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Trägheitsnavigationssystem Die Erfindung betrifft ein Trägheitsnavigationssystem,
welches nach Maßgabe von auf einer kreiselstabilisierten Plattform angeordneten
Signalgebern Position und Azimut des Fahrzeugs errechnet. Die Plattform nimmt eine
Fixlage im Raum ein oder wird derart geregelt, daß sie die Vertikale andeutet (Schuler-Abstimmung),
z. B. gemäß dem Prinzip des künstlichen Trägheitsmomentes.
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Die größte Fehlerquelle in einem solchen System ist die Kreiseldrift,
d. h. eine langsame Anderung der Bezugsrichtung des Kreisels, die durch unerwünschte
Drehmomente hervorgerufen wird, welche auf den Kreiselrotor oder dessen Träger einwirken.
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Es ist bekannt, den Stabilisierungskreiseln zwecks Kompensation der
Kreiseldrift Drehmomente einzuprägen, welche Trimmsignalen entsprechen, die durch
Integration von gemessenen, der Kreiseldrift proportionalen Fehlersignalen gewonnen
wurden. Bei autonomen Systemen werden die Fehlersignale von Signalgebern geliefert,
die unmittelbar die aus der Kreiseldrift resultierende Verkippung der Plattform
messen, z. B. die an sich zur Messung der Fahrzeugbeschleunigung bestimmten Beschleunigungsmesser
(USA.-Patentschrift 2 955 474) oder zusätzliche Wendekreisel (USA.-Patentschrift
2985 023).
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Die Erfindung geht davon aus, daß Fahrzeuge, die mit einem Trägheitsnavigationssystem
ausgerüstet sind, im allgemeinen auch ein davon unabhängiges Funknavigationssystem
mitführen, welches allerdings nur bis zu einem gewissen Abstand vom Funkfeuer genaue
Positions- und Azimutdaten liefert. Die Erfindungsaufgabe besteht darin, das Funknavigationssystem
innerhalb des Bereiches, in dem es genaue Positions- und Azimutdaten zu liefern
vermag, zur Trimmung der Stabilisierungskreisel des Trägheitsnavigationssystems
heranzuziehen.
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Es ist selbstverständlich nicht möglich, die der Trimmeinrichtung
zuzuführenden Fehlersignale durch einen unmittelbaren Vergleich zwischen den vom
Funknavigationssystem gelieferten Signalen und irgendwelchen die Lage der Plattform
repräsentierenden Signalen herzuleiten. Es wurde jedoch gefunden, daß verhältnismäßig
einfache Näherungsbeziehungen zwischen der Drift der Stabilisierungskreisel und
den daraus resultierenden Positions- und Azimutfehlern des Trägheitsnavigationssystems
bestehen.
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Die Beziehung zwischen den Positions- und Azimutfehlern des Trägheitsnavigationssystems
und der Kreiseldrift läßt sich im allgemeinen wie folgt ausdrücken: eL = Ji (Ux,
Uy, Uz, t), el = J2 (Ux, Uy, uz, t), (1) = ! (Ux, Uy, uz, t), wobei eL, el die Positionsfehler
in der Breite bzw. der Länge darstellen, ez die Kursabweichung oder den Azimutfehler,
Ux, Uv, Uz die Drift der einzelnen Kreisel mit ihren Eingangsachsen in der x-, y-
und z-Richtung und t die Zeit bezeichnen.
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Aus den Gleichungen (1) kann die Kreiseldrift Ux, Uy, Q als Funktion
der erwähnten Fehler gefunden werden. Wenn die Fehler eL, e1 und ez gemessen werden,
kann auf Grund dieser Beziehungen die Drift jedes Kreisels errechnet werden, sofern
die gemessenen Fehler lediglich durch die Kreiseldrift hervorgerufen werden. Wenn
die Größe und die Richtung der Kreiseldrift bekannt sind, ist es möglich, ein entsprechendes
Gegenmoment zu erzeugen, d. h. den betreffenden Kreisel derart zu trimmen, daß die
Drift nahezu behoben wird.
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Sofern die Positions- und Azimutfehler innerhalb einer kurzen Zeit
gefunden und auf Null herabgesetzt werden können, lassen sich die Beziehungen zwischen
den fehlerhaften Anzeigen des Trägheitsnavigationssystems und der Kreiseldrift durch
Differentiation und Linearisation der Gleichungen (1) vereinfachen. Dann ergeben
sich die nachfolgenden Gleichungen: eL' = K11 Ux + K12 Uy + Ki3 Uz, e1, = K21 Ux
+ K22 Uy + K23 Uz, (2) e21=K31 Ux + KS2 Uy + K33 UZ -eL', e1, und *' sind die zeitlichen
Ableitungen der Positions- und Azimutfehler, und K11 bis K33 sind Konstanten.
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Bei einem Längen-Breiten-System, z. B. bei einer Breite von 600,
können bei Angabe der Fehler e in Winkelminuten, der Kreiseldrift U in Winkelinuten
je Stunde und der Zeit in Stunden die nachfolgenden einfachen Beziehungen gewonnen
werden: eL' = 0 Ux - 1,0 Uy+OUz, el' = 2,0 Ux + O Uy + O Uz, (3) ez' = 1,7Ux+OUy
- 1,0 U,.
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Die letzte Gleichung in (3) kann wie folgt geschrieben werden: ez'
+ 1,7 et' = l,0Uz. (3a) 2 Der Breitefehler eL ist während einer verhältnismäßig
kurzen Zeit lediglich von der Kreiseldrift Uy abhängig, und auch der Längenfehler
e1 ist während einer verhältnismäßig kurzen Zeit lediglich von der Kreiseldrift
Ux abhängig, während der Azimutfehler ez sowohl von Ux als auch von Uz abhängt.
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Die Driftwerte Ux und Um können daher durch lediglich von dem Längenfehler
bzw. lediglich von dem Breitenfehler abgeleitete Trimmsignale behoben werden, während
die Kreiseldrift Uz mittels eines Signals behoben werden kann, das sowohl von dem
Längenfehler er als auch von dem Azimutfehler ez nach Gleichung (3 a)] abgeleitet
wird.
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Sogar wenn die Konstanten in einem anderen Falle weniger einfach
als in dem angegebenen Beispiel sind, kann man dennoch unter allen Umständen auf
Grund der Gleichungen (3) bequem errechnen, auf welche Weise die Trimmsignale von
den gemessenen Positions- und Azimutfehlern abgeleitet werden müssen, um die Drift
jedes Kreisels zu beheben.
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Wenn gemäß dem- vorstehenden die Kreisel mittels Signalen getrimmt
werden, die lediglich proportional oder in einer linearen Beziehung zu den Fehlersignalen
sind, welche an sich proportional zu den gemessenen Positions- und Azimutfehlern
sind, besteht nach wie vor ein Positions- und Azimutfehler. Um sowohl die Kreiseldrift
als auch die Positions- und Azimutfehler auf Null herabzusetzen, ist es, wie eingangs
bereits erwähnt, notwendig, die erwähnten Fehlersignale vor der Zuführung zu dem
betreffenden Kreisel einmal zu integrieren.
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Nachdem es also gemäß vorstehendem möglich ist, die der Trimmeinrichtung
zuzuführenden Fehlersignale nicht nur, wie bekannt, unmittelbar von der Verkippung
der Plattform abzuleiten, sondern sie auch mittelbar aus den Positions- und Azimutfehlern
herzuleiten, gilt es nur noch, die Positions- und Azimutfehler selbst zu ermitteln.
Dies ist nun aber leicht möglich durch Heranziehung des Funknavigationssystems.
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Das Trägheitsnavigationssystem der in Rede stehenden Art ist somit
erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Fehlersignale von einem Rechner
geliefert werden, dem aus einer Vergleichsvorrichtung die Differenzen zwischen den
vom Trägheitsnavigationssystem gelieferten Positions- und Azimutdaten und den von
einem Funknavigationssystem gelieferten Positions- und Azimutdaten zugeführt werden
und der gemäß bekannten Näherungsbeziehungen zwischen der Kreiseldrift und den Positions-
bzw. Azimutfehlern programmiert ist.
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Die erfindunggemäße Trimmung läßt sich sowohl im Stillstand als auch
während der Fortbewegung des Fahrzeuges durchführen.
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Wenn die Trimmung während der Fortbewegung durchgeführt wird, müssen
das Funknavigationssystem abgeschaltet und die Trinunkreise in dem Augenblick unterbrochen
werden, wenn der resultierende Positionsfehler minimal ist. Da die Fehlerbeziehungen
(Positionsfehler als Funktion der Zeit) sowohl für das Funknavigationssystem als
auch für das Trägheitsnavigationssystem nicht in einer einfachen mathematischen
Formel ausgedrückt werden können, ist es zweckdienlich, die beste Abschaltzeit durch
Versuche festzustellen.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm einer Vorrichtung nach der Erfindung;
F i g. 2 zeigt den Positionsfehler als Funktion des Abstandes von dem Funkfeuer
für ein Funknavigationssystem; F i g. 3 a zeigt die Drift eines Kreisels als Funktion
der Trimmzeit; Fig. 3b zeigt den nach beendeter Trimmung noch entstehenden Driftwinkel
des gleichen Kreisels gegenüber einer gewünschten Bezugsrichtung für einige verschiedene
Trimmzeiten, und F i g. 4 zeigt den Positionsfehler als Funktion des Abstandes von
einem Anfangspunkt für die Kombination eines Funk- und eines Trägheitsnavigationssystems
nach der Erfindung.
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Die in F i g. 1 dargestellte Vorrichtung erfüllt ein Funknavigationssystem
1 und ein Trägheitsnavigationssystem 2, welche mit verschiedenen Eingängen einer
Vergleichsvorrichtung 3 verbunden sind. Die Vergleichsvorrichtung 3 ist über eine
Schaltvorrichtung 4 mit einem Rechner 5 verbunden, welcher mit Mitteln versehen
ist, durch die Drehmomente in den Kreiseln Gx, G, und Gz erzeugt werden, die auf
der gemeinsamen Plattform angeordnet sind. Der Rechner 5 enthält drei Integratoren,
einen für jeden Einstellkreis, welche Integratoren eine Zeitkonstante von 5 bis
10 Minuten haben, was annähernd der Zeit entspricht, die zum Bestimmen der Kreiseldrift
notwendig ist. Diese Integratoren liefern an die Drehmomentgeneratoren der Kreisel
Trimmsignale, die der Drift des betreffenden Kreisels entgegenwirken.
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Um Schwingungen in dem geschlossenen System von Kreisen zu verhüten,
muß irgendeine Dämpfung vorgesehen werden, z. B. eine einfache Parallelschaltung
der Integratoren. Weiter sind Mittel vorhanden, durch welche das Funknavigationssystem
abgeschaltet werden kann.
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Die Vorrichtung arbeitet wie folgt: In der Vergleichsvorrichtung
3 werden die Positions- und Azimutanzeigen des Funknavigationssystems mit den entsprechenden
Anzeigen des Trägheitsnavigationssystems verglichen, so daß Signale proportional
zu dem Unterschied zwischen diesen Ausgangsinformationen dem Ausgang der Vergleichsvorrichtung
entnommen werden können. Es wird angenommen, daß das Funknavigationssystem die richtige
Information liefert und daß die einzige Fehlerquelle in dem Trägheitsnavigationssystem
die Kreiseldrift ist, so daß die Signale am Ausgang der Vergleichsvorrichtung proportional
zu den durch die Kreiseldrift hervorgerufenen Positions- und Azimutfehlern eL, q,
* des Trägheitsnavigationssystems sind. Die Fehlersignale
am Ausgang
der Vergleichsvorrichtung werden den Integratoren im Rechner 5 zugeführt, und die
Ausgangssignale derselben werden in den richtigen Verhältnissen den Drehmomentgeneratoren
in den verschiedenen Kreiseln derart zugeführt, daß die Kreiseldrift behoben wird.
Die Integration überkompensiert die Kreiseldrift, so daß sowohl die Kreiseldrift
als auch die Positions- und Azimutfehler auf Null herabgemindert werden. Die Intergratoren
des Rechners 5 halten außerdem das entgegenwirkende Drehmoment der Drehmomentgeneratoren
-der Kreisel auf dem gewünschten Wert nach Beendigung der Integration fest, so daß
gesonderte Mittel zu diesem Zweck sich erübrigen. Nach Beendigung der Trimmung werden
die Schalter der Vorrichtung 4 geöffnet, und das Funknavigationssystem wird abgeschaltet,
so daß die Positions- und Azimutanzeigen darauf lediglich aus dem Trägheitsnavigationssystem
erzielt werden.
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F i g. 2 zeigt beispielsweise den Positionsfehler für ein Funknavigatonssystem
als Funktion des Abstandes von dem Funkfeuer. Das Diagramm zeigt, daß die Genauigkeit
des Funknavigationssystems sehr groß ist in einem kleinen Abstand von dem Funkfeuer,
während die Positionsfehler zunehmen, wenn der Abstand einen bestimmten Wert überschreitet.
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Wenn die Trimmung nach einer bestimmten Zeit unterbrochen wird, besteht
nach wie vor eine Kreiseldrift, deren Größe von der Länge der Trimmzeit abhängt.
Die Folge hiervon läßt sich graphisch gemäß F i g. 3 b andeuten, wobei der Driftwinkel
des Kreisels als Ordinate und die Zeit als Abszisse aufgetragen sind und die Trimmzeit
als Parameter dient.
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Fig. 4 zeigt die Beziehung zwischen einem Positionsfehler und dem
Abstand von dem Anfangspunkt bei einer Kombination eines Funk- und eines Trägheitsnavigationssystems.
Es wird vorausgesetzt, daß das Funknavigationssystem, dessen Fehlerkurve durch die
Kurve A angedeutet ist, das Trägheitsnavigationssystem während des ersten Teiles
des Fluges gemäß dem Erfindungsgedanken korrigiert und daß das Funknavigationssystem
in einem geeigneten Augenblick abgeschaltet wird, so daß das
Trägheitsnavigationssystem
dann allein die Position bestimmt. Es sind zwei verschiedene Abschaltzeiten T, und
T2 angegeben. Nach dem Abschalten nimmt der Positionsfehler nahezu linear mit der
Zeit oder dem Abstand von dem Anfangspunkt infolge der verbleibenden Kreiseldrift
zu, was durch die Kurven B und C angedeutet ist. Die Abschaltzeit wird derart festgesetzt,
daß der resultierende Fehler jedenfalls minimal ist.
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Vergleichsweise zeigt F i g. 4 die Fehlerkurve D für das Trägheitsnavigationssystem
an sich, ohne Korrektur seitens des Funknavigationssystems, wobei angenommen wird,
daß nur eine kurze Zeit (etwa 10 Minuten) zur Trimmung der Kreisel in dem Trägheitsnavigationssystem
zur Verfügung stand.