ناوبري دقيق يك شناور دريايي به كمك تلفيق سامانه هاي INS و GPS و بهره گيري از فيلتر كالمن توسعه يافته (يادداشت مهندسي)

Accurate Navigation of Marine Vessel, Using the Integration of Inertial Navigation System (INS) and Global Positioning System (GPS), Applying Extended Kalman Filter

ناوبري اينرسي روشي براي تعيين موقعيت، سرعت و وضعيت يك وسيله است. در اين سامانه ها، سه شتاب سنج عمود برهم، و سه ژيروسكوپ عمود بر هم، به ترتيب نقش اندازه گيري شتاب هاي خطي و سرعت هاي زاويه اي وسيله را بر عهده دارند؛ با استفاده از داده هاي خروجي شتاب سنج ها و ژيروسكوپ ها و روابط خاص ناوبري اينرسي، تعيين موقعيت، سرعت و وضعيت انجام مي پذيرد. عليرغم برخورداري اين سامانه از مزاياي فراوان، اين روش معايبي نيز دارد كه افزايش خطاي سرعت و موقعيت و وضعيت وسيله با گذشت زمان، از مهم ترين معايب آن است؛ اين عيب، عمدتا از خطاهاي حسگرهاي اينرسي حاصل مي شود. در اين مقاله سعي شده است ابتدا خطاهاي حسگرهاي اينرسي (شتاب سنج ها و ژيروسكوپ ها) با يك مدل مناسب بيان شوند. در ادامه مقاله، جهت تصحيح عملكرد سامانه ناوبري اينرسي و كاهش خطاهاي حسگرهاي اينرسي، از تلفيق اين سامانه با سامانه GPS و به كمك فيلتر كالمن توسعه يافته بهره گيري مي شود. در اين راستا، معادلات و روابط لازم جهت تلفيق دو سامانه مذكور، به شيوه اي گويا و كامل، استخراج و بيان مي شوند. در پايان مقاله، شبيه سازي تلفيق اين دو سامانه، در قالب دو سناريوي حركتي يك شناور دريايي آورده مي شود. نتايج شبيه سازي، نشان مي دهد كه تلفيق داده هاي اين دو سامانه، باعث بهبود قابل ملاحظه اي در عملكرد سامانه ناوبري اينرسي و تصحيح خطاهاي آن شده است.

Inertial navigation is a method to determine the position, velocity and attitude of a vehicle. In these systems, three perpendicular accelerometers and three perpendicular gyroscopes are used to measure linear accelerations and angular velocities of vehicles, respectively. Using some special equations and the measured accelerations and angular velocities, the position, velocity and attitude of a vehicle can be determined. Although these systems have great advantages, some disadvantages such as the increase of error position, velocity and attitude of vehicle by the passage of time exist. These disadvantages are due to errors of inertial sensors. In this paper, firstly, a suitable error model of inertial sensors is proposed. In the following, to decrease these errors and to correct the operation of inertial navigation system; the INS is integrated with GPS. Integration of INS and GPS is done using extended Kalman filter. To this purpose, required equations and relations for integration of INS and GPS are extracted and proposed completely and illustratively. Finally, the simulation of integration of INS and GPS is presented for two different motion scenarios. The results of simulation show great improvements in characteristic of INS+GPS system in comparison to INS individually.