DE19651543C1

DE19651543C1 - Inertial course / position reference with GPS course / position angle support

Info

Publication number: DE19651543C1
Application number: DE19651543A
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl Ing Krings
Original assignee: Litef GmbH
Current assignee: Northrop Grumman Litef GmbH
Priority date: 1996-12-11
Filing date: 1996-12-11
Publication date: 1998-07-09
Anticipated expiration: 2016-12-12
Also published as: WO1998026304A1

Abstract

The invention concerns a course and position angle reference system comprising an inertial system (1) with an analytical platform and a GPS receiver (2) for supporting the inertial system (1). The course and position angles of the analytical platform of the inertial system (1) are supported by course and position angles of the GPS receiver (2).

Description

Die Erfindung betrifft ein Referenzsystem für Kurs- und Lagewinkel, be stehend aus einem inertialen System, das eine analytische Plattform auf weist, und einem GPS-Empfänger zur Stützung des inertialen Systems Unter dem Begriff "analytische Plattform" werden hier in erster Linie Strapdown-Systeme (ST-Systeme) verstanden, bei denen im Gegensatz zur "mechanischen Plattform" die dort vorhandene Mechanik durch Berech nung im Systemrechner nachgebildet wird.The invention relates to a reference system for course and position angles, be standing up from an inertial system that is based on an analytical platform points, and a GPS receiver to support the inertial system The term "analytical platform" is primarily used here Strapdown systems (ST systems) understood, in contrast to "mechanical platform" the existing mechanics by calc is simulated in the system computer.

Referenzsysteme, die mit einem GPS-Empfänger arbeiten, sind in der La ge, den Steuerkurs und die Lagewinkel eines Fahrzeuges oder Fluggerätes auch auf langen Missionen genau zu bestimmen. Hier besteht jedoch der Nachteil, daß die GPS-Information aufgrund einer sehr dynamischen Um gebung und von Mehrwegeffekten kurzzeitig verstümmelt oder unterbro chen sein kann, beispielsweise können Unterbrechungen bis zu 8 Minuten auftreten.Reference systems that work with a GPS receiver are in La ge, the heading and the attitude angle of a vehicle or aircraft to be determined precisely even on long missions. Here, however, there is Disadvantage that the GPS information due to a very dynamic order giving and temporarily mutilated or interrupted by reusable effects interruptions of up to 8 minutes occur.

Im Vergleich mit einem GPS-System bestimmt ein Inertialsystem den Steuerkurs und die Lagewinkel auch in einer sehr dynamischen Umge bung bei hoher Datenauffrischungsrate sehr genau. Aufgrund von Instru mentenfehlern ist hier jedoch die Langzeitgenauigkeit beschränkt, wo durch das Inertialsystem in der Regel nur für kurze Missionen einsetzbar ist. Zur Verbesserung der Langzeitgenauigkeit ist es bekannt, inertiale Sy steme durch externe Messungen zu stützen. Referenzsysteme für Kurs- und Lagewinkel können z. B. durch Kurs- und Lagewinkel gestützt werden, die von einem Magnetfeldsensor und einer Libelle erhalten werden. Nach teilig ist hier jedoch z. B. die Abhängigkeit der Libelle von Beschleunigun gen und die dadurch entstehende Ungenauigkeit.In comparison to a GPS system, an inertial system determines that Heading and the attitude angle also in a very dynamic reverse Exercise very accurate with high data refresh rate. Due to Instru However, long-term accuracy is limited where errors can only be used for short missions due to the inertial system is. To improve long-term accuracy, it is known to use inertial sy support systems with external measurements. Reference systems for course and angle can z. B. are supported by course and position angles, which are obtained from a magnetic field sensor and a spirit level. After but here is z. B. the dragonfly's dependence on acceleration conditions and the resulting inaccuracy.

Für das sich ergebende Problem, den Steuerkurs und die Lagewinkel auch bei langen Missionen ohne Unterbrechungen mit einer hohen Datenauffri schungsrate genau zu bestimmen, ist es bekannt, das inertiale System mit einem GPS-Empfänger zu stützen (zu überwachen), wobei hier die Stüt zung mittels der GPS-Position und -Geschwindigkeit erfolgt. Dieses kom binierte System bietet jedoch insofern keine optimale Lösung, als die GPS-Posi tion und -Geschwindigkeit im inertialen System nicht direkt zur Stüt zung der Kurs- und Lagewinkel herangezogen werden können. In der Regel werden hierbei die GPS-Daten zur Stützung eines in einem Kalmanfilter eingebundenen Systemmodells verwendet, wobei die GPS-Daten über ei nen längeren Zeitraum verfügbar sein müssen. Auch benötigen diese Systeme neben den Drehratensensoren (Kreisel) noch Beschleunigungs messer.For the resulting problem, the heading and the attitude angle too for long missions without interruptions with a high data refresh it is known to use the inertial system to support (monitor) a GPS receiver, here the Stüt GPS position and speed. This com However, the binary system does not offer an optimal solution in that the GPS Posi tion and speed in the inertial system are not directly supported course and position angles can be used. Usually are the GPS data to support one in a Kalman filter integrated system model used, the GPS data via ei must be available for a longer period. Also need this Systems in addition to the rotation rate sensors (gyroscope) and acceleration knife.

Ein hierzu ähnliches System ist in der WO 96/08730 A1 beschrieben. Hier werden zwei GPS-Empfänger und zwei Antennen zur Bestimmung des Kurses eingesetzt. Die Lagewinkel werden mit den GPS-Empfängern nicht bestimmt. In einem Kalman-Filter werden anschließend aus dem über die GPS-Empfänger berechneten Kurs und aus inertialen Messungen (Drehraten, Beschleunigungen) die Lagewinkel und der Kurs berechnet. Die hier angegebene Verknüpfung der Signale beider Systeme, GPS- und Inertialsystem, ist sehr aufwendig, wobei in dem angegebenen System keine volle Redundanz gewährleistet ist, da das eingesetzte GPS-System keine Kurs- und Lagewinkelinformation liefert und in dem angegebenen Kalman-Filter weiter keine einfache Verknüpfung von zusätzlichen Signa len möglich ist.A system similar to this is described in WO 96/08730 A1. Here are two GPS receivers and two antennas to determine the Course used. The position angles are not with the GPS receivers certainly. In a Kalman filter, the over the GPS receiver calculated course and from inertial measurements (Rotation rates, accelerations) the position angle and the course are calculated. The link between the signals of both systems, GPS and Inertial system is very expensive, being in the specified system Full redundancy is not guaranteed because the GPS system used provides no course and position angle information and in the specified Kalman filter further no simple linking of additional Signa len is possible.

Nach der US 4,754,280 werden drei oder mehr GPS-Empfänger zur Be rechnung der Kurs- und Lagewinkel eingesetzt, die unter Benutzung von inertialen Messungen in einem Kalman-Filter gefiltert werden, wodurch wiederum genauere Kurs- und Lagewinkel berechnet werden. Auch hier werden als inertiale Messungen Beschleunigungssignale benötigt. Das vorgeschlagene Verfahren wählt eine komplizierte Verknüpfung von Kurs- und Lagewinkeln beider Systeme mittels eines Kalman-Filters, wodurch eine hohe Störanfälligkeit entsteht.According to US 4,754,280, three or more GPS receivers are used calculation of course and attitude angles used using filtering inertial measurements in a Kalman filter again more accurate course and attitude angles can be calculated. Here too acceleration signals are required as inertial measurements. The proposed method chooses a complicated link between course and position angles of both systems by means of a Kalman filter, whereby there is a high susceptibility to faults.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Referenzsystem für Kurs- und Lagewinkel anzugeben, das langfristig die Lagewinkel und den Steu erkurs von Fahrzeugen und Fluggeräten genau und ohne Unterbrechun gen mit einer hohen Datenauffrischungsrate bestimmen kann.The invention has for its object to provide a reference system for course and position angle, the long-term position angle and the tax course of vehicles and aircraft precisely and without interruption conditions with a high data refresh rate.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß Inertialsysteme grund sätzlich in der Lage sind, Kurs- und Lagewinkel mit einer hohen Datenauf frischungsrate für eine begrenzte Zeit sehr genau zu halten, und daß spe zielle GPS-Empfänger mit mehreren Antennen in der Lage sind, den Kurs- und Lagewinkel zu ermitteln und zur Stützung des inertialen Systems be reitzustellen.The invention is based on the knowledge that inertial systems are fundamental are also able to measure heading and attitude with high data to keep the refresh rate very precise for a limited time, and that spe GPS receivers with multiple antennas are able to and determine the position angle and be to support the inertial system to sit down.

Das erfindungsgemäße Referenzsystem für Kurs- und Lagewinkel, beste hend aus einem inertialen System, das eine analytische Plattform auf weist, und einem GPS-Empfänger zur Stützung des inertialen Systems, wobei Kurs- und Lagewinkel der analytischen Plattform des inertialen Systems durch Kurs- und Lagewinkel des GPS-Empfängers (2) gestützt werden, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß das inertiale System einen Kalman-Filter aufweist, das aus den durch einen inertialen Sensor über die analytische Plattform gewonnen Kurs- und Lagewinkeln Korrekturbewertungen zur Plattformrechnung liefert, wodurch wiederum mit neuen vom inertialen Sensor gelieferten Werten über die analytische Plattform neue Kurs- und Lagewinkel berechnet werden, und die über den GPS-Empfänger bereitgestellten Kurs- und Lagewinkel von den vom inerti alen System gewonnenen Kurs- und Lagewinkeln subtrahiert werden und das Kalman-Filter die Korrekturbewertungen zur Plattformrechnung aus diesen Differenzen bildet.The reference system according to the invention for course and attitude angles, consisting best of an inertial system, which has an analytical platform, and a GPS receiver for supporting the inertial system, course and attitude angles of the analytical platform of the inertial system by course and attitude angles the GPS receiver ( 2 ) are supported, according to the invention, characterized in that the inertial system has a Kalman filter which provides correction evaluations for the platform calculation from the course and position angles obtained by an inertial sensor via the analytical platform, which in turn provides new ones values supplied by the inertial sensor are calculated via the analytical platform, new course and position angles are subtracted, and the course and position angles provided by the GPS receiver are subtracted from the course and position angles obtained by the inertial system, and the Kalman filter corrects the correction Platform calculation from these differences borders forms.

Durch diese Lösung ergibt sich eine hochgenaue Kurs-/Lagereferenz, die unabhängig von Beschleunigungen ist und die gewünschte Information kontinuierlich mit hoher Bandbreite bereitstellt.This solution results in a highly accurate course / position reference, the is independent of accelerations and the desired information continuously provides high bandwidth.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemä ßen Referenzsystems sind in den Unteransprüchen definiert. Advantageous refinements and developments of the invention his reference system are defined in the subclaims.

Weiterhin erfindungsgemäß werden die Kurs- und Lagewinkel des inertia len Systems und des GPS-Empfängers durch ein im inertialen System vor handenes Kalman-Filter vereinigt, wodurch ein optimal gefilterter Steuer kurs und eine optimal gefilterte Fluglage erhalten werden.According to the invention, the course and attitude angles of the inertia len system and the GPS receiver by an inertial system existing Kalman filter combines, creating an optimally filtered tax course and an optimally filtered attitude are obtained.

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten werden nachfolgend unter Be zug auf die Zeichnung in prinzipieller Ausführungsform näher erläu tert. Es zeigen:The invention and advantageous details are described below under Be train to the drawing in principle embodiment tert. Show it:

Fig. 1 das Blockschaltbild des prinzipiellen Aufbaus eines erfin dungsgemäßen Referenzsystems; und Fig. 1 is a block diagram of the basic layout of a reference OF INVENTION to the invention system; and

Fig. 2 ein der Fig. 1 entsprechendes Prinzipschaltbild des erfin dungsgemäßen Referenzsystems. Fig. 2 is a block diagram corresponding to FIG. 1 of the reference system according to the invention.

Die Fig. 1 zeigt in zwei Schaltungsblöcken die wesentlichen Komponenten des erfindungsgemäßen Referenzsystems. Vom inertialen System 1 wird die gefilterte Fluglage und der gefilterte Steuerkurs mit einer Taktfrequenz von 64 Hz ausgegeben. Zur Stützung des inertialen Systems wird vom GPS-Empfänger 2, der vier Antennen 6 aufweist, der Hängewinkel/Rollwinkel, der Längsneigungswinkel/Nickwinkel, der Steuerkurs und die geographi sche Breite an das inertiale System angelegt. Diese Werte werden vom GPS-Empfänger 2 mit einer Taktfrequenz von 1 Hz an das inertiale System 1 übertragen. Die geographische Breite wird von dem inertialen System 1 zur Berechnung und Kompensation der Erddrehrate verwendet. Zur Syn chronisation von GPS- und Inertial-Daten wird der GPS-PPS-Zeitpuls be nutzt, d. h. es werden nur die zeitgleichen zum PPS-Zeitpuls zugehörigen Inertial- und GPS-Daten einander zugeordnet. Fig. 1 shows two circuit blocks in the essential components of the reference system according to the invention. The filtered attitude and the filtered heading are output by the inertial system 1 at a clock frequency of 64 Hz. To support the inertial system of the GPS receiver 2 , which has four antennas 6 , the hanging angle / roll angle, the pitch angle / pitch angle, the heading and the geographic cal to the inertial system. These values are transmitted from the GPS receiver 2 to the inertial system 1 at a clock frequency of 1 Hz. The latitude is used by the inertial system 1 to calculate and compensate for the earth's rotation rate. The GPS-PPS time pulse is used for the synchronization of GPS and inertial data, ie only the inertial and GPS data associated with the PPS time pulse are assigned to each other.

Mit der Ausgabe der gefilterten inertialen Daten wird gleichzeitig das Da tenalter bezogen auf den letzten PPS-Zeitpuls mit ausgegeben.With the output of the filtered inertial data, the Da age related to the last PPS time pulse also output.

Die Stützung mit einem Magnetfeldsensor und einer Libelle, die in her kömmlichen inertialen Systemen eingesetzt wird, kann bei einem Ausfall des GPS-Empfängers 2 als Ersatzlösung verwendet werden. The support with a magnetic field sensor and a spirit level, which is used in conventional inertial systems, can be used as a replacement solution in the event of a failure of the GPS receiver 2 .

Die Fig. 2 zeigt das Prinzipschaltbild des erfindungsgemäßen Referenz-Sy stems. Das inertiale System 1 wird durch einen faseroptischen Kreisel 8 (FOG) als inertialen Sensor, der Fehlerkompensationseinheit 11 und ei nem Speicher 12 für Kalibrierungskonstanten zur Fehlerkompensation, sowie eine Recheneinheit für die Plattformrechnung des als analytische Plattform ausgelegten inertialen Systems gebildet. Die Rechnereinheit setzt sich aus einer Quaternions- und Integrationsstufe 3, die die fehler kompensierten Werte des FOG 8 empfängt, einer dieser nachgeschalteten Transformationsstufe 4 und einer dieser nachgeschalteten Eulerwinke-Ex traktionsstufe 5 zusammen, die die Kurs- und Lagewinkel ausgibt. Fig. 2 shows the basic circuit diagram of the reference Sy stems according to the invention. The inertial system 1 is formed by a fiber optic gyroscope 8 (FOG) as an inertial sensor, the error compensation unit 11 and a memory 12 for calibration constants for error compensation, and a computing unit for the platform calculation of the inertial system designed as an analytical platform. The computing unit is composed of a Quaternions- and integration level 3 , which receives the error-compensated values of the FOG 8 , one of these downstream transformation level 4 and one of these Eulerwinke-Ex traction level 5 , which outputs the course and position angle.

Die errechneten Kurs- und Lagewinkel werden einerseits als Steuerkurs und Lagewinkel mit einer Taktfrequenz von 64 Hz vom inertialen System ausgegeben. Andererseits beaufschlagt der Hängewinkel/Rollwinkel, der Längsneigungswinkel/Nickwinkel und der Steuerkurs ein Kalman-Filter 7, welches daraus Korrekturbewertungen für die Quaternions- und Inte grationsstufe 3 erzeugt. Zur Stützung des Inertialen Systems liefert der mit vier Antennen 6 ausgestattete GPS-Empfänger 2 ebenfalls einen Hän gewinkel/Rollwinkel, einen Längsneigungswinkel/Nickwinkel und einen Steuerkurs an das Kalman-Filter 7. Diese vom GPS-Empfänger 2 bereitge stellten Werte beeinflussen die Korrekturbewertungen für die Quater nions- und Integrationsstufe 3 und damit den vom inertialen System aus gegebenen Steuerkurs und die ausgegebene Fluglage.The calculated course and position angles are output on the one hand as a heading and position angle with a clock frequency of 64 Hz by the inertial system. On the other hand, the hanging angle / roll angle, the pitch angle / pitch angle and the heading apply a Kalman filter 7 , which generates correction evaluations for the quaternion and integration level 3 . To support the inertial system, the GPS receiver 2 equipped with four antennas 6 also supplies a hanging angle / roll angle, a pitch angle / pitch angle and a heading to the Kalman filter 7 . These values provided by the GPS receiver 2 influence the correction evaluations for the quater nions and integration level 3 and thus the control course given by the inertial system and the issued flight attitude.

Der GPS-Empfänger 2 liefert weiter Gültigkeitswerte an eine Abschaltlogik 9. Sollte durch den GPS-Empfänger 2 festgestellt werden, daß keine gülti gen Daten abgegeben werden oder der Datenfluß unterbrochen ist, so wer den durch den GPS-Empfänger 2 solche Gültigkeitswerte an die Abschalt logik 9 angelegt, daß diese die an das Kalman-Filter 8 angelegten Daten unterbricht. Die vom GPS-Empfänger 2 gelieferten Hängewinkel/Rollwin kel, Längsneigunswinkel/Nickwinkel und Steuerkurswerte werden je weils von den entsprechenden von einer Eulerwinkel-Extraktionsstufe 5 erzeugten Werten abgezogen, und die Differenzwerte werden jeweils an ei ne separate Filterstufe des Kalmanfilters 7 für jeden Differenzwert ange legt bzw. nicht angelegt. Der GPS-Empfänger 2 stellt die geographische Breite bereit, mit der durch eine Berechnungseinheit 10 für die Erddre hung ein weiterer Korrekturwert für die Quaternions- und Integrations stufe 3 gebildet wird.The GPS receiver 2 also delivers validity values to a shutdown logic 9 . If it is determined by the GPS receiver 2 that no valid data are being delivered or the data flow is interrupted, the validity values applied to the switch-off logic 9 by the GPS receiver 2 are such that these are sent to the Kalman filter 8 created data interrupts. The suspension angle / roll angle, pitch angle / pitch angle and heading values supplied by the GPS receiver 2 are each deducted from the corresponding values generated by an Euler angle extraction stage 5 , and the difference values are each applied to a separate filter stage of the Kalman filter 7 for each difference value places or not created. The GPS receiver 2 provides the geographical latitude with which a further correction value for the quaternion and integration stage 3 is formed by a calculation unit 10 for the earth rotation.

Claims

1. Reference system for course and position angles, consisting of an inertial system ( 1 ) with analytical platform and a GPS receiver ( 2 ) for supporting the inertial system ( 1 ), with course and position angles of the analytical platform of the inertial system ( 1 ) are supported by the course and position angle of the GPS receiver ( 2 ), characterized in that
that the inertial system ( 1 ) has a Kalman filter ( 7 ) which is designed in such a way that it provides correction evaluations for the platform calculation from the course and position angles obtained by an inertial sensor ( 8 ) via the analytical platform, which in turn provides new ones values delivered by the inertial sensor ( 8 ) via the analytical platform are calculated new course and position angles, and
that the course and position angles provided by the GPS receiver ( 2 ) are subtracted from the course and position angles obtained from the inertial system ( 1 ) and the Kalman filter ( 7 ) forms the correction evaluations for the platform calculation from these differences.

2. Reference system according to claim 1, characterized in that with the GPS receiver ( 2 ) the course and position angle from the received signals of several antennas ( 6 ) can be determined.

3. Reference system according to claim 2, characterized in that the GPS receiver ( 2 ) is connected to four antennas ( 6 ).

4. Reference system according to one of the preceding claims, characterized in that a magnetic field sensor and a spirit level are provided as a backup system for the GPS receiver ( 2 ).

5. Reference system according to one of the preceding claims, characterized in that the GPS receiver ( 2 ) can be provided by the course and location angle, the geographical latitude and validity values to the inertial system ( 1 ).

6. Reference system according to one of the preceding claims, characterized in that the inertial system ( 1 ) by the GPS receiver ( 2 ) for support provided course and position angle via the Kalman filter ( 7 ) in the inertial system ( 1 ) can be coupled.

7. Reference system according to one of the preceding claims in conjunction with claim 5, characterized in that a switch-off logic ( 9 ) is provided which decides on the validity values provided by the GPS receiver ( 2 ) as to whether the differences formed the Kalman filter ( 7 ) are created.

8. Reference system according to one of the preceding claims, characterized in that the geographic latitude provided via the GPS receiver ( 2 ) can be guided to a calculation device ( 10 ) for the earth's rotation, by means of which a further correction evaluation for the platform calculation is provided.

9. Reference system according to one of the preceding claims, characterized in that a computer unit ( 3 , 4 , 5 ) of the analytical's platform from a Quaternions- and integration stage ( 3 ), the values of the inertial sensor ( 8 ) and the correction evaluations of KaI man filter ( 7 ) receives, one of these downstream transformation stage ( 4 ) and one of these downstream Euler angle extraction stage ( 5 ), which outputs the course and position angle.

10. Reference system according to one of the preceding claims, characterized in that the inertial sensor ( 8 ) is a fiber-optic circuit, the measured values of which are compensated for by an error compensation device ( 11 , 12 ) before the platform calculation.

11. Reference system according to one of the preceding claims, since characterized in that as a course and position angle in the reference system internally the hanging angle / roll angle, the pitch angle / pitch angle and the heading can be calculated, and from the reference system the attitude angle and the heading can be output.