EP2686640A1 - Method and device for fusing partitioned correlated signals - Google Patents

Method and device for fusing partitioned correlated signals

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Publication number
EP2686640A1
EP2686640A1 EP12713901.2A EP12713901A EP2686640A1 EP 2686640 A1 EP2686640 A1 EP 2686640A1 EP 12713901 A EP12713901 A EP 12713901A EP 2686640 A1 EP2686640 A1 EP 2686640A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
source signals
navigation
target signal
covariance
partitions
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP12713901.2A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Marc-André BEYER
Arne Petersen
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Raytheon Anschuetz GmbH
Original Assignee
Raytheon Anschuetz GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Raytheon Anschuetz GmbH filed Critical Raytheon Anschuetz GmbH
Publication of EP2686640A1 publication Critical patent/EP2686640A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01CMEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C21/00Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00
    • G01C21/20Instruments for performing navigational calculations
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01CMEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C21/00Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00
    • G01C21/10Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration
    • G01C21/12Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning
    • G01C21/16Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning by integrating acceleration or speed, i.e. inertial navigation
    • G01C21/165Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning by integrating acceleration or speed, i.e. inertial navigation combined with non-inertial navigation instruments
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F18/00Pattern recognition
    • G06F18/20Analysing
    • G06F18/25Fusion techniques
    • G06F18/251Fusion techniques of input or preprocessed data

Definitions

  • the present invention relates to a method, a device, a computer program product and a navigation system for determining navigation information for a, preferably moving, object, in particular vehicle or aircraft, based on source signals of at least two sensors that provide information about a navigation state of the object.
  • the problem of data fusion of multiple source signals is a long-standing research area of signal processing.
  • simple mean values are determined from the sources and passed on as the target signal.
  • An extension to this is represented by the weighted fusion algorithms.
  • weights are specified for all components of the source signals, which are taken into account in the estimation of the target signal.
  • Such algorithms include, for example, the Weighted Least Squares Estimator (WLSE).
  • WLSE Weighted Least Squares Estimator
  • a commonly used data fusion method uses a Kalman filter (see also Greg Welch and Gary Bishop, “An Introduction to the Kalman Filter,” UNC-Chapel Hill, 2006)
  • the filter uses a process model which adapts the internal state of the Kalman filter to the dynamics of the sequence of states to be estimated.This step is called prediction, and then measurements (also called observations) are used. to minimize the error introduced by the process model, this step is called correction or update.
  • the actual step of data fusion - the internal, predicted state and the measurements are fused. It is therefore possible to interpret the predicted state and the measurements as source signals to be fused which contain information about the object system.
  • these source signals are provided with generalized, inverse weight matrices.
  • These covariance matrices determine a Gaussian distribution density (see also J. Chris McGIone, “Manual of Photogrammetry”, 5th edition, American Society for Photogrammetry and Remote Sensing, 2004), which describes the stochastic distribution of the errors in the Thanks to the covariances, the source signals can not only be weighted in a weighted manner, but also their internal stochastic correlations (correlations) of the source signals are considered.
  • the source signals In order to merge a set of source signals, given in the form of mean and covariance pairs ⁇ pwj, the source signals must be transformed into a common coordinate system. Such transformations are well known and are used by default in Kalman filters. For the following explanations, we assume that the source signals have been transformed into a common coordinate system and are in the form of fe P * « ⁇ .
  • the extended form of the Kalman filter see J. Wendel: "Integrated Navigation Systems", Oldenbourg Verlag, 2007), in which correlations ⁇ j ⁇ P * '* « ⁇ may exist between the different source signals, for the fusion of K signals ⁇ x tl x i x i ⁇ in a uniform coordinate space
  • the simplest method is to scale the obtained covariance matrix P z by a factor greater than one.
  • the incoming covariances are divided into blocks according to the division. Subsequently, scalings for the potentially correlated blocks P x c m of the source signals are determined and applied to them. The correlations between the blocks within the individual covariances are discarded. In this way, the correlations between the source signals can be further limited. However, since the correlations of the blocks within the covariances of the source signals are discarded, information about the structure of the covariances contained in them is lost.
  • the invention has for its object to provide a method and apparatus for determining a navigation information, which are characterized by high accuracies.
  • the invention provides a corresponding navigation system.
  • Some embodiments of the method and apparatus are adapted to receive source signals, here in the form of mean and covariance pairs, of which at least two may be partitioned into a potentially correlated part and an uncorrelated part, and to transmit the target signal, in the form a mean and covariance pair so as to enable a response of a physical system receiving the target signal.
  • Advantages of embodiments of the invention are that the knowledge about the partitioning can be introduced optimally into the estimation process, whereby the accuracy of the fusion result is increased while at the same time guaranteed consistency.
  • the invention has several alternative or additive embodiments, e.g. a method for data fusion, a device (device) for data fusion, as well as an implementation of the method in the device.
  • Fig. 1 shows a basic flow diagram of an inventive
  • FIG. 2 shows a schematic block diagram of a data fusion system according to the invention
  • Fig. 3 shows a practical embodiment of an inventive
  • Fig. 4 shows a practical embodiment of an inventive
  • FIG. 1 shows a basic flow chart of a data fusion according to the invention with several stages or steps.
  • the fusion used here is done by subdividing the source signals into their correlated and uncorrelated components.
  • the structure of the correlations or partitioning is known or recognizable by analysis or estimation.
  • Each source signal of a uniform coordinate space, present in the form of a mean and covariance pair ⁇ x P x ⁇ , is transformed into an unknown, potentially correlated partition and a known correlated partition according to FIG.
  • stage or step 04 take place in stage or step 02 for all source signals.
  • the composite mean vector and the encryption bundkovarianzmatrix (mean values and covariance matrices of the composite system) are given by p x i, cu x i, cu p x l, cu x i, c k p x i, cu x K, cu p x K, cu i , cu p x K, cu x i, ck p x K, cu x K, cu x K, cu
  • step or step 06 in which the associated optimum weights ⁇ , are determined.
  • the choice of weights is fundamentally not decisive for the consistency of the fusion result, but rather for its quality in the form of a measure for the fused covariance matrix.
  • the task of determining the weights corresponds to a nonlinear optimization problem of the form min / (P zz )
  • the quality function can be any measure of the covariance matrix, such as trace, determinant, Lp norm, etc.
  • the resulting weights ⁇ are passed on after the determination in step or step 06 at step or step 08. There, the outputs of the stages or steps 04 and 06 are used to separate the partitioning and corresponding scaling of the different covariance matrices in the partitions according to step 10.
  • the fused target signal (mean and covariance pair) is transferred to stage or step 14, where it is made available for further processing.
  • Fig. 2 shows a block diagram of the data fusion system according to the present invention. This includes a measuring system 16 for measuring properties of an object system 44.
  • a detector 18 detects signals of the object system 44 which contain information about the states of the object system 44.
  • a connection 20 connects the detector 18 to the measuring system 16 in order to realize a signal transmission from the detector 18 to the measuring system 16. It should be noted that the connection 20 and all of the following connections may represent wired, wireless or other connection types or a combination thereof.
  • a connection 22 connects the measuring system 16 to a signal processing unit 24 for transmitting the information about the object system 44 obtained via the measuring system 16.
  • the signal processing unit 24 includes a central processing unit or CPU (Central Processing Unit) 26 for processing signals supplied from the measurement system 16 via the connection 22.
  • the CPU 26 may be a computation unit such as a microprocessor, a multiprocessor, or an analog computer, but is not limited to these examples.
  • the signal processing unit 24 further includes a machine-readable memory 28 for storing signals received from the measuring system 16, for storing intermediate signals. and final results of the CPU 26 and for storing program instructions for the CPU 26.
  • the machine-readable memory 28 consists for example of a combination of optical and electronic storage media and may be, for example, a combination of writable (read-write) and write-protected (read-only) storage media ,
  • a connection 32 connects the signal processing unit 24 to an optional display unit 30 for transmitting signals for display on the display unit 30.
  • a connection 36 connects the signal processing unit 24 to an optional input unit 34 for transmitting signals to the signal processing unit 24 that are input by the user to the input unit 34.
  • the input unit may e.g. a combination of input units such as e.g. Mouse, keyboard, or any other device for manually entering information to the signal processing unit 24.
  • a link 40 connects the signal processing unit 24 to a response system 38 for communicating signals from the signal processing unit 24 to the response system 38.
  • the response system 38 is responsive to signals received from the signal processing unit 24 over the link 40 by performing a function depends on the state of the object system 44. This condition is determined by the signal processing unit 24.
  • the reaction of the reaction system 38 may be e.g. affect the state of the object system 44.
  • the measuring system 16 corresponds to a collection of vehicle-specific sensors, such as inertial navigation systems, GNSS receivers (Global Navigation Satellite System), Compasses, logs, rotation sensors, depth sensors, or other sensors that provide information about the condition of a vehicle.
  • the signal processing unit 24 receives this information in the form of mean value pairs and covance pairs and calculates therefrom a navigation state for the vehicle in FIG Form of a mean and covariance pair and a set of derived navigation information.
  • the results of the signal processing unit 24 are then transmitted to the reaction system 38.
  • the response system 38 may respond to this navigation information.
  • the reaction system 38 may e.g. a system for dynamic positioning of vehicles or a system for the management of weapons for vehicles or a system for course or train or speed or depth or position control for vehicles.
  • Fig. 3 shows a flow chart of a practical embodiment of a data fusion method according to the present invention.
  • Processing instructions according to steps 46 and 48 form a set of source signals consisting of received measurements and stored estimates calculated from previous measurements.
  • step 50 the measurements and estimates are transformed into a uniform coordinate space, so that source signals in the form ⁇ 0 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ are present.
  • step 52 the partitions of the source signals are determined.
  • step 54 the optimal weights for scaling the partitions of the source signals are determined.
  • step 56 Scaling and partitioning are done in step 56.
  • the optimal fusion is done in step 58.
  • An output of the estimate is made in step 60.
  • Step 62 generates a physical response based on the signal transmitted in step 60.
  • Step 64 determines whether the calculated target signal should be stored (step 66) for eventual further processing.
  • the calculated target signal is optionally propagated forward in time.
  • the presented implementation describes a system for estimating a state sequence using a Kalman filter. An optimal combination of the multiple measurements and their covariances with previous estimates is made.
  • the method shown in FIG. 3 may be implemented as a software program for controlling a computerized system, wherein code means of the program are configured to generate at least some of the steps shown in FIG. 3 when executed on a processor device of the computerized system.
  • the software program can be stored on a removable and computer-readable medium.
  • FIG. 4 shows a practical exemplary embodiment of a device according to the invention, which is designed here as navigation system 70 for determining navigation information for a preferably moving object, in particular a vehicle or aircraft, based on source signals Qi of at least two sensors. At least two sensors provide information about a navigation state of the object as source signals to a receiving device 71.
  • a detection device 72 connected to the receiving device 71 serves to detect the source signals in the form of mean value and covariance pairs.
  • a first setting device 73 effects a determination of partitions for at least two source signals.
  • a second setting device 74 connected to the first setting device 73 is provided for determining optimum weights for scaling the obtained partitions of the at least two source signals in a defined coordinate space.
  • a signal processing device 75 is provided for partitioning and scaling the at least two source signals into potentially correlated components and uncorrelated components using the partitions and weights determined by the first and second setting devices 73, 74.
  • An evaluation device 76 is designed for fusing the partitioned and scaled source signals taking into account the potentially correlated components in order to obtain a fused target signal, and for deriving navigation information Nl from the fused target signal.
  • An example of deriving navigation information is the conversion of a speed of Cartesian coordinates in polar coordinates. In the merged target signal, velocities are typically in Cartesian coordinates (eg, velocity to the north and east), from which polar coordinates (eg, velocity and heading over ground) are derived.
  • data such as, in particular, navigation information data may be present in the fused target signal, which need no further conversion, but can be used directly for the desired purposes, so that in this case the derivation is ultimately limited to removal from the target signal.
  • An embodiment of the invention provides a method for determining a fused target signal from a set of K> 2 source signals, wherein each source signal / ' , 1 ⁇ i ⁇ K carries information about a physical object system in the form of a mean and covariance pair.
  • Each source signal / is decomposable into a potentially correlated and known correlated partition, according to
  • the fused target signal is defined by a mean and covariance pair ⁇ z, P zz ⁇ which passes through
  • the parameters ⁇ can be determined so that the covariance matrix P zz or a sub-block of P zz is of minimum size, based on the arithmetic measures determinant, track, weighted Lp norm and largest eigenvalue.
  • the parameters ⁇ can be determined so that the covariance matrix P zz or a sub-block of P zz is of maximum size, based on the arithmetic measures determinant, track, weighted Lp norm and largest eigenvalue.
  • the merged target signal may correspond to the navigation state of a vehicle, in particular a watercraft.
  • One or more source signals may correspond to position and / or velocity measurements from inertial navigation systems and / or GNSS receivers.
  • a programmed signal process unit may be provided for determining a fused target signal from the set of K> 2 source signals.
  • the parameters ⁇ are calculated as a function of the covariance matrix P zz , whereby the programmed signal process unit can be designed by means of mathematical algorithms for determining the parameters ⁇ , such that the covariance matrix P zz or a sub-block of P zz is of minimum size, relative to the arithmetic measures determinant, lane, weighted Lp norm and largest eigenvalue.
  • the programmed signal processing unit including mathematical algorithms for determining the parameters ⁇ , can be designed so that the covariance matrix P zz or a sub-block of P zz is of maximum size, based on the arithmetic measures determinant, track, weighted Lp norm and largest eigenvalue ,
  • the merged target signal may correspond to the navigation state of a vehicle, in particular a watercraft, and one or more source signals may correspond to position and / or speed measurements from inertial navigation systems and / or GNSS receivers.
  • This matrix can be rotated with a rotation matrix R (similarity transformation) without changing the eigenvalues, so that
  • This matrix is positive semidefinite if the upper left block matrix is positively semidefinite, ie it must be shown that - -pXiXK
  • a method, a device, a computer program product and a navigation system have been described for determining navigation information for a preferably moving object, in particular a vehicle or aircraft, based on source signals of at least two sensors which provide information about a navigation state of the object.
  • Source signals are received in the form of mean and covariance pairs, of which at least two can be partitioned into a potentially correlated part and an uncorrelated part.
  • the target signal is transmitted, for example in the form of a mean and covariance pair, so as to enable a response of a physical system receiving the target signal.

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Abstract

The present invention relates to a method, a device, a computer program product, and a navigation system for determining a piece of navigation information for an object, preferably a moving object, in particular a vehicle or aircraft, on the basis of source signals (1...K) of at least two sensors, which provide information about a navigation state of the object. Source signals are received in the form of average and covariance pairs, of which at least two can be partitioned into a potentially correlated part and an uncorrelated part. The target signal is transmitted, for example in the form of an average and covariance pair, and so a reaction of a physical system that receives the target signal is enabled.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Fusion partitioniert korrelierter Signale  Method and apparatus for fusing partitioned correlated signals
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren, eine Vorrichtung, ein Computerprogrammprodukt und ein Navigationssystem zur Bestimmung einer Navigationsinformation für ein, vorzugsweise bewegtes, Objekt, insbesondere Fahrzeug oder Flugzeug, anhand von Quellsignalen zumindest zweier Sensoren, die Informationen über einen Navigationszustand des Objektes liefern. The present invention relates to a method, a device, a computer program product and a navigation system for determining navigation information for a, preferably moving, object, in particular vehicle or aircraft, based on source signals of at least two sensors that provide information about a navigation state of the object.
Das Problem der Datenfusion mehrerer Quellsignale ist ein seit langem studiertes Forschungsgebiet der Signalverarbeitung. Im einfachsten Fall werden aus den Quellen einfache Mittelwerte bestimmt und als Zielsignal weitergegeben. Eine Erweiterung dazu stellen die gewichteten Fusionsalgorithmen dar. Dabei werden für alle Komponenten der Quellsignale Gewichte angegeben, welche in der Schätzung des Zielsignals beachtet werden. Zu diesen Algorithmen gehören z.B. die„Weighted Least Squares Estimator" (WLSE). Eine genauere Beschreibung der WLSE kann in J. Chris McGIone,„Manual of Photogrammetry", 5. Auflage, American Society for Photogrammetry and Remote Sensing, 2004, gefunden werden. Eine häufig verwendete Methode zur Datenfusion arbeitet mit einem Kaiman- Filter (vgl. auch Greg Welch und Gary Bishop,„An Introduction to the Kaiman Filter", UNC-Chapel Hill, 2006). In ihm wird eine Zustandssequenz geschätzt, welche das Verhalten eines Objektsystems über die Zeit darstellt. Der Filter verwendet neben Messungen über das Objektsystem ein Prozessmodel, welches den internen Zustand des Kaiman-Filters an die Dynamik der zu schätzenden Zustandssequenz anpasst. Dieser Schritt wird Prädiktion genannt. Anschließend werden Messungen (auch Beobachtungen genannt) genutzt, um den durch das Prozessmodel eingebrachten Fehler zu minimieren. Dieser Schritt wird Korrektur oder Update genannt. The problem of data fusion of multiple source signals is a long-standing research area of signal processing. In the simplest case, simple mean values are determined from the sources and passed on as the target signal. An extension to this is represented by the weighted fusion algorithms. In this case, weights are specified for all components of the source signals, which are taken into account in the estimation of the target signal. Such algorithms include, for example, the Weighted Least Squares Estimator (WLSE). A more detailed description of the WLSE can be found in J. Chris McGIone, "Manual of Photogrammetry," 5th Ed., 2004, American Society for Photogrammetry and Remote Sensing , A commonly used data fusion method uses a Kalman filter (see also Greg Welch and Gary Bishop, "An Introduction to the Kalman Filter," UNC-Chapel Hill, 2006) In addition to measurements made via the object system, the filter uses a process model which adapts the internal state of the Kalman filter to the dynamics of the sequence of states to be estimated.This step is called prediction, and then measurements (also called observations) are used. to minimize the error introduced by the process model, this step is called correction or update.
Im Korrekturschritt - der eigentliche Schritt der Datenfusion - werden der interne, prädizierte Zustand und die Messungen fusioniert. Man kann also den prädizier- ten Zustand sowie die Messungen als zu fusionierende Quellsignale interpretieren, welche Informationen über das Objektsystem enthalten. In the correction step - the actual step of data fusion - the internal, predicted state and the measurements are fused. It is therefore possible to interpret the predicted state and the measurements as source signals to be fused which contain information about the object system.
Um eine optimale Fusion dieser Quellsignale zu gewährleisten, werden sie mit verallgemeinerten, inversen Gewichtsmatrizen versehen. Diese Kovarianz- matrizen determinieren eine Gauß'sche Verteilungsdichte (vgl. auch J. Chris McGIone,„Manual of Photogrammetry", 5. Auflage, American Society for Photog- rammetry and Remote Sensing, 2004), welche die stochastische Verteilung der Fehler in den Quellsignalen beschreiben. Dank der Kovarianzen können die Quellsignale nicht nur gewichtet fusioniert werden, sondern es werden auch deren interne stochastische Zusammenhänge (Korrelationen) der Quellsignale beachtet. To ensure optimum fusion of these source signals, they are provided with generalized, inverse weight matrices. These covariance matrices determine a Gaussian distribution density (see also J. Chris McGIone, "Manual of Photogrammetry", 5th edition, American Society for Photogrammetry and Remote Sensing, 2004), which describes the stochastic distribution of the errors in the Thanks to the covariances, the source signals can not only be weighted in a weighted manner, but also their internal stochastic correlations (correlations) of the source signals are considered.
Um einen Satz von Quellsignalen, gegeben in Form von Mittelwert- und Kova- rianzpaaren { ^pwj, zu fusionieren, müssen die Quellsignale in ein gemeinsames Koordinatensystem transformiert werden. Solche Transformationen sind wohlbekannt und werden standardmäßig in Kaiman Filtern verwendet. Für die nachfolgenden Ausführungen nehmen wir an, dass die Quellsignale in ein gemeinsames Koordinatensystem transformiert wurden und in Form fe P*«} vorliegen. Die erweiterte Form des Kaiman Filters (siehe J. Wendel:„Integrierte Navigationssysteme"; Oldenbourg Verlag, 2007), in der Korrelationen {j^P*'*«} zwischen den verschiedenen Quellsignalen existieren dürfen, zur Fusion von K Signalen {xtl xixi} in einem einheitlichen Koordinatenraum ist In order to merge a set of source signals, given in the form of mean and covariance pairs {^ pwj, the source signals must be transformed into a common coordinate system. Such transformations are well known and are used by default in Kalman filters. For the following explanations, we assume that the source signals have been transformed into a common coordinate system and are in the form of fe P * «}. The extended form of the Kalman filter (see J. Wendel: "Integrated Navigation Systems", Oldenbourg Verlag, 2007), in which correlations {j ^ P * '* «} may exist between the different source signals, for the fusion of K signals {x tl x i x i} in a uniform coordinate space
Kovarianz: covariance:
Mittelwert: zMean: z
wobei H = [i ... i]T ist. Das Fusionsergebnis liegt vor als Mittelwert- und Kova- rianzpaar {z, PZZ}. where H = [i ... i] T. The fusion result is present as the mean and kovarance pair {z, P ZZ }.
Üblicherweise werden die Korrelationen zu PXIX> = 0 angenommen wodurch sich die Fusionsgleichung zur wohlbekannten Inversform des Kaiman Filters vereinfacht: Usually, the correlations to P XIX > = 0 are assumed, which simplifies the fusion equation to the well-known inverse form of the Kalman filter:
Dabei sind die Zählervariablen und in den obenstehenden und für alle nachfolgenden Gleichungen wie folgt definiert:  The numerator variables and in the above and for all subsequent equations are defined as follows:
Zählervariable: i = 1 ... AT Counter variable: i = 1 ... AT
Zählervariable: j = 1 ... K Counter variable: j = 1 ... K
Eine grundlegende Problematik ist, dass häufig die Kreuzkorrelationen PXIX> 0 sind. Nimmt man sie im Kaiman Filter zu PXI J = 0 an - was eine gängige Praxis ist - so kann das Fusionsergebnis inkonsistent werden, d.h. was bedeutet, dass die geschätzte Fehlerkovarianzmatrix Pzz kleiner ist als die Kovarianz des wahren Fehlers Pzz. Diese Inkonsistenz kann zu unbrauchbaren Ergebnissen des Schätzvorgangs führen. A fundamental problem is that often the cross-correlations P XIX > 0 are. If you take them in the Kalman filter to P XI J = 0 - which is a common practice - so the fusion result can be inconsistent, ie which means that the estimated error covariance matrix P zz is smaller than the covariance of the true error P zz . This inconsistency can lead to useless results of the estimation process.
Für den Fall unbekannter Kreuzkorrelationen von Quellsignalen wurden in der Vergangenheit verschiedene Verfahren entwickelt, um die Konsistenz der Schätzung des Zielsignals und seiner Kovarianz sicherzustellen. In the case of unknown cross correlations of source signals, various methods have been developed in the past to ensure the consistency of the estimate of the target signal and its covariance.
Die einfachste Methode ist, die erhaltene Kovarianzmatrix Pz mit einem Faktor größer als eins zu skalieren. The simplest method is to scale the obtained covariance matrix P z by a factor greater than one.
Da dieser Faktor lediglich empirisch festgelegt werden kann, ist ein solches Verfahren allerdings sehr fehleranfällig. Ist die Skalierung zu klein gewählt, wird die Kovarianz zu gering geschätzt, was zu den oben erwähnten Problemen führt. Ist der Faktor zu groß, verliert die Schätzung an Information, da sie als zu ungenau angenommen wird. However, since this factor can only be determined empirically, such a procedure is very error-prone. If the scaling chosen is too small, the covariance is underestimated, which leads to the problems mentioned above. If the factor is too large, the estimate loses information because it is considered to be too inaccurate.
Ein verbessertes Verfahren stellt die„Covariance Intersection" dar (Cl) S.J. Julier und J.K. Uhlmann,:„A Non-divergent Estimation Algorithm in the Presence of Unknown Correlations"; Proceedings of the American Control Conference, Albu- querque New Mexico, 1997. Sie bestimmt die Inverse der Fehlerkovarianzmatrix des Zielsignals aus einer konvexen Kombination der Inversen der Fehler- Kovarianzmatrizen der Quellsignale mit An improved method is the "Covariance Intersection" (Cl) SJ Julier and JK Uhlmann, "A Non-divergent Estimation Algorithm in the Presence of Unknown Correlations"; Proceedings of the American Control Conference, Albuquerque New Mexico, 1997. It determines the inverse of the error covariance matrix of the target signal from a convex combination of the inverse of the error covariance matrices of the source signals With
Hierbei werden alle Komponenten der verschiedenen Quellsignale als potentiell korreliert angenommen. Unter dieser Annahme liefert das Verfahren eine verbesserte Schätzung des Zielsignals und seiner Kovarianz. Allerdings können keinerlei bekannte Informationen über die Struktur der Korrelationen der Quell- Signale ausgenutzt werden, welche die Schätzung des Zielsignals weiter verbessern würden. In this case, all components of the different source signals are assumed to be potentially correlated. Under this assumption, the method provides an improved estimate of the target signal and its covariance. However, no known information about the structure of the correlations of the source Signals are exploited, which would further improve the estimation of the target signal.
Eine Verallgemeinerung der Cl bietet die sogenannte„Split Covariance Intersec- tion" (SCI, vgl. auch S.J. Julier und J.J. LaViola Jr.:„An Empirical Study into the Robustness of Split Covariance Addition (SCA) for Human Motion Tracking"). Sie erlaubt eine additive Aufteilung der Quellsignale in unkorrelierte und korrelierte Teile: pxlxi pxixi A generalization of CI is provided by the so-called "split covariance intersection" (SCI, see also SJ Julier and JJ LaViola Jr.: "An Empirical Study into the Robustness of Split Covariance Addition (SCA) for Human Motion Tracking"). It allows an additive distribution of the source signals into uncorrelated and correlated parts: p x l x ip x i x i
' r u ' r c > wobei der erste Term mit Index u unkorrelierte Teile und der zweite Term mit Index c potentiell korrelierte Teile darstellt. ' r u' r c> where the first term with index u represents uncorrelated parts and the second term with index c represents potentially correlated parts.
Um die Daten zu fusionieren, werden die eingehenden Kovarianzen entsprechend der Aufteilung in Blöcke zerlegt. Anschließend werden Skalierungen für die potentiell korrelierten Blöcke Px c m der Quellsignale bestimmt und auf diese angewendet. Die Korrelationen zwischen den Blöcken innerhalb der einzelnen Kovarianzen werden dabei verworfen. Auf diese Weise können die Korrelationen zwischen den Quellsignalen weiter eingegrenzt werden. Da aber die Korrelationen der Blöcke innerhalb der Kovarianzen der Quellsignale verworfen werden, gehen in ihnen enthaltene Informationen über die Struktur der Kovarianzen verloren. To merge the data, the incoming covariances are divided into blocks according to the division. Subsequently, scalings for the potentially correlated blocks P x c m of the source signals are determined and applied to them. The correlations between the blocks within the individual covariances are discarded. In this way, the correlations between the source signals can be further limited. However, since the correlations of the blocks within the covariances of the source signals are discarded, information about the structure of the covariances contained in them is lost.
Aufgrund dessen wird kein optimales Ergebnis für die Schätzung unter Verwendung der Quellsignale erzielt. Because of this, no optimal result is obtained for the estimation using the source signals.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Navigationsinformation zu schaffen, die sich durch hohe Genauigkeiten auszeichnen. The invention has for its object to provide a method and apparatus for determining a navigation information, which are characterized by high accuracies.
Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 bzw. 7 angegebenen Merkmalen gelöst. This object is achieved with the features specified in claim 1 and 7 respectively.
Weiterhin wird mit der Erfindung ein entsprechendes Navigationssystem geschaffen. Einige Ausführungsbeispiele des Verfahrens und der Vorrichtung sind dazu ausgelegt, Quellsignale zu empfangen, vorliegend in Form von Mittelwert- und Kovarianzpaaren, von welchen mindestens zwei in einen potentiell korrelierten Teil und einen unkorrelierten Teil partitioniert werden können, und das Zielsignal zu übermitteln, vorliegend in Form eines Mittelwert- und Kovarianzpaars, so dass eine Reaktion eines physikalischen Systems ermöglicht wird, welches das Zielsignal empfängt. Furthermore, the invention provides a corresponding navigation system. Some embodiments of the method and apparatus are adapted to receive source signals, here in the form of mean and covariance pairs, of which at least two may be partitioned into a potentially correlated part and an uncorrelated part, and to transmit the target signal, in the form a mean and covariance pair so as to enable a response of a physical system receiving the target signal.
Vorteile von Ausführungsbeispielen der Erfindung bestehen darin, dass die Kenntnis über die Partitionierung optimal in den Schätzprozess eingebracht werden kann, wodurch die Genauigkeit des Fusionsergebnisses bei gleichzeitig garantierter Konsistenz erhöht wird. Advantages of embodiments of the invention are that the knowledge about the partitioning can be introduced optimally into the estimation process, whereby the accuracy of the fusion result is increased while at the same time guaranteed consistency.
Die Erfindung wird im Folgenden beschrieben. The invention will be described below.
Die Erfindung weist mehrere alternativ oder additiv einsetzbare Ausführungsformen auf, z.B. ein Verfahren zur Datenfusion, eine Vorrichtung (Apparat) zur Datenfusion, sowie eine Implementierung des Verfahrens in die Vorrichtung. The invention has several alternative or additive embodiments, e.g. a method for data fusion, a device (device) for data fusion, as well as an implementation of the method in the device.
Diese drei Teile werden nachfolgend detailliert erläutert. These three parts are explained in detail below.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. The invention is explained in more detail below with reference to exemplary embodiments with reference to the drawings.
Fig. 1 zeigt ein prinzipielles Ablaufdiagramm einer erfindungsgemäßen Fig. 1 shows a basic flow diagram of an inventive
Datenfusion,  Data fusion,
Fig. 2 zeigt ein prinzipielles Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Datenfusionssystems, 2 shows a schematic block diagram of a data fusion system according to the invention,
Fig. 3 zeigt ein praktisches Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Fig. 3 shows a practical embodiment of an inventive
Datenfusionsverfahrens, und  Data fusion procedure, and
Fig. 4 zeigt ein praktisches Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Fig. 4 shows a practical embodiment of an inventive
Datenfusionsvorrichtung in Form eines Navigationssystems. In Fig. 1 ist ein prinzipielles Ablaufdiagramm einer erfindungsgemäßen Datenfusion mit mehreren Stufen bzw. Schritten dargestellt. Data fusion device in the form of a navigation system. FIG. 1 shows a basic flow chart of a data fusion according to the invention with several stages or steps.
Die hierbei angewandte Fusion geschieht mit Hilfe einer Unterteilung der Quellsignale in ihre korrelierten und unkorrelierten Komponenten. Die Struktur der Korrelationen bzw. Partitionierungen ist hierbei bekannt oder durch Analyse oder Schätzung erkennbar. Jedes Quellsignal eines einheitlichen Koordinatenraums, vorliegend in Form eines Mittelwert- und Kovarianzpaares {x Px^} wird in eine unbekannt, potentiell korrelierte Partition und eine bekannt korrelierte Partition gemäß The fusion used here is done by subdividing the source signals into their correlated and uncorrelated components. The structure of the correlations or partitioning is known or recognizable by analysis or estimation. Each source signal of a uniform coordinate space, present in the form of a mean and covariance pair {x P x ^}, is transformed into an unknown, potentially correlated partition and a known correlated partition according to FIG
rPxi,cuxi,cu pxi,cuxi,ck~\ rP x i, cu x i, cu p x i, cu x i, ck ~ \
pxixi— p x i x i-
ipxi,ck i,cu pxi,ckxi,ckl ip x i, ck i, cu p x i, ck x i, ckl
zerlegt. Diese Zerlegungen gemäß Stufe bzw. Schritt 04 finden in Stufe bzw. Schritt 02 für alle Quellsignale statt. Der Verbundmittelwertvektor und die Ver- bundkovarianzmatrix (Mittelwerte und Kovarianzmatrizen des Verbundsystems) sind gegeben durch pxi,cuxi,cu pxl,cuxi,ck pxi,cuxK,cu pxK,cu i,cu pxK,cuxi,ck pxK,cuxK,cu disassembled. These decompositions according to stage or step 04 take place in stage or step 02 for all source signals. The composite mean vector and the encryption bundkovarianzmatrix (mean values and covariance matrices of the composite system) are given by p x i, cu x i, cu p x l, cu x i, c k p x i, cu x K, cu p x K, cu i , cu p x K, cu x i, ck p x K, cu x K, cu
p xK,ck i,cu p K,ckxi,ck pxK,ckxK,cu wobei die Kreuzkovarianzen ρ*<'.™*\™ unbekannt sind. Hierbei steht cu für„corre- lation unknown" (unbekannte Korrelation) und ck für„correlation known" (bekannte Korrelation). Eine konservative Abschätzung dieses Verbundes ist gegeben durch pxi,cuxi,cu pxi,cuxi,ck p x K, ck i, cu p K, ck x i, ck p x K, ck x K, cu where the cross covariances ρ * <' . ™ * \ ™ are unknown. Here, cu stands for "correction unknown" and ck for "correlation known" (known correlation). A conservative estimate of this composite is given by p x i, cu x i, cu p x i, cu x i, ck
%l pxi,ckxl,cu pxl,ckxl,ck 1 % lp x i, ck x l, cu p x l, ck x l, ck 1
Χκ 0 ... pxK K pxK,ckxi,cu pxK,ckx ck Χκ 0 ... p x KK p x K, ck x i, cu p x K, ck x ck
p K,ckxK,cu pxK,ckxK,ck mit p K, ck x K, cu p x K, ck x K, ck with
Die konservative Abschätzung des Verbundes wird an Stufe bzw. Schritt 06 weitergegeben, in dem die zugehörigen optimalen Gewichte λ, bestimmt werden. Die Wahl der Gewichte ist grundsätzlich nicht entscheidend für die Konsistenz des Fusionsergebnisses, wohl aber für dessen Güte in Form eines Maßes für die fusionierte Kovarianzmatrix. Die Aufgabe der Bestimmung der Gewichte entspricht einem nichtlinearen Optimierungsproblem der Form min/(Pzz)The conservative estimation of the composite is passed on to step or step 06, in which the associated optimum weights λ, are determined. The choice of weights is fundamentally not decisive for the consistency of the fusion result, but rather for its quality in the form of a measure for the fused covariance matrix. The task of determining the weights corresponds to a nonlinear optimization problem of the form min / (P zz )
und kann mit Standardmethoden z.B. gemäß S. Boyd und L. Vandenberghe, „Convex Optimization", Cambridge University Press, 2008 gelöst werden. Die Gütefunktion kann ein beliebiges Maß für die Kovarianzmatrix sein, wie z.B. Spur, Determinante, Lp-Norm, usw.. and can be treated with standard methods e.g. according to S. Boyd and L. Vandenberghe, "Convex Optimization", Cambridge University Press, 2008. The quality function can be any measure of the covariance matrix, such as trace, determinant, Lp norm, etc.
Die sich ergebenden Gewichte λ, werden nach der Bestimmung in Stufe bzw. Schritt 06 an Stufe bzw. Schritt 08 weitergereicht. Dort werden die Ausgaben der Stufen bzw. Schritte 04 und 06 genutzt, um die Partitionierung und entsprechende Skalierung der unterschiedlichen Kovarianzmatrizen in den Partitionen gemäß Stufe bzw. Schritt 10 getrennt vorzunehmen. The resulting weights λ, are passed on after the determination in step or step 06 at step or step 08. There, the outputs of the stages or steps 04 and 06 are used to separate the partitioning and corresponding scaling of the different covariance matrices in the partitions according to step 10.
Das konservativ abgeschätzte Verbundsystem wird nun in Stufe bzw. Schritt 12 über The conservatively estimated composite system is now in step 12 or over
z = pzz z = p zz
fusioniert, wobei H = [i ... i]T ist. Diese Fusionsform mit dem konservativ abgeschätzten Verbundsystem garantiert die Konsistenz des Fusionsergebnisses bei gleichzeitig mindestens gleicher Genauigkeit im Vergleich zu den bereits existierenden Ansätzen und stellt einen Aspekt der Erfindung dar. fused, where H = [i ... i] T. This fusion form with the conservatively estimated composite system guarantees the consistency of the fusion result while at least equal accuracy compared to the existing approaches and is an aspect of the invention.
Abschließend wird das fusionierte Zielsignal (Mittelwert- und Kovarianzpaar) an Stufe bzw. Schritt 14 übergeben und wird dort der weiteren Verarbeitung zur Verfügung gestellt. Finally, the fused target signal (mean and covariance pair) is transferred to stage or step 14, where it is made available for further processing.
Im Folgenden wird ein prinzipielles erfindungsgemäßes Datenfusionssystem unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben. In the following, a basic data fusion system according to the invention will be described with reference to FIG.
Fig. 2 zeigt ein Blockdiagramm des Datenfusionssystems gemäß der vorliegenden Erfindung. Dieses beinhaltet ein Messsystem 16 zur Messung von Eigenschaften eines Objektsystems 44. Fig. 2 shows a block diagram of the data fusion system according to the present invention. This includes a measuring system 16 for measuring properties of an object system 44.
Ein Detektor 18 detektiert Signale des Objektsystems 44, welche Informationen über die Zustände des Objektsystems 44 beinhalten. Eine Verbindung 20 verbindet den Detektor 18 mit dem Messsystem 16, um eine Signalübertragung vom Detektor 18 zum Messsystem 16 zu realisieren. Hier sei angemerkt, dass die Verbindung 20 und alle im Folgenden genannten Verbindungen drahtgebundene, drahtlose oder andere Verbindungstypen oder eine Kombination hiervon darstellen können. A detector 18 detects signals of the object system 44 which contain information about the states of the object system 44. A connection 20 connects the detector 18 to the measuring system 16 in order to realize a signal transmission from the detector 18 to the measuring system 16. It should be noted that the connection 20 and all of the following connections may represent wired, wireless or other connection types or a combination thereof.
Eine Verbindung 22 verbindet das Messsystem 16 mit einer Signalprozesseinheit 24 zur Übertragung der über das Messsystem 16 erhaltenen Informationen über das Objektsystem 44. A connection 22 connects the measuring system 16 to a signal processing unit 24 for transmitting the information about the object system 44 obtained via the measuring system 16.
Die Signalprozesseinheit 24 beinhaltet eine zentrale Prozesseinheit oder CPU (Central Processing Unit) 26 zur Verarbeitung von Signalen, die vom Messsystem 16 über die Verbindung 22 geliefert werden. Die CPU 26 kann eine Recheneinheit wie z.B. ein Mikroprozessor, ein Mehrfachprozessor oder analoger Rechner sein, ist aber nicht auf diese Beispiele beschränkt. Die Signalprozesseinheit 24 beinhaltet ferner einen maschinenlesbaren Speicher 28 zur Speicherung von vom Messsystem 16 empfangenen Signalen, zur Speicherung von Zwischen- und Endresultaten der CPU 26 und zur Speicherung von Programminstruktionen für die CPU 26. Der maschinenlesbare Speicher 28 besteht z.B. aus einer Kombination von optischen und elektronischen Speichermedien und kann z.B. eine Kombination aus schreibbaren (read-write) und schreibgeschützten (read-only) Speichermedien sein. The signal processing unit 24 includes a central processing unit or CPU (Central Processing Unit) 26 for processing signals supplied from the measurement system 16 via the connection 22. The CPU 26 may be a computation unit such as a microprocessor, a multiprocessor, or an analog computer, but is not limited to these examples. The signal processing unit 24 further includes a machine-readable memory 28 for storing signals received from the measuring system 16, for storing intermediate signals. and final results of the CPU 26 and for storing program instructions for the CPU 26. The machine-readable memory 28 consists for example of a combination of optical and electronic storage media and may be, for example, a combination of writable (read-write) and write-protected (read-only) storage media ,
Eine Verbindung 32 verbindet die Signalprozesseinheit 24 mit einer optionalen Anzeigeeinheit 30 zur Übermittlung von Signalen zur Anzeige an der Anzeigeeinheit 30. A connection 32 connects the signal processing unit 24 to an optional display unit 30 for transmitting signals for display on the display unit 30.
Eine Verbindung 36 verbindet die Signalprozesseinheit 24 mit einer optionalen Eingabeeinheit 34 zur Übermittlung von Signalen an die Signalprozesseinheit 24, die vom Benutzer an der Eingabeeinheit 34 eingegeben werden. Die Eingabeeinheit kann z.B. eine Kombination aus Eingabeeinheiten wie z.B. Maus, Tastatur, oder jedem anderen Gerät zur manuellen Eingabe von Informationen an die Signalprozesseinheit 24 sein. A connection 36 connects the signal processing unit 24 to an optional input unit 34 for transmitting signals to the signal processing unit 24 that are input by the user to the input unit 34. The input unit may e.g. a combination of input units such as e.g. Mouse, keyboard, or any other device for manually entering information to the signal processing unit 24.
Eine Verbindung 40 verbindet die Signalprozesseinheit 24 mit einem Reaktionssystem 38 zur Übermittlung von Signalen von der Signalprozesseinheit 24 an das Reaktionssystem 38. Das Reaktionssystem 38 reagiert auf Signale, die von der Signalprozesseinheit 24 über die Verbindung 40 empfangen werden, indem es eine Funktion ausführt, welche vom Zustand des Objektsystems 44 abhängig ist. Dieser Zustand wird von der Signalprozesseinheit 24 bestimmt. Die Reaktion des Reaktionssystems 38 kann z.B. den Zustand des Objektsystems 44 beeinflussen. A link 40 connects the signal processing unit 24 to a response system 38 for communicating signals from the signal processing unit 24 to the response system 38. The response system 38 is responsive to signals received from the signal processing unit 24 over the link 40 by performing a function depends on the state of the object system 44. This condition is determined by the signal processing unit 24. The reaction of the reaction system 38 may be e.g. affect the state of the object system 44.
Falls es sich bei dem System gemäß Fig. 2 z.B. um ein Navigationssystem für Fahrzeuge, insbesondere für Wasserfahrzeuge, handelt, so entspricht das Messsystem 16 einer Sammlung von fahrzeugtypischen Sensoren, wie z.B. Trägheits- navigationsanlagen, GNSS-Empfängern (Global Navigation Satellite System), Kompasse, Logs, Rotationssensoren, Tiefensensoren, oder anderen Sensoren, welche Informationen über den Zustand eines Fahrzeugs liefern. Die Signalprozesseinheit 24 empfängt diese Informationen in Form von Mittelwert- und Kova- hanzpaaren und berechnet daraus einen Navigationszustand für das Fahrzeug in Form eines Mittelwert- und Kovarianzpaars und einen Satz daraus abgeleiteter Navigationsinformationen. Die Resultate der Signalprozesseinheit 24 werden dann an das Reaktionssystem 38 übertragen. Das Reaktionssystem 38 kann auf diese Navigationsinformation reagieren. If, for example, the system according to FIG. 2 is a navigation system for vehicles, in particular for watercraft, the measuring system 16 corresponds to a collection of vehicle-specific sensors, such as inertial navigation systems, GNSS receivers (Global Navigation Satellite System), Compasses, logs, rotation sensors, depth sensors, or other sensors that provide information about the condition of a vehicle. The signal processing unit 24 receives this information in the form of mean value pairs and covance pairs and calculates therefrom a navigation state for the vehicle in FIG Form of a mean and covariance pair and a set of derived navigation information. The results of the signal processing unit 24 are then transmitted to the reaction system 38. The response system 38 may respond to this navigation information.
Falls es sich bei dem System gemäß Fig. 2 z.B. um ein Navigationssystem für Fahrzeuge, insbesondere für Wasserfahrzeuge, so kann das Reaktionssystem 38 z.B. ein System zur dynamischen Positionierung für Fahrzeuge oder ein System zur Waffenleitung für Fahrzeuge oder ein System zur Kurs- oder Bahn- oder Geschwindigkeits- oder Tiefen- oder Lageregelung für Fahrzeuge sein. For example, if the system of FIG. around a navigation system for vehicles, in particular for watercraft, the reaction system 38 may e.g. a system for dynamic positioning of vehicles or a system for the management of weapons for vehicles or a system for course or train or speed or depth or position control for vehicles.
Fig. 3 zeigt ein Flussdiagramm eines praktischen Ausführungsbeispiels eines Datenfusionsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung. Fig. 3 shows a flow chart of a practical embodiment of a data fusion method according to the present invention.
Verarbeitungsvorschriften gemäß Schritten 46 und 48 formen einen Satz von Quellsignalen bestehend aus empfangenen Messungen und gespeicherten Schätzungen, welche aus vorherigen Messungen berechnet wurden. Processing instructions according to steps 46 and 48 form a set of source signals consisting of received measurements and stored estimates calculated from previous measurements.
In Schritt 50 werden die Messungen und Schätzungen in einen einheitlichen Koordinatenraum transformiert, so dass Quellsignale in Form {χ0 Ρχιχί} vorliegen. In step 50, the measurements and estimates are transformed into a uniform coordinate space, so that source signals in the form {χ 0 Ρ χ ι χ ί} are present.
Im nachfolgenden Schritt 52 werden die Partitionen der Quellsignale bestimmt. Im Anschluss werden in Schritt 54 die optimalen Gewichte für die Skalierung der Partitionen der Quellsignale bestimmt. In the following step 52, the partitions of the source signals are determined. Following this, in step 54, the optimal weights for scaling the partitions of the source signals are determined.
Skalierung und Partitionierung erfolgen in Schritt 56. Die optimale Fusion wird in Schritt 58 durchgeführt. Scaling and partitioning are done in step 56. The optimal fusion is done in step 58.
Eine Ausgabe der Schätzung erfolgt in Schritt 60. An output of the estimate is made in step 60.
Schritt 62 erzeugt eine physikalische Reaktion basierend auf dem in Schritt 60 übermittelten Signal. Step 62 generates a physical response based on the signal transmitted in step 60.
Schritt 64 bestimmt, ob das berechnete Zielsignal gespeichert werden soll (Schritt 66) für eventuelle weitere Verarbeitung. Mit Schritt 68 wird das berechnete Zielsignal optional in der Zeit vorwärts propagiert. Die vorgestellte Implementierung beschreibt ein System zur Schätzung einer Zustandssequenz mittels eines Kaiman-Filters. Dabei wird eine optimale Verbindung der multiplen Messungen und ihrer Kovarianzen mit vorangegangenen Schätzungen vorgenommen. Das in Fig. 3 gezeigte Verfahren kann als Software- Programm zur Steuerung eines computergestützten Systems implementiert werden, wobei Codemittel des Programms ausgestaltet sind zum Erzeugen zumindest einiger der in Fig. 3 gezeigten Schritte, wenn sie auf einer Prozessoreinrichtung des computergestützten Systems ausgeführt werden. Das Software- Programm kann auf einem austauschbaren und computerlesbaren Datenträger gespeichert sein. Step 64 determines whether the calculated target signal should be stored (step 66) for eventual further processing. At step 68, the calculated target signal is optionally propagated forward in time. The presented implementation describes a system for estimating a state sequence using a Kalman filter. An optimal combination of the multiple measurements and their covariances with previous estimates is made. The method shown in FIG. 3 may be implemented as a software program for controlling a computerized system, wherein code means of the program are configured to generate at least some of the steps shown in FIG. 3 when executed on a processor device of the computerized system. The software program can be stored on a removable and computer-readable medium.
In Fig. 4 ist ein praktisches Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt, die hier als Navigationssystem 70 zur Bestimmung einer Navigationsinformation für ein, vorzugsweise bewegtes, Objekt, insbesondere Fahrzeug oder Flugzeug, anhand von Quellsignalen Qi zumindest zweier Sensoren ausgelegt ist. Zumindest zwei Sensoren liefern Informationen über einen Navigationszustand des Objektes als Quellsignale an eine Empfangseinrichtung 71. Eine mit der Empfangseinrichtung 71 verbundene Erfassungseinrichtung 72 dient zum Erfassen der Quellsignale in Form von Mittelwert- und Kovarianzpaaren. Eine erste Festlegungseinrichtung 73 bewirkt eine Festlegung von Partitionen für zumindest zwei Quellsignale. Eine mit der ersten Festlegungseinrichtung 73 verbundene zweite Festlegungseinrichtung 74 ist zur Ermittlung von optimalen Gewichten für eine Skalierung der erhaltenen Partitionen der zumindest zwei Quellsignale in einem definierten Koordinatenraum vorgesehen. FIG. 4 shows a practical exemplary embodiment of a device according to the invention, which is designed here as navigation system 70 for determining navigation information for a preferably moving object, in particular a vehicle or aircraft, based on source signals Qi of at least two sensors. At least two sensors provide information about a navigation state of the object as source signals to a receiving device 71. A detection device 72 connected to the receiving device 71 serves to detect the source signals in the form of mean value and covariance pairs. A first setting device 73 effects a determination of partitions for at least two source signals. A second setting device 74 connected to the first setting device 73 is provided for determining optimum weights for scaling the obtained partitions of the at least two source signals in a defined coordinate space.
Eine Signalverarbeitungseinrichtung 75 ist zur Partitionierung und Skalierung der zumindest zwei Quellsignale in potentiell korrelierte Bestandteile und unkorrelier- te Bestandteile unter Verwendung der von der ersten und zweiten Festlegungseinrichtung 73, 74 ermittelten Partitionen und Gewichte vorgesehen. Eine Auswerteeinrichtung 76 ist zum Fusionieren der partitionierten und skalierten Quellsignale unter Berücksichtigung der potentiell korrelierten Bestandteile, um ein fusioniertes Zielsignal zu erhalten, und zum Ableiten von Navigationsinformationen Nl aus dem fusionierten Zielsignal ausgelegt. Ein Beispiel für das Ableiten einer Navigationsinformation ist die Umrechnung einer Geschwindigkeit von kartesischen Koordinaten in Polarkoordinaten. Im fusionierten Zielsignal liegen Geschwindigkeiten typischerweise in kartesischen Koordinaten vor (z.B. Geschwindigkeit nach Norden und Osten), aus welchen dann Polarkoordinaten (z.B. Geschwindigkeit und Kurs über Grund) abgeleitet werden. Alternativ oder zusätzlich können im fusionierten Zielsignal auch Daten wie insbesondere Navigations- informationsdaten vorliegen, die keiner weiteren Umrechnung bedürfen, sondern direkt für die gewünschten Zwecke verwendet werden können, so dass sich in diesem Fall das Ableiten letztendlich auf die Entnahme aus dem Zielsignal beschränkt. A signal processing device 75 is provided for partitioning and scaling the at least two source signals into potentially correlated components and uncorrelated components using the partitions and weights determined by the first and second setting devices 73, 74. An evaluation device 76 is designed for fusing the partitioned and scaled source signals taking into account the potentially correlated components in order to obtain a fused target signal, and for deriving navigation information Nl from the fused target signal. An example of deriving navigation information is the conversion of a speed of Cartesian coordinates in polar coordinates. In the merged target signal, velocities are typically in Cartesian coordinates (eg, velocity to the north and east), from which polar coordinates (eg, velocity and heading over ground) are derived. Alternatively or additionally, data such as, in particular, navigation information data may be present in the fused target signal, which need no further conversion, but can be used directly for the desired purposes, so that in this case the derivation is ultimately limited to removal from the target signal.
Eine Ausführungsform der Erfindung stellt ein Verfahren zur Bestimmung eines fusionierten Zielsignals aus einem Satz von K > 2 Quellsignalen dar, wobei jedes Quellsignal /', 1 < i < K, Informationen über ein physikalisches Objektsystem in Form eines Mittelwert- und Kovarianzpaars trägt. An embodiment of the invention provides a method for determining a fused target signal from a set of K> 2 source signals, wherein each source signal / ' , 1 <i <K carries information about a physical object system in the form of a mean and covariance pair.
Jedes Quellsignal / ist zerlegbar in eine potentiell korrelierte und bekannt korrelierte Partition, gemäß Each source signal / is decomposable into a potentially correlated and known correlated partition, according to
Eine konservative Abschätzung des Quellsignals /' bei unbekannter Korrelation pHcuH u jst dann gegeben durch wodurch sich das neue Verbundsystem A conservative estimate of the source signal / ' at unknown correlation pHcuH uj s t then given by causing the new composite system
mit ergibt. With results.
Das fusionierte Zielsignal wird durch einen Mittelwert- und Kovarianzpaar {z, Pzz} definiert, welches sich durch The fused target signal is defined by a mean and covariance pair {z, P zz } which passes through
zz
berechnet, wobei H = [i ... i]T ist. Die Parameter λ, werden als Funktion der Kovarianzmatrix Pzz berechnet. calculated, where H = [i ... i] T. The parameters λ, are calculated as a function of the covariance matrix P zz .
Bei diesem Verfahren können die Parameter λ, so bestimmt werden, dass die Kovarianzmatrix Pzz oder ein Unterblock von Pzz von minimaler Größe ist, und zwar bezogen auf die arithmetischen Maße Determinante, Spur, gewichtete Lp- Norm und größter Eigenwert. In this method, the parameters λ, can be determined so that the covariance matrix P zz or a sub-block of P zz is of minimum size, based on the arithmetic measures determinant, track, weighted Lp norm and largest eigenvalue.
Alternativ oder zusätzlich können bei diesem Verfahren die Parameter λ, so bestimmt werden, dass die Kovarianzmatrix Pzz oder ein Unterblock von Pzz von maximaler Größe ist, und zwar bezogen auf die arithmetischen Maße Determinante, Spur, gewichtete Lp-Norm und größter Eigenwert. Alternatively or additionally, in this method, the parameters λ, can be determined so that the covariance matrix P zz or a sub-block of P zz is of maximum size, based on the arithmetic measures determinant, track, weighted Lp norm and largest eigenvalue.
Das fusionierte Zielsignal kann dem Navigationszustand eines Fahrzeugs, insbesondere eines Wasserfahrzeugs, entsprechen. Ein oder mehrere Quellsignale können Positions- und oder Geschwindigkeitsmessungen aus Trägheitsnavigati- onsanlagen und oder GNSS-Empfängern entsprechen. The merged target signal may correspond to the navigation state of a vehicle, in particular a watercraft. One or more source signals may correspond to position and / or velocity measurements from inertial navigation systems and / or GNSS receivers.
Gemäß einer Ausführungsform kann eine programmierte Signalprozesseinheit zur Bestimmung eines fusionierten Zielsignals aus dem Satz von K > 2 Quellsignalen vorgesehen sein. Die Parameter λ, werden als Funktion der Kovarianzmatrix Pzz berechnet, wobei die programmierte Signalprozesseinheit mittels mathematischer Algorithmen zur Bestimmung der Parameter λ, so ausgestaltet sein kann, dass die Kovarianzmatrix Pzz oder ein Unterblock von Pzz von minimaler Größe ist, bezogen auf die arithmetischen Maße Determinante, Spur, gewichtete Lp-Norm und größter Eigenwert. According to one embodiment, a programmed signal process unit may be provided for determining a fused target signal from the set of K> 2 source signals. The parameters λ, are calculated as a function of the covariance matrix P zz , whereby the programmed signal process unit can be designed by means of mathematical algorithms for determining the parameters λ, such that the covariance matrix P zz or a sub-block of P zz is of minimum size, relative to the arithmetic measures determinant, lane, weighted Lp norm and largest eigenvalue.
Alternativ kann die programmierte Signalprozesseinheit inklusive mathematischer Algorithmen zur Bestimmung der Parameter λ, so ausgestaltet sein, dass die Kovarianzmatrix Pzz oder ein Unterblock von Pzz von maximaler Größe ist, bezogen auf die arithmetischen Maße Determinante, Spur, gewichtete Lp-Norm und größter Eigenwert. Alternatively, the programmed signal processing unit, including mathematical algorithms for determining the parameters λ, can be designed so that the covariance matrix P zz or a sub-block of P zz is of maximum size, based on the arithmetic measures determinant, track, weighted Lp norm and largest eigenvalue ,
Bei der Signalprozesseinheit kann das fusionierte Zielsignal dem Navigationszustand eines Fahrzeugs, insbesondere eines Wasserfahrzeugs, entsprechen, und eines oder mehrere Quellsignale können Positions- und/oder Geschwindigkeitsmessungen aus Trägheitsnavigationsanlagen und/oder GNSS-Empfängern entsprechen. In the signal processing unit, the merged target signal may correspond to the navigation state of a vehicle, in particular a watercraft, and one or more source signals may correspond to position and / or speed measurements from inertial navigation systems and / or GNSS receivers.
Nachstehend wird ein Theorem bewiesen, das als Grundlage für Ausführungsformen der Erfindung dienen kann: The following proves a theorem that can serve as a basis for embodiments of the invention:
Hierzu wird angenommen, dass Vektoren For this it is assumed that vectors
Xi, l < i < K, wie folgt aus Partitionen aufgebaut sind: Xi, l <i <K, are constructed as follows from partitions:
,cu xl,ck], cu x l, ck]
2 = [X2 ,cu 2,cfc] 2 = [ X 2, cu 2, cfc]
XK— [xK,cu xK,ck und dass P als eine positiv definite Fehlerkovananzmatrix, d.h. aTPa > 0 für alle Spaltenvektoren mit a 0, wie folgt dargestellt werden kann: X K- [ x K, cu x K, ck and that P can be represented as a positive definite error covance matrix, ie a T Pa> 0 for all column vectors with a 0, as follows:
Es soll nun bewiesen werden, dass für die Matrix It should now be proved that for the matrix
— pxi,cuxi,cu pxi,cuxi,ck 0 - p x i, cu x i, cu p x i, cu x i, ck 0
PxX i,cckxK,cu P x X i, cck x K, cu
. pxi,ckxi,cu pxi,ckxi,ck , p x i, ck x i, cu p x i, ck x i, ck
PxK,cuxi,ck p K,cuxK,cu pxK,cuxK,ck pxK,ck Xck P x K, cu x i, ck p K, cu x K, cu p x K, cu x K, ck p x K, ck Xck
pxK,ck K,cu p K,ckxK,ckl für alle At mit 0 < Xt < 1 und = 1 gilt, dass Px > PI p x K, ck K, cu p K, ck x K, ckl for all A t with 0 <X t <1 and = 1 holds that P x > PI
Die Forderung Ρλ > P entspricht Ρλ - P > 0, d.h. Ρλ - Ρ muss positiv semidefinit sein. Man kann berechnen: The requirement Ρ λ > P corresponds to Ρ λ - P> 0, ie Ρ λ - Ρ must be positive semidefinite. You can calculate:
Diese Matrix kann rotiert werden mit einer Rotationsmatrix R (Ähnlichkeitstransformation) ohne die Eigenwerte zu verändern, so dass This matrix can be rotated with a rotation matrix R (similarity transformation) without changing the eigenvalues, so that
Diese Matrix ist positiv semidefinit, wenn die obere linke Blockmatrix positiv semidefinit ist, d.h. es muss gezeigt werden, dass — -pXiXK This matrix is positive semidefinite if the upper left block matrix is positively semidefinite, ie it must be shown that - -pXiXK
> 0 > 0
. (7- - ϊ)Ρ*κ*κ gilt. , (7- - ϊ) Ρ * κ * κ holds.
Durch Umformung erhält man die Forderung: By transformation, one obtains the requirement:
_L pxixi_L pxixi
. ρ κχκ ρχκχκ , ρ κ χ κ ρ χ κ χ κ
Die Gültigkeit dieser Forderung ist in J.K. Uhlmann,: „Covariance consistency methods for fault-tolerant distributed data fusion"; Information Fusion, 2003 zu finden. Das Theorem ist somit bewiesen. Da Ρλ > P ist, folgt also direkt, dass Ρχ > 0, d.h. Px positiv definit wegen P > 0 ist. The validity of this requirement can be found in JK Uhlmann, "Covariance consistency methods for fault-tolerant distributed data fusion", Information Fusion, 2003. The theorem is thus proved, since Ρ λ > P, it follows directly that Ρχ> 0, ie P x positive definite because of P> 0.
Zusammenfassend wurde ein Verfahren, eine Vorrichtung, ein Computerprogrammprodukt und ein Navigationssystem beschrieben, zur Bestimmung einer Navigationsinformation für ein, vorzugsweise bewegtes, Objekt, insbesondere Fahrzeug oder Flugzeug, anhand von Quellsignalen zumindest zweier Sensoren, die Informationen über einen Navigationszustand des Objektes liefern. Quellsignale werden in Form von Mittelwert- und Kovarianzpaaren empfangen, von welchen mindestens zwei in einen potentiell korrelierten Teil und einen unkorrelier- ten Teil partitioniert werden können. Das Zielsignal wird übermittelt, beispielsweise in Form eines Mittelwert- und Kovarianzpaars, so dass eine Reaktion eines physikalischen Systems ermöglicht wird, welches das Zielsignal empfängt. In summary, a method, a device, a computer program product and a navigation system have been described for determining navigation information for a preferably moving object, in particular a vehicle or aircraft, based on source signals of at least two sensors which provide information about a navigation state of the object. Source signals are received in the form of mean and covariance pairs, of which at least two can be partitioned into a potentially correlated part and an uncorrelated part. The target signal is transmitted, for example in the form of a mean and covariance pair, so as to enable a response of a physical system receiving the target signal.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Bestimmung einer Navigationsinformation für ein, vorzugsweise bewegtes, Objekt, insbesondere Fahrzeug oder Flugzeug, anhand von Quellsignalen zumindest zweier Sensoren, die Informationen über einen Navigationszustand des Objektes liefern, mit den Schritten, 1. A method for determining navigation information for a, preferably moving, object, in particular vehicle or aircraft, based on source signals of at least two sensors, which provide information about a navigation state of the object, with the steps of
• Erfassen (46) der Quellsignale in Form von Mittelwert- und Kova- rianzpaaren; • detecting (46) the source signals in the form of mean and covariance pairs;
• Festlegen (52) von Partitionen für zumindest zwei Quellsignale; • determining (52) partitions for at least two source signals;
• Ermitteln optimaler Gewichte (54) für eine Skalierung der festgelegten Partitionen der zumindest zwei Quellsignale in einem definierten Koordinatenraum; • determining optimal weights (54) for scaling the fixed partitions of the at least two source signals in a defined coordinate space;
• Partitionieren und Skalieren (56) der zumindest zwei Quellsignale in potentiell korrelierte Bestandteile und unkorrelierten Bestandteile unter Verwendung der ermittelten Partitionen und Gewichte; Partitioning and scaling (56) the at least two source signals into potentially correlated components and uncorrelated components using the determined partitions and weights;
• Fusionieren (58) der partitionierten und skalierten Quellsignale unter Berücksichtigung der potentiell korrelierten Bestandteile, um ein fu- sioniertes Zielsignal zu erhalten; und Fusing (58) the partitioned and scaled source signals, taking into account the potentially correlated components, to obtain a fused target signal; and
• Ableiten der Navigationsinformation aus dem fusionierten Zielsignal. Deriving the navigation information from the merged target signal.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei welchem das Partitionieren und Skalieren (56) anhand unterschiedlicher Kovarianzmatrizen in den ermittelten Partitionen getrennt vorgenommen wird. The method of claim 1, wherein the partitioning and scaling (56) is performed separately using different covariance matrices in the determined partitions.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die Quellsignale erste Quellsignale, die empfangene Messwerte enthalten, und zweite Quellsignale, die gespeicherte, aus vorherigen Messwerten berechnete Schätzungen angeben, aufweisen. The method of claim 1 or 2, wherein the source signals include first source signals containing received measurements and second source signals indicating stored estimates calculated from previous samples.
4. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Partitionieren ein Zerlegen des Mittelwerts xt eines jeden Quellsignals /' in eine unbekannt korrelierte Partition xliCU und eine bekannt korrelierte Partition x ck umfasst und eine Kovarianzmatrix *« gebildet wird gemäß: The method of at least one of the preceding claims, wherein said partitioning comprises decomposing the mean value x t of each source signal / ' into an unknown correlated partition x liCU and a known correlated partition x ck and forming a covariance matrix *' according to:
~pxi,cuxi,cu pxi,cuxi,ck ~ p x i, cu x i, cu p x i, cu x i, ck
.pxi,ckxl,cu pxl,ckxl,ck. .p x i, ck x l, cu p x l, ck x l, ck.
und eine konservative Abschätzung des Quellsignals / bei unbekannter Korrelation pxucux u gegeben ist durch: wodurch sich das neue Verbundsystem aus Mittelwert- und Kovarianz- paaren ergibt mit: and a conservative estimate of the source signal / given unknown correlation p x ucu x u is given by: resulting in the new composite system of mean and covariance pairs with:
mit 0 < t < 1 und = 1, wobei K die Anzahl der Quellsignale bezeichnet. Der Mittelwert f und die Kovarianzmatrix PZZ des fusionierten Zielsignals berechnen sich zu: with 0 < t <1 and = 1, where K denotes the number of source signals. The mean value f and the covariance matrix P ZZ of the fused target signal are calculated as:
-1 -1
Η  Η
χκχί . . ρχκ κ. z, ρ χ κ χ ί. , ρ χ κ κ. z
χκ- wobei Η = [/ ... ι]τ ist und die Parameter als Funktion der Kovarianzmatrix PZZ berechnet werden. χ κ- where Η = [/ ... ι] τ and the parameters are calculated as a function of the covariance matrix P ZZ .
5. Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem die Parameter so bestimmt werden, dass die Kovarianzmatrix oder ein Unterblock der Kovarianzmatrix von minimaler Größe ist bezogen auf zumindest eines der arithmetischen Maße Determinante, Spur, gewichtete Lp-Norm und größter Eigenwert. 5. The method of claim 4, wherein the parameters are determined such that the covariance matrix or a sub-block of the covariance matrix of minimum size is at least one of the arithmetic measures determinant, track, weighted Lp norm, and largest eigenvalue.
6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem das fusionierte Zielsignal einen Navigationszustand eines Fahrzeugs, insbesondere eines Wasserfahrzeugs, angibt und eines oder mehrere der Quellsignale auf Messungen der Position und/oder Geschwindigkeit des Objektes beruhen. 6. The method according to at least one of claims 1 to 5, wherein the merged target signal indicates a navigation state of a vehicle, in particular a watercraft, and one or more of the source signals based on measurements of the position and / or speed of the object.
7. Vorrichtung zur Bestimmung einer Navigationsinformation für ein, vorzugsweise bewegtes, Objekt, insbesondere Fahrzeug oder Flugzeug, anhand von Quellsignalen zumindest zweier Sensoren, die Informationen über einen Navigationszustand des Objektes liefern, mit 7. Device for determining navigation information for a, preferably moving, object, in particular vehicle or aircraft, based on source signals of at least two sensors that provide information about a navigation state of the object with
• einer Empfangseinrichtung (71) zum Empfangen der Quellsignale (Qi) der zumindest zwei Sensoren; A receiving device (71) for receiving the source signals (Qi) of the at least two sensors;
• einer Erfassungseinrichtung (72) zum Erfassen der Quellsignale in Form von Mittelwert- und Kovarianzpaaren; • einer ersten Festlegungseinrichtung (73) zur Festlegung von Partitionen für zumindest zwei Quellsignale; • detection means (72) for detecting the source signals in the form of mean and covariance pairs; A first fixing device (73) for defining partitions for at least two source signals;
• einer zweiten Festlegungseinrichtung (74) zur Ermittlung von optimalen Gewichten für eine Skalierung der erhaltenen Partitionen der zumindest zwei Quellsignale in einem definierten Koordinatenraum; Second determining means (74) for determining optimal weights for scaling the obtained partitions of the at least two source signals in a defined coordinate space;
• einer Signalverarbeitungseinrichtung (75) zur Partitionierung und Skalierung der zumindest zwei Quellsignale in potentiell korrelierte Bestandteile und unkorrelierten Bestandteile unter Verwendung der von der Ermittlungseinrichtung ermittelten Partitionen und Gewichte; und • signal processing means (75) for partitioning and scaling the at least two source signals into potentially correlated components and uncorrelated components using the partitions and weights determined by the determining means; and
• einer Auswerteeinrichtung (76) zum Fusionieren der partitionierten und skalierten Quellsignale unter Berücksichtigung der potentiell korrelierten Bestandteile, um ein fusioniertes Zielsignal zu erhalten, und zum Ableiten von Navigationsinformationen aus dem fusionierten Zielsignal. An evaluation means (76) for fusing the partitioned and scaled source signals, taking into account the potentially correlated components, to obtain a fused target signal and for deriving navigation information from the fused target signal.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei welchem die Quellsignale (Qi) erste Quellsignale, die empfangene Messwerte enthalten, und zweite Quellsignale, die gespeicherte, aus vorherigen Messwerten berechnete Schätzungen angeben, aufweisen. The apparatus of claim 7, wherein the source signals (Qi) include first source signals that include received measurements and second source signals that indicate stored estimates calculated from previous samples.
9. Navigationssystem mit einer Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8. 9. Navigation system with a device according to claim 7 or 8.
10. Navigationssystem nach Anspruch 9, bei welchem das gewonnene fusionierte Zielsignal einem physikalischen System zugeführt wird und eine Reaktion des physikalischen Systems auf das gewonnene Zielsignal erfolgt. 10. Navigation system according to claim 9, wherein the obtained fused target signal is supplied to a physical system and a reaction of the physical system takes place on the obtained target signal.
11. Navigationssystem nach Anspruch 10, bei welchem das physikalische System ein System zur dynamischen Positionierung eines Fahrzeugs, zur Waffenleitung für Fahrzeuge oder ein System zur Kurs- oder Bahn- oder Geschwindigkeits- oder Tiefen- oder Lageregelung aufweist. 11. The navigation system of claim 10, wherein the physical system is a system for dynamically positioning a vehicle, to Weapons line for vehicles or a system for course or train or speed or depth or position control has.
12. Navigationssystem nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 10, bei welchem das fusionierte Zielsignal einen Navigationszustand eines Fahrzeugs, insbesondere eines Wasserfahrzeugs, angibt und eines oder mehrere der Quellsignale (Qi) auf Messungen der Position und/oder Geschwindigkeit des Objektes beruhen. 12. Navigation system according to at least one of claims 9 to 10, wherein the merged target signal indicates a navigation state of a vehicle, in particular a watercraft, and one or more of the source signals (Qi) based on measurements of the position and / or speed of the object.
13. Navigationssystem nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 12, welches mindestens ein satellitengestütztes Navigationssystem und ein weiteres Navigationssystem, insbesondere ein Trägheitsnavigationssystem, um- fasst. 13. Navigation system according to at least one of claims 9 to 12, which at least one satellite-based navigation system and another navigation system, in particular an inertial navigation system, comprises.
14. Computerprogrammprodukt mit Codemitteln zum Erzeugen der Schritte nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6 bei dessen Ausführung auf einer Prozessoreinrichtung. 14. Computer program product with code means for generating the steps according to at least one of claims 1 to 6 in its execution on a processor device.
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