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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1.
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Viele Überwachungsaufgaben
werden mit Hilfe von installierten Sensoren verschiedener Art (Optische Sensoren,
Radar, Sonar, Infrarot, Druck- und Temperaturfühler usw.) durchgeführt. Um
genaue Messergebnisse zu erhalten, ist eine teilweise sehr aufwendige
Eichung der Sensoren erforderlich. Während dies bei fest installierten
Sensoren zum Beispiel mittels eines bekannten Ziels noch relativ
einfach zu machen ist, erfordern mobile Sensoren (z. B. Radaranlage
an Bord eines Schiffes) eine ständige
Erneuerung der Eichung. Zusätzlich können sich
kleinere Abweichungen dadurch ergeben, dass beispielsweise die Plattform,
auf welcher der Sensor montiert ist, sich durch Temperaturschwankungen
etwas verzieht oder ein systematischer, zeitlich langsam veränderlicher
Fehler (Biss) auftritt.
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Um
zeitlich veränderliche
Zustände
erfassen und beobachten zu können,
ist es häufig
notwendig, mittels eines Sensorverbundes Zustandsmessungen in zeitlicher
Abfolge durchzuführen
und bezüglich
ihrer Historie zu betrachten. Ein Beispiel hierfür ist die Zielverfolgung, bei
welcher Messdaten einzelner Ziele in möglichst kurzen Zeitabständen erneuert
werden und durch die verschiedenen, gemessenen Positionen eines Ziels
eine Spur gelegt wird. Ein solches Verfahren zur Zielverfolgung
wird üblicherweise
als Tracking bezeichnet. Eine nicht ausreichende Eichung von Sensoren
kann nun dazu führen,
dass etwa ein und dasselbe Ziel von mehreren Sensoren jeweils an
scheinbar verschiedenen Orten gesehen wird, so dass es für das Tracking nicht
mehr als ein Ziel erkannt wird und daher mehrere Spuren liefert,
von denen U. U. keine die wirkliche Position wiedergibt. Während für die Eichung
eines einzelnen Sensors immer ein bekanntes Eichziel vorhanden sein
muss, können
Sensoren in einem Verbund von Sensoren durch Abgleichen der Einzelmessungen
eines beliebigen Ziels geeicht werden. Befinden sich die Sensoren
an verschiedenen Orten, ist eine absolute Eichung bei disloziierten
Zielen oder bei bewegter Plattform möglich, d. h., die Abweichung
der Messungen jedes einzelnen Sensors gegenüber den echten Messwerten kann
ermittelt werden. Befinden sich die Sensoren dagegen alle nahezu
am gleichen Ort (z. B. an Bord eines Schiffes), kann die Eichung
immer noch relativ zueinander stattfinden.
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Im
folgenden wird mittels zweier Beispiele das generelle Vorgehen bei
der Korrektur einer fehlerhaften Ausrichtung von Sensoren erläutert.
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Beispiel
1: Ein typischer Fehler bei vielen Sensoren ist eine ungenaue Nordausrichtung.
Schon 1 Grad Abweichung von der korrekten Richtung ergibt in 100
km Entfernung eine Positionsabweichung von über 1,7 km. Der vom Sensor
gelieferte Azimut αgemessen (Winkel zwischen Nord und horizontaler
Richtung zum Ziel, gemessen im Uhrzeigersinn) muss daher mit einem
Offset Δα versehen
werden um zu einem korrekten Abweichungswinkel αkorrigiert zu
gelangen αkorrigiert = αgemessen + Δα Gl. 1,
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Beispiel
2: Ein weiterer typischer Fehler betrifft die Entfernungsmessung
rgemessen eines Radars. Die Entfernungsmessung
eines Radars basiert auf der Laufzeit des Radarstrahls vom Sender
bis zum Empfang des Echos. Wird dabei z. B. eine Verarbeitungszeit
der Daten in einer Baugruppe nicht korrekt berücksichtigt, kann dies eine
konstante Verfälschung
der Laufzeit und damit einen konstanten Offset Δr in der gemessenen Entfernung
verursachen. Ist die Eichung der Entfernung aus der Laufzeit nicht
korrekt bzw. ein Umrechnungsfaktor in einer der Baugruppen vor der
Zusammenführung
der einzelnen Sensordaten falsch, ergibt sich ein Faktor fr nahe
bei 1 gegenüber
der richtigen Entfernung. Ausgehend von einem bekannten Offset und
einem Korrekturfaktor fr kann beispielsweise mittels Gl. 2 ein korrekter
Entfernungswert rkorrigiert bestimmt werden: rkorrigiert = fr(rgemessen + Δr) Gl. 2
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Allgemein
muss eine funktionale Beziehung zwischen Messwerten und wahren Werten
mittels Korrekturfaktoren gefunden werden. Das aufgestellte Gleichungssystem
(bei mehren Korrekturfaktoren in einer Beziehung wie in Beispiel
2) muss mit geeigneten Verfahren gelöst werden, um daraus die gesuchten
Korrekturfaktoren schätzen
zu können.
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Bisher
kommen bei der Eichung von Sensoren, wie sie im Rahmen einer Zielverfolgung
eingesetzt werden, üblicherweise
zwei Verfahren zum Einsatz.
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Bei
dem einen Verfahren wird manuell eine Eichung mit einem Referenzziel
oder Referenzsensor durchgeführt.
Dabei werden die ermittelten Korrekturwerte der Datenverarbeitung
zugänglich
gemacht, so dass die Messwerte korrigiert werden können. Dieses
Verfahren kann jedoch auf eine Änderung
der Korrekturwerte etwa durch andere Wetterverhältnisse nicht reagieren, da
die Änderung
der Korrekturwerte nur manuell möglich
ist.
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Bei
dem anderen bisher allgemein üblichen
Verfahren kann der Radaroperateur eine Eichung in der Datenverarbeitung
veranlassen, indem er auf seinem Sichtgerät ein Referenzziel sowie ein
von der Datenverarbeitung erzeugtes Ziel markiert. Die Datenverarbeitung
kann daraus einen Korrekturwert, wie beispielsweise in Gl. 1 bestimmen.
Für einen
Satz von Korrekturwerten, wie er in Gl. 2 zur Verwendung kommt,
sind jedoch mehrere Messungen zu vergleichen, was zu aufwendigeren
Bedienungsschritten für
den Operateur führt.
Auch hier muss eine Änderung
der Eichung vom Operateur veranlasst werden, eine dynamische Anpassung
von der Datenverarbeitung erfolgt nicht. Dem Operateur obliegt die
Verantwortung, geeignete Ziele auszuwählen. So muss der Operateur
beispielsweise entscheiden, ob es sich bei zwei parallel verlau fenden
Spuren auf seinem Sichtgerät
um zwei Ziele (2 parallel fliegende Jets) oder nur um eines (2 Radare
sehen denselben Jet an scheinbar verschiedenen Orten) handelt.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur dynamischen, vollautomatischen
Eichung von Sensoren in einem Sensorverbund zu finden, mittels welchem
Zustandsmessungen in zeitlicher Abfolge durchgeführt und bezüglich ihrer Historie bzw. Spur
betrachtet werden.
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Die
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches
1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind
in den diesem Anspruch untergeordneten Ansprüchen beschrieben.
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Die
Aufgabe wird in erfinderischer Weise dadurch gelöst, dass nach jeder Zustandsmessung überprüft wird,
ob der Wert einer aktuellen Zustandsmessung mit existierenden Spuren
von Zustandswerten korreliert, und dass für den Fall einer Korrelation
die Abweichung der Zustandsmessung zu der entsprechenden Spur bestimmt
wird. Im folgenden werden sodann aus dieser Abweichung neue Korrekturfaktoren
für die
Eichung zumindest eines der Sensoren des Sensorverbundes berechnet,
welche für
die Korrektur der nachfolgenden Zustandsmessungen verwendet werden.
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In
besonders vorteilhafter Weise wird bei der Berechnung des Korrekturfaktors
für die
Eichung zumindest eines der Sensoren des Sensorverbundes unterschieden,
- – ob
die Spur, mit welcher der Wert der aktuellen Zustandsmessung korreliert
und von welcher sodann die Abweichung ermittelt wird, nur von einem
Sensor gestützt
wird, der damit geeicht werden kann,
- – oder
ob diese Spur zusätzlich
zu dem zu eichenden Sensor noch von mindestens einem weiteren Sensor des
Sensorverbundes gestützt
wird.
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Für den Fall,
dass die Spur, mit welcher der Wert der aktuellen Zustandsmessung
korreliert, nur von einem Sensor gestützt wird, wird, sofern vorhanden,
eine weitere Spur ausgewählt,
welche von mindestens einem anderen der Sensoren des Sensorverbundes
gestützt
wird und keine Zustandsmessung des zu eichenden Sensors enthält. Dabei
ist darauf zu achten, dass die beiden Zielspuren in ihren Parametern
im Rahmen der Messgenauigkeit der Sensoren und des anzunehmenden
Messfehlers übereinstimmen;
beispielsweise wären
im Falle eines Trackings bei der Zielverfolgung die zu beachtenden
Parameter die Geschwindigkeit und die Position eines potentiellen
Zieles. Anschließend
an diese Auswahl wird in gewinnbringender Weise für beide
Spuren ein gemeinsames, gewichtetes Mittel bezüglich ihrer Parameter berechnet
und die Abweichung der Zustandsmessung von diesem Mittel jeweils
in die Koordinaten der beteiligten Sensoren beider Spuren transformiert.
Hierdurch kann für
alle beteiligten Sensoren eine Eichung durchgeführt werden. Dieser Fall tritt
meist gehäuft
in der Einschwingphase auf, wobei das erfindungsgemäße Verfahren
sodann für
eine schnelle Annäherung
an eine korrekte Eichung sorgt.
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Im
Gegensatz hierzu, wird in vorteilhafter Weise für den Fall, dass die Spur mit
welcher der Wert der aktuellen Zustandsmessung eines Sensors korreliert,
zusätzlich
zu diesem Sensor noch von mindestens einem weiteren Sensor des Sensorverbundes
gestützt
wird, direkt die Abweichung der Zustandsmessung von dieser Spur
bestimmt. Dies geschieht unter der realistischen Annahme, dass die
Spur durch die Mittelung der Daten mehrerer Sensoren schon eine
annähernd
korrekte Position besitzt. Dieser Fall tritt meist nach dem Einschwingen
auf und verfeinert die Eichung.
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Bei
der Auswahl der Zielspuren von entfernungs-messenden Sensoren ist
es ratsam, nur solche Zielspuren zu verwenden, welche Zielen zuzuordnen
sind, welche sich weit genug vom Sensor entfernt befinden, da im
Nahbereich der Sensoren die Bestimmung einer Winkelablage stark
verfälscht
sein kann, was wiederum eine Eichung der Sensoren verfälschen würde.
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Es
ist zudem empfehlenswert, für
eine Eichung nur auf Zielspuren zurückzugreifen, welche relativ
stabil in ihrem Verhalten und nicht abrupten Änderungen unterworfen sind.
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Nach
der Transformation der Abweichung der aktuellen Zustandsmessung
in die Koordinaten des zu eichenden Sensors wird diese zur Ermittlung
eines neuen Korrekturfaktors für
die Eichung herangezogen. Dabei wird in vorteilhafter Weise die
Abweichung einer Wichtung mit dem Faktor
unterzogen, worin N der Anzahl
von bereits durchgeführten Änderungen
des Korrekturfaktors entspricht und W einem Wichtungswert entspricht,
bei dessen Bestimmung unterschieden wird, ob die Spur, mit welcher
der Wert der aktuellen Zustandsmessung korreliert und von welcher
sodann die Abweichung ermittelt wird, nur von dem zu eichenden Sensor
gestützt
wird, oder ob diese Spur zusätzlich
zu dem zu eichenden Sensor noch von mindestens einem weiteren Sensor
des Sensorverbundes gestützt
wird, so dass
- – für den Fall, dass die Spur mit
welcher der Wert der aktuellen Zustandsmessung korreliert, nur von
dem zu eichenden Sensor gestützt
wird, der Wichtungswert W so gewählt
wird, dass er der Anzahl der bisher in die Zielspur eingebauten
Messpunkte entspricht,
- – für den Fall,
dass die Spur mit welcher der Wert der aktuellen Zustandsmessung
korreliert, zusätzlich
vom zum eichenden Sensor noch von mindestens einem weiteren Sensor
des Sensorverbundes gestützt
wird, der Wichtungswert W zu W = 1 gewählt wird.
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Bei
dieser Vorgehensweise ist es vorteilhaft, den Wert N, welcher der
Anzahl von bereits durchgeführten Änderungen
des Korrekturfaktors entspricht, auf ein Maximum Nmax (beispielsweise
Nmax = 100) zu begrenzen. Es ist ebenso
gewinnbringend den Wert W, welcher im allgemeinen der Anzahl der
bisher in die Zielspur eingebauten Messpunkte entspricht, auf ein
Maximum Wmax zu beschränken, wobei in vorteilhafter
Weise Wmax = 2·Nmax gewählt wird.
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Allgemein
können
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
beliebige Korrekturen von Sensoren innerhalb eines Sensorverbundes
durchgeführt
werden. Es muss dazu lediglich möglich
sein, eine Korrekturgleichung wie Gl. 1 oder Gl. 2 dafür anzugeben.
Für jede
verwendete Unbekannte in einer solchen Korrekturgleichung, beispielsweise Δα in Gl. 1
oder fr und Δr
in Gl. 2 muss dann eine Vergleichsmessung erfolgen, aus deren man
dann ein Gleichungssystem erhält,
dessen Lösung
einen Satz der Korrekturen bestimmt.
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Falls
für eine
Messkoordinate mehrere Korrekturwerte wie in Gl. 2 benötigt werden,
muss eine entsprechende Anzahl von Paaren ausgewertet werden und
damit das sich ergebende Gleichungssystem gelöst werden.
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Für obiges
Beispiel Gl. 1, der Azimut-Korrektur, wird also mit dem Verfahren
ein δα bestimmt,
mit dem die bisherige Korrektur Δα
alt korrigiert
wird zu
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Im
Beispiel Gl. 2, der Entfernungskorrektur, müssen zwei Korrekturwerte bestimmt
werden, die voneinander abhängig
sind. Also werden jeweils zwei Paare (r
soll,1,
r
soll,2, r
ist,1,
r
ist,2) gesammelt und damit das Gleichungssystem
gelöst:
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Mit
der Wichtung ergeben sich dann folgende neuen Korrekturwerte:
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In
vorteilhafter Weise lässt
sich das erfindungsgemäße Verfahren
innerhalb eines Meßsystems
einsetzen, bei welchem die Messdaten der einzelnen Sensoren in einer
gemeinsamen Datenverarbeitung zusammenlaufen und dort Spuren der
Zustandsmessungen generiert werden. Die Spurbetrachtung beruht sodann darauf,
dass die Messdaten einzelner Ziele in möglichst kurzen Zeitabständen erneuert
werden. Durch die verschiedenen Zustandsmessungen kann dann eine
Spur gelegt werden, die systematische Messfehler (z. B. Auflösungsgrenzen)
glättet
und somit die Ermittlung der Parameter eines Zustandes gegenüber einer
Einzelmessung verbessert.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
ist besonders seine Eigenschaft seiner automatischen Funktionalität hervorzuheben.
Auch ermöglicht
es, einen Sensorverbund auf langsame Veränderungen im seinem Umfeld
(beispielsweise Wetteränderungen
oder Temperaturschwankungen) automatisch zu adaptieren.
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Aufgrund
des im Verhältnis
zur eigentlichen Spurbildung geringen Rechenaufwandes wird keine
nennenswerte zusätzliche
Rechenleistung benötigt,
so dass sich das erfindungsgemäße Verfahren
in besonderer Weise für
eine Echtzeit-Anwendung eignet.
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Da
im Gegensatz zu manuellen Eichprozeduren bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
viele Zustandsmessung/Spur-Paare verwendet werden, hat die Auswahl
eines falschen Paares keine negativen Auswirkungen. Damit ist das
erfin dungsgemäße Verfahren
robust gegen eine falsche Auswahl von Zustandsmessungen bzw. Spur-Paaren.
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In
gewinnbringender Weise ist es auch denkbar, das Verfahren so zu
implementieren, dass zusätzlich zu
der automatischen Funktionalität
auch eine manuelle Korrektur ermöglicht
wird.
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In
vorteilhafter Weise ist es auch möglich, durch das Aufzeichnen
von Zustandsmessungen nachträglich,
im Offline-Betrieb einen Sensorverbund zu eichen und somit die aufgezeichneten
Daten zu korrigieren.
