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Improving the Performance of Alignment Processes of Intertial Measurement Unit Utilizing Adaptive Pre-Filtering Methodology

Dieser Beitrag ist in der zfv 6/2004 erschienen.

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Zusammenfassung: 

Die Bestimmung von anfänglichen Orientierungsparametern (Attitude Parameter) jeder inertialen Plattform vor dem Bewegungsstart hängt gewöhnlich vom Kalman-Filter ab, der das Feinalignment vornimmt. Die Schätzungsgenauigkeit der Orientierungsparameter ist dabei beschränkt durch das relativ niedrige Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) der inertialen Sensoren, besonders aber der Kreisel. Dieser Beitrag schlägt die Anwendung von Filtern mit endlicher Impulsübertragung (FIR) für jeden der inertialen Sensoren vor, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern, bevor die Messungen zur Schätzung der Orientierungparameter und des »Headings« verwendet werden. Die Filterparameter sind angepasst an ihre optimalen Werte mittels Kleinste-Quadrate-Ausgleichung und bekannter Erdrotations- und Erdschwerefeldkomponenten. Die traditionellen Grob- und Feinalignment-Methoden werden dann angewendet, um die drei Orientierungswinkel zu bestimmen. Es wird gezeigt, dass die vorgeschlagene Filtermethode einen großen Einfluss auf die Genauigkeit der Alignmentmethoden von inertialen Messsystemen (IMU) hat, was wesentlich für präzise inertiale Positionsbestimmung in den verschiedensten Navigationsanwendungen ist.

Summary: 

The determination of the initial attitude angles of any inertial platform before starting its motion usually depends on Kalman filtering to provide fine alignment. The estimation accuracy of the attitude angles is limited by the relatively low signal to noise ratio (SNR) of the inertial sensors, especially for the gyroscopes. This article suggests the utilization of a finite impulse response (FIR) filter at the output of each inertial sensor to improve their SNR before using their measurement in estimating the initial tilt and heading angles. The filter parameters are adapted to their optimal values using the least mean square (LMS) criterion with known Earth rotation rate and Earth gravity components as the reference signals. The traditional coarse and fine alignment procedures are then employed for the computation of the three attitude angles. The filter design procedure requires absolutely no accelerations during the whole alignment. The suggested pre-filtering method has shown a significant impact on the accuracy of alignment procedures of inertial measurement units, which is very essential in providing precise inertial positioning for different navigation applications.