DE1229312B

DE1229312B - Compensation arrangement for a magnetometer carried by a vehicle

Info

Publication number: DE1229312B
Application number: DEC31257A
Authority: DE
Inventors: Leon Malnar
Original assignee: CSF Compagnie Generale de Telegraphie sans Fil SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1962-10-30
Filing date: 1963-10-28
Publication date: 1966-11-24

Description

Kompensationsanordnung für ein von einem Fahrzeug getragenes Magnetometer Die Erfindung bezieht sich auf eine Kompensationsanordnung für ein von einem Fahrzeug getragenes, die zeitlichen Änderungen eines Magnetfelds messendes Magnetometer, mit welcher die Einflüsse des Eigenstörfelds des Fahrzeugs beseitigt werden können, die von zeitlichen Schwankungen der Fahrzeugachse in bezug auf die Richtung des zu messenden Feldes stammen.Compensation arrangement for a magnetometer carried by a vehicle The invention relates to a compensation arrangement for a vehicle Worn magnetometer that measures the changes in a magnetic field over time, with which the influences of the self-interference field of the vehicle can be eliminated, that of temporal fluctuations of the vehicle axis in relation to the direction of the to be measured.

Seit einigen Jahren werden Magnetometer zur Durchführung von Messungen von Magnetfeldern, beispielsweise des Erdmagnetfelds an Bord von Flugzeugen oder schnellen Flugkörpern verwendet. Insbesondere sollen die Schwankungen dieses Magnetfelds um seinen konstanten Mittelwert gemessen werden. For some years now, magnetometers have been used to carry out measurements of magnetic fields, for example the earth's magnetic field on board aircraft or fast missiles used. In particular, the fluctuations of this magnetic field measured around its constant mean.

Derartige Fahrzeuge sind im allgemeinen nicht in vollkommener Weise magnetisch abgeschirmt. Daher überlagert sich dem zu messenden Feld ein vom Fahrzeug stammendes magnetisches Störfeld. Dieses Störfeld liegt manchmal in der Größenordnung des zu messenden Feldes. Such vehicles are generally not perfect magnetically shielded. Therefore, a field to be measured is superimposed on the vehicle originating magnetic interference field. This interference field is sometimes on the order of magnitude of the field to be measured.

Wenn das Fahrzeug gegenüber der Richtung des zu messenden Magnetfelds, beispielsweise des Erdmagnetfelds, eine feste Richtung beibehält, fällt diese Störung nicht ins Gewicht, weil im allgemeinen nicht das Erdmagnetfeld selbst festgestellt werden soll, sondern dessen Änderungen. In diesem Fall werden die konstanten Komponenten unterdrückt, zu denen auch das Störfeld gehört. Übrig bleibt eine Wechselkomponente, deren Frequenz der Frequenz der zeitlichen Anderungen des zu messenden Magnetfelds entspricht. If the vehicle is opposite to the direction of the magnetic field to be measured, For example, the earth's magnetic field, maintains a fixed direction, this perturbation falls does not matter, because in general the earth's magnetic field itself is not determined should be, but its changes. In this case the components are constant suppressed, which also includes the interference field. What remains is an interchangeable component whose frequency is the frequency of the temporal changes in the magnetic field to be measured is equivalent to.

Wenn sich dagegen der Winkel zwischen der Richtung des Störfelds und der Richtung des zu messenden Magnetfelds zeitlich ändert, ruft auch das Störfeld in dem gemessenen Gesamtfeld eine veränderliche Komponente hervor, die das Meßergebnis verfälscht. If, on the other hand, the angle between the direction of the interference field and the direction of the magnetic field to be measured changes over time, the interference field also gets called a variable component emerges in the total field measured, which is the measurement result falsified.

Es erscheint dann eine weitere Wechselkomponente, deren Frequenz der Frequenz der Änderungen des angegebenen Winkels entspricht. Another alternating component then appears, its frequency corresponds to the frequency of changes in the specified angle.

Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Kompensationsanordnung, welche die von den Richtungsänderungen des Fahrzeugs oder Flugzeugs stammende Verfälschung des Meßergebnisses beseitigt. The aim of the invention is to create a compensation arrangement, which is the corruption resulting from changes in the direction of the vehicle or aircraft of the measurement result eliminated.

Die erfindungsgemäße Anordnung kennzeichnet sich durch eine Anordnung zur Erzeugung eines Signals, das in einem festen Verhältnis dem Wert (1- cos 0) proportional ist, wobei 0 der Winkel zwischen der Richtung des Eigenstörfelds und der Richtung des zu messenden Magnetfelds ist, einen Verstärker mit steuerbarer Verstärkung für dieses Signal, eine Vergleichs anordnung, welcher das Ausgangssignal des Verstärkers und das Ausgangssignal des Magnetometers zugeführt werden, und ein Tiefpaßfilter, welches das Ausgangssignal der Vergleichsanordnung empfängt und ausschließlich das den Änderungen des Eigenstörfelds entsprechende Frequenzband durchläßt, das dem Steuereingang des Verstärkers als Steuersignal so zugeführt wird, daß die diesem Frequenzband entsprechenden Komponenten am Ausgang der Vergleichsanordnung verschwinden. The arrangement according to the invention is characterized by an arrangement to generate a signal that has a fixed ratio to the value (1- cos 0) is proportional, where 0 is the angle between the direction of the self-interference field and the direction of the magnetic field to be measured is an amplifier with controllable Gain for this signal, a comparison arrangement, which the output signal of the amplifier and the output signal of the magnetometer are supplied, and a Low-pass filter which receives the output signal of the comparison arrangement and exclusively the frequency band corresponding to the changes in the self-interference field passes, the the control input of the amplifier is fed as a control signal so that the this Components corresponding to the frequency band disappear at the output of the comparison arrangement.

Beim Erfindungsgegenstand wird die Tatsache ausgenutzt, daß die von den Schwankungen der Fahrzeug- oder Flugzeugachse stammenden Änderungen des Störfelds sehr viel langsamer erfolgen als die Änderungen des zu messenden Magnetfelds, so daß die Frequenzen der entsprechenden Wechselkomponenten mit Hilfe eines Tiefpaßfilters voneinander getrennt werden können. Die so ausgesiebten Störfeldänderüngen werden in einem Regelkreis dazu benutzt, sich selbst auszuregeln, so daß am Ausgang der Anordnung nur noch die Änderungen des zu messenden Feldes erscheinen. The subject matter of the invention takes advantage of the fact that the Changes in the interference field resulting from the fluctuations in the vehicle or aircraft axis take place much more slowly than the changes in the magnetic field to be measured, see above that the frequencies of the corresponding alternating components with the help of a low-pass filter can be separated from each other. The interference field changes screened out in this way are used in a control loop to regulate itself, so that at the output of the Arrangement, only the changes to the field to be measured appear.

Die Kompensationsanordnung nach der Erfindung ergibt dabei den Vorteil, daß sie auch bei sehr niedrigen Frequenzen, also -bei sehr langsamen Schwankungen der Fahrzeug- oder Flugzeugachse um ihre Bezugsrichtung richtig arbeitet. The compensation arrangement according to the invention has the advantage that they can also be used at very low frequencies, i.e. with very slow fluctuations the vehicle or aircraft axis works correctly about its reference direction.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung beispielsh alb er erläutert. Darin zeigt F i g. 1 ein erläuterndes Diagramm, F i g. 2 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Anordnung und F i g. 3 ein Ausführungsbeispiel der bei der Anordnung von Fig. 2 verwendeten Funktionsrechenschaltung. The invention is illustrated by way of example with reference to the drawing. In it, F i g. 1 is an explanatory diagram, FIG. 2 is a block diagram of the arrangement according to the invention and FIG. 3 shows an exemplary embodiment in the case of the arrangement function arithmetic circuit used by FIG.

Fig. 1 zeigt das Diagramm der verschiedenen Felder an Bord des Flugzeugs. Fig. 1 shows the diagram of the various fields on board the aircraft.

Das zu messende Feld hat eine mittlere Komponente H,, und man wünscht die Anderung A H0 dieses Feldes in bezug auf die mittlere Komponente H0 zu messen. Zu diesem Zweck wird an Bord des Flugzeugs ein Magnetometer angebracht, das die magnetische Feldstärke in der Richtung des Feldes H0 mißt und ein diesem Feld proportionales Signal abgibt. The field to be measured has a mean component H ,, and one wishes measure the change A H0 of this field with respect to the mean component H0. For this purpose, a magnetometer is installed on board the aircraft, which the measures magnetic field strength in the direction of the field H0 and a field proportional to this field Emits signal.

Wenn das Feld konstant ist, ist auch das Ausgangssignal des Magnetometers konstant, beispielsweise eine Gleichspannung. Wenn sich das Feld zeitlich ändert (wobei auch eine räumliche Änderung infolge der Bewegung des Fahrzeugs als zeitliche Änderung erscheint), schwankt das Ausgangssignal des Magnetometers im gleichen Takt. Dies bedeutet, daß der Gleichspannung eine Wechselspannung überlagert ist, welche die Frequenz der Änderungen A H0 des Magnetfelds H0 hat. Diese Wechselspannung läßt sich mit bekannten Mitteln leicht abtrennen, so daß man daraus die Änderungen A H0 des Magnetfelds Ho leicht ermitteln kann.When the field is constant, so is the output of the magnetometer constant, for example a direct voltage. When the field changes over time (whereby also a spatial change due to the movement of the vehicle as a temporal one Change appears), the output signal of the magnetometer fluctuates in the same cycle. This means that an alternating voltage is superimposed on the direct voltage, which has the frequency of changes A H0 of the magnetic field H0. This alternating voltage leaves can easily be separated by known means, so that the changes A H0 of the magnetic field Ho can easily be determined.

Nun- erzeugt aber auch das Flugzeug selbst ein magnetisches Störfeld konstanter Feldstärke H1. But the aircraft itself also generates a magnetic interference field constant field strength H1.

Dieses Feld hat eine feste Richtung in bezug auf die Achse des Flugzeugs und steht beispielsweise in einem Winkel e zu dem zu messenden Feld. Das Magnetometer mißt dann außer dem zu messenden Feld Ho+zlHo die in der gleichen Richtung liegende Komponente H1 cos e des Störfelds.This field has a fixed direction with respect to the axis of the aircraft and stands, for example, at an angle e to the field to be measured. The magnetometer then measures the field to be measured Ho + zlHo in the same direction Component H1 cos e of the interference field.

Wenn angenommen wird, daß die Achse des Flugzeugs eine solche Richtung hat, daß der Winkel (3 + O ist, also das Störfeld H1 in der Richtung des zu messenden Feldes liegt, mißt das Magnetometer das Gesamtfeld: H=Ho+ zfHo+Hl Solange das Flugzeug diese Richtung unverändert beibehält, hat das gemessene Störfeld keinen Einfluß auf die Messung der veränderlichen Komponente A H,, weil es konstant bleibt und zusammen mit der konstanten Komponente H0 eliminiert wird. Assume that the axis of the aircraft has such a direction has that the angle is (3 + O, i.e. the interference field H1 in the direction of the to be measured Field, the magnetometer measures the total field: H = Ho + zfHo + Hl As long as the aircraft maintains this direction unchanged, the measured interference field has no influence on the measurement of the variable component A H ,, because it remains constant and is eliminated together with the constant component H0.

Wenn dagegen die Achse des Flugzeugs um diese Richtung schwankt, ändert sich auch die Größe der gemessenen Komponente H1 cos e des Störfelds im gleichen Takt. Die Änderung des Störfelds hat die Größe H1 (1- cos 0-), und sie überlagert sich der veränderlichen Komponente XHo, so daß nun die folgende veränderliche Gesamtkomponente gemessen wird: d H' = d H, H, (1- cos 0). If, on the other hand, the axis of the aircraft fluctuates around this direction, the size of the measured component H1 cos e of the interference field also changes in the same way Tact. The change in the interference field has the size H1 (1- cos 0-), and it is superimposed the variable component XHo, so that now the following variable total component the following is measured: d H '= d H, H, (1- cos 0).

Praktisch bedeutet dies, daß dem Ausgangssignal des Magnetometers eine weitere Wechselspannung überlagert wird, deren Frequenz von der Frequenz der Schwankungen des Winkels e abhängt. In practice this means that the output signal of the magnetometer another alternating voltage is superimposed, the frequency of which depends on the frequency of the Fluctuations in the angle e depends.

Im allgemeinen sind die Schwankungen des Erdmagnetfelds sehr viel schneller als die Schwankungen der Flugzeugachse, so daß die von dem Störfeld stammenden Wechselspannungskomponenten in einem sehr viel niedrigeren Frequenzbereich liegen als die von dem Erdmagnetfeld stammenden Wechselspannungskomponenten. In general, the fluctuations in the earth's magnetic field are very large faster than the fluctuations of the aircraft axis, so that those originating from the interference field AC voltage components in a much lower frequency range than the alternating voltage components originating from the earth's magnetic field.

Diese Tatsache wird bei der in F i g. 2 dargestellten Anordnung zur Unterdrückung des Störfeldeinflusses auf das Meßergebnis ausgenutzt. This fact is shown in FIG. 2 arrangement shown for Suppression of the interference field influence on the measurement result exploited.

Eine Kreiselvorrichtung 1 liefert in jedem Augenblick eine Information über den Winkel O. Mit Hilfe dieser Information wird der bewegliche Abgriff 3 eines Potentiometers 2 so eingestellt, daß an diesem Abgriff eine dem Wert e proportionale Spannung VO abgegriffen wird, wenn an das Potentiometer die Spannung V gelegt ist. Die Spannung VO- wird einer trigonometrischen Funktionsrechenschaltung 4 zugeführt, die so ausgeführt ist, daß sie an ihrem Ausgang die Spannung V cos e abgibt. Ein Ausführungsbeispiel für die Funktionsrechenschaltung 4 ist in Fig. 3 dargestellt. A gyro device 1 supplies information at every instant over the angle O. With the help of this information, the movable tap 3 becomes a Potentiometer 2 set so that at this tap a proportional to the value e Voltage VO is tapped when voltage V is applied to the potentiometer. The voltage VO- is fed to a trigonometric function computing circuit 4, which is designed so that it emits the voltage V cos e at its output. A An exemplary embodiment for the function computing circuit 4 is shown in FIG. 3.

Eine an sich bekannte Subtraktionsschaltung 5 empfängt am einen Eingang die Spannung V und am anderen Eingang die Spannung Vcos e. Sie liefert an ihrem Ausgang die Spannung V (1 - cos ). Die Anordnung wird durch eine Regelschleife vervollständigt, die einen Differenzverstärker 6 enthält, der das Ausgangssignal A H' des Magnetometers empfängt. Ferner liegt in der Regelschleife ein Tiefpaßverstärker 7, der die Signale mit der Frequenz der veränderlichen Komponente H1 (1 - com 0) des Störsignals durchläßt, d. h. eine Zeitkonstante T hat, die zwischen der Periode der veränderlichen Komponente AH0 des zu messenden Magnetfelds und derjenigen der veränderlichen Komponente des Störsignals enthalten ist. Ein Verstärker 8 mit steuerbarer Verstärkung empfängt an seinem Signaleingang b das Ausgangssignal der Subtraktionsschaltung 5 und an seinem Steuereingang a das Ausgangssignal des Tiefpaßverstärkers 7. A known subtraction circuit 5 receives at one input the voltage V and at the other input the voltage Vcos e. She delivers on hers Output the voltage V (1 - cos). The arrangement is completed by a control loop, which contains a differential amplifier 6, the output signal A H 'of the magnetometer receives. Furthermore, there is a low-pass amplifier 7 in the control loop, which the signals lets through with the frequency of the variable component H1 (1 - com 0) of the interfering signal, d. H. has a time constant T between the period of the variable component AH0 of the magnetic field to be measured and that of the variable component of the Interfering signal is included. An amplifier 8 with controllable gain receives at its signal input b the output signal of the subtraction circuit 5 and an its control input a is the output signal of the low-pass amplifier 7.

Dieser Verstärker mit steuerbarer Verstärkung liefert sein Ausgangssignal zum zweiten Eingang des Differenzverstärkers 6.This amplifier with controllable gain provides its output signal to the second input of the differential amplifier 6.

Diese Anordnung arbeitet in folgender Weise: Das Signal A H' enthält, wie zuvor erläutert wurde, die veränderlichen Komponenten des gemessenen Magnetfelds, nämlich die Komponente A H0 und die Komponente H1 (1-cos 0). This arrangement works in the following way: The signal A H 'contains, as previously explained, the variable components of the measured magnetic field, namely the component A H0 and the component H1 (1-cos 0).

Wenn keine Komponente A H0 vorhanden ist, läßt der Tiefpaßverstärker die Komponente H1 (1- cos durchgehen, welche die Verstärkung des Verstärkers 8 derart steuert, daß dieser an seinem Ausgang ein Signal liefert, welches das Signal dH' aufzuheben sucht. Dann gibt der Differenzverstärker 6 kein Ausgangssignal ab. Wenn eine Komponente AH0 erscheint (verhältnismäßig schnelle Änderung des zu messenden Erdfeldes), wird dieses Signal vom Filter 7 nicht durchgelassen, so daß es auf die Verstärkung des Verstärkers 8 nicht einwirkt. Das Signal A H0 erscheint daher am Ausgang des Differenzverstärkers 6. If there is no component A H0, the low-pass amplifier leaves the component H1 (1- cos go through, which the gain of the amplifier 8 so controls that this delivers a signal at its output, which the signal dH ' seeks to cancel. Then the differential amplifier 6 does not emit an output signal. if a component AH0 appears (relatively rapid change in the Earth field), this signal is not let through by the filter 7, so that it is applied to the Amplification of the amplifier 8 does not act. The signal A H0 therefore appears on Output of the differential amplifier 6.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Funktionsrechenschaltung 4, welche beim Empfang einer dem Wert 0 proportionalen Spannung VO an ihrem Eingang eine dem Wert cos 0 proportionale Spannung V cos 0 abgibt, wobei V eine Konstante ist. Fig. 3 shows an embodiment of the function arithmetic circuit 4, which when a voltage VO proportional to the value 0 is received at its input emits a voltage V cos 0 proportional to the value cos 0, where V is a constant is.

Diese Anordnung enthält als wesentlichen Bestandteil einen Synchrondemodulator 10, der an seinem ersten Eingang über ein Potentiometer 11 von einem Generator 12 eine Bezugsspannung V cos w t empfängt. Die Spannung des Generators 12 wird ferner einem Phasenmodulator 13 zugeführt, der an seinem zweiten Eingang die vom Kreisel 1 eingestellte Spannung ve empfängt. Der Phasenmodulator 13 gibt die Spannung Vcos(cut+6)) ab, die dem zweiten Eingang des Synchrondemodulators 10 zugeführt wird.This arrangement contains a synchronous demodulator as an essential part 10, which at its first input via a potentiometer 11 from a generator 12 receives a reference voltage V cos w t. The voltage of the generator 12 is also a phase modulator 13 fed to his second entrance receives the voltage ve set by gyro 1. The phase modulator 13 gives the voltage Vcos (cut + 6)) that the second input of the synchronous demodulator 10 is fed.

Dieser gibt dann am Ausgang die Spannung V cos e ab. Alle erforderlichen Einstellungen erfolgen durch Einwirkung auf den beweglichen Abgriff P des Potentiometers 11.This then emits the voltage V cos e at the output. All necessary Settings are made by acting on the movable tap P of the potentiometer 11.

Claims

Claims: 1. Compensation arrangement for a vehicle Worn magnetometer that measures the changes in a magnetic field over time, with which the influences of the self-interference field of the vehicle can be eliminated, that of temporal fluctuations of the vehicle axis in relation to the direction of the to be measured, characterized by an arrangement (1, 2, 3, 4, 5) to generate a signal that has a fixed ratio to the value (1 - cos proportional where e is the angle between the direction of the self-interference field and the direction of the magnetic field to be measured, an amplifier (8) with controllable gain for this signal, a comparison arrangement (6), which the output signal of the Amplifier (8) and the output signal of the magnetometer are fed, and a Low-pass filter (7) which receives the output signal of the comparison arrangement (6) and only the changes in the property frequency band corresponding to the interference field passes, which is fed to the control input of the amplifier (8) as a control signal that the components corresponding to this frequency band are at the output of the comparison arrangement (8) disappear.

2. Arrangement according to claim 1, characterized by a gyro arrangement (1), which generates a signal that is the angle (e) between the direction of the self-interference field and is proportional to the direction of the magnetic field to be measured, an arithmetic circuit (4), which turns this signal into a signal proportional to the cosine of this angle generated, and by a subtraction circuit, on the one hand this signal and on the other hand receives a signal proportional to the unit and one of the difference between these signals supplies a proportional signal to the input of the controllable amplifier.

3. Arrangement according to claim 2, characterized in that the computing circuit (4) contains a synchronous demodulator (10) which has a fixed reference AC voltage at one input (V cos a> t), which is also fed to a phase modulator (13), which also receives the signal (Vi) generated by the gyro arrangement (1), and its Output signal (V cos [o t + e]) the other input of the synchronous demodulator (10) is supplied, the output of which forms the output of the computing circuit (4).