DE19852490A1

DE19852490A1 - Globale autonome Eigenortung durch Nutzung der Kreiseleigenschaften der Erde

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Publication number: DE19852490A1
Application number: DE19852490A
Authority: DE
Inventors: Manfred Boehm
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-11-14
Filing date: 1998-11-14
Publication date: 2000-05-31

Abstract

Vereinfachung und Genauigkeitssteigerung globaler autonomer Eigenortungsverfahren. DOLLAR A Zur genauen Bestimmung des eigenen Standortes auf der Erde werden drei orthogonal zueinander befindliche Drehratensensoren so im Raum orientiert, daß ihr Ausgabewerte den drei immer konstanten Vorgabewerten entsprechen. Diese Vorgabewerte ergeben sich aus den drei orthogonalen Komponenten der maximalen Amplitude der Drehrate der Erde, bezogen auf die Bahnebene der Erde und die beiden dazu senkrechten und zueinander orthogonalen Ebenen, von denen die eine die Ebene ist, in der sich die Rotationsachse der Erde befindet. Aus den lokal gemessenen Werten für geographisch Nord und für das Lot kann dann in Verbindung mit den Lagewerten der drei Drehratensensoren der eigene Standort als Funktion der genauen Zeit nach Länge und Breite kontinuierlich berechnet werden. DOLLAR A Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht die globale autonome Eigenortung jederzeit und an jedem Ort driftfrei und ohne Eingabe von Koordinaten bekannter Referenzpunkte.

Description

Die Eigenortung von Fahrzeugen hat eine lange Tradition mit ihren Wurzeln in der Schiffahrt. In diesem Jahrhundert wurden die klassischen Verfahren der Breitenmessung durch Bestimmung der zeitabhängigen Elevation von Himmelskörpern über dem Horizont und der Längenmessung durch Chronometer, die auf eine Bezugslänge synchronisiert waren, abgelöst durch Inertial- und Funkverfahren, von den die autonome Trägheitsnavigation und die Präzisionsortung mit dem satellitengestützten Funkverfahren GPS die derzeit leistungsfähigsten sind.

Bei der sehr wirtschaftlichen Trägheitsnavigation ist die erreichbare Genauigkeit infolge der nicht vermeidbaren Kreiseldriften begrenzt. Das hochgenaue GPS erfordert andererseits eine erhebliche Infrastruktur, die auch militärischen Zwecken dient. Seine freie zivile Verfügbarkeit ist nicht garantiert. Außerdem weist GPS als Funkverfahren Funktionsprobleme auf in dicht bebauten innerstädtischen Gebieten, in engen Bergtälern und natürlich unter Wasser oder in Bergwerken.

Daher ist es zweckmäßig, nach weltweit einsetzbaren Verfahren zu suchen, die autonom wie die Trägheitsnavigation arbeiten, d. h. keine externe Infrastruktur benötigen, jedoch im Gegensatz zu dieser prinzipiell driftfrei sind, keine Beschleunigungsmesser benötigen und die Genauigkeiten des GPS erreichen lassen, ohne auf Funk angewiesen zusein. Ein solches Verfahren wurde bereits in der Deutschen Patentanmeldung 197 37 902.8-52 vorgeschlagen. Bei diesem Verfahren handelt es sich jedoch um eine spezielle Lösung, bei der nicht die inertiale Lage der Erde generell und in einfacher Weise mit der inertialen Lage eines Fahrzeugs ständig verglichen und daraus der eigene Standort berechnet wird.

Das hier vorgeschlagene Verfahren verfolgt diesen Weg und stützt sich auf Eigenschaften der Erde, die aus ihrer Funktion als Kreisel resultieren und die einerseits außerordentlich stabil sind und deren Schwankungen man kennt. Andererseits lassen sich diese Eigenschaften genau messen mit hochwertigen inertialen Drehratensensoren und genauen Zeitnormalen.

Die Erde als Kreisel zeichnet sich aus durch die stabile Lage ihrer Drehachse im Raum, die sich auch während des jährlichen Umlaufs der Erde um die Sonne praktisch nicht ändert, wenn man ihre geringen und außerdem bekannten Lageschwankungen infolge von Präzision und Nutation vernachlässigt. Auch die Drehrate der Erde ist sehr stabil. Ihre geringen bekannten Drehraten-Schwankungen infolge der Gezeiten und der Bewegung ihrer Luftmassen können hier ebenfalls vernachlässigt werden.

Zerlegt man die maximale Amplitude der Rate der Erddrehung in drei zueinander orthogonale Komponenten, die an der Bahnebene der Erde und an der Lage ihrer Drehachse ausgerichtet sind und sich zeitlich nicht ändern, dann hat man eine Möglichkeit, an jedem Punkt der Erde deren Ausrichtung in Bezug auf eine lokale Plattform, etwa ein Fahrzeug, meßtechnisch zu bestimmen unter Verwendung von inertialen Drehratensensoren, deren Ausgangssignale zur räumlichen Verdrehung der Sensoren benutzt werden können, bis deren Ausgangssignale mit den vorgegebenen Amplituden der Drehrate der Erde in den Referenzebenen übereinstimmen.

Das vorgeschlagene Verfahren wird anhand einiger Bilder im einzelnen beschrieben. Es zeigen

Bild 1 Grundlage des Verfahrens

Bild 2 Prinzip des Verfahrens

Bild 3 Zur lokalen Bestimmung der inertialen Lage der Erde

Bild 4 Zur Bestimmung der Länge eines Standortes

Bild 5 Zur Bestimmung von lokalem Nord und Lot

Bild 6 Prinzipbeispiel für die technische Realisierung

Bild 7 Festmontage

In Bild 1 ist die physikalische Grundlage des Verfahrens dargestellt. Die Rotationsachse N der Erde E verändert ihre Lage im Raum nicht und bleibt auch während des jährlichen Umlaufs der Erde um die Sonne unverändert. Sie eignet sich daher als Bezug während dieses Umlaufs ebenso wie die raumfeste Bahnebene 5. Bildet man den Drehvektor der Winkelgeschwindigkeit ω der Erde auf diese Ebenen ab, dann ergeben sich unterschiedliche Amplituden bzw. Frequenz- oder Phasenhübe, die kleiner sind als die maximale Amplitude A, die man erhält, wenn der Drehvektor eines inertialen Drehratensensors und der Drehvektor der Erde zusammenfallen. Für die Bahnebene ergibt sich A_B = A cos 22,5°. Der Winkel 22,5° ist die Neigung der Rotationsachse der Erde gegenüber dem Lot auf die Bahnebene. Bezogen auf die Ebene, in der die Rotationsachse der Erde liegt, ergibt sich die Amplitude A_R = A cos 90° = Null. Für die Ebene, die senkrecht sowohl zur Bahnebene als auch zur Achsenebene liegt, erhält man A_S = A cos 67.5°.

In Bild 2 ist das Prinzip des vorgeschlagenen Verfahrens skizziert. Das Teilbild I zeigt die Erde E mit ihrer Rotationsachse N in ihrer Bahnebene O und den gestrichelt skizzierten Ebenen Äquator Ä und Breite B, in der sich der gesuchte Standort P befinde. In Teilbild II sind die Ebenen skizziert, die sich ergeben, wenn auf die Erde in Richtung ihrer Rotationsachse geschaut wird. Die Ebene S. in der sich die Erdachse befindet, ist raumfest. Senkrecht dazu liegt die ebenfalls raumfeste Äquatorialebene Ä. Die Ebene L, in welcher der Längenkreis der Erde liegt, auf dem sich der Standort P befinde, rotiert gegenüber der Ebene S zeitabhängig mit der Drehrate der Erde und nimmt gegenüber der Ebene 5 den zeitabhängigen Winkel ϑ_x ein. Die gesuchte Länge ϑ_P erhält man, indem man den bekannten und ebenfalls zeitabhängigen Winkel ϑ₀ zwischen der Ebene des Nullmeridians und der raumfesten Ebene S zu ϑ_x addiert. In Teilbild III ist skizziert, wie man die notwendigen Winkel zur Bestimmung des eigenen, noch unbekannten Standortes P erhält. Mit einem Sensortripel K wird die inertiale Lage der Erde im Raum bestimmt, mit einem Sensortripel X die lokale Breite und geographisch Nord des Standortes P.

In Bild 3 ist skizziert, wie lokal an einem beliebigen Standort P auf der Erde deren Lage im Raum bestimmt wird. Gegenüber dem lokalen Koordinatensystem a1 bis a3 wird ein Sensortripel um seine drei Achse solange verdreht, bis seine drei Ausgangssignale und die bekannten vorgegebenen stabilen Sollwerte A_B, A_R und A_S gleich sind. Dadurch erhält man die drei Winkel α, β und γ zwischen den drei entsprechenden Koordinatenpaaren. Mit ihnen ist es möglich, die Ebenenkonfiguration des Bildes 2II in bekannter Weise rechnerisch zu bestimmen und damit auch den Winkel ϑ_x.

Etwas abgewandelt ist in Bild 4 verdeutlicht, wie sich die Länge ϑ_P eines unbekannten Standortes P auf der Erde aus dem Winkel ϑ_x zwischen der auf die Breitenebene B_x projizierten Nordrichtung und der raumfesten Schnittlinie EAP zwischen Breitenebene und Ebene EA in Verbindung mit ϑ₀ ergibt. Bei der Summierung der beiden Teilwinkel fällt die Zeitabhängigkeit infolge der Erddrehung heraus, weil sich beide Winkel gegenläufig in gleichen zeitabhängigen Beträgen verändern.

In Bild 5 ist dargestellt, wie für P lokales Lot und geographisch Nord bestimmt werden können unter Verwendung der vorhandenen Drehratensensoren. Liegt der Drehvektor a des Sensors I in Ost-/West-Richtung, dann liefert dieser Sensor das Ausgangssignal Null. Damit hat man auch die Nordrichtung, die orthogonal zur Ost-/West-Richtung liegt. Die lokale Breite B_P ergibt sich, wenn der Drehvektor b des Sensors II dem lokalen Lot entspricht, das sich auf verschiedene bekannte Weisen ermitteln läßt. Das Ausgangssignal des Sensors II entspricht dann dem Sinus der lokalen Breite. Der zu II orthogonale Sensor III liefert dann ein Ausgangssignal, das dem Kosinus der lokalen Breite entspricht. Das Verhältnis der Ausgangssignale von Sensor II zu Sensor III entspricht damit dem Tangens der lokalen Breite.

In Bild 6 ist ein Beispiel für eine technische Realisierung skizziert. Die Drehratensensoren I, II und III mit ihren Drehvektoren a bis c sind orthogonal zueinander angeordnet. Ihre vorzugsweise digitalen Ausgangssignale speisen über die Zweiwegleitungen 8, 9 und 10 den Computer 4, der auch ein digitales Signal vom Lotgeber 7 erhält. Über ein Bedienteil 6 und eine Datenbank 5 erhält der Computer 4 die jeweils benötigten Sollsignale. Aus dem Vergleich dieser Sollsignale mit den Istsignalen der drei Sensoren ergeben sich drei Regelsignale, mit welchen die drei Stellmotoren 11 bis 13 so betrieben werden, daß der Sensorblock die inertiale Lage der Erde wiedergibt und sich damit in bekannter Weise die Winkel α, β und γ gegenüber der Lage der lokalen Plattform abgreifen lassen. Die zur voneinander unabhängigen Verstellung der Drehvektoren der Sensoren notwendige mehrfach-kardanische Aufhängung des Sensortripels wurde nicht skizziert, da sie bekannt ist. Bezogen auf das lokale Lot und die lokale Nordrichtung lassen sich aus diesen Winkeln mit dem Computer 4 die Breite und Länge des jeweiligen eigenen Standortes unter Verwendung der Weltzeit t in bekannter Weise kontinuierlich berechnen.

In Bild 7 ist ein Beispiel für eine sogenannte Strapdown-Lösung skizziert, bei der alle Sensoren fest mit dem Trägerfahrzeug montiert sind. Hierin sind 1 der Sensorblock mit drei zueinander orthogonalen Drehratensensoren, 2 die Vergleichseinrichtung für Soll- und Istsignale und 3 ein Prozessor mit Datenbank. Die Ausgangsdaten der drei Sensoren werden im Zeitmultiplex mit zwei unterschiedlichen Sätzen von Sollwerten verglichen. Der eine Satz entspricht den praktisch konstanten Werten der der inertialen Lage der Erde im Raum, während der andere Satz dem lokalen Lot und dem lokalen Nord entspricht. Daraus läßt sich der unbekannte Standort P in bekannter Weise ermitteln. Der Stecker 5 dient dem Anschluß an Peripheriegeräte.

Wenn die Grundplatte 6 bereits horizontiert und nach Nord ausgerichtet ist, dann kann der zweite Satz Sollwerte entfallen und es werden ständig nur die Winkel α, β und γ ermittelt. Damit kann eine Anwendung sinnvoll sein, bei der die Beschleunigungsmesser vorhandener Plattformen ersetzt werden durch drei Drehratensensoren. Dies würde neben der Eigenortung die Korrektur der Drift jeder Plattform ermöglichen.

Generell kann festgestellt werden, daß die übliche Plattform der Trägheitsnavigation, die mittels der Schuler-Bedingung (24 h-Pendel) immer horizontal zur Erdoberfläche eingestellt wird, wesentlich komplexer ist als eine auf die unveränderliche inertiale Lage der Rotationsachse der Erde im Raum fixierte Sensorgruppe, die gleichzeitig Referenz ist und der Bestimmung der räumlichen Lage eines Fahrzeugs in Bezug auf diese Referenz dient und damit die Berechnung der Position und zusätzlich der Lage des Trägerfahrzeugs erlaubt. Neben der Eliminierung des Driftproblems, dem die üblichen Kreiselplattformen unterliegen, erlaubt die vorgeschlagene raumfeste "Plattform" aus drei zueinander orthogonalen Drehratensensoren eine deutliche Reduzierung des Gesamtaufwandes für die globale autonome Eigenortung.

Im übrigen ist es grundsätzlich auch möglich, mit nur zwei zueinander orthogonalen Drehratensensoren die Eigenortung nach dem beschriebenen Verfahren vorzunehmen, da die beiden entscheidenden Ebenen die Bahnebene der Erde und die dazu orthogonale Ebene sind, in der sich die Rotationsachse der Erde befindet. Bei Verwendung von drei Sensoren sind jedoch die Möglichkeiten der Fehlereliminierung größer als mit nur zwei Sensoren, es kann also eine grundsätzlich höhere Präzision mit ihnen erreicht werden.

Claims

1. Verfahren zur globalen autonomen Eigenortung durch Nutzung der Kreiseleigenschaften der Erde dadurch gekennzeichnet, daß drei zueinander orthogonale inertiale Drehratensensoren im Raum so ausgerichtet werden, daß der eine parallel zur Ekliptikebene liegt, der zweite in der Ebene, in welcher die Rotationsachse der Erde liegt, und der dritte in der Ebene, die senkrecht zu den beiden anderen Ebenen liegt, daß die Ausrichtung der Drehsensoren in an sich bekannter Weise durch Signale erfolgt, die aus dem Vergleich der Ausgangssignale der drei Drehratensensoren mit drei vorgegebenen Signalen gewonnen werden, die sich aus den auf die drei Bezugsebenen bezogenen Anteile der maximalen Amplitude der Drehrate der Erde ergeben, und daß aus den Winkeln des Sensortripels gegenüber dem lokalen Lot und geographisch Nord die Position auf der Erde nach Länge und Breite unter Benutzung der genauen Zeit berechnet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Drehratensensoren vorzugsweise optische Drehratensensoren verwendet werden.

3. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensortripel auch zur Bestimmung von Lot und geographisch Nord verwendet wird.

4. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensortripel auf einer horizontierten Plattform montiert wird.

5. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensortripel fest mit dem Trägerfahrzeug verbunden wird.

6. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle eines Sensortripels ein Sensordoppel verwendet wird.

7. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensortripel auf einer Plattform zur Trägheitsnavigation die dort benutzten Beschleunigungsmesser ersetzt.

8. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensortripel auf einer Plattform zur Trägheitsnavigation nicht nur zur Eigenortung, sondern auch zur Korrektur der Kreiseldrift der Plattform benutzt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß derselbe Sensorblock durch zwei unterschiedliche Sätze von im Multiplex eingegebenen Sollwerten sowohl zur Bestimmung der inertialen Lage der Erde als auch zur Bestimmung der inertialen Lage des Trägerfahrzeugs benutzt wird, wodurch die Berechnung des eigenen Standortes ermöglicht wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß für die Trägheitsnavigation die dort benutzte bekannte, infolge der 24 h-Schuler- Schwingung immer zur Erdoberfläche horizontale Plattform ersetzt wird durch ein auf die Ebene S, innerhalb derer die Rotationsachse der Erde liegt, und auf die Bahnebene 0 stabil orientiertes Drehratensensorsystem.