DE10228639A1

DE10228639A1 - Hybrid-Trägheitsnavigationsverfahren und -Vorrichtung

Info

Publication number: DE10228639A1
Application number: DE10228639A
Authority: DE
Inventors: Etienne Brunstein
Original assignee: Sagem SA
Current assignee: Safran Electronics and Defense SAS
Priority date: 2001-06-26
Filing date: 2002-06-26
Publication date: 2003-01-02
Also published as: US6711517B2; FR2826447B1; GB2378765A; GB2378765B; GB0213714D0; US20030028340A1; FR2826447A1

Abstract

Eine erste bordfeste Navigationseinheit (2) erzeugt einen ersten Zustandsvektor (X¶2U¶), dessen Komponenten Positions-, Lage- und Geschwindigkeitswerte eines Trägers mit einem kleinen Momentanfehler angeben. Das Verfahren umfasst die Schritte: DOLLAR A - Erzeugen eines zweiten Zustandsvektors (X¶1U¶), dessen Komponenten Positions-, Lage- und Geschwindigkeitswerte des Trägers mit einem kleinen Langzeitfehler angeben, mittels einer zweiten Navigationseinheit (1); DOLLAR A - Kombinieren des ersten und des zweiten Zustandsvektors, um einen Fehlerbeobachtungsvektor (deltaY) zu erhalten; DOLLAR A - Erzeugen eines Fehlerschätzvektors DOLLAR I1 aus dem Fehlerbeobachtungsvektor (deltaY) mittels eines Filters (5); DOLLAR A - Kombinieren des so erhaltenen Fehlerschätzvektors DOLLAR I2 mit dem ersten Zustandsvektor (X¶2U¶), um einen geschätzten Vektor DOLLAR I3 der Trägerpositions-, Lage- und Geschwindigkeitswerte mit einem kleinen Momentanfehler und einem kleinen Langzeitfehler zu erhalten.

Description

Die Erfindung betrifft Langzeit-Navigation eines Trägers bzw. Fahrzeugs mittels eines Trägheitsnavigationssystems.

Es sind verschiedene Typen von Fahrzeugen bekannt, wie etwa Luftfahrzeuge, Schiffe oder Landfahrzeuge, deren Navigation die Kenntnis von Position, Geschwindigkeit und Lage (Steuerkurs, Rollen und Nicken) erfordert.

Ein modernes Trägheitsnavigationssystem enthält allgemein Trägheitssensoren, wie etwa Gyrometer und Beschleunigungsmesser, die integral an dem Träger befestigt sind (ein sog. "bordfestes" System).

Die Gyrometer messen die Winkeldrehung und bieten eine analytische Plattform, die so mitgenommen wird, dass sie in einem geografischen Referenzrahmen fixiert bleibt. Die Beschleunigungsmesser messen Beschleunigungen, die in diese analytische Plattform projeziert und dann integriert werden, einmal zum Liefern der Geschwindigkeit, dann ein zweites Mal zum Liefern der Position. Die Lage wird erhalten, indem drei Durchtrittswinkel von dem Trägerreferenzrahmen zu dem Referenzrahmen der analytischen Plattform extrahiert werden.

Die Genauigkeit eines Trägheitsnavigationssystems ist direkt von den Fehlern der Trägheitssensoren (Gyrometer und Beschleunigungsmesser) abhängig, und insbesondere von der Projektion dieser Fehler in den lokalen geografischen Referenzrahmen.

Für ein bordfestes Navigationssystem ist die Projektion dieser Fehler grundlegend von der Trajektorie des Trägers abhängig; sie kann daher nicht gesteuert werden.

Die Genauigkeit eines bordfesten Navigationssystems ist durch die Eigengenauigkeit dieser Sensoren beschränkt. Im Falle von Langzeit-Trägheitsnavigation sind die Positionsfehler hauptsächlich von der Genauigkeit der Gyrometer abhängig.

Für autonome Navigation über lange Zeitdauern, für mehrere zehn oder sogar mehrere hundert Stunden, ohne externes Mittel der Positionsaktualisierung, ist die Leistung grundsätzlich von der Stabilität der Gyrometer abhängig.

Die Entwicklung spezieller Trägheitskomponenten erhöht die Kosten des Trägheitssystems, ohne jedoch die Ergebnisse vor Drift vollständig zu schützen.

Um die Genauigkeit der Langzeitnavigation eines bordfesten Trägheitssystems zu verbessern, kann man an die Verwendung eines bordfesten Trägheitskerns denken, der an einer mechanischen Vorrichtung angebracht ist, die ermöglicht, dass dieser Kern in verschiedenen aufeinanderfolgenden Positionen angeordnet wird, um die Gyrometerfehler auszumitteln, die in den lokalen geografischen Referenzrahmen projiziert werden.

Die Lageinformationsausgabe von dem bordfesten Trägheitssystem ermöglicht es, die mechanische Vorrichtung direkt zu steuern, um den Kern aufeinanderfolgend in verschiedenen Positionen zu plazieren, die in Bezug auf den lokalen geografischen Referenzrahmen im Wesentlichen fixiert sind.

Ein Langzeitnavigationsverfahren mittels eines Trägheitskerns, der einen gekoppelten Referenzrahmen mit Achsen Xm, Ym, Zm enthält, die an einem Träger angebracht sind, um dessen Bewegungen in Bezug auf einen geografischen Referenzrahmen fixierter Richtungen entlang dreier Achsen Xg, Yg, Zg zu messen, umfasst dann:

- Messen von Vorgängen, die aus kontinuierlichem Messen der Orientierung des gekoppelten Referenzrahmens in dem geografischen Referenzrahmen besteht, mittels des Trägheitskerns;
- Positionierungsvorgänge, die aus dem Anlegen einer Sequenz von 180° Drehzyklen des Trägheitskerns bestehen, die jeweils die Ym- Achse in Richtung parallel zur Yg-Achse halten, einer Aufeinanderfolge von zwei 180°-Drehungen um die Xm-Achse, der eine 180°- Drehung um die Zm-Achse vorausgeht und eine solche folgt, sowie einer Aufeinanderfolge von zwei 180°-Drehungen um die Zm-Achse, der eine 180°-Drehung um die Xm-Achse vorausgeht und eine solche folgt.

Die Positionierungsvorgänge werden verwendet, um die Messfehler zu kompensieren, indem das Vorzeichen entlang der Ym-Achse bei jeder 180°-Drehung umgekehrt wird, indem das Vorzeichen entlang der Xm- Achse bei jeder 180°-Drehung um die Zm-Achse umgekehrt wird und indem das Vorzeichen entlang der Zm-Achse bei jeder 180°-Drehung um die Xm-Achse umgekehrt wird.

Die kontinuierlich ausgeführten Messvorgänge ermöglichen dann, dass die Fehler gegenseitig an jeder der Xm, Ym, Zm-Achsen des gekoppelten Referenzrahmens kompensiert werden, um die Projektionen von Fehlern auf die Xg, Yg, Zg-Achsen zu reduzieren, indem ihre Interventionen an einem Zyklus gemittelt werden.

Ein solches Trägheitssystem bietet zufriedenstellende Ergebnisse über ein ausreichend langes Zeitintervall, indem die Defekte der Trägheitskomponenten gemittelt werden. Jedoch bleiben Momentan-Messungen fehlerbehaftet.

Obwohl die Langzeitleistungen eines solchen Systems mit einem kardanisch aufgehängten Trägheitskern signifikant besser sind als mit einem Kern, der in Bezug auf den Träger fixiert ist, ist, was die Kurzzeitleistungen betrifft, die Genauigkeit dieses Systems für Rollen, Nicken und Steuerkurs beschränkt durch die Genauigkeiten der Kodierung der Kardanwinkel und der zugeordneten Verarbeitungssequenz, durch die Verformung der Kardane und der Genauigkeit ihrer Herstellung, sowie durch die Stabilität einer etwaigen inneren Aufhängung der Einheit, die die Trägheitssensoren innerhalb des Trägheitskerns hält. Ferner projezieren die Rotationen des Trägheitskerns die Fehler der Komponenten auf verschiedene Weise und für ein hochfrequentes Rauschen ein. Dieses hochfrequente Rauschen stört sich mit den Roll-, Nick-, Steuerkurs- und Geschwindigkeitsmessungen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, zumindest einen der obengenannten Nachteile zu vermeiden.

Zur Lösung der Aufgabe wird nach einem ersten Aspekt ein Langzeitnavigationsverfahren mittels einer ersten bordfesten Navigationseinheit vorgeschlagen, die einen ersten Zustandsvektor erzeugt, dessen Komponente Positions-, Lage- und Geschwindigkeitswerte eines Trägers mit einem kleinen Momentanfehler angeben, dadurch gekennzeichnet, dass es folgende Vorgänge enthält:

- Erzeugen eines zweiten Zustandsvektors, dessen Komponenten Positions-, Lage- und Geschwindigkeitswerte des Trägers mit einem kleinen Langzeitfehler angeben, mittels einer zweiten Navigationseinheit;
- Kombinieren des ersten und des zweiten Zustandsvektors, um einen Fehlerbeobachtungsvektor zu erhalten;
- Erzeugen eines Fehlerschätzvektors aus dem Fehlerbeobachtungsvektor mittels eines statistischen Filters;
- Kombinieren des so erhaltenen Fehlerschätzvektors mit dem ersten Zustandsvektor, um einen geschätzten Vektor der Trägerpositions-, Lage- und Geschwindigkeitswerte mit einem kleinen Momentanfehler und einem kleinen Langzeitfehler zu erhalten.

Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Navigationsvorrichtung vorgeschlagen, zum Erhalten eines geschätzten Vektors von Position-, Lage- und/oder Geschwindigkeitswerten eines Trägers mit einem kleinen Momentanfehler und einem kleinen Langzeitfehler, dadurch gekennzeichnet, dass sie enthält:

- eine erste bordfeste Navigationseinheit, die aufgebaut ist, um einen ersten Zustandsvektor zu erzeugen, dessen Komponenten Positions-, Lage- und Geschwindigkeitswerte eines Trägers mit einem kleinen Momentanfehler angeben;
- eine zweite Navigationseinheit, die aufgebaut ist, um einen zweiten Zustandsvektor zu erzeugen, dessen Komponenten Positions-, Lage- und Geschwindigkeitswerte des Trägers mit einem kleinen Langzeitfehler angeben und
- einen statistischen Filter, der aufgebaut ist, um am Eingang den ersten und zweiten Zustandsvektor zu kombinieren, um am Ausgang des Filters einen Fehlerschätzvektor zu erzeugen, um einen geschätzten Vektor der Trägerpositions, Lage- und Geschwindigkeitswerte mit einem kleinen Momentanfehler und einem kleinen Langzeitfehler zu erhalten.

Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. In den Zeichnungen sind die gleichen Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung;
Fig. 2 ist ein mögliches Schema für einen nichtlinearen statistischen Filter;
Fig. 3 zeigt einen kardanisch aufgehängten Trägheitskern in der Anfangsposition;
Fig. 4 und 5 zeigen den Trägheitskern von Fig. 3 nach Drehung um 180°;
Fig. 6 ist ein Steuerdiagramm der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
Fig. 7 zeigt eine andere erfindungsgemäße Vorrichtung.
In Bezug auf Fig. 1 erzeugt eine Navigationseinheit 1 einen Zustandsvektor X_1U für Messungen, die von den Sensoren eines Trägheitskerns 3 zugeführt werden. Die später beschriebene Navigationseinheit 1 ist konstruiert, um Langzeitmessfehler zu minimieren. Die Komponenten des Vektors X_1U beschreiben berechnete Positions-, Geschwindigkeits- und Lagezustände. Drei Positionskomponenten sind geografische Breite, geografische Länge und geografische Höhe, denen drei Geschwindigkeitskomponenten entsprechen. Drei Lagekomponenten sind Steuerkurs, Rollen und Nicken.
Eine Navigationseinheit 2 erzeugt einen Zustandsvektor X_2U aus Messungen, die von den Sensoren eines Trägheitskerns 4 zugeführt werden. Die Navigationseinheit 2 ist von bekannter bordfester Bauart. Der Trägheitskern 4, der an dem Träger starr fixiert ist, ist dahingehend bekannt, dass die Momentanfehler an den Werten, die durch diesen Typ von Navigationssystem ausgegeben werden, klein sind. Jedoch ist die Akkumulation dieser Fehler, auch kleiner Fehler über die Zeit, in der Langzeit nicht zufriedenstellend. Die Komponenten des Zustandsvektors X_2U beschreiben drei Positionszustände, drei Geschwindigkeitszustände und drei Lagezustände im Vergleich zu jenen des Zustandsvektors X_1U.
Wie später zu sehen sein wird, ermöglicht die Navigationseinheit 1, dass Langzeitmessfehler durch Aufmittelung minimiert werden. Jedoch sind die Momentan-Messfehler größer als jene der Navigationseinheit 2, die auf den Aufbau der Navigationseinheit 1 zurückgehen.
Ein Fehlerbeobachtungsvektor δY wird erhalten, indem die berechneten Zustandsvektoren X_2U und X_1U kombiniert werden. Z. B. ermöglicht eine erste Beobachtungsmatrix H_1U, dass bestimmte Komponenten des Zustandvektors X_1U zurückgehalten werden, und eine zweite Beobachtungsmatrix H_2U ermöglicht, dass viele vergleichbare Komponenten des Zustandsvektors X_2U zurückgehalten werden. Die an dem Ausgang der Beobachtungsmatrix H_1U zurückgehaltenen Komponenten werden von den vergleichbaren Komponenten an dem Ausgang der Beobachtungsmatrix H_2U mittels eines Subtrahierers 11 subtrahiert. Die Komponenten des Fehlerbeobachtungsvektors δY beschreiben daher die gleiche Anzahl berechneter Messdifferenzen zwischen den Zuständen des Zustandsvektors X_1U und den Zuständen des Zustandsvektors X_2U. Ein Kalmanfilter 5, der den Fehlerbeobachtungsvektor δY an dem Eingang aufnimmt, erzeugt einen geschätzten Fehlervektor andδX an der Ausgabe. Der Vektor andδX liefert die beste Schätzung der Fehler, die an dem Zustandsvektor X_2U festgeschrieben sind, als Funktion der Differenzen zwischen den Zustandsvektoren X_2U und X_1U.
Durch Herleiten des Fehlerschätzvektors andδX von dem Zustandsvektor X_2U mittels eines Subtrahierers 12 erhalten wir einen geschätzten Vektor andX_2U, dessen Koordinaten die vorgenannten Zustände ohne die Messfehler der Navigationseinheit 2 beschreiben.
Es wird nun der Kalmanfilter 5 im näheren Detail anhand von Fig. 2 beschrieben. Der Kalmanfilter berechnet einen Wert andδX_k+1,k+1 des Vektors andδX zu jedem Moment t_k+1 = (k + 1) Δt, wobei Δt ein Zeitintervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden Abtastungen des Fehlerbeobachtungsvektors δY repräsentiert. Der Wert andδX_k+1,k+1 wird als Funktion des vorherigen Fehlerschätzvektors andδX_k,k berechnet, der zum Moment t_k = kΔt erhalten wird, und des Fehlerbeobachtungsvektors δY, der zwischen den Momenten t_k und t_k+1 abgetastet wird.
Ein Berechnungsblock 6 weist eine Beobachtungsmatrix H auf, die in bekannter Weise einer Zustandsmatrix F zugeordnet ist, die das Trägheitssystem in Form einer Differenzialgleichung als Modell aufstellt.

dδ/dt = F.δX + U (1)

wobei δX der Fehlerzustandsvektor des Systems ist und U ein weißes Rauschen-Vektor, dessen Leistungsspektraldichte Q bekannt ist.
Der Berechnungsblock 6 erhält als Eingabe den Fehlerbeobachtungsvektor δY, einen geschätzten Fehlervektor andδX_k+1,k, der durch einen Berechnungsblock 7 erzeugt wird, und einen Kalmanfaktor K, der durch einen Berechnungsblock 8 erzeugt wird. Der Berechnungsblock 6 erhält den Vektor andδX_k+1,k+1, indem auf seine Eingaben die folgende Formel angewandt wird:

andδX_k+1,k+1 = andδX_k+1,k + K (δY - H.andδX_k+1,k) (2)
Der Berechnungsblock 7 verwendet eine Umstellungsmatrix φ, die in bekannter Weise der Matrix F zugeordnet ist. Der Berechnungsblock 7 erhält als Eingabe einen geschätzten Fehlervektor andδX_k,k, der durch den Berechnungsblock 6 zu einem vorherigen Moment t_k erzeugt wird, um den Vektor andδX_k+1,k durch Anwenden der folgenden Formel zu erhalten:

andδX_k+1,k = φ.andδX_k,k (3)
Der Berechnungsblock 8 benutzt die Beobachtungsmatrix H und eine Messrauschen-Kovarianz-Matrix R. Der Berechnungsblock 8 empfängt eine Kovarianz-Matrix als Eingabe über das Zeitintervall Δt, mit der Notierung P_k+1,k, das durch einen Berechnungsblock 9 erzeugt wird. P repräsentiert die Kovarianz-Matrix des Restschätzfehlers (δX-andδX). Der Berechnungsblock 8 erhält den Kalmanfaktor, indem auf seine Eingaben die folgende Formel angewandt wird:

K = P_k+1,k H^t.(H.P_k+1,k.H^t + R)^-1 (4)

wobei H^t die Umwandlung der Matrix H bezeichnet und der Exponent -1 den Kehrwert der in Klammern erhaltenen Matrix.
Der Berechnungsblock 9 benutzt die Umstellungsmatrix φ und eine Kovarianz-Matrix des Zustandsrauschens in diskreter Form Qd. Der Berechnungsblock 9 erhält als Eingabe eine Kovarianz-Matrix P_k,k, die durch einen Berechnungsblock 10 zum vorherigen Moment t_k erzeugt wird. Der Berechnungsblock 9 erhält die Kovarianz-Matrix P_k+1,k durch Anwenden der folgenden Formel:

P_k+1,k = φ.P_k,kφ^t + O_d (5)

wobei φ^t die Umstellung der Matrix φ bezeichnet.
Der Berechnungsblock 10 benutzt die Beobachtungsmatrix H und empfängt als Eingabe die Kovarianz-Matrix P_k+1,k und den Verstärkungsfaktor K. Der Berechnungsblock 10 erzeugt die Kovarianz-Matrix P_k+1,k+1, die durch den Softwareblock 9 nach dem Moment t_k+1 verwendet werden wird, indem die folgende Formel angewandt wird:

P_k+1,k+1 = (I - K.H).P_k+1,K (6)

wobei I die Einheitsmatrix bezeichnet.
Somit erzeugt der Kalmanfilter 5 einen Schätzvektor andX_k+1,k+1 zum Moment t_k+1 aus einem Schätzvektor andX_k,k zum vorherigen Moment t_k, dem Beobachtungsvektor δY und einer Kovarianz-Matrix P_k+1,k zwischen dem Moment t_k und t_k+1. Der Kalmanfilter ist statistisch, da sein Verstärkungsfaktor K abhängig ist erstens von der Kovarianz-Matrix des Schätzfehlers P_k+1,k zwischen den Momenten t_k und t_k+1, und zweitens von der Kovarianz- Matrix des Messrauschens R.
Zum Moment t_k = 0 werden der Fehlerschätzvektor andδX_0,0 und die Kovarianz-Matrix P_0,0 z. B. auf Null-Werte für den Schätzvektor und auf hohe Werte für die Diagonale der Kovarianz-Matrix P initialisiert.
Zu jedem Moment t_k,k>0 ergeben die Komponenten des Fehlerschätzvektors andδX_k geschätzte Fehlerwerte an den Komponenten des Zustandsvektors X_2U auf der Basis der Differenz, die zwischen den Werten beobachtet wird, die sich durch jede der Navigationseinheiten 1, 2 ergeben, unter der bekannten Statistik Q des Navigationssystems.
Durch Herleiten der geschätzten Fehlerwerte an den Komponenten des Zustandsvektors, die sich von der Navigationseinheit 2 ergeben, wird ein Messschätzvektor andX_2U erhalten, der den Vorteil von Kurzzeit-Genauigkeit der Navigationseinheit 2 und den Vorteil von Langzeit-Genauigkeit der Navigationseinheit 1 hat.
In Bezug auf Fig. 3 ist eine Plattform 13 mit einem Träger integriert, wie z. B. einem Schiff. Die Plattform 13 trägt ein Kardangelenk 14, um drei Achsen Xm, Ym, Zm eines mit dem Trägheitskern 3 gekoppelten Referenzrahmens in im Wesentlichen parallelen Richtungen in Bezug auf drei Achsen Xg, Yg, Zg eines festen geografischen Referenzrahmens zu halten. Die Achsen Xg und Yg zeigen jeweils in der horizontalen Ebene nach Norden und nach Westen, und die Achse Zg zeigt entlang der Vertikalen nach oben.
Ein erster Rotationsfreiheitsgrad wird durch eine körperliche Welle 15 bereitgestellt, die mit dem Träger integral ist. Ein Motor 16 ermöglicht eine Drehung der Welle 15, um die Effekte von Kursschwankungen des Trägers aufzuheben.
Ein zweiter Rotationsfreiheitsgrad wird durch eine körperliche Welle 17 bereitgestellt, die mit dem Trägheitskern 3 integral ist. Ein Motor 18ermöglicht eine Drehung der Welle 17, um die Dreheffekte des Trägers um die Welle 17 herum aufzuheben. So ermöglicht eine Kombination der Drehungen der Wellen 15 und 17, dass die Achse Ym in Richtung im Wesentlichen parallel zur Achse Yg konstant gehalten wird.
Ein dritter Rotationsfreiheitsgrad wird durch eine dritte körperliche Welle 18 bereitgestellt, die zur Welle 15 und zur Welle 17 orthogonal ist. Ein Motor 24 ermöglicht eine Drehung der dritten Welle 25, um Drehungen des Trägers um die Welle 25 herum aufzuheben. Somit ermöglicht eine Kombination der Drehungen der körperlichen Wellen 15 und 25, dass die Achse Xm in Richtung im Wesentlichen parallel zur Achse Xg konstant gehalten wird.
Wenn die Achsen Xm und Ym in Richtung parallel zu den Achsen Xg bzw. Yg gehalten werden, wird die Achse Zm in Richtung parallel zu der Achse Zg gehalten.
Der Trägheitskern 3 enthält drei Sensoren 19, 20, 21, die jeweils die Funktionen eines Gyrometers und eines Beschleunigungsmessers erfüllen. Der Sensor 19 misst die Beschleunigungen des Trägheitskerns 3 in Richtung der Ym-Achse und die Drehungen des Trägheitskerns 3 um die Xm- Achse. Der Sensor 20 misst die Beschleunigungen des Trägheitskerns 3 in Richtung der Xm-Achse und die Drehungen des Trägheitskerns 3 um die Xm-Achse. Der Sensor 21 misst die Beschleunigungen des Trägheitskerns 3 in Richtung der Zm-Achse und die Drehungen des Trägheitskerns 3 um die Zm-Achse.
Die Gyrometer-Funktionen der Sensoren 19, 20, 21 werden benutzt, um die Drehwinkel des Trägheitskerns 3 in Bezug auf jede der drei Achsen Xg, Yg, Zg zu messen. Dann ist es möglich, Drehwinkel des Trägers zu berechnen, indem diese aus den gemessenen Drehwinkeln hergeleitet werden.
Die Beschleunigungsmesserfunktionen jedes der Sensoren 19, 20, 21 werden benutzt, um die Beschleunigung des Trägheitskerns in jeder der Richtungen entlang den Achsen Xm, Ym, Zm zu messen. Es ist dann möglich, Beschleunigungen des Trägers entlang den Achsen Xg, Yg, Zg des geografischen Referenzrahmens durch Herleiten von den gemessenen Beschleunigungen, dann die Geschwindigkeit durch Integration sowie die Position des Trägers in dem geografischen Referenzrahmen Xg, Yg, Zg durch doppelte Integration zu berechnen.
Jede der Winkelmessungen, die durch die Sensoren 19, 20, 21 erfolgt, wird durch Drift, Skalierungsfaktor und Achsausrichtungsfehler beeinflusst.
Der Driftfehler ist der Ausdruck eines Messversatzes am Ursprung, wobei eine Null-Größe nicht genau bei Null gemessen wird. Dieser Versatz ist über dem gesamten Messbereich allgemein konstant. Der Wert des Driftfehlers hat die Bezeichnung Dx auf der Xm-Achse, Dy auf der Ym-Achse und Dz auf der Zm-Achse.
Der Skalierungsfaktorfehler ist der Fehler an dem Multiplikationsfaktor der Messung. Der Wert des Skalierungsfaktorfehlers hat die Bezeichnung Fx auf der Xm-Achse, Fy auf der Ym-Achse bzw. Fz auf der Zm-Achse.
Ausrichtungsfehler resultieren aus der Tatsache, dass die drei Achsen Xm, Ym, Zm nicht perfekt orthogonal sind. Der Orthogonalitätsfehler zwischen den Achsen Xm und Ym hat die Bezeichnung Cxy, der Orthogonalitätsfehler zwischen den Achsen Ym und Zm hat die Bezeichnung Cyz und der Orthogonalitätsfehler zwischen den Achsen Zm und Xm hat die Bezeichnung Czx.
Um den Effekt dieser Fehler auf die Navigationsgenauigkeit zu reduzieren, wird der Trägheitskern 3 periodisch um 180° gedreht, um das Vorzeichen des Fehlers zu ändern. So wird durch Mittelung der Projektionen der verschiedenen Messfehler in den lokalen geografischen Referenzrahmen Xg, Yg, Zg eine Akkumulation positiver Fehler durch eine Akkumulation negativer Fehler über eine identische Integrationsperiode für Messungen entgegengesetzter Vorzeichen reduziert.
Die 180°-Drehung der Sensoren erfolgt durch Drehung der körperlichen Wellen 15 und 17. Die Drehwerte, die die Mittelung der Fehler mit einem Minimum von Grundpositionen ermöglichen, sind +π oder -π-Drehungen um die verschiedenen Achsen herum.
Ausgehend von einer Anfangsposition, wie in Fig. 3 gezeigt, ist eine erste mögliche Drehung jene, die durch das Paar [γ(0), β(0)] gegeben ist, d. h. entsprechend einer Null-Drehung. Die Orientierung der Sensoren und daher die Orientierung der Fehler bleiben so wie sie sind.
Eine mögliche zweite und dritte Drehung sind jene, die durch die Paare [γ(0), β(+π)] und [γ(0), β(-π)] gegeben sind. Das Endergebnis, das für jede dieser Drehungen identisch ist, ist in Fig. 4 gezeigt. Nur die Drehrichtung des Winkels β ändert sich, mit einem unterschiedlichen Einfluss im Übergangszustand bei der Änderung von einer Anfangsposition zur Endposition.
In Bezug auf Fig. 4 wird der Trägheitskern 3 durch eine Drehung von 180°, d. h. π-Radiane, der Welle 17 gedreht, so dass die Sensoren nun an der Unterseite des Trägheitskerns 3 angeordnet sind. Der Sensor 20 bleibt zur Durchführung von Messungen entlang der Xm-Achse ausgerichtet, ohne Vorzeichenänderung der Fehler relativ zur Xg-Achse. Der Sensor 21 bleibt zur Durchführung von Messungen entlang der Zm-Achse ausgerichtet, ohne Vorzeichenänderung der Fehler relativ zur Zg-Achse. Der Sensor 19 ist nicht mehr sichtbar, da er durch das Volumen des Trägheitskerns 3 versteckt ist. Es ist offensichtlich, dass der Sensor 19 zur Durchführung von Messungen entlang der Ym-Achse ausgerichtet bleibt, ohne Vorzeichenänderung der Fehler relativ zur Yg-Achse. Ein Fehler, der zu den Messungen der Sensoren 19 und 21, wie sie in Fig. 3 konfiguriert sind, addiert bzw. davon subtrahiert wird, wird bei den Messungen der Sensoren 19 und 21, wie sie in Fig. 4 konfiguriert sind, subtrahiert bzw. addiert. Ein Fehler, der zu der Messung des Sensors 21, wie er in Fig. 3 konfiguriert ist, addiert bzw. subtrahiert wird, wird bei der Messung des Sensors 20, wie er in Fig. 4 konfiguriert ist, weiterhin addiert bzw. subtrahiert.
Eine mögliche vierte und fünfte Drehung sind jene, die durch die Paare [γ(+π), β(0)] und [γ(-π), β(0)] gegeben sind. Das Endergebnis, das für diese Drehungen identisch ist, ist in Fig. 5 gezeigt, ausgehend von Fig. 3 als Anfangsposition. Es ist offensichtlich, dass das Ergebnis anders würde, wenn wir von einer anderen Anfangsposition aus starten würden, wie etwa der in Fig. 4.
In Bezug auf Fig. 5 wird der Trägheitskern 3 um eine 180°-Drehung der Welle 15 gedreht, so dass die Sensoren auf der Oberseite des Trägheitskerns 3 sitzen. Der Sensor 20 bleibt zur Durchführung von Messungen entlang der Xm-Achse ausgerichtet, mit einer Vorzeichenänderung der Fehlerprojektionen auf die Xg-Achse. Der Sensor 21 bleibt zur Durchführung von Messungen entlang der Zm-Achse ausgerichtet, ohne Vorzeichenänderung der Fehlerprojektionen auf die Zg-Achse. Der Sensor 19 bleibt zur Durchführung von Messungen entlang der Ym-Achse ausgerichtet, mit einer Vorzeichenänderung der Fehlerprojektionen auf die Yg-Achse. Ein Fehler, der zu den Messungen der Sensoren 19 und 20 in ihrer Anfangskonfiguration addiert bzw. subtrahiert wird, wird bei der Messung der Sensoren 19 und 20 in ihrer Endkonfiguration subtrahiert bzw. addiert. Ein Fehler, der zu der Messung des Sensors 21 in seiner Anfangskonfiguration addiert bzw. davon subtrahiert wird, wird bei der Messung des Sensors 21 in seiner Anfangskonfiguration weiterhin addiert bzw. subtrahiert.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Aufeinanderfolge von Drehungen, die aus den zuvor angegebenen fünf gewählt wird, an den Trägheitskern 3 zyklisch angelegt, gemäß programmierten Drehsequenzen der Wellen 15 und 17 mittels der Motoren 16 und 18. Es reichen vier Drehungen aus, um das Vorzeichen der Projektionen jedes Fehlers an den Achsen des lokalen geografischen Referenzrahmens Xg, Yg, Zg umzukehren. Zwei Drehungen um die Xm-Achse kehren die Anfangsposition der Fehlerprojektionen relativ zu den Yg und Zg-Achsen um und setzen sie zurück. Zwei Drehungen um die Zm-Achse kehren die Anfangsposition der Fehlerprojektionen relativ zu den Zg und Xg-Achsen um und setzen diese zurück. Jedoch führen die Drehungen selbst zu Fehlern, hauptsächlich unter der Wirkungen von Skalierungsfaktor- und Achsausrichtungsfehlern. Um die durch die 180°-Drehungen selbst verursachten Fehler auszumitteln, ist jeder Zyklus aus einer Serie von acht Drehungen zusammengesetzt, die am Ende des Zyklus den Trägheitskern in die Anfangsposition am Start des Zyklus zurücksetzen. Aus den zuvor erwähnten fünf Drehungen ist jede Wahl aufeinanderfolgender Drehungen möglich. Es gibt daher 5⁸, d. h. 390.625 Serien potenzieller Drehungen für einen Zyklus.
Aus allen potentiellen Serien sind neun Basisserien gewählt worden, um die Effekte von Drift, Skalierungsfaktoren und Ausrichtungen gleichzeitig zu reduzieren. Bei einem Zyklus ist die Dauer Δt einer Drehung von einer Anfangsposition zu einer Endposition für jede Drehung der Serie identisch. Typischerweise beträgt die Dauer Δt einige Sekunden. Am Ende jeder Drehung wird der Trägheitskern 3 in seiner Endposition für ein Zeitintervall gehalten, das gleich einem Achtel eines Zeitzyklus Tc nahe an Δt ist, bevor sie der nächsten Rotationsserie unterzogen wird, für die die Anfangsposition die Endposition der vorherigen Drehung ist. Typischerweise beträgt ein Zeitzyklus mehrere Minuten. Nach einem Zyklus wird ein neuer Zyklus von Drehungen mit der gleichen Serie wie für den vorherigen Zyklus oder mit einer anderen Serie, die auf der Basis der vorgeschlagenen neun Serien gewählt ist, durchgeführt.
Die neun Basisserien sind in Tabelle 1 gezeigt, deren erste Reihe die acht Drehungen Rot1 bis Rot8 eines Zyklus angeben. Die zweite Reihe gibt die Positionen des Trägheitskerns am Beginn und Ende jeder Drehung in Bezug auf den lokalen geografischen Referenzrahmen Xg, Yg, Zg an. Xn gibt an, dass die Xm-Achse nach Norden zeigt. Xs gibt an, dass die Xm-Achse nach Süden zeigt. Yw gibt an, dass die Ym-Achse nach Westen zeigt. Ye gibt an, dass die Ym-Achse nach Osten zeigt. Zh gibt an, dass die Zm- Achse nach oben zeigt. Zb gibt an, dass die Zm-Achse nach unten zeigt. Die nachfolgenden Reihen listen die Serien S1 bis S9 auf, wobei γ(+π) eine Drehung von +π-Radianen um die Zm-Achse angibt und γ(-π) eine Drehung von -π-Radianen um die Zm-Achse angibt. Ähnlich gibt β(+π) eine Drehung von +π-Radianen um die Xm-Achse an, und β(-π) gibt eine Drehung von -π-Radianen um die Xm-Achse an. Tabelle 1
Diese Serie hat gemeinsam, dass alle Drehungen eine 180°-Drehung beinhalten, d. h. eine Drehung von π-Radianen (180°). Wir finden eine 180°- Drehung in einer zur Zm-Achse orthogonalen Ebene, gefolgt durch eine 180°-Drehung in einer zur Xm-Achse orthogonalen Ebene, gefolgt durch zwei 180°-Drehungen in der zur Zm-Achse orthogonalen Ebene, gefolgt durch eine 180°-Drehung in der zur Xm-Achse orthogonalen Ebene, gefolgt durch eine 180°-Drehung in der zur Zm-Achse orthogonalen Ebene, gefolgt durch zwei 180°-Drehungen in der zur Xm-Achse orthogonalen Ebene.
Wenn man die Aufeinanderfolge von zwei 180°-Drehungen, Rot7, Rot8 um die Xm-Achse betrachtet, so geht dieser eine 180°-Drehung Rot6 voraus und folgt dieser eine 180°-Drehung Rot1 des nächsten Zyklus um die Zm- Achse. Betrachtet man eine Aufeinanderfolge von zwei 180°-Drehungen Rot3, Rot4 um die Zm-Achse, geht dieser eine 180°-Drehung Rot2 voraus und folgt dieser eine 180°-Drehung Rot5 um die Xm-Achse.
Somit haben die Projektionen von Fehlern entlang der Zg-Achse das erste Vorzeichen über das erste Zeitintervall, das der ersten 180°-Drehung vorausgeht, das entgegengesetzte Vorzeichen über drei Zeitintervalle, die der fünften 180°-Drehung vorausgehen, wieder das erste Vorzeichen über zwei Zeitintervalle, die der siebten 180°-Drehung vorausgehen, das entgegengesetzte Vorzeichen über das Zeitintervall, das der achten 180°- Drehung vorausgeht und wieder das erste Vorzeichen über das Zeitintervall, das der achten 180°-Drehung folgt. Die Fehlerprojektionen entlang der Zg-Achse haben das erste Vorzeichen über vier Zeitintervalle und das entgegengesetzte Vorzeichen über vier Zeitintervalle. Der Mittelwert der Fehlerprojektionen entlang der Zg-Achse zeigt die Tendenz, dass er über einen Zyklus hinweg aufgehoben wird.
Die Fehlerprojektionen entlang der Xg-Achse, die anfänglich das erste Vorzeichen vor der ersten 180°-Drehung haben, haben das entgegengesetzte Vorzeichen über zwei Zeitintervalle, die der dritten 180°-Drehung vorausgeht, das wieder das erste Vorzeichen über das Zeitintervall, das der vierten 180°-Drehung vorausgeht, das entgegengesetzte Vorzeichen über zwei Zeitintervalle, die der sechsten 180°-Drehung vorausgehen, wieder das erste Vorzeichen über zwei Zeitintervalle, die der achten 180°-Drehung vorausgehen und wieder das erste Vorzeichen über ein Zeitintervall, das der achten 180°-Drehung folgt. Die Fehlerprojektionen entlang der Xg- Achse haben das erste Vorzeichen über vier Zeitintervalle und das entgegengesetzte Vorzeichen über vier Zeitintervalle. Der Mittelwert der Fehlerprojektionen entlang der Xg-Achse hat die Tendenz, dass er über einen Zyklus aufgehoben wird.
Die Fehlerprojektionen entlang der Yg-Achse ändern das Vorzeichen bei jeder 180°-Drehung. Die Fehler entlang der Yg-Achse, abwechselnd mit ersten Vorzeichen und entgegengesetzten Vorzeichen, haben daher die Tendenz, dass sie über einen Zyklus aufgehoben werden.
Programmierte Sequenzen werden von einem Prozessor ausgeführt, bevorzugt einem Hochgeschwindigkeitsprozessor, der die Motoren 16 und 18 zur Durchführung der 180°-Drehungen in bekannter Weise ansteuert.
Während Fehlerprojektionen global über die Intervalle eines Zyklus kompensiert werden, indem der Trägheitskern zwischen zwei Drehungen in einer stabilen Position gehalten wird, werden während den Drehungen Fehlerprojektionen nicht a priori kompensiert. Über jede Periode Δt führt eine Drehung zu Restfehlern der Winkelmessung, die grundlegend auf Fehlern des Skalierungsfaktors und der Gyrometerachsen-Ausrichtung beruhen. Die Konstruktions- und Montagetoleranzen der Gyrometer werden benutzt, um die Werte von Fehlern des Drift Dx, Dy, Dz, der Skalierungsfaktoren Fx, Fy, Fz und der Achsausrichtung Cyz, Czx, Cxy zu schätzen. Dann ist es möglich, die Restfehler durch integrierende Fehlerberechnungsformeln, die dem Fachmann bekannt sind, über jede Periode Δt einer Drehung zu berechnen. Durch Aufaddieren jedes Typs von Restfehlerprojektion über alle Perioden Δt der Drehungen eines Zyklus und Teilen des erhaltenen Ergebnisses durch die Gesamtdauer eines Zyklus erhalten wir einen Mittelwert jedes Typs der Fehlerprojektion über einen Zyklus. Durch Anwenden einer Aufeinanderfolge von Zyklen, wie sie etwa zuvor beschrieben wurden, ergeben sich die berechneten Restfehlerglieder, die an den verschiedenen Achsen auftreten, durch Tabelle 2 wie folgt: Tabelle 2
Für jede 180°-Drehserie sind die Koeffizienten kdx, kdy, kdz Konstanten, die von Driftfehlern Dx, Dy, Dz unabhängig sind, die Koeffizienten kfx, kfz sind Konstanten, die von den Skalierungsfaktorfehlern Fx, Fy, Fz unabhängig sind, und die Koeffizienten kcx, kcy, kcz sind Konstanten, die von den Ausrichtungsfehlern Cyz, Czx, Cxy unabhängig sind. Die Koeffizienten Cx, Cy, Cz sind lineare Kombinationen der Ausrichtungsfehler Cyz, Czx, Cxy.
Durch Auswahl einer kurzen Dauer Δt einer 180°-Drehung im Vergleich zum Zeitzyklus Tc ist es möglich, ein sehr kleines Δt/Tc-Verhältnis zu erhalten.
Wenn man sieht, dass die die Drift betreffenden Glieder Dx, Dy, Dz mit diesem Verhältnis multipliziert werden, stellen wir fest, dass der die Drift bedingte Restfehler klein ist. Wenn man ähnlich sieht, dass die die Ausrichtungen betreffenden Glieder Cx, Cy, Cz mit diesem Verhältnis und mit der Erdumdrehungsgeschwindigkeit Ω multipliziert werden, stellen wir fest, dass der auf die Ausrichtungen zurückgehende Restfehler klein ist. Festzustellen ist, dass der Fehler aufgrund den Skalierungsfaktoren Fx, Fz unter dem Einfluss der 180°-Drehungen des Trägheitskerns 3 nicht schlechter geworden ist. Wenn man sieht, dass die Skalierungsfaktoren Fx, Fz mit der Erdumdrehungsgeschwindigkeit Ω multipliziert werden, stellen wir fest, dass der auf die Skalierungsfaktoren zurückgehende Restfehler kleiner ist als bei einer Konfiguration, wo der Trägheitskern 3 starr an einem Träger (bordfest) gesichert ist, ohne die Kardangelenke. Der Grund hierfür ist, dass die Erdumdrehungsgeschwindigkeit im Vergleich zu den Bewegungen des Trägers klein ist, insbesondere bei Steuerkursbewegungen. Ferner ist kein Fehler proportional zur Geschwindigkeit der 180°-Drehungen, die somit vergrößert werden kann, um das Verhältnis Δt/Tc zu senken.
Diese auffallenden Eigenschaften gelten für konstante Werte bei einem 180°-Drehzyklus. An erster Stelle werden diese Eigenschaften für langsam variable Größen in Bezug auf die Dauer des Zyklus beibehalten.
Dank der zuvor beschriebenen Mechanisierung und der 180°-Drehzyklen ist der Einfluss der verschiedenen Fehlerglieder signifikant reduziert. Demzufolge ist die Langzeitstabilität von Gyrometern nicht länger ein Dimensionierungskriterium für diese Anwendungen.
Die Lehre der Erfindung ist nicht auf Gyrometer beschränkt, sondern ist auch bei Beschleunigungsmessern anwendbar. Die Basisfehler von Beschleunigungsmessern (Vorspannung, Skalierungsfaktoren und Achsausrichtungen) werden auch durch die Projektion in dem lokalen geografischen Referenzrahmen aufgemittelt.
Das zuvor beschriebene Verfahren, das zur Anordnung des Trägheitskerns 3 in einer Aufeinanderfolge von beobachtbaren fixierten Positionen in Bezug auf das lokale geografische Drei-Achsen-System G, bestimmt durch die Achsen Xg, Yg, Zg, verwendet wird, kann verwendet werden, um Langzeitanwendungen an Gyrometern und/oder Beschleunigungsmessern zu verlängern, die normalerweise innerhalb von Systemen, die starr an dem Träger gesichert (bordfeste Systeme) über kürzere Perioden verwendet werden.
Die Erfindung ist nicht auf das zuvor beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Die gleichen Ergebnisse erhält man, indem man die Richtung aller Drehungen des Winkels γ umkehrt und/oder indem man die Richtung aller Drehungen des Winkels β umkehrt, d. h., indem man γ(+π) durch γ(-π) in der Serie und vice versa ersetzt und/oder β(+π) durch β(-π) und vice versa. Ähnlich bleiben die erhaltenen Eigenschaften durch eine kreisförmige Permutation der Folge von 180°-Drehungen unverändert, wobei die neun Basislösungen identisch sind, wenn sie so ausgelegt sind, dass sie insgesamt von einer der zweiten bis achten 180°-Drehungen starten, die bei der vorausgehenden 180°-Drehung endet, wie in der Beschreibung angegeben.
In Bezug auf Fig. 6 empfängt ein Prozessor 22 die Messungen von den Sensoren 19, 20, 21 und berechnet, unter Verwendung dieser Messungen, drei Lagewinkel, indem er ein erstes bordfestes Trägheitsnavigationsprogramm ausführt. Ein erster Lagewinkel ist der Winkel α, dessen Achsen Zm, Xm von den Achsen Zg, Xg in derselben Ebene divergieren. Ein zweiter Lagewinkel ist der Winkel β, dessen Achsen Ym, Zm von den Achsen Yg, Zg in der gleichen Ebene divergieren. Ein dritter Lagewinkel ist der Lagewinkel γ, dessen Achsen Xm, Ym von den Achsen Xg, Yg in derselben Ebene divergieren.
Der Prozessor 22 steuert bzw. regelt zumindest die Motoren 16 und 18 durch Ausführung eines zweiten Programms, das in einem Speicher 23 enthalten ist. Das Programm berücksichtigt die Lagewinkel, die durch das erste Programm berechnet sind, um den Trägheitskern 3 auf jede stabile Position mitzunehmen.
Das Programm verwendet die zuvor beschriebene Basisserie zur Durchführung der 180°-Drehungen entsprechend den Zyklen in Übereinstimmung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Durch Drehung der Motoren 16 und 18 um einen 180°-Winkel durch ein Zyklus gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren bewirkt das Programm, dass die Fehlerprojektionen auf die drei Achsen Xg, Yg und Zg abwechselnd in der einen Richtung und in der entgegengesetzten Richtung einwirken, um diese Fehlerprojektionen bei der Aufmittlung über einen Zyklus aufzuheben.
Wenn der Prozessor 22 nur die Motoren 16 und 18 steuert, kann man annehmen, dass abwechselnde Drehungen niedriger Amplituden um die Ym-Achse die Fehler in beide Richtung bei der Aufmittlung über jedes Zeitintervall einer stabilen Position, und bei der Aufmittlung über einen Zyklus kompensieren.
Die Vorrichtung wird weiter verbessert, wenn der Prozessor 22 den Motor 24 ansteuert, indem er das Programm ausführt, das dann speziell für diesen Zweck vorgesehen ist, um den Trägheitskern 3 in jeder stabilen Position entlang der Yg-Achse und zusätzlich auch entlang den Xg und Zg-Achsen zu halten.
Die Lehre der Erfindung ist nicht auf das Ausführungsbeispiel beschränkt, das in Bezug auf Fig. 1 beschrieben ist. Z. B. können Zustandsvektoren andX_1U und andX_2U unterschiedlich kombiniert werden.
In Bezug auf Fig. 7 kann der Subtraktor 11 verwendet werden, um einen Fehlerbeobachtungsvektor δYi in der gleichen Weise zu erhalten wie der in Fig. 1 erhaltene Vektor δY. Unterschieden wird hier zwischen dem Vektor δYi der Fehlerbeobachtung zwischen den Zustandsvektoren der Trägheitseinheiten 1 und 2 und einem Vektor δYe der Fehlerbeobachtung zwischen dem Zustandsvektor der Trägheitseinheit 1 und einem externen Beobachtungsvektor Ye. Wie im Fall einer herkömmlichen Navigationsvorrichtung mit einer einzelnen Trägheitseinheit, ergeben sich die Positionskomponenten des externen Beobachtungsfehlers Ye aus Messungen, die mit Sensoren oder periphären Systemen gemacht werden, wie z. B. einem GPS- geografischen Positionierungssystem, einem barometrischen Sensor, der eine Höhenreferenz erzeugt oder einem Drucksensor, der eine Unterwasserreferenz erzeugt. Die Geschwindigkeitskomponenten ergeben sich aus Messungen, die mit einem Wegstreckenzähler oder einem Dopplereffektsystem durchgeführt werden, oder ergeben sich aus Kenntnis einer Null- Geschwindigkeit, wenn der Träger unbeweglich ist. Der externe Beobachtungsvektor Ye kann benutzt werden, um zu bestimmten spezifischen Momenten Einstellungen an Position oder Geschwindigkeit auszuführen. Eine Beobachtungsmatrix H'_1U ermöglicht, dass bestimmte Komponenten des Zustandsvektors X_1U zurückgehalten werden. Ein Subtraktor 30 wird verwendet, um den externen Beobachtungsvektor Ye von der Ausgabe der Beobachtungsmatrix H'_1U herzuleiten, um den externen Fehlerbeobachtungsvektor δYe zu erhalten. Ein Kalmanfilter 26 empfängt die Beobachtungsvektoren δYe und δYi als Eingabe zum Erzeugen des Fehlerschätzvektors δandX_2U, der in Bezug auf Fig. 1 verwendet wird. Der Kalmanfilter 26, ähnlich dem Kalmanfilter 5 schließt in seinem Zustandsvektor δandX die Trägheitsmodelle beider Einheiten 1, 2 und das externe Referenzmodell in Bezug auf den Beobachtungsvektor Ye ein.
Die erste Lehre der Erfindung ist nicht auf die besondere Verwendung eines statistischen Filters wie etwa des Kalmanfilters beschränkt, um den Fehlerschätzvektor zu erhalten. Es kommt auch ein Filter mit Verstärkungsfaktoren K in Betracht, die vorab berechnet sind oder mit anderen Modellen als dem der kleinsten Quadrate erhalten sind.
Eine erste bordfeste Navigationseinheit (2) erzeugt einen ersten Zustandsvektor (X_2U), dessen Komponenten Positions-, Lage- und Geschwindigkeitswerte eines Trägers mit einem kleinen Momentanfehler angeben. Das Verfahren umfasst die Schritte:

- Erzeugen eines zweiten Zustandsvektors (X_1U), dessen Komponenten Positions-, Lage- und Geschwindigkeitswerte des Trägers mit einem kleinen Langzeitfehler angeben, mittels einer zweiten Navigationseinheit (1);
- Kombinieren des ersten und des zweiten Zustandsvektors, um einen Fehlerbeobachtungsvektor (δY) zu erhalten;
- Erzeugen eines Fehlerschätzvektors (andδX_2U) aus dem Fehlerbeobachtungsvektor (δY) mittels eines Filters (5);
- Kombinieren des so erhaltenen Fehlerschätzvektors (andδX_2U) mit dem ersten Zustandsvektor (X_2U), um einen geschätzten Vektor (andX_2U) der Trägerpositions-, Lage- und Geschwindigkeitswerte mit einem kleinen Momentanfehler und einem kleinen Langzeitfehler zu erhalten.

Claims

1. Langzeit-Navigationsverfahren mittels einer ersten bordfesten Navigationseinheit (2), die einen ersten Zustandsvektor (X_2U) erzeugt, dessen Komponenten Positions-, Lage- und Geschwindigkeitswerte eines Trägers mit einem kleinen Momentanfehler angeben, dadurch gekennzeichnet, dass es Vorgänge enthält, bestehend aus:
Erzeugen eines zweiten Zustandsvektors (X_1U), dessen Komponenten Positions-, Lage- und Geschwindigkeitswerte des Trägers mit einem kleinen Langzeitfehler angeben, mittels einer zweiten Navigationseinheit (1);
Kombinieren des ersten und des zweiten Zustandsvektors, um einen Fehlerbeobachtungsvektor (δY) zu erhalten;
Erzeugen eines Fehlerschätzvektors (andδX_2U) aus dem Fehlerbeobachtungsvektor (δY) mittels eines Filters (5);
Kombinieren des so erhaltenen Fehlerschätzvektors (andδX_2U) mit dem ersten Zustandsvektor (X_2U), um einen geschätzten Vektor (andX_2U) der Trägerpositions-, Lage- und Geschwindigkeitswerte mit einem kleinen Momentanfehler und einem kleinen Langzeitfehler zu erhalten.

2. Langzeit-Navigationsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Zustandsvektor (X_2U, X_1U) kombiniert werden, indem der zweite Vektor (X_1U) von dem ersten Vektor (X_2U) subtrahiert wird, und dass der Fehlerschätzvektor (andδX_2U) und der erste Zustandsvektor (X_2U) kombiniert werden, indem der Fehlerschätzvektor (andδX_2U) von dem ersten Zustandsvektor (X_2U) subtrahiert wird.

3. Langzeit-Navigationsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Filter (5) ein Kalmanfilter ist.

4. Langzeit-Navigationsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Zustandsvektor (X_1U) mittels einer zweiten bordfesten Navigationseinheit (1) erzeugt wird, deren Trägheitskern (3) periodisch um 180° gedreht wird, um Messfehler in entgegengesetzte Richtungen aufzumitteln.

5. Navigationsvorrichtung zum Erhalten eines geschätzten Vektors (andX_2U) von Positions-, Lage- und/oder Geschwindigkeitswerten eines Trägers mit einem kleinen Momentanfehler und einem kleinen Langzeitfehler,
dadurch gekennzeichnet, dass sie enthält:
eine erste bordfeste Navigationseinheit (2), die aufgebaut ist, um einen ersten Zustandsvektor (X_2U) zu erzeugen, dessen Komponenten Positions-, Lage- und Geschwindigkeitswerte eines Trägers mit einem kleinen Momentanfehler angeben;
eine zweite Navigationseinheit (1), die aufgebaut ist, um einen zweiten Zustandsvektor (X_1U) zu erzeugen, dessen Komponenten Positions-, Lage- und Geschwindigkeitswerte des Trägers mit einem kleinen Langzeitfehler angeben, und
einen Filter (5, 26), der aufgebaut ist, um am Eingang den ersten und zweiten Zustandsvektor (X_2U, X_1U) zu kombinieren, um am Ausgang des Filters einen Fehlerschätzvektor (andδX_2U) zu erzeugen, um einen geschätzten Vektor (andX_2U) der Trägerpositions-, Lage- und Geschwindigkeitswerte mit einem kleinen Momentanfehler und einem kleinen Langzeitfehler zu erhalten.

6. Navigationsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein erstes Mittel (11) zum Kombinieren des ersten und zweiten Zustandsvektors durch Subtraktion des zweiten Vektors von dem ersten Vektor sowie ein zweites Mittel (12) zum Kombinieren des Fehlerschätzvektors und des ersten Zustandsvektors durch Subtraktion des Fehlerschätzvektors von dem ersten Zustandsvektor enthält.

7. Navigationsvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Filter (5) ein Kalmanfilter ist.

8. Navigationsvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Navigationseinheit (1) eine bordfeste Navigationseinheit ist, deren Trägheitskern periodisch um 180° gedreht wird, um Messfehler in entgegengesetzte Richtungen aufzumitteln.

9. Navigationsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein erstes Mittel (11) zum Erhalt eines ersten Fehlerbeobachtungsvektors (δYi) gleich der Differenz der ersten (X_2U) und zweiten (X_1U) Zustandsvektoren sowie ein zweites Mittel (30) zum Erhalt eines zweiten Fehlerbeobachtungsvektors (δYe) gleich der Differenz des zweiten Zustandsvektors (X_1U) und eines externen Beobachtungsvektors (Ye) enthält, und dass der statistische Filter (26) die Fehlerbeobachtungsvektoren (δYi, δYe) zum Erhalt des Fehlerschätzvektors (andδX_2U) kombiniert.