CN108351214A - 用于设计导航路径的方法以及用于根据所述导航路径来定向瞄准构件的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于根据安装在交通工具(1)上的混合惯性导航系统(100)来设计导航路径的方法，包括以下步骤：‑使用接收惯性导航数据和非惯性导航数据的卡尔曼滤波器来计算第一混合导航路径，并根据惯性导航数据来计算第二惯性导航路径，‑实时计算第一导航路径和第二导航路径之间的差，并对该差执行低通滤波，该低通滤波具有大于卡尔曼滤波器的周期并小于舒勒周期的收敛时间，‑借助于经滤波的差来校正第二导航路径。

Description

用于设计导航路径的方法以及用于根据所述导航路径来定向 瞄准构件的方法

本发明涉及根据惯性导航数据以及根据非惯性导航数据来执行导航计算。术语“导航”在本文中被用于覆盖导航系统的运载工具的定位、速度和姿态数据。作为示例，该导航可被用于确定瞄准设备的指向、用于瞄准武器、或用于使一个惯性单元对准另一惯性单元。

技术状态

在上述第一应用(即在导航数据的基础上确定瞄准线的指向)中，作为示例，已知使用运载交通工具(诸如，飞行器)机载的陀螺稳定的光导发光球形式的瞄准设备。光导发光球的指向由一组电机确定，该组电机被布置成瞄准目标，并与运载交通工具的移动相独立地维持该瞄准，例如用于跟踪应用。由此，光导发光球的指向是相对该运载交通工具来确定的，以便补偿该运载交通工具的移动。

为此，对光导发光球的控制纳入伺服控制回路，该伺服控制回路利用了由该运载交通工具的导航系统提供的姿态数据，以便因变于该运载交通工具的姿态来确定光导发光球的指向。

存在两种主要类型的导航系统：仅利用来自一个或多个惯性单元的数据的纯惯性导航系统；以及，利用卡尔曼滤波器来将来自惯性单元的数据与来自其他传感器(例如，用于感测交通工具的速度的传感器或用于接收地理定位卫星信号的接收机)的数据混合的混合导航系统。

纯惯性导航具有很小的噪声，但呈现很大的误差(尤其在角漂移方面)。因此，使用纯惯性数据来确定光导发光球的指向引起与图像中的目标的偏移，即该目标快速撤离该图像的场。在这样的情形下，规定对要由操作者执行的手动控制进行补偿。

混合导航是准确的，但在重置卡尔曼滤波器时，它呈现值方面的大变化。因此，使用混合数据来确定光导发光球的指向使得有可能将目标保持在图像的中心处，但随着视野的规律移动，这被发现是麻烦的且人类操作者使用时会产生视觉疲劳。

上述第二应用(即，使一个惯性导航系统对准导航基准)在运载交通工具承载用于基准目的的纯惯性导航系统和混合导航系统两者时发生。因此，惯常的做法是使混合导航系统根据其所供应的纯惯性导航数据对准基准导航系统。具体地，重置基准单元的混合导航由正被对准的导航系统由于干扰该导航系统的操作的动态行为而感知到。使用由基准导航单元所提供的纯惯性导航数据来对准要被对准的导航单元也不理想，因为该数据在对准期间在导航系统中引起大量的漂移。这些误差的特征在于以舒勒周期(为84分钟(min)的周期)振荡。由此，有必要在所有情况下都在对准端执行特定的重置。

根据文献FR-A-2 781 888，补偿运载交通工具的移动以供与合成天线雷达一起使用的方法也是已知的。该方法规定将纯惯性导航与混合导航组合，同时还涉及卡尔曼滤波器。在该文献中，通常由卡尔曼滤波器提供的更新在雷达图像正被形成的时段期间不可用。

发明目的

因此，使得可获得不存在归因于重置卡尔曼滤波器的突然改变的导航系统将是有利的。

发明简述

为此，本发明提供一种在交通工具机载的混合惯性导航系统的基础上执行导航计算的方法，该导航系统被布置成使用接收惯性导航数据和非惯性导航数据的卡尔曼滤波器来执行第一混合导航计算。该方法包括以下步骤：

-使用混合惯性导航系统来在惯性导航数据的基础上执行第二惯性导航计算；

-实时计算第一导航计算和第二导航计算之间的差，并使该差经受低通滤波，该低通滤波具有比卡尔曼滤波器的周期更长并比舒勒周期更短的收敛时间；以及

-使用经滤波的差来校正第二导航计算。

由此，经校正的第二导航计算得益于纯惯性导航计算(非经校正的第二导航计算)中噪声的缺失，并得益于混合导航计算(第一导航计算)的准确性。这两个导航计算之间的差也按使得经校正的第二导航计算在所有时间都可用的方式被实时计算。对于每一应用而言，低通滤波器的时间常数是因变于经校正的第二导航计算的预期噪声水平和准确性水平来选择的。

本发明还提供一种确定交通工具机载的瞄准设备的指向的方法，该交通工具提供有执行以上方法的混合惯性导航系统，并且其中经校正的第二导航计算被用于确定该瞄准设备的指向。

本发明还提供一种使第一惯性导航系统对准第二惯性导航系统的方法，第二惯性导航系统是执行以上方法的混合系统，并且其中第一惯性导航系统是基于经校正的第二导航计算来对准的。

在阅读了下面的对本发明的特定、非限制性实施例的描述之后，本发明的其他特征以及优点显现。

附图简述

参考各附图，在附图中：

-图1是用于本发明的方法的第一实现的装有瞄准设备的交通工具的图示；

-图2是用于本发明的方法的第二实现的装有两个惯性导航系统的交通工具的图示；以及

-图3是示出用于本发明的这两个实现的导航计算过程的图示。

发明的详细描述

以下分别参考图1和2描述了本发明的两个实现。

在第一实现中，参考图1在飞行器1的应用中描述本发明，飞行器1提供有：

-陀螺稳定并电机驱动的光导发光球50形式的瞄准设备，该瞄准设备需要被确定指向；

-第一导航系统100；以及

-导航数据传感器300，诸如举例而言用于地理定位卫星信号的接收机、速度传感器、气压测高计……。

光导发光球50的电机驱动器被连接到控制设备51，控制设备51被布置在飞行器的驾驶舱中，并使得操作者能够确定光导发光球50的指向，并查看所述光导发光球50所捕捉的图像。

导航系统100是混合导航系统，其包括处理器单元101，该处理器单元101连接到本身已知的惯性核102并且还连接到传感器300。

导航系统100还具有处理器单元103，该处理器单元103连接到处理器单元101以便与处理单元101交换信息。

处理器单元101和103连接到驾驶单元51，该驾驶单元51使得飞行器的驾驶员能够对要跟随的路线进行编程并访问导航数据。

以上指定的各元件的物理结构本身是已知的，而不在本文中更详细地描述。

处理器单元101访问卡尔曼滤波器，以便以已知的方式动作来在惯性核102所提供的惯性导航数据以及传感器300所提供的非惯性导航数据的基础上执行第一混合导航计算N1。

处理器单元103被布置成向控制设备51提供经校正的导航计算N2c，该经校正的导航计算N2c是以下面参考图3来解释的方式来计算的。

当光导发光球50在使用中时，有可能瞄准该光导发光球所覆盖的场的区域，并控制该光导发光球50的电机驱动器以便将所述元件保持在被覆盖的场的中心，而不管飞行器的移动如何。控制设备51被编程为通过使用如由处理器单元103向其提供的经校正的导航计算N2c来控制光导发光球50的电机驱动器。

在第二实现中，参考图2在飞行器1的应用中描述本发明，飞行器1提供有：

-第一导航系统100；

-导航数据传感器300，诸如举例而言用于地理定位卫星信号的接收机、速度传感器、气压计高度传感器、……；以及

-要被对准的第二导航系统200。

导航系统100是混合导航系统，其包括处理器单元101，该处理器单元101连接到本身已知的惯性核102并且还连接到传感器300。

导航系统100还具有处理器单元103，该处理器单元103连接到处理器单元101。

处理器单元101和103被连接到第二导航系统200，第二导航系统200包括连接到本身已知的惯性核202的处理器单元201。

以上阐述的各元件的物理结构本身是已知的，而不在本文中更详细地描述。

处理器单元101访问卡尔曼滤波器，以用于以已知的方式动作来在惯性核102所提供的惯性导航数据以及传感器300所提供的非惯性导航数据的基础上执行第一混合导航计算N1。

处理器单元103被布置成向第二导航系统200提供经校正的导航计算N2c，该经校正的导航计算N2c是以下面参考图3来解释的方式来计算的。

导航系统200使用处理器单元103所提供的经校正的导航计算N2c来将其本身对准导航系统100。对准处理本身是已知的而不在本文中更详细地描述。

图3示出了根据本发明的用于计算经校正的导航计算N2c的过程。

执行第一导航计算N1的处理器单元101所执行的计算由纳入接收惯性导航数据I和非惯性导航数据E的卡尔曼滤波器K的回路A符号化。在每一时刻k执行的计算被用作在时刻k+1执行的计算的基础。第一导航计算N1由此是混合导航计算。

根据本发明，处理器单元103可编程以在惯性导航数据的基础上执行为惯性的第二导航计算N2。用于执行第二导航计算N2的方式是常规的。

在图3中，该计算由接收惯性导航数据I(为与处理器单元101所接收到的相同的惯性数据)的回路B符号化。在每一时刻k执行的计算用作在时刻k+1执行的计算的基础。第二导航计算N2由此为惯性导航计算。

应当观察到，回路A和B受在C处符号化的同一基础的影响。

处理器单元103还被编程为实时动作以计算第一和第二导航计算N1和N2之间的差，并以与卡尔曼滤波器K的周期相比较长而与舒勒周期相比较短的收敛时间对该差执行低通滤波F。应回想到，舒勒周期为84分钟，而卡尔曼滤波器的周期为几秒钟。收敛时间由此是作为示例使用Monte Carlo方法估计在导航系统的仿真器表示上执行的导航算法的性能水平并在由随机选择的误差影响的惯性测量的基础上确定的。

处理器单元103使用经滤波的差来校正第二导航计算N2并获得经校正的导航计算N2c。该差ε是从第二导航计算N2中减去第一导航计算N1的结果，并且导航计算N2c是从第二导航计算N2中减去经滤波的差ε的结果。

在该示例中，经校正的导航计算N2c被用于这两个操作。

当光导发光球50在使用中时，有可能瞄准该光导发光球所覆盖的场的区域，并控制该光导发光球50的电机驱动器以便将所述元件保持在所覆盖的场的中心处，而不管飞行器的移动如何。控制设备51被编程为在使用第三导航计算N2c的同时控制光导发光球50的电机驱动器。

在一变体中，在第二实现中，如果从对准开始起准备经校正的导航计算N2c，则有可能作出以下规定：选择最初等于卡尔曼滤波器的周期的收敛时间，随后在向通过仿真获得的最优值应用时间变化关系中加长该收敛时间。

自然，本发明不限于所描述的实施例，而是覆盖落在由所附权利要求限定的本发明的领域内的任何变体。

具体地，经校正的第二导航计算N2c可被用于确定目标的指向，以供对准或其他应用。

有可能将两种实现组合在单个运载交通工具中。

处理器单元101和103可包括单个处理器单元。

本发明可适用于不同于飞行器的运载工具。

Claims (4)

1.一种在交通工具机载的混合惯性导航系统的基础上执行导航计算的方法，所述导航系统被布置成使用接收惯性导航数据和非惯性导航数据的卡尔曼滤波器来执行第一混合导航计算，所述方法的特征在于所述方法包括以下步骤：

-使用所述混合惯性导航系统来在所述惯性导航数据的基础上执行第二惯性导航计算；

-实时计算所述第一导航计算和所述第二导航计算之间的差，并使所述差经受低通滤波，所述低通滤波具有比卡尔曼滤波器的周期更长并比舒勒周期更短的收敛时间；以及

-使用经滤波的差来校正所述第二导航计算。

2.一种确定交通工具机载的瞄准设备的指向的方法，所述交通工具提供有执行权利要求1所述的方法的混合惯性导航系统，其中经校正的第二导航计算被用于确定所述瞄准设备的指向。

3.一种使第一惯性导航系统对准第二惯性导航系统的方法，所述第二惯性导航系统是执行权利要求1所述的方法的混合系统，其中所述第一惯性导航系统是基于经校正的第二导航计算来对准的。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，经校正的第二导航计算从对准开始起准备，其中所述低通滤波器的所述收敛时间最初被选为等于所述卡尔曼滤波器的周期，并且所述收敛时间随后为在向预定值应用时间变化关系中被增加的第二时间。