DEVELOPMENT AND MODERNITY

Navigation under satellite signal jamming using inertial systems, visual odometry, and radio beacons with observability and drift assessment

Authors

  • Tianyi Guan Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University, 195251, Saint Petersburg, Polytekhnicheskaya str., 29

How to cite

GOST Guan T. Navigation under satellite signal jamming using inertial systems, visual odometry, and radio beacons with observability and drift assessment // Academic Research Journal. 2025. Vol. 3. No. 10. P. 59-76. DOI: 10.25726/j6134-5147-0497-l
APA Guan, T. (2025). Navigation under satellite signal jamming using inertial systems, visual odometry, and radio beacons with observability and drift assessment. Academic Research Journal, 3(10), 59-76. https://doi.org/10.25726/j6134-5147-0497-l

Abstract

The study focuses on the development of an integrated navigation system for mobile platforms operating indoors and in urban environments where satellite signals are unavailable or intentionally distorted. The aim of the research is to develop an algorithm for deep integration of inertial measurements, visual odometry, and radio beacon data with simultaneous estimation of observability and sensor drift parameters, as well as experimental validation of the proposed solution. The materials include results of numerical simulations of the trajectories of a moving object and experimental data obtained from a robotic platform equipped with an inertial module, a stereo camera, and a system of stationary ultra-wideband radio beacons at a closed test site with a complex route configuration. The methodology is based on an extended Kalman filter with a fifteen-dimensional state vector that includes coordinates, velocity, orientation, and quasi-stationary errors of accelerometers and gyroscopes. A formal observability analysis is performed by examining the rank of the matrix, and the influence of trajectories and beacon geometry on drift identifiability is investigated. The results of simulations and experiments show that a purely inertial system leads to an avalanche-like growth of positioning error, whereas the addition of visual odometry and radio beacons exponentially reduces the root mean square error of absolute positioning down to tenths of a meter along the entire route. It is shown that the integrated configuration provides high accuracy in estimating inertial sensor biases with a relative error on the order of a few percent, which significantly slows the accumulation of error during temporary loss of external measurements and ensures smooth degradation of accuracy in case of subsystem failures. The study additionally demonstrates a critical dependence of accuracy on the geometric configuration of radio beacons and formulates engineering recommendations for their placement to achieve the target tolerance level. The scientific novelty of the work lies in the simultaneous quantitative consideration of observability of drift parameters and the influence of infrastructure geometry, which makes it possible to define justified requirements for platform maneuvers and sensor configuration already at the system design stage. Future research directions include the use of more general nonlinear filters, analysis of system performance under non-Gaussian noise conditions, and the development of adaptive procedures for adjusting measurement weights based on the current informational value of signals.

Keywords

autonomous satellite-free navigation inertial navigation systems visual odometry UWB radio beacons extended Kalman filter

References

Бабокин М.И., Костюк Е.А., Бадак Л.А., Стёпин В.Г. Космические РСА интерферометры детальной оценки рельефа местности с одновременным формированием парных сигналов // Радиотехнические и телекоммуникационные системы. 2022. № 1 (45). С. 5-13.

Бахолдин В.С., Леконцев Д.А. Метод обработки сигналов в фазометрической радионавигационной системе // Навигация и гидрография. 2022. № 67. С. 28-36.

Берг А.Г., Кавинский В.В., Никулин А.С., Желтов С.Ю. Повышение помехозащищенности и надежности навигации с использованием методов интеграции данных инерциальных и спутниковых систем // Труды ГосНИИАС. Серия: Вопросы авионики. 2022. № 3 (58). С. 21-31.

Блинов И.Ю., Арсланбеков И.Р. Определение значения уровня входного сигнала навигационного приемника по блокированию для обеспечения возможности обработки сигналов с высоким энергетическим уровнем // Радионавигация и время: труды СЗРЦ Концерна ВКО Алмаз Антей . 2023. № 13 (21). С. 61-66.

Боев С.Ф., Тимошенко А.В., Разиньков С.Н., Шевцов В.А. Отождествление воздушных объектовпри обнаружении и сопровождении всеатмосферным радиолокатором // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. 2022. № 1. С. 50-59.

Горшков П.С., Патрикеев А.П., Полякова А.А., Чернодаров А.В. Инерциально спутниковая навигация в сложной помеховой обстановке с использованием МЭМС датчиков // Труды международного симпозиума Надежность и качество . 2024. Т. 1. С. 22-28.

Драницына Е.В., Соколов А.И. Вращение инерциального измерительного модуля как способ повышения точности бесплатформенной инерциальной навигационной системы. Аналитический обзор // Гироскопия и навигация. 2023. Т. 31. № 4 (123). С. 22-43.

Ерохин В.В., Лежанкин Б.В., Болелов Э.А., Урбанский Д.Ю. Оценка параметров многопозиционной системы наблюдения на основе адаптивного фильтра Калмана // Научный вестник ГосНИИ ГА. 2024. № 46. С. 9-19.

Ефремова Е.С., Солдаткина К.В. Алгоритмы повышения помехоустойчивости измерительных каналов системы воздушных сигналов одновинтового вертолета с неподвижным приемником потока // Вестник Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева. 2024. Т. 80. № 2. С. 132-139.

Жестерев А.Е., Ипатов В.П. Оптимальное измерение запаздывания эхосигнала спутникового высотомера при дискретных зависимых наблюдениях // Новости навигации. 2022. № 2. С. 30-35.

Завгородний А.С. О применении метода разделения сигналов глобальных навигационных спутниковых систем // Альманах современной метрологии. 2024. № 3 (39). С. 18-25.

Иванов А.В., Москвитин С.П., Иванов А.А., Лежнева Н.А. Определение аномальных измерений псевдодальности до навигационного космического аппарата в аппаратуре приема сигналов спутниковой радионавигационной системы // Радиотехника и электроника. 2024. Т. 69. № 8. С. 727-740.

Калихман Д.М., Туркин В.А. Методика контроля блоков чувствительных элементов с неортогональной ориентацией измерительных осей // Гироскопия и навигация. 2023. Т. 31. № 4 (123). С. 44-63.

Маслов И.С., Столяров В.Д. Исследование инерциальных модулей для построения пилотажнонавигационных систем // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2022. № 12. С. 80-84.

Наумченко В.П., Илюшин П.А., Пикунов Д.Г., Соловьёв А.В. Оптимизационный подход к начальной выставке платформенной инерциальной системы при воздействии шумов // Вестник Московского авиационного института. 2023. Т. 30. № 2. С. 158-168.

Issue

Section

DEVELOPMENT AND MODERNITY

Metrics

181 views
0 downloads
Want to publish with us?
Submit an article

Machine-readable metadata

Similar Articles

1 2 3 4 5 > >> 

You may also start an advanced similarity search for this article.