استخراج روش های شمال‌ یابی اینرسی نوین در حالت سکون

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 عضو هیات علمی / گروه دینامیک پرواز،دانشکده هوافضا، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران

2 دانشجوی کارشناسی ارشد / گروه دینامیک پرواز، دانشکده هوافضا، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران ،ایران

3 دانشجوی دکتری / گروه آیرودینامیک، دانشکده هوافضا، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران ،ایران

چکیده

مقاله حاضر با هدف استخراج روش‌های شمال‌یابی در حالت سکون و با استفاده از حسگرهای اینرسی تدوین شده‌است. پیاده‌سازی الگوریتم‌های شمال‌یابی متداول، مستلزم استفاده از یک بلوک اینرسی شامل سه شتاب‌سنج و سه جایرو نرخی است؛ لذا در صورت نیاز به دقت‌های بالا، هزینه زیادی در بر خواهد داشت. در این مقاله روش‌های ابداعی دیگری که نیاز به بلوک اینرسی کامل ندارند، جهت محاسبه زوایای اویلر ارائه که شامل یک شتاب‌سنج و یک جایرو نرخی است ؛ با این کار هزینه سخت‌افزار شمال‌یاب کاهش می‌یابد. برای این منظور در ابتدا روابط ریاضی و با روش حل چندجهت گیری، زوایا مورد نظر استخراج شده و سپس به دقت شبیه‌سازی شده‌اند. در فرآیند شبیه‌سازی، زوایای اویلر مقدار معینی فرض شده و سپس همان زوایا در فرآیند شبیه‌سازی برای دو حالت حسگر ایده‌آل و حسگر واقعی محاسبه شده‌اند. در نهایت با مقایسه الگوریتم‌های توسعه داده‌شده، بهترین الگوریتم شمال‌یاب با دقت بالا و هزینه پایین انتخاب شده‌است.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

The derivation of modern inertial navigation methods at stationary state

نویسندگان [English]

  • Hamed Mohammad Karimi 1
  • Alireza Nourani 2
  • Alizadeh Roknabadi Mohammad Hossein 3
1 Assistant Professor, Aerospace Engineering Department, Amirkabir University of Technology, Tehran
2 MSc Student, Aerospace Engineering Department, Amirkabir University of Technology, Tehran
3 Ph.D Student, Aerospace Engineering Department, Amirkabir University of Technology, Tehran
چکیده [English]

This article discusses the derivation of low-cost inertial navigation methods at stationary state in the navigation systems. To implement navigation algorithms, it needs to use an IMU (3 accelerometers and 3 gyroscopes). Thus, higher accuracy results higher cost. The methods used in this article do not need complete IMU sensors to calculate Euler angles, which includes an accelerometer and a rate gyro. Subsequently navigator hardware cost will decrease. For this purpose, mathematical equations are derived with multi-direction solution method, which the desired angle is extracted at first ,and then simulated as a hardware have done. specific values have been assumed for the Euler angles in the simulation process due to lack of access to field data, and the same angles are computed for two states (ideal and real sensors). By comparing the extended navigator algorithms, the best one (high accuracy and low cost) has been selected here in this paper.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Inertial Navigation
  • Inertial Measurement Unit
  • Alignment
  • gyrocompassing
  • Leveling

مراجع

[1] M. Nowrozi, M. Ebrahimi and M. Arbabmir, "A review on the integration methods of inertial navigation system and global positioning and new approaches in this field". Mechanical Engineering Journal, serial number 84, volume 48, number 3. Tarbiat Modares University 2017.
[2] L. Schimelevich and R. Naor, "New approach to coarse alignment," in Proceedings of Position, Location and Navigation Symposium-PLANS'96, 1996: IEEE, pp. 324-327.
[3] I. Klein and Y. Bar-Shalom, "INS Fine Alignment With Low-Cost Gyroscopes: Adaptive Filters for Different Measurement Types," IEEE Access, vol. 9, pp. 79021-79032, 2021.
[4] W. Bin, W. Jian, W. Jianping, and C. Baigen, "Study on adaptive GPS/INS integrated navigation system," in Proceedings of the 2003 IEEE International Conference on Intelligent Transportation Systems, 2003, vol. 2: IEEE, pp. 1016-1021.
[5] K. R. Britting, Inertial navigation systems analysis. AIAA, 2010.
[6] I. Y. Bar-Itzhack and N. Berman, "Control theoretic approach to inertial navigation systems," Journal of Guidance, control, and Dynamics, vol. 11, no. 3, pp. 237-245, 1988.
[7] Lee, J. G., Park, C. G., & Park, H. W. Multiposition alignment of strapdown inertial navigation system. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic systems, 29(4), 1323-1328.‏ (1993).
[8] Hildebrant, R. R., Britting, K. R., & MADDEN JR, S. J. (1974). The effects of gravitational uncertainties on the errors of inertial navigation systems. Navigation, 21(4), 357-363.‏
[9] Siouris, G. M. Navigation, inertial. Encyclopedia of Physical Science and Technology, Vol. 8.‏ (1987).
[10] Bar-Itzhack, I. Y., & Berman, N. (1988). Control theoretic approach to inertial navigation systems. Journal of Guidance, control, and Dynamics, 11(3), 237-245.‏
[11] Jiang, Y. F., & Lin, Y. P. (1992). Error estimation of INS ground alignment through observability analysis. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic systems, 28(1), 92-97.‏
[12] Park, C. G., & Lee, J. G. (1991). An overlapping decomposed filter for INS initial alignment. Journal of the Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, 19(3), 65-76.‏
[13] Goshen-Meskin, D. R. O. R. A., & Bar-Itzhack, I. Y. (1992). Observability analysis of piece-wise constant systems. II. Application to inertial navigation in-flight alignment (military applications). IEEE Transactions on Aerospace and Electronic systems, 28(4), 1068-1075.‏
[14] Ham, F. M., & Brown, R. G. (1983). Observability, eigenvalues, and Kalman filtering. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, (2), 269-273.‏
[15] Tsukerman, A., & Klein, I. (2017). Analytic evaluation of fine alignment for velocity aided INS. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 54(1), 376-384.‏
[16] Gao, W., Ben, Y., Zhang, X., Li, Q., & Yu, F. (2011). Rapid fine strapdown INS alignment method under marine mooring condition. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 47(4), 2887-2896.‏
[17] Cho, I. J., & Yoon, E. (2009). A low-voltage three-axis electromagnetically actuated micromirror for fine alignment among optical devices. Journal of Micromechanics and Microengineering, 19(8), 085007.‏
[18] A. Tsukerman and I. Klein
Analytic steady-state solution of fine alignment with velocitymeasurements In Proc. IEEE Int. Conf. Sci. Elect. Eng., 2016, pp. 1–4.
[19] E. Vaknin and I. Klein Coarse leveling of gyro-free INSGyroscopy Navig., vol. 7, pp. 145–151, 2016.
[20] P. D. Groves Principles of GNSS Inertial, and Multisensor Integrated Navigation Systems. Norwood, MA, USA: Artech House, 2008.
[21] D. Titterton, J. L. Weston, and J. Weston, Strapdown inertial navigation technology. IET, 2004.
[22] P. H. Zipfel, Modeling and simulation of aerospace vehicle dynamics. AIAA, 2000.
[23] R. M. Rogers, Applied mathematics in integrated navigation systems. Aiaa, 2003.
[24] C.-T. Chen, "Linear System Theory and Design," 1999.
[25] D. Simon, Optimal state estimation: Kalman, H infinity, and nonlinear approaches. John Wiley & Sons, 2006.

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار