WO1999032852A1 - Automatic, rapid calibration of an on-board autonomous measurement of a speed vector - Google Patents
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Abstract
The invention relates to a method which permits automatic, rapid and reliable calibration of the on-board measurement of the speed vector of a vehicle, said measurement being filled with rough errors, with the assistance of independent, however, noisy measurements which only have a limited availability. In addition to the on-board autonomous and independent measurement of the speed vector pertaining to the vehicle, the method utilizes the measurements of an on-board navigation system having inertial sensors. The inventive method requires no previous knowledge about the or no approximate values of the calibration parameters. The calibration parameters are calculated with the use of an optimal estimation filter. The method comprises the estimation of the synchronization error between the on-board autonomous and the independent, external measurement of the speed vector. The calibration results of the inventive method are preferably utilized for initializing a series-connected optimal filter which is linearized around an operating point and explained by exact navigation results.
Description
Selbsttätige, schnelle Kalibrierung einer bordautonomen Messung eines GeschwindigkeitsvektorsAutomatic, fast calibration of an on-board measurement of a speed vector
Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Kalibration bordautonomer Ge- schwindigkeitsmessungen in Navigationssystemen mit inertialen Sensoren.The invention relates to methods for calibrating on-board autonomous speed measurements in navigation systems with inertial sensors.
Das nachfolgend beschriebene Verfahren ist auf beliebige Ausführungen von inertialen Navigationssystemen anwendbar.The method described below can be applied to any design of inertial navigation systems.
Häufig verwenden bordautonome Navigations- und Orientierungsanlagen zusätzlich zu Messungen inertialer Sensoren wie Beschleunigungsmesser und Kreisel auch eine bordautonome Geschwindigkeitsmessung. Dazu sind auf dem Trägerfahrzeug geeignete Sensoren angebracht, die in Abhängigkeit der Umgebungsbedingungen des Trägers die Geschwindigkeitsmessung ermöglichen.In addition to measurements of inertial sensors such as accelerometers and gyroscopes, on-board autonomous navigation and orientation systems often also use on-board autonomous speed measurement. For this purpose, suitable sensors are attached to the carrier vehicle, which enable speed measurement depending on the ambient conditions of the carrier.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem die mit groben Fehlern behaftete, bordautonome Messung des Geschwindigkeitsvektors mit Hilfe von externen und unabhängigen, jedoch verrauschten und lediglich eingeschränkt verfügbaren Geschwindigkeitsmessungen automa- tisch, schnell und zuverlässig kalibriert werden kann.The invention has for its object to provide a method with which the on-board autonomous measurement of the speed vector, which is subject to gross errors, can be calibrated automatically, quickly and reliably using external and independent, but noisy and only limitedly available speed measurements.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Kalibration einer bordautonomen Messung eines Geschwindigkeitsvektors in einem Navigationssystem mit einer inertialen Meßeinheit, ist dadurch gekennzeichnet, daß die bordautonome Mes- sung des Geschwindigkeitsvektors mit einer externen und unabhängigen Messung des Geschwindigkeitsvektors eines unabhängigen Geschwindigkeitssensors verglichen wird, und mittels des Vergleichs Kalibrationsparameter für die bordautonome Messungen des Geschwindigkeitsvektors berechnet werden.The method according to the invention for calibrating an on-board measurement of a speed vector in a navigation system with an inertial measuring unit is characterized in that the on-board measurement of the speed vector is compared with an external and independent measurement of the speed vector of an independent speed sensor, and by means of the comparison calibration parameters for the on-board autonomous measurements of the speed vector are calculated.
Das Verfahren ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, daß keine Vorkenntnisse über die bzw. keine Näherungswerte von den Kalibrationswerten benötigt werden.The method is characterized in particular by the fact that no previous knowledge of the approximation values or of the approximation values of the calibration values is required.
Besonders vorteilhaft bei dem Verfahren ist, daß die bordautonome und die un- abhängige, externe Messung des Geschwindigkeitsvektors keine Zeitsynchronisation benötigen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen definiert.It is particularly advantageous in the method that the on-board autonomous and the independent, external measurement of the speed vector do not require time synchronization. Advantageous embodiments of the method according to the invention are defined in the subclaims.
Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich besonders vorteilhaft einsetzen, wenn seine Ergebnisse zur Initialisierung eines nachgeschalteten, einen linearen Arbeitsbereich benötigenden und sehr genaue Navigationsergebnisse ermittelnden Optimalfilters benutzt werden.The method according to the invention can be used particularly advantageously if its results are used to initialize a downstream optimal filter which requires a linear working area and ascertains very precise navigation results.
Ausgangsgrößen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind mindestens der An- fangskurswinkel des Fahrzeugs als dominante Fehlerquelle der bordautonomen Geschwindigkeitsmessung sowie der Synchronisationsfehler zwischen der bordautonomen und der unabhängigen, externen Messung des Geschwindigkeitsvektors.The output variables of the method according to the invention are at least the starting heading angle of the vehicle as the dominant source of error for the on-board autonomous speed measurement and the synchronization error between the on-board autonomous and the independent, external measurement of the speed vector.
Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten werden nachfolgend unter Bezug auf Figur 1 erläutert.The invention and advantageous details are explained below with reference to FIG. 1.
Eine bevorzugte Anwendung der Erfindung sind z.B. Koppelnavigationssysteme in Landfahrzeugen, die durch einen Weggeber über eine zur Fahrzeuglängs- geschwindigkeit proportionale Messung verfügen und mit inertialen Sensoren die Änderung der Geschwindigkeitsrichtung erfassen. Für diesen Fall beinhaltet die Kalibrationsaufgabe zusätzlich zur Bestimmung des Anfangswertes des Kurswinkels (Anfangsausrichtung), sowie des Synchronisationsfehlers zwischen der bordautonomen und der unabhängigen externen Messung noch die Bestimmung des Skalenfaktors des Weggebers.A preferred application of the invention is e.g. Dead reckoning systems in land vehicles, which have a measurement that is proportional to the vehicle's longitudinal speed through a displacement sensor and which detect the change in the direction of speed with inertial sensors. In this case, the calibration task also includes determining the scale factor of the travel sensor in addition to determining the initial value of the heading angle (initial alignment) and the synchronization error between the on-board autonomous and the independent external measurement.
Eine genaue externe, unabhängige Geschwindigkeitsmessung hierfür liefern z.B. Satellitennavigationsempfänger.An exact external, independent speed measurement for this purpose, e.g. Satellite navigation receiver.
Zielsetzung der Kalibration der Messung des bordautonomen Geschwindigkeitsvektors ist es dann, auch für den Fall von zeitweisen Störungen und Verfälschungen der externen Geschwindigkeitsmessung wie dies z.B. bei Verwendung eines Satellitennavigationsempfängers häufig der Fall ist, eine schnelle, zuverlässige und automatische Berechnung der Kalibrationsgrößen zu gewähr- leisten.The aim of the calibration of the measurement of the on-board autonomous speed vector is then, also in the case of intermittent disturbances and falsifications of the external speed measurement, as e.g. When using a satellite navigation receiver, it is often the case to ensure a fast, reliable and automatic calculation of the calibration values.
Das nachfolgend beschriebene erfindungsgemäße Schätzverfahren stellt keine
einschränkenden Forderungen bezüglich Vorkenntnisse der Kalibration des bordautonomen Geschwindigkeitsvektors. Vielmehr ist das Schätzfilter derart ausgelegt, daß die Kalibration schnell, zuverlässig und mit einer ausreichenden Genauigkeit erfolgt, so daß die geschätzten Kalibrationsparameter als zuverläs- sige Initialisierungswerte für ein nachgeschaltetes lineares Optimalfilters geeignet sind, das höchstmögliche Navigationsgenauigkeiten liefert.The estimation method according to the invention described below does not constitute any restrictive requirements regarding prior knowledge of the calibration of the on-board autonomous speed vector. Rather, the estimation filter is designed in such a way that the calibration is carried out quickly, reliably and with sufficient accuracy, so that the estimated calibration parameters are suitable as reliable initialization values for a downstream linear optimal filter which delivers the highest possible navigation accuracy.
Folgende Fehlerquellen sind bei Verwendung der Messung eines Geschwindigkeitsvektors durch z.B. einen Satellitennavigationsempfänger als externe un- abhängige Messung zu beachten:The following error sources are when using the measurement of a speed vector by e.g. to consider a satellite navigation receiver as an external independent measurement:
Zeitbezugsfehler zwischen beiden Geschwindigkeitsmessungen; "Ortsbezugsfehler" zwischen beiden Geschwindigkeitsmessungen, d.h. beide Geschwindigkeiten können sich auf unterschiedliche Referenzpunkte des Fahrzeugs beziehen. (Der Abstand zwischen beiden Bezugs- punkten des Geschwindigkeitsvektors wird nachfolgend als "Hebelarm" bezeichnet.)Time reference error between the two speed measurements; "Location reference error" between the two speed measurements, i.e. both speeds can refer to different reference points of the vehicle. (The distance between the two reference points of the speed vector is referred to below as the "lever arm".)
In der nachfolgend beschriebenen Ausführung des Kalibrationsverfahrens ist nur der Zeitbezugsfehler berücksichtigt. Bezüglich des Hebelarmfehlers wird vorausgesetzt, daß dieser bekannt und in einer der beiden Geschwindigkeitsmessungen kompensiert ist. Dies bedeutet, daß das beschriebene erfindungsgemäße Schätzfilter Geschwindigkeitsmessungen verwendet, die im Rahmen der geforderten Kalibrationsgenauigkeit auf einen gemeinsamen Bezugspunkt transformiert sind. Obwohl Satellitennavigationsempfänger häufig Synchroni- sationssignale für den Zeitbezug der Messung zur Verfügung stellen, wird der Zeitbezugsfehler als Modellparameter und damit als zu schätzende Größe berücksichtigt. Denn in vielen Anwendungsfällen besteht die Forderung, den Schnittstellenaufwand für die Integration des Synchronisationssignals zu vermeiden.In the execution of the calibration procedure described below, only the time reference error is taken into account. Regarding the lever arm error, it is assumed that this is known and compensated for in one of the two speed measurements. This means that the estimation filter according to the invention described uses speed measurements which are transformed to a common reference point within the required calibration accuracy. Although satellite navigation receivers frequently provide synchronization signals for the time reference of the measurement, the time reference error is taken into account as a model parameter and thus as a variable to be estimated. Because in many applications there is a requirement to avoid the interface effort for the integration of the synchronization signal.
Figur 1 zeigt eine bordautonome inertiale Meßeinheit 1. Die am meisten verbreiteten Sensorkonfigurationen bestehen aus je drei orthogonal angeordneten Beschleunigungsmessern und Kreiseln, die entweder auf raumfest stabilisierten Plattformen angeordnet oder gehäusefest montiert sind. Letztere Ausführungs- form bezeichnet man als Strapdown-System. Bei ä priori bekannter, eingeschränkter Dynamik des Trägerfahrzeugs wird oft nur eine reduzierte Anzahl von Sensoren benötigt. In bestimmten Anwendungen für Landfahrzeuge werden
beispielsweise nur zwei Beschleunigungsmesser in der horizontalen Fahrzeugebene und ein Kreisel mit Meßachse um die Fahrzeughochachse verwendet.FIG. 1 shows an on-board autonomous inertial measuring unit 1. The most widespread sensor configurations consist of three orthogonally arranged accelerometers and gyros, which are either arranged on spatially stabilized platforms or mounted fixed to the housing. The latter embodiment is known as a strapdown system. If the carrier vehicle's dynamics are known a priori, often only a reduced number of sensors is required. In certain applications for land vehicles For example, only two accelerometers are used in the horizontal vehicle plane and a gyroscope with a measuring axis around the vehicle vertical axis.
Die inertiale Meßeinheit liefert Änderungen in der Orientierung des Trägerfahr- zeugs, auf dem die inertiale Meßeinheit angebracht ist.The inertial measuring unit provides changes in the orientation of the carrier vehicle on which the inertial measuring unit is mounted.
Der bordautonome Geschwindigkeitssensor 2 mißt den Geschwindigkeitsvektor des Trägerfahrzeugs in fahrzeugfesten Koordinaten.The on-board autonomous speed sensor 2 measures the speed vector of the carrier vehicle in vehicle-fixed coordinates.
Die Navigationsgleichungen 3 integrieren fortlaufend die von der inertialen Meßeinheit 1 gelieferten Änderungen in der Orientierung des Trägerfahrzeugs zu Orientierungswinkeln, häufig als Kurs- und Lagewinkel bezeichnet, deren Bezug zum wahren Referenzkoordinatensystem Abweichungen aufweist. Die derart berechneten Orientierungswinkel beziehen sich somit auf ein fehlerhaf- tes Referenzkoordinatensystem, das als Pseudo-Referenzkoordinatensystem bezeichnet wird.The navigation equations 3 continuously integrate the changes in the orientation of the carrier vehicle to orientation angles provided by the inertial measuring unit 1, often referred to as course and position angles, the relationship of which to the true reference coordinate system has deviations. The orientation angles calculated in this way thus relate to an incorrect reference coordinate system which is referred to as a pseudo reference coordinate system.
Die Navigationsgleichungen 3 berechnen weiter fortlaufend den bordautonomen Geschwindigkeitsvektor im Pseudo-Referenzkoordinatensyst- em auf Grundlage des vom bordautonomen Geschwindigkeitssensor 2 gelieferten Geschwindigkeitsvektors. Dazu benutzen die Navigationsgleichungen 3 die Orientierungswinkel. Dieser berechnete bordautonome Geschwindigkeitsvektor, der im Pseudo-Referenzkoordinatensystem vorliegt, wird an einen Schätzalgorithmus 4 ausgegeben.The navigation equations 3 continuously calculate the on-board autonomous speed vector in the pseudo reference coordinate system on the basis of the speed vector supplied by the on-board autonomous speed sensor 2. The navigation equations 3 use the orientation angles for this. This calculated on-board autonomous speed vector, which is present in the pseudo reference coordinate system, is output to an estimation algorithm 4.
Der Schätzalgorithmus 4 benutzt als Eingangsgrößen den im Pseudo-Referenz- koordinatensystem dargestellten bordautonomen Geschwindigkeitsvektor sowie den im tatsächlichen Referenzkoordinatensystem ermittelten unabhängigen Geschwindigkeitsvektor eines unabhängigen Geschwindigkeitssensors 5, z.B. eines Satellitennavigationsempfängers. Eine bevorzugte Ausführung des Schätzalgorithmus 4 wird mittels eines optimalen Schätzfilters 6, eines Abbruchtests 8 und eines stochastischen Kompatibilitätstests 7 realisiert.The estimation algorithm 4 uses as inputs the on-board autonomous speed vector shown in the pseudo reference coordinate system and the independent speed vector of an independent speed sensor 5 determined in the actual reference coordinate system, e.g. of a satellite navigation receiver. A preferred embodiment of the estimation algorithm 4 is implemented by means of an optimal estimation filter 6, an abort test 8 and a stochastic compatibility test 7.
Das optimale Schätzfilter 6 enthält ein mathematisches Modell, das das dyna- mische Verhalten des Unterschieds zwischen der bordautonomen und der externen, unabhängigen Messung des Geschwindigkeitsvektors beschreibt.The optimal estimation filter 6 contains a mathematical model that describes the dynamic behavior of the difference between the on-board autonomous and the external, independent measurement of the speed vector.
Dieses mathematische Modell enthält mindestens den Fehler des
Anfangskurswinkels als dominanten Fehler der bordautonomen Geschwindigkeitsmessung sowie den Synchronisationsfehler zwischen dem bordautonomen und dem externen, unabhängigen Geschwindigkeitssensor als Unbekannte.This mathematical model contains at least the error of the Starting course angle as the dominant error of the on-board autonomous speed measurement and the synchronization error between the on-board autonomous and the external, independent speed sensor as unknowns.
Das optimale Schätzfilter 6 benutzt das mathematische Modell, den fortlaufend gemessenen unabhängigen Geschwindigkeitsvektor sowie den aktualisierten, bordautonomen Geschwindigkeitsvektor, um die Unbekannte des mathematischen Modells zu schätzen.The optimal estimation filter 6 uses the mathematical model, the continuously measured independent speed vector and the updated on-board autonomous speed vector to estimate the unknowns of the mathematical model.
Das optimale Schätzfilter 6 berechnet Zahlenwerte, die Maße für die Schätzgenauigkeiten sowie Abhängigkeiten zwischen den Kalibrationsparametern darstellen.The optimal estimation filter 6 calculates numerical values which represent dimensions for the estimation accuracies as well as dependencies between the calibration parameters.
Der Abbruchtest 8 benutzt die Maßzahlen für die Schätzgenauigkeit der Kali- brationsparameter, um zu verifizieren, ob einzelne Kalibrationsparameter mit der jeweils geforderten Genauigkeit geschätzt sind. Im statistischen Sinne ist dies dann erfüllt, wenn die entsprechenden Maßzahlen kleiner sind als vorgegebene Schwellenwerte. Die Zuverlässigkeit der Schätzung wird durch die Berücksichtigung von Mindestkalibrationszeiten erhöht.The abort test 8 uses the measures for the estimation accuracy of the calibration parameters in order to verify whether individual calibration parameters are estimated with the respectively required accuracy. In the statistical sense, this is fulfilled if the corresponding measures are smaller than the specified threshold values. The reliability of the estimate is increased by taking minimum calibration times into account.
Der Schätzalgorithmus 4 ist derart ausgelegt, daß, wenn einzelne Kalibrationsparameter hinreichend genau und zuverlässig geschätzt sind, das Schätzfilter 6 nur noch die verbleibenden Kalibrationsparameter bestimmt und die hierfür nicht mehr benötigten Komponenten des externen, unabhängigen sowie des bordautonomen Geschwindigkeitsvektors unberücksichtigt läßt.The estimation algorithm 4 is designed such that when individual calibration parameters are estimated sufficiently accurately and reliably, the estimation filter 6 only determines the remaining calibration parameters and does not take into account the components of the external, independent and on-board autonomous speed vector that are no longer required for this.
Der stochastische Kompatibilitätstest 7 überprüft, ob die bisher vorliegenden Schätzwerte für die Kalibrationsparameter mit dem Unterschied zwischen dem unabhängigen, externen und dem bordautonomen Geschwindigkeitsvektor übereinstimmen. Dies erfolgt anhand der vom unabhängigen Geschwindigkeitssensor 5 ausgegebenen Gütemaße sowie der im optimalen Schätzfilter 6 berechneten Maßzahlen für die Schätzgenauigkeiten sowie Abhängigkeiten zwischen den Kalibrationsparametern.The stochastic compatibility test 7 checks whether the previously available estimated values for the calibration parameters match the difference between the independent, external and the on-board autonomous speed vector. This takes place on the basis of the quality measures output by the independent speed sensor 5 and the dimensions for the estimation accuracies calculated in the optimal estimation filter 6 as well as dependencies between the calibration parameters.
Bei Nichtbestehen des stochastischen Kompatibilitätstests werden entsprechende Komponenten des vom unabhängigen Geschwindigkeitssensor 5 ausgegebenen Geschwindigkeitsvektors verworfen. Liegt ein Nichtbestehen mehr-
mals hintereinander vor, so wird das optimale Schätzfilter 6 entsprechend den Testergebnissen teilweise oder vollständig neu initialisiert. Damit erhält das optimale Schätzfilter 6 die Möglichkeit, neu zu lernen, indem wahrscheinlich zuvor fehlerhaft geschätzte Kalibrationsparameter verworfen werden.If the stochastic compatibility test is not passed, corresponding components of the speed vector output by the independent speed sensor 5 are discarded. If there is no more times in succession, the optimal estimation filter 6 is partially or completely reinitialized in accordance with the test results. The optimal estimation filter 6 thus has the opportunity to learn again by probably rejecting previously incorrectly estimated calibration parameters.
Anhand der stochastisch übereinstimmenden Komponenten der Geschwindigkeitsvektoren werden die Schätzwerte für die Kalibrationsparameter verbessert und die Schätzgenauigkeiten erhöht.Based on the stochastically matching components of the speed vectors, the estimated values for the calibration parameters are improved and the estimated accuracy is increased.
Das optimale Schätzfilter 6 besitzt die Eigenschaft, fehlende oder uneindeutige Beobachtbarkeiten der Kalibrationsparameter selbständig bzw. automatisch zu erkennen. Diese äußern sich dadurch, daß sich die entsprechenden Maßzahlen für die Schätzgenauigkeiten sowie Abhängigkeiten zwischen den Kalibrationsparametern nicht verringern bzw. die vorgegebenen Schwellenwerte nicht unterschritten werden.The optimal estimation filter 6 has the property of automatically or automatically recognizing missing or ambiguous observabilities of the calibration parameters. These are expressed by the fact that the corresponding measures for the estimation accuracies and dependencies between the calibration parameters are not reduced or the specified threshold values are not undershot.
Das optimale Schätzfilter 6 zeichnet sich außerdem dadurch aus, daß es die Zeiten, die benötigt werden, bis einzelne Kalibrationsparameter mit einer vorgegebenen Genauigkeit beschätzt sind, automatisch selbst festlegt.The optimal estimation filter 6 is also distinguished by the fact that it automatically determines the times required for individual calibration parameters to be estimated with a predetermined accuracy.
Der Schätzalgorithmus 4 arbeitet bei beliebigen möglichen Bewegungszustän- den des Trägerfahrzeugs mit Ausnahme des Fahrzeugstillstands, der vom Schätzalgorithmus automatisch erkannt wird. Während solcher Phasen wird das optimale Schätzfilter 6 angehalten. Dies gilt ebenso, wenn der externe, un- abhängige Geschwindigkeitssensor zeitweilig keine gültigen Meßwerte oder solche von schlechter Güte zur Verfügung stellt.The estimation algorithm 4 works with any possible movement states of the carrier vehicle with the exception of the vehicle standstill, which is automatically recognized by the estimation algorithm. The optimal estimation filter 6 is stopped during such phases. This also applies if the external, independent speed sensor temporarily does not provide any valid measured values or those of poor quality.
Die vorliegende Erfindung läßt sich auf beliebige Ausführungen von inertialen Navigationssystemen anwenden. Bei Landanwendungen werden häufig inertia- le Navigationssysteme eingesetzt, die lediglich zwei Beschleunigungsmesser in der horizontalen Fahrzeugebene und einen Kreisel mit Meßachse um die Fahrzeughochachse besitzen. Als bordautonomer Geschwindigkeitssensor dient ein Weggeber, der ein zur Fahrzeuglängsgeschwindigkeit proportionales Signal mißt. Bei diesem Unterfall bestehen die Kalibrationsparameter aus dem Skalen- faktor des Odometers, dem Synchronisationsfehler zwischen der bordautonomen und der externen, unabhängigen Messung des Geschwindigkeitsvektors sowie dem Anfangskurswinkelfehler, der den Unterschied zwischen dem tat-
sächlichen und dem Pseudo-Referenzkoordinatenssytem darstellt.The present invention can be applied to any embodiment of inertial navigation systems. Inland applications, inertial navigation systems are often used which have only two accelerometers in the horizontal vehicle plane and a gyroscope with a measuring axis around the vehicle vertical axis. A travel sensor, which measures a signal proportional to the longitudinal vehicle speed, serves as an on-board autonomous speed sensor. In this sub-case, the calibration parameters consist of the scale factor of the odometer, the synchronization error between the on-board autonomous and the external, independent measurement of the speed vector, and the initial heading angle error, which is the difference between the actual neuter and the pseudo-reference coordinate system.
Ein Sonderfall dieses Unterfalls ergibt sich durch unterschiedliche Notwendigkeiten der Kalibration des Anfangskurswinkelfehlers und des Skalenfaktors des Weggebers. Während die Bestimmung der Anfangsrichtung häufiger nötig ist (z.B. nach Fahrzeugtransporten oder Fahrten mit ausgeschalteter Navigationsanlage, also potentiell nach jedem Einschalten der Anlage), ist die Kalibrierung des Skalenfaktors nur bei Erstinbetriebnahme in einem Fahrzeug sinnvoll. Somit kann ein- und dieselbe Navigationsanlage ohne weiteres in einer Vielzahl von Fahrzeugtypen eingesetzt werden, die Weggeber mit stark unterschiedlichen Skalenfaktoren besitzen. Der Schätzalgorithmus 4 wird dann in zwei Teile zerlegt, wobei der eine Teil die Schätzung des Skalenfaktors des Odometers übernimmt und der andere die Bestimmung des Anfangskurswinkel- und des Synchronisationsfehlers als Aufgabe hat.A special case of this case arises from the different necessities of calibrating the initial heading angle error and the scale factor of the displacement sensor. While it is often necessary to determine the initial direction (e.g. after vehicle transports or trips with the navigation system switched off, i.e. potentially every time the system is switched on), the calibration of the scale factor only makes sense when the vehicle is started up for the first time. This means that one and the same navigation system can easily be used in a variety of vehicle types that have displacement sensors with very different scale factors. The estimation algorithm 4 is then broken down into two parts, one part taking over the estimation of the scale factor of the odometer and the other one having the task of determining the starting heading angle and the synchronization error.
Diese Zerlegung in zwei Teile und damit Teilsysteme ist durch positive Eigenschaften charakterisiert. Hier ist der algorithmische Aufwand geringer, da anstelle eines Systems dritter Ordnung nun ein System erster und ein System zweiter Ordnung zu behandeln sind.This breakdown into two parts and thus subsystems is characterized by positive properties. Here, the algorithmic effort is less, since instead of a third-order system, a first-order system and a second-order system have to be treated.
In der Fahrzeugnavigation ist es üblich, daß der Kurswinkel immer auf die positive Fahrzeuglängsachse bezogen wird. Um den Kurswinkel bezüglich der positiven Fahrzeuglängsachse festlegen zu können, benötigt der Schätzalgorithmus 4 Information darüber, ob sich das Fahrzeug vorwärts oder rückwärts bewegt. Diese Information kann wie folgt erhalten werden:It is common in vehicle navigation that the heading angle is always related to the positive longitudinal axis of the vehicle. In order to be able to determine the heading angle with respect to the positive vehicle longitudinal axis, the estimation algorithm 4 requires information as to whether the vehicle is moving forwards or backwards. This information can be obtained as follows:
1.) Definition der Fahrtrichtung vor einer Kalibrationsfahrt durch Parametereingabe. 2.) Auswertung einer Beschleunigungsfahrt bei etwa konstanter Steigung des Fahrtprofils durch Analyse: a) des Beschleunigungsmessers in Fahrtrichtung b) des im Stillstand ermittelten Nickwinkels und c) der aus dem Weggeber ermittelten Geschwindigkeitsdifferenz. 3.) Auswertung der Gangsschaltung.
1.) Definition of the direction of travel before a calibration run by entering parameters. 2.) Evaluation of an acceleration run with an approximately constant slope of the travel profile by analysis: a) the accelerometer in the direction of travel b) the pitch angle determined when the vehicle is stationary and c) the speed difference determined by the displacement sensor. 3.) Evaluation of the gear shift.
Claims
1. Verfahren zur Kalibration einer bordautonomen Messung eines Ge- schwindigkeitsvektors in einem Navigationssystem mit einer inertialen Meßeinheit (1), dadurch gekennzeichnet, daß die bordautonome Messung des Geschwindigkeitsvektors mit einer externen und unabhängigen Messung des Geschwindigkeitsvektors eines unabhängigen Geschwindigkeitssensors (5) verglichen wird, und mittels des Vergleichs Kalibrationsparameter für die bordautonome Messung des Geschwindigkeitsvektors berechnet werden.1. A method for calibrating an on-board measurement of a speed vector in a navigation system with an inertial measuring unit (1), characterized in that the on-board measurement of the speed vector is compared with an external and independent measurement of the speed vector of an independent speed sensor (5), and calibration parameters for the on-board autonomous measurement of the speed vector can be calculated by means of the comparison.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mittels Navigationsgleichungen (3) fortlaufend die von der inertialen Meßeinheit (1) gelieferten Änderungen der Orientierung eines die inertiale Meßeinheit tragenden Trägerfahrzeugs zu Orientierungswinkeln integriert werden und aus den Messungen eines bordautonomen Geschwindigkeitssensors (2) ein sich auf die Orientierungswinkel beziehender bordautonomer Geschwindigkeitsvektor errechnet wird.2. The method according to claim 1, characterized in that by means of navigation equations (3) are continuously integrated from the inertial measuring unit (1) changes in the orientation of a carrier vehicle carrying the inertial measuring unit to orientation angles and from the measurements of an on-board autonomous speed sensor (2) on-board autonomous speed vector relating to the orientation angles is calculated.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Orientierungswinkel auf ein Koordinatensystem beziehen, das Pseudo- Referenz-koordinatensystem genannt wird und vom wahren Referenzkoordinatensystem abweicht.3. The method according to claim 2, characterized in that the orientation angles relate to a coordinate system, which is called the pseudo reference coordinate system and deviates from the true reference coordinate system.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die bordautonome Messung des Geschwindigkeitsvektors und die externe unabhängige Messung des Geschwindigkeitsvektors als Eingangsgrößen eines Schätzalgorithmus (4) dienen, der den Synchronisationsfehler zwischen der bordautonomen und der unabhängigen externen Messung des Ge- schwindigkeitsvektors schätzt und die bordautonome Messung des Geschwindigeitsvektors kalibriert.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the on-board autonomous measurement of the speed vector and the external independent measurement of the speed vector serve as input variables of an estimation algorithm (4) which detects the synchronization error between the on-board autonomous and the independent external measurement of the estimates the speed vector and calibrates the on-board autonomous measurement of the speed vector.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der5. The method according to claim 4, characterized in that the
Schätzalgorithmus (4) ein optimales Schätzfilter (6) beinhaltet, das ein mathematisches Modell enthält, das mindestens das dynamische Verhalten desEstimation algorithm (4) contains an optimal estimation filter (6), which contains a mathematical model that at least the dynamic behavior of the
Unterschieds zwischen der bordautonomen und der externen, unabhängigenDifference between the on-board autonomous and the external, independent
Messung des Geschwindigkeitsvektors als dominanten Fehler der
bordautonomen Geschwindigkeitsmessung sowie den Synchronisationsfehler zwischen der bordautonomen und der externen unabhängigen Messung des Geschwindigkeits-vektors beschreibt, um mittels der beiden gemessenen Geschwindigkeitsvektoren Kalibrationsparameter für die bordautonome Geschwindigkeitsmessung zu schätzen.Measurement of the speed vector as the dominant error of the autonomous on-board speed measurement and the synchronization error between the on-board autonomous and the external independent measurement of the speed vector, in order to estimate calibration parameters for the on-board autonomous speed measurement using the two measured speed vectors.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das optimale Schätzfilter (6) Zahlenwerte berechnet, die Maße für die Schätzgenauigkeiten sowie Abhängigkeiten zwischen den Kalibrationsparametern darstellen.6. The method according to claim 5, characterized in that the optimal estimation filter (6) calculates numerical values that represent the dimensions for the estimation accuracy and dependencies between the calibration parameters.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abbruchtest (8) die von dem optimalen Schätzfilter (6) berechneten Zahlenwerte benutzt, um die Schätzung einzelner Kalibrationsparameter abzubrechen, die mit einer jeweils geforderten Genauigkeit geschätzt sind.7. The method according to claim 6, characterized in that an abort test (8) uses the numerical values calculated by the optimal estimation filter (6) in order to abort the estimation of individual calibration parameters which are estimated with a respectively required accuracy.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein stochastischer Kompatibilitätstest (7) anhand von Gütemaßen, die von dem unabhängigen Geschwindigkeitssensor (5) ausgegeben werden, und der durch den optimalen Schätzfilter (6) berechneten Zahlenwerte überprüft, ob die bis- her vorliegenden Schätzwerte für die Kalibrationsparameter mit dem Unterschied zwischen dem unabhängigen, externen und dem bordautonomen Geschwindigkeitsvektor übereinstimmen,8. The method according to claim 6 or 7, characterized in that a stochastic compatibility test (7) based on quality measures, which are output by the independent speed sensor (5), and the numerical values calculated by the optimal estimation filter (6) checks whether the to - existing estimates for the calibration parameters correspond to the difference between the independent, external and the on-board autonomous speed vector,
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei Nicht- bestehen des stochastischen Kompatibilitätstests entsprechende Komponenten des vom unabhängigen Geschwindigkeitssensor (5) ausgegebenen Geschwindigkeitsvektors verworfen werden.9. The method according to claim 8, characterized in that if the stochastic compatibility test fails, corresponding components of the speed vector output by the independent speed sensor (5) are discarded.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das optimale Schätzfilter (6) bei mehrmaligem aufeinanderfolgendem Nichtbestehen des stochastischen Kompatibilitätstests neu initialisiert wird.10. The method according to claim 8 or 9, characterized in that the optimal estimation filter (6) is reinitialized if the stochastic compatibility test fails several times in succession.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß es u.a. zur Initialisierung eines nachgeschalteten, einen linearen Arbeitsbereich benötigenden und hohe Navigationsgenauigkeiten liefernden Optimalfilters eingesetzt wird.
11. The method according to any one of claims 1 to 10, characterized in that it u.a. is used to initialize a downstream optimal filter that requires a linear work area and provides high navigation accuracy.
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