Integrity determination and enhancement of multi-sensor navigation systems in maritime applications

• Integritätsbestimmung und -erhöhung von Multisensor-Navigationssystemen in maritimen Anwendungen

Liu, Shuchen; Abel, Dirk (Thesis advisor); Schön, Steffen (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2023)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023

Kurzfassung

Aufgrund potenzieller Effizienz- und Sicherheitsvorteile beschäftigen sich Wissenschaftler und Industrie seit Jahrzehnten mit autonomen Schiffen im Hafenbereich. Bei sicherheitskritischen maritimen Anwendungen ist es unerlässlich, den Zustand des Schiffs mit hoher Genauigkeit und Integrität zu schätzen. Dazu wird üblicherweise ein Navigationsfilter eingesetzt, welches auf einer Inertial Measurement Unit (IMU) und einem Global Satellite Navigation System (GNSS)-Empfänger basiert. Das Navigationsfilter kann zusätzlich mit einem Doppler Velocity Log (DVL) und einem Kompass ausgestattet werden, wodurch sich seine Robustheit gegenüber Systemstörungen erhöhen lässt. Auf dieser Grundlage wird ein System zur Integritätsbestimmung und -erhöhung entwickelt, um die Sicherheit der Navigation zu verbessern. Das Gesamtsystem besteht aus drei Modulen, die die Integrität von GNSS, IMU/DVL/Kompass und Navigationslösung jeweils gewährleisten. Die Integrität von GNSS wird mittels einer hybriden Strategie überwacht, die einen statistischen und einen Set-Membership-Ansatz kombiniert. Die Identifikation und Unterdrückung der Störungen bei IMU, DVL und Kompass erfolgen im Rahmen einer Filterbank-Struktur. Die beiden oben genannten Maßnahmen erhöhen die Integrität und die Schätzgenauigkeit des Navigationssystems erheblich. Schließlich wird eine zonotopbasierte Protection Level (PL)-Generierung entwickelt, um die Integrität der Navigationslösung zu bestimmen und den Schätzfehler innerhalb des PLs zu begrenzen. Mithilfe der bei den Schiffen MESSIN und DENEB aufgezeichneten Daten erfolgt die Validierung des entwickelten Integritätssystems. Zusätzlich zu berücksichtigten realen GNSS-Störungen werden zehn Sensorstörungen simuliert. Die Ergebnisse zeigen, dass 9 von 10 Sensorstörungen innerhalb von 2 s erkannt und alle Sensorstörungen unterdrückt werden können. Der quadratische Mittelwert des horizontalen Positionsfehlers ist auf 0,4 m begrenzt, während dieser Wert bei einem Extended Kalman-Filter (EKF) ohne Integritätsmaßnahmen 6,5 m erreicht. Mit einer Abtastfrequenz von 100 Hz liegt die Rechenzeit bei den generierten drei- und neundimensionalen Zonotopen jeweils unter 0,4 ms und 5 ms. Durch die Auswertung mittels des Stanford-ESA-Integrity-Diagrams verbleibt die PL-Generierung im gesamten Nominalbetrieb unter dem 25 m-Alarm Limit. Im Vergleich zu einem statistischen Ansatz verhält sich dieser Ansatz gegenüber realen Störungen robuster. Damit erfüllt das entworfene System die Genauigkeitsanforderungen für Anwendungen im See-, Küsten- und Hafenbereich gemäß der International Maritime Organization, während das EKF in der Hafenanwendung nicht geeignet ist. Zudem erfüllt das entworfene System die Integritätsanforderungen für See- und Küstenanwendungen.

Einrichtungen

• Lehrstuhl und Institut für Regelungstechnik [416610]