DE2805628A1

DE2805628A1 - Verfahren zur bestimmung der drift eines kreisels

Info

Publication number: DE2805628A1
Application number: DE19782805628
Authority: DE
Inventors: Walter Dipl Ing Hammann-Kloss; Joachim Dr Ing Rogge
Original assignee: Teldix GmbH
Current assignee: Rockwell Collins Deutschland GmbH
Priority date: 1978-02-10
Filing date: 1978-02-10
Publication date: 1979-08-16
Also published as: FR2425056A1; GB2014309A; DE2805628C2; FR2425056B1; GB2014309B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung der Drift eines Kreisels unter Anwendung des bekannten Koppelnavigationsverfahrens/ nach welchem die von einer bekannten Position zurückgelegte Wegstrecke eines Fahrzeuges sowie die Richtungsänderungen ständig gemessen werden und mittels sogenannter Koppelrechnung die jeweilige Position des Fahrzeuges berechnet wird. In der Regel wird dieses Koppelnavigationsverfahren mit einer Navigationsanlage durchgeführt, welche einen Navigationsrechner, ein Kartengerät, ein Signalgeber für die Wegstrecke oder Geschwindigkeit des Fahrzeuges und einen Kurskreisel enthält. Zur Bestimmung des bei Fahrtbeginn eingeschlagenen Fahrzeugkurs bzw. der Anfangsausrichtung des Kreisels ist normalerweise ein Bezugsrichtungsgeber insbesondere ein nordsuchender Kreisel oder ein magnetisches System vorgesehen. Infolge der Kreiseldrift v/erden jedoch die mittels des Kreisels erfaßten Richtungsänderungen verfälscht, so daß auch die Navigationsdaten verfälscht werden und eine falsche Position des Fahrzeuges im Kartengerät angezeigt wird.

Es ist hinlänglich bekannt, den von der Erddrehung und von der geographischen Breite abhängigen Anteil der Kreiseldrift durch Eingabe entsprechender Werte in die Navigationsanlage zu kompensieren. Hingegen kann der weitere auch als Zufallsdrift bezeichnete Anteil der Kreiseldrift, welcher insbesondere gerätebedingt ist und beispielsweise durch Reibung, Ansprechschwellen, Unwuchten verursacht wird, nicht ohne weiteres kompensiert werden.

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Man war bisher bestrebt, mit hochgenauen Kreiselgeräten oder mit besonderen Verfahren zur Stützung der Navigationsanlage den Einfluß der nichtkompensierbaren Kreiseldrift zu reduzieren, doch sind hierbei technologische und wirtschaftliche Grenzen gegeben.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, mit geringem Aufwand ein Verfahren anzugeben, mit welchem der Einfluß der nichtkompensierbaren Kreiseldrift reduziert werden kann. Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des ersten Patentanspruches angegebenen Merkmale gelöst.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß durch Vergleich des durch die unbekannte Kreiseldrift verursachten Navigationsfehlers mit einem durch eine vorgegebene, bekannte Kreiseldrift errechneten Navigationsfehler auf die Größe der unbekannten Kreiseldrift geschlossen werden kann. Wenn das Fahrzeug bei seiner Fahrt an eine Position mit bekannten Positionsdaten gelangt, kann der bei der ersten mit der unbekannten Kreiseldrift durchgeführten Koppelrechnung sich ergebende Navigationsfehler ohne weiteres, beispielsweise mittels des Kartengerätes festgestellt werden. Wird nun zusätzlich neben dieser Koppelrechnung eine weitere Koppelrechnung mit einer bekannten Kreiseldrift durchgeführt, so liegen weitere Positionsdaten bzw. Navigationsfehler vor, welche zu der eingegebenen bekannten Kreiseldrift eine ursächliche Abhängigkeit aufweisen. Es hat sich gezeigt, daß sich mittels des Navigationsrechners ohne Schwierigkeiten der Vergleich der genannten Navigationsfehler durchführen läßt und hierbei die unbekannte Kreiseldrift sehr genau bestimmt werden kann.

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Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, den Navigationsfehler bzw. den Abstand zwischen Sollposition P₀ und errechneter Position P durch den Abstand zwischen den errechneten Positionen P₁^ und P_T, zu dividieren

D is.

und mit der bekannten Kreiseldrift zu multiplizieren. Hierbei wird in vorteilhafter Weise auch berücksichtigt, daß die Richtung der durch die unbekannte Drift verursachten Abweichung übereinstimmt mit der Richtung der resultierenden Abweichung zwischen den errechneten Positionen. Die Koordinaten der SoIlposition P₀ können, wenn ein bekannter Geländepunkt P₀ erreicht wird, sehr leicht mittel.·; des Kartengerätes bestimmt und in den Rechner eingegeben werden, welcher dann die Berechnung der Kreiseldrift D zusammen mit den Koordinaten der Positionen P„. und P₁₇ durchführt. Nachfolgend wird die auf der fehlerhaften Position P stehende Anzeige des Kartengerätes auf die Sollposition gesetzt und das erfindungsgemäße Verfahren für die weitere Fahrt entsprechend durchgeführt, Es ist vorteilhaft auch aus der Kreiseldrift D und der Fahrzeit von Ausgangsposition P zur Sollposition P ein Korrektursignal zu erzeugen zur Korrektur des Signals des Kurskreisels oder zur Nachführung des Kurskreisels. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung wird, sofern die errechnete Kreiseldrift D einen vorwählbaren Grenzwert überschreitet, der Kurswinkel des Kreisels lediglich um den Winkel korrigiert, welcher in der Ausgangsposition P zu den Positionen P₀ und

O ο

P_n sich ergibt. Es wird hierbei angenommen, daß die Nordausrichtung fehlerhaft war und daher ein entsprechend großer Navigationsfehler entstanden ist. Die gleiche Korrektur wird zumindest auch bei Erreichen der nächsten Sollposition vorgenommen, so daß sogar eine manuelle Eingabe des Kurswinkels bzw. eine Nordausrichtung entbehrlich ist. Da die bei einer

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Positionskorrektur errechnete Kreiseldrift nicht immer repräsentativ ist für das Driftverhalten des Kreisels, ist es sehr vorteilhaft aus den bei verschiedenen Positionskorrekturen erhaltenen Driftwerten einen Mittelwert zu bilden, für welchen die alten Werte allmählich an Gewicht verlieren und der jeweils neue Kreiseldriftwert nur anteilig bewertet wird. Es hat sich weiterhin als sehr vorteilhaft erwiesen, bei der Bestimmung der Kreiseldrift zusätzlich das Maß der Geradlinigkeit der Fahrstrecke durch einen Anteilsfaktor zu berücksichtigen. Dieser Anteilsfaktor stellt eine Funktion des Verhältnisses von Sollabstand zur tatsächlichen Fahrstrecke zwischen Anfangs- und Endposition dar. Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es wird zunächst davon ausgegangen, daß das Fahrzeug zu Beginn an einer bekannten Position P steht und auch der Kurswinkel des Fahrzeuges bekannt ist. Die Koordinaten der Position P sowie der Kurswinkel sind in bekannter Weise in den Navigationsrechner eingegeben. Beginnt nun das Fahrzeug seine Fahrt durch das Gelände, so wird in gewohnter Weise die Koppelrechnung durchgeführt, durch welche die zurückgelegten Wegstrecken und Kursänderungen ständig ausgewertet werden und die Koordinaten des jeweiligen Standortes bestimmt werden. Der jeweilige Standort kann in einem Kartengerät angezeigt werden. Gelangt das Fahrzeug nach einiger Zeit zu einer bekannten Position P₀ so wird in der Regel die errechnete Position P_n hiervon um einen Navigationsfehler bzw. Abstand/' abweichen. Zusätzlich zu der genannten Koppelrechnung, in welcher vor allem die unbekannte Drift D_x, des Kreisels zu dem Navigationsfehler führt, wird eine weitere Koppelrechnung durchgeführt mit einer vorgegebenen Drift D_x..

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Diese zweite Koppelrechnung führt zu einer Positions— angabe P^, deren Koordinaten bevorzugt im Rechner gespeichert werden und welche von der Position P um den Abstand ^_nK entfernt ist. Es hat sich gezeigt, daß der Abstand r_nv ein Maß für die zusätzlich ein—

JJJs.

gegebene Drift D darstellt, so daß aus dem Vergleich der Driftwerte mit den jeweiligen Navigationsfehlern auf die unbekannte Kreiseldrift D geschlossen werden

Es wird somit die Kreiseldrift D berechnet nach der Gleichung

» cn

^{= D}K'

'"dk

Hierbei wird die Richtung bzw. das Vorzeichen der unbekannten Kreiseldrift D durch die Beziehung cos {<£ „^ - ea J) berücksichtigt. Die resultierende

£>D JJis.

Abweichung f* liegt nämlich in der gleichen Rich-

JJK.

tung wie die durch die unbekannte Drift verursachte Abweichung ⁷^o_n* Diese Zusammenhänge ergeben sich in der Zeichnung anhand des strichpunktiert gezeichneten Hilfsdreiecks. Die Berechnung der Abstände /"_._, /^.^

ot> JJa

sowie der genannten Winkel erfolgt mittels des Rechners aus den.Koordinaten bzw. den Nord- und Ostwerten der im Rechner gespeicherten Punkte P , P , P .

s υ j\

So wird beispielsweise der Abstand Λ_ΟΤΛ berechnet nach

oJJ

der Gleichung

SD

und der Winkeloi_cn wird berechnet nach der Gleichung

^ED - ^ES

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Anschließend wird die Anzeige im Kartengerät in gewohnter Weise von der Position P auf die Sollposition Pg gesetzt und das Kurssignal des Kreisels

korrigiert um einen Winkel ei = D · t . Hierbei ist

is. u

t die reine Fahrzeit zwischen den Positionen P

U O

und P„. Die errechnete Kreiseldrift D wird während der nachfolgenden Fahrt zu einer weiteren Sollposition in gleicher Weise berücksichtigt wie der kompensierbare Kreiseldriftanteil und zwar entweder unmittelbar in den Koppelrechnungen oder als Nachführsignal auf den Kreisel.

Überschreitet die errechnete Kreiseldrift D einen vorwählbaren Grenzwert D^, so wird davon ausgegangen, daß der zugrundeliegende Navxgationsfehler im wesentlichen durch eine falsche Nordwerteingabe hervorgerufen worden ist. Daher wird nachfolgend die errechnete Kreiseldrift nicht berücksichtigt, sondern der Kurswinkel um den Winkel oC _nn korrigiert. Der Winkel «^ ist definiert als der Winkel in der Anfangsposition P , welcher zwischen den Entfernungszeigern d_c und d zu den Positionen P_c und P_n sich ergibt. Diese Maßnahme wird zumindest ebenfalls auch bei der übernächsten Bestimmung der Kreiseldrift, d.h. ein Erreichen einer weiteren Sollposition P ' durchgeführt.

Es hat sich gezeigt, daß auf diese sehr vorteilhafte Weise auf eine manuelle Eingabe des Kurswinkels bzw. eine Anfangsausrichtung des Fahrzeuges bezüglich der Nordrichtung verzichtet werden kann und somit der Aufwand in der Navigationsanlage sich erheblich verringert.

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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird aus den bei mehreren aufeinander errechneten Kreiseldrxftwerten D ein Mittelm

wert D₊. errechnet. Es hat sich ergeben, daß die durch eine Berechnung erhaltene Kreiseldrift D nicht in allen Fällen repräsentativ ist für das Kreiseldriftverhalten, denn dieses hängt unter anderem von den jeweiligen Stellungen,der Kreiselspinachse, der Betriebsdauer oder von Fahrzeugbewegungen ab. Daher wird aus den einzelnen errechneten Werten ein Mittelwert gebildet, bei welchem die alten Kreiseldriftwerte allmählich an Gewicht verlieren und die neuen Driftwerte nur anteilig bewertet werden. Diese Berechnung wird nach der Gleichung durchgeführt

^Dm₊ 1 = <¹~^b>· ^Dm ^{+ b}'^Dm₊ 1 ^=Dm ^{+ b D}

Der Bewertungsfaktor b wird empirisch festgelegt, so daß das Driftverhalten des jeweils verwendeten Kreiseltyps und die sonstigen Randbedingungen des Navigationsverfahrens optimal berücksichtigt werden. Bevorzugt ist der Bewertungsfaktor b kleiner als eins. In obiger

Gleichung bedeuten D den Mittelwert des oder der zürn

vor errechneten Driftwerte und D , _Λ der jeweils neu

m + Ί

errechnete Driftwert.

Nach einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird durch einen Anteilsfaktor a die Geradlinigkeit der Fahrstrecke zwischen Anfangsposition P und Sollposition P„ berücksichtigt. Fährt nämlich das Fahrig

zeug auf einer von der geradlinigen Fahrstrecke d abweichenden Fahrstrecke s , so ergeben die Koppelrechnungen abweichende. Kreiseldriftwerte.

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Am zuverlässigsten wird das Verfahren jedoch auf der geradlinigen Fahrstrecke d_c. Der Anteilsfaktor a wird bevorzugt als Funktion des Verhältnisses d„

zu s vorgegeben, wobei diese Funktion insbesondere eine Exponentialfunktion darstellt. Eine mit geringem rechnerischem Aufwand zu realisierende Funktion wird durch festgelegte Grenzen erreicht. So wird bevor-

2 d_s 2 d_s

zugt a = ο sofern 0,2 ist, a = sofern

2 d_s ^su s_u

im Bereich zwischen 0,2 und 1 liegt und weiter-

^SU 2 d_s "

hin a = 1 sofern größer als 1 ist. Der Anteils-

^su
faktor a wird ebenso wie der Bewertungsfaktor b bei der Berechnung des Mittelwertes D ₁ nach folgender Gleichung berücksichtigt

^Dm + 1 ^{= D}m

Der somit errechnete Mittelwert D . _Λ wird dann anstelle des Driftwertes D zur Korrektur des Kurssignales des Kreisels sowie während der nächstfolgenden Fahrstrecke in den Koppelrechnungen berücksichtigt.

Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, für einen Korrekturfaktor K_p, durch welchen bei den Wegsignalen die tatsächlich zurückgelegte Fahrstrecke d_o bezogen wird auf die errechnete Fahrstrecke d_, auch den durch die Kreiseldrift verursachten Fehler zu berücksichtigen. Hierbei v/ird von der Erkenntnis ausgegangen, daß die errechnete Fahrstrecke oder der beispielsweise mittels eines Kartengerätes ermittelte Istabstand d_D

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zwischen Anfangsposition P und der Position P_n einen Driftfehler enthält. In der Zeichnung ist die ser Anteil durch den gestrichelten Vektor r*_D dargestellt, dessen Größe sich bestimmen läßt zu r_SD , cos (*C_SD - ^_DK) , cos (^_DK - -6_D). Der Korrekturfaktor K_p wird daher bestimmt nach der Gleichung

- 'SD

Die Winkel oC , oC _v und ^_n vzerden mittels des Navigationsrechners aus den Nord- und Ostwerten der bekannten Positionen P , P_c und P^ errechnet.

Od D

9Ü9833/017S

Leerseite

Claims

28Q5628

TELDIX G.m.b.H.

Postfach 10 56 08
Grenzhöfer Weg 36

6900 Heidelberg 1

Heidelberg, den 30. Januar 1978 PT-Sch/Fe.- E-425

Verfahren zur Bestimmung der Drift eines Kreisels

Patentansprüche

Verfahren zur Bestimmung der Drift eines Kreisels, dessen Richtungssignale mit Wegsignalen mittels Koppelnavigationsrechnung zur Angabe der Position eines Fahrzeuges verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu der mit der unbekannten Drift D durchgeführten Koppelrechnung wenigstens eine weitere Koppelrechnung mit einer vorgegebenen Drift Ό_ν durchgeführt wird und daß aus den Koordinaten der Sollposition P₀ sowie der durch die Koppelrechnungen erhaltenen Positionen P„ und P_Q die unbekannte Drift D bestimmt wird.

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2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß aus den Abständen zwischen den Positionen P_c, P-. und P„ unter Berücksichtigung von D„ die unbekannte Drift D bestimmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet/ daß die unbekannte Drift D nach folgen der Gleichung bestimmt wird:

^ SD

■^{D =}τς; -^DK - ^cos

* _. = Abstand zwischen Sollj. jsition Ρ_ς

und Position P der ersten Koppelrechnung ,

_,_ = Abstand zwischen den durch zwei

JJJS.

Koppelrechnungen erhaltenen Positionen P^,- P^,

= Winkel bei Position P_s zwischen Nordrichtung und Richtung zu Position P ,

= Winkel bei Position P_n zwischen Nordrichtung und Richtung zu Position P_R.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet/ daß aus der errechneten Kreiseldrift D und der reinen Fahrzeit zwischen der Anfangsposition P_ zur Sollposition P_fi ein Korrektursignal erzeugt wird zur Korrektur des Kurssignals des Kreisels oder zur Nachführung des Kreisels.

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5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß während der nachfolgenden Fahrt zu e. '■ ner weiteren Sollposition die errechnete Kreiseldrift in den Koppelrechnungen berücksichtigt wird oder als Nachführsignal auf den Kreisel aufgeschaltet wird.
6. Verfahren insbesondere nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß bei Überschreitung eines vorwählbaren Grenzwertes D_ die errechnete Kreiseldrift D

(α

während der nachfolgenden Fahrt nicht berücksichtigt wird und daß der Kurswinkel des Kreisels um einen Winkel ^ korrigiert wird, welcher in der Anfangsposition P^ zu den Positionen P„ und P vorhanden ist.
7. Verfahren nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, daß zumindest bei Erreichen einer weiteren Sollposition P ' der Kurswinkel des Kreisels um einen weiteren Winkel e?C _n ' korrigiert wird. .
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß aus den bei mehreren aufeinanderfolgenden Fahrstrecken zu bekannten Sollpositionen Pg errechneten Driftwerten D ein Mittelwert D ₁ errechnet wird, welcher während der nächstfolgenden Fahrstrecke als Kompensationssignal in den Koppelrechnungen berücksichtigt wird oder auf den Kreisel aufgeschaltet wird.

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9. Verfahren nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, daß bei der Berechnung von D . die neu errechnete Kreiseldrift D , .. nur anteilig bewertet wird und die vorherigen Driftwerte D entsprechend geringer bewertet werden.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9 dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelwert D . nach folgender Gleichung berechnet wird

D ...= (1-b)*D + b * D . ., = D + b* D m + 1 ^λ πι m+1 m

b = Bewertungsfaktor, kleiner als 1

D = Mittelwert der zuvor errechneten Driftwerte

D , _Λ = Drift ermittelt durch Positionskorrektur
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10 dadurch gekennzeichnet, daß bei der Berechnung des Mittelwertes D , .j die Geradlinigkeit der neuen Fahrstrecke durch einen Anteilfaktor a berücksichtigt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, daß der Anteilsfaktor a berechnet wird nach der Gleichung

dg = Sollabstand zwischen Anfangs- und Endposition der Fahrstrecke

S₀ = Betrag des zurückgelegten Weges. 909833/0176

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13. Verfahren nach den Ansprüchen 11 oder 12 dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelwert D ₊ .. nach folgender Gleichung berechnet wird:

^Dm + 1 = D_{m +} b . D (a)

wobei D (a) = D^a mit a>1 bzw. a <^ 1
14. Verfahren nach den Ansprüchen 11 oder 12 dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelwert D .. nach folgender Gleichung berechnet wird:

^Dm + 1 = ^Dm ^{+ a} ' ^b ' ^D
15. Verfahren nach Anspruch 14 dadurch

gekennzeichnet, daß der Anteilfaktor a vorgegeben wird in folgender Abhängigkeit

a = ^ds für 2 ^ds ^ O ,2 a = ^su für ^s'u 2 d_q a = für O ,2 -^ 1 ^SU = O 2 2

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16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mittels einer Navigationsanlage enthaltend einen Rechner ein Kartengerät und einen Signalgeber für die Geschwindigkeit und/oder der Fahrstrecke des Fahrzeuges die Fahrzeugposition angezeigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe des Kartengeräts die Änfangsposition P und Sollposition P und die Istposition bestimmt werden und zur Bestimmung der Kreiseldrift in den Rechner eingegeben werden.
17. Verfahren insbesondere nach Anspruch 1, wobei die Wegsignale durch einen Korrekturfaktor an die tatsächlich zurückgelegte Fahrstrecke angepaßt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Korrektur faktor K₁-, bestimmt wird aus dem Verhältnis Sollabstand d„ und Istabstand d zwischen Anfangs- und Endpositionen und zwar unter Berücksichtigung des Driftanteils am Gesamtfehler nach der Gleichung:

^{F d}D - ^rSD ' ^{COS (}^SD --W ' ^COS

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