vestnovsuВестник Новгородского государственного университетаVestnik of Novgorod State University2076-8052Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого10.34680/2076-8052.2024.3(137).363-378vestnovsu-341Research ArticleРАДИОФИЗИКАRADIOPHYSICSАлгоритмическая модель системы ориентации и навигации со структурной избыточностьюEvaluation of the improvement of the accuracy of the orientation and navigation system with structural redundancyhttps://orcid.org/0009-0003-0461-6945ПавловД. В.PavlovD. V.

Павлов Денис Викторович – ведущий инженер-математик.

Великий Новгород

Veliky Novgorod

energidriver@mail.ruhttps://orcid.org/0009-0003-4429-272XТелинаИ. С.TelinaI. S.

Телина Ирина Сергеевна – кандидат технических наук, доцент.

Великий Новгород

Veliky Novgorod

Irina.Telina@novsu.ruhttps://orcid.org/0009-0001-3818-2503СамуйловаК. Д.SamuilovaK. D.

Самуйлова Ксения Дмитриевна – инженер.

Великий Новгород

Veliky Novgorod

s244581@std.novsu.ruАО ИЦ «ИКАР»РоссияJSC «ECICARUS»Russian FederationНовгородский государственный университет имени Ярослава МудрогоРоссияYaroslav-the-Wise Novgorod State UniversityRussian Federation20241303202503(137)363378Copyright © Павлов Д.В., Телина И.С., Самуйлова К.Д., 20252025Павлов Д.В., Телина И.С., Самуйлова К.Д.Pavlov D.V., Telina I.S., Samuilova K.D.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestnovsu.elpub.ru/jour/article/view/341

В данной статье рассмотрен подход к построению инерциальных систем ориентации и навигации с использованием структурной избыточности. Структурная избыточность инерциального модуля достигается за счёт установки избыточного числа датчиков первичной информации, оси чувствительности которых неортогональны друг к другу. Такой подход к построению системы ориентации и навигации повышает её надёжность, точность и отказоустойчивость. Приведён пример технического решения малогабаритной инерциальной системы ориентации и навигации со структурной избыточностью на основе MEMS-акселерометра, MEMS-гироскопа и магнетометра для авиационного применения. Приведена математическая модель и алгоритм обработки выходных сигналов системы ориентации и навигации со структурной избыточностью. Выполнена оценка сравнения точности систем ориентации и навигации со структурной избыточностью и без неё.

This article discusses an approach to the construction of inertial orientation and navigation systems using structural redundancy. The structural redundancy of the inertial module is achieved by installing an excessive number of primary information sensors the sensitivity axes of which are non-orthogonal to each other. This approach to building an orientation and navigation system increases its reliability, accuracy and fault tolerance. An example of a technical solution for a small-sized inertial orientation and navigation system with structural redundancy based on a MEMS accelerometer, a MEMS gyroscope and a magnetometer for aviation applications is given. A mathematical model and algorithm for processing the output signals of an orientation and navigation system with structural redundancy are presented. The evaluation of the comparison of the accuracy of orientation and navigation systems with and without structural redundancy was performed.

структурная избыточностьчувствительные осиинерциальная системанавигацияstructural redundancysensitive axesinertial systemnavigationReferencesПавлов Д. В, Петров М. Н., Лукин К. Г. Метод температурной калибровки блока микромеханических акселерометров бесплатформенной инерциальной навигационной системы // Метрология. 2015. 2. 25-35.Pavlov D. V, Petrov M. N., Lukin K. G. Metod temperaturnoy kalibrovki bloka mikromekhanicheskikh akselerometrov besplatformennoy inertsial'noy navigatsionnoy sistemy [Method of temperature calibration of the micromechanical accelerometer block of the strapdown inertial navigation system] // Metrologiya. 2015. 2. 25-35.Narasimhappa M., Mahindrakar A. D., Guizilini V. C., Terra M. H., Sabat S. L. MEMS-Based IMU Drift Minimization: Sage Husa Adaptive Robust Kalman Filtering // IEEE Sensors Journal. 2020. 20 (1). 250-260. DOI: 10.1109/JSEN.2019.2941273Narasimhappa M., Mahindrakar A. D., Guizilini V. C., Terra M. H., Sabat S. L. MEMS-Based IMU Drift Minimization: Sage Husa Adaptive Robust Kalman Filtering // IEEE Sensors Journal. 2020. 20 (1). 250-260. DOI: 10.1109/JSEN.2019.2941273Степанов О. А, Литвиненко Ю. А., Васильев В. А., Торопов А. Б., Басин М. В. Алгоритм полиноминальной информации при квадратичных нелинейностях в уравнениях динамики и измерений. Часть1: Описание и сопоставление с алгоритмами калмановского типа // Гироскопия и навигация. 2021. 29, 3 (114). 3-33. DOI: 10.17285/0869-7035.0068Stepanov О. А., Litvinenko Yu. A., Vasiliev V. A., Toropov A. B., Basin M. V. Polynomial Filtering Algorithm Applied to Navigation Data Processing under Quadratic Nonlinearities in System and Measurement Equations. Part 1. Description and Comparison with Kalman Type Algorithms // Giroskopiya i Navigatsiya. 2021. 29, 3 (114). 3-33. DOI: 10.17285/0869-7035.0068Водичева Л. В., Бельский Л. Н., Парышева Ю. В., Лысцов А. А. Инерциальные измерительные блоки перспективных изделий ракетно-космической техники: обеспечение отказоустойчивости // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроения. 2018. 17 (1). 28-44. DOI: 10.18287/2541-7533-2018-17-1-28-44Vodicheva L. V., Bel'skiy L. N., Parysheva Yu. V., Lystsov A. A. Inertial measuring units for future-generation aerospace products: fault-tolerance // Vestnik of Samara University. Aerospace and mechanical engineering. 2018. 17 (1). 28-44. DOI: 10.18287/2541-7533-2018-17-1-28-44Алешкин В. В., Алешкин М. В., Сокольский А. С., Матвеев А. С. Исследование алгоритмов обработки информации избыточного блока микромеханических акселерометров // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2007. 1 (21). 96-105.Aleshkin V. V., Aleshkin M. V., Sokolsky A. S., Matveev A. S. Issledovaniye algoritmov obrabotki informatsii izbytochnogo bloka mikromekhanicheskikh akselerometrov [Information processing algorithms research of the micromechanical accelerometers superfluous block] // Vestnik of Saratov State Technical University. 2007. 1. 96-105.Алешкин В. В., Матвеев А. С., Алешкин М. В. Математические модели, методы и алгоритмы обработки избыточной информации измерительного блока // Интернет и инновации: практические вопросы информационного обеспечения инновационной деятельности: сборник трудов Международной конференции, 19-20 ноября 2008 г. Саратов: Изд-во СГТУ, 2008. С. 377-380.Aleshkin V. V., Matveev A. S., Aleshkin M. V. Matematicheskiye modeli, metody i algoritmy obrabotki izbytochnoy informatsii izmeritel'nogo bloka [Mathematical models, methods and algorithms for processing redundant information of the measuring block]. Internet and Innovation: Proceedings of the International Conference. Saratov: Izd- vo SSTU, 2008. P. 377-380.Туркин В. А. Применение математического моделирования при разработке методики проектирования блоков чувствительных элементов для БИНС с неортогональной ориентацией измерительных осей // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2023. 4. 326-334. DOI: 10.24412/2071-6168-2023-4-326-335Turkin V.A. Primeneniye matematicheskogo modelirovaniya pri razrabotke metodiki proyektirovaniya blokov chuvstvitel'nykh elementov dlya BINS s neortogonal'noy oriyentatsiyey izmeritel'nykh osey [Application of mathematical modeling in design methodology of inertial measurement units for strapdown inertial systems with non- orthogonal orientation of measurement axes] // Izvestiya Tula State University. Technical sciences. 2023. 4. 326-334. DOI: 10.24412/2071-6168-2023-4-326-335Туркин В. А. Результаты разработки методики контроля блоков чувствительных элементов для БИНС с неортогональной ориентацией измерительных осей // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2023. 2. 257-264. DOI: 10.24412/2071-6168-2023-2-257-264Turkin V. A. Rezul'taty razrabotki metodiki kontrolya blokov chuvstvitel'nykh elementov dlya BINS s neortogonal'noy oriyentatsiyey izmeritel'nykh osey [Results of the development of a methodology for the control of inertial measurement units for sins with non-orthogonal orientation of measuring axes] // Izvestiya Tula State University. Technical sciences. 2023. 2. 257-264. DOI: 10.24412/2071-6168-2023-2-257-264Zotov S. A., Rivers M. C., Trusov A. A., Shkel A. M. Folded MEMS pyramid inertial measurement unit // IEEE Sensors Journal. 2011. 11 (11). 2780-2789. DOI: 10.1109/JSEN.2011.2160719Zotov S. A., Rivers M. C., Trusov A. A., Shkel A. M. Folded MEMS pyramid inertial measurement unit // IEEE Sensors Journal. 2011. 11 (11). 2780-2789.Potter J. E., Deckert J. C. Minimax Failure Detection and Identification in Redundant Gyro and Accelerometer Systems // Journal of Spacecraft and Rockets. 1973. 10 (4). 236-243. DOI: 10.2514/3.27753Potter J. E., Deckert J. C. Minimax Failure Detection and Identification in Redundant Gyro and Accelerometer Systems // Journal of Spacecraft and Rockets. 1973. 10 (4). 236-243. DOI: 10.2514/3.27753.Ebner R. E., Mark J. G. Redundant Integrated Flight-Control/Navigation Inertial Sensor Complex // Journal of Guidance, Control, and Dynamics. 1978. 1 (2). 143-149. DOI: 10.2514/3.55757Ebner R. E., Mark J. G. Redundant Integrated Flight-Control/Navigation Inertial Sensor Complex // Journal of Guidance, Control, and Dynamics. 1978. 1 (2). 143-149. DOI: 10.2514/3.55757.Daly K. C., Gai E., Harrison J. V. Generalized Likelihood Test for FDI in Redundant Sensor Configurations // Journal of Guidance, Control, and Dynamics. 1979. 2 (1). 9-17. DOI: 10.2514/3.55825Daly K. C., Gai E., Harrison J. V. Generalized Likelihood Test for FDI in Redundant Sensor Configurations // Journal of Guidance, Control, and Dynamics. 1979. 2 (1). 9-17. DOI: 10.2514/3.55825.Маринушкин П. С., Нестеренко Т. Г. Малогабаритная система персональной навигации на базе неортогонального инерциального измерительного блока с избыточной структурой // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана: электронный журнал: сетевое научной издание. 2016. 8. 121-134. URL: https://earchive.tpu.ru/bitstream/11683/45802/1/reprint-nw-20198.pdf (Дата обращения: 28.02.2024). DOI: 10.7463/0816.0843239Marinushkin P. S., Nesterenko T. G. Malogabaritnaya sistema personal'noy navigatsii na baze neortogonal'nogo inertsial'nogo izmeritel'nogo bloka s izbytochnoy strukturoy [Miniature personal navigation system based on non-orthogonal redundant inertial measurement unit] // Science and Education of Bauman MSTU. 2016. 8. 121-134. URL: https://earchive.tpu.ru/bitstream/11683/45802/1/reprint-nw-20198.pdf (Accessed: 28.02.2024). DOI: 10.7463/0816.0843239Неортогональная БИНС для малых БПЛА // Хабр: официальный сайт. 2011. URL: http://special.habrahabr.ru/kyocera/p/114513/ (Дата обращения: 28.02.2024).Neortogonal'naya BINS dlya malykh BPLA [Non-orthogonal BINS for small UAVs] // Habr, 2011. URL: http://special.habrahabr.ru/kyocera/p/114513/ (Accessed: 28.02.2024).Маринушкин П. С., Нестеренко Т. Г. Избыточный измерительный модуль на микромеханических датчиках для малогабаритных систем персональной навигации // Инженерный вестник Дона: сетевое издание. 2016. 42 (3). 38-46. URL: http://www.ivdon.ru/uploads/article/pdf/IVD_43_Marinushkin_Nesterenko_N.pdf_189517c8b2.pdf (Дата обращения: 28.02.2024).Marinushkin P. S., Nesterenko T. G. Redundant measurement unit based on micromechanical sensors for miniature personal navigation systems // Engineering journal of Don. 2016. 3 (42). 38-46. URL: http://www.ivdon.ru/uploads/article/pdf/IVD_43_Marinushkin_Nesterenko_N.pdf_189517c8b2.pdf (Accessed: 28.02.2024).Калихман Д. М., Туркин В. А. Методика контроля блоков чувствительных элементов с неортогональной ориентацией измерительных осей // Гироскопия и навигация. 2023. 31, 4 (123). 44-63.Kalikhman D. M., Turkin V. A. Metodika kontrolya blokov chuvstvitel'nykh elementov s neortogonal'noy oriyentatsiyey izmeritel'nykh osey [Methodology for monitoring blocks of sensitive elements with non-orthogonal orientation of measuring axes] // Gyroscopy and Navigation. 2023. 31, 4 (123). 44-63.Калихман Д. М., Туркин В. А., Депутатова Е. А., Акмаев А. А. Математическая модель измерительного канала шестиосного измерителя линейного ускорения с неортогональной ориентацией осей чувствительности – прибора БИЛУ // Навигация и управление летательными аппаратами. 2023. 4 (43). 2-37.Kalikhman D. M., Turkin V. A., Deputatova Ye. A., Akmayev A. A. Matematicheskaya model' izmeritel'nogo kanala shestiosnogo izmeritelya lineynogo uskoreniya s neortogonal'noy oriyentatsiyey osey chuvstvitel'nosti – pribora BILU [Mathematical model of the measurement channel for the six-axis linear acceleration sensor with non-orthogonal orientation of sensitivity axes – BILU device] // Navigation and control of aircraft. 2023. 4 (43). 2-37.Алехова Е. Ю., Жбанов Ю. К., Климов Д. М. Использование избытка осей чувствительности для повышения точности измерений // Известия РАН. Механика твердого тела. 2013. 5. 24-27.Alekhova E.Y., Zhbanov Y.K., Klimov D.M. Ispol'zovaniye izbytka osey chuvstvitel'nosti dlya povysheniya tochnosti izmereniy [Using redundancy of sensitivity axes to improve measurement accuracy] // Mechanics of Solids. 2013. 5. 24-27.Водичева Л. В. Повышение надежности и точности бесплатформенного инерциального измерительного блока при избыточном количестве измерений // Гироскопия и навигация. 1997. 1 (16). 55-67.Vodicheva L. V. Povysheniye nadezhnosti i tochnosti besplatformennogo inertsial'nogo izmeritel'nogo bloka pri izbytochnom kolichestve izmereniy [Increasing reliability and accuracy of strapdown inertial measuring unit with redundant measurement quantity] // Gyroscopy and Navigation. 1997. 1. 55-67.Хамидуллин В. К. Технические средства навигации и управления движением: учебное пособие. Санкт-Петербург: Изд-во БГТУ "Военмех" им. Д. Ф. Устинова, 2019. 142 с.Khamidullin V. K. Tekhnicheskiye sredstva navigatsii i upravleniya dvizheniyem: uchebnoye posobiye [Technical means of navigation and traffic control: tutorial]. Kaliningrad: Izd-vo BGTU, 2019. 142 p.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.