Bias

Il bias si riferisce a un errore sistematico nelle misurazioni dei sensori, rappresentando uno scostamento persistente tra l'output del sensore e la vera grandezza fisica. Di solito si presenta nelle stesse unità di misura di quelle del sensore. I giroscopi riportano misurazioni in gradi all'ora (°/h) o radianti al secondo (rad/s). Le misurazioni degli accelerometri sono presentate in metri al secondo quadrato (m/s²) o multipli dell'accelerazione gravitazionale (g).

Il bias del giroscopio si manifesta come uno scostamento costante della velocità angolare, che si traduce in errori nelle stime di orientamento che si accumulano nel tempo anche quando il sensore è stazionario. Il bias dell'accelerometro, analogamente, si presenta come uno scostamento costante dell'accelerazione che, se integrato nel tempo, genera errori di velocità e posizione.

In molte applicazioni ad alta precisione, queste misurazioni variano e non rimangono strettamente costanti. Le condizioni ambientali, come la temperatura, possono influenzarne i valori. Gli ingegneri compensano queste variazioni attraverso la calibrazione o la stima in tempo reale per mantenere prestazioni accurate.

A differenza del rumore casuale, che fluttua intorno allo zero, il bias rimane sistematico e si accumula continuamente nel tempo. Questo accumulo lo rende una fonte di errore critica nella navigazione inerziale.

I sistemi di navigazione integrati, come gli INS assistiti da GNSS, stimano e correggono attivamente il bias utilizzando algoritmi di fusione dei sensori. Gli ingegneri spesso implementano questi algoritmi con filtri di Kalman o tecniche correlate per mantenere una navigazione accurata e prestazioni affidabili.

Matematicamente, una misurazione del sensore (y_m) può essere rappresentata come la somma del valore reale (y_t), del bias (b) e del rumore casuale (n), dove la componente di bias è la parte deterministica che causa la deriva a lungo termine.

Equazione: y_m = y_t + b + n

Gli ingegneri devono identificare, calibrare e compensare correttamente per minimizzare gli errori di navigazione cumulativi. Una gestione adeguata garantisce un posizionamento accurato e un orientamento affidabile nel tempo. Questo approccio è particolarmente critico in ambienti privi di GNSS o ad alta dinamica.

Gli ingegneri possono misurare molti parametri diversi nelle IMU e negli INS. Questi includono la stabilità del bias in-run, la ripetibilità e il bias in funzione della temperatura.