DE4441056B4

DE4441056B4 - Verfahren zur Positionsbestimmung

Info

Publication number: DE4441056B4
Application number: DE4441056A
Authority: DE
Inventors: Thomas Rolf Kronhamn
Original assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Current assignee: Saab AB
Priority date: 1993-11-17
Filing date: 1994-11-17
Publication date: 2005-04-07
Anticipated expiration: 2014-11-18
Also published as: NL9401912A; SE9303807L; NL194685C; GB2284054A; GB9423258D0; US5504489A; FR2712988A1; DE4441056A1; NL194685B; FR2712988B1; SE9303807D0; SE515200C2; GB2284054B

Abstract

Verfahren zur Bestimmung von Positionen eines Messobjekts (14) mittels einer Anzahl von Messungen von Richtungen (15, 17, 21, 25, 29, 33) zum Messobjekt (14), welche zu getrennten Zeitpunkten (a bis e) durchgeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass
– für die Ausgangsmessung der Richtung (15) zum Messobjekt (14) eine Anzahl angenommener Bereiche – Hypothesen ((i – 2) – (i + 2)) – entlang der Richtung zum Messobjekt positioniert betrachtet werden, innerhalb derer das Messobjekt angenommen wird;
– darauf folgende Messungen der Richtungen (17, 21, 25, 29, 33) des Messobjekts gemacht werden von mindestens zwei verschiedenen Messstationen (10, 11), welche entlang verschiedener Pfade (12, 13) zwischen den Zeitpunkten (a bis e) bewegt werden und Messungen durchführen;
– in Verbindung mit den Messungen der Richtung zum Messobjekt die gemessenen Richtungen verglichen werden mit der erwarteten Position des Messobjekts, wobei diese für jede Hypothese berechnet wird mittels Annahmen betreffend die Bewegung des...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung von Objektpositionen in Obereinstimmung mit dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Um die Entfernung zwischen festen oder mobilen Meßorten und festen oder mobilen Meßobjekten zu bestimmen, sind eine Anzahl verschiedener Verfahren bekannt, welche angepaßt sind an unterschiedliche Arten von Meßapparaten. Gewisse Verfahren kann man als aktiv in dem Sinne bezeichnen, daß die Meßapparate das Meßobjekt bestrahlen, z.B. mittels Laserlicht oder mittels Hochfrequenzsignalen, wie z.B. Radarpulsen. Andere Methoden können als passiv bezeichnet werden aufgrund der Tatsache, daß die dem Meßobjekt eigene Strahlung verwendet wird während der Messung. In diesen Fällen wird die Entfernungsbestimmung beinahe ausschließlich indirekt ausgeführt mittels Winkelmessungen. Die Eigenschaften des Meßobjekts innerhalb des Bereichs des sichtbaren Lichtes werden somit verwendet zur Bestimmung der Richtung zum Meßobjekt mittels optischer Methoden, die Wärmestrahlung des Objekts mittels Messungen mit Infrarot-empfindlichen Apparaten oder, wenn das Meßobjekt selbst Schall- oder Hochfrequenzstrahlung abgibt, mittels einer Empfängervorrichtung für diese Frequenzen, z.B. einem Sonar- oder einem "Horch-"Radar.
Die passiven Verfahren zur Bestimmung der Entfernung (und damit auch der Position) eines Meßobjektes haben die Eigenschaft, das Meßobjekt nicht zu verzerren, was ein Vorteil ist in vielen Anwendungen, aber andererseits kann die Position eines Meßobjektes nicht bestimmt werden mittels Messungen von einem einzelnen Meßort. Wenn das Meßobjekt beweglich ist, wird auch ein Zeitfaktor hinzugefügt – Messungen von unterschiedlichen Meßorten müssen zeitlich koordiniert werden.
Verschiedene passive Verfahren zur Entfernungsbestimmung durch Winkelmessungen sind bekannt. Ein Verfahren, welches heutzutage als TMA (Target Motion Analysis = Zielbewegungsanalyse) bezeichnet wird, ist aus dem Zweiten Weltkrieg bekannt, wo es von Unterseebooten verwendet wurde zur Bestimmung der Entfernung und des Kurses des Zieles. Das Verfahren basiert auf der Tatsache, daß mittels passiver Sonareinrichtungen die Richtung eines Zieles bestimmt wird während das Unterseeboot sich auf eine gewisse Weise bewegt. Somit wird erst einem Kurs gefolgt, welcher von der Zielrichtung wegführt und danach zurück zur ursprünglichen Zielrichtung. Auf diesen zwei Abschnitten werden wiederholt Messungen der Richtung zum Ziel gemacht. Durch Annahme, daß die Geschwindigkeit und der Kurs des Zieles konstant sind, können der Ort und die Bewegung des Zieles berechnet werden durch Winkelmessungen und mit bekannten Algorithmen.
Die Schwierigkeiten bei diesem Verfahren sind hauptsächlich zu entscheiden, wie lang die Teilstrecken sein sollen und zu entscheiden, in welche Richtung es am vorteilhaftesten ist, zu steuern. Lange Teilstrecken (eine große Meßgrundlage) sind notwendig, um eine hohe Genauigkeit der Messungen zu erzielen, wenn der Abstand zum Zielobjekt groß ist. Ist der Abstand kurz, besteht weder Zeit noch Notwendigkeit für lange Teilstrecken. Die Schwierigkeit ist, dass es keine Grundlage gibt für Entscheidungen die Länge der Teilstrecken betreffend, bis frühestens dem Beginn der zweiten Teilstrecke. Die Schwierigkeit ist besonders ernst, wenn die erste Teilstrecke gewählt wird in die Richtung, welche eine kleine, oder im schlimmsten Fall keine Änderung der Richtung zum Messobjekt ergibt.

Ein Verfahren zur Geschwindigkeits- und Positionsabschätzung ist beispielsweise bekannt aus "A Method for Bearings-Only Velocity and Position Estimation" von Vassilios Petridis in IEEE Transactions on Automatic Control, Vol. AC-26, No. 2, April 1981. Dort wird eine Positionsbestimmung mittels einer Anzahl von Messungen der Richtungen zum Messobjekt beschrieben, die zu getrennten Zeitpunkten mit einer Messvorrichtung durchgeführt werden.

Weiterhin ist ein Verfahren zur Ermittlung des. Standortes eines bewegten oder unbewegten Objektes und Einrichtung zu seiner Durchführung beschrieben in DE 25 50 197 B2 . Dieses Verfahren dient zur Ermittlung eines Standortes eines bewegten oder unbewegten Objektes mittels passiv arbeitender Sonareinrichtungen, wobei sich die eine Sonareinrichtung auf mindestens zwei voneinander unabhängig beweglichen Sonarträgern befindet.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, ein Messverfahren zu schaffen, mittels dessen es möglich ist, die Position eines Messobjektes auf eine schnellere Weise durch Winkelmessungen zu bestimmen, und mit einer höheren Messgenauigkeit als in bisher bekannten Verfahren.

Diese Aufgabe wird gelöst mittels eines Verfahrens gemäss der vorliegenden Erfindung, dessen kennzeichnende Merkmale offensichtlich werden aus dem beigelegten Anspruch 1.

Ein besseres Verständnis der Erfindung wird erreicht durch Betrachtung der folgenden bevorzugten Ausführungen zusammen mit den Zeichnungen, in welchen:
1 eine der Unterschiede zeigt zwischen einem bekannten Verfahren zur Bestimmung der Position eines Messobjektes und des Verfahrens gemäss der Erfindung,
2 die Ausgangsposition zeigt für die Bestimmung der Position eines Messobjektes gemäss des erfindungsgemäßen Verfahrens,
3 bis 7 folgende Messungen zeigen gemäss des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die Erfindung wird nun ausführlicher beschrieben anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die 1 bis 7.
1 zeigt eine Meßstation 1 und ein Meßobjekt 2. Es wird angenommen, daß das Meßobjekt sich in eine Richtung 3 bewegt. Die Bezugsziffer 4 bezeichnet die Sichtlinie zwischen der Meßstation und dem Meßobjekt in einer Ausgangsposition. Wäre das oben erwähnte TMA-Verfahren verwendet worden, würde die Meßstation z.B. auf einem Pfad bestehend aus zwei Teilstrecken 5 und 6 bewegt werden. Während der Bewegung werden wiederholte Winkelmessungen in bezug auf das Meßobjekt gemacht, mittels derer die Position des Meßobjektes bestimmt werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf der Tatsache, daß zwei Meßstationen verwendet werden. Diese werden gleichzeitig entlang der Pfade 7 und 8 bewegt, d.h. sie bewegen sich weg von der ursprünglichen Sichtlinie auf entgegengesetzten Seiten der Sichtlinie. Während der Bewegung entlang der Pfade 7 und 8 werden Winkelmessungen zum Meßobjekt hin gemacht, wobei das Ergebnis der Messungen der zwei Meßstationen gesammelt wird auf eine Weise, welche im folgenden beschrieben wird.
2 zeigt die Ausgangsposition des erfindungsgemäßen Meßverfahrens. Ursprünglich haben die beiden Meßstationen 10 und 11 die gleiche Position, aber bewegen sich entlang der jeweiligen Pfade 12 und 13, nachdem die Messung begonnen hat, und entfernen sich somit voneinander. Das Meßobjekt 14 befindet sich ursprünglich auf der Sichtlinie 15 und es wird angenommen, daß es sich auf dem Pfad 16 bewegt. Hinweise sind vorgesehen auf den Pfaden 12, 13 und 16 durch die Buchstaben a, b und c. Die Hinweise bezeichnen die Orte jeweils der Meßstation und des Meßobjektes zu Zeitpunkten a, b und c. Im folgenden wird die Kombination einer Bezugsziffer des Pfades und einer der Buchstaben a, b und c verwendet werden zur Bezeichnung der Position einer Meßstation oder eines Meßobjektes entlang des Pfades zu einem bestimmten Zeitpunkt. Somit bezeichnet die Bezugsziffer 12b die Position der Meßstation 10 auf dem Pfad 12 zum Zeitpunkt b.
Eine Anzahl von Ellipsen (i – 2) – (i + 2) sind entlang der Sichtlinie 15 angeordnet. Diese werden gebildet durch Bereiche, innerhalb derer es angenommen werden kann, daß sich das Meßobjekt befindet. Diese angenommenen Bereiche – Hypothesen – bilden die Grundlage der fortgesetzten Meßmethode.
Die Hypothesen bestehen aus einem Ort (der Mittelpunkt der Ellipse) in der gemessenen Richtung und in einem Abstand R_i, welcher der Abstand zwischen der Meßstation und der i-ten Hypothese ist. Es wird angenommen, daß die Meßstationen die Richtung zum Meßobjekt mit einer gewissen Winkelgenauigkeit ±σ_ϕ messen können. Der zu einer gewissen Hypothese gehörende Unsicherheitsbereich kann beschrieben werden als eine Ellipse, deren kleine Achse die Länge 2·R_i·σ_ϕ und deren große Achse die Länge 2·σ_Ri·R_i, und σ_Ri wird passend gewählt, so daß σ_Ri/R_i = konstant gilt. Dies bedeutet, daß die Ellipsen von der Seite betrachtet den gleichen Winkel unterbringen. Es ist auch passend anzunehmen, daß das Meßobjekt sich in eine beliebige Richtung bewegen kann, aber mit einer gewissen höchstmöglichen Geschwindigkeit.
Wenn keine weiteren Messungen gemacht werden, werden die Ellipsen im Lauf der Zeit wachsen aufgrund der Tatsache, daß die Meßobjekte sich bewegen können.
In Übereinstimmung mit der Erfindung werden jedoch wiederholte Winkelmessungen mit den Meßstationen gemacht. Die 3 bis 7 veranschaulichen eine Anzahl solcher Messungen. 3 zeigt somit den Zeitpunkt, an dem die Meßstation 10 zum Zeitpunkt a eine Winkelmessung zum Meßobjekt ausführt, welches sich dann im Punkt 16a befindet. Die Mittelpunkte der Hypothesen werden dann zur Sichtlinie 17 bewegt. Der Mittelpunkt der Hypothese (i + 2) befindet sich somit im Punkt 18, der Mittelpunkt der Hypothese (i) im Punkt 19 und der Mittelpunkt der Hypothese (i – 2) im Punkt 20. Zur Vereinfachung der Lesbarkeit wurden in den 3 bis 7 nur drei Hypothesen veranschaulicht – die übrigen werden auf entsprechende Weise behandelt.
4 zeigt die Bedingungen, wenn die Meßstation 11 eine Winkelmessung vom Punkt 13b ausführt wenn sich das Meßobjekt im Punkt 16b befindet. Die Mittelpunkte der Hypothesen befinden sich nun auf einer Sichtlinie 21 jeweils an den Punkten 22, 23 und 24.
Die 5 bis 7 zeigen auf entsprechende Weise Messungen jeweils von den Punkten 12c, 13d und 12e. Wie offensichtlich wird aus 7, schafft die Hypothese (i + 2) einen Pfad durch die Punkte 18, 22, 26, 30 und 34, die Hypothese (i) schafft einen Pfad zwischen den Punkten 19, 23, 27, 31 und 35 und die Hypothese (i – 2) schafft einen Pfad durch die Punkte 20, 24, 28, 32 und 36.
Durch Verwendung rekursiver Filter wird die zukünftige Position jeder Hypothese berechnet. Wenn eine Winkelmessung ausgeführt wurde, werden die berechneten Positionen der Hypothesen mit dem Gemessenen verglichen. Alle Differenzen zwischen den berechneten und den gemessenen Positionen werden zu den Berechnungen hinzugefügt, welche dadurch schrittweise verbessert werden. Ferner wird die Erscheinung der verschiedenen Hypothesen kontinuierlich ausgewertet, um eine Entscheidung zu ermöglichen im Hinblick darauf, welche Hypothese am besten dem Meßobjekt entspricht. Während der Zeit, in der die Anzahl von Messungen zunimmt, wird die Genauigkeit der Auswertung verbessert und eine oder mehrere Hypothesen werden als die Wahrscheinlichsten erscheinen. In dem gezeigten Beispiel ist die Hypothese (i) die Wahrscheinlichste, wohingegen die Hypothesen (i + 2) und (i – 2) weniger wahrscheinlich sind. Es wird daher angenommen, daß die Hypothese (i) die Position des Meßobjektes darstellt.
Während der Auswertung werden die Positionen der Hypothesen gesammelt, wobei die erhaltene Information verglichen wird mit den erwarteten Positionen und dem Verhalten des Meßobjekts. Ferner können Geschwindigkeiten, Geschwindigkeitsänderungen, Bewegungsrichtungen und Änderungen in den Bewegungsrichtungen usw. verglichen werden. Dadurch, daß auch Informationen, die von den Hypothesen erhalten werden, zusammen mit gewissen, die Meßobjekte betreffenden Annahmen verglichen werden, z.B. die höchste und die niedrigste Geschwindigkeit und die Manövrierfähigkeit (Beschleunigungen), kann die Genauigkeit der Auswertung weiter verbessert werden.
Verglichen mit bereits bekannten Verfahren zur Entfernungsabschätzung und Positionsbestimmung durch Winkelmessungen schafft die vorliegende Erfindung eine Anzahl von Vorteilen. Ein wesentlicher Zeitgewinn wird entsprechend erreicht durch die gleichzeitige Ausführung der Messungen von zwei Teilstrecken. Ferner werden die ersten Abschätzungen der wahrscheinlichen Position des Meßobjektes in einem frühen Stadium erhalten, dessen Genauigkeit kontinuierlich erhöht wird, während die Messungen voranschreiten. Ein weiterer, großer Vorteil des Verfahrens ist auch, daß keine genaue Zeitsynchronisation zwischen den beiden Meßstationen erforderlich ist. Es ist jedoch ein Vorteil, die Meßergebnisse in der gleichen Reihenfolge zu behandeln wie die Messungen ausgeführt wurden.
Gemäß einer bestimmten Ausführung des Verfahrens wird eine sogenannte symmetrische Messung verwendet. Dies bedeutet, daß sich die Meßstationen spiegelsymmetrisch bezüglich der ursprünglichen Sichtlinie 15 bewegen. Die Berechnungsarbeit wird in diesem Fall erheblich vereinfacht, aufgrund der Tatsache, daß die Hypothesendaten nicht beeinflußt werden durch die Bewegungen der Meßstationen.
In der beschriebenen Ausführung wurde angenommen, daß zwei Meßstationen verwendet werden. Es gibt jedoch nichts, was verhindert, daß das Verfahren in Fällen angewandt wird, in denen mehrere Meßstationen verwendet werden. Durch die sich daraus ergebende erhöhte Anzahl von Messungen wird die Geschwindigkeit und Genauigkeit des Verfahrens weiter erhöht.
Auch ist es nicht notwendig, daß die Meßstationen sich in dem Ausgangsstadium in der gleichen Position befinden. Die Richtungen der Meßobjekte können dennoch ungefähr die Gleichen sein, von den Meßstationen aus betrachtet. Zum Beispiel, ohne das Verfahren in irgendeiner anderen Hinsicht zu beeinflussen, kann sich eine der Meßstationen auf oder nahe der verlängerten Sichtlinie befinden, hinter der anderen Meßstation, d.h. in einem größeren Abstand zur angenommenen Position des Meßobjektes.
Die Wahl von Ellipsen zur Beschreibung der Hypothesen schafft gewisse Vorteile während der Berechnungsarbeit. Das Verfahren kann jedoch auch verwendet werden für andere Hypothesenformen, z.B. rechteckig, rombisch, dreieckig usw.
Um die Beschreibung nicht unnötig kompliziert zu machen, wurde die Beschreibung beschränkt auf den zweidimensionalen Fall, in welchem angenommen wurde, daß sich die Meßstationen und die Meßobjekte in der gleichen Ebene befinden. Abgesehen davon, daß die zugrundeliegenden Berechnungen arbeitsaufwendiger sein werden, kann das erfindungsgemäße Verfahren auch im dreidimensionalen Fall verwendet werden. Die Gebiete der durch Ellipsen beschränkten Hypothesen werden in diesem Fall eine ellipsoide Form haben.
Ferner kann das Verfahren selbstverständlich auch auf mehr als ein Meßobjekt gleichzeitig angewendet werden. Jedes Meßobjekt wird dabei individuell behandelt durch die Tatsache, daß eine Anzahl von Hypothesen initiiert und verfolgt werden für jedes Meßobjekt. Während der fortgesetzten Messungen werden, wie oben beschrieben, die Positionen der Hypothesen verglichen mit der erwarteten Erscheinung des entsprechenden Meßobjektes, welche basieren auf die Eigenschaften der Meßobjekte betreffende Annahmen bezüglich der Geschwindigkeit, Manövrierfähigkeit usw.

Claims

Verfahren zur Bestimmung von Positionen eines Messobjekts (14) mittels einer Anzahl von Messungen von Richtungen (15, 17, 21, 25, 29, 33) zum Messobjekt (14), welche zu getrennten Zeitpunkten (a bis e) durchgeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass – für die Ausgangsmessung der Richtung (15) zum Messobjekt (14) eine Anzahl angenommener Bereiche – Hypothesen ((i – 2) – (i + 2)) – entlang der Richtung zum Messobjekt positioniert betrachtet werden, innerhalb derer das Messobjekt angenommen wird; – darauf folgende Messungen der Richtungen (17, 21, 25, 29, 33) des Messobjekts gemacht werden von mindestens zwei verschiedenen Messstationen (10, 11), welche entlang verschiedener Pfade (12, 13) zwischen den Zeitpunkten (a bis e) bewegt werden und Messungen durchführen; – in Verbindung mit den Messungen der Richtung zum Messobjekt die gemessenen Richtungen verglichen werden mit der erwarteten Position des Messobjekts, wobei diese für jede Hypothese berechnet wird mittels Annahmen betreffend die Bewegung des Messobjekts und mittels dessen, dass mögliche Differenzen zwischen Richtungen auf berechnete Positionen und gemessenen Richtungen den Berechnungen wieder zugeführt werden; und – angenommen wird, dass die am besten der erwarteten Position des entsprechenden Messobjekts entsprechende Hypothese (i) die Position des Messobjektes darstellt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hypothesen ((i – 2) – (i + 2)) Gebiete sind, die durch Ellipsen begrenzt sind.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass während der Ausgangsmessung die Hälfte der Länge der kleinen Achsen der Ellipsen gleich gewählt werden zur Messgenauigkeit, mit welcher die Richtung zum Messobjekt gemessen wird (σ_ϕ), multipliziert mit dem Abstand (R_i) zwischen den Messstationen (10, 11) und dem Mittelpunkt der entsprechenden Ellipse, und dass die Hälfte der Länge der Hauptachsen der Ellipsen (σ_Ri), wobei diese Hauptachsen angeordnet sind entlang der Richtung (15) zum Messobjekt (14), so gewählt werden, dass das Verhältnis zwischen der Länge der Hauptachsen und dem Abstand zwischen den Messstationen (10, 11) und dem Mittelpunkt der entsprechenden Ellipse konstant ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Geschwindigkeiten berechnet werden aus dem Vergleich zwischen der gemessenen Richtung und der erwarteten Position des Messobjektes, wobei die Geschwindigkeiten verglichen werden mit den höchsten und/oder niedrigsten angenommenen Geschwindigkeiten des Messobjekts.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Messungen der Richtungen zu dem Messobjekt gemacht werden von zwei Messstationen (10, 11), welche entlang von Pfaden (12, 13) auf entgegengesetzten Seiten einer der ursprünglichen Richtungen (15) zu dem Messobjekt (14), weg von dieser Richtung (15) bewegt werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Pfade (12, 13) auf entgegengesetzten Seiten einer der ursprünglichen Richtungen (15) zum Messobjekt (14) spiegelsymmetrisch angeordnet sind bezüglich dieser Richtung (15).
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Messstationen (10, 11) ursprünglich in der gleichen Position sind.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtungen zum Messobjekt von den zwei Messstationen ursprünglich im wesentlichen die Gleichen sind.