Journal of Space Science and Technology

Journal of Space Science and Technology

Online Algebraic Compensation of Inertial Sensor Biases in Reference-Dependent Navigation Systems

Document Type : Original Research Paper

Authors
Department of Aerospace Engineering, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran
Abstract
Accurate calibration of inertial sensor biases is critical for preventing accumulated error growth in inertial navigation systems (INS). Conventional approaches, such as Kalman filtering and its variants, often involve significant computational complexity, dependence on precise noise modeling, and require extensive parameter tuning to ensure stability and convergence. To address these challenges, this paper presents a novel online algebraic calibration method that reformulates the INS error dynamics to directly isolate and express accelerometer and gyroscope bias terms in a closed-form manner. The proposed algorithm estimates biases by solving a deterministic system of linear equations constructed from the error states between a reference and a dependent navigation system, thereby completely eliminating the need for iterative filtering or probabilistic updates. Comprehensive simulation studies under both stationary and cruise flight conditions demonstrate the method’s high accuracy, rapid convergence, and robustness against measurement noise. The results further highlight its excellent numerical stability and adaptability to time-varying sensor characteristics. Overall, the proposed approach achieves precise and consistent bias estimation with minimal computational cost, providing a fast, stable, and resource-efficient alternative for real-time implementation in safety-critical applications such as aviation, autonomous vehicles, and robotics.
Keywords
Subjects

Article Title Persian

حامد محمدکریمی حسین هوشیار

Authors Persian

حامد محمدکریمی
حسین هوشیار
دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران
Abstract Persian

کالیبراسیون دقیق بایاس حسگرهای اینرسی نقش حیاتی در جلوگیری از انباشت و افزایش تدریجی خطاها در سامانه‌های ناوبری اینرسی ایفا می‌کند. روش‌های متداول مانند فیلتر کالمن و نسخه‌های گوناگون آن، معمولاً دارای پیچیدگی محاسباتی بالا، وابستگی شدید به مدل‌سازی دقیق نویز، و نیازمند تنظیم دقیق پارامترها برای تضمین پایداری و همگرایی هستند. برای رفع این چالش‌ها، در این پژوهش یک روش کالیبراسیون جبری برخط نوین ارائه می‌شود که دینامیک خطای سامانه ناوبری اینرسی را بازنویسی کرده و مؤلفه‌های بایاس شتاب‌سنج و ژیروسکوپ را به‌صورت صریح و تحلیلی جدا می‌کند. الگوریتم پیشنهادی بایاس‌ها را با حل یک دستگاه معین معادلات خطی، تشکیل‌شده از حالت‌های خطای بین سامانه مرجع و سامانه وابسته، برآورد می‌کند و بدین ترتیب نیاز به فیلترسازی تکراری یا به‌روزرسانی احتمالاتی را به‌طور کامل حذف می‌نماید. نتایج شبیه‌سازی در شرایط سکون و پرواز پیمایشی نشان می‌دهند که روش پیشنهادی از دقت بالا، همگرایی سریع، و مقاومت قابل توجه در برابر نویز اندازه‌گیری برخوردار است. همچنین یافته‌ها پایداری عددی مطلوب و سازگاری آن با تغییرات زمانی حسگرها را تأیید می‌کنند. در مجموع، این روش با هزینه محاسباتی بسیار کم، تخمین دقیق و پایدار بایاس را فراهم کرده و گزینه‌ای سریع، کارآمد و قابل اعتماد برای کاربردهای ایمنی‌حساس نظیر هوانوردی، وسایل خودران و رباتیک ارائه می‌دهد.

Keywords Persian

کالیبراسیون آنلاین
حسگرهای اینرسی
کالیبراسیون جبری
تخمین بایاس
سیستم وابسته-مرجع

Articles in Press, Accepted Manuscript
Available Online from 02 December 2025

  • Receive Date 12 August 2025
  • Revise Date 11 November 2025
  • Accept Date 01 December 2025
  • First Publish Date 02 December 2025