DE19501879A1

DE19501879A1 - Positioning in flight of aircraft by satellite GPS calibration

Info

Publication number: DE19501879A1
Application number: DE19501879A
Authority: DE
Inventors: Philippe Poncelet; Alain Dayot; Hubert Combe
Original assignee: Thales Avionics SAS
Current assignee: Thales Avionics SAS
Priority date: 1993-07-26
Filing date: 1995-01-23
Publication date: 1996-07-25
Also published as: FR2708349B1; FR2708349A1

Abstract

The method uses a Doppler radar system (3) to provide horizontal speed data for two inertial navigation systems (1, 2) which are periodically and alternately recalibrated by a global positioning system (GPS). The coordinates expressed by the GPS (4) and the inertial navigation systems are compared (5, 6) and an alarm sounds if a threshold difference is exceeded. An altitude barometer (8) measures the 2-coordinate which is compared (7) with the GPS for a similar threshold difference. The height is checked at certain points by a radio transponder (9), adjusted (10) for local terrain and compared (12) with the altitude barometer to recalibrate the latter. A second ground-based GPS receiver at a known position compares its position with the GPS position and informs the aircraft of the lack of GPS availability of a discrepancy occurs.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Standortbestimmung eines Luftfahrzeugs im Flug mit Hilfe eines Systems zur Standortbestimmung durch Satelliten.The invention relates to a method for determining the location of an aircraft in flight using a system for Positioning by satellite.

Das System zur Standortbestimmung durch Satelliten NAVSTAR- GPS (Global Positioning System) ist ein System, das darauf beruht, daß von Empfängern von Benutzern Codes verwendet wer den, die in Hertz′schen Wellen von einer Gruppe von Satelli ten ausgesendet werden, die durch Beobachtungs- und Kontrollbodenstationen gelenkt werden. Die Zeitdifferenzen, die im Empfänger zwischen den Codes einer Gruppe von im Blickfeld befindlichen Satelliten beobachtet werden, stellen die Abstände zwischen dem Empfänger und diesen Satelliten dar. So ist es in Kenntnis von vier Zeitdifferenzen möglich, wenn man die Position der vier entsprechenden Satelliten einwandfrei kennt, daraus die drei Positionskoordinaten des Empfängers sowie die an seine örtliche Uhr anzulegende Kor rektur abzuleiten.The system for location determination by satellite NAVSTAR GPS (Global Positioning System) is a system based on this is based on the fact that codes are used by recipients of users the one in Hertzian waves from a group of Satelli emitted by observation and Control ground stations are directed. The time differences, that in the receiver between the codes of a group of im Satellites in the field of view are observed the distances between the receiver and these satellites Knowing four time differences, it is possible if you look at the position of the four corresponding satellites knows the three position coordinates of the Recipient and the cor. To be applied to his local clock derive rectification.

Ein anderes gegenwärtig bestehendes System zur Standortbe stimmung durch Satelliten ist das System GLONASS. Die vorlie gende Erfindung ist sowohl auf dieses als auch auf das System NAVSTAR anwendbar. Alle diese Systeme zur Standortbestimmung durch Satelliten werden im nachstehenden generell mit GPS be zeichnet.Another currently existing location management system The GLONASS system is mood by satellites. The present Invention is on both this and the system NAVSTAR applicable. All of these positioning systems by satellites are generally using GPS below draws.

Die Systeme dieses Typs sind zwar bemerkenswert genau, besit zen jedoch den Nachteil, daß sie relativ wenig sicher sind. Es kann nämlich geschehen, daß einer der für die Standortbe stimmung verwendeten Satelliten ausgefallen ist oder bei ei nem Flug in niedriger Höhe infolge von Bodenerhebungen zeit weise aus dem Blickfeld geraten ist, das Gesamtsystem kann gestört sein oder der Bordempfänger kann defekt sein. Darüber hinaus kann der Ausfall eines Satelliten sehr plötzlich stattfinden und in manchen Fällen erst nach mehreren Stunden bekannt werden. Ein GPS-Empfänger kann also als solcher nicht dazu verwendet werden, im Flug die Position eines Luftfahr zeugs zu bestimmen und daraus Steuerbefehle abzuleiten, und zwar insbesondere in kritischen Situationen, wie beispiels weise bei einem ein Flug in niedriger Höhe.The systems of this type are remarkably accurate However, the disadvantage is that they are relatively unsafe. It can happen that one of those responsible for the site satellite used failed or at egg flight at low altitude due to ground surveys is out of sight, the overall system can disturbed or the on-board receiver may be defective. About that In addition, the failure of a satellite can happen very suddenly take place and in some cases only after several hours become known. As such, a GPS receiver cannot used to position an aircraft in flight determine stuff and derive control commands from it, and especially in critical situations, such as wise a low altitude flight.

Man könnte daran denken, die vom GPS gelieferte Position mit Hilfe eines anderen Standortbestimmungsmittels zu überprüfen und die Angaben des GPS nur zu berücksichtigen, wenn sie durch dieses andere Mittel bestätigt werden. Wenn eine solche Lösung in Betracht gezogen werden kann, wenn das Luftfahrzeug bodenabhängige Navigationshilfsmittel verwenden kann, so ist dies bei einem unabhängigen Flug anders, bei dem das Gerät mit keiner äußeren Hilfe rechnen kann und/oder manchmal sogar die Diskretionsanforderungen es daran hindern, gewisse Bord mittel zu verwenden.One could remember the position provided by the GPS with Check with the help of another positioning device and the GPS information should only be taken into account if they be confirmed by this other means. If such Solution can be considered if the aircraft Soil-dependent navigation aids can be used this is different for an independent flight in which the device can not count on external help and / or sometimes even The discretion requirements prevent certain board medium to use.

Alle Mittel zur autonomen Standortbestimmung, die vernünfti gerweise als Bordeinrichtungen eines Luftfahrzeugs und vor allem eines in niedriger Höhe fliegenden Luftfahrzeugs in Be tracht kommen können, beruhen nämlich auf Geschwindigkeits messungen (Luftgeschwindigkeitsmessung, Doppler-Radar) oder auf Beschleunigungsmessungen (Trägheitsnavigation). Diese Mittel liefern also erst nach einer oder zwei Integrationen eine Position. Daraus ergibt sich unvermeidbar eine solche Abweichung, daß ihre Genauigkeit sehr schnell weit geringer als die des GPS wird, so daß man nicht mehr die von ihnen ge lieferten Rohdaten verwenden kann, um den ordnungsgemäßen Be trieb des GPS-Systems zu kontrollieren.All means for autonomous location determination, the reasonable sometimes as on-board equipment of an aircraft and before all of a low-altitude aircraft in Be can come because they are based on speed measurements (air speed measurement, Doppler radar) or on acceleration measurements (inertial navigation). These So funds only deliver after one or two integrations a position. This inevitably results in one Deviation that their accuracy very quickly becomes much less than that of the GPS, so that you can no longer see them supplied raw data can be used to ensure the correct loading drive to control the GPS system.

Ziel der Erfindung ist es, diese Nachteile durch Schaffung eines Verfahrens zur Standortbestimmung durch GPS zu beseiti gen, das sicher und zuverlässig ist, ohne hierfür externe Hilfsmittel zu benutzen.The aim of the invention is to overcome these drawbacks a method for determining the location using GPS gene that is safe and reliable without the need for external Tools to use.

Zu diesem Zweck ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Standortbestimmung eines Luftfahrzeugs im Flug mit Hilfe eines Systems zur Standortbestimmung durch Satelliten, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man in der horizontalen Ebene den Standort des Luftfahrzeugs im wesentlichen ständig mit Hilfe des GPS bestimmt, daß man gleichzeitig zwei Navigatio nen unterhält, die selbständige und vom GPS unabhängige Mit tel benutzen, daß man periodisch und abwechselnd diese Navi gationen mit Hilfe des GPS nachstellt, daß man die GPS-Stand ortbestimmung mit der von dieser Navigation gelieferten Standortbestimmung vergleicht und dann, wenn die Abweichung größer als ein vorbestimmter Schwellwert ist, daraus eine Anomalie in dem System zur Standortbestimmung des Luftfahr zeugs ableitet.For this purpose, the subject of the invention is a method to determine the position of an aircraft in flight with the help a satellite positioning system that is characterized in that one in the horizontal plane essentially the location of the aircraft The help of the GPS determines that you can navigate two at the same time maintains the independent and GPS-independent Mit tel that periodically and alternately this Navi gations with the help of the GPS that the GPS position Location determination with the one provided by this navigation Compares location and then when the deviation is greater than a predetermined threshold, one of them Anomaly in the aeronautical positioning system derives stuff.

Insbesondere können diese beiden Navigationen, die autonome und vom GPS unabhängige Mittel benutzen, Doppler-Navigationen oder gemäß einer Abwandlung Trägheitsnavigationen sein.In particular, these two navigations, the autonomous and use means independent of GPS, Doppler navigation or, according to a modification, be inertial navigation.

Wie aus dem nachstehenden hervorgeht, besitzt das erfindungs gemäße Verfahren mehrere Vorteile.As can be seen from the following, the invention procedures have several advantages.

Zunächst einmal kann man sich mit Hilfe der periodischen Rückstellungen der selbständigen Navigationen von den mit ih rer Abweichung verbundenen Problemen freimachen. Im übrigen kann es natürlich nicht geschehen, daß die unabhängigen Mit tel ausgehend von einer Angabe nachgestellt werden, die von einem ausfallenden GPS geliefert wird. Dies wird dadurch ver mieden, daß man die Nachstellungen der beiden Navigationen so verschachtelt bzw. zeitlich gegeneinander versetzt, daß man zu dem Zeitpunkt, zu dem man unter Verwendung der einen der beiden Navigationen einen Vergleich vornimmt, weiß, daß diese entsprechend nachgestellt worden war, da der unmittelbar vor hergehende, mit der anderen Navigation durchgeführte Ver gleich definitionsgemäß keine Anomalie ergeben konnte. Da man schließlich den Vergleich erst vor der Nachstellung vornimmt (tatsächlich nach der unmittelbar vorhergehenden Nachstellung der anderen Navigation, d. h. während der zweiten Hälfte des Zeitintervalls zwischen zwei aufeinanderfolgenden Nachstel lungen der betreffenden Navigation), wird gewährleistet, daß diese Navigation sich soweit geändert hat, daß sie nicht zu sehr mit dem GPS korreliert ist.First of all, you can use the periodic Provisions for independent navigation of those with ih free up problems related to the deviation. Furthermore it can of course not happen that the independent fellow tel based on a statement made by a failing GPS is delivered. This is ver avoided that the re-enactments of the two navigations were so nested or offset in time that one at the time when using one of the makes a comparison between the two navigations, knows that this had been adjusted accordingly, since the immediately before outgoing ver with the other navigation by definition could not result in an anomaly. Since one finally only makes the comparison before the re-enactment (actually after the immediately preceding re-adjustment the other navigation, d. H. during the second half of the year Time interval between two consecutive digits navigation), it is ensured that this navigation has changed so far that it is not closed is very correlated with the GPS.

Bei einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, die die vertikale Ebene betrifft, vergleicht man die vom GPS gelieferte Höhe mit einer barometrischen Höhe, und wenn die Abweichung größer als ein vorbestimmter Schwellwert ist, leitet man daraus eine Anomalie in dem Standortbestimmungssystem des Luftfahrzeugs ab.In a special embodiment of the invention Procedures relating to the vertical plane are compared the altitude supplied by the GPS with a barometric altitude, and if the deviation is larger than a predetermined one Is a threshold, an anomaly is derived from it Positioning system of the aircraft.

Insbesondere kann die barometrische Höhe durch Korrektur der Druckhöhe in Normalatmosphäre um die durch das örtliche QNH verursachte Abweichung erhalten werden, das seinerseits peri odisch während des Flugs durch Funksonden-Höhenmessung in der Vertikalen von vorbestimmten Punkten aktualisiert wird.In particular, the barometric height can be corrected by correcting the Pressure level in normal atmosphere around the local QNH caused deviation are obtained, which in turn peri or during flight by radio probe height measurement in the Vertical is updated from predetermined points.

Sowohl in der horizontalen Ebene als auch in der vertikalen Ebene wählt man bei Fehlen einer im Standortbestimmungssystem des Luftfahrzeugs festgestellten Anomalie vorzugsweise die vom GPS gelieferte Position zum Zweck einer späteren Verwen dung aus, und zwar insbesondere zu dem Zweck, entweder dem Piloten des Luftfahrzeugs selbst oder einem Autopiloten Steu erangaben zu liefern.Both in the horizontal plane and in the vertical Level is chosen in the absence of one in the location determination system of the aircraft, preferably the anomaly found position provided by GPS for later use training, in particular for the purpose of either Pilots of the aircraft itself or an autopilot tax to provide information.

Eine zusätzliche Sicherung der Standortbestimmung kann er reicht werden, indem man einen zweiten GPS-Empfänger verwen det, der am Boden in einer bekannten geographischen Position angeordnet ist, indem man diese geographische Position mit der von diesem zweiten GPS-Empfänger gelieferten Position vergleicht und im Fall der Nichtübereinstimmung dem Luftfahr zeug mitteilt, daß sein GPS-System ausgefallen ist.He can also secure the location be enough by using a second GPS receiver det, on the ground in a known geographical position is arranged by using this geographic position the position provided by this second GPS receiver compares and, in the event of a mismatch, to aviation witness reports that his GPS system has failed.

Es wird nun als nicht einschränkendes Beispiel eine besondere Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die bei liegenden schematischen Zeichnungen beschrieben, in welchen:It now becomes a special one as a non-limiting example Embodiment of the invention with reference to the at described schematic drawings, in which:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist und Fig. 1 is a block diagram of an apparatus for performing the method according to the invention and

Fig. 2 die Arbeitsweise dieser Vorrichtung veranschaulicht. Fig. 2 illustrates the operation of this device.

Man sieht in Fig. 1 zwei Einheiten 1 und 2, die jeweils stän dig voneinander unabhängig eine Navigation ausgehend von den von einem Doppler-Radar 3 gelieferten Angaben durchführen. Der Radar 3 liefert den Einheiten 1 und 2 die Geschwindigkeit des Luftfahrzeugs in der horizontalen Ebene, aus welcher die Einheiten 1 und 2 die Koordinaten in dieser Ebene ermitteln.One can see in FIG. 1 two units 1 and 2 , each of which constantly performs navigation independently of one another, starting from the information supplied by a Doppler radar 3 . The radar 3 supplies the units 1 and 2 with the speed of the aircraft in the horizontal plane, from which the units 1 and 2 determine the coordinates in this plane.

Die Einheiten 1 und 2 erhalten ferner die von einem GPS-Emp fänger 4 gelieferten Koordinaten in der horizontalen Ebene, die zur Nachstellung der von diesen Einheiten ständig durch geführten Navigationen verwendet werden. Diese Nachstellung wird für jede der Einheiten 1 und 2 in regelmäßigen Abständen durchgeführt, wie es im nachstehenden erläutert wird. Die von den Einheiten 1 und 2 errechnete Position wird zu jedem Zeit punkt aus den vom GPS-Empfänger 4 zum Zeitpunkt der Nachstel lung gelieferten Koordinaten erarbeitet.The units 1 and 2 also receive the coordinates provided by a GPS receiver 4 in the horizontal plane, which are used to re-enact the navigation carried out by these units. This adjustment is carried out for each of the units 1 and 2 at regular intervals, as will be explained in the following. The position calculated by the units 1 and 2 is worked out at any time from the coordinates provided by the GPS receiver 4 at the time of the adjustment.

Ferner werden die von den Navigationseinheiten 1 und 2 gelie ferten Positionen jeweils mit den von dem GPS-Empfänger 4 ge lieferten Koordinaten in Vergleichseinheiten 5 bzw. 6 vergli chen. Wenn bei einem Vergleich das Ergebnis in einer der Ein heiten 5 und 6 einen gewissen Schwellwert überschreitet, wird ein Alarm ausgelöst, um dem Pilot eine Funktionsstörung seines Navigationssystems anzuzeigen.Furthermore, the positions supplied by the navigation units 1 and 2 are each compared with the coordinates ge supplied by the GPS receiver 4 in comparison units 5 and 6, respectively. If, in a comparison, the result in one of units 5 and 6 exceeds a certain threshold value, an alarm is triggered in order to indicate to the pilot that his navigation system is malfunctioning.

Der GPS-Empfänger 4 liefert ferner die absolute Höhe Z des Geräts. Diese absolute Höhe wird in einer Vergleichseinheit 7 mit der von einer barometrischen Einheit 8 gelieferten abso luten Höhe verglichen. Auch hier wird, wenn die Abweichung zwischen der vom GPS-Empfänger gelieferten und der von der Einheit 8 gelieferten absoluten Höhe einen bestimmten Schwellwert überschreitet, ein Alarm ausgelöst.The GPS receiver 4 also provides the absolute height Z of the device. This absolute height is compared in a comparison unit 7 with the absolute height supplied by a barometric unit 8 . Here, too, an alarm is triggered if the deviation between the absolute height supplied by the GPS receiver and the absolute height supplied by the unit 8 exceeds a certain threshold value.

Ferner liefert eine Funksonde 9 die Höhe des Geräts über dem Boden. Diese Höhe wird in einer Einheit 10 zu der absoluten Höhe des überflogenen Geländes addiert, die einer Datenbasis 11 entnommen wird, in der die absolute Höhe in Abhängigkeit von den Koordinaten X und Y geliefert wird. Furthermore, a radio probe 9 provides the height of the device above the floor. This height is added in a unit 10 to the absolute height of the terrain flown over, which is taken from a database 11 , in which the absolute height is supplied as a function of the coordinates X and Y.

Die absolute Höhe des Fahrzeugs, wie sie aus der Einheit 10 kommt, wird in einem Vergleicher 12 mit der von der Einheit 8 gelieferten barometrischen Höhe verglichen. Der Vergleicher 12 liefert infolgedessen die durch das örtliche QNH verur sachte Abweichung der absoluten Höhe. Diese Abweichung der absoluten Höhe wird verwendet, um die barometrische Einheit 8 nachzustellen.The absolute height of the vehicle, as it comes from the unit 10 , is compared in a comparator 12 with the barometric height supplied by the unit 8 . The comparator 12 consequently provides the deviation of the absolute height caused by the local QNH. This deviation of the absolute height is used to adjust the barometric unit 8 .

Fig. 2 zeigt auf der Zeitachse bzw. der t-Achse die Zeiten t1, t3 . . . , zu denen die Navigationseinheit 1 mit Hilfe der vom GPS-Empfänger 4 gelieferten Daten nachgestellt wird. Ebenso wird die Navigationseinheit 2 zu den Zeiten t2, t4 . . . nachgestellt. Fig. 2 or the t-axis represents the time axis on the times t1, t3. . . , for which the navigation unit 1 is adjusted using the data supplied by the GPS receiver 4 . Likewise, the navigation unit 2 becomes at times t2, t4. . . adjusted.

Man sieht im oberen Teil von Fig. 2 die maximalen Querabwei chungen von der gewünschten Route. Man hat als Toleranz des GPS den Wert von 40 Meter zu beiden Seiten des gelieferten Punkts genommen. Die Navigationseinheiten 1 und 2 liefern ih rerseits ein Ergebnis, dessen Abweichung von der zurückgeleg ten Strecke abhängig ist und im allgemeinen mit einem Wert von 2% dieser Strecke betrachtet werden kann. Wenn man also alle 10 Kilometer eine Nachstellung vornimmt (d. h. das Flug gerät hat zwischen t1 und t3, zwischen t2 und t4 . . . 10 Kilo meter zurückgelegt), so beträgt die Abweichung 200 m. Man nimmt also als Alarmschwellwert die 80 Meter Gesamttoleranz des GPS zuzüglich die 200 Meter Abweichung der Doppler-Navi gation, was 280 Meter ergibt.One can see in the upper part of FIG. 2 the maximum cross deviations from the desired route. The tolerance of the GPS was taken to be 40 meters on both sides of the point delivered. The navigation units 1 and 2 in turn deliver a result, the deviation of which depends on the distance covered and can generally be viewed with a value of 2% of this distance. So if you readjust every 10 kilometers (ie the aircraft has traveled 10 kilometers between t1 and t3, between t2 and t4... 10 kilometers), the deviation is 200 m. So you take the 80 meter total tolerance of the GPS plus the 200 meter deviation of the Doppler navigation as an alarm threshold, which results in 280 meter.

Man stellt so fest, daß der mögliche Höchstfehler der Angabe des GPS 520 Meter beträgt.It is found that the maximum possible error of the information of the GPS is 520 meters.

Die Erfindung gestattet also tatsächlich die Verwendung der vom GPS gelieferten Daten für die Navigation also auch für einen Flug in niedriger absoluter Höhe, wobei gleichzeitig eine sehr hohe Sicherheit beibehalten wird.The invention thus actually allows the use of Data provided by the GPS for navigation also for a flight in low absolute altitude, while at the same time a very high level of security is maintained.

Claims

1. Method for determining the position of an aircraft in flight with the aid of a system ( 4 ) for determining the position by means of satellites (GPS),
characterized,
that one determines the location of the aircraft essentially continuously with the help of the GPS ( 4 ) in the horizontal plane,
that one constantly carries out two navigations that use independent means ( 1-3 ) that are independent of the GPS ( 4 ), periodically and alternately adjusts these navigations using the GPS ( 4 ),
that one compares the GPS position determination with the position determination provided by this navigation
and that if the deviation is greater than a predetermined threshold value, an abnormality in the system for determining the location of the aircraft is derived therefrom.

2. The method according to claim 1, characterized in that one uses Doppler navigation for the two navigations, the independent and from the GPS ( 4 ) independent means ( 1-3 ).

3. The method according to claim 1, characterized in that for the two navigations that use independent and from the GPS ( 4 ) independent means ( 1-3 ), inertial navigation is used.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the absolute height (Z) supplied by the GPS ( 4 ) is compared with a barometric height (ALT) in a vertical plane and then when the deviation is greater than one predetermined threshold value, from which an anomaly in the system for determining the location of the aircraft is derived.

5. The method according to claim 4, characterized, that you can get the barometric altitude by correcting the pressure altitude in a normal atmosphere around that caused by the local QNH Receives deviation, which in turn periodically during the Flight by radio probe measurement of the height above the ground in the Vertical is updated from predetermined points.

6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized, that in the absence of one in the location system the anomaly detected by the aircraft GPS delivered position selects.

7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized, that you use a second GPS receiver on the ground is located in a known geographical position, this geographic position with that from this second GPS Item delivered and compared in the case of the recipient Mismatch the aircraft's unavailability or reports the failure of his GPS system.