DE2659094B2

DE2659094B2 - Navigationsgerät zur Navigation von Landfahrzeugen

Info

Publication number: DE2659094B2
Application number: DE2659094A
Authority: DE
Inventors: Uwe Dipl.-Phys. 7770 Überlingen Krogmann
Original assignee: Bodenseewerk Geratetechnik GmbH
Current assignee: Bodenseewerk Geratetechnik GmbH
Priority date: 1976-12-27
Filing date: 1976-12-27
Publication date: 1981-09-17
Also published as: DE2659094C3; DE2659094A1; FR2375579B2; US4114437A; FR2375579A2; GB1558034A

Description

dadurch gekennzeichnet,

(g) Anbringen eines Korrekturfaktors W,, an dem als Bewegungssignal gemessenen oder durch Integration aus der Geschwindigkeit gewonnenen Wegsignais S_gCm zur Bildung eines der Positionsberechnung zugrunde liegenden korrigierten Wegsignals 5,

(h) Berechnung der die Fahrzeugposition im Gitterkoordinatensystem wiedergebenden Koordinaten Xf, yF als Ausgangssignale des Rechners aus dem Gitterkurswinkelsignal α* und dem korrigierten Wegsignal 5,

(i) Eingabe der Koordinaten xs, ys eines bekannten geodätischen Punktes in dem Gitterkoordinatensystem,

(j) Bildung der Differenzen Ax, Ay der die Fahrzeugposition wiedergebenden Koordinaten xf, yF und der zugehörigen eingegebenen Koordinaten xs,ysdes geodätischen Punktes,

(k) Bestimmung der Korrekturen Ax_K bzw. A W_A oder AKv des Gitterkurswinkelsignals bzw. des Korrekturfaktors W_A des Wegsignals S_gcm nach der Beziehung

A W_A =

Jx-S_x + AyS₁

_ AyS_x-AxS₁

Aa_K =

wobei 5, und S_y die Koordinatendifferenzen zwischen dem Startpunkt des Fahrzeuges und dem besagten bekannten geodätischen Punkt sind,

(1) Korrektur der Ausgangssignale *_fi y_F um die besagten Differenzen Ax bzw. Ay, und

(m) weitere Berechnungen der die Fahrzeugposition im Gitterkoordinatensystem wiedergebenden Koordinaten mit dem um die Korrektur A Wa berichtigten Korrekturfaktor Wa und dem um die Korrektur Ax_K berichtigten Gitterkurswinkel.

daß der Rechner zur Durchführung der nachstehenden Operationen eingerichtet ist:

Die Patentanmeldung P 25 45 025.3-52 betrifft ein Navigationsgerät zur Navigation von Landfahrzeugen in einem Gitterkoordinatensystem, enthaltend

(a) ein Kursreferenzgerät mit einem nordsuchenden Kreisel und Einrichtungen zur Erzeugung eines auf Gitterkoordinaten bezogenen Kurssignals,

(b) einen Geschwindigkeitsgeber zur Erzeugung eines der Fahrzeuggeschwindigkeit proportionalen Geschwindigkeitssignals,

(c) einen Rechner, dem das Kurssignal und das Geschwindigkeitssignal zugeführt wird zur Bildung von Komponentensignalen, welche den Komponenten der Fahrzeuggeschwindigkeit im Gitterkoordinatensystem entsprechen, und der Integratoren zur Integration der Komponentensignale zwecks Erzeugung einer Positionsanzeige enthält

Ein solches Navigationsgerät ist bekannt aus »Industrial Electronics« Februar 1965, Seiten 72 bis 76.
Der Erfindung des Hauptpatentes liegt die Aufgabe zugrunde, ein Navigationsgerät dieser Art so auszubilden, daß die Position des Fahrzeugs schnell und mit hoher Genauigkeit und auch bei Bewegung des

Fahrzeugs in einem relativ großen Bereich erhalten wird.

Diese Aufgabe wird nach dem Hauptpatent gelöst durch die Kombination der nachstehenden Merkmale:

(d) Das Kursreferenzgerät enthält zusätzlich zu dem nordsuchenden Kreisel einen während der Fahrt als Kursreferenz dienenden freien Kreisel, dessen Lage gegenüber geographisch Nord unter Benutzung des nordsuchenden Kreisels zu einem festen Zeitpunkt bestimmbar ist und der seinerseits das Kurssignal liefert,

(e) der nordsuchende Kreisel des Kursreferenzgerätes enthält einen Drehmomenterzeuger, der von dem hochverstärkten Signal eines auf die Auslenkung des Kreisels aus einer Nullage ansprechenden Abgriffs beaufschlagt ist, so daß das auf den Kreisel wirksame Richtmoment durch ein Gegenmoment des Drehmomenterzeugers kompensiert wird,

(f) der Rechner erzeugt aus der Position des Fahrzeugs in Gitterkoordinaten ein die geographische Breite des Fahrzeugs wiedergebendes Signal, aus welchem wiederum

(fi) ein dem Kehrwert des Kosinus der geographischen Breite entsprechendes Signal abgeleitet wird, das zur Bestimmung der geographischen Nordrichtung mit dem Signal multipliziert wird, das auf den Drehmomenterzeuger des nordsuchenden Kreisels aufgeschaltet ist, sowie

(f₂) ein Korrektursignal für die durch die Erddrehung bedingte Auswanderung der Drallachse des freien Kreisels gegenüber der Gitternordrichtung.

Bei der im Hauptpatent beschriebenen Anordnung ist als Bewegungsgeber ein Geschwindigkeitsgeber vorgesehen. Das Signal des Geschwindigkeitsgebers vorgesehen. Das Signal des Geschwindigkeitsgebers wird im Rechner mit dein 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 AKvdes Skalenfaktors des Geschwindigkeitsgebers kann ein Wegfehler AS auftreten. Der Fehler AKv des Skalenfaktors bringt einen Geschwindigkeitsfehler

AV=AKyV₁₁^,

wobei Vgcm die vom Geschwindigkeitsgeber gemessene Geschwindigkeit des Fahrzeugs ist Durch Integration ergibt sich dabei ein Wegefehler

AS = \ AVAt = AKy JV₁.,

,df

AS — A Ky ■ S.,

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-mechanischer Weggeber mißt somit die Zahl der Umdrehung der Antriebsräder bzw. Montagewelle und leitet daraus eine Information über den zurückgelegten Weg ab. Das Geschwindigkeitssignal ist dann praktisch eine Impulsfrequenz, wobei jeder Puls einer Wegänderung entspricht. Durch Schlupf der Räder bzw. Antriebsket

ten des Fahrzeugs gegenüber dem befahrenen Untergrund entspricht die von dem Weggebe;· gelieferte Information nicht genau dem tatsächlichen über Grund zurückgelegten Weg. Der Zusammenhang zwischen ^r> 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 Position des Fahrzeugs angeben-Hi den Ausgangssignale des Rechners führen.

Es ergibt sich eine formell der obigen Gleichung identische Gleichung für den Wegfehler.

Eine weitere Fehlerquelle liegt in einem Kursfehler Δκκ, mit welchem das von dem Karsreferenzgerät ι ·') gelieferte Gitterkurswinkelsignal κκ behaftet ist. Auch ein solcher Kursfehler kann zu erheblichen Navigationsfehlern führen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Genauigkeit der Positionsanzeige Dei Navigationsgerä- -'» ten der in der Patentanmeldung P 25 45 0253 beschriebenen Art zu verbessern.

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

(g) Anbringen eines Korrekturfaktors Wa an dem als Bewegungssignal gemessenen oder durch Integration aus der Geschwindigkeit gewonnenen Wegsignal Sgcm zur Bildung eines der Positionsberech- «i nung zugrunde liegenden korrigierten Wegsignals S, (S= Wa-Sgcm)

(h) Berechnung der die Fahrzeugposition im Gitterkoordinatensystem wiedergebenden Koordinaten xf, Yf als Ausgangssignale des Rechners aus dem

r> Gitterkurswir.kelsignal ock und dem korrigierten Wegsignal S,

(j) Bildung der Differenz Ax, Ay der die Fahrzeugposition wiedergebenden Koordinaten Xr, Yf und der zugehörigen eingegebenen Koordinaten xs, ys des geodätischen Punktes,

(k) Bestimmung der Korrektur Δικκ bzw. AWa oder AKν des Gitterkurswinkelsignals bzw. des Korrekturfaktors Wa des Wegsignals S_gcm nach der Beziehung

Aa_K

Ax- S_x + AyS₁.
Si + $

AyS_x-AxS₁.

wobei S_x und 5, die Koordinatendifferenzen zwischen dem Startpunkt des Fahrzeugs und dem besagten bekannten geodätischen Punkt sind,
(1) Korrektur der Ausgangssignale xf, yp um die besagten Differenzen Axbzw.Ay, und
(m) weitere Berechnungen der die Fahrzeugposition im Gitterkoordinatensystem wiedergebenden Koordinaten mit dem um die Korrektur ÄW_A berichtigten Korrekturfaktor W_A und dem um die Korrektur Δάκberichtigten 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 Ausgangssignale, so daß die Anzeige mit den Koordinaten des wahren Ortes, nämlich des besagten geodätischen Punktes, in Übereinstimmung gebracht wird.

2. Er korrigiert das Gitterkurswinkelsignal λα. und den am Bewegungssignal S_Am, z. B. zur Berücksichtigung des Schlupfes, anzubringenden Korrekturfaktor W_A 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 Ax und Ay, 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 welchem die vorhergehende Korrektur im Rechner vorgenommen wurde. Im ersten »Startpunkt« kann der am gemessenen Weg anzubringende Korrekturfaktor W₄ unter Berücksichtigung der Gelände- und Witterungsverhältnisse nach Erfahrungswerten in den Rechner eingegeben werden.

Es ist an sich bei der Koppelnavigation von Flugzeugen mit einem Rechner bekannt, die Positionsanzeige beim Überfliegen von Orientierungspunkten entsprechend den bekannten Koordinaten zu korrigieren und daraus Korrektursignale für andere Navigationsparameter, wie z. B. Windwerte, automatisch im Rechner zu ermitteln und zur Korrektur zu benutzen (»Feinwerktechnik« 1964. Heft 2 Seiten 39 bis44).

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

F i g. 1 zeigt einen Teil des Gitternetzes und veranschaulicht den Grundgedanken der Erfindung;

Fig. 2 zeigt als Blockschaltbild den Aufbau des Rechners:

F i g. 3 zeigt den zeitlichen Verlauf von Positions- und Kursfehler und veranschaulicht die mit der Erfindung erzielbare Wirkung.

In F i g. 1 ist mit A der Startpunkt und mit EGP ein geodätischer Punkt bezeichnet Die bekannten Koordinaten des Startpunktes A sind x_A und y*. Die ebenfalls genau bekannten Koordinaten des geodätischen Punk tes EGP sind Xs und ys. Das Fahrzeug hat sich längs einer Bahn B von dem Startpunkt A zu dem geodätischen Punkt EGP bewegt Die Koordinatendifferenzen zwischen Startpunkt A nnd geodätischem Punkt EGPsind

Durch Fehler des Gitterkurswinkelsignals tx* und des Korrekturfaktors W_A zeigt das Navigationsgerät jedoch nicht die Koordinaten Xs, ys des geodätischen Punktes EGP, sondern die Koordinaten xi.yi des Punktes Can.

Die Anzeigefehler sind

A \ = ν, - .v.s

Ay -- .1/ -.l'v

Diese Anzeigefehler sind bedingt durch einen Fehler Δ W_A des Korrekturfaktors W_A und einen Fehler Αα,κ des gemessenen Gitterkurswinkels et κ als Hauptfehlerursachen. Sie ergeben sich unabhängig vom Verlauf der Bahn δ zu

Ax = AW₁- Λ\ - A a_k ■ .V₁
Ay = A W₁ S₁ + Aa_k ■ .S\.

sind also nur von den zurückgelegten Wegkomponenten abhängig. Das gestattet eine Abschätzung der besagten Hauptfehlerursachen aus den aufgetretenen Anzeigefehlern Ax und Ay.

AW,=

- v, = S₁

-V ι = S₁-

Ay S_s - A χ S₁

Mit den so gefundenen Schätzwerten für die Hauptfehlerursachen werden bei der weiteren Bewegung des Fahrzeuges der — zunächst manueii eingegebene — Korrekturfaktor W\ sowie der vom Kursreferenzgerät gelieferte Gitterkurswinkel et κ korrigiert:

W* = W₁- A W,

at = a_K - Aa_K .

Auf diese Weise wird durch die Verarbeitung der »Positionsstützungs«-Information bei Erreichen des geodätischen Punktes EGPnicht nur die Position selbst korrigiert, sondern es wird außerdem eine automatische Korrektur des Korrekturfaktors W_A (»Weganpassungsfaktors«) und des Gitterkurswinkels λ*, 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 ist in der im Hauptpatent (Patentanmeldung P 25 45 025J) beschriebenen Weise aufgebaut Der Bewegungsgeber ist wie beim Hauptpatent ein Geschwindigkeitsgeber, 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 λκ multipliziert, und die so so erhaltenen Koordinateninkremente werden addiert Im Startpunkt wird weiterhin ein Korrekturfaktor W_A in den Rechner eingegeben, der sich aus Erfahrungswerten ergibt und nrit welchem die Weginkremente jeweils multipliziert werden.

In dem geodätischen Punkt EGP werden über ein Bediengerät 40 (F i g. 2) die Koordinaten xsiind /5in 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 xf, yh und der eingegebenen Koordinaten Xs bzw. ys gebildet. Es ergeben sich dadurch die Anzeigefehler Δ χ und Ay. An Eingängen 46 bzw. 48 erscheinen die 1» Koordinatendifferenzen oder Wegkomponenten S_x bzw. S_y (F ig. 1).

Der Anzeigefehler A χ liegt zusammen mit dem die Koordinatendifferenz 5, wiedergegebenden Signal an einem Muitipitzierglied 5ö. Der Anzeigefehler Δ y Hegt 1 ■> zusammen mit dem die Koordinatendifferenz S_y wiedergebenden Signal an einem Multiplizierglied 64. In einem Punkt 54 wird die Summe der Ausgangssignale der Multiplizierglieder 50 und 64, welche den Produkten Δ χ ■ S χ bzw. Δ y ■ S_y entsprechen, gebildet.

Der Anzeigefehler Δ y liegt weiterhin zusammen mit dem die Koordinatendifferenz 5, wiedergegebenden Signal an einem Multiplizierglied 56. Der Anzeigefehler Δ χ liegt weiterhin zusammen mit dem die Koordinatendifferenz Sy wiedergegebenden Signal an einem Multiplizierglied 52. In einem Punkt 60 wird die Differenz der Ausgangssignale der Multiplizierglieder 56 und 58, welche den Produkten Ay-S_x bzw. Δ χ ■ S_y entsprechen, gebildet.

An beiden Eingängen eines Multipliziergliedes 62 liegt das die Koordinatendifferenz S_x wiedergebende Signal. An beiden Eingängen eines Multipliziergliedes 58 liegt das die Koordinatendifferenz S_y wiedergebende Signal. Die Ausgangssignale dieser beiden Multiplizierglieder 62 und 58 entsprechen also S,' bzw. 5/. Diese r> Ausgangssignale werden im Punkt 66 addiert, so daß ein Signal S₁' + S/entstehl.

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

Ein Dividierglied 70 dividiert die Differenz vom Punkt 60 durch diejSumme vom Punkt 66. Dadurch wird ein die Korrektur Δα,κ wiedergebendes Signal erzeugt, das dem Rechner zur Korrektur des gemessenen Gitterkurswinkels Οίκ zugeführt wird.

Dem Rechner werden weiterhin die Signale von den Punkten 42 und 44 zugeführt, welche die Anzeigefehler Δ χ bzw. Δ y wiedergeben. Um diese Anzeigefehler werden die als Ausgangssignale des Rechners angezeigten Koordinaten x/.und ypkorrigiert.

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 Sxk ist dabei »Strich« (-), wobei

360°

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 Weganpassungsfaktors 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 Αϊχκ und des Fehlers Δ W_A des Weganpassungsfaktors und durch Korrektur um diese Größen bleibt der Positionsfehler bereits nach der ersten Stützung sehr klein.

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.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Navigationsgerät zur Navigation von Landfahrzeugen in einem Gitterkoordinatensystem, enthal- ^r> tend:

(a) ein Kursreferenzgerät (40) mit einem nordsuchenden Kreisel (22) und Einrichtungen zur Erzeugung eines auf Gitterkoordinaten bezöge- ι< > nen Kurssignals (χκ),

(b) einen Geschwindigkeitsgeber (10) zur Erzeugung eines der Fahrzeuggeschwindigkeit proportionalen Geschwindigkeitssignals,

(c) einen Rechner (12), dem das Kurssignal (ακ)»ηά r> das Geschwindigkeitssignal (V) zugeführt wird zur Bildung von Komponentensignalen (Vn, Ve), welche den Komponenten der Fahrzeuggeschwindigkeit (V) im Gitterkoordinatensystem entsprechen, und der Integratoren zur Integra- 2« tion der Komponentensignale (Vn, Ve) zwecks Erzeugung einer Positionsanzeige (Nf, Ef) enthält mit den Merkmalen:

(d) Das Kursreferenzgerät (40) enthält zusätzlich

zu dem nordsuchenden Kreisel (22) einen freien 2j Kreisel (16), dessen Lage gegenüber geographisch Nord unter Benutzung des nordsuchenden Kreisels zu einem festen Zeitpunkt bestimmbar ist und der seinerseits das Kurssignal (χκ) liefert,

(e) der nordsuchende Kreisel (22) des Kursreferenzgerätes enthält einen Drehmomenterzeuger (34), der von dem hochverstärkten Signal eines auf die Auslenkung des Kreisels (22) aus einer Nuliage ansprechenden Abgriffs (30) )5 beaufschlagt ist, so daß das auf den Kreisel (22) wirksame Richtmoment durch ein Gegenmoment des Drehmomenterzeugers (34) kompensiert wird,

(0 der Rechner (12) erzeugt aus der Position (N^ Ef) des Fahrzeugs in Gitterkoordinaten ein die geographische Breite ftpjdes Fahrzeugs wiedergebendes Signal, aus welchem wiederum
(fi) ein dem Kehrwert (l/cos<p) des Kosinus der geographischen Breite (φ) entsprechendes Signal abgeleitet wird, das zur Bestimmung der geographischen Nordrichtung mit dem Signal multipliziert wird, das auf den Drehmomenterzeuger (34) des nordsuchenden Kreisels (22) aufgeschaltet ist, so sowie

(f₂) ein Korrektursignal (ωζβ)ίΰτ die durch die Erddrehung bedingte Auswanderung der Drallachse des freien Kreisels (16) gegenüber der Gitternordrichtung, nach Patentanmeldung P 25 45 025.3