从全球导航卫星系统到硅基光电子光学陀螺仪的现代导航系统

逍遥设计自动化

引言
* f$ x9 h1 F' O% ?8 R1 r随着科技的发展，导航系统已经从传统的道路地图发展到了复杂的卫星导航系统。本文介绍导航技术的演变，特别关注硅基光电子光学陀螺仪（SiPhOG）的研发及其在现代导航系统中的应用[1]。

: _( p  e, V) A( Y& R1
全球导航卫星系统概述
" [) o, k7 `7 G0 W% E全球导航卫星系统（GNSS）是一个包含多个卫星导航系统的综合术语。这个系统包括美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟的Galileo、中国的北斗、日本的区域性QZSS以及印度的区域性NavIC。虽然GPS在中地球轨道上拥有超过30颗运行卫星，是使用最广泛的系统，但现代GNSS接收器通常同时使用多个系统来提高精确度和冗余度。

5 m4 B8 d+ P. @2
惯性测量单元和陀螺仪技术
当GPS信号受到干扰或丢失时，自主系统主要依赖惯性测量单元（IMU）作为备用系统。这些电子器件通过测量加速度、角速度，有时还包括磁场强度来确定运动、方向和位置。核心部件包括用于测量线性加速度的加速度计、用于测量角速度的陀螺仪，以及可选的用于通过地球磁场确定方向的磁力计。

, |6 A. l. F9 ?  H" [8 g现代陀螺仪技术已经从传统的机械系统发展为两种主要类型：基于MEMS的陀螺仪和光纤陀螺仪（FOGs）。MEMS陀螺仪虽然体积小且成本效益高，但在温度敏感性、振动和电磁干扰方面面临挑战。光纤陀螺仪性能更优，但传统上需要100到5,000米的光纤长度，导致体积较大且成本较高。

hd4resxslkk6404570025.jpg

图1展示了紧凑型硅基光电子陀螺仪的实物图
3 D  Q8 b+ l: O1 o0 j* m
3 p" d) h$ o. V0 ~5 ?3
8 ?( m( h1 C' MSiPhOG技术创新
9 j# |  ~+ |  ^7 Z( r; GANELLO光电子公司开发的硅基光电子光学陀螺仪（SiPhOG）代表了一项重大突破。这种创新器件在一个仅约2mm x 5mm的硅基光电子芯片上集成了多个光学组件，包括4个分光器/耦合器、3个光电探测器、2个调制器、1个延迟线、1个偏振滤波器、2个加热器和一个可变光衰减器。传统的光纤线圈被替换为硅氮化物芯片上的2-3μm光波导。
1 m  B2 _  A4 B

eqtxxinq3ku6404570125.jpg

1 v2 L) E1 f$ {' Q图2展示了SiPhOG技术在紧凑型IMU+中的实际应用
; N, J7 ~* o0 Y0 d0 W8 n+ Z' G, Q
4
* l) w; O: S/ O) ^/ a( hANELLO产品系列
/ `! P. I, o' K: L$ g! L: _SiPhOG技术为以下创新产品奠定了基础：


' B  g! K  r5 e1.ANELLO IMU+
- G9 M# i- F) `这种器件集成了一个SiPhOG单元和运行实时操作系统的ASIL-D CPU。IP68防护等级确保了在恶劣环境中的最佳性能，特别适用于GPS信号通常无法到达的工业机器人应用场景。
7 J( P, ?+ v  `; R0 ?, s; c( I

4eymkutai3b6404570225.jpg

/ s* w" ~& [+ _  |9 B* l# i5 Q0 P图3展示了SiPhOG与GNSS技术的集成系统

% n. g- [- i( a* X1 P: I2.ANELLO GNSS INS
该系统将一个SiPhOG与双五星座多频段GNSS接收器和硬件PTP时间同步结合。这种集成提供了增强的导航能力，具有强大的欺骗信号检测和缓解功能。
% @: S6 d" [; A7 U+ {$ @/ h

4lljzxng2z56404570325.jpg

图4展示了全球最小的三轴光学陀螺仪IMU

3.ANELLO X3
X3在光学陀螺仪技术方面实现了重大进展，集成了三个SiPhOG单元作为低噪声和低漂移的光学智能传感器。每个单元都包含一个独立的6轴冗余IMU，配备独立的ASIL-D CPU。这种配置在性能上与传统FOGs相当，同时将尺寸、重量和功耗降低了80%。
1 K1 ^  v0 @% l' u/ F

ege3knm0at36404570425.jpg

图5展示了SiPhOG技术在海事导航系统中的最高级实现

4.ANELLO海事INS
1 p) v2 r( B& k! ~: J$ z* w6 g这个先进系统在X3的基础上增加了双三频GNSS接收器，具有静态航向能力。专门为自主水面船只和水下船只设计，提供高精度和可靠性。
4 x+ T# u+ W; [
5
实际应用和性能
0 u1 s8 V/ W5 JANELLO技术的效果在精准农业应用中特别明显。在果园等具有茂密树叶会干扰GNSS信号的环境中，ANELLO GNSS INS表现出优越的性能。
4 w+ U4 M. ]- \3 g2 R

fbnmsnqgmp56404570525.jpg

9 @1 N$ B* q. }. n) U/ S图6展示了使用ANELLO GNSS INS时在果园环境中的精确度显著提升
6 t2 B6 Z# ^$ P5 B
系统的反欺骗能力在实际测试中得到验证。当受到GPS欺骗攻击时，配备ANELLO GNSS INS的车辆能够保持准确导航，同时检测和拒绝虚假信号。
! q, {# `% b+ @3 U3 B/ y

xldy0owbjwp6404570625.jpg

- n7 k: C' ]& z0 u- W/ Z图7展示了系统在陆地应用中的欺骗信号检测和拒绝能力
# y1 c  _' M/ _5 [% G
6 V( B8 b8 Z" x* w这些实际应用证明了SiPhOG技术在现代导航系统中的创新价值，在紧凑、节能的设计中提供了高精度和可靠性。硅基光电子技术与传统导航技术的融合，显著提升了自主导航能力，为各行业的自主运营提供了可靠保障。

参考来源
8 S3 V( k; @  h% G" Y- |4 `1 C[1] M. Maxfield, "Meet the SiPhOG, Its Creators, and Its Offspring," EEJournal, Feb. 20, 2025. [Online]. Available: EEJournal.com.
END

* l2 k6 Q: N( {* `& h软件申请我们欢迎化合物/硅基光电子芯片的研究人员和工程师申请体验免费版PIC Studio软件。无论是研究还是商业应用，PIC Studio都可提升您的工作效能。
/ ~; g& ?1 f* y* g4 f点击左下角"阅读原文"马上申请

/ x8 x$ O$ ]) T) U' I/ u欢迎转载
3 U8 M8 R6 [. L" Q
转载请注明出处，请勿修改内容和删除作者信息！

' D" Q( T0 q9 M) U# B
6 _# Z* C; O" C7 }/ B' X4 p

paluashz5jj6404570725.gif

关注我们

ymh2yddt3fg6404570825.png & d4 K$ D& u# X  o5 U4 }7 u0 ^

3 b4 A, G+ \( K. W, e  O kkda5pdj2oi6404570925.png # e/ R5 U# t7 Q

kgptwkp3vrw6404571025.png

                     

7 N3 E5 c, }- D0 M

  }% o. C: r, Z; I" {6 f关于我们：
深圳逍遥科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家专注于半导体芯片设计自动化（EDA）的高科技软件公司。我们自主开发特色工艺芯片设计和仿真软件，提供成熟的设计解决方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分别针对光电芯片、微机电系统、超透镜的设计与仿真。我们提供特色工艺的半导体芯片集成电路版图、IP和PDK工程服务，广泛服务于光通讯、光计算、光量子通信和微纳光子器件领域的头部客户。逍遥科技与国内外晶圆代工厂及硅光/MEMS中试线合作，推动特色工艺半导体产业链发展，致力于为客户提供前沿技术与服务。
/ W6 R$ ]0 s' B) P. d/ x+ \
http://www.latitudeda.com/
0 z$ O: n9 V4 `+ ~1 ?# C5 H（点击上方名片关注我们，发现更多精彩内容）