DE1773508A1 - Steuerkurs- bzw. navigationssystem - Google Patents

Description

Dipl.-lng. Η·Ιηΐ Ust«r

8 MlfidMn 61, Co»imort«|· 81 · Telefon: (OBII) 483820 · Tele» 06-24351

Aviation Electric Limited L 8314 P.O.Box 2140, St. Laurent, Montreal 9 21.5.1968 Quebec, Kanada · Gg/to Steuerkurs- bzw. Navigationssystem

Die Erfindung betrifft ein Steuerkurs- bzw. Navigationssystem mit Bezugsgröße insbesondere zur Verwendung in Fahrzeugen aller Art, also zur Verwendung auch in Flugzeugen, Schiffen, Militärfahrzeugen u. dgl.

Fahrer von militärischen Landfahrzeugen, wie Jeeps und Tanks haben sich meistens zu einer genauen Navigation einer Landkarte zu bedienen, in die landschaftliche Ortungspunkte eingetragen sind. Jeder Augenblickliche Aufenthalt des Fahrzeuges litQt sich dann in seiner Entfernung zu einem solchen landschaftlichen Ortungspunkt bestimmen, was natürlich zur Voraussetzung hat, daß der Navigator die Landkarte zu lesen versteht. Ohne weiteres ist dabei erkennbar, daß ein solcher augenblicklicher Aufenthalt eines Fahrzeuges nur dann bestimmbar ist,

BAD ORIGINAL

209881/0074

wenn auch der Ortungspunkt gesehen wer den.kann, eine solche Sichtbarkeit des Ortungspunktes ist beispielsweise bei Nebel oder bei Nacht nicht gewährleistet, ein solcher Ortungspunkt kann auch beispielsweise nicht von dem Navigator eines Tankfahrzeugee bei geschlossener Kuppel gesehen werden. Weitere Nachteile bei einer solchen Navigation ergeben sich dort, wo die befahrene Landschaft kleine natürlichen Ortungspunkte aufweist, wie beispielsweise in der Arktis oder in Wüsten, für nachteilig muß auch befunden werden, daß das Lesen von Landkarten den Fahrer eines Fahrzeuges ablenkt, was insbesondere beim Führen von Militärfahrzeugen äußeret störend sein kann.

Zur Vermeidung der Nachteile einer Navigation mittels Landkarten ist nun bereits ein Steuerkurssystem zur Navigation von Fahrzeugen bekannt geworden, dieses System ist detailliert in einem Aufsatz von E.Wall beschrieben, der in der Zeitschrift "Journal of the Institute of Navigation (USA)- "Navigation", Volume 12, No.J, Spring 1965". Das dort beschriebene Navigations system umfaßt einen Computer, eine Kursanzeiger-

/ und Ortungsvorrichtung, eine den Aufenthalt des Fahrzeuges registrierende Aufzeichnungseinheit, eine Steuerkurs anzeigevorrichtung, einen Kreiselkompaß und eine Energieversorgungseinrichtung. Mit Hilfe eines solchen Navigations systems wird nun der genaue geographische Aufenthalt des Fahrzeuges und dessen Fahrtrichtung errechnet. Als Steuergrößen dienen die von einem Wegmesser gemessene, von dem Fahrzeug zurückgelegte

209881/0074 bad original

Wegstrecke und deren Richtung, welche von einem die Anpeilung dee wahren Nordpols gewährleistenden Kreiselkompaß erhalten wird. Bei dem Computer handelt es sich um einen sehrgenau rechnenden, mechanischen Analogrechner, welcher die Wegstrecke - und Wegrichtung-Steuergrößen in elektrische Ausgangssignale umwandelt, welche einen Hinweis auf die Ost/West- und Nord/Süd-Bewegung des Fahrzeuges geben. Die Steuerkursanzeigevorrichtung des Fahrzeugführers bringt nun die durch den Aufenthalt des Fahrzeuges bestimmtenSteuersignale des Computers als zwei vierziffrige Kartenbezugspunkte zur Abbildung und eine 0 - 360 -Skalenlehre zeigt kontinuierlich in einem Gitter den Kurs des Fahrzeuges an. Die in dem Fahrzeug enthaltene Aufzeichnungseinheit liefert kontinuierlich ein Bild der im Augenblick von dem Fahrzeug befahrenen Landschaft, auf diesem Bild ist der Aufenthalt des Fahrzeuges und dessen Bewegungsrichtung erkennbar. Auf diese Aufzeichnungseinheit wird eine Landkarte gelegt und auf dieser ist dann der augenblickliche Aufenthalt des Fahrzeuges als Punkt und dessen Fahrtrichtung als Pfeil im Durchstrahlverfahren erkennbar. Mittels eines solchen vorbekannten Navigationssystems kann also der Fahrer sein Fahrzeug in der Landschaft selbst dann bewegen, wenn er diese nicht sieht. Die erwähnte Steuerkursinzeigevorrichtung, die nur dann erforderlich ist, wenn der Fahrer eines Fahrzeuges nicht identisch mit dessen Navigator ist, bringt kontinuierlich den Steuerkurs des Fahrzeuges zur Anzeige, sie kann als eine Steuerhilfe für einen vorge-

209881/0074 ^ßAD

wählten Steuerkurs gewählt werden. Dieses Navigationesyetem erhält seine Energie von der Fahrzeugbatterie, ein statischer Wechselrichter muß zusätzlich deshalb verwendet werden, um für den Kreiselkompaß und andere Einrichtungen des Systems einen Wechselstrom zu erhalten. Dieses Navigationssystem besitzt in seiner Verwendung in Landfahrzeugen eine Genauigkeit von + 1 % der zurückgelegten Wegstrecke.

Wenngleich, wie vorstehend festgehalten, die vorgeschlagenen Navigationssysteme eine sehr große Genauigkeit aufweisen, besitzen sie doch den Nachteil, daß sie wegen der Verwendung eines Kreiselkompasses sehr teuer sind. Dieser beträchtliche Verteuerungsfaktor durch die Verwendung eines Kreiselkompasses soll nach der Erfindung unter Beibehaltung der Anforderung einer hohen Genauigkeit vermieden werden.

Das Steuerkurs- bzw. Navigationssystem nach der Erfindung ist gekennzeichnet durch eine erste Einrichtung zu einer ersten Anzeige der Entfernung des Fahrzeuges von seinem Ausgangs- oder Startpunkt, eine zweite Einrichtung zu einer zweiten Anzeige seiner Fahr- oder Bewegungsrichtung, eine erste Ausgleichseinrichtung, die der zweiten Einrichtung ein Signal zum Ausgleich der dauermagnetischen Störwirkung einer Magnetmasse, wie der Magnetmasse des Fahrzeuges, liefert und eine zweite Ausgleichseinrichtung, die der zweiten Einrichtung weiterhin ein Signnl zum Ausgleich der um das System bzw. in dem

BAD ORIGINAL 209 88 1/007 4

Fahrzeug konzentrierten, induzierten, magnetischen Störwirkung des magnetischen Erdfeldes liefert, so dall die zweite Anzeige im wesentlichen frei ist von jeglicher Störwirkung.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 eine schaubildliche Darstellung des erfindungsgemäßen

Navigationssystems in seiner Verwendung in Landfahrzeugen, Fig. 2 ein Blockdiagramm zur Darstellung der wesentlichen

Bauelemente des Navigations systems nach Fig. 1, Fig. 3 eine schaubildliche Darstellung des Ausgleichssystems zum

Ausgleich der magnetischen Störwirkungen, Fig. 4 bis 6

magnetische Vektordiagramme zur Ermöglichung einer genaueren Beschreibung des Erfindungsgedankens,

Fig. 7 eine schaubildliche Darstellung des Ausgleichsteuersystems,

Fig. 8 eine Darstellung der Bezugspunkte, die für die Eichung

benötigt werden, und
Fig. 9 eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen

Navigation s sy stems.

Wie eingangs bereits festgehalten, ist es für den Fahrer eines Landfahrzeuges von Bedeutung, in jedem Augenblick zu wissen, wo er sich

209881/0074

mit seinem Fahrzeug befindet und in welcher Himmelsrichtung er sich bewegt. Das Fahren eines Fahrzeuges über in eine Land- oder Straßenkarte eingezeichnete Straßen schafft keine Schwierigkeiten, solche Schwierigkeiten treten aber bereits auf, wenn das Fahrzeug über Straßen gefahren wird, die in der Straßenkarte nicht vermerkt sind. Wird das Fahrzeug über ein Gelände gefahren, welches überhaupt keine Straßen kennt, dann ist es für den Fahrer des Fahrzeuges von Wichtigkeit, in jedem Augenblick eine Bezugnahme zu seinem Ausgangspunkt zu kennen. Der Ausgange- oder Startpunkt tritt daher als Bezugsgröße auf.

Die Verwendung eines Kompasses zur Navigation eines Fahrzeuges hat nun die Fehlergrößen zu berücksichtigen, die durch die Metallmasse des Fahrzeuges bedingt sind. Auf den Kompaß wirkt also durch das Faheeug eine dauermagnetische Störung ein und daneben spielt auch noch die Störwirkung des magnetischen Erdfeldes eine Rolle, das sich P in der metallischen Magnetmasse des Fahrzeuges konzentriert und in

dieser eine induzierte Magnetwirkung hervorruft. Es ist ganz offensichtlich, daß diese Störwirkun'gen Ablenkungen der Kompaßnadel geben, was dann dazu führt, daß der Fahrer des Fahrzeuges niemals den wirklich genauen Aufenthaltsort seines Fahrzeuges kennt, er ist sich auch über die Fahrtrichtung seines Fahrzeuges im unklaren.

Mit der vorliegenden Erfindung werden nun die vorerwähnten Stör-

209881/007A IAD ORIGINAL

Wirkungen ausgeglichen. Der Ausgleich der durch das Fahrzeug erzeugten magnetischen Wirkung, d.h. der dem Fahrzeug innewohnenden dauermagnetischen und. induzierten magnetischen Störwirkung, erfolgt über eine Steuerkurs- Servoschleife, der Ausgleich ist, wie ohne weiteres erkennbar, dynamischer Natur, da er abhängig ist von dem Steuerkurs des Fahrzeuges. Für jedes Fahrzeug, bei welchem ein erfindungsgemäßes Navigationssystem Verwendung finden soll, müssen nun zuvor Messungen und Kalkulationen vorgenommen werden, von denen man dann annehmen kann, daß sie für alle Fahrzeuge der gleichen Gattung gleich sind.

Der vorliegenden Erfindung sind zahlreiche Versuchsreihen vorausgegangen, in welchen an verschiedenen Fahrzeugen mittels Magnetometern Messungen vorgenommen wurden, es wurde dabei herausgefunden, daß die magnetischen Eigenschaften eines Fahrzeuges repräsentiert werden können durch drei Paare von magnetischen Dipolen, die in Längs-, Breiten- und Vertikalrichtung des Fahrzeuges ausgerichtet sind und zwar als Folge des Dauermagnetismus und des induzierten Magnetismus von Stahl- und Eisenteilen, aus welt hen das Fahrzeug aufgebaut ist. Ist die in Fig. 1 dargestellte und nai hstehend näher beschriebene· Flux-Torschaltung und Masteinrichtung unmittelbar oder nahezu unmittelbar oberhalb des magnetischen Schwerpunktes des Fahrzeuges angeordnet, wobei dieser Schwerpunkt die Kreuzungsstelle dieser

209881/0074 ■» «wan«.

Dipole ist, dann ist die Störwirkung der dauermagnetiechen und der induzierten, vertikalen Dipole vernachläeeigbar klein und man erhält dann ein Ausgleichs signal folgender Art:

k£ A sin (0 - O ) + B sin 2

wobei ψ der Richtungswinkel bezüglich des magnetischen Nordpols ist und die Parameter A, O und B für die Amplitude bzw. die Ausgleiche phase für den Dauermagnet!emus bzw. die Ausgleichsamplitude für den induzierten Magnetismus stehen. Diese Parameter bestimmen sich nach dem jeweiligen Fahrzeugtyp, sie werden in das erfindungsgemäße Navigationssystem eingespeichert, wie dies an Hand der Fig. 8 und 9 noch näher zu beschreiben sein wird.

Der mehrfach erwähnte Ausgleich wird gemäß einer Aueführungsform des erfindungsgemäßen Navigationssyetems physikalisch mittels Funktionsdrehmeldern vorgenommen, deren Erregungssignale von regelbaren Spannungsteilern geliefert werden, die derart an die Funktionsdrehmelder angeschlossen sind, daß Änderungen der von dem Wechselrichter gelieferten Wechselspannung aufgehoben werden. Steuerknöpfe zum Regeln der Spannungsteiler , welche die Parameter A und B bestimmen, und zum Regeln des Phasenwinkels des sin <# - Funktionsdrehmelders, weh her den O Parameter bestimmt, sind an dem Computer und an der Anzeige dee Computers angebracht, die in Fig. 1 dargestellt sind. In dieser

BAD ORIGINAL 209881/0Q74

Fig. 1 ist mit der Bezugsziffer 10 ein Kompaß -Geber bezeichnet, der als solcher bekannt ist und unter dem Warennamen Fluxgate oder Fluxvalve vertrieben wird. Dieser Kompaß-Geber besitzt drei Spulen, in welchen je das magnetische Erdfeld eine Spannung induziert, so daß das magnetische Erdfeld genau bestimmt ist. Der Kompaß-Geber ist nun an einem Mast 11 festgelegt, er befindet sich bezüglich des Fahrzeuges unmittelbar oberhalb oder wenigstens in der Nähe von dessen magnetischem Schwerpunkt, wodurch, wie oben bereits festgehalten, die Störwirkungen des vertikalen Dipols reduziert werden. Der Mast 11 und der Kompaß-Geber 10 werden getragen von einer Platte 12, welche beispielsweise auf dem Dach des Fahrzeuges festgelegt werden kann. Der Mast kann eine Länge von etwa 1 m aufweisen, der Kompaß-Geber kann in einem besonderen Schutzgehäuse angeordnet sein, um ihn von Einflüssen der Außentemperatur oder von Erschütterungen zu schützen.

Der Kompaß-Geber 10 ist nun über ein Kabel 13 an den Computer 14 angeschlossen, welcher ein C - 2-Computer sein kann. In das Getriebe dieses Computers sind nun zwei Spannungsteiler-Stromkreise und zwei elektromechanische Funktionsdrfhmelder eingeschaltet, was noch näher an Hand der FMg. 3 zu beschreiben sein wird. Der Computer 14 isr über ein weiteres Kabel 15 an einen Kurs- und Ortungs-Anzeii;«- ν lt> angeschlossen, dieser Anzeiger lh kann identisch mit dem C-Z -Computer

14 sein, mit der Ausnahme, daß sein Ein-Aus-Beleuchtungsschalter abgewandelt ist zu einem Ein-Aus-Systemschalter.

Das erfindungsgemäße Navigationssystem kann seine Energie von der Batterie 17 des Fahrzeuges erhalten, die ihre Spannung über ein Kabel 18 an einen statischen Wechselrichter 19 abgibt, der dann über ein Kabel 20 den Computer 14 beaufschlagt.

Fig. 2 zeigt nun in größerem Detail in einem Blockdiagramm das vorstehend kurz beschriebene, erfindungsgemäße Navigationssystem. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Die 24-Volt-Batterie 17 ist über das Kabel 18 an den Wechselrichter 19 angeschlossen, der ein 26-V, 400 C/s-Wechselspannung-Umformer ist, dessen Ausgang über Leitungen 30 und 31 an die verschiedenen, in Fig. 2 dargestellten Einheiten angeschlossen ist.

Um eine erste Anzeige der von dem Fahrzeug von seinem Ausgangsoder Startpunkt zurückgelegten Entfernung zu erhalten, ist das Odometer Kabel des Fahrzeuges mechanisch über die Leitung 33 verbunden mit einer Antriebseinheit 34 mit veränderlicher Drehzahl, die eine v«·· Hand bedienbare Entfernungs-Rcgelsteuerung 35 besitzt. Die Antriebs einheit 34 beaufschlagt einen zwei Eingänge aufweisenden Kugel-Funk'ion s drehmelder (Ball resolver! 3d, der eine Eingang ist mit 37 und der andere

BAD ORIGINAL

k C :·. r-^c. ' η Q 7 4

Eingang ist mit 38 bezeichnet, über den Eingang 37 wird der Funktion β-drehmelder mit dem Entfernungewert gespeist, über den Eingang wird er gespeist mit dem Wert des Richtungswinkels. Ein Ausgang des Funktionsdrehmelders 36 speist einen Oet/West-Impulsgenerator 39, ein weiterer Ausgang speist .einen Nord/Süd-Impulegenerator 40. Der Oet/West-Impulegenerator 39 liefert über eine Leitung 41 ein Signal an einen Impuls-Teilstromkreis 42 und einen Motor 43, der einen Anzeiger 44 mit einer Ost /West-Einstellmöglichkeit 45 steuert. Der Impuls-Teilstromkreis 42 liefert über Leitungen 46,47,48 und 49 Signale an einen Landkarten-Skalen-Schalter 50. Dieser Schalter 50 erhält auch Signale über Leitungen 51 von einem zweiten Impuls-Teilstromkreis 52, der über eine Leitung 53 von dem Nord/Süd-Impulsgenerator 40 gespeist wird. Von der Leitung 53 ist eine Speise leitung für einen Motor 54 abgezweigt, der in gleichem Maße wie der Motor einen Anzeiger 55 mit einer Nord/Süd-Koordinaten-Einstellmöglichkeit 56 aufweist, auch der Anzeiger 55 ist an den Impuls-Teilstromkreis über eine Verbindungsleitung 57 angeschlossen.

Ausgänge des Schalters 50 sind nun über Leitungen 60 und 61 an Endschalter 62 und 63 angeschlossen, die untereinander über Leitungen 64 und 65 in Verbindung stehen. An den Endschlater 62 ist über eine Leitung 67 ein die Grenze der Landkarte zur Anzeige bringender Grenzwarner 66 angeschlossen, welcher dem An7.eifi,e.r 16 zugeordnet ist.

209881 /007 4 BAD ORIGINAL

Die Endschalter mit ihren Stromkreisen bilden gewöhnlich eine Aufzeichnungseinheit, die im gleichen Gehäuse wie die Steuerkurs- und Ortungsanzeigevorrichtung untergebracht ist, sie befindet eich also gleichfalls in dem Computer 16 nach Fig. 1

Der Endschilter 62 speist nun Stellschalter 68 und der Endschalter 63 speiet Stellschalter 69. In Fig. 2 B ist angedeutet, daß die Stellschalter 68 und 69 je zwei Druckknöpfe zur Einstellung der Ost/West- bzw. der Nord/Süd-Richtung umfassen. Die Ausgänge der Stellschalter 68 und 69 speisen Motoren 70 und 71, die untereinander über 72 und 73 mechanisch verbunden sind und die einen Richtungs-und Ortungsanzeiger 74 steuern. Dieser Anzeiger 74 wird auch von einem Synchron-Steuertransformator 76 über 75 mechanisch beaufschlagt und gleichfalls von einem Servo-

Motor motor 77, wobei zwischen Transformator 76 und/77 ein Verstärker 78 zwiechengeschaltet ist. Der Transformator 76 und der Motor 77 werden über Leitungen 80 und 81 mit Signalen des Computers 14 gespeist, diese Signale speisen auch einen Synchron-Empfänger 82, welcher zwiechen die Leitungen 80 und 81 geschaltet und in dem Anzeiger 16 angeordnet ist.

Weitere Einzelheiten hinsichtlich des Aufbaus und der Wirkung der mit dem Kugel-Funktionsdrehmeiderβ 36 verbundenen Einheiten können dem oben erwähnten Aufsatz von E.Wall in der Zeitschrift "Navigation" entnommen werden. Die vorliegende Erfindung befaßt sich nun jedoch

2Ό9881/0074 BAD ORIGINAL

mit einer Verbesserung dieses vorbekannten Systems,und diese Verbesserung ist dem Schaltungsaufbau des Computers 14 zu sehen.

Der Erfindungsgedanke ist in der Einschaltung des Kompaß-Gebers 10 in die Schaltungselemente des Computers 14 zu sehen. Der Ausgang, des Kompaß-Gebers 10 ist gemäß Fig. 2 A über eine elektrische Leitung 32 an einen Steuertransformator 90 angeschlossen, welcher eine manuelle Regelsteuerung 91 für die Richtung über eine elektrische Verbindung 92 besitzt. Der Ausgang des Steuertransformators 90 speist einen Verstärker 63, dessen Ausgang über eine Verbindung 94 an einen Servomotor 95 angeschlossen ist, der einen Synchron-Geber 96 in bekannter Art und Weise steuert, um an die Leitung 81 ein Signal abzugeben. Der Servomotor 95 steuert über 97 mechanisch den Steuertransformator 90, er steuert mechanisch aber auch über 98 und 99 einen sin 2 0 -Funktionsdrehmelder 100 und einen ein (<jf - O )-Funktiontf«-, drehmelder 101 , dessen Wirkung nunmehr zunächst beschrieben wird. Der ein (0-O) - Funktionsdrehmelder 101 ist mit einer mechanischen Steuerregelung 102 versehen, und die Ausgänge beider Funktionsdrehmelder 100 und 101 speisen je einen Phasenausgleicher 102 bzw. 103 mit einer "B"- bzw. "A"-Steuerregelung 104 bzw. 105. Die Ausginge der Phasenausgleicher 102 und 103 speisen über eine gemeinsame Leitung 106 den Verstärker 93, so daß dieser Verstärker eine Art Rückkoppelung besitzt.

209881/007/»

Der Verstärker 93 ist auch in Fig. 3 zu sehen, die in größerem Detail den vorstehend kurz beschriebenen erfindungsgemäßen Schaltplan zeigt. Der Kompaß-Geber 10 weist erkennbar drei Spulen 110, 111 und 112 auf, in denen Spannungen des magnetischen Erdfeldes induziert werden. Das magnetische Erdfeld wird also durch diese drei Spulen in bekannter Art und Weise genau bestimmt. Gleichfalls in bekannter Art und Weise werden über Anschlußklemmen 113 und 114 und Dioden 115 und 116 drei weitere Spulen 117, 118 und 119 mit einer Spannung bei 400 C/s gespeist. Die Spulen 110, 111 und 112. sind an Spulen 120, 121 und 122 des Steuertrans for mat or a 90 angeschlossen. Die manuelle Regelung 91 dieses Steuertransformators 90 ist eine Magnet- und Gitter-Deklinations- Regelung (magnetic and grid declination adjustment).

Ein Ausgang des Steuertraneformators 90 wird durch eine Spule 123 erhalten, diener Ausgang fpeiat Ubeweine Verbindung 124 einen 400 C-Filter 125 und schlieftUch den Verstärker 93 unter Zwischenschaltung einer Drücke

126. «Der Ausgang des Verstärkers 93 steuert einen Zweiphaeen-Servo motQf'1?7, an de*4en Anschlußklemme 128 eine 400 C/s - Phase angelegt ist. Dieser Servomotor 1 ^bewirkt eine Drehung des Zahnrades 128 eines Zahnradtriebes, der auch Zahnräder 129 und 130 umfaßt, das Zahnrad

129 besitzt den gleichen Durchmesser wie das Zahnrad 128, das Zahnrad

130 besitzt demgegenüber nur den halben Durchmesser. Der Servomotor 127 ist aber auch über 131 mechanisch mit dem Steuertransformator 90

BAD ORIGINAL 209881/007A

verbunden.

Das Zahnrad 129 ist mechanisch verbunden mit dem Funktionsdrehmelder 101, der mit einer Spule 132 versehen ist, die über Anschlußklemmen 133 und 134 mit einer 400 C/e-Spannung gespeist wird. Die manuelle Regelung 102 trägt ein Rad 13 5, wodurch der Funktionsdrehmelder 101 in Übereinstimmung mit dem Winkel O eingeregelt werden kann. Da dieser Funktionsdrehmelder auch mit dem Zahnrad 129 mechanisch verbunden ist, und daher in Abhängigkeit von dem Winkel 0 gedreht wird, arbeitet er nach der Funktion sin (0-O). Eine Spule 136 deß Funktionsdrehmelders 101 liefert ein Ausgangssignal an den Phasenausgleicher 103. Der Ausgang dieses Phasenausgleichers 103 wird an ein Potentiometer 140 abgegeben, in welchem Zusammenhang erkennbar sein wird, daß die "A" - Regelung 105 eine veränderliche "Abgreif"-Regelung des variablen Widerstandes 140 ist. Der Ausgang des Funktionsdrehmelders 101 ist dann über eine Leitung 141 an eine Leitung 142 angeschlossen, an welche auch die Leitung 148 des anderen Funktionsdrehmelders 100 angeschlossen ist.

Der Funktionsdrehmelder 100 arbeitet nach der Funktion sin 2 Q), er ist mechanisch über 143 mit dem Zahnrad 130 verbunden. Der Funktionsdrehmelder 100 besitzt eine Spule 144, die über Anschlußklemmen 145 und 146 mit einer 400 Ο/β-βραηηυημ beaufschlagt wird. Ein Ausgang dieses Funktionedrehmelders wird erhalten über eine Spule 142, welche über den

209881/0074

Phasenausgleicher 102 ein Potentiometer 148 speist, das über 104 zum Erhalten dei Steuergröße "B" manuell abgegriffen wird. Die Leitung 142, an welche die Ausgangsleitungen 141 und 148 der Funktionsdrehmelder 101 und 100 angeschlossen sind, speist den Verstärker 63 über die Brücke 126. Das Schaltbild der Fig. 3 läßt somit erkennen, daß der Verstärker 93 eine Rückkoppelung erhält über den Zweiphasen-Servomotor 127, das Zahnradgetriebe 128, 129 und 130 und die Funktionsdrehmelder 101 und 100, die nach der Funktion sin (0-O) bzw. sin 2 0 arbeiten.

Die manuellen Regelungen 102, 104 und 105 sind für ein Fahrzeug gedacht, sie dienen dem Ausgleich der durch die magnetische Masse dieses Fahrzeuges hervorgerufenen dauermagrietischen und induziert-magnetischen Störwirkung. Es ist ohne weiteres erkennbar, daß gemäß dem Schaltplan nach Fig. 3 das erfindungsgemäße Navigationssystem eine erste Ausgleichseinrichtung umfaßt, die ein Signal zum Ausgleich der dauermagnetischen Störwirkung der Magnetmasse des Fahrzeuges liefert, und eine zweite Ausgleichseinrichtung, die ein Signal zum Ausgleich der in dem Fahrzeug konzentrierten, induzierten magnetischen Störwirkung des magnetischen Erdfeldes liefert. Diese Schaffung eines Ausgleiches ermöglicht erst eine genaue Anzeige der Richtung, in welcher das Fahrzeug sich bewegt, was noch klarer wird an Hand der theoretischen Überlegungen , die nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 4 bis 7 näher dargelegt werden.

BAD ORIGINAL 209881/0074

Jedes Navigationssystem mit einem magnetischen Steuerkurs-Anzeiger ist einer durch das magnetische Feld des Fahrzeuges hervorgerufenen Fehlerquelle ausgesetzt. Die Größe und Ausrichtung dieses Störfeldes hängt ab von dem Steuerkurs des Fahrzeuges und von der geographischen Breite, in welcher sich das Fahrzeug bewegt. Über zahlreiche Untersuchungen und Messungen wurde nun herausgefunden, daß das Störfeld sich aus zwei Komponenten aufbaut, nämlich einer unveränderlichen Komponente, die dem Fahrzeug bei dessen Bau aufgegeben wird und einer veränderlichen Komponente, die durch den durch das magnetische Erdfeld hervorgerufenen induzierten Magnetismus bestimmt ist. Das erfindungsgemäße Navigationssystem vermag nun diese beiden Komponenten auszugleichen, es ist gegenüber dem vorbekannten Navigations system wesentlich billiger und es arbeitet mit einer Genauigkeit von + 1 %.

Messungen des magnetischen Feldes an Punkten in der Nähe der Karosserie' eines Fahrzeuges zeigen eine sehr geringe Korrelation in Größe oder Richtung auf Grund der unregelmäßigen Orientierung der Karosserieaufbauten des Fahrzeuges. Die Untersuchungen haben nun aber ergeben, daß das Feld in einem Abstand von etwa 100 cm vom Fahrzeug einheitlicher ist und dabei einem Feld gleicht, welches aus zwei Dipolen bestimmter Stärke und Winkelaue richtung erzeugt sein könnte, wobei diese Dipole im Innern des Fahrzeuges liegen. _tDer eine Dipol würde dabei die dauermagnetische Komponente des magnetischen Feldes des Fahrzeuges erzeugen, er wäre

209 88 1/007 4

in seiner Größe und Lage genau bestimmt, der andere Dipol würde sich in seiner Stärke und seiner Ausrichtung in Abhängigkeit von der Stärke und der Ausrichtung des magnetischen Erdfeldes ändern.

Um eine mathematische Analysierung zu erleichtern, kann jeder dieser beiden Dipole, nämlich der dauermagnetische und der induzierte Dipol, durch drei Dipole dargestellt werden, die ein räumliches Koordinatensystem bilden. Aus Fig. 4 ist in diesem Zusammenhang entnehmbar, daß diese drei Dipole sich in einem Punkt kreuzen, welcher den magnetischen Schwerpunkt des Fahrzeuges darstellt. Zwei der Dipole liegen in einer horizontalen Ebene, die annäherungsweise in der Ebene des Fahrzeugchassis liegt, der dritte Dipol steht auf dieser Ebene senkrecht. Eine Korrelation zwischen den wirklichen Feldmessungen an einem Fahrzeug und den Berechnungen über ein Modell mit seche Dipolen konnte bestätigen, daß man hier von zutreffenden Voraussetzungen ausgeht. ψ Für die Praxis kann man nun davon ausgehen, daß die Achsen der beiden

vertikalen Dipole, nämlich des dauermagnetischen und des induzierten Dipole, zusammenfallen. .Wird also der Kompaß-Geber in der Achse dieser Dipole angeordnet, dann üben deren Felder keine Störwirkung auf das Instrument aus, d.h. nur die horizontalen Dipole müssen als Störgrößen berücksichtigt werden.

Geht man nun davon aus, wie vorstehend festgehalten, dall der Kompad-

20988 1 /007 A bad original

Geber in der vertikalenDipolachse angeordnet ist, dann kann man die durch das dauermagnetische Feld des Fahrzeuges hervorgerufene, als Fehlerquelle zu berücksichtigende Störgröße wie folgt definieren:

Unter Bezugnahme auf Fig. -5 sei angenommen, daß der Vektor H die horizontale Komponente des magnetischen Erdfeldes repräsentiere, der Vektor H soll die horizontale Komponente des dauermagnetischen Feldes des Fahrzeuges im Kompaß-Geber repräsentieren. Der resultierende Vektor in der Richtung H ist dann

H-H cos (0 - O ), P

wobei 0 und O die Winkel zwischen der Fahrtrichtung des Fahrzeuges

und H bzw. H sind. Die rechtwinklig zur Richtung H stehende FeId-P

komponente stellt sich dann dar als

H sin (0 - O ). P

Damit ergeben sich aber für den Fehlerwinkel

j' H_n sin (0 -O)

folgende Gleichungen:

tg

H - H cos P

(A sin (0 - Q )

(1 - A cos (0 - O)

mit A =

H H

— tg "* (

0 — tg "* ( A sin (0 - O )

Pu. J

mit

Δ*.

-TU

A sin (0 - Q ) rad. ( Λ^ 0 klein)

209881/0074

Im folgenden werden nun die Gleichungen für die durch das induzierte Feld des Fahrzeuges hervorgerufene Fehlerquelle hergeleitet, auch hier wird davon ausgegangen , daß der Kornpaß-Geber in der vertikalen Dipol-

achse angeordnet ist. Unter Bezugnahme auf Fig. 6 kann von der Voraussetzung ausgegangen werden, daß das magnetische Erdfeld eine horizontale Komponente in Richtung der Längsachse des Fahrzeuges erzeugt, diese Horizontalkomponente induziert mit der zugeordneten Querkomponente

die zwei Dipole S₁N und SN einer Größe M bwz. M „. Für kleine * 1 Δ c L W

Feldstärken kann nun von der Voraussetzung ausgegangen werden, daß der induzierte Magnetismus proportional zur Feldstärke ist, nämlich:

M. = k H cos 0
L 1

^Mw ^{= 4}S ^{H 8in} $

In diesen Gleichungen sind k und k Konstante, die abhängig sind von

1 Ct

der Permeabilität und den Querschnittsflächen der Metallteile des Fahrzeuges in zwei Richtungen.

Die Stärken der horizontalen Feldkomponenten, die sich aufbauen aus Längs- und Quer-Komponenten und die von diesen Dipolen in einem Punkt der Achse des vertikalen, induzierten Dipoles erzeugt werden, lassen eich durch folgende Gleichungen erfassen:

/\ ^H _TT. ^=k,^kV ^{H cos} ^

A ^H _IW = ^k2^k4· ^{H si}

BAD ORIGINAL

209881/0074

In diesen Gleichungen sind k und k Konstante, die durch die Entfernung der Enden der Dipole bestimmt sind.

Diese horizontalen Feldstärken lassen sich aber auch durch die beiden folgenden Gleichungen erfassen:

/^ H_IL - K₁H cos 0 Λ ^HIW ^{= K}2^{H Sin 0}

Die resultierende Feldkomponente in einer quer zu H liegenden Richtung läßt sich nun durch folgende Gleichung darstellen: Λ H_rT = H . (K₁ -K,) sin 0 cos

- H. B. sin 20, mit B = 1 Il (K -K)

= 1/2 (K₁U₃ - k₂k₄)

Die resultierende Feldkomponente in der Richtung H läßt sich dann durch folgende Gleichung erfassen:

H _/7 = H . (K₁ cos² 0 f K₂ sin² 0)

Wegen der vorstehenden Gleichungen läßt sich folglich der Fehlerwinkel der Ausrichtung wie folgt darstellen:

Für die Praxis gilt: H V> H , _f

und /^ 0j ·μ (B sin 2 0 )

/N₁ 0 r{Ib B sin 2 0 rad ( {_\ 0 klein).

209881 /007A bad original

Somit ist nachgewiesen, daß die durch das induzierte Feld hervorgerufene Fehlerquelle unabhängig ist von H, sie hängt aber ab.von der Permeabilität und den Dimensionen des Fahrzeuges und außerdem von dem Ort der Messung und von der Fahrtrichtung des Fahrzeuges.

Die'vorstehend gegebene Analyse zeigt, daß dann, wenn man den Kompaß-Geber in der Achse des vertikalen Dipols bzw. in dessen Nähe anordnet, der durch das Feld des Fahrzeuges bewirkte Abweichungswinkel dargestellt werden kann durch folgende Gleichung:

0_T = A sin (0 - O) +B sin 2 0,

wobei 0 der Richtungswinkel des Fahrzeuges ist und A, B und O Konstante darstellen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Ausgleich der Abweichung der Kompaßnadel ist nun darin zu sehen, daß man Spannungen erzeugt, die proportional zu sin (0-O) und sin 2 0 sind. Diese Spannungen addiert man mit dem Signal des Kompaß-Gebers, welches proportional zu 0 + /^0_Τ ist in einer Ortungs-Servoschleife, die an Hand der /Fig. 3 beschrieben wurde.

Der Kompaß-Geber ist etwa 100 cm oberhalb des magnetischen Schwerpunktes des Fahrzeuges angeordnet und er wird mit 400 C/s erregt. In jedem Arm des Kompaßgebers werden Spannungen induziert, die

209881/0074 BAD original

proportional den Komponenten des magnetischen Erdfeldes sind, diese Spannungen werden in einen Steuertransformator eingespeist, der ein inneres Feld erzeugt, dessen Richtung identisch mit dem Feld des Kompaß-Gebers ist. Der Rotor des Steuertransformators demoduliert eine Fehlerspannung, die sich darstellt als Unterschied zwischen der Feldrichtung und der Winkellage ^ der Abtriebswelle des Servomotors. Diese Fehlerspannung wird addiert mit .zwei Spannungen der Ausgleichs- Funktionsdrehmelder, deren Lage gleichfalls durch den Servomotor bestimmt wird, mit den so addierten Spannungen wird der Verstärker gespeist. Vorausgesetzt, daß nun die Ausgleichsschleife genau ausgelegt ist, d.h. vorausgesetzt, daß die Konstanten O , A und B genau eingesteuert sind, dann wird der Servomotor die wahre Richtung der horizontalen Komponente des magnetischen Erdfeldes zu Null ausgleichen.

Wenn der Servomotor zu Null ausgeglichen ist, dann gilt gemäß Fig. 7

= k

₅ (0_r -λ ) .

wobei k die Ubergabefunktion (Volt/rad) des Steuertransformators darstellt, von welcher man annimmt, daß sie im Nullbereich konstant ist, /^ ist die Winkelausrichtung des Servomotors und 0 ist die Richtung des gestörten, magnetischen Erdfeldes bezüglich der Achse des Fahrzeuges.

Es gilt aber auch die Beziehung:

209881/007 4 _8ad ^.

= 0 - [A sin (0 - O ) + B sin 2 0,T

wobei A, B und O die gleichen, oben bereite erwähnten Konstanten sind. let c=D ein (/ - (A) + E ein 2 A.

wobei D und E die Amplituden der beiden Ausgleichekomponenten sind und OC ein Phasenwinkel, der ein Gleichgewicht schafft, dann ist •k₅ 0 [{ A sin (0 - Θ) + B sin 2 0) - Λ J = - D sin ( X - W) - E sin 2 X .

Aus der Symmetrie der Gleichung kann erkannt werden, dafl der Servomotor den wahren Richtungswinkel (/\. = 0 ) gibt, wenn D = k₅A

E = k₅B
und & - O ist.

Die dynamische Analyse des Systems hat demzufolge dai Ergebnis gebracht, daß dann, wenn D, E und der Winkel c\ auf diese Werte eingeregelt werden, der Steuerkurs- Anzeiger in der horizontalen Komponente H de» magnetischen Erdfeldes ausgerichtet ist. In der Praxis wird es vorgezogen, die Steuer» schleife des Servomotors zu eichen, so daß die Konstanten A und B dem System eher eingegeben werden als die Konstanten D und E.

Im folgenden wird kurz darauf hingewir-sen, wie einfach es in der Praxis iet, die drei Konstanten A, B und Q in das System einzubringen:

209881/0074

BAD

(a) Das Fahrzeug ist in Richtung des magnetischen Nordpols auezurichten, so daß seine Achse parallel zu dem unabgelenkten magnetischen Erdfeld liegt. Die Steuerungen A und B sind auf Null einzustellen, was gleichbedeutend ist mit keinem Ausgleich.

(b) Messe den Richtungsfehler J^ 0 .

(c) Drehe das Fahrzeug um genau 90 , so daß es nunmehr nach dem Osten ausgerichtet ist.

(d) Messe den Richtungsfehler _u\ 0 .

-1 Λ fe) Speise den Computer mit O -- tg "·"*

/3

(f) Speise den Computer mit Λ - [ *.) 0> _M = ^_\

(g) Regle die O - und A-Steuerungen auf geeignete Werte ein.

(h) Drehe das Fahrzeug gen.iu um 45 , so daß es in Nord-Ost-Richtung

ausgerichtet ist.
(j) Regle die Amplitude der B-Steuerung (sin 2 0 -Korrektur) auf den Nullfehler ein.

(k) Korrigiere den Steuerkurs-Anzeiger unter Zuhilfenahme der In formationen-einer Landkarte hinsichtlich der Fehler der Magnet- und Gitterabweichung

Die vorstehende Beschreibung des erfindungsgemä'ßen Navigationssystems bezieht sich auf dessen Verwendung in einem Fahrzeug, wobei keine Festlegung auf dessen Typ zu erfolgen hat, denn wenn einmal die notwendigen Berechnungen der magnetischen Masse des Fahrzeuges erfolgt

BAD ORIGINAL 209881/0074 ^U

sind, dann kann ohne weiteres die erforderliche Auegleichsregelung durchgeführt werden. Nur für solche Sonderfälle, bei welchen in der Nähe des Navigationssystems innerhalb eines Fahrzeuges eine große Menge eisenhaltigen Metalls vorhanden ist, sollten Versuchemessungen durchgeführt werden, um damit sicher zu gehen, daß die Genauigkeit des Systems nicht beeinträchtigt wird. Versuchsreihen haben diesbezüglich gezeigt, daß das erfindungsgemäße Navigationssystem auch dann mit der erforderlichen Genauigkeit arbeitet, wenn das Fahrzeug mit einer beachtenswerten Menge solcher Materialien beladen ist.

In Fig. 9 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Navigationssystems schematisch dargestellt. Dieses Ausführungsbeispiel entspricht im wesentlichen dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 bis 3, eine Unterscheidung ist lediglich darin zu sehen, daß der Kompaß-Geber durch zwei Spulen 150 und 151 ersetzt ist, die in einem Winkel von 90 zueinander angeordnet sind und eine gemeinsame Achse besitzen und die auf einem mittels eines Servomotors 153 drehbaren Mast 152 angeordnet sind. Der Ausgang der magnetischen Fühlspulen 150 und 151 ist unmittelbar an den Verstärker 93 angeschlossen ohne Zwischenschaltung eines dem Steuertransformator 90 nach Fig. 1 entsprechenden Steuertransformators. Der Servomotor 127 ist über 1^4 mechanisch verbunden mit einem Zahnrad 155, welches den Servomotor 153 antreibt. Dieses Navigationsaystem arbeitet wie folgt.

209881/007 A tAD original

Ist die Summe der Signale von den beiden Spulen 1 50 und 1 51 und von den Signalen der beiden korrespondierenden Fuxfctionsdrehmelder 100 und 101 Null, dann dreht sich der Servomotor 127 nicht. Ist jedoch diese Summe der Signale nicht Null, dann wird die resultierende Spannung durch den Servoverstärker 9.3 verstärkt und der Servomotor 127 wird zum Drehen gebracht, wodurch auch die beiden Funktionsdrehmelder und 101 und folglich der Mast 152 gedreht wird. Der Mast 152 wird nun so lange gedreht, bis die Summe der Signale zu Null wird, in diesem Fall ist dann der magnetische Nordpol ausgepeilt.

209881 /007 A *^AD

Claims (5)

PATENTANSPRÜCHE

1. Steuerkurs- bzw. Navigation β sy stern mit Beeugsgröle für ein bewegliches Objekt, insbesondere für ein Fahreeug, gekennzeichnet durch eine erste Einrichtung zu einer ersten Anzeige der Entfernung dee Fahrzeuges von seinem Ausgange- oder Startpunkt, eine zweite Einrichtung zu einer zweiten Anzeige seiner Fahrt- oder Bewe gun ge richtung, eine erste Ausgleichseinrichtung, die der zweiten Einrichtung ein Signal zum Ausgleich der dauermagnetischen Stör- wirkung einer Magnetmasee, wie der Magnetmasse des Fahrzeuges, liefert, und eine zweite Ausgleichseinrichtung, die der zweiten Einrichtung weiterhin ein Signal zum Ausgleich der um das System bzw. in dem Fahrzeug konzentrierten, induzierten, magnetischen Störwirkung des magnetischen Erdfeldes liefert, so daß die zweite Anzeige im wesentlichen frei ist von jeglicher Störwirkung.

2. Steuerkurs- bzw. Navigationssystem nach Anspruch I₁ gekennzeichnet durch e inen im wesentlichen vertikal oberhalb des magnetischen Schwerpunktes des Fahrzeuges angeordneten magnetischen Taster, der nach Auffindung der Richtung des magnetischen Erdfeldes ein Signal abgibt, mit welchem ein Verstärker zur Steuerung eines Servomotors gespeist wird, der seinerseits ein Zahnradgetriebe zur Steuerunii eines ersten un<) eines zweiten

209881 /0074

BAD ORIGINAL

Funktionsdrehmelders antreibt, wobei der erste Funktionsdrehmelder ein sin (Qf- O ) proportionales und der zweite Funktionsdrehmelder ein sin 2 0 proportionale· Ausgangssignal mit 0 al· dem Richtungswinkel des Fahrzeuges gegenüber dem magnetischen Nordpol und O als der Ausgleichsphase für die durch die Magnetmasse des Fahrzeuges bewirkte dauermagnetische Störwirkung liefern, welche in den Verstärker als Rückkopplung*spannung zum Ausgleich der durch die Magnetmasse des Fahrzeuges bewirkten dauermagnetischen Störwirkung und der in dem Fahrzeug konzentrierten, induzierten· magnetischen Störwirkung des magnetischen prdfeldes eingespeist werden.

3. Steuerkurs- bzw. Navigationssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als magnetischer Taster ein magnetischer Kompaß verwendet wird, der an einem sich Über das Fahrzeug erhebenden Mast angeordnet ist.

4. Steuerkura- bzw. Navigationssystem nach-Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daA als magnetischer Taster zwei rechtwinklig zueinander angeordnete Spulen verwende^werden, die an einem sich über das Fahrzeug er hebend eft Mast angeordnet sind.

5. Steuerkurs- bzw. Navigationssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dafl der Mast drehbar ist.

209 08 1/007 4 BAD ORBlMM,