Validation and Performance Evaluation of a Simulink Inertial Navigation System Simulator

Publication: Canadian Aeronautics and Space Journal
December 2003

Abstract

Great interest has been generated in low-cost inertial navigation systems (INS) in the last few years. The development of Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) in the last decade has permitted mass production of devices, thereby reducing the cost of previously expensive sensors. Simulation is part of the design process of an INS. However, if we exclude proprietary simulators, simulation package tools available until now to achieve this goal are Matlab script files. To realize fast prototyping systems, to take advantage of modular design and to allow rapid real-time testing, a Simulink-based INS simulator has been created. This simulator is designed in several modules allowing point-wise improvements or modifications that do not affect the overall modules. This paper addresses the validation and the performance evaluation of the simulator. Given the results of two validation methods, it can be concluded that the Simulink simulator can now be used to design inertial navigation algorithms. Also, performance analysis of built-in Simulink integration schemes, compared with the well-known Savage two-speed integration algorithm, indicates that the automated-code integration algorithm is suitable for inertial navigation applications. In fact, for similar processing time, the position error of the 4th-order Runge–Kutta solution, compared to the Savage one-speed simplified integration algorithm, is improved by 8% for low-sample-rate inertial measurements. The Simulink simulator will be an important tool in the design of innovative algorithms suitable for use in conjunction with MEMS inertial sensors in low-cost navigation systems. Upon completion, this software will permit rapid prototyping and easy-to-use design for low-cost GPS-aided electronic inertial navigation systems.

Résumé

Les sytèmes de navigation inertielle (SNI) à faible coût ont généré beaucoup d'intérêt depuis quelques années. En effet, le développement des capteurs micro-électro-mécaniques (CMEM) a permis la réduction du coût des capteurs inertiels, principalement à cause de la production de masse associée à ce type de technologie. Une étape importante dans la conception des SNI est la simulation de son comportement de façon à valider l'atteinte des objectifs établis au départ. Par contre, en excluant les simulateurs privés, les outils disponibles pour concrétiser cette étape sont basés sur du code MatLab. Insatisfait des possibiltés offertes par une telle architecture, et de façon à optimiser le processus de conception des SNI, un simulateur basée sur l'application Simulink a été conçu. Cet article présente la validation et l'évaluation de la performance de ce simulateur. Par deux méthodes de validation, il est démontré que le simulateur est efficace pour la simulation d'algorithmes de navigation. De plus, la comparaison des algorithmes d'intégration internes à Simulink avec l'algorithme standard utilisé jusqu'à maintenant permet d'affirmer que les algorithmes générés automatiquement par Simulink sont appropriés pour l'utilisation dans des SNI. Dans certaines conditions, l'erreur de position avec l'utilisation d'une méthode Runge–Kutta donne une amélioration de 8 % par rapport aux algorithmes de Savage. Le simulateur basé sur Simulink sera un outil très important pour la conception et la validation d'algorithmes innovateurs utilisant des capteurs inertiels CMEM. La version finale du simulateur permettra de concevoir rapidement des algorithmes pour des SNI à faible coût hybridés avec un récepteur GPS.

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Canadian Aeronautics and Space Journal
Volume 49Number 4December 2003
Pages: 149 - 161

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Version of record online: 18 March 2011

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