用于姿态错误检测的系统和方法
【专利说明】用于姿态错误检测的系统和方法
相关申请的交叉引用
[0001 ]本申请要求2014年10月8 日提交的、题为 “SYSTEMS AND METHODS FOR ATTITUDEFAULT DETECT1N BASED ON INTEGRATED GNSS/INERTIAL HYBRID FILTER RESIDUALS”的美国临时申请号62/061,413的优先权和权益，并且其通过引用被整体地并入本文。
【背景技术】
[0002]引出当前商用飞行器设计以消除对具有用于获得飞行器姿态测量的三个可操作高级别(即，导航级别)飞行数据惯性测量单元的需要。期望具有仅包括两个高级别惯性测量单元的飞行器，并具有可以是低级别惯性传感器的第三单元，例如微机电(MEMS)惯性传感器。同时，存在对甚至在两个高级别惯性测量单元中的一个不工作(例如，由于惯性传感器故障)时也保持飞行器起飞的能力的期望。具有用于姿态测量的两个可靠源的飞行器的起飞和操作本身是没问题的，但是可能发展其中两个剩余的工作中的惯性传感器中的一个在飞行期间降级并且开始输出包括某些级别的偏移误差的姿态数据的情形。在那个情况下，当飞行人员观察到两个工作中的惯性传感器正产生不同的滚动和/或俯仰数据时，他门需要能够确定传感器中的哪个正在提供准确的姿态测量，以及哪个不在。
[0003]因为上面阐明的原因，并且因为下面阐明的其它原因(在阅读和理解说明书时，其将对于本领域的技术人员而言变得显而易见)，在本领域中存在对用于基于集成GNSS/惯性混合滤波器残差进行姿态错误检测的替换系统和方法的需要。
【附图说明】
[0004]当鉴于优选实施例的描述和下面的附图考虑时，本发明的实施例可以被更加容易地理解，并且其更多优点和使用更加容易地显而易见，其中:
[0005]图1是图示出用于提供本公开的一个实施例的飞行器姿态测量的航空电子系统的图；
[0006]图2是图示出由本公开的一个实施例的传感器监视器所利用的导航误差模型的图；
[0007]图3是进一步图示出本公开的一个实施例的传感器监视器的图；以及
[0008]图4是图示出本公开的一个实施例的方法的流程图。
[0009]根据惯例，各种所描述的特征并非按比例绘制，而是被绘制成强调与本发明相关的特征。贯穿整个附图和文本，参考字符表示相似的元件。
【发明内容】
[0010]本发明的实施例提供了用于提供姿态错误检测的系统和方法，并且将通过阅读和学习下面的说明书被理解。
[0011]提供了用于基于集成GNSS/惯性混合滤波器残差进行姿态错误检测的系统和方法。在一个实施例中，用于飞行器姿态测量系统的错误检测系统包括:耦合到飞行器姿态测量系统的第一惯性测量单元的传感器监视器，所述传感器监视器包括:用于第一惯性测量单元的导航误差模型，所述导航误差模型被配置成模拟多个误差状态，所述误差状态至少包括根据由第一惯性测量单元生成的数据确定的姿态误差状态矢量、速度误差状态矢量、和位置误差状态矢量；以及传播器-估计器，其被配置成基于GNSS数据传播和更新来自导航误差模型的多个误差状态；以及残差评估器，其被配置成输入由传播器-估计器生成的测量误差残留值，其中当测量误差残留值超过预定统计阈值时，残差评估器输出警报信号。
【具体实施方式】
[0012]在下面的详细描述中，参考形成其一部分的附图，并且其中通过本发明可以在其中实施的特定说明性实施例示出。这些实施例被充分详细地描述以使得本领域技术人员能够实施本发明，并且应当理解的是，可以利用其它实施例并且可以在不脱离本发明范围的情况下进行逻辑的、机械的和电气的改变。因此，下面的详细描述不应以限制性的意义进行。
[0013]本文所描述的提议的实施例确定在提供纯惯性和GNSS/惯性混和(blended)两者的解(solut1n)的惯性测量单元的姿态输出中何时存在俯仰或滚动误差。混和解或混合(hybrid)解通过实施卡尔曼滤波器或称为混合滤波器的卡尔曼滤波器等价传播器-估计器来获得。混合滤波器函数间接检查输出导航参数(例如滚动和俯仰)的一致性。这通过基于预期噪声水平针对所有使用的GNSS测量对比阈值集合来不断地评估滤波器残差而被实现。使用本公开的实施例，利用这个类型的残差筛选(screening)来检测在惯性系统输出中的错误。在一些实施例中，在5-10度范围内的滚动和俯仰角度引起在滚动或俯仰超过允许的范围之前，这些残差测试超过它们的阈值，这意味着相似的(但不相等的)方案也可以被用作俯仰和滚动误差检测器。冲突表现为混合传播器-估计器测量残差中的系统偏移，以便它们达到超过测量参数的不确定性的水平。阈值可以被应用到残差以便超过预定水平的姿态误差触发警报。例如，在一个实施例中，评估来自惯性测量单元的残差的部件可以确定对于导航设备而言，是滚动离开(例如，超过10度)，还是俯仰离开(例如，超过5度)，或者是否俯仰和滚动两者都离开。此外，当两个独立的惯性测量单元开始输出不同的姿态解时，提议的实施例能够为可用惯性传感器单元中的每个查看残差水平，并且指示哪个系统正在生成错误的姿态解。
[0014]图1是图示出用于向飞行器的飞行人员提供飞行器姿态测量(S卩，飞行器俯仰和滚动测量)的航空电子系统100的图。系统包括三个惯性测量单元110、120和130。在图1中所示的特定实施例中，系统100包括第一高级别惯性测量单元(110)和第二高级别惯性测量单元(120)，并进一步包括低级别惯性测量单元(130)，其可以例如使用MEMS惯性传感器来实现。然而，系统100不需要被限制到此特定配置。在其它实施例中，惯性测量单元可以是全部高级别的、全部低级别的、全部不同级别的，或者其任何组合。进一步地，在替代实施例中，系统100可以包括多于、或少于三个惯性测量单元。该三个惯性测量单元110、120和130每个将数据输出至一个或多个座舱姿态显示器140，其向飞行人员提供飞行器姿态测量信息。
[0015]如图1中所示，使用本公开的实施例，惯性测量单元110、120和130中的每个具有相关联的传感器监视器(在115、125和135处示出)，其识别来自它的惯性传感器的姿态数据何时有疑问或失败。此确定由每个相应的传感器监视器基于来自混合滤波器(最优的或次优的传播器-估计器)的残差进行，其输入来自它的相关联惯性测量单元的惯性数据和全球导航卫星系统(GNSS)数据。GNSS数据可以例如从由飞行器的GNSS接收器160接收的卫星导航信号导出。在一个实施例中，GNSS接收器160包括全球定位系统(GPS)接收器。惯性数据包括姿态、速度和位置数据以及加速度和角速率。从卫星导航信号中导出的GNSS数据可以是伪距(其是测量的到与接收器中的时钟偏移相结合的卫星的距离(乘以光的速度))、基于GNSS的位置数据、或者基于GNSS的速度数据。
[0016]使用来自传感器监视器115、125和135的输出，残差评估器145在它确定已经发生错误时生成在仪表状态显示器150上显示的警报。传感器监视器115、125和135可以集成到如图1中所示的惯性测量单元110、120和130。替代地，在其它实施例中，传感器监视器115、125和135可以从惯性测量单元110、120和130在外部地实现。例如，在一个实施例中，传感器监视器115、125和135可以被实现在负责座舱姿态显示器140，或者负责仪表状态显示器150的航空电子设备内。在其它实施例中，传感器监视器115、125和135可以与残差评估器145—起被集成到共同的航空电子部件中。
[0017]图2是图示出由传感器监视器115、125或135中的一个中的混合滤波器所利用的导航误差模型状态200的图，其被用于以数学方式模拟与姿态确定相关的导航误差(在210处示出)。如图2中所示，姿态的误差由第一误差状态矢量“姿态误差”模拟。姿态误差包括俯仰和滚动误差分量两者。第二误差状态矢量“速度误差”表示由惯性导航数据提供的速度的误差。被称为“位置误差”的第三误差状态矢量表示由惯性导航数据所提供的位置的误差，例如经度、玮度和海拔误差。第四误差状态矢量“时钟误差”表示GNSS接收器160的时钟的误差，并且被对于处理伪距所需。在混合滤波器中可以存在另外的状态，例如传感器偏移误差、比例因子误差等。
[0018]图3是进一步图示出可以被用来实现图1中所示的传感器监视器115、