ES3052697T3

ES3052697T3 - In-flight azimuth determination

Info

Publication number: ES3052697T3
Application number: ES18842149T
Authority: ES
Inventors: Michael Maidanik; Assaf Nachum; Miki Livne
Original assignee: Israel Aerospace Industries Ltd
Current assignee: Israel Aerospace Industries Ltd
Priority date: 2017-07-31
Filing date: 2018-07-30
Publication date: 2026-01-13
Anticipated expiration: 2038-07-30
Also published as: WO2019026069A1; IL253770B2; EP3662343A4; IL253770A0; EP3662343A1; US20200370891A1; HRP20251392T1; AU2018311656A1; IL253770B; US11493344B2; PL3662343T3; EP3662343B1; SG11202000791TA; AU2018311656B2

Abstract

El objeto de la presente divulgación incluye un método y un sistema dirigidos a calcular el acimut de una plataforma aérea durante el vuelo basándose en mediciones IMU, sin utilizar datos GNSS, girocompás o magnetómetros que operen en tierra para determinar el acimut. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

[0001] DESCRIPCIÓN

[0003] Determinación de azimut en vuelo

[0005] Campo del objeto actualmente descrito

[0007] El objeto actualmente descrito se refiere a sistemas de navegación de plataforma móvil.

[0009] Antecedentes

[0011] En diversas aplicaciones, se desea determinar un acimut de una plataforma móvil. Una técnica común para lograr esto implica una unidad de medición inercial (IMU) incorporada como parte de un sistema de navegación inercial (INS). Una configuración de IMU común incluye un acelerómetro y un giroscopio por cada uno de los tres ejes de plataforma: cabeceo, alabeo y guiñada. La IMU detecta la aceleración lineal en cada eje utilizando los acelerómetros y la velocidad de rotación en cada eje utilizando los giroscopios. Algunas IMU también incluyen magnetómetros (del mismo modo, uno por cada eje) que se utilizan para determinar un campo magnético en cada eje. El INS utiliza las mediciones de IMU sin procesar para calcular los datos de navegación que incluyen, por ejemplo, la posición, la velocidad y la actitud (incluido el acimut) con respecto a un marco de referencia (sistema de coordenadas).

[0013] La solicitud de patente europea número 0292339 A1 describe un sistema de determinación de actitud integrado para una aeronave que se refiere a una unidad de actitud integrada para un aerodino, un dispositivo capaz de detectar la orientación del aerodino, en particular el ángulo de escora, la actitud longitudinal θ y el rumbo, con respecto a un sistema de coordenadas tal como el triedro geográfico local.

[0015] Descripción general

[0017] El acimut de una plataforma se puede determinar en tierra (en el presente documento, “previo al vuelo”) antes del lanzamiento/despegue o durante el vuelo (en el presente documento, “en vuelo”). Para la determinación de acimut previa al vuelo, se puede utilizar el girocompás tal como se conoce en la técnica. Tras completar el proceso de girocompás, la IMU a bordo de la plataforma se alinea con un marco de referencia de navegación relacionado con la Tierra. Para la determinación de acimut en vuelo, se puede utilizar un receptor GNSS a bordo (p. ej., GPS).

[0019] Sin embargo, en algunos casos, por diversos motivos, tanto el girocompás como el GNSS no están disponibles, o su uso no es deseable. Por ejemplo, se puede evitar el uso del girocompás y el GNSS para reducir los costes. Específicamente, el girocompás es un proceso que requiere una IMU precisa y, por lo tanto, costosa. Además, en algunos casos, las señales GNSS pueden no estar disponibles debido a la obstrucción de la señal o interferencia de la señal.

[0021] El uso de otras técnicas de determinación de acimut que emplean dispositivos externos a la plataforma (p. ej., alineación de transferencia) también puede ser indeseable, ya que tales técnicas pueden introducir diversos errores durante el proceso de determinación de azimut, que pueden ser difíciles de rastrear y/o costosos.

[0023] Otras técnicas de determinación de acimut implican el uso de magnetómetros. Los magnetómetros son sensibles a diversas distorsiones, que desvían sus mediciones y provocan que no sean fiables. Algunas distorsiones son el resultado de influencias ambientales en tierra, que incluyen, por ejemplo, los campos magnéticos existentes en el área de lanzamiento, incluidos los creados por el dispositivo de lanzamiento. Estos tipos de distorsiones pueden impedir el uso de un magnetómetro para determinar el acimut en tierra.

[0025] Según el objeto actualmente descrito, se supone que no se realiza la alineación inicial (alineación entre el marco de referencia de IMU y el marco de referencia de navegación). En consecuencia, no está disponible una matriz de transformación respectiva entre el marco de IMU y el marco de navegación. Por lo tanto, el acimut de la plataforma no se puede determinar transformando directamente mediciones de IMU en un marco de referencia de navegación.

[0026] El objeto actualmente descrito incluye un método y un sistema dirigidos a calcular el acimut de una plataforma aerotransportada durante el vuelo basándose en mediciones de IMU, sin utilizar datos GNSS, girocompás o magnetómetros que funcionen en tierra para determinar el acimut.

[0028] Además, según el objeto actualmente descrito, el acimut de la plataforma se puede determinar en caso de que la IMU esté alineada con respecto a la plataforma, así como en caso de que la IMU no esté alineada en montaje con respecto a la plataforma.

[0030] La invención se expone como en el conjunto de reivindicaciones adjunto.

[0032] Breve descripción de los dibujos

[0033] Para entender el objeto actualmente descrito y ver cómo puede llevarse a cabo en la práctica, ahora se describirá el objeto, por medio únicamente de ejemplos no limitativos, haciendo referencia a las figuras adjuntas, en las que:

[0034] la figura 1 ilustra un diagrama en bloque que ilustra esquemáticamente un sistema, según algunos ejemplos del objeto actualmente descrito;

[0036] la figura 2 es una ilustración esquemática de una plataforma que comprende un sistema de navegación, según algunos ejemplos del objeto actualmente descrito;

[0038] la figura 3 es un diagrama de flujo que ilustra operaciones llevadas a cabo para calcular un acimut de vuelo de plataforma, según algunos ejemplos del objeto actualmente descrito; y

[0040] la figura 4 es un diagrama de flujo que ilustra operaciones llevadas a cabo para calcular el acimut de vuelo de plataforma, suponiendo que no se puedan ignorar las distorsiones en las mediciones de campo magnético, según un ejemplo del objeto actualmente descrito.

[0042] Descripción detallada

[0044] En los dibujos y descripciones expuestos, números de referencia idénticos indican aquellos componentes que son comunes a diferentes realizaciones o configuraciones. Los componentes de los dibujos no están necesariamente dibujados a escala.

[0046] A menos que se indique específicamente lo contrario, tal y como resultará evidente a partir de las siguientes exposiciones, se aprecia que, a lo largo de las exposiciones de la memoria descriptiva en las que se utilizan términos tales como “definir”, “obtener”, “calcular”, “transformar”, “determinar”, “designar” o similares, se incluyen acciones y/o procesos de un ordenador que manipulan y/o transforman datos en otros datos, estando dichos datos representados como cantidades físicas tales como, p. ej., cantidades electrónicas, y/o dichos datos que representan los objetos físicos.

[0048] Los términos “ordenador”, “dispositivo informático”, “unidad de control” o similares, según se describen en la presente memoria, deben interpretarse en un sentido amplio como que incluyen cualquier tipo de dispositivo electrónico que tenga un sistema de circuitos de procesamiento de datos, el cual incluye un dispositivo de procesamiento informático que esté configurado y pueda hacerse funcionar para ejecutar instrucciones informáticas almacenadas en, por ejemplo, una memoria de ordenador que esté operativamente conectada al mismo. Entre los ejemplos de un dispositivo de este tipo se incluyen: un procesador de señales digitales (Digital Signal Processor - DSP), un microcontrolador, una matriz de puertas programables in situ (Field Programmable Gate Array - FPGA), un circuito integrado de aplicación específica (Application Specific Integrated Circuit - ASIC), un ordenador portátil, un ordenador personal, un teléfono inteligente, etc.

[0050] Como se usa en la presente memoria, la frase “por ejemplo”, “tal como”, “por ejemplo” y variantes de las mismas describen modalidades no limitativas del objeto actualmente descrito. La referencia en la descripción a “un caso”, “algunos casos”, “otros casos” o variantes de las mismas significa que una característica, estructura o característica particular descrita en relación con la(s) modalidad(es) se incluye en al menos una modalidad del objeto actualmente descrito. Por lo tanto la aparición de la frase “un caso”, “algunos casos”, “otros casos” o variantes de las mismas no se refiere necesariamente a la(s) misma(s) modalidad(es).

[0052] Se apreciará que, ciertas características del objeto expuesto en la presente memoria que se describan, para mayor claridad, en el contexto de unas realizaciones independientes, también pueden proporcionarse en combinación en una sola realización. Por el contrario, diversas características del objeto actualmente descrito, que, por brevedad, se describan en el contexto de una sola realización también pueden proporcionarse por separado o en cualquier subcombinación adecuada.

[0054] En realizaciones del objeto actualmente descrito, pueden ejecutarse más etapas que las mostradas en las figuras 3 y 4. En realizaciones del objeto actualmente descrito, una o más etapas ilustradas en las figuras 3 y 4 pueden ejecutarse en un orden diferente y/o uno o más grupos de etapas pueden ejecutarse simultáneamente. Por ejemplo, las operaciones descritas con referencia a los bloques 305 y 309 en la figura 3 se puede combinar en una salida combinada (una matriz de transformación) y la salida resultante se puede utilizar en el cálculo del bloque 315, es decir, multiplicar la matriz resultante por el vector de campo magnético medido.

[0056] La figura 1 ilustra un esquema general de la disposición funcional de la arquitectura de sistema según ejemplos del objeto actualmente descrito. Los componentes de la figura 1 pueden componerse de cualquier combinación de software, hardware y/o firmware que realice las funciones como se definen y explican en la presente memoria. Los componentes de la figura 1 pueden estar, en algunos ejemplos, centralizados en una ubicación y, en otros ejemplos, dispersos en más de una ubicación. En otros ejemplos del objeto actualmente descrito, el sistema puede comprender menos, más y/o diferentes componentes que los mostrados en la figura 1. Por ejemplo, mientras que la figura 1 muestra un única plataforma (cuerpo) 100 de dispositivo informático y, específicamente, un sistema 200, que puede incluir una pluralidad de ordenadores (que pueden estar interconectados al menos parcialmente), cada uno especializado para ejecutar determinadas operaciones.

[0058] Los términos “marco de IMU”, “marco de sensor de IMU” y “marco de sensor” se utilizan indistintamente en el presente documento.

[0060] El término “marco de referencia de navegación” se utiliza en el presente documento para incluir cualquier marco de referencia con respecto a la Tierra (p. ej., ECEF). Para simplificar, en la siguiente descripción, se sugiere utilizar un marco de referencia local con respecto a la Tierra, tal como North-East-Down (NED) o North-West-Up (NWU), aunque esto no debe interpretarse como limitativo, ya que es posible la transformación de un marco de referencia a otro marco de referencia, como es bien conocido en la técnica. Debe señalarse que cualquier referencia que se haga a NED en la siguiente descripción se hace solo a modo de ejemplo y no debe interpretarse como limitativa.

[0062] Debe señalarse que cualquier asignación de direcciones en un sistema de coordenadas a los ejes X, Y y Z es arbitraria y también se puede implementar una asignación alternativa de los ejes. P. ej., cuando una primera dirección se asigna como eje Y en lugar de eje X, una segunda dirección se asigna como eje Z en lugar de eje Y y una tercera dirección se asigna como eje X en lugar de eje Z.

[0064] Se llama ahora la atención sobre la figura 1 que muestra un diagrama en bloque que ilustra esquemáticamente una plataforma que comprende un sistema de navegación, según algunos ejemplos del objeto actualmente descrito. La plataforma 100 representa esquemáticamente diversos tipos de vehículos aerotransportados que pueden dirigirse para volar en una dirección determinada, p. ej., hacia un objetivo. La plataforma 100 es un misil o un cohete.

[0066] La plataforma 100 comprende un sistema 200 de navegación configurado y operable en general para determinar datos de navegación, incluyendo los datos de navegación un acimut de la plataforma. Según algunos ejemplos del objeto actualmente descrito, el sistema 200 de navegación comprende la IMU 210 que, a su vez, comprende subcomponentes de IMU que incluyen: acelerómetros 201, giroscopios 203 y magnetómetros 205. Cada uno de estos subcomponentes de IMU puede ser un dispositivo de triple eje (tridimensional) que tiene tres componentes respectivos, uno para cada eje, para proporcionar un dispositivo de IMU de 9 grados de libertad.

[0068] En aquellos casos en los que la IMU está alineada en montaje con la plataforma (es decir, se conoce la actitud de la IMU con respecto a una plataforma de transporte), las mediciones de IMU pueden transformarse en el marco de plataforma (basándose en una matriz de transformación adecuada, tal como se conoce en la técnica).

[0070] Según algunos ejemplos del objeto actualmente descrito, la IMU 210 está fijada a la plataforma 100 (p. ej., instalada dentro de la plataforma) sin alinear en montaje la IMU con respecto a la plataforma (denominada en el presente documento “IMU no alineada”). Según otros ejemplos, la IMU 210 está alineada en montaje con respecto a la plataforma.

[0072] En algunos casos, puede desearse abstenerse de ejecutar un proceso de alineación en montaje para determinar la transformación entre el marco de IMU y el marco de plataforma. Esto permite, en algunos casos, utilizar una IMU menos precisa (que, de otro modo, podría haber sido necesaria para el proceso de alineación en montaje) y un proceso de instalación mucho más sencillo y económico del dispositivo de IMU en la plataforma. Además, algunos métodos de alineación en montaje de IMU implican el uso de dispositivos de alineación externos. El uso de dichos dispositivos puede introducir, durante el proceso de alineación, diversos errores de desalineación, que pueden ser difíciles de rastrear. Por lo tanto, puede desearse abstenerse de la alineación de IMU utilizando dispositivos de alineación externos, para evitar tales posibles errores.

[0074] El sistema 200 de navegación puede comprender o estar conectado operativamente de otro modo a uno o más (dos, tres, cuatro, etc.) dispositivos 220 de procesamiento informático que comprenden un sistema de circuitos de procesamiento configurado y operable para calcular los datos de navegación a partir de la entrada de datos de IMU recibida. Específicamente, según el objeto actualmente descrito, el dispositivo 220 de procesamiento informático está configurado y es operable para determinar un acimut de vuelo de la plataforma 100 basándose en mediciones recibidas desde la IMU 210, donde la IMU puede estar alineada en montaje o no alineada.

[0076] El dispositivo 220 de procesamiento informático puede comprender, por ejemplo, un módulo 224 de determinación de acimut configurado y operable para calcular el acimut de la plataforma 100 basándose en mediciones de IMU. Según algunos ejemplos, el dispositivo 220 de procesamiento informático puede comprender, además, o estar conectado operativamente de otro modo al controlador 226 de maniobras de plataforma configurado y operable para generar instrucciones de maniobra dirigidas a controlar el rumbo de la plataforma para mantener su recorrido en la dirección deseada basándose en el acimut calculado. Las instrucciones generadas por el controlador 226 de maniobras de plataforma pueden proporcionarse a uno o más subsistemas 230 de control de plataforma (que incluyen, por ejemplo, un timón de cola u otras plataformas móviles) configurados y operables, en respuesta a las instrucciones, para maniobrar la plataforma en la dirección deseada.

[0077] Debe señalarse que la figura 1 es un diagrama en bloque funcional que muestra solo los componentes funcionales que son relevantes para el objeto actualmente descrito. En realidad, la plataforma 100 comprende muchos otros componentes relacionados con otras funcionalidades de las plataformas (p. ej., el sistema estructural, la fuente de alimentación, diversos sensores, etc.) que no se describen por motivos de simplicidad y brevedad.

[0079] La figura 3 es un diagrama de flujo que ilustra las operaciones relacionadas con un proceso de cálculo de azimut de vuelo, según la invención. Las operaciones descritas con referencia a la figura 3 (así como la figura 4 más adelante) se puede ejecutar, por ejemplo, con la ayuda del sistema 200 descrito anteriormente con referencia a la figura 1. Específicamente, los cálculos realizados como parte del flujo en la figura 3 (y la figura 4) puede ejecutarse, por ejemplo, mediante el dispositivo 220 de procesamiento informático (p. ej., mediante el módulo 224 de determinación de acimut). Sin embargo debe señalarse que cualquier descripción de las operaciones, que se hace con referencia a al menos algunos de los componentes en la figura 1, se hace a modo de ejemplo y solo con fines ilustrativos y no debe interpretarse como limitativa de ningún modo.

[0081] En el bloque 301, se proporciona una IMU (que incluye 9 sensores DOF) en una plataforma aérea en una actitud fija con respecto a la plataforma. Esta operación se puede llevar a cabo, por ejemplo, en la fábrica en el momento de la fabricación, donde, durante la instalación o configuración de la plataforma, se monta una IMU en la plataforma (p. ej., se instala firmemente dentro de la plataforma o se une de otro modo a la misma). Como se ha mencionado anteriormente, según el objeto actualmente descrito, la matriz de transformación del marco de referencia de IMU (en lo sucesivo en el presente documento, “marco de sensor”, abreviado “SF”) al marco de referencia de navegación (abreviado “NF”) no se conoce en esta etapa.

[0083] En el bloque 303, los valores de campo magnético (en 3 ejes) con respecto al NF (MF<NF>; en lo sucesivo en el presente documento, también “MF terrestre”), en el área de vuelo se obtienen. Como es bien sabido en la técnica, se puede obtener un campo magnético en una determinada ubicación de la Tierra basándose en mediciones o basándose en modelos bien conocidos. Por lo tanto, dada un área de vuelo, se puede obtener el campo magnético respectivo en esa ubicación de la Tierra. En particular, el MF<NF>que se utiliza se selecciona según el área de vuelo prevista, y se puede suponer que el campo magnético terrestre no cambia significativamente durante el vuelo.

[0085] Según un ejemplo, esta información puede hacerse accesible al dispositivo 220 de procesamiento informático diseñado para operar en un área determinada de la Tierra. Los datos de MF<NF>se pueden almacenar, por ejemplo, en la memoria 222 de ordenador. Según otro ejemplo, esta información puede proporcionarse al sistema 200 en algún momento después de la fabricación, p. ej., antes del lanzamiento en una ubicación designada en la Tierra. En algunos ejemplos, el sistema 200 puede comprender, además, un módulo de comunicación de algún tipo configurado y operable para comunicarse con un recurso de información externo que proporciona los valores de campo magnético.

[0086] A continuación, se determina el acimut de la plataforma durante el vuelo. El acimut se calcula basándose en una proyección de un eje del marco de sensor inicial (“ISF”, es decir, el marco de sensor de IMU antes del lanzamiento) en un plano P y el cálculo de un ángulo 8<3>entre la proyección y una dirección predefinida en el plano. El plano P es un plano horizontal en el sitio de lanzamiento y la dirección predefinida es la dirección norte, aunque esto no debe interpretarse como limitaivo.

[0088] Se define un marco de referencia (denominado en lo sucesivo en el presente documento “marco auxiliar” y abreviado “AF”). El marco auxiliar se explica con referencia a la figura 2, que muestra una ilustración esquemática de una IMU dentro de una plataforma colocada antes del lanzamiento. El marco de IMU se indica mediante los ejes X<SF>, Y<SF>y Z<SF>. El marco auxiliar se indica mediante los ejes X<AF>, Y<AF>y Z<AF>. Debe señalarse que el eje X<AF>del marco auxiliar representa una proyección de X<ISF>(X de ISF) en un plano horizontal de NF. En los ejemplos actuales, NF es North-East-Down (NED), donde el plano horizontal es el plano X, Y en NED. Como se pueden determinar los ángulos de nivelación, la matriz de transformación de AF a NF incluye solo una variable desconocida, es decir, el ángulo 8<3>, el ángulo entre X<AF>y X<NF>(en el ejemplo actual, dirección norte). En particular, la dirección de eje Z en el marco auxiliar (Z<AF>) coincide con la dirección de gravitación aparente indicada por el eje Z en el marco de navegación, NED (Z<NF>).

[0090] Se determina una matriz de transformación entre el marco auxiliar y el marco de sensor inicial (ISF) basándose en mediciones de aceleración (por la IMU 210) tomadas antes del lanzamiento y la gravitación (bloque 305). Se determina la matriz de transformación de ISF a AF y también se determina la matriz de transposición de AF a ISF. En particular, dado que la operación de determinación de una matriz de transposición es una operación matemática bien conocida, en la siguiente descripción, cualquier cálculo de una matriz supone que la matriz de transposición también está disponible. A continuación, se proporcionan ejemplos de cálculo de la matriz de transformación de AF a ISF.

[0091]

[0094] En donde 7,9 : ángulos de Euler de alabeo y cabeceo según la convención del orden de los ángulos de Euler de aeronave, y se puede calcular de la siguiente manera:

[0097]

[0100] Donde:

[0102] .<+>, .<,>, .<->- mediciones de acelerómetros en SF

[0104] El valor g de gravitación aparente se puede calcular mediante la Ecuación 1.4:

[0107]

[0110] Alternativamente, g puede almacenarse y obtenerse de la memoria 222 de ordenador.

[0112] En el bloque 307, se calcula la dirección de vuelo con respecto a SF. En particular, en las figuras 3 y 4, la operación 307 está asociada con la fase en vuelo (suponiendo una orientación no vertical). Sin embargo, como se muestra a continuación en algunos ejemplos en los que la plataforma supone una orientación vertical, esta operación se puede ejecutar durante la fase previa al vuelo.

[0114] La dirección de vuelo de la plataforma en el marco de IMU se puede determinar basándose en mediciones de aceleración de IMU proporcionadas por acelerómetros 201. En particular, por lo general, se supone que la plataforma (p. ej., un misil) avanza de manera que la nariz de la plataforma y la dirección de vuelo coinciden lo suficiente (con la precisión solicitada). En caso de que la plataforma esté colocada en una orientación sustancialmente vertical, la dirección de vuelo con respecto a SF se puede calcular antes del vuelo y se puede expresar mediante:

[0117]

[0120] Obsérvese la Ecuación 1.4 anterior, donde:

[0122] En caso de que la plataforma esté colocada en una orientación no vertical, esto se puede realizar en la etapa inicial del vuelo inmediatamente después del lanzamiento (p. ej., menos de varios segundos) y se puede expresar mediante:

[0125]

[0128] Donde t es el momento de la medición, y donde

[0131]

[0132] En particular, se realizan mediciones de IMU adicionales en caso de una orientación no vertical.

[0134] Según algunos ejemplos, la información que indica si la plataforma se ubica o no en una orientación vertical antes del lanzamiento puede almacenarse en la memoria 222 de ordenador y utilizarse en el momento del cálculo.

[0136] En algunos ejemplos, en el caso de que la plataforma esté colocada en orientación vertical, se pueden implementar ambas mediciones de aceleración antes y después del despegue, p. ej., para validar la dirección de vuelo determinada y/o mejorar la precisión. Debe señalarse que se pueden almacenar las mediciones de aceleración de IMU tomadas antes del lanzamiento o inmediatamente después del lanzamiento y se puede realizar el cálculo real en etapas posteriores del proceso antes de que se realice el cálculo de la dirección de vuelo con respecto a NF.

[0138] Si la IMU está alineada en montaje con la plataforma (cuerpo), es decir, si se conoce

, la dirección de vuelo en el marco de sensor se puede determinar mediante:

[0141]

[0144] Los cálculos según las Ecuaciones 2.1 y 2.2 también se pueden implementar cuando la IMU está alineada en montaje, p. ej., con fines de precisión y/o confirmación.

[0146] Mientras la plataforma es aerotransportada, se calcula la matriz de transformación de ISF (SF antes del despegue) a una SF actual (SF en un instante t de tiempo durante el vuelo) (bloque 309). Como se conoce en la técnica, esto se puede lograr basándose en mediciones de velocidad angular de IMU (medidas mediante giroscopios 203 de IMU).

[0147] Además, durante el vuelo, los valores del campo magnético en el marco de sensor (MF<SF>) en un instante t de tiempo se miden mediante magnetómetros 205 (bloque 311). Estas mediciones se realizan al menos una vez y, como se explica más adelante, en algunos casos se repiten varias veces durante un vuelo, en varias instancias de tiempo. Debe señalarse que, a diferencia de los valores de MF<NF>en el área de vuelo, que se proporcionan en NF (véase el bloque 303 anterior), aquí las mediciones de MF<SF>se miden y proporcionan en SF.

[0149] Como se ha mencionado anteriormente, los magnetómetros sufren distorsiones que desvían sus mediciones. Además de las distorsiones mencionadas anteriormente resultantes de las influencias ambientales en tierra en el área de lanzamiento, dentro de la plataforma se producen otras distorsiones que influyen en las mediciones de campo magnético (incluida la distorsión por hierro duro y la distorsión por hierro blando, como se conoce en la técnica). Además, los magnetómetros pueden sufrir un error interno (p. ej., sesgos de sensor, errores de factor de escala, etc.).

[0150] Las distorsiones resultantes de las influencias ambientales en tierra (p. ej., en el área de lanzamiento) se atenúan en los magnetómetros que operan en una plataforma después del lanzamiento mientras se aerotransportan. Además, al menos algunas de las otras distorsiones pueden estimarse y/o atenuarse de otras maneras. Por lo tanto, las mediciones de MF<SF>obtenidas durante el vuelo pueden rectificarse y, a continuación, utilizarse como se describe en el presente documento. El siguiente proceso supone distorsiones insignificantes en las mediciones de MF<SF>. Una variación de este proceso, que supone que las distorsiones en las mediciones de MF<SF>no pueden considerarse insignificantes, se describe a continuación con referencia a la figura 4.

[0152] En el bloque 313, el MF en ISF (MF<ISF>) se calcula basándose en el MF<SF>medido en el tiempo t. Esto se puede lograr basándose en la matriz de transformación del SF actual al ISF expresada mediante , que se ha determinado anteriormente (véase el bloque 309), y su multiplicación por el MF<SF>medido en el tiempo t (multiplicación de vectores matriciales). Debe señalarse que el cálculo de la matriz de transformación del SF actual al ISF se realiza repetidamente (p. ej., en el tiempo t cuando se miden los valores de MF<SF>de campo magnético) y se utiliza durante el cálculo de MF en ISF.

[0154] El cálculo de los valores de campo magnético en ISF se puede expresar mediante la Ecuación 3:

[0157]

[0160] En donde:

[0161]

ediciones de campo magnético (MF<SF>); y

[0163] - valores de campo magnético (MF<ISF>).

[0164] En el bloque 315, el MFAF en el tiempo t en el marco auxiliar AF se calcula basándose en los valores de MF<ISF>calculados en el tiempo t en ISF y la matriz de transformación de ISF a AF determinada anteriormente (véase el bloque 305).

[0165] El cálculo de los valores de campo magnético en AF se puede expresar mediante la Ecuación 4:

[0168]

[0170] Donde

valores de campo magnético (MF<AF>).

[0171] En el bloque 317, se calcula una matriz de transformación de NF a AF basándose en el MF en AF (conocido por la operación anterior 315) y el MF en NF obtenido anteriormente (véase el bloque 303). Como se ha mencionado anteriormente, la matriz de transformación de AF a NF incluye una única variable desconocida, es decir, el ángulo 8<3>.

[0172] La expresión de la matriz de transformación de NF a AF se puede expresar mediante:

- valores de campo magnético terrestre (MF<NF>) obtenidos.

[0175]

[0177] Ahora, se puede calcular 8<3>.

[0178] En el bloque 319, la matriz de transformación de NF a SF se calcula basándose en la salida obtenida de la operación descrita anteriormente con referencia a 305, 309, 317.

[0179] El cálculo de una matriz de transformación de NF a SF se expresa mediante la Ecuación 6:

[0181]

[0183] Una vez que se conoce la matriz de transformación de NF a SF, se calcula la dirección de vuelo con respecto a NF (bloque 321). Esto se puede lograr transformando la dirección de vuelo calculada en SF a NF utilizando la matriz de transformación calculada en 319.

[0184] El cálculo de la dirección de vuelo con respecto a NF se expresa mediante la Ecuación 7:

[0187]

[0189] En el bloque 323, el acimut de la plataforma se calcula basándose en la dirección de vuelo en NF, que se puede calcular, por ejemplo, mediante la Ecuación 8:

[0191]

[0193] En algunos ejemplos, el acimut calculado se puede utilizar para generar instrucciones de maniobra para controlar la plataforma y dirigir su vuelo en una dirección deseada (p. ej., mediante el controlador 226 de maniobras de plataforma que proporciona instrucciones al subsistema 230 de control de plataforma). En otros ejemplos, la plataforma puede destruirse o desviarse en caso de que el acimut indique una desviación de la plataforma con respecto a un área de vuelo permitida, p. ej., por motivos de seguridad.

[0194] Como se ha mencionado anteriormente, se pueden estimar diversas distorsiones de las mediciones de campo magnético para reducir su efecto negativo en el resultado calculado.

[0195] Debido a que las mediciones de campo magnético pueden no ser precisas (es decir, sufrir diferentes errores tales como: sesgos, factores de escala, distorsiones por hierro duro y blando, como se ha mencionado anteriormente), se puede utilizar una pluralidad de mediciones de campo magnético en diferentes momentos para generar una pluralidad de ecuaciones que se pueden resolver para permitir la rectificación de errores.

[0196] La figura 4 es un diagrama de flujo que ilustra operaciones llevadas a cabo para calcular el acimut de vuelo de plataforma, suponiendo que no se puedan ignorar las distorsiones en MF<SF>, según un ejemplo del objeto actualmente descrito. En particular, el siguiente es un ejemplo destinado a rectificar algunas de las posibles distorsiones. Se pueden utilizar mediciones adicionales para rectificar también las distorsiones adicionales.

[0197] Las operaciones mencionadas con respecto a los bloques 301, 303, 305, 307, 309 en la figura 4 se ejecutan de la misma manera que la descrita anteriormente con referencia a la figura 3.

[0198] En el bloque 401, los valores de campo magnético (MF<SF>) se miden en múltiples instancias de tiempo para obtener múltiples mediciones de MF<SF>y se generan las ecuaciones correspondientes para una medición respectiva.

[0199] Según algunos ejemplos, se almacenan múltiples mediciones de MF<SF>en la memoria 222 de ordenador. Cuando el número de mediciones es suficiente para el cálculo de acimut, los valores de MF<SF>medidos almacenados en la memoria de ordenador se utilizan para calcular el acimut. En algunos ejemplos, se comparan las orientaciones durante diferentes mediciones de MF<SF>(p. ej., basándose en la matriz de transformación ) para confirmar que hay suficientes mediciones de MF<SF>tomadas en diferentes orientaciones para proporcionar las ecuaciones independientes necesarias para el cálculo.

[0200] El siguiente es un ejemplo no limitativo de un cálculo de 8<3>teniendo en cuenta diversos errores de campo magnético (distorsiones).

[0202] Mediciones de campo magnético en MF<SF>antes de la rectificación de errores:

[0203] Campo magnético real en el marco de sensor (es decir, campo magnético real dentro del cuerpo):

[0204]

[0206] Los valores de campo magnético terrestre fuera de la plataforma (es decir, sin la influencia de los errores inducidos dentro del cuerpo) en el marco de sensor se expresan mediante:

[0207] Sesgos de magnetómetro:

[0208] /<+>$ /<,>$ /-Factores de escala de magnetómetro:

[0209] 1<*+>$ 1<*,>$ 1<*->

[0210] Factores de atenuación de campo magnético de plataforma:

[0211] 1<%+>$ 1<%,>$ 1<%->Campo magnético de plataforma:

[0212] 0<+>$ 0<,>$ 0-La Ecuación 9.1 muestra una relación entre el campo magnético real dentro de la plataforma (cuerpo) en el marco de sensor y el campo magnético medido en el marco de sensor:

[0215]

[0217] La influencia de los sesgos /<+>$ /<,>$ /<->y los factores de escala 1<*+>$ 1<*,>$ 1<*->$ que son inducidos internamente, se tienen en cuenta en la Ecuación 9.1.

[0218] La Ecuación 9.2 muestra una relación entre el campo magnético real dentro de la plataforma (cuerpo) en el marco de sensor y el campo magnético fuera de la plataforma en el marco de sensor:

[0221]

[0223] La influencia de la atenuación por parte del cuerpo 1<%+>$ 1<%,>$ 1<%->y el campo magnético constante 0<+>$ 0<,>$ 0-$ que son inducidos internamente (dentro del cuerpo), se tienen en cuenta en la Ecuación 9.2.

[0224] Basándose en las Ecuaciones 9.1 y 9.2, la Ecuación 9.3 muestra una relación entre un campo magnético medido en el marco de sensor y el campo magnético terrestre en el marco de sensor:

[0227]

[0229] La expresión del campo magnético real en el lado derecho de la Ecuación 9.1 se reemplaza por el campo magnético real dentro de la plataforma en la Ecuación 9.2

[0230] Designar:

[0233]

[0235] Reescribir la Ecuación 9.3 y generar la Ecuación 9.4:

[0236]

[0238] Designar:

[0241]

[0243] Reescribir la Ecuación 9.4 y generar la Ecuación 9.5:

[0246]

[0248] Reescribir la Ecuación 9.5 con campo magnético de NF

[0251]

[0253] Como se explicó anteriormente con respecto a la ecuación 5.1:

[0256]

[0258] y

[0259] El cálculo de se explica con referencia al bloque 309

[0260] El cálculo de se explica con referencia al bloque 305

[0261] La Ecuación 5.1 se fusiona con la Ecuación 9.5 expresada mediante la Ecuación 9.6:

[0264]

[0266] Las operaciones descritas anteriormente con respecto a los bloques 313 a 317 para el cálculo de 8<*>se expresan mediante la Ecuación 9.6.

[0267] El número de mediciones de MF<SF>requeridas depende del número de incógnitas, lo que dicta un número mínimo de ecuaciones del tipo 9.6 que son necesarias. En particular, suponiendo que se observe un cambio en la orientación entre las mediciones, cada medición de MF puede proporcionar tres ecuaciones, cada una basándose en un eje de marco de sensor respectivo.

[0269] El proceso descrito anteriormente permite determinar el número de incógnitas y, en consecuencia, estimar el número de mediciones de MF<SF>requeridas. En los ejemplos actuales, en los que hay 7 variables (11<4>, 11<5>, 11<6>, 10/1<4>, 10/1<5>, 10/1<6>, 8<3>) se necesitan al menos tres mediciones de MF<SF>, cada una tomada en una orientación de marco de sensor diferente. Debe señalarse que aumentar el número de mediciones y el número de ecuaciones respectivas puede mejorar la precisión de los cálculos. Por lo tanto, en algunos ejemplos, se puede utilizar una redundancia de mediciones y ecuaciones respectivas.

[0271] En el bloque 403, el conjunto de ecuaciones se resuelve determinar 8<3>.

[0273] Una vez que se calcula 8<3>, la matriz de transformación de NF a SF se determina como se ha descrito anteriormente con referencia al bloque 319 en la figura 3, utilizando la Ecuación 6. La dirección de vuelo en NF y el acimut se calculan como se ha descrito anteriormente con referencia a los bloques 321 y 323 para determinar el acimut de vuelo.

[0274] También se entenderá que el sistema según el objeto actualmente descrito puede ser un ordenador programado adecuadamente. De la misma manera, el objeto actualmente descrito contempla un programa informático que es legible por ordenador para ejecutar el método del objeto actualmente descrito. El objeto actualmente descrito contempla además una memoria de ordenador no transitoria legible por máquina que incorpora tangiblemente un programa de instrucciones ejecutable por la máquina para ejecutar el método del objeto actualmente descrito.

[0275] Debe entenderse que el objeto actualmente descrito, que está limitado por el objeto como se define en las reivindicaciones adjuntas, no se limita en su aplicación a los detalles expuestos en la descripción contenida en la presente descripción o ilustrados en los dibujos. El objeto actualmente descrito es capaz de otras modalidades y de practicarse y llevarse a cabo de varias maneras. Por lo tanto, debe entenderse que la fraseología y la terminología empleadas en la presente memoria tienen el fin de descripción y no deben considerarse como limitativas. Como tal, los expertos en la técnica apreciarán que la concepción en la que se basa esta descripción puede utilizarse fácilmente como una base para diseñar otras estructuras, métodos y sistemas para llevar a cabo los diversos fines del presente objeto actualmente descrito.

Claims

1. REIVINDICACIONES

1. Un método implementado por ordenador para la determinación en vuelo de un acimut de una plataforma aérea que es un misil o un cohete, comprendiendo la plataforma aérea una IMU (210) conectada operativamente a al menos un dispositivo informático (220); el método que comprende:

obtener datos indicativos del campo magnético terrestre en el marco (MF<NF>) de navegación en un área de vuelo de la plataforma aérea (303);

definir un marco de referencia auxiliar que comprende un eje X<AF>que es una proyección de un eje de marco de sensor inicial en un plano definido por dos de un eje de marco de navegación, siendo el plano un plano horizontal, en donde 8<3>es un ángulo en el plano entre la proyección X<AF>y una dirección predefinida en el plano, y en donde un eje Z<AF>coincide con la dirección de gravitación aparente indicada por un eje Z<NF>del marco de navegación, y determinar una matriz de transformación entre el marco de referencia auxiliar y el marco de sensor inicial basándose en mediciones de gravitación y aceleración tomadas antes del lanzamiento en tierra, en donde las mediciones de aceleración las proporcionan unos acelerómetros (305) de IMU;

cuando la plataforma se coloca en una orientación sustancialmente vertical antes del lanzamiento, utilizar acelerómetros de IMU mientras está en tierra y la gravitación para determinar una dirección de vuelo en el marco de sensor y, cuando la plataforma se coloca en una orientación no vertical antes del lanzamiento, utilizar acelerómetros de IMU inmediatamente después del lanzamiento para determinar la dirección de vuelo en el marco (307) de sensor;

durante una fase en vuelo:

determinar la transformación del marco de sensor inicial al marco de sensor actual basándose en mediciones (309) de giroscopio en vuelo de IMU;

utilizar magnetómetros (205) de IMU para obtener mediciones de campo magnético en el marco (311) de sensor;

calcular valores de campo magnético en el marco de sensor inicial basándose en mediciones de campo magnético en el marco de sensor y en la transformación del marco de sensor inicial al marco (313) de sensor actual;

utilizar el al menos un dispositivo informático para calcular valores de campo magnético en el marco de referencia auxiliar basándose en las mediciones de campo magnético en el marco de sensor inicial y la matriz de transformación entre el marco de referencia auxiliar y el marco (315) de sensor inicial;

utilizar el al menos un dispositivo informático para calcular un ángulo 8<3>basándose en valores de campo magnético en el marco de referencia auxiliar y el campo magnético terrestre en el área (317) de vuelo, y obtener así una matriz de transformación del marco de sensor al marco (319) de marco de navegación ; y

utilizar el al menos un dispositivo informático (220) para calcular el acimut de la plataforma basándose en la dirección de vuelo en el marco de sensor de la IMU (210) y la matriz (323) de transformación .

2. El método de la reivindicación 1, en donde el marco de sensor no está alineado con el marco de plataforma.

3. El método de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde, para rectificar las distorsiones en las mediciones de campo magnético en vuelo, el método comprende, además:

utilizar los magnetómetros (205) de IMU para realizar múltiples mediciones de campo magnético en vuelo, cada una tomada en un momento diferente; generar ecuaciones que comprenden:

Donde:

11<+>, 11<,>, 11<->son valores de factor de escala de magnetómetro;

son valores de campo magnético medidos;

es una matriz de transformación del marco de sensor al marco de sensor inicial;

es una matriz de transformación del marco de sensor inicial al marco auxiliar;

es una matriz de transformación del marco auxiliar al marco de navegación;

son valores de campo magnético terrestre; y

10/1<+>, 10/1<,>, 10/1<->son valores de sesgo de magnetómetro;

cada ecuación se basa en una medición de campo magnético en vuelo respectiva y presenta una relación entre la medición de campo magnético en vuelo respectiva, una o más distorsiones y el campo magnético terrestre; y resolver las ecuaciones para calcular el ángulo 8<3>, teniendo en cuenta las una o más distorsiones.

4. El método de la reivindicación 3, en donde cada medición de campo magnético en vuelo se realiza mientras la IMU (210) adopta una orientación diferente, y en donde el número de mediciones de campo magnético en vuelo se basa en el número de una o más distorsiones, para proporcionar así suficientes ecuaciones independientes necesarias para rectificar las una o más distorsiones.

5. El método de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende, además, controlar el vuelo de la plataforma basándose en el acimut calculado.

6. Un sistema de navegación que se puede montar en una plataforma aérea y configurado para la determinación en vuelo de un acimut de la plataforma aérea, siendo la plataforma aérea un misil o un cohete, comprendiendo el sistema de navegación una IMU (210) fijada a la plataforma y que está conectada operativamente a al menos un dispositivo informático que comprende al menos un procesador, el sistema de navegación está configurado para:

obtener datos indicativos del campo magnético terrestre en el marco de navegación en un área de vuelo de la plataforma aérea;

utilizar el al menos un dispositivo informático para definir un marco de referencia auxiliar que comprende un eje X<AF>que es una proyección de un eje de marco de sensor inicial en un plano definido por dos de un eje de marco de navegación, siendo el plano un plano horizontal, en donde 8<3>es un ángulo en el plano entre la proyección X<AF>y una dirección predefinida en el plano, y en donde un eje Z<AF>coincide con la dirección de gravitación aparente indicada por un eje Z<NF>del marco de navegación, y determinar una matriz de transformación entre el marco de referencia auxiliar y el marco de sensor inicial basándose en mediciones de gravitación y aceleración tomadas antes del lanzamiento en tierra, donde las mediciones de aceleración las proporcionan unos acelerómetros de IMU;

cuando la plataforma se coloca en una orientación sustancialmente vertical antes del lanzamiento, utilizar acelerómetros de IMU mientras está en tierra y la gravitación para determinar una dirección de vuelo en el marco de sensor y, cuando la plataforma se coloca en una orientación no vertical antes del lanzamiento, utilizar acelerómetros de IMU inmediatamente después del lanzamiento para determinar la dirección de vuelo en el marco de sensor;

durante una fase en vuelo:

utilizar giroscopios de IMU para obtener mediciones de giroscopio en vuelo y determinar la transformación del marco de sensor inicial al marco de sensor actual basándose en las mediciones de giroscopio en vuelo;

utilizar magnetómetros (205) de IMU para obtener mediciones de campo magnético en el marco de sensor;

utilizar el al menos un dispositivo informático para calcular valores de campo magnético en el marco de referencia auxiliar basándose en las mediciones de campo magnético en el marco de sensor inicial y la matriz de transformación entre el marco de referencia auxiliar y el marco de sensor inicial;

utilizar el al menos un dispositivo informático para calcular un ángulo 8<3>basándose en valores de campo magnético en el marco de referencia auxiliar y el campo magnético terrestre en el área de vuelo, y obtener así una matriz de transformación del marco de sensor al marco de navegación ; y

utilizar el al menos un dispositivo informático (220) para calcular el acimut de la plataforma basándose en la dirección de vuelo en el marco de sensor de la IMU (210) y la matriz de transformación .

7. El sistema de navegación de la reivindicación 6, en donde el marco de sensor no está alineado con el marco de plataforma.

8. El sistema de navegación de una cualquiera de las reivindicaciones 6 a 7, configurado, además, para rectificar las distorsiones en las mediciones de campo magnético en vuelo, para:

utilizar los magnetómetros (205) de IMU para realizar múltiples mediciones de campo magnético en vuelo, cada una tomada en momentos diferentes; y el al menos el dispositivo informático está configurado para: generar ecuaciones:

Donde:

11<+>, 11<,>, 11<->son valores de factor de escala de magnetómetro;

son valores de campo magnético medidos;

es una matriz de transformación del marco de sensor inicial al marco auxiliar;

es una matriz de transformación del marco auxiliar al marco de navegación;

son valores de campo magnético terrestre; y

10/1<+>, 10/1<,>, 10/1<->son valores de sesgo de magnetómetro;

cada ecuación se basa en una medición de campo magnético en vuelo respectiva y presenta una relación entre la medición de campo magnético en vuelo respectiva, una o más distorsiones y el campo magnético terrestre; y resolver las ecuaciones para calcular así el ángulo 8<3>teniendo en cuenta las una o más distorsiones.

9. El sistema de navegación de la reivindicación 8, en donde cada medición de campo magnético en vuelo se realiza mientras la IMU (210) adopta una orientación diferente, y en donde el número de mediciones de campo magnético en vuelo se basa en el número de una o más distorsiones, para proporcionar así suficientes ecuaciones independientes necesarias para rectificar las una o más distorsiones.

10. Un dispositivo de almacenamiento de programas no transitorio legible por un ordenador, que incorpora de manera tangible un programa de instrucciones ejecutables por el ordenador para realizar un método de determinación en vuelo de un acimut de una plataforma aérea según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5.