DE4208158A1 - Kreiselsystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kreiselvorrichtung, insbe­ sondere zur Ermittlung des Azimutwinkels, der Position, der Geschwindigkeit oder sonstiger Navigationsparameter eines Fahrzeuges, wie beispielsweise eines Schiffes oder eines Kraftfahrzeugs.

Üblicherweise ist ein Schiff mit einem Kreiselkompaß sowie einem Magnetkompaß zur Bestimmung des eigenen Azimuts ausgestattet, um in allen Lagen sicher zu steu­ ern und gleichzeitig den eigenen Azimut ständig über­ prüfen zu können.

Kreiselkompasse weisen jedoch den Nachteil auf, daß sie eine Betätigungszeit von wenigstens einer Stunde benö­ tigen. Im übrigen weisen Magnetkompasse zum Norden des Erdmagnetfeldes, so daß der vom Magnetkompaß ange­ zeigte Azimut des Schiffes zwangsläufig von der wahren Nordrichtung abweicht.

In jüngster Zeit wurde ein globales Positionierungssy­ stem (nachfolgend kurz mit GPS abgekürzt) zur Vermei­ dung der vorstehend genannten Nachteile entwickelt, das kontinuierlich die Position eines Fahrzeugs, wie etwa eines Schiffes, ermitteln kann. Das GPS kann die Posi­ tion eines Fahrzeugs dreidimensional erfassen, wobei dem System Daten von wenigstens drei GPS-Satelliten übermittelt werden. Es wird angenommen, daß das GPS durch Verwendung kommerziell nutzbarer Codes, d. h. ins­ besondere durch einen sog. C/A-Code, in den nächsten Jahren zum Einsatz kommen wird.

Bei der Verarbeitung der GPS-Signale auf der Grundlage eines einfachen Meßverfahrens kann nur die Position des Fahrzeuges ermittelt werden; schwerwiegende Fehler tre­ ten beim Positionsmeßverfahren auf. Folglich kann der Azimut eines Fahrzeuges mit Hilfe des GPS nicht ermit­ telt werden. Es wurde daher ein Verfahren zur Errech­ nung des Azimutwinkels eines Fahrzeuges entwickelt. Verfahrensgemäß wird der Azimutwinkel eines Fahrzeuges durch ein Hochpräzisions-Simultanmeßverfahren (2-Posi­ tions-Differenz) ermittelt, in dem die Phasendifferenz von Radiowellen eines Satelliten gemessen wird. Dieses Meßverfahren wird mit Differenz-GPS bezeichnet.

Ein Prinzip dieses Meßverfahrens wird nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 3 erläutert.

In Fig. 3 bezeichnen die Bezugsziffern 1 und 2 Empfangs­ antennen, die auf einem nicht dargestellten Fahrzeug, beispielsweise einem Schiff, einem Kraftfahrzeug oder einem Flugzeug, angeordnet sind. Eine Grundlinienlänge L, d. h. die Entfernung zwischen den beiden Antennen 1 und 2, ist bekannt. Radiowellen bzw. Funksignale dieser Antennen 1 und 2 werden einem GPS-Azimut-Rechner 3 zu­ geführt, der eine Azimutwinkel-Komponente Φ des Naviga­ tionsfahrzeuges auf der Grundlage des nachfolgenden Re­ chenverfahrens errechnet.

Wie in Fig. 3 dargestellt, wird angenommen, daß ein Funksignal eines einzigen GPS-Satelliten 5 gleichzeitig von den Antennen 1 und 2 empfangen wird. Zu diesem Zeitpunkt ist aufgrund der Position des GPS-Satelliten 5 und der Länge L zwischen den Antennen 1 und 2 eine durch das Bezugszeichen D in Fig. 1 bezeichnete Entfer­ nungsdifferenz zwischen den Funksignalen vorgesehen, die von den Antennen 1 und 2 empfangen werden. Sofern ein bestimmtes Funksignal eines Trägers festgestellt wird, kann die Entfernungsdifferenz D als Pha­ sendifferenz (Zeitverzögerung) des Funksignals gemessen werden. In gleicher Weise kann die Entfernungsdifferenz D durch Multiplikation der Phasendifferenz mit einer Wellenlänge des Funksignals ermittelt werden. Sofern die Entfernungsdifferenz D ermittelt wird, ist die Entfernung L bereits bekannt, so daß der Azimutwinkel Φ des Navigationsfahrzeuges relativ zum GPS-Satelliten 5 wie folgt errechnet werden kann:

Φ = Cos^-1 (D/L) (1).

In diesem Meßverfahren wird ein Empfangscode nicht im­ mer dekodiert.

Ein Azimutwinkel R, der durch eine Linie gebildet wird, die den GPS-Satelliten 5 und die Antennen 1 und 2 sowie den wahren Norden (N) verbindet, wird wie folgt errech­ net:

Nachdem das Funksignal des GPS-Satelliten 5 von der An­ tenne 1 empfangen wurde, werden Funksignale von we­ nigstens zwei weiteren, nicht dargestellten GPS-Satel­ liten erfaßt. Anschließend werden die C/A-Codes der er­ faßten Funksignale dekodiert; es werden ferner die Übermittlungs- und die Empfangszeit des Funksignals vom GPS-Satelliten errechnet, um auf diese Weise die Über­ tragungszeit des Funksignals vom GPS-Satelliten zur An­ tenne 1 zu ermitteln. Dann wird die Entfernung der An­ tenne 1 zum GPS-Satelliten und entsprechend die Entfer­ nung des GPS-Satelliten zum Fahrzeug errechnet, indem die errechnete Übertragungszeit mit der Wellenlänge des Funksignals multipliziert wird. Da die abstandsgleichen Positionen gegenüber einem GPS-Satelliten auf der Ku­ gelfläche existieren, deren Radius der Entfernung ent­ spricht, werden drei Kugelflächen von den drei GPS-Sa­ telliten errechnet und ein Schnittpunkt dieser drei Ku­ gelflächen ermittelt. Dadurch wird die Position der Empfangsantenne 1 bestimmt. Sobald die Position der Empfangsantenne 1 vorliegt, kann, da die Position des GPS-Satelliten 5 bereits bekannt ist, der Azimutwinkel R durch einen Richtungscosinus eines Positionsvektors zwischen der Antenne 1 und dem GPS-Satelliten 5 errech­ net werden.

Das Element zur Errechnung der Position der Antenne 1 auf der Grundlage der empfangenen Funksignale ist ein GPS-Positions-Rechner 4, der das Funksignal von der An­ tenne 1 erhält. Das Element zur Durchführung der oben beschriebenen Berechnung von ϕ sowie der Berechnung von (ϕ+R) auf der Grundlage der Positionsdaten vom GPS-Positions-Rechner 4 und der von den Antennen 1 und 2 erhaltenen Daten ist der GPS-Azimut-Rechner 3.

In der oben beschriebenen Weise wird der Azimutwinkel zur Grundlinienlänge L und entsprechend der im GPS-Azi­ mut-Rechner 3 errechnete Azimutwinkel des Fahrzeuges als (R+Φ) dargestellt, was dann als erlangtes Digi­ talsignal abgegeben wird.

Bei herkömmlichen Meßvorrichtungen zur Ermittlung des Azimutwinkels unter aktivem Einsatz von GPS-Satelliten erfordert das Meßverfahren eines Azimutwinkels ausge­ sprochen viel Zeit; folglich kann der Azimutwinkel nicht kontinuierlich ermittelt werden. Sofern bei­ spielsweise ein Schiff dreht, wird aufgrund der Zeit­ verzögerung beim Meßverfahren eines Azimutwinkels feh­ lerhaft gerechnet.

Weiterhin umfaßt das GPS-Funksignal einen Bereich und eine Zeit, in der ein Meßfehler vom Standpunkt des GPS-Satelliten aus erhöht wird. Zusätzlich wird das Meßver­ fahren aufgrund der durch die Sonneneinstrahlung be­ dingten magnetischen Abweichungen erschwert.

Zur Vermeidung dieser Nachteile wird ein Meßverfahren zur Ermittlung eines Azimutwinkels entwickelt, in dem ein Winkelgeschwindigkeits-Sensor, beispielsweise ein Wendekreisel, sowie ein Azimutwinkel-Meßsystem unter Verwendung des genannten GPS kombiniert werden.

Im Rahmen des Meßverfahrens zur Ermittlung eines Azimutwinkels, in dem der genannte Winkelgeschwindig­ keits-Sensor sowie das GPS-Azimut-Meßsystem kombiniert werden, tritt allerdings ein vom Winkelgeschwindig­ keits-Sensor ermittelter Fehler im Azimutwinkel auf, wenn die Winkelgeschwindigkeits-Detektorachse (nachfolgend als Eingangs-Achse bezeichnet) des Winkel­ geschwindigkeits-Sensors während einer Drehung des Schiffes geneigt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein verbessertes Kreiselsystem zu entwickeln, in dem die genannten Nach­ teile der herkömmlichen Verfahren und Vorrichtungen vermieden werden.

Es ist insbesondere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Kreiselsystem zu entwickeln, in dem ein Azimutwinkel eines Fahrzeuges, wie beispielsweise eines Schiffes, mit hoher Präzision kontinuierlich er­ mittelt werden kann.

Weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kreiselsystem zu entwickeln, das einen Azimutwinkel ohne Zeitverzöge­ rung ermitteln kann.

Es ist ferner Aufgabe der Erfindung, ein Kreiselsystem zu entwickeln, das einen Azimutwinkel kontinuierlich mit hoher Präzision ermitteln kann, selbst wenn ein Fehler in einem von einem GPS-Satellit erhaltener Azi­ mutwinkel vergrößert wird.

Weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kreiselsystem zu entwickeln, in dem, wenn ein Schwingungskreisel ver­ wendet wird, der Schwingungskreisel langlebig, gering im Energieverbrauch und schnell betätigbar ist.

Weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kreiselsystem zu entwickeln, das nicht nur den Azimutwinkel, sondern auch Position und Geschwindigkeit eines Fahrzeugs genau ermitteln können.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die kenn­ zeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß kann der Azimutwinkel kontinuierlich gemessen werden, unabhängig vom Ausgangs-Zykluswert des Azimutwinkel-Rechners des GPS-Satelliten und unabhängig vom Richtungs- bzw. Anstellwinkel des Fahrzeugs. Der Azimutwinkel kann somit sehr genau ermittelt werden, ohne daß es zu einer Zeitverzögerung bei der Ermittlung des Azimuts aufgrund einer Bewegung des Fahrzeuges, wie beispielsweise des Schiffes, kommt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 eine Schemadarstellung eines Ausführungsbei­ spiels des erfindungsgemäßen Kreiselsystems;

Fig. 2 eine Schemadarstellung zur Erläuterung eines Prinzips zur Messung eines Azimutwinkels, ei­ nes Längswinkels und eines Steigungswinkels auf der Grundlage eines globalen Positionssy­ stems (GPS) im Kreiselsystem;

Fig. 3 eine Schemadarstellung zur Erläuterung eines Prinzips zur Messung eines Azimutwinkels ei­ nes Fahrzeuges nach dem Stand der Technik.

Fig. 1 ist eine Schemadarstellung eines Ausführungsbei­ spiels des erfindungsgemäßen Kreiselsystems, das einen durch das in Fig. 2 dargestellte GPS gelieferten Winkel­ meßwert verwendet.

In den Fig. 1 und 2 sind die den Teilen in Fig. 3 ent­ sprechenden Teile mit den gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet; nähere Ausführungen zu diesen Teilen sind daher entbehrlich.

Fig. 2 zeigt eine Anordnung, in der neben dem Azimutwin­ kel andere durch das in Fig. 3 gezeigte GPS ermittelte Winkel, beispielsweise der Rollwinkel sowie der Pitchwinkel eines Fahrzeuges gemessen werden. Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß die Empfangsantenne 1 auf einem Fahrzeug (beispielsweise einem Schiff) angeordnet ist, um ein vom nicht dargestellten GPS ausgehendes Funksi­ gnal zu empfangen. Die Empfangsantenne 2 ist an einem Punkt angeordnet, der einen Abstand von einer bestimm­ ten Grundlinienlänge L₁ gegenüber der Empfangsantenne 1 aufweist. Eine Empfangsantenne 16 ist an einem Punkt angeordnet, der auf der gleichen Ebene einen Abstand von einer bestimmten Grundlinienlänge L₂ gegenüber der Empfangsantenne 1 aufweist, wobei diese Grundlinien einen bereits gekannten Winkel e miteinander bilden.

Die besonderen Werte können so gewählt werden, daß L₁ = L₂ = 1 m und R = 90° sind. In diesem Fall deutet die L₁-Richtung die Fahrtrichtung des Schiffes an. Aus­ gangssignale der so angeordneten Empfangsantennen 1, 2 und 16 werden dem GPS-Winkel-Rechner 6 zugeführt, der den Azimutwinkel, den Rollwinkel sowie den Pitchwinkel eines Fahrzeuges in dreidimensionaler Weise mißt und errechnet, indem er das Ausgangssignal des GPS-Positi­ ons-Rechners 4 auf der im Zusammenhang mit Fig. 3 be­ schriebenen Grundlage nutzt.

Das System gemäß Fig. 1 ist unter Verwendung der durch die Anordnung gemäß Fig. 2 gemessenen Azimutwinkel-, Rollwinkel- und Pitchwinkel-Ausgangssignale konstru­ iert.

In Fig. 1 bezeichnet die Bezugsziffer 10 einen als Win­ kelgeschwindigkeits-Sensor dienenden Schwin­ gungskreisel, beispielsweise einen Wendekreisel, der am Gehäuse eines Fahrzeugs, beispielsweise am Schiffskör­ per, so befestigt ist, daß die Gierachse des Schiffs­ körpers die Eingangs-Achse darstellt. Der Schwingungs­ kreisel ist der Wendekreisel ohne Drehelement, so daß auf Grundlage der Dynamik, in der eine Coriolankraft in der Richtung wirkt, die senkrecht sowohl gegenüber dem Schwingungsvektor als auch gegenüber einem Winkelge­ schwindigkeitsvektor steht, wenn eine Winkelgeschwin­ digkeit auf das Schwingungsobjekt in der Richtung wirkt, die rechtwinklig zum Schwingungsvektor steht, der Schwingungskreisel sowohl Größe als auch Richtung der Winkelgeschwindigkeit der Coriolankraft ermittelt und eine Winkelgeschwindigkeit in Form einer analogen Stromspannung abgibt. Sobald der Schwingungskreisel 10 als Winkelgeschwindigkeits-Sensor verwendet wird, ist dieser Schwingungskreisel 10 nicht mit dem Drehelement versehen; er ist daher langlebig, gering im Energiever­ brauch und schnell betätigbar.

Wie aus Fig. 1 erkennbar, wird ein Winkelgeschwindig­ keits-Ausgangssignal des Schwingungskreisels 10 einem Analog-Digital (A/D) Konverter 11 zugeführt, in dem es in ein Digitalsignal umgewandelt wird. Anschließend wird dieses Digitalsignal durch Neigung der Kreisel-Ein­ gangsachse durch einen später zu erläuternden Nei­ gungs-Korrektor 12 korrigiert. Das auf diese Weise durch den Neigungs-Korrektor 12 korrigierte Digitalsi­ gnal wird durch eine Additionsstufe E einem Integrator 13 zugeführt. Der Integrator 13 hat die Aufgabe, die Winkelgeschwindigkeit und deren Ausgangssignal zur An­ gabe eines Winkels zu integrieren. Ein Ausgangs-Winkel des Integrators 13 wird so gewählt, daß die Ein­ gangsachse des Schwingungskreisels 10 zur Vertikalachse wird. Auf diese Weise kann der Ausgangs-Winkel des In­ tegrators 13 als Azimutwinkel des Fahrzeugs angesehen werden.

Das durch den in Fig. 2 dargestellten GPS-Winkel-Rechner 6 errechnete Azimutwinkel-Ausgangssignal wird mit dem Azimutwinkel verglichen; dies geschieht durch Integra­ tion des Ausgangssignales des Schwingungskreisels 10 durch einen Komparator C; ein dabei verbliebender Rest­ winkel wird einem Ausgleichsrechner 14 zugeführt. Der Ausgleichsrechner 14 enthält eine Proportionalgewin­ nungsstufe K und eine Integrationsstufe und multipli­ ziert den Restwinkel mit K. Ein durch den Ausgleichs­ rechner 14 mit K multipliziertes Ausgangssignal wird als entgegengesetzter Code der Additionsstufe E am Ein­ gangs-Abschnitt des Integrators rückgeführt.

Sofern das System wie beschrieben aufgebaut ist, kann der Azimutwinkel, der sich aus einer Integration des Winkelgeschwindigkeit-Ausgangssignales des Schwingungs­ kreisels 10 ergibt, dem Azimutwinkel des GPS-Winkel-Rechners 6 folgen. Selbst wenn daher der Ausgangs-Zy­ klus des GPS-Winkel-Rechners 6 ausgedehnt wird, so wird der Azimutwinkel durch den Azimutwinkel des Schwingungskreisels 10 in dieser Periode ausgeglichen, so daß ein gleichmäßiger und richtiger Azimutwinkel kontinuierlich abgegeben werden kann.

Die Rollwinkel- und der Pitchwinkel-Ausgangssignale des GPS-Winkel-Rechners 6 werden dem Neigungs-Korrektor 12 zugeführt; sie werden verwendet, um den durch einen Richtungswechsel des Fahrzeugs bedingten Fehler des Winkelgeschwindigkeits-Ausgangssignales des Schwin­ gungskreisels 10 zu korrigieren. Auf diese Weise ist es möglich, die Bewegung des Fahrzeugs auf horizontaler Ebene richtig zu erfassen.

Unter Berücksichtigung dieser Funktion besteht in dem Fall, in dem das Fahrzeug während des Rollens um einen Winkel α dreht, eine durch den Kreisel ermittelte Win­ keldrehgeschwindigkeit ω auf der um einen Winkel α ge­ neigten Ebene, wobei eine Winkelgeschwindigkeit auf der horizontalen Ebene durch ω·cos α dargestellt wird. Der Azimutwinkel, der durch Integration der Winkelge­ schwindigkeit erzielt wird, ist der Winkel in der hori­ zontalen Ebene, so daß, wenn das Ausgangssignal ω des am Schiffskörper befestigten Kreisels verwendet wird, ein Fehler in der Größenordnung von 1-cos α zwischen ihm und dem wahren Wert auftaucht.

Dies gilt auch in dem Fall, in dem das Fahrzeug seinen Pitchwinkel ändert, woraus sich ein Fehler aufgrund des veränderten Pitchwinkels ergibt.

Der Neigungs-Korrektor 12 ist ein Element, das das vom GPS gewonnene Signal nutzt, um den Fehler in der oben beschriebenen Weise zu korrigieren, der sich aus dem Richtungs- bzw. Anstellwinkel des Fahrzeuges ergibt. Aufgrund dieses Neigungs-Korrektors 12 gelingt es, den Azimutwinkel mit großer Genauigkeit zu ermitteln.

Ein Indikator 15 in Fig. 1 ist ein Element zur Darstel­ lung des Azimutwinkels vom Integrator 13 sowie der Po­ sitions-Ausgangssignale vom GPS-Positions-Rechner 4.

Eine Steuereinheit 16 in Fig. 1 hindert eine Abgabe des Ausgangssignals des Komparators C an den Ausgleichs­ rechner 14, wenn der Ausgangswert des Komparators C einen bestimmten Bezugswert (beispielsweise 5°) über­ steigt. Die Steuereinrichtung 16 kann beispielsweise aus einem Komparator bestehen, der an einem Eingangssignal­ anschluß mit dem obigen konstanten Wert und am an­ deren Eingangssignalanschluß mit dem Ausgangssignal des Komparators C versorgt wird. Wenn das Ausgangssignal des Ausgleichsrechners 14 größer als der obige kon­ stante Bezugswert ist, leitet die Steuereinheit 16 das Ausgangssignal nicht ab.

Erfindungsgemäß können daher die nachfolgenden Wirkun­ gen erzielt werden.

• 1) Der Azimutwinkel eines Fahrzeuges, wie bei­ spielsweise eines Schiffes, kann kontinuierlich mit großer Genauigkeit ermittelt werden;
• 2) Der Azimutwinkel kann ohne Zeitverlust gemessen werden;
• 3) Selbst wenn ein Fehler im Azimutwinkel vom GPS-Satelliten vergrößert wird, so kann doch der Azimutwinkel kontinuierlich mit großer Ge­ nauigkeit ermittelt werden;
• 4) Wenn ein Schwingungskreisel verwendet wird, ist das Kreiselsystem langlebig, gering im Energie­ verbrauch und schnell betätigbar;
• 5) Sowohl der Azimutwinkel als auch die Position und die Geschwindigkeit des Fahrzeugs können präzise ermittelt werden.

Claims (3)

1. Kreiselsystem, enthaltend eine erste, eine zweite und eine dritte Satelliten-Empfangsantenne, die auf einem Fahrzeug in vorbestimmtem Abstand zueinander angeordnet sind, sowie ferner enthaltend einen Rech­ ner zur Ermittlung des Azimutwinkels, des Rollwin­ kels, des Pitchwinkels und der Position des Fahrzeu­ ges durch Verwendung von durch die Antennen empfan­ genen Satelliten-Funksignalen sowie zur Ermittlung einer zwischen diesen Funksignalen bestehenden Phasendifferenz, gekennzeichnet durch folgende Ele­ mente:

• a) einen Winkelgeschwindigkeits-Sensor, der am Fahrzeug befestigt ist, so daß die Gierachse des Fahrzeugs als Eingangsachse des Winkelgeschwindigkeits-Sensors verwendet wird;
• b) eine Additionsstufe zur Versorgung mit einem Ausgangssignal des Winkelgeschwindigkeits-Sen­ sors;
• c) einen Integrator zur Integration eines Ausgangs­ signals der Additionsstufe;
• d) einen Komparator zum Vergleich eines Ausgangssi­ gnals des Integrators mit einem Azimutwinkel, der durch den Empfang von Satelliten-Funksigna­ len ermittelt wird;
• e) eine Ausgleichseinrichtung zur Kompensation ei­ nes vom Komparator gelieferten Differenzsignales; und
• f) eine Einrichtung zur Zuführung eines Ausgangssi­ gnals der Ausgleichseinrichtung zu einem negati­ ven Eingangssignalanschluß der Additionsstufe.

2. Kreiselsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß eine Fahrzeug-Neigungs-Ausgleichseinrich­ tung zwischen eine Ausgangssignalseite des Winkelge­ schwindigkeits-Sensors und der Additionsstufe einge­ fügt ist und errechnete Rollwinkel- und Pitchwinkel-Aus­ gangssignale nutzt, die auf den Satelliten- Funk­ signalen zur Korrektur der Winkelgeschwindigkeit ba­ sieren.

3. Kreiselsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzei­ chnet, daß eine Steuereinrichtung zwischen dem Kom­ parator und der Ausgleichseinrichtung vorgesehen ist und die an einem Eingangssignalanschluß mit einen gleichbleibenden Bezugswert und am anderen Eingangs­ signalanschluß mit einem Ausgangssignal des Kompara­ tors versorgt wird, so daß die Steuereinrichtung dann kein Ausgangssignal produziert, wenn das Aus­ gangssignal des Komparators größer ist als der gleichbleibende Bezugswert.