Strapdown Inertial Navigation System Accuracy Improvement Methods Based on Inertial Measuring Unit Rotation: Analytical Review
EDN: YKDXHM
Abstract
The paper presents the analytical review of an inertial measuring unit (IMU) rotation as a method to improve the accuracy of a strapdown inertial navigation system (SINS). There are two ways to improve the accuracy. One of them is based on the transformation of the error change pattern in the inertial sensors (IS) when using the IMU self-compensation rotation (SCR). The criteria for selecting an efficient SCR law to minimize the accumulated error in the parameters generated by SINS are presented. Along with the advantages of this technology, its weak points that may limit significantly the potentially achievable accuracy are described. The other technique consists in increasing the observability of the IS error model components due to the IMU rotation while filtering the SINS errors. The IS error model is described, and the problem of recursive filtering of the SINS errors is stated to refine these errors, with the reference data on coordinates and motion velocity being available. The methods for quantifying the observability of the IS error model components are presented.
About the Authors
E. V. Dranitsyna
Concern CSRI Elektropribor, JSC, ITMO University
Russian Federation
Russian Federation
A. I. Sokolov
Concern CSRI Elektropribor, JSC
Russian Federation
Russian Federation
References
1. Матвеев В.В., Распопов В.Я. Основы построения бесплатформенных инерциальных навигационных систем. СПб.: ГНЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2009. 280 c.
2. Groves, P.D., Principles of GNSS, inertial, and multisensor integrated navigation systems, GNSS tech nology and application series; 2nd ed.; Artech House: Boston, 2013; ISBN 978-1-60807-005-3.
3. Titterton, D.H., and Weston, J.L., Strapdown inertial navigation technology; IEE radar, sonar, navi gation, and avionics series; 2nd ed.; Institution of Electrical Engineers: Stevenage, 2004.
4. Зельдович С.М., Малтинский М.И., Окон И.М., Остромухов Я.Г. Автокомпенсация инструментальных погрешностей гиросистем Ленинград: Издательство «Судостроение». 1976. С. 255.
5. Geller, E.S., Inertial system platform rotation / IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems. 1968. №. 4. С. 557–568.
6. Вайсгант И. Б. Выбор скорости принудительного вращения платформы инерциальной навигационной системы // Гироскопия и навигация. 1999. № 4. С. 116–120.
7. Levinson, E. and Majure, R., Accuracy Enhancement Techniques Applied to the Marine Ring Laser Inertial Navigator (MARLIN). I.O.N. National Technical Meeting, Anaheim, CA, January 21, 1987.
8. Levinson, J., and Horst, M., The Next Generation Marine Inertial Navigator is Here Now. Will cocks. IEEE 1994.
9. Ringlein, M.J., Barnett, N.J., and Marvin, B., Next generation strategic submarine navigator. May American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2000.
10. Northrop Grumman Delivers 500th AN/WSN-7 Inertial Navigation System to the US Navy CHAR LOTTESVILLE, Va. Oct. 14, 2021. Northrop Grumman Corporation (NYSE: NOC).
11. Wei, G., Long, X., and Yu, X., Research on high precision rotating inertial navigation system with ring laser gyroscope. 22th St Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems. 2015.
12. Патент RU 2362977 C1, 26.05.2008
13. Пешехонов В.Г., Несенюк Л.П., Старосельцев Л.П., Блажнов Б.А., Буравлев А.С. Гиро горизонткомпас на волоконно-оптических гироскопах с вращением блока чувствительных элементов // Гироскопия и навигация. 2002. 1 (36). С. 57–63.
14. Niu, M., Ma, H., Sun, X., Huang, T., and Song, K., A New Self-Calibration and Compensation Method for Installation Errors of Uniaxial Rotation Module Inertial Navigation System. Sensors. 2022; 22(10):3812. https://doi.org/10.3390/s22103812
15. Патент RU 2436046 C1, 09.08.2010
16. Renkoski, B., The effect of carouseling on MEMS IMU performance for gyro compassing applica tions. Master Thesis Massachusetts Institute of Technology, 2008.
17. Du, S., Rotary Inertial Navigation System with a Low-cost MEMS IMU and Its Integration with GNSS (Unpublished doctoral thesis) // University of Calgary, Calgary, 2015.
18. Лян Ц., Литвиненко Ю.А., Степанов О.А. Метод обработки измерений от двух блоков ми кромеханических гироскопов при решении задачи ориентации // Гироскопия и навигация. 2018. №2 (101). С. 29–42. DOI 10.17285/0869-7035.2018.26.2.029-042.
19. Liang, Q., Litvinenko, Yu.A., and Stepanov, O.A., Analyzing the error observability of an orien tation system based on two rotation units of micromechanical gyroscopes // Proceedings of 2017 IEEE 2nd International Conference on Control in Technical Systems, CTS 2017. 2. 2017. C. 236–239.
20. Giovanni, S.C., and Levinson, E., (1981). Performance of a Ring Laser Strapdown Marine Gy rocompass. In the Proceedings of the ION 7th Annual Meeting, Annapolis, Maryland, U.S., 1981.
21. Степанов А.П., Емельянцев Г.И., Блажнов Б.А. Об эффективности модуляционных поворо тов измерительного модуля БИНС на ВОГ морского применения // Гироскопия и навигация. 2015. № 4(91). С. 42–54.
22. Игнатьев С.В., Степанов А.П., Завьялов П.П., Винокуров И.Ю. Синтез алгоритма управления модуляционным вращением измерительного блока инерциально-спутниковой системы // Мехатроника, автоматизация, управление. № 3. 2012.
23. Емельянцев Г.И., Блажнов Б.А., Степанов А.П. Об оценивании параметров модели погрешностей вращающегося измерительного модуля на ВОГ бесплатформенной ИНС в условиях объекта // Гироскопия и навигация. 2021. №4 (115). С. 97–114. DOI 10.17285/0869-7035.0075
24. Liang, Z., Wang, Y., Liao, Z., Guo, H., Luo, H., and Wang, L., A Novel Calibration Method Between Two Marine Rotational Inertial Navigation Systems Based On State Constraint Kalman Filter // 30th St. Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems 2023. Preprint.
25. Fan, H., Xie, Y., Wang, Z., Wang, L., Luo, H., and Yu, X., A unified scheme for rotation modulation and self-calibration of dual-axis rotating SINS. Meas. Sci. Technol. 2021. 32 115113 DOI 10.1088/1361 6501/ac12ff.
26. Wei, Q., Zha, F., He, H., and Li, B., An Improved System-Level Calibration Scheme for Rotational Inertial Navigation Systems. Sensors. 2022; 22(19):7610. https://doi.org/10.3390/s22197610
27. Lu, Y., Wang, W., Liu, Y., and Guo, Z., An Improved Rotational Modulation Scheme for Tri Axis Rotational Inertial Navigation System (RINS) with Fiber Optic Gyro (FOG). Applied Sciences. 2023; 13(14): 8394. https://doi.org/10.3390/app13148394
28. Walsh, E., Navy and industry investigate new super-accurate optical gyros for possible use on bal listic missile submarines. Military & Aerospace Electronics, 2001.
29. Lefevre, H.C., The fiber-optic gyroscope: Challenges to become the ultimate rotation-sensing tech nology. Optical Fiber Technology. V. 19, Issue 6, Part B, December 2013, pp. 828–832.
30. Лефевр Э.К. Волоконно-оптический гироскоп: достижения и перспективы // Гироскопия и навигация. 2012. №4 (79). С. 3–9.
31. Патюрель И., Онтас Ж., Лефевр Э., Наполитано Ф. БИНС на основе ВОГ с уходом одна морская миля в месяц: Мечта уже достижима? // Гироскопия и навигация. № 3 (82). 2013.
32. Chen, G., et al. A novel redundant INS based on triple rotary inertial measurement units. Measure ment Science and Technology. 2016. Т. 27. №. 10. С. 105102.
33. Yuan, X., Li, J., Zhang, X., Feng, K., Wei, X., Zhang. D., and Mi, J., A Low-Cost MEMS Missile-Borne Compound Rotation Modulation Scheme. Sensors. 2021; 21(14):4910. https://doi. org/10.3390/s21144910
34. Du, S., Sun, W., Gao, Y., MEMS IMU Error Mitigation Using Rotation Modulation Technique. Sensors. 2016; 16(12):2017. https://doi.org/10.3390/s16122017
35. Collin, J., MEMS IMU Carouseling for ground vehicles. IEEE Trans. Veh. Technol. 2015, 64, 2242–2251
36. Abdulrahim, K., Heading Drift Mitigation for Low-Cost Inertial Pedestrian Navigation / Thesis, University of Nottingham, 2012.
37. Zhang, Y., Zhou, B., Song, M., Hou, B., Xing, H., Zhang, R., A Novel MEMS Gyro North Find er Design Based on the Rotation Modulation Technique. Sensors. 2017; 17(5):973. https://doi. org/10.3390/s17050973
38. Niu, M., Sun, X., Ma, H., Zhu, Z., Huang, T., Song, K., Analysis and Design of Wireless Power Transfer System for Rotational Inertial Navigation Application. Applied Sciences. 2022; 12(13):6392. https://doi.org/10.3390/app12136392
39. Yuan, Z., Zhao, L., Error Analysis of Rotray SINS Sensor. Sensors & Transducers, Vol. 156, Issue 9, September 2013, pp. 35–39
40. Jiang, R., Yang, G., Zou, R., Wang, J., and Li, J., Accurate Compensation of Attitude Angle Error in a Dual-Axis Rotation Inertial Navigation System. Sensors 2017, 17, 615.
41. Zhu, T., Wang, L., Zou, T., Peng, G., A Dual-Axis Rotation Scheme for Redundant Rotational Inertial Navigation System. Micromachines. 2023; 14(2):351. https://doi.org/10.3390/mi14020351
42. Sui, J., Wang, L., Huang, T., Zhou, Q., Analysis and Self-Calibration Method for Asynchrony between Sensors in Rotation INS. Sensors. 2018; 18(9):2921. https://doi.org/10.3390/s18092921
43. Fan, H. et al. A unified scheme for rotation modulation and self-calibration of dual-axis rotating SINS / 2021 Meas. Sci. Technol. 32 115113 DOI 10.1088/1361-6501/ac12ff
44. Udd, E., and Digonnet, M., Design and development of fiber optic gyroscopes / SPIE P.O. Box 10 Bellingham, Washington 98227-0010 USA, 2019.
45. Lu, P., Lai, J., Liu, J., and Nie, M., The Compensation Effects of Gyros’ Stochastic Errors in a Rota tional Inertial Navigation System // 2014. The Journal of Navigation, 67(6), 1069-1088. DOI:10.1017/S0373463314000319
46. Zha, F., Chang, L., and He, H., Comprehensive Error Compensation for Dual-Axis Rotational Inertial Navigation System. Sensors, vol. 20, no. 7, pp. 3788–3802, 2020, DOI: 10.1109/JSEN.2019.2960532.
47. Патент RU 2 362 977 C1 «Способ компенсации инструментальных погрешностей бесплатформенных инерциальных навигационных систем и устройство для его осуществления»
48. Single-axis rotation type strapdown inertial navigation system transposition method CN102221364A (Китай)
49. Wang, B., Ren, Q., Deng, Z., and Fu, M., A Self-Calibration Method for Nonorthogonal Angles Between Gimbals of Rotational Inertial Navigation System. IEEE Transactions on industrial elec tronics, vol. 62, no. 4, April 2015.
50. Bai, S., Lai, J., Lyu, P., Xu, X., Liu, M., Huang, K., A System-Level Self-Calibration Meth od for Installation Errors in A Dual-Axis Rotational Inertial Navigation System. Sensors. 2019; 19(18):4005. https://doi.org/10.3390/s19184005
51. Sui, J., Wang, L., Huang, T., Zhou, Q., Analysis and Self-Calibration Method for Asynchrony between Sensors in Rotation INS. Sensors. 2018; 18(9):2921. https://doi.org/10.3390/s18092921
52. He, H., Zha, F., Li, F., Wei, Q.. A Combination Scheme of Pure Strapdown and Dual-Axis Rotation Inertial Navigation Systems. Sensors. 2023; 23(6):3091. https://doi.org/10.3390/s23063091
53. Литвиненко Ю.А. Оптимизация алгоритмов инерциальной навигационной системы морских объектов. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. 2005.
54. Emel’yantsev G., Stepanov O., Stepanov A., Blazhnov B., Dranitsyna E., Evstifeev M., Eli seev D., Volynskiy D., Integrated GNNS/IMU Gyrocompass with Rotating IMU. Development and Test Results. Remote Sensing. 2020, 12(22), 3736.
55. Анучин О.Н., Емельянцев Г.И. Интегрированные системы ориентации и навигации для морских подвижных объектов. СПб: ЦНИИ «Электроприбор», 2003. 390с.
56. Wang, Z., Cheng, X., Du, J., Thermal Modeling and Calibration Method in Complex Temperature Field for Single-Axis Rotational Inertial Navigation System. Sensors. 2020; 20(2):384. https://doi. org/10.3390/s20020384
57. Seo, Y.-B., Yu, H., Ryu, K., Lee, I., Oh, J., Kim, C., Lee, S.J., Park, C., Analysis of Gyro Bias Depending on the Position of Inertial Measurement Unit in Rotational Inertial Navigation Sys tems. Sensors. 2022; 22(21):8355. https://doi.org/10.3390/s22218355
58. Емельянцев Г.И., Старосельцев Л.П., Игнатьев С.В. О румбовых дрейфах бескарданного инерциального модуля на ВОГ // Гироскопия и навигация. 2005. №1(48). С.22–29.
59. Cai, Q.Z., Yang, G., Song, N., Yin, H., and Liu, Y., Analysis and calibration of the gyro bias caused by geomagnetic field in a dual-axis rotational inertial navigation system. Meas. Sci. Technol. 27 (2016) 105001 (8pp)
60. Лян Ц., Литвиненко Ю.А. Алгоритм оценивания погрешностей инерциальных датчиков с использованием двух блоков микромеханических гироскопов // Материалы ХVIII конференции молодых ученых «Навигация и управление движением», 2016. С. 556–564.
61. Farhangian, F., Benzerrouk, H., Landry, R. Jr., Opportunistic In-Flight INS Alignment Using LEO Satellites and a Rotatory IMU Platform. Aerospace. 2021; 8(10):280, https://doi.org/10.3390/aerospace8100280.
62. Емельянцев Г.И., Драницына Е.В., Блажнов Б.А. О калибровке погрешностей БИИМ на ВОГ в условиях стенда // Гироскопия и навигация. 2012. № 3(78). С. 55–63.
63. Zhang, Q., Wang, L., Liu, Z., Feng, P., An Accurate Calibration Method Based on Velocity in a Rotational Inertial Navigation System. Sensors. 2015; 15(8):18443–18458. https://doi.org/10.3390/ s150818443
64. Емельянцев Г.И., Блажнов Б.А., Драницына Е.В., Степанов А.П. О калибровке измерительного модуля прецизионной БИНС и построении связанного с ним ортогонального трёхгранника // Гироскопия и навигация. 2016. № 1(92). С. 36–48.
65. Li, J., Su, L., Wang, F., Li, K., Zhang, L., An Improved Online Fast Self-Calibration Method for Dual-Axis RINS Based on Backtracking Scheme. Sensors. 2022; 22(13):5036. https://doi.org/10.3390/s22135036
66. Емельянцев Г.И., Степанов А.П. Интегрированные инерциально-спутниковые системы ориентации и навигации / Под общей ред. акад. РАН В.Г. Пешехонова. СПб.: ГНЦ РФ АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2016. 394 с.
67. IEEE Standard for Inertial Systems. Terminology. IEEE Std 1559, 2009.
68. Zhang, Q., Wang, L., Liu, Z., Feng, P., An Accurate Calibration Method Based on Velocity in a Rotational Inertial Navigation System. Sensors. 2015; 15(8):18443-18458. https://doi.org/10.3390/s150818443.
69. Wang, L., Wu, W., Wei, G., Li, J., and Yu, R., A Novel Information Fusion Method for Redundant Rotational Inertial Navigation Systems Based on Reduced-Order Kalman Filter, MATEC Web of Conferences 160, 07005 (2018) https://doi.org/10.1051/matecconf/201816007005
70. Liang, Q., Litvinenko, Y.A., Stepanov, O.A., A solution to the attitude problem using two rotation units of micromechanical gyroscopes. IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2020. T. 67. №2. С.1357–1365.
71. Драницына Е.В. Калибровка измерительного модуля по навигационному решению БИНС: выбор плана движений стенда // Сборник материалов XXIV Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам. 2017. С.235–240.
72. Драницына Е.В. Калибровка измерительного модуля прецизионной БИНС на волоконно- оптических гироскопах Дис. ... канд. техн. наук. Санкт-Петербург, 2016.
73. Волынский Д.В., Драницына Е.В., Одинцов А.А., Унтилов А.А. Калибровка волокон но-оптических гироскопов в составе бескарданных инерциальных измерительных модулей // Гироскопия и навигация. 2012. №2 (77). С. 56–68.
74. Лысенко А.С. Бесплатформенный гироинклинометр с автокомпенсацией для непрерывной съёмки скважин произвольной ориентации. Дис. ... канд. техн. наук / Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина). 2017.
75. Биндер Я.И., Лысенко А.С. Способ автокомпенсации независящих от ускорения дрейфов гироскопического устройства // Патент на изобретение RU 2603767 C1, 27.11.2016. Заявка № 2015132006/28 от 31.07.2015
Review
For citations:
Dranitsyna E.V., Sokolov A.I. Strapdown Inertial Navigation System Accuracy Improvement Methods Based on Inertial Measuring Unit Rotation: Analytical Review. Gyroscopy and Navigation. 2023;31(4):22-43. (In Russ.) EDN: YKDXHM
Views:
5
Email this article 