Feasibility analysis of an all-earth navigation algorithm

Traditional equations used in Strap-Down Inertial Navigation Systems (SINS) are typically formulated in the local-level frame, which is known as North-East-Down (NED). However, these equations suffer from mathematical singularities when navigating through polar regions, because of the rapid convergence of geographic meridians. Moreover, when this inertial navigation solution is hybridized with a GNSS navigation solution by means of an Extended Kalman Filter (EKF), a new problem arises: the longitude jump in the antimeridian. Resolving these issues is critical to improving the performance and reliability of navigation systems for strategic operations. To address these limitations, this research will discuss the existent alternatives, performing a feasibility analysis of the so-called Wander Azimuth. This study will evaluate the potential of this coordinate frame, modifying the traditional Strapdown Inertial Navigation System (SINS) equations, to mitigate singularities, and evaluating its suitability for all-Earth navigation. The results of this preliminary analysis will be compared with the actual state of the code, to determine the effectiveness of the proposed alternative and evaluate possible areas of improvement. Numerical simulations will serve as the primary tool for this evaluation, allowing detailed comparisons across the navigation scenarios previously explained. This research aims to demonstrate the feasibility of the Wander Azimuth coordinate frame, outlining its potential robustness and applicability for global navigation while highlighting the challenges and resources needed for its development.

Le equazioni tradizionali utilizzate nei Sistemi di Navigazione Inerziale Strap-Down (SINS) sono comunemente formulate nel sistema di riferimento locale North-East-Down (NED). Tuttavia, queste equazioni presentano singolarità matematiche quando si naviga nelle regioni polari, a causa della rapida convergenza dei meridiani geografici. Inoltre, quando questa soluzione di navigazione inerziale viene integrata con una soluzione di navigazione GNSS mediante un Filtro di Kalman Esteso (EKF), sorge un nuovo problema: il salto di longitudine nell’antimeridiano. Risolvere questi problemi è fondamentale per migliorare le prestazioni e l’affidabilità dei sistemi di navigazione per operazioni strategiche. Per affrontare queste limitazioni, questa ricerca discuterà le alternative esistenti, conducendo un’analisi di fattibilità del cosiddetto Wander Azimuth. Questo studio valuterà il potenziale di questo sistema di riferimento, modificando le equazioni tradizionali del Sistema di Navigazione Inerziale Strap-Down (SINS), per mitigare le singolarità e valutando la sua idoneità per la navigazione globale. I risultati di questa analisi preliminare saranno confrontati con l’implementazione attuale, per determinare l’efficacia dell’alternativa proposta e valutare possibili aree di miglioramento. Le simulazioni numeriche serviranno come strumento principale per questa valutazione, consentendo confronti dettagliati nei vari scenari di navigazione precedentemente descritti. Questa ricerca mira a dimostrare la fattibilità del sistema di riferimento Wander Azimuth, delineando la sua potenziale robustezza e applicabilità per la navigazione globale, evidenziando al contempo le sfide e le risorse necessarie per il suo sviluppo.