Navegación relativa a plataforma utilizando mediciones de rango.

Método para navegación relativa a plataforma utilizando mediciones de rango,

en el que

- cuatro o más transmisores (T1-T4) de señales de posicionamiento están localizados sobre y/o cerca de una plataforma de un primer objeto y

- un segundo objeto que se aproxima a la plataforma comprende tres o más receptores (A1-A3) para recibir las señales de posicionamiento, y

en el que el método comprende las etapas siguientes:

- realizar para cada señal de posicionamiento recibida una medición de rango entre el transmisor de la señal de posicionamiento y el receptor de la señal de posicionamiento, y

- estimar la posición relativa y la ubicación relativa de un bastidor de cuerpo de un segundo objeto con respecto al primer objeto directamente mediante el procesamiento de las mediciones de rango con un algoritmo de estimación del espacio de estado, que implementa un modelo del sistema del primero y del segundo objetos, en el que el procesamiento de las mediciones de rango se realiza con una matriz de coseno de dirección que se transforma desde el bastidor de cuerpo del segundo objeto en el bastidor de cuerpo del primer objeto, en el que esta matriz de cosenos de dirección está relacionada con una matriz de cosenos de dirección supuesta a través de los errores de la ubicación relativa.

Navegación relativa a plataforma utilizando mediciones de rango Campo técnico

La invención se refiere a un método para la navegación relativa a plataforma utilizando mediciones de rango de acuerdo con la reivindicación 1.

Antecedentes

Para muchas aplicaciones, deben conocerse la posición y la ubicación relativas entre dos plataformas. Estas aplicaciones incluyen el aterrizaje automático de un vehículo aéreo no tripulado (UAV) sobre una plataforma fija o móvil como un buque, asistencia al piloto para el aterrizaje, asistencia para el atraque de un buque y muchas más. Además, es deseable que esta información esté disponible también en entornos denegados GNSS (Sistema Global de Navegación por Satélite). Para mayor simplicidad, una de las plataformas implicadas se designa a continuación como buque, la otra plataforma como UAV.

Por ejemplo, el documento FR 2 836 554 A describe un sistema de aterrizaje para UAVs con transmisores bordo de un UAV y receptores para señales desde los transmisores localizados sobre la plataforma de aterrizaje para el UAV sobre un buque. Alternativamente, los transmisores pueden estar localizados sobre el buque y el UAV puede comprender receptores para señales transmitidas por los transmisores desde el buque. Los retrasos de las señales transmitidas se utilizan para calcular la posición del UAV con relación al buque.

Un sistema de navegación que es capaz de proporcionar la información requerida de la posición y de la ubicación relativas consta de cuatro o más transpondedores a bordo del buque y tres o más antenas a bordo del UAV. Las antenas transmiten señales de interrogación que son contestadas por los transpondedores. Luego, estas respuestas son recibidas por las antenas. Se mide el tiempo entre la transmisión de una señal de interrogación y la recepción de una respuesta, que permite calcular el rango entre la antena y el transpondedor de respuesta.

También se puede medir la desviación Doppler de la señal recibida, que se puede convertir en una medición de la velocidad relativa entre la antena y el transpondedor. Un sistema para seguimiento de objetivos móviles como aviones, que utiliza mediciones de la desviación Doppler para calcular la velocidad radial de un objetivo desde una estación, se describe en el documento US 3.706.096 A.

Además, en lugar de utilizar transpondedores a borde del buque, se pueden utilizar también pseudolitos sincronizados. Estos pseudolitos transmiten señales similares a señales GNSS que son recibidas con las antenas a bordo del UAV. En tal escenario, el UAV no tiene que transmitir señales, sino que las mediciones de rango son desviadas por la desviación del reloj del receptor, y las mediciones Doppler son desviadas por el error de frecuencia del reloj del receptor.

Un sistema de navegación relativa como se ha descrito anteriormente se describe en la publicación "Stand-Alone Ship-Relative Navigation System Based on Pseudolite Technology"; Aulitzky, C.; Heinzinger, O.; Bestmann, U.; Hecker, P.;" AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference, 10 -13 Agosto 2009, Chicago, Illinois, USA. En el método presentado en este Artículo, la posición relativa de cada antena con relación al bastidor del cuerpo del buque se estima utilizando un método de mínimos cuadrados no lineales y se aplican limitaciones para considerar la geometría relativa entre estas antenas. Luego, se calcula la ubicación relativa a parir de las posiciones relativas de las antenas. Esta solución tiene varios inconvenientes:

El número de incógnitas que deben estimarse crece con el número de antenas.

No se pueden considerar mediciones Doppler.

Las mediciones de rango realizadas desde todas las antenas hasta todos los transpondedores / pseudolitos deben ser válidas en el mismo instante, en otro caso se introducen errores sistemáticos. En otras palabras, no es posible realizar secuencialmente mediciones, es decir, medir rangos entre la primera antena y los transpondedores / pseudolitos, luego medir rangos con la segunda antena y después de eso medir rangos con la tercera antena. Tal método proporciona mediciones de rango con un tiempo de validez diferente para cada antena. Un inconveniente grave es que el método descrito en el Artículo referenciado anteriormente introduce errores sistemáticos en tal escenario, debido a que muchos sistema de medición de rango de comercio operan exactamente de esa manera.

Las mediciones de sensores adicionales como una unidad de medición inercial (IMU) y un radar o altímetro láser no se pueden considerar fácilmente, lo que es también un inconveniente grave.

Sumario de la invención

Por lo tanto, un objeto de la invención es proporcionar un método para navegación relativa a plataforma utilizando mediciones de rango, que es capaz de solucionar al menos una parte de los inconvenientes mencionados anteriormente del sistema de navegación relativa a plataforma conocido.

El objeto se consigue por el asunto de las reivindicaciones independientes. Otras formas de realización se muestran por las reivindicaciones dependientes.

La idea principal de la invención es estimar la posición relativa y la ubicación relativa del bastidor de cuerpo de UAV con respecto al buque directamente en lugar de estimar las posiciones relativas de las antenas de un UAV (segundo objeto) con respecto a un buque (primer objeto), como se describe en la publicación "Stand-Alone Ship-Relative Navigation System Based on Pseudolite Technology"; Aulitzky, C.; Heinzinger, O.; Bestmann, U.; Hecker, P.;" AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference, 10-13 Agosto 2009, Chicago, Illinois, USA. Esto se puede realizar con un algoritmo de estimación de espacio de estado, tal como un filtro de Kalman, un filtro Sigma-Point u otros filtros, o bien en formulaciones de un espacio de estado total o de un espacio de estado de error. El método inventivo ofrece las siguientes ventajas: el número de incógnitas a estimar no crece con el número de antenas. Se pueden considerar mediciones Doppler; las mediciones de rango realizadas desde todas las antenas para todos los transpondedores / pseudolitos pueden ser válidas en cualquier instante, siempre que se conozcan, no se requiere que todas las antenas realicen mediciones sincronizadas, lo que facilita el uso de sistemas de medición a distancia del comercio, las mediciones de sensores adicionales como IMU, y radar o altímetro láser se pueden considerar fácilmente.

Una forma de realización de la invención se refiere a un método para navegación relativa a plataforma utilizando mediciones de rango de acuerdo con la reivindicación independiente 1.

La estimación de la posición relativa y de la ubicación relativa de un bastidor de cuerpo del segundo objeto con relación al primer objeto puede comprender, además, procesar mediciones de uno o más sensores adicionales, particularmente un radar o altímetro láser.

El algoritmo de estimación de espacio de estado puede ser un filtro de Kalman, un filtro Sigma-Point u otro filtro que permita realizar una estimación de espacio de estado o bien en una formulación de espacio de estado total o en una formulación de espacio de estado de error.

El algoritmo de estimación de espacio de estado puede comprender una formulación de espacio de estado de error y ejecuta las siguientes etapas iterativas

asumir una posición relativa y una ubicación relativa del segundo objeto a partir de las mediciones de rango,

estimar errores en la posición relativa y en la ubicación relativa asumidas del segundo objeto, y

corregir la posición relativa y la ubicación relativa asumidas del segundo objeto sobre la base de los errores estimados.

El algoritmo de estimación de espacio de estado puede implementar la siguiente ecuación diferencial del sistema para estimar errores en una posición relativa y en una ubicación relativa asumidas del segundo objeto:

\l/

en la que 5xs designa errores en la posición relativa, designa errores en la ubicación relativa, n© y nx forman un vector de ruido del sistema.

Una ubicación relativa asumida del segundo objeto se puede propagar en una etapa de predicción del filtro del algoritmo de estimación de espacio de estado utilizando mediciones de sensores adicionales, particularmente una unidad de medición inercial.

El algoritmo... [Seguir leyendo]

1Método para navegación relativa a plataforma utilizando mediciones de rango, en el que

cuatro o más transmisores (T1-T4) de señales de posicionamiento están localizados sobre y/o cerca de una plataforma de un primer objeto y

un segundo objeto que se aproxima a la plataforma comprende tres o más receptores (A1-A3) para recibir las señales de posicionamiento, y

en el que el método comprende las etapas siguientes:

realizar para cada señal de posicionamiento recibida una medición de rango entre el transmisor de la señal de posicionamiento y el receptor de la señal de posicionamiento, y

estimar la posición relativa y la ubicación relativa de un bastidor de cuerpo de un segundo objeto con respecto al primer objeto directamente mediante el procesamiento de las mediciones de rango con un algoritmo de estimación del espacio de estado, que implementa un modelo del sistema del primero y del segundo objetos, en el que el procesamiento de las mediciones de rango se realiza con una matriz de coseno de dirección que se transforma desde el bastidor de cuerpo del segundo objeto en el bastidor de cuerpo del primer objeto, en el que esta matriz de cosenos de dirección está relacionada con una matriz de cosenos de dirección supuesta a través de los errores de la ubicación relativa.

2.- El método de la reivindicación 1, en el que la estimación de la posición relativa y de la ubicación relativa de un bastidor de cuerpo del segundo objeto con respecto al primer objeto comprende, además, procesar mediciones de uno o más sensores adicionales, particularmente un radar o un láser de altímetro.

3.- El método de la reivindicación 1 ó 2, en el que el algoritmo de estimación de espacio de estado es un filtro de Kalman, un filtro Sigma-Point u otro filtro que permite realizar la estimación de espacio de estado o bien en una formulación de espacio de estado total o en una formulación de espacio de estado de error.

4.- El método de la reivindicación 3, en el que el algoritmo de estimación de espacio de estado comprende una formulación de espacio de estado de error y ejecuta las siguientes etapas iterativas

asumir una posición relativa y una ubicación relativa del segundo objeto a partir de las mediciones de rango,

estimar errores en la posición relativa y en la ubicación relativa asumidas del segundo objeto, y

corregir la posición relativa y la ubicación relativa asumidas del segundo objeto sobre la base de los errores estimados.

5.- El método de la reivindicación 4, en el que el algoritmo de estimación de espacio de estado implementa la siguiente ecuación diferencial del sistema para estimar errores en una posición relativa y en una ubicación relativa asumidas del segundo objeto:

r&*'*

V

o o

0 ojl

+

,0

\/

n

s V|/

en la que 8x designa errores en la posición relativa, T 5 designa errores en la ubicación relativa, n© y nx forman un vector de ruido del sistema.

6.- El método de una cualquiera de las reivindicaciones 2, 3, 4 ó 5, en el que una ubicación relativa asumida del segundo objeto se propaga en una etapa de predicción del filtro del algoritmo de estimación de espacio de estado utilizando mediciones de sensores adicionales, particularmente una unidad de medición inercial.

7.- El método de la reivindicación 2, 3, 4, 5 ó 6, en el que el algoritmo de estimación de espacio de estado modela una medición de rango P¡j entre el transmisor j y el receptor i como sigue:

Pij = Vfc.- rT,j J fo.- rT.j ) +

r

en la que T>J designa la posición del transmisor j, nPij designa el ruido de la medición de rango, y en el que la

TS

posición del receptor i A>` se da por

rs =rs +Csr

rA,i lOb ^

rs i*

en la que °» designa la posición del origen Ob del bastidor de cuerpo del segundo objeto, < designa un brazo de palanca desde el origen Ob del bastidor de cuerpo del segundo objeto con relación al receptor i, y designa una matriz de cosenos de dirección que se transforma desde el bastidor de cuerpo del segundo objeto en el bastidor de cuerpo del primer objeto, en el que esta matriz de cosenos de dirección está relacionada con una matriz de cosenos de dirección asumida a través de los errores de ubicación relativa.

8.- El método de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el modelo del sistema implementado por el algoritmo de estimación de espacio de estado es aumentado con estados relativos de errores de velocidad y el método comprende, además, las etapas siguientes:

realizar con cada señal de posicionamiento recibida una medición Doppler, y

estimar la velocidad relativa del bastidor de cuerpo del segundo objeto con respecto al primer objeto procesando las mediciones Doppler con el algoritmo de estimación de espacio de estado aumentado

9.- Un programa de ordenador que implementa un método de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8.

10.- Un soporte de registro que almacena un programa de ordenador de acuerdo con la reivindicación 9.

11.- Un ordenador que está configurado por un programa de ordenador de la reivindicación 9 para navegación relativa a plataforma.

12.- Un dispositivo (10) para navegación relativa a plataforma que comprende:

una unidad de medición de rango (12) para la ejecución, para una señal de posicionamiento recibida, de una medición de rango entre un transmisor (T1-T4) de las señales de posicionamiento localizado sobre y/o cerca de una plataforma de un primer objeto y un receptor (A1-A3) de un segundo objeto que se aproxima a la plataforma, con el que se recibe la señal de posicionamiento, y

medios de procesamiento (14) para estimar la posición relativa y la ubicación relativa de un bastidor de cuerpo del segundo objeto con respecto al primer objeto procesando mediciones de rango entre el transmisor (T1-T4) de las señales de posicionamiento y el receptor (A1-A3) de las señales de posicionamiento con un algoritmo de estimación de espacio de estado que implementa un modelo del sistema del primero y del segundo objetos, en el que los medios de procesamiento están configurados para realizar un método de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7.

13.- Un vehículo, particularmente un UAV, que comprende:

tres o más receptores (A1-A3) para recibir señales de posicionamiento emitidas por cuatro o más transmisores (T1-T4) localizados sobre y/o cerca de una plataforma de otro vehículo, y

un dispositivo (10) de la reivindicación 12.

14.- Un sistema para navegación relativa a plataforma que utiliza mediciones de rango, que comprende:

cuatro o más transmisores (T1-T4) de señales de posicionamiento, que están localizados sobre y/o cerca de una plataforma de un primer objeto,

tres o más receptores (A1-A3) para recibir las señales de posicionamiento que están localizadas a bordo de un segundo objeto que se aproxima a la plataforma, y

un dispositivo (10) de la reivindicación 12.

15.- El sistema de la reivindicación 14, en el que

un transmisor (T1-T4) de una señal de posicionamiento está implementado como un transpondedor que está adaptado para responder a una señal de interrogación transmitida por un receptor con una señal de respuesta, y

un receptor (A1-A3) está adaptado para recibir como la señal de posicionamiento la señal de respuesta desde el transpondedor y para medir el tiempo entre la transmisión de la señal de interrogación y la recepción de la señal de respuesta, en el que el tiempo de medición es procesado para una medición de 5 rango.

16.- El sistema de la reivindicación 14 ó 15, en el que

un transmisor (T1-T4) de una señal de posicionamiento está implementado como un pseudollto que está adaptado para emitir una señal similar GNSS como señal de posicionamiento, en el que varios pseudolitos localizados sobre y/o cerca de la plataforma del primer objeto son sincronizados, y

- un receptor (A1-A3) está adaptado para recibir una señal de posicionamiento desde un pseudolito y para

medir el tiempo de transmisión de la señal de posicionamiento, en el que el tiempo de transmisión medida es procesado para una medición de rango.