DE19824904A1

DE19824904A1 - Autonome Bestimmung von Meßfehlern inertialer Sensoren und Meßsysteme

Info

Publication number: DE19824904A1
Application number: DE19824904A
Authority: DE
Inventors: K Wolfgang Dipl Ing Kohl
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-06-04
Filing date: 1998-06-04
Publication date: 1998-11-19

Description

Die Anwendungsmöglichkeiten von inertialen Meßsystemen werden von der Meßgenauigkeit ihrer Inertialsensoren (Kreisel und Beschleunigungsmesser) begrenzt. Zur Einhaltung oder Steigerung der Meßgenauigkeit werden die Inertialsensoren und -systeme vor der Ausliefe rung und zu bestimmten Wartungsterminen in speziellen Testvorrichtungen kalibriert. Doch diejenigen Parameter der Sensorkennlinie, die sich beim Einschalten und im Betrieb stocha stisch verändern, können nicht im voraus kalibriert werden und führen zu entsprechenden Meßfehlern. Eine Bestimmung dieser Meßfehler ist bisher im autonomen Inertialbetrieb nicht möglich, auch nicht mit redundanten Inertialmessungen wie z. B. mit zwei zweiachsi gen Kreiseln in einem Inertialsystem oder mit zwei- oder dreifach an Bord installierten Iner tialsystemen. Lediglich wenn geeignete externe Stützreferenzen zu Vergleichsmessungen zur Verfügung stehen, läßt sich mit begrenzter Genauigkeit ein Teil dieser Meßfehler mit Hilfe komplizierter Schätzalgorithmen wie z. B. Kalmanfilter schätzen und korrigieren. Die Gren ze der erreichbaren Systemgenauigkeit und der davon abhängigen Einsatzmöglichkeiten wird daher weitgehend von den nicht a priori kalibrierbaren stochastisch veränderlichen Fehler komponenten gebildet. Darüber hinausgehende Genauigkeitsansprüche, vor allem in auto nomen Langzeiteinsätzen, können - wenn überhaupt - nur durch Sensoren mit entsprechend höherer Langzeitstabilität erfüllt werden.

Der im Patentanspruch angegebenen Erfindung liegt das Problem von Inertialmeßsystemen zugrunde die aktuellen Meßfehler der Inertialsensoren während des Betriebes zu erkennen und zu korrigieren, vor allem auch im ungestützt inertialen Betrieb, wenn keine externen Stützreferenzen zur Verfügung stehen.

Dieses Problem wird durch die im Patentanspruch aufgeführte Autonome Bestimmung von Meßfehlern inertialer Sensoren und Meßsysteme gelöst, indem redundante Inertialsensoren drehbar angebracht oder mit drehbaren Meßachsen ausgeführt sind und nacheinander redun dante Messungen mit in unterschiedliche Richtungen gedrehten Meßachsen durchführen.

Das Grundprinzip der Erfindung beruht darauf, daß die Inertialsensoren (Kreisel bzw. Be schleunigungsmesser) immer nur die in Richtung der Meßachsen weisenden Komponenten der vektoriellen inertialen Meßgrößen (Drehbewegung bzw. Beschleunigung) messen. Die Meßfehler der Sensoren zeigen sich als in Richtung der Meßachsen weisende Vektoren. Wird die Richtung einer Meßachse gedreht, so dreht sich damit auch die Richtung des ent sprechenden Meßfehlers. Durch die geschickte Drehung einer Sensormeßachse lassen sich aus den redundanten Messungen zweier Inertialsensoren deren Meßfehler bestimmen, wie folgendes einfaches Beispiel zeigt.

Messen zur gleichen Zeit t1 zwei Sensoren die in die Systemrichtung 0° weisende Kompo nente × einer inertialen Meßgröße, ergeben sich zwei redundante Messungen:
Meßwert_1(t1) = x(t1) + Sensorfehler_1
Meßwert_2(t1) = x(t1) + Sensorfehler_2.

Wird die Meßachse von Sensor_2 in Richtung 180° gedreht, so dreht sich der - zur Verein fachung als konstant angenommene - Sensorfehler_2 ebenfalls in die neue Richtung der Meßachse_2. Weiterhin in Systemrichtung 0° gerechnet, ergeben sich die Messungen zur Zeit t2:
Meßwert_1(t2) = x(t2) +Sensorfehler_1
Meßwert_2(t2) = x(t2) - Sensorfehler_2
Aus den vier Messungen ergeben sich:
DiffMess(t1) = Meßwert_1(t1) - Meßwert_2(t1)
= Sensorfehler_1 - Sensorfehler_2
DiffMess(t2) = Meßwert_1(t2) - Meßwert_2(t2)
= Sensorfehler_1 + Sensorfehler_2
Die einzelnen Sensorfehler bestimmen sich zu:
Sensorfehler_1 = (DiffMess(t1) + DiffMess(t2))/2
Sensorfehler_2 = (DiffMess(t2) - DiffMess(t1))/2.

Enthalten obige als konstant angenommene Sensorfehler noch zusätzliche, nicht vernachlässig bare Fehlerkomponenten wie z. B. kurzzeitig variable Zufallsfehler (Rauschen), Ausricht fehler gegenüber Systemachse 0° und Skalierungsfehler der Sensoren, könnten weitere Achsdrehungen und zusätzliche Filteralgorithmen notwendig werden.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, daß mit Inertialsensoren gleicher Genauigkeit die Systemgenauigkeit - vor allem im autonomen ungestützt inertialen Betrieb - wesentlich gesteigert werden kann und/oder daß gleiche Genauigkeitsanforderungen mit weniger aufwendigen Sensoren und Wartungsauflagen erfüllt werden können. Diese Genau igkeitssteigerungen und/oder Kosteneinsparungen stellen einen großen Wettbewerbsvorteil dar und schaffen zusätzliche Anwendungsmöglichkeiten für die Inertialmeßtechnik.

Die Erfindung läßt verschiedene Formen sowohl der Redundanz und als auch der Richtungs änderung der Inertialmessungen zu.

Die Redundanz kann aus ein-, zwei- oder dreidimensional redundanten Messungen der Kreisel und/oder Beschleunigungsmesser bestehen. Es kann eine systeminterne Redundanz mit redundanten Sensoren innerhalb eines Inertialsystems sein oder es kann eine system externe Redundanz sein, indem außerhalb des Inertialsystems angeordnete redundante Sen soren oder ein zweites Inertialsystem redundante Messungen liefern.

Die Richtungsänderung der Meßachsen der Inertialsensoren kann auf verschiedene Arten durchgeführt werden, z. B. Drehung einzelner oder mehrerer Sensoren, diskontinierliche Drehung in diskrete 90°- oder 180°-Positionen, kontinuierliche Drehung, Drehung mit oder ohne Messung der Winkellage, Drehung des Sensorgehäuses oder sensorinterne Drehung der Meßachsen, usw.

Ausführungsbeispiel 1

Inertialsystem mit einem zusätzlichen (redundanten) einachsigen Sensor, dessen Meßachse nacheinander in die positive und negative Richtung der Sensormeßachsen gedreht wird.

Ausführungsbeispiel 2

Inertialsystem mit 2 zweiachsigen Kreiseln, eine schon bisher gebräuchliche Sensorkon stellation, deren einachsige Redundanz durch Richtungswechsel der Meßachsen entspre chend der Erfindung zur Erkennung der Meßfehler ausgenutzt wird.

Ausführungsbeispiel 3

Anbord-Installation von zwei über einen gemeinsamen Rechner integrierten Inertialsystemen (Dual-Installation), eine schon bisher - besonders in der Luftfahrt - gebräuchliche System integration, deren dreidimensionale Redundanz durch Systemdrehungen entsprechend der Erfindung zur Erkennung der Meßfehler ausgenutzt wird zur laufenden Betriebsüberwachung und Sensorkalibration.

Ausführungsbeispiel 4

Stationäre Kalibrationsvorrichtung mit Inertialsensor(en) und Drehvorrichtung, mit der das Inertialsystem und/oder der (die) externe(n) Inertialsensor(en) entsprechend der Erfindung gedreht werden, um vor dem Einsatz die während des Betriebes konstanten Einschalt-Nicht wiederholbarkeiten des Inertialsystems zu kalibrieren.

Ausführungsbeispiel 5

Die redundanten Sensoren bzw. Meßachsen werden besonderen z. B. oszillatorischen Drehbe wegungen unterworfen, um mittels darauf abgestimmter Filteralgorithmen spezifische Antei le der Meßfehler herauszufiltern.

Claims

Autonome Bestimmung von Meßfehlern inertialer Sensoren und Meßsysteme, gekennzeichnet dadurch, daß redundante Inertialsensoren drehbar angebracht oder mit drehbaren Meßachsen ausge führt sind und nacheinander redundante Messungen mit in unterschiedliche Richtungen ge drehten Meßachsen durchführen.