现代导航技术因卫星定位系统（GPS）而发生革命性变化，但GPS并非总能可用。该技术依赖来自太空的信号，因此容易受到各种因素干扰，比如高楼大厦、深海环境或电子干扰等。
为应对这一挑战，IBM旗下的HRL实验室研发出一种新型惯性测量单元（IMU），采用先进算法，提供一种不会中断的GPS替代方案。
"我们正逐渐意识到，过度依赖GPS其实已经成为一个问题，"负责HRL公司IMU研发团队的大卫·张（David Chang）表示。"惯性传感器能够帮助应对那些无法依赖GPS的场景。"
这种IMU导航方案的核心是一个完全自主的装置，能够精确测量运载工具在三维空间中的运动。只要知道起始位置，并根据速度、方向和经过时间准确掌握所走过的路径，就能推算出当前坐标。这种方法复兴了GPS出现之前的一种导航技术——"航位推算法"，如今一些设备（例如潜艇）仍采用这种方式进行定位导航。
不过，潜艇使用的高性能IMU体积可能与一台迷你冰箱相当，而HRL的IMU则利用基于微电子机械系统（MEMS）制造的惯性传感器，将设备体积缩小至一个汤罐大小。这种小巧的外形使其具备足够的灵活性，可部署在无人机等轻型运载工具上。
MEMS惯性传感器的工作原理
MEMS惯性传感器利用蚀刻在处理器大小的硅芯片上的微型加速度计和陀螺仪，追踪速度和运动角度的变化。
加速度计利用悬浮重物抵抗运动变化的特性——即惯性——来计算它与设备其余部分之间的速度差异。想象一下在车内端着一杯水的场景：如果车辆突然停下，水会继续向前运动，最终溅出杯子。MEMS加速度计中的悬浮重物同样会在车辆加速时滞后，或在车辆减速时向前摆动，从而在周围的传感器中触发与所施加加速度相对应的信号。
MEMS陀螺仪同样基于惯性原理测量运动，但测量的是旋转。该MEMS传感器内含一个前后振动的质量块。当陀螺仪旋转时，该质量块的惯性会使其产生垂直于振动方向的运动偏移。围绕质量块的传感器会捕捉到这种侧向运动，从而计算出引发该运动的角速度。
高性能MEMS惯性传感器设计用于测量单一维度的变化，以避免产生不必要的交叉轴敏感性。为此，该团队的IMU包含三组MEMS传感器，分别对齐描述物理世界的三轴坐标系统。
MEMS加速度计和陀螺仪的各种版本已广泛应用于许多消费类设备中——这正是健身追踪器能判断你是否睡眠不安稳、手机能在翻转时自动旋转屏幕的原理所在——但HRL的MEMS惯性传感器经过专门设计，精度更高，力求接近GPS的导航精度水平。
解决偏置漂移是实现真正GPS替代方案的关键
长期以来，一种被称为"偏置漂移"的现象一直限制着基于MEMS的IMU在导航领域的应用。偏置漂移是指来自振动、热量等噪声源干扰传感器，从而产生虚假惯性信号的现象——换句话说，偏置就是传感器在静止状态下所产生的信号。普通MEMS基IMU使用时间越长，偏置漂移累积的误差就越大，导致其导航能力难以维持超过几分钟。
但目前看来，HRL的研究人员已经成功解决了偏置漂移这一难题。
"针对这些MEMS传感器的终极目标就是应对漂移问题。你需要找到一种方法将其校准消除，"大卫·张说。"我认为我们终于攻克了这个难题。"
该团队给出的解决方案是AutoCal——一种自动自校准系统，能够持续测量偏置并校正其漂移。该系统的工作原理是定期对每个传感器进行两次方向相反的同步测量，捕捉大小相同但符号相反的惯性信号。由于偏置在两次测量中都是相同的非方向性量，因此可以通过运算将偏置分离出来，同时保留用于导航的真实核心信号。随后，该偏置值将从后续测量结果中剔除，直至下一次校准为止。
持续校正漂移意味着这些IMU可以无限期用于支持导航，从而消除了使其达到GPS精度水平的一大主要障碍。
MEMS基IMU如何在成本与体积上实现优化？
除了解决偏置漂移问题外，研究人员还希望让高性能IMU的体积和成本足够小、足够低，以实现大规模部署。
节省空间的一种方法是采用专用集成电路（ASIC）定制电子元件，从而减少现成零部件所占用的体积。研究人员还开发了先进的封装技术，以最大限度减少元件之间未被利用的空隙空间，这涉及MEMS器件的组装方式以及信号连接设计等多方面考量。这些效率提升综合起来，使设备整体结构大幅精简。
为控制成本，研究团队确保其MEMS芯片——这类芯片还面临弹簧等运动部件带来的额外挑战——能够利用半导体制造技术，在硅晶圆上实现批量生产，其中包括使用精密图案蚀刻工具以及精确材料沉积设备等。与成熟的制造工厂合作，为该技术获得与计算机处理器生产相当的规模经济效益提供了途径。
MEMS惯性传感器的未来发展方向
该团队的目标是继续缩小其AutoCal IMU的体积，下一步计划是将设备尺寸缩小到大约一个冰球的大小。
HRL还在寻求拓展IMU可支持的应用领域。尽管导航是目前最具前景的应用方向，但任何依赖GPS的应用场景最终都可能从基于MEMS的IMU中获益。例如，这类传感器可以帮助自动驾驶汽车在高楼密集、卫星信号常受干扰的城市环境中实现导航。
但研究人员目前的首要任务，是让其现有的IMU产品进入真实用户手中，预计将于2027年开始量产。"成本、体积、重量和功耗——如果想要大规模推广这些设备，这些因素都至关重要，"大卫·张表示。"我认为，未来某个时点，我们将会遇到GPS在关键应用场景中完全不可靠的情况。"
