用于姿態(tài)錯(cuò)誤檢測的系統(tǒng)和方法
【專利說明】用于姿態(tài)錯(cuò)誤檢測的系統(tǒng)和方法
相關(guān)申請的交叉引用
[0001 ]本申請要求2014年10月8 日提交的、題為 “SYSTEMS AND METHODS FOR ATTITUDEFAULT DETECT1N BASED ON INTEGRATED GNSS/INERTIAL HYBRID FILTER RESIDUALS”的美國臨時(shí)申請?zhí)?2/061,413的優(yōu)先權(quán)和權(quán)益，并且其通過引用被整體地并入本文。
【背景技術(shù)】
[0002]引出當(dāng)前商用飛行器設(shè)計(jì)以消除對具有用于獲得飛行器姿態(tài)測量的三個(gè)可操作高級別(即，導(dǎo)航級別)飛行數(shù)據(jù)慣性測量單元的需要。期望具有僅包括兩個(gè)高級別慣性測量單元的飛行器，并具有可以是低級別慣性傳感器的第三單元，例如微機(jī)電(MEMS)慣性傳感器。同時(shí)，存在對甚至在兩個(gè)高級別慣性測量單元中的一個(gè)不工作(例如，由于慣性傳感器故障)時(shí)也保持飛行器起飛的能力的期望。具有用于姿態(tài)測量的兩個(gè)可靠源的飛行器的起飛和操作本身是沒問題的，但是可能發(fā)展其中兩個(gè)剩余的工作中的慣性傳感器中的一個(gè)在飛行期間降級并且開始輸出包括某些級別的偏移誤差的姿態(tài)數(shù)據(jù)的情形。在那個(gè)情況下，當(dāng)飛行人員觀察到兩個(gè)工作中的慣性傳感器正產(chǎn)生不同的滾動(dòng)和/或俯仰數(shù)據(jù)時(shí)，他門需要能夠確定傳感器中的哪個(gè)正在提供準(zhǔn)確的姿態(tài)測量，以及哪個(gè)不在。
[0003]因?yàn)樯厦骊U明的原因，并且因?yàn)橄旅骊U明的其它原因(在閱讀和理解說明書時(shí)，其將對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言變得顯而易見)，在本領(lǐng)域中存在對用于基于集成GNSS/慣性混合濾波器殘差進(jìn)行姿態(tài)錯(cuò)誤檢測的替換系統(tǒng)和方法的需要。
【附圖說明】
[0004]當(dāng)鑒于優(yōu)選實(shí)施例的描述和下面的附圖考慮時(shí)，本發(fā)明的實(shí)施例可以被更加容易地理解，并且其更多優(yōu)點(diǎn)和使用更加容易地顯而易見，其中:
[0005]圖1是圖示出用于提供本公開的一個(gè)實(shí)施例的飛行器姿態(tài)測量的航空電子系統(tǒng)的圖；
[0006]圖2是圖示出由本公開的一個(gè)實(shí)施例的傳感器監(jiān)視器所利用的導(dǎo)航誤差模型的圖；
[0007]圖3是進(jìn)一步圖示出本公開的一個(gè)實(shí)施例的傳感器監(jiān)視器的圖；以及
[0008]圖4是圖示出本公開的一個(gè)實(shí)施例的方法的流程圖。
[0009]根據(jù)慣例，各種所描述的特征并非按比例繪制，而是被繪制成強(qiáng)調(diào)與本發(fā)明相關(guān)的特征。貫穿整個(gè)附圖和文本，參考字符表示相似的元件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的實(shí)施例提供了用于提供姿態(tài)錯(cuò)誤檢測的系統(tǒng)和方法，并且將通過閱讀和學(xué)習(xí)下面的說明書被理解。
[0011]提供了用于基于集成GNSS/慣性混合濾波器殘差進(jìn)行姿態(tài)錯(cuò)誤檢測的系統(tǒng)和方法。在一個(gè)實(shí)施例中，用于飛行器姿態(tài)測量系統(tǒng)的錯(cuò)誤檢測系統(tǒng)包括:耦合到飛行器姿態(tài)測量系統(tǒng)的第一慣性測量單元的傳感器監(jiān)視器，所述傳感器監(jiān)視器包括:用于第一慣性測量單元的導(dǎo)航誤差模型，所述導(dǎo)航誤差模型被配置成模擬多個(gè)誤差狀態(tài)，所述誤差狀態(tài)至少包括根據(jù)由第一慣性測量單元生成的數(shù)據(jù)確定的姿態(tài)誤差狀態(tài)矢量、速度誤差狀態(tài)矢量、和位置誤差狀態(tài)矢量；以及傳播器-估計(jì)器，其被配置成基于GNSS數(shù)據(jù)傳播和更新來自導(dǎo)航誤差模型的多個(gè)誤差狀態(tài)；以及殘差評估器，其被配置成輸入由傳播器-估計(jì)器生成的測量誤差殘留值，其中當(dāng)測量誤差殘留值超過預(yù)定統(tǒng)計(jì)閾值時(shí)，殘差評估器輸出警報(bào)信號。
【具體實(shí)施方式】
[0012]在下面的詳細(xì)描述中，參考形成其一部分的附圖，并且其中通過本發(fā)明可以在其中實(shí)施的特定說明性實(shí)施例示出。這些實(shí)施例被充分詳細(xì)地描述以使得本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍景l(fā)明，并且應(yīng)當(dāng)理解的是，可以利用其它實(shí)施例并且可以在不脫離本發(fā)明范圍的情況下進(jìn)行邏輯的、機(jī)械的和電氣的改變。因此，下面的詳細(xì)描述不應(yīng)以限制性的意義進(jìn)行。
[0013]本文所描述的提議的實(shí)施例確定在提供純慣性和GNSS/慣性混和(blended)兩者的解(solut1n)的慣性測量單元的姿態(tài)輸出中何時(shí)存在俯仰或滾動(dòng)誤差?；旌徒饣蚧旌?hybrid)解通過實(shí)施卡爾曼濾波器或稱為混合濾波器的卡爾曼濾波器等價(jià)傳播器-估計(jì)器來獲得。混合濾波器函數(shù)間接檢查輸出導(dǎo)航參數(shù)(例如滾動(dòng)和俯仰)的一致性。這通過基于預(yù)期噪聲水平針對所有使用的GNSS測量對比閾值集合來不斷地評估濾波器殘差而被實(shí)現(xiàn)。使用本公開的實(shí)施例，利用這個(gè)類型的殘差篩選(screening)來檢測在慣性系統(tǒng)輸出中的錯(cuò)誤。在一些實(shí)施例中，在5-10度范圍內(nèi)的滾動(dòng)和俯仰角度引起在滾動(dòng)或俯仰超過允許的范圍之前，這些殘差測試超過它們的閾值，這意味著相似的(但不相等的)方案也可以被用作俯仰和滾動(dòng)誤差檢測器。沖突表現(xiàn)為混合傳播器-估計(jì)器測量殘差中的系統(tǒng)偏移，以便它們達(dá)到超過測量參數(shù)的不確定性的水平。閾值可以被應(yīng)用到殘差以便超過預(yù)定水平的姿態(tài)誤差觸發(fā)警報(bào)。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，評估來自慣性測量單元的殘差的部件可以確定對于導(dǎo)航設(shè)備而言，是滾動(dòng)離開(例如，超過10度)，還是俯仰離開(例如，超過5度)，或者是否俯仰和滾動(dòng)兩者都離開。此外，當(dāng)兩個(gè)獨(dú)立的慣性測量單元開始輸出不同的姿態(tài)解時(shí)，提議的實(shí)施例能夠?yàn)榭捎脩T性傳感器單元中的每個(gè)查看殘差水平，并且指示哪個(gè)系統(tǒng)正在生成錯(cuò)誤的姿態(tài)解。
[0014]圖1是圖示出用于向飛行器的飛行人員提供飛行器姿態(tài)測量(S卩，飛行器俯仰和滾動(dòng)測量)的航空電子系統(tǒng)100的圖。系統(tǒng)包括三個(gè)慣性測量單元110、120和130。在圖1中所示的特定實(shí)施例中，系統(tǒng)100包括第一高級別慣性測量單元(110)和第二高級別慣性測量單元(120)，并進(jìn)一步包括低級別慣性測量單元(130)，其可以例如使用MEMS慣性傳感器來實(shí)現(xiàn)。然而，系統(tǒng)100不需要被限制到此特定配置。在其它實(shí)施例中，慣性測量單元可以是全部高級別的、全部低級別的、全部不同級別的，或者其任何組合。進(jìn)一步地，在替代實(shí)施例中，系統(tǒng)100可以包括多于、或少于三個(gè)慣性測量單元。該三個(gè)慣性測量單元110、120和130每個(gè)將數(shù)據(jù)輸出至一個(gè)或多個(gè)座艙姿態(tài)顯示器140，其向飛行人員提供飛行器姿態(tài)測量信息。
[0015]如圖1中所示，使用本公開的實(shí)施例，慣性測量單元110、120和130中的每個(gè)具有相關(guān)聯(lián)的傳感器監(jiān)視器(在115、125和135處示出)，其識別來自它的慣性傳感器的姿態(tài)數(shù)據(jù)何時(shí)有疑問或失敗。此確定由每個(gè)相應(yīng)的傳感器監(jiān)視器基于來自混合濾波器(最優(yōu)的或次優(yōu)的傳播器-估計(jì)器)的殘差進(jìn)行，其輸入來自它的相關(guān)聯(lián)慣性測量單元的慣性數(shù)據(jù)和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)數(shù)據(jù)。GNSS數(shù)據(jù)可以例如從由飛行器的GNSS接收器160接收的衛(wèi)星導(dǎo)航信號導(dǎo)出。在一個(gè)實(shí)施例中，GNSS接收器160包括全球定位系統(tǒng)(GPS)接收器。慣性數(shù)據(jù)包括姿態(tài)、速度和位置數(shù)據(jù)以及加速度和角速率。從衛(wèi)星導(dǎo)航信號中導(dǎo)出的GNSS數(shù)據(jù)可以是偽距(其是測量的到與接收器中的時(shí)鐘偏移相結(jié)合的衛(wèi)星的距離(乘以光的速度))、基于GNSS的位置數(shù)據(jù)、或者基于GNSS的速度數(shù)據(jù)。
[0016]使用來自傳感器監(jiān)視器115、125和135的輸出，殘差評估器145在它確定已經(jīng)發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)生成在儀表狀態(tài)顯示器150上顯示的警報(bào)。傳感器監(jiān)視器115、125和135可以集成到如圖1中所示的慣性測量單元110、120和130。替代地，在其它實(shí)施例中，傳感器監(jiān)視器115、125和135可以從慣性測量單元110、120和130在外部地實(shí)現(xiàn)。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，傳感器監(jiān)視器115、125和135可以被實(shí)現(xiàn)在負(fù)責(zé)座艙姿態(tài)顯示器140，或者負(fù)責(zé)儀表狀態(tài)顯示器150的航空電子設(shè)備內(nèi)。在其它實(shí)施例中，傳感器監(jiān)視器115、125和135可以與殘差評估器145—起被集成到共同的航空電子部件中。
[0017]圖2是圖示出由傳感器監(jiān)視器115、125或135中的一個(gè)中的混合濾波器所利用的導(dǎo)航誤差模型狀態(tài)200的圖，其被用于以數(shù)學(xué)方式模擬與姿態(tài)確定相關(guān)的導(dǎo)航誤差(在210處示出)。如圖2中所示，姿態(tài)的誤差由第一誤差狀態(tài)矢量“姿態(tài)誤差”模擬。姿態(tài)誤差包括俯仰和滾動(dòng)誤差分量兩者。第二誤差狀態(tài)矢量“速度誤差”表示由慣性導(dǎo)航數(shù)據(jù)提供的速度的誤差。被稱為“位置誤差”的第三誤差狀態(tài)矢量表示由慣性導(dǎo)航數(shù)據(jù)所提供的位置的誤差，例如經(jīng)度、瑋度和海拔誤差。第四誤差狀態(tài)矢量“時(shí)鐘誤差”表示GNSS接收器160的時(shí)鐘的誤差，并且被對于處理偽距所需。在混合濾波器中可以存在另外的狀態(tài)，例如傳感器偏移誤差、比例因子誤差等。
[0018]圖3是進(jìn)一步圖示出可以被用來實(shí)現(xiàn)圖1中所示的傳感器監(jiān)視器115、