BRPI1103922A2 - dispositivo e processo para posicionamento tridimensional - Google Patents
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Abstract
DISPOSITIVO E PROCESSO PARA POSICIONAMENTO TRIDIMENSIONAL. A presente invenção refere-se a um dispositivo (10) para o posicionamento tridimerisional com uma estação base-radar secundário (12), prevista para medição de distância em relação a transponder (14) e que apresenta ao menos uma antena-radar (16), um receptor-GNSS (18) previsto para medição de sinais-GNSS e que apresenta uma antena receptora GNSS (20), uma unidade de medição inercial (22) prevista para determinar a posição da antena receptora-GNSS bem como ao menos uma antena radar em um sistema de coordenadas comum com relação a um ponto referencial e um processador de integração (24, 30, 31) para o qual são alimentadas pseudomedições de campo do receptor-GNSS, medições de distância radar e movimentos do dispositivo ao redor dos eixos do sistema de coordenadas comum, medidas pela unidade de medição inercial (22), e a posição tridimensional de um ponto de referência comum pela fusão das medições alimentadas, consideradas uma compensação de braço de alavanca entre o ponto referencial, a antena receptora-GNSS, ao menos uma antena radar e a unidade medidora inercial.
Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "DISPOSITIVO E PROCESSO PARA POSICIONAMENTO TRIDIMENSIONAL".
A presente invenção refere-se a um dispositivo e a um processo para o posicionamento tridimensional de acordo com a reivindicação 1 ou 10.
Um posicionamento tridimensional com elevados requisitos de precisão, disponibilidade, continuidade e integridade é importante, por e- xemplo, na aterrissagem de helicópteros. No caso, especialmente quando a visibilidade é deficiente ou totalmente ausente no local da aterrissagem, pro- blemas podem ser apresentados. Para o posicionamento tridimensional du- rante a chegada de uma aeronave são conhecidas diferentes tecnologias que a seguir serão brevemente explicitadas, com as suas desvantagens.
É conhecido, por exemplo, a integração do chamado GPS (Glo- bal Positioning System-Sistema de Posicionamento Global) e o INS (Inertial- Navigationssystem-Sistema de Navegação Inercial). Com isso, todavia, não podem ser logradas as exigências de precisão para uma solução de posicio- namento tridimensional, a qual, por exemplo, é necessário no caso de uma aterrissagem autônoma. Além disso, dados de correção diferenciais estão disponíveis apenas dentro de limites. Além disso, esta solução apresenta tendências a falhas de com vistas a atolamento.
Também é conhecido o chamado radar de abordagem de preci- são (Precision Approach Radar), o qual, todavia, ocasiona elevados custos operacionais. Além disso, o segmento do usuário não é totalmente autôno- mo, relativamente à determinação da posição de controle de integridade, já que o controle no segmento do solo se verifica no segmento do usuário. Fi- nalmente, torna-se necessário um segmento de solo com grandes dimen- sões mecânicas e elevado potencial.
Outra tecnologia já conhecida é um sistema de posicionamento de radar bidimensional local, o qual, todavia, está restrito a um posiciona- mento bidimensional e normalmente apresenta menor disponibilidade e con- tinuidade do que ocorre em um conjunto combinado de dados de sensores com GNSS (Global Navigation Satellite System-Sistema Global de Navega- ção por Satélite) e IMU (Inertial Measurement Unit-Unidade de Medição I- nercial). Em virtude das restrições sistêmicas e de um posicionamento bidi- mensional, não pode ser considerado como auxílio em terra, porém se adap- ta apenas para o processo de taxeamento.
Finalmente, é conhecido o chamado Sistema de Aterrissagem
de Feixe Integral (Integrity Beacon Landing System), o qual pode ser facil- mente sujeito a falhas de interferência, porque trabalha exclusivamente na banda da freqüência de GNSS. Uma elevada precisão de posicionamento somente poderá ser lograda pelo emprego de algoritmos de fases de supor- te, o que apresenta efeitos negativos sobre a disponibilidade e dificulta o desenvolvimento de conceitos de integridade. Além disso, esta tecnologia ocasiona custos mais elevados para os segmentos em terra baseado nos feixes de integridade.
Além disso, é feito referência para as seguintes publicações que se ocupam com soluções para o posicionamento:
- Thibaut G.: "Cost Benefit Analysis on Precision Approach and Landing Systems (PALS) - Final Report", NIAG SG-99 Abschlussbericht, Vol. 2, Dokument AC/224(ACG5)D(2007)0002, Juni 2007;
- Cohen C.E., Pervan B.S., Cobb H.S., Lawrence D.G. Powell J.D., Parkinson B.W.: "Precision Landing of Aircraft Using Integrity Beacons",
in Global Positioning System: Theory and Applications Volume II, Vol. 164, American Institute of Aeronautics and Astronautics, Washington, DC, 1996;
- Greenspan R.L.: "GPS and Inertial Integration", in Global Posi- tioning System: Theory and Applications Volume II, Vol. 164, American Insti-
tute of Aeronautics and Astronautics, Washington, DC, 1996; und
- "SYMEO Local Positioning Radar System LPR-B 1D", Produktdokumentation, Symeo GmbH, 2009
A tarefa da presente invenção reside em viabilizar um posicio- namento tridimensional aperfeiçoado que viabiliza a junção de elevados re- quisitos de precisão, disponibilidade, continuidade e de integridade para a solução do posicionamento.
Esta tarefa será solucionada por um dispositivo para o posicio- namento tridimensional com as características da reivindicação 1, e por um processo para o posicionamento tridimensional com as características da reivindicação 10. Outras modalidades da invenção são objeto das reivindica- ções dependentes.
A invenção prevê uma fusão de medições de radar secundárias,
medições GNSS e dados IMU em um processador de integração, o qual de- termina uma posição tridimensional baseado nas medições e nos dados fun- didos. O processador de integração, para o efeito da fusão, pode realizar um acoplamento das medições e dos dados com um filtro não linear. De acordo com a invenção, o cálculo de uma posição tridimensional pode se verificar de parte do usuário de modo autônomo no processador de integração. Isto viabiliza o controle da integridade da solução da posição diretamente junto ao usuário, onde a informação de um alarme de integridade é necessária o mais cedo. O sistema de radar secundário é empregado para os fins da in- venção e que pode ser do tipo um radar de banda-C (IEEE) de FMCW (Fre- quency Modulated Continuous Wave- Onda Contínua de Freqüência Modu- lada), possui uma estação básica, que é presa na unidade do usuário bem como várias estações de transponder instaladas em um campo local limita- do. As medições de distância entre a estação básica e os transponders se baseiam nas medições de tempo de operação. No caso, a operação básica envia sinais radar-FMCW com os quais os transponders se sincronizam den- tro de um espaço de tempo fixo. Depois de uma sincronização exitosa, os transponders devolvem um sinal de resposta FMCW. Para poder conseguir com um acoplamento das medições e dos dados com um filtro não linear uma boa viabilidade de observação dos estados de filtro, bem como elevada disponibilidade e integridade da solução de posição tridimensional, podem ser adicionalmente processadas medições brutas GNSS e dados IMU no filtro não linear. Portanto, o processo é robusto diante de sombreamentos de sinal e restrições geométricas do sistema de radar secundário local. Uma modalidade da invenção abrange um dispositivo para posicionamento tridi- mensional com
uma estação básica de radar secundária, prevista para medição de distância em relação a transponders e apresenta ao menos uma antena radar,
um receptor GNSS previsto para medição de sinais GNSS e possui uma antena receptora GNSS, uma unidade medidora inercial, prevista para determinar a posi-
ção da antena receptora-GNSS, bem como ao menos de uma antena de radar em um sistema de coordenadas comum relativamente a um ponto re- ferencial e,
um processador de integração para o qual são alimentadas me- dições espaciais pseudo do receptor GNSS, medições de distância radar e movimentos medidos pela unidade medidora inercial referente ao dispositivo ao redor dos eixos do sistema de coordenadas comum onde estes dois são integrados e que determina uma posição tridimensional de um ponto de refe- rência comum pela fusão das medições e dos dados alimentados, sendo realizada uma compensação de braço de alavanca, considerados os movi- mentos medidos.
Pela fusão de medições e de dados de fontes variadas, poderá ser lograda uma determinação robusta e confiável de uma posição tridimen- sional do ponto de referência ancorado no segmento do usuário o que, por exemplo, é importante para a chegada e pouso seguro de um helicóptero.
A estação básica secundária pode ser conformada a fim de que na banda-C (IEEE) possa ser realizado o trabalho, aproveitando os sinais de radar-FMCW para a medição de distância.
No dispositivo poderá estar previsto um sistema de navegação inercial que apresenta a unidade medidora inercial e o processador de inte- gração pode ser conformado para realizar fora do campo operacional do sis- tema de radar secundário, uma posição tridimensional com uma primeira navegação acoplada na base das pseudodimensões de campo do GNSS e de medições de navegação inerciais do sistema de navegação inercial, e para realizar dentro do campo operacional da estação básica do radar se- cundário uma posição tridimensional com uma segunda navegação acoplada na base das medições de distância do radar, das pseudomedições de cam- po e do receptor GNSS e das medições de navegação inerciais do sistema de navegação inercial.
Desta maneira, por exemplo, em uma fase do voo na qual a es- tação básica do radar secundário está demasiado distanciada dos transpon- ders do segmento em terra, poderá ser realizada uma determinação de posi- ção tridimensional na base de um GNSS e da navegação inercial, enquanto que em uma fase de voo de aproximação, próxima dos transponders, em aditamento poderão ser usadas as medições de distância entre uma ou vá- rias antenas de radar e os transponders para o posicionamento tridimensio- nal, que são ponderadas em nível mais alto devido às menores variações de medição do que as pseudomedições de campo do receptor GNSS. Desta maneira, em diferentes fases do voo poderá ser alcançado um posiciona- mento tridimensional ótimo relativamente a medições disponíveis e varia- ções de medições correspondentes. Para o problema presente de filtro não linear, o processador de
integração pode apresentar um filtro sigma-point kalman para processar as pseudodimensões de campo do receptor GNSS dos dados IMU e das medi- ções de distância de radar. Com o filtro sigma-point kalman é evitado que termos de segunda ordem ou de ordem maior sejam completamente negli- genciados como ocorreria no caso de uma linearização das equações das medições. A consideração de não Iinearidades especialmente nas medições de radar secundário, em virtude das reduzidas distâncias entre o segmento de usuário e as estações transponders é relevante, porque aqui termos de segunda ordem em relação aos murmúrios de medição não podem ser de modo simples negligenciados.
O filtro sigma-point kalman pode ser previsto para determinação de dados de correção-soluções de navegação-INS a partir das pseudomedi- ções de campo do receptor GNSS e das medições de distância de radar, e o processador de integração pode realizar algoritmos rígidos (Strapdown) que baseados nos dados de correção e nos movimentos do dispositivo ao redor do eixo do sistema de coordenadas comuns, medidos pela unidade de medi- ção inercial, determina a posição tridimensional. Alternativamente, o filtro sigma-point kalman pode ser usado pa- ra determinação da posição tridimensional baseada nas pseudomedições de campo do receptor GNSS, das medições de distância de radar e de uma solução de navegação INS, sendo conformado para esta finalidade, e a po- sição tridimensional determinada - para efeito de calibração - poderá ser retroacoplada em um sistema de navegação inercial do dispositivo.
Antes de mais nada, o filtro sigma-point kalman não deveria par- tir de uma linearização de uma distância oblíqua entre ao menos uma antena radar e um transponder, porém também poderá considerar termos não Iinea- res, especialmente termos de segunda ordem.
Especialmente um distanciamento oblíquo r mediante o uso da seguinte função não linear que também considera termos de segunda ordem poderá ser aproximada:
= r(xui)+(xuj: -Xnsf ) + -X^ii f -Xv^ ).
sendo xu,k um vetor de posição tridimensional no momento k en-
tre um transponder TP e o dispositivo U, Xuk é um ponto de aproximação
MxTrjt) _ l ----- ·- é o vetor da derivação parcial de r, no ponto Xujc e Hl-icr^/
é a matriz da segunda derivação parcial de rno ponto Xuk.
Para solucionar o problema do filtro não linear, o filtro não linear poderá empregar o processo de otimização não linear, especialmente pode- rá ser usado um filtro sigma-point kalman ou um filtro de segunda ordem pa- ra otimização.
Além disso, o filtro não linear pode implementar o modelo de es- tado, o qual, na dependência da aplicação do dispositivo, apresenta equa- ções de estado lineares ou não lineares.
Outra forma de realização da invenção abrange o emprego de um dispositivo para posicionamento tridimensional de acordo com a inven- ção precedente, a bordo de uma aeronave para navegação de aproximação em um aeroporto, em cujas regiões marginais estão dispostos vários radares secundários-transponders para a estação básica do radar secundário do dispositivo. Finalmente, outra modalidade da invenção abrange um processo para o posicionamento tridimensional com os seguintes passos:
recepção de medições de distância de radar de uma estação básica de radar secundária, prevista para medição da distância em trans- ponders e apresentando ao menos uma antena de radar,
receptores de pseudomedições de campo de um receptor GNSS, previsto para medição de sinais GNSS e que apresenta uma antena receptora GNSS,
recepção de medições de movimentação de uma unidade medi- dora inercial está prevista para determinar a posição da antena receptora GNSS bem como ao menos de uma antena radar em um sistema de coor- denadas comuns, relativamente a um ponto de referência e
determinação de uma posição tridimensional de um ponto de re- ferência comum, pela fusão das pseudomedições de campo do receptor GNSS, das medições de distância de radar e dos dados da unidade de me- dição inercial, levando em conta uma compensação de braço de alavanca entre o ponto de referência, a antena receptora GNSS, ao menos uma ante- na radar e a unidade de medição inercial. A compensação de braço de ala- vanca faz com que em seguida, todas as medições se refiram ao mesmo ponto referencial. A compensação do braço de alavanca é necessária por- que a antena receptora GNSS, a antena ou antenas radar e a unidade de medição inercial, em caso normal, estão espacialmente separados.
O processo pode ser implementado, por exemplo, em um com- putador a bordo de uma unidade para voo, por exemplo, uma aeronave, um helicóptero, onde já estão previstos um receptor GNSS e uma antena recep- tora GNSS bem como uma unidade de medição inercial e eventualmente um sistema de radar secundário. Desta maneira, pode-se equipar e aprimorar um sistema de navegação de voo já existente, sendo que também na apro- ximação de vôo em terra é viabilizado um posicionamento preciso e confiá- vel de natureza tridimensional. O processo pode estar implementado como um software que pode ser alimentado no computador a bordo.
O processo pode, também, ser caracterizado pelos seguintes passos:
filtragem não linear para determinação de dados de correção- soluções de navegação INS a partir das pseudo medições de campo recebi- das e das medições de distância-radar recebidas e
realização de um algoritmo rígido para determinação da posição tridimensional com baôe nos dados de correção e das medições de movi- mentação recebidas ou
filtragem não linear para determinação da posição tridimensional baseada nas pseudomedições de campo recebidas, nas medições de dis- tância de radar recebidas e a solução de navegação INS.
A filtragem não linear pode apresentar aproximação de uma dis- tância oblíqua entre ao menos uma antena radar e um transponder através de uma função não linear, especialmente como o caso especial, uma função quadrada, especialmente como o caso especial à aproximação de uma dis- tância oblíqua r mediante emprego da seguinte função não linear:
)= r(x^ }+[Xu^ -Xvyt f Yr)-h^-(x^ -X^i)T).
sendo Xu k um vetor de posição tridimensional no momento k en- tre um transponder TP e o dispositivo U1 Xujc é um ponto de aproximação
VrfxZ j (V )
atual * ^ ' é o vetor da derivação parcial de r, no ponto Hv-17·*/ é a matriz da segunda derivação parcial de r no ponto x~ k.
A filtragem não linear, para solucionar o problema de filtro não li- near poderá empregar um processo de otimização não linear, especialmente um filtro sigma-point kalman ou um filtro de segunda ordem para otimização.
A presente invenção, de acordo com outra modalidade, abrange também um programa computadorizado para concretizar um processo de acordo com uma modalidade da presente invenção, bem como produto de programa computadorizado contendo uma base de programa que pode ser interpretada na máquina onde pode estar memorizado o programa computa- dorizado na forma de sinais de comando eletrônicos e/ou óticos e passíveis de serem interpretados.
Outras vantagens e possibilidades de emprego da presente in- venção resultam da descrição subsequente em conexão com os exemplos de execução apresentados nos desenhos.
Na descrição, nas reivindicações, no resumo e nos desenhos se- rão empregados as noções e sinais de referência correspondente usados na lista abaixo mencionada.
As figuras mostram:
Figura 1 - exemplo de execução da arquitetura do sistema de dispositivo para posicionamento tridimensional de acordo com a invenção.
Figura 2 - a disponibilidade e a ponderação dos dados sensori- ais no segmento do usuário no decurso de uma trajetória de aproximação de vôo de acordo com a invenção.
Figura 3 - conjunto acoplado para dados de radar secundário, GNSS RX- e IMU de acordo com a invenção.
Figura 4 - um conjunto acoplado para dados de radar secundá- rio e dados sensoriais GNSS RX- integrado com uma solução de navegação INS de acordo com a invenção.
Na descrição seguinte, elementos idênticos funcionalmente i- guais e funcionalmente conexos podem ter o mesmo número de referência. Valores absolutos em seguida são indicados apenas a título de exemplo e não devem ser compreendidos como fatores de restrição da invenção.
A seguir será descrita a arquitetura de um sistema de posicio- namento 3D baseada em um radar secundário e um conjunto de filtro aco- plado e não linear de um dispositivo 10 representado na figura 1, para o po- sicionamento tridimensional exato em um campo espacialmente limitado de acordo com a invenção. A arquitetura apresenta um segmento de solo para helicóptero e um segmento de usuário que se encontra dentro do helicópte- ro.
A arquitetura do sistema
O segmento de solo e de usuário do dispositivo 10 para o posi- cionamento tridimensional exato em um campo espacialmente limitado apre- senta os seguintes elementos:
1) Segmento de solo: Um número variável de transponders de radar secundário 14, cuja disposição poderá ser adequada às particularidades locais e cujo ali- nhamento de antena pode ser otimizado tendo em vista o emprego concreto. Os transponders podem estar dispostos, por exemplo, nas regiões marginais de uma zona de aproximação de voo, na figura 1, próxima ao local de ater- rissagem de helicópteros 26, a fim de , por meio do radar, poder ser reco- nhecido como local de aterrissagem especialmente no caso de condições de visibilidade deficientes, por exemplo, no caso de neblina em solo.
2) Segmento de usuário: a. Uma estação base de radar secundário 12 com ao me-
nos uma antena radar 16 cuja colocação pode ser otimizada de acordo com o caso de emprego, a fim evitar sombreamentos dos sinais de radar e efeitos de percursos múltiplos. Uma expansão para duas ou mais antenas de radar pode ser viável sem problemas. Embora também possam ser usadas várias antenas de radar, no segmento do usuário, as descrições seguintes - favo- recendo a visibilidade - se baseiam na única antena de radar. Os sinais de radar emitidos pela estação básica (linhas tracejadas na figura 1) serão re- tornados pelos transponders 14 do segmento de solo.
b. Um receptor GNSS (sistema de satélite de navegação global) 18 com a antena receptora GNSS 20. O receptor GNSS pode, por
exemplo, ser um receptor para sinais de NAVSTAR -GPS GLONASS ou do futuro GNSS GALILEO da Europa.
c. Uma IMU (Unidade Medidora Inercial) 20 para poder re- ferir-se à posição da antena receptora GNSS e da antena ou de várias ante-
nas radar para um sistema comum de coordenadas, ancorado no segmento do usuário.
d. Um computador 24 (de navegação) no qual se verifica a fusão dos dados do sensor e o cálculo da solução de posição tridimensional do usuário. O computador 24 implementa também um processador de inte-
gração para os dados sensoriais com o jogo de filtro não linear acoplado, acima mencionado, que posteriormente ainda será descrito detalhadamente.
Como o respectivo segmento de usuário, de modo padronizado, dispõe de outros sensores (por exemplo, altímetros), esses dados de senso- res adicionais também poderão ser avaliados para geração da solução da posição. O conjunto de sensores mostrados na figura 1 representa a exten- são mínima do dispositivo, no qual o sistema de radar secundário 12, 14 constitui o componente nuclear. Com esta configuração mínima já é possível conseguir uma performance suficientemente boa. Para ampliação dos sen- sores de temperatura de pressão e de umidade torna-se possível conseguir melhores resultados na modelagem dos retardos do tempo operacional pela troposfera.
As coordenadas das antenas de transponders 14 de um sistema
de coordenadas absolutas são conhecidas do segmento de usuário, a fim de que possa integrar as medições de distância de radar de modo lógico no filtro não linear. As informações sobre as coordenadas de transponders po- dem ser memorizadas ou de forma estática, no segmento do usuário, ou de forma dinâmica podem ser transferidos sobre um link de dados até o seg- mento do usuário. Caso os transponders 14 se encontrarem em uma plata- forma móvel - por exemplo, uma embarcação - as coordenadas absolutas do transponder deverão ser dinamicamente ajustadas.
O sistema de radar secundário 12, 14 trabalha na banda-C (IE- EE) e aproveita os sinais de radar FMCW (FMCW: Onda Contínua de Fre- qüência Modulada) para medição de distância. Em um círculo mais curto até o alcance médio dos transponders 14 do segmento de terra, estão disponí- veis medições de distância precisas na estação básica do radar secundário 12 do segmento de usuário. Dentro deste campo de espaçamento limitado poderá ser feito um posicionamento tridimensional de alta precisão. A solu- ção da posição dentro do campo operacional se destaca por uma elevada disponibilidade, continuidade, bem como por um risco de integração muito reduzido de não reconhecer erros de posicionamento inadmissivelmente grandes.
Devido às seguintes razões, além das dimensões de distância
com os ruídos do sistema de radar secundário 12, 14, serão processadas também pseudomedições de campo GNSS com ruídos mais intensos de parte do filtro não linear: o sistema de radar secundário cobre um campo operacional limitado e normalmente será apenas instalado naqueles pontos onde simultaneamente são exigidas elevadas precisões de posicionamento, disponibilidade e continuidade, além de um reduzido risco de integridade, na figura 1, no local de aterrissagem 26. Fora deste campo, as exigências quan- to à solução da posição geralmente são menores. Com o dispositivo de a- cordo com a invenção, torna-se possível lograr um aprimoramento da solu- ção de posição tridimensional com aproximação do campo operacional críti- co, por exemplo, o heliporto 26 mostrado na figura 1. Este conceito é de- monstrado na figura 2 no exemplo de um percurso de voo de aproximação, ou seja, uma trajetória de voo de aproximação. Fora do campo operacional do radar secundário 28 (linha pontilhada na figura 2) não estão disponíveis medições de distância de radar com índice de ruído reduzido, de maneira que a solução de posição tridimensional se baseia exclusivamente em uma solução de navegação acoplada (diferencial) GNSS/INS (Sistema de Nave- gação Inercial). Dentro do campo operacional 28 será determinada uma so- lução de navegação acoplada de radar secundário/(diferencial) GNSS/INS. No filtro não linear, as pseudomedições de campo GNSS, baseadas nas va- riações de medição mais altas podem ser ponderadas essencialmente em nível menor do que as medições de distâncias de radar que apresentam va- riações de medição decisivamente mais reduzidas.
No campo operacional 28 do radar secundário, isto é, próximo do local de aterrissagem 26 na figura 1, as pseudomedições de campo com ruídos, podem continuar a ser levadas em conta no filtro com uma pondera- ção reduzida, ao invés de serem processadas apenas ainda as dimensões de distância de radar com reduzido índice de ruído. Desta maneira, o núme- ro de transponder 14 no sistema poderá ser mantido em reduzida extensão e o processo de posicionamento é menos sujeito à falha de medições de dis- tância entre a estação base do radar secundário 12 e transponders 14 indi- viduais, em virtude de sombreamentos. Caso fossem empregadas apenas medições de distância de radar para o posicionamento, poderiam resultar VDOPs (Diluição Vertical de Precisão) para o caso no qual as antenas do transponder 14 e a antena de radar 16 do segmento do usuário se encon- trassem próximas em um plano. No caso de uma combinação de medições de sinal de satélite e medições de sinal de radar em um jogo de filtros aco- plados, resultam dentro do campo operacional valores HDOP (Diluição Hori- zontal de Precisão) e VDOP muito bons.
O segmento do usuário dispõe no espaço 3 graus de liberdade rotacional. O conhecimento dos ângulos posicionais dos segmentos do usu- ário é necessário para o conceito de posicionamento tridimensional porque do lado do usuário são usadas duas antenas espacialmente separadas (an- tena-radar 16 e antena-receptora GNSS 20, na figura 1) para os sinais- GNSS e os sinais de radar. A informação de posição necessária será obtida pela integração da IMU 20. Desta maneira, as medições de GNSS e de ra- dar podem ser referidas a um ponto referencial, ou seja, de referência co- mum, sendo realizada uma compensação de braço de alavanca. Outros as- pectos positivos relativamente ao emprego da IMU 20 são que o sistema inercial apresenta uma elevada disponibilidade, podendo ser obtidas taxas de dados elevadas e podendo ser determinada uma solução de navegação completa para todos os 6 graus de liberdade do segmento do usuário.
Jogo de filtro não linear acoplado Os dados de sensor a seguir mencionados serão fundidos no la-
do do usuário a fim de ser obtida uma solução de posição 3D de alta previ- são. Baseada na combinação de sensor escolhida, poderá ser determinada uma solução de navegação completa que ultrapassa uma mera indicação de posição 3D. Para que a fusão dos dados sensoriais resulte em uma solução de posição de alta precisão, serão levadas em conta as diferenças espaciais entre a posição de antena-GNSS, a sessão das antenas de radar e ISA (Conjunto Sensorial Inercial) no modelo de medição do filtro. As diferenças entre os pontos de referência-dados sensoriais (Centro de Fase de Antena- GNSS, Centro de Fase de Antena-Radar, ISA) serão determinadas na insta- lação do sistema, por exemplo, em coordenadas norte-leste-baixo (NED). Como ponto de referência comum, será em seguida selecionada a ISA, mas de maneira que após a instalação do sistema podem ser indicados os dois vetores de defasagem ~&ώΓΓ'Λ'£ΰ e . Pelo emprego da IMU 22 no
segmento de usuário, serão observados o chamado Roll de ângulo, Pitch e Yaw (os chamados canais de volta arfagem guinada) do segmento de usuá- rio, que poderão ser observados. Com o auxílio da informação de posição continuamente atualizada, e dos vetores de defasagem previamente deter-
õ S
minados, —^tr ^sd e —gxss^xed pOCjerá a indicação das equações de ob- servação-GNSS e radar se referir a um sistema de coordenadas conjunto (referencial).
A seguir, os dados de partida do sensor serão individualmente relacionados. O processamento de alguns dados é opcional, de maneira que entre uma operação maior no computador e um aumento de performance pela avaliação de medições independentes adicionais no filtro possa ser feita a ponderação.
O sistema de radar secundário 12 fornece no lado do usuário as seguintes medições:
. Distâncias oblíquas para η transponders 14 do segmento em
terra
. Opcional: caixas de alterações de distâncias para η transpon- ders 14 do segmento em terra . Fatores de qualidade pertencentes às menções e/ou variações
O receptor GNSS 18 fornece como saída de sensor, as seguin- tes grandezas:
. Pseudoalcances (distâncias oblíquas acrescidas de parcelas de falhas) aos satélites m . Opcional: Doppler para m satélites
. Opcional: ADR (Campo Doppler acumulado) para m satélites . Opcional: Dados de correção diferenciados (por exemplo, SBAS), aplicados nas medições de receptor GNSS . Desvios-padrão das medições A IMU 22 fornece medições para:
. Aceleração por eixo . Taxa de ângulo por eixo A figura 3 apresenta um jogo acoplado para radares secundá- rios, dados de sensor GNSS RX- e IMU1 no qual medições de aceleração e de taxa angular "brutas" da IMU são processadas no processador de inte- gração 30. Medições de distância, variações de medição e eventualmente medições nas taxas de alteração de distância serão alimentadas pela esta- ção base do radar secundário 12 para um pré-filtro de dados 32 do proces- sador de integração 30. Além disso, pseudomedições de campo (PSR), vari- ações de medição e eventualmente dados de correção diferenciais, medi- ções ADR- e Doppler serão alimentados para um pré-filtro de correção e de dados 34 do processador de integração 30. Os dados de partida dos dois filtros 32 e 34 serão alimentados em um filtro não linear 36 do processador de integração 30, o qual, a partir dessas medições e de uma solução de na- vegação INS, calcula dados de correção 38 que são processados por um algoritmo-rígido 38, realizado pelo processador de integração 30, com a fina- Iidade da determinação da posição tridimensional. Para o algoritmo-rígido 38 também são alimentadas acelerações e taxas angulares e eventualmente variações de medição, medidas pela IMU 22. Estes movimentos medidos do dispositivo 10 também serão processados pelo algoritmo-rígido 38. Como resultado, além da posição tridimensional o processador inercial 30 também poderá fornecer outros dados determinados, como covariações, velocidade, aceleração, posição.
Quando do lado do usuário a IMU já estiver integrada com um computador de navegação, é possível - como no jogo mostrado na figura 4, acoplado para dados sensoriais de radar secundário e GNSS RX - a solu- ção de navegação INS poderá ser diretamente processada seqüencialmente no processador de integração 31. Para o filtro 37 não linear do processador de integração 31 serão alimentados os dados de saída filtrados dos dois fil- tros 32 e 34 e uma posição 3D, determinada pelo sistema de navegação i- nercial (INS) 23, velocidade, posição, matriz de co-variante dos estados e eventualmente a aceleração do dispositivo 10. Diferente do jogo mostrado na figura 3, o filtro 37 não linear, baseado nos dados alimentados não de- termina dados de correção, porém a posição tridimensional do dispositivo 10, que é fornecida pelo processador de integração 31, especialmente com outros dados determinados, como covariações, velocidade, aceleração, po- sição, tempo. A solução de posição determinada será, além disso, usada para suporte do sistema de navegação inercial separado.
A seguir, serão abordados os dois processos, empregados nos
processadores de integração 30 e 31, para a integração dos dados de sen- sor abrangendo medições de radar secundário-GNSS RX- e medições IMU nos filtros não lineares 36 e 37. Os processos devem ser empregados em sentido recíproco alternativo. O emprego de um modelo de medição não linear se verifica para
as medições de radar secundárias na base de reduzidas distâncias entre os segmentos de usuário e as estações de transponders e da geometria de rá- pida modificação de usuário/transponder no campo operacional. A medição de distância de radar Sk entre o transponder TP e o usuário U com o vetor de posição tridimensional no momento k pode ser expressa como segue:
com a distância oblíqua
No caso, vk é o ruído da medição além de parcelas de falhas não corrigidas, como percursos múltiplos e falhas de calibragem. A função r será aproximada no ponto de aproximação atual ^u-* não como nas medições de GNSS, geralmente por uma função linear. Uma possibilidade é de aproximar r por uma função quadrada r que reproduz melhor as não Iinearidades do sistema de radar secundário:
= tf Vr + -(Xuji f H - X^, ).
Vr(x~ )
X-v*) é o vetor da derivação parcial de r no ponto Xuk e
H é a matriz da segunda derivação parcial de r no ponto Xu k. Poderá ser usado, por exemplo, um filtro de segunda ordem para otimi- zação. Bem adaptado para o presente problema de filtro não linear também é um filtro sigma-point kalman. De uma maneira geral, terá de ser emprega- do um processo de otimização não linear, de modo que não seja realizado o início de uma simples linearização das equações de distância oblíqua.
Os modelos de estado empregados no filtro podem ser ajusta- dos de acordo com a aplicação concreta. De acordo com a aplicação, equa- ções de estado lineares ou não lineares podem ser mais bem adequadas.
Robustez do sistema
O processo citado é robusto contra murmúrios porque nem todos os sensores aqui selecionados são influenciados na mesma extensão por um murmúrio. Enquanto que o GNSS trabalha na banda L, o sistema de ra- dar opera na banda-C. Outra diferença essencial é que o receptor-GNSS é passivo no segmento do usuário, enquanto que a estação base-radar se- cundário no segmento usuário é uma componente ativa. Baseado na eleva- da redundância de medição dentro do campo operacional crítico, pode ser detectado simples uma interferência de GNSS ou do sistema radar de uma forma simples. Além disso, a robustez do sistema será majorada pelo em- prego de uma IMU que é amplamente insensível contra murmúrios. A indica- ção da solução de posição tridimensional no processador de integração é precedida por um teste de integridade da solução. Além de meros processos de reconhecimento de falhas, também podem ser implementados processos de exclusão de falhas no computador integrado, com o que é lograda uma disponibilidade muito elevada da solução de posição.
Especialmente as seguintes vantagens podem ser logradas pela presente invenção e por modalidades da invenção:
. Além da elevada precisão da solução de posição simultanea- mente pode ser lograda uma elevada disponibilidade, continuidade e integri- dade.
. Podem ser obtidas elevadas taxas de atualização da solução
de posição.
. O sistema é mais robusto do que outras proposições de siste- mas para o PALS (Precision Approach and Landing Systems - Sistemas de Precisão de Aproximação e Aterrissagem) comparado com murmúrios base- ados na fusão de dados sensoriais escolhidos que combina reciprocamente diferentes princípios de medição bem como do jogo de filtros acoplados. . O posicionamento do lado do usuário se processa de forma au- tônoma. O controle de integridade da solução de posição pode ser direta- mente realizado na unidade do usuário. Existe apenas um reduzido esforço para o operador não sendo necessário um link de dados adicionais entre o segmento de terra e de usuário.
. Reduzidas dimensões mecânicas, reduzido acolhimento de po- tencial e reduzidas custas de aquisição e de operação no sistema local de aumento, isto é, das estações de base de transponder de radar secundário.
. Receptor-GPS e antena bem como IMU já estão integrados em muitos segmentos de usuários no campo da aviação, de maneira que da parte do usuário será necessária apenas uma ampliação de uma extração base de radar secundário e de antenas. Computadores a bordo já existentes podem ser implementados para neles serem implementados os algoritmos de filtros não lineares. .0 segmento de terra-radar secundário também poderá ser ins-
talado de forma simples em plataformas móveis (por exemplo, suportes de aeronaves).
A presente invenção possui o potencial de prover uma solução de posição tridimensional em um campo espacialmente limitado (por exem- pio, no entorno de heliportos) com as exigências de precisão, de disponibili- dade e de integração que ocorrem no campo da aviação. Desta maneira, o risco de acidentes pode ser drasticamente reduzido, bem como podem ser economizados tempo e custos podendo ser realizadas aterrissagens autô- nomas com visibilidade deficiente/ausência de visibilidade do local de ater- rissagem. A presente invenção, além disso, é robusta contra fontes de inter- ferência.
LISTAGEM DE REFERÊNCIA E ACRÔNIMOS
Dispositivo para posicionamento tridimensional
12 Estação base-radar secundário 14 Transponder-radar secundário
16 Antena-radar
18 Receptor GNSS/ RX de GNSS Antena receptora GNSS
22 IMU
23 INS
24 Computador-navegação 26 Heliporto
28 Campo de operação-Radar secundário
30,31 Processador de integração
32 Pré-filtro para medições de distâncias de radar
34 Pré-filtro de correção e de dados para pseudomedições
de campo
Wave / Onda
36 Filtro não linear 38 Algoritmo rígido FMCW Frequency Modulated Continuous Contínua de Freqüência Modulada GNSS Global Navigation Satellite System / Sistema de Satélite
de Navegação Global
HDOP Horizontal Dilution Of Precision / Diluição Horizontal de
Precisão
20
IMU Inertial Measurement Unit / Unidade de Medição Inercial INS Inertial Navigation System / Sistema de Navegação I-
nercial
25
ISA Inertial Sensor Assembly / Conjunto de sensor Inercial
NED North-East-Down / Norte-Leste-Embaixo
RX Receptor
SBAS Satellite Based Augmentation System / Sistema de Au- mento Baseado em Satélite
VDOP Vertical Dilution Of Precision / Diluição Vertical de Preci- são
Claims (15)
1. Dispositivo (10) para posicionamento tridimensional com uma estação base-radar secundário (12), prevista para medição de distância em relação a transponders (14) e que apresenta ao menos uma antena-radar (16), um receptor GNSS (18) previsto para medição de sinais-GNSS e apresentando uma antena receptora-GNSS (20), uma unidade de medição inercial (22) prevista para determinar a posição da antena receptora-GNSS, bem como ao menos uma antena-radar em um sistema de coordenadas comum em relação a um ponto referencial e um processador de integração (24, 30, 31) para o qual são ali- mentadas pseudomedições de campo do receptor-GNSS, medições de dis- tância-radar e movimentos do dispositivo ao redor dos eixos do sistema de coordenadas comum, medidos pela unidade de medição inercial (22) e que determina uma posição tridimensional de um ponto de referência comum através da fusão das medições e dados alimentados, sendo realizada uma compensação de braço de alavanca, considerados os momentos medidos.
2. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pe- lo fato de que a estação base-secundária (12) é conformada para trabalhar na banda-C (IEEE) e aproveitar sinais de radar-FMCW para medição de dis- tância.
3. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracteriza- do pelo fato de que está previsto um sistema de navegação inercial (23) que apresenta a unidade medidora inercial (22) e o processador de integração (24, 30, 31) é conformado para rea- lizar fora de um campo operacional (28) do sistema de radar secundário (12) uma posição tridimensional com uma primeira navegação acoplada na base das pseudomedições de campo do receptor-GNSS (18) e de medições de navegação inercial do sistema de navegação inercial (23), e para realizar dentro do campo operacional (28) da estação base-radar secundário (12) uma posição tridimensional com uma segunda navegação acoplada, em ba- se das medições de distância-radar, das pseudomedições de campo do re- ceptor (18) GNSS e das medições de navegação inerciais do sistema de navegação (23) inercial.
4. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o processador de integração (24, 30, 31) possui um filtro não linear (36, 37) para processar as pseudo- medições de campo do receptor-GNSS, dos dados IMU e das medições de distância-radar.
5. Dispositivo de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pe- lo fato de que o filtro não linear (36) está previsto para determinação de da- dos de correção-soluções de navegação INS das pseudomedições de cam- po do receptor GNSS e medições de distância-radar e o processador de integração (30) produz um algoritmo-rígido (38), o qual, baseado nos dados de correção e nos movimentos do dispositi- 15 vo ao redor dos eixos do sistema de coordenadas comum, determina a posi- ção tridimensional.
6. Dispositivo de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pe- lo fato de que o filtro (37) não linear, para o fim de determinar a posição tri- dimensional baseado nas pseudomedições de campo do receptor-GNSS, das medições de distância-radar e de uma solução de navegação INS se encontra conformado para estas tarefas e a posição tridimensional determinada para cada calibragem é re- troacoplada para um sistema de navegação (23) inercial do dispositivo.
7. Dispositivo de acordo com a reivindicação 4, 5 ou 6, caracteri- zado pelo fato de que o filtro não linear (36, 37) aproxima uma distância oblíqua entre ao menos uma antena-radar (16) e um transponder (14) por meio de uma função não linear, especialmente como o caso especial de uma função qua- drada, especialmente, em caso especial, um distanciamento oblíquo rmedi- ante emprego da seguinte função não linear em aproximação: = + f Vr(^ilJ+^-fe,* j Hf^tjíí^ )- sendo Xuk um vetor de posição tridimensional no momento /cen- tre um transponder TP e o dispositivo U, Xujc é um ponto de aproximação Vrfx-- ) _ ίχ~ ) atual, X-u^ J é o vetor da derivação parcial de r, no ponto Xyjfc e H l-17=*/ é a matriz da segunda derivação parcial de rno ponto Xu k.
8. Dispositivo de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pe- lo fato de que o filtro não linear (36, 37), para solucionar o problema de filtro não linear, emprega um processo de otimização não linear, especialmente um filtro sigma-point kalman ou um filtro de segunda ordem para otimização.
9. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações 4 a 8, caracterizado pelo fato de que o filtro não linear (36, 37) implementa um modelo do estado, o qual na dependência da aplicação do dispositivo apre- senta equações de estado lineares ou não lineares.
10. Processo para posicionamento tridimensional com os seguin- tes passos: recepção de medições de distância-radar com uma estação ba- se-radar secundário (12), prevista para medição de distâncias em relação a transponders (14) e apresentando ao menos uma antena-radar (16), recepção de pseudomedições de campo de um receptor GNSS (18) previsto para medição de sinais-GNSS e apresenta uma antena recep- tora-GNSS (20), recepção de medições de movimentação de uma unidade medi- dora inercial (22) prevista para determinar a posição da antena receptora- GNSS, bem como ao menos de uma antena radar em um sistema de coor- denadas comum relativamente a um ponto referencial, e determinação de uma posição tridimensional de um ponto de re- ferência comum pela fusão das pseudomedições de campo do receptor- GNSS, das medições de distância-radar e das medições de movimentação da unidade medidora inercial, considerada a compensação de braço de ala- vanca entre o ponto referencial, a antena receptora-GNSS, ao menos uma antena-radar e a unidade medidora inercial.
11. Processo de acordo com a reivindicação 10, também carac- terizado pelos seguintes passos: filtragem não linear (36) para determinação de dados de corre- ção-soluções de navegação INS a partir das pseudomedições de campo re- cebidas e medições de distância-radar recebidas e formação de um algoritmo rígido (38) para determinação da po- sição tridimensional baseada nos dados de correção e das medições de mo- vimento recebidas, ou filtragem não linear (37) para determinação da posição tridimen- sional baseada nas pseudomedições de campo recebidas, das medições de distância-radar recebidas e da solução de navegação INS recebidas.
12. Processo de acordo com a reivindicação 10 ou 11, caracteri- zado pelo fato de que a filtragem não linear (36, 37) apresenta a aproxima- ção de uma distância obíqua entre ao menos uma antena-radar (16) e um transponder (14) por uma função não linear, especialmente, como o caso especial, uma função quadrada, especialmente como o caso especial, a a- proximação de uma distância oblíqua r mediante emprego da seguinte fun- ção não linear: T '1 . τ - ■ = + -^,t) ~ ^ Jrj- sendo χυΛ um vetor de posição tridimensional no momento k en- 20 tre um transponder TP e o dispositivo U, Xv k é um ponto de aproximação ¥r(af- ') (x~ I atual, V-tF'È/ é o vetor da derivação parcial de r, no ponto χυ k e H I-xr^i é a matriz da segunda derivação parcial de r no ponto Xuk.
13. Processo de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que a filtragem não linear (36, 37) para a solução do problema de filtragem não linear emprega um processo de otimização não linear, es- pecialmente um filtro sigma-point kalman ou um filtro de segunda ordem pa- ra otimização.
14. Programa computadorizado para concretização de um pro- cesso como definido em qualquer uma das reivindicações 10 a 13.
15. Produto de programa computadorizado contendo uma base de programa que pode ser interpretada no computador, onde está memori- zado um programa computadorizado como definido na reivindicação 14, forma de sinais de comando de interpretação eletrônica e/ou ótica.
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| B03A | Publication of a patent application or of a certificate of addition of invention [chapter 3.1 patent gazette] | ||
| B25D | Requested change of name of applicant approved |
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