数据融合体系结构的制作方法
【专利摘要】本发明提供了具有多个传感器，任选的位置测量装置(PME)，的数据融合体系结构。每个传感器提供测量数据x1,x2…xM并与表示所提供的测量数据精确度的精确度数据H1,H2…HM相关。子处理单元导出相应传感器提供的测量数据变异性的第一估算sf1,sf2…sfM和第二估算Hn1,Hn2…HnM。第一估算是通过处理测量数据x1,x2…xM而导出的，第二估算是通过处理精确度数据H1,H2…HM而导出的。第一和第二估算在乘法器中结合，以导出相应传感器提供的测量数据的变异性的总估算σ1,σ2…σM。例如卡尔曼滤波器的数据融合装置将每个传感器提供的测量数据和每个传感器的总估算σ1,σ2…σM相结合。
【专利说明】数据融合体系结构
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于数据融合即将来自于两个或更多源的数据或测量相结合的体系结构。这种体系结构可被用作需要将来自多个传感器的数据相结合的任何系统的一部分，包括用于海事船舶的动力定位(DP)系统，其中使用推进器以逆着例如风和水流的环境力保持船舶的位置在参考点的附近并稳固其艏向。
[0002]术语“海事船舶”意在包括船只、钻机和任何其他的表面前进的(surface-going)船舶或平台或者为潜水器(潜水艇)船舶。
【背景技术】
[0003]动力定位(DP)系统的基本组件是:一个或多个用于测量船舶位置和艏向的位置参考系统；用于施加控制动作(control action)的推进器；和用于确定所需推力的控制器。DP系统的目的不是保持船舶绝对地静止，而是保持其停泊地在可接受的限度内。允许的位置变化的幅度取决于应用和运行因素(operational concerns)。在很多应用中，在容许限度之外的迷航可对人或装备的安全性或者对环境具有严重的影响。因此，合理的尽可能地采取恰当的措施以保持DP系统的完整性是至关重要的。
[0004]DP系统将无论什么源的所有可用的位置测量结合为船舶位置的单一估算。结合可用测量的过程可被称为“数据融合”。
[0005]测量的来源可包括多种多样的位置测量装备(PME)，如陀螺罗经(其不依赖外界干扰，提供船舶艏向(艏摇)的简洁的、可靠的、精确的测量)，绷紧索(taut wire)，卫星导航系统(包括全球定位系统(GPS)和差分GPS (DGPS))，惯性导航系统(INS)和水声定位系统。
[0006]不同的PME通常提供的测量数据的精确度不同。主要的区别是测量数据的噪声级。例如，DGPS系统可提供具有0.3m标准偏差的噪声的位置测量，而水声定位系统可提供具有5m标准偏差的噪声的位置测量。由于DP系统用于冗余的目的通常将需要使用所有的可用测量数据，它必须执行数据融合处理。代表性地，数据融合处理将以每个PME提供的测量数据的精确度为基础，使用某种形式的加权。这确保了相比于提供高品质测量数据的PME，提供低品质测量数据的PME (即噪声PME)将对由数据融合处理获得的位置估算产生较小的影响。
[0007]由特定PME提供的测量数据的精确度可能不总是恒定的。例如，DGPS提供的位置测量的噪声将取决于在任何特定时间对接收器可见的卫星的数目和散布距离。水声定位系统提供的位置测量的噪声取决于水深和部署在海底的应答器的数目。因此，已知的DP系统保持对由每个PME提供的测量数据的精确度的估算，以便确定数据融合处理的相对加权。典型地，使用在一分钟或更长时间段收集的测量数据，可计算这种精确度估算。由于依赖于之前的位置测量，精确度估算对PME行为的突变响应缓慢，例如当DGPS的接收器由于阴影而看不见许多卫星时。
【发明内容】
[0008]本发明提供了改进的体系结构，包括:
[0009]多个传感器，每个传感器提供测量数据并与表示所提供测量数据的精确度的精确度数据相关；
[0010]每个传感器与用于导出第一估算的装置、用于导出第二估算的装置和用于结合第一估算和第二估算的装置相关，用于导出第一估算的装置通过处理相应传感器提供的测量数据，导出相应传感器提供的测量数据的变异性的第一估算；用于导出第二估算的装置通过处理与相应传感器相关的精确度数据，导出相应传感器提供的测量数据的变异性的第二估算；用于结合第一估算和第二估算的装置将第一和第二估算结合以导出相应传感器提供的测量数据的变异性的总估算；和
[0011]用于结合的装置，如在数据融合处理中，该装置将每个传感器提供的测量数据和每个传感器的总估算结合，。
[0012]如下面更多细节所描述的，该结合装置使用每个传感器的总估算来确定给向每一传感器提供的测量数据的相对加权，即作为数据融合处理的一部分。
[0013]典型地，每个传感器将以特定的更新间隔，如每秒钟一次测量，提供各个测量。典型地，测量数据由电缆，通常使用处理单元和包括各种传感器的测量单元之间的串行链路，提供给处理单元。处理单元将运行用于导出总估算的软件。典型地，处理单元将以由软件确定的其自己的更新间隔导出总估算。换言之，总估算是作为时间的函数而导出的，并典型地以相同的更新间隔被用在数据融合处理中。通常，测量单元更新间隔(即传感器的更新间隔)并且处理单元的更新间隔是相同的，但是他们也可不同。处理单元可使用储存的测量数据，即已经被提供给处理单元并储存在缓冲器中的先前测量，也可以使用已由相应传感器提供的最近的测量。
[0014]精确度数据还能以特定的更新间隔被提供。可通过相应的传感器或其他装置直接提供表示测量精确度的精确度数据。例如，可通过一传感器提供精确度数据，该传感器不同于提供测量数据的传感器，但是可提供某些可能影响测量数据噪声的环境条件的表示。
[0015]数据融合处理可结合不同类型的测量数据。例如，卡尔曼滤波器可用于结合速率和位置的测量。因此，提出的体系结构可使用提供不同类型测量数据的传感器。
[0016]一个或多个传感器可以是位置测量装备(PME)。体系结构适合于与大量的PME共同使用，尤其包括提供长基线(LBL)位置测量和/或超短基线(USBL)位置测量的水声定位系统，提供GPS或差分GPS(DGPS)位置测量的卫星导航系统，基于激光的系统，基于无线电的系统，基于雷达的系统，机械系统(绷紧索)等。PME提供的位置测量可以是纬度/经度，北距/东西距，航程/方位或任何其他适当的格式。体系结构可使用不同类型PME(或其他的传感器)和不同位置测量数据格式的结合。
[0017]体系结构可形成使用数据融合处理的输出的较大系统的一部分。例如，体系结构可形成海事船舶的动力定位(DP)系统的一部分，其中数据融合处理的输出被用于控制推进器逆着例如风和水流的环境力使海事船舶的位置保持在参考点的附近并稳固其艏向。体系结构可形成导航系统的一部分，任选地用于飞机上，其中可通过不同的传感器提供三维空间(纬度，经度和高程)的位置和三轴空间(纵摇，横摇，艏摇)的姿态，如GPS，惯性导航系统和陀螺罗经。体系结构可形成测量系统的一部分，任选地用于测量海事船舶上罐内的液面，其中可通过不同传感器提供测量，如压力传感器和超声波传感器。[0018]变异性的第一估算
[0019]用于导出第一估算的装置可以，例如，计算相应传感器提供的一系列测量的标准偏差。换言之，可根据其标准偏差估算测量数据的变异性，容易理解的是，这提供了各个测量偏离该装置多少的表示。
[0020]用于导出第一估算的装置可被实现为处理单元的功能块。测量数据变异性的第一估算可由功能块以处理单元的更新间隔产生。
[0021]在被功能块处理之前，每个传感器提供的之前的测量可被储存或保存在缓冲器内。
[0022]那么对于以固定的更新间隔间隔δ秒提供测量的传感器i，在时间t，可使用下列标准方程式计算最后N个测量Xi (t)...Xi (t- (N-1) δ )的标准偏差Si (t):
【权利要求】
1.一种体系结构,包括: 多个传感器，每个传感器提供测量数据并与表示所提供测量数据的精确度的精确度数据相关； 每个传感器与用于导出第一估算的装置、用于导出第二估算的装置和用于结合第一估算和第二估算的装置相关，用于导出第一估算的装置通过处理由相应传感器提供的测量数据，导出相应传感器提供的测量数据的变异性的第一估算；用于导出第二估算的装置通过处理与相应传感器相关的精确度数据，导出相应传感器提供的测量数据的变异性的第二估算；用于结合第一估算和第二估算的装置将第一和第二估算结合以导出相应传感器提供的测量数据的变异性的总估算；和 用于结合的装置，该装置将每个传感器提供的测量数据和每个传感器的总估算结合。
2.根据权利要求1所述的体系结构，其中该多个传感器包括不同类型传感器和/或不同类型测量数据格式的结合。
3.根据权利要求1所述的体系结构，其中用于导出第一估算的装置导出在水平面内测量数据变异性的估算。
4.根据权利要求3所述的体系结构，其中第一估算是测量数据的标准偏差，该测量数据是由相应传感器以两轴，或测量数据的误差椭圆的大小和取向提供。
5.根据权利要求1所述的体系结构，其中每个传感器进一步与用于导出第一估算的滤波版本的装置相关。
6.根据权利要求5所述的体系结构，其中用于导出第一估算的滤波版本的装置是第一低通滤波器。`
7.根据权利要求1所述的体系结构，其中用于导出第二估算的装置包括，用于导出由相应传感器提供的精确度数据的滤波版本的装置，和用于将精确度数据除以精确度数据的滤波版本的装置。
8.根据权利要求7所述的体系结构，其中第二估算是相应传感器提供的精确度数据的规范化的滤波版本。
9.根据权利要求7所述的体系结构，其中用于导出精确度数据滤波版本的装置是第二低通滤波器。
10.根据权利要求6所述的体系结构，其中用于导出第二估算的装置包括用于导出和相应传感器相关的精确度数据的滤波版本的第二低通滤波器，和用于将精确度数据除以精确度数据的滤波版本的装置，第一和第二低通滤波器具有大体相同的滤波器特征。
11.根据权利要求1所述的体系结构，其中用于将每个传感器提供的测量数据和每个传感器的总估算相结合的装置是卡尔曼滤波器。
12.根据权利要求1所述的体系结构，其中用于将每个传感器提供的测量数据和每个传感器的总估算相结合的装置使用加权平均技术。
13.根据权利要求1所述的体系结构，其中传感器是位置测量装备。
14.用于使用体系结构的海事船舶动力定位系统，包括: 多个传感器，每个传感器提供测量数据并与表示所提供测量数据的精确度的精确度数据相关； 每个传感器与用于导出第一估算的装置、用于导出第二估算的装置和用于结合第一估算和第二估算的装置相关，用于导出第一估算的装置通过处理由相应传感器提供的测量数据，导出相应传感器提供的测量数据的变异性的第一估算；用于导出第二估算的装置通过处理与相应传感器相关的精确度数据，导出相应传感器提供的测量数据的变异性的第二估算；用于结合第一估算和第二估算的装置将第一和第二估算结合以导出相应传感器提供的测量数据的变异性的总估算；和 用于结合的装置，该装置将每个传感器提供的测量数据和每个传感器的总估算结合。
15.根据权利要求14所述的动力定位系统，进一步包括一装置，该装置在将位置测量数据提供给用于导出第一估算的装置之前，用于去除海事船舶低频运动对相应传感器提供的位置测 量的影响。
【文档编号】G01C21/20GK103512573SQ201310253649
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2013年6月24日 优先权日:2012年6月22日
【发明者】理查德·伊恩·斯蒂芬森 申请人:Ge能源能量变换技术有限公司