姿态和航向参考系统 (AHRS) 使用由微机电系统 (MEMS) 惯性传感器组成的惯性测量单元 (IMU) 来测量角速率、加速度和地球磁场。然后可以使用这些测量结果来估计物体的姿态。
AHRS 通常包括 3 轴陀螺仪、3 轴加速度计和 3 轴磁力计，以确定系统方向的估计。这些传感器中的每一个都为组合系统提供不同的测量结果，并且每个传感器都表现出独特的局限性。
陀螺仪为 AHRS 提供系统角速率的测量结果。然后对这些角速率测量值进行积分以确定系统姿态的估计。然而，为了确定当前姿态，还必须知道系统的初始姿态。随着时间的推移，由于陀螺仪本身固有的噪声和偏置特性，计算出的姿态会无限地偏离系统的真实姿态。
加速度计为 AHRS 提供系统加速度的测量值，并假定仅测量重力。这种假设允许加速度计从重力矢量方向计算俯仰角和横滚角，如图 1.15 所示。然而，加速度计测量中的任何偏差或其他误差都会导致俯仰角和滚动角的计算出现误差。此外，由于假定加速度计仅测量重力，因此任何添加的动态运动也会导致系统俯仰和横滚的计算出现错误。
图：1.15 加速度计俯仰和横滚
由于加速度计只能测量俯仰和横滚，因此磁力计通过将系统周围磁场的测量值与地球磁场的测量值进行比较，为 AHRS 提供偏航测量值，就像传统的磁罗盘一样。在大多数 AHRS 装置中，磁力计测量对俯仰角和横滚角估计没有影响。
虽然看似简单，但使用磁力计准确估计航向实际上非常具有挑战性。地球磁场很弱，因此大型金属结构、高功率电缆或任何其他磁干扰都会扭曲地球磁场并导致估计航向角出现误差。由 AHRS 固定的物体（例如车辆）引起的干扰可以使用称为硬铁和软铁 (HSI) 校准的校准进行补偿，但前提是这些干扰不随时间变化。先进的滤波技术可用于减轻环境中外部干扰的影响，但其有效性因制造商和应用而异。
此外，地球的磁北极与真北或地球的地理北极不在同一位置。如果需要相对于正北的航向角，则必须将这两个极点之间的偏角考虑到航向确定中。
在 AHRS 中，陀螺仪、加速度计和磁力计的测量结果结合在一起，通常使用卡尔曼滤波器来提供系统方向的估计。考虑到每个传感器的假设，该估计技术使用这些原始测量值来得出姿态的优化估计。除了姿态之外，卡尔曼滤波器还估计陀螺仪偏差或陀螺仪的漂移误差。然后，陀螺仪偏置可用于补偿原始陀螺仪测量结果，并有助于防止陀螺仪随时间的漂移。通过将每个传感器的数据组合到卡尔曼滤波器中，可以获得系统的无漂移、高速定向解决方案。
图：1.16 AHRS 组件图
虽然陀螺仪、加速度计和磁力计本身面临的许多限制可以通过将它们组合在一起来缓解，但使用 AHRS 仍然存在一些挑战，可能会导致系统姿态估计出现错误。这些挑战包括加速度计和磁力计上的瞬态和交流干扰、持续动态加速度以及内部和外部磁干扰。
通过这些时间常数进行适当的调谐和依赖集成陀螺仪，几乎可以完全减轻在短时间内引起加速度或磁扰的任何类型的瞬态或交流扰动。对于工业级传感器，“短”时间段对应于大约 <1 秒的持续时间，或振荡速度快于 1 Hz，较高等级的传感器能够滤除较长的时间常数，反之亦然。
持续的动态加速度可能会导致俯仰角和侧倾角的估计出现问题，因为加速度计单独测量重力的假设不断被违反。对于 AHRS 来说，最常见的情况是飞机在倾斜转弯时出现严重问题。当这种情况发生时，加速度计测量重力加上由于沿弯曲路径行进产生的向心力而产生的长期加速度。这会产生一个垂直于飞机机翼的测量矢量，并导致 AHRS 估计滚转角为零，而飞机实际上处于倾斜转弯，因此相对于地平线具有显着的滚转角，如图所示1.17。
图：1.17 协调转弯中测得的加速度
持续的动态加速度也可能是由系统的启动和停止引起的，例如起飞和着陆期间的飞机或红绿灯处的车辆。这种类型的运动会导致估计系统俯仰角的问题。不幸的是，在持续动态加速期间，陀螺仪不能用于承受运动，因为其固有的漂移意味着它在较长时间内不可信。
最后，弹道飞行、自由落体或轨道动力学使加速度计测量为零，从而无法向 AHRS 滤波器提供有关传感器方向的信息。这对于弹道飞行来说尤其成问题，因为 AHRS 可能会混淆风阻和重力。
如果 AHRS 接收系统的实时速度测量值，则可以在姿态估计中估计和补偿持续动态加速度。
系统内部或外部的磁干扰也会给 AHRS 带来问题，并导致磁力计测量偏置和扭曲的磁场。内部磁干扰是 AHRS 牢固连接的系统的磁特征造成的。它们可以是非可变干扰，例如钢板，也可以是可变干扰，例如电机或多旋翼。外部磁干扰是由系统周围环境中的任何物体引起的，例如电池、电子产品、汽车、混凝土中的钢筋和其他含铁材料。这些磁干扰导致磁力计测量误差增加，从而导致航向角估计误差。为了解决系统内部任何不变的磁干扰，可以在系统上执行硬铁和软铁 (HSI) 校准。
由于传感器偏差或违反各自的操作假设，加速度计和磁力计姿态解决方案中存在的误差在较长时间内在 AHRS 解决方案中无法避免。事实上，这些错误可能会导致 AHRS 的“无漂移”姿态解决方案出现有限漂移。
通过静态-动态-静态测试可以揭示这一点的一个简单说明。该测试分为三个部分，其中系统在测试的第一部分中处于静止状态，在短暂的第二部分中经历动态运动，最后在测试的第三部分中返回到静止状态。在静止期间，系统的姿态最终来自（可能是错误的）加速度计和磁力计测量。然而，在简短的动态部分，陀螺仪测量主导 AHRS 响应。
图 1.18 显示了静态-动态-静态测试的示例，其中在车辆转弯时跟踪偏航测量。在这种情况下，车辆的磁特征尚未使用 HSI 校准进行补偿，因此在整个测试过程中磁航向测量不准确。
图：1.18 静-动-静响应
在测试的初始静止部分，磁力计测量确定车辆的航向。一旦车辆开始驶过转弯，陀螺仪就会准确地跟踪航向的变化，即使初始航向是错误的。转弯完成后，车辆返回静止状态。随着时间的推移，即使对于经过良好调整的 AHRS，磁力计也会在陀螺仪中发挥自身的作用，因为陀螺仪中可能存在的漂移会阻止 AHRS 继续信任其集成解决方案。由于磁力计仍然受到车辆磁特征的影响，因此 AHRS 报告的航向会发生漂移，直到它稳定在磁力计报告的新（仍然错误）航向中。
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