CN113167588A - 包括用于测量计算出的姿态的完整性的设备的混合ahrs*** - Google Patents

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Abstract

本发明的领域是用于测量载体的姿态的混合***的领域，该***包括：‑卫星定位***(10)；‑测量单元(20)，其包括至少一个陀螺仪；‑电子设备(30)，其用于根据源自卫星定位***和测量单元的信息来计算载体的姿态信息。根据本发明的混合***包括计算电子设备，该计算电子设备包括用于计算角保护半径的模块，该角保护半径为这样的角半径：其使得计算出的姿态与载体的真实姿态之间的误差不被包括在该半径内的风险小于给定概率，所述半径等于两个贡献的总和，第一贡献等于与测量单元相关的定位误差，第二贡献等于与卫星定位***相关的定位误差。

Description

包括用于测量计算出的姿态的完整性的设备的混合AHRS***
技术领域
本发明的领域主要是航空导航的领域，并且特别是实现惯性测量单元和卫星地理定位模块两者的混合测量***的领域。
背景技术
被称为“AHRS”(Attitude and Heading Reference System(姿态和航向参考***)的首字母缩写)的***是并入加速度和角旋转的惯性测量以便确定载体的姿态的设备。姿态被理解为表示载体在空间中的定向。该载体通常是飞机。在这种情况下，姿态典型地由侧倾值(roll value)、俯仰值(pitch value)和偏摆值(yaw value)定义。
由于来自各种传感器的测量中的缺陷，因此这些姿态是有误差的，并且误差的量是递增的。在一些AHRS(例如，图1中呈现的AHRS)中，通过将在对角速度VA进行积分之后获得的积分姿态AI与参考姿态AR进行比较来校正积分姿态AI，该参考姿态AR通常是通过将地球的重力投影到与载体相关的水平轴上而获得的被称为加速度计姿态(accelerometricattitude)的姿态。AHRS姿态与参考姿态之间的偏差以一定的增益G环回。在该图和图3中，积分器通过由拉长的S给出的积分符号表示。
为了改进***的准确度，惯性测量可以与源自卫星导航***(该***称为GNSS，Global Navigation Satellite System(全球导航卫星***)的首字母缩写)的测量合并。
在航空上下文中，要求对有关飞行器姿态的数据的完整性进行实时量化，即，对测量误差高于考虑到各种可能的故障原因的确定的阈值的概率进行实时量化。例如，对于飞机姿态测量，通常要求完整性小于每小时10-7。
从AHRS获得的姿态是在没有对其完整性进行量化的情况下提供的。然而，在使用接近高性能惯性单元的算法的算法的情况下，有可能估计这种完整性。这种方法要求：
-高复杂度和高计算负荷，通过并行使用多个Kalman滤波器来估计惯性单元的完整性。题为“Method for determining a radius of protection associated with anavigation parameter of a hybrid inertial navigation system and associatedsystem”的欧洲申请EP 3 018 447参考文件提出了这种类型的第一解决方案。题为“Methodand system for providing integrity for hybrid attitude and true heading”的专利US 9 341 718也提出了这种类型的解决方案。
-对AHRS单元的惯性传感器的性能进行约束，以便使其具有允许使用Kalman滤波器的准确度。作为示例，陀螺仪的漂移必须小于每小时10度。
发明内容
根据本发明的混合***不存在上述缺点。实际上，姿态估计是按常规执行的。AHRS位置是通过对AHRS惯性测量进行三重积分来估计的。将这些AHRS混合位置与GNSS位置进行比较以从中推断出校正。这些校正应用于混合数据。
本发明涉及产生对这些姿态的完整性的测量。在根据本发明的***中，使用混合滤波器的传递函数的知识、与由卫星定位***的接收机给出的位置相关联的保护半径的值的知识并且通过计算从混合AHRS***的知识导出的主要常数来估计完整性。针对10-7/h的完整性来计算保护半径。
更具体地，本发明的主题是一种用于测量载体的姿态的***，所述***是混合的并且至少包括以下各项：
-卫星定位***；
-测量单元，其包括三个陀螺仪和三个加速度计；
-电子设备，其用于根据从卫星定位***和测量单元获得的信息来计算载体的姿态信息，
其特征在于，计算电子设备包括用于计算角保护半径的模块，该角保护半径为这样的角半径：其使得计算出的姿态与载体的真实姿态之间的误差不在该半径内的风险小于给定概率，所述半径等于两个贡献的总和，第一贡献等于与测量单元相关的姿态误差，第二贡献等于在考虑到卫星定位***的假定故障的情况下由位置误差引起的姿态估计的误差，该位置误差是由于卫星定位***导致的。
有利地，第一贡献等于在考虑到测量单元的所有可能的误差的情况下从Monte-Carlo模拟获得的最大定位误差。
有利地，第二贡献等于以下各项的乘积：
用于计算载体的姿态的电子设备的传递函数的增益，所述传递函数是针对由卫星定位***给出的位置的振荡的频率确定的；
卫星定位***的保护半径的值，所述值被称为术语HIL，该术语HIL是水平完整性限制的首字母缩写。
有利地，姿态计算电子设备包括：串联的三个积分器；以及恒定增益校正滤波器，第一积分器的输入数据是载体的角速度信息，并且第二积分器的输入数据是载体的加速度和第一积分器的结果，第三积分器的输入数据是由卫星定位***给出的位置信息初始化的第二积分器的结果，第一积分器的输出数据是载体的姿态信息，其被称为混合姿态，第二积分器的输出数据是载体的速度信息，其被称为混合速度，并且第三积分器的输出数据是载体的位置信息，其被称为混合位置。
有利地，角保护半径小于1度。
有利地，与角保护半径相关联的完整性介于10-5/小时使用和10-9/小时使用之间。
有利地，载体是飞机。
附图说明
在阅读以非限制性方式给出的以下描述之后并根据附图，将更好地理解本发明并且其他优点将变得显而易见，在附图中：
先前讨论的图1表示根据现有技术的AHRS单元；
图2表示根据本发明的用于测量载体的姿态的***；
图3表示根据本发明的姿态信息计算电子设备。
具体实施方式
如已经陈述的，根据本发明的姿态测量***是混合***。在图2中呈现了该姿态测量***。该姿态测量***被并入载体中，在该图中未呈现载体。该姿态测量***至少包括以下各项：
-GNSS卫星定位***10；
-惯性测量单元“UMI”20，其包括陀螺仪和加速度计；
-电子设备30，其用于根据从卫星定位***10和测量单元20获得的信息来计算载体的混合姿态A、速度V和定位P信息。
测量***实时进行操作。
卫星定位***10是本领域技术人员已知的。卫星定位***10提供实时载***置信息。同样，角速度和加速度测量单元20是本领域技术人员已知的。
测量***使用由惯性测量单元UMI 20测量的增量、参考航向以及GNSS接收机10的常规输出。并入设备中的实时计算平台30执行对混合姿态A、速度V和位置P数据的计算。姿态估计是按常规执行的。AHRS位置是通过对AHRS惯性测量进行三重积分来估计的。将这些混合AHRS位置与GNSS位置进行比较以从中推断出校正。通过校正滤波器34将这些校正应用于混合数据。
更具体地，在设备30内部的计算平台中执行对混合AHRS姿态的计算，这在图3中示出。计算平台包括三个积分器31、32和33的链。积分器31是从惯性测量单元20获得的角速度VA的积分器。该积分器31提供混合姿态AH。积分器32是姿态积分器。该积分器32提供混合速度VH。积分器33是位置积分器。该积分器33提供混合位置PH。这些积分器的操作类似于惯性单元的操作。计算平台还包括被添加到积分的加速度计增量的重力加速度计算函数和Coriolis加速度校正函数，以考虑到加速度计的积分是在非伽利略参考系中完成的事实。这些函数未在图3中呈现。
平台可以关于地理轴或与平台相关的轴进行机械化。例如，地理轴以北、东、下或“NED”为参考。
通过对来自UMI 20的数据进行积分而获得的每个混合位置与由GNSS定位***10获得的相同位置进行比较，以从中推断出偏差。偏差是根据三个轴在三个维度上获得的，例如，在NED机械化的情况下以纬度、经度和高度偏差的形式获得。
根据这些偏差，由并入计算平台中的恒定增益校正滤波器34生成校正。根据响应时间和期望的鲁棒性来调整增益。高增益导致响应时间短，但对GNSS位置误差的敏感度更高。小增益导致对GNSS位置误差的大鲁棒性。
每个校正滤波器专用于对应于特定轴的路径。例如，第一路径对应于纬度偏差，第二路径对应于经度偏差，并且第三路径对应于高度偏差。对于纬度或经度偏差，校正滤波器产生位置、速度、姿态和进动校正(precession correction)。对于高度偏差，校正滤波器仅产生高度和垂直速度偏差。
通过建立***的分析传递函数来计算校正滤波器的增益Ki。增益Ki被定义为***时间常数τ的函数。例如，在纬度校正滤波器的情况下，增益如下：
Figure BDA0003098430440000051
Figure BDA0003098430440000052
Rt是地球的半径，g是重力加速度，ξ是阻尼系数。该阻尼系数接近于1。
τ的值衡量***的响应。小的时间常数τ会导致显著的校正和对位置偏差的趋势的更好的跟踪。高的时间常数τ会导致较低的校正和更加平滑的位置偏差的趋势。
这种类型的***的难点中的一个是估计输出数据的误差。然而，在一定数量的应用中，重要的是提供具有已知完整性的姿态数据，该完整性对应于测量误差高于考虑到各种可能的故障原因的确定的阈值的概率。
本发明的目的是限制这些测量误差以便保证给定的完整性。在根据本发明的***中，通过产生保护半径来确保姿态的完整性，该保护半径即为这样的阈值：其使得真实姿态与估计出的姿态之间的误差仅在低于给定的概率的情况下高于该阈值。在航空上下文中，取决于应用，该概率在10-5/小时使用和10-9/小时使用之间变化。
阈值可以考虑误差对混合AHRS姿态的所有贡献。在该上下文中，标识以下各项：
-由于惯性传感器引起的误差；
-由保留的服务器控件引入的误差；
-由于用于校正混合姿态的GNSS输入而引起的误差。必须考虑与GNSS的准确度相关的“惯例”误差和“GNSS***故障”类型的误差。
混合AHRS姿态的HIL保护半径以以下形式建模：
HIL＝H0DYN+H1
其中：
-H0DYN：与传感器的缺陷和算法相关的误差的贡献。
-H1：考虑到假定的GNSS故障，与GNSS误差相关的贡献。
由于***的复杂度、传感器误差的行为的多样性或设备的使用情况，H0DYN的分析计算是不可行的。因此，估计是基于***的软件模型上的Monte-Carlo模拟完成的。为了综合考虑由传感器和各种使用情况引起的误差的所有组合，选择H0DYN等于最大姿态误差值，其对应于模拟中标识出的最坏误差情况。作为示例，估计该误差所需的模拟次数可以为10-6。
对H1的计算可以通过分析来完成。通过对惯性增量进行连续积分来计算混合姿态、速度和位置，然后使用恒定增益校正滤波器对其进行校正。因此，所有***都是完全已知且可建模的。通过这些知识，可以计算***的传递函数H(p)。
S(p)＝H(p)·E(p)
传递函数H(p)允许将输出S(p)描述为确定的输入E(p)的函数。特别地，H(p)的模数给出了输入端的干扰的幅度与输出端的结果之间的乘积系数。输入端的干扰可以是加速度计或陀螺仪惯性增量和/或用作参考的GNSS位置的误差。
在GNSS混合AHRS的情况下，“混合姿态误差”输出可以被视为“GNSS位置的误差”输入的函数。通过使用该传递函数的模数，对于以频率f振荡的位置误差ErrGNSS，可以以相同的频率计算对姿态误差ErrATT的影响。如果传递函数被表示为HErrGNSS→ErrAtt，则以下关系适用：
ErrATT(f)＝HErrGNSS-＞ErrAtt(f)·ErrGNSS(f)GNSS位置的误差可以涵盖不同种类。其可以是与常规GNSS误差相对应的“正常和罕见”误差、振荡误差或与GNSS***的故障相关的误差。在所有情况下，向GNSS位置提供其完整性或水平完整性限制HIL的测量。GNSS***保证，在给定的故障概率的情况下，GNSS位置的误差低于该半径。超过该半径，GNSS***被宣布为有故障的。
然后使用传递函数HErrGNSS→ErrAtt(f)来计算混合AHRS***的响应，并将HILGNSS的值作为输入。假设GNSS误差以给定频率振荡，则输出是混合姿态的完整性的半径RPATT(f)。
RPATT(f)＝HErrGNSS-＞ErrAtt(f)·HILGNSS(f)
为了限制该误差，选择了引起最强响应的频率，即，传递函数的最大值。然后可以将其写为下式：
H1＝max(|HErrGNSS-＞ErrAtt(f)|)HILGNSS
AHRS混合姿态的保护半径因此是这两个贡献的总和。
HIL＝H0DYN+max(|HErrGNSS-＞ErrAtt(f)|)HILGNSS
确定保护半径HIL的两个贡献所必需的所有计算对于本领域技术人员不构成特定问题，并且仅要求AHRS单元的软件的适配。
根据本发明的用于测量载体的姿态的***提供了下文详细描述的许多优点。
该***可以适用于任何种类的AHRS类惯性传感器。特别地，对保护半径的计算可以在惯性单元的广泛漂移范围(介于100°/h和0.1°/h之间)内进行。惯性传感器的性能损失对该方法的性能几乎没有影响，估计出的HIL基本上取决于GNSS HIL。
根据本发明的***允许根据现有的标准组件(其为AHRS单元、GNSS接收机和电子计算机)计算积分的AHRS姿态，其中保护半径为10-7/h的完整性。
用于计算AHRS姿态的方法很简单。该方法基于单个恒定增益滤波器。
就实时计算负载而言，用于计算完整性的方法也简单且廉价。惯性***中的完整性计算通常使用复杂的算法处理，这些算法并行使用多个Kalman滤波器。在根据本发明的***中，仅使用恒定增益滤波器的传递函数的知识。将GNSS HIL乘以在校正滤波器的设计中分析计算出的常数并加上常数就足够了。因此，该解决方案可以嵌入到包括有限计算能力的不复杂的***中。
保护半径是主要的。实际上，只要保留最有利的情况，所做的完整性假设就关于实际情况是主要的。这确保了估计出的完整性的高度相关性。
最后，根据本发明的***特别适用于航空用途。在这种情况下，针对实现方式的架构包括以下元件：
-AHRS类型的航空惯性单元；
-航空GNSS接收机；
-计算机，其可以并入AHRS设备中。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种用于测量载体的姿态的***，所述***是混合的并且至少包括以下各项：
-卫星定位***(10)；
-测量单元(20)，其包括三个陀螺仪和三个加速度计；
-电子设备(30)，其用于根据从所述卫星定位***和所述测量单元获得的信息来计算所述载体的姿态信息，
其特征在于，计算电子设备包括用于计算角保护半径的模块，所述角保护半径为这样的角半径：其使得计算出的姿态与所述载体的真实姿态之间的误差不在该半径内的风险小于给定概率，所述半径等于两个贡献的总和，第一贡献等于与所述测量单元相关的姿态误差，第二贡献等于在考虑到所述卫星定位***的假定故障的情况下由所述卫星定位***导致的位置误差而引起的姿态估计的误差，所述卫星定位***保证：在受制于给定的故障概率的情况下，位置的误差低于完整性半径；在高于该完整半径的情况下，所述卫星定位***被宣布为有故障的。
2.根据权利要求1所述的用于测量载体的姿态的***，其特征在于，所述第一贡献等于在考虑到所述测量单元的所有可能的误差的情况下从Monte-Carlo模拟获得的最大定位误差。
3.根据前述权利要求中的一项所述的用于测量载体的姿态的***，其特征在于，所述第二贡献等于以下各项的乘积：
用于计算所述载体的所述姿态的所述电子设备的传递函数的最大增益，所述传递函数是针对由所述卫星定位***给出的位置的振荡的频率确定的；
所述卫星定位***的保护半径的值，所述值被称为术语HIL，所述术语HIL是水平完整性限制的首字母缩写。
4.根据前述权利要求中的一项所述的用于测量载体的姿态的***，其特征在于，姿态计算电子设备包括：串联的三个积分器(31、32、33)；以及恒定增益校正滤波器(34)，第一积分器(31)的输入数据是所述载体的角速度信息，并且第二积分器(32)的输入数据是所述载体的加速度和所述第一积分器的结果，第三积分器(33)的输入数据是由所述卫星定位***给出的位置信息初始化的所述第二积分器的结果，所述第一积分器的输出数据是所述载体的姿态信息，其被称为混合姿态，所述第二积分器的输出数据是所述载体的速度信息，其被称为混合速率，并且所述第三积分器的输出数据是所述载体的位置信息，其被称为混合位置。
5.根据前述权利要求中的一项所述的用于测量载体的姿态的***，其特征在于，所述角保护半径小于1度。
6.根据前述权利要求中的一项所述的用于测量载体的姿态的***，其特征在于，概率介于10-5/小时使用和10-9/小时使用之间。
7.根据前述权利要求中的一项所述的用于测量载体的姿态的***，其特征在于，所述载体是飞机。

Claims (7)

1.一种用于测量载体的姿态的***，所述***是混合的并且至少包括以下各项：
-卫星定位***(10)；
-测量单元(20)，其包括三个陀螺仪和三个加速度计；
-电子设备(30)，其用于根据从所述卫星定位***和所述测量单元获得的信息来计算所述载体的姿态信息，
其特征在于，所述计算电子设备包括用于计算角保护半径的模块，所述角保护半径为这样的角半径：其使得计算出的姿态与所述载体的真实姿态之间的误差不在该半径内的风险小于给定概率，所述半径等于两个贡献的总和，第一贡献等于与所述测量单元相关的姿态误差，第二贡献等于在考虑到所述卫星定位***的假定故障的情况下由位置误差引起的姿态估计的误差，所述位置误差是由于所述卫星定位***导致的。
2.根据权利要求1所述的用于测量载体的姿态的***，其特征在于，所述第一贡献等于在考虑到所述测量单元的所有可能的误差的情况下从Monte-Carlo模拟获得的最大定位误差。
3.根据前述权利要求中的一项所述的用于测量载体的姿态的***，其特征在于，所述第二贡献等于以下各项的乘积：
用于计算所述载体的所述姿态的所述电子设备的传递函数的最大增益，所述传递函数是针对由所述卫星定位***给出的位置的振荡的频率确定的；
所述卫星定位***的保护半径的值，所述值被称为术语HIL，所述术语HIL是水平完整性限制的首字母缩写。
4.根据前述权利要求中的一项所述的用于测量载体的姿态的***，其特征在于，所述姿态计算电子设备包括：串联的三个积分器(31、32、33)；以及恒定增益校正滤波器(34)，第一积分器(31)的输入数据是所述载体的角速度信息，并且第二积分器(32)的输入数据是所述载体的加速度和所述第一积分器的结果，第三积分器(33)的输入数据是由所述卫星定位***给出的位置信息初始化的所述第二积分器的结果，所述第一积分器的输出数据是所述载体的姿态信息，其被称为混合姿态，所述第二积分器的输出数据是所述载体的速度信息，其被称为混合速度，并且所述第三积分器的输出数据是所述载体的位置信息，其被称为混合位置。
5.根据前述权利要求中的一项所述的用于测量载体的姿态的***，其特征在于，所述角保护半径小于1度。
6.根据前述权利要求中的一项所述的用于测量载体的姿态的***，其特征在于，概率介于10-5/小时使用和10-9/小时使用之间。
7.根据前述权利要求中的一项所述的用于测量载体的姿态的***，其特征在于，所述载体是飞机。
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