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引言$ O& t5 B; D$ m# n! ]& J
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]。9 j& E+ |: t+ m: y4 r/ s
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全球导航卫星系统概述 O, X3 {; u' C8 O; d. i) h
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。( d. T7 ]+ _6 T- ^5 ^
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惯性测量单元和陀螺仪技术
# ^0 j2 j' @& n- t$ s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。
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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。; }) _/ }/ x. k: p7 ` @3 A
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& F0 A4 Y1 X6 A% D: f/ W图1展示了紧凑型硅基光电子陀螺仪的实物图
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SiPhOG技术创新8 H0 j+ l$ Y) S' j
ANELLO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。
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图2展示了SiPhOG技术在紧凑型IMU+中的实际应用
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ANELLO产品系列
- R) Q) Q) D( vSiPhOG技术为以下创新产品奠定了基础：$ K" ^: x$ D- l* X( o3 f, l
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1.ANELLO IMU+
, d: G# C3 t/ u& g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。
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" X* X/ `! N( O% S p0 L6 x7 }图3展示了SiPhOG与GNSS技术的集成系统% ~6 {/ ?, X+ n' U' _ k
' d! O5 B, c( M) u. [9 J( }' [2.ANELLO GNSS INS. @; j$ @" E. I7 c
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。/ _4 M7 ]) P) v/ ?
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' l- R1 ?( a' a+ b& r$ ]) P图4展示了全球最小的三轴光学陀螺仪IMU. d; b9 B9 ?0 f) Y3 W
+ I: O$ E" o. v! w; |- L3.ANELLO X3
. A5 i4 S- a: ~& {9 E" z# tX3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%。/ Y0 W2 O# b f5 u4 e4 ~
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图5展示了SiPhOG技术在海事导航系统中的最高级实现
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4.ANELLO海事INS
2 p6 J: I& R) a; Z0 w7 i# Y. V5 Q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。
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实际应用和性能4 l" b& Z: R8 {; g. u0 N( _
ANELLO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。 P) T7 J0 ]# _/ p* g l- X: p
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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
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' H) \" g% _/ l. l- I( }& s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。+ A5 t9 H1 o+ ?1 ^
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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
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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。
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) s1 B% Z+ O% g8 `参考来源
0 f+ c6 U" [; N( T2 H3 g[1] M. Maxfield, "Meet the SiPhOG, Its Creators, and Its Offspring," EEJournal, Feb. 20, 2025. [Online]. Available: EEJournal.com.1 I. y8 p$ D# ~* x& r/ q
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关于我们：
# V! z& X% R, x# Z$ ?7 p2 F* N; H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。, F/ M( p/ h/ B0 d& k
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