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K@eisei mit Schwingrotor @@@@@@@@dung aus Pa@@@tanmeldung P 13 23
@3.0@@@ Die Erfindung beizieht sich auf einen Kreisel mit wenigstens einem 3chwingrotor,
der drehbar um eine Drehachse befastigt ist und eine Schwignowegung um eine Achse
ausfürhen kann, die im Winkel zur Drehanchse angeordnet ist.
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Vorliegende Erfindung baut auf elnem älteren Vorschlag der Anmelderin
auf. Hiernach ist der Kreisei mit Schwingrotor so ausgelegrt, daß die Eigenfreguenz
der Schwingung des Schwingrotors um die Befestigunsachse gleich der Frequenz der
Drehachse ist, um den Schwingrotor sehr empfindlich gegeüber Bewegungen zu machen,
die rechtwinkelig zu dieser Achse verlaufen. Eine äußere Winkelverschiebung des
Kreisels mit Schwingrotor um eine beliebige Achse mit Ausnahme der Drehachse bewirkt.
daß
der Schwingrotor mit seiner Eigenfrequenz schwingt, wobei die maximale Amplitude
einer solchen Schwingung proportional der Winkelverschiebting ist. Zusätzlich ist
die Phasenlage der Schwingung in bezug auf ein Taktgebersignal ein direktes Maß
für die Richturig der Winkelvershciebung. Damit kann der Kreisel mit Schwingrotor
anstelle eines direkt anzeigenden Kreisels mit zwei Frelheitsgraden verwendet werden.
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Ziel der Erfindung ist es, einen Schwingrotorkreisel mit einem oder
mehreren Schwingrotoren so auszubilden, daß er als Beschleunlgungsmesser verwendet
werden kann. dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß der Massennsittelpunkt
des Schwingrotors längs der Drehachse gegenüber der Schwingachse verschoben ist,
und daß die Ausgangssignale aus dem Schwingrotor Drehmomeriterzeugern des Kreisels
aufgegeben werden. Durch Riickführen des Winkelausschlages des Schwingrotors auf
Null wird eine echte Bescheunigungsinformation erhalten Nach einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung sind wenigstens zwei Schwingrotoren vorgesehen, und es ist der Massenmittelpunkt
wenigstens eines der Schwingrotoren längs der Drehachse gegenüber der Schwingachse
verschoben. Dabei kann ein Demodulator auf die Schwingbewegung des Schwingrotors
ansprechen und die Ausgangssignale erzeugen, die den Beschleunigungen entsprechen,
welche auf den Kreisel einwirken. Beispielsweise wirkt eine DifferenzS rschaltung
auf den Schwingrotor ein und spricht auf die Signale an, die die Beschleunigung
darstellen, damit die Schwingbewegung des Schwingrotors, die durch die Beschleunigung
verursacht wird, kontinuierlich auf Null gebracht wird.
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Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung sind die Massenmittelpunkte
wenigstens zweier Schwingrotoren in entgegengesetzten Richtungen zu ihren Schwingachsen
längs der Drehachse verschoben. Nach einer Variante der Erfindung wird ferner vorgeschlagen,
drei Schwingrotoren vorzusehen, von denen zwei so angeordnet sind, daß sie eine
Schwingbewegung um Achsen durchfuhren können, welche parallel zueinander und senkrecht
zur Achse der Schwingbewegung des dritten Schwingrotors verlaufen und daß der Massenmittelpunkt
eines der drei Schwingrotoren längs der Drehachse gegenüber der Schwingachse verschoben
ist.
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SehlieBlich wird gemäß der Erfindung ein TrSgheitsfuhrungssystem mit
einer Vielzahl von Kreiseln mit Schwingrotor vorgeschlagen, die auf einer stabilisierbaren
Einrichtung angeordnet sind, wobei der Massenmittelpunkt wenigstens eines der Schwingrotoren
in jedem der Kreisel längs der Drehachse gegen-Uber der Schwingachse verschoben
ist. Eine spezielle Ausgestaltung eines derartigen Ausführungsbeispiel sieht vor,
daß drei Kreisel mit Schwingrotor vorhanden sind, deren drei Drehachsen ein System
von Koordinatenachsen mit einem gemeinsamen Schnittpunkt ausbilden; daß der Massenmittelpunkt
wenigstens eines der Schwingrotoren eines der Kreisel gegen den gemeinsamen Schnittpunkt
der Achsen verschoben ist und daß der Massenmittelpunkt wenigstens eines der Schwingrotoren
eines anderen Kreisels von dem gemeinsamen Schnittpunkt der Achsen weg verschoben
ist.
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Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausftlhrungsbeispielen in
Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Die Figuren zeigen Fig 1 eine Querschnittsansicht
einer bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung,
Fig. 2 eine vereinfachte,
perspektivische Darstellung der Ausführungsform nach Figur 1, aus der das Prinzip
der Wirkungsweise hervorgeht, Fig. 3 ein schematisches Blockdiagramm eines Kreisels
mit Schwingrotor zur Erzielung einer Beschleunigungsinformation, Fig. 4 und 5 weitere
Abänderungen gemäß vorliegender Erfindung, und Fig. 6 eine Kreiselanordnung mit
Schwingrotor zur Erzielung einer vollständigen Beschleunigunsinformation.
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In Fig. 1 ist der erfindungsgemäße Kreisel 10 mit Schwingrotor mit
einem zylindrischen äußeren Gehäuse 11 und einem daran befestigten Abstützbauteil
12 dargestellt, auf dem der Stator 14 eines mit konstanter Geschwindigkeit umlaufenden
Synchronhysteresemotors 16 angeordnet ist. Der Rotor 18 des Synchronmotors 16 ist
an einer Drehachse 20 befestigt, die auf Kugellagern 22 um den Stator 14 umläuft.
Das äußere Gehäuse 11 ist vorzugsweis druckdicht ausgebildet und in dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel vollständig evakuiert; es kann andererseits eine gesteuer te
Atmosphä6re geringer Dichte, z.B. Wasserstoff oder Helium enthalten und ist aus
einem leichten, aber widerstands festen Material, z.B. Aluminium hergestellt. Die
Drehachse 20 ist aus starrem Material, z.B. korrosionsbeständigem Stahl hergestellt.
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Sdwingrotoren 26, 26' (in der Zeichnung in Form von Ringen dargestellt)
des Kreisels sind auf der Drehachse 20 mit Hilfe zweier senkrecht aufeinander stehender
Paare von Schwingachsen 28, 28' kreuzförmigen Querschnittes, einem Paar zentrischer
Stutzen 30, Rot zwei Befestigungsschrauben 29, 291 befestigt.
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Da die Schwingachsen 28 senkrecht zu den Schwingachsen 28t angeordnet
sind, sind die S(hwingachsen 28 im Schnitt nach Fig. 1 nicht sichtber, Obgleich
die Schwingrotoren 26, 26t
vollständig aus starrem Material geringer
magnetischer Leitfähigkeit, z.B. Eisen oder Stahl bestehen können, ist in dem dargestellten
Ausführungsbeispiel die Anordnung so gewählt, daß ein starres Material geringen
Gewichtes (z.B. Titan) mit Eisen- oder Stahlringen 32, 32 umgeben wird, um das Gewicht
der Schwingrotoren 26, 26' zu verringern.
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Der Kreisel 10 spricht auf Beschleunigungskräfte an (und zeigt an),
wenn der Massenmittelpunkt in einem vorbestimmten Abstand von der Aufhängestelle,
vorzugsweise längs der Drehachse 20 angeordnet ist. Dies kann beispielsweise dadurch
erreicht werden, daß der Schwingrotor 26 auf einer Seite durch Hinzufügen von Gewichten
oder durch Wegarbeiten von Material auf der anderen Seite schwerer bzw. leichter
gemacht wird. Zusätzlich können mehr als zwei Schwingrotoren auf der Drehachse 20
angeordnet sein, damit eine vollständige Information in bezug auf die Beschleunigungskrärte,
die auf den Kreisel wirken, erzielt werden.
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In Fig. 1 sind E-förmige Schwingungsabgriffe 40, 40', deren jeder
aus C-förmigem Ferritmaterial mit einem Permanentmagntmittelschenkel besteht, nahe
den Schwingrotoren 26, 26' @ und den Eisenringen 32, 32' angeordnet und mit dem
äußeren Gehäuse des Kreisels mit Schwingrotor über Tragbauteile 42, 42' befestigt.
Die Permanentmagnetmittelschnkel der E-förmigen Schwingungsabgriffe 40, 40' bewirken,
daß magnetische Gleichstromfelder in den geschlossenen Flußpfaden vorhanden sind,
die durch den mittleren und die äußeren Schenkel der Schwingungs abgriffe 40, 40
und die Eisenringe 32, 32' definiert sind.
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Jede Schwingbewegung der Eisenringe 32, 32' ergibt eine Anderung im
magnetischen Widerstand der Teile der Pfade zwischen dem mittleren und den äußeren
Schenkeln der Schwingungsabgriffe 40, 4o'. Infolgedessen erzeugen die Schwingungen
der Eisenringe 32, 32' magnetische Wechselfelder in den Wicklungen 47, 47',
die Felder ihrerseits erzeugen Wechselstromsignale #dienAusgängen der Schwingungsabriffe
40, 40'# die die Schwingbewegungen der Schwingrotoren 26, 26' darstellen.
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Nach Fig. 3 weisen zwei Schwingrotoren 26, 26 Schwingachsen 28, 28'
auf, die parallel zueinander liegen. Der Massenmittelpunkt CM eines der Rotoren
26' ist um einen vorbestimenten Abstand längs der Achse 20 von dem Aufhängungspunkt
des Schwingrotors verschoben. Da der Massenmittelpunkt von dem Aufhängungspunkt
verschoben ist, erzeugt eine Beschleunigung in einer beliebigen Richtung, mit Ausnahme
in Richtung der Achse, ein Moment am Schwingrotor. Dieses Moment tritt in den Bewegungsgleichungen
für den Kreisa genau als Winkelverschiebung PI auf da jedoch das durch eine Beschleunigung
erzeugte Mount rechtwinkelig zu der sie verursachenden Beschleunigung verläuft,
erscheinen eine Winkelverschiebung um und eine Beschleunigung in einer bestimmten
Achse um 90° in den Bewegungsgleichungen phasenverschoben. In einem typischen Fall
würde bei einer Pendelanordnung von 0,4 g-cm (das Produkt aus Pendelmasse und Länge
des Pendelarmes) und einem Gewicht des Schwingrotors von 40 g der Massenmittelpunkt
um etwa 0,01 cm vom Aufhängungspunkt verschoben.
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Somit enthält das Ausgangssignal aus der Abffllilvorrichtung eines
Kreisels mit Schwingrotor bei verschobenem Massenmittelpunkt Komponenten nicht nur
der Drehverschiebung, sondern auch der Beschleunigung. Um die Beschleunigungskomponente
abzutrennen, ohne daß ein gesonderter Beschlemigungsmesser erforderlich wird, wird
ein zweiter Schwingrotor verwendet, der weitgehend identisch mit dem ersten ist,
dessen Massenmittelpunkt jedoch in seiner Aufhängungsatelle liegt. Wie in Fig. 3
gezeigt, werden Ausgangssignale O(x) + 2N(X) und O(Y) + 2N(Y) durch den Phasanschieber
5* und den Demodulator 50
aus dem Schwingrotor 26 abgeletitet, das
den Massenmittelpunkt in der Aufhängungsstelle besitzt, während Ausgangssignale
O(X) + A(X)+ 2N(X) und #(Y)+A(Y)+2N(Y), die die Größe der Komponenten der Drehverschiebung
plus der Beschleunigung plus der Verschiebungen der Achse 20 mit der Frequenz 2N
darstellen, durch den Phasenverschieber 54 und den Demodulator 50' aus dem Schwingrotor
26' ableiten, dessen Massenmittelpunkt in einem vorgewählten Abstand von der Aufhängungsstelle
angeordnet ist.
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Die Ausgangssignale aus dem Schwingrotor 26 werden dann von dener
des Schwingrotors 26' durch Differenzierschaltungen 90, 90' subtrahiert, so daß
die Signale A(X), A(Y) entstehen, die die Beschleunigungskomponenten darstellen.
Anschlüsse 73, 73t sind vorgesehen, um die Signale A(X), A(Y) einer äußeren Aufzeichnungsvorrichtung,
z.B. einem Rechner aufzugeben.
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Es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß entsprechend den Lösungen des
Kreisels mit Schwingrotor die Beschleunigungsinformation tatsächlich die Beschleunigung
multipliziert mit der Zeit, die sie aufgegeben worden ist, oder die Geschwindigkeit
ist. Um eine echte Beschleunigungsinformation zu erhalten, werden die Ausgangssignale
A (X), A(Y) Uber die Leitungen 78, 80 an die Drehmomenterzeuger 62, 62' des Kreisel
mit Schwingrot<rzurUekgeführt, damit sie in einem geschlossenen Vorgang beaufschlagt
werden. Da der Winkelausschlag des Schwingrotors konstant auf Null zurückgedreht
wird, ist der Informationsausgang deshalb eine echte Beschleunigungsinformation.
Zusätzlich können die Signale #(Y), #(Y), in die Drehmomenterzeuger dadurch zurückgeführt
werden, daß die signale aus den Anschlüssen 71, 71' mit den beiden Anschlußpaaren
91 ,93 gekoppelt werden.
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In Fig. 3 enthalten die Ausgänge aus beiden Schwingrotoren 26, 26'
Ausdrücke mit der Frequenz 2N der gleichen Polarität,
da die Schwingachsen
28, 28' parallel zueinander liegen. Deshalb behalten die Rotationsverschiebungsausdrücke
B(X) + 2N(X), #(Y)+2N(Y)die Ausdrücke mit der Frequenz 2N in ihrer endgültigen Form,
während die Beschleunigungsausdrücke A(X), A(Y) bei Subtraktion der beiden Ausgänge
frei von Ausdrücken mit der Frequenz 2N sind. Wenn darüber hinaus die Schwingachsen
28, 28' senkrecht aufeinander stehen, ist leicht einzusehen, daß die Rotationsverschiebungsausdrücke
den Ausdruck mit der Frequenz 2N behalten, während den Beschleunigungsausdrücken
Ausdrücke mit der Frequenz 2N hinzuaddiert würden. Falls es erwünscht ist, die Ausdrücke
mit der Frequenz 2N aus den Rotationsverschiebungsausdrücken zu eliminieren und
sie in den Beschleunigungsausdrücken zu belassen, können die Ausführungsform des
Kreisels 10 und die in Fig. 4 dafür gezeigte Schaltanordnung verwendet werden. Bei
dieser Ausführungsform stehen die Schwingachsen 28, 28' für die Schwingrotoren 26,
26' senkrecht aufeinander, während die Massenmittelpunkte der Schwingrotoren 26,
26' in entgegengesetzten Richtungen aus ihren entsprechenden Schwingachsen, d.h.
aufeinander zu oder voneinander weg anstatt in der gleichen Richtung (wie in Fig.
6) verschoben sind. Die Ausgangssignale, die aus jedem Schwingungsabgriff 40, 40'
der Schwingrotoren 26, 26' erhalten werden, werden demoduliert und in einer Weise
gemischt, die ähnlich der nach den Figuren 3 und 4 ist, damit die Ausgangssignale
#(X), #(Y), A(X) +2N(X), A(Y) + 2N(Y) entstehen.
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Es ist leicht zu erkennen, daß bei nur vier Ausgängen aus einem Kreisel
mit zwei Schwingrotoren (X- und Y-Ausdrücke aus jedem Schwingrotor) die sechs Veränderlichen
in den Ausgangssignalen, d.h. 8(X), @(y), A(X), A(Y), 2N(X), 2N(Y) nicht
einzeln bestimmt werden können. Diese Beschränkung wird jedoch durch die Ausführungsform
des Kreisels 10 (und die dafür vorgesehen Schaltanordnung nach Fig. 5 überwunden,
bei der drei Schwingrotoren 26, 26', 2611 koaxial auf einer einzigen Welle 20 befestigt
sind.
Einer der Rotoren 26 ist mit seinem Massenmittelpunkt um ehen vorbestimmten Abstand
aus der Aufhängungsstelle verschoben, während die Aufhängungsvorrichtung 28', 28''
der beiden anderen Schwingrotoren 26', 26st senkrecht zueinander angeordnet sind.
Da nunmehr sechs Ausgänge (X- und Y-Ausdrücke aus jedem Schwingrotor) vorhanden
sind, können die sechs Veränderlichen, auf die oben bezug genommen ist, einzeln
bestimmt werden. Die Ausgangssignale eines jeden der drei Schwingrotoren werden
demoduliert und in einer Weise ähnlich der, die in Verbindung mit den vorausgehenden
Ausführungsbeispielen beschrieben worden ist, gemischt damit die Signale #(X), 8(Y),
A (X), A(Y) 2N(X), 2N(Y) an den Anschlüssen 71, 71', 73, 73t und 75, 75' auftreten.
Die Signale 2N(X), 2N(Y) werden mit den Drehmomenteinrichtungen silber Leitungen
78, 80 rückgekoppelt, damit aufgrund der Schwingkräfte mit der Frequenz 2N unzulässige
Oszillationen nicht aufgebaut werden können.
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Die Ausführungsformen, die in den Figuren 3-5 dargestellt sind, können
als Abfühlelemente auf einer Trägheitsplattform verwendet werden. Da jedoch ein
Kreisel mit einem einzigen Schwingrotor nur die Beschleunigung und die Winkelverschiebung
(oder Geschwindigkeit) längs zweier Achsen messen kann, müssen zwei oder mehr derartiger
Kreisel kombiniert werden, damit eine vollständige dreidimensionale Information
erhalten wird. Wie weiter oben erwähnt, können aber nicht alle Beschleunigungsausdrücke
einzeln bestimmt werden, wenn nicht genügend Ausgänge aus den Schwingrotoren des
Kreisels vorhanden sind.
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Bei den Kreiseln nach den Figuren 3 und 4 können die acht Ausgänge
aus ihnen keine ausreichende Information ergeben, um die zehn Veränderlichen zu
trennen, d.h. die drei BeschleunL-gungsausdrücke sowie die drei Rotationsausdriicke
und die vier Ausdrücke mit der Frequenz 2N. Wenn jedoch zwei der Kreisel mit Schwingrotor
nach Fig. 5 senkrecht zueinander angeordnet
werden, sind die zwölf
Ausgänge, die aus ihnen erhalten werden können, mehr als ausreichend, damit nach
den drei Beschleunigungsausdriicken (sowie den drei Rotationsausdrücken und den
vier Ausdrücken mit der Frequenz 2N) aufgelöst werden kann.
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In bestimmten Fällen jedoch ist es nicht erwünscht, drei Schwingrotoren
auf einer einzigen Welle anzuordnen. In Fig. 6 ist eine Ausführungsform eines Kreisels
dargestellt, der nur zwei Schwingrotoren auf einer einzigen Welle zur Bestimmung
der Beschleunigungsausdrücke verwendet. Bei denen AusfUhrungsform sind drei Kreisel
lOa, lOb, 10c (jeder mit zwei Schwingrotoren) auf einem Schwingrotor 13 senkrecht
zueinander befestigt. Da ein Kreisel mit einem einzigen Schwingrotor (z.B. nach
Fig. 3) eine Beschleunigung nur längs zweier Koordinatenachsen festlegen kann, müssen
wenigstens zwei der Kreisel lOa, lOb, lOc den Massenmittelpunkt eines Schwingrotors
in einem vorbestimmten Abstand von der Aufhängungsstelle versetzt haben, damit die
Ausdrücke A(X), A(Y), A(Z) bestimmt werden können.
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Da nunmehr drei solcher Kreisel vorhanden sind, läßt sich erkennen,
daß zwölf Varlable vorhanden sind, d.h. drei Beschleunigungsausdrücke (sowie drei
Rotationsausdrücke und sechs Ausdrücke mit der Frequenz 2N - zwei für Jeden Kreisel).
Damit geben die zwölf Ausgänge der drei Kreisel gerade genügend Information, damit
alle Veränderlichen getrennt werden. Die Massenmittelpunkte der Schwingrotoren der
verschiedenen Kreisel müssen Jedoch in geeigneter Weise angeordnet werden, damit
eine Verdoppelung der Ausgangssignale vermieden wird. Wenn die Schwingrotoren eines
der drei Kreisel die gleiche Information wie die Schwingrotoren eines anderen der
drei Kreisel erzeugen, können nicht alle Veränderlichen individuell bestimmt werden.
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In dem besonderen, dargestellten AusRUhrungsbeispiel sind die Massenmittelpunkte
der Schwingrotoren des Kreisels lOa, der die X- und Z-Koordinaten-Berschleunigungsausdrücke
einführt, von
den Aufhängungspunkten um einen vorbestimmten Abstand
aus dem Ursprung 0 des stationären Bezugskoordinatensystems, das durch den Schwingrotor
13 bestimmt wird, versetzt. Andererseits sind die Massenmittelpunkte der Schwingrotoren
des Kreisels 10c, der die Y- und Z-Koordinaten-Beschleunigungsausdrücke einführt,
von dem Aufhängungspunkt um einen vorbestimmten Abstand auf die Mitte dieses Koordinatensystems
zu verschoben. Wenn die Massenmittelpunkte der Schwingrotoren der Kreisel lOa und
10c nicht in entgegengesetzter Richtung in bezug auf den Ursprung des Bezugskoordinatensystems
verschoben wären, würden die Ausdrücke A(Z) die gleiche Polarität aufweisen und
der Ausdruck @ (Z) + A(Z) könnte nicht getrennt werden. Wie sich aus der
in Fig. 6 dargestellten Schaltung ergibt, können die Beschleunigungsausgangssignale,
die von jedem Kreisel 10a, lOb und lOc erzeugt werden, demoduliert und gemischt
werden, damit alle sechs Beschleunigungsveränderlichen erhalten werden. Da die Schwingachse
eines jeden Schwingrotors eines jeden Kreisels senkrecht zur anderen liegt, ergibt
sich, daß alle sechs Ausdrücke mit der Frequenz 2N eliminiert (und im Bedarfsfalle
aufgelöst) werden können. Die Ausgangssignale, die an den Anschlüssen 71, 711, r,
73, 73, 73" verfügbar sind, können in die X-, Y-, Z-Drehmomenterzeugeranschlüsse
91, 93, 95 rückgeführt werden, oder sie können mit den Dreheinrichtungen einer Trägheitsplattform
gekoppelt oder in einem Rechner zur Weiterverarbeitung gespeichert werden.