DE102022130886A1 - DIRECTION MEASURING METHODS AND DIRECTION MEASURING DEVICE - Google Patents

DIRECTION MEASURING METHODS AND DIRECTION MEASURING DEVICE Download PDF

Info

Publication number
DE102022130886A1
DE102022130886A1 DE102022130886.3A DE102022130886A DE102022130886A1 DE 102022130886 A1 DE102022130886 A1 DE 102022130886A1 DE 102022130886 A DE102022130886 A DE 102022130886A DE 102022130886 A1 DE102022130886 A1 DE 102022130886A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
test mass
measuring device
test
laser
gyroscope
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102022130886.3A
Other languages
German (de)
Inventor
Lee Michael Kumanchik
Claus Braxmaier
Ines Hamann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Original Assignee
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV filed Critical Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority to DE102022130886.3A priority Critical patent/DE102022130886A1/en
Publication of DE102022130886A1 publication Critical patent/DE102022130886A1/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01CMEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/02Rotary gyroscopes
    • G01C19/04Details
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/18Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration in two or more dimensions

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Gyroscopes (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Richtungsbestimmung eines Objekts in einem rotierenden Bezugssystem sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Nach einem ersten Aspekt löst die gestellte Aufgabe ein Verfahren zur Richtungsmessung eines linear beschleunigten und/oder rotierend beschleunigten Objekts in einem rotierenden Bezugssystem, wobei die Bewegung einer ersten Testmasse und einer zweiten Testmasse, die in einem als Bezugssystem dienen-den rotierenden Kreisel voneinander beabstandet aufgehängt sind, als Summen-signal erfasst wird, wobei der Abstand der beiden Testmassen weniger als 10 mm, bevorzugt weniger als 5 mm und besonders bevorzugt weniger als 2 mm beträgt, und zusätzlich eine Differenz zwischen der Bewegung der ersten Testmasse und der Bewegung der zweiten Testmasse gemessen wird.The invention relates to a method for determining the direction of an object in a rotating reference system and to a device for carrying out the method. According to a first aspect, the stated object is achieved by a method for measuring the direction of a linearly accelerated and/or rotationally accelerated object in a rotating reference system, wherein the movement of a first test mass and a second test mass, which are suspended at a distance from one another in a rotating gyroscope serving as a reference system, is recorded as a sum signal, wherein the distance between the two test masses is less than 10 mm, preferably less than 5 mm and particularly preferably less than 2 mm, and in addition a difference between the movement of the first test mass and the movement of the second test mass is measured.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Richtungsbestimmung eines Objekts in einem rotierenden Bezugssystem sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Richtungsbestimmung eines Objekts in einem rotierenden Bezugssystem für Navigationsanwendungen.The invention relates to a method for determining the direction of an object in a rotating reference system and to a device for carrying out the method. In particular, the invention relates to a method and a device for determining the direction of an object in a rotating reference system for navigation applications.

Die Richtungsmessung ist eine grundlegende Aufgabe der Geodäsie, Geometrie, Astronomie, Navigation und anderer Gebiete der Technik. Sie besteht in einer orientierten Winkelmessung zur Bestimmung horizontaler Winkel oder orientierter Messstrahlen in einem definierten Bezugssystem. Das Bezugssystem kann dabei absolut sein. Beispielsweise beziehen sich viele Richtungsmessungen auf der Erde auf geografisch oder astronomisch Nord, nämlich jene horizontale Richtung, die zum geografischen Nordpol führt. In vielen anderen Fällen ist ein Bezug zu einem absoluten Bezugssystem nicht zielführend oder sogar unmöglich. Ein Beispiel für einen solchen Fall ist die Raumfahrt. In diesen Fällen kann ein relatives Bezugssystem definiert werden, auf das sich die Richtungsmessung bezieht.Direction measurement is a fundamental task of geodesy, geometry, astronomy, navigation and other areas of technology. It consists of an oriented angle measurement to determine horizontal angles or oriented measuring rays in a defined reference system. The reference system can be absolute. For example, many direction measurements on Earth refer to geographic or astronomical north, namely the horizontal direction that leads to the geographic North Pole. In many other cases, a reference to an absolute reference system is not useful or even impossible. One example of such a case is space travel. In these cases, a relative reference system can be defined to which the direction measurement refers.

Die Kenntnis einer Richtung eines Objekts ist beispielsweise für Navigationsanwendungen essentiell. Beispielsweise bei der Navigation von Flugbahnen, insbesondere bei großen Entfernungen, beispielsweise bei der Navigation für Raumfahrzeuge, muss dabei die Richtungsbestimmung sehr genau erfolgen, da bereits kleinste Abweichungen von bestimmter Richtung zur tatsächlichen Richtung eines Objekts zu großen Abweichungen bei der Erreichung eines vorbestimmten Ziels führen können.Knowing the direction of an object is essential for navigation applications, for example. For example, when navigating flight paths, especially over long distances, such as in spacecraft navigation, the direction must be determined very precisely, since even the smallest deviations from a certain direction to the actual direction of an object can lead to large deviations in reaching a predetermined destination.

Im Stand der Technik sind für die Richtungsmessung, insbesondere in einem relativen Bezugssystem, Kreiselinstrumente, auch Gyroskope oder kurz Gyros genannt, bekannt. Dabei dreht sich in einem beweglichen Lager ein rasch rotierender, symmetrischer Kreisel. Das Lager kann beispielsweise eine kardanische Aufhängung oder ein Rahmen in Form eines Käfigs sein. Aufgrund der Drehimpulserhaltung weist der Kreisel ein hohes Beharrungsvermögen gegenüber Lageänderungen im Raum auf. Gyros werden als Navigationsinstrumente sowie zur aktiven Lageregelung eingesetzt, insbesondere in der Luft- und Raumfahrt. Bei der Lageregelung von Raumflugkörpern wie Satelliten wird ausgenutzt, dass das Gesamtsystem aus Raumflugkörper und Gyroskop seinen Drehimpuls beibehält und somit durch Drehimpulsübertragung zwischen beiden die Lage gesteuert werden kann. Ein Kreiselsystem lässt sich als abgeschlossenes System ansehen, dessen Drehimpuls konstant bleibt. Versucht eine äußere Kraft die Drehachse des Kreisels zu kippen, resultiert ein zur Kraft senkrechtes Drehmoment, dem sich der Drehimpuls nach der Regel vom gleichsinnigen Parallelismus anzugleichen strebt. Der Drehimpuls kippt senkrecht zur angreifenden Kraft. Die Drehachse ist über den Trägheitstensor an den Drehimpuls gekoppelt, weswegen die Kreiselachse dem Drehimpuls folgt und ihn dabei auf engem Kegel umläuft. Der Öffnungswinkel des Kegels ist beim symmetrischen Kreisel umgekehrt proportional zum Quadrat der Drehzahl und des Verhältnisses des axialen zum äquatorialen Hauptträgheitsmoment des Kreisels.In the state of the art, gyroscope instruments, also called gyroscopes or gyros for short, are known for measuring direction, especially in a relative reference system. A rapidly rotating, symmetrical gyroscope rotates in a movable bearing. The bearing can be, for example, a gimbal suspension or a frame in the form of a cage. Due to the conservation of angular momentum, the gyroscope has a high degree of inertia with regard to changes in position in space. Gyros are used as navigation instruments and for active attitude control, especially in aviation and aerospace. When controlling the attitude of spacecraft such as satellites, it is exploited that the overall system of spacecraft and gyroscope maintains its angular momentum and thus the position can be controlled by transferring angular momentum between the two. A gyroscope system can be viewed as a closed system whose angular momentum remains constant. If an external force tries to tilt the axis of rotation of the gyroscope, a torque perpendicular to the force results, which the angular momentum strives to match according to the rule of parallelism in the same direction. The angular momentum tilts perpendicular to the applied force. The axis of rotation is coupled to the angular momentum via the inertia tensor, which is why the gyro axis follows the angular momentum and orbits it in a narrow cone. In a symmetrical gyro, the opening angle of the cone is inversely proportional to the square of the speed and the ratio of the axial to the equatorial main moment of inertia of the gyro.

Der Begriff Kreisel oder Gyro wird mittlerweile in übertragender Weise für eine Vielzahl von Drehratensensoren verwendet, die keine Kreisel enthalten, aber den gleichen Zweck erfüllen wie ein tatsächliches Kreiselinstrument.The term gyro is now used in a figurative sense for a variety of angular rate sensors that do not contain gyros but serve the same purpose as an actual gyroscopic instrument.

Ein rotierendes Bezugssystem erzeugt drei so genannte fiktive Kräfte, nämlich die Corioliskraft, die Zentrifugalkraft und die Eulersche Kraft. Die überwältigende Mehrheit der kommerziellen Kreiselkonstruktionen basiert auf der Corioliskraft, die die Drehrate des Bezugssystems misst. Diese Winkelgeschwindigkeit muss einmal integriert werden, um die Winkelausrichtung des Rahmens zu erhalten. Auf der Messung der Corioliskraft basierende Winkelkreisel für Navigationszwecke variieren in Leistung und Größe, wobei einige der kleinsten 12 mm × 12 mm × 6 mm messen und einen Angle Random Walk (ARW) von 0,001 ° / h 2

Figure DE102022130886A1_0001
(Grad pro Quadratwurzelstunde). Dabei beschreibt ARW das weiße Rauschen am Ausgang eines Gyros, wobei weißes Rauschen ein Rauschen mit einem konstanten Leistungsdichtespektrum in einem bestimmten Frequenzbereich ist und häufig verwendet wird, um Störungen in einem sonst idealen Modell zu beschreiben. Auf der Messung der Corioliskraft basierende Winkelkreisel für Navigationszwecke erreichen derzeit nicht die Leistung von faseroptischen Kreiseln (FOG), die auf dem Sagnac-Effekt beruhen und eine Leistung von 0,0001 ° / h 2
Figure DE102022130886A1_0002
erreichen können, dafür aber mit bis zu 12 kg schwerer und größer sind.A rotating reference frame generates three so-called fictitious forces, namely the Coriolis force, the centrifugal force and the Euler force. The overwhelming majority of commercial gyro designs are based on the Coriolis force, which measures the rate of rotation of the reference frame. This angular velocity must be integrated once to obtain the angular orientation of the frame. Angle gyros based on the measurement of the Coriolis force for navigation purposes vary in performance and size, with some of the smallest measuring 12 mm × 12 mm × 6 mm and having an Angle Random Walk (ARW) of 0.001 ° / H 2
Figure DE102022130886A1_0001
(degrees per square root hour). ARW describes the white noise at the output of a gyro, where white noise is noise with a constant power density spectrum in a certain frequency range and is often used to describe disturbances in an otherwise ideal model. Angle gyros based on the measurement of the Coriolis force for navigation purposes currently do not reach the performance of fiber optic gyros (FOG), which are based on the Sagnac effect and have a performance of 0.0001 ° / H 2
Figure DE102022130886A1_0002
but are heavier and larger, weighing up to 12 kg.

Unabhängig davon messen alle diese Kreisel die Winkelgeschwindigkeit. Um eine für Navigationsanwendungen erforderliche Winkelausrichtung des Bezugssystems zu erzeugen müssen sie eine Integration über die Zeit vornehmen. Allerdings führt jeder Restfehler in der Drehratenmessung, beispielsweise aufgrund von Sensorrauschen, zu einem Random Walk, also einer zufälligen Bewegung, der Winkelausrichtung nach der Integration mit einer oben bereits genannten Leistungskennzahl ARW in der Größenordnung von 0,001 ° / h 2 .

Figure DE102022130886A1_0003
Dieser Fehler akkumuliert sich mit der Zeit. Er kann zwar kompensiert werden, wenn man über eine stabile, langfristige Referenz verfügt, mit der man vergleichen kann. Dies kann der Schwerkraftvektor der Erde in Kombination mit dem magnetischen Nordvektor der Erde sein. Diese Vektoren werden dabei mit separaten Beschleunigungsmessern und einem Magnetometer gemessen. Außer bei MEMS-Kreiseln, also Kreiseln basierend auf mikroelektromechanischen Systemen, bei denen die Beschleunigungsmesser und Magnetometer Millimeter voneinander entfernt auf demselben Chip untergebracht werden können, sind die anderen Sensoren separat verpackt verpackt und befinden sich in einem gewissen Abstand zueinander, der durch die individuellen Abmessungen für jeden Sensor begrenzt ist. Dies führt zu einer erhöhten Empfindlichkeit gegenüber Umgebungseinflüssen wie Temperaturschwankungen oder Vibrationen, da die Sensoren nicht denselben Punkt im Raum abtasten und die gemeinsame Befestigungsstruktur nicht vollkommen starr ist. Mit anderen Worten können der Abstand zwischen den Sensoren und ihre Ausrichtung zueinander driften, also sich zumindest vorübergehend verändern. Zwar kann durch Kombination der Daten der einzelnen Sensoren mit einem Filteralgorithmus der Kreisel-ARW kompensiert werden. Unabhängig davon führt das Ergebnis aber letztlich zu einer Hochpassfilterung des Kreiselsignals, wodurch der Kreiselbeitrag für Zeitintervalle eliminiert wird, die länger sind als eine Cut-on-Frequenz des Filters. Die Unterdrückung von Signalen mit langer Zeitskala aus den Kreiseldaten bedeutet, dass die ARW-Kennzahl nicht die Leistung korrekt darstellt, da vom Kreisel zumindest bei terrestrischen Navigationsanwendungen nicht erwartet wird, dass er von sich aus eine Winkelorientierung über Stunden hinweg liefert.Regardless, all of these gyros measure angular velocity. In order to generate an angular orientation of the reference system required for navigation applications, they must perform an integration over time. However, any residual error in the angular rate measurement, for example due to sensor noise, leads to a random walk, i.e. a random movement of the angular orientation after integration with a performance indicator ARW already mentioned above in the order of magnitude of 0.001 ° / H 2 .
Figure DE102022130886A1_0003
This error accumulates over time. It can be compensated for by having a stable, long-term Reference with which to compare. This can be the Earth's gravity vector combined with the Earth's magnetic north vector. These vectors are measured using separate accelerometers and a magnetometer. Except for MEMS gyros, i.e. gyros based on microelectromechanical systems, where the accelerometers and magnetometers can be housed millimeters apart on the same chip, the other sensors are packaged separately and are located at a certain distance from each other, which is limited by the individual dimensions for each sensor. This leads to increased sensitivity to environmental influences such as temperature fluctuations or vibrations, since the sensors do not scan the same point in space and the common mounting structure is not completely rigid. In other words, the distance between the sensors and their orientation to each other can drift, i.e. change at least temporarily. It is true that the gyro ARW can be compensated for by combining the data from the individual sensors with a filter algorithm. Regardless, the result ultimately leads to high-pass filtering of the gyro signal, eliminating the gyro contribution for time intervals longer than a cut-on frequency of the filter. The suppression of long timescale signals from the gyro data means that the ARW figure does not accurately represent performance, since the gyro is not expected to provide angular orientation for hours on its own, at least in terrestrial navigation applications.

Der hier vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dem Stand der Technik eine Verbesserung oder eine Alternative zur Seite zu stellen.The present invention is based on the object of providing an improvement or an alternative to the prior art.

Nach einem ersten Aspekt löst die gestellte Aufgabe ein Verfahren zur Richtungsmessung eines linear beschleunigten und/oder rotierend beschleunigten Objekts in einem rotierenden Bezugssystem, wobei die Bewegung einer ersten Testmasse und einer zweiten Testmasse, die in einem als Bezugssystem dienenden rotierenden Kreisel voneinander beabstandet aufgehängt sind, als Summensignal erfasst wird, wobei der Abstand der beiden Testmassen weniger als 10 mm, bevorzugt weniger als 5 mm und besonders bevorzugt weniger als 2 mm beträgt, und zusätzlich eine Differenz zwischen der Bewegung der ersten Testmasse und der Bewegung der zweiten Testmasse gemessen wird.According to a first aspect, the stated object is achieved by a method for measuring the direction of a linearly accelerated and/or rotationally accelerated object in a rotating reference system, wherein the movement of a first test mass and a second test mass, which are suspended at a distance from one another in a rotating gyroscope serving as a reference system, is recorded as a sum signal, wherein the distance between the two test masses is less than 10 mm, preferably less than 5 mm and particularly preferably less than 2 mm, and in addition a difference between the movement of the first test mass and the movement of the second test mass is measured.

Begrifflich sei hierzu folgendes erläutert:

  • Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass im Rahmen der hier vorliegenden Patentanmeldung unbestimmte Artikel und unbestimmte Zahlenangaben wie „ein...“, „zwei...“ usw. im Regelfall als mindestens-Angaben zu verstehen sein sollen, also als „mindestens ein...“, „mindestens zwei...“ usw., sofern sich nicht etwa aus dem Kontext oder dem konkreten Text einer bestimmten Stelle ergibt, dass etwa dort nur „genau ein...“, „genau zwei...“ usw. gemeint sein soll. Weiterhin sind alle Zahlenangaben sowie Angaben zu Verfahrensparametern und/oder Vorrichtungsparametern im technischen Sinne zu verstehen, d.h. als mit den üblichen Toleranzen versehen zu verstehen. Auch aus der expliziten Angabe der Einschränkung „wenigstens“ oder „mindestens“ o.ä. darf nicht geschlossen werden, dass bei der einfachen Verwendung von „ein“, also ohne die Angabe von „wenigstens“ o.ä., ein „genau ein“ gemeint ist.
The following terminology is used to explain this:
  • It should be expressly pointed out that in the context of this patent application, indefinite articles and indefinite numerical statements such as "one...", "two...", etc. should generally be understood as at least statements, i.e. as "at least one...", "at least two...", etc., unless the context or the specific text of a particular passage indicates that only "exactly one...", "exactly two...", etc. are meant there. Furthermore, all numerical statements and statements on process parameters and/or device parameters are to be understood in the technical sense, i.e. as subject to the usual tolerances. Even the explicit specification of the restriction "at least" or "at least" or similar must not be used to conclude that "exactly one" is meant when "one" is simply used, i.e. without specifying "at least" or similar.

Eine „Richtungsmessung“ besteht in einer orientierten Winkelmessung zur Bestimmung horizontaler Winkel oder orientierter Messstrahlen in einem definierten Bezugssystem. Das Bezugssystem kann dabei absolut sein. Beispielsweise beziehen sich viele Richtungsmessungen auf der Erde auf geografisch oder astronomisch Nord. In vielen anderen Fällen ist ein Bezug zu einem absoluten Bezugssystem nicht zielführend oder sogar unmöglich. Ein Beispiel für einen solchen Fall ist die Raumfahrt. In diesen Fällen kann ein relatives Bezugssystem definiert werden, auf das sich die Richtungsmessung bezieht.A "directional measurement" consists of an oriented angle measurement to determine horizontal angles or oriented measuring rays in a defined reference system. The reference system can be absolute. For example, many direction measurements on Earth refer to geographic or astronomical north. In many other cases, a reference to an absolute reference system is not useful or even impossible. One example of such a case is space travel. In these cases, a relative reference system can be defined to which the direction measurement refers.

Unter einem „Objekt“ ist in dieser Schrift ein Körper zu bestehen, dessen Richtung zu bestimmen ist.In this text, an “object” is a body whose direction is to be determined.

Unter einer „Testmasse“ ist eine Masse zu verstehen, deren lineare Beschleunigung und/oder deren Winkelbeschleunigung gemessen wird. Eine Testmasse kann in einem Objekt ausschließlich zu diesem Zweck vorgesehen sein. Es ist aber auch möglich, eine Masse, die ursprünglich zu einem anderen Zweck in dem Objekt vorgesehen ist, als Testmasse zu nutzen.A "test mass" is a mass whose linear acceleration and/or angular acceleration is measured. A test mass can be intended for this purpose only in an object. However, it is also possible to use a mass that was originally intended for another purpose in the object as a test mass.

Ein „Kreisel“ ist ein Körper, der um eine Achse rotiert. Die Begriffe „Gyroskop“ oder kurz „Gyro“ werden in dieser Schrift als Synonyme für einen Kreisel verwendet. Die Begriffe werden darüber hinaus auch für ein Messinstrument benutzt, das eine ähnliche Aufgaben wie ein Kreiselinstrument wahrnimmt, auch wenn es keinen rotierenden Kreisel enthält. Beispiele sind Laserkreisel, Faserkreisel oder Vibrationskreisel. Bei dem erwähnten Messinstrument rotiert ein symmetrischer Kreisel in einem Lager, dem „Rahmen“. Aufgrund der Drehimpulserhaltung weist der Kreisel ein hohes Beharrungsvermögen gegenüber Lageänderungen im Raum auf. Wird die Drehgeschwindigkeit zwischen Kreisel und Rahmen gemessen, spricht man von einem Gyrometer. Gyroskope werden als Navigationsinstrumente sowie zur aktiven Lageregelung eingesetzt, insbesondere in der Luft- und Raumfahrt. Bei der Lageregelung von Raumflugkörpern wie Satelliten wird ausgenutzt, dass das Gesamtsystem aus Raumflugkörper und Gyroskop seinen Drehimpuls beibehält und somit durch Drehimpulsübertragung zwischen beiden die Lage gesteuert werden kann.A "gyroscope" is a body that rotates around an axis. The terms "gyroscope" or "gyro" for short are used in this document as synonyms for a gyroscope. The terms are also used for a measuring instrument that performs a similar task to a gyroscope, even if it does not contain a rotating gyroscope. Examples are laser gyroscopes, fiber optic gyroscopes or vibration gyroscopes. In the measuring instrument mentioned, a symmetrical gyroscope rotates in a bearing, the "frame". Due to the conservation of angular momentum, the gyroscope has a high degree of inertia with regard to changes in position in space. If the rotational speed between the gyroscope and the frame is measured, it is called a gyroscope. ter. Gyroscopes are used as navigation instruments and for active attitude control, especially in aerospace. Attitude control of spacecraft such as satellites takes advantage of the fact that the entire system consisting of the spacecraft and the gyroscope retains its angular momentum and thus the attitude can be controlled by transferring angular momentum between the two.

Der „Angle Random Walk“ oder kurz „ARW“ beschreibt das weiße Rauschen am Ausgang eines Gyros, wobei weißes Rauschen ein Rauschen mit einem konstanten Leistungsdichtespektrum in einem bestimmten Frequenzbereich ist und häufig verwendet wird, um Störungen in einem sonst idealen Modell zu beschreiben. Der ARW wird in 1 ° / h 2

Figure DE102022130886A1_0004
angegeben.The “Angle Random Walk” or “ARW” describes the white noise at the output of a gyro, where white noise is noise with a constant power density spectrum in a certain frequency range and is often used to describe disturbances in an otherwise ideal model. The ARW is defined in 1 ° / H 2
Figure DE102022130886A1_0004
specified.

Ein „Magnetometer“ ist eine sensorische Einrichtung zur Messung magnetischer Flussdichten.A “magnetometer” is a sensory device for measuring magnetic flux densities.

Der Begriff „Laser“ wird in dieser Schrift für eine Laserstrahlen erzeugende Vorrichtung verwendet. Laserstrahlen sind elektromagnetische Wellen hoher Intensität in einem sehr engem Frequenzbereich - sogenanntes monochromatisches Licht -, wobei der Strahl eine scharfer Bündelung und großer Kohärenzlänge aufweist. Laser haben zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten in der Technik und werden insbesondere in Entfernungsmessgeräten eingesetzt.The term "laser" is used in this document for a device that generates laser beams. Laser beams are electromagnetic waves of high intensity in a very narrow frequency range - so-called monochromatic light - where the beam has a sharp focus and a long coherence length. Lasers have numerous applications in technology and are used in particular in distance measuring devices.

Der Kreisel und der Beschleunigungsmesser sind erfindungsgemäß derselbe Sensor. Das erfindungsgemäße Verfahren benutzt zwei Testmassen, die im Abstand von wenigen Millimetern, d.h. in einem Abstand von weniger als 10 mm, bevorzugt weniger als 5 mm und besonders bevorzugt weniger als 2 mm, aufgehängt sind. Die Bewegung der gemeinsamen Testmasse (Summensignal) stellt die lineare Beschleunigung dar. Die Differenzbewegung der Testmasse Bewegung (Differenzsignal) repräsentiert die Winkelbeschleunigung. Die beiden Messungen erfassen den exakt denselben Punkt im Raum, nämlich den Massenschwerpunkt des Zweimassensystems, wodurch die zuvor erläuterten Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Messverfahren mit unterschiedlichen Montageorten von Testmassen vermieden werden können.According to the invention, the gyroscope and the accelerometer are the same sensor. The method according to the invention uses two test masses that are suspended at a distance of a few millimeters, i.e. at a distance of less than 10 mm, preferably less than 5 mm and particularly preferably less than 2 mm. The movement of the common test mass (sum signal) represents the linear acceleration. The difference in the test mass movement (difference signal) represents the angular acceleration. The two measurements record exactly the same point in space, namely the center of mass of the two-mass system, whereby the previously explained disadvantages of the measuring methods known from the prior art with different mounting locations of test masses can be avoided.

Die Testmassen können an einer Aufhängevorrichtung, beispielsweise einem Rahmen, in dem rotierenden Kreisel aufgehangen werden. Erfindungsgemäß wird die Eulerkraft zur Bestimmung der Winkelausrichtung der Testmassen bzw. der Aufhängevorrichtung gemessen anstelle der Corioliskraft, wie dies im Stand der Technik bekannt ist. Die Corioliskraft erfasst die Winkelgeschwindigkeit, während die Eulerkraft die Winkelbeschleunigung erfasst. Dies bedeutet, dass die Euler-Kraft doppelt über die Zeit integriert werden muss, um die Winkelausrichtung der Testmassen bzw. der Aufhängevorrichtung auszulesen, anstatt einfach integriert zu werden, wie dies bei der Bestimmung der Winkelausrichtung über die Corioliskraft erforderlich ist. Dies führt allerdings zu einer ungünstige Änderung in der Zeitskalierung des ARW. Anstelle der Skalierung mit der Quadratwurzel aus Zeit - h 2

Figure DE102022130886A1_0005
- skaliert er mit der Quadratwurzel der kubierten Zeit kubiert - h 3 2
Figure DE102022130886A1_0006
-. Dies führt unter Umständen jedoch zu zwei Vorteilen gegenüber dem Stand der Technik.The test masses can be suspended from a suspension device, for example a frame, in the rotating gyroscope. According to the invention, the Euler force is measured to determine the angular orientation of the test masses or the suspension device instead of the Coriolis force, as is known in the prior art. The Coriolis force measures the angular velocity, while the Euler force measures the angular acceleration. This means that the Euler force must be integrated twice over time to read out the angular orientation of the test masses or the suspension device, instead of simply being integrated, as is necessary when determining the angular orientation via the Coriolis force. However, this leads to an unfavorable change in the time scaling of the ARW. Instead of scaling with the square root of time - H 2
Figure DE102022130886A1_0005
- it scales with the square root of the cubed time cubed - H 3 2
Figure DE102022130886A1_0006
-. However, this may lead to two advantages over the state of the art.

Der erste Vorteil kann darin bestehen, dass keine Resonanzstruktur erforderlich ist, wie sie für eine Coriolis-Kraftmessung erforderlich ist. Dies ist wichtig, weil die Verstärkung des Coriolis-Kraftsensors direkt proportional zur Resonanzamplitude ist. Ein Austreten der akustischen Energie aus der Resonanzstruktur ist unvermeidlich und kann nahegelegene Sensoren, wie z. B. physisch nahe lineare Beschleunigungssensoren, stören, insbesondere wenn die Verstärkung maximiert wird. Da die akustische Energie immer elektrisch angetrieben wird, kann dies auch zu EMF (induktiv gekoppelte elektromotorische Kraft) führen, was für bestimmte Präzisionsmessungen, wie z. B. Quantenmessungen, problematisch ist. Ein Beispiel, bei dem dies relevant ist, ist die Atom Interferometrie, die extrem empfindlich auf externe Magnetfelder reagiert, aber auch über Beschleunigungsmesser und Kreisel zur Stabilisierung.The first advantage may be that no resonant structure is required, as is required for a Coriolis force measurement. This is important because the gain of the Coriolis force sensor is directly proportional to the resonance amplitude. Leakage of the acoustic energy from the resonant structure is inevitable and may interfere with nearby sensors, such as physically close linear accelerometers, especially when the gain is maximized. Since the acoustic energy is always electrically driven, it may also result in EMF (inductively coupled electromotive force), which is problematic for certain precision measurements, such as quantum measurements. One example where this is relevant is atom interferometry, which is extremely sensitive to external magnetic fields, but also has accelerometers and gyroscopes for stabilization.

Der zweite Vorteil kann darin bestehen, dass die Präzision auf kurzen Zeitskalen erhöht wird. Dies lässt sich Dies wird durch das oben erwähnte unterschiedliche Skalierungsgesetz für den ARW deutlich. Skalierung mit h 3 2

Figure DE102022130886A1_0007
bedeutet, dass es einen Teil der Zeit gibt, in dem sich das ARW kaum ändert, weil der Kubus einer sehr kleinen Zahl eine noch kleinere Zahl ist.The second advantage can be that the precision on short time scales is increased. This can be seen from the different scaling law for the ARW mentioned above. Scaling with H 3 2
Figure DE102022130886A1_0007
means that there is a portion of time where the ARW changes little because the cube of a very small number is an even smaller number.

Die Signale der Beschleunigungssensoren können zur Lagebestimmung mittels eines Magnetometers, wie es dem Fachmann aus dem Stand bekannt ist, referenziert werden.The signals from the acceleration sensors can be referenced to determine the position using a magnetometer, as is known to those skilled in the art.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der ARW durch einen Filteralgorithmus verändert. Dies kann insbesondere für lange Zeitskalen zu Vorteilen führen. Unter einer langen Zeitskala werden hier Zeiten in der Größenordnung von 1 Sekunde verstanden. Auf einer solchen langen Zeitskala kann die erfindungsgemäße Skalierung ungünstig werden. Dies kann durch den Filteralgorithmus kompensiert werden. Der Schlüssel ist ein möglichst möglichst geringes Messrauschen, so dass nach doppelter Integration die Gesamtleistung über eine Zeitspanne von etwa 1 Sekunde besser ist. Dann kann der Filteralgorithmus die Verschlechterung, die über längere Zeiträume auftritt, durch Referenzierung der Beschleunigungs- und Magnetometer-Messungen verbessern.In an advantageous embodiment of the method according to the invention, the ARW is changed by a filter algorithm. This can lead to advantages, especially for long time scales. A long time scale is understood here to mean times in the order of 1 second. On such a long time scale, the scaling according to the invention can become unfavorable. This can be compensated by the filter algorithm. The key is to keep the measurement noise as low as possible, so that after double integration the overall performance is better over a period of about 1 second. The filter algorithm can then compensate for the deterioration that occurs over longer periods. dreams occurs by referencing the acceleration and magnetometer measurements.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Bewegung der ersten Testmasse und der zweiten Testmasse von einer Beschleunigungsmessvorrichtung, die in dem Kreisel inkludiert ist, gemessen. Die Einbeziehung des linearen Beschleunigungssensors zusammen mit dem Kreisel bedeutet, dass der Fusionsalgorithmus implizit in der Konstruktion enthalten ist. Die Leistung des Kreisels kann auf langen Zeitskalen durch den Beschleunigungsmesser verbessert werden, während auf kurzen Zeitskalen die Leistung durch die Messung der Euler Kraft anstelle der Corioliskraft verbessert werden kann.In a further advantageous embodiment of the method according to the invention, the motion of the first test mass and the second test mass is measured by an accelerometer device included in the gyroscope. The inclusion of the linear acceleration sensor together with the gyroscope means that the fusion algorithm is implicit in the design. The performance of the gyroscope can be improved on long time scales by the accelerometer, while on short time scales the performance can be improved by measuring the Euler force instead of the Coriolis force.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Bewegung der ersten Testmasse und/oder der zweiten Testmasse mit Hilfe der hohlraumverstärkten Interferometrie gemessen.. Um die Winkelausrichtung durch Messung der Eulerkraft zu messen, muss die zugrundeliegende Präzision der Messung außergewöhnlich sein. Andernfalls driftet der ARW in Milli- oder Mikrosekunden. Selbst wenn dies durch einen Filteralgorithmus kompensiert würde, brächte dies keinen signifikanten Vorteil gegenüber dem Stand der Technik bringen, zumindest nicht in Bezug auf die reine Leistung. Deshalb wird in dieser Ausführungsform die Interferometrie mit Hohlraumverstärkung als Messverfahren vorgeschlagen, da dies das derzeit beste Verfahren der Präzisionsverschiebungsmessung darstellt.In a further advantageous embodiment of the method according to the invention, the movement of the first test mass and/or the second test mass is measured using cavity-enhanced interferometry. In order to measure the angular orientation by measuring the Euler force, the underlying precision of the measurement must be exceptional. Otherwise, the ARW drifts in milli- or microseconds. Even if this were compensated by a filter algorithm, this would not bring any significant advantage over the state of the art, at least not in terms of pure performance. Therefore, in this embodiment, cavity-enhanced interferometry is proposed as the measurement method, since this is currently the best method of precision displacement measurement.

Nach einem zweiten Aspekt löst die gestellte Aufgabe eine Vorrichtung zur Richtungsmessung eines linear beschleunigten und/oder rotierend beschleunigten Objekts in einem rotierenden Bezugssystem, wobei in einem rotierbaren Kreisel eine erste Testmasse und eine zweite Testmasse voneinander beabstandet aufgehängt sind und die Vorrichtung eine Längenmessvorrichtung aufweist, wobei der Abstand der beiden Testmassen weniger als 10 mm, bevorzugt weniger als 5 mm und besonders bevorzugt weniger als 2 mm beträgt, und wobei die Vorrichtung weiterhin eine Winkelbeschleunigungsmessvorrichtung aufweist, mit der eine Winkelbeschleunigung der ersten Testmasse und der zweiten Testmasse messbar ist.According to a second aspect, the stated object is achieved by a device for measuring the direction of a linearly accelerated and/or rotationally accelerated object in a rotating reference system, wherein a first test mass and a second test mass are suspended at a distance from one another in a rotatable gyroscope and the device has a length measuring device, wherein the distance between the two test masses is less than 10 mm, preferably less than 5 mm and particularly preferably less than 2 mm, and wherein the device further has an angular acceleration measuring device with which an angular acceleration of the first test mass and the second test mass can be measured.

Seien die zwei Testmassen m1 und m2, die durch einen Abstand r getrennt sind. Die beiden Testmassen erfahren bei einer gegebenen linearen Beschleunigung a und/oder Rotationsbeschleunigung Ω um eine Achse senkrecht zur Bewegungsrichtung eine Längenänderung ΔL1 und ΔL2.Let there be two test masses m 1 and m 2 , which are separated by a distance r. The two test masses experience a change in length ΔL 1 and ΔL 2 for a given linear acceleration a and/or rotational acceleration Ω about an axis perpendicular to the direction of motion.

Da eine plötzliche Änderung der Drehrate dazu führt, dass sich jede Testmasse in entgegengesetzte Richtungen bewegt, ist die Summe ihrer Längenänderung bei reinen Drehratenänderungen gleich Null, also ΔL1 + ΔL2 = 0. Ihre Differenz ist jedoch proportional zur Änderung der Winkelgeschwindigkeit, also ΔL1 - ΔL2 ∝ Ω.Since a sudden change in the angular rate causes each test mass to move in opposite directions, the sum of their length changes for pure angular rate changes is zero, i.e. ΔL 1 + ΔL 2 = 0. However, their difference is proportional to the change in angular velocity, i.e. ΔL 1 - ΔL 2 ∝ Ω.

Umgekehrt bewirkt eine Eingangsbeschleunigung, dass sich beide Prüfmassen in dieselbe Richtung bewegen und daher ist die Differenz ihrer Längenänderung bei reiner Linearbeschleunigung gleich Null, also ΔL1 - ΔL2 = 0. Ihre Summe ist jedoch in diesem Fall proportional zur linearen Eingangsbeschleunigung, also ΔL1 + ΔL2 ∝ a.Conversely, an input acceleration causes both test masses to move in the same direction and therefore the difference in their length change is zero for pure linear acceleration, i.e. ΔL 1 - ΔL 2 = 0. However, their sum is in this case proportional to the linear input acceleration, i.e. ΔL 1 + ΔL 2 ∝ a.

Mit dem zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren lässt sich unter Ausnutzung dieser Gegebenheiten die Richtung eines linear beschleunigten und/oder rotierend beschleunigten Objekts in einem rotierenden Bezugssystem bestimmen.Using these conditions, the method according to the invention described above can be used to determine the direction of a linearly accelerated and/or rotationally accelerated object in a rotating reference system.

In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Längenmessvorrichtung einen Laser auf. Laser haben sich für präzise Längenmessungen bewährt.In one embodiment of the device according to the invention, the length measuring device has a laser. Lasers have proven to be useful for precise length measurements.

In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Winkelbeschleunigungsmessvorrichtung einen Laser auf. Auch für die präzise Messung von Winkelbeschleunigungen haben Laser bewährt.In a further embodiment of the device according to the invention, the angular acceleration measuring device has a laser. Lasers have also proven to be useful for the precise measurement of angular accelerations.

In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weisen sowohl die Längenmessvorrichtung als auch die Winkelbeschleunigungsmessvorrichtung einen Laser auf, wobei die Längenmessvorrichtung und die Winkelbeschleunigungsmessvorrichtung einen gemeinsamen Laser aufweisen. Durch den gemeinsamen Laser kann die Vorrichtung besonders kompakt gebaut werden, wobei gleichzeitig keine besonderen Vorkehrungen für eine Synchronisation von mehreren Lasern getroffen werden müssen.In a further embodiment of the device according to the invention, both the length measuring device and the angular acceleration measuring device have a laser, whereby the length measuring device and the angular acceleration measuring device have a common laser. The common laser allows the device to be built particularly compactly, whereby at the same time no special precautions have to be taken for synchronizing several lasers.

Die zuvor beschriebenen Ausführungsformen können einzeln verwendet oder auch beliebig miteinander kombiniert werden.The embodiments described above can be used individually or combined with each other as desired.

Die Erfindung sei nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Dort zeigen

  • 1 eine schematische Darstellung des Messprinzips für je eine Achse der linearen Beschleunigung und der Drehbeschleunigung,
  • 2 eine schematische, perspektivische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
  • 3 eine schematische, perspektivische Darstellung eines 6-Achsen-Sensors unter Verwendung eines kubischen Abstandshalters.
The invention will be explained in more detail below using exemplary embodiments with reference to the drawings.
  • 1 a schematic representation of the measuring principle for one axis each of linear acceleration and rotational acceleration,
  • 2 a schematic, perspective view of an embodiment of the device according to the invention,
  • 3 a schematic perspective view of a 6-axis sensor using a cubic spacer.

1 zeigt eine schematische Darstellung des Messprinzips für je eine Achse der linearen Beschleunigung a und der Rotationsbeschleunigung Ω. Zwei Testmassen, m1, m2 sind durch einen Abstand r getrennt. Die beiden Testmassem m1, m2 erfahren bei einer gegebenen linearen Beschleunigung a und/oder Rotationsbeschleunigung Ω um eine Achse senkrecht zur Zeichenebene eine Längenänderung AL1 bzw. AL2. Ein 3-fach geteilter Laser mit erstem Laserstrahl 10, zweitem Laserstrahl 11 und drittem Laserstrahl 12 ist gleichzeitig mit drei optischen Hohlräumen 20, 21, 22, in Resonanz, wobei die optischen Hohlräume 20, 21, 22 jeweils auf einer Achse mit dem ersten Laserstrahl 10, dem zweiten Laserstrahl 11 bzw. dem dritten Laserstrahl 12 liegen. Der erste optische Hohlraum 10 wird von der ersten Testmasse m1 gebildet, während der zweite optische Hohlraum 11 von der zweiten Testmasse m2 gebildet wird. Der dritte optische Hohlraum 12 stellt einen Referenzhohlraum dar. Der erste Teillaserstrahl 10 durchschneidet den ersten optischen Hohlraum 20, während der zweite Teillaserstrahl 11 den zweiten optischen Hohlraum 21 durchschneidet. Der dritte Teillaserstrahl 12 durchschneidet den als Referenz dienenden dritten optischen Hohlraum 22. Dabei ist der dritte optische Hohlraum 22 optional. Ist ein dritter optischer Hohlraum vorgesehen, kann das Laserfrequenzrauschen ausgelöscht werden, das allen optischen Hohlräumen 20, 21, 22 gemeinsam ist, wenn dieselbe Laserquelle verwendet wird. Eine unabhängige optische Frequenzabstimmung für jeden optischen Hohlraum 20, 21, 22 kann beispielsweise mit drei akustisch-optischen Modulatoren, drei elektro-optischen Modulatoren oder drei phasenstarren Lasern erreicht werden. Jeder optische Hohlraum 20, 21, 22 ist bei einer anderen optischen Frequenz resonant, abhängig von seiner Länge L1, L2, L3, wobei die Hohlraumlängen L1, L2, L3 nominell für alle drei optischen Hohlräume 20, 21, 22 gleich ist, bis sie durch eine Beschleunigung oder eine plötzliche Änderung der Drehrate gestört werden. Die Auslesung erfolgt als Frequenzverschiebung der optischen Hohlraumresonanz und steht in direktem Zusammenhang mit der Längenänderung des Hohlraums: Δ L / L Δ v / v

Figure DE102022130886A1_0008
wobei v die Laserfrequenz und Δv die optische Frequenzverschiebung des Hohlraums ist. Da eine plötzliche Änderung der Drehrate dazu führt, dass sich jede Testmasse m1, m2 in entgegengesetzte Richtungen bewegt, ist die Summe ihrer Längenänderung bei reinen Drehratenänderungen gleich Null: Δ L 1 + Δ L 2 = 0
Figure DE102022130886A1_0009
Ihre Differenz ist jedoch proportional zur Änderung der Winkelgeschwindigkeit: Δ L 1 Δ L 2 Ω .
Figure DE102022130886A1_0010
Umgekehrt bewirkt eine Eingangsbeschleunigung, dass sich beide Prüfmassen m1, m2 in dieselbe Richtung bewegen und daher ist die Differenz ihrer Längenänderung bei reiner Linearbeschleunigung gleich Null: Δ L 1 Δ L 2 = 0
Figure DE102022130886A1_0011
Ihre Summe ist jedoch in diesem Fall proportional zur linearen Eingangsbeschleunigung: Δ L 1 + Δ L 2 a .
Figure DE102022130886A1_0012
1 shows a schematic representation of the measuring principle for one axis each of the linear acceleration a and the rotational acceleration Ω. Two test masses, m 1 , m 2 are separated by a distance r. The two test masses m 1 , m 2 experience a change in length AL 1 or AL 2 for a given linear acceleration a and/or rotational acceleration Ω about an axis perpendicular to the plane of the drawing. A three-way split laser with a first laser beam 10, a second laser beam 11 and a third laser beam 12 is simultaneously in resonance with three optical cavities 20, 21, 22, whereby the optical cavities 20, 21, 22 are each on an axis with the first laser beam 10, the second laser beam 11 and the third laser beam 12. The first optical cavity 10 is formed by the first test mass m 1 , while the second optical cavity 11 is formed by the second test mass m 2 . The third optical cavity 12 represents a reference cavity. The first partial laser beam 10 intersects the first optical cavity 20, while the second partial laser beam 11 intersects the second optical cavity 21. The third partial laser beam 12 intersects the third optical cavity 22, which serves as a reference. The third optical cavity 22 is optional. If a third optical cavity is provided, the laser frequency noise common to all optical cavities 20, 21, 22 can be cancelled out if the same laser source is used. Independent optical frequency tuning for each optical cavity 20, 21, 22 can be achieved, for example, with three acoustic-optical modulators, three electro-optical modulators or three phase-locked lasers. Each optical cavity 20, 21, 22 is resonant at a different optical frequency depending on its length L 1 , L 2 , L 3 , where the cavity lengths L 1 , L 2 , L 3 are nominally the same for all three optical cavities 20, 21, 22 until they are disturbed by an acceleration or a sudden change in the rotation rate. The readout is made as a frequency shift of the optical cavity resonance and is directly related to the change in the length of the cavity: Δ L / L Δ v / v
Figure DE102022130886A1_0008
where v is the laser frequency and Δv is the optical frequency shift of the cavity. Since a sudden change in the rotation rate causes each test mass m 1 , m 2 to move in opposite directions, the sum of their length changes for pure rotation rate changes is zero: Δ L 1 + Δ L 2 = 0
Figure DE102022130886A1_0009
However, their difference is proportional to the change in angular velocity: Δ L 1 Δ L 2 Ω .
Figure DE102022130886A1_0010
Conversely, an input acceleration causes both test masses m 1 , m 2 to move in the same direction and therefore the difference in their length change is zero for pure linear acceleration: Δ L 1 Δ L 2 = 0
Figure DE102022130886A1_0011
However, in this case their sum is proportional to the linear input acceleration: Δ L 1 + Δ L 2 a .
Figure DE102022130886A1_0012

2 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Ein optischer Hohlraum-Abstandshalterblock 25 mit drei Bohrungen 26 zur Aufnahme der drei optischen Hohlräume 20, 21, 22 wird an seiner ersten Stirnseite 26 von einem ersten Spiegelsubstrat 30 flankiert. An seiner zweiten Stirnseite 27 wird der optische Hohlraum-Abstandshalterblock 25 von einem zweiten Spiegelsubstrat 40 flankiert. Unter dem Begriff Spiegelsubstrat wird hier ein Substrat verstanden, auf dem flache und/oder konkave und/oder konvexe Spiegel angeordnet sind. Das zweite Spiegelsubstrat 40 weist drei gekrümmte Spiegel 41, 42, 43 auf, nämlich einen für jeden optischen Hohlraum 20, 21, 22. Die gekrümmten Spiegel 41, 42, 43 ermöglichen stabile optische Resonatormodi für jedes optische Feld in jedem optischen Hohlraum 20, 21, 22. Auf dem ersten Spiegelsubstrat 30 befinden sich ein erster mechanischer Oszillator 31 und ein zweiter mechanischer Oszillator 32. Der erste mechanische Oszillator 31 weist in seinem Zentrum eine die Testmasse m1 auf, die mit sechs Federn 35 an dem ersten Spiegelsubstrat 30 befestigt ist, und der zweite mechanische Oszillator 32 weist in seinem Zentrum die zweite Testmasse m2 auf, die ebenfalls mit sechs Federn 35 an dem ersten Spiegelsubstrat 30 befestigt ist. Die jeweils sechs Federn 35 teilen sich dabei in drei Federn 35 auf der Frontseite und drei Federn 35 auf der Rückseite des ersten Spiegelsubstrats 30 auf, wobei die Federn 35 auf der Rückseite des ersten Spiegelsubstrats in der dargestellten Perspektive nicht alle sichtbar sind. Aus Übersichtsgründen sind die Federn 35 nur für den ersten mechanischen Oszillator 31 bezeichnet. Dabei kann die Anzahl der Federn 35 je nach Konstruktion variieren. Ein leerer Teil des ersten Spiegelsubstrats 30 wird für den Referenzhohlraum 22 verwendet. Stabile optische Resonatoren sind dabei mit konkaven und/oder konvexen Spiegelkombinationen möglich. 2 shows a schematic representation of an embodiment of the device according to the invention. An optical cavity spacer block 25 with three holes 26 for receiving the three optical cavities 20, 21, 22 is flanked on its first end face 26 by a first mirror substrate 30. On its second end face 27, the optical cavity spacer block 25 is flanked by a second mirror substrate 40. The term mirror substrate is understood here to mean a substrate on which flat and/or concave and/or convex mirrors are arranged. The second mirror substrate 40 has three curved mirrors 41, 42, 43, one for each optical cavity 20, 21, 22. The curved mirrors 41, 42, 43 enable stable optical resonator modes for each optical field in each optical cavity 20, 21, 22. On the first mirror substrate 30 there are a first mechanical oscillator 31 and a second mechanical oscillator 32. The first mechanical oscillator 31 has at its center a test mass m 1 which is attached to the first mirror substrate 30 with six springs 35, and the second mechanical oscillator 32 has at its center the second test mass m 2 which is also attached to the first mirror substrate 30 with six springs 35. The six springs 35 are divided into three springs 35 on the front and three springs 35 on the back of the first mirror substrate 30, whereby the springs 35 on the back of the first mirror substrate are not all visible in the perspective shown. For reasons of clarity, the springs 35 are only designated for the first mechanical oscillator 31. The number of springs 35 can vary depending on the design. An empty part of the first mirror substrate 30 is used for the reference cavity 22. Stable optical resonators are possible with concave and/or convex mirror combinations.

3 zeigt eine schematische, perspektivische Darstellung eines 6-Achsen-Sensors unter Verwendung eines kubischen Hohlraum-Abstandshalterblocks 25. Ein kubischer Hohlraum-Abstandshalterblock 25 mit orthogonalen Facetten bildet einen Koordinatenrahmen. Die Vorrichtung weist drei erste Spiegelsubstrate 30 mit jeweils einem ersten mechanischen Oszillator 31 und einem zweiten mechanischen Oszillator 32 und dementsprechend drei zweite Spiegelsubstrate 40 mit jeweils einem ersten, zweiten und dritten gekrümmten Spiegel 41, 42, 43 auf. Die linearen Abtastrichtungen für Beschleunigung liegen entlang des Normalenvektors der Würfelflächen. Die Drehrichtung der mechanischen Oszillatoren 31, 32 auf jeder Seite des Würfels ist wichtig für die Bestimmung der Drehachse des Kreisels. Der Rotationsvektor, der von jedem Testmassenpaar m1, m2 erfasst wird, ist in der Figur durch einen kreisförmigen Pfeil dargestellt, der sich um die Drehachse windet. Diese Rotationsachse liegt in der Spiegelebene der Prüfmassen m1, m2. Die lineare Beschleunigungsachse liegt orthogonal zur Drehachse. 3 shows a schematic, perspective view of a 6-axis sensor using a cubic cavity spacer block 25. A cubic cavity spacer block 25 with orthogonal facets forms a coordinate frame. The device comprises three first mirror substrates 30, each with a first mechanical oscillator 31 and a second mechanical oscillator 32, and correspondingly three second mirror substrates 40, each with a first, second and third curved mirror 41, 42, 43. The linear scanning directions for acceleration are along the normal vector of the cube faces. The direction of rotation of the mechanical oscillators 31, 32 on each side of the cube is important for determining the axis of rotation of the gyroscope. The rotation vector sensed by each test mass pair m 1 , m 2 is represented in the figure by a circular arrow winding around the axis of rotation. This rotation axis lies in the mirror plane of the test masses m 1 , m 2 . The linear acceleration axis is orthogonal to the rotation axis.

Die hier gezeigten Ausführungsformen stellen nur Beispiele für die vorliegende Erfindung dar und dürfen daher nicht einschränkend verstanden werden. Alternative durch den Fachmann in Erwägung gezogene Ausführungsformen sind gleichermaßen vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung umfasst.The embodiments shown here are only examples of the present invention and should therefore not be understood as limiting. Alternative embodiments considered by those skilled in the art are equally included within the scope of the present invention.

Liste der verwendeten BezugszeichenList of reference symbols used

aa
lineare Beschleunigunglinear acceleration
ILIL
Input LaserInput Laser
L1L1
Länge des ersten optischen HohlraumsLength of the first optical cavity
L2L2
Länge des zweiten optischen HohlraumsLength of the second optical cavity
L3L3
Länge des dritten optischen HohlraumsLength of the third optical cavity
m1m1
erste Testmassefirst test mass
m2m2
zweite Testmassesecond test mass
rr
AbstandDistance
vv
LaserfrequenzLaser frequency
ΔvΔv
optische Frequenzverschiebung des Hohlraumsoptical frequency shift of the cavity
ΔL1ΔL1
Längenänderung der ersten TestmasseLength change of the first test mass
ΔL2ΔL2
Längenänderung der zweiten TestmasseLength change of the second test mass
ΩΩ
RotationsbeschleunigungRotational acceleration
1010
erster Teillaserstrahlfirst partial laser beam
1111
zweiter Teillaserstrahlsecond partial laser beam
1212
dritter Teillaserstrahlthird partial laser beam
2020
erster optischer Hohlraumfirst optical cavity
2121
zweiter optischer Hohlraumsecond optical cavity
2222
dritter optischer Hohlraum, Referenzhohlraumthird optical cavity, reference cavity
2525
Hohlraum-AbstandhalterblockCavity spacer block
2626
Bohrungdrilling
3030
erstes Spiegelsubstratfirst mirror substrate
3131
erster mechanischer Oszillatorfirst mechanical oscillator
3232
zweiter mechanischer Oszillatorsecond mechanical oscillator
3535
FederFeather
4040
zweites Spiegelsubstratsecond mirror substrate
4141
erster gekrümmter Spiegelfirst curved mirror
4242
zweiter gekrümmter Spiegelsecond curved mirror
4343
dritter gekrümmter Spiegelthird curved mirror
5050
drittes Spiegelsubstratthird mirror substrate

Claims (8)

Verfahren zur Richtungsmessung eines linear beschleunigten und/oder rotierend beschleunigten Objekts in einem rotierenden Bezugssystem, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung einer ersten Testmasse (m1) und einer zweiten Testmasse (m2), die in einem als Bezugssystem dienenden rotierenden Kreisel voneinander beabstandet aufgehängt sind, als Summensignal erfasst wird, wobei der Abstand der beiden Testmassen (m1, m2) weniger als 10 mm, bevorzugt weniger als 5 mm und besonders bevorzugt weniger als 2 mm beträgt, und zusätzlich eine Differenz zwischen der Bewegung der ersten Testmasse (m1) und der Bewegung der zweiten Testmasse (m2) gemessen wird.Method for measuring the direction of a linearly accelerated and/or rotationally accelerated object in a rotating reference system, characterized in that the movement of a first test mass (m 1 ) and a second test mass (m 2 ), which are suspended at a distance from one another in a rotating gyroscope serving as a reference system, is recorded as a sum signal, wherein the distance between the two test masses (m 1 , m 2 ) is less than 10 mm, preferably less than 5 mm and particularly preferably less than 2 mm, and in addition a difference between the movement of the first test mass (m 1 ) and the movement of the second test mass (m 2 ) is measured. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der ARW, insbesondere für lange Zeitskalen, durch einen Filteralgorithmus verändert wird.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the ARW, in particular for long time scales, is modified by a filter algorithm. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung der ersten Testmasse (m1) und der zweiten Testmasse (m2) von einer Beschleunigungsmessvorrichtung, die in dem Kreisel inkludiert ist, gemessen werden.Procedure according to Claim 1 or 2 , characterized in that the movement of the first test mass (m 1 ) and the second test mass (m 2 ) are measured by an acceleration measuring device included in the gyroscope. Verfahren gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung der ersten Testmasse (m1) und/oder der zweiten Testmasse (m2) mit Hilfe der hohlraumverstärkten Interferometrie gemessen wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the movement of the first test mass (m 1 ) and/or the second test mass (m 2 ) is measured by means of cavity-enhanced interferometry. Vorrichtung zur Richtungsmessung eines linear beschleunigten und/oder rotierend beschleunigten Objekts in einem rotierenden Bezugssystem, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem rotierbaren Kreisel eine erste Testmasse (m1) und eine zweite Testmasse (m2) voneinander beabstandet aufgehängt sind und die Vorrichtung eine Längenmessvorrichtung aufweist, wobei der Abstand der beiden Testmassen (m1, (m2) weniger als 10 mm, bevorzugt weniger als 5 mm und besonders bevorzugt weniger als 2 mm beträgt, und wobei die Vorrichtung weiterhin eine Winkelbeschleunigungsmessvorrichtung aufweist, mit der eine Winkelbeschleunigung der ersten Testmasse (m1) und der zweiten Testmasse (m2) messbar ist.Device for measuring the direction of a linearly accelerated and/or rotationally accelerated object in a rotating reference system, in particular for carrying out the method according to one of the preceding claims, characterized in that a first test mass (m 1 ) and a second test mass (m 2 ) are suspended at a distance from one another in a rotatable gyroscope and the device has a length measuring device, wherein the distance between the two test masses (m 1 , (m 2 ) is less than 10 mm, preferably less than 5 mm and particularly preferably less than 2 mm, and wherein the device further has an angular acceleration measuring device with which an angular acceleration of the first test mass (m 1 ) and the second test mass (m 2 ) can be measured. Vorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Längenmessvorrichtung einen Laser aufweist.Device according to Claim 5 , characterized in that the length measuring device comprises a laser. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelbeschleunigungsmessvorrichtung einen Laser aufweist.Device according to one of the Claims 5 or 6 , characterized in that the angular acceleration measuring device comprises a laser. Vorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Längenmessvorrichtung einen Laser aufweist und die Winkelbeschleunigungsmessvorrichtung einen Laser aufweist, wobei die Längenmessvorrichtung und die Winkelbeschleunigungsmessvorrichtung einen gemeinsamen Laser aufweisen.Device according to Claim 5 , characterized in that the length measuring device comprises a laser and the angular acceleration measuring device comprises a laser, wherein the length measuring device and the angular acceleration measuring device comprise a common laser.
DE102022130886.3A 2022-11-22 2022-11-22 DIRECTION MEASURING METHODS AND DIRECTION MEASURING DEVICE Pending DE102022130886A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102022130886.3A DE102022130886A1 (en) 2022-11-22 2022-11-22 DIRECTION MEASURING METHODS AND DIRECTION MEASURING DEVICE

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102022130886.3A DE102022130886A1 (en) 2022-11-22 2022-11-22 DIRECTION MEASURING METHODS AND DIRECTION MEASURING DEVICE

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102022130886A1 true DE102022130886A1 (en) 2024-05-23

Family

ID=90922820

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102022130886.3A Pending DE102022130886A1 (en) 2022-11-22 2022-11-22 DIRECTION MEASURING METHODS AND DIRECTION MEASURING DEVICE

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102022130886A1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4445376A (en) 1982-03-12 1984-05-01 Technion Research And Development Foundation Ltd. Apparatus and method for measuring specific force and angular rate
DE3432150A1 (en) 1983-09-02 1985-04-04 Sundstrand Data Control, Inc., Redmond, Wash. DEVICE FOR MEASURING THE SPECIFIC INERTIA AND THE ANGLE SPEED OF A MOVING BODY AND ACCELERATOR ARRANGEMENTS THEREFOR
US20070240486A1 (en) 2005-03-04 2007-10-18 Moore Robert H Inertial measurement system and method with bias cancellation
US20120231570A1 (en) 2008-08-22 2012-09-13 The Regents Of The University Of California Single wafer fabrication process for wavelength dependent reflectance for linear optical serialization of accelerometers

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4445376A (en) 1982-03-12 1984-05-01 Technion Research And Development Foundation Ltd. Apparatus and method for measuring specific force and angular rate
DE3432150A1 (en) 1983-09-02 1985-04-04 Sundstrand Data Control, Inc., Redmond, Wash. DEVICE FOR MEASURING THE SPECIFIC INERTIA AND THE ANGLE SPEED OF A MOVING BODY AND ACCELERATOR ARRANGEMENTS THEREFOR
US20070240486A1 (en) 2005-03-04 2007-10-18 Moore Robert H Inertial measurement system and method with bias cancellation
US20120231570A1 (en) 2008-08-22 2012-09-13 The Regents Of The University Of California Single wafer fabrication process for wavelength dependent reflectance for linear optical serialization of accelerometers

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE69731742T2 (en) SYMMETRIC VIBRATION CIRCULAR SENSOR MADE FROM SILICON IN MICROTECHNOLOGY
DE3433189C2 (en) Device with accelerometers and an inertial platform and inertial platform for such a device
Curey et al. Proposed IEEE inertial systems terminology standard and other inertial sensor standards
DE69008165T2 (en) SENSING ELEMENT FOR A GYROSCOPE.
DE69822756T2 (en) Micromechanical oscillating gyro
DE3417858A1 (en) ANGLE SPEED SENSING SYSTEM
Savage Strapdown sensors
DE3344453A1 (en) RINGLASER SENSOR FOR ANGLE ROTATIONS WITH CONTROL OF THE SHAKING MOTION
WO2011029878A1 (en) Double-axial, impact-resistant yaw rate sensor comprising linear and rotatory seismic elements
EP2132528A1 (en) Micromechanical inertial sensor for measuring rotation rates
DE2130266C3 (en) Device for measuring gradients of the gravitational field
CN107367934A (en) A kind of fast anti-mirror stable control method based on double disturbance observers
DE3854584T2 (en) Error correcting device at the jitter reversal point and method therefor.
DE69929169T2 (en) CIRCULAR COMPASS ASSISTED BY INTERMITTENT GPS INTERFEROMETRY
DE102011018684B4 (en) Micro amplitude meters
DE102022130886A1 (en) DIRECTION MEASURING METHODS AND DIRECTION MEASURING DEVICE
DE69010277T2 (en) Control device for the vibration-free displacement of an optical element in a star interferometer and star interferometer, including one.
DE19758223C1 (en) Rotation rate measurement arrangement for rotating flying object
DE19625058A1 (en) Device for determining a rotation rate
EP0106066B1 (en) Apparatus for determining the north
DE1673429A1 (en) Device for sensing movement around several axes
CH625338A5 (en)
DE20313252U1 (en) Underground pipe inspection system has a measurement head with sensor and locating instrumentation for insertion into branch pipes leading-off from a main pipe
DE102019003859A1 (en) Digital electronic absolute gravimeter with microstructure systems and micro-interval measuring method with 3-mass sensor with normalized mass structure with normalized gravitating, inert and weighted mass with the unit of mass, in particular for aerospace and aerospace applications as well as strong gravitation measurement in the micro-space and nanoscale
King Inertial navigation-past, present, and future

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R082 Change of representative

Representative=s name: HEUKING KUEHN LUEER WOJTEK PARTGMBB, DE

R016 Response to examination communication
R082 Change of representative

Representative=s name: HEUKING KUEHN LUEER WOJTEK PARTGMBB, DE