EP4655607A1 - Navigationsvorrichtung und verfahren zum bestimmen einer navigationslösung - Google Patents

Navigationsvorrichtung und verfahren zum bestimmen einer navigationslösung

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EP4655607A1
EP4655607A1 EP23833347.0A EP23833347A EP4655607A1 EP 4655607 A1 EP4655607 A1 EP 4655607A1 EP 23833347 A EP23833347 A EP 23833347A EP 4655607 A1 EP4655607 A1 EP 4655607A1
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EP
European Patent Office
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navigation device
frequency spectrum
navigation
received
speed
Prior art date
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Pending
Application number
EP23833347.0A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Pia Hertenstein
Tim Martin
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Northrop Grumman Litef GmbH
Original Assignee
Northrop Grumman Litef GmbH
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Filing date
Publication date
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Definitions

  • the present invention relates to a navigation device and a method for determining a navigation solution.
  • Inertial measurement units have long been used to create navigation solutions.
  • measurement data from various inertial sensors such as acceleration sensors or angular rate sensors, are used to determine the movement of the measurement unit in space, i.e. to find a navigation solution for the essentially unknown three-dimensional navigation of the measurement unit in space.
  • the measured acceleration or angular rate values represent second derivatives of the position with respect to time. Due to the integration of the measured values with respect to time, which is necessary to determine the navigation solution, the navigation solution of a purely inertial measuring unit becomes increasingly inaccurate and thus less reliable over time.
  • GNSS global navigation satellite systems
  • GNSS signals and the measurement data of the inertial measurement unit in an estimation filter that calculates (estimates) the next measured values and/or satellite signals based on previously available data and then compares them with the actually measured data. If there is a deviation between the estimated and measured data, the assumed state, i.e. the navigation solution and the resulting location, is corrected.
  • the amount of measurement information that can be processed in the estimation filter can also be increased. For example, an additional control of altitude errors in aircraft by comparing them with the results of a barometric altitude measurement is known.
  • the use of a Doppler radar system has been proposed, which allows the speed of the system to be determined from the Doppler shift of radar waves reflected from the earth's surface. Monitoring the speed, preferably in several independent viewing directions, allows a navigation solution that is independent of the inertial measurement, which can be used in the same way as the solution based on GNSS data to control and correct the inertial navigation solution.
  • Doppler radar systems typically ignores the fact that, due to the actual physical conditions in radar measurement, the reflected signal not only has a frequency shift, but also a frequency spectrum that is characteristic of the respective reflection situation. Instead, only a Doppler shift has been used up to now, namely the main component of maximum intensity visible in the frequency spectrum. As a result, the navigation solutions calculated using Doppler radar systems do not achieve the required accuracy to compensate for the failure of a GNSS signal, for example.
  • the object of the invention is therefore to provide a navigation device with an inertial measuring unit which can calculate a navigation solution using data generated by a speed measuring system, such as a Doppler radar system, which is sufficiently accurate to compensate for the temporary failure of a GNSS correction of the inertial measuring unit or to make the GNSS correction unnecessary.
  • a speed measuring system such as a Doppler radar system
  • a navigation device comprises an inertial measuring unit which is suitable for generating inertial measurement data, and a speed measuring system which is suitable for emitting at least one spatially focused, preferably electromagnetic, wave with a predetermined frequency and for generating a frequency spectrum of the waves on a reference object, in particular the earth's surface, wherein a Doppler shift of the predetermined frequency allows a speed of the navigation device in the direction of radiation relative to the reference object to be determined.
  • the navigation device further comprises an estimation filter, in particular a Kalman filter, which is suitable for using the inertial measurement data generated by the inertial measurement unit and the frequency spectrum received by the speed measurement system as input data in order to determine a navigation solution of the navigation device therefrom.
  • inertial measurement data such as acceleration measurements and yaw rate measurements
  • the estimation filter receives not only a single Doppler shift, i.e. a single speed value per speed measurement, but the entire frequency spectrum of the reflected wave (or the equivalent intensity distribution in the time domain). This allows the estimation filter to utilize all the information contained in the reflected wave, thereby increasing the accuracy of the achievable navigation solution.
  • the estimation filter may be suitable for calculating an estimated received frequency spectrum for a next point in time based on the navigation solution determined on the basis of the input data received so far, comparing the frequency spectrum actually received by the speed measuring system at this next point in time with the estimated received frequency spectrum and correcting the navigation solution based on deviations between the estimated and the actually received frequency spectrum, preferably in such a way that the deviations are reduced.
  • the state of the navigation device in space can be determined from the navigation solution determined so far. This in turn makes it possible to calculate the speed and direction of the speed measuring device in relation to the reference object. This then results in an intensity distribution and a frequency spectrum of the reflected wave.
  • conclusions can be drawn about incorrect assumptions regarding the state variables and/or system equations used by the estimation filter. In particular, differences between the position and speed values calculated by the estimation filter and the actual values will result in differences between the estimated and the actually measured frequency spectrum. Differences between estimated and actually measured frequency spectra can also occur in cases where the main component of maximum intensity visible in the frequency spectrum is the same in both spectra.
  • the speed measuring system can be suitable for emitting three spatially focused waves with a, possibly different, predetermined frequency onto the reference object, whereby the main beam directions of the three spatially focused waves are linearly independent and the estimation filter is suitable for using the frequency spectra of the reflections of all three waves as input data.
  • the movement in space can be recorded three-dimensionally using the speed measuring system.
  • the frequency spectra obtained in this way are therefore particularly suitable for improving the navigation solution in three-dimensional space.
  • the navigation device can further comprise an evaluation unit which is suitable for deriving state parameters from the received frequency spectrum which characterize the received frequency spectrum.
  • the state parameters include, in addition to the Doppler shift and/or the speed derived therefrom relative to the reference object, further parameters which characterize the received frequency spectrum.
  • the estimation filter is suitable for using the state parameters as input data for determining the navigation solution.
  • the Doppler shift of the emitted wave can be determined in the usual way from the main component of the frequency spectrum, ie the peak with the highest intensity.
  • other characteristic quantities are determined, such as the position of other peaks in the spectrum, the parameters of Gaussian fits at different peaks, the intensity distribution in the spectrum, the line width of different reflections and the like.
  • the navigation device can also be suitable for receiving signals from a global navigation satellite system, GNSS, and the estimation filter can be suitable for using the GNSS signals as input data for determining the navigation solution.
  • GNSS position data is also available to support the navigation solution. This further increases the accuracy and reliability of the navigation solution.
  • the estimation filter can be suitable for determining the navigation solution based on the inertial measurement data and the GNSS signals when the GNSS signals are received, and based on the inertial measurement data and the received frequency spectrum when no GNSS signals can be received.
  • the speed measurement data then serve to bridge a temporary failure of the GNSS signal. In this way, the inertial measurement data can be used to calculate a reliable navigation solution even when no GNSS position data is available, since the error accumulation can be kept within a sufficiently small range by using the frequency data.
  • the speed measuring system can be a radar system that emits electromagnetic waves in the radio range, ie a Doppler radar system.
  • the speed measuring system can also be a lidar system that emits laser light.
  • the wavelength can depend on the area of application and can be in the UV range, the visible range or the IR range, for example. In principle, however, the speed measurement can be carried out with any device. which emits waves whose reflection can be measured.
  • electromagnetic waves and in particular radar waves to which reference is mainly made in the present description
  • sound waves in particular can also be used.
  • An aircraft in particular an autonomously flying aircraft, can be provided with a navigation device as described above, wherein the aircraft is suitable for control based on the navigation solution generated by the navigation device.
  • the aircraft can be suitable for use in urban airspace. Due to its high reliability and accuracy, the navigation device enables safer control of an aircraft, either by providing reliable information to a pilot in poor or limited visibility or by fully autonomous control of the aircraft based on the navigation solution.
  • a method for determining a navigation solution by means of a navigation device as described above comprises: generating inertial measurement data by the inertial measuring unit; emitting at least one spatially focused wave with a predetermined frequency by the speed measuring system; receiving a frequency spectrum of the wave reflected from a reference object, in particular the earth's surface, by the speed measuring system, wherein a Doppler shift of the predetermined frequency allows a speed of the navigation device in the radiation direction relative to the reference object to be determined; determining a navigation solution of the navigation device by the estimation filter by using the inertial measurement data generated by the inertial measuring unit and the frequency spectrum received from the speed measuring system as input data of the estimation filter.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a navigation device
  • Fig. 2 is a schematic representation of frequency spectra
  • Fig. 3 is a schematic flow diagram of a calculation of navigation solutions
  • Fig. 4 is a schematic representation of an aircraft with a navigation device
  • Fig. 5 is a schematic representation of a parameterization of a frequency spectrum
  • Fig. 6 is another schematic representation of a navigation device.
  • Fig. 7 is a schematic flow diagram of a method for determining a navigation solution.
  • Fig. 1 schematically shows a navigation device 100 that moves relative to a reference object 200.
  • the navigation device 100 is attached to a vehicle, i.e. an aircraft, land vehicle or water vehicle, for example.
  • the navigation device 100 is able to determine its previous movements through space from measurement data, i.e. the navigation device 100 determines a navigation solution of its previous movements or the movements of the vehicle to which it is attached.
  • the navigation device 100 has an inertial measuring unit 110, a speed measuring system 120 and an estimation filter 130, which is optionally part of an evaluation unit 140 or is in data exchange with such an evaluation unit 140.
  • the inertial measuring unit 110 is suitable for generating inertial measurement data, i.e. measurement data that is caused by the inertia of the mass of the navigation device or its components with respect to movements in space.
  • the inertial measuring unit 110 is suitable for measuring accelerations along at least one of the three spatial directions and rotation rates of rotations about at least one of the three spatial axes.
  • the inertial measuring unit 110 can be designed in a known manner, e.g. as a micro-electro-mechanical acceleration/rotation rate sensor as a fiber optic gyroscope or the like.
  • the decisive factor here is that the inertial measuring unit 110 records measurement data that in principle allow the movements of the navigation device 100 in space to be calculated back, ie which allow a - albeit possibly inaccurate - navigation solution to be determined.
  • the speed measuring system 120 is suitable for emitting at least one spatially focused, preferably electromagnetic, wave R with a predetermined frequency and for receiving a frequency spectrum of the wave reflected from the reference object 200, preferably the earth's surface. A speed of the navigation device in the direction of emission relative to the reference object 200 can then be determined from a Doppler shift of the predetermined frequency.
  • the speed measuring system 120 is therefore suitable in a manner known per se for exploiting the Doppler effect in order to determine the relative movement between the navigation device 100 and the reference object 200 from the frequency of a reflected signal.
  • the reference object 200 can be considered to be stationary with regard to the speeds of the navigation device.
  • the reference object 200 can be the earth's surface or an elevation on the earth's surface, such as a mountain, a building or a tower, if the navigation device 100 is moving outdoors.
  • the reference object 200 can also be a part of a building or a piece of furniture if the movement takes place in a building or the like. In principle, the reference object 200 can also move itself.
  • the navigation device 100 must then be provided with the navigation solution of the reference object 200 in order to determine its speed from the relative speed to the reference object.
  • the nature of the wave emitted by the speed measuring system 120 is in principle arbitrary and can be adapted to the intended use of the navigation device 100, as long as a emitted signal of a predetermined frequency makes it possible to determine a relative speed with respect to the reflection source from the reflected signal via the Doppler effect.
  • the speed measuring system 120 is a Doppler radar system that emits radar waves of a certain frequency. Lidar systems that emit a laser beam are also conceivable. and capture the reflection of this beam. Sound waves can also be used.
  • the speed measuring system 120 does not measure a single reflection frequency corresponding to the emission frequency, shifted according to the Doppler effect. Rather, the emitted wave R is reflected at different angles from different objects. This results in different Doppler shifts for the different reflection angles, which are reflected as frequency components in the overall signal.
  • the shape of the antenna diagram, the different distances to the reference object within the radar beam and other effects can contribute to this.
  • the frequency spectrum F of these different signals is generated from the temporal progression of the reflection intensity in the usual way, e.g. by a Fourier transformation, such as a discrete Fourier transformation or a fast Fourier transformation.
  • Fig. 2 An example of such a frequency spectrum is shown in Fig. 2.
  • the upper figure of Fig. 2 shows a frequency spectrum F in which the Doppler shift f is plotted against the intensity. Although the actual frequency shift is clearly visible at around 5 kHz, the frequency spectrum F has other, clearly visible components.
  • the lower part of Fig. 2 shows various components of the spectrum F that have been normalized to the same maximum value.
  • the frequency spectrum F also contains a component E that can be traced back to the distance and a component res that can be traced back to the radar cross section (res).
  • the frequency spectrum F therefore contains a variety of other information in addition to pure speed information.
  • the estimation filter 130 which can in particular be a Kalman filter, uses the inertial measurement data generated by the inertial measurement unit 110 and the frequency spectrum received by the speed measurement system 120 as input data in order to determine a navigation solution of the navigation device 100 therefrom.
  • the estimation filter 130 essentially works in a manner known per se, ie based on known state values, states are estimated for the next journal, which can then be compared with actually measured values. From this comparison, changes are made to the system state that bring the estimate into better agreement with the measured values and the process is iterated.
  • a navigation solution for the current period is calculated at S120, which indicates the movement of the navigation device 100, preferably in three-dimensional space. Based on this, the states for the next period are estimated at S130. These allow, among other things, an expected frequency spectrum to be calculated.
  • a query is made as to whether a new frequency spectrum can be made available by the speed measuring system. If this is not the case (N), the method continues with step S120. If a new frequency spectrum is available (Y), the estimated spectrum is compared with the measured spectrum at S150 and the result of the comparison at S120 is incorporated into the calculation of the navigation solution.
  • the estimation filter 130 is therefore suitable for calculating an estimated received frequency spectrum for a next point in time based on the navigation solution determined on the basis of the input data received so far, comparing the frequency spectrum F actually received by the speed measuring system at this point in time with the estimated received frequency spectrum and correcting the navigation solution based on deviations between the estimated and the actually received frequency spectrum, preferably in such a way that the deviations are reduced.
  • the speed measuring system 120 is suitable for emitting three spatially focused waves with a, possibly different, predetermined frequency onto the reference object 200, wherein the main beam directions of the three spatially focused waves are linearly independent. Such an arrangement is shown as an example in Fig. 4.
  • an aircraft 300 carries the navigation device 100, which is equipped with a speed measurement system 120 constituted as a Doppler radar system.
  • the aircraft 300 can be a conventional aircraft such as an airplane or a helicopter.
  • the aircraft 300 can also be an autonomously or partially autonomously flying aircraft that navigates predominantly or exclusively using the navigation solution determined by the navigation device 100.
  • the aircraft 300 can be suitable for use in urban areas.
  • the Doppler radar sends out four radar waves R1, R2, R3, R4 towards the earth's surface, which are reflected from there.
  • the radar waves R1, R2, R3, R4 are preferably sent out and received at different times, are coded differently, modulated or have frequencies that differ from one another so much that the received reflections can be assigned to the respective waves.
  • the total spectrum of all reflections can also be further processed.
  • each triplet of radar waves is linearly independent. This means that movements in all three spatial directions can be read from the radar waves. It goes without saying that exactly three waves can be used instead of four, and that the use of more than four waves is also possible.
  • the estimation filter 130 uses the frequency spectra of the reflections of all electromagnetic waves as input data. This further expands the parameter space for the estimation filter 130, which can further improve reliability and accuracy. In particular, by estimating and comparing a plurality of frequency spectra or their superposition(s) in the estimation filter 130, errors in the estimated states used can be more easily identified and thus the navigation solution can be brought into line with the actual movement.
  • the navigation device 100 can optionally have an evaluation unit 140 that is suitable for deriving state parameters from received frequency spectra that characterize the received frequency spectrum.
  • the evaluation unit 140 can be a hardware or software component.
  • the evaluation unit 140 can be a computer, a processor, a circuit or a program executed on one of these components.
  • the state parameters identified by the evaluation unit 140 have, in addition to the Doppler shift and/or the speed derived from it relative to the reference object 200, other parameters that characterize the received frequency spectrum.
  • the state parameters therefore represent a characterization of the frequency spectrum F that lies between the full spectrum, i.e. the full information, and the speed that can be derived from it, i.e. the minimum information.
  • fixed working parameters can be made available to the estimation filter 130. This can reduce the computational effort for estimation and comparison compared to the full spectrum.
  • the estimation filter 130 receives more information than the pure speed information, which can improve the accuracy and reliability of the navigation solution.
  • Fig. 2 An example of such a parameterization is shown in Fig. 2, where the entire spectrum was broken down into individual components that parameterize the spectrum.
  • Fig. 5 Another example is shown in which two Gaussian curves were fitted to the spectrum F.
  • Curve P1 with its mean and standard deviation, represents a parameterization of the Doppler shift.
  • Curve P2 with its mean and standard deviation, represents a parameterization of the majority of the other causes of the shape of the spectrum. In this way, an attempt can be made to describe the complete spectrum essentially with a set of state parameters.
  • the estimation filter 130 is suitable for using these state parameters as input data for determining the navigation solution. This means that the complete spectra are no longer estimated and compared, but only the state parameters of the spectra. This reduces the computational effort and, due to the fact that a plurality of parameters derived from the frequency spectrum, still leads to a reliable and accurate solution.
  • the navigation device 100 can also be suitable for receiving signals from a global navigation satellite system, GNSS, 400, e.g. via a communication unit 150. These GNSS signals can also be fed to the estimation filter 130 in a manner known per se, which then uses them to determine the navigation solution. This makes the navigation solution more accurate and reliable, since in addition to acceleration data (inertial measuring unit 110) and speed data (speed measuring system 120), position data (GNSS 400) is also available. This position data can be estimated in a manner known per se and compared with the actually measured position in order to correct the system equation or the navigation solution and bring it into line with the actual movement.
  • GNSS 400 position data
  • the estimation filter 130 may be suitable for determining the navigation solution based on the inertial measurement data and the GNSS signals when the GNSS signals are received. This generates a reliable and accurate navigation solution according to the typical requirements. If no GNSS signals can be received during a certain period of time, the estimation filter 130 determines the navigation solution based on the inertial measurement data and the received frequency spectrum.
  • the frequency data is used to bridge a period in which GNSS reception is not possible.
  • the navigation solution can be supported by measurement data that differs from the inertial measurement data and can therefore be kept within an accuracy range that meets typical requirements.
  • measurement data inertial measurement, speed determination, position determination
  • a highly accurate and reliable navigation solution can be determined. If certain measurement data fail, such as the GNSS signal, this extends the time until the quality of the navigation solution is no longer acceptable, in contrast to conventional operation. This time is increased even further by using the information from the received frequency spectrum. This increases the reliability of the overall system, as GNSS failures can be compensated for.
  • a method corresponding to the above description for determining a navigation solution by means of a navigation device 100 is shown schematically in Fig. 7.
  • inertial measurement data are generated by the inertial measurement unit 110.
  • the speed measuring system 120 emits at least one spatially focused, preferably electromagnetic, wave with a predetermined frequency.
  • a frequency spectrum of the wave reflected from a reference object 200, in particular the earth's surface is received by the speed measuring system 120, wherein a Doppler shift of the predetermined frequency allows a speed of the navigation device 100 in the radiation direction relative to the reference object 200 to be determined.
  • a navigation solution of the navigation device 100 is determined by the estimation filter 130 by using the inertial measurement data generated by the inertial measurement unit 110 and the frequency spectrum received from the speed measurement system 120 as input data of the estimation filter 130.

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Abstract

Eine Navigationsvorrichtung (100) weist eine inertiale Messeinheit (110), die geeignet ist, inertiale Messdaten zu erzeugen, und ein Geschwindigkeitsmesssystem (120) auf, das geeignet ist, zumindest eine räumlich fokussierte, vorzugsweise elektromagnetische, Welle mit einer vorgegebenen Frequenz abzustrahlen und ein Frequenzspektrum der an einem Referenzobjekt (200), insbesondere der Erdoberfläche, reflektierten Welle zu empfangen, wobei eine Dopplerverschiebung der vorgegebenen Frequenz erlaubt, eine Geschwindigkeit der Navigationsvorrichtung in Abstrahlrichtung gegenüber dem Referenzobjekt (200) zu bestimmen. Die Navigationsvorrichtung (100) weist auch ein Schätzfilter (130) auf, insbesondere ein Kalmanfilter, das geeignet ist, die von der inertialen Messeinheit (110) erzeugten inertialen Messdaten und das von dem Geschwindigkeitsmesssystem (120) empfangene Frequenzspektrum als Eingangsdaten zu verwenden, um daraus eine Navigationslösung der Navigationsvorrichtung (100) zu bestimmen.

Description

Navigationsvorrichtung und Verfahren zum Bestimmen einer Navigationslösung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Navigationsvorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen einer Navigationslösung.
Inertiale Messeinheiten werden seit langem für die Erstellung von Navigationslösungen verwendet. In derartigen inertialen Messeinheiten werden Messdaten verschiedener Iner- tialsensoren, wie etwa Beschleunigungssensoren oder Drehratensensoren, verwendet, um die Bewegung der Messeinheit im Raum zu bestimmen, d.h. eine Navigationslösung für die an sich unbekannte dreidimensionale Navigation der Messeinheit im Raum zu finden.
Die gemessenen Beschleunigungs- oder Drehratenwerte stellen zweite Ableitungen des Ortes nach der zeit dar. Durch die für die Bestimmung der Navigationslösung notwendige Integration der Messwerte nach der Zeit, wird die Navigationslösung einer reinen inertialen Messeinheit mit der Zeit immer ungenauer und damit unzuverlässiger.
Es ist bekannt, dieses Problem dadurch zu umgehen, dass die inertiale Navigationslösung zu bestimmten Zeiten mit alternativen Positionsdaten abgeglichen wird, um bisher kumulierte Fehler zu reduzieren. Stand der Technik ist hier die Bezugnahme auf globale Navigationssatellitensysteme, GNSS, wie GPS, Glonass, Galileo und dergleichen. Diese geben theoretisch eine exakte Position der Messeinheit, bzw. des die Messeinheit tragenden Fahrzeugs wieder, mit der sich kumulierende Fehler der inertialen Messeinheit kompensiert werden können.
Ebenfalls bekannt ist es, GNSS Signals und die Messdaten der inertialen Messeinheit in einem Schätzfilter zu kombinieren, das anhand von bisher verfügbaren Daten die nächsten Messwerte und/oder Satellitensignale berechnet (schätzt) und hierauf mit den tatsächlich gemessenen Daten vergleicht. Bei einer Abweichung von geschätzten und gemessenen Daten erfolgt eine Korrektur des angenommenen Zustands, d.h. der Navigationslösung und des daraus resultierenden Ortes.
Die Menge der Messinformationen, die in dem Schätzfilter verarbeitet werden können, kann dabei auch vergrößert werden. Bekannt ist z.B. eine zusätzliche Kontrolle von Höhenfehlern in Luftfahrzeugen durch Vergleich mit den Ergebnissen einer barometrischen Höhenmessung. Auch ist der Versuch bekannt, die Korrektur der inertialen Navigationslösung unabhängig von der Verfügbarkeit von GNSS zu erreichen. Neben der Kombination von verschiedenen Sensoren, wie Barometern, Magnetometern, Odometern, und/oder Kameras wurde insbesondere die Verwendung eines Dopplerradarsystems vorgeschlagen, das es erlaubt, die Geschwindigkeit des Systems aus der Dopplerverschiebung von an der Erdoberfläche reflektierten Radarwellen zu bestimmen. Die Überwachung der Geschwindigkeit, vorzugsweise in mehrere, unabhängige Blickrichtungen, erlaubt hierbei eine von der Inertialmessung unabhängige Navigationslösung, die ebenso wie die auf GNSS Daten basierende Lösung zur Kontrolle und Korrektur der inertialen Navigationslösung verwendet werden kann.
Bei der oben beschriebenen Verwendung von Dopplerradarsystemen wird aber typischer Weise außer Acht gelassen, dass aufgrund der tatsächlich gegebenen physikalischen Rahmenbedingungen bei der Radarmessung das reflektierte Signal nicht nur eine Frequenzverschiebung aufweist, sondern sich ein für die jeweilige Reflexionssituation charakteristisches Frequenzspektrum ausbildet. Vielmehr wurde bisher nur auf eine Dopplerverschiebung abgestellt, nämlich auf die im Frequenzspektrum sichtbare Hauptkomponente maximaler Intensität. Dadurch erreichen die mittels Dopplerradarsystemen errechneten Navigationslösungen nicht die erforderliche Genauigkeit, um etwa den Ausfall eines GNSS Signals kompensieren zu können.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Navigationsvorrichtung mit einer inertialen Messeinheit bereitzustellen, die mittels eines Geschwindigkeitsmesssystems, wie etwa einem Dopplerradarsystem, erzeugten Daten, eine Navigationslösung berechnen kann, die ausreichend genau ist, um den vorübergehenden Ausfall einer GNSS- Korrektur der inertialen Messeinheit zu kompensieren bzw. die GNSS-Korrektur unnötig machen kann.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Insbesondere weist eine Navigationsvorrichtung eine inertiale Messeinheit, die geeignet ist, inertiale Messdaten zu erzeugen, und ein Geschwindigkeitsmesssystem auf, das geeignet ist, zumindest eine räumlich fokussierte, vorzugsweise elektromagnetische, Welle mit einer vorgegebenen Frequenz abzustrahlen und ein Frequenzspektrum der an einem Referenzobjekt, insbesondere der Erdoberfläche, reflektierten Welle zu empfangen, wobei eine Dopplerverschiebung der vorgegebenen Frequenz erlaubt, eine Geschwindigkeit der Navigationsvorrichtung in Abstrahlrichtung gegenüber dem Referenzobjekt zu bestimmen. Die Navigationsvorrichtung weist des Weiteren ein Schätzfilter auf, insbesondere ein Kaimanfilter, das geeignet ist, die von der inertialen Messeinheit erzeugten inertialen Messdaten und das von dem Geschwindigkeitsmesssystem empfangene Frequenzspektrum als Eingangsdaten zu verwenden, um daraus eine Navigationslösung der Navigationsvorrichtung zu bestimmen.
In der Navigationsvorrichtung werden also in an sich bekannter Weise inertiale Messdaten, wie z.B. Beschleunigungsmessungen und Drehratenmessungen, in ein Schätzfilter eingegeben, um daraus eine Navigationslösung zu generieren. Zusätzlich erhält das Schätzfilter aber nicht nur eine einzelne Dopplerverschiebung, d.h. einen einzelnen Geschwindigkeitswert pro Geschwindigkeitsmessung, sondern das gesamte Frequenzspektrum der reflektierten Welle (bzw. die äquivalente Intensitätsverteilung in der Zeit-Domäne). Dies erlaubt es dem Schätzfilter, sämtliche in der reflektierten Welle enthaltene Information zu verwerten, wodurch sich die Genauigkeit der erzielbaren Navigationslösung erhöht.
Das Schätzfilter kann geeignet sein, anhand der basierend auf den bisher erhaltenen Eingangsdaten bestimmten Navigationslösung ein geschätztes, empfangenes Frequenzspektrum für einen nächsten Zeitpunkt zu berechnen, das tatsächlich an diesem nächsten Zeitpunkt von dem Geschwindigkeitsmesssystem empfangene Frequenzspektrum mit dem geschätzten, empfangenen Frequenzspektrum zu vergleichen und basierend auf Abweichungen zwischen dem geschätzten und dem tatsächlich empfangenen Frequenzspektrum die Navigationslösung zu korrigieren, vorzugsweise derart, dass die Abweichungen reduziert werden.
Aus der bisher bestimmten Navigationslösung lässt sich der Zustand der Navigationsvorrichtung im Raum bestimmen. Dies ermöglicht es wiederum, die Geschwindigkeit und Richtung der Geschwindigkeitsmessvorrichtungin Bezug auf das Referenzobjekt zu berechnen. Daraus ergibt sich dann eine Intensitätsverteilung und ein Frequenzspektrum der reflektierten Welle. Vergleicht man dieses geschätzte Frequenzspektrum mit dem tatsächlich gemessenen Frequenzspektrum, lassen sich Rückschlüsse auf Fehlannahmen hinsichtlich der durch den Schätzfilter verwendeten Zustandsgrößen und/oder Systemgleichungen ziehen. Insbesondere werden Unterschiede zwischen den vom Schätzfilter berechneten Positionsund Geschwindigkeitswerten und den tatsächlichen Werten sich in Unterschieden zwischen dem geschätzten und dem tatsächlich gemessenen Frequenzspektrum niederschlagen. Unterschiede zwischen geschätzten und tatsächlich gemessenen Frequenzspektren können hierbei auch in Fällen auftreten, in denen die im Frequenzspektrum sichtbare Hauptkomponente maximaler Intensität in beiden Spektren gleich ist.
Damit ist die Verwendung des gesamten Frequenzspektrums ein besserer Hinweis auf eine fehlerhafte Navigationslösung als die Verwendung einer einzelnen Frequenzkomponente. Das Frequenzspektrum bietet also einen verlässlichen Hinweis auf derartige Unterschiede und kann für verbesserte Korrekturen der vom Schätzfilter verwendeten Zustandsgrößen eingesetzt werden. Auf diese Weise erhöht sich die Verlässlichkeit und Genauigkeit der Navigationsvorrichtung.
Das Geschwindigkeitsmesssystem kann geeignet sein, drei räumlich fokussierte Wellen mit einer, gegebenenfalls unterschiedlichen, vorgegebenen Frequenz auf das Referenzobjekt abzustrahlen, wobei die Hauptstrahlrichtungen der drei räumlich fokussierten Wellen linear unabhängig sind und das Schätzfilter geeignet ist, die Frequenzspektren der Reflexionen aller drei Wellen als Eingangsdaten zu verwenden. Auf diese Weise kann die Bewegung im Raum mittels des Geschwindigkeitsmesssystems dreidimensional erfasst werden. Die auf diese Weise erhaltenen Frequenzspektren sind also besonders dafür geeignet, die Navigationslösung im dreidimensionalen Raum zu verbessern.
Die Navigationsvorrichtung kann des Weiteren eine Auswerteeinheit umfassen, die geeignet ist, aus dem empfangenen Frequenzspektrum Zustandsparameter abzuleiten, die das empfangene Frequenzspektrum charakterisieren. Hierbei umfassen die Zustandsparameter neben der Dopplerverschiebung und/oder der daraus abgeleiteten Geschwindigkeit gegenüber dem Referenzobjekt weitere das empfangene Frequenzspektrum charakterisierende Parameter. Das Schätzfilter ist hierbei geeignet, die Zustandsparameter ais Eingangsdaten für die Bestimmung der Navigationslösung zu verwenden.
Anstatt das gesamte Frequenzspektrum zu verwenden, kann es also auch ausreichend sein, dieses durch einen Satz von Parametern zu charakterisieren und diese Parameter in das Schätzfilter einzugeben. So kann z.B. aus der Hauptkomponente des Frequenzspektrums, d.h. dem Peak mit der größten Intensität, in bekannter Weise die Dopplerverschiebung der ausgestrahlten Welle bestimmt werden. Daneben werden aber noch weitere charakteristische Größen ermittelt, wie z.B. die Lage von weiteren Peaks im Spektrum, die Parameter von Gauß- Fits an verschiedenen Peaks, die Intensitätsverteilung im Spektrum, die Linienbreite verschiedener Reflexionen und dergleichen. Durch die Auswahl aussagekräftiger Parameter kann die Bestimmung der Navigationslösung im Schätzfilter einfacher und damit schneller erfolgen. Da neben der Dopplerverschiebung auch noch weitere Parameter des Spektrums berücksichtigt werden, erhöht sich aber dennoch die Genauigkeit und Verlässlichkeit gegenüber bekannten Systemen.
Die Navigationsvorrichtung kann zudem geeignet sein, Signale eines globalen Navigationssatellitensystems, GNSS, zu empfangen und das Schätzfilter kann geeignet sein, die GNSS Signale als Eingangsdaten für die Bestimmung der Navigationslösung zu verwenden. In diesem Fall stehen neben den inertialen Messdaten und den Geschwindigkeitsmessdaten auch GNSS Positionsdaten zur Verfügung, um die Navigationslösung zu stützen. Dies steigert die Genauigkeit und Verlässlichkeit der Navigationslösung weiter.
Hierbei kann das Schätzfilter geeignet sein, die Navigationslösung basierend auf den inertialen Messdaten und den GNSS Signalen zu bestimmen, wenn die GNSS Signale empfangen werden, und basierend auf den inertialen Messdaten und dem empfangenen Frequenzspektrum, wenn keine GNSS Signale empfangen werden können. Die Geschwindigkeitsmessdaten dienen dann dazu, einen temporären Ausfall des GNSS Signals zu überbrücken. Auf diese Weise können die inertialen Messdaten auch dann zur Berechnung einer verlässlichen Navigationslösung verwendet werden, wenn keine GNSS Positionsdaten zur Verfügung stehen, da die Fehlerkumulation durch den Rückgriff auf die Frequenzdaten in einem ausreichend geringen Bereich gehalten werden kann.
Das Geschwindigkeitsmesssystem kann hierbei ein Radarsystem sein, das elektromagnetische Wellen im Radiobereich abstrahlt, d.h. ein Dopplerradarsystem. Das Geschwindigkeitsmesssystem kann aber auch ein Lidarsystem sein, das Laserlicht abstrahlt. Die Wellenlänge kann hierbei vom Einsatzgebiet abhängen und z.B. im UV-Bereich, im sichtbaren Bereich oder im IR-Bereich liegen. Die Geschwindigkeitsmessung kann aber im Prinzip mit jedem Gerät vorgenommen werden, das Wellen aussendet, deren Reflexion gemessen werden kann. Neben elektromagnetischen Wellen und insbesondere Radarwellen, auf die in der vorliegenden Beschreibung hauptsächlich Bezug genommen wird, können aber insbesondere auch Schallwellen verwendet werden.
Ein Luftfahrzeug, insbesondere ein autonom fliegendes Luftfahrzeug, kann mit einer Navigationsvorrichtung wie sie oben beschrieben wurde versehen sein, wobei das Luftfahrzeug geeignet ist, basierend auf der von der Navigationsvorrichtung erzeugten Navigationslösung zu steuern. Das Luftfahrzeug kann für den Einsatz im urbanen Luftraum geeignet sein. Aufgrund ihrer hohen Verlässlichkeit und Genauigkeit ermöglicht die Navigationsvorrichtung eine sicherere Steuerung eines Luftfahrzeugs, entweder durch verlässliche Informationen für einen Piloten bei schlechter oder eingeschränkter Sicht oder durch eine vollautonome Steuerung des Luftfahrzeugs anhand der Navigationslösung
Ein Verfahren zum Bestimmen einer Navigationslösung mittels einer Navigationsvorrichtung wie sie oben beschrieben wurde umfasst: Erzeugen von inertialen Messdaten durch die iner- tiale Messeinheit; Abstrahlen zumindest einer räumlich fokussierten Welle mit einer vorgegebenen Frequenz durch das Geschwindigkeitsmesssystem; Empfangen eines Frequenzspektrums der an einem Referenzobjekt, insbesondere der Erdoberfläche, reflektierten Welle durch das Geschwindigkeitsmesssystem, wobei eine Dopplerverschiebung der vorgegebenen Frequenz erlaubt, eine Geschwindigkeit der Navigationsvorrichtung in Abstrahlrichtung gegenüber dem Referenzobjekt zu bestimmen; Bestimmen einer Navigationslösung der Navigationsvorrichtung durch das Schätzfilter durch Verwenden der von der inertialen Messeinheit erzeugten inertialen Messdaten und des vom Geschwindigkeitsmesssystem empfangene Frequenzspektrum als Eingangsdaten des Schätzfilters.
Die Erfindung wird im Folgenden mit Bezug auf die Figuren im Detail beschrieben. Die folgende Beschreibung ist rein beispielhaft und soll nicht als einschränkend verstanden werden. Die vorliegende Erfindung ist allein durch den Gegenstand der Ansprüche definiert. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Navigationsvorrichtung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung von Frequenzspektren; Fig. 3 ein schematisches Ablaufdiagram einer Berechnung von Navigationslösungen;
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Luftfahrzeuges mit einer Navigationsvorrichtung;
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Parametrisierung eines Frequenzspektrums;
Fig. 6 eine weitere schematische Darstellung einer Navigationsvorrichtung; und
Fig. 7 ein schematisches Ablaufdiagram eines Verfahrens zum Bestimmen einer Navigationslösung.
Die Fig. 1 zeigt schematisch eine Navigationsvorrichtung 100, die sich gegenüber einem Referenzobjekt 200 bewegt. Die Navigationsvorrichtung 100 ist hierbei z.B. an einem Fahrzeug, d.h. eine Luft-, Land- oder Wasserfahrzeug befestigt. Die Navigationsvorrichtung 100 ist in der Lage, ihre bisherigen Bewegungen durch den Raum aus Messdaten zu bestimmen, d.h. die Navigationsvorrichtung 100 bestimmt eine Navigationslösung ihrer bisherigen Bewegungen bzw. der Bewegungen des Fahrzeugs, an dem sie befestigt ist.
Zu diesem Zweck weist die Navigationsvorrichtung 100 eine inertiale Messeinheit 110, ein Geschwindigkeitsmesssystem 120 und ein Schätzfilter 130 auf, das optionaler Weise Teil einer Auswerteeinheit 140 ist oder mit einer derartigen Auswerteeinheit 140 in Datenaustausch steht.
Die inertiale Messeinheit 110 ist geeignet, inertiale Messdaten zu erzeugen, d.h. Messdaten, die durch die Trägheit der Masse der Navigationsvorrichtung bzw. ihrer Bestandteile gegenüber Bewegungen im Raum hervorgerufen werden. Insbesondere ist die inertiale Messeinheit 110 geeignet, Beschleunigungen entlang zumindest einer der drei Raumrichtungen und Drehraten von Drehungen, um zumindest eine der drei Raumachsen zu messen. Die inertiale Messeinheit 110 kann dabei in bekannter Weise ausgestaltet sein, z.B. als mikro-elektro-mecha- nischer Beschleunigungs-/Drehratensensor als Faserkreisel oder dergleichen. Ausschlaggebend ist hierbei, dass die inertiale Messeinheit 110 Messdaten aufzeichnet, die es im Prinzip erlauben, auf die Bewegungen der Navigationsvorrichtung 100 im Raum zurückzurechnen, d.h. die erlauben, eine - wenn auch gegebenenfalls ungenaue - Navigationslösung zu bestimmen.
Das Geschwindigkeitsmesssystem 120 ist geeignet, zumindest eine räumlich fokussierte, vorzugsweise elektromagnetische, Welle R mit einer vorgegebenen Frequenz abzustrahlen und ein Frequenzspektrum der an dem Referenzobjekt 200, vorzugsweise der Erdoberfläche, reflektierten Welle zu empfangen. Aus einer Dopplerverschiebung der vorgegebenen Frequenz kann dann eine Geschwindigkeit der Navigationsvorrichtung in Abstrahlrichtung gegenüber dem Referenzobjekt 200 bestimmt werden.
Das Geschwindigkeitsmesssystem 120 ist also in an sich bekannter Weise geeignet, den Dopplereffekt auszunutzen, um aus der Frequenz eines reflektierten Signals die Relativbewegung zwischen der Navigationsvorrichtung 100 und dem Referenzobjekt 200 zu bestimmen. Das Referenzobjekt 200 kann hierbei im Hinblick auf die Geschwindigkeiten der Navigationsvorrichtung als stillstehend betrachtet werden. Zum Beispiel kann es sich bei dem Referenzobjekt 200 um die Erdoberfläche oder eine Erhebung auf der Erdoberfläche, wie etwa einen Berg, ein Gebäude oder einen Turm handeln, wenn sich die Navigationsvorrichtung 100 im Freien bewegt. Das Referenzobjekt 200 kann aber auch ein Gebäudeteil oder ein Einrichtungsgegenstand sein, wenn die Bewegung in einem Gebäude oder dergleichen stattfindet. Das Referenzobjekt 200 kann sich im Prinzip auch selbst bewegen. Die Navigationsvorrichtung 100 muss dann aber mit der Navigationslösung des Referenzobjekts 200 versehen werden, um ihre Geschwindigkeit aus der Relativgeschwindigkeit gegenüber dem Referenzobjekt zu bestimmen.
Die Natur der von dem Geschwindigkeitsmesssystem 120 ausgesendeten Welle ist im Prinzip beliebig und kann dem Einsatzzweck der Navigationsvorrichtung 100 angepasst werden, solange ein ausgestrahltes Signal einer vorgegebenen Frequenz es ermöglicht, aus dem reflektierten Signal über den Dopplereffekt eine Relativgeschwindigkeit gegenüber der Reflexionsquelle zu ermitteln. Im Folgenden wird angenommen, dass es sich bei dem Geschwindigkeitsmesssystem 120 um ein Dopplerradarsystem handelt, das Radarwellen einer bestimmten Frequenz ausstrahlt. Ebenso denkbar sind auch Lidar-Systeme, die einen Laserstrahl aussenden und die Reflexion dieses Strahles einfangen. Des Weiteren können auch Schallwellen eingesetzt werden.
Das Geschwindigkeitsmesssystem 120 misst jedoch keine der Abstrahlfrequenz entsprechende, einzelne, dem Dopplereffekt gemäß verschobene Reflexionsfrequenz. Vielmehr wird die abgestrahlte Welle R unter verschiedenen Winkeln an verschiedenen Objekten reflektiert werden. Dadurch entstehen für die verschiedenen Rückstrahlwinkel jeweils unterschiedliche Dopplerverschiebungen, die sich als Frequenzanteile im Gesamtsignal niederschlagen. Die Form des Antennendiagramms, die unterschiedlichen Entfernungen zum Referenzobjekt innerhalb des Radarstrahls und weitere Effekte können hierzu einen Beitrag leisten. Das Frequenzspektrum F dieser verschiedenen Signale wird aus dem zeitlichen Verlauf der Reflexionsintensität in üblicher weise erzeugt, z.B. durch eine Fourier-Transformation etwa eine diskrete Fourier-Transformation oder eine Fast Fourier Transformation.
Ein Beispiel für ein derartiges Frequenzspektrums ist in der Fig. 2 dargestellt. Die Fig. 2 zeigt in der oberen Abbildung ein Frequenzspektrum F, in dem die Dopplerverschiebung f gegenüber der Intensität aufgetragen ist. Obwohl die eigentliche Frequenzverschiebung bei ca. 5 kHz gut zu sehen ist, weist das Frequenzspektrum F noch weitere, deutlich sichtbare Komponenten auf. Der untere Teil der Fig. 2 zeigt verschiedene Komponenten des Spektrums F, die auf den gleichen Maximalwert normalisiert wurden. Neben der eigentlichen Dopplerkennung D ist auch ein auf die Entfernung zurückführbarer Anteil E und ein auf den Radarquerschnitt (radar cross section, res) zurückführbarer Anteil res im Frequenzspektrum F enthalten. Das Frequenzspektrum F enthält also neben der reinen Geschwindigkeitsinformation noch eine Vielzahl weiterer Informationen.
Aus diesem Grund wird in der Navigationsvorrichtung 100 dem Schätzfilter 130 nicht nur die Frequenzverschiebung der Ausstrahlfrequenz bzw. die entsprechende Geschwindigkeitsinformation, sondern das gesamte Frequenzspektrum zur Verfügung gestellt. Von dem Schätzfilter 130, bei dem es sich insbesondere um ein Kaimanfilter handeln kann, werden die von der inertialen Messeinheit 110 erzeugten inertialen Messdaten und das von dem Geschwindigkeitsmesssystem 120 empfangene Frequenzspektrum als Eingangsdaten verwendet, um daraus eine Navigationslösung der Navigationsvorrichtung 100 zu bestimmen. Das Schätzfilter 130 arbeitet hier im Wesentlichen in an sich bekannter Weise, d.h. basierend auf bekannten Zustandswerten werden Zustände für den nächsten Zeitschrift geschätzt, die dann mit tatsächlich gemessenen Werten verglichen werden können. Aus diesem Vergleich werden Änderungen an dem Systemzustand angebracht, die die Schätzung in bessere Übereinstimmung mit den Messwerten bringen und der Vorgang wird iteriert.
Dies ist beispielhaft im Ablaufdiagram der Fig. 3 dargestellt. Nach der Initialisierung des Systems bei S110 wird bei S120 eine Navigationslösung für den aktuellen Zeitschrift berechnet, die die Bewegung der Navigationsvorrichtung 100 angibt, vorzugsweise im dreidimensionalen Raum. Basierend hierauf werden die Zustände für den nächsten Zeitschrift bei S130 geschätzt. Diese erlauben es unter anderem, ein zu erwartendes Frequenzspektrum zu berechnen. Bei S140 wird abgefragt, ob von dem Geschwindigkeitsmesssystem ein neues Frequenzspektrum zur Verfügung gestellt werden kann. Ist dies nicht der Fall (N), läuft das Verfahren mit dem Schritt S120 weiter. Ist ein neues Frequenzspektrum vorhanden (J), wird bei S150 das geschätzte mit dem gemessenen Spektrum verglichen und das Ergebnis des Vergleichs bei S120 in die Berechnung der Navigationslösung eingebracht.
Das Schätzfilter 130 ist also geeignet, anhand der basierend auf den bisher erhaltenen Eingangsdaten bestimmten Navigationslösung ein geschätztes, empfangenes Frequenzspektrum für einen nächsten Zeitpunkt zu berechnen, das tatsächlich an diesem Zeitpunkt von dem Geschwindigkeitsmesssystem empfangene Frequenzspektrum F mit dem geschätzten, empfangenen Frequenzspektrum zu vergleichen und basierend auf Abweichungen zwischen dem geschätzten und dem tatsächlich empfangenen Frequenzspektrum die Navigationslösung zu korrigieren, vorzugsweise derart, dass die Abweichungen reduziert werden.
Die Verarbeitung des gesamten Frequenzspektrums F anstatt nur der stärksten Frequenzkomponente bringt dabei einen Parametergewinn mit sich, der eine genauere Überprüfung der anhand der Systemgleichungen propagierten Zustände ermöglicht. Auf diese Weise erhöht sich die Genauigkeit und die Verlässlichkeit der berechneten Navigationslösung. Vorzugsweise ist das Geschwindigkeitsmesssystem 120 geeignet, drei räumlich fokussierte Wellen mit einer, gegebenenfalls unterschiedlichen, vorgegebenen Frequenz auf das Referenzobjekt 200 abzustrahlen, wobei die Hauptstrahlrichtungen der drei räumlich fokussierten Wellen linear unabhängig sind. Eine derartige Anordnung ist beispielhaft in der Fig. 4 gezeigt.
Hier trägt eine Luftfahrzeug 300 die Navigationsvorrichtung 100, die mit einem als Dopplerradarsystem konstituierten Geschwindigkeitsmesssystem 120 ausgestattet ist. Das Luftfahrzeug 300 kann hierbei ein konventionelles Luftfahrzeug wie ein Flugzeug oder ein Hubschrauber sein. Das Luftfahrzeug 300 kann aber auch ein autonom oder teilautonom fliegendes Luftfahrzeug sein, das überwiegend oder ausschließlich mittels der von der Navigationsvorrichtung 100 bestimmten Navigationslösung navigiert. Insbesondere kann das Luftfahrzeug 300 für den Einsatz im urbanen Raum geeignet sein.
Das Dopplerradar sendet beispielsweise vier Radarwellen R1 , R2, R3, R4 in Richtung der Erdoberfläche aus, die von dort reflektiert werden. Die Radarwellen R1 , R2, R3, R4 werden hierbei vorzugsweise zeitlich getrennt ausgesendet und empfangen, sind unterschiedlich kodiert, moduliert oder haben derart voneinander abweichende Frequenzen, dass die empfangenen Reflexionen den jeweiligen Wellen zugeordnet werden können. Alternativ oder zusätzlich kann auch das Gesamtspektrum aller Reflexionen weiterverarbeitet werden.
Von den vier Radarwellen R1 , R2, R3, R4 sind 3 linear unabhängig. Idealerweise ist jedes Tripel von Radarwellen linear unabhängig. Damit lassen sich Bewegungen in allen drei Raumrichtungen aus den Radarwellen ablesen. Es versteht sich von selbst, dass auch genau drei Wellen anstatt vier verwendet werden können, und dass auch der Einsatz von mehr als vier Wellen möglich ist.
Das Schätzfilter 130 verwendet die Frequenzspektren der Reflexionen aller elektromagnetischen Wellen als Eingangsdaten. Dies erweitert den Parameterraum für das Schätzfilter 130 weiter, wodurch sich Verlässlichkeit und Genauigkeit weiter verbessern lassen. Insbesondere können im Schätzfilter 130 durch Schätzen und Vergleichen einer Mehrzahl von Frequenzspektren oder deren Überlagerung(en) Fehler in den verwendeten geschätzten Zuständen leichter identifiziert werden und damit die Navigationslösung in Einklang mit der tatsächlichen Bewegung gebracht werden. Wie in der Fig. 1 gezeigt kann die Navigationsvorrichtung 100 optional eine Auswerteeinheit 140 aufweisen, die geeignet ist, aus empfangenen Frequenzspektren Zustandsparameter abzuleiten, die das empfangene Frequenzspektrum charakterisieren. Die Auswerteeinheit 140 kann hierbei eine Hardware- oder Software-Komponente sein. Zum Beispiel kann die Auswerteeinheit 140 ein Computer, ein Prozessor, ein Schaltkreis oder ein auf einem dieser Bauteile ausgeführtes Programm sein.
Die von der Auswerteeinheit 140 identifizierten Zustandsparameter weisen neben der Dopplerverschiebung und/oder der daraus abgeleiteten Geschwindigkeit gegenüber dem Referenzobjekt 200 weitere das empfangene Frequenzspektrum charakterisierende Parameter auf. Die Zustandsparameter stellen also eine Charakterisierung des Frequenzspektrums F dar, die zwischen dem vollen Spektrum, d.h. der vollen Information, und der daraus herleitbaren Geschwindigkeit, d.h. der minimalen Information, liegt. Auf diese Weise können dem Schätzfilter 130 fest vorgegebene Arbeitsparameter zur Verfügung gestellt werden. Dies kann gegenüber dem vollen Spektrum den Rechenaufwand für Schätzung und Vergleich reduzieren. Andererseits erhält das Schätzfilter 130 gegenüber der reinen Geschwindigkeitsinformation ein Mehr an Information, wodurch sich die Genauigkeit und Verlässlichkeit der Navigationslösung verbessern lassen.
Ein Beispiel für eine derartige Parametrisierung ist in der Fig. 2 gezeigt, wo das Gesamtspektrum in Einzelkomponenten zerlegt wurde, die das Spektrum parametrisieren. Ein anderes Beispiel ist in der Fig. 5 gezeigt, in der zwei Gaußkurven an das Spektrum F gefittet wurden. Die Kurve P1 stellt mit ihrem Mittelwert und ihrer Standardabweichung eine Parametrisierung der Dopplerverschiebung dar. Die Kurve P2 bildet mit ihrem Mittelwert und ihrer Standardabweichung eine Parametrisierung des überwiegenden Teils der übrigen Ursachen für die Form des Spektrums. Auf diese Weise kann versucht werden, das vollständige Spektrum im Wesentlichen mit einem Satz von Zustandsparametern zu beschreiben.
Das Schätzfilter 130 ist geeignet, diese Zustandsparameter als Eingangsdaten für die Bestimmung der Navigationslösung zu verwenden. Das heißt, es werden nicht mehr die vollständigen Spektren geschätzt und verglichen, sondern nur noch die Zustandsparameter der Spektren. Dies verringert den Rechenaufwand und führt aufgrund der Tatsache, dass eine Mehrzahl von Parametern aus dem Frequenzspektrum abgeleitet wurde, dennoch zu einer verlässlichen und genauen Lösung.
Wie in der Fig. 6 gezeigt, kann die Navigationsvorrichtung 100 auch geeignet sein, Signale eines globalen Navigationssatellitensystems, GNSS, 400 zu empfangen, z.B. über eine Kommunikationseinheit 150. Diese GNSS Signale können dem Schätzfilter 130 in an sich bekannter Weise ebenfalls zugeführt werden, das sie dann für die Bestimmung der Navigationslösung verwendet. Dadurch wird die Navigationslösung genauer und verlässlicher, da neben Beschleunigungsdaten (inertiale Messeinheit 110) und Geschwindigkeitsdaten (Geschwindigkeitsmesssystem 120) auch Positionsdaten (GNSS 400) zur Verfügung stehen. Diese Positionsdaten können in an sich bekannter Weise geschätzt und mit der tatsächlich gemessenen Position verglichen werden, um die Systemgleichung bzw. die Navigationslösung zu korrigieren und mit der tatsächlichen Bewegung in Einklang zu bringen.
Das Schätzfilter 130 kann hierbei geeignet sein, die Navigationslösung basierend auf den iner- tialen Messdaten und den GNSS Signalen zu bestimmen, wenn die GNSS Signale empfangen werden. Dadurch wird eine verlässliche und genaue Navigationslösung entsprechend den typischen Anforderungen generiert. Wenn während eines bestimmten Zeitraums keine GNSS Signale empfangen werden können, bestimmt das Schätzfilter 130 die Navigationslösung hingegen basierend auf den inertialen Messdaten und dem empfangenen Frequenzspektrum.
Das heißt, die Frequenzdaten werden zur Überbrückung eines Zeitraums verwendet, in dem kein GNSS- Empfang möglich ist. Auf diese Weise kann die Navigationslösung durch sich von den inertialen Messdaten unterscheidenden Messdaten gestützt werden und damit in einem den typischen Anforderungen entsprechenden Genauigkeitsbereich gehalten werden. Im Normalbetrieb, d.h. wenn alle Messdaten (Inertialmessung, Geschwindigkeitsbestimmung, Positionsbestimmung) zur Verfügung stehen, kann damit eine hochgenaue und verlässliche Navigationslösung bestimmt werden. Fallen bestimmte Messdaten aus, wie etwa das GNSS Signal, ist dadurch im Gegensatz zum konventionellen Betrieb die Zeitdauer verlängert, bis die Qualität der Navigationslösung nicht mehr akzeptabel ist. Diese Zeitdauer wird durch die Verwendung der Informationen aus dem empfangenen Frequenzspektrum noch vergrößert. Damit steigt die Verlässlichkeit des Gesamtsystems, da Ausfälle des GNSS kompensiert werden können. Ein der obigen Beschreibung entsprechendes Verfahren zum Bestimmen einer Navigationslösung mittels einer Navigationsvorrichtung 100 ist schematisch in der Fig. 7 gezeigt. Hier werden bei S210 inertiale Messdaten durch die inertiale Messeinheit 110 erzeugt.
Bei S220 wird durch das Geschwindigkeitsmesssystem 120 zumindest eine räumlich fokussierte, vorzugsweise elektromagnetische, Welle mit einer vorgegebenen Frequenz abgestrahlt.
Bei S230 wird ein Frequenzspektrum der an einem Referenzobjekt 200, insbesondere der Erdoberfläche, reflektierten Welle durch das Geschwindigkeitsmesssystem 120 empfangen, wobei eine Dopplerverschiebung der vorgegebenen Frequenz erlaubt, eine Geschwindigkeit der Navigationsvorrichtung 100 in Abstrahlrichtung gegenüber dem Referenzobjekt 200 zu bestimmen.
Bei S240 wird eine Navigationslösung der Navigationsvorrichtung 100 durch das Schätzfilter 130 bestimmt durch Verwenden der von der inertialen Messeinheit 110 erzeugten inertialen Messdaten und des von dem Geschwindigkeitsmesssystem 120 empfangene Frequenzspektrums als Eingangsdaten des Schätzfilters 130.
Auf diese Weise kann eine Navigationslösung in genauer und verlässlicher Weise erzeugt werden.

Claims

Ansprüche
1. Navigationsvorrichtung (100), aufweisend: eine inertiale Messeinheit (110), die geeignet ist, inertiale Messdaten zu erzeugen; ein Geschwindigkeitsmesssystem (120), das geeignet ist, zumindest eine räumlich fokussierte, vorzugsweise elektromagnetische, Welle mit einer vorgegebenen Frequenz abzustrahlen und ein Frequenzspektrum der an einem Referenzobjekt (200), insbesondere der Erdoberfläche, reflektierten Welle zu empfangen, wobei eine Dopplerverschiebung der vorgegebenen Frequenz erlaubt, eine Geschwindigkeit der Navigationsvorrichtung in Abstrahlrichtung gegenüber dem Referenzobjekt (200) zu bestimmen; und ein Schätzfilter (130), insbesondere ein Kaimanfilter, das geeignet ist, die von der iner- tialen Messeinheit (110) erzeugten inertialen Messdaten und das von dem Geschwindigkeitsmesssystem (120) empfangene Frequenzspektrum als Eingangsdaten zu verwenden, um daraus eine Navigationslösung der Navigationsvorrichtung (100) zu bestimmen.
2. Navigationsvorrichtung (100) nach Anspruch 1 , wobei das Schätzfilter (130) geeignet ist, anhand der basierend auf den bisher erhaltenen Eingangsdaten bestimmten Navigationslösung ein geschätztes, empfangenes Frequenzspektrum für einen nächsten Zeitpunkt zu berechnen, das tatsächlich an diesem nächsten Zeitpunkt von dem Geschwindigkeitsmesssystem empfangene Frequenzspektrum mit dem geschätzten, empfangenen Frequenzspektrum zu vergleichen und basierend auf Abweichungen zwischen dem geschätzten und dem tatsächlich empfangenen Frequenzspektrum die Navigationslösung zu korrigieren, vorzugsweise derart, dass die Abweichungen reduziert werden.
3. Navigationsvorrichtung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Geschwindigkeitsmesssystem (120) geeignet ist, drei räumlich fokussierte Wellen mit einer, gegebenenfalls unterschiedlichen, vorgegebenen Frequenz auf das Referenzobjekt (200) abzustrahlen; die Hauptstrahlrichtungen der drei räumlich fokussierten Wellen linear unabhängig sind; und das Schätzfilter (130) geeignet ist, die Frequenzspektren der Reflexionen aller drei Wellen als Eingangsdaten zu verwenden.
4. Navigationsvorrichtung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, des Weiteren umfassend: eine Auswerteeinheit (140), die geeignet ist, aus dem empfangenen Frequenzspektrum Zustandsparameter abzuleiten, die das empfangene Frequenzspektrum charakterisieren; wobei die Zustandsparameter neben der Dopplerverschiebung und/oder der daraus abgeleiteten Geschwindigkeit gegenüber dem Referenzobjekt weitere das empfangene Frequenzspektrum charakterisierende Parameter umfassen; und das Schätzfilter (130) geeignet ist, die Zustandsparameter als Eingangsdaten für die Bestimmung der Navigationslösung zu verwenden.
5. Navigationsvorrichtung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche; wobei die Navigationsvorrichtung (100) geeignet ist, Signale eines globalen Navigationssatellitensystems, GNSS, (400) zu empfangen; und das Schätzfilter (130) geeignet ist, die GNSS Signale als Eingangsdaten für die Bestimmung der Navigationslösung zu verwenden.
6. Navigationsvorrichtung (100) nach Anspruch 5, wobei das Schätzfilter (130) geeignet ist, die Navigationslösung basierend auf den inertialen Messdaten und den GNSS Signalen zu bestimmen, wenn die GNSS Signale empfangen werden; und das Schätzfilter (130) geeignet ist, die Navigationslösung basierend auf den inertialen Messdaten und dem empfangenen Frequenzspektrum zu bestimmen, wenn keine GNSS Signale empfangen werden können.
7. Navigationsvorrichtung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Geschwindigkeitsmesssystem (120) ein Radarsystem, das elektromagnetische Wellen im Radiobereich abstrahlt, oder ein Lidarsystem ist, das Laserlicht abstrahlt.
8. Luftfahrzeug (300), insbesondere autonom fliegendes Luftfahrzeug (400), mit einer Navigationsvorrichtung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Luftfahrzeug (300) geeignet ist, basierend auf der Navigationslösung zu steuern.
9. Verfahren zum Bestimmen einer Navigationslösung mittels einer Navigationsvorrichtung (100) nach Anspruch 1 , umfassend:
Erzeugen von inertialen Messdaten durch die inertiale Messeinheit (110);
Abstrahlen zumindest einer räumlich fokussierten, vorzugsweise elektromagnetischen, Welle mit einer vorgegebenen Frequenz durch das Geschwindigkeitsmesssystem (120);
Empfangen eines Frequenzspektrums der an einem Referenzobjekt (200), insbesondere der Erdoberfläche, reflektierten Welle durch das Geschwindigkeitsmesssystem (120), wobei eine Dopplerverschiebung der vorgegebenen Frequenz erlaubt, eine Geschwindigkeit der Navigationsvorrichtung (100) in Abstrahlrichtung gegenüber dem Referenzobjekt (200) zu be- stimmen;
Bestimmen einer Navigationslösung der Navigationsvorrichtung (100) durch das Schätzfilter (130) durch Verwenden der von der inertialen Messeinheit (110) erzeugten inertialen Messdaten und des von dem Geschwindigkeitsmesssystem (120) empfangene Frequenzspektrums als Eingangsdaten des Schätzfilters (130).
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