DE1548436B2 - Traegheitsnavigations-system - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Trägheits-Navigationssystem mit einer Trägheitsinstrumente tragenden Plattform, die durch ein Kardanringsystem frei drehbar aufgehängt ist und aus einer Hauptplattform und einer oberen Plattform besteht, die miteinander gekuppelt relativ zueinander um eine zur Azimutachse der oberen Plattform parallele Achse mit einer oberhalb der Erdgeschwindigkeit liegenden Geschwindigkeit gedreht werden, um Fehler der Trägheitsinstrumente zu unterdrücken.

Ein derartiges Trägheits-Navigationssystem ist z. B. durch die FR-PS 13 81 774 bekannt. Bei diesem Trägheits-Navigationssystem trägt die obere im Azimut stabilisierte Plattform einen Azimutkreisel und Horizontalbeschleunigungsmesser, während die Hauptplattform Horizontierkreisel trägt. Durch das Drehen werden lediglich Fehler der Horizontierkreisel unterdrückt, und zwar nur während des Fluges.

Vor Beginn des Fluges ist bei Verwendung eines Trägheits-Navigationssystems eine Abgleichung des Geräts erforderlich.

Während der Abgleichung steht das Flugzeug unmittelbar vor dem Start am Boden still und die Plattform mit den Trägheitsinstrumenten wird auf die Betriebstemperatur erwärmt. Gewöhnlich erfolgt der Abgleich in zwei Stufen, nämlich dem Kurseinpegeln und der Kreiseleinstellung.

Die letztere betrifft ein übliches Verfahren der Selbsteinstellung einer trägheitsstabilisierten Plattform, bei dem ein Fehler in der Azimuteinstellung der Plattform durch Trägheitsabfühlen der Erddrehung in der angenommenen Ost-West-Achse der Plattform festgestellt wird. Der hierbei ermittelte Fehler kann entweder durch ein Nachstellen der Plattform ausgemerzt werden oder geht als Berichtigung in das computererrechnete Azimut des Geräts ein.

Trägheitsinstrumente haben mit der Temperatur veränderliche Fehler, so daß die Reaktionszeit zunächst durch die Zeit bestimmt wird, die zur thermischen Stabilisierung der Instrumente erforderlich ist. Bisher wurde die Kreiseleinstellung mit in Nord-Richtung festgelegter Plattform vorgenommen und zur Vermeidung von temperaturbedingten Abgleichfehlern für 10 bis 15

ίο Minuten durchgeführt, nach welcher Zeit vorübergehende temperaturbedingte Fehler der Instrumente vernachlässigbar klein geworden sind. Die wesentliche Fehlerquelle bilden die horizontal liegenden Instrumente, so daß deren temperaturbedingte Fehler ausschlaggebend die Reaktionszeit beeinflussen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Trägheits-Navigationssystem der eingangs erwähnten Art so auszugestalten, daß die Zeit für die Vorabflug-Abgleichung herabgesetzt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die obere Plattform den Azimutkreisel trägt und im Azimut stabilisiert ist, und daß die Hauptplattform horizontale Beschleunigungsmesser und Horizontierkreisel trägt und mit konstanter Drehzahl zum Trägheitsraum angetrieben ist. Es werden hierdurch die Fehler der Beschleunigungsmesser und der Horizontierkreisel unterdrückt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist bei einem Trägheits-Navigationssystem mit einer unteren, von einer oberen Plattform angetriebenen Plattform vorgesehen, daß die beiden Plattformen zuvor ausgerichtet sind, um zueinander parallele, senkrecht zur Rotationsachse liegende Aufbauflächen zu schaffen, und daß die Horizontierkreisel und Horizontalbeschleuni-

J5 gungsmesser zuvor zueinander ausgerichtet und dann unter Verwendung von Stiften in einem Bezugsverhältnis zur unteren Plattform mit dieser verschraubt sind.

Das Drehen aller horizontal liegender Instrumente mit genügender Geschwindigkeit, um mehrere Umläufe während der Kreiseleinstellung zu erhalten, wie dies bei der erfindungsgemäßen Anordnung der Fall ist, verringert das Ausmaß des Fehlers in der Kreiseleinstellung infolge von Meßfehlern der horizontal liegenden Instrumente, so daß eine genaue Einstellung der Plattform während der thermischen Stabilisierung der Instrumente erreichbar ist. Das System ist daher sogar funktionsfähig, bevor die völlige thermische Stabilisierung der Instrumente erreicht ist. Mit anderen Worten, ist die Reaktionszeit nicht mehr von der thermischen Stabilisierung der Instrumente abhängig.

Eine Verkürzung der Reaktionszeit ist aber von ausschlaggebender Wichtigkeit bei Flughäfen enger Verkehrsdichte, da die Wartezeit des Flugzeuges auf der Startbahn oder in Warteräumen vor dem Start begrenzt ist.

Die erfindungsgemäße Lösung zeitigt darüber hinaus aber auch Vorteile während des Flugbetriebes, da die Drift der Kreisel erfaßt wird. Die Drift von Kreiseln ist nicht konstant, sondern ändert sich mit der Zeit. Um die Eineichung der Kreiseldrift in annehmbaren Grenzen zu halten, war es bei den bisherigen Systemen erforderlich, das Trägheits-Navigationssystem mit Abstand von einigen Monaten aus dem Flugzeug auszubauen und nachzueichen. Eine zweite Möglichkeit zur Selbsteineichung an Bord selbst bedeutete einen Ausfall des Flugzeugs für mehrere Stunden und den Einsatz von Spezialcomputerprogrammen. Letzterer Weg ist daher nur äußerst selten gewählt worden.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird die Drift der beiden Horizontierkreisel unterdrückt, so daß lediglich die Eichung der Drift des Azimutkreisels erforderlich ist. Wird diese Drift übermäßig groß, so stellt sie den vorwiegenden, also praktischen einzigen Fehler des Systems dar, kann also gemessen und daher in bekannter Weise kompensiert werden. Dies kann selbsttätig durch den Digitalcomputer erfolgen. Es sind lediglich die Koordinaten des Endpunktes bei Beenden des Fluges in den Computer einzugeben und beim Anlassen des Systems vor dem nächsten Flug mit den vom Piloten in den Computer einzugebenden Koordinaten zu vergleichen.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung erläutert, die eine schematische perspektivische Darstellung eines Kreiselbezuggeräts für ein Trägheits-Navigationssystem ist.

Eine Plattform 10 ist im Zentrum eines Satzes von vier Kardanringen so aufgehängt, daß sie um drei zueinander senkrechte Achsen schwingen kann, um sie von der Bewegung des Fahrzeugs zu isolieren, mit dem die kardanische Aufhängung verbunden ist. Die Plattform 10 bildet einen ersten Kardanring, der um die Azimutachse Z-Z drehbar mit einer Berylliumwelle 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 Längsneigungsachse Y-Y gelagert ist. Der Kardanring 16 ist in zwei mit dem Luftfahrzeug verbundenen Stützen 18 und 19 um die Horizontalflugrollachse X-Xschwingbar gelagert.

Alle Kardanringe können so konstruiert sein, daß sie unbegrenzte Drehfreiheit haben, mit Ausnahme des Kardanrings 14, der zweckmäßig auf 25° Drehung in jeder Richtung beschrränkt ist, um eine Kardanring-Blockierung zu verhindern. Zur Abstützung jedes Kardanringes können zwei Paare vorbelasteter Torsionsrohrlager vom Duplex-Typ verwendet werden.

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

Zur Stabilisierung der Plattform 10 ist jeder Kardanring mit einem Torsionsmotor 20, 24, 28 bzw. 32 ausgestattet, der in einer Kardanringstabilisierungs-Servoschleife liegt, die einem oder mehreren Kreiseln zugeordnet ist. Die Ausrichtung der Plattform zu den Navigationskoordinaten wird durch von einem Rechner erzeugte Größen gesteuert, welche in die Stabilisierungsschleifen als Kreiseldrehmomentsignale gegeben werden. Jeder Kardanringachse sind Funktionsdrehmelder 22,26,30 bzw. 34 zugeordnet, die Informationen über die relative Lage des Fahrzeugs zur Plattform 10 als Ergebnis der Messung des Drehwinkels jedes Kardanringes um die zugeordnete Achse, d. h. um die Azimut- bzw. Roll- bzw. Längsneigungsachse liefern.

Die redundante Rollachsen-Kardanringsteuerung, die den Torsionsmotor 32 und den Funktionsdrehmelder 34 umfaßt, schließt auch einen Drehzahlmesser 36 vom Typ mit permanenten Magneten ein, um die Notwendigkeit eines Sekantenfunktions-Verstärkerelements in der Steuerschleife dieses äußeren Steuersystems auszuschalten und um ferner eine einfache Stabilisierung dieser Schleife während des Grob-Vorabflug-Abgleichs zu erhalten.

Der untere Teil der Plattform 10 ist durch eine mit ihr einen Teil bildende untere Plattform 38 gebildet. Ein oberer Turm 40 ist innerhalb der Plattform 10 relativ zur unteren Plattform 38 drehbar befestigt. Die untere Plattform 38 trägt Horizontierkreisel 42 und 44 für die Horizontalachsen X bzw. Y. Diese haben einen Freiheitsgrad und sind auf der unteren Plattform so befestigt, daß ihre Kreiselachsen zueinander senkrecht stehen und in einer zur Ebene der unteren Plattform 38 parallelen Ebene liegen. Die Spin-Achsen der Horizontierkreisel 42 und 44 liegen ebenfalls in der Horizontalebene. Auf der unteren Plattform 38 sind ferner den Horizontalachsen X und Y zugeordnete Horizontal-Beschleunigungsmesser 46 bzw. 48 befestigt, die vom Kräftevergleich-Pendeltyp sein können. Die Eingangsachsen der Horizontalbeschleunigungsmesser 46 und 48 entsprechen den Kreiselachsen des zugeordneten Horizontierkreisels 42 bzw. 44. Die Trägheitsfühlinstrumente 42, 44, 46 und 48 können in Montagewinkeln vorabgeglichen werden, die dann durch Schrauben und Stifte in ein Bezugsverhältnis zur unteren Plattform 38 gebracht werden, um genauen Abgleich zu ermöglichen.

Der Turm 40 trägt einen Azimut- oder Z-Achsen-Kreisel 50, dessen Kreiselachse parallel zur Azimutachse Z-Z verläuft. Außerdem kann der Turm 40 Einrich-

?.;; tungen tragen, wie z. B. einen Vertikal-Beschleunigungsmesser 52, um Informationen für die Berechnung der vertikalen Geschwindigkeit und der Höhe zu liefern. Die sensitiven Achsen der Trägheitsfühlinstrumente 50 und 52 liegen selbstverständlich senkrecht zu den sensitiven Achsen der Horizontalfühlinstrumente, die auf der unteren Plattform 38 befestigt sind.

Die Fehlerunterdrückung gemäß der Erfindung kann erreicht werden, indem die untere Plattform 38 relativ zum Turm 40 mit einer genau definierten Geschwindig-

;>,; keit gedreht wird. Da die Orientierung des Turms zum Trägheitsraum im Azimut bestimmt ist, findet die Rotation der unteren Plattform 38 mit einer genau bekannten Geschwindigkeit relativ zum Trägheitsraum statt. Diese relative Rotation wird durch einen Synchronmotor 54 bewirkt, der auf dem Turm 40 montiert ist und ein Reduktionsgetriebe 56 zwischen dem Turm 40 und der unteren Plattform 38 antreibt. Der Durchmesser des Turms 40 ist etwas kleiner als der der unteren Plattform 38 und der Plattform 10, um die relative Drehung zwischen dem Turm und der unteren Plattform zu ermöglichen.

Der Turmantrieb einschließlich des Synchronmotors 54 ist in die Azimut-Stabilisierungsschleife eingegliedert, die auch einen Vorverstärker, einen Verstärker und den Torsionsmotor 20 enthält, und welche den Turm 40 auf ein Azimut einstellt, das durch das Azimut-Kreiselprogramm festgelegt ist. Bei Abwesenheit eines Azimut-Kreiseldrehimpulses stellt sich der Turm 40 entsprechend dem Trägheitseinfluß um die Azimut-Achse ein. Dementsprechend dreht sich die untere Plattform 38 um die Azimut-Achse relativ zum Trägheitsraum mit einer konstanten Geschwindigkeit. Das. Drehmoment, das erforderlich ist, um diese Drehung einzuleiten und trotz der Lagerreibung aufrechtzuerhalten, leitet sich von der normalen Wirkung der Azimut-Stabilisierungsschleife durch den Torsionsmotor 20 her. Hierdurch wird dem Azimutkreisel 50 eine solche Präzession um einen bekannten Betrag erteilt, daß Azimutkreisel-Ablenkungsfehler unterdrückt werden,

⁶S und zwar ohne Modifikation des Prinzips der Horizontalfehlerunterdrückung.

Die Drehung der von der unteren Plattform 38 getragenen Horizontalfühlinstrumente 42 bis 48 modu-

liert in dem langsam rotierenden Navigations-Bezugsrahmen die Wirkung bestimmter Fehler, die jenen Instrumenten eigen sind, wodurch die Bedeutung dieser Fehler für das Navigationsproblem beseitigt wird. Zu diesen Fehlern gehören die Driftbeträge der Horizontierkreisel 42 und 44 ebenso wie gewisse Fehler in der Ausrichtung der Kreiselachsen dieser Kreisel, wie auch die sogenannte Nullverschiebung oder die Vorspannungswechselfehler der Horizontal-Beschleunigungsmesser 46 und 48. Die Rotationsgeschwindigkeit, mit der diese Fehler wirksam unterdrückt werden, muß wesentlich über der Erdumdrehungsgeschwindigkeit liegen. Das vorliegende System ist für 0,5 U/min konstruiert, also auf das 720-fache der Erdumdrehungsgeschwindigkeit ausgelegt. Zum Erreichen der gewünschten Ergebnisse können entweder höhere oder geringere Umdrehungsgeschwindigkeiten Verwendung finden.

Vor erfolgreicher Navigation unter Verwendung eines Trägheits-Navigationssystems muß eine Grundorientierung der sensitiven Achsen der Instrumente bestimmt werden, und es müssen ferner die kritischen Fehlerquellen derart eingeeicht werden, daß die nachfolgende Navigation mit ausreichender Genauigkeit erfolgen kann. Im vorliegenden Fall müssen diese Vorabflug-Abgleichungen nach Kreiselkompaßart durchgeführt werden. Diese Methode dient zur Eineichung der Drift des Azimutkreisels 50 und des wirksamen Drehimpuls-Skalenfaktors der Horizontierkreisel 42 und 44.

Der Abgleich der Kardanringe des Navigationssystems kann in drei Stufen erfolgen; die erste Stufe ist der Grobabgleich, in dessen Verlauf die Kardanringe grob auf die Nullwerte der Kardanring-Funktionsdrehmelder eingepegelt werden, wobei bereits der Antrieb der Horizontierkreisel 42,44 und des Azimutkreisels 50 eingeschaltet werden kann, um sie auf Drehzahl zu bringen. Die zweite Stufe kann eine Feineinpegelung sein, während welcher die Plattform bezogen auf die örtliche Vertikale horizontal eingepegelt wird. In dieser Stufe werden die Stabilisierungs-Servoschleifen für die Kreisel eingeschaltet. Die Ausgangswerte des Azimut-Funktionsdrehmelders 22 werden in den Navigationsrechner eingelesen, und zwar zur Verwendung im Zusammenhang mit der extern abgeleiteten Information bezüglich des Flugzeugsteuerkurses, um einen groben

ίο Anfangswert des Plattform-Steuerkurses für die Auflösung der Erdgeschwindigkeit in die entsprechenden Komponenten der X- und V-Achsen zu erhalten. Nach Abschluß der Feineinpegelungsstufe des Einpegelungsmodus wird ein Kreiselkompaßmodus angewendet.

Die Quantitäten des Horizontal-Drehimpulsskalenfaktors und der azimutalen Drift werden berechnet und gespeichert bis zum Beginn einer Navigation ohne Mitnahme der Plattform nach einem Azimutbezug. Diese Art des Vorgehens, bekannt als Kreiselkompaßmodus mit offener Schleife, bietet die Vorteile der Ausschaltung aller Stromkreise zum Antrieb der Plattform zu deren Eindrehen auf das gewünschte Azimut. Es wird fernerhin vermieden, Azimutkreisel-Skalenfaktorfehler einzuführen.

Darüber hinaus bietet sich die Möglichkeit der optimalen Verwendung verfügbarer Daten, da die Rechnungen nicht durch Rückkopplungsprobleme kompliziert werden.

Da ferner der Umlauf der Plattform während des Kreiselkompaßmodus andauert, erscheinen von den Horizontalinstrumenten herrührende niederfrequente Driftfehler und Vorspannungsfehler immer noch als modulierte Fehler in dem geographischen Rahmen. Dadurch werden sie für die Eichung und/oder Ausfilterung greifbar.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Trägheits-Navigationssystem mit einer Trägheitsinstrumente tragenden Plattform, die durch ein Kardanringsystem frei drehbar aufgehängt ist und aus einer Hauptplattform und einer oberen Plattform besteht, die miteinander gekuppelt relativ zueinander um eine zur Azimutachse der oberen Plattform parallele Achse mit einer oberhalb der Erdgeschwindigkeit liegenden Geschwindigkeit gedreht werden, um Fehler der Trägheitsinstrumente zu unterdrücken, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Plattform (40) den Azimutkreisel (50) trägt und im Azimut stabilisiert ist, und die Hauptplattform (38) horizontale Beschleunigungsmesser (46, 48) und Horizontierkreisel (42, 44) trägt und mit konstanter Drehzahl zum Trägheitsraum angetrieben ist.

2. Trägheits-Navigationssystem nach Anspruch 1 mit einer unteren von einer oberen Plattform angetriebenen Plattform, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Plattformen (38, 40) zuvor ausgerichtet sind, um zueinander parallele, senkrecht zur Rotationsachse (Z-Z) liegende Aufbauflächen zu schaffen, und daß die Horizontierkreisel (42, 44) und die Horizontalbeschleunigungsmesser (46, 48) zuvor zueinander ausgerichtet und dann unter Verwendung von Stiften in einem Bezugsverhältnis zur unteren Plattform (38) mit dieser verschraubt sind.