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A New Calibration Method for strapdown Inertial Navigation Systems

Dieser Beitrag ist in der zfv 1/2002 erschienen.

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Zusammenfassung: 

Instrumentenfehler in inertialen Mess-Systemen machen deren Kalibrierung erforderlich. Heutige INS Kalibrierungstechniken benötigen jedoch entweder spezielle Kalibrierungseinrichtungen oder Computermethoden, die die Ausrichtung der Achsen bezüglich eines lokalen Systems ausnutzen. Darüberhinaus sind diese Kalibrierungsmethoden durch Nicht-Rechtwinkligkeiten und falsche Ausrichtungen der IMU's bezüglich des lokalen Bezugssystems limitiert, die die Ergebnisse weiter beeinflussen können. Dieser Artikel führt eine neue Kalibrierungsmethode ein, die diese Restriktionen überwindet. Ein mathematisches Modell wurde entwickelt, das die Nicht-Rechtwinkligkeiten, den Maßstab und systematische Fehler mit der strengen kleinsten Quadrate Methode verbindet. Schwerewerte und die Erdrotationsgeschwindigkeit wurden als Referenzwerte in die Ausgleichung eingeführt. Messwerte von achtzehn verschiedenen Positionen und das Rotationsschema, welches für einen Kardanrahmen mit zwei Freiheitsgraden eingesetzt werden kann, wurden verwendet. Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass systematische Fehler, der Maßstabsfaktor und Nicht-Rechtwinkligkeiten für die Beschleunigungsmesser kalibriert werden können, während für die Kreisel nur systematische Fehler berechnet werden können. Diese Kalibrierungsmethode kann auch unter Nichtlaborbedingungen verwendet werden.

Summary: 

Calibration of inertial instruments is needed because the outputs of instruments contain errors. Current Inertial Navigation Systems (INS) calibration techniques either require specialized calibration facilities or computational methods which make use of the fact that the INS axes should be aligned with locallevel frame. Furthermore, these calibration techniques are limited in that non-orthogonalities cannot be determined and the misalignment of the Inertial Measurement Unit (IMU) to the local level frame can affect the results. This paper introduces a new calibration method that overcomes these limitations. A mathematical model, which comprises biases, scale factors, and non-orthogonalities. was developed and used in the rigorous least squares adjustment procedure. The values of gravity and earth rotation rate were used as reference values in the adjustment. The measurement data from eighteen different attitudes are used and the rotation scheme attainable with a two-degree-of-freedom frame is introduced. The test result shows that while biases, scale factors, and non-orthogonalities can be calibrated for the accelerometers, only biases can be calibrated for the gyroscopes. This calibration method can easily be used as a field method.

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