數(shù)據(jù)融合體系結構的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了具有多個傳感器，任選的位置測量裝置(PME)，的數(shù)據(jù)融合體系結構。每個傳感器提供測量數(shù)據(jù)x1,x2…xM并與表示所提供的測量數(shù)據(jù)精確度的精確度數(shù)據(jù)H1,H2…HM相關。子處理單元導出相應傳感器提供的測量數(shù)據(jù)變異性的第一估算sf1,sf2…sfM和第二估算Hn1,Hn2…HnM。第一估算是通過處理測量數(shù)據(jù)x1,x2…xM而導出的，第二估算是通過處理精確度數(shù)據(jù)H1,H2…HM而導出的。第一和第二估算在乘法器中結合，以導出相應傳感器提供的測量數(shù)據(jù)的變異性的總估算σ1,σ2…σM。例如卡爾曼濾波器的數(shù)據(jù)融合裝置將每個傳感器提供的測量數(shù)據(jù)和每個傳感器的總估算σ1,σ2…σM相結合。
【專利說明】數(shù)據(jù)融合體系結構
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及用于數(shù)據(jù)融合即將來自于兩個或更多源的數(shù)據(jù)或測量相結合的體系結構。這種體系結構可被用作需要將來自多個傳感器的數(shù)據(jù)相結合的任何系統(tǒng)的一部分，包括用于海事船舶的動力定位(DP)系統(tǒng)，其中使用推進器以逆著例如風和水流的環(huán)境力保持船舶的位置在參考點的附近并穩(wěn)固其艏向。
[0002]術語“海事船舶”意在包括船只、鉆機和任何其他的表面前進的(surface-going)船舶或平臺或者為潛水器(潛水艇)船舶。
【背景技術】
[0003]動力定位(DP)系統(tǒng)的基本組件是:一個或多個用于測量船舶位置和艏向的位置參考系統(tǒng)；用于施加控制動作(control action)的推進器；和用于確定所需推力的控制器。DP系統(tǒng)的目的不是保持船舶絕對地靜止，而是保持其停泊地在可接受的限度內。允許的位置變化的幅度取決于應用和運行因素(operational concerns)。在很多應用中，在容許限度之外的迷航可對人或裝備的安全性或者對環(huán)境具有嚴重的影響。因此，合理的盡可能地采取恰當?shù)拇胧┮员３諨P系統(tǒng)的完整性是至關重要的。
[0004]DP系統(tǒng)將無論什么源的所有可用的位置測量結合為船舶位置的單一估算。結合可用測量的過程可被稱為“數(shù)據(jù)融合”。
[0005]測量的來源可包括多種多樣的位置測量裝備(PME)，如陀螺羅經(jīng)(其不依賴外界干擾，提供船舶艏向(艏搖)的簡潔的、可靠的、精確的測量)，繃緊索(taut wire)，衛(wèi)星導航系統(tǒng)(包括全球定位系統(tǒng)(GPS)和差分GPS (DGPS))，慣性導航系統(tǒng)(INS)和水聲定位系統(tǒng)。
[0006]不同的PME通常提供的測量數(shù)據(jù)的精確度不同。主要的區(qū)別是測量數(shù)據(jù)的噪聲級。例如，DGPS系統(tǒng)可提供具有0.3m標準偏差的噪聲的位置測量，而水聲定位系統(tǒng)可提供具有5m標準偏差的噪聲的位置測量。由于DP系統(tǒng)用于冗余的目的通常將需要使用所有的可用測量數(shù)據(jù)，它必須執(zhí)行數(shù)據(jù)融合處理。代表性地，數(shù)據(jù)融合處理將以每個PME提供的測量數(shù)據(jù)的精確度為基礎，使用某種形式的加權。這確保了相比于提供高品質測量數(shù)據(jù)的PME，提供低品質測量數(shù)據(jù)的PME (即噪聲PME)將對由數(shù)據(jù)融合處理獲得的位置估算產生較小的影響。
[0007]由特定PME提供的測量數(shù)據(jù)的精確度可能不總是恒定的。例如，DGPS提供的位置測量的噪聲將取決于在任何特定時間對接收器可見的衛(wèi)星的數(shù)目和散布距離。水聲定位系統(tǒng)提供的位置測量的噪聲取決于水深和部署在海底的應答器的數(shù)目。因此，已知的DP系統(tǒng)保持對由每個PME提供的測量數(shù)據(jù)的精確度的估算，以便確定數(shù)據(jù)融合處理的相對加權。典型地，使用在一分鐘或更長時間段收集的測量數(shù)據(jù)，可計算這種精確度估算。由于依賴于之前的位置測量，精確度估算對PME行為的突變響應緩慢，例如當DGPS的接收器由于陰影而看不見許多衛(wèi)星時。

【發(fā)明內容】
[0008]本發(fā)明提供了改進的體系結構，包括:
[0009]多個傳感器，每個傳感器提供測量數(shù)據(jù)并與表示所提供測量數(shù)據(jù)的精確度的精確度數(shù)據(jù)相關；
[0010]每個傳感器與用于導出第一估算的裝置、用于導出第二估算的裝置和用于結合第一估算和第二估算的裝置相關，用于導出第一估算的裝置通過處理相應傳感器提供的測量數(shù)據(jù)，導出相應傳感器提供的測量數(shù)據(jù)的變異性的第一估算；用于導出第二估算的裝置通過處理與相應傳感器相關的精確度數(shù)據(jù)，導出相應傳感器提供的測量數(shù)據(jù)的變異性的第二估算；用于結合第一估算和第二估算的裝置將第一和第二估算結合以導出相應傳感器提供的測量數(shù)據(jù)的變異性的總估算；和
[0011]用于結合的裝置，如在數(shù)據(jù)融合處理中，該裝置將每個傳感器提供的測量數(shù)據(jù)和每個傳感器的總估算結合，。
[0012]如下面更多細節(jié)所描述的，該結合裝置使用每個傳感器的總估算來確定給向每一傳感器提供的測量數(shù)據(jù)的相對加權，即作為數(shù)據(jù)融合處理的一部分。
[0013]典型地，每個傳感器將以特定的更新間隔，如每秒鐘一次測量，提供各個測量。典型地，測量數(shù)據(jù)由電纜，通常使用處理單元和包括各種傳感器的測量單元之間的串行鏈路，提供給處理單元。處理單元將運行用于導出總估算的軟件。典型地，處理單元將以由軟件確定的其自己的更新間隔導出總估算。換言之，總估算是作為時間的函數(shù)而導出的，并典型地以相同的更新間隔被用在數(shù)據(jù)融合處理中。通常，測量單元更新間隔(即傳感器的更新間隔)并且處理單元的更新間隔是相同的，但是他們也可不同。處理單元可使用儲存的測量數(shù)據(jù)，即已經(jīng)被提供給處理單元并儲存在緩沖器中的先前測量，也可以使用已由相應傳感器提供的最近的測量。
[0014]精確度數(shù)據(jù)還能以特定的更新間隔被提供?？赏ㄟ^相應的傳感器或其他裝置直接提供表示測量精確度的精確度數(shù)據(jù)。例如，可通過一傳感器提供精確度數(shù)據(jù)，該傳感器不同于提供測量數(shù)據(jù)的傳感器，但是可提供某些可能影響測量數(shù)據(jù)噪聲的環(huán)境條件的表示。
[0015]數(shù)據(jù)融合處理可結合不同類型的測量數(shù)據(jù)。例如，卡爾曼濾波器可用于結合速率和位置的測量。因此，提出的體系結構可使用提供不同類型測量數(shù)據(jù)的傳感器。
[0016]一個或多個傳感器可以是位置測量裝備(PME)。體系結構適合于與大量的PME共同使用，尤其包括提供長基線(LBL)位置測量和/或超短基線(USBL)位置測量的水聲定位系統(tǒng)，提供GPS或差分GPS(DGPS)位置測量的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，基于激光的系統(tǒng)，基于無線電的系統(tǒng)，基于雷達的系統(tǒng)，機械系統(tǒng)(繃緊索)等。PME提供的位置測量可以是緯度/經(jīng)度，北距/東西距，航程/方位或任何其他適當?shù)母袷?。體系結構可使用不同類型PME(或其他的傳感器)和不同位置測量數(shù)據(jù)格式的結合。
[0017]體系結構可形成使用數(shù)據(jù)融合處理的輸出的較大系統(tǒng)的一部分。例如，體系結構可形成海事船舶的動力定位(DP)系統(tǒng)的一部分，其中數(shù)據(jù)融合處理的輸出被用于控制推進器逆著例如風和水流的環(huán)境力使海事船舶的位置保持在參考點的附近并穩(wěn)固其艏向。體系結構可形成導航系統(tǒng)的一部分，任選地用于飛機上，其中可通過不同的傳感器提供三維空間(緯度，經(jīng)度和高程)的位置和三軸空間(縱搖，橫搖，艏搖)的姿態(tài)，如GPS，慣性導航系統(tǒng)和陀螺羅經(jīng)。體系結構可形成測量系統(tǒng)的一部分，任選地用于測量海事船舶上罐內的液面，其中可通過不同傳感器提供測量，如壓力傳感器和超聲波傳感器。[0018]變異性的第一估算
[0019]用于導出第一估算的裝置可以，例如，計算相應傳感器提供的一系列測量的標準偏差。換言之，可根據(jù)其標準偏差估算測量數(shù)據(jù)的變異性，容易理解的是，這提供了各個測量偏離該裝置多少的表示。
[0020]用于導出第一估算的裝置可被實現(xiàn)為處理單元的功能塊。測量數(shù)據(jù)變異性的第一估算可由功能塊以處理單元的更新間隔產生。
[0021]在被功能塊處理之前，每個傳感器提供的之前的測量可被儲存或保存在緩沖器內。
[0022]那么對于以固定的更新間隔間隔δ秒提供測量的傳感器i，在時間t，可使用下列標準方程式計算最后N個測量Xi (t)...Xi (t- (N-1) δ )的標準偏差Si (t):
【權利要求】
1.一種體系結構,包括: 多個傳感器，每個傳感器提供測量數(shù)據(jù)并與表示所提供測量數(shù)據(jù)的精確度的精確度數(shù)據(jù)相關； 每個傳感器與用于導出第一估算的裝置、用于導出第二估算的裝置和用于結合第一估算和第二估算的裝置相關，用于導出第一估算的裝置通過處理由相應傳感器提供的測量數(shù)據(jù)，導出相應傳感器提供的測量數(shù)據(jù)的變異性的第一估算；用于導出第二估算的裝置通過處理與相應傳感器相關的精確度數(shù)據(jù)，導出相應傳感器提供的測量數(shù)據(jù)的變異性的第二估算；用于結合第一估算和第二估算的裝置將第一和第二估算結合以導出相應傳感器提供的測量數(shù)據(jù)的變異性的總估算；和 用于結合的裝置，該裝置將每個傳感器提供的測量數(shù)據(jù)和每個傳感器的總估算結合。
2.根據(jù)權利要求1所述的體系結構，其中該多個傳感器包括不同類型傳感器和/或不同類型測量數(shù)據(jù)格式的結合。
3.根據(jù)權利要求1所述的體系結構，其中用于導出第一估算的裝置導出在水平面內測量數(shù)據(jù)變異性的估算。
4.根據(jù)權利要求3所述的體系結構，其中第一估算是測量數(shù)據(jù)的標準偏差，該測量數(shù)據(jù)是由相應傳感器以兩軸，或測量數(shù)據(jù)的誤差橢圓的大小和取向提供。
5.根據(jù)權利要求1所述的體系結構，其中每個傳感器進一步與用于導出第一估算的濾波版本的裝置相關。
6.根據(jù)權利要求5所述的體系結構，其中用于導出第一估算的濾波版本的裝置是第一低通濾波器。`
7.根據(jù)權利要求1所述的體系結構，其中用于導出第二估算的裝置包括，用于導出由相應傳感器提供的精確度數(shù)據(jù)的濾波版本的裝置，和用于將精確度數(shù)據(jù)除以精確度數(shù)據(jù)的濾波版本的裝置。
8.根據(jù)權利要求7所述的體系結構，其中第二估算是相應傳感器提供的精確度數(shù)據(jù)的規(guī)范化的濾波版本。
9.根據(jù)權利要求7所述的體系結構，其中用于導出精確度數(shù)據(jù)濾波版本的裝置是第二低通濾波器。
10.根據(jù)權利要求6所述的體系結構，其中用于導出第二估算的裝置包括用于導出和相應傳感器相關的精確度數(shù)據(jù)的濾波版本的第二低通濾波器，和用于將精確度數(shù)據(jù)除以精確度數(shù)據(jù)的濾波版本的裝置，第一和第二低通濾波器具有大體相同的濾波器特征。
11.根據(jù)權利要求1所述的體系結構，其中用于將每個傳感器提供的測量數(shù)據(jù)和每個傳感器的總估算相結合的裝置是卡爾曼濾波器。
12.根據(jù)權利要求1所述的體系結構，其中用于將每個傳感器提供的測量數(shù)據(jù)和每個傳感器的總估算相結合的裝置使用加權平均技術。
13.根據(jù)權利要求1所述的體系結構，其中傳感器是位置測量裝備。
14.用于使用體系結構的海事船舶動力定位系統(tǒng)，包括: 多個傳感器，每個傳感器提供測量數(shù)據(jù)并與表示所提供測量數(shù)據(jù)的精確度的精確度數(shù)據(jù)相關； 每個傳感器與用于導出第一估算的裝置、用于導出第二估算的裝置和用于結合第一估算和第二估算的裝置相關，用于導出第一估算的裝置通過處理由相應傳感器提供的測量數(shù)據(jù)，導出相應傳感器提供的測量數(shù)據(jù)的變異性的第一估算；用于導出第二估算的裝置通過處理與相應傳感器相關的精確度數(shù)據(jù)，導出相應傳感器提供的測量數(shù)據(jù)的變異性的第二估算；用于結合第一估算和第二估算的裝置將第一和第二估算結合以導出相應傳感器提供的測量數(shù)據(jù)的變異性的總估算；和 用于結合的裝置，該裝置將每個傳感器提供的測量數(shù)據(jù)和每個傳感器的總估算結合。
15.根據(jù)權利要求14所述的動力定位系統(tǒng)，進一步包括一裝置，該裝置在將位置測量數(shù)據(jù)提供給用于導出第一估算的裝置之前，用于去除海事船舶低頻運動對相應傳感器提供的位置測 量的影響。
【文檔編號】G01C21/20GK103512573SQ201310253649
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年6月24日 優(yōu)先權日:2012年6月22日
【發(fā)明者】理查德·伊恩·斯蒂芬森 申請人:Ge能源能量變換技術有限公司