DE1773508B2 - Navigationsinstrument zum bestimmen der position eines fahrzeugs - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Navigationsinstrument zum Bestimmen der Position eines Fahrzeugs mit einem Kurs- und Positionsrechner einer Geschwindigkeits- bzw. einer Wegmeßeinrichtung und mit einem mit einer Korrekturvorrichtung für den durch die Verzerrung des Erdmagnetfeldes in Fahrzeugnähe verursachten Kursfehler versehenen, elektromagnetischen Kompaß, der eine außerhalb des Fahrzeugs angeordnete Magnetfeldsonde für die Horizontalkomponente des Erdmagnetfeldes aufweist, die mit zueinander winkelversct/t angeordneten Spulen versehen ist. deren elektrische Ausgangssignale über eine einen Verstärker umfassende Übertragungseinrichtung einer Servosteuerung zngeführt sind, die getrieblich mit einer Funktions-Drermeldereinrichuing verbunden ist.

Es ist bereits bekannt, mit Hilfe von Navigationseir.-

s.s richtungen Fahrzeuge, insbesondere Militärfahrzeuge wie Jeeps und Tanks, ohne Zuhilfenahme von Ortungspunkten, sei es, daß diese beispielsweise bei Nacht oder Nebel nicht sichtbar sind, sei es, daß die Landschaft keine solchen aufweist, unter Kenntlichmachung des jeweiligen geografischen Aufenthaltsortes zu bewegen.

Eine Art dieser bekannten Navigationseinrichtungen (Zeitschrift »Journal of the institute of Navigation« [USA] — »Navigation«, Band 12, Nr. 1, Frühjahr 1965, Seiten 77-89, und Zeitschrift »Control Engineering«, März 1962, Seiten 115-117) arbeitet mit einem Rechner, einer Kursanzeige- und Ortungsvorrichtung, einer die jeweilige Position des Fahrzeugs registrierenden Aufzeichnungseinheit, einer Steuerkursanzeigevorrichtung, einem Kreiselkompaß und einer Energieversorgungseinrichtung. Mit Hilfe dieser Einrichtung wird die genaue geographische Position des Fahrzeugs und dessen Fahrtrichtung errechnet. Als Steuergrößen dienen die von einem Wegmesser gemessene, von dem Fahrzeug zurückgelegte Wegstrecke und deren Richtung, welch;: dem Fahrzeug zurückgelegte Wegstrecke und deren Richtung, welche von dem die Anpeilung des wahren Nordpols gewährleistenden Kreiskompaß erhalten wird. Bei dem Rechner handelt es sich um einen sehr genauen mechanischen Analogrechner, welcher die Wegstrecke- und Wegrichtung-Steuergrößen in elektrische Ausgangssignale umwandelt, welche die Ost/West- und Nord/Süd-Bewegung des Fahrzeugs darstellen. Diese Signale werden im Rahmen der Steuerkursanzeigevorrichtung als Kartenbezugspunkte zur Abbildung gebracht, eine Grad-Skalenlehre zeigt die Fahrtrichtung an. Über eine Aufzeichnungseinrichtung läßt sich ein kontinuierliches Bild von der Position und Fahrtrichtung des Fahrzeugs in der Landschaft gewinnen. Die Aufzeichnurigseinrichtung kann derart gestaltet sein. daß die Anzeige auf einer Landkarte sichtbar wird. Solche Navigationseinrichtungen ergeben bei Verwendung in Landfahrzeugen eine Genauigkeit von ±1% der zurückgelegten Wegstrecke.

Diese mit einem Kreiselkompaß arbeitenden Navigationseinrichtungen arbeiten zwar mit einer hohen Genauigkeit, sie sind jedoch wegen der Verwendung eines Kreiselkompasses sehr aufwendig.

Navigationsinstrumente der eingangs genannten An (Zeitschrift »Interavia«, 1965, Heft 2, Seite 171. mittlere Spalte, untere Hälfte, bis Seite 172. linke Spalte. Mitte, und US-PS 21 22 841) arbeiten mit einem magnetischen Kompaß, der zwei Magnetsonden aufweist, um die durch die magnetische Masse des Fahrzeugs bedingten permanenten und induzierten Störfeldgrößen zu kompensieren. Zu diesem Zweck sind die zwei Magnetfeldsonden in unterschiedlichem Abstand von dem Fahrzeug an diesem angeordnet, und zwar an Punkten, an denen die störenden Felder im wesentlichen ein konstantes Verhältnis aufweisen und unter Beachtung aller vernünftigen Bedingungen der Magnetisierung des Fahrzeugkörpers parallel zueinander verlaufen. Aus den Ausgangssignalen der beiden Magnetfeldsonden wird ein Signal für die Speisung eincj Richtungsanzeigers und für die Kompensation der Störgrößen gewonnen. Diese Anordnung führt aber nicht immer zu befriedigenden Ergebnissen. Bei Fahrzeugen mit drehbaren magnetischen Störmassen, wie Turm und Geschütz eines Panzers, benutzt man daher wieder den teueren Kreiselkompaß (Zeitschrift »Interavia«, a.a.O., Seite 171. rechte Spalte. Ende des ersten Absatzes).

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Navigationsinstru-

■nent der eingangs genannten Art zu schaffen, das mit sinem preiswerten magnetischen Kompaß mit hoher Genauigkeit arbeitet, ohne daß aufgrund der Art des Fahrzeugs Beschränkungen in der Anwendung gegeben sind.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Magnetsonde als Kompaß-Geber an einem Mast wenigstens 100 cm über dem Fahrzeug und vertikal über dem Scheitelpunkt der die magnetische Masse des Fahrzeugs darstellenden Dipole angeordnet ist und daß die Funktions-Drehmeldereinrichtung aus zwei Funktionsdrehmeldern besteht, deren einer ein Ausgangssignal proportional dem Sinus vom Zweifachen des SteUiirkurswinkels Φ des Fahrzeugs in bezug auf den magnetischen Nordpol und deren anderer ein Ausgangssignal proportional dem Sinus aus der Differenz zwischen dem Steuerkurswinkel Φ und dem Winkel θ des durch die magnetische Fahrzeugmasse bedingten permanent magnetischen Slörgrößenvektors in bezug auf die Fahrzeugiängsachse ist, welche Ausgangssignale jeweils über einstellbare Spannungsteiler dem Verstärker als Rückkopplungsspannung zur Kompensation der durch das auf das Fahrzeug einwirkende Erdmagnetfeld induzierten Magnetstörgröße und der durch die magnetische Masse des Fahrzeugs bedingten permanent magnetischen Störgröße zugeführt sind.

Durch die erfindungsgemäße besondere räumliche Anordnung der Magnetfeldsonde ist die Störwirkung der dauermagnetischen und der induzierten vertikalen Dipole vernachlässigbar klein. Es genügt demnach, die horizontale Komponente des gestörten örtlichen Erdmagnetfeldes zu erfassen, was zu einem entsprechend einfachen Ausgangssignal führt, mit dessen Hilfe über zwei Funktions-Drehmelder die Kompensation der Störfelder des Fahrzeugs erreicht wird. Die Kompensation solcher Störfelder ist aus der US-PS 29 09 846 an sich bekannt, wobei jedoch zusätzliche magnetische Körper vorgesehen werden.

In einer abgewandelten Ausführungsform weist die Magnetfeldsonde zwei mit etwa rechtwinklig zueinander verlaufenden Spulenebenen in gemeinsamer Achse angeordnete Spulen auf. die an einem drehbar angeordneten Mast gehalten sind.

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

Fig. 1 eine schaubildliche Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels in seiner Verwendung in Landfahrzeugen,

Fig. 2A, 2B ein Blockdiagramm zur Darstellung der wesentlichen Bauelemente des Ausführungsbeispiels nach Fi g. 1,

Fig. 3 eine schaubildliche Darstellung der Ausgleichsvorrichtung zum Ausgleich der magnetischen Störwirkungen,

Fig. 4 bis 6 magnetische Vektordiagramme zur Erläuterung des Erfindungsgedankens,

Fig. 7 eine schaubildliche Darstellung der Ausgleichsvorrichtung,

F i g. 8 eine Darstellung der Bezugspunkte, die für die Eichung benötigt werden, und

F i g. 9 ein weiteres Ausführungsbeispiel.

Es ist für den Fahrer eines Landfahrzeugs von Bedeutung, in jedem Augenblick zu wissen, wo er sich mit seinem Fahrzeug befindet und in welcher Himmelsrichtung er sich bewegt. Das Fahren eines Fahrzeugs 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 Fahrzeugs von Wichtigkeit, in jedem Augenblick eine Bezugnahme zu seinem Ausgangspunkt zu kennen. Der Ausgangs- oder Startpunkt tritt daher als Bezugsgröße auf.

Bei Verwendung eines Magr.etkompasses zur Navigation eines Fahrzeugs sind die Fehlergrößen zu berücksichtigen, die durch die Metallmasse des Fahrzeugs bedingt sind. Auf den Magnetkompaß wirkt durch das Fahrzeug eine dauermagnetische Störung und eine durch Erdmagnetfeld in der metallischen Magnetmasse des Fahrzeugs induzierte Magnetstörgröße ein.

Die Kompensation der dem Fahrzeug innewohnenden dauermagnetischen und induzierten magnetischen Störwirkung erfolgt über eine Steuerkurs-Servoschleife. Für jedes Fahrzeug, bei welchem ein Ausführungsbeispie! des Navigationsinstruments Verwendung finden soll, müssen zuvor Messungen und Kalkulationen vorgenommen werden, von denen man dann annehmen kann, daß sie für alle Fahrzeuge der gleichen Gattung gleich sind.

Es wurden bereits zahlreiche Versuchsreihen durchgeführt, in welchen an verschiedenen Fahrzeugen mittels Magnetometern Messungen vorgenommen wurden; es wurde dabei herausgefunden, daß die magnetischen Eigenschaften eines Fahrzeugs repräsentiert werden können durch drei Paare von magnetischen Dipolen, die in Längs-, Breiten- und Vertikalrichtung des Fahrzeugs ausgerichtet sind, und zwar als Folge des Dauermagnetismus und des induzierten Magnetismus von Stahl- und Eisenteilen, aus welchen das Fahrzeug aufgebaut ist. Der in Fig. 1 dargestellte und nachstehend näher beschriebene elektromagnetische Kompaß 10 ist unmittelbar vertikal oberhalb des magnetischen Schwerpunktes des Fahrzeugs angeordnet, wobei dieser Schwerpunkt die Kreuzungsstelle dieser Dipole ist.

Durch diese Anordnung ist die Störwirkung der dauermagnetischen und der induzierten vertikalen Dipolmomente vernachlässigbar klein, so daß das dem Richtungsfehler proportionale Ausgleichssignal durch folgende Gleichung dargestellt werden kann:

ΔΦ_τ=Ι<[Αύη(Φ-Θ)+Β$\η2Φ]:

wobei Φ der Richtungswinkel bezüglich des magnetischen Nordpols ist und die Parameter A. Θ und ßfür die Amplitude bzw. die Ausgleichsphase für den Dauermagnetismus bzw. die Ausgleichsamplitude für den induzierten Magnetismus stehen. Diese Parameter bestimmen sich nach dem jeweiligen Fahrzeugtyp, sie werden in das Navigationsinstrument eingespeichert, wie dies an Hand der Fig. 8 und 9 noch näher zu beschreiben sein wird.

Der mehrfach erwähnte Ausgleich wird gemäß einer Ausführungsform des Navigationsinstruments physikalisch mittels Funktions-Drehmeldern vorgenommen, deren Erregungssignale von regelbaren Spannungstei-

ho lern geliefert werden, die derart an die Funktions-Drehmelder angeschlossen sind, daß Änderungen der von einem Wechselrichter gelieferten Wechselspannung aufgehoben werden. Steuerknöpfe zum Regeln der Spannungsteiler, welche die Parameter A und B

f>5 bestimmen, und zum Regeln des Phasenwinkels des sin-<?-Funktions-Drehmelders, welcher den Θ-Parameter bestimmt, sind an einem Rechner 14 und an einem Kurs- und Positions-Anzeiger 16 angebracht, die in

F i g. 1 dargestellt sind. Der Kompaß-Geber 10 besitzt drei Spulen, in welchen je das magnetische Erdfeld eine Spannung induziert, so daß die Richtung des magnetischen Erdfeldes genau bestimmt werden kann. Der Kompaß-Geber ist an einem Mast 11 befestigt. Der s Mast 11 und der Kompaß-Geber 10 werden von einer Platte 12 getragen, welche beispielsweise auf dem Dach des Fahrzeugs befestigt ist. Der Mast weist eine Länge von etwa 1 m auf. 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 über ein Kabel 13 an den Rechner 14 angeschlossen. In das Getriebe dieses Rechners 14 sind zwei Spannungsteiler-Stromkreise is und zwei elektromechanische Funktions-Drehmelder eingeschaltet, was noch näher an Hand der Fig.3 zu beschreiben sein wird. Der Rechner 14 ist über ein weiteres Kabel 15 an den Kurs- und Positions-Anzeiger 16 angeschlossen, der identisch mit dem Computer 14 sein kann mit der Ausnahme, daß sein Ein-Aus-Beleuchtungsschalter abgewandelt ist zu einem Ein-Aus-Systemschalter.

Das Navigationsinstrument erhält seine Energie von einer Batterie 17 des Fahrzeugs, die ihre Spannung über ein Kabel 18 an einen statischen Wechselrichter 19 abgibt, der dann über ein Kabel 20 den Rechner 14 beaufschlagt.

Fig. 2A, 2B zeigen in größerem Detail in einem Blockdiagramm das vorstehend kurz beschriebene Navigationsinstrument. 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-Hz-Wechselspannungs-Umformer ist, dessen Ausgang über Leitungen 30 und 31 an die verschiedenen, in Fig. 2A, 2B dargestellten Einheiten angeschlossen ist.

Um eine erste Anzeige der von dem Fahrzeug von seinem Startpunkt zurückgelegten Entfernung zu erhalten, ist das Odometer-Kapel des Fahrzeugs mechanisch über die Leitung 33 mit einer Antriebseinheit 34 verbunden, die einen von Hand einstellbaren Kilometerzähler 35 besitzt. Die Antriebseinheit 34 beaufschlagt einen Kugel-Funktions-Drehmelder 36 über dessen Eingang 37. Über den Eingang 37 wird der Funktions-Drehmelder mit dem Entfernungswert gespeist, über seinen zweiten Eingang 38 wird der Richtungswinkel eingegeben. Ein Ausgang des Funktions-Drehmelders 36 speist einen Ost/West-Impulsgenerator 39, ein weiterer Ausgang speist einen Nord/Süd-Impulsgenerator 40. Der Ost/West-Impulsgenerator 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 !mpuls-Teilstromkreis 52, der über eine Leitung 53 von dem Nord/Süd-Impulsgenerator 40 gespeist wird. Von der Leitung 53 ist eine Speiseleitung für einen Motor 54 abgezweigt, der in gleichem Maße wie der Motor 43 einen Anzeiger 55 mit einer Nord/Süd-Koordinaten-Einstellmöglichkeit 56 aufweist, auch der Anzeiger 55 ist an den Impuls-Teilstromkreis 52 über eine Verbindungsleitung 57 angeschlossen.

Ausgänge des Schalters 50 sind nun über Leitungen.60 und 61i an Endschalter 62 und 63 angeschlossen, die untereinander über Leitungen 64 und 65 in Verbindung stehen. An den Endschalter 62 ist über eine Leitung 67 ein die Grenze der Landkarte zur Anzeige bringender Grenzwarner 66 angeschlossen, welcher dem Anzeiger 16 zugeordnet ist. Die Endschalter mit ihren Stromkreisen bilden gewöhnlich eine Aufzeichnungseinheit, die im gleichen Gehäuse wie die Steuerkurs- und Ortungsanzeigevorrichtung untergebracht ist, sie befindet sich also gleichfalls in dem Anzeiger 16 nach F i g. 1.

Der Endschalter 62 speist Stellschalter 68, und der Endschalter 63 speist Stellschalter 69. In Fig. 2B 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 Positionsanzeiger 74 steuern. Dieser Anzeiger 74 wird auch von einem Synchron-Steuertransformator 76 über 75 mechanisch beaufschlagt und gleichfalls von einem Servomotor 77, wobei zwischen Transformator 76 und Motor 77 ein Verstärker 78 zwischengeschaltet ist. Der Transformator 76 und der Motor 77 werden über Leitungen 80 und 81 mit Signalen des Rechners 14 gespeist, diese Signale speisen auch einen Synchron-Empfänger 82. welcher zwischen 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-Funktions-Drehmelder 36 verbundenen Einheiten können dem obenerwähnten Aufsatz von E. W a 11 in der Zeitschrift »Navigation« entnommen werden. Im folgenden werden die besonderen Eigenschaften des durch die Ausführungsbeispiele verdeutlichten Navigationsinstruments erläutert, die insbesondere in dem Schaltupgsaufbau des Rechners 14 zu sehen sind.

Von besonderer Bedeutung ist die Einschaltung des Kompaß-Gebers 10 in die Schaltungselemente des Rechners 14. Der Ausgang des Kompaß-Gebers 10 ist gemäß Fig. 2A über eine elektrische Leitung 32 an einen Steuertransformator 90 angeschlossen, welcher eine manuelle Einstellvorrichtung 91 für cie Richtung über eine elektrische Verbindung 92 besitzt. Der Ausgang des Steuertransformators 90 vpeist einen Verstärker 93. dessen Ausgang über eine Verbindung 94 an einen Servomotor 95 angeschlossen ist. der einen Synchron-Geber % 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#-Funktions-Drehmelder 100 und einen sin(^-e)-Funktions-Drehmelder 101, dessen Wirkung nunmehr zunächst beschrieben wird. Der 5ΐη(Φ-θ)-Funktions-Drehmelder 101 ist mit einer mechanischen Einstellvorrichtung 135 versehen und die Ausgänge beider Funktions-Drehmelder IOC und 101 speisen je einen Phasenausgleicher 102 bzw. 103 mit einem »B«- bzw. »i4«-SpannungsteilereinsteIler 104 bzw. 105. Die Ausgänge der Phasenausgleicher 102 unc 103 speisen über eine gemeinsame Leitung 106 der Verstärker 93, so daß dieser Verstärker eine An Rückkopplung besitzt.

Der Verstärker 93 ist in Fig.3 dargestellt, die ir größerem Detail den vorstehend kurz beschriebener wesentlichen Schaltplan zeigt Der Kompaß-Geber K weist drei Spulen 110, 111 und 112 auf, in dener Spannungen durch das Erdmagnetfeld induziert werden Die Richtung des Erdmagnetfeldes wird durch diese dre

Spulen in bekannter Weise genau bestimmt. Gleichfalls in bekannter Weise werden über Anschlußklemmen 113 und 114 und Dioden 115 und 116 drei weitere Spulen 117, 118 und 119 mit einer Spannung von 400 Hz gespeist. Die Spulen 110, 111 und 112 sind an Spulen 120, 121 und 122 des Steuertransformators 90 angeschlossen. Mit der manuellen Regelung 91 des Steuertransformators 90 wird die magnetische Deklination eingestellt.

Ein Ausgang des Steuertransformators 90 wird durch eine Spule 123 erhalten, der über eine Verbindung 124 einen 400-Hz-Filter 125 und schließlich den Verstärker 93 unter Zwischenschaltung einer Brücke 126 speist. Der Ausgang des Verstärkers 93 steuert einen Zweiphasen-Servomotor 127, an dessen Anschlußklemme U eine 400-Hz-Spannung angelegt ist. Dieser Servomotor 127 bewirkt eine Drehung des Zahnrades

128 eines Zahnradtriebes mit den Zahnrädern 129 und 130. Das Zahnrad 129 besitzt den gleichen Durchmesser wie das Zahnrad 128, das Zahnrad 130 besitzt demgegenüber nur den halben Durchmesser. Der Servomotor 127 ist ferner über eine Welle 131 mechanisch mit dem Steuertransformator 90 verbunden.

Das Zahnrad 129 ist mechanisch verbunden mit dem Funktions-Drehmelder 101, der mit einer Spule 132 versehen ist. die über Anschlußklemmen 133 und 134 mit einer 400-Hz-Spannung gespeist wird. Die manuelle Stellvorrichtung trägt ein Rad 135, wodurch der Funktions-Drehmelder 101 in Übereinstimmung mit dem Winkel Θ eingestellt werden kann. Da dieser Funktions-Drehmelder 101 auch mit dem Zahnrad 129 mechanisch verbunden ist und daher in Abhängigkeit von dem Winkel Φ gedreht wird, arbeitet er nach der Funktion sin (Φ-θ). Eine Spule 136 des Funktions-Drehmelders 101 liefert ein Ausgangssignal an den Phasenausgleicher 103. Der Ausgang dieses Phasenausgleichers 103 wird an ein Potentiometer 140 abgegeben, in welchem Zusammenhang erkennbar ist, daß mit der »A«"-Einstellvorrichtung 105 der Abgriff des Widerstandes 140 verstellt wird. Der Ausgang des Funktions-Drehmelders 101 ist über eine Leitung 141 an eine Leitung 142 angeschlossen, an welche auch die Leitung 148 des anderen Funktions-Drehmelders 100 angeschlossen ist.

Der Funktions-Drehmelder 100 bildet die Funktion sin 2Φ nach. Er ist mechisch über die Welle 143 mit dem Zahnrad 130 verbunden. Der Funktions-Drehmelder 100 besitzt eine Spule 144, die über Anschlußklemmen 145 und 146 mit einer 400-Hz-Spannung beaufschlagt wird. Ein Ausgang dieses Funktions-Drehmelders wird erhalten über eine Spule 142, welche über den Phasenausgleicher 102 ein Potentiometer 148 speist, das über die »B«-Einstellvorrichtung 104 zum Erhalten der Steuergröße »B« manuell abgegriffen wird. Die Leitung 142, an welche die Ausgangsleitungen 141 und 148 der Funktions-Drehmelder 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 Rückkopplung erhält über den Zweiphasen-Servomotor 127, das Zahnradgetriebe 128,

129 und 130 und die Funktions-Drehmelder 101 und 100, die nach der Funktion sin (Φ — Θ) bzw. sin 2Φ arbeiten.

Die manuellen Einstellvorrichtungen 135,104 und 105 dienen zum Einstellen der durch die magnetische Masse des jeweiligen Fahrzeugs hervorgerufenen dauermagnetischen und induziertmagnetischen Störwirkung. Es ist ohne weiteres erkennbar, daß gemäß dem Schaltplan nach Fig.3 das Navigationsinstrument eine erste Ausgleichseinrichtung umfaßt, die ein Signal zum Ausgleich der dauermagnetischen Störwirkung der Magnetmasse des Fahrzeugs liefert, und eine zweite Ausgleichseinrichtung, die ein Signal zum Ausgleich der in dem Fahrzeug vom Erdmagnetfeld induzierten magnetischen Störwirkung liefert. Diese Schaffung eines Ausgleichs ermöglicht erst eine genaue Anzeige der Richtung, in welcher das Fahrzeug sich bewegt, was nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig.4 bis 7

to näher dargelegt wird.

Jedes Navigationsinstrument mit einem magnetischen Steuerkurs-Anzeiger ist einer durch das magnetische Feld des Fahrzeugs hervorgerufenen Fehlerquelle ausgesetzt. Die Größe und Ausrichtung dieses Störfeldes hängt ab von dem Steuerkurs des Fahrzeugs 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 Navigationsinstrument vermag diese beiden Komponenten auszugleichen, es ist gegenüber den vorbekannten Navigaüonseinrichtungen mit Kreiselkompaß wesentlich billiger, und es arbeitet mit einer Genauigkeit von ± 1 %.

Messungen des magnetischen Feldes an Punkten in der Nähe der Karosseric eines Fahrzeugs zeigen eine sehr geringe Korrelation in Größe oder Richtung aufgrund der unregelmäßigen Orientierung der Karosserieaufbauten des Fahrzeugs. 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 Winkclausrichtung erzeugt sein könnte, wobei diese Dipole im Inneren des Fahrzeugs liegen. Der eine Dipol würde dabei die dauermagnetisehe Komponente des magnetischen Feldes des Fahrzeugs erzeugen, er wäre in seiner Größe und Lage genau bestimmt, der andere Dipol würde sich in seiner Stärke und seiner Ausrichtung in Abhängigkeit von der Stärke und Richtung des magnetischen Erdfeldes ändern.

Um eine mathematische Analyse zu erleichtern, kann jeder dieser beiden Dipole, nämlich der dauermagnetische und der induzierte Dipol, durch drei Dipole dargestellt werden, die ein räumliches Koordinatensystern bilden. Aus Fig.4 ist in diesem Zusammenhang entnehmbar, daß diese drei Dipole sich in einem Punkt kreuzen, welcher den magnetischen Schwerpunkt des Fahrzeugs 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 sechs Dipolen konnte bestätigen, daß man hier von zutreffenden Voraussetzungen ausgeht. Für die Praxis kann man davon ausgehen, daß die Achsen der beiden vertikalen Dipole, nämlich des dauermagnetischen und des induzierten Dipols, 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 davon aus, wie vorstehend festgehalten,

609 551/15

daß der Kompaß-Geber in der vertikalen Dipolachse angeordnet ist, dann kann man die durch das dauermagnetische Feld des Fahrzeugs hervorgerufene, als Fehlerquelle zu berücksichtigende Störgröße wie folgt definieren:

Unter Bezugnahme auf F i g. 5 sei angenommen, daß der Vektor H die horizontale Komponente des magnetischen Erdfeldes repräsentiere, der Vektor H_n soll die horizontale Komponente des dauermagneüschen Feldes des Fahrzeugs im Kompaß-Geber repräsentieren. Der resultierende Vektor in der Richtung Wist dann

H-H₁, cos(<i>-0),

wobei Φ und Θ die Winkel zwischen der Fahrtrichtung des Fahrzeugs und H bzw. H_p sind. Die rechtwinklig zur Richtung H stehende Feldkomponente stellt sich dann dar als

H_p sin (Φ-Θ).

Damit ergeben sich aber für den Fehlerwinkel ΔΦ_Ρ folgende Gleichungen:

_p ήη (Φ-Θ) Diese horizontalen Feldstärken lassen sich aber auch durch die beiden folgenden Gleichungen erfassen:

I H_n = K₁ H cos Φ

I H,_w = K₂H sin Φ.

Die resultierende Feldkomponente in einer quer zu H liegenden Richtung läßt sich nun durch folgende ίο Gleichung darstellen:

1 H,_L = H-(K₁- K₂) sin Φ cos Φ

= H ■ B ■ sin 2 Φ, mit ß = 1/2(X₁ - K₂)

H-H, eis (Φ

Θ) -l -Θ) J

i Γ {Α sin (Φ - Θ) Ί L (1 -A cos (Φ- θ) J

mit A =

rg

sin (Φ - <9)] mit A

I Φ_ρ ^ A sin (Φ - Θ) rad ( 1 Φ_ρ klein).

Im folgenden werden die Gleichungen für die durch das induzierte Feld des Fahrzeugs hervorgerufene Fehlerquelle hergeleitet, auch hier wird davon ausgegangen, daß der Kompaß-Gcbcr in der vertikalen Dipolachse 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 Fahrzeugs erzeugt, diese Horizontalkomposiente induziert mit der zugeordneten Querkomponente die zwei Dipole SiZV₁ und S₂N2 einer Größe Ml bzw. Mw. Für kleine Feldstärken kann nun von der Voraussetzung ausgegangen werden, daß der induzierte Magnetismus proportional zur Feldstärke ist, nämlich:

M_L = fcj H cos Φ M_w = k₂H sin Φ.

In diesen Gleichungen sind k\ und k₂ Konstanten, die abhängig sind von der Permeabilität und den Querschnittsflächen der Metallteile des Fahrzeugs 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 Dipols erzeugt werden, lassen sich durch folgende Gleichungen erfassen:

.1 H_lL = /c, k₃ ■ H cos Φ 1 H_IL = k₂ Jc₄ · H sin Φ.

In diesen Gleichungen sind k$ und k* Konstanten, die durch die Entfernung der Enden der Dipole bestimmt sind.

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

H₁I/ = H- (K, cos^ + K₂ ύχ\ΐ Φ).

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

L H-AH₁₁₁ J"

_Φχ =

Für die Praxis gilt: H >· H_1n und

.ΙΦ, ^ tg(ßsin 2Φ) I Φ, — ß sin 2Φ rad (1 O₁ klein).

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 Fahrzeugs und außerdem von dem Ort der Messung und von der Fahrtrichtung des Fahrzeugs.

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

(Φ-Θ)+

wobei Φ der Kurswinkel des Fahrzeugs ist und A. Bund Θ Konstante darstellen.

Das hier wesentliche Vorgehen zum Ausgleich der Abweichung des Kompasses ist nun darin zu sehen, daß man Spannungen erzeugt, die proportional zu sin (Φ —Θ) und sin 2Φ sind. Diese Spannungen addiert man mit dem Signal des Kompaß-Gebers, welches proportional zu Φ + ΔΦτκΧ in einer Servoschleife, die an Hand der F i g. 3 beschrieben wurde.

Der Kompaß-Geber ist etwa 100 cm oberhalb des magnetischen Schwerpunktes des Fahrzeugs angeordnet, und er wird mit 400 Hz erregt. In jedem Arm des Kompaß-Gebers werden Spannungen induziert, die proportional des 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

6s als Unterschied zwischen der Feldrichtung und der Winkellage λ der Abtriebswelle des Servomotors. Diese Fehlerspannung wird addiert mit zwei Spannungen der Ausglcichs-Funktions-Drehmelder, deren Lage gleich-

falls durch den Servomotor bestimmt wird, mit den so addierten Spannungen wird der Verstärker gespeist. Wann die Konstanten Θ, A und B genau eingestcuert sind, 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 Fi g. 7

,, = V₁ + c = 0

V₁ = fc_sM = μφ,-;.),

wobei A'5 die Übergabefunktion (Volt/rad) des Steuertransformators darstellt, von welcher man annimmt, daß sie im Nullbereieh konstant ist, λ ist die Winkelausrichtung des Servomotors und Φ_Γ ist die Richtung des gestörten, magnetischen Erdfeldes bezüglich der Achse des Fahrzeugs.

Es gilt aber auch die Beziehung:

0_r = φ - ι φ_τ

= Φ - IA sin (Φ - θ) + B sin 2 Φ] ,

wobei A, B und Θ die gleichen, oben bereits erwähnten Konstanten sind.
Ist

wobei D und E die Amplituden der beiden Ausgleichskomponenten sind und λ ein Phasenwinkel, der ein Gleichgewicht schafft, dann ist

k_s Φ {\_A sin (Φ - Θ) + B sin 2Φ] λ)

= — D sin (A — («) — £ sin 2 / .

Aus der Symmetrie der Gleichung kann erkannt werden, daß der Servomotor den wahren Richtungswinkel (A - Φ) gibt, wenn

D = k_sA E = k_sB

und λ = Θ ist.

Die dynamische Analyse des Systems hat demzufolge das Ergebnis gebracht, daß dann, wenn D, E und der Winkel λ auf diese Werte eingeregelt werden, der Steuerkurs-Anzeiger entsprechend der horizontalen Komponente H des magnetischen Erdfeldes ausgerichtet ist In der Praxis wird es vorgezogen, die Steuerschleife 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 dargelegt, wie einfach es in der Praxis ist, die drei Konstanten A, B und θ in das System einzubringen:

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

(b) Messe den Richtungsfehler ΔΦμ.

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

(d) Messeden RichtungsfehlerΔΦρ.

(e) Speise den Rechner mit

θ =

I Φ,_ν
Τφ~7

(f) Speiseden Rechner mit/\ = ι'3ΦΤν'

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

(h) Drehe das Fahrzeug genau um 45°. so daß es in

Nord-Ost-Richtung ausgerichtet ir,t.
(j) Regle die Amplitude der ß-Steuerung (sin 2Φ-Κογ-rektur) auf den Nullfehler ein.

(k) Korrigiere den Steuerkurs-Anzeiger unter Zuhilfenahme der Informationen einer Landkarte hinsichtlich der Fehler der magnetischen Deviation.
Die vorstehende Beschreibung des Navigationsinstruments 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 Fahrzeugs erfolgt sind, dann kann ohne weiteres die erforderliche Ausgleichsregelung durchgeführt werden. Nur für solche Sonderfälle, bei welchen in der Nähe des Navigationsinstruments innerhalb eines Fahrzeugs eine große Menge eisenhaltigen Metalls vorhanden ist. sollten Versuchsmessungen durchgeführt werden, um damit sicher zu gehen, daß die Genauigkeit des Systems nicht beeinträchtigt wird. Versuchsreihen haben diesbezüglich gezeigt, daß das Navigationsinstrument 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 Navigationsinstruments schematisch dargestellt. Dieses Ausführungsbeispiel entspricht im wesentlichen dem Ausführungsbeispiel nach den F i g. 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 F i g. 1 entsprechenden Steuertransformators. Der Servomotor 127 ist über 154 mechanisch verbunden mit einem Zahnrad 155, welches den Servomotor 153 antreibt. Dieses Navigationssystem arbeitet wie folgt:

Ist die Summe der Signale von den beiden Spulen 150 und 151 und von den Signalen der beiden korrespondierenden Funktions-Drehmelder 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 93 verstärkt, und der Servomotor 127 wird zum Drehen gebracht, wodurch auch die beiden Funktions-Drehmelder 100 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.

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Navigationsinstrument zum Bestimmen der Position eines Fahrzeugs mit einem Kurs- und Positionsrechner, einer Geschwindigkeits bzw. einer Wegmeßeinrichtung und mit einem mit einer Korrekturvorrichtung für den durch die Verzerrung des Erdmagnetfeldes in Fahrzeugnähe verursachten Kursfehler versehenen, elektromagnetischen Korn- ι ο paß, der eine außerhalb des Fahrzeugs angtordnete Magnetfeldsonde für die Horizontalkomponente des Erdmagnetfeldes aufweist, die mit zueinander winkelversetzt angeordneten Spulen versehen ist, deren elektrische Ausgangssignale über eine einen Verstärker umfassende Übertragungsvorrichtung einer Servosteuerung zugeführt sind, die getrieblich mit einer Funktions-Drehmeldereinrichtung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeldsonde als Kompaß-Geber (10; 150, 151) an einem Mast (11; 152) wenigstens 100 cm über dem Fahrzeug und vertikal über dem Schnittpunkt der die magnetische Masse des Fahrzeugs darstellenden Dipole angeordnet ist und daß die Funktions-Drehmeldereinrichtung aus zwei Funktions-Drehmeldern (100 und 101) besteht, deren einer (100) ein Ausgangssignal proportional dem Sinus vom Zweifachen des Steuerkurswinkels Φ des Fahrzeugs in bezug auf den magnetischen Nordpol und deren anderer (101) ein Ausgangssignal proportional dem Sinus aus der Differenz zwischen dem Steuerkurswinkel Φ und dem Winkel θ des durch die magnetische Fahrzeugmasse bedingten magnetischen Störgrößenvektors in bezug auf die Fahrzeuglängsachse ist, weiche Ausgangssignale jeweils über einstellbare Spannungsteiler (140, 141) dem Verstärker (93) als Rückkopplungsspannung zur Kompensation der durch das auf das Fahrzeug einwirkende Erdmagnetfeld induzierten Magnetstörgröße und der durch die magnetische Masse des Fahrzeugs bedingten permanent magnetischen Störgröße zugeführt sind.

2. Instrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeldsonde mil zwei mit etwa rechtwinklig zueinander verlaufenden Spulenebenen in gemeinsamer Achse angeordnete Spulen (150,151) aufweist, die an einem drehbar angeordneten Mast (152) gehalten sind.