مدل سازي و شبيه سازي الگوريتم هاي سامانه هاي ناوبري اينرسي در دستگاه هاي مختصات Inertial، ECEF و NED

Modelling and Simulating of Inertial Navigation Systems in Inertial, ECEF and NED Coordinate Systems

سامانه هاي ناوبري اينرسي از مهم ترين سامانه ها جهت تعيين موقعيت، سرعت و وضعيت وسايل متحركي مانند كشتي ها، هواپيماها، موشك ها و .... مي باشد. پايه اين علم، قوانين نيوتن است. در اين سامانه ها، سه حسگر شتاب سنج و سه حسگر ژيروسكوپ به ترتيب نقش اندازه گيري شتاب هاي خطي و سرعت هاي زاويه اي وسيله را برعهده دارند. با استفاده از داده هاي خروجي اين سنسورها، و الگوريتم هاي خاص ناوبري، موقعيت، سرعت و وضعيت وسيله انجام مي پذيرد. در اين مقاله، ابتدا دستگاه هاي مختصات مختلف مانند بدني، اينرسي، زميني و جغرافيايي به طور كامل و با بياني مناسب و شيوا معرفي مي شوند. سپس در ادامه، الگوريتم هاي ناوبري اينرسي در هر كدام از دستگاه هاي مختصات مذكور، بيان شده و دياگرام كلي ناوبري هر دستگاه به طور مجزا ارايه خواهند شد. در ادامه، شبيه سازي هاي مربوط به ناوبري اينرسي در دستگاه هاي مختصات اينرسي، زميني دكارتي و NED به كمك نرم افزار سيمولينك انجام مي شود. جهت اين كار سه سناريوي حركتي مختلف در مختصات دوبعدي و سه بعدي، بررسي و نتايج شبيه سازي آن ها آورده خواهند شد. نتايج شبيه سازي نشان مي دهد كه الگوريتم هاي ناوبري اينرسي در دستگاه هاي مختصات مختلف از كارآيي و دقت مناسب جهت ناوبري برخوردار مي باشد و براي هر نوع شبيه سازي ديگري نيز كافي است داده-هاي شتاب سنج ها و ژيروسكوپ ها به عنوان داده هاي ورودي به اين شبيه ساز وارد شده و ناوبري و موقعيت يابي وسيله انجام پذيرد. در پايان مقاله به موضوع ارزيابي عملكرد سامانه ناوبري اينرسي، مدل خطاي حسگرهاي اينرسي و تلفيق سامانه ناوبري اينرسي و سامانه موقعيت ياب جهاني يا GPS به كمك فيلتر كالمن اشاره خواهد شد.

Inertial Navigation Systems are one of the most important systems used to determine position, velocity and attitude of moving vehicles such as ships, airplanes, missiles, and so on. The base of this science is Newton’s laws. In these systems, three accelerometers and three gyroscopes are used to measure linear accelerations and angular velocities of vehicles, respectively. By using of output of these sensors and special inertial algorithms in different frames, parameters of vehicle such as position, velocity and attitude are calculated. In this paper, firstly, different frames such as body, inertial, ECEF and NED coordinate system are introduced. Then algorithms of inertial navigation in these frames are proposed and diagrams of navigation in any coordinate system will be presented in suitable method. In the following, simulations of INS in inertial, ECEF and NED frame are carried out by Simulink software. For this purpose, three different motion scenarios in two and three-dimensional coordinates are investigated and their simulation results will be brought. The results of simulation show that the algorithms of inertial navigation in different frames have good performance and suitable accuracy in navigation. Also for simulation of any other motion scenarios, navigation of vehicle is done by outputs of accelerometers and gyroscopes and presented simulator profile. At the end of this paper, performance evaluation of inertial navigation systems, general model of inertial sensors and integration between INS and GPS using Kalman filter will be noted