DE1673429A1

DE1673429A1 - Vorrichtung zum Abfuehlen der Bewegung um mehrere Achsen

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Publication number: DE1673429A1
Application number: DE19671673429
Authority: DE
Inventors: Wing Willis Guy
Original assignee: Sperry Rand Corp
Current assignee: Sperry Corp
Priority date: 1966-06-13
Filing date: 1967-06-13
Publication date: 1971-06-24
Also published as: GB1143033A; US3563662A; DE1673429B2; JPS4943906B1; SE321809B

Description

DIPL-ING. CURT WALLACH

DR. TINO HAIBACH

8 MÜNCHEN 2, 13. _Juni 1967

UNSER ZEICHEN, 10 910-Wg/Ba

Sperry Rand Corporation, IT.Y. , New York, USA

Vorrichtung zum Abfühlen der Bewegung um mehrere Achsen

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Abfühlen der Bewegung um eine Vielzahl von Achsen, die insbesondere - jedoch nicht ausschließlich - zur Verwendung in Inertial-Navigationssystemen jofilgnet ist.

Die Erfindung ist insbesondere bei der Inertialabfühlung zur Verv/ondung in einem durch Bügel verbundenen (strapped-down) Inertial-IJavigationssystem anwendbar} "' einem derartigen Inertial-Navigationssystem sind die Irrertialfühler - wie beispielsweise Gyroskope und Beschleunigungsmesser - direkt am Rahmen des Fahrzeuges befestigt, wobei im Gegensatz dazu bei mehr konventionellen Inertial-Navigationsays temen die Fühler vorn Fahrzeugrahmen mittels Kardansystemen isolieri sind. Bei einem mit Bügeln unten befestigten Inertial-Navigationssystem mißt da:; Gyroskop drei orthogonale Komponenten der Fahrzeug-Winkeigesohwindigkeit, die einem Rechner zugeführt werden, der fortlaufend die Li"beilung des Fahrzeugs in-Bezug auf ein stabiles Koorditiateruiyatem berechnet. Die Beschleunigungsmesser erzeugen Messwert von drei orthogonalen Komponenten der linearen Fahrzeugbesehleunigung «_;. und fünien voraugav/eirse die Beschleunigungen lätiga der Aehaeh ab, an ..,-;,;

BAD ORlGiNAl,

" ² " 16/34 29

welchen die Winkelgeschwindigkeiten abgefühlt werden. Die Beschleunigungsmesswerte werden ebenfalls dem Rechner (Computer) zugeführt, der in seinem Speicher Größen aufbewahrt, welche die Stellung des Fahrzeugs bezüglich eines stabilen Koordinatensystems bestimmen und somit kann der Rechner die gemessenen- Beschleunigungskomponenten, im gleichen stabilen Koordinatensystem umwandeln. Die drei berechneten Beschleunigungskomponenten sind die gleichen Komponenten, die durch einen Satz orthogonaler auf einer üblichen stabilen mit dem Bezugs-Koordinatensystem ausgerichteten Plattform befestigter Beschleunigungsmesser gemessen worden wären und somit kann der Navigations-Rechenprozess in der gleichen Weise gelöst werden, als ob eine konventionelle stabile Plattform verwendet worden wäre.

Die Verwickeltheit und die erforderliche Genauigkeit der Berechnungen bei einem mit Bändern unten befestigten Inertial-Navigationssystem' haben die Verwendung eines Digitalrechners erforderlich gemacht, um die Stellungsinformation auf dem laufenden zu halten und um die Umwandlung der gemessenen Beschleunigungen von Fahrzeugkoordinaten zu stabilen Koordinaten durchzuführen} demgemäß werden Inertialfühler mit Digitalausgängen bevorzugt.

Da ferner die Ineriaalfühler von Pahrzeugwinkelbewegungen nicht durch ein Kardansystem isoliert sind, ist es notwendig, daß die Winkelgeschwindigkeitsfühler in der Lage sind, die Wiijkelge-,

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Ib/3A 29

schwindigkeiten genau bis hinauf zur maximal erwarteten Fahrzeugwinkelgeschwindigkeit zu messen. Zur gleichen Zeit müssen sie in der Iiage sein, extrem niedrige Winkelgeschwindigkeiten festzustellen: Beispielsweise Winkelgeschwindigkeiten in der, Größenordnung von einer Minute pro Stunde für jede natische Meile pro Stunde eines zulässigen Navigationsfehlers. Bedenkt man die Tatsache, daß JPahrzeugwinkelgeschwindigkeiten in einer Höhe von 240 pro Sekunde auftreten können, we,s beispielsweise ^ die Rollfähigkeit eines Hochleistungsflugzeuges ist, und daß die Navigations-Fehlerzulässigkeit einen so geringen Wert wie 0,1 nautische Meile pro Stunde betragen kann, so ist die-Fähigkeit zur genauen Messung eines sehr großen Bereichs von Winkelgeschwindigkeiten erforderlich: Beispielsweise etwa 5x10 zu 1 im erwähnten Fall. Das Problem der Messung in einem sehr großen Bereich - oben angegebener - Winkelgeschwindigkeiten unter Verwendung von Gyroskopen ist noch nicht gelöst und dies ist ein Hauptgrund, welcher die Entwicklung von festgelegten (strappeddown) Navigationssystemen verbietet. ™

Der Ringlaser ist einem mechanischen Geschwindigkeitsgyroskop in vielen Beziehungen äquivalent. Er hat jedoch zusätzlich zu den Eigenschaften eines Geschwindigkeitsgyroskops Eigenschaften, ,die in einzigartiger Weise für festgelegte Inertial-Navigationssysteme und zwar zur Verwendung als Winkelgeschwindigkeitsfühler geeignet sind. Die erste dieser Eigenschaften ist sein inhärent ter Digitalausgang, in dem er oberhalb einer Schwelle eine Aus* gangsfrequenz proportional zu seiner Eingangswinkelgeschwindigis keit erzeugt. Zweitens hat er die Fähigkeit, die Winkelgeschwin-

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BAD d

"Λ" Ib/3429

digkeit über einen extremen großen Bereich genau zu messen, und drittens hat er einen höchst genauen Anzeigefaktor. Ein Ringlaser hat jedoch einen hervorstechenden Mangel bei Verwendung in einem Navigationssystem; dieser Mangel besteht da-

o " * :j ■

rin, daß unterhalb der Schwellsr^simimg seine Ausgangsfrequenz nicht proportional zu seiner Eiiigangsgeschwindigkeit ist und schließlich nach Null abfällt. Dies tritt infolge eines Mode- _ Verriegelungsphänomens auf, welches den Ringlasern innewohnt. Das Mode-Verriegelungsphänomen verhindert eine genaue Messung niedriger Winkelgeschwindigkeiten wie dies bei Navigationssystemen erforderlich ist. Es wurden bereits, um diesen Nachteil wenigstens teilweise zu überwinden, verschiedene Verfahren zum Vorspannen (Voreinstellen) des Ringlasers vorgesehlagen. Es geht jedoch nunmehr die Meinung dahin, daß das einzige Verfahren, welches die Arbeitsweise des Ringlasers bei Verwendung in einem Navigationssystem nicht herabsetzt, in einem Drehvorspannen besteht, welches dazu ausreicht, die Winkelgeschwindig-P keit des Fühlers gut oberhalb seiner Schwellgeschwindigkeit zu halten. Ein Navigationssystem könnte für dreiachsiges Abfühlen ausgebildet sein, wobei drei Ringlaser ihre Abfühlachsen in rechten Winkeln bezüglich einander aufweisen und wobei jeder um seine entsprechende Fühlachse mit irgendeiner .Geschwindigkeit zum Zwecke des Vorspannens gedreht wird. Es ist jedoch festzustellen, daß dieser Annäherungsversuch mechanische Verwicklungen nach sich zieht, was gerade ein mit Bändern unten festgelegtes Inertial-Navigationssystem zu vermeiden betrachtet.

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BAD ORIGlNAU

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind mehrere - beispielsweise drei - Ringlaser auf drei entsprechenden orthogonalen planaren Oberflächen angeordnet, die zur Bildung eines Teils eines Würfels angeordnet sein können. Die gleichzeitige Drehung der drei Ringlaser 'zur Überwindung des oben erläuterten Schwellenproblems, wird durch Drehung der Ringlaser um eine von Ecke zu Ecke laufende Diagonale des Würfels bewirkt, wodurch jedem der Ringlaser eine Komponente der Eingangswinkelgeschwindigkeit gleich dem*** -fachen der Eingangswinkelgesehwindigkeit aufgeprägt wird. Somit dient eine einzige Dreheingangsgröße zum gleichzeitigen Vorspannen aller drei Ringlaser über ihre entsprechende Schwelle und es wird dadurch - verglichen mit der individuellen Drehvorspannung -eine bemerk ens vier te mechanische Vereinfachung erreicht. Die Freuquenzausgangsgrößen der drei Ringlaser werden in einen* geeigeneten Digitalrechner eingespeist und die Berechnungen zum auf dem laufenden halten der Stellung werden durchgeführt, um im Rechner Größen zu erhalten, welche die Stellung des die Ringlaser tragenden Würfels bezüglich einem stabilen Koordinatensystem dar»asteilen. Es werden ferner auf den drei Stirnflächen des Würfels drei Besohleunigungsfühler befestigt, deren Abfühlachsen kolinear mit den Abfühlachsen des Ringlasers verlaufen» Die Ausgangsgrößen der Beschleunigungsmesser werden oborifalls in den Rechner eingespeist, um die Beschleunigungsinformation von den Koordinaten des Würfels in ein stabiles Koordinatensystem- zu fcraftaformieren, damit konventionelle J nor L i π. 1. -Wav iga t io/ m bv Dehnungen ausge fuhrt werden können,

1 Oiii!?fi/n 17 V» i\:-:^:v. V.

~⁶~ IbV 3429

Bei dem oben erwähnten Annäherungsversuch ist eine genaue Messung der für den Vorspannbetrieb verwendeten Drehgeschwindigkeit nicht erforderlich, weil die Ringlaser für den Zweck der Navigationsrechnung diese Information selbst erzeugen. Me Drehgeschwindigkeit muß hoch genug sein, um alle Ringlaser oberhalb ihrer entsprechenden Schwellen zu halten, obwohl es .^wünschenswert ist, daß die Geschwindigkeit nicht größer als für diesen Zweck erforderlich ist, und zwar wegen Überlegungen hinsichtlich der Rechengeschwindigkeit und der Ringlaser-Anzeige faktorgenauigkeit. Somit können Mittel vorgesehen sein, durch welche die Vorspanngeschwindigkeitseingangsgröße automatisch derart eingestellt wird, daß die niedrigste der drei Ringlaser-Ausgangs frequenz en immer koberhalb des SchveLlwerts bleibt. Die Geschwindigkeit paßt sich somit an die Erfordernisse der Fahrzeugbewegung an und eine minimal erforderliche Vorspanngeschwindigkeit wird fortlaufend aufrecht erhalten.

1 0 9 8 ? fi / Π 1 7 4
BAD

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines speziellen AusführungsbeiBpielee an Hand der Zeichnung? in dteser zeigen:

Pig. 1 eine θcheinatisehe Draufsicht eines planaren Hinglasers mit geschlossener Schleife;

Pig. 2 eine graphische Darstellung, in der die Prequenzdifferenz gegenüber der Drehgeschwindigkeit aufgetragen ist;

Pig. 3 eine sehematische Darstellung eines Würfels rait darauf an drei ortogonalen Oberflächen des Würfels befestigten rechteckigen Ringlasemt

Pig. 4a, b und c schematische Darstellungen des Ringlaeere 10 nach*Flg. 3» wenn er einer Drehung ausgesetzt 1st;

Pig. 5 eine perspektivische Ansicht einer Inertial-Iay^tioniH· vorrichtung, welche dreieckföralge Ringlaser verwendet, die gemäß der Erfindung auf ortogonal angeordneten Oberflächen eines abgestumpften Würfels angeordnet sind;

Pig. 6 eine graphische Darstellung, in welcher der L&ngsgeechwlndigkelttfehler gegen die geographisohe Breite aufgetragen ist.

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BAD

In der vorliegenden Beschreibung umfaßt der Ausdruck Ringlaser konventionelle planere Laser alt geschlossener Schleife ■ in der Form von YieXeeken, wie beispielsweise Reeh.teeken§ Quadraten, Dreiecken u.s.w.

Wenn ein Ringlaser 10 - vgl. dazu Fig. 1 - um seine (senkrecht zur Papierebene verlaufende) Eingangeachse 11 im Uhrzeigersinn gedreht wird, so wird die optische Pfadlänge für die im Uhrzeigersinn laufende Lieötwelle vergrößert und für die entgegen dem Uhrzeigersinn laufende Welle vermindert, wae bewirkt, daß zwei diskret® Frequenzen im Ringlaser 10 schwingen. Eine Teil der Energie in jedem dieser Strahlen kann aus dem Ringlaser 10 abgezogen und optisch überlagert werden» Die reeultierende Schwebungsfrequenz let proportional der Frequenz differenz zwischen den gegeneinander rotierenden Strahlen, die ihrerseits von der dem Ringlaser 10 aufgeprägten Drehgeschwindigkeit abhängt. Wie die graphische Darstellung in Fig. 2 zreigt, ist die Schwebungefrequenz bei höheren Drehgeecnwindigkeiten linear bezüglich der Drehgeschwindigkeit; beispielsweise ist bei der Drehgeschwindigkeit W₁ die Frequenzdifferenz F₁. Bei irgendeiner durch die physikalischen Charakteristiken des Ringlagers 10 bestimmten niedrigen Drehgeschwindigkeit wird die Schwebungsfrequenz nicht linear und einkt bei Dreh-· geschwindigkeit W₂ plötzlich auf Null ab. Dies wird duroh die Mode-Verriegelung (mode locking) bewirkt, wo die gegeneinander rotierenden Strahlen derart aufeinander einwirken, daS sie

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veranlaßt werden, beide auf der gleichen Frequenz zu schwingen, obwohl unterschiedliche Pfadlängen vorhanden sind. Bei Drehgeschwindigkeiten etwas oberhalb des Mode-Verriegelungspunktes wird die Schwebtxngsfrequenz erzeugt, steht aber nicht in linearer Verbindung mit der Drehgeschwindigkeit. Infolgedessen müssen irgendwelche Mittel angewandt werden, um eine lineare Schwebungsfrequenz für die gegeneinander rotierenden Strehlen bei niedrigen Drehgeschwindigkeiten und sogar bei Nicht-Vorhandensein der Drehung linr ihre Eingangs- β achse zu erzeugen. Dies wird durch absichtliche (zwangsweise) Drehung des Rings verwirklicht Eine zusätzliche Drehung des Fahrzeugs auf dem der Ringlaser befestigt ist, in der gleichen Richtung wie die Zwangsdrehung.vergrößert die Pr«fuenzdifferenz zwischen den Liehtvellen weiterhin, während die Drehung des Fahrzeugs in der umgekehrten Richtung die W#- ^· quenzdifferenz vermindern wird. Die Zwangadrehung muß demgemäß mit einer hinreichend hohen Geschwindigkeit erfolgen, um sicherzustellen, daß dann, wenn eine genaue Anzeige der M Winkeldrehung erhalten werden soll, die hinzugefügte Fahrzeuggeschwindigkeit nicht die Differenzfrequenz auf den nichtlinearen Bereich unmittelbar oberhalb des Mode-Verriegelungspunktes vermindert.

Genäß Fig* 3 sind drei - jeweils bezüglich einander im wesentlichen identische - Ringlaser 10, 12 und 13 auf entsprechenden ebenen Oberflächen 14, 15 und 16 eines Würfels 17

109826/0174 . BAD OBiGiHAt*

- ίο -

befestigt. Zur'gleichseitigen Drehung der Ringlaser 10, und 15 wird der Würfel 17 auf dea sie befestigt elnd# xm eine τοη Ecke zu Ecke laufende Diagonalaohse 18 - die als

ge-Servovorepann-Brehachse bekannt 1st -/drsht. Ia folgenden wird unter Bezugnahme auf die Figg. 4a, b und e die Wirkungsweise einer rechteckigen Ringlaseranordmmg beschrieben, die derart angeordnet itt und gedreht wird, wie die· unter Bezugnahme auf Pig, 3 beschrieben wurde·

Pig. 4a zeigt eine Draufsicht der Serro-Vorspannaohee 18 und der Stirnfläche 14 de· Würfeln 17 (die Würfeloberfläche 14 verläuft nur dann senkrecht zuia Papier_s wie gezeigt, wenn die Servo-Vorspannachse 18 um einen genauen. Winkel bezüglich der Papierebene verkantet ist). ?lg« 4b ««igt den auf der Würfeloberfläche 14 befestigten laser 10 la Stellung 19 und zwar von der Servo-Yorepannachee 18 aus gesehen. Fig» 4c zeigt die Orientierung de· Ringlaser» 10 von der Servo-Yorspann-

18
achse/aus gesehen, nachdem die Würfeloberfläche 14 in die Stellung 20 verdreht wurde. Eine Drehung um die Servo-Brehachse 18 in Richtung des Pfeiles 21 erteilt den Einglaser in Stellung 19 eine durch Vektor 22 repräsentierte Drehkomponente derart, daß der optische Pfad für di· in Richtung vom Eckspiegel 23 zum Eckspiegel- 24 laufenden Lie&twelle verlängert wird. Wenn die Würfeloberfläche 14 die Stellung erreicht, verlängert eine durch den Vektor 25 dargestellte

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BAO

Komponente der Serro-Vorspannunge-llrehung uQöh ianaer den Pfad für die τοπ Spiegel 23 %nm %i©gel 24 geriofetete Mehtwelle. Somit kehrt .eleH die auf Äen Siagla®@r 10 ftusgelibte Vorspannung nieht um, wenn eloh dt? Würfel 17 tiis dl© Serw-Torapannachse 18 dreht. ,

Wenn der Würfel 17 eine dureh den Pf©11 30 saged'eutete Drehung um eine Achse 31 eenkreeht zur SeTYo^Torep&nnAehee 18 mit dem Ringlaser 10 in Stellung 19 erfSfcrt_f verlängert die Drehung den Pfad fto di© Liehtwelle₉ öle το® 'Spiegel 23 zuia Spiegel 24 ISttfta afeer wena eich, de-r linglaasr 10 ia Stellung 20 befindet, verMfst öle Drehung äea ffsi "ftf Sie oben erwähnt© 3jichtwell©_e Wtrna seasit die Serro-Vorspannung allein eine ichwebungsfrequenz von 100Hz und die Drehung @ln&/' von 20Hz erseugen würde, beträgt die gesamte den Ringlaser 10 in Stellung 19 120Hz und für itp Ring la Stellung 20 80Hz, Eine Hälfte der Differentlal^Sefesfebungsfrequ@nz beträgt = 20Hz. Ein Abweichgeschwiridigkeitefehler (drift rate-Fehler) tann durch einen Vektor reehtwitg&Llg zur Servo-Yorspannachse 18 dargestellt werden und ändert sioh bei Drehung um die Achse 18 langsam und koaent las'Mittel über eine ganze Umdrehung auf Hull. Im oben erwähnt®ra Beispiel er« gibt sich demnach, daß dann, wenn die Drift senkrecht- zur Servo-Vorspannachse 18 die Scfrwebungsfretpenz - mit dem Ring-* laser 10 in Stellung 19 - auf 125 Hz erhöht ~unä - alt dem

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BAI* ORtQINAU

erhöht Ringlaser 10 in Stellung 20 - auf 85Hz WSVrm&Btf**, die

Hälfte der Differential-SchwebungefreqtienÄ noch inner » 20Hz beträgt.

An Hand der=Pig. 5 wird im folgenden ein bevorzugtes Ausftihrungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Ein Rahmen 35 ist in Form eines Eckteile von einen Würfel durch eine Ebene senkrecht zur einer Ecke mit Ecke verbindenden Diagonale abgeschnitten, wobei die Diagonale 36 auch als die Rotations- oder Servo-Vorspann-Achee dient. Auf diese Weise sind drei Montage-Stirnflächen 37, 38 und 39 (diese ist nicht sichtbar) in Form von drei gegenseitig ojrtogonalen Oberflächen des abge— staipf ten Würfels geschaffen« Jede der Montageflächen 37, und 39 hat gleiche Winkel bezüglich der Drehachse 36, Drei Ringlaser 40, 41 und 42 (dieser ist nicht sichtbar) sind auf den entsprechenden Flächen 37, 38 und 39 befestigt.Die Ringlaser 40, 41 und 42 haben - wie gezeigt - die Form von Dreieokea, Sie drei Ringlaser 40« 41, und 42 erzeugen Ausgange-Sehwebungsfre<iuenzen F^ bzw. F₂ bzw. F, für einen Digitalrechner 43 zur Yornahroe von Berechnungen um Information^* auf dem Laufenden zu halten, welche sich auf die Stellung des abgestumpften Würfels bezüglich eines stabilen Koordinatensystems bezieht. Der Digitalrechner 43 kann beispielsweise einen Richtungskosinusrechner, eine Koordinaten-Transformationsvorrichtung und einen Navigationsrechner in einer üblichen Weise aufweisen, der Navigationseteliungssignale - wie bei-

apielsweise geographische Breite und Länge - erzeugt.

Die drei Ringlaserfrequenzen P₁, Pg und I* Bind auch mit drei Frequenzdiskriminatoren 44 bzw. 45 bzw. 46 verbunden, die Gleichstromspannungen proportional zu den Abweichungen der drei Ringlaser - Ausgangefrequenzen P^, Pg und P, von einer gewünschten Betriebefrequenz F erzeugen» Es sei angenommen, daß die Frequenzdislrriminatoren für eine Schwebungsfrequenz unterhalb der gewünschten Frequenz P eine positive Gleichspannung und für eine Sehwebungsfrequenaü oberhalb P_Q eine negative Gleichspannung erzeugen« Die auf diese We,iee entstandenen drei Gleichspannungen sind mit entsprechenden Dioden 47, 4# und 49 verbunden, deren Ausgänge über einen Widerstand 50 mit einer, negativen Gleichspannunga-Vorspannungsquelle 51 verbunden sind. Die Auegangegröße der aus den Dioden 47, 48, 49, dem Widerstand 50 und der negativen Gleichspannungs-Vorspannungsquelle 51 bestehenden Schaltung 52 ist eine Gleichspannung, die gleich der am meisten poeitiren Ausgangsgröße der drei AusgangegröSeti von den Prequenedis-« liriminatoren 44, 45 und 46 (d.h. entsprechend der niedrigsten Schwebungsfrequenzjist]. ·

Die Ausgangsspannung der Dioden-MatrixscbAltung 52 ist mit einem Verstärker 5? verbunden, der für einen Servomotor 54

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ORIGINAI·

—.14· —

eine Leistungsverstärkurig bewirkt; der Servomotor 54 ist zum Antrieb des Rahmens 35 vtm die Drehachse 36 angeschaltet· Das vom Verstärker 53 koininetide Signal treibt den Servomotor 54 zur Änderung der Drehgeschwindigkeit an und aar in einer Weise, dl·-feeatstfet.ist, die Eingangsgröße zum Verstärker 53 auf HiulI zu Tenaindern· Wenn dies geschehen ist, wird keine der Frequenzdiskriminator-Ausgangsgrößen positiv sein und demnach wird keine der Hlnglaser-Ausgangeüberlagerunfpfrequenzen unterhalb des vorgewählten Wertes Ϊ sein» Die Winkelbewegungen des Fahrzeuge können es erforderlich machen, daß eine oder mehrere der Ringlaserfrequenzen größer als ?_o werden, obwohl die Servosehlelfe zur Aufrechterhaltung der niedrigsten Frequenz !unser nahe an F in Betrieb sein wird.

Beschleunigungsmesser (Akzelemeter) 60, 61 und 62 (dieser letzte ist nicht sichtbar) sind ebenfalls auf entsprechenden Stirnflächen 37, 38 und 39 dee Rahmens$50 befestigt, um Informationen beiglich der drei Komponenten dar Mnearbe-» schleunlgung A*, A« und A- dee Rahmens 35 bezüglich der ea- * pfindllchen Achsen der Ringlaser 40, 41 und 42 zu erzeugen, damit die dadurch abgefühlten Beschleunigungen in laser-koordlnaten sind. Die BeschleunigungsslgnAle A^, A„ und A. sind

43
ebenfalls mit dem Digitalrecimer z^m Zwecke der Durchführung von Navigationsrechnungen verbunden, um vom Digitalrecliser 43 eine ¥avigations-Posftioneinformation wie z.B. geogrftpM-

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BAD ORIGINÄ: ^:1

sehe Breite und Zange zu erzeugen.

Es ist zu bemerken, daß die Hotationeaehee 36 beaüglich des Fahrzeugs auf dem diese angeordnet 1st, willkürlich orientiert iet. Es gibt jedoch zwei bevorzugt« Orientierungen und zwar verläuft die eine längs der Roll-Achse des Fahrzeugs und die andere längs der Gierungsachse.

Die Rollachse weist normalerweise die höchsten Winkelgeschwindigkeiten auf und die Servosehleifenwirkung iet bestrebt, den Rahmen 35 gegenüber Rollgeschwindigkeiten zu stabilisieren, wenn die Rollaeliaen-Orientierung verwendet wird, da die hoiie Rollgeschwindigkeit die gleiche Wirkung haben wird, wie ein Wechsel in der Yorspannungs-Drehung. ^K ',

Wie oben erklärt wurde, muß die Servo-Vorspannungsdrehung (W) hoch genug sein, um sicherzustellen, daß die zusätzlichen Fahrzeuggeechwindigkeiten die Schwebungsfrequenz nicht auf aen Mode-Yerrlegelungspunkt vermindern. Eine konstante hohe dervo-Vorspannungedrehung iet jedoch nicht erwttneelit, weil diese den Anzeigefaktorfehler, bezogen auf die Wellenlänge (X) der Lichtwelle, den Ringumfang (P) und die Fläche (A) vergrößert. Die Schwebungsfrequenz ist proportional. _#

Wenn ^ ein fester Wert D ist, so ist die Frequenzspaltung (Frequenz-split) nur von W abhängig. Wenn D um einen Betrag 'AB zunimmt oder abnimmt, ist die Frequenzspaltung nun durch WD - W AD bestimmt. Somit wird ftir einen speziellen Änzeigefaktorfehler der Schwebungsfrequensfehler mit W multipliziert.

109826/01?* ./.

BAD ^

Der oben beschriebene anpassende Mechanismus verwendet eine nominelle Servo-Vorspannungsdrehung W leicht oberhalb der nicht linearen Mode-Verriegelungsregion, wodurch der Anzeige— faktorfehler minimiert wird. Wenn das Fahrzeug sich in einer

solchen Weise dreht, daß irgendeiner der Ringe in die Modeso
Verriegelungezone getrieben wird/vergrößert der anpassende Mechanismus die Servo-Vorspannungsdrehung entsprechend. Infolgedessen werden Anzeigefaktorfehler nur während hoher Fahrzeug-Winkelgeschwindigkeite-Übergangeperioden (Einschwingzeiten) vergrößert. Wenn die Servo-Vorspannungs-Rotationsachse 36 länge der Pahrzeuggierachse statt längs der Rollachse orientiert iet und die größten Fahrzetigwinkelgesehwindigkeiten nocfyum die Rollachse, auftreten, muß die Servovorspannungs-Drehachse 36 mit einer schnelleren Geschwindigkeit gedreht werden, um die Rollbewegung zu kompensieren, als wenn die Achse 36 längs der Rollachse verläuft, ;

Zum völligen Verständnis der zweiten bevorzugten Orientierung der Achse 36 ist es zweckmäßig einen weiteren Vorteil der vorliegenden Anordnung, der bisher noch nicht besprochen wurde, zu diskutieren.

Jeder der Ringläserfehler kann als aus zwei Komponenten bestehend betrachtet werden, wobei die eine längs der Achse 36

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BAD

und die andere senkrecht zur Rotationsachse 36 verläuft. Wenn sich die Fehler langsam genug ändern, um sich nicht in signifikanter Weise während der Zeit einer Drehung tun die Rotationsachse 36 zu ändern, dann werden die Fehlerkomponenten senkrecht zur Drehachse 36 in Mittel Null ergeben und nur die Komponenten längs der Drehachse 36 ergeben einen kumulativen Fehler in der Kenntnis der Lage des Rahmens 35. Es ist somit offenbar, daß eine bevorzugte Orientierung der Rotationsachse 36 diejenige ist, in welcher der !cumulative Fehler den geringsten Einfluß auf die navigations- ^l genauigkeit hat. In den meisten Fällen ist dies längs der Gierungsachse des Fahrzeugs der Fall.

Es sei angenommen, daß die stabilen Achsen des Komputers (Rechners) der örtlichen Vertikalen,Ost - und Nord-Richtung»- entsprechen und daß Drift-Geschwindigkeiten xxxa diese Achsen durch W-J₃, W_E und W₁, dargestellt sind. Dem Fachmann auf dem i Gebiet der Inertialnavigation ist bekannt, daß durch diese

Drift-Geschwindigkeiten ein Dauerzustands-Breitenverschiebungsfehler A^ (mit einer Winkeldimension vup* beispielsweise Radianen, Bogensekunden) erzeugt wird:

ι _β

cos

Jl JL

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BAD

wobei —Ί- die Erdgeschwindigkeit und γ die geographische Breite ist. Dieser Ausdruck ist Teil einer ungedämpften Differentialgleichung zweiter Ordnung, die eine sinusförmige Lösung für stationären Zustand besitzt. Die Drift-Geschwindigkeiten erzeugen auch einen Längageachwiiidigkeits-

fehler A X (der auch eine Winkeldiraension hat):

a A Λ = -Wjj sin S

cos

Im Fall vertikaler Auerichtung der Servo-Vorspanniaiags-Drehachse 36 wird die Servovorepannung durch di© Tertikaie Drift-Geschwindigkeit W_D beeinflußti eomit sind die Breiten - und Längsgeschwindigkeitsfehler:

Al-I.

und

JL

= - W₁₅ sin

Im Fall der Rollachsen - horizontalen'— Ausrichtung der Servovorspannungs-Drehachse 36, wird die Vorspannung» durch die nördliche Driftge&chv/indigkeit W„ beeinflußti sonit sind die Breiten- und Längsgeschwindigkeitsfehlers

^WN sin S

#■■" Αλ - -W_n co.

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-19-

Der geographische Breitenfehler Af ist über allen Teilen der Erdoberfläche der gleiche mit der Ausnahme, daß er für eine vertikale Servovorspannungs-Rotationsaohse 36 von Wjj und für eine nach Korden zeigende Horisontalaehse von W_n abhängt. Da die Linien der geographischen Länge an den Polen zusammenlaufen, arufl der LHngsgeeehwindigkeitefehler X mit cos S multipliziert werden, um den Längegeschwindigkeitefehler an verschiedenen Punkten auf der Erdoberfläche zu erhalten· Fach Multiplikation ait cos» ist der Längegeechwindigkeitsfehler für eine vertikale Vorspannungs-DrehachBe 36

m -ifjj ein

und für eine horizontale Achse 36

Diese Kurven sind'in fig* 6 gezeichnetι Fig. 6 zeigt, daß

die Pehlerfortpflanzung fttr die vertikale Orientierung,d.h» - für die mit der Gierungsachse des Fahrzeuge ausgerichtete

Achse 36, geringer ist·

Ea liegt auf der Hand, daß eine Wahl zwischen «den zwei bevorzugten Orientierungen der Achse 36 von einer Prüfung der Fehlerfortpflanzung in der speziellen Anwendung abhängt.

Beständige Drehung in einer Richtung zum Zwecke des Vorspannen», kann einen akkumulativen Fehler in der Kenntnis

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BAD

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der Rahmenstellung nach sich ziehen und zwar wegen der Ungenauigkeiten in der Kenntnis der Anzeigefaktoren eines oder mehrerer der Ringlaser 40, 41 und 42. Dies kann durch periodische Umkehrung des Drehsinns der Vorspannungedrehung ausgeschaltet werden} eine derartige umkehrung kann durch Umkehrung der Abfühlung des Signale für den Motor 54 erreicht werden. Da der für jeden Ringlaser durch einen Zuwachs in seiner Frequenz -Ausgangsgröße dargestellte Drehsinn der gleiche ist, wie der Sinn der Yorspanneingangsgröß· zu diese» Ringlaser, so 1st es notwendig, dal der Rechner 43 sit Informationen über dl· Richtung der Torepahn-Eingangegröfie (information über die Abfühlung des F*hler*ignal* run Hot·γ 54) versorgt wird, so daß er an die Ringlaserausgänge ein· richtige Interpretation legen kann·

Obwohl es für Navigatlonszweoke nicht erforderlich ist, dai Information betreffend den Winkel «wischen des Fahrzeug und dem Rahmen 35 zur Drehung um die Achse 36 erzeugt wird^ so kann ftntxk doch derartige Information für andere Zwecke (wie beispielsweise Steuerung der Fahrzeugatellung) erwünscht sein. Wenn dies gewünscht ist, so kann ein Winkelstellungsgeber auf der Achse 36 vorgesehen sein? die Information eines derartigen Gebers kann zusammen Bit der in digitalen Rechner 43 verfügbaren Information betreffend die Stellung des Rahmens 35 bezüglich einem stabilen Koordinaten-

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BAD

— ά ι ··

System^ zum Erhalt einer Information über die Stellung des Fahrzeugs bezüglich des gleichen stabilen Koordinaten-Systems verwendet werden.

Pate ntangprttoh«

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BAD OBt^NAL...

Claims

PATENTANWÄLTE , _ _ n ^n Pp] BA 324 952*13.6.67 DIPL-ING. CURT WALLA DIPL-ING. GÜNTHER KOCH Ib/34 23 DR. TINO HAIBACH 8 MÜNCHEN 2, IJ. Junl UNSER ZE.CHEN: 10910 - Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Abfühlen der Bewegung um eine Vielzahl -; von Achsen,

gekennzeichnet durch

eine Vielzahl von Ringlasern (40,41,42), deren jeder _Ä derart angeordnet ist, daß er auf die Drehbewegung um eine -der entsprechenden erwähnten Achsen anspricht und die eine die erwähnte Drehung darstellende Ausgangsgröße (F₁₁F₂,?,) aufweisen, und gemeinsame Vorspannvorrichtungen "(54,36) zur Vorspannung sämtlicher Ringlaser derart, daß jeder oberhalb seiner Schwellgeschwindigkeit arbeitet und die erwähnten Ausgangsgrößen im wesentlichen proportional zu den erwähnten Drehbewegungen sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, _:
P dadurch gekennzeichnet, daß die Vielzahl der Aehsen durch drei gegenseitig orthogonale Achsen dargestellt sind, welche in den drei entsprechenden orthogonalen ebenen Oberflächen (37*38,39) liegen, und wobei die erwähnten Ringlaser (40,41,42) drei planare, jeweils auf einender erwähnten ebenen Oberflächen (37j38,39) angeordnete Laser sind.

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ORIGINAL [NSPECTED

3· Vorrichtung nach Anspruch 2,

gekennzeichnet durch

Eine geraeinsame Vorspannvorrichtung (54,36), welche eine Antriebsvorrichtung (5-²O zum gleichzeitigen Antrieb aller Ringlaser um eine gemeinsame Achse (36) aufweist, welche die Diagonale eines theoretischen Würfels ist, von dem mindestens Teile der drei benachbarten Oberflächen durch die erwähnten ebenen Oberflächen (37*38,39) gebildet sind.

4» Vorrichtung nach Anspruch 3,

g e k e η η ζ ei c h η e t durch

drei Frequenz-Diskriminiervorrlchtungen (44,45,46), die zur Aufnahme der erwähnten Ringlaser-Ausgangsgrößen (^.»ig*F-*) angeschaltet sind und einen Vergleich der Frequenzen dieser Ausgangsgrößen mit einer Nominalfrequenz (F₀) bewirken, und wobei ferner eine Servosehleife (52) vorgesehen ist, welche die Arbeitsweise der Antriebsvorrichtung (54) derart steuert, daß alle Ausgangsfrequenzen oberhalb der oder gleich der Nominalfrequenz gehalten werden.

5· Vorrichtung nach Anspruch.·4,

dadurch g e k e η ti. zve-IL0 h η e t , _: daß die. erwähnte Servosehle&fe drei. Biöden f4?,48,49) aufweist·,¹ welche zur Aufnahme von Grleichstromsignalen von, den

Frequenz-Disfcriininiervorrichtunge« (44,45,46) angeschaltet π Ind. .

±3*'und die in Amplitude und Polarität die Differenz zwischen der Nominalfrequenz (F_Q) und der entsprechendeh Laser-Ausgangsfrequenz darsteilen, wobei die Ausgangsgrößen der Dioden

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verstärkt (53) und zur Steuerung an die Antriebsvorrichtung

ft .-* -vp -r»-l-

(5^·) glsttr angelegt werden, daß die Vorspannung (*©*> Einstellung) derart eingestellt wird, daß die unterste Ausgangsfrequenz gleich oder oberhalb der Nominalfrequenz gehalten ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5* gekennzeichnet durch
Einrichtungen zum periodischen Umkehren der Vorspannrichtung.

7· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erwähnte gemeinsame Achse (36) mit der Rollachse des Fahrzeuges,in dem die Vorrichtung angeordnet ist, ausgerichtet ist.

8. Vorrichtung nach.einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erwähnte gemeinsame Achse (36) sich in Ausrichtung mit der Gierungsachse des Fahrzeugs befindet, in dem die Vorrichtung angeordnet ist.

9. Inertial-Navigationssystem

g e k e η η ζ e i c h η e t durch

eine Vorrichtung zur Abfühlung der Bewegung um eine Vielzahl von Achsen, wie diese in einem der Ansprüche 1 bis 8 beschrieben ist.

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~ ■ -1S73429

10," Inertial-Navigationssystem nach Anspruch 9,

gekennzeichnet durch .

eine Vielzahl von Beschleunigungsmessern (60,61,62)ι, deren jederauf die Beschleunigung längs einer der erwähnten vielen Achsen anspricht und ein Signal (A, ,Ap,A.-,) erzeugt, welches diese Beschleunigung darstellt, und wobei Recheneinrichtungen (4>) zum Empfang dieser Beschleunigungssignale und der Ringlaser-Ausgangsgrößen angeschaltet sind, um so kontinuierlich den Ort des Systems zu berechnen.

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