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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Gelände-Navigationsgerät zur Durchführung einer
Geländenavigation
eines auf Beinen laufenden Lebewesens, insbesondere für eine menschliche
Person, die ohne ein Transportfahrzeug ein Gelände durchquert.
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Es
gibt eine Reihe von Navigations-Hilfsmitteln, die gegenwärtig zur
Benutzung auf dem offenen Feld oder einer ähnlichen Umgebung üblich sind. Diese
Hilfsmittel umfassen beispielsweise folgende Geräte: einen Magnetkompass zur
Feststellung des wirklichen Kurses; einen Magnetkompass mit Pedometer
zur Durchführung
der Koppelnavigation; einen Magnetkompass zur Durchführung des
Ablaufs eines Fixpunktes auf einer Landmarke, wodurch eine Berechnung
der Position ermöglicht
wird; Durchgang auf zwei Landmarken oder einer oberen Fixierung
auf einer Landmarke, was eine Korrektur von Positionsfehlern ermöglicht;
GPS- und JTIDS-Fixierungen
zur Korrektur von Positionsfehlern; barometrische Höhenaktualisierung
zur Korrektur von Höhenfehlern; und
feste Geräte
zur Korrektur von Position und Höhe,
wo die Kenntnis gewisser Geländemerkmale
benutzt werden kann, um Position und Höhe zu aktualisieren, so ermöglicht beispielsweise
die Kreuzung eines bestimmten Abschnitts einer geraden Straße eine
Korrektur von Positionsfehlern in einer Richtung senkrecht zur Straße, selbst
wenn der Kreuzungspunkt nicht genau definiert ist und das Kreuzen
eines bekannten Sattelpunktes eine Korrektur der Höhe ermöglicht.
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Schwierigkeiten
haben sich jedoch in einem ungünstigen
Gelände
ergeben als Folge von Wirkungen, wie z.B. einer Interferenz oder
störenden
Unterdrückung
von GPS, von magnetischen Einflüssen, die
Magnetkompasse stören
infolge von Schwierigkeiten variabler Bodenbeschaffenheit, was zu
Pedometerfehlern führt
und eine schlechte Sichtbarkeit, die das Lesen der Karte oder die
Sicht auf Landmarken beeinträchtigt.
Diese Probleme sind sämtlich
dadurch charakterisiert, dass Diskontinuitäten in dem verfügbaren Sensor
oder der Zielinformation auftreten. Diese Diskontinuitäten können zu
kritischen Zeiten auftreten und sind deshalb höchst unerwünscht.
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Jüngere Entwicklungen
von Trägheits-Navigationseinheiten
(Inertial Navigation Units (INU)) haben zur Erzeugung immer kleinerer
Einheiten geführt.
Dies kann auf der Faseroptik-Kreiseltechnologie (FOG) beruhen, aber
diese Geräte
sind immer noch verhältnismäßig kostspielig.
Ein INU kann mit einigen oder allen zusätzlichen der oben beschriebenen
Zielquellen integriert werden, wodurch es möglich wird, die oben erwähnten Spalten
der zugeordneten Zielquellen zu überbrücken. Jedoch
liegt der Nachteil teilweise in der Größe des FOG INU und teilweise
in den Kosten. Beispielsweise beschreibt die
DE 198 30 150 A eine derartige
Einheit mit einer einzigen FOG INU-Einheit mit am Stiefel montierten Kontaktmitteln,
die durch den Benutzer getriggert wird, wenn es erwünscht ist,
eine Korrektur vorzunehmen, beispielsweise einen Null-Aktualisierungshalt
oder einen Koordinaten-Aktualisierungshalt
zur Weitergabe an einen Trägheitssensor,
der entweder ebenfalls am Stiefel montiert oder in der Hand gehalten
wird.
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Jüngste Fortschritte
in der Silizium-Kreiseltechnologie haben zu Kreiselgeräten geführt, die
auf Silizium-Produktionsstrecken erzeugt werden können. Dies
hat den Vorteil einer geringen Größe, die Möglichkeit einer Massenproduktion
und geringe Kosten. Jedoch liegt das Kreiselverhalten am unteren
Ende für
die Arbeitsweise eines INU. Diese Kreisel und ähnliche Silizium-Beschleunigungsmesser bilden
die Basis für
ein INU mit geringer Leistung und liefern eine autonome, freie Navigation,
die nur während
sehr kurzer Zeitperioden nützlich
ist.
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Es
besteht daher der Bedarf nach einem allgemein verbesserten Gerät zur Durchführung einer Geländenavigation
im offenen Feld, wobei sehr kleine, billige Kreiselgeräte in Verbindung
mit einem System benutzt werden können, deren Leistung verbessert
ist und eine adäquate
Leistung unter Bedingungen ermöglicht,
wie sie im Freien angetroffen werden.
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Gemäß einem
ersten Merkmal der Erfindung betrifft diese ein Gelände-Navigationsgerät für ein auf Beinen
das Gelände
ohne Fahrzeug-Transportmittel durchquerendes Lebewesen (2)
mit den folgenden Merkmalen: ein erstes System (59) zur
Bestimmung von Position, Geschwindigkeit und Kurs des auf Beinen
laufenden Lebewesens (2) mit Sensormitteln zur Erfassung
der Trägheitsbewegung
in sechs Freiheitsgraden, wobei die Sensormittel Ausgangssignale
liefern, die eine erste Geschwindigkeit, einen ersten Kurs und eine
erste Position des auf Beinen laufenden Lebewesens anzeigen, wobei
das erste System (59) im unteren Beinbereich oder am Fuß des auf Beinen
laufenden Lebewesens angeordnet ist; Kontaktmittel (11),
die innnerhalb eines Geschwindigkeitsprofils, das die Bewegung eines
der Füße (13a, 13b)
des auf Beinen laufenden Lebewesens (2) beschreibt, eine
Periode errichten, wo die Geschwindigkeit Null sein sollte, einer
vollen oder teilweisen Berührung
des jeweiligen Fußes
mit dem umgebenden Gelände
(3) entspricht, dadurch gekennzeichnet, dass weiter ein
zweites System (4) vorhanden ist, um Position, Geschwindigkeit
und Kurs des auf Beinen laufenden Lebewesens (2) zu bestimmen,
welches System Sensormittel aufweist, um die Trägheitsbewegung in sechs Freiheitsgraden
festzustellen, wobei die Sensormittel Ausgangssignale liefern, die eine
zweite Geschwindigkeit, einen zweiten Kurs und eine zweite Position
des auf Beinen laufenden Lebewesens angeben, wobei das zweite System
(4) im unteren Bereich (5, 5a) des auf
Beinen laufenden Lebewesens (2) angeordnet ist und wobei
Fehler-Berechnungsmittel (15) als Eingangssignale das Geschwindigkeitsprofil
während
der Periode empfangen und die Null-Geschwindigkeit vom Geschwindigkeitsprofil
aktualisiert wird, um den Geschwindigkeitsfehler im ersten System
(59) zu korrigieren und eine Abschätzung von Fehlern (19)
zu liefern, die den Sensor-Ausgangssignalen (61, 63, 65)
des ersten Systems zugeordnet sind, wobei die Fehlerabschätzungen
mit den Ausgangssignalen von dem ersten System (59) zusammenwirken,
um eine erste Positions-Abschätzung
des auf Beinen laufenden Lebewesens (2) zu erzeugen, und
wobei die Null-Geschwindigkeits-Aktualisierung vom ersten System
(59) benutzt wird, um die Geschwindigkeitsfehler im zweiten System
(4) zu minimieren und um eine zweite Positions-Abschätzung für das auf
Beinen laufende Lebewesen (2) von dem zweiten System (4)
zu schaffen und wobei wenigstens eine Summationsstation (51, 71)
vorgesehen ist, um die erste Position und die zweite Position zu
kombinieren, wenn diese durch Fehler der Fehler-Berechnungsmittel
(15) korrigiert wurden, um eine Positionsdifferenz zum
Eingang der Fehler-Berechnungsmittel zu schaffen und um Korrekturen
für das
erste und zweite System (59, 4) zu schaffen.
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Vorzugsweise
ist das erfindungsgemäße Gerät bestimmt
für ein
auf Beinen laufendes Lebewesen in Gestalt einer Person.
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Zweckmäßigerweise
umfasst jedes Sensormittel drei senkrecht aufeinander stehende Kraftsensoren
und drei orthogonal aufeinander stehende Winkelgeschwindigkeits-Sensoren.
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Vorzugsweise
sind die Kontaktmittel als Anpassfilteranordnung ausgebildet.
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Vorzugsweise
sind die Filtermittel als Druckschalteranordnung ausgebildet.
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Zweckmäßigerweise
stellt das Geschwindigkeitsprofil den ersten Geschwindigkeitsausgang
von dem ersten System dar.
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Zweckmäßigerweise
umfassen die Fehler-Berechnungsmittel ein Kalman-Filter.
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Vorzugsweise
umfasst das Gerät
einen Kursanzeiger zur Bestimmung des wirklichen Kurses eines auf
Beinen laufenden Lebewesens, wobei der Kursanzeiger betriebsmäßig dem
zweiten System zugeordnet ist.
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Zweckmäßigerweise
ist der Kursanzeiger ein Magnetkompass, der auf einen magnetischen
Kursanzeiger einwirkt.
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Vorzugsweise
ist das Satellitenfunk-Navigationssystem ein Global Positioning
System (GPS), welches als Ausgang eine GPS-Position und eine GPS-Geschwindigkeit liefert.
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Die
vorliegende Erfindung ist geeignet zur Benutzung durch ein auf Beinen
laufendes Lebewesen, das sich über
das Gelände
bewegt, indem das Gelände
durch Füße berührt wird
oder durch an den Füßen angeschnallte
Ski, beispielsweise ein menschliches Wesen, und zur Vereinfachung
der folgenden Beschreibung wird das auf Beinen laufende Lebewesen
als ein Mann bezeichnet.
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Nachstehend
wird ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
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1 ist
eine schematische Ansicht eines Mannes, der das Gelände auf
seinen Füßen durchquert
und ein erfindungsgemäßes Gerät trägt;
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2 ist
ein Blockschaltbild eines Gerätes gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zur Durchführung einer Geländenavigation
eines Mannes gemäß 1;
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3 ist
eine graphische Darstellung der Kontaktmittel, die einen Teil des
Gerätes
gemäß 2 bilden;
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4 ist
eine graphische Darstellung der verschiedenen Schrittperioden, anwendbar
auf die Kontaktmittel des Gerätes
nach 2;
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5 ist
ein Blockschaltbild, welches ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung
veranschaulicht, mit dem eine Geländenavigation durch den Mann
gemäß 1 durchgeführt werden
kann, und
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6 stellt
in einem Blockdiagramm die funktionelle Spaltrepräsentation
der Hardware für das
Gerät gemäß 2 und 5 dar.
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Das
erfindungsgemäße Gerät zur Durchführung einer
Geländenavigation
gemäß 1 bis 6 soll
in Situationen benutzt werden, bei denen ein auf Beinen laufendes
Lebewesen ohne Zuhilfenahme von Fahrzeugen ein Gelände per
Fuß, per
Ski oder per Huf durchquert. Die gegenwärtig benutzten Systeme, um
eine derartige Aufgabe durchzuführen, beruhen
auf Instrumenten, die auf äußere Effekte
ansprechen, beispielsweise auf Interferenzen, magnetische Einflüsse und
schwache Sichtbarkeit, was zu Diskontinuitäten der Leistung des Systems
führt,
was schwerwiegende und potentiell lebensbedrohende Konsequenzen
haben kann.
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Demgemäß weist,
wie in 1 und 2 der Zeichnung dargestellt,
das Gelände-Navigationsgerät 1 für einen
Mann 2, der das Gelände 3 durchquert,
gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung ein erstes System 59 zur Bestimmung von Position,
Geschwindigkeit und Kurs auf, einschließlich Sensormitteln zur Bestimmung
der Trägheitsbewegung
in sechs Freiheitsgraden, die folgende Signale liefern: ein Ausgangssignal 61,
das eine erste Geschwindigkeit anzeigt, ein Ausgangssignal 63,
das einen ersten Kurs anzeigt und ein Ausgangssignal 65,
das eine erste Position des Mannes 2 anzeigt, und es sind
Kontaktmittel 11 vorgesehen, um in einem Geschwindigkeitsprofil,
das die Bewegung eines der Füße 13a, 13b des
Mannes 2 beschreibt, eine Periode zu errichten, in der
die Geschwindigkeit 17 Null sein sollte, wobei diese Periode
einer vollständigen
oder teilweisen Berührung
des jeweiligen Fußes 13a, 13b mit
dem umgebenden Gelände 3 entspricht.
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Das
Gerät weist
außerdem
ein zweites System 4 auf, um die Position, die Geschwindigkeit
und den Kurs zu bestimmen, wobei Sensormittel vorgesehen sind, um
die Trägheitsbewegung
in sechs Freiheitsgraden festzustellen und um folgende Signale zu
liefern: ein Ausgangssignal 5, das eine zweite Geschwindigkeit
angibt, ein Ausgangssignal 7, das einen zweiten Kurs anzeigt
und ein Ausgangsignal 9, welches eine zweite Position des
Mannes 2 angibt. Das zweite System 4 ist im Rückenbereich 55a des Mannes
festlegbar.
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Das
Gerät weist
außerdem
Fehler-Berechnungsmittel 15 auf, die als Eingangssignale
die Null-Geschwindigkeitsperiode 17 empfängt und
als Ausgangssignale Abschätzungen
des Fehlers 19 liefert, der den Sensor-Ausgangssignalen 61, 63, 65 zugeordnet
ist. Dieser Fehler 19 wirken betriebsmäßig mit den Ausgangssignalen 61, 63, 65 zusammen,
um eine Geländenavigation
des Mannes 2 zu bewirken. Die 2 und 5 zeigen
eine Rückführungs-Konfiguration,
bei der die Fehler nach dem ersten System 59 zurückgeführt werden.
Bei der Rückführungs-Konfiguration
aktualisieren die Fehlerabschätzungen
die jeweiligen Ausgänge
des ersten Systems 59, und die Fehlerabschätzungen
werden nach jedem Korrekturzyklus auf Null gesetzt. Bei einer Vorwärts-Konfiguration
(jedoch nicht dargestellt, aber dennoch benutzbar) werden die Fehlerabschätzungen
akkumuliert und mit den jeweiligen Parametern des ersten Systems
kombiniert, im Gegensatz zu der Aktualisierung der Parameter. In
den 2 und 5 werden stattdessen die Fehlerabschätzungen entsprechend
dem jeweiligen Ausführungsbeispiel dem
jeweiligen System zurückgegeben,
um Position, Geschwindigkeit und Kurs in einer oben beschriebenen
Rückführungs-Konfiguration
zu bestimmen. Demgemäß sind die
Ausgänge
von dem jeweiligen System zur Bestimmung von Position, Geschwindigkeit
und Kurs korrigierte Werte, so dass, wie in 2 dargestellt,
der Ausgang von dem ersten System 59 eine korrigierte erste
Geschwindigkeit 61, ein korrigierter erster Kurs 63 und
eine korrigierte erste Position 65 ist.
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Das
erste System 59 zur Bestimmung von Position, Geschwindigkeit
und Kurs ist vorzugsweise ein personenbezogenes Trägheits-Navigationssystem
mit einer Trägheitsmesseinheit
(IMU), die Sensoren aufweisen kann, um die Trägheitsbewegung in sechs Freiheitsgraden
zu messen. Dies kann durch sechs Einachssensoren geschehen, beispielsweise drei
senkrecht aufeinander stehenden Kraftsensoren und drei senkrecht
aufeinander stehenden Winkelgeschwindigkeits-Sensoren oder durch geeignete Doppelachsen-Sensoren.
Diese Sensormittel werden im folgenden Text als Beschleunigungsmesser
und Kreiselgeräte
bezeichnet.
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Die
Ausgänge 61, 63, 65 aus
dem System 59 sind in den 2 und 5 als
direkte Eingänge
in die Fehler-Berechnungsmittel 15 dargestellt. Diese Ausgänge liefern
immer Eingänge
direkt nach den Fehler-Berechnungsmitteln 15, unabhängig von
irgendwelchen zusätzlichen
Manipulationen, beispielsweise als Eingang 61 für eine erste
Summationsstation 29. Unter Situationen, wo Eingangsmessungen,
die in 2 das Geschwindigkeitsprofil in der Null-Geschwindigkeitsperiode 17 nach
den Fehler-Berechnungsmitteln 15 bilden, nicht die Schwellwertbedingungen
erfüllen,
die durch an sich bekannte Restüberwachungsmittel
geliefert werden, fahren die Fehler-Berechnungsmittel 15 fort,
die Fehler 19 zu berechnen unter Benutzung von Eingängen der korrigierten
ersten Position, Geschwindigkeit und Kurs 61, 63, 65 allein.
Die Fehler-Berechnungsmittel 15 bestehen vorzugsweise aus
einem Kalman-Filter, aber
es könnte
auch jeder andere geeignete äquivalente
Typ von Filteranordnungen Verwendung finden. Die Ausgänge 19 des
Kalman-Filters, die bei 21 in 2 und 5 gespeichert
sind, sind dann die besten Berechnungen der Fehler und bewirken
eine Aktualisierung des ersten Systems 59 über die
oben beschriebenen Stationen, wenn das System in einer Vorwärts-Konfiguration
betrieben wird. Das erste System 59 kann Eingänge bezüglich der
Lage (Längsneigung
und Querneigung) (nicht dargestellt) den Fehler-Berechnungsmitteln 15 zusätzlich zu
den Eingängen
von erster Position, Geschwindigkeit und Kurs 61, 63, 65 liefern.
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Das
Geschwindigkeitsprofil, das die Bewegung eines Fußes 13a oder 13b des
Mannes 2 beschreibt, von dem das Geschwindigkeitsprofil
in der Null-Geschwindigkeitsperiode 17 extrahiert
ist, kann der korrigierte erste Geschwindigkeitsausgang 61 von
dem ersten System 59 sein. Das Geschwindigkeitsprofil kann
entweder die horizontale oder vertikale Geschwindigkeit des Mannes 2 sein,
aber vorzugsweise ist es die horizontale Geschwindigkeit. Die horizontale
Geschwindigkeit würde
benutzt für die "horizontalen Kanäle" und die vertikale
Geschwindigkeit würde
benutzt für
die "vertikalen
Kanäle", was sich nur auf
die Höhe
und die Höhengeschwindigkeit
auswirkt. Wenn die Null-Geschwindigkeitsperiode 17 aus
der ersten korrigierten Geschwindigkeit 61 abgezogen wird,
indem man Diskontinuitäten
infolge der Korrektur 23 zulässt, können die Kontaktmittel 11 zur
Schaffung einer Periode, in der die Geschwindigkeit Null ist, eine
angepasste Filteranordnung sein. Ein typisches korrigiertes erstes horizontales
Geschwindigkeitsprofil 36, welches von der korrigierten
ersten Geschwindigkeit 61 abgenommen wurde, ist in 3 dargestellt.
Die Geschwindigkeit 36 ist versetzt gegenüber Null
dargestellt, um jedes Wachstum im Geschwindigkeitsfehler zu repräsentieren,
der aufgetreten sein kann, obgleich erwartet wird, dass dieser minimal
ist, und zwar ≪ 1
m/s, da die Geschwindigkeit 61 durch die zugeordnete Fehlerabschätzung 23 korrigiert
war, wie dies oben beschrieben wurde.
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Das
angepasste Filter ist bekannt zur Schaffung, wenn oder ob eine Wellenform
auftritt, deren Charakteristiken vorher bekannt sind. Eine Möglichkeit,
dies zu erhalten, ist in 3 dargestellt, wo das Bezugszeichen 38, ähnlich dem
Geschwindigkeitsprofil 36, hiermit vermischt ist, um eine
Korrelationsfunktion 40 zu bilden. Die Null-Geschwindigkeitsperiode 17 kann
dann vom Maximum 42 der Korrelationsfunktion 40 abgeleitet
werden, was anzeigt, wo die Null-Geschwindigkeitsperiode 17 beginnt.
Die Bezugswellenform 38 ist repräsentativ für eine Schrittperiode 44,
wobei die O-Periode den auf dem Gelände 3 befindlichen
Fuß 13a, 13b repräsentiert und
die 1 die Füße 13a, 13b in
der Luft repräsentiert. Diese
Wellenform ist in besonderer Weise geeignet zur Anwendung beim Wandern
und/oder beim Rennen, wo die Verteilung von O-Perioden und 1-Perioden
sich ändert,
wie dies in 4 dargestellt ist, und dem kann
leicht dadurch Rechnung getragen werden, indem die Länge der
Perioden eingestellt wird, wie dies erforderlich ist. Da die Bezugswellenform 38 durch
die Kontaktmittel 11 eingeleitet wird, kann, nachdem das
Korrelationsfunktions-Maximum 42 definiert ist, die Station 29,
die betriebsmäßig mit
den Kontaktmitteln 11 zusammenwirkt, die korrigierte erste
Geschwindigkeit 61 nach den Fehler-Berechnungsmitteln 15 während der
Null-Geschwindigkeitsperioden 17 ausfiltern.
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Unter
Situationen, wo der Mann 2 sich nicht über das Gelände 3 bewegt, ist
das angepasste Filter nicht in der Lage, die Null-Geschwindigkeitsperiode 17 aufzulösen, da
das Geschwindigkeitsprofil 36 im Wesentlichen flach ist.
Die entsprechende Autokorrelation wird auch im Wesentlichen flach,
und diese Information kann benutzt werden, um stationäre Perioden
von Bewegungsperioden zu unterscheiden: eine Autokorrelation des
Geschwindigkeitsprofils 36 kann gleichzeitig mit den Anpassfilter-Berechnungen durchgeführt werden,
so dass Perioden angegeben werden, wenn der Mann sich bewegt.
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Als
Alternative zu dem Anpassfilter können die Kontaktmittel 11 als
Druckschalter ausgebildet sein, der im Stiefel des Mannes untergebracht
ist, um festzustellen, wann der Schuh des Mannes den Boden berührt. Ein
Signal von einer solchen Vorrichtung könnte direkt mit der korrigierten
ersten Geschwindigkeit 61 an der Station 29 gekoppelt
sein, so dass die Null-Geschwindigkeitsperiode 17 den Fehler-Berechnungsmitteln 15 während der
Perioden zugeführt wird,
in denen eine Berührung
zwischen Schuh und Boden stattfindet.
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Im
Betrieb erfordert das erste System 59 zunächst einen
Kreiselkompass, um die Nordrichtung zu finden. Dies ist während des
stationären
Zustandes möglich
und kann möglich
sein, wenn die Nullgeschwindigkeit als Bezug aktualisiert wird.
Die Horizontalkomponente der Erdgeschwindigkeit beträgt in dieser
Lage (50 Grad) etwa 10 Grad/Stunde. Dies setzt voraus, dass ein
Kreiselgerät
mit einer Abdrift von nicht mehr als etwa 1 Grad/Stunde die Nordrichtung
mit einer Genauigkeit von 1/10 eines Radianten findet (grob gesagt – aber dies
kann genug sein, um das System zu initialisieren). Gegenwärtig bekannte Faseroptik-Kreiselgeräte (FOG)
erreichen 0,1 Grad/Stunde, so dass diese Type eines Kreiselgerätes ein
realistisches Mittel ist, um die Nordrichtung aufzufinden.
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Wenn
die Kontaktmittel 11 mit der korrigierten ersten Geschwindigkeit 61 arbeiten,
dann sollte das erste System 59 im unteren Fußbereich 55b angeordnet
sein und vorzugsweise entweder am Fuß (Zehen- oder Hackenbereich)
oder im Knöchelbereich,
so dass das Geschwindigkeitsprofil 36 die Null-Geschwindigkeitsperioden 17 einschließt. So könnte das
erste System 59 im Schuh des Mannes 2 oder in
einer Knöchelmanschette
angeordnet sein oder an dem oder in dem unteren Teil irgendeines Schuhwerkes.
Als Redundanzmessung können
ein erstes System 59 und eine Hilfsanordnung im unteren
Fußbereich 55b beider
Beine angeordnet sein.
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Das
Gerät 1 kommuniziert
am Besten Berechnungen 34 (in 2 nur der Übersichtlichkeit wegen
dargestellt) der korrigierten ersten Position der ersten Geschwindigkeit
des ersten Kurses zusammen mit korrigierten Winkel-Geschwindigkeiten, Linearbeschleunigungen
und Statusinformationen, die dem ersten System 59 zugeordnet
sind, nach einem äußeren Interface,
das eine Kontroll- und Displayeinheit 32 (nicht dargestellt)
aufweisen kann. Der Ausgang 34 enthält weiter Ungewissheiten, die
durch die Fehler-Berechnungsmittel 15 berechnet wurden und
ein Maß der
Qualität
dieser Daten in Ausdrücken von
Positionsfehler-Kovarianzen
liefern.
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2 der
beiliegenden Zeichnung zeigt das Gelände-Navigationsgerät 1 für einen
Mann 2 entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung, das außerdem
mit Kursmitteln 37 ausgerüstet ist, und zwar im betriebsmäßigen Zusammenhang
mit dem zweiten System 4. Die Kursmittel 37 können einen
Magnetkompass 37a aufweisen, der mit der zweiten korrigierten
Position 9 in einer Kombinationsstation 37c kombiniert
wird, um den wirklichen Kurs 39 des Mannes zu bestimmen.
Die Kursmittel 37 liefern fakultativ einen magnetischen Nordbezug, der
im Hinblick auf magnetische Abweichungen bei 37c als Funktion
der Position auf der Erdoberfläche
korrigiert werden kann. Die Kursmittel 37 können daher
ein alternatives Verfahren zu einem Kreiselkompass bilden, wie dies
oben beschrieben wurde, um den Kurs in das zweite System 4 einzuführen. Die
genaue Kursreferenz 39 wird mit dem korrgierten zweiten
Kurs 7 von dem zweiten System 4 an der Station 41 abgezogen.
Die Differenz 43 wird dann den Fehler-Berechnungsmitteln 15 eingegeben,
um die Kursfehler 25 in dem zweiten System 4 zu
beobachten und Korrekturen, wie oben beschrieben, zu erzeugen. Die
Kursmittel 37 müssen
starr auf dem zweiten System 4 montiert sein, um einen
gemeinsamen Kurs zu gewährleisten.
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Wie
außerdem
aus 2 der beiliegenden Zeichnung ersichtlich, weist
das Gerät 1 ein
Satellitenfunk-Navigationssystem 45 auf, das betriebsmäßig mit
dem zweiten System 4 zusammenwirkt. Das Satellitenfunk-Navigationssystem 45 ist
vorzugsweise ein Global Positioning System (GPS) zur Bestimmung
der Position und/oder Geschwindigkeit des Mannes. Wie in 2 dargestellt,
gibt das GPS eine GPS-Position 47 an, und dies wird mit
der korrigierten zweiten Position 9 von dem zweiten System 4 an der
Station 51 abgezogen, um einen Eingang 53 für die Fehler-Berechnungsmittel 15 zu
schaffen. Das GPS 45 kann außerdem eine GPS-Geschwindigkeit 49 ausgeben,
die von der korrigierten zweiten Geschwindigkeit 5 abgezogen
wird, um einen weiteren Eingang für die Fehler-Berechnungsmittel 15 zu schaffen.
Dies schafft mehrere Berechnungen von Fehlern 19 und unterstützt daher,
die Fehler im zweiten System 4 zu begrenzen. Das zweite
System 4 liefert eine zusätzliche Information zu dem
GPS 45, die die Form von Kurs, Position und Geschwindigkeitsdaten 5, 7, 9 annehmen
kann, wie dies bei 46 in 2 dargestellt
ist. Diese zusätzlichen
Daten resultieren in einer Synergie zwischen dem GPS 45 und dem
zweiten System 4, so dass das GPS 45 Störungen durch
Verringerung der Filterbandbreiten zurückhalten kann.
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Das
Gerät 1 dient
zur Benutzung im Gelände 3,
und das erste System 59 kann im Fußbereich des Mannes 2 angebracht
werden, wo es einer beträchtlichen
Beschleunigung ausgesetzt wird, wenn der Mann 2 läuft oder
rennt. Hochwertige Kreisel sind schwerer und kostspieliger als Kreisel
geringerer Güte,
und deshalb kann ein Kompromiss zwischen Instrumentengüte, Kosten
und Gewicht durchgeführt werden.
Die Erfindung benutzt Sensoren geringerer Güte, wodurch das Gewicht des
Gerätes,
das im Fußbereich
getragen wird, verringert wird und im ersten System 59 benutzt
wird, weil die Messungen durch die zusätzlichen Eingänge 37, 45 unterstützt werden,
obgleich mit den oben beschriebenen Problemen.
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Mit
dieser Konfiguration kann das zweite System 4 am unteren
Teil des Rückens,
um diesen herum oder im Hüftbereich 55a des
Mannes angeordnet werden, wie dies in 1 dargestellt
ist, und das erste System 59 sollte im unteren Beinbereich 55b angeordnet
werden, so dass das zweite und das erste System 4, 59 um
etwa 1 m getrennt sind. Wie in 2 dargestellt,
werden die korrigierte zweite Position 9 und die korrigierte
erste Position 65 an der Station 71 voneinander
abgezogen, um das Wachstum in der Positionsdifferenz zwischen diesen
beiden Systemen über
den Eingang 73 nach den Fehler-Berechnungsmitteln 15 zu
beobachten. Die genaue Positionsdifferenz liegt bekanntlich immer
in der Größenordnung
von 1 m, und deshalb ist jede Divergenz über diese Grenze hinaus eine
Folge des Wachstums der Positionsfehler in den beiden Systemen 4, 59.
Das gemessene Gegenstück 73 wird
beobachtet und durch die Fehler-Berechnungsmittel 15 benutzt, um
Korrekturen für
die beiden Systeme 4, 59 in der oben beschriebenen
Weise durchzuführen.
Die äußeren Hilfsquellen 37, 45 können daher
in gleicher Weise am unteren Rückenbereich
oder um diesen herum oder im Hüftbereich 55a des
Mannes angeordnet werden, wodurch das Gewicht im Fußbereich 13a, 13b des
Mannes verringert wird, wo nur das erste System 59 getragen
wird. Diese Stelle im unteren Rückenbereich 55a ist
eine vernünftige
günstige
Umgebung, und es wird die Gefahr einer physikalischen Beschädigung minimiert.
Infolge der relativ niedrigen Dynamik in der Mitte des Körpers ergibt
die hier getragene Masse nur eine minimale Trägheitsbelastung für den Benutzer.
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Im
Betrieb kann das zweite System 4 grob ausgerichtet werden
unter Benutzung aller verfügbaren
Eingänge 37, 45,
um Aufgaben durchzuführen, wie
Kreiselkompass-Ausrichtung (oben beschrieben) und die Pegelbildung,
d.h. den Prozess, um Richtung und örtliche Beschleunigung infolge
Schwerkraft festzustellen und den Plattformrahmen des zweiten Systems
auf die Richtung des Gerätes 1 auszurichten. Das
Letztere kann unter Benutzung des GSP 45 oder unter Benutzung
einer Periode ohne Bewegung durchgeführt werden. Das erste System 59 kann dann
grob unter Benutzung von Daten ausgerichtet werden, die vom zweiten
System 4 herrühren.
Dem sollte eine Periode einer Feinausrichtung folgen, in welcher
die Daten von beiden System 4, 59 in ein Filter,
beispielsweise das Kalman-Filter, integriert werden unter Benutzung
dieser Fehler-Berechnungsmittel 15. Das Zusammenwirken
zwischen den beiden Systemen 4, 59 und die Genauigkeit
hiervon wird grob in den Fehler-Berechnungsmitteln 15 durch
Modelle gesteuert, wie die Messungen und die Instrumentencharakteristiken,
die Messungen liefern, die über
die Zeit variieren, zusammen mit Modellen der Kopplung zwischen
den Messungen und den Charakteristiken.
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Das
erste System 59 ist gegenüber dem zweiten System 4 verzögert, weil
das Letztere Eingänge
aus zusätzlichen
Hilfsquellen 37, 45 hat, aus denen eine genauere
Navigationslösung
berechnet werden kann. Das zweite System 4 kann außerdem einen
Kreiselkompasskurs liefern, bei dem die Sensoren wahrscheinlich
eine höhere
Güte haben
als jene, wo diese Funktion nicht erforderlich ist (im ersten System 59).
Die Funktion des ersten Systems 59 besteht darin, den Null-Geschwindigkeitsperioden-Eingang 17 den
Fehler-Berechnungsmitteln 15 zuzuführen und die Positionsfehler 27 zu
begrenzen, und die Sensoren geringer Güte sind zur Durchführung dieser
Aufgabe geeignet. Das zweite System 4 benutzt daher den
Vorteil der Null-Geschwindigkeitsperiode 17 des ersten
Systems 59 zusammen mit den Eingängen der Hilfsquellen 37, 45 und
der Tatsache, dass die Position zwischen den Systemen 4, 59 bekannt
ist und im typischen Fall in der Größenordnung von 1 m liegt. Die
Integration der beiden Systeme 4, 59 merzt so
ihre jeweiligen Schwächen
aus und kombiniert ihre Stärken,
was zu einem Gelände-Navigationsgerät 1 führt, das
unter Bedingungen von Laufen, Rennen, Ruhen, Kriechen oder Klettern
arbeitet. Es ist klar, dass unter Situationen, wo die Umgebungsbedingungen,
beispielsweise Wetter und Signalstörungen, auftreten, äußere Daten
von den Hilfsquellen 35, 45 nicht zur Verfügung stehen
können.
Unter diesen Umständen
wäre die
Null-Geschwindigkeitsperiode 17 als Eingang die einzige
Quelle der Informations-Aktualisierung.
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Die 5 der
beiliegenden Zeichnung zeigt ein Gelände-Navigationsgerät 1 für einen
Mann 2. Dieses zweite Ausführungsbeispiel umfasst das
Gerät nach 2 und
weist ein drittes System 75 auf. Das dritte System 75 zur
Bestimmung von Position, Geschwindigkeit und Kurs weist Sensoren
auf, um die Trägheitsbewegung
in sechs Freiheitsgraden abzufühlen
und liefert Signale, die eine dritte Geschwindigkeit, einen dritten
Kurs und eine dritte Position gemäß 5 als dritte
Geschwindigkeit, Position und Kurs 77, 79, 81 durch
Fehlerberechnungen 83, 84, 85 anzeigen.
Mit dieser Konfiguration kann das zweite System 4 am unteren
Teil des Rückens
oder im Hüftbereich 55a des
Mannes angebracht werden, wie dies in 1 dargestellt
ist. Das erste System 59 sollte im unteren Beinbereich 55b angeordnet
werden, und das dritte System 75 kann im Kopfbereich des
Mannes 55c derart angeordnet werden, dass das erste und
zweite und dritte System 59, 4, 75 jeweils voneinander über einen
Abstand von etwa 1 m entfernt liegen. Die korrigierte dritte Geschwindigkeit und
Position 77, 79 werden von der GPS-Position und
Geschwindigkeit 47, 49 abgezogen, wenn diese verfügbar an
der Station 87 sind, und die Differenzen 89, 89a sind
Eingänge
der Fehler-Berechnungsmittel 15, um die Erzeugung von Korrekturen
für das
dritte System 75 zu unterstützen. Das GPS 45 kann,
falls verfügbar,
ebenfalls benutzt werden, um das dritte System 75 zu initialisieren.
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Die
korrigierte zweite Position 9 und die korrigierte dritte
Position 79 können
bei 91 voneinander abgezogen werden, um das Wachstum der
Positionsdifferenz zwischen diesen beiden Systemen über dem
Eingang 93 der Fehler-Berechnungsmittel 15 zu beobachten.
Wie oben beschrieben, liegt die genaue Positionsdifferenz bekanntlich
immer in der Größenordnung
von 1 m, und infolgedessen ist jede Divergenz über diesem Grenzwert eine Folge
des Wachstums von Positionsfehlern im zweiten und dritten System 4, 75.
Dies wird beobachtet und durch die Fehler-Berechnungsmittel 15 benutzt,
um die Erzeugung von Korrekturen in den Systemen 4 und 75 zu
unterstützen.
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Das
dritte System 75 kann außerdem Eingänge von Lage (Querneigung,
Längsneigung)
(nicht dargestellt) des dritten Systems den Fehler-Berechnungsmitteln 15 zusätzlich zu
den Eingängen
von dritter Geschwindigkeit, Position und Kurs 77, 79, 81 liefern.
Wenn das GPS 45 mit den Ausgängen 77, 79 des
dritten Systems 75 kombiniert ist, ist es das dritte System,
das die Hilfsinformation dem GPS liefert. Dies kann im Gegensatz
zu dem Ausführungsbeispiel
nach 2 stehen, wo das GPS 45 mit dem zweiten
System 4 zusammenwirkt. Die Abwägung der Positionsinformation
zwischen erstem und zweitem System über jeweilig korrigierte Positionsausgänge 65 und 9 und
zweitem und drittem System über
jeweils korrigierte Positionsausgänge 9 und 79 ermöglichen
es dem Gesamtsystem, sein Verhalten auf die fakultativen Hilfsquellen
von zweitem System 4 und drittem System 75 (GPS 45 und
Kursgerät 37) und
die Kontaktmittel 11 des ersten Systems 59 (Null-Geschwindigkeitsperiode 17)
zu gründen.
Dies gewährleistet,
dass das Gerät
gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
eine bessere Durchführung
gewährleistet,
und zwar mit Trägheits-Messinstrumenten
geringerer Güte
(Kreiselgeräte
und Beschleunigungsmesser).
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Dem
Gerät 1 können weitere
Komponenten hinzugefügt
werden, beispielsweise Sicht- oder Entfernungsmittel 95,
die schematisch in 6 dargestellt sind, um die Orientierung
der Sichtmittel 95 zu messen, da diese Sicht natürlich merklich
von jener des Körpers
abweichen kann, der in dem zweiten System 4 montiert ist.
Dies schafft die Möglichkeit, Sichtdaten
mit der Orientierung und Position der Sichtmittel 95 zu
markieren, um eine Intelligenz für andere
Personen und Systeme zu liefern. Außerdem können bekannte Objekte, beispielsweise
Landmarken, beobachtet und mit den Sichtmitteln 95 entfernungsmäßig bestimmt
werden, und diese Daten können
benutzt werden, um die Position für das zweite System 4 zu
aktualisieren. Die Sichtmittel 95 können ein weiteres System 95a zur
Bestimmung einer weiteren Position, einer weiteren Geschwindigkeit
und eines weiteren Kurses aufweisen, und die Sichtvorrichtung 95b,
beispielsweise ein Laser-Sicht- und Entfernungsmesser und die weitere
Systemposition kann mit der korrigierten zweiten Position 9 in ähnlicher
Weise kombiniert werden, wie dies in 4 für die korrigierte
dritte Position 79 beschrieben wurde. Andere Ausgänge des
weiteren Systems 95a, wie weitere Geschwindigkeit, Kurs
und fakultativ Querneigung und Längsneigung,
können
ebenfalls den Fehler-Berechnungsmitteln 15 eingegeben werden.
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Die
schematische funktionale Aufspaltung gemäß 6 zeigt
außerdem
ein Batteriepack oder eine weitere Quelle elektrischer Energie,
beispielsweise eine Brennstoffzelle 97, die am Besten im
unteren Rückenbereich
des Körpers
angeordnet ist, da wegen der relativ niedrigen Dynamik in der Mitte
des Körpers
die hier getragene Masse eine minimale Trägheitsbelastung für den Benutzer
ausübt.
Es kann auch fakultativ ein Handkurbellader 99 vorgesehen werden,
um die Batterie 97 aufzuladen und um das Gerät weiter
benutzen zu können
und um die Gefahr eines Leistungsverlustes infolge unkorrekter oder verborgener
Präparierung
des Gerätes
vor der Benutzung auszuschalten. Jedes der ersten und dritten Systeme 59, 75 ist
mit dem zweiten System 4 über ein Leistungs/Datenkabel 100 verbunden,
wodurch eine Zweiwegeverbindung und eine Leistungsverteilung geschaffen
wird. Wenn ein Druckschalter die Kontaktmittel 11 bildet,
um die Null-Geschwindigkeitsperiode 17 zu
lokalisieren, ist er direkt mit irgendeinem System verbunden, und
es wird ein korrigierter Geschwindigkeits-Ausgang geliefert, aus
dem die Null-Geschwindigkeitsperiode 17 abgezogen wird.
Der Druckschalter wird auch durch das jeweilige System erregt. Die
Steuereinheit und die Displayeinheit 32 ist eine Möglichkeit,
dem Benutzer ein Interface zu liefern, in dem Daten dargestellt
werden, die von dem Gerät 1 erzeugt
werden, wie dies unter Bezugnahme auf das erste Ausführungsbeispiel
oben beschrieben wurde, und es werden Kommandos und Dateneingänge vom
Benutzer akzeptiert.
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Das
dritte System 75 kann direkt mit dem zweiten System 4 verbunden
werden, und es kann auch über
ein Interface mit anderen am Kopfgelenk montierten Displays 101 verbunden
sein, beispielsweise mit einem Helmdisplay, um eine Alternative
zu einer am Körper
montierten Steuer- und Displayeinheit 32 zu bilden. Es
kann außerdem
eine Orientierungsinformation des Kopfgelenkes jedem am Kopf montierten Überwachungssystem
geliefert werden, indem Informationen an andere Personen oder Systeme
geliefert werden. Außerdem
kann eine ankommende Information, beispielsweise die Position eines gewünschten
Ortes, auf einem Kopfgelenk-Sichtgerät wiedergegeben werden, und
zwar unter Benutzung der Orientierungsdaten des dritten Systems 75, um
die Richtung der gewünschten
Stelle gegenüber der
Kopfgelenkdarstellung zu liefern. Interfaces, um Hilfsquellen, beispielsweise
GPS 45 und Kopfgelenkeinrichtungen 37, zu benutzen,
können
vorgesehen werden, beispielsweise ein 1553 oder RS422-Interface-Bus.
Obgleich die Daten von diesen Quellen nicht jederzeit verfügbar sind,
unterstützen
diese die Aufrechterhaltung einer genauen Gesamt-Navigationslösung.