Navigationsvorrichtung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Navigationsvorrichtung, die eine kardanisch aufgehängte Plattform und eine Pendelanordnung mit Pendeln mit quer zueinander verlaufenden Drehachsen enthält, welche Drehachsen zusammenfallen mit den Eingangsachsen von Gyroskopanordnungen, die Mittel zum Messen der Winkelbeschleunigung der Pendeln in bezug auf raumfeste Bezugsrichtungen und elektrisch mit diesen Messmitteln verbundene Mittel zum Ausüben eines Drehmomentes auf die Pendelanordnung enthalten, wobei das Drehmoment eine zu erwähnten, von den Messmitteln gemessenen Winkelbeschleunigung proportionale Grosse hat und der Winkelbeschleunigung der betreffenden Pendel entgegenwirkt,
dass die Rückkopplungskreise der Pendelanordnung so in bezug auf die Gleichgewichtsstörung der Pendelanordnung in der betreffenden Drehachsrichtung ausgebildet sind, dass die Pendelanordnung Schuler-abgestimmt ist.
Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art trägt jedes Pendel eine Gyroskopvorrichtung, während die auf passende Weise gehemmten Ausgangsachsen der Gyroskope infolge der Winkelbewegungen der Pendel gegen räumlich fixierte Bezugsrichtungen präzessieren.
Dadurch ergibt sich eine gyroskopische Rückkoppelung auf die Pendel, so dass diese durch geeignete Bemessung Schuler-abgestimmt werden können, d. h. dass ihnen eine Schwingungszeit von etwa 84 Minuten erteilt wird. Mit anderen Worten, durch die Winkelbewegung der Gyroskope um die Ausgangsachse wird das Trägheitsmoment der Pendel scheinbar gesteigert, wobei ein Prinzip benutzt wird, das bereits in der im Jahre 1920 veröffentlichten schwedischen Patentschrift 47 253 beschrieben worden ist.
Die bekannten Vorrichtungen sind bei sehr hohen Beschleunigungen nicht genügend empfindlich, u. a. infolge von Reibung und Dämpfung der Ausgangsachsen der Gyroskope, die in diesem Falle nur in verhält- nismässig geringem Masse in ihrer Bewegung beschränkt werden dürfen, um Winkelbewegungen genügender Grosse zu ermöglichen, und die ein erhebliches gyroskopisches Drehmoment übertragen.
Zur Vermeidung dieses Nachteils zeichnet sich die Navigationsvorrichtung nach der Erfindung dadurch aus, dass die Pendelanordnung aus gesonderten, Schuler-abgestimmten von der Plattform getragenen Pendeln für jede Drehachsenrichtung besteht, wobei die Plattform so ausgebildet ist, dass sie von den Pendeln über an den Pendelachsen angebrachte Winkelabtastvorrichtungen und über an den Trägerachsen der Plattform angebrachten Servomotoren derart gesteuert wird, in bezug auf die erwähnte raumfeste Bezugsrichtung entsprechende Pendel.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der beiliegenden Zeichnungen beispielsweise näher erläutert, in denen
Fig. 1 ein Pendel mit einer Achse zeigt, das ein künstliches Trägheitsmoment hat,
Fig. 2 eine Schuler-abgestimmte Plattform mit drei Achsen zeigt, die Fig. 3 und 6 Blockschaltbilder für zwei Naviga tionsgeräte darstellen, und die Fig. 4, 5 und 7 die Orientierung der verwendeten Koordinationssysteme und die von der Erddrehung herbeigeführten Komponenten zeigen.
In Fig. 1 ist ein an einer Achse 1 befestigtes Pendel 2 drehbar in einem Ständer 3 gelagert. Ein Drehmomentgenerator 4, dessen Rotor an der Achse 1 und dessen Stator am Ständer 3 befestigt ist, wirkt auf die Achse 1 ein. Der Drehmomentgenerator 4, der ausgebildet ist, um nicht so sehr Drehbewegungen als vielmehr Drehmomente zu liefern, liefert ein zu seinem Speisestrom proportionales Drehmoment. Zur Erzielung eines künstlichen Trägheitsmomentes, das grösser als das Eigenträgheitsmoment der Achse 1 ist, wird die Winkelbeschleunigung der Achse 1 auf geeignete Weise bemessen und wird ein der Winkelbeschleunigung proportionaler Strom erzeugt, der dem Drehmomentgenerator in derartigem Sinne zugeführt wird, dass der Achse 1 ein Drehmoment erteilt wird, das der Winkel beschleunigung entgegenwirkt.
Der Strom wird dem Drehmomentgenerator über einen Verstärker zugeführt, und durch geeignete Wahl der Proportionalitäts- faktoren und der Verstärkungsfaktoren ist eine genaue Schuler-Abstimmung erreichbar.
Zum Messen der Winkelbeschleunigung findet vorzugsweise die Gyroskopvorrichtung nach Fig. 1 Verwendung. Diese Vorrichtung besteht im wesentlichen aus einem Gyroskop 5 mit einem Innenkardanring 6 (Ausgangsachse), der nachgiebig mit einem Aussenkar- danring 7 (Eingangsachse) mittels einer Feder 8 gekup- pelt ist, die entweder mechanisch (wie dargestellt) oder elektrisch sein kann.
Gemäss der Gyroskopbeziehung M = H x co, wobei M = Drehmoment um die Ausgangsachse, co = die Winkelgeschwindigkeit--um die Ein gangsachse, und H = das Impulsmoment um die Drehachse des Gy roskopes, und der Federgleichung M = k ç besteht Proportionalität zwischen der Winkelabwei- chung 99 der Ausgangsachse und der Winkelgeschwin digkeit fu der Eingangsachse.
Auf diese Weise wird mittels einer Winkelabtastvorrichtung 9, die von der Ausgangsachse betätigt wird, ein Signal geliefert, das proportional der Winkelgeschwindigkeit der Eingangsachse ist, d. h. proportional der Winkelgeschwindigkeit der Achse 1, wenn der Kardanring 7 an dieser Achse befestigt ist. Dieses Signal wird über Schleifringe 10 abgenommen und einer Differenziervorrichtung 11 zugeführt, so dass ein der Winkelbeschleunigung der Achse 1 proportionales Signal geliefert wird, das über einen Verstärker 12 dem Drehmomentgenerator 4 zugeführt wird. Eine Verhältnisgyroskopvorrichtung ist üblicherweise in einer mit Flüssigkeit gefüllten Hülle untergebracht und so bemessen, dass infolge des Auftriebes der Flüssigkeit der Lagerungsdruck der Ausgangsachse ausgeglichen wird.
Die Vorrichtung ist vorzugsweise derartig, dass der Lagerungsdruck der Achse 1 auch dadurch ausgeglichen wird, dass die Kombination der gyroskopischen Vorrichtung und des Pendels einschliesslich der Drehmomentgeneratoren und der Win kelabtastvorrichtungen in einer flüssigkeitsgefüllten Hülle untergebracht werden, wobei die zwei Achsen in der gleichen Flüssigkeitsphase oder in verschiedenen Phasen angeordnet sind.
Fig. 2 zeigt eine horizontale Plattform P, die kardanisch in bezug auf einen Sockel B in einem Innenkar- danring IK und einem Aussenkardanring YK aufgehängt ist. Die Plattform ist in bezug auf den Innenkar- danring IK um eine vertikale Achse drehbar, und die Plattform P und die zwei Kardanringe IK und YK sind mit Drehachsen verbunden, die je mit einem Servomotor SM und einer Winkelabtastvorrichtung oder einem Signalgenerator CX versehen sind, während zwischen dem Innenkardanring IK und dem Aussenkardanring YK Verteilervorrichtungen RS angeordnet sind.
Zwei Schuler-abgestimmte Pendel Px und Pv mit senkrecht aufeinander stehenden horizontalen Eingangsachsen sind auf der Plattform P angebracht. Diese Pendel sind entsprechend Fig. 1 gebaut, wobei die Ein gangsachsen mit Drehmomentgeneratoren MGX bzw.
MGy und mit Winkelabtastvorrichtungen oder Signalgeneratoren CXx bzw. CXY versehen sind. Die zwei kombinierten Pendel-und Gyroskopvorrichtungen mit den Signalgeneratoren CX, und CXy können in einer gemeinsamen mit Flüssigkeit gefüllten Hülle oder in gesonderten Hüllen untergebracht sein. Auf der Plattform P ist weiter eine Kursanzeigevorrichtung angebracht, die aus einem Gyroskop Gz besteht, das beim Drehen um eine vertikale Eingangsachse präzessiert und eine Ausgangsachse dreht, die mit einem Drehmo- mentgenerator MGz und einem Winkelabtastsignalgenerator CXx versehen ist, die zwischen der Ausgangs- achse und der Plattform wirksam sind.
Wie in Anschluss an Fig. 1 hervorgeht, geben die Pendel P, und Py die Vertikale an, unabhängig von horizontalen Beschleunigungen, während die Plattform P auf an sich bekannte Weise senkrecht zur von den Pendeln Px und Py angegebenen Vertikalrichtung gehalten wird. Infolgedessen sind bei der dargestellten Ausführungsform die Winkel der Pendel P, und Py gegen die Plattform P von den Winkelabtastsignalgeneratoren CX und CXv bestimmt, wonach die diesem Winkel entsprechenden Signalen zu den Servomotoren SM2 und SM3 über die Verteilervorrichtung RSl wei tergeleitet werden.
Das dem Servomotor SM3 zugeführte Winkelsignal wird auch zum Ausgleich der Einwirkung von gegenseitigen Winke'veränderungen zwischen den Kardanringen über die Verteilervorrichtung SR2 zugeführt. Die Winkellage der Plattform P in bezug auf den Sockel B kann erforderlichenfalls durch Winkelabtastvorrichtungen oder Signalgeneratoren CXf, CX2 und CX3, die an den Drehachsen der Plattform und der Kardanringe angebracht sind, zu einem Instrument weitergeleitet werden.
Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild eines vollständigen Navigationsgerätes mit einer Vertikalanzeigevorrich- tung nach Fig. 2, wobei entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. Der Aussenkardanring YK ist unter Vermittlung des Servomotors SM3 drehbar auf dem Sockel 3 angebracht. Der In nenkardanring IK ist mittels des Servomotors SM2 drehbar in bezug auf den Aussenring, während Winkelverschiebungen zwischen den Ringen auf die Verteilervorrichtung RS2 übertragen werden. Die Plattform P, der Servomotor SMi und die Verteilervorrichtung RSt sind auf entsprechende Weise auf dem Innenkardan- ring IK angebracht.
Die Pendel P, und Py sind mit den zugeordneten Gyroskopvorrichtungen GA bzw.
GAy drehbar auf der Plattform P angeordnet. Die Gyroskopvorrichtungen GA und GAy liefern den Winkelgeschwindigkeiten der Pendel P, bzw. Py proportionale Signale. Die Signale werden Differenziernetzwerke Dx bzw. Dy zugeführt, so dass sich Signale ergeben, die den Winkelbeschleunigungen proportional sind. Diese Signale werden zur Erhaltung von Schuler Abstimmung der Pendel auf die vorstehend beschriebene Weise den Drehmomentgeneratoren MGX bzw.
MGa zugeführt. Die Drehwinkel der Pendel P¯, und Py gegen die Plattform P werden mit Hilfe der Winkelab tastvorrichtungen bzw. CXY gemessen und auf bekannte Weise der Verteilervorrichtung RSt zugeführt, während die von dieser Verteilervorrichtung gelieferten Winkelkomponenten über A2 dem Servomotor ShI2 und über die Verteilervorrichtung RS2 und A3 dem Servomotor SM3 zugeführt werden.
Beim geschilderten Navigationsgerät müssen Signale erzeugt werden, die den Standort in einem Längen-Breiten-System darstellen. Zu diesem Zweck ist die Gyroskopvorrichtung GA so ausgebildet, dass sie die Plattform P in einer derartigen Einstellung hÏlt, dass die Eingangsachsen der Gyroskopvorrichtungen GA und GAy sich parallel zur Richtung der Tangente am örtlichen Meridian bzw. der Tangente am örtlichen Parallelkreis erstrecken.
Ein räumlich bestimmter Kurs lässt sich bekanntlich dadurch einhalten, dass die Ausgangsachse der Gyroskopvorrichtung GA mit einer Winkelabtastvorrichtung CXz versehen wird, die über einen Verstärker Ai den Servomotor SMt so speist, dass dieser bei Drehung der Ausgangsachse die Plattform in einer derartigen Richtung dreht, dass die Ausgangsachse vom Gyroskop wieder in die ursprüngliche Lage zurückgeführt wird.
Um die Plattform P jedoch in der erwähnten Richtung zu halten, muss sie von der Gyroskopvorrichtung GAz bei jeder Bewegung gedreht werden, die sie in bezug auf die Erdoberfläche in Richtung der Tangente am Parallelkreis durchführt, und gleichfalls bei jeder Bewegung in dieser Richtung infolge der Erddrehung, wobei die Grosse dieser letzteren Drehung von der wirklichen Breite abhängt. Dies wird durch Fig. 4 erläutert, die die Orientierung der Plattform P in bezug auf die Erde darstellt. Die Richtungen der Eingangsachsen für die auf der Plattform P angeordneten Gyroskopvorrichtungen sind mit x, y bzw. z bezeichnet, wobei die x-Richtung mit der Richtung der Tangente am Meridian zusammenfällt. Der Standort der Plattform wird durch die Breite L und die Länge 1 angegeben.
Ein in bezug auf die Erde fixiertes Koordinatensystem Xe, Y. und Ze ist dargestellt, bei dem die Zc-Achse mit der Umdrehungsachse der Erde zusammenfällt. Die Drehung der Erde um ihre Achse (die Drehung um die Sonne ist vernachlässigbar) wird durch die Winkelgeschwindigkeit (OIE angegeben. Nach Fig. 5 sind die Winkelgeschwindigkeiten der Plattform um die Achsen x, y, z und Ze die folgenden : wIx=(wIE + dl/dt) cos L dL ='F wIz = -(wIE + dl/dt) sin L wIzE = wIE + dl/dt (dl/dt und dl/dt sind die Geschwindigkeiten der Plattform in der Längen-bzw. Breitenrichtung).
Zu diesem Zweck ist die Ausgangsachse der Gyroskopvorrichtung GAz mit einem Drehmomentgenerator MGz versehen, dem das Signal der Winkelabtastvor- richtung 9 (Fig. 1) in der Gyroskopvorrichtung GA über eine Vervielfachungsvorrichtung TL zugeführt wird.
Dieses Signal ist proportional der Winkelgeschwindigkeit des Pendels P, und zwar (O) IE + dl) cos L und in der Vervielfachungsvorrichtung TL wird das Signal mit tg L multipliziert, so dass sich ein Signal mit dem Wert (wIE + dl/dt).sin L ergibt, das, wenn es dem Drehmomentgenerator MGz zugeführt wird, den Servomotor SM, veranlässt, die Plattform mit der Winkelgeschwindigkeit (0) zE d. h. der erwünschten Winkelgeschwindigkeit (Ujz, um die z-Achse zu drehen.
Das von der Gyroskopvorrichtung GA, erzeugte Signal, das proportional a),,, ist, wird auch einer zweiten Vervielfachungsvorrichtung SL zugeführt, in dem es mit dem Sekans der Breite multipliziert wird, so dass sich ein zu (COIE + dl + dl/dt)sinL proportionales Signal ergibt (Fig. 5), das nach Subtraktion eines Signals mit konstantem Wert, das die Erddrehung (OIE darstellt, einer Integriervorrichtung Ix zugeführt wird.
Auf diese Weise ergibt sich am Ausgang der Integriervorrichtung der integrierte Wert von dl dt d. h. ein einer Langenveränderung proportionales Signal, und zu diesem Signal wird ein Signal, das einen Anfangswert 1,, darstellt, addiert, so dass sich ein Signal ergibt, das die Länge 1 für den Standort der Plattform angibt.
Das entsprechende Signal der Gyroskopvorrichtung GAy, das proportional der Winkelgeschwindigkeit dL u'I9-dt (Fig. 5) ist, wird einer zweiten Integriervorrichtung Iy zugeführt und nach Addition eines Anfangswertes L,) wird ein Signal erhalten, das die Breite L für den Standort der Plattform angibt. Dieses Signal wird auch benutzt zur Einstellung der Vervielfachungsvorrichtungen TL und SL, wobei die Einstellung von Hand oder selbsttätig erfolgen kann.
Das Navigationsgerät nach der Erfindung kann beim Navigieren entlang einem bestimmten Meridian oder einem bestimmten Grosskreis Verwendung finden.
Ein Navigationssystem dieser Art findet u. a. beim Navigieren in den Polargegenden Verwendung, und dabei wird der Standort durch Koordinaten in einem senkrechten Koordinatensystem angegeben, in dem eine der Achsen vom bestimmten Meridian oder Hauptkreis gebildet wird. Ein Blockschaltbild des Navigationsgerätes ist beispielsweise in Fig. 6 dargestellt und die Orientierung der Plattform ist in Fig. 7 angegeben, in der angenommen wird, dass sich die Plattform von einem Punkt Pt zu einem P2 auf einem Hauptkreis X bewegt, dessen Ebene einen Winkel 8 mit der Erdachse ) macht. Die Tangente am Hauptkreis macht einen Winkel K mit der Tangente am Meridian in Punkt P.
Fig. 6 unterscheidet sich dadurch von Fig. 3, dass die Gyroskopvorrichtung GAz mit einem zu (OIE proportionalen System gespeist wird, weil dl dt in der Gleichung für ) IZ in Fig. 5 in diesem Falle keine Drehung der Plattform herbeiführt. coIE. sin L ergibt sich einfach dadurch, dass ein zu o) E sin 8 proportionales Signal einer Vervielfachungsvorrichtung S zugef hrt wird, damit es mit sin multipliziert wird.
Das Gleiche gilt in bezug auf die Speisung der Integiervorrichtungen Ix und Iyf denen die Signale der Gyroskopvorrichtungen GA und GAy zugeführt werden, nachdem Signale subtrahiert worden sind, die die Komponenten der Erddrehung auf der wirklichen Breite für die respektiven Eingangsachsen darstellen, d. h. Signale, die proportional zu O) IE' cos L cos K bzw.-vyE cos L sin K sind. Auf diese Weise werden nach Addition zu den Anfangswerten @@ und @ Signale an den AusgÏngen der Integriervorrichtungen erhalten, die den Standort in @ und ausgedr ckt angeben.
Aus den Figuren 3 und 6 geht hervor, dass Signale M und M ;, y zu den von Dx und Dy erzeugten Signalen addiert werden. Diese Signale sind Korrektionssignale, die hinzugefügt werden, um den Einfluss der Ellipsenform der Erde, der Höhenänderungen der Plattform, der Beschleunigungsterme infolge der Erddrehung und der Coriolis-Beschleunigung zu verrin gern. Der Einfluss dieser Faktoren ist jedoch normalerweise sehr klein und diese Signale können denn auch fortgelassen werden.