SUPERVISOR
Asghar Gholami
اصغر غلامی (استاد راهنما)
STUDENT
Mohammad Shabani sheijani
محمد شعبانی شیجانی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1388
TITLE
Simulation and Accuracy Analysis of Underwater Integrated Inertial Navigation System
Strapdown inertial navigation system (SINS) estimates the position, velocity, and orientation of the vehicle and consists of an inertial measurement unit composed of three orthogonal accelerometers and three orthogonal gyros. Navigation in the SINS is done based on dead-reckoning principle, the gyros signals are used to find the attitude of the vehicle, subsequently knowing the attitude and the accelerometers signals, acceleration values in the navigation coordinates are calculated. Finally the acceleration signals are integrated to estimate the velocity and double integrated to find the position of the vehicle. Due to different imperfections in accelerometers and gyros’ signals due to the noise and bias instability, and the consecutive integration of the acceleration signals, estimation error increases with time and it is acceptable only for short times. In order to reduce the error, auxiliary sensors together with inertial sensors are utilized. In underwater navigation, it is common to use the auxiliary sensors such as Doppler Velocity Log (DVL), gyrocompass or magnetic compass, depth meter, global positioning system (GPS) and acoustic positioning system (APS) for reducing the position error. Unfortunately, the GPS signals are not receivable underwater and the INS/GPS integrated systems for underwater navigation are limited to shallow-water applications where the vehicle must come to the surface regularly to correct its position. One alternative solution for navigation of underwater vehicles is to make use of APS, which estimates absolute position of the vehicle, but it requires additional traonders to be either installed at sea floor or mounted to a surface vessel. Since in this approach, vehicle must be placed within the coverage area of traonders, its operation range is restricted. In addition, the position calibration of the traonders is difficult and is a time-consuming task. The auxiliary sensors utilized in this thesis consist of DVL, magnetic compass and depth meter. Using these sensors, unlike GPS and APS auxiliary systems, keeps the navigation system independent from external sources. In order to combine the data estimated by SINS with the data measured by auxiliary sensors, data fusion methods based on kalman filtering is used. The extended kalman filter (EKF) has been used widely in integrated navigation systems. Since this filter uses only the first order terms of the Taylor series expansions of the nonlinear functions, thus it is not appropriate for severely nonlinear systems. To remove this drawback, the unscented Kalman filter (UKF) has been proposed. In this filter, it is not required to linearize system dynamic and measurement model through calculating the Jacobian matrix. Error State Kalman Filter (ESKF) is another data fusion method in which the state space model is expressed based on a linearized system model. In this thesis, a complete navigation simulator for underwater vehicles consisting of a path designer, signal simulator and different Kalman filters is designed. The inertial sensors imperfection parameters and their effect on the estimated position are investigated. In order to verify the navigation simulator, EKF, UKF and ESKF data fusion methods are compared for under-water navigation using simulated data and real measurements. Finally the accuracy of different methods of data fusion is studied for different paths and maneuvers. Keywords: Inertial navigation system, Integrated navigation system, EKF, UKF, ESKF
سیستم ناوبری اینرسی متصلبهبدنه از یک واحد اندازهگیری اینرسی متشکل از سه شتابسنج و سه ژایروسکوپ متعامد تشکیل میشود که برای تعیین موقعیت، سرعت و جهت حرکت وسایل نقلیه مورد استفاده قرار میگیرد. در این سیستم، با استفاده از اندازهگیریهای شتابسنج و ژایروسکوپ و اصل Dead-Reckoning مکان وسیلهی نقلیه محاسبه میشود. این سیستم مکان وسیلهی نقلیه را در مسافتهای کوتاهمدت با خطای کمی محاسبه میکند، درصورتیکه با گذشت زمان به علت خطای موجود در خروجی ژایروها و شتابسنجها و انتگرالگیریهای متوالی از آنها، خطای مکان برآوردشده توسط سیستم افزایش مییابد. برای کاهش خطا از سنسورهای کمکی به همراه سنسورهای اینرسی استفاده میشود. در ناوبری زیردریا از سنسورهای کمکی سرعتسنج داپلری، قطبنمای ژایروسکوپی یا مغناطیسی، عمقسنج، سیستم تعیین موقعیت جهانی و سیستم تعیین موقعیت صوتی برای تصحیح خطای مکان استفاده میشود. متاسفانه سیگنالهای سیستم تعیین موقعیت جهانی در داخل آب قابل دریافت نیستند و عملا این سیستمها در زیر آب کارایی ندارند و کاربرد آنها در ناوبری زیردریا به وسایل نقلیهای که در آبهای کمعمق عمل میکنند، محدود میشود که به طور مرتب برای تصحیح مکان به سطح آب میآیند. یک روش جایگزین برای ناوبری وسایل نقلیهی زیردریا استفاده از سیستم تعیین موقعیت صوتی است که موقعیت مطلق وسیلهی نقلیه را برآورد میکند. این روش به آرایهای از ترانسپوندرها نیازمند است که یا باید در کف دریا نصب شوند و یا بر روی سطح دریا قرار بگیرند. از آنجاییکه در این روش وسیلهی نقلیه باید در ناحیهی تحت پوشش ترانسپوندرها قرار داشته باشد، ناحیهی عملکرد آن به شدت محدود میشود و کالیبراسیون موقعیت ترانسپوندرها نیز کار سختی میباشد. در این پایاننامه از سنسورهای کمکی سرعتسنج داپلری، قطبنمای مغناطیسی و عمقسنج استفاده میشود. استفاده از این سنسورها بر خلاف سیستمهای تعیین موقعیت جهانی و صوتی باعث میشود که سیستم ناوبری تلفیقی از منابع خارج اطلاعات نگیرد و با استفاده از سنسورهای موجود در وسیلهی نقلیه به طور مستقل به ناوبری بپردازد. برای ترکیب کمیتهای برآوردشده از سیستم ناوبری اینرسی با کمیتهای حاصل از سیستمهای اندازهگیری کمکی از روشهای ترکیب اطلاعات مبتنی بر فیلتر کالمن استفاده میشود. فیلتر کالمن توسعهیافته به طور گسترده در سیستم های ناوبری تلفیقی مورد استفاده قرار گرفته است. از آنجاییکه این فیلتر فقط از جملات مرتبهی اولِ بسط سری تیلورِ توابع غیرخطی برای خطیسازی مدل های غیرخطی استفاده میکند، هنگامیکه مدلهای دینامیک و اندازهگیری به شدت غیرخطی باشند، خطای قابل توجهی در میانگین و کوواریانس حالت ها ایجاد میشود و اثرات جملات مرتبهی بالاترِ سری تیلور با اهمیت میشوند. برای برطرف کردن این عیب، فیلتر کالمن Unscented پیشنهاد شده است. در این فیلتر، برای خطیسازی مدلهای دینامیک سیستم و اندازهگیری، تعداد مشخصی نقطه تحت عنوان نقاط سیگما محاسبه شده که میانگین و کوواریانس را تا دقت مرتبهی دومِ بسط سری تیلور برای هر نوع تابع غیرخطی ضبط میکند. فیلتر کالمن حالت خطا نیز روش ترکیب اطلاعات دیگری است که در آن مدل فضای حالت بر اساس یک مدل سیستم خطیسازیشده بیان میشود. در این پایاننامه، ضمن طراحی یک شبیهساز ناوبری، خطاهای سنسورهای اینرسی و اثر آنها برروی مکان برآوردشده تحلیل و شبیهسازی شده است. علاوهبراین، یک سیستم ناوبری تلفیقی برای وسایل نقلیهی زیردریا با استفاده از روشهای فیلترکالمن توسعهیافته، فیلترکالمن Unscented و فیلترکالمن حالت خطا متشکل از سنسورهای اینرسی و اندازهگیریهای سرعت، جهت حرکت و عمق طراحی شده و به وسیلهی آزمایشهای عملی و برای مسیرهای بسته و مستقیم مورد بررسی و مقایسه قرار گرفتهاند. در نهایت، به منظور ارزیابی شبیهساز ناوبری طراحیشده، نتایج حاصل از دادههای شبیهسازیشده با دادههای واقعی مقایسه شدهاند. کلمات کلیدی: سیستم ناوبری اینرسی متصلبهبدنه، سیستم ناوبری تلفیقی، فیلترکالمن توسعهیافته، فیلترکالمن Unscented، فیلترکالمن حالت خطا