دانش و فناوری هوافضا

دانش و فناوری هوافضا

ارائه یک روش سریع و جدید در همراستاسازی انتقالی ایستای سیستم ناوبری اینرسی متصل به بدنه یک پرنده پیش از پرواز

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشجوی دوره دکترا ، دانشکده مهندسی برق، دانشگاه فردوسی، مشهد، ایران
2 استاد، دانشکده مهندسی برق، دانشگاه فردوسی، مشهد، ایران
3 استادیار، دانشکده مهندسی برق، دانشگاه آزاد اسلامی، گناباد، ایران
چکیده
در این مقاله یک روش جدید و سریع برای بهبود همراستاسازی انتقالی سیستم‌های ناوبری اینرسی متصل به بدنه یک پرنده پیش از پرواز و در حالت ایستا ارائه شده است. بسیاری از پرنده‌ها و پرتابه‌ها می‌توانند فرایند همراستاسازی اولیه سیستم ناوبری اینرسی خود را پیش از پرتاب به صورت ایستا و با استفاده از اطلاعات وضعیت و سمت حامل یا سکوی پرتاب انجام دهند و خطاهای ناشی از بایاس حسگرهای اینرسی خود را جبران‌سازی نمایند که فرایند همراستاسازی انتقالی نام دارد. فرایند همراستاسازی انتقالی در حالت ایستا می تواند با صرف نظر از خطاهای بازوی اهرمی بین سکو و سیستم ناوبری پرنده در نظر گرفته شود. در این روش، معادلات فضای حالت همراستاسازی نرم سیستم ناوبری اینرسی، به دو بخش خطاهای سرعت و وضعیت و بخش بایاس حسگرهای اینرسی تقسیم می‌شود. با استفاده از یک روش تحلیلی معادلات بخش اول محاسبه می‌شوند و پس از تلفیق با فیلتر، بخش دوم معادلات فضای حالت محاسبه خواهند شد. کارایی و مزیت این روش با روش‌های متداول مقایسه شده و عملکرد آن با شبیه‌سازی‌ و تحلیل مونت کارلو بررسی شده است.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

A new and fast stationary transfer alignment method of strapdown inertial navigation system

نویسندگان English

Mahdi Massoumin 1
Seyyed Kamal Hosseini Sani 2
Gholamreza Mohammaddadi 3
1 Faculty of Electrical Engineering, Ferdowsi University of Mashhad, Mashhad, Iran
2 Professor, Faculty of Electrical Engineering, Ferdowsi University of Mashhad, Mashhad, Iran
3 Asistant professor, Faculty of Electrical Engineering, Islamic Azad University, Gonabad, Iran
چکیده English

This paper presents a new and fast method to improve the stationary transfer alignment of strapdown inertial navigation systems (SINS). Many aircraft can perform the initial alignment process of their inertial navigation system before launch statically, using the carrier's attitude and heading information, and compensate for errors caused by bias in their inertial sensors, a process called transfer alignment. The transfer alignment process in the static state can be considered by ignoring the lever arm errors between the platform and the aircraft inertial navigation system.By this approach, the stationary fine alignment and transfer alignment of SINS error state vector is divided into two parts: sensors biases and errors of attitude and velocities. To obtain the first part, an analytical method is proposed and a filter is used to the second part. The efficiency and advantage of this method is compared with traditional methods and its applicability examined with some simulations.

کلیدواژه‌ها English

Strapdown inertial navigation systems
fine alignment
rapid transfer alignment
bias estimation
[1] C. Jekeli, Inertial navigation systems with geodetic applications, Berlin, Germany: de Gruyter, 2000.
[2] P. Benet and A. Guinamard, “Gyrocompassing: from gravity rotation analysis to inertial trajectory fitting,” Institute of Navigation, Vol. 21, pp. 19– 28, December 2025.
[3] M. Massoumin, Fundamental of high accuracy inertial navigation, Golsanj, 2018 (in Persian).
[4] P. G. Savage, Strapdown analytics parts 1 and 2, Maple Plain, MN: Strapdown Associates, 2000.
[5] R. M. Rogers, Applied mathematics in integrated navigation system, 2nd ed., US: AIAA Inc, 2003.
[6] H. Kim, J. H. Son, S. A. Heon and D. H. Hwang, “Note on coarse alignment of gyro-free inertial navigation system,” Sensors 23, 5763, 2023.
[7] D. H. Titterton and J. L. Weston, Strapdown inertial navigation technology, 2nd ed., UK: IEE, 2004.
[8] S. A. Zahiripour, “Physical initial flight alignment for stabilized platform inertial navigation system using state feedback,” Journal of Space Science and Technology, Vol. 17, No. 1, pp. 1-10, 2024.
[9] P. D Groves, “Navigation using inertial sensors,” Tutorial submission to IEEE, IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine 30(2):42-69, Feb 2015.
[10] Zh. Lu, Y. Qu and Sh. Qiao, Geodesy, Introduction to geodetic datum and geodetic systems, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2014.
[11] H. Rahimi, A. A. Nikkhah and K. Hooshmandi, “A fast alignment of marine strapdown inertial navigation system based on adaptive unscented Kalman Filter,” Transactions of the Institute of Measurement and Control, p 1-10, 2020.
[12] H. Y. Liu, S. Tsai, M. L. Tsai and K. W Chiang, “An initial alignment method of Inertial navigation system for the static state,” The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, volume XLIII-B1, 2022.
[13] P. G. Savage, “Blazing gyros: the evolution of strapdown inertial navigation technology for aircraft,” Journal of Guidance, Control, and Dynamics, Vol. 35, pp. 637-655, 2013.
[14] H. Huang, J. Wei, D. Wang, L. Zhang, and B Wang, “In-motion initial alignment method based on vector observation and truncated vectorized K-matrix for SINS,” IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2022.
[15] M. S. Grewal, A. P. Andrews, and C. G. Bartone, Global navigation satellite systems, inertial navigation, and integration. John Wiley & Sons, 2020.
[16] R. Zhang, F. Hoflinger, and L. M. Reind, “Calibration of an IMU using 3-D rotation platform,” IEEE Sens. J., vol. 14, no. 6, pp. 1778–1787, 2014.
[17] S. J. Angello, E. C. Barnes and F. K. Becker, “Crossbow, IEEE standard specification format guide and test procedure for single-axis interferometric fiber optic gyros,” vol. Document N. 2006.
[18] J. A. Farrell, F. O. Silva, F. Rahman, and J. Wendel, “IMU error modeling tutorial,” 2021.
[19] M. J. Rajabi, S. M. Dehghan and S. Mohammad-Hosseini, “Improving inertial navigation system alignment using a proportional-integral left-invariant extended kalman filter: a robust approach against inertial sensors errors,” Scientica Iranica, 2025.
[20] H. Hou, Modeling inertial sensors errors using Allan variance. Citeseer, 2004.
[21] P. G. Savage, “A unified mathematical framework for strapdown algorithm design,” Journal of Guidance, Control And Dynamic Vol. 29, No. 2, 2006.
[22] H. Rahimi and A. A. Nikkhah, “Improving the speed of initial alignment for marine strapdown inertial navigation systems using heading control signal feedback in extended kalman filter,” International Journal of Advanced Robotic Systems, p 1-11, 2020.
[23] H. Huang and J. Wei, “In-motion coarse alignment method based on position loci and optimal-REQUEST for SINS,” Appl. Sci, 2022.
[24] H. Jameian, B. Safarinejadian and M. Shasadeghi, “A robust and fast self-alignment method for strapdown inertial navigation system in rough sea conditions,” Elsevier Measurment, Ocean Eng. 187, 2019.
[25] Y. Bar-Shalom, X. R. Li, T. Kirubarajan, “Estimation with applications to tracking and navigation: theory algorithms and software”. Wiley (July), Hoboken, New Jersey, USA, 2001.