DE2659094A1

DE2659094A1 - Navigationsgeraet zur navigation von landfahrzeugen

Info

Publication number: DE2659094A1
Application number: DE19762659094
Authority: DE
Inventors: Uwe Dipl Phys Krogmann
Original assignee: Bodenseewerk Geratetechnik GmbH
Current assignee: Bodenseewerk Geratetechnik GmbH
Priority date: 1976-12-27
Filing date: 1976-12-27
Publication date: 1978-07-06
Also published as: DE2659094B2; GB1558034A; US4114437A; FR2375579A2; DE2659094C3; FR2375579B2

Description

DIPL.-PHYS. JÜRGEN WEISSE DIPL.-CHEM. DR. RUDOLF WOLGAST

D 562o Velbert 11 - Langeriberg, Bökeribusch 41 Postfach 11 o3 86 Telefon (o2127) 4ol9 Telex 8516895

Patentanmeldung Bodenseewerk Gerätetechnik GmbH, 7770 Überlingen/Bodensee

Navigationsgerät zur Navigation von Landfahrzeugen

Zusatz zu Patent... (Patentanmeldung P 25 45 025.3)

Das Hauptpatent... (Patentanmeldung P 25 45 025.3) bezieht sich auf ein Navigationsgerät zur Navigation von Landfahrzeugen in einem Gitterkoordinatensystem mittels eines Kursreferenzgerätes, enthaltend: einen nordsuchenden Meridiankreisel, einen nach dem Meridiankreisel ausrichtbaren freien Kreisel als Kursreferenzgerät, einen auf die Bewegung des Fahrzeugs ansprechenden Bewegungsgeber zur Erzeugung eines Bewegungssignals, einen Rechner, der mit dem Kursreferenzgerät und dem Bewegungsgeber verbunden und zur Erzeugung von Ausgangssignalen entsprechend der Fahrzeugposition in dem Gitterkoordinatensystem aus dem von dem Kursreferenzgerät und dem Bewegungsgeber gelieferten Gitterkurswinkel- und Bewegungssignalen eingerichtet ist, und Mittel zur Kompensation der durch die Erddrehung bedingten Auswanderung des freien Kreisels relativ zu dem Gitterkoordinatensystem mittels eines NachführSignaIs oder zur Eingabe dieser Auswanderung in den Rechner.

8098 TfI0 2 5 8

Bei der im Hauptpatent beschriebenen Anordnung ist als Bewegungsgeber ein Geschwindigkeitsgeber vorgesehen. Das Signal des Geschwindigkeitsgebers wird im Rechner mit dem Sinus bzw. Kosinus des jeweiligen Gitterkurswinkels multipliziert und über der Zeit integriert, um die Koordinaten des Fahrzeugs in dem Gitterkoordinatensystem zu gewinnen. Durch einen Fehler-Λκ^. des Skalenfaktors des Geschwindigkeitsgebers kann ein Wegfehler __t S auftreten. Der Fehler j..\ K^ des Skalenfaktors bringt einen Geschwindigkeitsfehler

Zi V = ^ K_v . V

gem.,

wobei V die vom Geschwindigkeitsgeber gemessene Geschwindigkeit des Fahrzeugs ist» Durch Integration ergibt sich dabei ein Wegfehler

- .'.v dt - 4K₇ . v_gem dt

Es sind auch elektro-mechanische Weggeber bekannt, die entweder direkt mit den Antriebsrädern gekoppelt sind oder über eine Welle an das Fahrzeuggetriebe angeschlossen werden. Ein solcher elektro-magnetischer Weggeber mißt somit die Zahl der Umdrehungen der Antriebsräder bzw. Montagewelle und leitet daraus eine Information über den zurückgelegten Weg ab. Durch Schlupf der Räder bzw. Antriebsketten des Fahrzeugs gegenüber dem befahrenen Untergrund entspricht die von dem Weggeber gelieferte Information nicht genau dem tatsächlich über Grund zurückgelegten Weg. Der Zusammenahng zwischen Weggeberinformation und zurückgelegtem Weg ist dabei nicht feststehend und eineichbar sondern hängt z.B. von der Natur des Untergrundes, der Geländeart und den Witterungsverhältnissen ab. Auch dies kann zu einem Fehler der die Positition des Fahrzeuges angebenden Ausgangssignale des Rechners führen. Es ergibt.sich eine formell der obigen Gleichung identische Gleichung für den Wegfehleg·« g « jlZ/ Q 2 ζ 8

Eine weitere Fehlerqulle liegt in einem Kursfehler Λ α _τ_, mit welchem das von dem Kursfrequenzgerät gelieferte Gitterkur swinkelsignal es _K behaftet ist. Auch ein solcher Kursfehler kann zu erheblichen Navigationsfehlern führen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Genauigkeit der Positionsanzeige bei Navigationsgeräten der im Hauptpatent... (Patentanmeldung P 25 45 025.3) beschriebenen Art zu verbessern.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Rechner zur Durchführung der nachstehenden Operationen eingerichtet ist:

(a) Anbringen eines Korrekturfaktors W₇. an dem als Bewegungssignal gemessenen oder durch Integration aus der Geschwindigkeit gewonnenen Wegsignal S zur Bildung eines der Positionsberechnung zugrundeliegenden korrigierten Wegsignals S,

(b) Berechnung der die Fahrzeugposition im Gitterkoordinatensystem wiedergebenden Koordinaten x_p, y„ als Ausgangssignale des Rechners aus dem Gitterkurswinkelsignal -j _k und dem korrigierten Wegsignal S,

(c) Eingabe der Korodinaten x_g, y„ eines bekannten geodätischen Punktes in dem Gitterkoordinatensystern,

(d) Bildung der Differenz ax, ^y der die Fahrzeugposition wiedergebenden Koordinaten χ , y und der zugehörigen eingegebenen Koordinaten χ , y des geodätischen Punktes,

8 0 9 8 2"F/ 0 2 5 8 ~⁴'

-Jt-

(e) Bestimmung der Korrekturen Δ e„ bzw. Δ W_Ä oder Δ K„ des Gitterkurswinkelsignals bzw. des Korrekturfaktors W des Wegsignals S nach der Beziehung

Δ χ . ■ S + Ay ί

2 2 Sk^{2 + S}y²

Δ y S_x - δ χ s_y

Δ «Κ

wobei S_x und S- die Koordinatendifferenzen zwischen dem Startpunkt des Fahrzeugs und dem besagten bekannten geodätischen Punkt sind,

(f.) Korrektur der Ausgangssignale x„, y„ um die besagten Differenzen Δ χ bzw. Δ y, und

(g) weitere Berechnungen der die Fahrzeugposition im Gitterkoordinatensystem wiedergebenden Koordinaten mit dem um die KorrekturA W_Ä berichtigten Korrekturfaktor W_Ä und

^Ά s
dem um die Korrektur Δ « „ berichtigten Gitterkurswinkel,

Bei einem nach der Erfindung ausgebildeten Navigationsgerät können somit bei Erreichen eines bekannten geodätischen Punktes dessen Koordinaten in den Rechner eingegeben werden. Diese Koordinaten werden mit den vom Rechner aus Kurs und Geschwindigkeit berechneten Koordinaten verglichen. Aufgrund des Unterschiedes zwischen wahrem Ort und berechnetem Ort führt der Rechner folgende Operationen durch:

1..- Er korrigiert die Ausgangs signale, so daß die Anzeige mit den Koordinaten des wahren Ortes, nämlich des besagten geodätischen Punktes, in Übereinstimmung gebracht wird.

809821/0258

- Sr-

2. Er korrigiert das Gitterkurswinkelsignal α _ν und den am Bewegungssignal S _m, z.B. zur Berücksichtigung des Schlupfes, anzubringenden Korrekturfaktor W für die zukünftige Positionsberechnung.

Nachdem also das Fahrzeug von einem Startpunkt zu einem geodätischen Punkt gefahren ist und dort die vorerwähnten Korrekturen im Rechner angebracht worden sind, erfolgt die weitere Anzeige der Koordinaten im Gitterkoordinatensystem mit erheblich verbesserter Genauigkeit. Wesentlich ist dabei, daß die Koordinatenfehler Δ χ und /χ y₇ wie sich zeigen läßt, nur von den Koordinatendifferenzen des -bekannten- Startpunktes und des besagten bekannten geodätischen Punktes abhängen und nicht von der Bahn, längs welcher das Fahrzeug von dem einem zum anderen gelangt ist.

"Geodätischer Punkt" kann dabei jeder markante Geländepunkt sein, dessen Koordinaten sehr genau bekannt sind. "Startpunkt" kann der Ausgangspunkt der Mission oder aber der geodätische Punkt sein, in weichem die vorhergehende Korrektur im Rechner vorgenommen wurde. Im ersten "Startpunkt" kann der am gemessenen Weg anzubringende Korrekturfaktor W, unter Berücksichtigung der Gelände- und Witterungsverhältnisse nach Erfahrungswerten in den Rechner eingegeben werden.

Die Erfindung ist nachstehend an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert:

Fig. 1 zeigt einen Teil des Gitternetzes und

veranschaulicht den Grundgedanken der Erfindung.

Fig. 2 zeigt als Blockschaltbild den Aufbau des Rechners.

Ö0982F/0258

Fig. 3 zeigt den zeitlichen Verlauf von Positionsund Kursfehler und veranschaulicht die mit der Erfindung erzielbare Wirkung.

In Figur 1 ist mit A der Startpunkt und mit EGP ein geodätischer Punkt bezeichnet. Die bekannten Koordinaten des Startpunktes A sind X₇. und y_a. Die ebenfalls genau bekannten Koordinaten des

A A.

geodätischen Punktes EGP sind x_g und y . Das Fahrzeug hat sich längs einer Bahn B von dem Startpunkt A zu dem geodätischen Punkt EGP bewegt. Die Koordinatendifferenzen zwischen Startpunkt A und geodätischem Punkt EGP sind

^XS - ^XA ^{= S}x

Durch Fehler des Gitterkurswinkelsignalsα „ und des Korrekturfaktors W zeigt das Navigationsgerät jedoch nicht die Koordinaten x_g/ y_g des geodätischen Punktes EGP sondern die Koordinaten x„, y_ des Punktes C an.
Die Anzeigefehler sind

_\ X = Xp - X_S

Δ γ = y_F - y_s.

Diese Anzeigefehler sind bedingt durch einen Fehler .'. W_A des Korrekturfaktors W, und einen Fehler,' « _K des gemessenen Gitterkurswinkels ^α _v als Hauptfehlerursachen. Sie ergeben sich

Ö0982F/0258

unabhängig vom Verlauf der Bahn B zu

s_y

4y =Aw_A . s_{y +A}«_K . s_xf

sind also nur von den zurückgelegten Wegkomponenten abhängig. Das gestattet eine Abschätzung der besagten Hauptfehlerursachen aus den aufgetretenen Anzeigefehlern Δ χ und Δ y:

Δ χ . S.. ti y . S. ¹A ⁼

Δ y . S_x - Ax s_y ^A * ^K~ 2 2

S-L. O ^ώ "I™ i^

χ y

Mit den so gefundenen Schätzwerten für die Hauptfehlerursachen werden bei der weiteren Bewegung des Fahrzeuges der-zunächst manuell eingegebene- Korrekturfaktor W sowie der vom Kursreferenzgerät gelieferte Gitterkurswinke1«„ korrigiert:

^WA = ^WA - ^{Δ W}A

* K ^a K

8 0 9 8 2*?/ 0 2 5

Auf diese Weise wird durch die Verarbeitung der "Positionsstützungs"-Information bei Erreichen des geodätischen Punktes EGP nicht nur die Position selbst korrigiert, sondern es wird außerdem eine automatische Korrektur des Korrekturfaktors W ("Weganpassungsfaktors") und des Gitterkurswinkelsa _K für die zukünftige Navigation durchgeführt. Durch wiederholte Positionsstützung während einer Mission wird so das Navigationsgerät laufend korrigiert und damit eine hohe Navigationsgenauigkeit erzielt»

Das Lagereferenzgerät kann in der im Hauptpatent... (Patentanmeldung P 25 45 025.3) beschriebenen Weise aufgebaut sein. Der Bewegungsgeber kann wie beim Hauptpatent ein Geschwindigkeitsgeber sein, dessen Signale im Rechner zur Bildung von Koordinatensignalen, wie dort beschrieben, integriert werden. Es kann sich jedoch auch um einen Weggeber handeln, der auf Umdrehungen z.B. der Fahrzeugräder anspricht. Dabei wird zur Bildung der Gitterkoordinaten im Rechner jedes Weginkrement mit dem Sinus bzw. Kosinus des zugehörigen Gitterkurswinkels* _v multipliziert, und die so erhaltenen Koordinateninkremente werden addiert. Im Startpunkt wird weiterhin ein Korrekturfaktor W in den Rechner eingegeben, der sich aus Erfahrungswerten ergibt und mit welchem die Weginkremente jeweils multipliziert werden.

In dem geodätischen Punkt EGP werden über ein Bediengerät 4O (Fig. 2) die Koordinaten x_ und y„ in den Rechner eingegeben. Wird ein vorher schon bekannter EGP angefahren, so können die Koordinaten-Eingaben auch vor Erreichen des EGP durchgeführt werden. In den Punkten 42 und 44 wird die Differenz der vom Rechner als Ausgangssignale gelieferten Koordinaten x_, y_ und der eingegebenen Koordinaten x_ bzw. y_ gebildet. Es ergeben sich dadurch die Anzeigefehler,.! χ und Δ y. An Eingängen 46 bzw. 48 erscheinen die Koordinatendifferenzen oder Wegkomponenten S

bzw. S (Fig. 1).

— 9 —

80 98 2"F/02 B 8

-η

Der Anzeigefehler . \ χ liegt zusammen mit dem die Koordinatendifferenz S wiedergebenden Signal an einem Multiplizierglied 50. Der Anzeigefehler ; y liegt zusammen mit dem die Koordinatendifferens S wiedergebenden Signal an einem Multiplizierglied 64. In einem Punkt 54 wird die Summe der Ausgangssignale der Multiplizierglieder 50 und 64, welche den Produkten J. χ S bzw. . \ γ S_v entsprechen, gebildet.

Der Anzeigefehler ·.: y liegt weiterhin zusammen mit dem die Koordinatendifferenz S wiedergebenden Signal an einem Multiplizierglied 56. Der Anzeigefehler, χ liegt weiterhin zusammen mit dem die Koordinatendifferenz S wiedergebenden Signal an einem Multiplizierglied 52. In einem Punkt 60 wird die Differenz der Ausgangssignale der Multiplizierglieder 56 und 58, welche den Produkten /\ y S bzw. χ S entsprechen, gebildet.

An beiden Eingängen eines Multipliziergliedes 62 liegt das die Koordinatendifferenz S wiedergebende Signal. An beiden Eingängen eines Multipliziergliedes 58 liegt das die Koordinatendifferenz S wiedergebende Signal. Die Ausgangssignale dieser beiden Multiplizierglieder 62 und 58 entsprechen also

2 2
S bzw. S . Diese Ausgangssignale werden im Punkt 66 addiert,

^x Y 2 2
so daß ein Signal S +S entsteht.

χ y

Ein Dividierglied 68 dividiert die Summe vom Punkt 54 durch die Summe vom Punkt 66. Dadurch wird ein die KorekturA W₇. wiedergebendes Signal erzeugt, das dem Rechner zur Korrektur von Wj. zugeführt wird.

Ein Dividierglied 70 dividiert die Differenz vom Punkt 60 durch die Summe vom Punkt 66. Dadurch wird ein die Korrektur .Ii « _v wiedergebendes Signal erzeugt, das dem Rechner zur Korrektur des gemessenen Gitterkurswinkels a„ zugeführt wird.

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80982?/0258

Dem Rechner werden weiterhin die Signale von den Punkten 42 und 44 zugeführt^, welche die Anzeigefehler .... χ bzw. _; y wiedergeben. Um diese Anzeigefehler werden die als Ausgangssignale des Rechners angezeigten Koordinaten x„ und y korrigiert.

Die Rechenoperationen können mit analogen Signalen durchgeführt werden. Die Multiplizier-, Dividier- und Addierglieder können aber auch digital arbeiten«,

Die vorteilhafte Wirkung der erfindungsgemäßen Ausbildung des Navigationsgerätes ist in Fig. 3 veranschaulicht.

Dort sind für eine typische Bahn des Fahrzeugs der Positionsfehlerverlauf sowie der Verlauf des Kursfehlers aufgetragen. Die Einheit des Kursfehlers· «„ ist dabei "Strich" (~), wobei

Γ = ^36O°

6400

Es wurden Positionsstützungen in geodätischen Punkten durchgeführt, die nach 21 Minuten, 51,5 Minuten, 63 Minuten und 73 Minuten nach dem Start passiert wurden.

Vor der ersten Positionsstützung steigt der Positionsfehler durch Kursfehler und Fehler des Korrektur- oder Weganpasssungsfaktors W_A praktisch linear an (Kurve P). Durch die erste Positionsstützung wird der Positionsfehler auf einen Wert vermindert, der sich aus der Genauigkeit ergibt, mit welcher die Position des geodätischen Punktes bekannt ist. Ohne die gleichzeitige Korrektur der Fehlerursachen würde der Positionsfehler danach etwa mit der gleichen Steigung wieder anwachsen wie vor der Positionsstützung. Durch die Ermittlung des Kursfehlers Δ α und des Fehlers/. W des Weganpassungsfaktors und durch Korrektur um diese Größen bleibt der Positionsfehler bereits nach der ersten Stützung sehr klein.

8 0 9 8 2 ff/ 0 2 5 8

2S59094

Ganz ähnlich verhält es sich mit dem Kursfehler (Kurve K). Hier bleibt allerdings ein relativ großer Restfehler auch nach der Positionsstützung. Das dürfte auf eine Quergeschwindigkeit des Fahrzeugs zurückzuführen sein, die mit dem Navigationsgerät nicht erfaßt wird und als Fehlerursache nicht berücksichtigt wurde. Durch die Positionsstützung wird der Kursfehler jedoch in einem Bereich von etwa - 1 gehalten, was, wie ersichtlich, zur Erzielung einer hohen Navigationsgenauigkeit völlig ausreichend ist. Die Sprünge im Kursfehlerverlauf in Fig. 3 sind bedingt durch die Quantisierung der digitalen Kurswinkelauslesung.

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8 0 9 8 ΪΨ/0 2 5 8

Claims

4- ϋ ο ij υ 'ο Patentansprüche

1. ) Navigationsgerät zur Navigation von Landfahrzeugen in ^K--^ einem Gitterkoordinatensystem mittels eines Kursreferenzgerätes, enthaltend; einen nordsuchenden Meridiankreisel, einen nach dem Meridiankreisel ausrichtbaren freien Kreisel als Kursreferenz, einen auf die Bewegung des Fahrzeugs ansprechenden Bewegungsgeber zur Erzeugung eines Bewegungssignals, einen Rechner, der mit dem Kursreferenzgerät und dem Bewegungsgeber verbunden und zur Erzeugung von Ausgangssignalen entsprechend der Fahrzeugposition in dem Gitterkoordinatensystem aus dem von dem Kursreferenzgerät und dem Bewegungsgeber gelieferten Gitterkurswinkel- und Bewegungssignalen eingerichtet ist, und Mittel zur Kompensation der durch die Erddrehung bedingten Auswanderung des freien Kreisels relativ zu dem Gitterkoordinatensystem mittels eines Nachführsignals oder zur Eingabe dieser Auswanderung in den Rechner,

nach Patent... (Patentanmeldung P 25 45 025.3) dadurch gekennzeichnet,

daß der Rechner zur Durchführung der nachstehenden Operationen eingerichtet ist:

(a) Anbringen eines Korrekturfaktors W an dem als Bewegungssignal gemessenen oder durch Integration aus der Geschwindigkeit gewonnenen Wegsignal S zur Bildung eines der Positionsberechnung zugrundeliegenden korrigierten Wegsignals S,

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" ¹³ "

(b) Berechnung der die Fahrzeugposition im Gitterkoordinatensystem wiedergebenden Koordinaten x„, y als Ausgangssignale des Rechners aus dem Gitterkurswinkelsignal * _v und dem korrigierten Wegsignal S,

(c) Eingabe der Koordinaten χ_σ , y_o eines bekannten geodätischen Punktes in dem Gitterkoordinatensystem,

(d) Bildung der Differenzen Ax, dy der die Fahrzeugposition wiedergebenden Koordinaten x„, y„ und der zugehörigen eingegebenen Koordinaten x_c, y_c des geodätischen Punktes,

(e) Bestimmung der Korrekturen Δ * bzw. Δ W, oder Δ K^. des Gitterkurswinkelsignals bzw. des Korrekturfaktors

W- des Wegsignals S nach der Beziehung A gem ³

s_x -αχ s_y

2 2
^Sx - ^Sy

wobei S und S die Koordinatendifferenzen zwischen dem Startpunkt des Fahrzeuges und dem besagten bekannten geodätischen Punkt sind,

(f) Korrektur der Ausgangssignale x„, y_ um die besagten

Γ Γ

Differenzen i χ bzw. Ay, und

00982^/0258

(g) weitere Berechnungen der die Fahrzeugposition im Gitterkoordinatensystem wiedergebenden Koordinaten mit dem um die Korrektur Δ W berichtigten Korrekturfaktor W- und dem um die Korrektur^ α_v berichtigten Gitterkurswinkel.

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