Implementation of a Single-Degree-of-Freedom Rotary Inertial Navigation System Based on Low-Cost Inertial Sensors

Sharifi, Alireza; Eslami, Amir

doi:10.22034/jsst.2025.1574

Implementation of a Single-Degree-of-Freedom Rotary Inertial Navigation System Based on Low-Cost Inertial Sensors

Document Type : Original Research Paper

Authors

Alireza Sharifi

Amir Eslami

Faculty of Aerospace Engineering, Sharif University of Technology, Tehran, Iran

10.22034/jsst.2025.1574

Abstract

In conventional Inertial Navigation Systems (INS), the error accumulation due to the integration process leads to drift in the actual values of position, velocity, and attitude of an unmanned aerial vehicle. In this study, to mitigate such accumulated errors, a Rotating Inertial Navigation System (RINS) is implemented around the vertical axis using low-cost Inertial Measurement Unit (IMU) sensors. First, the influence of various error sources—including bias, scale factor, and misalignment errors—over time in a static scenario is analyzed for the rotary configuration. Then, a comparative evaluation is performed against a conventional INS. Subsequently, the effect of each error source is investigated in a dynamic test through software simulation of a single-degree-of-freedom RINS, with results compared to those of the conventional INS simulation. Moreover, to validate the simulation results, experimental tests are designed and conducted to assess the accuracy of the rotary inertial navigation system under real-world conditions. Finally, the RINS is implemented on a single-degree-of-freedom rate table in the Control Systems Laboratory environment of the aerospace department of Sharif University. The results demonstrate that the RINS configuration effectively reduces bias, scale factor, and misalignment errors around the body’s x and y axes.

Keywords

Rotary Inertial Navigation System

Error Modeling

Error Reduction

Experimental Validation

Sensor Errors

Subjects

GPS and navigation GPS)، GLONASS، GALILEO

Article Title Persian

پیاده سازی سیستم ناوبری اینرسی دوار تک درجه آزادی بر مبنای حسگرهای اینرسی ارزان قیمت

Authors Persian

علیرضا شریفی

امیر اسلامی

دانشکده مهندسی هوافضا دانشگاه صنعتی شریف

Abstract Persian

انباشت خطا در سیستم‌های ناوبری اینرسی مرسوم به‌دلیل انتگرال‌گیری منجر به دریفت در مقادیر واقعی موقعیت، سرعت و وضعیت یک وسیله بدون سرنشین می‌شود. در این پژوهش، به‌منظور جلوگیری از انباشت خطای ناشی، الگوریتم سیستم ناوبری اینرسی دوار (RINS) حول محور عمودی برمبنای حسگرهای اینرسی (IMU) ارزان‌قیمت پیاده‌سازی شده است. به این منظور، ابتدا، تاثیر انواع خطاهای بایاس، شدت مقیاس و خطای ناترازیابی در طی زمان در سیستم ناوبری اینرسی دوار در سناریوی استاتیک تحلیل شده و مقایسه‌ای با سیستم ناوبری اینرسی متعارف انجام شده است. سپس، میزان تأثیر هر یک از عوامل خطا در تست دینامیکی با انجام شبیه‌سازی نرم افزاری برای سیستم ناوبری اینرسی دوار تک‌درجه‌آزادی انجام شده و با نتایج شبیه‌سازی سیستم ناوبری اینرسی متعارف مقایسه شده است. در نهایت، سیستم ناوبری اینرسی دوار بر روی یک میز تک‌درجه‌آزادی کالیبراسیون، که در محیط آزمایشگاه سیستم های کنترل دانشکده مهندسی هوافضای دانشگاه صنعتی شریف است، پیاده‌سازی شده است. نتایج حاکی از عملکرد مناسب سیستم ناوبری اینرسی دوار در کاهش خطاهای بایاس، کاهش شدت مقیاس و کاهش خطای ناترازیابی حول محورهای x و y بدنی است.

Keywords Persian

سیستم ناوبری‌ اینرسی دوار

مدل‌سازی خطا

انباشت خطا

پیاده‌سازی آزمایشگاهی

خطاهای حسگر

[1] P. Groves, Book Principles of GNSS, Inertial and Multi-Sensor Integrated Navigation Systems, 2^nd ed. London, Artech House, 2013.

[2] C. Jekeli, Inertial Navigation Systems with Geodetic Applications. Berlin, New York, Walter de Gruyrer, 2001.

[3] C. L. Glennie, K. P. Schwarz, A. M. Forsberg, A. V. Olesen, and K. Keller, “A comparison of stable platform and strapdown airborne gravity,” Journal of Geodesy, vol. 74, no. 5, pp. 383-389, 2000, https://doi.org/10.1007/s001900000082.

[4] D. Titterton and J. Weston, Strapdown Inertial Navigation Technology. 2^nd ed. IET, 2004.

[5] K. R. Britting, Inertial Navigation Systems Analysis. New York, Wiley-Interscience, 1971.

[6] G. Arthur, Applied Optimal Estimation. MIT press, 1974.

[7] Y. Y. Ben, Y. L, Chai, W. Gao, and F. Sun, “Analysis of error for a rotating strap-down inertial navigation system with fibro gyro,” Journal of Marine Science and Application, vol. 9, no. 4, pp. 419-424, 2010, https://doi.org/10.1007/s11804-010-1028-z.

[8] E. S. Geller, “Inertial system platform rotation,” IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, vol. aes-4, pp. 557-568, 1968, https://doi.org/10.1109/TAES.1968.5409024.

[9]C. S. Giovanni and E. Levinson, “Performance of a ring laser strapdown Marine Gyrocompass,” Navigation, vol. 28, no. 4, pp. 311-341, 1981, https://doi.org/10.1002/j.2161-4296.1981.tb00779.x.

[10] Y. Yong and L. J. Miao, “Fiber-optic strapdown inertial system with sensing cluster continuous rotation,” IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, vol. 40, no. 4, pp. 1173-1178, 2004, https://doi.org/10.1109/TAES.2004.1386872.

[11] L. D. Zhang, J. X. Lian, M. P. Wu, and Z. q. Zheng, “Research on auto compensation technique of strap-down inertial navigation systems,” in International Asia Conference on Informatics in Control, Automation and Robotics, Bangkok, Thailand, 2009, https://doi.org/10.1109/CAR.2009.80.

[12] S. Du, “Rotary inertial navigation system with a low-cost MEMS IMU and its integration with GNSS,” Ph.D. dissertation, University of Calgary, Calgary, Canada, 2015, https://doi.org/10.11575/PRISM/27695.

[13] S. Tianxiao, K. Li, l. Wang. J. Sui, and L. Wang, “A rapid and high-precision initial alignment scheme for dual-axis rotational inertial navigation system,” Microsystem Technologies, vol. 23, no. 12, pp. 5515-5525, 2017, https://doi.org/10.1007/s00542-017-3286-z.

[14] Z. Liu, L. Wang, K. Li, and H. Han, “Analysis and improvement of attitude output accuracy in tri-axis rotational inertial navigation system,” IEEE Sensors Journal, vol. 20, no. 11, pp. 6091-6100, 2020, https://doi.org/10.1109/JSEN.2020.2972557.

[15] J. Ban, G. chen, l. Wang, and Y. meng, “A calibration method for rotary optical encoder temperature error in a rotational inertial navigation system,” Measurement Science and Technology, vol. 33, no. 6, 2022, Art. no. 065203, https://doi.org/10.1088/1361-6501/ac4c67.

[16] T. Zhu, L. Wang, T. Zou, and G. Peng, “A dual-axis rotation scheme for redundant rotational inertial navigation system,” Micromachines, vol. 14, no. 2, 2023, Art. no. 351, https://doi.org/10.3390/mi14020351.

[17] P. H. Zipfel, Modeling And Simulation of Aerospace Vehicle Dynamics. American Institute of Aeronautics and Astronautics, Inc. 2000.