DE102015106301A1

DE102015106301A1 - Method for determining the front-back inclination and lateral inclination of a ship or aircraft with the elimination of dynamic errors and a measuring module system for carrying out this method

Info

Publication number: DE102015106301A1
Application number: DE102015106301.8A
Authority: DE
Inventors: Dimitar A. Dichev; Hristofor T. Koev; Petr Louda; Totka N. Bakalova
Original assignee: Technicka Univerzita v Liberci
Current assignee: Technicka Univerzita v Liberci
Priority date: 2015-04-24
Filing date: 2015-04-24
Publication date: 2016-10-27

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Feststellung der vorderrückseitigen Neigung und der Seitenneigung eines Schiffs oder Flugzeugs mit Vermeidung von dynamischen Fehlern und ein Messmodulsystem zur Durchführung dieses Verfahrens. Mit Hilfe eines physikalischen Pendels (1) werden die aktuellen Werte der Seitenneigung des Schiffs oder Flugzeugs mittels eines ersten photoelektrischen Kodeumformers (2) und die aktuellen Werte der vorderrückseitigen Neigung mittels eines zweiten photoelektrischen Kodeumformers (3) festgestellt. Der dynamische Fehler wird mittels zweier Paare von Beschleunigungsmessern (4–7) entfernt. Nach der Verarbeitung der Signale dieser Beschleunigungsmesser wird mittels eines gewählten Algorithmus ein aktueller Wert des dynamischen Fehlers gewonnen, der von den beiden Kodeumformern (2, 3) durch eine Doppelintegrierung der festgestellten Werte beseitigt wird. Zur Vermeidung von Interferenzerscheinungen in beiden Kodeumformer (2, 3) wird dort eine Linearisierung beider festgestellter Beschleunigungen mit Hilfe zweier Kalman-Filter (10, 11) durchgeführt. Das Messmodulsystem (9) weist eine besondere Verbindungsanordnung unter Verwendung des Pendels (1), der vier Beschleunigungsmesser (4–7) und der Kalman-Filter (10, 11) beschrieben.The invention relates to a method for determining the front-back inclination and lateral inclination of a ship or aircraft with avoidance of dynamic errors and a measuring module system for carrying out this method. By means of a physical pendulum (1), the current values of the lateral inclination of the ship or aircraft are determined by means of a first photoelectric code converter (2) and the current values of the front-back inclination by means of a second photoelectric code converter (3). The dynamic error is removed by means of two pairs of accelerometers (4-7). After processing the signals of these accelerometers, a current algorithm calculates a current value of the dynamic error which is eliminated by the two code converters (2, 3) by a double integration of the detected values. In order to avoid interference phenomena in both code converters (2, 3), a linearization of the two detected accelerations is carried out there with the aid of two Kalman filters (10, 11). The measurement module system (9) has a particular connection arrangement using the pendulum (1), the four accelerometers (4-7) and the Kalman filters (10, 11).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur genauen Feststellung der vorderrückseitigen Neigung und Seitenneigung eines Schiffes oder Flugzeuges und auch ein Messmodulsystems zur Durchführung dieses Verfahrens. Das Grundprinzip beim Vorschlag dieses Systems ist eine vereinfachte technische Realisierung der lokalen Vertikalrichtung in Form eines physikalischen Pendels. Zweck dieses Systems ist eine Fehlereliminierung der lokalen Vertikale im Inertialraum, die in Folge dynamischer Wirkungen der Bewegung des Schiffes oder Flugzeuges entsteht. Den Fehler der lokalen Vertikalen kann man durch Erhaltung einer zusätzlichen Information über die wirkliche Abweichung des im Messsystem angebrachten Pendels in der Realzeit beseitigen. Dieses Messsystem ist auch Gegenstand dieser Erfindung.The invention relates to a method for the accurate determination of the front-back inclination and lateral inclination of a ship or aircraft and also to a measuring module system for carrying out this method. The basic principle in the proposal of this system is a simplified technical realization of the local vertical direction in the form of a physical pendulum. The purpose of this system is to eliminate the local vertical error in the inertial space that arises as a result of the dynamic effects of the movement of the ship or aircraft. The error of the local vertical can be eliminated by obtaining additional information about the actual deviation of the pendulum mounted in the measuring system in real time. This measuring system is also the subject of this invention.

Die Vorrichtungen zur Feststellung der vorderrückseitigen Neigung und Seitenneigung des Schiffes oder Flugzeuges sind auf Grund empfindlicher Elemente mit Ausnutzung des Gyroskopprinzips geschaffen. Das verwendete Grundprinzip ist die Stabilisierung der Vertikalen im inertialen Raum, was auf Grund der Gyroskopeigenschaften erreicht wird.The devices for determining the front-back inclination and lateral inclination of the ship or aircraft are created on the basis of sensitive elements utilizing the gyroscope principle. The basic principle used is the stabilization of the verticals in the inertial space, which is achieved on the basis of the gyroscope properties.

Nachteilig sind die komplizierten Gyroskopkonstruktionen, die spezielle Systeme zur Sicherstellung des Betriebs der Gyroskope verlangen, große Abmessungen, gleichfalls große Kosten zu deren Betriebshaltung und auch deren ungenügende Zuverlässlichkeit bei extremen Bedingungen.Disadvantageous are the complicated gyroscope constructions, which require special systems for ensuring the operation of the gyroscopes, large dimensions, also great costs for their operation and also their insufficient reliability in extreme conditions.

Zweck der Erfindung sind ein Vorschlag und eine Ausnutzung eines unterschiedlichen Prinzips zur Feststellung der vorderrückseitigen Neigung und Seitenneigung des Schiffes oder Flugzeuges, unterschiedlich zum Gyroskop, das eine vereinfachte Vorrichtungskonstruktion aufweist, wobei sich der Instrumentalfehler auf ein Minimum reduziert. Dabei werden eine hohe Zuverlässigkeit und auch eine statische und dynamische Messgenauigkeit erreicht. Als Vorteil gelten auch die kleinen Abmessungen des Messsystems sowie dessen niedriger Preis.The purpose of the invention is a proposal and an exploitation of a different principle for determining the front-back inclination and lateral inclination of the ship or aircraft, different from the gyroscope, which has a simplified device construction, whereby the instrumental error is reduced to a minimum. High reliability and also a static and dynamic measurement accuracy are achieved. Another advantage is the small dimensions of the measuring system and its low price.

Das Wesen der Feststellungsart der vorderrückseitigen Neigung und Seitenneigung des Schiffes oder Flugzeuges beruht auf der Tatsache, dass nach der Winkelabweichung der lokalen Vertikalachse des physikalischen Pendels die aktuellen Werte der Seitenneigung des Schiffes oder Flugzeuges mittels eines ersten photoelektrischen Kodeumformers, der auf der zuständigen Achse zur Winkelmessung der Seitenneigung und gleichzeitig vorderrückseitigen Neigung und Seitenneigung des Schiffes oder Flugzeuges mittels eines zweiten photoelektrischen Kodeumformers, der auf der zuständigen Achse zur Winkelmessung der vorderrückseitigen Neigung montiert ist, gemessen und registriert werden. Der dynamische Fehler, der durch die Unstabilität des physikalischen Pendels im Inertialraum verursacht wird, wird mittels der Abweichung von der lokalen Vertikalachse ausgedrückt und mittels zweier Paare konstruktionsmäßig identischer Beschleunigungsmesser, die zur Messung der linearen Beschleunigung vorgesehen sind und die sich von der vorderrückseitigen Neigung des Schiffes oder Flugzeuges und Seitenneigung des Schiffes oder Flugzeuges ergeben, festgelegt und beseitigt.The nature of the determination of the front-back inclination and lateral inclination of the ship or aircraft is based on the fact that, according to the angular deviation of the local vertical axis of the physical pendulum, the current values of lateral inclination of the ship or aircraft by means of a first photoelectric code converter located on the appropriate axis for angle measurement the lateral inclination and at the same time front-back inclination and lateral inclination of the ship or aircraft are measured and registered by means of a second photoelectric code converter, which is mounted on the responsible axis for measuring the angle of the front-back inclination. The dynamic error caused by the instability of the physical pendulum in the inertial space is expressed by the deviation from the local vertical axis and by means of two pairs of structurally identical accelerometers intended to measure the linear acceleration and from the front-back tilt of the vessel or plane and side slope of the ship or aircraft, determined and eliminated.

Der erste Beschleunigungsmesser wird an den Körper des Messmodulsystems platziert, der zweite Beschleunigungsmesser und der dritte Beschleunigungsmesser werden gemeinsam an den Körper des ersten photoelektrischen Kodeumformers platziert, und der vierte Beschleunigungsmesser wird an den physikalischen Pendel mit zwei Freiheitsgraden angebracht. Nach Verarbeitung der Signale von den Beschleunigungsmessern mittels der gewählten Frequenz einer Aufnahme der linearen Beschleunigung der vorderrückseitigen Neigung und Seitenneigung des Schiffes oder Flugzeuges gewinnt man einen aktuellen Wert des dynamischen Fehlers, der von den Signalen, wie vom ersten photoelektrischen Kodeumformer so auch vom zweiten photoelektrischen Kodeumformer, durch eine Doppelintegration der festgestellten Werte beseitigt wird. Zur weiteren Signalsäuberung von beiden photoelektrischen Kodeumformern von Interferenzeffekten wird eine Linearität beider festgestellten Beschleunigungen einerseits über einen ersten Kalman-Filter und andererseits über einen zweiten Kalman-Filter durchgeführt, wodurch Ausgangssignale proportional zu den Abweichungen des physikalischen Pendels von der lokalen Vertikalachse in beiden Freiheitsgraden gewonnen werden, das sind die vorderrückseitige Neigung und die Seitenneigung des Schiffes oder Flugzeuges.The first accelerometer is placed against the body of the measurement module system, the second accelerometer and the third accelerometer are placed in common on the body of the first photoelectric encoder, and the fourth accelerometer is attached to the physical pendulum with two degrees of freedom. After processing the signals from the accelerometers by means of the selected frequency of a recording of the linear acceleration of the front-back tilt and side slope of the ship or aircraft, one obtains a current value of the dynamic error resulting from the signals such as from the first photoelectric converter and also from the second photoelectric converter , is eliminated by a double integration of the detected values. For further signal clearing from both photoelectric encoders of interference effects, linearity of both detected accelerations is performed on the one hand via a first Kalman filter and on the other hand via a second Kalman filter, whereby output signals proportional to the deviations of the physical pendulum from the local vertical axis in both degrees of freedom are obtained These are the front-back tilt and side slope of the ship or plane.

Das Messmodulsystem zur Durchführung der Feststellungsart der vorderrückseitigen Neigung und der Seitenneigung des Schiffes oder Flugzeuges umfasst einen Körper, der fest mit dem Schiff oder Flugzeug verbunden ist. Das Messmodulsystem enthält weiter ein physikalisches Pendel, das in zwei Freiheitsgraden pendelt gegenüber senkrecht liegenden Richtungen, die durch die vorderrückseitige Neigung und Seitenneigung des Schiffes oder Flugzeuges bestimmt sind. Das physikalische Pendel, das die lokale Vertikalachse darstellt, ist mechanisch einerseits mit dem an der Hauptachse platzierten ersten photoelektrischen Kodeumformer zur Messung der Seitenneigung des Schiffes oder Flugzeuges und anderseits mit dem an der Hauptachse zur Messung der vorderrückseitigen Neigung des Schiffes oder Flugzeuges platzierten zweiten photoelektrischen Kodeumformer verbunden. Auf dem Körper des Messmodulsystems ist der erste Beschleunigungsmesser platziert, dessen Messachsen so orientiert sind, dass sie die Beschleunigung erfassen, die bei der vorderrückseitigen Neigung des Schiffes oder Flugzeuges entsteht, während der zweite Beschleunigungsmesser auf dem ersten photoelektrischen Kodeumformer platziert ist. Seine Messachsen sind so orientiert, dass sie die Beschleunigung erfassen, die bei der vorderrückseitigen Neigung des Schiffes oder Flugzeuges entsteht. Der dritte Beschleunigungsmesser ist ebenso auf dem ersten photoelektrischen Kodeumformer platziert, und dessen Messachsen sind so orientiert, dass sie die Beschleunigung erfassen, die bei der Seitenneigung des Schiffes oder Flugzeuges entsteht. Der vierte Beschleunigungsmesser ist auf dem physikalischen Pendel angebracht, und dessen Messachsen sind so orientiert, dass sie die Beschleunigung erfassen, die bei der Seitenneigung des Schiffes oder Flugzeuges entsteht. Der Ausgang des ersten Beschleunigungsmessers ist mit dem Ausgang des zweiten Beschleunigungsmessers verbunden und ist anschließend gemeinsam mit dem Ausgang des ersten photoelektrischen Kodeumformers dem ersten Kalman-Filter zugeführt, während der Ausgang des dritten Beschleunigungsmessers mit dem Ausgang des vierten Beschleunigungsmessers verbunden ist und anschließend gemeinsam mit dem Ausgang des zweiten photoelektrischen Kodeumformers dem zweiten Kalman-Filter zugeführt wird.The measurement module system for performing the determination of the front-back tilt and side tilt of the ship or aircraft includes a body fixedly connected to the ship or aircraft. The measurement module system further includes a physical pendulum that oscillates in two degrees of freedom with respect to perpendicular directions determined by the front-back slope and side slope of the vessel or aircraft. The physical pendulum, which represents the local vertical axis, is mechanically on the one hand with the first photoelectric coder placed on the main axis for measuring the lateral inclination of the ship or aircraft and on the other hand with the second photoelectric coder placed on the main axis for measuring the front-back inclination of the ship or aircraft connected. On the body of the measuring module system, the first accelerometer is placed, whose measuring axes are oriented so that they detect the acceleration that arises at the front-back tilt of the ship or aircraft while the second accelerometer is placed on the first photoelectric encoder. Its measuring axes are oriented so that they capture the acceleration that arises in the front-back tilt of the ship or aircraft. The third accelerometer is also placed on the first photoelectric encoder, and its measuring axes are oriented to sense the acceleration that arises at the side of the ship or aircraft. The fourth accelerometer is mounted on the physical pendulum, and its measuring axes are oriented so as to capture the acceleration that occurs at the side of the ship or aircraft. The output of the first accelerometer is connected to the output of the second accelerometer and is then fed together with the output of the first photoelectric converter to the first Kalman filter, while the output of the third accelerometer is connected to the output of the fourth accelerometer and then together with the Output of the second photoelectric encoder is supplied to the second Kalman filter.

Die benutzten Beschleunigungsmesser werden durch ein mikroelektro-mechanisches System zur Messung der Beschleunigung gebildet.The used accelerometers are formed by a micro-electro-mechanical system for measuring the acceleration.

Kurzfassung der ZeichnungenAbstract of the drawings

Die Erfindung wird schematisch und in beispielhaften Ausführungen in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:The invention is illustrated schematically and by way of example in the drawings. Show it:

1 ein Schema der vorderrückseitigen Neigung und Seitenneigung des Schiffes oder Flugzeuges, 1 a scheme of the front-back inclination and side slope of the ship or aircraft,

2 eine mechanische Konstruktion des Messmodulsystems und 2 a mechanical construction of the measuring module system and

3 ein funktionsmäßiges Diagramm des Messmodulsystems. 3 a functional diagram of the measuring module system.

Ausführungsbeispielembodiment

Im Beispiel nach 1 sind ein Schiff und dessen lokale Vertikalachse 12 dargestellt, wobei ein erster Pfeil 13 die Richtung der vorderrückseitigen Neigung des Schiffes und ein zweiter Pfeil 14 die Seitenneigung des Schiffes kennzeichnen.In the example below 1 are a ship and its local vertical axis 12 shown, with a first arrow 13 the direction of the front-back tilt of the ship and a second arrow 14 characterize the lateral inclination of the ship.

Das Messmodulsystem 9 nach 2 bildet einen Körper 8, in dem ein physikalisches Pendel 1 platziert ist, das zwei Freiheitsgrade in zwei gegenüber senkrecht liegenden Richtungen aufweist, die mit der Richtung der vorderrückseitigen Neigung und der Seitenneigung des Schiffes oder Flugzeuges übereinstimmen. Das physikalische Pendel 1 ist an den ersten photoelektrischen Kodeumformer 2, der an der ersten Hauptmessachse platziert ist, zur Registrierung der Seitenneigung des Schiffes oder Flugzeuges gegenüber der lokalen Vertikalachse 12 ( ) eingehängt. Im Körper 8 des Messmodulsystems 9 ist ebenfalls ein zweiter photoelektrischer Kodeumformer 3 befestigt, der an der zweiten Hauptmessachse zur Registrierung der vorderrückseitigen Neigung des Schiffes oder Flugzeuges gegenüber der lokalen Vertikalachse 12 ( ) platziert ist.The measuring module system 9 to 2 forms a body 8th in which a physical pendulum 1 having two degrees of freedom in two opposite directions perpendicular to the direction of the front-back slope and side slope of the ship or airplane. The physical pendulum 1 is at the first photoelectric code converter 2 , which is placed on the first main measuring axis, for registering the lateral inclination of the ship or aircraft with respect to the local vertical axis 12 ( ). In the body 8th of the measuring module system 9 is also a second photoelectric code converter 3 attached to the second main measuring axis for registration of the front-back inclination of the ship or aircraft relative to the local vertical axis 12 ( ) is placed.

Der erste photoelektrische Kodeumformer 2 und der zweite photoelektrische Kodeumformer 3 registrieren die Drehungswinkel des Körpers 8 des Messmodulsystems 9, wobei der Körper 8 fest mit dem Schiff oder Flugzeug verbunden ist.The first photoelectric code converter 2 and the second photoelectric code converter 3 register the angles of rotation of the body 8th of the measuring module system 9 , where the body 8th firmly connected to the ship or plane.

Die Unstabilität des physikalischen Pendels 1 im Inertialraum verursacht die Entstehung dynamischer Fehler in den Ergebnissen, das bedeutet Abweichungen von der lokalen Vertikalachse 12 ( ). Die entstandenen Abweichungen werden anschließend mittels Signalen, die von zwei Paaren konstruktionsmäßig identischer Beschleunigungsmesser 4, 5, 6, 7 empfangen werden, korrigiert, die durch mikroelektro-mechanische Systeme zur Messung der Beschleunigung gebildet sind. Der erste Beschleunigungsmesser 4 und der zweite Beschleunigungsmesser 5 sind so platziert, dass deren Achsen empfindlich auf die Beschleunigung reagieren, die von der vorderrückseitigen Neigung des Schiffes oder Flugzeuges entsteht. Die Achsen des dritten Beschleunigungsmessers 6 und des vierten Beschleunigungsmessers 7 sind so orientiert, dass sie die Beschleunigung registrieren, die von der Seitenneigung des Schiffes oder Flugzeuges entsteht. Der erste Beschleunigungsmesser 4 ist auf dem Körper 8 des Messmodulsystems 9, der zweite Beschleunigungsmesser 5 ist gemeinsam mit dem dritten Beschleunigungsmesser 6 auf dem ersten photoelektrischen Kodeumformer 2 platziert, und der vierte Beschleunigungsmesser 7 ist auf dem physikalischen Pendel 1 platziert. Der zweite Beschleunigungsmesser 5 und auch der vierte Beschleunigungsmesser 7 reagieren empfindlich auf die Beschleunigung, die vom ersten photoelektrischen Kodeumformer 2 gewonnen wird, und auch auf die Beschleunigung, die durch die Bewegung des physikalischen Pendels 1 in dem entsprechendem Freiheitsgrad bewirkt wurde. Der erste Beschleunigungsmesser 4 und auch der dritte Beschleunigungsmesser 6 reagieren empfindlich auf die Beschleunigung, die vom zweiten photoelektrischen Kodeumformer 3 gewonnen wurde, und auch auf die Beschleunigung, die durch die Bewegung des physikalischen Pendels 1 in dem entsprechendem Freiheitsgrad bewirkt wurde. Die Ausgangssignale vom ersten photoelektrischen Kodeumformer 2 und auch die Signale vom zweiten photoelektrischen Kodeumformer 3 sind proportional zu der Beschleunigung, die durch die Bewegung des physikalischen Pendels 1 in dem entsprechendem Freiheitsgrad verursacht wurde. Anschließend wird eine Doppelintegration der erfassten Ausgangssignale durchgeführt, wobei Signale erworben werden, die die Abweichungen des physikalischen Pendels 1 von der lokalen Vertikalachse 12 in beiden Freiheitsgraden definieren; dessen Werte sind im Grund identisch mit dem dynamischen Fehler, der von den Signalen des ersten photoelektrischen Kodeumformers 2 und des zweiten photoelektrischen Kodeumformers 3 beseitigt wird.The instability of the physical pendulum 1 in the inertial space causes the generation of dynamic errors in the results, that means deviations from the local vertical axis 12 ( ). The resulting deviations are then signaled by two pairs of identical accelerometers 4 . 5 . 6 . 7 are corrected, which are formed by micro-electro-mechanical systems for measuring the acceleration. The first accelerometer 4 and the second accelerometer 5 are placed so that their axles are sensitive to the acceleration that arises from the front-back tilt of the ship or aircraft. The axes of the third accelerometer 6 and the fourth accelerometer 7 are oriented so that they register the acceleration that arises from the lateral inclination of the ship or aircraft. The first accelerometer 4 is on the body 8th of the measuring module system 9 , the second accelerometer 5 is in common with the third accelerometer 6 on the first photoelectric code converter 2 placed, and the fourth accelerometer 7 is on the physical pendulum 1 placed. The second accelerometer 5 and also the fourth accelerometer 7 are sensitive to the acceleration caused by the first photoelectric converter 2 is gained, and also on the acceleration caused by the movement of the physical pendulum 1 was effected in the corresponding degree of freedom. The first accelerometer 4 and also the third accelerometer 6 sensitive to the acceleration caused by the second photoelectric converter 3 was gained, and also to the acceleration caused by the movement of the physical pendulum 1 in the corresponding Degree of freedom was effected. The output signals from the first photoelectric converter 2 and also the signals from the second photoelectric converter 3 are proportional to the acceleration caused by the movement of the physical pendulum 1 was caused in the corresponding degree of freedom. Subsequently, a double integration of the detected output signals is performed, whereby signals are acquired, which are the deviations of the physical pendulum 1 from the local vertical axis 12 define in both degrees of freedom; its values are basically identical to the dynamic error produced by the signals of the first photoelectric converter 2 and the second photoelectric encoder 3 is eliminated.

Zur Signalsäuberung von weiteren Interferenzeffekten, die in den Messkanälen der Beschleunigungsmesser 4, 5, 6, 7 auftreten, wird eine Linearität einerseits über einen ersten Kalman-Filter 10 und andererseits über einen zweiten Kalman-Filter 11 ( ) durchgeführt. Dadurch werden Ausgangssignale erworben proportional zu den Abweichungen des physikalischen Pendels 1 von der lokalen Vertikalachse 12 in beiden Freiheitsgraden, nämlich die vorderrückseitige Neigung und die Seitenneigung des Schiffes oder Flugzeuges.For the signal clearing of other interference effects, which in the measurement channels of the accelerometer 4 . 5 . 6 . 7 occur, linearity on the one hand via a first Kalman filter 10 and on the other hand via a second Kalman filter 11 ( ) carried out. As a result, output signals are acquired proportional to the deviations of the physical pendulum 1 from the local vertical axis 12 in both degrees of freedom, namely the front-back inclination and the lateral inclination of the ship or aircraft.

Das Operationsdiagramm des Messmodulsystems 9 nach 3 enthält den Körper 8, der fest am Schiff oder Flugzeug angeschlossen ist und in dem das physikalische Pendel 1, 1', das die lokale Vertikalachse 12 darstellt, eingelagert ist. Das physikalische Pendel 1, 1' ist schwenkend in zwei Freiheitsgraden gegenüber den senkrecht liegenden Richtungen, die durch die vorderrückseitige Neigung und die Seitenneigung des Schiffes oder Flugzeuges bestimmt sind. Das physikalische Pendel 1 verfolgt die vorderrückseitige Neigung des Schiffes oder Flugzeuges, während das physikalische Pendel 1' die Seitenneigung des Schiffes oder Flugzeuges verfolgt. Der erste photoelektrischen Kodeumformer 2 ist im Körper 8 des Messmodulsystems 9 platziert, desgleichen der zweite photoelektrische Kodeumformer 3, wobei beide photoelektrischen Kodeumformer 2, 3 an den Hauptmessachsen platziert sind. Sie registrieren die Drehungswinkel des Körpers 8 des Messmodulsystems 9 in Hinsicht auf die lokale Vertikalachse 12 und das in zwei gegenseitig senkrechten Richtungen. Der erste photoelektrische Kodeumformer 2 registriert also die Seitenneigung des Schiffes oder Flugzeuges, und der zweite photoelektrische Kodeumformer 3 registriert die vorderrückseitige Neigung des Schiffes oder Flugzeuges.The operation diagram of the measuring module system 9 to 3 contains the body 8th firmly attached to the ship or plane and in which the physical pendulum 1 . 1' that is the local vertical axis 12 represents, is stored. The physical pendulum 1 . 1' is pivoting in two degrees of freedom with respect to the perpendicular directions, which are determined by the front-back tilt and side slope of the ship or aircraft. The physical pendulum 1 tracks the front-back tilt of the ship or aircraft while the physical pendulum 1' tracked the side tilt of the ship or aircraft. The first photoelectric code converter 2 is in the body 8th of the measuring module system 9 placed, as well as the second photoelectric code converter 3 where both are photoelectric converters 2 . 3 are placed on the main measuring axes. They register the angles of rotation of the body 8th of the measuring module system 9 in terms of the local vertical axis 12 in two mutually perpendicular directions. The first photoelectric code converter 2 So registers the lateral inclination of the ship or aircraft, and the second photoelectric code converter 3 registers the front-back tilt of the ship or aircraft.

Der erste Beschleunigungsmesser 4 ist an dem Körper 8 des Messmodulsystems 9 platziert und erfasst die Beschleunigung, die bei der vorderrückseitigen Neigung des Schiffes oder Flugzeuges entsteht. Der zweite Beschleunigungsmesser 5 ist auf dem ersten photoelektrischen Kodeumformer 2 platziert, und dessen Messachsen sind so orientiert dass sie die Beschleunigung erfassen, die bei der vorderrückseitigen Neigung des Schiffes oder Flugzeuges entsteht. Der dritte Beschleunigungsmesser 6 ist gleichfalls auf dem ersten photoelektrischen Kodeumformer 2 platziert, und dessen Messachsen sind so orientiert, dass sie die Beschleunigung erfassen, die bei der Seitenneigung des Schiffes oder Flugzeuges entsteht. Der vierte Beschleunigungsmesser 7 ist an dem physikalischen Pendel 1 platziert und stellt die lokale Vertikalachse 12 dar. Dessen Messachsen sind so orientiert, dass sie die Beschleunigung erfassen, die bei der Seitenneigung des Schiffes oder Flugzeuges entsteht.The first accelerometer 4 is on the body 8th of the measuring module system 9 Places and detects the acceleration that occurs at the front-back tilt of the ship or aircraft. The second accelerometer 5 is on the first photoelectric code converter 2 and whose measuring axes are oriented so as to detect the acceleration that occurs at the front-back tilt of the ship or aircraft. The third accelerometer 6 is also on the first photoelectric code converter 2 and whose measuring axes are oriented so that they capture the acceleration that arises at the lateral inclination of the ship or aircraft. The fourth accelerometer 7 is at the physical pendulum 1 placed and represents the local vertical axis 12 Its measuring axes are oriented so that they capture the acceleration that arises when the side of the ship or aircraft.

Der Ausgang des ersten Beschleunigungsmessers 4 ist mit dem Ausgang des zweiten Beschleunigungsmessers 5 verbunden, und der Ausgang des dritten Beschleunigungsmessers 6 ist mit dem Ausgang des vierten Beschleunigungsmessers 7 verbunden. Die empfangenen Ausgangssignale sind einer Doppelintegration unterzogen.The output of the first accelerometer 4 is with the output of the second accelerometer 5 connected, and the output of the third accelerometer 6 is with the output of the fourth accelerometer 7 connected. The received output signals are subjected to double integration.

Der Körper 8 des Messmodulsystems 9 ist fest mit dem Schiff oder Flugzeug verbunden, und dessen Messachsen sind so orientiert, dass sie empfindlich auf die Seitenneigung (im Operationsdiagramm des Messmodulsystems 9 mit dem Buchstaben θ gekennzeichnet) und auch empfindlich auf die vorderrückseitige Neigung (gekennzeichnet mit dem Buchstaben ψ) reagieren. Dann werden an den Ausgängen des photoelektrischen Kodeumformers 2 und des zweiten photoelektrischen Kodeumformers 3 Informationen über die Änderung dieser Messgrößen gewonnen. Die Informationen werden mit Rücksicht auf die Zeitkoordinate in Form der Funktionen θ_r(t) und ψ_r(t) registriert. Die Unstabilität des physikalischen Pendels 1 im Inertialraum generiert den dynamischen Fehler im Resultat, dessen Eigenschaften mittels der Funktionen α(t) und β(t) definiert sind. Diese Funktionen bilden die Abweichung des physikalischen Pendels 1 von der idealen astronomischen, lokalen Vertikalachse 12, die entlang der zwei Messkoordinaten des Messmodulsystems 9 generiert wird.The body 8th of the measuring module system 9 is firmly connected to the ship or aircraft, and its measuring axes are oriented so that they are sensitive to lateral inclination (in the operation diagram of the measuring module system 9 marked with the letter θ) and also sensitive to the front-back tilt (marked with the letter ψ). Then be at the outputs of the photoelectric code converter 2 and the second photoelectric encoder 3 Information about the change of these measurands won. The information is registered with respect to the time coordinate in terms of the functions θ _r (t) and ψ _r (t). The instability of the physical pendulum 1 in the inertial space generates the dynamic error in the result whose properties are defined by the functions α (t) and β (t). These functions form the deviation of the physical pendulum 1 from the ideal astronomical, local vertical axis 12 along the two measuring coordinates of the measuring module system 9 is generated.

Die Werte, die von den zwei Messkanälen gewonnen werden, gleichen der Summe der geforderten Signale und zuständigen dynamischen Fehler, das ist θ_r(t) = θ(t) + α(t) und auch ψ_r(t) = ψ(t) + β(t), wobei θ(t) und ψ(t) Signale sind, die den aktuellen Wert der Seitenneigung und vorderrückseitigen Neigung in Bezug auf die Zeitachse definieren.The values obtained from the two measurement channels are equal to the sum of the required signals and competent dynamic errors, that is θ _r (t) = θ (t) + α (t) and also ψ _r (t) = ψ (t ) + β (t), where θ (t) and ψ (t) are signals that define the current value of side tilt and front back tilt with respect to the time axis.

Die Festlegung der dynamischen Fehler α(t) und β(t), die in zwei gegebenen Messkanälen vorkommen, wird mittels eines Algorithmus zur Datenverarbeitung vorgenommen.The determination of the dynamic errors α (t) and β (t), which occur in two given measurement channels, is performed by means of a data processing algorithm.

Zur Säuberung der Signale mit dem Umfang der dynamischen Fehler α(t) und β(t) von weiteren Interferenzeffekten, die in den Messkanälen der Beschleunigungsmesser 4, 5, 6, 7 auftreten, wird eine Linearisierung beider festgestellter Beschleunigungen sowohl über den ersten Kalmanfilter 10 als auch über den zweiten Kalmanfilter 11 durchgeführt. Dadurch werden die Ausgangssignale proportional zu den Abweichungen des physikalischen Pendels 1 von der lokalen Vertikalachse 12 in beiden Freiheitsgraden, die die vorderrückseitige Neigung und die Seitenneigung des Schiffes oder Flugzeuges sind, gewonnen.To clean up the signals with the scope of dynamic errors α (t) and β (t) of other interference effects in the measurement channels of the accelerometer 4 . 5 . 6 . 7 occur, a linearization of both detected accelerations both over the first Kalman filter 10 as well as the second Kalman filter 11 carried out. This makes the output signals proportional to the deviations of the physical pendulum 1 from the local vertical axis 12 in both degrees of freedom, which are the front-back tilt and side slope of the ship or aircraft.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: physikalisches Pendelphysical pendulum
22: erster photoelektrischer Kode-Umformerfirst photoelectric code converter
33: zweiter photoelektrischer Kode-Umformersecond photoelectric code converter
44: erster Beschleunigungsmesserfirst accelerometer
55: zweiter Beschleunigungsmessersecond accelerometer
66: dritter Beschleunigungsmesserthird accelerometer
77: vierter Beschleunigungsmesserfourth accelerometer
88th: Körperbody
99: MessmodulsystemMeasurement Module System
1010: erstes Kalman-Filterfirst Kalman filter
1111: zweites Kalman-Filtersecond Kalman filter
1212: lokale Vertikalachselocal vertical axis
1313: erster Pfeilfirst arrow
1414: zweiter Pfeilsecond arrow

Claims

Method for determining the front-back inclination and lateral inclination of a ship or aircraft with the elimination of dynamic errors, carried out on the principle of measuring and recording the angular deviation of the local vertical axis ( 12 ) of the physical pendulum ( 1 ) in two opposite vertical directions in the inertial space, characterized in that according to the angular deviation of the local vertical axis ( 12 ) of the physical pendulum ( 1 ) the current values of the lateral inclination of the ship or aircraft are measured and registered by means of a first photoelectric code converter ( 2 ) on the axis responsible for the angular measurement of the lateral inclination and also the front-back inclination of the ship or aircraft by means of a second photoelectric code converter ( 3 ) is mounted on the appropriate axis for angular measurement of the front-back tilt, the dynamic error caused by the instability of the physical pendulum ( 1 ) in the inertial space, expressed by means of the deviation from the local vertical axis ( 12 ) and by means of two pairs of structurally identical accelerometers ( 4 . 5 . 6 . 7 ) determined to measure the linear acceleration resulting from the front-back slope of the ship or aircraft and the side slope of the ship or aircraft, the first accelerometer ( 4 ) on the body ( 8th ) of the measuring module system ( 9 ), the second accelerometer ( 5 ) together with the third accelerometer ( 6 ) on the body of the first photoelectric code converter ( 2 ) and the fourth accelerometer ( 7 ) on the physical pendulum ( 1 ) is placed with two degrees of freedom, after which, after processing the signals from the accelerometers ( 4 . 5 . 6 . 7 ) is obtained by means of the selected frequency of recording the linear acceleration of the current value of the dynamic error, of the signals of the first photoelectric encoder ( 2 ) and the second photoelectric code converter ( 3 ) is eliminated by a double integration of the detected values, while for further signal clearing of interference effects of both photoelectric converters ( 2 . 3 ) linearity of both detected accelerations, on the one hand via a first Kalman filter ( 10 ) and on the other hand via a second Kalman filter ( 11 ), whereby output signals proportional to the deviations of the physical pendulum ( 1 ) from the local vertical axis ( 12 ) in both degrees of freedom, namely the front-back slope and the side slope of the ship or aircraft, are obtained.

Measuring module system for carrying out the method according to claim 1, characterized in that the body ( 8th ) of the modular system ( 9 ) is firmly connected to the ship or aircraft and the measuring module system ( 9 ) the physical pendulum ( 1 ) which oscillates in two degrees of freedom with respect to perpendicular directions, which are determined by the front-back inclination and side inclination of the ship or aircraft, and that the physical pendulum ( 1 ), which is the local vertical axis ( 12 ), on the one hand with a first photoelectric code converter ( 2 ), which is placed on the main axis, for measuring the lateral inclination of the ship or aircraft and, on the other hand, with a second photoelectric code converter ( 3 ), which is placed on the main axis for measuring the front-back inclination of the ship or aircraft, is mechanically connected, wherein on the body ( 8th ) of the measuring module system ( 9 ) the first accelerometer ( 4 ) whose measuring axes are oriented so as to detect the acceleration that arises in the front-rearward inclination of the ship or aircraft, while the second accelerometer ( 5 ) on the first photoelectric code converter ( 2 ) and its measuring axes are oriented so as to detect the acceleration that arises in the front - rearward inclination of the ship or aircraft, and the third Accelerometer ( 6 ) likewise on the first photoelectric code converter ( 2 ) and whose measuring axes are oriented so that they capture the acceleration that arises at the lateral inclination of the ship or aircraft that the fourth accelerometer ( 7 ) on the physical pendulum ( 1 ) and whose measuring axes are oriented so as to detect the acceleration that occurs at the lateral inclination of the ship or aircraft, with the output of the first accelerometer ( 4 ) with the output of the second accelerometer ( 5 ) and then together with the output of the first photoelectric code converter ( 2 ) the first Kalman filter ( 10 ), while the output of the third accelerometer ( 6 ) with the output of the fourth accelerometer ( 7 ) and then together with the output of the second photoelectric code converter ( 3 ) the second Kalman filter ( 11 ) is supplied.

Measuring module system according to claim 2, characterized in that the accelerometers ( 4 . 5 . 6 . 7 ) form a microelectromechanical system for measuring acceleration.