DE69006709T2

DE69006709T2 - System zum Bestimmen der Position an Bord eines Luftfahrzeugs und seine Anwendungen.

Info

Publication number: DE69006709T2
Application number: DE69006709T
Authority: DE
Inventors: Alain Appriou; Joseph Bensimon; Jean Dezert
Original assignee: Airbus Group SAS
Current assignee: Airbus Group SAS
Priority date: 1990-01-12
Filing date: 1990-12-27
Publication date: 1994-08-25
Anticipated expiration: 2010-12-28
Also published as: EP0438947B1; CA2033872C; FR2657160B1; FR2657160A1; DK0438947T3; CH684127A5; CA2033872A1; EP0438947A1; US5208757A; ES2050409T3; DE69006709D1

Description

Diese Erfindung betrifft ein mitgeführtes System zur Bestimmung der Position eines Luftfahrzeugs welches ebenso für die automatische Steuerung des besagten Luftfahrzeugs (insbesondere, aber nicht ausschließlich im Falle eines Luftfahrzeugs ohne Piloten) als auch als Hilfsmittel für den Piloten eines bemannten Luftfahrzeuges bestimmt ist.
Man weiß, daß die Trägheitsnavigationssysteme, welche eine Trägheitszentrale benutzen, Aktionsbereichsvorteile, was Umwelt und Diskretion betrifft, aufweisen, was besonders von großem Vorteil ist bei Militärflugkörpern, die in feindliches Gebiet eindringen sollen. Bei diesen Trägheitsnavigationssystemen bestimmt man die augenblickliche Position des Flugfahrzeugs durch Aktualisierung eines vorhergehenden Position mittels Integration von Beschleunigungs- und Kreiselgradmessungen. Dadurch unterliegen sie Abtriften, die man kompensieren muß, damit die augenblickliche Position des Luftfahrzeugs mit genügender Genauigkeit erkannt werden kann.
Deshalb dient man sich bei diesen Trägheitssystemen periodischer Standortmessungen mittels entsprechender Sensoren, was gestattet die von der Integration der besagten Beschleunigungs- und Kreiselgradmessungen herrührenden Ergebnisse zu korrigieren.
Insbesondere, wenn man wünscht, daß der Flug des Luftfahrzeugs autonom und diskret verläuft, ist es vorteilhaft, daß diese periodischen Wiederpositionierungsmessungen aus der Korrelation zwischen dem augenblicklichen Bild des überflogenen Gebietes, das durch einen mitgeführten Sensor geliefert wird und einem Bezugsbild des Gebietes, das überflogen werden soll, resultiert, wobei dieses Bezugsbild vor dem Flug hergestellt und in einem an Bord des besagten Luftfahrzeugs vorgesehenen Speicher gespeichert wurde. Zur Herstellung des augenblicklichen und/oder des Bezugsbildes des Gebietes, kann man nach bekannter Weise viele Sensortypen benutzen, wie Höhenmesser (das Bild besteht dann aus dem Relief des Gebietes), Millimeterradiometer, Millimeterradiometer, infrarote oder optische Abbildungssysteme oder auch Laser.
Deshalb erstellt man bei diesen bekannten Systemen eine Korrelationsfunktion zwischen einem über einen breiten Bereich des Gebietes aufgenommenen Bild (das augenblickliche Bild) und einem anderen vorher in Erfahrung gebrachten und im Bordspeicher verfügbarem Bild (Bezugsbild), was das Erkennen des gesamten zu überfliegenden Gebietes voraussetzt für die vom Sensor benutzte Größe.
Das Ergebnis der Korrelation zwischen dem besagten augenblicklichen Bild und dem besagten Bezugsbild stellt dann ein Positionsirrtumssignal dar, welches, als einzige Neuheit, an einen KALMAN-Filter angesetzt werden kann, der die Integration der Trägheitsmessungen vornimmt. So wird der besagte Filter periodisch positioniert, um die genaue augenblickliche Position, von welcher die Abtrifte beseitigt sind, auszugeben (siehe GB-A-2060306).
Die bekannten Trägheitsnavigationssysteme dieser Art weisen jedoch Nachteile auf.
Zunächst, bedingt durch ihre Struktur mit KALMAN-Filter, können sie das augenblickliche Bild nur von einem einzigen Sensor benutzen; sie können somit nicht wirklich mehrere augenblickliche Bilder, die gleichseitig von mehreren verschiedenen Sensoren ausgehen, berücksichtigen, was jedoch gestatten würde, die Genauigkeit der augenblicklichen Position zu steigern durch eine sinnvolle Benutzung der Komplementarität verschiedener Sensoren. Außerdem erfordern sie, daß das Bezugsbild alle Informationen, die denen, welche der besagte Sensor für das augenblickliche Bild geben kann, gleich sind, enthält, das heißt, man muß die Gesamtheit des zu überfliegenden Gebiets für die durch den Sensor gemessene Größe und für alle Beobachtungsbedingungen erkannt haben. Eine solche Erkennung ist schwierig, wenn nicht sogar unmöglich sie sich auf zuverlässige Art zu verschaffen; auf jeden Fall ist es delikat und langwierig, eine solche Erkennung vorzubereiten. Außerdem benötigt man bei solchen bekannten Systemen, Berechnungsmittel und Speicher mit großer Leistung an Bord des Luftfahrzeugs. Andererseits ist die Benutzungsflexibilität dieser bekannten Systeme was die Planung oder die Änderung eines Fluges betrifft, da dieser von der Kenntnis und vom Speichern der Bilder von zu überfliegenden Gebiet abhängig ist.
Gegenstand dieser Erfindung ist, diese Nachteile zu beseitigen.
Zu diesem Zweck ist das mitgeführte erfindungsgemäße System zur Bestimmung der Position eines Flugfahrzeugs, der Art mit sensitiven Mitteln, welche das überflogene Gebiet ausforschen, mit KALMAN-Filter bestückten Mitteln, mit Speichermitteln, welche die Karte des zu überfliegenden Gebietes enthalten, mit Vergleichsmitteln zwischen den von den besagten sensitiven Mitteln ausgegebenen Informationen und den besagten Speichermitteln, sowie mit Berechnungsmitteln, welche eine einmalige Neuheit für die besagten Mitteln mit KALMAN-Filter liefern, dadurch bemerkenswert, daß:
- die besagten Speichermittel einen ersten Speicher, der die allgemeinen Merkmale von verschiedenen Bakentypen enthält, und einen zweiten Speicher, der die geographische Lage von solchen Baken auf dem zu überfliegenden Gebiet enthält, aufweisen;
- das besagte System außerdem folgendes enthält:
. eine Vorrichtung, um aus den von den besagten allgemeinen Merkmale der besagten verschiedenen diskreten Bakentypen, die sich während des Überfluges auf dem Gebiet befinden, zu entnehmen; und
. eine Vorrichtung, um aus den von den besagten sensitiven Mitteln ausgegebenen Signalen, die entsprechenden Positionen des besagten Luftfahrzeugs in Bezug auf die besagten erkannten Baken, zu berechnen, die sie dann den Mitteln mit KALMAN-Filter adressiert;
- und die besagten Vergleichsmittel eine erste Vergleichsvorrichtung zum Vergleichen der von der besagten Entnahmevorrichtung ausgehenden Informationen mit denen in dem besagten ersten Speicher enthaltenen, sowie eine zweite Vergleichsvorrichtung zum Vergleich der von der ersten Vergleichsvorrichtung ausgehenden Informationen mit denen in dem besagten zweiten Speicher enthaltenen.
So gestattet das dieser Erfindung gemäße System die Position des besagten Luftfahrzeugs nur von diskreten Baken aus zu bestimmen, und nicht, wie mit der vorhergehenden Technik, von der Gesamtheit der Elemente einer Karte aus. Es ergeben sich daraus Ersparnisse an Berechnungs- und Speicherkapazitäten. Außerdem sind Bezugskarten leichter und einfacher herzustellen.
Gemäß einem anderen Aspekt dieser Erfindung werden die besagten diskreten Baken eine nach der anderen verarbeitet und nicht in ihrer Gesamtheit. Zu diesem Zweck ist es von Vorteil, wenn die besagten Berechnungsmittel für die vom ersten Vergleichssystem ausgehenden Informationen die Wahrscheinlichkeit berechnen, daß jede von den sensiblen Mitteln erkannte Bake zu jedem von den besagten Bakentypen gehört, welche der besagte zweite Speicher für jede beschriebene Bake durch ihre geographische Lage die Wahrscheinlichkeit enthält, daß die besagte Bake zu jedem der besagten Bakentypen gehört und daß die zweite Vergleichsvorrichtung für jede in dem besagten zweiten Speicher enthaltene Bake die Wahrscheinlichkeiten, daß sie zu jedem der besagten Bakentypen gehört, mit den gleichen Wahrscheinlichkeiten, die von der besagten ersten Vergleichsvorrichtung für eine von den sensiblen Mittel erkannte Bake vergleicht.
Vorzugsweise enthalten die sensiblen Mittel eine Vielzahl verschiedener Sensoren.
So kann man aus den Vorteilen der Komplementarität der besagten Sensoren Nutzen ziehen.
Vorteilhafterweise nimmt die zweite Vergleichsvorrichtung die Schlußfolgerung der besagten Wahrscheinlichkeiten nach den von der Augenscheinlichkeitstheorie von Dempster und Shafer aus erstellten Regeln vor, während die Bestimmung der einmaligen Neuheit durch die besagten Berechnungsmittel mit der PDAF-Technik von Bar Shalom verarbeitet wird.
In einer bevorzugten Ausführungsart enthält das erfindungsgemäße System:
- ein erstes Rechenwerk, das mit der besagten Berechnungsvorrichtung der entsprechenden Positionen des Luftfahrzeugs in Bezug auf die erkannten Baken und auf den eigentlichen KALMAN-Filter verbunden ist und den absoluten Standort einer beobachteten Baken schätzt, sowie die Kovarianzmatrix der Neuheit auf dem Standort der beobachteten Bake;
- ein zweites Rechenwerk, das mit dem besagten zweiten Speicher und dem besagten ersten Rechenwerk verbunden ist und eine statistische Ausrichtung der Baken des besagten zweiten Speichers vornimmt;
- ein drittes Rechenwerk, das mit dem besagten zweiten Rechenwerk verbunden ist und die Wahrscheinlichkeit bestimmt, ob die entdeckte Bake den Baken des besagten zweiten Speichers nach der PDAF-Technik zugeordnet werden kann;
- ein viertes Rechenwerk, das mit der ersten Vergleichsvorrichtung verbunden ist und die Schlußfolgerungsregeln der Wahrscheinlichkeitstheorie anwendet, um die Synthese der über die Identität der beobachteten Baken verfügbaren Informationen vorzunehmen;
- ein fünftes Rechenwerk, das mit dem zweiten und vierten Rechenwerk verbunden ist und die Massen, die den verschiedenen möglichen Verbindungshypothesen der beobachteten Bake mit den Baken des zweiten Speichers, die vom zweiten Rechenwerk ausgewählt wurden, zuzuteilen sind, erstellt;
- ein sechstes Rechenwerk, das mit dem besagten dritten und fünften Rechenwerk verbunden ist und die Fusion der Wahrscheinlichkeitsmassen, die den Verbindungshypothesen der beobachteten Bake mit den verschiedenen Baken des zweiten Speichers durch das besagte dritte Rechenwerk zugeordnet wurden mit den Massen, die vom besagten fünften Rechenwerk allen möglichen Hypothesenkomplexen zugeordnet wurden, durchgeführt;
- ein siebtes Rechenwerk, das mit dem sechsten Rechenwerk verbunden ist, und die Neuheit des KALMAN-Filters nach der PDAF-Technik auswertet; und
- ein achtes Rechenwerk, das mit dem besagten siebten Rechenwerk verbunden ist, und dem KALMAN-Filter die Ausbeute und ihn auf den neuesten Stand bringt.
Das erfindungsgemäße System kann in einem Navigationshilfssystem oder in einem automatischen Steuersystem benutzt werden. Im ersten Fall, sieht man eine Anzeigenvorrichtung vor auf welcher die Ausgangssignale des KALMAN-Filters angezeigt werden; im zweiten Fall werden Vorrichtungen angebracht zur Verarbeitung der Ausgangssignale des KALMAN- Filters, um auf die Richtungssteuerorgane des besagten Flugfahrzeugs zu wirken.
Die Figuren der beiliegenden Zeichnung machen ersichtlich, wie die Erfindung ausgeführt werden kann. In diesen Figuren bezeichnen gleiche Bezugspunkte identische Elemente.
Die Figur 1 ist ein Blockschaltbild des allgemeinen erfindungsgemäßen Systems.
Die Figur 2 ist ein Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsart des Systems der Figur 1.
Die Figur 3 veranschaulicht die Anwendung des erfindungsgemäßen Systems bei der automatischen Steuerung eines Flugkörpers.
Das schematisch auf der Figur 1 gezeigte erfindungsgemäße System, ist zur Montage an Bord ein Luftfahrzeugs (nicht abgebildet) vorgesehen. Es enthält einen Satz von Sensoren 1, Berechnungsmittel 2, welche die Signale des besagten Satzes von Sensoren 1 erhalten und die Aufgabe haben, die Position des besagten Luftfahrzeugs in Bezug auf vom besagten Sensorensatz 1 aufgespürten Baken auszugeben, Mittel 3 zum entnehmen der Merkmale der besagten aufgespürten Baken, einen ersten Speicher 4, welcher die allgemeinen Merkmale von besonderen Baken enthält, eine Vergleichevorrichtung 5, welche die Ausgangssignale der Entnahmemittel 3 und des besagten ersten Speichers 4 erhält, einen zweiten Speicher 6, welcher die Standorte der besagten besonderen Baken, die beim Überflug des Gebietes durch das besagte Luftfahrzeug angetroffen werden können, enthält, Berechnungsmittel 7 und einen Satz KALMAN-Filter 8.
Im Gegensatz zu den bekannten oben beschriebenen Systemen mit Bildkorrelation, verarbeitet das erfindungsgemäße System nicht in einem gewissen Augenblick das Bild einer ganzen Gebietszone, sondern ein kleines lokales Bild, was gestattet, besondere Baken zu erkennen. Die Anwendung des Systems setzt die vorhergehende Auswahl von einigen brauchbaren Bakentypen Ii (mit i = 1,2,...,n) (zum Beispiel: Straßenknotenpunkte, Brücken, Gebäude ...), die Festlegung von Merkmalen des Bildes, um jeden Typ unabhängig der Beobachtungsbedingungen (Anhäufung durch Hough-Transformation, Momente des segmentierten objektes, besondere Punkte der zweidimensionalen Fast Fournier Transformation...) zu unterscheiden, und die statistische Kennzeichnung der Messung dieser Merkmale für die Gesamtheit der Baken eines gleichen Typs (Verteilungsmodell und mögliche Fehler dieser Modelle in Bezug auf die beobachteten Messung), voraus.
So bestimmt man, in der Vorrichtung der Figur 1, von den durch den Sensorensatz 1 beobachteten Bildern aus mit den Mitteln 3 die Merkmale, welche den für die verschiedene vorgewählten Bakentypen festgelegten Merkmale entsprechen. Die Merkmale, die man am Ausgang der Mittel 3 erhält, werden dann in der Vorrichtung 5 für jeden vorgewählten Typ Ii mit den im ersten Speicher 4 verfügbaren ähnlichen Merkmalen verglichen. Die Merkmale der statistischen Verteilung dieser Merkmalmessungen gestatten dann den Berechnungsmitteln 7 die Wahrscheinlichkeit, die besteht, zu bewerten, daß man sich gegenüber einer Bake jedes der registrierten Typen Ii befindet. Die Kenntnis der möglichen Fehler eines statistischen Modells kann außerdem gestatten, diese Wahrscheinlichkeit auf ungewisse Art festzulegen, zum Beispiel durch ein Intervall möglicher Wahrscheinlichkeiten Δ (Ii).
Im zweiten Speicher 6 verfügt man außerdem über eine Karte der für die vorgesehene Flugzone registrierten Baken, die dem einen oder dem anderen Typ Ii angehören. Diese Karte ist eigentlich eine einfache Liste der betroffenen Baken, in welcher jede dieser Baken beschrieben ist durch ihre geographische Lage und der Wahrscheinlichkeit, eventuell ungewiß Δ (Ii), die besteht, daß sie zu einem der registrierenden Typen Ii gehört. Meist ist der Typ jeder Bake gut bekannt: diesem Typ ist dann eine Wahrscheinlichkeit 1 (Δ = [1,1]) zugeordnet, den anderen eine Wahrscheinlichkeit 0 (Δ = [0,0]). Das System ist hier in der Tat so dargestellt, daß es den Spielraum zuläßt, daß an Hand der verfügbaren Information, die man über sie hat, ungewisse Baken benutzt werden, zum Beispiel wegen der Veralterung der Information, eines unangebrachten Analysemittels oder einer schlechten Qualität, usw... .
Für jede im besagten zweiten Speicher 6 registrierten Bake, die sich also in dem Ungewißheitsbereich der Navigation befindet, vergleicht man in den Berechnungsmitteln 7 ihre Wahrscheinlichkeit zu einem der registrierten Typen Ii zu gehören, mit den ähnlichen Wahrscheinlichkeiten, die von der Vorrichtung 5 für die mittels der oben beschriebenen Verarbeitung beobachteten Baken für die verschiedenen den Satz 1 bildenden Sensoren ausgegeben werden. Die Schlußfolgerung dieser ungewissen Wahrscheinlichkeiten wird vorzugsweise in den Berechnungsmitteln 7 mittels der von den aus der Augenscheinlichkeitstheorie von Dempster und Shafer abgeleitenden Regeln, wie in den folgenden Dokumenten beschrieben, gezogen.
(1) Dempster, Arthur p. 1967 "Upper and lower probabilities induced by a multivalued mapping", Annals of Mathematical Statistics, 38, pp. 325 - 339.
(2) Dempster, Arthur P. 1968 "A generalization of Bayesian inference", Journal of the Royal Statistical Society, Seriee B, 30.
(3) Shafer, Glenn 1976 A mathematical theory of evidence, Princeton University Press, Princeton, New Jersey.
Außerdem berücksichtigt die Schlußfolgerung dieser ungewissen Wahrscheinlichkeiten die "sichere" Wahrscheinlichkeit, die jede der registrierten Baken in dem zweiten Speicher 6 hat, die aufgespürte Bake zu sein, unter Berücksichtigung ihres Standortes und der statistischen Merkmale der durch den Prädiktionsfilter der Vorrichtung 8 ausgegebenen Standortschätzung. Das Ergebnis dieses Verfahrens schafft eine globale "sichere" Wahrscheinlichkeit, die jede der sich in dem Ungewißheitsgebiet der Navigation befindlichen Baken enthält, die aufgespürte Bake zu sein.
Die von den Berechnungsmitteln 7 dem Standardsatz 8 von KALMAN-Filtern übergebene einzige Neuheit IU ergibt sich dann aus der Mittelwertbildung der Positionsfehler, die man erhalten würde, wenn man nacheinander die aufgespürte Bake mit den in der Karte des zweiten Speichers 6 in Betracht gezogenen verschiedenen Baken assozziiert, wobei jeder dieser Fehler durch die mit der entsprechenden Bake verbundenen Wahrscheinlichkeit gewichtet wird. Dieses Verfahren, sowie die Auswertung vom Prädiktionsfilter aus der Wahrscheinlichkeit, jede Bake mit einer aufgespürten Bake zu assozziieren, wie oben dargestellt, werden vorteilhafterweise durch die PDAF-Technik (Probabilistic Data Association Filter) von Bar Shalon, die mit den verfügbaren Informationen und den gestellten Problemen kompatibel ist, durchgeführt. Diese Technik wird im folgenden Werk beschrieben:
(4) Y. Bar Shalom, T. Fortmann Tracking and Data Association. Academic Press 1988.
Es ist zu bemerken, daß die PDAF-Technik normalerweise zur Zielverfolgung benutzt wird, wenn die Aufspürung unter Bedingungen mit einer großen Rate von Falschalarm durchgeführt wird; sie gestattet dann die entsprechende Regulierung von Falschreflexionen und Aufspürungsmängel. In vorliegender Anwendung können die Zweideutigkeiten, was die Identität und die Lokalisierung der Baken angeht, solchen Falschreflexionen in der Standortmessung der aufgespürten Bake assimiliert werden, das heißt der Position des Luftfahrzeugs, wenn man die entsprechende Messung der Position zwischen dem Luftfahrzeug und der von den Berechnungsmitteln 2 an den Satz 8 gelieferte aufgespürten Bake berücksichtigt. Eventuell können zusätzliche Positioneinformationen (in 9) an den besagten Satz 8 durch eine Trägheitszentrale (nicht dargestellt) geliefert werden.
Zu bemerken ist außerdem, daß die Erkennung der Baken die Hypothese in Betracht ziehen muß, daß die aufgespürte Bake eines unbekannten Typs ist.
Die durch den KALMAN-Filter des Satzes 8 erstellten Informationen betreffs der Navigationskondition (insbesondere Position und Geschwindigkeit des Luftfahrzeugs) sind dann am Ausgang des besagten Satzes für ein Steuermodul des Luftfahrzeuges oder für ein Anzeigegerät, je nach dem Verwendungszweck, verfügbar.
Das bisher gesagte macht deutlich, daß es möglich ist, eine Vielzahl von Sensoren zu benutzen, was global durch das Viereck 1 dargestellt ist. Diese Sensoren können der oben erwähnten bekannten Art sein und ihre Auswahl, ihre Anzahl und ihre Leistungen sind gleichgültig. Praktisch werden sie auf der Basis ihrer guten Komplementarität und ihrer Konvivialität im Rahmen der vorgesehenen Anwendung gewählt.
Auf der Figur 2 hat man in Form eines Übersichtsschemas eine praktische Ausführungsart des erfindungsgemäßen Systems dargestellt. Auf dieser Figur 2 findet man die Elemente 1 bis 9 des Systems der Figur 1 wieder; außerdem kann man daraus ersehen, daß die Berechnungsmittel 7 aus mehreren Rechenwerken 10, 11, 12, 17 und 18 bestehen, während der Satz 8 mehrere Rechenwerke 13, 14 und 15 sowie den eigentlichen KALMAN-Filter 16 enthält. Diese verschiedenen Elemente 1 bis 18 sind funktionsmäßig folgendermaßen verbunden:
Die Berechnungsmittel 2 bearbeiten einen Vektor z der entsprechenden Standortmessung der von den Sensoren 1 in Bezug auf das Luftfahrzeug aufgespürten Bake. Die aus den verschiedenen Sensoren 1 entnommenen Standortmessungen versorgen die verschiedenen aufeinanderfolgende Komponenten dieses Vektors. Diese Berechnungsmittel 2 bearbeiten ebenfalls die Kovarianzmatrix R des Meßgeräuschs des Vektors z (praktisch R = f (Z), wobei f sensorspezifisch ist).
Das Rechenwerk 13, das mit den Berechnungsmitteln 2 und mit dem KALMAN-Filter 16 verbunden ist, erlaubt den absoluten Standort ( ) der beobachteten Bake von der geschätzten Position des Luftfahrzeugs, die von dem besagten Filter 16 ausgegeben wird, aus zu schätzen
(1) = + z
sowie die Kovarianzmatrix S der Neuheit auf dem Standort der beobachteten Bake, von der vorausgesagten Kovarianzmatix P aus auf den Schätzungsfehler des Zustands (Filter 16), wobei man die Beobachtungsmatrix H des Systems kennt:
(2) S = H HT + R
Das Rechenwerk 10, das mit dem Speicher 6 und dem Rechenwerk 13 verbunden ist, betreibt ein statistisches Ausfenstern der in Ak auf der Navigationskarte (Speicher 6) in Bezug genommenen Baken, das heißt eine erste Auswahl der a priori möglichsten Baken wegen ihrer Nähe von der in geschätzten beobachteten Bake; sie werden auf der Basis folgender Bedingung ausgewählt:
(3) (Ak - )T S&supmin;¹ (Ak - ) ≤ γ
worin die Konstante γ gestattet, die festgehaltene Wahrscheinlichkeit für die Assoziierung von Ak und von abzugleichen.
Das Rechenwerk 11, das mit dem Rechenwerk 10 verbunden ist, gewährleistet die Bestimmung der Wahrscheinlichkeiten βk die aufgespürte Bake mit den in Ak in Bezug genommene Baken zu assozziieren und die Wahrscheinlichkeit βo, das die aufgespürte Bake keiner der festgehaltenen Baken entspricht; diese Bestimmung wird gemäß der klassischen PDAF-Technik, auf der Grundlage von Voraussagen des Filters 16 und Standortmessungen der aufgespürten Bake, nach Bearbeitung durch die Rechenwerke 13 und 10, durchgeführt. worin
mit K: Anzahl der von (3) festgehaltenen Baken,
V: Menge der Gesamtheit der (3) zufriedenstellende Punkte Ak,
PD: Aufspürungswahrscheinlichkeit einer Bake,
PG: Wahrscheinlichkeit, daß sich die aufgespürte Bake in V befindet.
Das Rechenwerk 12, das mit den Rechenwerken 11 und 18 verbunden ist, bewirkt die Fusion der Wahrscheinlichkeitsmassen mL (θk) = βk der Assoziierung durch das Rechenwerk 11, der aufgespürten Bake mit den verschiedenen Baken Ak, mit den Massen mRC (Uθk), welche durch das Rechenwerk 18 allen möglichen Hypothesenkomplexen θk auf der Basis der Identifizierung der Bake zugeordnet werden. Diese Fusion wird bewirkt nach den klassischen Schlußfolgerungsregeln von Dempster, um den alleinigen Hypothesen θk, mit Ausnahme jedes Komplexes dieser Hypothesen (Eigenschaft, die an das ähnliche Merkmal der Massen mL gebunden ist) Massen mLRC (θk) zu liefern.
worin: (9)
wobei θ jede mögliche Kombination der Hypothesen θk bezeichnet.
Das Rechenwerk 14, das mit dem Rechenwerk 12 verbunden ist, gestattet die Neuheit des Filters nach der klassischen PDAF-Technik, die Wahrscheinlichkeiten βk, die aufgespürte Bake den in Ak in Bezug genommenen Baken, nach Berücksichtigung der Erkennungsinformationen (Rechenwerk 12), die von den Massen mLRC (θk) gegeben werden, zu assozziieren, auszuwerten:
Das Rechenwerk 15, das mit dem Rechenwerk 14 verbunden ist, liefert die Ausbeute G des Standard-KALMAN-Filters 16:
(11) G = HT S&supmin;¹
sowie das "auf den neuesten Stand bringen" des besagten Filters durch die vom Rechenwerk 14 im Augenblick der Messung ausgehenden Innovation: mit und
(15) pC = (I - GH)
wobei der von der Messung aus geschätzte Stand und vom durch den Filter 16 vorausgesagten Stand ist und die Kovarianzmatrix seines Fehlers.
Der Filter 16 gewährleistet die Voraussage des Standes , der Kovarianzmatrix über seinen Fehler und der Messung im Augenblick der nächsten Messung nach der klassischen Filtertechnik von KALMAN:
(16) x = Φ + u
(17) = ΦΦT + Q
(18) = H
worin Φ die Übergangsmatrix des Systems
Q die Zustandsgeräuschskovarianzmatrix, und
u die dem Flugkörper angelegte Steuerung ist.
Der Filter 16 liefert ebenfalls den Ausgang P des Systems, das heißt die Voraussage des Zustandes in den Augenblikken, eventuell dazwischenliegend, die für die Steuerung oder die Sichtanzeige je nach der vorgesehenen Anwendung günstig sind.
Die mit der Vergleichsvorrichtung 5 verbundenen Entnahmemittel 3 von Merkmalen führen für jeden Sensor und jedem Sensor eigenen lokalen Bearbeitungen durch, um das Erkennen der beobachteten Bake zu bewirken. Gemäß dem weiter oben Beschriebenen geben diese Bearbeitungen für jede Sonde eine Wahrscheinlichkeitsstufe aus, die diese Bake hat, um ein gegebener (oder unbekannter) Typ zu sein, und dies für alle von vornherein registrierten Typen. Die Begrenzungen für jede Stufe sind den Begriffen von Träger Sj (Ii) und von Glaubwürdigkeit Pj (Ii) der Augenscheinlichkeitstheorie, entsprechend jeder Identitätshypothese Ii und jedem der M Sensoren j, angepaßt.
Das mit der Vergleichsvorrichtung 17 verbundene Rechenwerk 5 setzt dann die Schlußfolgerungsregeln der Augenscheinlichkeitstheorie ein, um die Synthese der so über die Identität der beobachteten Bake verfügbaren Informationen durchzuführen; dazu kann sie in zwei Phasen vorgehen:
1/ Sie führt zuerst die Fusion der von den verschiedenen Sensoren 1 für eine gleiche Identitätshypothese Ii erhaltenen Informationen durch. Dies bringt sie dazu, N nebeneinanderliegenden Massensätze (einer für jede der möglichen N Identitäten Ii: i &epsi; [1, N] zu bearbeiten; jeder Massensatz besteht aus einer Masse mi (Ii), die der Identitätshypothese Ii zugeordnet ist, einer Masse von totaler Ungewißheit mi (E), die der Gesamtheit E der möglichen Identitäten zugeordnet ist, und aus einer Masse mi (Ii), die der Versagung der Identität Ii, das heißt der Gesamtheit der Hypothesen von E mit Ausnahme von Ii, zugeordnet ist. Diese Massen sind durch folgenden Vorgang gegeben: mit
2/ Sie führt dann die Fusion dieser N Massensätze mi nach einer eigenen Ausführung mit N Anzahl möglichen Identitäten durch und bildet im voraus gemäß der allgemeinen Formulierung der Schlußfolgeungsregeln von Dempster, um einen einzigen Massensatz mR zu erhalten:
mit
Zu bemerken ist, daß ein Hypothesenkomplex Ai folgendes bezeichnet:
- entweder (Ii),
- oder E = (Ii, I&sub2;, ..., IN),
- oder Ii = E - (Ii, = (Ii,...,Ii-1, Ii+1,..., IN)
und daß B irgend einen der 2N - 1 Unterkomplexe von E, das heißt alle möglichen Kombinationen UiIi, bezeichnen kann.
Dieses Rechenwerk 17 stellt also eine logische Verwaltungsfunktion von Konjunktionen und eine Massenrechnerfunktion dar.
Das mit den Rechenwerken 10 und 17 verbundene Rechenwerk 18 gestattet die Massen mRC (Uθk), die den verschiedenen Hypothesenkomplexen θk der Assozziierung der beobachteten Bake mit den durch die Fusionseinheit 10 ausgewählten Baken Ak zugeordnet werden, zu erstellen, damit sie von der Fusionseinheit 12 berücksichtigt werden können. Die Assozziierungshypothesen θk werden auf der Grundlage des vom Rechenwerk 17 ausgearbeiteten Massensatzes mR, der die Identität der beobachteten Bake beschreibt, ausgewertet, sowie auf der Grundlage der Massensätze mck, welche durch vorhergehende Verarbeitung der Daten in Speicher 6, die gleich ist der des Rechenwerkes 17, die Identität jeder der in Anwartschaft stehenden Baken Ak beschreiben. Die kombinatorische (logische) und kalkulatorische Ausführung des Rechenwerks 18 entspricht folgender allgemeinen Formulierung:
worin: - A und B irgendwelche Unterkomplexe von E bezeichnen, das heißt igendwelche Kombinationen von Identitätshypothesen Ii,
- Nk die Gesamtheit der Merkmale der durch die betriebene Berechnung betroffenen Baken.
Man sieht, daß das erfindungsgemäße System folgendes gestattet:
. die Berücksichtigung des alleinigen Erkennens besonderer Baken in der Landschaft und ihres Typs unter einigen in vornhinein registrierten Typen;
. die Verarbeitung der Mehrdeutigkeiten was Identität und Lokalisierung der Baken angeht, die von der rustikalen Einfachheit der in Betracht gezogenen Informationen herrühren können;
. die eingehende Berücksichtigung der mit den Methoden der Objektcharakterisierung durch eingesetzte Bilderherstellung eventuell verbundene Unsicherheit;
. die zweckentsprechende gleichzeitige Anwendung von optisch abbildenden Sensoren;
. die eventuelle Möglichkeit die Informationen der Trägheitszentrale nicht zu benötigen durch eine sinnvolle Auswahl der Baken und der Sensoren (Dichte der verschiedenen Bakentypen, um ein kontinuierliches Neueinstellen des Filters zu gestatten zusammen mit einem ständigen aufheben der Mehrdeutigkeiten).
Aus diesen Besonderheiten ergeben sich viele Vorteile gegenüber der bestehenden Systeme:
1/ Was die Vorbereitung der Mission des Luftfahrzeugs angeht:
. das Erkennen der an das Gelände gebundenen Daten ist leichter und einfacher; die Informationen sind leichter zu erhalten, da sie synthetischer sind und eine geringere Vorbehandlung benötigen;
. die Planung und die eventuelle Änderung der Mission sind flexibler in Anbetracht des nötigen Erkennens und der Beschaffenheit des Systems (der Speicher 6 kann auf einfache Weise gewechselt werden, und es ist das Einzige, was zu ändern ist).
2/ Was das Funktionieren während des Fluges angeht:
. die benötigte Speicherkapazität ist geringer,
. der Umfang der nötigen Berechnungen ist kleiner,
. die Unabhängigkeit des Systems gegenüber der benutzten Systeme ist größer.
3/ Was die Betriebsleistung angeht:
. die Stabilität des Systems in Bezug auf die Geländetypen und die Flugbedingungen ist größer,
. die Bedürfnisse an Quantität, Qualität und Anzahl von Informationen sind weniger anspruchsvoll,
. die geographischen Überdeckungsmöglichkeiten des Systems sind umfangreicher in Verbindung mit den oben erwähnten Möglichkeiten.
Wie weiter oben bereits gesagt, kann das erfindungsgemäße System an Bord eines nicht durch Piloten geführten Flugkörpers (Raketen, ferngelenkte Maschinen ...) oder an Bord eines Flugzeuges benutzt werden.
An Bord eines nicht durch Piloten gesteuerten Flugkörpers 20 kann das System wie auf Figur 3 eingebracht werden; die Sensoren 1 versorgen das im obigen Kapitel beschriebene System 2 bis 8, das einem Leitmodul 21 den Zustand des Flugkörpers (Lage, Geschwindigkeit ...), der an seinem Ausgang P verfügbar ist, liefert. Entsprechend dem Ziel der Mission erarbeitet das Leitmodul 21 die zu befolgende Flugbahn, die es einem Steuermodul 22 mitteilt, welches dann die den Steuerorganen 23 der Ruder 24 des Flugkörpers zuzuleitenden Befehle bearbeitet, um den Flugkörper auf die vom Leitmodul 21 festgelegten Nennflugbahn zu bringen.
Im Fall einer Einbringung an Bord eines Flugzeuges kann der beschriebene Ausgang des Systems 2 bis 8 auf eine Sichtanzeigeeinheit (nicht dageetellt) geleitet werden, zur Verfügung des Piloten oder des Navigators.

Claims

1 - Ein an Bord mitgeführtes System zur Bestimmung der Position eines Luftfahrzeuges, mit sensiblen Mitteln (1), die das überflogene Gebiet überprüfen, mit KALMAN-Filter bestückten Mitteln (8), Speichermitteln (4, 6), welche die Landkarte des zu überfliegenden Gebietes enthalten, Vergleichsmitteln (5, 7) zwischen den von den besagten sensiblen Mitteln (1) ausgegebenen Informationen und den Informationen der besagten Speichermittel, sowie Berechnungsmitteln (7), die eine einzige Innovation ausgeben für die besagten Mittel (8) mit KALMAN-Filter, dadurch gekennzeichnet, daß:

- die besagten Speichermittel einen ersten Speicher (4) aufweisen, welcher die allgemeinen Merkmale von verschiedenen diskreten Bakentypen enthält, und einen zweiten Speicher (6), welcher die geographische Lage solcher Baken auf dem zu überfliegenden Gebiet enthält; wobei

- das besagte System außerdem enthält:

. eine Vorrichtung (3), um aus den von den besagten sensiblen Mitteln (1) ausgegebenen Signalen die besagten allgemeinen Merkmale der verschiedenen diskreten Bakentypen, die sich während des Überfluges auf dem Gebiet befinden, zu entnehmen; und

. eine Vorrichtung (2), um aus den von besagten sensiblen Mitteln (1) ausgegebenen Signalen die entsprechenden Positionen des besagten Luftfahrzeugs in Bezug auf die besagten erkannten Baken zu berechnen, die sie dann den Mitteln (8) mit KALMAN-Filter adressiert,

- und die besagten Vergleichsmittel eine erste Vergleichsvorrichtung (5) aufweist, welche die von der besagten Entnahmevorrichtung (3) ausgehenden Informationen mit denen in dem besagten ersten Speicher (4) vergleicht, sowie eine zweite Vergleichsvorrichtung (7), welche die von der besagten ersten Vergleichsvorrichtung (5) ausgehenden Informationen mit denen in dem besagten zweiten Speicher (6) vergleicht.

2 - System nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die besagten Berechnungsmittel (7) für die aus der ersten Vergleichsvorrichtung (5) ausgehenden Informationen die Wahrscheinlichkeit errechnen, daß jede von den besagten sensiblen Mitteln (1) erkannte Bake zu jedem von den besagten Bakentypen gehört, daß der besagte zweite Speicher (6) für jede beschriebene Bake durch ihre geographische Lage die Wahrscheinlichkeit enthält, daß die besagte Bake zu jedem der besagten Bakentypen gehört, und daß die zweite Vergleichsvorrichtung (7) für jede in dem besagten zweiten Speicher (6) enthaltene Bake die Wahrscheinlichkeiten, daß sie zu jedem der besagten Bakentypen gehört, mit den gleichen Wahrscheinlichkeiten, die von der besagten ersten Vergleichsvorrichtung (5) für eine von den sensiblen Mitteln (1) erkannte Bake, vergleicht.

3 - System nach dem Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die besagten sensiblen Mittel (1) eine Vielzahl verschiedener Sensoren enthalten.

4 - System nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die besagte zweite Vergleichsvorrichtung (7) die Schlußfolgerung der besagten Wahrscheinlichkeiten nach den aus der Augenscheinlichkeitstheorie von Dempster und Shafer ausgehenden Regeln vornimmt.

5 - System nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung der einzigen Innovation durch die besagten Berechnungsmittel (7) mit der PDAF-Technik von Bar Shalom vorgenommen wird.

6 - System nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß es folgendes enthält:

- ein erstes Rechenwerk (13), das mit der besagten Berechnungsvorrichtung (2) der entsprechenden Positionen des Luftfahrzeugs in Bezug auf die erkannten Baken und zum eigentlichen KALMAN-Filter (16) verbunden ist, wobei es den absoluten Standort einer Bake schätzt, sowie die Kovarianzmatrix der Innovation auf den Standort der beobachteten Bake;

- ein zweites Rechenwerk (10), das mit dem besagten zweiten Speicher (6) und mit dem besagten ersten Rechenwerk (13) verbunden ist und eine statistische Ausrichtung der Baken des besagten zweiten Speichers vornimmt;

- ein drittes Rechenwerk (11), das mit dem besagten zweiten Rechenwerk (10) verbunden ist und die Wahrscheinlichkeit bestimmt, ob die entdeckte Bake den Baken des besagten zweiten Speichers nach der PDAF-Technik zugeordnet werden kann;

- ein viertes Rechenwerk (17), das mit der ersten Vergleichsvorrichtung (5) verbunden ist und die Schlußfolgerungsregeln der Wahrscheinlichkeitstheorie anwendet, um die Synthese der über die Identität der beobachteten Baken verfügbaren Informationen vorzunehmen;

- ein fünftes Rechenwerk (18), das mit dem zweiten und vierten Rechenwerk (10 und 17) verbunden ist, und die Massen, die den verschiedenen möglichen Zuordnungshypothesen der beobachteten Bake zu den Baken des zweiten Speichers (6), die vom zweiten Rechenwerk (10) ausgewählt wurden, zuzuteilen sind, erstellt;

- ein sechstes Rechenwerk (12), das mit dem besagten dritten und dem besagten fünften Rechenwerk (11 und 18) verbunden ist und die Fusion der Wahrscheinlichkeitsmassen, die den Zuordnungshypothesen der aufgespürten Bake zu den verschiedenen Baken des zweiten Speichers (6) durch das besagte dritte Rechenwerk (11) zugeordnet wurden, mit den Massen, die vom besagten fünften Rechenwerk (18) allen möglichen Hypothesenkomplexen zugeordnet werden, herstellt;

- ein siebtes Rechenwerk (14), das mit dem besagten sechsten Rechenwerk (12) verbunden ist und die Innovation des KALMAN- Filters nach der PDAF-Technik auswertet; und

- ein achtes Rechenwerk (15), das mit dem besagten siebten Rechenwerk (14) verbunden ist und dem KAMAN-Filter (16) die Ausbeute liefert und ihn auf den neuesten Stand bringt.

7 - Navigationshilfssystem für ein Luftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, daß es das unter irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6 spezifizierte System sowie eine Sichtanzeigevorrichtung, auf welchem die Ausgangssignale (P) des KALMAN-Filters (16) angezeigt werden, enthält.

8 - Automatisches Luftfahrzeugleitsystem (20), dadurch gekennzeichnet, daß es das unter irgend einem der Ansprüche 1 bis 6 spezifizierte System sowie Vorrichtungen (21, 22, 23), welche die Ausgangssignale (P) des KALMAN- Filters (16) auswerten, um auf die Organe (24) zur Richtungssteuerung des besagten Luftfahrzeugs (20) einzuwirken, enthält.