DE19737902A1

DE19737902A1 - Verfahren und Einrichtungen zur autonomen Präzisions-Eigenortung mit inertialen Drehratensensoren

Info

Publication number: DE19737902A1
Application number: DE19737902A
Authority: DE
Inventors: Manfred Dr Boehm
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-08-31
Filing date: 1997-08-31
Publication date: 1999-06-24

Description

Zur Navigation war die Ortbestimmung seit altersher unabdingbar. Klassische Verfahren nutzen den Sextanten und den Chronometer zur Bestimmung von geographischer Breite und Länge in Verbindung mit auf Kompaßnord bezogenen Kursen. Die neuesten Verfahren zur genauen Ortsbestimmung stützen sich auf Satelliten und die Messung von Laufzeitdifferenzen kodierter Funksignale, die von ihnen gesendet werden.

Die Ortung mittels Satelliten ist inzwischen sowohl militärisch als auch zivil weit verbreitet und ihr Einsatz nimmt ständig zu /1/. Wegen des großen Aufwandes für Installation und Betrieb eines Satellitennetzes gehören die vorhandenen Netze militärischen Dienststellen. Zivile Nutzer werden toleriert, erhalten aber keine Betriebsgarantie. Daher werden auch zivile Satellitenetze geplant. Bei diesen muß man jedoch davon ausgehen, daß ihre Nutzung nicht mehr kostenlos zugelassen wird. Daher ist es sinnvoll, nach Alternativen zur genauen globalen Eigenortung zu suchen, die keine Satelliten oder sonstigen Infrastrukturen benötigen.

Zwar gibt es seit vielen Jahrzehnten leistungsfähige Verfahren zur Trägheitsnavigation. Diese weisen jedoch infolge von Kreiseldriften Fehler auf, deren Größe mit der Dauer eines Einsatzes zunimmt. Durch Stützung der Plattformen mit genauen Ortungswerten von anderen Systemen, wie etwa GPS, ist es möglich, Driftfehler zu kompensieren. Aber für den Regeleinsatz solcher Methoden etwa in der zivilen Luftfahrt reicht die Integrität der Satellitenverfahren noch nicht aus. Zusätzlich werden damit die Kosten z. B. für die Luftfahrtgesell-schaften gesteigert.

Daher ist eine Einrichtung zur autonomen Präzisionsortung, die genügend genau und kostengünstig ist sowie eine ausreichend hohe Integrität aufweist, d. h. nicht von zentralen Infrastrukturen mit unüberschaubarer Verfügbarkeit abhängt, dringend erforderderlich, jedoch bisher nicht verfügbar. Insbesondere ist bisher kein autonomes Ortungsverfahren bekannt, das sich ausschließlich auf die Verwendung von inertialen Drehraten-Sensoren stützt.

Dieses Problem wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Einrichtung mit den dort aufgeführten Merkmalen gelöst. Insbesondere werden die Eigendrehung der Erde und die inertial fixierte Ausrichtung ihrer Drehachse mittels mindestens zweier, orthogonal zueinander angebrachter und auf einer horizontierbaren Grundplatte montierter und vorzugsweise optischer, inertialer Drehratensensoren so ausgenutzt, daß sich über die Eingabewerte geographisch Nord, geographische Breite und genaue Jahreszeit auch die genaue geographische Länge bestimmen läßt und damit der eigene Standort auf der Erde ständig driftfrei bekannt ist.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile liegen in der Autonomie, der Genauigkeit und der hohen Integrität der Ortbestimmung. Die Erfindung kann vorteilhaft ausgestaltet werden, wie es in den Patentansprüchen 2-7 angegeben ist. Grundlagen und Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen

Bild 1 Prinzipielle Bestimmung der geographischen Länge aus jahreszeitlicher Lage einer virtuellen Erdachsen-Projektion und geographischer Nordrichtungsprojektion auf die Ekliptik

Bild 2 Bestimmung der geographischen Breite mittels zweier Drehratensensoren

Bild 3 Bestimmung der geographischen Nordrichtung mittels zweier Drehratensensoren

Bild 4 Bestimmung der geographischen Länge mittels geographisch Nord und geographischer Breite

Bild 5 Einrichtungen zur autonomen Präzisions-Eigenortung

Die Drehachse der Erde ist gegenüber ihrer Bahnebene, der Ekliptik, um 67,5° geneigt und ihre Ausrichtung im Raum bleibt während eines Jahresumlaufs erhalten. Die auf die Ekliptik projizierte Erdachse dreht sich daher in Bezug auf den jeweiligen Bahnvektor während eines Jahresumlaufs der Erde um 360°. Dieser Winkel definiert mit großer Genauigkeit die jeweilige Jahreszeit. Umgekehrt ergibt sich dieser Winkel aus der ebenfalls sehr genau bekannten Jahreszeit.

Neben der Jahresdrehung weist die Erde auch eine Tagesdrehung auf. Für jeden Punkt der Erde gilt eine lokale Tageszeit, deren Kenntnis die Bestimmung der geographischen Länge dieses Punktes erlaubt. Projiziert man einen Längenkreis auf die Ekliptik, so erhält man eine Strecke von der Länge des Erddurchmessers, die mit der auf die Ekliptik projizierten Erdachse einen Winkel einschließt, der sich zwar mit der Erddrehung periodisch ändert, aber für einen bestimmten Längenkreis spezifisch ist.

Zur Bestimmung der geographischen Länge eines Ortes P auf der Erdoberfläche kann mit Kenntnis der geographischen Breite eine Parallele zur Erdachse in P bestimmt werden und mit Kenntnis der genauen Jahreszeit so auf die Ekliptik-Ebene projiziert werden, daß diese Projektion - die sich während eines Jahresumlaufs der Erde bezogen auf die fixierte Projektion der Erdachse um 360° dreht - mit der Projektion des lokalen Längenkreises (Nordrichtung) immer den Winkel ϑ einschließt, welcher der momentanen Länge entspricht. Die erdebezogenen Länge ergibt sich, indem man von ϑ einen ebenfalls zeitabhängig variablen bekannten Korrekturwinkel subtrahiert.

Wenn man jedoch zur Durchführung einer Ortung die geographische Länge noch nicht kennt, kann man ersatzweise die Projektion des (geographischen) Nordvektors benutzen, der mit der projizierten Erdachse denselben Winkel einschließt wie der Längenkreis. Diese Zusammenhänge sind in Bild 1 skizziert. Dabei ist hervorzuheben, daß die unveränderte Lage der Projektion der realen Erdachse ersetzt ist durch die sich mit dem Jahresumlauf ändernde Lage der Projektion einer virtuellen Erdachse, deren Lage sich während derselben Tageszeit zu einem veränderten Winkel ϑ an zwei verschiedenen Punkten der Jahresumlaufbahn führen würde. Zur Kompensation dieser Änderung arbeitet man zweckmäßigerweise mit einer virtuellen Erdachse und deren Projektion, deren Lage zum Bahnvektor sich nicht ändert.

Um die Projektion der virtuellen Erdachse in einem Punkt mit unbekanntem Ort bestimmen zu können, ist zunächst die Kenntnis der geographischen Breite erforderlich, auf der dieser Ort liegt. Denn nur dann kann eine Parallele zur Erdachse durch diesen Ort sowie deren Projektion auf die Ekliptik berechnet werden. Zur Bestimmung der geographischen Breite eines beliebigen Ortes auf der Erde gibt es unterschiedliche Verfahren. Eines davon wurde bereits von Eötvös vorgeschlagen /2/. Zweckmäßiger sind jedoch moderne optische Drehratensensoren /3/, mit denen sich sowohl die Nordrichtung als auch die geographische Breite bestimmen lassen.

Die Bestimmung der geographischen Breite mit optischen Drehratensensoren ist in Bild 2 skizziert. Dabei kann zwischen der Verwendung nur eines Sensors und der eines Sensorpaares unterschieden werden. Bereits mit einem Sensor läßt sich prinzipiell die geographische Breite bestimmen. Das ist in Bild 2a angegeben. Ordnet man den Sensor so an, daß seine Achse immer senkrecht zur Erdoberfläche steht, dann liefert er ein Signal, dessen Größe proportional zum Sinus der geographischen Breite ist. Sein Ausgangssignal ist null am Äquator (wenn man die jährliche Erddrehung vernachlässigt) und hat das - bekannte - Maximum an den Polen. Aus dem Meßwert und der bekannten täglichen Drehrate der Erde läßt sich daher die geographische Breite berechnen. Ordnet man den Sensor so an, daß seine Achse immer horizontal und parallel zur örtlichen Länge ausgerichtet ist (d. h. sich in Nord/Süd-Richtung befindet), dann ist sein Ausgangssignal proportional dem Kosinns der geographischen Breite. Das Signalmaximum ergibt sich dann am Äquator, während an den Polen kein Ausgangssignal anfallt.

Arbeitet man nun mit zwei zueinander orthogonalen Sensoren (Bild 2b), dann ist das Verhältnis der beiden Ausgangssignale proportional dem Tangens der geographischen Breite. Diese Methode ist trotz des doppelten Sensoraufwandes leistungsfähiger als die der Verwendung eines Einzelsensors. Insbesondere bieten sich hierdurch überlegene Möglichkeiten zur Fehlereliminierung, die bei Verwendung eines Einzelsensors nicht gegeben sind.

Der Doppelsensor kann auch zur Bestimmung der geographischen Nordrichtung verwendet werden. Hierfür wird ausgenutzt, daß bei Ausrichtung der Achse des einen Sensors parallel zum örtlichen Breitenkreis (Ost/West-Richtung) das gelieferte Ausgangssignal null ist, während dann die Achse des anderen - orthogonalen - Sensors in Nord-/Südrichtung zeigt, also parallel zum örtlichen Längenkreis liegt, wenn sein Ausgangssignal das Maximum erreicht. Durch Bildung des Verhältnisses der beiden Sensorsignal ergibt sich für die Nordrichtung entweder der Wert null oder das Maximum. Das ist in Bild 3 verdeutlicht. Auch hier bietet die Verwendung von zwei Sensoren überlegene Möglichkeiten zur Fehlerreduzierung. Die Achsen der beiden Drehratensensoren sind lokal horizontiert. Die Achse des Drehratensensors 1 liegt parallel zum lokalen Breitenkreis beim Ausgangssignal null, die Achse des Drehratensensors 2 liegt parallel zum lokalen Längenkreis beim Maximum des Ausgangssignals.

Mit Hilfe der ermittelten Werte für geographisch Nord und die geographische Breite kann nun rechnerisch eine Parallele zur Erdachse bestimmt und auf die Ekliptikebene projiziert werden. Das ist in Bild 4 verdeutlicht. Dort bedeuten Ea: Erdachse, PEa: Parallele zur Erdachse in P, B: Breitenkreis, E: Ekliptikebene, PPEa: Projek-tion von PEa auf E, T: Längenkreistangente in P, P: Ortungspunkt, α: Winkel PEa-PE, ϕ: Winkel der Breite, η: Winkel PEa-P-PPEa (90°-ϕ), ϑ: Momentane geographische Länge, ε: Neigung der Erdachse zur Ekliptikebene.

Zur Bestimmung der Parallelen zur Erdachse muß lediglich der örtliche Nordvektor um einen bekannten, von der jeweiligen Breite abhängigen η Winkeln auf der Nordhalbkugel nach Süd und auf der Südhalbkugel nach Nord gekippt werden. Die Projektionen von Nordvektor und Parallele zur Erdachse auf die Ekliptikebene schließen einen Winkel ϑ' ein, der sich periodisch mit der jährlichen Erddrehung ändert. Um diese Änderung zu kompensieren, wird wie schon erwähnt eine virtuelle Erdachsenprojektion eingeführt, die zu einem von der Jahreszeit unabhängigen Winkel ϑ führt, der für die Länge des gesuchten Standortes spezifisch ist. Auf die geographische Länge L kommt, man, wenn von ϑ ein ebenfalls sich periodisch ändernder, aber bekannter Bezugswert subtrahiert wird. Die Projektion der Parallelen zur Erdachse setzt die genaue Kenntnis der Jahreszeit voraus, da diese den Winkel festlegt, unter dem die Projektion in Bezug auf den Bahnvektor oder die Verbindungslinie Sonne-Erde zu sehen ist. Die Längenbestimmung erfordert keine Meßwerte der beiden Sensoren. Sie erfolgt ausschließlich durch Berechnung unter Verwendung der beiden Meßwerte für Nord und Breite, der genauen Jahreszeit und bekannter astronomischer Daten, die ebenfalls sehr genau verfügbar sind /4/.

Das gesamte erfindungsgemäße Verfahren zur autonomen Präzisions-Eigenortung mittels eines Doppelsensors und eines Rechners mit Datenbarik ist im folgenden tabellarisch zusammengestellt. Dabei sind im Unterschied zu Verfahren der Trägheitsnavigation keine Beschleunigungsmesser erforderlich. Bei Verwendung von nur zwei Drehraten-Sensoren ist für einen der beiden Sensoren eine Achsschwenkung um 90° erforderlich, wenn anstelle der Nordrichtung die geographische Breite gemessen werden soll. Eine solche Achsschwenkung muß periodisch in Millisekunden-Intervallen erfolgen, wenn anstelle stationärer Messungen die Ortung in schnell bewegten Fahrzeugen oder Flugzeugen erfolgen soll. Für solche Fälle ist der Ersatz der periodischen Schwenkung durch einen dritten Drehraten-Sensor zweckmäßig, der es erlaubt, Nord und Breite voneinander unabhängig kontinuierlich zu messen. Die Schwenkvorrichtung entfällt dann. Der dritte Sensor hat ständig eine vertikal ausgerichtete Achse und die Breite wird durch Verhältnisbildung seines Ausgangssignals mit dem Ausgangssignal des Sensors 1 ermittelt, der eine horizontale Achse aufweist, die horizonzal in Nord/Süd-Richtung liegt.

Verfahren zur autonomen Präzisions-Eigenortung mit zwei inertialen Drehraten-Sensoren

1. Bestimmung der lokalen Horizontalebene
2. Bestimmung von geographisch Nord
- Horizontierung der Achsen der Drehratensensoren
- Drehung der horizonzalen Grundplastte auf Nord mittels Kriterium null des Signalverhältnisses der beiden Sensoren
3. Bestimmung der geographischen Breite
- Verstellung der Achse von Sensor 2 in die vertikale Richtung (Achse lotrecht statt Ost/West)
- Berechnung der Breite aus dem Verhältnis der Signale der beiden Sensoren
4. Berechnung der geographischen Länge aus
- geographisch Nord
- geographischer Breite
- Jahreszeit

Bild 5 zeigt die erfindungsgemäße Einrichtung zur autonomen Präzisions-Eigenortung, in Bild 5a die Version mit zwei Drehraten-Sensoren und periodischer Schwenkung der Achse des Sensors 2 von der skizzierten vertikalen Lage in eine horizontale, in Bild 5b die Version mit drei Drehraten-Sensoren, für welche keine Schwenkung erforderlich ist. Für die Version mit zwei Sensoren bedeuten 1: Sensor 1; 2: Sensor 2; 4: Signalprocessor; 5: Drehbare Lagerachsen; 6: Horizontierbare und nach Nord ausrichtbare Grundplatte; 7: Computer und Datenbank; 8: Achsträger; 9: Schwenkmotor. In Bild 5b bedeuten 3: Sensor 3; die Bedeutung der anderen Zahlen entspricht denen des Bildes 5a.

Die Teile 1-4 der Einrichtung nach Bild 5b können mit Vorteil auch auf einer Plattform zur Trägheitsnavigation (/5/,/6/) montiert werden, während dann die Funktionen der Baugruppen 6-7 der Plattform und dem Navigationscomputer des Trägheitssystems übertragen werden. Auf diese Weise kann das Driftproblem der Trägheitsnavigation mit ebenfalls autonomen Mitteln gelöst werden.

Literatur

/1/ V.Zerbe, H.Keller,R.Blume: Systeme für die Satellitennavigation; ntz,71997, S.66-67
/2/ R.Eötvös: Experimenteller Nachweis der Schwereänderung, die ein auf normal geformter Erdoberfläche in östlicher und westlicher Richtung bewegter Körper durch diese Bewegung erleidet; Annalen der Physik, (4) 59, 1919, 743-752
/3/ S. Ezekiel, H.J.Arditty: Fiber-Optic Rotation Sensors, Tutorial Review, 1982
/4/ dtv-AtIas zur Astronomie, München, Juli 1996
/5/ Bergmann Schaefer: Lehrbuch der Experimentalphysik; Mechanik, Akustik, Wärme; Berlin 1979, S.129 ff
/6/ Brockhaus, Naturwissenschaften und Technik, Bd.2, S.230, Wiesbaden 1983

Claims

1. Verfahren und Einrichtungen zur autonomen Präzisions-Eigenortung mit Drehratensensoren, dadurch gekennzeichnet, daß mit zwei zueinander orthogonalen, vorzugsweise optischen Drehratensensoren auf einer mit bekannten Mitteln horizontierbaren Grundplatte periodisch in jeweils aufeinander folgenden Zeitabschnitten zuerst die genaue Nordrichtung durch Regelung auf die Ausgangswerte Null für beide Sensoren bestimmt wird und dann, nach einer 900 Drehung des orthogonalen Sensorpaars um die Ost/West-Achse, die genaue geographische Breite ermittelt wird durch Bildung des Verhältnisses beider Sensorsignale, und daß in einem dritten Zeitabschnitt aus den Werten Nord, geographische Breite und Zeit die genaue geographische Länge des Standorts in der Weise berechnet wird, daß zuerst eine durch den eigenen Standort gehende Parallele zur Erdachse und ihre Projektion auf die Bahnebene der Erde (Ekliptikebene) bestimmt werden, daß der durch den eigenen Standort verlaufende lokale Längenkreis (Nordrichtung) ebenfalls auf die Bahnebene projiziert wird und daß dann der eingeschlossene Winkel zwischen diesen beiden Projektionsstrecken die geographische Länge des Standortes ergibt, wenn von ihm periodisch zeitvariable bekannte Korrekturwinkel aufgrund der jährlichen und täglichen Drehung der Erde subtrahiert werden.

2. Verfahren und Einrichtungen zur autonomen Präzisons-Eigenortung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle von optischen inertialen Drehratensensoren solche verwendet werden, die auf anderen Prinzipien beruhen, etwa mechanische Kreisel, mechanische Glasschwinger oder Atomresonatoren.

3. Verfahren und Einrichtungen zur autonomen Präzions-Eigenortung nach Ansprüchen 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der periodischen Schwenkung eines Sensorpaares ein dritter Sensor eingesetzt wird, der mit dem einen Sensor des Paares ständig zur Bestimmung der Nordrichtung und mit dem anderen Sensor des Paares ständig zur Bestimmung der geographischen Breite eingesetzt wird.

4. Verfahren und Einrichtungen zur autonomen Präzisions-Eigenortung nach Ansprüchen 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der periodischen Schwenkung eines Sensorpaares zwei Sensorpaare eingesetzt werden, von denen das eine ständig zur Bestimmung der Nordrichtung und das andere ständig zur Bestimmung der geographischen Breite verwendet wird.

5. Verfahren und Einrichtungen zur autonomen Präzisions-Eigenortung nach Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß eine horizontierbare und nach Nord ausrichtbare Grundplatte sowie Sensoren und Rechner mit Speichern in einer Baugruppe integriert sind und daß die Ortsdaten dann kontinuierlich in kodierter Form parallel oder seriell in an sich bekannter Weise an ein übergeordnetes System geliefert werden.

6. Verfahren und Einrichtungen zur autonomen Präzisions-Eigenortung nach Ansprüchen 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß für bewegte Fahrzeuge und Personen durch Integration der einzelnen Ortsdaten über der Zeit driftfrei und Erde-bezogen der zurückgelegte Weg genau ermittelt wird.

7. Verfahren und Einrichtungen zur autonomen Präzisions-Eigenortung nach Ansprüchen 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die erfindungsgemäße Einrichtung ganz oder teilweise auf einer Plattform zur Trägheitsnavigation montiert wird und daß die Rechenschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens vom zum Trägheitsnavigations-system gehörenden Navigationscomputer durchgeführt werden.