DE4216082C2

DE4216082C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Korrektur von Geschwindigkeitsmessungen

Info

Publication number: DE4216082C2
Application number: DE19924216082
Authority: DE
Inventors: Helmut Schnieber
Original assignee: STN Atlas Elektronik GmbH
Current assignee: Atlas Elektronik GmbH
Priority date: 1992-05-15
Filing date: 1992-05-15
Publication date: 2000-01-20
Anticipated expiration: 2012-05-16
Also published as: DE4216082A1; FR2691810A1; FR2691810B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Korrektur von Geschwindigkeitsmessungen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung zum Ausüben des Verfahrens.

Dopplermessungen mit Ultraschallecholoten werden benötigt, um die Geschwindigkeit von Fahrzeugen, insbesondere von Wasserfahrzeugen, zu bestimmen. Mit derartigen sog. Dopplerlogs wird die Dopplerfrequenzverschiebung von pulsförmigen Ultraschallsignalen gemessen, die entweder vom Gewässerboden (Bottom Track) oder von tiefergelegenen Wassermassen (Water Track) rückgestreut werden. Diese Messungen sind inzwischen sehr genau und sehr gut geeignet, um bei Koppelnavigationsaufgaben - ausgehend von einem bekannten Ort - die jeweils aktuelle Position des Fahrzeugs durch zeitliche Integration des Geschwindigkeitsvektors zu ermitteln. Die Integration des Geschwindigkeitsvektors führt so lange zu genauen Positionswerten, wie das Fahrzeug sich mit konstanter Geschwindigkeit bewegt, also eine unbeschleunigte Bewegung ausführt. Bei einer beschleunigten Bewegung des Fahrzeuges ändert sich die Geschwindigkeit als Funktion der Zeit, so daß die korrekte Position des Fahrzeugs nur angegeben werden kann, wenn die Geschwindigkeitsänderung in jedem Zeitaugenblick bei der Integration des Geschwindigkeitsvektors, d. h. bei der Positionsberechnung, berücksichtigt wird.

Da jedoch für die Messung der Dopplergeschwindigkeit und auch für die Glättung der Meßwerte eine systembedingte zeitliche Verzögerung nicht vermieden werden kann, liegt zwischen der wahren Augenblicksgeschwindigkeit des Fahrzeugs und der vom Dopplerlog ausgangsseitig zur Verfügung gestellten Geschwindigkeitsmessung eine Abweichung, ein sog. Schleppfehler, vor, der zu einem bleibenden Positionsfehler führt, wenn nicht eine entgegengesetzte Beschleunigung einen gegengleichen Positionsfehler erzeugt, der einen Ausgleich bewirken könnte.

Insbesondere bei Vermessungsschiffen und Räumfahrzeugen werden sehr genaue Positionswerte gefordert, die nur zum Teil durch sehr aufwendige Schätzfilterverfahren, z. B. Kalman-Filter, erreicht werden können.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 38 00 024 ist ein Dopplerlog bekannt, das zur Geschwindigkeitsmessung auf Schiffen vorgesehen ist. Dieses bekannte Dopplerlog ist insbesondere daraufhin optimiert, vor der Ausgabe oder Anzeige von Geschwindigkeitsmessungen verschiedene Störungen durch Fahrzeugbewegungen und Streuungen der Ultraschallsignale zu eliminieren. Dazu werden die Rohmeßdaten geglättet und über mehrere Meßzeitpunkte gemittelt, so daß sich auch bei beschleunigter Bewegung ein geglätteter Verlauf der Geschwindigkeit-Zeit-Kurve ergibt. Ein Ausgleich der Zeitverzögerung durch die Verarbeitung während des vollständigen Meßzyklus' ist jedoch nicht vorgesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit dem die Dopplermessungen derart verbessert werden können, daß bleibende Fehler bei der Positionsermittlung vermieden oder zumindest wesentlich vermindert werden.

Diese Aufgabe wird für ein Verfahren zur Korrektur von Geschwindigkeitsmessungen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren geht aus von den gemessenen Dopplergeschwindigkeiten, die bedingt durch das Meßverfahren gegenüber der aktuellen Geschwindigkeit eines Fahrzeugs erst zeitverzögert am Ausgang der Meßeinrichtung anstehen. Durch Integration des Geschwindigkeitsvektors zur Ermittlung der Fahrzeugposition ist diese Zeitverzögerung bei der Positionsberechnung so lange belanglos, wie das Fahrzeug sich unbeschleunigt, d. h. mit konstanter Geschwindigkeit, bewegt. Bei Manövern des Fahrzeugs, d. h. bei Richtungs- oder Fahrtstufenänderungen, wirken Beschleunigungen auf das Fahrzeug, die Geschwindigkeitsänderungen zur Folge haben. Da das Meßsystem erst zeitverzögert auf diese Geschwindigkeitsänderungen reagiert, sind die durch Koppelrechnung ermittelten Positionen mit einem Fehler behaftet, der nur durch gegengleiche Beschleunigung des Systems Fahrzeug wieder ausgeglichen werden könnte.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden bei Beschleunigung des Fahrzeugs die Geschwindigkeitsmessungen mit einem Korrekturterm beaufschlagt, der dem Schleppfehler bei Geschwindigkeitsänderung entgegenwirkt. Dabei ist der Korrekturterm abhängig von dem dynamischen Fahrzeugverhalten einzustellen.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist den Vorteil auf, daß es in einfacher Weise auf die fehlerhaften Geschwindigkeitsmessungen angewendet werden kann, ohne in das bestehende Meßverfahren eingreifen zu müssen. Ferner kann das dynamische Verhalten verschiedener Fahrzeuge durch Veränderung des Korrekturfaktors besonders einfach berücksichtigt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird auch durch die Unteransprüche vorteilhaft weitergebildet.

Eine Vorrichtung zum Ausüben des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich durch geringen schaltungstechnischen Aufwand aus. Durch die Einstellung weniger Koeffizienten bei Tiefpaß und Multiplizierer ist eine solche Schaltung leicht an unterschiedliches Verzögerungsverhalten der Meßeinrichtung und die Dynamik unterschiedlicher Fahrzeuge anzupassen.

Ferner ist je nach Vorgabe der Ausgangssignale oder -daten der Dopplermeßeinrichtung eine Realisierung durch analoge oder digitale Baugruppen ohne Einschränkung möglich.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 den zeitlichen Verlauf von Geschwindigkeitssignalen,

Fig. 2 ein Blockschaltbild zur Korrektur von Dopplergeschwindigkeitsmessungen,

Fig. 3 ein Blockschaltbild für einen erfindungsgemäßen Tiefpaß.

In Fig. 1 ist in einem kartesischen Koordinatensystem ein Geschwindigkeits-Zeit-Diagramm dargestellt, bei dem wie üblich die Abszisse die Zeitachse t und die Ordinate die Geschwindigkeitsachse v darstellen. Einzelne für signifikante Änderungen der Kurvenverläufe charakteristische Zeitpunkte sind durch die Zeiten t_o bis t₅ markiert.

Die Kurve 10 stellt den wahren Geschwindigkeitsverlauf für ein Fahrzeug dar, das eine gleichmäßig beschleunigte Bewegung bis zum Zeitpunkt t₃ ausführt und dann gemäß Kurve 14 mit konstanter Geschwindigkeit V_e weiterfährt. Das Übergangsverhalten im Ursprung t_o und zur Zeit t₃ des Fahrzeugs aufgrund der dem Fahrzeug eigenen Dynamik ist dabei unberücksichtigt geblieben.

Die Koppelrechnung zur Bestimmung der Fahrzeugposition ist nur dann genau, wenn eben dieser Geschwindigkeitsverlauf gemäß Kurve 10 bzw. 14 zur Bestimmung des vom Fahrzeug zurückgelegten Weges integriert und daraus die Position berechnet wird. Gegenüber der wahren Geschwindigkeit des Fahrzeugs gemäß Kurve 10 ist der Verlauf der Geschwindigkeitsmessung des Dopplerlogs jedoch zeitverzögert und führt zu einem Geschwindigkeitsverlauf gemäß Kurve 12. Dabei ist zu erkennen, daß die Kurve 12 zwischen den Zeitpunkten t_o und t₁ ein durch die Tiefpaßeigenschaften des Dopplerlogs gekennzeichnetes Einschwingverhalten aufweist, dann im Bereich zwischen t₁ und t₃ in einen zur Zeit proportionalen Geschwindigkeitsverlauf einmündet und nach einem weiteren Übergangsbereich zwischen den Zeiten t₃ und t₄ in die konstante Geschwindigkeit gemäß Kurve 14 übergeht.

Wird der Verlauf der Dopplergeschwindigkeit gemäß Kurve 12 ein weiteres Mal tiefpaßgefiltert, so ergibt sich ein Geschwindigkeitsverlauf gemäß Kurve 13, die einen gekrümmten Verlauf zwischen t_o und t₂, den Proportionalteil zwischen t₂ und t₃ sowie einen Übergang zwischen t₃ und t₅ aufweist und ab t₅ ebenfalls in die konstante Geschwindigkeit V_e gemäß Kurve 14 einmündet.

Das bei der Koppelrechnung bestimmte Integral über den Verlauf der Kurve 12 weist gegenüber einem Integral des Geschwindigkeitsverlaufs gemäß Kurve 10 einen Fehler auf, der durch die Fläche zwischen den beiden Kurven 10 und 12 bestimmt ist.

Erfindungsgemäß wird nun zwischen dem Geschwindigkeitssignal gemäß Kurve 12 und dem tiefpaßgefilterten Geschwindigkeitssignal gemäß Kurve 13 eine Differenz gebildet, mit einem Faktor bewertet und dem Geschwindigkeitssignal gemäß Kurve 12 wieder hinzuaddiert. Durch geeignete Wahl des Bewertungskoeffizienten und des Einschwingverhaltens des Tiefpasses zur Gewinnung der Kurve 13 wird dann der Geschwindigkeitsverlauf der korrigierten Dopplerlogmessung dem wahren Verlauf der Geschwindigkeit des Fahrzeugs gemäß Kurve 10 weitestgehend angepaßt.

Die Geschwindigkeitssignale in Fig. 1 gemäß den Kurven 10, 12, 13 und 14 sind hier als kontinuierlich verlaufende Signale dargestellt. Sie müssen jedoch bei einer digitalen Realisierung der Erfindung als die Einhüllenden zeitdiskreter periodischer Abtastsignale aufgefaßt werden.

In Fig. 2 ist eine dem Dopplerlog 20 nachgeschaltete Korrektureinrichtung 30 dargestellt. Die Korrektureinrichtung 30 weist einen dem Dopplerlog 20 nachgeschalteten Tiefpaß 40 auf. Eine Differenzschaltung 50 ist eingangsseitig mit dem Tiefpaß 40 und dem Dopplerlog 20 und ausgangsseitig mit einer Multipliziereinrichtung 60 verbunden. An die Multipliziereinrichtung 60 und das Dopplerlog 20 ist ferner eine Summierschaltung 70 angeschlossen, an der ausgangsseitig die korrigierten Dopplermeßwerte anstehen.

Das Signalverhalten des Blockschaltbildes gemäß Fig. 2 kann durch die Gleichung

beschrieben werden, wobei das *-Symbol das Faltungsprodukt

kennzeichnet.

Im Vergleich mit Fig. 1 stellt dann das wahre Geschwindigkeitssignal gemäß Kurve 10 das Eingangssignal v₁₀(t) für das Dopplerlog 20 mit der Systemfunktion h_DL(t) dar, dessen Ausgangssignal v₁₂(t) durch den Geschwindigkeitsverlauf gemäß Kurve 12, die Geschwindigkeitsmessung, charakterisiert ist. Dieses Ausgangssignal v₁₂(t) wird dem Tiefpaß 40 mit der Systemfunktion h_TP(t) zugeführt, an dessen Ausgang sich dann als Tiefpaßsignal ein Geschwindigkeitsverlauf gemäß Kurve 13 ergibt. Das Differenzsignal zwischen den Kurven 12 und 13 wird in der Differenzschaltung 50 gebildet, in der Multipliziereinrichtung 60 mit dem Faktor minus K multipliziert und dann in der Summierschaltung 70 zu dem Ausgangssignal v₁₂(t) des Dopplerlogs 20, d. h. dem Geschwindigkeitssignal gemäß Kurve 12, wieder addiert und ergibt das korrigierte Geschwindigkeitssignal v_K(t) bzw. bei einer digitalen Realisierung die korrigierten Geschwindigkeitswerte.

Der Gleichung (1) liegen die in der Fig. 2 angegebenen Vorzeichen für die Differenzschaltung 50, die Multipliziereinrichtung 60 und die Summierschaltung 70 zugrunde. Daß auch andere Vorzeichenkombinationen zu einer identischen Gleichung (1) führen, ist offensichtlich und erfordert deshalb hier keinen weiteren Nachweis.

Die digitale Realisierung des Blockschaltbildes gemäß Fig. 2 verarbeitet zeitdiskrete Ausgangswerte der Geschwindigkeitsmessungen des Dopplerlogs im allgemeinen zeitlich gesteuert durch einen Übernahmetakt. Dazu ist in Fig. 3 der Aufbau des Tiefpasses 40 als rekursives Filter dargestellt. Dem Eingang 41 des Tiefpasses 40 ist ein Koeffizientenmultiplizierer 42 nachgeschaltet, dem der Koeffizient (1 - B) vom Rechenspeicher 43 zugeführt wird. Ein zweiter Eingang 44 des Tiefpasses ist an den Rechenspeicher 43 und an einen Multiplizierer 45 angeschlossen, der ebenfalls mit einem Speicher 47 für Geschwindigkeitswerte verbunden ist. Der Tiefpaß 40 weist ferner einen Addierer 46 auf, der eingangsseitig mit dem Koeffizientenmultiplizierer 42 und dem Multiplizierer 45 verbunden ist und der ausgangsseitig einerseits den Speicher 47 ansteuert und andererseits an den Ausgang 48 des Tiefpasses 40 angeschlossen ist. An dem Tiefpaß 40 stehen dann als Tiefpaßsignal die tiefpaßgefilterten Geschwindigkeitswerte an, für die die Kurve 13 in Fig. 1 die Einhüllende darstellt.

Der Tiefpaß 40 als digitales IIR-Filter (Infinite Impulse Response) wird durch die Beziehung

v₁₃(t) = (1 - B) . v₁₂(t) + B . v₁₃(t - nT) (2)

beschrieben, mit der Periodendauer T des Übernahmetaktes des Dopplerlogs, der Zählvariablen n und dem das Verzögerungsverhalten des Tiefpasses 40 bestimmenden Tiefpaßkoeffizienten B. Aus der Meßzeitverzögerung τ des Dopplerlogs, dem Übernahmetakt T und der die Fahrzeugdynamik charakterisierenden Konstanten K ergibt sich der Tiefpaßkoeffizient B zu

wobei für K Werte zwischen 0 und 10 einzusetzen sind. Als spezielle Werte werden z. B. für langsame, träge Fahrzeuge, wie Tanker K < 1, und schnelle, wendige Fahrzeuge K < 4 empfohlen.

Ohne es im einzelnen näher darzustellen, wäre in einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung in rein analoger Schaltungstechnik insbesondere das Blockschaltbild in Fig. 2 zu vereinfachen, in dem die Differenzschaltung 50 und der Multiplizierer 60 zu einem Differenzverstärker mit einstellbarer Verstärkung vereinigt würden. Die Verstärkung wäre dann proportional dem Bewertungsfaktor K einzustellen.

Claims

1. Verfahren zur Korrektur von Geschwindigkeitsmessungen eines Dopplerlogs auf einem Fahrzeug, wobei bei Beschleunigung des Fahrzeugs die Geschwindigkeitssignale aufgrund einer systemeigenen Meßzeitkonstanten des Dopplerlogs zeitverzögert an seinem Signalausgang anstehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeitssignale tiefpaßgefiltert werden, daß mit den gefilterten und ungefilterten Geschwindigkeitssignale eine Differenz gebildet wird, daß die Differenz mit einem Korrekturfaktor bewertet und ein Korrektursignal gebildet wird und daß durch die Addition der Geschwindigkeitssignale des Dopplerlogs (20) und des Korrektursignals ein korrigiertes Geschwindigkeitssignal gebildet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitkonstante der Tiefpaßfilterung annähernd gleich der Meßzeitkonstanten des Dopplerlogs gesetzt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Betrag des Korrekturfaktors K abhängig vom Schiffstyp Werte zwischen 0 und 10 aufweist.

4. Vorrichtung zum Ausüben des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß einem Ausgang des Dopplerlogs (20) ein Tiefpaß (40) nachgeschaltet ist, daß mit dem Ausgang (48) des Tiefpasses (40) und dem Ausgang des Dopplerlogs (20) eine Differenzschaltung (50) verbunden ist, daß der Differenzschaltung (50) eine Multipliziereinrichtung (60) mit veränderbarem Korrekturfaktor K nachgeschaltet ist und daß mit der Multipliziereinrichtung (60) und dem Ausgang des Dopplerlogs (20) eine Summierschaltung (70) zum Erzeugen eines korrigierten Geschwindigkeitssignals verbunden ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Tiefpaß (40) ein digitales rekursives Filter erster Ordnung verwendet wird.