DE1548436A1 - Traegheitsnavigations-System - Google Patents

Description

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Belegexemplar

Darf nicht geändert werden

3.

1 BERLIN 19
Bolivaralieo 9
Tel. 3044285 W/Vh-2187

General Motore Corporation, Detroit, Mich.,

Trägheitsnavigations-System

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Trägheitsnavigations-Systeme zur Bestimmung des Ortes, der Geschwindigkeit und der Orientierung ei Körpers wie beispielsweise eines Fahrzeuges, und im besonderen auf ein iDrägheitsnavigationsgerät, in ,-eiche» eine kreiselstabilisierte Instrurnentenplattfora uo ei« vorbeotimmte Achse gedreht wird, um instrunentenbedin.ta fehler zu unterdrücken und die Eineichung nicht unterdrückter Fehler zu ermöglichen.

ürfindungegemäss wird dies dadurch erreicht, dass aielpagheitfl-rtthlinetpumente einschließlich der Kreisel und der Beschtunigungsoesser auf einer festen Plattform befestigt werden und dass die Plattform

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mit einer genau definierbaren Geschwindigkeit relativ zum Tragheitsraum um eine gewählte Achse gedreht wird. Diese Drehung verursacht eine periodische Umkehr von niederfrequenten Fehlern relativ zum Bezugsträgheitsrahmen oder zu Bezugsrahmen, welche relativ zum Trägheitsrauro langsam rotieren, wobei diese niederfrequenten Fehler von den Trägheitsinstrunenten herrühren, welche in Richtung von senkrecht zur Drehachse liegenden Achsen arbeiten» Eine Auswirkung dieser Fehler auf die Navigationsgenauigkeit in einer Ebene senkrecht zur Drehachse wird dadurch unterdrückt« Wird ferner die Drehachse so gewählt, dass sie in der Richtung des Hettobeschleunigungsvekt013 liegt, der auf das trägerfahrzeug wirkt, so findet auch eine Unterdrückung der Wirkungen von Kreiseldriftkomponenten in Richtung der Achsen statt, die senkrecht zur Drehachse liegen und die ihre Ursache in einer Unwucht der Kreiselrad-Baueinheit haben.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung liegt darin, dass die Kompensation von Instrumentenfehlern des Trägheitsnavigations-Systems leichter bewirkt werden kann, wenn externe Navigationsdaten,z»B· die auf Grund einer einzelnen Eigenpeil-Ortsbestinraung oder eines Doppler-Radargeräts verfügbar werden, eingebracht werden.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen· Die Erfindung wird an Hand der bei-

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gefügten Zeichnungen erläutert· In der Zeichnung Int

Pig* 1 eine sahornatinoho pernpolctivitioho Iiur-Htellunß einen Kroinelbegugflgerlitn i'nr ein Trügheitsnavigations-Systern nach der Erfindung,

Pig· 2 ein Blookdiagratam eines Antriebcsynteraa, durch das eine untere Plattform de& Kreiselbezugsgeräts relativ zu einer oberen Plattform gedreht wird, Pig· 3 ein Blockdiagramm eines Navigations-Systems unter Verwendung einer Ausfiiurungsform der vorliegenden Erfindung, Pig· 4 ein Datenfließschema für die Kreisel-

kompaß-Eichmethode nach der vorliegenden Erfindung,

Pig, 5 ein vereinfachtes schematisches üia^rar.ri der Sfechnilc der Ortsbestimnungskorrc'ctjir und Pig· 6 ein Datenfließschena, das im einselnsr,

die Art und \veise zeigt, wie eine Crto'castimmungs-Korrektur geinäss der vorli3gcnden Erfindung durchgeführt wird.

Pig. 1 zeigt eine Anordnung von

instrumenten, auf welche sich die Arbeitsweise des IrK^ heitenavigations-Systeos gründet, und zwar sowohl die ir

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der besonderen Ausführungsform der Erfindung verwendete Plattform, wie auch das Systea der karäanisehen Aufhängung, welches für den Einbau der Instrumente und der Plattform in ein Luftfahrzeug verwendet werden« Die Plattform 10 ist im Zentrum eines Satzes von vier Kardanringen so aufgehängt, dasa sie um drei zueinander senkrechte Achsen schwingen kann, um sie von der Bewegung des Fahrzeuges zu isolieren, mit dem die kardaniselie Aufhängung verbunden ist. Die Plattform 10 bildet einen ersten Kardanring, der um die Azimutachse Z-Z drehbar mit einer Berylliutawelle 37 in einem inneren oder zweiten Kardanring 12 befestigt ist· Der Kardanring 12 ist in einem mittleren oder dritten Kardanring 14 schwingbar um die Flugzeug-Rollachse X-X bei Horizontalflug gelagert, der wiederum in einem äusseren Kardanring 16 schwingbar um die Stampf- oder Längsneigungaachse Y-Y gelagert ist. Der Kardanring 16 ist in zwei mit dea Luftfahrzeug verbundenen Stützen 18 und 19 um die Horizontalflugrollachso X-X schwingbar gelagert.

Alie Kardanringe können so konstruiert sein, dass sie unbegrenzte Drehfreiheit haben, mit Ausnahme deo Kardanringes 14_t der in dem vorliegenden System auf 25° Drehung in jeder Richtung beschränkt ist, um eine liardanring-Blockierung zu verhindern. Zur Abstüzung jedeo Kar da.^- ringes können zwei Paare vorbelasteter Cor3ionsrohrlagcr vom Duplex-Typ verwendet werden.

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Alle Kardanringe 12, 14 und 16 sowie die verschiedenen Teile der Plattform 10 können aus gegossenem Magnesium hergestellt werden.

Zur Stabilisierung der Plattform 10 i3t jeder Kardanring mit einem Torsionsmotor 20, 24, 28 bzw. 32 ausgestattet, der in einer Kardanringstabilisierungs-Servoschleife liegt, die einem oder mehreren Krei3oln zugeordnet ist. Die Ausrichtung der Plattform zu den iiaviga- a tionskoordinaten wird durch von einem Rechner erzeugte Grossen gesteuert, welche in die Stabilisierungsschleifen als Kreiseldrehmomentsignale gegeben werden. Jeder ICardcnringachse sind Punktionsdrehmelder 22, 26, 30 bzw. 34 zujgordnet, die Informationen über die relative Lage dos Paiirzeugs zur Plattform 10 als Ergebnis der Kessung des Drohwinkels jedes Kardanringes um die zugeordnete Achse, d.h. um die Azinut- bzw. Roll- bzw. Läng3neigungsachse liefern.

Die redundante Rollachsen-Karöanringstouerung, die den Torsionsmotor 32 und den Punktionsdrehraelder 34 umfasst, schliesst auch einen Drehzahlmesser 36 vom 2yp mit permanenten Magneten ein, um die Notwendigkeit eines Sekantenfunktions-Verstärkereleaents in der Steuerschläge· dieses nusaeren Steuersystems auszuschalten und um forncr eine einfache Stabilisierung dieser Schleife während dos; Grob-Vorflugabgleiehs zu erhalten.

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Der untere Teil der Plattform 10 ist durch die alt ihr einen Teil bildende untere Plattform 38 gebildet. Eine obere Plattform 40, späterhin Turm gena ist innerhalb der Plattform 10 reaktiv zur unteren Plattfora 30 drehbar befestigt. Die untere Plattfora 38 tr-igt die Kreisel 42 und 44 für die Horizontalachsen X bzw. Y. Diese haben einen Freiheitsgrad und sind auf der unteren Plattfora so befestigt, dass ihre ICreiselachsen zueinander senkrecht 3tehen und in einer zur Ebene der unteren Plattform 38 parallelen Ebene liegen. Die Spin-Achsen der Kreisel 42_unä_ 44 liegen ebenfalls in der Horizontalebene. Auf der unteren Plattform 33 sind ferner den Horizontalachsen X und Y zugeordnete Beschleunigungsmesser 46 bzw. 48 befestigt, die vom Kräftevergleich-Pendeltyp sein können, beispielsweise nach dem liinneapolio-Honey well-Mod ell GG-177B. Die Eingangsaehsen der Beschleunigungsmesser 46 und 48 entsprechen den Kreiaelachsen des zugeordneten Kreisels 42 bzw. 44. Die Crägheitsfühlinstrumente 42,44,46 und 48 können in Ilontafrswinkeln vorabgeglichen werden, die dann durch Schrauben und Stifte in ein Bezugsverhältnis zur unteren Plattform 33 gebracht werden, um genauen Abgleich zu ermöglichen.

Der Turm 40 trägt den Aziiaut- oder Z-Achson-Kreisel 50, dessen Kreiselachse parallel zur

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Z-Z verläuft· Auaserdea kann der Turm 40 Einrichtungen tragen, wie z.B. einen Vertikalbeeehleunigungsmesser 52, um Informationen für öle Berechnung der vertikalen Geschwindigkeit und der Höhe au liefern. Die sensitiven Achsen der TrägheitsfUhlinstrumentö 50 und 52 liegen selbstverständlich senkrecht au äen sensitiven Achsen der Horizontalflihllnetrumente, dl® auf der unteren Plattform 38 befestigt sind»

Die Fehlerunterdrückung getnäss der Erfindung kann erreicht werden, indem die untere Plattform 33 relativ zum Turm 40 mit einer genau definierten Geschwindigkeit geäreht wird. Ba die Orientierung dea Turcs zum Trägheitaraum im Azimut bestimmt ist, findet die Rotation der unteren Plattform 38 mit einer genau "bekannten Geschwindigkeit relativ zuta Trägheitsraua statt, Biese relative Rotation wird durch einen Synchronmotor 54 "bewirkt, der auf dem Turn 40 montiert ist und ein Reduktionsgetriebe 56 zwischen dem Turm 40 unä der unterer. Plattform 38 antreibt (β. Pig. 1 und 2). Bor Durchmesser dC3 Turms 40 ist etwas kleiner als der der unteren Plattform 33 und der Plattform 10, um die relative Drehung zwischen dem Tura und der unteren Plr.ttforn zu. ermöglichen. In den vorliegenden Beispiel (Fig. 2) -ist die Drehgeschwindigkeit konstant und "bestimmt durch öle Ausgangsspannung einer stabilen Prequenzquelle 53. line federbelastete Schleppkupplung 60 zwischen der unteren

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Plattform 38 und dem Turm 40 ergibt eine ausreichende Eeibungskraft, um bei dem in dieser Ausfiihrungsform vorwendeten Antrieb in nur einer Richtung das Spiel im Reduktionsgetriebe 56 unter allen Bedingungen zu beseitigen.

Der Turmantrieb einschliesslich de3 Synchronmotors 54 ist in die Azimut-Stabilisierungsschleife eingegliedert, die auch einen Vorverstärker 62, einen Verstärker 64 und den Torsionsmotor 20 enthalt, und welche den Turm 40 auf ein Aziaut einstellt, dao durch das Azimut-Kreiselprogramm festgelegt ist. 3ci Abwesenheit eines Aziaut-Xreieeldrehimpulses stellt sich der Turm 40 entsprechend dem Trägheitseinfluss ua die Azimut-Achse ein. Dementsprechend dreht sich die untere Plattfora 33 utn die Azimut-Achse relativ zum Trägheitsraura mit einer konstanten Geschwindigkeit, die durch die stabile Prequenzqaelle 58 und den Synchronmotor 54 gogebeia ist. Das Drehmoment, das erforderlich ist, um diese Drehung einzuleiten und trota der Lagerreibung aufrecht zu erhalten, leitet sich von der nornalen Wirkung der Azimut-Stabilisierungßshhleife durch den Eorsionsaotor 20 her. Hierdurch wird dem Azimutkreisel 50 eine solche Präzession ua einen bekannten Betrag erteilt, dass Anirautkreisel-Ablenkungsfehler unterdrückt werden, und zv;ar ohno eine Ilodifikation des Prinzips der Korizontalfehlerunterdrlicku:i~_#

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Die Drehgeschwindigkeit kann "bezogen auf den kardanischen Aufhängungsrahraen unter Umständen nicht gleiohraässig oder periodisch sein, ist aber "bezogen auf den Trägheitsraum konstant.

Die Drehung der von der unteren Plattform 38 getragenen Horizontalflihlinstruraente 42 bis 48 moduliert in dem langsam rotierenden ITavigations-Bezugsrahmen die Wirkung "bestimmter Fehler, die Jenen Instrumenten eigensind, wodurch die Bedeutung dieser fehler ftir das ITaviga- ™ tionsproblem "beseiitigt wird. Zu diesen Fehlern gehören die Driffbetrüge der Kreisel 42 und 44 ebenso wie gewisse Fehler in der Ausrichtung der Kreiselachsen dieser Kreisel, wie auch die sogenannte Nullverschiebung oder die Vorspannungswechselfehler der Beschleunigungsmesser 4-· und 48* Die Eotationsgeschwindigkeit, mit der diene Fehler wirksam unterdrückt werden, muss wesentlich über der iSrdumdrehungsgeschwindigkeit liegen. Das vorliegende System ist für 0,5 F/min konstruiert, also auf die 720-fache |

Erdumdrehungsgoschwindigkeit ausgelegt. Zum Erreichen der gewünschten Ergebnisse können entweder höhere oder geringere Umdrehungsgeschwindigkeiten Verwendung finden.

Es i^t auch möglich, andere Mittel zur Erzielung der genauen azimutalen Uindrehungageachwindigkeit zu verwenden· Boi einer geteilten Plattform kann das Mass dor relativen Geochwindigkeit zwischen den oberen und unteren.-

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Teilen durch einen Servoantrieb erzeugt werden. In abgewandelter Bauweise zu der beschriebenen in zwei Teile unterteilten Anordnung können die TrägheitsfUhlinstrumente einechliesslich eines Vertikalb33chleunigungsmesser3 auf einer einzigen Plattform aufgebaut sein, die mit einer bekannten Geschwindigkeit durch einen Kreisel-Präzessionsantrieb angetrieben wird. Die Eotation des Azimutkreisels unterdrückt die Wirkungen seiner Ablenkungsfehler, wodurch die Gesamtarbeitsv/eise des Systems verbessert wird. In einem derartigen System kann den Azimutkreisel 50 direkt ein bestimmtes Präzessionssignal zugeleitet werden, und zwar entweder elektrisch durch einen, im Inneren des Kreisels befindlichen Dauermagneten oder durch die Freigabe oines unausgeglichenen Kreiselrades, Das Kreisol-Pehlersignal wird dann verstärkt und dem Torsionsaotor 20 . zugeführt, um die gesagte PlattAform einschliesslich aller verwendeten Trägheitsfiihlinstrumente mit einer bekannten Geschwindigkeit um die Azimutachse zu drehen« Die Plattform kann von der fahrzeugbewegung entweder durch einen vollständigen Satz von Kardanringen wie beschrieben oder im Palle eines "hart-montierten" Systems durch einen einzigen Rdationskarüanring isoliert werden·

Die Ausgangseignale der drei Kreisel 42, 44 und 50 müssen verarbeitet werden, um die Stabilisierung der Plattform 10 au bewirken, indem sie von Drehmoaentstörungen als folge der Kardanring-Lagerreibung und der Plattform-

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Unwucht iaoliert wird. Dies ist die Punktion der Kardanring Stabiliaierung3schleifen, wodurch die Plattform zugleich in der Lage ist, Befehle hinsichtlich einer beliebigen gewünschten Orientierung zu befolgen. Zu diesem Zweck werden Drehimpulssignale in die Kreisel eingegeben. Diuse Drehimpulssignale können durch Verarbeitung der von de.a Beschleunigungsmessern gelieferten Beschleunigungsoignale erhalten werden· Dies ist auch notwendig, um die Reisegeschwindigkeit und den Ort mit Bezug auf die Erde zu bestimmen· Die Besehleunigungssignale werden über übliche Schleifringe dem Rechner,vorzugsweise einem Digital-Rechner, zugeleitet· In dem vorliegenden Beispiel worden die extern berechneten Kreisel-Drehimpulssignale durch die Schleifringe zu den Kreiseln zurUckgeleitet, um so ein Vertikalanseigesystea zu bilden, welches die Z- oder Aaimutachae der Plattform 10 jederzeit in der Parallelize zum örtlichen Gravitationsvektor hält· Da ferner die Plattform 10 und insbesondere die untere Plattform 3S mit den Horissontal-IDrägheitsfUhlinotruraenten mit Bc au;.: auf den !rägheitsraum umläuft, müssen die Signale von dem rotierenden Bezugssystem der Plattform 10 auf äaciii den Navigationsrechnungen verwenäete Koordinatencycte transformiert werden« Da die azimutale Rotationsgesc'.r.ir.-digkeit der Plattform 10 bezogen auf den Trägheitsrau.π genau bekannt ist» ist es lediglich notwendig, den Anfanc-jwert auf das durch den £rtigheits>einfluss gegebene I.z±:/xi

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festzulegen, um jene Orientierung während des nachfolgenden Betriebs zu definieren. Dieser Wert wird durch den Eechner fortlaufend ausgewertet und in den Signaltransformationen zwischen den rotierenden Rahmen der Plattform 10 und dem gewählten Eechnungsbezugsrahmen verwendet. ·

In Pig. 5 ist dargestellt, wie ein Navigationsrechner 70, 2ype Allzweck-Digitalrechner, die für die trägheitsnavigation notwendige Informationsverarbeitung durchführt, Den Kreiseln 42, 44 und 50 sind Stabilisiorungsschleifen 72 zugeordnet. Die Signale QO von den Beschleunigungsmessern worden in die Beechleunigungsneaser-Xraftausgleichsschleifen 74 vom Eückkopplungstyp .gegeben, wobei die .Rückkopplung 66 in der Zeichnung angedeutet ist. Das Ausgangssignal, welches in Digitalfora anfällt, geht in ein Beschleunigungsstosfir-Auswertgerät 76 ein, das ein Teil des ITavigationsrechners 70 ist» Das AuswertgerUt 76 besitzt Intcgr&tionsmittel zur Transformation der Beschieunigungssignale in Geschwindigkeitssignale, die ^n Eechner 70 alo Uingangswerte für die liaYigationsgleicliuni'en verwendet v/erde-n. Eine Hölreninforaation voa Z-Beschleunigunssraosser 52 k£.nn in ein Köhenreohnungsgerät 78 eingegeben werden, üc*c mit einea barometrischen Höhenaessgerät ausanaenarböitd kann«· Die Ausgangswerte sowohl des

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Auswerters 76 als auch des Höhenrechengeräts 78 werden in ein Elliptizitäts-Korrekturgerät 80 eingegeben. Dies wird benötigt als erste Stufe zur Umwandlung der Ggschwindigkeits- oder Grundgeschwindigkeitssignale vom Btschleunigungsraesser-Auswertgerät 76 in Entfernungsrechnungs- und Kreiseldrehimpulseingangswerte. Die Umrechnung der GrundgeschwindigkeitssigmLe in V/inkelwortq wird dadurch vollzogen, dass die Signale durch Krümmungsradien geteilt werden, welche ihrerseits Punktionen der Position des Luftfahrzeugs und der Höhe über der Erdoberfläche sind. Das Gerät 80 fuhrt diese Division aus und liefert Ausgangssignale an einen Positionsrochnor 82 sowie an einen Kreiselgeschwindigkoitagober 84. Die Ausgangswerte des Positionsrechners 82 werden in einc-n Steuer- und Darötelltüil 86 des IJavigationorechners JO zwecks weiterer Verarbeitung eingegeben, uia das gev;iinGchte Positionsausgangsforniat zu liefern. Der Ausgang Kreiselgeschwindigkeitsgebers 84 führt zurück zu den Kreiseln 42 und 44 sowie den zugeordneten schleifen 72» wo zugleich mit dem durch das Gerät 54, 5o 58 nach Pig. 2, das in Pig. 3 scheraatisch angedeutet iüt erzeugten Antrieb die Kreisel ein solches Drehmoment erhalten, 4asq die Plattform 10 senkrecht zum örtlichen Gravitationavektor gehalten wird. Din Anlaufgerät 06 bildet gleichfalls einen Teil de3 iiavigationsreülinurj 7-J

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und dient zur Einleitung der Verarbeitung der Geschwindigkeitssignale in dem Elliptizitäts-Korrekturgerät 80 aowie der Positionsvariablen in den Pooitionsrechner 62,

Vor erfolgreicher Navigation unter Verwendung eines Trägheitsnavigations-Systems muss eine Grundorientierung der sensitiven Achsen der Instrumente "bestimmt werden, und es aüssen ferner die kritischen λ ]?öhlGrq.uellen derart eingeeicht werden, dass die nachfolgende navigation mit ausreichender Genauigkeit erfolgen kann. Im vorliegenden Beispiel müssen diese Vorflug-Ilasonahmen nach—Kreiselkoapaßart durchgeführt werden; diese Methode dient zur Eineichung der Drift des Azinutkrex3els 50 und des wirksamen Drehiapuls-Skalenfaktorc der Horizontalkreisel "42 und 44· Das DatenflieBsdiaxraain für die Kreiselkompaß-Ilethode ist in Pig. 4 dargestellt.

Der Abgleich der Kardanringe des ITaviga-

■ tionssystoma nach Pig. 1 kann in drei Stufen erfolgen; die erste Stufe i3t der Grohabgloich, in dessen Verlcuf die Kardanringe gro'b auf die llullwerte dor Xardanrinj-Punktionodrehmelder eingepegelt v/eraen, viohei beroits der Antrieb der Kreisel 42, 44 und 50 eingeschaltet werden kann, um sie auf Drehzahl zu bringen. Die zwcita-Stufe kann eine Peineinpegelung sein, während welcher die Plattform bezogen auf die örtliche Vertikale horizontal eingepogolt wird. In dieser Stufe worden die -ist./oil,.-

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öierunge-Servoschleifen für die Kreisel eingeschaltet.

Die Außgangwerte des Azimut-Funktionadrehtneldera 22 worden in den Navigationsrechner 70 eingeloaon,und zwar zur Verwendung im Zusammenhang mit der extern abgeleiteten Information bezüglich des PlugzeugateuerkurBes, ua einen groben Anfangswert des Plattforra-Steuerkursea für die Auflösung der Erdgeschwindigkeit in die entsprechend on Komponenten der X- und Y-Achsen zu erhalten. !lach /bschlusc ä dor Peinoinpegelungsstufo dec Einpegelungsmodus wird ein KreisellcompaBinodus angewendet·

Die Quantitäten des Horisontal-Drehiinpulsairrileafalctors und der azimutalen Drift v.'erden berechnet und -eepeichert bis zum Beginn einer liavigation ohne Mitnah..ie der Plattform nach einem Azimufbesue. Diese Art des Vorgehens, bekannt als Kreisellconspaßnoöus mit offener 3cnl>.i/c-, bietet die Vorteile der Ausschaltung aller Stroakreijo zum Antrieb der Plattfora zu deren Eindrehen auf das gewünschte Azimut; und es wird fernerhin vermieden, Azimutkreisel»Skalenfaktorfehler einaufihren«

Darüber hinaus bietet sich die liöglichlrcit der optimalen Verwendunj verfiigbaror J)atcn₉ da die i;ochnutigen nieht äurwh Hiickkopplunss.problctac konpliziort \ocruor._w Da ferner der Umlauf dor Plattform w;lhrcr.J

uea KrelselkoTspaßmoiiis aBäauort-, erscheinen Ton der. IIoi-l...;■::- taliastruraenteT! herfuhrenfis micderfroq,uente Driftfe':!..;:· -.\\' Yorspannungsfeliler iaaer h.gc!i als aodulierte. Pehler Iv."Cc.

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geographischen Bahnten. Dadurch werden sie für die Eichung und/oder Ausfilterung greifbar.

Während des Kreiselfcompaßfluges werden die von den X- und Y-Beschleunigungsmessern 46 und 4-3 angefühlten Geschwindigkeiten von dem rotierenden Σ-Y-Rahmen abgenommen und in.einen'willkürlich gewählten örtlichen iJiveaubezugsrahmen, wie beispielsweise einen

- öitlichen Bezugsrahmen mit freiem Azimut, umgesetzt.

Auf Grund dieser Ausgangswerte der Beschleunigungsmesser

werden die Kreiseldrehimpulssignale berechnet und aodann auf den rotierenden X-Y-Hahmen zurückübertragen, Uta dann den Kreiseln zugeführt zu werden· Die Azimutposition des rotierenden Rahmens ergibt sich als die Summe dor Anfangsposition beim Beginn des Kreiselkompaßfluges und des Zeitintegrals der Azimutänderung seit Beginn des Kreiselkompaßfluges· Um für den Kreiselkompaßflug Geschwindigkeitsinformationen zu liefern« werden die ψ aufgeschlüsselten Ausgangswerte der Beschlounigungomoascr nochmala umgeachlüaselt, und zwar vom örtlichon liiveaubezugsrahraen mit freiem Azimut auf einen nominellen Nord-Ost-Rahmen,

Die Drehung der X- und Y-Kreisel 42 und 44 bezogen auf den IIord-Ost-Bezugsrahraen verursacht Yorspannungsdrift, welche jenen Kreiseln zugeordnet ist, und die sinusförmige Ausgangswerte für Nord und Ost von gor;.-.α definierbarer frequenz erzeugt. Diese können im Wege dos

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Geschwindigkeit3vergleichs leicht festgestellt und dazu verwendet werden, um die jeweils ursächliche Drift zu kompensieren oder wirksam auszufiltern. Das "bedeutet, dass der Steuerkursfehler, die Plattform-Azimutdrift und der Horizontal-Drehmomentskalenfaktorfehler, welcher unterscheidbare Konfigurationen des GeschwinäigkeitSr fehlers mit wesentlich niedrigeren Precjuenzen erzeugt, aua den Kord- und Ost-Geschwindigkeitsrechnungen unzwei- d deutig bestimmt werden können· Typisch ißt, dass neben den sinusförmigen Effekten die aufgeschlüsselte Kord-

Auflajufwert auf einem Vorspaanungs-

niveau enthält. Das Vorsparmungsniveau ist ein Ma3s des anfänglichen Steuerkursfehlers, während der Auflaufwert ein Mass für den Fehler zwischen den angenommenen und dem tatsächlichen Azimutwerteh darstellt. In ähnlicher ^τ».'ώ:ί30 ist die aufgeschlüsselte Ost-Geschwindiglceit ein Maes für den durchschnittlichen Torsions-Drehmomentskalenialrlorfehler+der "beiden horizontalen Kreisel. Somit bestellt ein Hauptvorteil des Kreiselkooipaßfluges mit gleichzeitiger Rotation der X-Y-Instrumente mit höl^rer als der IrdUmdrehungsgeschwindigkeit in der Ausschaltung der Zwc-idoatiskeiten bzw. Meh/äcutigkeiten, welche früher die Genauigkeit des Kreiselkorapaßfluges begrenaten und die voliatllndigo Eineichung der Kreiselfehler verhinderten.

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Ein weiterer Vorteil des Drehens während des Kreiselkompaßfluges ist die gleichzeitige Eineichung beider Kreiseldrehmoment-Skalenfaktorfehler· Auf diese Weise stellt die Eichung des durchschnittlichen Drhmoraent. Skalenfaktors die vollständige Eichung des Horizontal-Kreiselskabnfaktors dar, da bei der Rotation der Iiavigationsfehler durch die kombinierte Wirkung der beiden

L Skalenfaktoren zuatandekonmt· Die hier gehchilderte Eichung ist durchaus genau zur Verwendung mit dec späteren Navigationsmodus, bei dem die-Drehung aufrechterhalten wird, —

Schliessllch ergeben sich die Vorteile des Drehens während des Kreiselkompaßfluges auch bei Bedingungen, in welchen sich da3 Plugzeug bzw· der Flugkörper in Bewegung befinden und äussere Geschwindigkeitsinforaationen zur Verfügung stehen sowie auch bei 3o dingj3n_r fcol denen externe Positionsnessungen die Grund-

' lage für den Kreiselkompaßflug geben·

Die vorliegende Erfindung erlaubt während des Kreiselkompaßfluges die vollständige Identifizierung und somit die Eichung bzw. Eineichung von Kurssteuerfehlern, der Azimut-Driftgeachwindigkaiten und der durchschnittlichen Drehmomentskalenfaktoren·

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Als weiterer Vorteil ist anzusehen, dass das vorliegende System nicht nur die Wirkungen von Vorspannungs- und Ausrichtungsfehlem durch die ZjiDtrumentenrotation unterdrückt * Bonder η diese auch identifiziert, und zwar durcli ein "Verfahren, das während des Kreiselkompaßfluges mit offener Schleife durchgeführt wird· !Die genaue Identifizierung der kombinierten Wirkungen von Vorspannungsdrift und Aus- A riehtungsfehlern in der Vertikalen wird durch eine gleichzeitige aber unabhängige Bestimmung dea tatsächlichen Steuerkurafehlers ermöglicht, die ihrerseits durch die Unterdrückung oder Ausschaltung der Y/irkungeu von Voropannungsdrift und Ausrieft angsfehlern möglich istj "

Das Iä«ntifizierungsY@rfahron verwendet die sinusförmig schwankenden Ausgangewerte der Z- und Y-Beschleunigungemeseer der rotierenden Horizontalinstrumente während desKreiselkompaßfluges« Diese Aus- " gangswerte schwanken um eine konstante Vorspannung, welche diese Vorspannungs» und Ausrichtungsfehler αerst eilt. Aus diesem Grunde werden durch die Integration. der Auegangswerte über eine Umdrehung der Plattform die veränderlichen Anteile dieser Ausgangswertc auf einen Durchschnittswert gemittelt, so dass nur die konstanten Anteile verbleiben. Diese Anteile gcstattv.Ti die Berechnung der Kreiselärehimpulsbefehle, welchs ö^c

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Wirkungen der Pehler kompensieren. Weil die Grosse dieser Voropannungen verglichen mit der Amplitude der Ausgangssignale der Beschleunigungsmesser klein ist, muss die Integration, um geeignete Werte zu liefern, sich li"ber genau eine Umdrehung erstrecken. Diese Genauigkeit wird hauptsächlich durch die genaue Kenntnis des Azimuts und der Azimutdrift, durch die relative Drehung * des Azimutkreisels zu den X- und Y-ICreiseln ermöglicht.

Die Kreiselkompaßmethode wird nunmehr unter Bezug auf Pig. 4 beschrieben.

Dieses System wird mit dem Steuerkurs des Fahrzeugs, Breite 102 und Länge 104 in Gang gesetzt, wobei diese Werte entweder in den Infangs-Aziroutrechner 110 aus externen Eingangswerten des magnetischen Kurses 99 und äer magnetischen Variation 97 berechnet worden, oder aber als gespeicherter Wert 96 der Situation, in welcher das Plugzeug sich seit seiner letzten Operation W nicht mehr bewegt hat, durch den Systerarechner verfügbar sind. Der zusätzliche Eingangswert des inneren Kardanringwinkels 98 der Plattform vom Punktionsdrehmelder 22 (Pig, 1) ermöglicht die Errechnung des Plattforcicteucrkurse3 118 im Anfangs-Azimutrechner 110, d.h. des Viii¹·:οIs zwischen dem Y-Instrument und geographisch llord. Dieser Wert des Plattformsteuerkurses 118 ist in seiner Genauigkeit klar begrenzt durch das Verhalten dor externe.! Bezugsquellen. .-

- 21 0 0 9 8 4 3/0192 ^{BAD 0RIGiNAl}·

Ein Hauptmerkmal der Anwendung dee

Kreiselkompaßfluges ist die anlageneigentümliche Verbesserung in der Genauigkeit der Kenntnis des Plattformsteuerkurses. "..·■'■■■■

Die Grrobeinpegelungs-Phase des Einpegelungs-QOdus umfasst die Drehmomentspeisung der X - und Y-Kreisei· mit Signalen 128, die, nach Abwandlung in Beschleunigungsmesser-Auswerter 76, direkt von den Ausgängen der X- und X-Besohleunigungsmesser abgenommen wurden* Der Beginn der (Jrobeinpegelungsphase stellt die Bezugsnullzeit für die nachfolgend beschriebenen Vorgänge dar. Zu ■ dieser Zeit erfolgt eine Trennung zwischen dem Instruraentenbezugsrahmen (Plattform) und dea Rechnungsbezugsrahaen. Die Erstbeaufschlagung dee letzteren von Breite 102, Länge 104- und Plattform-Steuerkurs 118 findet bei der Stellung des Inatrumentenrahmens bei liullzeit durch die Initialrichtungs-Kosinusrechnung 112 statt, der Eechnungsbezugsrahmen weicht aber danach von dem Inatrunentenbezugsrahraen infolge seiner geringeren, willkürlich gewählten Winkelgeschwindigkeit um die Azinutachoe ab.

Die notwendigen Navigations-Abgleioh-

rGchnungon werdön woitgohond in dieäöiii Fwcchnungobeaagarahmen ausgeführt. Aus diesem G-runde ist ea'erforderlich, die Ausgangsv/erte der Beschleunigungsraeasor in dorn RQclmungörahaiQn aufzulösen und die in dca Eechnur^sbc^uj^- rahmen berechneten KroioeldrehautriobaWerte. zurlick ±~a'

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den InstrumentenbezugBirahmen zu leiten. Sieae Auflösungen bzw· Umscbllisselungen werden im Beschleunigungsmesser- - Auswerter 76 bzw· im Kreiselantriebs-Kompensator 122 durchgeführt· sie werden ermöglicht durch des genaue Verhältnis der Winkelgeschwindigkeiten zwischen dem Instrumentenrahmen und dem Rechnungsbezugsrahmen· Der notwendige Winkel für diese Auflösung wird erhalten durch die Integration dieser relativen Winkelgescbwin-" digkeit von Nullzeit· Im Rechnuhgsbezugsrahnien finden auch notwendige Coriolia-Beschleunigungskorrskturen und Einsetzungen betreffend die Erdgeschwindigkeit in das System statt, wobei die Initialrichtungs-Kosinuswerte 146 bzw· 120 verwendet werden·

Eire weitere Auflösung ist notwendig, um gewisse berechnete Parameter zu einem in bezug auf Erde festen Bezugsrahmen in Beziehung zu setzen. Die gewählten Parameter sind die inertial abgeleiteten Horizontal-Geschwindigkeitskomponenten in Eechnungs-Aehsen, die im Geschwindigkeitsauflöser 124 in Nord*, und Ost-Achoen aufgelöst werden. Die Differenz zwischen den resultierenden Nord- und Ost-Geschwindigkeitsausgangswerten und Null bei stillstehendem Pahrzeug sind die verarbeiteten Eteuergrössen fur den Kreiselkprapassflug und die l'notru'jcnteneichung. Der Winkel zwischen dem Rechnungsbosugorahmen und dem Nord-Ost-Rahmen ist vorgegeben. Danacl;

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wird eine laufende Kenntnis seines Wertes einerseits aus der vorbestimmten Azimut-Geschwindigkeit des Rechnungsbezugsrahmens und andererseits aus der Kenntnis der Inertial-Drehgeschwindigkeit des örtlichen geographischen Rahmens, die lediglioh eine Punktion derErdgeschwindigkeit und der Breite ist, berechnet.

Nach einem vorbestimmten Zoiträum der Grobeinpegelung beginnt die Phase der Peineinpegoluag, in welcher geringere Verstärkungsfaktoren der Ein^gelungaschleife für die Verbesserung des Plattformniveaus, ferner ein Gleitfilter 135 sowie eine Stlch-prohenundHalterechnung 106 verwendet werden. Das Gleitfilter 135 unterdrückt die sinusförmigen Störungen der JCrohfrequenz der Plattform» welche in den Nord- und Ost-Geschwindigkeitsausgangswerten 130 und 132 wegen der nicht kompensierten Horizontal-Kreiseldrift, öer 5eschleunigungsmesser-Vorspannungsfehler und ferner als Polge von Ausrichtungsfehlern der Kreiselacbsen relativ zu den Beeehleunigungsmesserachsen in der VertikaIc"Oea.o auftreten« Werden sie nicht unterdrückt, so könnon diese Störungen typischerweise eine solche erreichen, dass sie die Geschwindigkeit und Gc der Kreiselkorapaßd^ten-Verarbeitung ernsthaft flüssen. !lach Ablauf eines gewissen Zeitraumes für ά.ΐ3 Abklingen von anfänglichen Einschwingvorgängen wiru c^

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.^_;-_ί;ί^ 009843/0 192

Filter im Rechner dadurch in Punktion gesetzt, dass es von jedem Geschwinäigkeitsausgang Werte entnimmt, die stichprobenweise entnommenen V/erte aber eine vollständige Umdrehungsperiode summiert und einen Durchschnittswert in der Weise "bildet, dass durch die Anzahl der genommenen Stichproben in jener Periode dividiert wird. Auf diese Weise wird ein Durchschnittswert des Geschwindigkeitssignalo für diese Periode erhalten. Diese Filterart liefert neue Ausgangswerte hei Gleit-Zeitquanten, die durch die Stichprobenhäufigkeit bestimmt werden, und die Unterdrückung der sinusförmigen Anteil der Dreh.freq.ucnz der Plattform ist theoretisch unbegrenzt. Die Werte der restlichen Ausgangs-Geschwindigkeitssignale und 133 sind somit vorwiegend auf solche Fehler zurückzuführen (Steuerkursfehler, Korizontal-Iireiuelskalenfaktorfehler, Azimut-Xreiseldrift U3W.)» die durch den Xreiselkompaßnodus berichtigt werden sollen. Die beendete Umdrehung einsr Periode der Plattfornuradrehung, während das Gleitfilter arbeitet, stellt den frühesten Zeitpunkt dar, invelchea der Kreiselkoffipassmodus mit ITutzen begonnen v/erden Tcann.

Die Stichproben- und Kaltorechnung IOC übt eine rihnliche Funktion wie der Glcitfiltcr 135 aus, jedoch mit gewiesen Unterschieden bcKliglici. öor

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BAD ORfGJNAL

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mechanischen Anordnung und des 2ndZweckes. Die Ähnlichkeit liegt in der Tatsache, dass das erste Zifel in der Isolierung der gleichen Horizontal-Kreisel- und Besehleunigungsmesser-Vorspannungsfehler besteht, mit der Absicht, deren Wirkung herabzusetzen. Die Differenzen sind zweifach. Die mechanische Durchführung beinhaltet die Verarbeitung der Beschleunigungsmesser-Ausgangswerte 92 im Instrumenten-Bezugsrahraen vor der Auflösung im Rechnungsbezugsrahmen oder im. geographischen Eahmen, wo vorhandene Horizontal-Kreisel-Vorspannungßdrift, Beschleunigungsmesser-Yorspannungsfehler und von Kreiselbeschleunigungsmesser-Ausrichtungsfehlern in der Vertikalebene Anlass zu konstanten von Null verschiedenen ^eschleunigungsmesser-Ausgangssignalen geben, denen sinusförmige Störungen infolge eines Steuerkursfehlers vom Horizontalkreisel-Skalenfaktorfehler und nichtlcorapensierter Azimutdrift überlagert sind. Die Stichproben- und Halterechnung 106, die äon Vorgang der stichprobenweisen Entnahme von Beschleunigung3me33er-Auagang3werte"n. und deren Integration über eine vollständige Plattforraumdrehung vor der zweiten Stichprobenentnahme umfasst, dient zur Erzeugung von Durchschnittswerten der konstanten Pegel zu eieren naeafolgender Basoitigung, und dient forner zur Au3celicituvr: der sinusförmigen Effektor Somit wird, ein einaia^r

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OC) 984 3/Öl 92

— CO —

Parameter 114 für jede Einpegelungsschleife entwickelt, und dieser Paramter spiegelt die Gesamtwirkung der Kreisel- und Beschleunigungsmesser-Vorspannungsfehler wider, die sich in der Schleife während dee Zyklus auswirken. Dieser Parameter wird während des Kreiselkompass-Prozesses nicht verwendet, sondern zur Berechnung von kompensierenden Kreiseldrehmomenten ausgenutzt, die aa ψ Ende des Abgleichvorganges über den Rechner 112 an die Horizontalkreisel gegeben werden. Diese Kompensation dient zur weiteren Unterdrückung zyklischer Geschwindigkeits-•auegangsfehler, die sich währen^-der Navigation durch übersteigerte Werte der nichtkonipensierten Horizontal-Vorspannungsdrift, Besehleunigungeraesser-Vorspannungsfehlern·oder relative Ausrichtungsfehler der Kreisel- und Beschleunigungsmesserachsen ansammeln können.

Der Kreiselkompassprozess sowie die wichtige Instrumenteneichung wird durch die gefilterten Kord- und Oat-Geochwindigkeitoaungangsoignalc 133 und 131 durchgeführt, wolche vom Gleitfilter 135 geliefert worden. Die Verarbeitung der Hord-Geschwindigkeitsau3gangswerte liefert die Information bezüglich des SteuerkursfeTilcro und das Änderungsraass des Steuerkursfehlers (Plattfora-Azimutdrift). Die Ost-Gesehwindigkeitsausgangswarto hingegen enthalten Informationen, welche sich direkt auf ä:L_

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Skalenfaktorfehler der Horizontalkreisel beziehen. Bei der Plattform-Azimutrechnung 140, der Azimutkreiseleichungsrechnung 126 und der Horizontalkreisei-Skalenfaktorrechnung 138 werden statistische, polynomische Filterungstechniken verwendet, um Vahlzeitlösungen ftir diese Pararater unter vorgeschriebenen Betriebsbedingungen zu erhalten» In einer besonderen Ausführungsform der beschriebenen Technik sind deshalb die Plattform-Azimitr echnung 140 und die Azimutkreiseleichrechnung 126 so ausgelegt, dass eine optimale Schützung der V-'erte einer Vorspannung, herrührend von einem konstanten Steuerkurafehler, und eines Auflaufwertes, herrührend von der Azimutkreiseldrift, im Nord-Geschwindigkeitssignal stattfindet, welches gleichfalls die Geräuschspannung von vorberechnetem Energiegehalt in sich schliesat, welcher auf die Einflüsse von Windböen auf das Fahrzeug sur-ic]:zuführen ist, in welches das llavigationcsystesi eingebaut 1?Λ. Nach diesen Schützungen werden solche Vierte des vcrur- i sachenden Steuerkursfehlers und der Azirout-kreiaelSirft berechnet, welche dann an Ende des Abgleichsvorgan-jeo in das System als ein Koaentanaituations-Zusatsv.-er-t 14«'-für den Plattform-Steuerkur3 und eins Azinutgesehv/inai^- keitskorrektur 136 eingegeben werden. In'gleicher V* ei cc ist die V/irkung konstanter Skalenf aktorfehler in aar. Eorizontalkroi'seln die Folge eines als Vorspannung vir-rar.-den Ost-Gesohwindigkeitsfehlers, descen Gröase in sins~

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direkten Verhältnis steht zu der Summe jener Skalenfaktorfehler. Die Berechnung des Horizontalkreisel-Skalenfaktors in der besonderen, beschriebenen Ausftihrungsfortn ist so ausgelegt, dass diese Vorspannung beim Vorliegen eines vorberechneten V/indbö enge rausch es im Plugzeug optimal geschätzt und dadurch ein Korapensationswert 142 für den Gesantskalenfaktorfehler erzeugt wird, welcher vor der Navigation zur Anwendung kommt. Da dieser Gesamtparameter tatsächlich derjenige ist, welcher für die Urzeugung von Eavigationsfehlem im Fluge wirksam ist, ist eine Bestimmung der einzelnen Korizontalkreisel-Skaleni'aktorfehler nicht notwendig.

Das getr.ass der vorliegenden Erfindung konstruierte liavigationssystem zeigt lediglich zwei bedeutsame Fehlerquellen. In einem geeigneten Abgleichsverfahren wird der anfängliche Steuerkursfehlcr des Systems durch die beschriebenen Vorteile der umlaufenden Platt-) forra und des Filterungsvorganges auf einen sehr geringen V/ert reduziert. Ausserdera wird diese Azimutauflösung innerhalb eines Zeitrauaes vollzogen, der verglichen ait

Zeitraum, der für die Azimutkreisel-Driftsichung erforderlich ist, kurz ist und der im allgemeinen ait den g ögenv/ärtigen Vorstellungen von schneller !Reaktion is Einklang steht. Die Anfangseichung des Horizontalkreiüül-Drebmomentskalenfaktors erfolgt in einem ähnlich kurzen Zeitabschnitt. Somit ist also in einer typischen Situ^-jio^

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"beim Beginn der Navigation die nichtkorapensierte Azimutkreiseldrift die vorherrschende Fehlerquelle. Während der Navigation wird im allgemeinen die Fehlerfortpflanzung vergröseert werden, und zwar durch die vergröaserte Drift des Azimutkreisels, die sich als Ergebnis seines unbestimmten Driftverhaltens ergibt, und ferner durch Abweichungen des Horizontalkreisel«Skalenfaktors von den kompensierten Warten* Von diesen beiden bedeutsamen Fehlerquellen ist die von der Azirautkreiseldilft herrührende typischerweise von überragender Grosse.» Auf jeden Pail wirken diese beiden Fehlerquellen längs orthogonaler Achsenj wobei die Azimutkreiseldrift sieh längs der Azimutachse auswirkt^ während der wirksaao HorizontalkreiselSkalenfaktorfehler als eine Drift lungs einer Horizontalachse wirksam ist, die auf dem Inertialflugweg des Fahrzeugs senkrecht steht. Die resultierenden ■ Positonsfehler setzen.sich aus swsx im wesentlichen ^

orthogonalen Komponenten zusammen, wovon je eine j^-der Quelle'zugeordnet ist; und die Binaelbestimmung joder Fehlerquelle ist unter der Annahme eines geeigneten Vorflug-Abgleichvorgangs.s von einer vollkommenen Positionsbestimmung möglich, die zwei Komponenten der PpsitionsfehXerinformation enthält.

Die allgemeine Organisation der Hechani^ierunr der Systera-lTacheiohung unter Zuhilfenahme externer

BAD

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Positionsdaten ist in Fig. 5 dargestellt. Hier erzeugt der Trägheitsnavigator 152 unter dem Einfluss der Beschleunigungen 150 des Fahrzeugs einen berechneten Positionsauagangswert 154» welcher Fehler enthält, die auf Fehlerquellen des Navigators selbst zurückzuführen sind· Bei Empfang einer äusseren Messung der momentanen Position 158 liefert ein Vergleich der beiden Positioni-anzeigen bei k 160 eine Messung des Positionsfehlers 162. Während des ganzen Fluges wird ein Fehlermodell 164 des Systems im Systemrechner zurückbehalten, welcher den Flugwegparameter 156 von den-Srägütei-tsnavigationsrechnern aufnimmt, um während des Fluges eine dynamische Darstellung der Systerafehler-Fortpflanzungskennwerte aufrecht zu erhalten. Dieses Modell wird weiterhin durch Signale aktiviert, welche zusammengefasste Darstellungen jeder grösseren Fehlerquelle im System sind, und es liefert infolgedessen einen Ausgan^swert entsprechend dem Positionsfehler, der sich durch die

Anwesenheit von Einzelfehlern ia System ergeben würde.

Dieser Ausgangswert wird nun Komponente für Komponente mit deu gemessenen Wert des Positionsfehlers 162 verglichen. Das Modell'2$4 kombiniert Korrekturen 162 mit Flugwegpararaetern 156 in solcher Weise, dass die besten Schatzunge . der/ Positionskorrekturen 166 erzeugt werden^ Die Korrektor 166 wird bei 168 mit dem unkorrigierten Po3itioh3au3gan£3wort 154 kombiniert, um einen korrigierten Ausgaagswert 170 sü erzeugen. In der einfachen Situation, die durch ein ge..n".na

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der vorliegenden Erfindung konstruiertes llavigationasysteni gegeben ist, wird eine Schätzung der Aziinutkreiseldrift, welche Über die Navigatlonsperioda seit dem Start wirksam ist, durch eine einfache Division erzeugt, wobei die

Querinertialflugwegkomponento des tatsächlichen Positionsfehlers durch denjenigen, der auf die Einzelazimutdrift- ]

zurückzuführen ist, geteilt wird. In ähnlicher Weise ■ ■ ' ergibt die Division der Längsinertialflugwegkomponente j des tatsächlichen Positionsfehlers durch denjenigen, j der im Pehleriaoäell vom Einheitsskalenfaktorfehler-x.iTisang ι abgeleitet wird*, eine Schätzung des mittleren Skalenfaktorfehlers, wirksam über die Navigationsphase bis zum Zeitpunkt des Erhalte der Positionsbestimmung.

Uaeh Pig. 6 besteht das Systerafehlermodcll aus zwei Teilen, de α D-Pehleraodoll 192₉ bestimrat für üio Beschreibung der Portpflanzung des Aziautkreiseldriftfehlers im System, und de;a K-Peftlertnodell 193, das siah auf den Horizonfalkreisel-Drehmoaentskalenfaktor besieAt. Die Einzelfehler-Bingangswerte für diese Modelle sinä 194 bzw.' 196. Beide Kodeile werden in de~i Zeitpunkt ingang gesetzt, in welchem das Systea in den ITavigationsaocius eintritt. Der Ausgangswert 202 des D-Pehleraodells bestelle aus zwei GrÖssen A^ (Λ) und A^ (^t); diese stellen die Liings- und Quarflugwegfehler (augenblickliche Bodenxelü.^·; dar, die der Wirkung der äinzel-Azimutkreiselärift '.'üt.ra.-.'; des ganzen Pluges zugeordnet ist. Der Ausgang 204 e-.itl/.llt

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ähnliche Grossen A₂ (t) und A^ (Jj), die dem Einzelhorizontalkreioel-Drehmomentskalenfaktorfehlcr zugeordnet sind.

Die Rechnung 208 dient zur Ableitung neuer Schätzungen der Azimutdrift und des Horizontal-Drehmoraent-j skalenfaktorfehlers bei Empf-ang der. Daten einer neuen

Positionsbestimmung. Da dieser Rechner als seine üingangswerte die Koeffizienten 202 und 204 von den Pehlertnod eilen 192 und 198 aufnimmt, welche sich beide auf die gesamte Havigationszeit beziehen, besteht die Notwendigkeit den Gesamtfehler zu speichern, der durch den Trägheitsnavigator während de3 gesamten Fluges erzeugt wurde. Dieser Gesaratfehler besteht im allgemeinen aus zwei teilen, demjenigen, der bei Gelegenheit der letzten Positionsbestimmung 218 korrigiert wurde, und demjenigen,· der ceitdieser letzten-Positionsbestimmung 180 neu entstanden ist. Der letztere Eingangswert 180 wird direkt durch den Vergleich der vom Crägheitsnavigator angezeigten Position mit der Position erhalten, die durch die Hussere Information erlangt wurde. Die Schätzungen der Azimutdrift fl_ und des Horizontalkreisel-SkajLenfaktorfehlers Jr sind .-Iittoi· werte über die bisherige Flugzeit, und sie werden durch gleichzeitige Lösung folgender Gleichungen abgeleitet

&2-L ⁺ £2— * ^Ge3arn*^ei1 Iiängs-Plugweg-Pehler + AJc «s Gesamter Quer-zuc-Plugweg-Pehler,

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wobei A₁, A₂, A3» Aa ^aie Ausgangs-Einflusskoeffizientcn der Pehlermodeile 192 und 193 im Augenblick der Positionsbestimmung, und £ und k die Auagangsweite 210 "bedeuten, und zwar nach der "bestmöglichen Schätzung der Drift- und Skalenfaktorfehler-Berechnung 212.

Es bestehen im System bereits frühere Schätzungen der Azimutdrift (D ^) und des Drehmomentskalenfaktorfehlers (K_n-^)· Diese werden gebildet entweder als Endresultate der Anwendung des bereits beschriebenen Ortungs-Korrekturprozesses bei einer früheren Positionsbestimmung, oder es sind Nullwerte, welche die besten Schätzungen dieser Grossen am Ende des Bodenabgleichsprozesses darstellen. Im allgemeinen werden die besten verfügbaren Schätzungen der laufenden Azimutdrift (D„) und des Drehmomentskalenfaktorfehlers (K ) zur Zeit einer neuen Ortung die Punktionen der neu abgeleiteten Mittelwerte (el·» k) für den gesamten flug sein, sowie ferner Punktionen der früheren Schätzungen (!>„_, , ^n). Es stehen soweit für die beste Bestiamung ^edes Parameters zwei Datenposton zur Verfügung, In der heDchriebsnen besonderen Ausführungsforra wird angenommen, dass es sich bei diesen beiden Datenposten um unabhängige Messungen von Parametern hanäelt, die beim Vorhandensein eines additiven, unabhängigen, normal verteilten und nicht vorgespannten Geräusches gewonnen wurde. Ebenso soll unter der boston Schätzung des

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laufenden Viertes des Parameters die Schätzung gemeint sein, welche die grösste Wahrscheinlichkeit flir sich hat. Unter diesen Umständen ist die wahrscheinlichste Schätzung, z.B. der laufenden Azimutdrift, eine lineare Kombination dieser beiden !Datenposten. Somit gilt:

wobei J₁ eine einfache Punktion der Varianzen der Geräusche ist, welche jede Datenraessung beeinflussen. Dementsprechend liegt eine zusätzliche Punktion der

2 2 Rechnung 208 in der Bestimmung der Varianzen d,, k , die den neu abgeleiteten Daten (£, k) zugeordnet sind. Diese Varianzsn bilden den anderen Eingangswert 211 für d ie beste Schätzung der Drift- und Skalenfaktorfehlerrechnung 212. Sie werden in der Hechnung 208 abgeleitet, einerseits τοη den Positionsfehlervarianzen 181 längs und quer zum Plugweg (Varianzen, die sich auf das den Ortungsvorgang und -Berät eigentümliche Geräusch beziehen), und andererseits von den Positiontsfehler-. Varianzen 187 längs und quer zum Plugweg, zugeordnet den Geräuschquellen im Trägheitsnavigator, soweit es sich nicht um die Azimutkreiseldrift oder den Horizontalkreisel-Skalenfaktorfehler handelt. Diese letzteren den Trägheitsnavigator-Pehlerquellen zuzuschriebenden Varianzen sind Punktionen der Navigationszeit und des Plugweges, und flir diese Tatsache ist in der Rechnung

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vorgesorgt, welche Einflusskoeffizienten 183 von den Navigationsreohnungen aufnimmt, um die geeigneten Inertialpositione-Varianzen zu erzeugen«

Die beste Soliätzung von Drift- und Skalenfaktorfehlerreehnung 212 ist der Bestimmung von D_n und K_{n aus} linearen Kombinationen von D^_-1, £ und K_n-1, k der Porra gewidmet« wie sie im vorhergehenden Abschnitt beschrieben wurde· Die Fehlervarianzen D_n-^ und JS_n..^ ♦ die mit den besten Schätzungen von Drift und Skalenfaktor beim vorherigen Ortungspunkt zusammenhängen, stehen aus der Anwendung dee beschriebenen Verfahrens zu diesem Zeitpunkt zur Verfügung· Xn ähnlicher Weise ist in der Bechnung 212 die

2 2
Bestimmung der Varianzen ^₁ und K_n fUr künftige Verwonduns

enthalten· Anfangswerte Öi©@©? Varianzen IL und K.werden

bei« Beginn der Navigation eingesetzt uni sind Punktionen der Abgleicheseit.

Da zugegeben werden muss, dass die Ortungsoperation selbst wegen der Unvolkomssraenheiten der externen Messvorrichtung ungenau sein kann, ist es offensichtlich nicht ein optimales Verfahren, Korrekturen an die angezeigte gegenwärtige Position anzubringen, als ob jene Operation vollkommene Eingangswerte liefern werde. Stattdessen werden die besten Schätzungen der gegenwärtigen Positionskorrektur 218 in 216 aus, den besten Schätzungen des operativen Driftfehlers und des Skalenfaktorfehlere berecli-

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net, wobei laufende Y/erte der Längs, und Quer-zum-Plugweg-Einflusskoeffizienten 202 und 204 von den dynamischen Modellen 192 und 198 verwendet werden, Da es wünschenswert ist, einen neuen Satz von Positionskorrekturen und Pehlerquellenschätzungen bei jeder folgenden Ortung festzusetzen, tnusB die Information zur Anwendung besonderer Korrekturen 218 auf die Systetnpositions-Ausgangowerto bei einer gegebenen-Ortungsoperation dem Rechnungsblock 203 'Vberraittelt werden, um dort eine Grundlage für die Rechnung abzugeben, welche den nächsten Plugabschnitt beeinflussen wird. Schliesslich wird die Trans forta at ion der geeigneten Positionskorrektur in geographische Breiten- und Längenkoordinaten 222 in der Rechenstufe 220 im Yfege der Auflösung bzw. Umsehllisseiung durch den Winkel 135

zwisochen dem Rechnungsbezugsrahmen und dem geographischen Bezugsrahmen bewirkt, welcher Winkel aus den Navigatorrechnungen zur Verfugung steht.

Zusammenfassend: Bas Hauptmerkmal des Vorgehens besteht darin, System-Heehanisierungsteehniken zu verwanden, welche die Navigationsgenauigkeit von der Abhängigkeit von der Vorspannungsstabilität der Irägheitsinstrumente loslösen. Die verwendeten Ilechanisierungstechniken beeinhalten die schnelle Rotation des Horizontal-Iristrumentenaufbaues ua die Azimutachse, um die niederfrequenten Pehler der Horizontalinstrumente zu modulieren, und ferner einen opticalcn

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Pilterungs-Abgleichsprozess, um eine MinimumZeiteichung der Azimutdrift und des horizontalen, mittleren Kreiseldrehraoment-Skaienfaktors zu erhalten.

Die Vereinfachung des System-Fehlermodells, das ^: aus der Modulation der horizontalen Vorspannungafehler resultiert, macht es möglich,? das System wahrend des Fluges nach einer einzigen Positionsbestimmung aufzuwerten. Es wird während des gesamten Fluges ein Fehlercoden für die 'Einzel-Azimutdrift und den Einzelhorizontal-Kreiselskalenfaktor (zwei orthogonale Pehler) aufrechterhalten, und dieses wird zur Aufwertung der Eichungen dieser Grossen immer dann verwendet, wenn eine Positionsbestimmung erhalten wird. Die Rotation der Horizontalkreisel vermindert auch die Empfindlichkeit gegenüber der Tibrationsumgebung bei geringen Höhen durch die Modulation der vorwiegend auf die Horizontalkreisel ausgeübten Drift.

Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Einzelheiten beschränkt, die lediglich als Beispiele gelten sollen, 6a eine Reihe von Abänderungen gemacht werden können, um gegebenen Anforderungen zv. entsprechend Beispielsweise ist die Wahl der Bezeichnung für die Achsen den Trügheitabozugsgerüts ganz willkürlich getroffen worden, und die Achsen können miteinander vertauscht werden, wie es der Konstrukteur im besonderen Falle verlangt.

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Perner kann jeder Kreiselaufbau verwendet werden, derraindeatena drei nichtkoplanare AbfUhlachsen aufweist, und ebenso können irgendwelche Beschleunigungsmesser verwendet werden, die mindestens drei nicht-koplanare AbfUhlachsen haben, die auch nicht notwendigerweise kolinear mit den zugeordneten Kreiselabfiihlachsen liegen mUssen. Für einige Anwendungsarten jedoch, bei welchen Beschränkungen hinsichtlich der Bewegung entlang einer Achse vorliegen, kann ein Minimum von zwei Beschleunigungsmessern verwendet werden, wenn ihre AbfUhlachsen in der Ebene senkrecht zu jener Achse liegen·

Ausserdem wird bemerkt, dass, obgleich hier ein Luft-Navigationssystem beschrieben wurde, die Verwendung ebenso in der Navigation der Baumfahrt oder auf Land- und Seefahrzeugen möglich ist.

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Claims (11)

Belegexemplar Darf nicht geändert werden Patentansprüche:

1. Trägheitsnavigationsverfahren für ein System mit einer stabilisierten Plattform für drei Kreisel mit je einem Preiheitsgrad, deren Kreiselachsen zueinander senkrecht angeordnet sind, und die eine Kreiselachae senkrecht zur Plattform liegt und mindestens den beiden anderen Kreiseln Beschleunigungsmesser zur Ercaittlung von Geschwindigkeiten in Richtung der Kreiselachsen dieser Kreisel augeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Plattform (10,38) dauernd um eine zu ihr senkrechte Achse (Z-Z) mit einer genau definierbaren Geschwindigkeit relativ zum Träglieltsrautn gedreht wird, um in fortlaufender Folge die Kreiselachsen der Kreisel (42,44) und der Beschleunigungsmesser (46,48) umzukehren, und dass die Beschleunigungsinformation-der Beschleunigungsmesser (46,48) von einem rotierenden Bezugsfeld auf ein Trägheitsbezugsfeld zwecks Rechnung transformiert werden.

2« Verfahren nach Anspruch 1, dadurch

gekennzeichnet, dass die Plattform (10,38) um die zu ihr senkrechte Achse (Z-Z) mit einer Geschwindigkeit angetrieben wird, die wesentlich Über der ErdUmdrehungsgeschwindigkeit liegt ·

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3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass einleitend die Plattform (10,40,38) in Bezug auf die "beiden anderen Kreiselachsen (X-XjY-Y)

stabilisiert wird und die Plattform eingepegelt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, dass din Kreiselkompass-Arbeitsmodus durchgeführt wird, hei dem die Berechnung des mittleren Drehmomentskalenfakturs der mit ihren Kreiselachsen in der ITbene der Plattform liegenden Kreisel (42,44) und der Driftgeschwindigkeit des seine Kreiselachse senkrecht zur Plattform aufweisenden Kreisels (50) aus den aufgelösten Auagangswerten der Beschleunigungsmesser (46,48) erfolgt,

5. Verfahren nach einem der Ansprüche .1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang mit Hilfe extern erhaltener Positionsinforaationen einreguliert wird, indem ein Vergleich der extern abgeleiteten Positionsinforraation mit derjenigen, welche von dem Beschleunigungsmesser j und den Rechnungs-Abwandlungskoeffizienten flir den Drehcotnent- i Skalenfaktor und Sen Azimutfehler abgeleitet wurde, erfolgt, j

6. iDrägheitsnavigationssystem mit einer karda- ■ nisch aufgehängten Plattform, die Kreisel für die Abfühlung ! von Winkelbewegungen der Plattform und ferner Beschleuni- j gungsmesser für die Abfühlung von P-hrzeugbeschleunigun^en ' längs gewählter Achsen trägt, wobei jeder Kardanring einen Torsionsmotor und Funktionsdrehmelder mit Rückkopplungs-

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schleifen "besitzt, die zwischen den Kreiseln und den kardanisch aufgehängten Torsionsmotoren liegen, dadurch gekennzeichnet, dass die Plattform (10,40,38) um eine gewählte Achse (Z-Z) durch einen Antrieb (54,56,58) mit einer genau definierbaren Geschwindigkeit relativ zum Trägheitsraum angetrieben ist, um Fehler der Trägheitsinstrumente (42,44,46,48)» die längs der senkrecht zur Rotationsachse (Z-Z) liegenden Achsen (X^AX, Y-Y)wirken, zu unterdrücken.

7. Traghsitsnavigationswystera nach Anspruch S₉ dadurch gekennzeichnet, dass die Plattform (10, 40,38) um die Achse (Z-Z) mit einer wesentlich über der Lrdumdrehungsgeschwindigkeit liegenden Geschwindigkeit angetrieben wird,

8. Trägheitsnavigationssystem nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Plattform (10) aus einer oberen Plattform oder einem Turm (40) und einer unteren Plattform (38) besteht, die zu dem Zweck vorabgeglichen sind, um zueinander parallele senkrecht zur Rotations* achse (Z-Z) liegende Aufbauflächen zu schaffen.

9. Trägheitsnavigationssystem nach Anspruch. 8,

oder der gurrn dadurch gekennzeichnet, dass die obere Plattform/(TÖJ die untere Plattform (38) durch einen Synchronmotor (54) über ein Beduktionsgetriebe (56) antreibt.

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10. !Erägheitsnevigationssystem naoh Anspruch 9» gekennzeichnet durch eine vorbelastete Kupplung (6Oj₁ zwischen der oberen Plattform oder Turm (40) und der unteren Plattform (38) zur Ausschaltung des Spiels im Antrieb (54,56).

11. !Trägheitsnavigationssystein nach einem der Anspräche 6 bis 10, gekennzeichnet durch ^Kreisel-Stabilisierungsschleifen (72) und Beschleunigungsmesser-Kraftausgleichsschleifen (74)t die einen Navigationsrechner (70) speisen.

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