用于姿態(tài)錯誤檢測的系統(tǒng)和方法
【專利說明】用于姿態(tài)錯誤檢測的系統(tǒng)和方法
相關申請的交叉引用
[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”的美國臨時申請?zhí)?2/061,413的優(yōu)先權和權益，并且其通過引用被整體地并入本文。
【背景技術】
[0002]引出當前商用飛行器設計以消除對具有用于獲得飛行器姿態(tài)測量的三個可操作高級別(即，導航級別)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，例如微機電(MEMS)慣性傳感器。同時，存在對甚至在兩個高級別慣性測量單元中的一個不工作(例如，由于慣性傳感器故障)時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)展其中兩個剩余的工作中的慣性傳感器中的一個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。在那個情況下，當飛行人員觀察到兩個工作中的慣性傳感器正產(chǎn)生不同的滾動和/或俯仰數(shù)據(jù)時，他門需要能夠確定傳感器中的哪個正在提供準確的姿態(tài)測量，以及哪個不在。
[0003]因為上面闡明的原因，并且因為下面闡明的其它原因(在閱讀和理解說明書時，其將對于本領域的技術人員而言變得顯而易見)，在本領域中存在對用于基于集成GNSS/慣性混合濾波器殘差進行姿態(tài)錯誤檢測的替換系統(tǒng)和方法的需要。
【附圖說明】
[0004]當鑒于優(yōu)選實施例的描述和下面的附圖考慮時，本發(fā)明的實施例可以被更加容易地理解，并且其更多優(yōu)點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實施例的飛行器姿態(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實施例的傳感器監(jiān)視器所利用的導航誤差模型的圖；
[0007]圖3是進一步圖示出本公開的一個實施例的傳感器監(jiān)視器的圖；以及
[0008]圖4是圖示出本公開的一個實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，而是被繪制成強調(diào)與本發(fā)明相關的特征。貫穿整個附圖和文本，參考字符表示相似的元件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的實施例提供了用于提供姿態(tài)錯誤檢測的系統(tǒng)和方法，并且將通過閱讀和學習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行姿態(tài)錯誤檢測的系統(tǒng)和方法。在一個實施例中，用于飛行器姿態(tài)測量系統(tǒng)的錯誤檢測系統(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航誤差模型，所述導航誤差模型被配置成模擬多個誤差狀態(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-估計器，其被配置成基于GNSS數(shù)據(jù)傳播和更新來自導航誤差模型的多個誤差狀態(tài)；以及殘差評估器，其被配置成輸入由傳播器-估計器生成的測量誤差殘留值，其中當測量誤差殘留值超過預定統(tǒng)計閾值時，殘差評估器輸出警報信號。
【具體實施方式】
[0012]在下面的詳細描述中，參考形成其一部分的附圖，并且其中通過本發(fā)明可以在其中實施的特定說明性實施例示出。這些實施例被充分詳細地描述以使得本領域技術人員能夠?qū)嵤┍景l(fā)明，并且應當理解的是，可以利用其它實施例并且可以在不脫離本發(fā)明范圍的情況下進行邏輯的、機械的和電氣的改變。因此，下面的詳細描述不應以限制性的意義進行。
[0013]本文所描述的提議的實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)輸出中何時存在俯仰或滾動誤差?；旌徒饣蚧旌?hybrid)解通過實施卡爾曼濾波器或稱為混合濾波器的卡爾曼濾波器等價傳播器-估計器來獲得?；旌蠟V波器函數(shù)間接檢查輸出導航參數(shù)(例如滾動和俯仰)的一致性。這通過基于預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現(xiàn)。使用本公開的實施例，利用這個類型的殘差篩選(screening)來檢測在慣性系統(tǒng)輸出中的錯誤。在一些實施例中，在5-10度范圍內(nèi)的滾動和俯仰角度引起在滾動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誤差檢測器。沖突表現(xiàn)為混合傳播器-估計器測量殘差中的系統(tǒng)偏移，以便它們達到超過測量參數(shù)的不確定性的水平。閾值可以被應用到殘差以便超過預定水平的姿態(tài)誤差觸發(fā)警報。例如，在一個實施例中，評估來自慣性測量單元的殘差的部件可以確定對于導航設備而言，是滾動離開(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兩者都離開。此外，當兩個獨立的慣性測量單元開始輸出不同的姿態(tài)解時，提議的實施例能夠為可用慣性傳感器單元中的每個查看殘差水平，并且指示哪個系統(tǒng)正在生成錯誤的姿態(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，飛行器俯仰和滾動測量)的航空電子系統(tǒng)100的圖。系統(tǒng)包括三個慣性測量單元110、120和130。在圖1中所示的特定實施例中，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慣性傳感器來實現(xiàn)。然而，系統(tǒng)100不需要被限制到此特定配置。在其它實施例中，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。進一步地，在替代實施例中，系統(tǒng)100可以包括多于、或少于三個慣性測量單元。該三個慣性測量單元110、120和130每個將數(shù)據(jù)輸出至一個或多個座艙姿態(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，使用本公開的實施例，慣性測量單元110、120和130中的每個具有相關聯(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)何時有疑問或失敗。此確定由每個相應的傳感器監(jiān)視器基于來自混合濾波器(最優(yōu)的或次優(yōu)的傳播器-估計器)的殘差進行，其輸入來自它的相關聯(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)星導航信號導出。在一個實施例中，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)星導航信號中導出的GNSS數(shù)據(jù)可以是偽距(其是測量的到與接收器中的時鐘偏移相結合的衛(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)生錯誤時生成在儀表狀態(tài)顯示器150上顯示的警報。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在外部地實現(xiàn)。例如，在一個實施例中，傳感器監(jiān)視器115、125和135可以被實現(xiàn)在負責座艙姿態(tài)顯示器140，或者負責儀表狀態(tài)顯示器150的航空電子設備內(nèi)。在其它實施例中，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中的一個中的混合濾波器所利用的導航誤差模型狀態(tài)200的圖，其被用于以數(shù)學方式模擬與姿態(tài)確定相關的導航誤差(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“時鐘誤差”表示GNSS接收器160的時鐘的誤差，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是進一步圖示出可以被用來實現(xiàn)圖1中所示的傳感器監(jiān)視器115、