Inertial-Odometry Module of the ERA-GLONASS Radio Navigation Device for Two-Wheeled Vehicles under Satellite Radio Signal Loss

Authors

  • V. V. Nikitin LLC “FICOM-IT”
  • S. U. Uvaisov MIREA - Russian Technological University
  • K. V. Shishakov MIREA - Russian Technological University

DOI:

https://doi.org/10.22213/2413-1172-2025-4-83-97

Keywords:

global navigation satellite system, strapdown inertial navigation system, integration of radio navigation equipment with an odometer, kalman filter, two-wheeled transport, MEMS sensors

Abstract

The article is devoted to the development and study of an inertial-odometry module for two-wheeled vehicles, which improves the characteristics of the ERA-GLONASS radio navigation device in conditions of poor satellite radio signals or their temporary inaccessibility. To do this, a mathematical model of an integrated navigation system based on an advanced Kalman filter is used, where data from MEMS accelerometers and gyroscopes are supplemented by signals from the odometer and combined into a closed correction loop. To verify the algorithm effectiveness, full-scale tests were carried out using a reference high-precision satellite navigation, which makes it possible to quantify the error of the proposed solution on a test route simulating real traffic conditions. Experimental studies have shown that the proposed algorithm enables effective suppress the cubic drift of the error in determining the position of a two-wheeled vehicle, which is characteristic of strapdown inertial navigation systems. In the long absence of a global navigation satellite system signal, the hybrid system showed a root mean square position error of less than 5 % of the distance traveled, while the error of purely inertial navigation usually exceeds 20 %. The key achievement was the successful suppression of the error accumulation on the course through the use of odometry information. Within the framework of the proposed algorithm, an adaptive zero-velocity detector is implemented, based on the analysis of the acceleration rate and angular velocity, which makes it possible to perform correction in suitable driving conditions and limit drift further. Analysis of the trajectories after performing complex maneuvers (sharp turns, acceleration and braking) confirmed the algorithm stability to the effects of dynamic rolls and short-term wheel slippage. However, it has been established that long-term intensive slippage leads to a significant increase in positional error, which requires subsequent initialization of the system based on signals from the navigation satellite system.

Author Biographies

V. V. Nikitin, LLC “FICOM-IT”

-

S. U. Uvaisov, MIREA - Russian Technological University

DSc in Engineering, Professor

K. V. Shishakov, MIREA - Russian Technological University

DSc in Engineering, Associate Professor

References

Аналитическое прогнозирование оптимальной траектории движения мобильного робота / А. А. Лобатый, Д. В. Капский, А. К. Ибрагим, И. А. Шишковец // Системный анализ и прикладная информатика. 2022. № 2. С. 21-26.

Соколов С. В., Маршаков Д. В., Чуб Е. Г. Устойчивое решение задачи автономной навигации подвижных объектов на аналитических траекторных интервалах по результатам инерциальных измерений // Измерительная техника. 2024. № 4. С. 4-15. DOI:10.32446/0368-1025it.2024-4-4-15

Неусыпин К. А., Пролетарский А. В., Селезнёва М. С. Алгоритмы комплексирования инерциальной навигационной системы с датчиками угловых ускорений // Механика и мехатроника. 2023. Т. 24, № 2. С. 107-112. DOI: 10.17587/mau.24.107-112

Килин А. А., Караваев Ю. Л., Шестаков В. А. Движение без проскальзывания и отрыва от поверхности четырехколесного высокоманевренного мобильного робота // Мехатроника, автоматизация, управление. 2023. № 24 (8). С. 403-411. DOI: 10.17587/mau.24.403-411

Прохорцов А. В., Балабаев О. С. Обзор бесплатформенных инерциальных навигационных систем отечественного и импортного производства // Известия ТулГУ. Серия: Технические науки. 2024. № 7. С. 350-355. DOI: 10.24412/2071-6168-2024-7-350-351

Обзор методов комплексирования в интегрированных навигационных системах / М. Б. Богданов, А. В. Прохорцов, В. А. Смирнов, В. В. Савельев, А. Э. Соловьев // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2020. № 5. С. 118-126. DOI: 10.24411/ 2071-6168-2020-00044

Иванов В. Ф., Охотников А. Л., Градусов А. Н. Алгоритм комплекси-рования сенсорных данных для задач автоматического управления подвижным составом // Автоматика на транспорте. 2024. № 4. С. 360-371. DOI: 10.20295/2412-9186-2024-10-04-360-371

Liu N. , Chen T. , Wang Y. , Zhao. H. (2025) Adaptive Kalman Filter Integrated Navigation Measurement Enhanced by Convolutional and Recurrent Neural Networks for Vehicle Motion State Recognition. Measurement, vol. 231, no. 113456. DOI: 10.1016/j.measurement.2025.116907

Крамлих А. B., Николаев П. Н., Рылько Д. В. Бортовой двухэтапный алгоритм определения ориентации наноспутника SamSat-ION // Гироскопия и навигация. 2023. № 31 (2). С. 65-85. EDN FBUMKZ

Ge Y. , Liu H. , Zhang Z. (2025) Noise Processing Method of MEMS Tilt Sensor Us-ing Quantum Particle Swarm Optimization and Kalman Filter // IEEE Sensors Access, vol. 13, pp. 67239-67249. DOI: 10.1109/ACCESS. 2025.3552945

Брич И. А. Сравнительный анализ алгоритмов фильтрации данных инерциальных датчиков // Политехнический молодежный журнал. 2023. № 2 (79). DOI: 10.18698/2541-8009-2023-2-864

Ostermeier M., Sindinger S.-L. , Marschall D. (2024) IMU Based Assesment of Rider Kinematics in Motocross - a Pilot Study // Applied Human Factors and Ergonomics: Open Access Proceedings, pp. 2167-2172. DOI: 10.54941/ ahfe1005784

Zhang R., Zhou M., Shen L., Sun Y. (2020) Adaptive Fusion Algrithm for Low Cost Inertial and GNSS Measurements with Application in Autonomous Navigation // Chinese Journal of Aeronautics, vol. 33, no. 12, pp. 3089-3102. DOI: 10.1016/j.cja.2020.03.008

Faraji J., Keighobadi J., Janabi Sharifi F. (2025) Design and implementation of an adaptive extend-ed Kalman filter with interval type 3 fuzzy set for an attitude and heading reference system // Signal Processing, vol. 223, 109947. DOI: 10.1016/j.sigpro.2025.109947

Козадаев К. В. Кватернионный базис для алгоритма бесплатформенной инерциальной навигационной системы БПЛА // Вестник Полоцкого государственного университета. Серия С: Фундаментальные науки. 2020. № 4. С. 10-14.

Василюк Н. Н. Слабое комплексирование инерциальных и спутниковых измерений с помощью расширенного фильтра Калмана с кватернионным представлением ориентации // Проблемы управления. 2019. № 4. С. 20-28. DOI: 10.25728/pu.2019.4.8

Реализация алгоритмов ориентации бесплатформенных инерциальных навигационных систем / В. В. Матвеев, М. Г. Погорелов, В. В. Лихошерст, А. В. Каликанов, М. Д. Кирсанов, Д. С. Стрельцов, А. Г. Колесникова // Известия ТулГУ. Технические науки. 2022. № 12.

Фокин Г. А., Владыко А. Г. Позиционирование транспортных средств с комплексированием дальномерных, угломерных и инерциальных измерений в расширенном фильтре Калмана // Труды учебных заведений связи. 2021. Т. 7, № 2. С. 51-67. DOI: 10.31854/1813-324X-2021-7-2-51-67

Голован А. А. Интеграционное решение «БИНС-одометр»: позиционный вариант // Гироскопия и навигация. 2021. № 2 (113). С. 110-125. DOI: 10.17285/0869-7035.0066

Wahlström J., Skog I. (2021) Fifteen Years of Progress at Zero Velocity: a Review // IEEE Sensors Journal, vol. 21, no. 2, pp. 1139-1151. DOI: 10.1109/ JSEN.2020.3018880

Bellés A., Medina D., Chauchat P., Labsir S., Vilà Valls J. (2024) Robust Error State Kalman Type Filters for Attitude Estimation // EURASIP Journal on Advances in Signal Processing, vol. 2024, no. 75, 19 p.

Published

28.12.2025

How to Cite

Nikitin В. В., Uvaisov С. У., & Shishakov К. В. (2025). Inertial-Odometry Module of the ERA-GLONASS Radio Navigation Device for Two-Wheeled Vehicles under Satellite Radio Signal Loss. Vestnik IzhGTU Imeni M.T. Kalashnikova, 28(4), 83–97. https://doi.org/10.22213/2413-1172-2025-4-83-97

Issue

Section

Articles