Computer modeling of accuracy characteristics of strapdown inertial navigation system

Abstract

EN: Context. The problem of correction for operation of strapdown inertial navigation system used for unmanned aerial vehicle is urgent because of further increased requirements to autonomous flight in blackout zones. The object of the study was to simulate the accuracy characteristics of strapdown inertial navigation system based on known (or given) instrument errors of its sensors. Objective. The goal of the work is to develop a mathematical and computer model of the strapdown inertial navigation system and estimate its accuracy characteristics based on given values of sensor errors. Method. The mathematical and computer models of the strapdown inertial navigation system based on slow, medium and fast cycles are developed. For the simulation of accuracy characteristics, the strapdown inertial navigation system is represented as a set of dynamic and kinematic equations in local tangent plane coordinate system with the Earth’s model taking into account components of gravity acceleration. The models of sensors are developed based on characteristics of low-cost microelectromechanical sensors used onboard. Data fusion algorithms were previously considered and include modified Kalman filter or, for some cases, complimentary filter by compensation scheme, but not considered here in details. Direction cosine matrix for strapdown inertial navigation system algorithms is found by Poisson’s method. Results. The developed models have been realized and simulated in MATLAB+Simulink. Initial parameters (errors of the primary information sensors and the flight conditions) during simulation have been varied: medium, high and low latitudes; direction of flight (along and across the meridian; on and against the direction of rotation of the Earth). Conclusions. The developed models and their simulations have been compared with actual testing results of strapdown gyrovertical СБКВ-П2А and confirmed the validity. It allow us to recommend them for use in designing strapdown inertial navigation system of unmanned aerial vehicle, as well as for experimental study of innovative data fusion algorithms for integrated satellite and inertial navigation system. UK: Актуальність. Розглядається задача корекції роботи безплатформенної інерціальної навігаційної системи, що використовується на борту безпілотного літального апарату. Завданням дослідження було моделювання точнісних характеристик безплатформенної інерціальної навігаційної системи на основі відомих (або заданих) інструментальних похибок її датчиків. Мета роботи – розробити математичну та комп’ютерну модель безплатформенної інерціальної навігаційної системи та оцінити точнісні характеристики на основі заданих значень похибок датчика. Метод. Розроблено математичну та комп’ютерну моделі безплатформенної інерціальної навігаційної системи на основі повільних, середніх та швидких циклів обчислення. Для моделювання точнісних характеристик безплатформенна інерціальна навігаційна система подається у вигляді системи динамічних та кінематичних рівнянь у місцевій геотопічній системи координат із обраною моделлю Землі з урахуванням компонентів прискорення сили тяжіння. Моделі датчиків розроблені на основі характеристик недорогих мікроелектромеханічних датчиків, що використовуються на борту. Алгоритми синтезу даних раніше вже були розглянуті і включають модифікований фільтр Калмана або, в деяких випадках, компліментарний фільтр за схемою компенсації, але тут детально не розглядаються. Матриця напрямних косинусів для алгоритмів числення шляху інерціальної навігації знайдена за методом Пуассона. Результати. Розроблені моделі були реалізовані та змодельовані в середовищі MATLAB + Simulink. Початкові параметри (похибки первинних датчиків інформації та умови польоту) під час моделювання були різноманітними: середні, високі та низькі широти; напрям польоту (вздовж і проти меридіану; за та проти напрямку обертання Землі). Висновки. Розроблені моделі та їх випробування були порівняні з фактичними результатами тестування безплатформенної курсовертикалі СБКВ-П2А та підтвердили свою обґрунтованість. Це дозволяє рекомендувати їх для використання при проектуванні інерціальної навігаційної системи безпілотного літального апарату, а також для експериментального вивчення інноваційних алгоритмів синтезу обробки даних для інтегрованої супутникової та інерціальної навігаційної системи.