DE2818202A1

DE2818202A1 - Navigationsgeraet fuer land-, luft- oder seefahrzeuge

Info

Publication number: DE2818202A1
Application number: DE19782818202
Authority: DE
Inventors: Uwe Krogmann
Original assignee: Bodenseewerk Geratetechnik GmbH
Current assignee: Bodenseewerk Geratetechnik GmbH
Priority date: 1978-04-26
Filing date: 1978-04-26
Publication date: 1979-11-08
Also published as: GB2020019B; FR2424517B1; DE2818202C2; FR2424517A1; GB2020019A

Description

Patentanwälte
DIPL.-PHYS. JÜRGEN WEISSE DIPL.-CHEM. DR. RUDOLF WOLGAST

D 562o Velbert 11 - Langenberg, Bökenbusch 41 Postfach 11 o3 86 Telefon (o2127) 4ol9 Telex 8516895

Patentanmeldung Bodenseewerk Gerätetechnik GmbH, D-7770 Überlingen/Bodensee

Navigationsgerät für Land-, Luft- oder Seefahrzeuge

Die Erfindung betrifft ein Navigationsgerät für Land-, Luftoder Seefahrzeuge, enthaltend:.

eine Trägheitsmeßeinheit mit drehempfindlichen Trägheitssensoren, welche auf Drehbewegungen um fahrzeugfeste Achsen ansprechen, und Beschleunigungsmessern, welche auf Linearbeschleunigungen längs fahrzeugfester Achsen ansprechen, Geschwindigkeitssensoren, welche auf die Geschwindigkeitskomponenten des Fahrzeugs über Grund in Richtung vorgegebener fahrzeugfester Achsen ansprechen, und einen Transformationspar ameter-Rechner, auf den die Signale der Trägheitsmeßeinheit aufgeschaltet sind und der zur Berechnung von Transformationsparametern zur Transformation von Vektorkomponenten von einem fahrzeugfesten Koordinatensystem in ein erdfestes Koordinatensystem eingerichtet ist.

Ein Navigationsgerät hat die Aufgabe, die Position des Fahrzeugs in einem geeigneten erdfesten Koordinatensystem anzugeben.

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Es sind Tragheitsnavigationsgeräte bekannt, bei denen eine kardanisch aufgehängte und durch Kreisel gegenüber dem Fahrzeug stabilisierte Plattform Beschleunigungsmesser trägt, welche auf Linearbeschleunigungen längs plattformfester Achsen ansprechen. Durch zweimalige Integration der Beschleunigungssignale werden Signale erhalten, die den gegenüber einem Bezugspunkt in den verschiedenen Richtungen zurückgelegten Weg wiedergeben. Da die Kreisel die Plattform im inertialen Raum zu stabilisieren trachten, während üblicherweise die Plattform mit einer Achse senkrecht zur Erdoberfläche ausgerichtet gehalten werden soll, werden die Ausgangssignale zum Nachdrehen auf die Plattform zurückgeführt (Richard H. Parvin "Inertial Navigation" D. van Nostrand Comp. Inc, 1962). Solche Tragheitsnavigationsgeräte mit kardanisch aufgehängter und stabilisierter und der Erdoberfläche nachgeführter Plattform sind außerordentlich aufwendig. Die durch Integration der Beschleunigungssignale erhaltenen Geschwindigkeitsund Positionssignale sind mit bestimmten charakteristischen Fehlern behaftet.

Es ist weiterhin bekannt, die Beschleunigungsmesser nicht auf einer stabilisierten Plattform sondern fahrzeugfest anzuordnen. Durch Wende-Kreisel werden Lageänderungen des Fahrzeugs erfaßt, welche zur Berechnung von Transformationsparametern benutzt werden, die die gegenseitige Lage von fahrzeugfestem Meßsystem und erdfestem Bezugssystem beschreiben. In einem Koordinatentransformations-Rechner werden die in dem fahrzeugfesten Koordinatensystem gemessenen Beschleunigungssignale in das erdfeste Koordinatensystem transformiert. Durch Integration können dann Geschwindigkeits- und Positionssignale in einem erdfesten Koordinatensystem gewonnen werden. Man bezeichnet solche Geräte als "Strapdown"-Trägheitsnavigationsgeräte (V. Wetzig "Zur Ermittlung der Richtungsreferenz in Strapdown-Navigationssystemen" DFVLR, IFF, 1974)

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Es ist ferner in der nicht vorveröffentlichten, älteren Patentanmeldung P 27 41 274.4-52 ein Gerät zur automatischen Bestimmung der Nordrichtung in einem Landfahrzeug vorgeschlagen worden, bei welchem ein zweiachsiger, elektrisch gefesselter Kreisel mit seiner Drallachse im wesentlichen vertikal angeordnet ist und an seinen zueinander und zu der Drallachse senkrechten Eingangsachsen je einen Lageabgriff und einen Drehmomenterzeuger aufweist. Das Signal jedes einer Eingangsachse zugeordneten Lageabgriffs ist überkreuz auf den Drehmomenterzeuger der jeweils anderen Eingangsachse geschaltet. Die den beiden Drehmomenterzeugerη zugeführten Signale sind gleichzeitig auf einen Nordabweichungsrechner geschaltet, welcher aus dem Verhältnis der Signale ein die Abweichung einer gerätefesten Referenzrichtung von Nord wiedergebendes Signal liefert. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Patentanmeldung P 27 41 274.4-52 ist mit der Kreiseleinheit ein Paar von Beschleunigungsmessern verbunden, deren Empfindlichkeitsachsen zueinander senkrecht stehen und parallel zu den beiden Eingangsachsen welche ein Paar von FehlerSignalen nach Maßgabe der Abweichung der Kreiseldrallachse von der Vertikalen liefern. Aus den Signalen des Nordabweichungsrechners und der Beschleunigungsmesser v/erden die Lagwinkel der KCeiseleinhe'it und insbesondere die Norabweichung berechnet. Bei Verwendung in einem Fahrzeug sind die Beschleunigungsmesser fahrzeugfest angeordnet und das Gehäuse des Kreisels ist um 90° um eine der Eingangsachsen des Kreisels verschwenkbar. Ein Rechner berechnet aus der durch die Beschleunigungsmesser gelieferten Information über die Lage des Fahrzeugs zur Horizontalen und den von dem Kreisel gelieferten Winkelgeschwindigkeiten um die fahrzeugfesten Eingangsachsen des Kreisels den wahren Kurs.

Das Gerät nach dieser älteren Anmeldung liefert den Kurs jedoch nicht die Position des Fahrzeugs.

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Es ist weiterhin ein Gerät zur Navigation von Landfahrzeugen bekannt (DE-OS 25 45 025) , welches einen nordsuchenden Meridiankreisel zur Bestimmung der Nordrichtung, einen nach dem Meridiankreisel ausrichtbaren freien Kreisel als Kursreferenzgerät, einen Geschwindigkeitsgeber (Tachometer) zur Erzeugung eines der Fahrzeuggeschwindigkeit proportionalen Signals und einen Rechner aufweist, der aus Kurs und Geschwindigkeit die Position des Fahrzeugs liefert. Die Bestimmung der Position des Fahrzeugs aus den Signalen eines Geschwindigkeitsgebers ist ebenfalls mit bestimmten, für dieses Navigationsverfahren charakteristischen Fehlern behaftet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Navigationsgerät für Land-, Luft- oder Seefahrzeuge zu schaffen, welches bei einfachem Aufbau eine genaue Bestimmung der Position gestattet.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch Korrektursignalgeber, auf welche Transformationsparameter von dem Transformationsparameter-Rechner aufgeschaltet sind und deren Ausgangssignale die durch die Schwerkraft hervorgerufenen Anteile der an den Beschleunigungsmessern wirkenden Beschleunigungen wiedergeben und den Signalen der Beschleunigungsmesser zur Bildung von Translationsbeschleunigungssignalen überlagert sind, Integratoren auf welche die Translationsbeschleunigungssignale aufgeschaltet sind und welche inertiale Geschwindigkeitssignale liefern, ein Optimalfilter, auf welches die inertialen Geschwindigkeitssignale und die Signale der Geschwindigkeitssensoren aufgeschaltet sind und welches unter Berücksichtigung dieser Signale optimierte Geschwindigkeitssignale bezogen auf fahrzeugfeste Koordinaten liefert, einen Koordinatentransformations-Rechner, dem die optimalen Geschwindigkeitssignale und die Transformationsparameter von dem Transformationsparameter-Rechner zugeführt werden und der zur Transformation dieser Geschwindigkeitssignale in transformierte Geschwindigkeitssignale eingerichtet ist, die auf ein erdfestes Koordinatensystem bezogen sind, und einen Positionsrechner, auf den die transformierten Geschwindigkeitssignale aufgeschaltet sind und der zur Bildung von Positionssignalen eingerichtet ist, welche die Position des Fahrzeugs wi^igrg^bgijy.g q g g

-JV-

Nach der Erfindung werden Geschwindigkeitssignale einmal nach den Prinzipien der Trägheitsnavigation aus den Signalen der Beschleunigungsmesser gewonnen. Die auf Drehbewegung ansprechenden Trägheitssensoren der Trägheitsmeßeinheit gestatten die Kompensation der von der Schwerkraft herrührenden Anteile in den BeschleunigungsmesserSignalen, so daß sich ohne kreiselstabilisierte Plattform Signale ergeben, welche die reinen Translationsbeschleunigungen in fahrzeugfesten Koordinaten wiedergeben. Daraus lassen sich durch zeitliche Integration "inertiale" Geschwindigkeitssignale erzeugen. Weitere Geschwindigkeitssignale ebenfalls in fahrzeugfesten Koordinaten werden von -den Geschwindigkeitssensoren geliefert, so daß die Geschwindigkeitsinformation redundant, nämlich einmal durch die inertialen Geschwindigkeitssignale und zum anderen durch die Geschwindigkeitssensoren zur Verfügung steht. Jedes dieser Geschwindigkeitssignale ist mit für das betreffende Meßverfahren charakteristischen Fehlern behaftet, so daß die Geschwindigkeitssignale in der Regel voneinander abweichen werden. Das inertiale Geschwindigkeitssignal neigt zu zeitlich anwachsenden Fehlern, während bei den meisten Geschwindigkeitssensoren ζextinvariante Nullpunkts- und Skalenfaktorfehler auftreten. Die beiden Arten von Geschwindigkeitssignalen werden auf ein Optimalfilter gegeben, das Schätzwerte liefert, welche den unterschiedlichen Fehlerverläufen Rechnung trägt und die wahrscheinlichsten Werte für die Geschwindigkeitskomponenten darstellt.

Solche Optimalfilter und ihre Auslegung sind an sich bekannt (A. Gelb "Applied Optimal Estimation" MIT Press, London 1974 oder U. Krogmann "Das Kaiman-Filter" in "Internationale Elektronische Rundschau" 1974 Heft 3 Seiten 45-49 und Heft 4 Seiten 71-76).

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Die so im fahrzeugfesten Koordinatensystem gewonnenen optimierten Geschwindigkeitssignale werden dann durch den Koordinatentransformations-Rechner mittels der Transformationsparameter, die hierbei ihre zweite Funktion erfüllen, in ein erdfestes Koordinatensystem transformiert. Aus den so transformierten Geschwindkeitskomponenten wird die Position bestimmt.

Vorteilhafterweise sind von dem Optimalfilter Transformationsparameter-Korrektursignale auf den Transformationsparameter-Rechner aufgeschaltet.

Weiterhin ist es möglich und vorteilhaft, daß von dem Optimalfilter Geschwindigkeits-Korrektursignale zur Korrektur der Ausgangssignale der Geschwindigkeitssensoren erzeugbar sind, um die erwähnten typischen Fehleranteile wenigstens teilweise zu kompensieren.

Die Trägheitsmeßeinheit kann nach Art der Patentanmeldung P 27 41 274.4-52 mit einem zweiachsigen Kreisel und zwei Beschleunigungsmessern aufgebaut sein, wobei als weiterer drehempfindlicher Trägheitssensor ein Drehbeschleunigungsmesser mit nachgeschaltetem Integrator vorgesehen ist, dessen Eingangsachse parallel zur Drallachse des Kreisels in dessen verschwenkter Stellung liegt.

Statt zweier einachsiger Beschleunigungsmesser kann auch ein zweiachsiger Beschleunigungsmesser verwendet werden. Statt eines zweiachsigen Kreisels können auch zwei einachsige Wendekreisel vorgesehen sein. Schließlich können auch statt eines zweiachsigen Kreisels zwei einachsige Drehbeschleunigungsmesser mit nachgeschalteten Integratoren verwendet werden.

09845/QQ8i

*\ 28182Ü2

Als Geschwindigkeitssensoren können in der Luftfahrt ein Doppler-Radar, in der Seefahrt ein Sonar-Log und bei Landfahrzeugen ein Laser oder elektromechanischer Weg- bzw. Geschwindigkeitsgeber vorgesehen sein.

Die Erfindung ist nachstehend an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert:

Fig. 1 ist eine perspektivische Darstellung und

zeigt schematisch ein Fahrzeug und die Anordnung der verschiedenen Sensoren an diesem Fahrzeug.

Fig. 2 zeigt perspektivisch die Trägheitsmeßeinheit bei der Bestimmung der Nordrichtung.

Fig. 3 zeigt die Anordnung und Schaltung des

zweiachsigen Kreisels bei der Trägheitsmeßeinheit von Fig. 2.

Fig. 4 zeigt die Trägheitsmeßeinheit in ihrer Betriebsstellung "Navigation".

Fig. 5 ist ein Schaltbild und zeigt die Signalverarbeitung für die Navigation.

Fig. 6 zeigt als Blockdiagramm ein Optimalfilter,

wie es bei der Anordnung von Figur 5 benutzt wird.

In Fig. 1 ist mit 10 ein Fahrzeug bezeichnet. An dem Fahrzeug 10 sitzen Geschwindigkeitssensoren 12,14 angebracht, beispielsweise elektromechanische Geschwindigkeitsgeber, welche die Fahrzeuggeschwindigkeit in Richtung der Fahrzeuglängs-

F F

achse χ und der Fahrzeugsquerachs y liefern. An dem Fahrzeug ist weiterhin eine Trägheitsmeßeinheit 16 angebracht. Die

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Trägheitsmeßeinheit 16 enthält in einem Rahmen (Gehäuse) einen zweiachsigen Kreisel 20, der um eine zur Fahrzeugquerachse parallele Achse 22 relativ zu dem Rahmen 18 verschwenkbar ist. Diese Verschwenkung erfolgt mittels eines Motors 24 und wird durch einen Winkelgeber 26 überwacht. In der dargestellten Stellung des Kreisels 20 ist die Drallachse parallel zur Fahrzeuglängsachse χ . Die beiden Eingangsachsen

des Kreisels 20 sind parallel zur Fahrzeugquerachse y und zur

F
Fahrzeughochachse ζ . An dem Rahmen 18 der Trägheitsmeßeinheit sind weiterhin zwei Beschleunigungsmesser 28 und 30 angebracht. Die Eingangsachse des Beschleunigungsmessers 28 ist parallel zur Fahrzeuglängsachse χ und die Eingangsachse des Beschleuni-

F gungsmessers 30 ist parallel zur Fahrzeugquerachse y . Die Trägheitsmeßeinheit 16 enthält weiterhin einen Drehbeschleunigungsmesser 32, dessen Eingangsachse parallel zur Fahrzeuglängs-

achse χ und zur Drallachse des Kreisels 20 ist. Der Drehbeschleunigungsmesser 32 mißt also Drehbeschleunigungen um die

F
Fahrzeuglängsachse χ .

Der Kreisel 20 kann mit seinem Gehäuse zwischen der in Fig. dargestellten Stellung und einer dagegen um 90 verdrehten Stellung verschwenkt werden, die in Fig. 4 dargestellt ist. Diese Verschwenkung erfolgt mittels des Stellmotors 24, der über eine von dem Winkelgeber 26 gesteuerte Servoelektronik ansteuerbar ist. Je nach Stellung eines Schalters 36 steuert die Servoelektronik den Stellmotor in die in Fig. 2 dargestellte Stellung oder in die Stellung von Fig. 4.

In der Stellung von Fig. 2 liefert der Kreisel 20 Signale, welche eine Bestimmung der Nordrichtung gestatten. Das ist Gegenstand der älteren Patentanmeldung P 27 41 274.4-52 und in Fig. 3 nochmals schematisch dargestellt.

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Der Kreisel 20 ist in Fig. 3 mit seiner Drallachse H parallel zur Hochachse z_, des Gehäuses oder Rahmens 18 angeordnet. Die Eingangsachse y_G des Kreisels fällt mit der Achse 22 (Fig. 1) zusammen, während die Eingangsachse x_ senkrecht zur Drallachse des Kreisels und der Eingangsachse y_r verläuft. Der Kreisel ist in einem Kardanrahmen 38 um die Eingangsachse x_G drehbar gelagert. Auf der Eingangsachse x„ sitzt ein Abgriff 40 und ein

ti

Drehmomenterzeuger 42. Der Kardanrahmen 38 ist an dem Rahmen um die Eingangsachse y_ drehbar gelagert« Auf der Eingangsachse y_ sitzt ein Abgriff 44 und ein Drehmomenterzeuger 46.

Das Ausgangssignal des Abgriffs 44 ist über einen Verstärker auf den Drehmomenterzeuger 42 geschaltet. Das Signal des Abgriffs 40 ist über einen Verstärker 50 auf den Drehmomenterzeuger 46 geschaltet. Die Verstärkungsgrade der Verstärker und 50 sind so hoch gewählt, daß der Kreisel 20, der Kardanrahmen 38 und der Rahmen 18 praktisch elektrisch an die in Fig. 3 dargestellten relativen Lagen gefesselt sind. Wenn die Achse z_G genau vertikal angeordnet ist, dann ist das Verhältnis der an den Ausgängen 52 bzw. 54 abgegriffenen, auf die Drehmomenterzeuger 42 bzw. 46 geschalteten Signale proportional den Tangens des Winkels ψ zwischen der Eingangsachse y_G und der Nordrichtung. Bei einer Abweichung zwischen der Hochachse ζ und der Vertikalen, welche durch die Beschleunigungsmesser 28 und 30 feststellbar ist, werden in einer Signalverarbeitungsschaltung 56 (Fig. 2) der die Ausgangssignale der Beschleunigungsmesser 28 und 30 und die Signale von den Ausgängen 52 und 54 zugeführt werden, die Lagewinkel und der wahre Kurs des Fahrzeugs 10 bestimmt.

Auf diese Weise wird zu Beginn der Fahrt die Nordrichtung und der wahre Kurs des Fahrzeugs in Bezug auf diese Nordrichtung ermittelt. Anschließend wird der Kreisel 20 um 90 in die in Fig. 4 und 5 dargestellte Lage verschwenkt. Nach der Lehre der Patentanmeldung P 27 41 274.4-52 wirkt der Kreisel dann als Kurskreisel.

9Ö9845/0089 " ¹⁰ -

- yr-

Bei der vorliegenden Anordnung enthält die Trägheitsmeßeinheit 16 noch zusätzlich den Drehbeschleunigungsmesser 32, dem ein Integrator 58 nachgeschaltet ist und der auf diese Weise die

F Winkelgeschwindigkeit um die Fahrzeuglängsachse χ liefert, während der Kreisel 20 Signale abgibt, welche die Winkel-

F F

geschwindigkeiten um die Achsen y und ζ , also die Fahrzeugquerachse und die Fahrzeughochachse, wiedergeben.

Die von dem Kreisel 20 gelieferten Winkelgeschwindigkeiten w und w um die Fahrzeugquerachse y bzw. die Fahrzeughochachse

F ^Z
z und die von dem Drehbeschleunigungsmesser 32 und Integrator

F 58 gelieferte Winkelgeschwindigkeit w um die Fahrzeuglängs-

F
achse χ werden auf einen Transformationsparameter-Rechner 60 geschaltet. Als Transformationsparameter zwischen dem fahrzeugfesten Koordinatensystem und einem erdfesten Koordinaten-

N system dienen die Elemente der Richtungskosinusmatrix C„. Einer Rechnereinheit 62 werden über einen Eingang 64 die

N
Anfangswerte C₇-, (0) der Richtungskosinusmatrix zugeführt, die

nach der Lehre der Patentanmeldung P 27 41 274.4-52 bestimmt werden. Die Rechnereinheit bildet daraus und aus den Winkel-

K)

geschwindigkeiten ω
Richtungskosinusmatrix nach der Beziehung

die Zeitableitung C_p der

-NW F

FF*

wobei Ω der Drehgeschwindigkeitstensor

F F

- ω

— b)

- ta χ

ist. Dabei berechnen sich die Elemente des Drehgeschwindigkeitstensor aus den gemessenen Drehgeschwindigkeitssignalen

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wie folgt:

F	ω	^ωζ	F	W	χ	^wz
χ		F
F		W y
«ν		F
F

- c

Ω„cos Φ

R+H

R+H ^VE

FF

wobei w ,w χ y

die Drehgeschwindigkeitssignale,,β „ die

^ tu

Erddrehgeschwindigkeit,Φ die geographische Breite, V„, V„ die Ost- bzw. Nordgeschwindigkeit des Fahrzeugs, R der Erdradius und H die Höhe des Fahrzeugs über dem Meeresspiegel ist. Die so erhaltene Matrix C„, dargestellt durch neun Elemente, wird durch einen Integrator 66 integriert, d.h. der Integrator

"F

integriert jedes der neun Elemente der Matrix C_n, wodurch die neun Elemente der durch die Drehgeschwindigkeiten gegenüber dem Anfangszustand veränderten Richtungskosinusmatrix C erhalten werden. Diese Elemente werden, wie durch die Verbindung 68 angedeutet ist, auf die Rechnereinheit 62 aufgeschaltet, welche bei digitaler Signalverarbeitung nun C_ im nächsten Rechenzyklus

S mit der neuen Richtungskosinusmatrix C_ bildet.

Bei analoger Signalverarbeitung wäre die Rechnereinheit 62 eine Schaltungsanordnung mit Multiplizier- und Addiergliedern, welche aus neun Eingangssignalen von der Verbindung 68 und den drei Winkelgeschwindigkeitssignalen ω ,ω ,ω neun

x y ζ

Linearkombinationen nach den Regeln der Multiplikation von Matrizen bildet. Diese neun Linearkombinationen sind auf neun analoge Integratoren im Integrator 66 geschaltet, deren Ausgänge über die Verbindung 68 auf die Rechnereinheit 62 zurückgeführt sind. Über Eingang 64 werden die Elemente der Richtungskosinusmatrix C_n,, nämlich die Ausgänge der Integratoren, für die Zeit t=0 auf vorgegebene Anfangswerte zurückgesetzt.

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Statt mit den Elementen der Richtungskosinusmatrix als Transformationsparameter kann die Matrixierung auch mit den vier Elementen einer Drehquaternion oder direkt mit drei Eulerwinkeln erfolgen.

Am Ausgang des Transformationsparameter-Rechners 60 stehen somit ständig die Transformationsparameter zur Transformation eines Vektors aus einem fahrzeugfesten Koordinatensystem (F-System) in ein erdfestes Koordinatensystem (N-System) etwa mit den Koordinaten Nord, Ost und Vertikale, in Form der Elemente C, der Richtungskosinusmatrix C_p zur Verfugung.

Wenn die Fahrzeughochachse ζ und damit die Hochachse ζ der Trägheitsmeßeinheit 16 nicht genau vertikal ist, dann wirken auf die beiden Beschleunigungsmesser 28 und 30 Komponenten der Erdbeschleunigung g. Diese Komponenten in den Ausgangssignalen der Beschleunigungsmesser 28,30 werden durch die Ausgangssignale von KorrekturSignalgebern 70 bzw. 72 kompensiert. Diesen KorrekturSignalgebern 70 und 72 werden vom Ausgang des Transformationsparameter-Rechners 60 die Richtungskosinusse C₃₁ bzw. C-,₂ zugeführt, wobei die Korrektur Signalgeber 70 und 72 Ausgangssignale gC₃₁ bzw. 9C₃₂ liefern. Diese Ausgangssignale werden den Signalen von den Beschleunigungsmessern 28,30 in Summierpunkten 74 bzw. 76 überlagert, wodurch reine Translationsbeschleunigungssignale gebildet werden, welche die Translationsbeschleunigungen des Fahrzeugs in dem fahrzeugfesten Koordinatensystem wiedergeben.

Die so erhaltenen Translationsbeschleunigungssignale sind auf Integratoren 78 bzw. 80 aufgeschaltet, die inertiale Geschwindig-

F F

keitssignale v_T bzw. ν liefern. Weitere Geschwindigkeits-

F F
signale V_n und V_n werden von den Geschwindigkeitssensoren

^x Y ρ ρ

12 und 14 geliefert. Diese Geschwindigkeitssignale ν_τ , ν

FF
bzw. ν , ν werden einem Optimalfilter 82 zugeführt.

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Das Optimalfilter 82 ermittelt aus den Geschwindigkeitssignalen

T? "P ¹P "P

v_T , ν , v_T und V_n optimierte Geschwindigkeitssignale ν und ν für die Komponenten der Geschwindigkeit in einem fahrzeugfesten Koordinatensystem. Ferner liefert das Optimalfilter 82 Korrektursignale C_x. für die Transformations-Jj Korr ρ _F

parameter CL₁ und Korrektursignale ν _v _, und ν „. für die i; xj\orr yi\orr

von den Geschwindigkeitssensoren (12,14 gemessenen Geschwindigkeiten. Die Signale C, werden über eine Verbindung 84 auf einen Korrekturrechner 88 gegeben, der einen Teil des Transformationsparameter-Rechner 60 bildet. Die Korrektursignale ν Ko und ν_vKorr werden Korrekturschaltungen 88 bzw. 90 zugeführt, welche eine Korrektur der von den Geschwindigkeitssensoren 12,14 gelieferten Geschwindigkeitssignale bewirken. Dadurch kann beispielsweise der Schlupf von Ketten oder Rädern bei Landfahrzeugen mit elektromechanischen Geschwindigkeit sgeber η berücksichtigt werden.

Bei Landfahrzeugen kann man von der Annahme ausgehen, daß die Quergeschwindigkeit ν =0 ist. Der Geschwindigkeitssensor kann dann entfallen, so daß dem Optimalfilter 82 der Wert

F
V_n = 0 zugeführt wird.

Mit den von dem Optimalfilter 82 gelieferten Geschwindigkeitskomponenten ν ,ν sowie den aus einem Vertikalkanal 92

^ y F

gelieferten Vertikalgeschwindigkeit ν werden in einem Koordinatentransformations-Rechner 94, dem auch die korrigierten Transformationsparameter C„ von dem Transformationsparameter-Rechner 60 zugeführt werden, die Geschwindigkeitskomponenten ^VE' ^vN^{f V}D *~ⁿ ^e^-^nem raum- oder erdfesten Koordinatensystem nach der Beziehung V = CL₁ V berechnet. Diese Geschwindigkeitskomponenten v„, v„, v_, sind auf einen Positionsrechner 96

£i IM JJ

geschaltet, der daraus nach den üblichen Methoden der Koppelnavigation die Position des Fahrzeugs nach Nord (N) Ost (E) und Höhe (H) berechnet. Aus den Werten für die Nordbzw. Ost-Position kann die geographische Breite Φ berechnet werden, wie in P 25 45 025.3 angegeben. Φ wird für die Berechnung des Drehgeschwindigkeitstensors benötigt.

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Obwohl dies für das erfindungsgemäße Navigationsverfahren nicht erforderlich ist, können zusätzlich durch einen Lagewinkelrechner 98 der Kurs φ sowie Nick- und Rollwinkel 9- bzw. Φ aus den Elementen der Richtungskosinusmatrix ermittelt und angezeigt werden, wie dies z.B. in der Patentanmeldung P 27 41 274.4-52 offenbart ist.

F Bei Schiffen und Landfahrzeugen kann ν =0 gesetzt werden.

Die Struktur des Optimalfilters 82 ist in Figur 6 dargestellt.

F F Die Geschwindigkeitssignale v_T und ν sind in einem Summierpunkt 100 gegeneinandergeschaltet. Ebenso sind die Geschwindigkeitssignale ν und ν in einem Summierpunkt gegeneinandergeschaltet. Den Differenzsignalen sind in Summierpunkten 104 bzw. 106 Rückführsignale überlagert. Die so an den Summierpunkten erhaltenen Signale werden einem linearisierten dynamischen Modell 108 des Systems, welches das Kernstück des Optimalfilters 82 bildet, mit zeitabhängigen Faktoren K_x(t) und K (t) zugeführt.

Das Modell 108 erhält somit als Eingangsgröße einen zweidimensionalen Zustandsvektor. Es liefert als Ausgang einen Zustandsvektor χ mit den Komponenten

χ =

FF FF

^Vx ' ^Vy ' ^CKorr' ^VxKorr ' ^vyKorr

Der Block F(t) enthält als zeitabhängige Matrix die Beiwerte des linearisierten dynamischen Modells, dessen Ordnung der Anzahl der Elemente im Zustandsvektor χ entspricht. Der mitj dt bezeichnete Block bildet durch Integration und Linearkombination der Komponenten aus den zeitabhängig gewichteten Eingangssignalen den Zustandsvektor x. Dieser Zustandsvektor χ bildet die Ausgangsgrößen des Optimalfilters 82 und wird außerdem über den Block H, der eine Matrix mit zwei Zeilen und einer Anzahl von

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Spalten entsprechend der Ordnung von χ symbolisiert, in einen zweidimensionalen Vektor umgesetzt, der die beiden Rückführsignale darstellt.

- 16 -

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Claims

- xr-

Patentansprüche

' 1 .) Navigationsgerät für Land-, Luft- oder Seefahrzeuge, '"■— enthaltend:

eine Trägheitsmeßeinheit mit drehempfindlichen Trägheitssensoren, welche auf Drehbewegungen um fahrzeugfeste Achsen ansprechen, und Beschleunigungsmessern, welche auf Linearbeschleunigungen längs fahrzeugfester Achsen ansprechen,

Geschwindigkeitssensoren, welche auf die Geschwindigkeitskomponenten des Fahrzeugs über Grund in Richtung vorgegebener fahrzeugfester Achsen ansprechen, und einen Transformationsparameter-Rechner, auf den die Signale der Trägheitsmeßeinheit aufgeschaltet sind und der zur Berechnung von Transformationsparametern zur Transformation von Vektorkomponenten von einem fahrzeugfesten Koordinatensystem in ein erdfestes Koordinatensystem eingerichtet ist,

gekennzeichnet durch

KorrekturSignalgeber (70,72) auf welche Transformationsparameter von dem Transformationsparameter-Rechner (60) aufgeschaltet sind und deren Au'sgangssignale die durch die Schwerkraft hervorgerufenen Anteile der an den Beschleunigungsmessern (28,30) wirkenden Beschleunigungen wiedergeben und den Signalen der Beschleunigungsmesser (28,30) zur Bildung von Translationsbeschleunigungssignalen überlagert sind,

- 17 -

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ORIGINAL INSPECTE

- vr -

Integratoren (78,80) auf welche die Translationsbeschleunigungssignale aufgeschaltet sind und welche inertiale Geschwindigkeitssignale liefern,

ein Optimalfilter (82), auf welches die inertialen Geschwindigkeitssignale und die Signale der Geschwindigkeitssensoren (12,14) aufgeschaltet sind und welches unter Berücksichtigung dieser Signale optimierte Geschwindigkeitssignale bezogen auf fahrzeugfeste Koordinaten liefert,

einen Koordinatentransformations-Rechner (94), dem die optimierten Geschwindigkeitssignale und die Transformationsparameter von dem Transformationsparameter-Rechner (60) zugeführt werden und der zur Transformation dieser Geschwindigkeitssignale in transformierte Geschwindigkeitssignale eingerichtet ist, die auf ein erdfestes Koordinatensystem bezogen sind, und

einen Positionsrechner (96) , auf den die transformierten Geschwindigkeitssignale aufgeschaltet sind und der zur Bildung von Positionssignalen eingerichtet ist, welche die Position des Fahrzeugs (10) wiedergeben.
2. Navigationsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von dem Optimalfilter (82) Transformationsparameter-Korrektursignale auf den Transformationsparameter-Rechner (60) aufgeschaltet sind.
3. Navigationsgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß von dem Optimalfilter (82) Geschwindigkeits-Korrektur signale zur Korrektur der Ausgangssignale der Geschwindigkeitssensoren (12,14) erzeugbar sind.

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