DE69011888T2

DE69011888T2 - Mess- und Steuerungssystem für Abtastsensoren.

Info

Publication number: DE69011888T2
Application number: DE69011888T
Authority: DE
Inventors: Paul E Craft; Ronald Cubalchini; William G Mcarthur; Arthur K Rue
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1989-02-13
Filing date: 1990-02-02
Publication date: 1995-05-04
Anticipated expiration: 2010-02-03
Also published as: JP2523200B2; JPH0328714A; EP0383114B1; EP0383114A1; US5060175A; IL93152A; DE69011888D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Technisches Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung betrifft ein Meß- und Steuerungssystem für Abtastsensoren und insbesondere ein präzises Meß- und Steuerungssystem, das es erlaubt, einen Sensor bezüglich jedem beliebig gewähltem Referenkoordinatensystem abzutasten

2. Diskussion

Präzisionsmeß- und Steuerungssysteme für Abtastsensoren werden in einer großen Vielzahl von Anwendungen verwendet, in denen die Ortung van Objekten benötigt wird. Diese Systeme arbeiten beim Positionieren und Abtasten eines Sensors entlang eines vordefinierten Abtastpfades. Der Sensor ist in der Lage, jedes Objekt zu orten, das in sein Gesichtsfeld koznmt. Der Sensor kann entlang dieses Abtastpfades in einer Vielzahl von Winkelgeschwindigkeiten bewegt werden. Hohe Winkelgeschwindigkeiten sind wünschenswert, besonders bei "Umkehrpunkten", in denen der Sensor seinen Pfad vollendet hat und schnell zum anfänglichen Abtastpunkt zuückgebracht werden muß.
Präzisionsmeß- und Steuerungssysteme für Abtastsensoren waren allgemein darauf beschränkt, den Sensor relativ zu Bezugslinien- oder Inertialkoordinatensystemen abzutasten. Diese früheren Systeme wurden typischerweise in einer von zwei Arten und Weisen realisiert. Die erste Realisierung verwendete geschwindigkeitsmessende bzw. -integrierte Gyroskope, von denen eines so an dem abgetasteten Objekt angebracht war, daß seine Eingabeachse entlang der gewünschten Abtastachselag. Ein elektronisches Signal, proportional zur gewünschten Abtastgeschwindigkeit, wurde an Drehmomenterzeuger angelegt, die an dem Gyroskop angebracht waren. Die Ausgabedaten des Gyroskops waren proportional Zinn Fehler zwischen der gewünschten Abtastgeschwindigkeit und der tatsächlichen Abtastgeschwindig keit. Dieses Fehlersignal wurde dann als Eingabe für einen Geschwindigkeitssteuerungsregelkreis verwendet, der die Drehmomenterzeuger mit Drehmomentkommandos zum Abgleichen des Fehlers versorgte. Zwei oder drei geschwindigkeitsmessende Gyroskope kannten senkrecht zueinander an dem Sensor angebracht werden, um zu bewirken, daß der Sensor in zwei oder drei Dimensionen abtastete.
In Zusammenhang mit dieser Realisierung traten drei Hauptbeschränkungen auf. Die Gyroskope produzierten Ausgabedaten, falls sie um irgendeine Achse bewegt wurden, nicht nur um die gewünschte Achse. Diese Ausgabedaten, die in Zusammenhang mit Kreuzachsenkopplung (cross-axis coupling) auftraten, brachten dadurch Fehler ins System, daß sie nicht korrekte Abtastgeschwindigkeitsfehlersignale erzeugten. Zweitens, während Zeiten hoher Winkelbeschleunigung des Sensors waren die Ausgangssignale der Gyroskope nicht repräsentativ für die Bewegung der Gyroskope. Diese Ausgangssignale waren fehlerbehaftet und erzeugten entsprechende Systemfehler. Und schließlich konnte der Sensor nur relativ zu einem Inertialkoordinatensystem abgetastet werden.
Die zweite Realisierung benutzte ein Präzisionsgerät zum bessen relativer Winkel wie zum Beispiel einen Koordinatenwandler (resolver), ein Induktosyn oder einen Spindelkodierer (shaft encoder). Diese Geräte wurden verwendet, um die Position einer Drehspindel relativ zu ihrem Gehäuse zu messen. Das Ausgangssignal dieser Geräte wurde von einem Positionkommando subtrahiert, das vorher dem Sensor zugeführt wurde, und auf diese Weise ein Fehlersignal erzeugt. Dieses Fehlersignal wurde dann verwendet, um in einem Positionssteuerungsregelkreis die Position des Sensors zu regeln. Die Schwierigkeit, die in Zusammenhang mit dieser Realisierung auftrat, war, daß die mechanische Nachgiebigkeit zwischen der geregelten Spindelachse und der Sensorblickrichtung die Genauigkeit dieser Systeme begrenzte, da die Größe, die man maß (d.h. der Spindelwinkel), nicht die Größe war, die man regeln wollte (d.h. der Winkel des Sensors bezüglich seiner Bezugslinie). Weiterhin konnte diese Realisierung normalerweise nur relativ zu einem Koordinatensystem abtasten, das sich auf die Bezugslinie des Sensors bezog. Falls man jedoch die Orientierung der Bezugslinie des Sensors bezüglich eines ausgewählten Referenzkoordinatensystems wüßte, könnte der Sensor, in dieser Realisierung, relativ zu diesem willkürlichen Referenzkoordinatensystem abgetastet werden.
In US-A-3,741,653 ist ein rechnergestütztes, laserbasierendes, luftgestützes Meßsystems offenbart, das den absoluten Pfad bzw. Weg und Position eines in der Luft befindlichen Fahrzeuges durch Triangulation der Entfernung und Blickrichtungswinkelmessungen vom Fahrzeug zu drei bodenständigen Vorrichtungen berechnet. Ein Sensor wird gemäß eines vorprogramzitierten Abtastmusters abgetastet, und das Referenzkoordinatensystem wird teilweise durch drei vorher vermessene, bodenständige Reflektoren geschaffen. Der Ausrichtungsservomechanismus steuert nur einen Laser in einem vorprogrammierten Suchmuster, um bodenständige Retroreflektoren zu lokalisieren, und um daraus die Entfernung des bodenbasierenden Referenzkoordinatensystems zum tatsächlichen Sensorkoordinatensystems zu bestimmen. Der Ausrichtungsservomechanismus benötigt während der Suchvorgänge von einer kreiselstabilisierten Plattform Informationen über die zeitweiligen Koordinaten.
In WO-A-8 404 175 ist eine Vorrichtung zum Einbauen eines Flugzeugabtastspiegels offenbart, der auf Flugschwankungen reagiert.

KURZFASSUNG DER ERFINDUNG

Gemäß den Ergebnissen der hier vorliegenden Erfindung kann ein Sensor relativ zu jedem willkürlich gewählten Referenzkoordinatensystem abgetastet werden, ohne daß die Notwendigkeit besteht, die Orientierung der Bezugslinie des Sensors relativ zu diesem Referenzkoordinatensystem zu kennen. Weiterhin kann sich dieses Referenzsystem auch relativ zu einem Inertialkoordinatensystem bewegen.
In der bevorzugten Ausführungsform wird dies dadurch erreicht, daß erst einmal ein Referenzkoordinatensystem ausgewählt wird. Die Abfolge der Orientierungen des Referenzkoordinatensystems relativ zu einem gewünschten Sensorkoordinatensystem wird berechnet und einer Lagesteuerungseinheit zugeführt. Die Abfolge der Winkelgeschwindigkeiten des gewünschten Sensorkoordinatensystems relativ zum Referenzkoordinatensystem, ausgedrückt im gewünschten Sensorkoordinatensystem, wird ebenfalls berechnet und der Lagesteuerungseinheit zugeführt. Eine Inertialmeßeinheit wird verwendet, um die Winkelgeschwindigkeit eines Sensorkoordinatensystems relativ zu einem Inertialkoordinatensystem, ausgedrückt im Sensorkoordinatensystem, zu messen. Die Inertialmeßeinheit gibt diese Messung in die Lagesteuerungseinheit und in eine Lagebestimmungseinheit ein. Die Winkelgeschwindigkeit des Referenzkoordinatensystems relativ zum Inertialkoordinatensystem, ausgedrückt im Referenzkoordinatensystem, wird gemessen und der Lagesteuerungseinheit zugeführt. Die Orientierung des Inertialkoordinatensystems relativ zum Referenzkoordinatensystem wird gemessen und der Lagebestimmungseinheit zugeführt. Die anfängliche Position des Inertialkoordinatensystems relativ zum Sensorkoordinatensystem wird der Lagebestimmungseinheit zugeführt. Die Lagebestimmungseinheit berechnet die Orientierung des Sensorkoordinatensystems relativ zum Referenzkoordinatensystem und gibt diese Orientierung in die Lagesteuerungseinheit ein. Schließlich erteilt die Lagesteuerungseinheit dem Sensor Bewegungssteuerkommandos.
Weitere in Zusammenhang mit dieser Erfindung verwendete Nethoden reduzieren die das Abtasten des Sensors betreffenden Fehler. Diese Methoden sind auf jedes Meß- und Steuerungssystem für Abtastsensoren anwendbar und stellen eine über den Stand der Technik hinausgehende Verbesserung dar. Zum Beispiel werden in der Inertialmeßeinheit Gyroskope verwendet, die keine Kreuzachsenkopplung (cross-axis coupling) und keine inherente Grenze für ihre Winkelbeschleunigung besitzen. Dies verbessert die Genauigkeit der Positionierung des Sensors innerhalb seines Abtastmusters außerordentlich, da die vorerwähnten Fehler im Zusammenhang mit der Kreuzachsenkopplung (cross-axis coupling) und der hohen Winkelgeschwindigkeit der Gyroskope eliminiert werden.
Ein Dual-Loop-Steuerungssystem wird in der Lagesteuerungseinheit verwendet. Dieses Steuerungssystem, das sowohl Geschwindigkeits- als auch Positionseingabekommandosignale verwendet, hat eine erhöhte Genauigkeit bei der Positionierung des Sensors in seinem Abtastmuster zur Folge.
Durch die Lagebestimmungseinheit wird eine Approximation der Strapdown-Gleichung durchgeführt, um eine präzisere Näherung für die Position des Inertialkoordinatensystems relativ zum Sensorkoordinatensystem zu erhalten. Da die in der Inertialmeßeinheit benutzten Gyroskope für alle Winkelbeschleunigungswerte genaue Ausgangssignale liefern, können die Lösungen der Strapdown-Gleichung kontinuierlich approximiert werden. Diese kontinuierliche Approximation erhöht weiterhin die Genauigkeit des Abtastmusters des Sensors.
Schließlich wird ein Kalmanfilter in der Lagebestimmungseinheit verwendet, um die Fehler zu reduzieren, die in Zusammenhang mit der Approximation der Lösungen der Strapdown-Gleichung, mit dem Meßverfahren der Inertialmeßeinheit, iuit der anfänglichen Orientierung des Inertialkoordinatensystems relativ zum Sensorkoordinatensystem, mit den Fehlern im Ortungsverfahren eines Bezugskörpers, und mit der Ausrichtung zwischen dem Sensorblickrichtungs-Koordinatensystem und dem Sensorkoordinatensystem auftreten.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die verschiedenen Vorteile der hier vorliegenden Erfindung werden für Fachleute ersichtlich durch das Lesen der folgenden Beschreibungen und durch die Bezugnahme auf die Zeichnungen.
Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Zeichnung eines Meß- und Steuerungssystems gemäß der Lehre der bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Lagebestimmungs einheit gemäß der Lehre der bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung; und
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Lagesteuerungseinheit gemäß der Lehre der bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

wendet man sich Fig. 1 zu, sieht man ein Meß- und Steuerungssystem 10, das einen Sensor jeder beliebigen Bewegung folgen läßt, die relativ zu irgendeinem willkürlich gewählten Referenzkoordinatensystem definiert ist. Das Meß- und Steuerungssystem 10 besitzt eine Lagebestimmungseinheit 12, eine Navigationseinheit 14, eine Lagesteuerungseinheit 16, eine Abtasterzeugungseinheit 18, einen abgetasteten Sensor 32, eine Inertialmeßeinheit 22 und eine Sensorbewegungssteuerungsvorrichtung 24.
Vor der Analyse dieser Ausführungsform ist ein Überblick über die während des Betriebs des Meß- und Steuerungssystems 10 verwendeten Koordinatensysteme angebracht. Das Referenzkoordinatensystem kann willkürlich gewählt werden. Das Referenzkoordinatensystem kann sich sogar relativ zu einem Inertialkoordinatensystem bewegen. Das Inertialkoordinatensystem ist relativ zu einem fest im Raum verankerten Körper definiert. Das Sensorblickrichtungs-Koordinatensystem ist relativ zu Punkten innerhalb des Blickfeldes des Sensors 32 definiert. Das Sensorkoordinatensystem ist relativ zum Körper des Sensors 32 definiert. Das gewünschte Sensorkoordinatensystem ist ebenfalls relativ zum Körper des Sensors 32 definiert.
Die Abtasterzeugungseinheit 18 ist ein Verarbeitungsgerät, das der Lagesteuerungseinheit 16 ein Sensorabtastmuster liefert. Das Abtastmuster ist eine Abfolge von Positionen, Signal 26, und Winkelgeschwindigkeiten, Signal 28, die in Zusammenhang mit der Bewegung des Sensors 32 stehen. Die Positionen von Signal 26 sind in Einheiten der Orientierung des Referenzkoordinatensystems bezüglich des gewünschten Koordinatensystems definiert. Die Winkelgeschwindigkeiten von Signal 28 sind so definiert, daß sie die Winkelgeschwindigkeiten des gewünschten Koordinatensystems relativ zum Referenzkoordinatensystem darstellen, und werden im gewünschten Sensorkoordinatensystem ausgedrückt.
Die Inertialmeßeinheit 22 ist mit einem Satz von wenigstens drei Gyroskopen realisiert, die die Winkelgeschwindigkeit oder den inkrementellen Winkel des Sensorkoordinatensystems bezüglich des Inertialkoordinatensystems messen. Diese Geschwindigkeit oder dieser inkrementelle Winkel wird im Sensorkoordinatensystem ausgedrückt. Diese Winkelgeschwindigkeitsausgabedaten, als Signal 30 dargestellt, werden in die Lagebestimmungseinheit 12 und in die Lagesteuerungseinheit 16 eingekoppelt.
Die Inertialmeßeinheit 22 ist physikalisch am Sensor 32 angebracht, sodaß beide als ein einziger Körper rotieren. Die in der Inertialmeßeinheit 22 verwendeten Gyroskope beinhalten keine Kreuzachsenkopplung (cross-axis coupling) und liefern verläßliche Ausgabedaten für alle mit dem Sensor 32 auftretenden Winkelgeschwindigkeiten. Beispiele für solche Geräte schließen Ringlasergyroskope und faseroptische Gyroskope ein.
Die Navigationseinheit 14 mißt die Position des Inertialkoordinatensystems relativ zum Referenzkoordinatensystem und speist diese Messung, Signal 34, in die Lagebestimmungseinheit 12 ein. Die Lagebestimmungseinheit 12 mißt ebenfalls die Winkelgeschwindigkeit des Referenzkoordinatensystems relativ zum Inertialkoordinatensystem und drückt diese Messung in Einheiten des Referenzkoordinatensystems aus. Dieses Messung, Signal 36, wird der Lagesteuerungseinheit 16 zugeführt. Alternativ kann die Navigationseinheit 14 dadurch realisiert werden, daß man einen Computerprozessor verwendet, der die Werte der vorerwähnten Position und Geschwindigkeit analytisch berechnet, so daß man keine Meßinstrumente benötigt.
Der Lagebestimmungseinheit 12 werden außerdem Eingangssignale zugeführt, die die anfängliche Orientierung des Inertialkoordinatensystems relativ zum Sensorkoordinatensystem, die anfängliche Orientierung des Sensorblickrichtungs-KoordinatensSystems relativ zum Sensorkoordinatensystem und einen verbleibenden Bezugs- bzw. Vergleichspunkt repräsentieren. Diese Signale sind in Fig. 1 mit 38 , 40 bzw. 42 bezeichnet. Das verbleibende Bezugs- bzw. Vergleichssignal 42 (fiducial residual signal) repräsentiert den Fehler, der in Zusammenhang mit der Messung der Position eines Körpers auftritt. Dieser Körper, der durch den abgetasteten Sensor 32 geortet wird, befindet sich an einem a priori bekannten Standort. Jede Abweichung der Systemmessungen relativ zum bekannten Standort dieses Körpers stellen Systemmeßfehler dar.
Die Lagebestimzitungseinheit 12 erzeugt die Signale 44 und 46, die die Orientierung des Sensorkoordinatensystems relativ zum Referenzkoordinatensystem beziehungsweise die Orientierung des Sensorblickrichtungs-Koordinatensystems relativ zum Referenzkoordinatensystem repräsentieren. Das Signal 44 wird der Lagesteuerungseinheit 16 zugeführt und das Signal 46 steht zur Verfügung, um vom Sensor oder irgendeinem anderen im System 10 befindlichen Gerät genutzt zu werden.
Die Lagesteuerungseinheit 16 erzeugt beim Verarbeiten der Eingangssignale 26, 28, 30, 36 und 44 ein Ausgangssignal 48, das Bewegungssteuerkommandos Drehmomenterzeugern zuführt, oder anderen Bewegungssteuergeräten 24, die physikalisch am Sensor 32 befestigt sind. Diese Bewegungssteuergeräte 24 bewirken, daß der Sensor 32 seine Position und Winkelgeschwindigkeit ändert. Diese Kommandosignale 48 werden erzeugt, damit der Sensor 32 bezogen auf das von den Signalen 26 und 28 repräsentierte Abtastmuster abtastet. Alle Kopplungen zwisschen den Signalen der Einheiten von Fig. 1 werden durch die Verwendung von elektronischen Schaltungen bereitgestellt.
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung der Lagebestimmungseinheit 12. Signal 30, die Inertialgeschwindigkeit des Sensors ausgedrückt in Sensorkoordinaten, wird von der Inertialmeßeinheit 22 dem bedingten Addierglied 50 zugeführt. Das Ausgangssignal 52 von einem Kalmanfilter 54 wird ebenfalls dem Prozessor 50 zugeführt. Der Prozessor 50 modifiziert das Signal 30, um die im Zusammenhang mit den Gyroskopen der Inertialmeßeinheit 22 auftretenden Meßfehler zu beseitigen. Diese Korrektur wird dadurch erreicht, daß die Signale 30 und 52 zusammenaddiert werden, jedesmal wenn vom Kalmanfilter ein Korrektursignal 52 berechnet wird. Signal 74, das das korrigierte Signal repräsentiert, wird dem Strapdown-Gleichung- Prozessor 56 zugeführt. Der Prozessor 56, dem auch das Signal 38 (die approximierte anfängliche Orientierung des Inertialkoordinatensystems relativ zum Sensorkoordinatensystem) zugeführt wird, erzeugt eine Approximation der Orientierung des Inertialkoordinatensystems relativ zur gegenwärtigen Sensorkoordinatensystemorientierung. Dieses so erzeugte Signal 58 wird dem bedingten Multiplizierglied 60 zugeführt. Da die Gyroskope der Inertialmeßeinheit 22 präzise Ausgangssignale 30 liefern, sogar während Perioden hoher Winkelgeschwindigkeit des Sensors 32, kann die Strapdown-Gleichung vom Prozessor 56 kontinuierlich gelöst und somit eine präzisere Abtastung des Sensors 32 und eine kontinuierliche Erzeugung des Ausgangssignal 58 bereitgestellt werden.
Signal 62 repräsentiert eine korrigierte bzw. verbesserte Approximation der Orientierung des Inertialkoordinatensystems hinsichtlich der aktuellen Orientierung des Inertialkoordinatensystem. Das Signal 62 wird ebenfalls dem Prozessor 60 zugeführt, wenn es verfügbar ist. Die Signale 62 und 58 werden vom Prozessor 60 miteinander multipliziert und das Ausgangssignal 64 wird dem inversen Prozessor 66 und dem Prozessor 56 zugeführt. Das Signal 64 ist die verbesserte Approximation der Orientierung des Inertialkoordinatensystems relativ zum Sensorkoordinatensystem. Der Prozessor 56 verwendet das Signal 64, um die approximierte Lösung für den nächsten Zeittakt an die Strapdown-Gleichung weiterzureichen.
Der Prozessor 66 führt mit dem Signal 64 eine inverse Operation aus und produziert ein Ausgangssignal 68, das die Orientierung des Sensorkoordinatensystems relativ zum Inertialkoordinatensystem repräsentiert. Das Signal 68 wird dem Multiplizierglied bzw. -prozessor 70 zugeführt. Das Signal 34 (die Orientierung des Inertialkoordinatensystems relativ zum Referenzkoordinatensystem), das von der Navigationseinheit 14 herrührt, wird ebenfalls dem Prozessor 70 zugeführt. Der Prozessor 70 multipliziert die Signale 34 und 68 und erzeugt des Signal 44, das der Lagesteuerungseinheit 16 und dem Prozessor 72 zugeführt wird. Das Signal 44 ist die Approximation der Orientierung des Sensorkoordinatensystems relativ zum Referenzkoordinatensystem.
Der Kalmanfilter 54 erzeugt auch ein Signal 76, das eine verbesserte Approximation der Orientierung des Sensorblickrichtungs-Koordinatensystems hinsichtlich der aktuellen Orientierung des Sensorblickrichtungs-Koordinatensystems repräsentiert. Die Signale 76 und 80 werden beide dem bedingten Multiplizierglied bzw. -prozessor 78 zugeführt, das die beiden Signale (76 und 80) multipliziert und ein auf den neusten Stand gebrachtes Ausgangssignal 80 produziert. Das Signal 80 repräsentiert die Orientierung des Sensorblickrichtungs-Koordinatensystems relativ zum Sensorkoordinatensystem. Anfänglich ist dieses dem Signal 40 gleichgesetzt. Das Signal 80 wird dem Prozessor 72 zugeführt. Das Signal 80 wird ebenfalls wieder dem Prozessor 78 zugeführt, um den Prozessor 78 in die Lage zu versetzen, die Fehlerkorrekturen zu akkumulieren. Der Prozessor 72 multipliziert die Signale 44 und 80 und produziert das Ausgangssignal 46, eine Approximation der Orientierung des Sensorblickrichtungs-Koordinatensystems relativ zum Referenzkoordinatensystem, die vom Sensor oder irgendeinem anderen Gerät genutzt werden kann.
Der Kalmanfilter 54 enthält ein Modell des Meßverfahren. Dieser Prozeß repräsentiert die Abfolge der Arbeitsvorgänge, die nötig sind, um den Standort eines Körpers, der vom Sensor 32 wahrgenommen wurde, zu bestimmen. Das verbleibende Bezugsbzw. Vergleichssignal 42 wird dem Kalmanfilter 54 zugeführt. Das Signal 42 repräsentiert den in Zusammenhang mit der gemessenen Position eines bekannten Körpers, der vom Sensor 32 wahrgenommen wurde, und der bekannten Position des Körpers auftretenden Fehler. Der Kalmanfilter 54 verwendet dieses Meßmodell und das verbleibende Bezugs- bzw. Vergleichssignal, um Signale zu erzeugen, die verwendet werden, um Fehlerbeiträge abzuschätzen, die in Zusammenhang mit verschiedenen Teilen der Lagebestimmungseinheit 12 auftreten.
Beispielsweise wird Signal 52 verwendet, um die von den Gyroskopen der Inertialmeßeinheit 22 herrührenden Meßfehler abzuschätzen. Signal 62 wird verwendet, um die Fehler im Zusammenhang mit der Lösung und Anfangsbedingung (Signal 38) der Strapdown-Gleichung abzuschätzen. Signal 76 wird verwendet, um die in Zusammenhang mit der Orientierung des Sensorblickrichtungs-Koordinatensystems und des Sensorkoordinatensystems auftretenden Fehler abzuschätzen. Ein weiteres Ausgangssignal (nicht gezeigt) des Kalmanfilters 54 wird verwendet, um die in Zusammenhang mit der Ortung des Bezugsobjekts selbst durch den Sensor 32 auftretenden Fehler abzuschätzen.
Alle Prozessoren der Lagebestimmungseinheit 12 können durch elektronische Schaltkreise verbunden sein. Der Kalmanfilter stellt die Signale 52, 62 und 76 nur dann bereit, wenn der Sensor 32 einen Bezugskörper ortet. Falls kein Bezugskörper geortet wurde, gestatten es die Prozessoren 50 und 60 den Eingangssignalen 30 beziehungsweise 58 hindurchzugehen, ohne daß sie eine Weiterverarbeitung erfahren, und Signal 80 bleibt unverändert. Folglich werden, wie in Fig. 2 gezeigt ist, die Signale 44 und 46 von der Lagebestimmungseinheit 12 ohne irgendwelche Fehlerkorrektur erzeugt. Man sollte sich klar darüber sein, daß der Kalmanfilter 54 an beliebiger Stelle im System 10 plaziert sein kann und daß er eine Fehlerkorrektur von jedem der vorerwähnten Signale des Systems 10 gestatten kann. Weiterhin sollte der Kalmanfilter 54, um eine hohe Fehlerkorrekturleistung zu erhalten, so ausgelegt sein, daß er die in Zusammenhang mit dem Meßverfahren des Systems 10 (d.h. innerhalb der Lagebestimmungseinheit 12) und die in Zusammenhang mit dem mit der Ortung des Bezugskörpers verbundenem Abtastverfahren auftretenden Fehler berechnet. Dies erhöht das Leistungsverhalten, da die in Zusammenhang mit dem Ortungsverfahren des Bezugskörpers auftretenden Fehler nicht dem Meßverfahren des Systems 10 zugeschrieben werden und dadurch zu einer "Überkorrektur" führen.
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung der Lagesteuerungseinheit 16. Das Signal 36, die Inertialgeschwindigkeit des Referenzkoordinatensystems ausgedrückt in Referenzkoordinaten (von der Navigationseinheit 14 kommend), und das Signal 44, die Orientierung des Sensorkoordinatensystems relativ zum Referenzkoordinatensystem (von der Lagebestimmungseinheit 12 kommend), werden dem Koordinatentransformationsprozessor 82 zugeführt, das das Signal 44 benützt, um mit dem Signal 36 eine Koordinatentransformationsoperation durchzuführen. Das Signal 84 wird vom Prozessor 82 ausgegeben und repräsentiert die Winkelgeschwindigkeit des Referenzkoordinatensystems relativ zum Inertialkoordinatensystem. Signal 84 wird in Einheiten des Sensorkoordinatensystems ausgedrückt. Signal 84 und Signal 30 (von der Inertialmeßeinheit 22 kommend) werden beide dem Subtrahierprozessor 86 zugeführt. Der Prozessor 86 subtrahiert das Signal 84 vom Signal 30 und erzeugt ein Signal 88, das die Winkelgeschwindigkeit des Sensorkoordinatensystems relativ zum Referenzkoordinatensystem repräsentiert. Signal 88 wird in Einheiten des Sensorkoordinatensystems ausgedrückt. Das Signal 88 wird dem Subtrahierprozessor 90 zugeführt.
Das Signal 28, die Winkelgeschwindigkeit des gewünschten Sensorkoordinatensystems relativ zum Referenzkoordinatensystem und ausgedrückt im gewünschten Sensorkoordinatensystem, wird, von der Abtasterzeugungseinheit 18 kommend, einem Koordinatentransformationsprozessor 92 zugeführt, der mit dem Signal 28 eine Koordinatentransformationsoperation von den gewünschten Sensorkoordinaten zu den tatsächlichen Sensorkoordinaten durchführt. Signal 94, das die Winkelgeschwindigkeit des gewünschten Sensorkoordinatensystems relativ zum Referenzkoordinatensystem repräsentiert und ausgedrückt ist im Sensorkoordinatensystem, wird dem Prozessor 90 zugeführt. Der Prozessor 90 subtrahiert das Signal 88 von dem Signal 94 und liefert ein Ausgangssignal 98. Das Signal 98, das die Winkelgeschwindigkeit des gewünschten Sensorkoordinatensystems relativ zum Sensorkoordinatensystem repräsentiert und ausgedrückt ist in Einheiten des Sensorkoordinatensystems, wird dem Addierprozeßsor 100 zugeführt. Das Signal 98 repräsentiert die Ausgabe eines Geschwindigkeitssteuerungsregelkreises. Das Signal 98 ist der in Zusammenhang mit der aktuellen winkelgeschwindigkeit des Sensors 32 bezogen auf die zum Anpassen an das Abtastmuster benötigten Geschwindigkeit auftretende Fehler.
Das Signal 26, die Orientierung des Referenzkoordinatensystems relativ zum gewünschten Sensorkoordinatensystem, das von der Abtasterzeugungseinheit 18 ausgeht, und das Signal 44, das von der Lagebestimmungseinheit 12 ausgeht, werden beide dem Multiplizierprozessor 102 zugeführt. Die Multiplikation der Signale 44 und 26 wird vom Prozessor 102 ausgeführt und liefert als Ergebnis ein Ausgangssignal 104. Das Signal 104 repräsentiert die Position des Sensorkoordinatensystems relativ zum gewünschten Sensorkoordinatensystem. Das Signal 104 ist die Ausgabe eines Positionssteuerungsregel kreises und ist der in Zusammenhang mit der aktuellen Position des Sensors 32 bezogen auf die zum Anpassen an das Abtastmuster benötigten Position auftretende Fehler.
Das Signal 104 wird dem Positionsregelkreiskompensationsfilterprozessor 106 zugeführt, das das Signal ausgleicht, und dem Prozessor 92, um dem Prozessor 92 zu gestatten, seinen vorerwähnten Koordinatentransformationsprozeß durchzuführen. Das Ausgangssignal des Prozessors 106, das die Anpassung der Amplitude und des Phasenwinkels des Signals 104 repräsentiert, gezeigt als Signal 108, wird dem Prozessor 100 Zugeführt. Der Prozessor 100 addiert die Signale 98 und 108, die die Ausgangssignale der Positions- und Geschwindigkeitssteuerungsregelkreise sind, und speist das Ausgangssignal 110 in den Stabilisierungsregelkreiskompensationsfilterprozessor 112 ein. Der Prozessor 112 gleicht das Signal 110 durch Anpassung seiner Amplitude und seines Phasenwinkels aus und produziert die Bewegungssteuerungskommandosignale 48. Diese Bewegungssteuerungskommandos 48 werden dem Bewegungssteuergerät 24, das auf dem Sensor 32 plaziert ist, zugeführt. Es sollte vermerkt werden, daß der Kompensationsmechanismus nach Standardverfahren gewählt wird, um die Stabilität und das Leistungsverhalten des Systems aneinander anzupassen, und daß er eine Funktion der tatsächlichen strukturellen Dynamik des Sensors 32 und der Anforderungen an das Leistungsverhalten des Sensors ist.
Es sollte weiterhin vermerkt werden, daß der vorerwähnte Geschwindigkeitssteuerungsregelkreis aus der Zusammenschaltung, wie in Fig. 3 gezeigt, der Prozessoren 82, 86, 90 und 92 und der Signale 44, 28, 30, 36, 84, 88 und 94 besteht. Das Signal 98 repräsentiert die Ausgabe dieses Geschwindigkeitssteuerungsregelkreises. Der Positionssteuerungsregelkreis besteht aus der Zusammenschaltung, wie in Fig. 3 gezeigt, des Prozessors 102 und der Signale 26, 44 und 104. Das Signal 104 repräsentiert die Ausgabe dieses Positionssteuerungsregelkreises. Es kann gezeigt werden, daß diese Konfiguration von zwei Steuerungsregelkreisen (Dual-Loop-Steuerungs-Konfiguration) die in Zusammenhang mit dem Sensor 32 stehende Abtastleistung vollkommen unempfindlich in bezug auf die Bandbreite des Positionsregelkreises macht. Weiterhin werden die Orientierungsfehler des Sensors 32 eliminiert, falls der zeitliche Frequenzanteil der Fouriertransformation der gewünschten Orientierung klein ist verglichen mit der Bandbreite des Geschwindigkeitssteuerungsregelkreises.

Claims

1. Ein Med- und Steuerungssystem (10) mit einem Sensor (32), wobei das System ausgelegt ist den Sensor abzutasten, mit:

(a) einer Abtastungserzeugungseinrichtung (18) zum Bereitstellen eines ersten Signals (26), das eine Position eines Referenzkoordinatensystems relativ zu der Position eines gewünschten Sensorkoordinatensystems repräsentiert, und eines zweiten Signals (28), das eine Winkelgeschwindigkeit des gewünschten Sensorkoordinatensystems relativ zu dem Referenzkoordinatensystem repräsentiert, wobei das zweite Signal (28) in Einheiten des gewünschten Sensorkoordinatensystems ausgedrückt ist;

(b) einer mit dem Sensor (32) verbundenen Inertialmegeinrichtung (22) mit einer Gyroskopeinrichtung zum Bereitstellen eines dritten Signals (30), das eine Winkelgeschwindigkeit eines Sensorkoordinatensystems relativ zu einem Inertialkoordinatenssystem repräsentiert, wobei das dritte Signal (30) in Einheiten des Sensorkoordinatensystems ausgedrückt ist;

(c) einer Navigationseinrichtung (14) zum Bereitstellen eines vierten Signals (36), das die Winkelgeschwindigkeit des Referenzkoordinatensystems bezüglich des Inertialkoordinatensystems repräsentiert, wobei das vierte Signal (36) in Einheiten des Referenzkoordinatenssystems ausgedrückt ist, und eines fünften Signals (34), das die Position des Inertialkoordinatensystems relativ zu dem Referenzkoordinatensystem repräsentiert;

(d) einer mit der Inertialmeß- und der Navigationseinrichtung (22, 14) gekoppelten Lagebestimmungseinrichtung (12) zum Empfangen sowohl des dritten und fünften Signals (33, 34) als auch der Signale (38, 40), die die Position des Inertialkoordinatensystems bezüglich des Sensorkoordinatensystems bei der Meßsysteminitialisierung und die Position eines Sensorblickrichtungs-Koordinatensystems bezüglich dem Sensorkoordinatensystem repräsentieren, und ein verbleibendes Bezugs- bzw. Vergleichssignal (42), das einen der Winkelmessung eines bekannten Körpers zugeordneten Fehler repräsentiert; wobei die Lagebestimmungseinrichtung (12) ein sechstes Signal (44), das die Position des Sensorkoordinatensystems relativ zu dem Referenzoordinatensystem repräsentiert, und ein siebtes Signal (46) erzeugt, das die Position des Sensorblickrichtungs-Koordinatensystems relativ zu dem Referenzkoordinatensystem repräsentiert;

(e) einer Sensorlagesteuerungseinrichtung (16) zum Empfangen des ersten, zweiten, dritten, vierten und sechsten Signals (26, 28, 30, 36, 44) und zum erzeugen eines Ausgangssignals (48), das Bewegungssteuerkommandos bereitstellt; und

(f) einer Bewegungssteuereinrichtung (24) zum Bewegen des Sensors (32) aufgrund der von der Lagesteuereinrichtung (16) empfangenen Bewegungssteuerkommandos, wodurch der Sensor (32) bezüglich jedem willkürlich gewähltem Referenzkoordinatensystem abgetastet wird.

2. Das Med- und Steuerungssystem nach Anspruch 1, worin die Gyroskopeinrichtung keine Kreuzachsenkopplung (cross axis coupling) und keine inherente Obergrenze für ihre Winkelbeschleunigung und -geschwindigkeit aufweist.

3. Das Med- und Steuerungssystem nach Anspruch 1, worin die Lagesteuereinrichtung (16) eine Dual-Loop-Steuerungs-Verarbeitungseinrichtung aufweist, die sowohl Positions- als auch Geschwindigkeitssignale verwendet, um dem Sensor anhaftende Nachführungsfehler zu reduzieren.

4. Das Meß- und Steuerungssystem nach Anspruch 1, worin die Lagebsetimmungseinrichtung (12) eine Verarbeitungs einrichtung (56) aufweist, um kontinuierlich Lösungen zur Strapdown-Gleichung zu approximieren.

5. Das Meß- und Steuerungssystem nach Anspruch 1, worin die Lagebestimmungseinrichtung (12) eine Kalmanfiltereinrichtung aufweist, dem das fires-Signal (42) zugeführt wird und dessen Ausgang geschätze Mehfehler repräsentiert, die in Zusammenhang mit der Inertialmeßeinrichtung (22), der Lagebestimmungseinrichtung, dem fires-Signal (42) und der Position des Sensorblickrichtungs-Koordinatensystems relativ zu dem Sensorkoordinatensystem auftreten.

6. Das Meß- und Steuerungssystem nach Anspruch 1, worin das Referenzkoordinatensystem relativ zu dem Inertialkoordinatensystem rotieren kann.

7. Ein Verfahren zum Bewirken, dar ein abgetasteter Sensor (32) jedem Pfad relativ zu einem willkürlich gewähltem Referenzkoordinatensystem folgt, wobei das Verfahren aufweist:

(a) Bereitstellen der Position eines Referenzkoordinatensystems in dem der Sensor (32) relativ zu einem gewünschten Sensorkoordinatensystem rotiert und Bereitstellen der Winkelgeschwindigkeit des gewünschten Sensorkoordinatensystems relativ zu dem Referenzkoordinatensystem in Einheiten des gewünschten Sensorkoordinatensystems und Eingeben der Position und der Winkelgeschwindigkeit in eine Lagesteuereinrichtung (16) zum Erzeugen von Bewegungssteuersignalen (48) für den Sensor (32);

(b) Messen der Winkelgeschwindigkeit des Sensorkoordinatensystems relativ zu einem Inertialkoordinaten- System und Ausdrücken der Winkelgeschwindigkeit im Sensorkoordinatensystem und Eingeben der Winkelgeschwindigkeit in eine Lagebestimmungseinrichtung (12) und die Lagesteuereinrichtung (16) ;

(c) Messen der Winkelgeschwindigkeit des Referenzkoordinatensystems relativ zu dem Inertialkoordinatensystem und Ausdrücken der Winkelgeschwindigkeit in dem Referenzkoordinatensystem und Eingeben der Winkelgeschwindigkeit in die Lagesteuereinrichtung (16) und Nessen der Position des Inertialkoordinatensystems relativ zu dem Referenzkoordinatensystem und Eingeben der Position in die Lagebestimmungseinrichtung (12);

(d) Eingeben der anfänglichen Position des Inertialkoordinatensystems relativ zu dem Sensorkoordinatensystem, der Position eines Sensorblickrichtungs-Koordinatensystems relativ zu dem Sensorkoordinatensystem, und eines mit der Winkelpositionsmessung eines bekannten Körpers in Zusammenhang stehenden Fehlers in die Lagesbestitungseinrichtung (12); Bereitstellen der Position des Sensorkoordinatensystems relativ zu dem Referenzkoordinatensystem innerhalb der Lagebestimmungseinrichtung (12) und eingeben der Position in die Lagesteuereinrichtung (16); und Bereitstellen der Position des Sensorblickrichtungs-Koordinatensystems relativ zu dem Referenzkoordinatensystem;

(e) Bereitstellen von Bewegungssteuerkoimandos innerhalb der Lagesteuereinrichtung (16) und Ausgabe der Kommandos zu einer Bewegungssteuereinrichtung (24); und

(f) Bewegen des Sensors mit der Bewegungssteuereinrichtung (24) entsprechend den Bewegungssteuerkommandos.

8. Das Verfahren nach Anspruch 7, worin eine Kalmanfiltereinrichtung (54) mit einer Strapdown-Gleichung-Verarbeitungseinrichtung (56) verbunden ist, um im Zusammenhang mit der Näherung der Strapdown-Gleichung stehende Fehler zu reduzieren.

9. Das Verfahren nach Anspruch 7, worin die Lagesteuereinrichtung (16) eine Dual-Loop-Steuerungs-Verarbeitungseinrichtung (82, 86, 90; 102) aufweist, die sowohl Geschwindigkeits- als auch Positionssignale verwendet, um die Geschwindigkeit und die Position des Sensors anzupassen.

10. Das Verfahren nach Anspruch 7, worin die Lagebestimmungseinrichtung (12) eine Verarbeitungseinrichtung (56) aufweist, die kontinuierlich Lösungen zur Strap- down-Gleichung approximiert.