。

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

每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果代表每個(gè)方向50次測(cè)量的平均方位角

為了評(píng)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(gè)地點(diǎn)進(jìn)行了現(xiàn)場測(cè)試，每個(gè)地點(diǎn)都具有不同的地理環(huán)境，并分別采取了四種測(cè)試情況。根據(jù)現(xiàn)場測(cè)試結(jié)果，兩個(gè)模塊的最大通信距離為600m，最大通信高度為14.58m?，F(xiàn)場測(cè)試結(jié)果由馬來西亞法定機(jī)構(gòu)（國家測(cè)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(dá)到了99%，誤差為0°7'6"。

經(jīng)過各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該尋北系統(tǒng)原型具有四方面優(yōu)勢(shì)。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(zhǔn)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(jì)的接收模塊置于建筑物內(nèi)部，雙模塊配置使得測(cè)量過程更加靈活。第三，所有計(jì)算和檢測(cè)都由系統(tǒng)自動(dòng)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(duì)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(gè)子位置進(jìn)行批量方位標(biāo)記。

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