Strapdown Inertial Navigation Technology

Front Matter......Page 1
Preface......Page 3
Table of Contents......Page 0
Table of Contents......Page 6
1.1 Navigation......Page 19
1.2 Inertial Navigation......Page 20
1.3 Strapdown Technology......Page 21
1.4 Layout of the Book......Page 22
2.1 Basic Concepts......Page 25
2.3 Historical Developments......Page 29
2.4 The Modern-day Inertial Navigation System......Page 32
2.5 Trends in Inertial Sensor Development......Page 33
3.2 A Simple Two-dimensional Strapdown Navigation System......Page 34
3.3 Reference Frames......Page 38
3.4.1 Navigation with Respect to a Fixed Frame......Page 39
3.4.4 Resolution of Accelerometer Measurements......Page 41
3.5 Strapdown System Mechanisations......Page 42
3.5.1 Inertial Frame Mechanisation......Page 43
3.5.2 Earth Frame Mechanisation......Page 45
3.5.3 Local Geographic Navigation Frame Mechanisation......Page 48
3.5.4 Wander Azimuth Navigation Frame Mechanisation......Page 51
3.6.1 Introductory Remarks......Page 53
3.6.2 Direction Cosine Matrix......Page 56
3.6.3 Euler Angles......Page 57
3.6.4 Quaternions......Page 59
3.6.5 Relationships between Direction Cosines, Euler Angles and Quaternions......Page 62
3.7.1 Navigation Equations Expressed in Component Form......Page 64
3.7.2 The Shape of the Earth......Page 66
3.7.3 Datum Reference Models......Page 68
3.7.4 Variation of Gravitational Attraction over the Earth......Page 72
4.1 Introduction......Page 75
4.2.2 Fundamental Principles......Page 76
4.2.3 Components of a Mechanical Gyroscope......Page 84
4.2.4 Sensor Errors......Page 87
4.2.5 Rate-integrating Gyroscope......Page 89
4.2.6 Dynamically Tuned Gyroscope......Page 93
4.2.7 Flex Gyroscope......Page 97
4.3.1 Dual-axis Rate Transducer (DART)......Page 101
4.3.2 Magnetohydrodynamic Sensor......Page 103
4.4.1 Introduction......Page 105
4.4.2 Vibrating Wine Glass Sensor......Page 106
4.4.3 Hemispherical Resonator Gyroscope......Page 108
4.4.4 Vibrating Disc Sensor......Page 110
4.4.6 Quartz Rate Sensor......Page 111
4.4.7 Silicon Sensor......Page 113
4.4.8 Vibrating Wire Rate Sensor......Page 115
4.4.9 General Characteristics of Vibratory Sensors......Page 116
4.5.1 Nuclear Magnetic Resonance Gyroscope......Page 117
4.6 Electrostatically Suspended Gyroscope......Page 120
4.7.1 Fluidic (Flueric) Sensors......Page 122
4.7.2 Fluxgate Magnetometers......Page 124
4.7.3 The Transmission Line Gyroscope......Page 129
5.1.1 Introduction......Page 131
5.1.2 Fundamental Principles......Page 132
5.1.3 Ring Laser Gyroscope......Page 134
5.1.5 Fibre Optic Gyroscope......Page 142
5.1.6 Photonic Crystal Optical Fibre Gyroscope......Page 153
5.1.7 Fibre Optic Ring Resonator Gyroscope......Page 156
5.1.8 Ring Resonator Gyroscope......Page 158
5.1.9 Integrated Optical Gyroscope......Page 159
5.2.1 Introduction......Page 160
5.2.2 Rotation Sensing......Page 161
5.2.3 Measurement of Acceleration......Page 162
5.2.4 Gravity Gradiometer......Page 163
5.3 Summary of Gyroscope Technology......Page 165
6.2 The Measurement of Translational Motion......Page 170
6.3.2 Principles of Operation......Page 172
6.3.3 Sensor Errors......Page 173
6.3.4 Force-feedback Pendulous Accelerometer......Page 174
6.3.5 Pendulous Accelerometer Hinge Elements......Page 176
6.3.6 Two-axes Force-feedback Accelerometer......Page 177
6.4 Solid-state Accelerometers......Page 178
6.4.1 Vibratory Devices......Page 179
6.4.2 Surface Acoustic Wave Accelerometer......Page 180
6.4.3 Silicon Sensors......Page 182
6.4.4 Fibre Optic Accelerometer......Page 185
6.4.6 Other Acceleration Sensors......Page 190
6.5.2 Rotating Devices......Page 191
6.5.3 Vibratory Multi-sensor......Page 195
6.5.4 Mass Unbalanced Gyroscope......Page 196
6.6 Angular Accelerometers......Page 199
6.6.1 Liquid Rotor Angular Accelerometer......Page 200
6.6.2 Gas Rotor Angular Accelerometer......Page 201
6.7 Inclinometers......Page 202
6.8 Summary of Accelerometer and Multi-sensor Technology......Page 203
7.1 Introduction......Page 206
7.2 Silicon Processing......Page 209
7.3.1 Introduction......Page 210
7.3.2 Tuning Fork MEMS Gyroscopes......Page 212
7.3.3 Resonant Ring MEMS Gyroscopes......Page 219
7.4.1 Introduction......Page 222
7.4.2 Pendulous Mass MEMS Accelerometers......Page 223
7.4.3 Resonant MEMS Accelerometers......Page 224
7.4.4 Tunnelling MEMS Accelerometers......Page 226
7.4.5 Electrostatically Levitated MEMS Accelerometers......Page 227
7.6 Multi-axis/Rotating Structures......Page 229
7.7.1 Silicon IMU......Page 230
7.7.2 Quartz IMU......Page 231
7.8 System Integration......Page 232
7.9 Summary......Page 233
8.1 Introduction......Page 235
8.2 Testing Philosophy......Page 236
8.3 Test Equipment......Page 237
8.4 Data-logging Equipment......Page 238
8.5.1 Stability Tests - Multi-position Tests......Page 239
8.5.2 Rate Transfer Tests......Page 242
8.5.3 Thermal Tests......Page 247
8.5.5 Magnetic Sensitivity Tests......Page 249
8.5.6 Centrifuge Tests......Page 251
8.5.7 Shock Tests......Page 253
8.5.8 Vibration Tests......Page 254
8.5.9 Combination Tests......Page 257
8.5.10 Ageing and Storage Tests......Page 258
8.6 Accelerometer Testing......Page 259
8.6.2 Long-term Stability......Page 261
8.6.4 Magnetic Sensitivity Tests......Page 263
8.6.5 Centrifuge Tests......Page 264
8.6.7 Vibration Tests......Page 267
8.6.8 Combination Tests......Page 268
8.6.9 Ageing and Storage Tests......Page 269
8.7.1 Introduction......Page 270
8.7.3 Accelerometer Error Compensation......Page 271
8.8 Testing of Inertial Navigation Systems......Page 272
8.9 Hardware in the Loop Tests......Page 276
9.2 The Components of a Strapdown Navigation System......Page 279
9.3.1 Orthogonal Sensor Configurations......Page 280
9.3.2 Skewed Sensor Configurations......Page 281
9.3.3 A Skewed Sensor Configuration Using Dual-axis Gyroscopes......Page 282
9.3.4 Redundant Sensor Configurations......Page 284
9.4 Instrument Electronics......Page 285
9.5 The Attitude Computer......Page 287
9.6 The Navigation Computer......Page 288
9.9 Concluding Remarks......Page 290
10.1 Introduction......Page 293
10.2.1 Alignment on a Fixed Platform......Page 294
10.2.2 Alignment on a Moving Platform......Page 296
10.3.1 Introduction......Page 298
10.3.2 Ground Alignment Methods......Page 299
10.3.3 Northfinding Techniques......Page 303
10.4.3 In-flight Alignment Methods......Page 305
10.5.2 Sources of Error......Page 316
10.5.3 Shipboard Alignment Methods......Page 317
11.1 Introduction......Page 325
11.2 Attitude Computation......Page 326
11.2.1 Direction Cosine Algorithms......Page 327
11.2.2 Rotation Angle Computation......Page 331
11.2.3 Rotation Vector Compensation......Page 332
11.2.4 Body and Navigation Frame Rotations......Page 334
11.2.5 Quaternion Algorithms......Page 335
11.2.6 Orthogonalisation and Normalisation Algorithms......Page 338
11.3 Acceleration Vector Transformation Algorithm......Page 340
11.3.1 Acceleration Vector Transformation Using Direction Cosines......Page 341
11.3.2 Rotation Correction......Page 342
11.3.3 Dynamic Correction......Page 344
11.4 Navigation Algorithm......Page 345
11.5 Summary......Page 348
12.1 Introduction......Page 351
12.2.1 Navigation in a Non-rotating Reference Frame......Page 352
12.2.2 Navigation in a Rotating Reference Frame......Page 353
12.2.3 The Schuler Pendulum......Page 355
12.2.4 Propagation of Errors in a Schuler Tuned System......Page 356
12.2.5 Discussion of Results......Page 357
12.3.1 Derivation of Error Equations......Page 358
12.3.2 Discussion......Page 362
12.4.1 Single Channel Error Model......Page 366
12.4.2 Derivation of Single Channel Error Propagation Equations......Page 368
12.4.3 Single-channel Error Propagation Examples......Page 374
12.5.1 Introductory Remarks......Page 376
12.5.2 Error Modelling......Page 377
12.5.3 Simulation Techniques......Page 379
12.6 Motion Dependence of Strapdown System Performance......Page 381
12.6.1 Manoeuvre-dependent Error Terms......Page 382
12.6.2 Vibration Dependent Error Terms......Page 384
12.7 Summary......Page 390
13.1 Introduction......Page 392
13.2 Basic Principles......Page 393
13.3.1 Radio Navigation Aids......Page 394
13.3.2 Satellite Navigation Aids......Page 399
13.3.3 Star Trackers......Page 406
13.3.4 Surface Radar Trackers......Page 408
13.4.1 Doppler Radar......Page 409
13.4.2 Magnetic Measurements......Page 410
13.4.3 Altimeters......Page 411
13.4.4 Terrain Referenced Navigation......Page 412
13.4.5 Scene Matching......Page 413
13.4.6 Continuous Visual Navigation......Page 414
13.5 System Integration......Page 416
13.6.1 Introduction......Page 418
13.6.2 Design Example of Aiding......Page 419
13.7 INS-GPS Integration......Page 425
13.7.1 Uncoupled Systems......Page 427
13.7.2 Loosely Coupled Integration......Page 428
13.7.3 Tightly Coupled Integration......Page 429
13.7.4 Deep Integration......Page 431
13.7.6 INS Aiding of GPS Signal Tracking......Page 432
13.8 Multi-sensor Integrated Navigation......Page 433
13.9 Summary......Page 434
14.1 Introduction......Page 437
14.2 Background to the Requirement......Page 438
14.3.2 Operating and Storage Environment......Page 439
14.3.3 Performance......Page 440
14.3.5 Physical Characteristics......Page 441
14.5.1 Introduction......Page 442
14.5.2 Choice of System Mechanisation......Page 443
14.5.3 Error Budget Calculations......Page 444
14.5.4 System Alignment......Page 449
14.5.5 Choice of Inertial Instruments......Page 450
14.5.6 Computational Requirements......Page 452
14.5.7 Electrical and Mechanical Interfaces......Page 453
14.7 Performance Enhancement by Aiding......Page 454
14.8 Concluding Remarks......Page 455
15.1 Introduction......Page 456
15.2.1 Introduction......Page 457
15.2.2 Historical Background......Page 458
15.2.3 Inertial Survey System......Page 460
15.2.4 System Design Requirements......Page 461
15.2.5 System Design Issues......Page 462
15.2.6 System Calibration and Test......Page 466
15.2.7 Concluding Remarks......Page 467
15.3 Ship\'s Inertial Navigation Systems (SINS)......Page 468
15.3.1 NATO SINS......Page 469
15.4.1 Autopilots......Page 471
15.4.2 Passive Missile Roll Control (Rollerons)......Page 477
15.4.3 Intelligent Transport Systems - Automotive Applications......Page 479
15.4.5 Personal Transport......Page 482
15.5 Equipment Stabilisation......Page 485
15.5.1 Aero-flexure Compensation......Page 486
15.5.2 Laser Beam Director......Page 491
15.5.3 Laser Radar......Page 495
15.5.4 Seeker-head Stabilisation......Page 498
15.5.5 Sightline Stabilisation......Page 503
15.5.6 Relative Angular Alignment......Page 507
15.5.7 Calibration and Measurement......Page 509
15.6 Geodetic and Geophysical Measurements and Observation of Fundamental Physical Phenomena......Page 512
15.7.1 Moving-map Displays......Page 516
15.7.2 Safety and Arming Units......Page 519
15.7.3 Aircraft Ejection Seats......Page 520
15.7.5 Artillery Pointing......Page 522
15.7.6 Other Unusual Applications......Page 524
15.8 Concluding Remarks......Page 525
Appendix A: Kalman Filtering......Page 528
Appendix B: Inertial Navigation System Error Budgets......Page 536
Appendix C: Inertial System Configurations......Page 540
Appendix D: Comparison of GPS and GLONASS Satellite Navigation Systems......Page 545
List of Symbols......Page 550
Glossary of Principal Terms......Page 553
A......Page 562
B......Page 564
C......Page 566
D......Page 568
E......Page 569
F......Page 570
G......Page 572
H......Page 573
I......Page 574
L......Page 576
M......Page 578
N......Page 579
P......Page 581
Q......Page 583
R......Page 584
S......Page 586
T......Page 590
V......Page 592
Y......Page 593
Z......Page 594