pimiПриборы и методы измеренийDevices and Methods of Measurements2220-95062414-0473BNTU10.21122/2220-9506-2024-15-3-195-204pimi-888Research ArticleМетоды измерений, контроля, диагностикиMethods of measurements, monitoring, diagnosticsМодифицированный метод TRIAD для решения задачи ориентации подвижного объектаModified TRIAD Method for Solving the Problem of a Moving Object OrientationМатвеевВ. B.MatveevV. V.

Адрес для переписки:Матвеев В.В. –Тульский государственный университет, пр-т Ленина, 92, г. Тула 300012, Россияe-mail: matweew.valery@yandex.ru

Address for correspondence:Matveev V.V.–Tula State University,Lenina Ave., 92, Tula 300012, Russia e-mail: matweew.valery@yandex.ru

matweew.valery@yandex.ruПогореловМ. Г.PogorelovM. G.

пр-т Ленина, 92, г. Тула 300012

Lenina Ave., 92, Tula 300012

ХомячковаА. Н.KhomyachkovaA. N.

пр-т Ленина, 92, г. Тула 300012

Lenina Ave., 92, Tula 300012

Тульский государственный университетРоссияTula State UniversityRussian Federation202406112024153195204Copyright © Матвеев В.B., Погорелов М.Г., Хомячкова А.Н., 20242024Матвеев В.B., Погорелов М.Г., Хомячкова А.Н.Matveev V.V., Pogorelov M.G., Khomyachkova A.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://pimi.bntu.by/jour/article/view/888

В настоящее время актуальным является создание систем ориентации подвижных объектов, основанных на комплексировании различных типов датчиков первичной информации. Одним из способов решения задачи ориентации является использование метода TRIAD (Tri-Axial Attitude Determination), позволяющего определить матрицу направляющих косинусов между двумя системами координат. Традиционный метод TRIAD базируется на использовании двух опорных векторов – силы тяжести и геомагнитного поля, измеряемых акселерометрами и магнитометрами соответственно. Недостатком данного метода являются существенные возмущения при ускоренном движении объекта и влияние случайных погрешностей датчиков первичной информации. В работе предложен модифицированный метод TRIAD, базирующийся на измерениях трёх триад датчиков: магнитометров, акселерометров и гироскопов. На основе измерений гироскопов формируются оценки векторов ускорения силы тяжести и геомагнитного поля, которые затем комплексируются с показаниями акселерометров и магнитометров. Комплексированные векторы ускорения силы тяжести и геомагнитного поля используются затем для формирования матрицы направляющих косинусов по методу TRIAD. Метод может быть полезен для реализации бесплатформенных систем ориентации подвижных объектов различного базирования, так как в 6–8 раз точнее по сравнению с классическим  методом  TRIAD.  Степень  ослабления  случайных  погрешностей  датчиков и возмущений от ускорений объекта может настраиваться весовыми коэффициентами.

Currently, it is relevant to create moving objects orientation systems based on the integration of various types of primary information sensors. One way to solve the orientation problem is to use the TRIAD (Tri-Axial Orientation Determination) method which allows determining the matrix of direction cosines between two coordinates. The traditional TRIAD force method is based on the use of two reference vectors – of gravitational and geomagnetic fields, measured by accelerometers and magnetometers, respectively. The disadvantage of this method is – appearance of additional deviations during the accelerated movement of the object and influence of primary information sensors’ random errors. Modified TRIAD method which is based on measurements of three triads of sensors: magnetometers, accelerometers and gyroscopes was proposed in the article. Estimates of acceleration vectors of gravitational and geomagnetic fields were calculated taking into account gyroscope measurements. Then these estimates were combined with the accelerometers’ and magnetometers’ data. The complex gravitational and geomagnetic fields’ accelerations were used to form the direction cosine matrix by the TRIAD method. The suggested modified method can be used to implement free-form moving objects’ orientation systems, since it is 6–8 times more accurate compared to the classic TRIAD method. Attenuation of random sensor errors and disturbances due to object acceleration can be adjusted by use of weigh factors.

метод TRIADмагнитометракселерометргироскопTRIAD methodmagnetometeraccelerometergyroscopeРабота выполнена при поддержке гранта Правительства Тульской области в сфере науки и техники по договору ДС/112/ЛИДПИ/23/ТО.The work was carried out with the support of a grant from the Government of the Tula Region in the field of science and technology under contract DS/112/LIDPI/23/TO.ReferencesТуктарёв Н.А. Автономное инерциальномагнитометрическое устройство определения углов ориентации летательного аппарата / Н.А. Туктарёв [и др.] // Труды МАИ. 2016. – № 88.Tuktarev NA, Akhmedova SK, Grishin DV, Busurin VI. Autonomous inertial-magnetometric device for determining the orientation angles of an aircraft. Proceedings of MAI. 2016;(88). (In Russ.).Fei Liu, Jie Li, Haifu Wang, Chang Liu. An improved quaternion Gauss-Newton algorithm for attitude determination using magnetometer and accelerometer. Chinese Journal of Aeronautics. – 2014. – Vol. 27. – № 4. DOI: 10.1016/j.cja.2014.03.005Fei Liu, Jie Li, Haifu Wang, Chang Liu. An improved quaternion Gauss-Newton algorithm for attitude determination using magnetometer and accelerometer. Chinese Journal of Aeronautics. 2014;27(4). DOI: 10.1016/j.cja.2014.03.005Markley L., Crassidis J. Fundamentals of Spacecraft Attitude Determination and Control. New York, Springer. 2014. 486 p.Markley L, Crassidis J. Fundamentals of Spacecraft Attitude Determination and Control. New York, Springer. 2014. 486 p.Hashim H.A. Attitude Determination and Estimation using Vector Observations: Review, Challenges and Comparative Results, arXiv preprint, 2020. 51 p.Hashim HA. Attitude Determination and Estimation using Vector Observations: Review, Challenges and Comparative Results, arXiv preprint, 2020. 51 p.Belkhiat D.E.C., Fourati H. Multisensor Attitude Estimation: Fundamental Concepts and Applications. Boca Raton, CRC Press, 2016. 607 p.Belkhiat DEC, Fourati H. Multisensor Attitude Estimation: Fundamental Concepts and Applications. Boca Raton, CRC Press, 2016. 607 p.Иванов Д.С. Результаты летных испытаний системы ориентации микроспутника Чибис-М. / Д.С. Иванов [и др.] // Космические исследования. Т. 52. – № 3. – 2014. – С. 218–228. DOI: 10.7868/S0023420614020046Ivanov DS, Ivlev NA, Karpenko SO, Ovchinnikov MYu, Roldugin DS. Results of flight tests of the orientation system of the Chibis-M microsatellite. Space Research. 2014;52(3):218-228. DOI: 10.7868/S0023420614020046Вялков А.В. Определение углов ориентации по наблюдениям за векторами в задаче исследования штопора модели самолета // Гироскопия и навигация. 2020. – Т. 28. – № 3 (110). – С. 43–59.Vyalkov AV. Determination of orientation angles from observations of vectors in the problem of studying the spin of an aircraft model. Gyroscopy and Navigation. 2020;28(3)(110):43-59. (In Russ.).Голован А.А. Математические основы навигационных систем: Часть II: Приложения методов оптимального оценивания к задачам навигации. – 2-е изд., испр. и доп. / А.А. Голован, Н.А. Парусников // М.: МАКС Пресс. – 2012. – 172 с.Golovan AA, Parusnikov NA. Mathematical Foundations of Navigation Systems: Part II: Applications of Optimal Estimation Methods to Navigation Problems. 2nd ed., corrected and supplemented. M.: MAX Press. 2012. 172 р.Garcia de Marina, Hector & Pereda, Fernando & Giron-Sierra, Jose & Espinosa, Felipe. UAV attitude estimation using unscented Kalman filter and TRIAD. Industrial Electronics, IEEE Transactions, Nov. 2012. Vol. 59(11). – Pp. 4465–4474. DOI: 10.1109/TIE.2011.2163913Garcia de Marina, Hector & Pereda, Fernando & Giron-Sierra, Jose & Espinosa, Felipe. UAV attitude estimation using unscented Kalman filter and TRIAD. Industrial Electronics, IEEE Transactions, Nov. 2012;59(11):44654474. DOI: 10.1109/TIE.2011.2163913Sawicki A., Slanina Z., Linkel A. Compensation of hardand soft-iron distortions is magnetometer measurement data. Photonics Applications in Astronomy, Communications, Industry, and High-Energy Physics Experiments, August 2017. DOI: 10.1117/12.2280794Sawicki A, Slanina Z, Linkel A. Compensation of hardand soft-iron distortions is magnetometer measurement data. Photonics Applications in Astronomy, Communications, Industry, and High-Energy Physics Experiments, August 2017. DOI: 10.1117/12.2280794Августов Л.И. Навигация летательных аппаратов в околоземном пространстве / Августов Л.И. [и др.]; под редакцией доктора технических наук, заслуженного деятеля науки Российской Федерации, профессора Джанджгавы Г.И. – Изд. 2-е, перераб. – Москва: Грани успеха. – 2022. – 547 с.Avgustov LI [et al.]. Navigation of aircraft in near-Earth space; edited by Doctor of Technical Sciences, Honored Scientist of the Russian Federation, Professor Dzhandzhgava G.I. 2nd ed., revised. Moscow: Grani uspekha, 2022. 547 p.Borodacz K., Szczepanski C. Impact of Motion-Dependent Errors on the Accuracy of an Unaided Strapdown Inertial Navigation System. Sensors. 2023. – Vol. 23. – № 3. DOI: 10.3390/s23073528Borodacz K, Szczepanski C. Impact of MotionDependent Errors on the Accuracy of an Unaided Strapdown Inertial Navigation System. Sensors. 2023;23(3). DOI: 10.3390/s23073528

The authors declare that there are no conflicts of interest present.