ES2589145T3 - Dispositivo y procedimiento para el posicionamiento tridimensional - Google Patents

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    • G01S5/0263Hybrid positioning by combining or switching between positions derived from two or more separate positioning systems

Abstract

Dispositivo (10) para el posicionamiento tridimensional que presenta una estación base de radar secundario (12), que está prevista para la medición de la distancia a transpondedores (14) y presenta al menos una antena de radar (16), un receptor GNSS (18) que está previsto para la medición de señales GNSS y presenta una antena de recepción GNSS (20), una unidad de medición inercial (22) que está prevista para determinar con respecto a un punto de referencia la posición de la antena de recepción GNSS, así como la de la al menos una antena de radar en un sistema de coordenadas común, y un procesador de integración (24; 30; 31), al que son proporcionadas las mediciones de pseudodistancia del receptor GNSS, las mediciones de distancia del radar y movimientos del dispositivo alrededor de los ejes del sistema de coordenadas común medidos por la unidad de medición inercial (22), denominados en lo que sigue datos IMU, caracterizado por que el procesador de integración determina una posición tridimensional de un punto de referencia común por fusión de las mediciones y datos suministrados conforme a una fusión de datos de sensores, siendo realizada una compensación de descentrado teniendo en cuenta los movimientos medidos, presentando el procesador de integración (24; 30; 31) un filtro no lineal (36; 37) para el procesamiento de las mediciones de pseudodistancia del receptor GNSS, de los datos IMU generados por la unidad de medición inercial (22) y de las mediciones de distancias del radar.

Description

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DESCRIPCION
Dispositivo y procedimiento para el posicionamiento tridimensional
La invencion se refiere a un dispositivo y a un procedimiento para el posicionamiento tridimensional segun la reivindicacion 1 o 9.
Un posicionamiento tridimensional con requisitos de alta precision, disponibilidad, continuidad e integridad es importante por ejemplo en el aterrizaje de helicopteros. En este caso se pueden producir problemas sobre todo con mala o ninguna visibilidad directa del lugar de aterrizaje. Para el posicionamiento tridimensional durante una aproximacion para el aterrizaje son conocidas diferentes tecnicas, que son explicadas brevemente a continuacion, junto con sus inconvenientes.
Es conocida, por ejemplo, la integracion de GPS (Sistema de Posicionamiento Global) y un INS (Sistema de Navegacion Inercial). Sin embargo, con ello puede que no se consigan los requisitos de precision en una solucion de posicion tridimensional que son requeridos por ejemplo para un aterrizaje autonomo. Ademas, los datos de correccion diferencial estan disponibles solamente de forma limitada. Ademas, esta solucion es sensible a interferencias.
Tambien es conocido el denominado radar de aproximacion de precision, que sin embargo ocasiona altos costes de funcionamiento. Ademas, el segmento de usuario no es totalmente autonomo con respecto a la determinacion de la posicion y a la supervision de la integridad, ya que la supervision se realiza en el segmento terrestre en lugar de en el segmento de usuario. Finalmente, es necesario un segmento terrestre caro de grandes dimensiones mecanicas y alto consumo de potencia.
Otra tecnica conocida es un sistema de posicionamiento bidimensional local por radar que sin embargo esta limitado a un posicionamiento bidimensional y por regla general presenta una menor disponibilidad y continuidad que un enfoque de fusion de datos de sensores con GNSS (Sistema global de navegacion por satelite) e IMU (Unidad de medicion inercial). Debido a la limitacion del sistema a un posicionamiento bidimensional no puede ser considerado como auxiliar de aterrizaje, sino que es adecuado unicamente para el rodaje.
Por ultimo, es conocido un sistema de aterrizaje por balizas de integridad que, sin embargo, puede ser perturbado facilmente por interferencias, ya que funciona exclusivamente en la banda de frecuencias GNSs. Una alta precision de la posicion solo puede lograrse mediante el uso de algoritmos de fase de portadora, lo que tiene un efecto negativo sobre la disponibilidad y dificulta el desarrollo de conceptos de integridad. Ademas, esta tecnologla ocasiona altos costes para el segmento terrestre debido a las balizas de integridad.
Se remite ademas a las siguientes publicaciones que se ocupan de soluciones de posicionamiento:
- Thibaut G.: "Cost Benefit Analysis on Precision Approach and Landing Systems (PALS) - Final Report", NIAG SG- 99” Informe final, Vol. 2, documento AC/224(ACG5)D(2007)0002/ junio de 2007;
- Cohen C.E., Pervan B.S., Cobb H.S., Lawrence D.G. Powell J.D., Parkinson B.W.: "Precision Landing of Aircraft Using Integrity Beacons", in Global Positioning System: Theory and Applications Volume II, Vol. 164, American Institute of Aeronautics and Astronautics, Washington, DC, 1996;
- Greenspan R.L.: "GPS and Inertial Integration", in Global Positioning System: Theory and Applications Volume II, Vol. 164, American Institute of Aeronautics and Astronautics, Washington, DC, 1996; y
- "SYMEO Local Positioning Radar System LPR-B 1 D", Documentacion de productos, Symeo GmbH, 2009.
El documento US 2009/140887 A1 describe un sistema para la determinacion de la posicion mediante GPS que esta acoplado a una unidad de correccion que deriva o recibe correcciones de posicion para los datos de posicion derivados de las senales GPS. Las correcciones de posicion pueden ser recibidas por satelites o estaciones terrestres. Ademas esta previsto un sistema de navegacion inercial para determinar la posicion del sistema. Puede tambien estar previsto un radar para la medicion de la distancia a transpondedores colocados en el borde de la carretera y para la determinacion de la posicion de un vehlculo en una carretera. Los datos de posicion, las correcciones de posicion, los datos de radar y navegacion inercial son procesados por un procesador central.
El objeto de la presente invencion es posibilitar un posicionamiento tridimensional mejorado, que compatibilice los requisitos de alta precision, disponibilidad, continuidad e integridad en la solucion de posicion.
Este objeto se consigue mediante un dispositivo para posicionamiento tridimensional con las caracterlsticas de la reivindicacion 1 y mediante un procedimiento para el posicionamiento tridimensional con las caracterlsticas de la reivindicacion 9. Otras realizaciones de la invencion son el contenido de las reivindicaciones dependientes.
La invencion preve una fusion de las mediciones de radar secundario, mediciones GNSS y datos IMU en un procesador de integracion que determina una posicion tridimensional a partir de las mediciones y datos fusionados. El procesador de integracion puede realizar para la fusion un acoplamiento de las mediciones y los datos con un
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filtro no lineal. De acuerdo con la invencion, el calculo de una posicion tridimensional en el lado del usuario se puede realizar de manera autonoma en el procesador de integracion. Esto posibilita la supervision de la integridad de la solucion de posicion directamente en el usuario, donde la informacion de una alarma de integridad es necesaria en primer lugar. El sistema de radar secundario utilizado para los fines de la invencion, que puede ser realizado como radar FMCW (Onda continua modulada en frecuencia) que funciona en la banda C (IEEE), presenta una estacion base, que esta fijada a la unidad de usuario, y varios transpondedores (estaciones) localizados en un area local limitada. Las mediciones de distancia entre la estacion base y los transpondedores se basan en mediciones de tiempo de vuelo. Asimismo la estacion base envla senales de radar FMCW a las que se sincronizan los transpondedores dentro de un tiempo fijo. Despues de la sincronizacion con exito, los transpondedores devuelven una senal de respuesta FMCW. Con el fin de lograr una buena observabilidad de los estados de filtro, as! como una alta disponibilidad e integridad de la solucion de posicion tridimensional en caso de un acoplamiento de las mediciones y los datos con un filtro no lineal, pueden ser procesadas adicionalmente mediciones brutas GNSS, y datos IMU en el filtro no lineal. El procedimiento es por tanto robusto con respecto a sombras de senal y limitaciones geometricas del sistema de radar secundario local.
Una forma de realizacion de la invencion se refiere a un dispositivo para el posicionamiento tridimensional con: una estacion base de radar secundario que esta prevista para la medicion de la distancia a los transpondedores y que presenta al menos una antena de radar, un receptor GNSS, que esta previsto para la medicion de senales GNSS y presenta una antena de recepcion GNSS, una unidad de medicion inercial que esta prevista para determinar la posicion de la antena de recepcion GNSS, as! como de la al menos una antena de radar en un sistema de coordenadas comun con respecto a un punto de referencia, y un procesador de integracion al que son suministradas las mediciones de pseudodistancia del receptor GNSS, las mediciones de distancia del radar y los movimientos del dispositivo en torno a los ejes del sistema de coordenadas comun medidos por la unidad de medicion inercial y que determina una posicion tridimensional de un punto de referencia comun por fusion de las mediciones y los datos suministrados, en el que es realizada una compensation del descentrado teniendo en cuenta los movimientos medidos.
Por la fusion de las mediciones y los datos de diferentes fuentes puede conseguirse una determination robusta y muy fiable de una posicion tridimensional del punto de referencia anclado en el segmento de usuario, lo que es importante por ejemplo para una aproximacion de aterrizaje segura de un helicoptero.
La estacion base secundaria puede estar configurada para funcionar en la banda C (IEEE) y utilizar senales de radar FMCW para la medicion de la distancia.
En el dispositivo puede estar previsto un sistema de navegacion inercial que presenta la unidad de medicion inercial, y el procesador de integracion puede ser configurado para determinar fuera de un area de operation del sistema de radar secundario una posicion tridimensional con una primera navegacion acoplada basada en las mediciones de pseudodistancia del receptor GNSS y las mediciones de navegacion inerciales del sistema de navegacion inercial y dentro del area de operacion de la estacion base de radar secundario determinar una posicion tridimensional con una segunda navegacion acoplada basada en las mediciones de distancia del radar, las mediciones de pseudodistancia del receptor GNSS y las mediciones de navegacion inercial del sistema de navegacion inercial.
De esta manera, por ejemplo en una fase de vuelo en la que la estacion base de radar secundario esta demasiado lejos de transpondedores del segmento terrestre, se puede realizar una determinacion de la posicion tridimensional basada en un GNSS y en la navegacion inercial, mientras que en una fase de aproximacion de aterrizaje cerca de los transpondedores se utilizan ademas las mediciones de distancia entre la/las antena(s) de radar y los transpondedores para el posicionamiento tridimensional, que debido a las menores varianzas de medicion son ponderadas con mas peso que las mediciones de pseudodistancia del receptor GNSS. De esta forma se puede conseguir en las diferentes fases de vuelo un posicionamiento tridimensional optimo con respecto a las mediciones disponibles y las varianzas de medicion asociadas.
Para el presente problema de filtro no lineal, el procesador de integracion puede presentar un filtro de Kalman de puntos sigma para el procesamiento de las mediciones de pseudodistancia del receptor GNSS, de los datos IMU y de las mediciones de distancia del radar. Con un filtro de Kalman de puntos sigma se evita que sean despreciados por completo los terminos de segundo orden u orden superior, como serla el caso en una linealizacion de las ecuaciones de medicion. La consideration de la no linealidad es particularmente relevante en las mediciones de radar secundario debido a las pequenas distancias entre el segmento de usuario y las estaciones de transpondedor, ya que aqul los terminos de segundo orden con respecto al ruido de medicion ya no son despreciables sin mas.
El filtro de Kalman de puntos sigma puede estar previsto para la determinacion de datos de correction de una solucion de navegacion INS a partir de las mediciones de pseudodistancia del receptor GNSS y de las mediciones de distancia del radar, y el procesador de integracion puede ejecutar un algoritmo de tipo strapdown, que determina la posicion tridimensional a partir de los datos de correccion y los movimientos del dispositivo alrededor de los ejes del sistema de coordenadas comun medidos por la unidad de medicion inercial.
El filtro de Kalman de puntos sigma puede estar realizado alternativamente para determinar la posicion tridimensional basandose en las mediciones de pseudodistancia del receptor GNSS, las mediciones de distancia del
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radar y una solucion de navegacion INS y la posicion tridimensional determinada pueden ser acoplada de forma retroactiva a un sistema de navegacion inercial del dispositivo para calibracion.
El filtro de Kalman de puntos sigma deberla partir sobre todo no de una linealizacion de una distancia oblicua entre la al menos una antena de radar y un transpondedor, sino que tambien puede tener en cuenta terminos no lineales, en particular terminos de segundo orden.
En particular, una distancia oblicua r puede ser aproximada utilizando la siguiente funcion no lineal, que tiene en cuenta tambien terminos de segundo orden:
r (XU ,k ) = r (xU ,k ) + (xU ,k — XU ,k ) (xU ,k ) + ^^U •k ~ Xu-k ) H -k ,k — XU ,k )
donde xU k es un vector de posicion tridimensional en el instante k entre un transpondedor TP y el dispositivo U, xU k, es un punto de aproximacion actual, Vr(xU k) es el vector de la derivada parcial de r en el punto xU k y H( XU k) es la matriz de la segunda derivada parcial de r en el punto xU k .
Para resolver el problema del filtro no lineal, el filtro no lineal puede utilizar un procedimiento de optimizacion no lineal, en particular se puede utilizar un filtro de Kalman de puntos sigma o un filtro de segundo orden para la optimizacion.
Ademas, el filtro no lineal se puede implementar en un modelo de estado que dependiendo de la aplicacion del dispositivo presente ecuaciones de estado lineales o no lineales.
Otra forma de realizacion de la invencion se refiere al uso de un dispositivo para el posicionamiento tridimensional de acuerdo con la invencion precedente a bordo de un dispositivo de vuelo para la navegacion de aproximacion de aterrizaje a un lugar de aterrizaje, en cuyas zonas marginales estan dispuestos varios transpondedores de radar secundario para la estacion base de radar secundario del dispositivo.
Finalmente, otra forma de realizacion de la invencion se refiere a un procedimiento para el posicionamiento tridimensional con las siguientes etapas: la recepcion de mediciones de distancia del radar de una estacion base de radar secundario, que esta prevista para la medicion de la distancia a los transpondedores y que presenta al menos una antena de radar, la recepcion de las mediciones de pseudodistancia de un receptor GNSS, que esta previsto para la medicion de senales GNSS y presenta una antena de recepcion GNSS, la recepcion de mediciones de movimientos de una unidad de medicion inercial, que esta prevista para determinar la posicion de la antena de recepcion GNSS, as! como de la al menos una antena de radar en un sistema de coordenadas comun con respecto a un punto de referencia, y la determinacion de una posicion tridimensional de un punto de referencia comun por fusion de las mediciones de pseudodistancia del receptor GNSS, las mediciones de distancia del radar y los datos de la unidad de medicion inercial teniendo en cuenta una compensacion de descentrado entre el punto de referencia, la antena de recepcion GNSS, la al menos una antena de radar y la unidad de medicion inercial. La compensacion de descentrado hace que a continuacion todas las mediciones se refieran al mismo punto de referencia. La compensacion de descentrado es necesaria ya que la antena de recepcion GNSS, la(s) antena(s) de radar y la unidad de medicion inercial estan separadas espacialmente en el caso normal.
El procedimiento puede ser implementado por ejemplo en un ordenador de a bordo de un dispositivo de vuelo, por ejemplo de un avion o de un helicoptero, en el que ya existan un receptor GNSS y una antena de recepcion GNSs, as! como una unidad de medicion inercial y eventualmente un sistema de radar secundario. Con esto se puede actualizar y mejorar un sistema de navegacion de vuelo existente, de modo que se posibilita un posicionamiento tridimensional preciso y fiable incluso durante la aproximacion para el aterrizaje. El procedimiento puede ser implementado como software que puede ser cargado en el ordenador de a bordo.
El procedimiento puede ademas estar caracterizado por las siguientes etapas: el filtrado no lineal para determinar los datos de correction de soluciones de navegacion del INS a partir de las mediciones de pseudodistancias recibidas y de las mediciones de distancia del radar recibidas y la ejecucion de un algoritmo de tipo strap-down para determinar la posicion tridimensional a partir de los datos de correccion y las mediciones de movimiento recibidas, o el filtrado no lineal para determinar la posicion tridimensional a partir de las mediciones de pseudodistancia recibidas, las mediciones de distancia del radar recibidas y la solucion de navegacion del INS.
El filtrado no lineal puede presentar la aproximacion de una distancia oblicua entre la al menos una antena de radar y un transpondedor por una funcion no lineal, en particular como caso especial una funcion cuadratica, en particular como caso especial la aproximacion de una distancia oblicua r mediante el uso de la siguiente funcion no lineal:
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r (XU,k ) _r (xU,k ) + (xU,k XU,k ) (xU,k ) + ^ ^Xu-k Xu-k ) H^Xu-k )(XU,k XU,k )
donde xU k es un vector de posicion tridimensional en el instante k entre un transpondedor TP y el dispositivo U, xU k, es un punto de aproximacion actual, Vr(xU k) es el vector de la derivada parcial de r en el punto xU k y H( xU k) es la matriz de la segunda derivada parcial de r en el punto xU k .
El filtrado no lineal puede utilizar un procedimiento de optimizacion no lineal para resolver el problema del filtro no lineal, en particular un filtro de Kalman de puntos sigma o un filtro de segundo orden para la optimizacion.
La presente invencion se refiere, de acuerdo con otra forma de realizacion, a un programa informatico para la realizacion de un procedimiento de acuerdo con una forma de realizacion de la presente invencion y a un producto de programa informatico que contiene un soporte de programa legible por maquina, en el que puede ser almacenado el programa informatico en forma de senales de control legibles electronica y/u opticamente.
Otras ventajas y posibilidades de aplicacion de la presente invencion resultaran evidentes a partir de la siguiente descripcion junto con los ejemplos de realizacion representados en los dibujos.
En la descripcion, en las reivindicaciones, en el resumen y en los dibujos se utilizaran los terminos contenidos en la lista incluida posteriormente de los slmbolos de referencia y slmbolos de referencia asociados.
Los dibujos muestran en:
Fig. 1, un ejemplo de realizacion de la arquitectura del sistema de un dispositivo para el posicionamiento tridimensional segun la invencion;
Fig. 2, la disponibilidad y la ponderacion de los datos de sensores en el segmento de usuario en el curso de una trayectoria de aproximacion al aterrizaje segun la invencion;
Fig. 3, un inserto acoplado para datos de sensor de radar secundario, RX GNSS e IMU segun la invencion; y
Fig. 4. un inserto acoplado para datos de sensores de radar secundario y RX GNSS integrados con una solucion de navegacion del INS, segun la invencion.
En la siguiente descripcion los elementos iguales, funcionalmente iguales y funcionalmente relacionados estan dotados de los mismos numeros de referencia. Los valores absolutos se muestran a continuacion solo a modo de ejemplo y no deben interpretarse como que limitan la invencion.
A continuacion se describe la arquitectura del sistema de un sistema de posicionamiento 3D basado en un radar secundario y un inserto de filtro no lineal acoplado en virtud de un dispositivo 10 representado en la Fig. 1 para el posicionamiento tridimensional preciso en un area limitada espacialmente segun la invencion. La arquitectura incluye un segmento terrestre con un lugar de aterrizaje para helicopteros y un segmento de usuario que se encuentra en un helicoptero.
Arquitectura del sistema
El segmento terrestre y de usuario del dispositivo 10 para el posicionamiento tridimensional preciso en un area limitada espacialmente presenta los siguientes elementos:
1) Segmento terrestre:
Un numero variable de transpondedores de radar secundario 14, cuya disposicion se puede adaptar a las condiciones locales y cuya orientacion de la antena puede ser optimizada para la aplicacion concreta. Los transpondedores pueden estar dispuestos, por ejemplo, en las zonas marginales de una zona de aproximacion de aterrizaje, en la Fig. 1 alrededor del lugar de aterrizaje de helicopteros 26, para as! reconocer mediante el radar el lugar de aterrizaje, especialmente en caso de mala visibilidad, por ejemplo en caso de niebla baja.
2) Segmento de usuario:
a. Una estacion base de radar secundario 12 con al menos una antena de radar 16, cuyo emplazamiento puede ser optimizado dependiendo del caso de aplicacion, a fin de evitar el sombreado de las senales de radar y los efectos de trayectos multiples. Una ampliacion a dos o mas antenas de radar es posible sin problemas. Aunque tambien pueden ser empleadas varias antenas de radar en el segmento de usuario, las siguientes descripciones son para una unica antena de radar por razones de claridad. Las
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senales de radar emitidas desde la estacion base (ilneas discontinuas en la Fig. 1) son enviadas de vuelta por los transpondedores 14 del segmento terrestre.
b. Un receptor GNSS 18 (Sistema global de navegacion por satelite) con antena de recepcion GNSS 20. El receptor GNSS puede ser, por ejemplo, un receptor de senales de NAVSTAR GPS, GLONASS o el futuro GNSS europeo Galileo.
c. Una IMU (Unidad de medicion inercial) 20, para poder referir la posicion de la antena de recepcion GNSS y de la(s) antena(s) de radar a un sistema de coordenadas comun anclado en el segmento de usuario.
d. Un ordenador (de navegacion) 24 en el que tiene lugar la fusion de datos de sensores y el calculo de la solucion de posicion tridimensional del usuario. El ordenador 24 implementa tambien un procesador de integracion para los datos de sensores con el inserto de filtro no lineal acoplado antes mencionado, que se describira mas adelante en detalle.
En caso de que el segmento de usuario respectivo disponga de forma estandar de sensores adicionales (por ejemplo, un altlmetro), estos datos de sensores adicionales pueden ser utilizados tambien para generar la solucion de posicion. La disposicion de sensores mostrada en la Fig. 1 representa la extension minima de dispositivo en la que el sistema de radar secundario 12, 14 es el componente principal. Con esta configuracion minima ya puede conseguirse de manera suficiente un buen rendimiento. Es posible una ampliacion a sensores de temperatura, presion y humedad para conseguir mejores resultados en el modelado de los retardos de tiempo de vuelo a traves de la troposfera.
Las coordenadas de las antenas de transpondedor 14 en un sistema de coordenadas absolutas son conocidas para el segmento de usuario para que las mediciones de distancia del radar puedan ser incluidas de forma practica en el filtro no lineal. La informacion sobre las coordenadas de transpondedor puede ser almacenada, ya sea de forma estatica en el segmento de usuario, o bien puede ser transmitida al segmento de usuario de forma dinamica a traves de un enlace de datos. En caso de que el transpondedor 14 se encuentre sobre una plataforma en movimiento - por ejemplo un barco portador, las coordenadas absolutas de los transpondedores deben ser ajustadas de forma dinamica.
El sistema de radar secundario 12, 14 funciona en la banda C (IEEE) y utiliza senales de radar FMCW (FMCW: Onda continua modulada en frecuencia) para la medicion de la distancia. En un entorno de corto a medio alcance de los transpondedores 14 del segmento terrestre se dispone de mediciones de distancia precisas en la estacion base de radar secundario 12 del segmento de usuario. Dentro de esta area limitada espacialmente se puede realizar un posicionamiento tridimensional muy preciso. La solucion de la posicion dentro del area de operacion se caracteriza por una alta disponibilidad y continuidad, asi como por un riesgo de integridad muy pequeno de no reconocer grandes errores de posicion inadmisibles.
Por las siguientes razones ademas de las mediciones de distancia con poco ruido del sistema de radar secundario 12, 14 son procesadas tambien mediciones de pseudodistancia GNSS con ruido intenso por el filtro no lineal. El sistema de radar secundario cubre un area de operacion limitada y por lo general solo se instala alli donde se requieren simultaneamente altas exactitudes de posicionamiento, disponibilidades y continuidad, ademas de un riesgo de integridad bajo, en la Fig. 1 en el lugar de aterrizaje 26. Fuera de esta area, los requisitos para la solucion de posicion son por regla general mas bajos. Con el dispositivo segun la invencion puede conseguirse una mejora de la solucion de la posicion tridimensional con aproximacion en el area de operacion critica, por ejemplo el lugar de aterrizaje de helicopteros 26 mostrado en la Fig. 1. Este concepto esta ilustrado en la Fig. 2 en el ejemplo de una ruta de aproximacion o una trayectoria de aproximacion: fuera del area de operacion del radar secundario 28 (linea de puntos en la Fig. 2) no se dispone de medidas de distancia del radar de bajo ruido, por lo que la solucion de la posicion tridimensional se basa exclusivamente en una solucion de navegacion GNSS (diferencial)/INS (Sistema de Navegacion Inercial) acoplada. Dentro del area de operacion 28 es determinada una solucion de navegacion de radar secundario/GNSS (diferencial)/INS acoplada. En este caso, en el filtro no lineal debido a las altas varianzas de medicion, las mediciones de pseudodistancia GNSS pueden ser ponderadas con menor peso que las mediciones de distancia del radar que tienen varianzas de medicion decisivamente menores.
En el area de operacion 28 del radar secundario, es decir en las proximidades del lugar de aterrizaje 26 en la Fig. 1, las mediciones de pseudodistancia con ruido pueden ser tenidas en cuenta con una ponderacion baja como antes en el filtro, en lugar de procesar solo las mediciones de distancia del radar de bajo ruido. Por lo tanto, se puede mantener bajo el numero del transpondedores 14 en el sistema y el procedimiento de posicionamiento es menos susceptible a la falta de mediciones de distancia entre la estacion base de radar secundario 12 y los transpondedores 14 individuales debido a las sombras. Si se emplearan exclusivamente mediciones de distancia del radar para el posicionamiento podrian resultar valores VDOP (dilucion de la posicion vertical) muy grandes para el caso en que las antenas de transpondedor 14 y la antena de radar 16 del segmento de usuario se encuentren aproximadamente en un plano. En caso de una combinacion de mediciones de senal por satelites y mediciones de senal por radar en un inserto de filtro acoplado resultan dentro del area de operacion, a traves de toda ella, valores HDOP (dilucion de la posicion horizontal) y VDOP muy buenos.]
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El segmento de usuario dispone en el espacio de tres grados de libertad de rotacion. Es necesario el conocimiento del angulo de posicion del segmento de usuario para el concepto de posicionamiento tridimensional, puesto que en el lado del usuario son utilizadas dos antenas separadas espacialmente (antena de radar 16 y antena de recepcion GNSS 20 en la Fig. 1) para las senales GNSS y las senales de radar. La informacion de posicion requerida es obtenida mediante integracion de la IMU 20. Con ello, las mediciones GNSS y de radar puede ser remitidas a un punto de referencia o indicacion comun, realizandose una compensacion de descentrado. Otros aspectos positivos en relacion con el uso de la IMU 20 son que el sistema inercial presenta una alta disponibilidad, pueden conseguirse altas velocidades de datos y puede ser determinada una solucion de navegacion completa para todos los seis grados de libertad del segmento de usuario.
Inserto de filtro no lineal acoplado
Los datos de sensores que figuran a continuacion son fusionados por el lado del usuario para obtener una solucion de la posicion 3D de alta precision. Debido a la combination de sensores seleccionada puede ser determinada una solucion de navegacion completa, que va mas alla de una pura indicacion de posicion 3D. Para que la fusion de los datos de sensores conduzca a una solucion de posicion de alta precision se tienen en cuenta en el modelo de medicion del filtro las diferencias espaciales entre la posicion de la antena GNSS, la(s) posicion(es) de la antena(s) de radar y el ISA (Conjunto de sensores inerciales). Las diferencias entre los puntos de referencia de los datos de sensores (centro de fase de la antena GNSS, centro de fase de la antena de radar, ISA) son determinados en la instalacion del sistema, por ejemplo en coordenadas Norte-Este-Abajo (NED). Como punto de referencia comun es elegido a continuacion el ISA, de modo que despues de la instalacion del sistema se pueden indicar los dos vectores de desplazamiento 5radar,NEo y 5gnss,ned. Mediante el uso de la IMU 22 en el segmento de usuario pueden ser observados los angulos de alabeo, elevation y direction del segmento de usuario. Con ayuda de la informacion de la posicion continuamente actualizada y de los vectores de desplazamiento predeterminados §radar,NED y 5gnss,ned se puede remitir la indicacion de las ecuaciones de observation GNSS y de radar a un sistema de coordenadas (de referencia) comun.
A continuacion se recogen de forma individual los datos de salida de sensores. El procesamiento de algunos datos es opcional, por lo que se puede sopesar entre un mayor esfuerzo computacional y un aumento en el rendimiento mediante la utilization de mediciones independientes adicionales en el filtro.
El sistema de radar secundario 12 proporciona en el lado del usuario las siguientes mediciones:
• Distancias oblicuas a los n transpondedores 14 del segmento terrestre
• Opcional: tasas de variation de la distancia a los n transpondedores 14 del segmento terrestre
• factores de calidad y/o varianzas pertenecientes a las mediciones
El receptor GNSS 18 proporciona como salida del sensor las siguientes magnitudes:
• pseudodistancias (distancias oblicuas mas componentes de error) a m satelites
• Opcional: Doppler a m satelites
• Opcional: ADR (rango Doppler acumulado) a m satelites
• Opcional: datos diferenciales de correction (por ejemplo SBAS), que son aplicados a las mediciones de receptor GNSS
• Las desviaciones tlpicas de las mediciones La IMU 22 proporciona mediciones de:
• Aceleracion por eje
• Velocidad angular por eje
La Fig. 3 muestra un inserto acoplado para datos de sensores de radar secundario, RX GNSS e IMU, en el que las mediciones "en bruto" de aceleracion y de velocidades angulares de la IMU 22 son procesadas en el procesador de integracion 30. Las mediciones de distancia, las varianzas de medicion y eventualmente las mediciones de velocidades de variacion de distancia son suministradas por la estacion base de radar secundario 12 a un filtrado previo de los datos 32 del procesador de integracion 30. Ademas, las mediciones de pseudodistancias (PSR), las varianza de medidas y eventualmente los datos de correccion diferenciales, las mediciones ADR y Doppler son suministrados a una correccion y prefiltro de datos 34 del procesador de integracion 30. Los datos de salida de los dos filtros 32 y 34 son suministrados a un filtro no lineal 36 del procesador de integracion 30, que a partir de estas mediciones y de una solucion de navegacion INS calcula datos de correccion 38, que son procesados por un
algoritmo de tipo Strapdown 38 ejecutado por un procesador de integracion 30 para determinar la posicion tridimensional. Al algoritmo de tipo strap-down 38 son suministradas ademas aceleraciones y velocidades angulares y eventualmente varianzas de medicion, que fueron medidas por la IMU 22. Estos movimientos medidos del dispositivo 10 son igualmente procesados por el algoritmo de tipo strapdown 38. Como resultado, el procesador 5 inercial 30 puede emitir ademas de la posicion tridimensional tambien otros datos determinados, tales como covarianzas, velocidad, aceleracion, situacion.
Si por el lado del usuario, la IMU esta ya integrada con un ordenador de navegacion, la solucion de navegacion INS puede seguir siendo procesada directamente en el procesador de integracion 31 como en el caso del inserto para datos de sensores de radar secundario y RX GNSS acoplado mostrado en la Fig. 4. Al filtro no lineal 37 del 10 procesador de integracion 31 son suministrados los datos de salida filtrados de los dos filtros 32 y 34 y una posicion 3D determinada por el sistema de navegacion inercial (INS) 23, la velocidad, la situacion, la matriz de covarianzas de los estados y eventualmente la aceleracion del dispositivo 10. A diferencia del inserto mostrado en la Fig. 3, el filtro no lineal 37 a partir de los datos suministrados no determina datos de correction, sino la posicion tridimensional del dispositivo 10 que emite el procesador de integracion 31, en particular con otros datos determinados, tales como 15 covarianzas, velocidad, aceleracion, situacion, tiempo. La solucion de la posicion determinada es utilizada ademas para apoyar al sistema de navegacion inercial separado.
A continuation son explicados los dos procedimientos utilizados en los procesadores de integracion 30 y 31 para la integracion de datos de sensores de mediciones de radar secundario, Rx GNSS y mediciones IMU en los filtros no lineales 36 y 37. Los procedimientos se pueden emplear alternativamente entre si.
20 El uso del modelo de medicion no lineal es para las mediciones de radar secundario debido a las pequenas distancias entre el segmento de usuario y las estaciones de transpondedor y la geometrla de usuario/transpondedor que cambia rapidamente en el area de operation. La medicion de distancia del radar Sk entre un transpondedor TP y
el usuario U con el vector de posicion tridimensional xv k en el instante k puede expresarse como sigue: sk = r (Xu,k ) +
25 Con la distancia oblicua geometrica r(xu k) :
r(Xu,k) =4(xTP —Xu,k)2 + (yTP —yu,k)2+(Z
— zu, k )
2
donde Vk es el ruido de la medicion mas componentes de errores no corregidos, tales como los errores de trayectos multiples y de calibration. La funcion r en el punto de aproximacion xu k actual no es aproximada por una funcion
lineal como es habitual en las mediciones GNSS. Una posibilidad es aproximar r por una funcion cuadratica r que 30 refleja mejor las no linealidades del sistema de radar secundario:
r (xu,k ) = r (xu,k ) + (xu, k — Xu,k ) ^r (xu ,k ) + 2(Xu ,k — Xu ,k ) H (xu, k ')(xu, k — Xu, k ) .
Vr( xu k) es el vector de la derivada parcial de r en el punto xu k y H( xu k) es la matriz de la segunda derivada
parcial de r en el punto xu k . Por ejemplo, puede ser utilizado un filtro de segundo orden para la optimization. Muy
adecuado para el presente problema de filtro no lineal es tambien un filtro de Kalman de puntos sigma. En general 35 se puede emplear un procedimiento de optimizacion no lineal, de modo que no se parta de una simple linealizacion de las ecuaciones de distancia oblicua.
Los modelos de estado utilizados en el filtro pueden ser ajustados en base a la aplicacion concreta. Dependiendo de la aplicacion pueden ser mas adecuadas ecuaciones de estado lineales o no lineales.
Robustez del sistema
40 El procedimiento descrito es robusto frente a interferencias, ya que no todos los sensores elegidos aqul se ven afectados de forma simultanea en la misma medida por una interferencia. Mientras que GNSS funciona en la banda L, el sistema de radar funciona en la banda C. Otra diferencia esencial es que el receptor GNSS en el segmento de usuario es pasivo, mientras que la estacion base de radar secundario en el segmento de usuario es un componente activo. Debido a la alta redundancia de medicion dentro del area de operacion crltica, puede ser detectada de forma 45 facil una perturbacion de GNSS o del sistema de radar. La robustez del sistema se incrementa aun mas por el uso de una IMU, que es en gran medida insensible frente a interferencias. La salida de la solucion de la posicion tridimensional en el procesador de integracion es precedida por una comprobacion de integridad de la solucion.
5
10
15
20
25
30
35
40
45
Ademas de procedimientos puramente de reconocimiento de errores pueden ser implementados tambien procedimientos de exclusion de errores en el calculador de integracion, con lo que se consigue una muy alta disponibilidad de la solucion de posicion.
En particular, pueden conseguirse las siguientes ventajas por la presente invention y por las formas de realization de la invencion:
• Ademas de la alta precision de la solucion de posicion tridimensional se puede lograr al mismo tiempo un alto nivel de disponibilidad, continuidad e integridad de la solucion de posicion dentro de un area limitada espacialmente.
• Se pueden conseguir altas tasas de actualization de la solucion de la posicion.
• El sistema es mas robusto frente a interferencias que otras propuestas de sistema PALS (Aproximacion de precision y sistemas de aterrizaje) debido a la fusion de datos de sensores seleccionada, que combina diferentes principios de medicion entre si, y del inserto de filtro acoplado.
• El posicionamiento se realiza de forma autonoma por el lado del usuario. La supervision de la integridad de la solucion de posicion se puede efectuar directamente en la unidad de usuario. Requiere solo un pequeno esfuerzo para el operario y no es necesario un enlace de datos adicional entre el segmento terrestre y el de usuario.
• Dimensiones mecanicas pequenas, bajo consumo de potencia y bajos costes de adquisicion y operation del sistema de aumentacion local, es decir, de las estaciones base de radar secundario y de transpondedores.
• El receptor GPS y la antena, as! como la IMU ya estan instalados en muchos segmentos de usuario en el sector aeroespacial, de modo que por el lado del usuario solo se requiere una ampliation de una estacion base de radar secundario y antena(s). Los ordenadores de a bordo existentes puede ser utilizados para implementar en ellos los algoritmos de filtrado no lineal.
• El segmento terrestre de radar secundario puede tambien ser instalado facilmente en plataformas moviles (por ejemplo, portaaviones).
La presente invencion tiene el potencial de proporcionar una solucion de posicion tridimensional en un area espacialmente limitada (por ejemplo, en el entorno de lugares de aterrizaje de helicopteros) con los requisitos de precision, disponibilidad e integridad requeridos en aplicaciones aeroespaciales. Por lo tanto, el riesgo de accidentes se puede minimizar drasticamente, as! como ahorrarse tiempo y costes, pudiendo realizarse aterrizajes autonomos en casos de mala/nula visibilidad del lugar de aterrizaje. La presente invencion es ademas robusta frente a fuentes de interferencia.
Sfmbolos de referenda y acronimos
10 Dispositivo para el posicionamiento tridimensional
12 Estacion base de radar secundario
14 Transpondedor de radar secundario
16 Antena de radar
18 Receptor GNSS/RX GNSS
20 Antena de reception GNSS
22 IMU
23 INS
24 Ordenador de navegacion
26 Lugar de aterrizaje de helicoptero
28 Area de operacion de radar secundario
30, 31 Procesador de integracion
32 Filtrado previo de datos para mediciones de distancia del radar
34
Correccion y filtrado previo de datos para las mediciones de pseudodistancia
36
Filtro no lineal
38
Algoritmo de tipo strapdown
FMCW
Frequency Modulated Continuous Wave/Onda continua modulada en frecuencia
5 GNSS
Global Navigation Satellite System / Sistema global de navegacion por satelite
HDOP
Horizontal Dilution Of Precision/ Dilucion de la precision horizontal
IMU
Inertial Measurement Unit/ Unidad de medicion inercial
INS
Inertial Navigation System/Sistema de navegacion inercial
ISA
Inertial Sensor Assembly/ Disposicion de sensor inercial
10 NED
North-East-Down/ Norte-Este-Abajo
RX
Receptor
SBAS
Satellite Based Augmentation System/Sistema de aumentacion basado en satelites
VDOP
Vertical Dilution Of Precision/Dilucion de la precision vertical

Claims (13)

  1. 5
    10
    15
    20
    25
    30
    35
    40
    45
    50
    REIVINDICACIONES
    1. Dispositivo (10) para el posicionamiento tridimensional que presenta una estacion base de radar secundario (12), que esta prevista para la medicion de la distancia a transpondedores (14) y presenta al menos una antena de radar (16), un receptor GNSS (18) que esta previsto para la medicion de senales GNSS y presenta una antena de recepcion GNSS (20), una unidad de medicion inercial (22) que esta prevista para determinar con respecto a un punto de referencia la posicion de la antena de recepcion GNSS, as! como la de la al menos una antena de radar en un sistema de coordenadas comun, y un procesador de integracion (24; 30; 31), al que son proporcionadas las mediciones de pseudodistancia del receptor GNSS, las mediciones de distancia del radar y movimientos del dispositivo alrededor de los ejes del sistema de coordenadas comun medidos por la unidad de medicion inercial (22), denominados en lo que sigue datos IMU, caracterizado por que el procesador de integracion determina una posicion tridimensional de un punto de referencia comun por fusion de las mediciones y datos suministrados conforme a una fusion de datos de sensores, siendo realizada una compensacion de descentrado teniendo en cuenta los movimientos medidos, presentando el procesador de integracion (24; 30; 31) un filtro no lineal (36; 37) para el procesamiento de las mediciones de pseudodistancia del receptor GNSS, de los datos IMU generados por la unidad de medicion inercial (22) y de las mediciones de distancias del radar.
  2. 2. Dispositivo segun la reivindicacion 1, caracterizado por que la estacion base secundaria (12) esta realizada para funcionar en la banda C (IEEE) y utilizar las senales de radar FMCW para medir la distancia.
  3. 3. Dispositivo segun la reivindicacion 1 o 2, caracterizado por que esta previsto un sistema de navegacion inercial (23) que presenta la unidad de medicion inercial (22) y en el que el procesador de integracion (24; 30; 31) esta realizado para determinar fuera de una zona de operacion (28) del sistema de radar secundario (12) una posicion tridimensional con una primera navegacion acoplada sobre la base de las mediciones de pseudodistancia del receptor GNSS (18) y de las mediciones de navegacion inercial del sistema de navegacion inercial (23), y dentro de la zona de operacion (28) de la estacion base de radar secundario (12) determinar una posicion tridimensional con una segunda navegacion acoplada sobre la base de las mediciones de distancia del radar, las mediciones de pseudodistancia del receptor GNSS (18) y las mediciones de navegacion inercial del sistema de navegacion inercial (23).
  4. 4. Dispositivo segun la reivindicacion 1, 2 o 3, caracterizado por que esta previsto el filtro no lineal (36) para determinar datos de correccion para una solucion de navegacion INS a partir de las mediciones de pseudodistancia del receptor GNSS y de las mediciones de distancia del radar, y el procesador de integracion (30) ejecuta un algoritmo de tipo strapdown (38), el cual determina la posicion tridimensional a partir de los datos de correccion y de los movimientos del dispositivo alrededor de los ejes del sistema de coordenadas comun medidos por la unidad de medicion inercial (22).
  5. 5. Dispositivo segun la reivindicacion 1, 2 o 3, caracterizado por que el filtro no lineal (37) esta configurado para determinar la posicion tridimensional a partir de las mediciones de pseudodistancia del receptor GNSS, las mediciones de distancia del radar y una solucion de navegacion INS, y la posicion tridimensional determinada es acoplada de forma retroactiva a un sistema de navegacion inercial (23) del dispositivo para calibracion.
  6. 6. Dispositivo segun una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el filtro no lineal (36; 37) aproxima una distancia oblicua entre la al menos una antena de radar (16) y un transpondedor (14) por una funcion no lineal, en particular como caso especial una funcion cuadratica, en particular como caso especial una distancia oblicua r utilizando la siguiente funcion no lineal:
    r(Xu,k )=r(xU . ) + (x
    -U ,k
    -Xu,k )T ^r (xu,k)+2( xu,k
    xU,k Y H(xU,k )(Xu,k - xU,k )
    donde xU k es un vector de posicion tridimensional en el instante k entre un transpondedor TP y el dispositivo U, Xu k, es un punto de aproximacion actual, Vr(xU k) es el vector de la derivada parcial de r en el punto xU k y H( xu k) es la matriz de la segunda derivada parcial de r en el punto xu k .
  7. 7. Dispositivo segun la reivindicacion 6, caracterizado por que el filtro no lineal (36; 37) utiliza para la solucion del problema de filtro no lineal un procedimiento de optimizacion no lineal, en particular un filtro de Kalman de puntos sigma, o un filtro de segundo orden para la optimizacion.
  8. 8. Dispositivo segun una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el filtro no lineal (36; 37) implementa un modelo de estado que, dependiendo de la aplicacion del dispositivo, presenta ecuaciones de estado lineales o no lineales.
  9. 9. Procedimiento para el posicionamiento tridimensional, con las siguientes etapas: la recepcion de mediciones de distancia del radar de una estacion base de radar secundario (12), que esta prevista para medir la distancia a los
    11
    transpondedores (14) y presenta al menos una antena de radar (16), la recepcion de mediciones de pseudodistancias de un receptor GNSS (18), que esta previsto para la medicion de senales GNSS y presenta una antena de recepcion GNSS (20), la recepcion de mediciones de movimientos de una unidad de medicion inercial (22), que esta prevista para determinar con respecto a un punto de referencia la posicion de la antena de recepcion 5 GNSS, as! como de la al menos una antena de radar en un sistema de coordenadas comun, caracterizado por la determinacion de una posicion tridimensional de un punto de referencia comun por fusion de las mediciones de pseudodistancia del receptor GNSS, de las mediciones de distancia del radar y de las mediciones de movimientos de la unidad de medicion inercial, en lo que sigue denominados datos IMU, conforme a una fusion de datos de sensores teniendo en cuenta una compensacion de descentrado entre el punto de referencia, la antena de recepcion
    10 GNSS, la al menos una antena de radar y la unidad de medida inercial y por el filtrado no lineal (37) para el procesamiento de las mediciones de pseudodistancias del receptor GNSS, de los datos IMU generados por la unidad de medicion inercial (22) y de las mediciones de distancia del radar.
  10. 10. Procedimiento segun la reivindicacion 9, caracterizado ademas por las siguientes etapas: el filtrado no lineal (36) para la determinacion de datos de correccion para una solucion de navegacion INS a partir de las mediciones de
    15 pseudodistancia recibidas y las mediciones de distancia del radar recibidas y la ejecucion de un algoritmo de tipo strapdown (38) para determinar la posicion tridimensional en base a los datos de correccion y las mediciones de movimiento recibidas, o el filtrado no lineal (37) para determinar la posicion tridimensional a partir de las mediciones de pseudodistancia recibidas, de las mediciones de distancia del radar recibidas y de la solucion de navegacion INS recibida.
    20 11. Procedimiento segun la reivindicacion 9 o 10, caracterizado por que el filtrado no lineal (36; 37) presenta la
    aproximacion de una distancia oblicua entre la al menos una antena de radar (16) y un transpondedor (14) por una funcion no lineal, en particular como caso especial una funcion cuadratica, en particular como caso especial la aproximacion de una distancia oblicua r utilizando la siguiente funcion no lineal:
    r (XU ,k ) = r (XU ,k ) + (xU ,k — XU ,k ) ^r (xU ,k ) + ~2(Xu •k ~ Xu-k ) H -k ,k — XU ,k )
    25 donde xU k es un vector de posicion tridimensional en el instante k entre un transpondedor TP y el dispositivo U, xU k, es un punto de aproximacion actual, Vr(xU k) es el vector de la derivada parcial de r en el punto xU k y H( xU k) es la matriz de la segunda derivada parcial de r en el punto xU k .
  11. 12. Procedimiento segun la reivindicacion 11, caracterizado por que el filtrado no lineal (36; 37) utiliza para resolver el problema de filtro no lineal un procedimiento de optimizacion no lineal, en particular emplea un filtro de Kalman de
    30 puntos sigma o un filtro de segundo orden para la optimizacion.
  12. 13. Programa informatico para la realization de un procedimiento segun una de las reivindicaciones 9-12.
  13. 14. Producto de programa informatico que contiene un soporte de programa legible por maquina en el que esta almacenado un programa informatico segun la reivindicacion 13 en forma de senales de control legibles de forma electronica y/u optica.
    35
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