DE1928760C3 - Kreiselkompaß - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kreiselkompaß mit auf die Schwerkraft ansprechenden Einrichtungen zur Erzeugung von Meridian-suchenden Drehmomenten an dem Kreiselelement mit Nachführeinrichtungen zum Antrieb einer Kompaßrose entsprechend der Ausrichtung des Kreiselelementes, mit Einrichtungen zur Ableitung von zur Nordgeschwindigkeit des Kreiselkompasses proportionalen Signalen und mit

fao einer Kompensationseinrichtung für den ballistischen Ablenkfehlerund den Nordgeschwindigkeitsfehler.

Es sind einfache mechanische Kreiselkompasse mit feste Parameter aufweisenden ballistischen und Dämpfungseinrichtungen bekannt (britische Patentschrift 7 51 142), wobei verschiedene für die Kompaßgenauigkeit erforderliche Kompensationsdrehmomente elektrisch angelegt werden, so daß die anderenfalls erforderlichen komplizierten mechanischen Einrichtungen vermieden werden. Bei einer Bewegung des den Kreiselkompaß tragenden Fahrzeuges gegenüber der Erde treten bestimmte Fehler auf, die sich im wesentlichen auf Grund des Breitengrades, auf dem sich das Fahrzeug befindet, sowie auf Grund der Geschwindigkeit und des Kurses des Fahrzeuges ergeben. Weiterhin treten Beschleunigungsfehler auf.

Bei üblichen mechanisch geregelten Kreiselkompassen läßt man das Entstehen des normalen Geschwindigkeitsfehlers zu und die Kompaßrosen-Einstellmarke und/oder das Statorgehäuse der Kompaß-Steilungsgeber werden durch eine dem Geschwindigkeitsfehler entsprechende Verschiebung korrigiert Wenn das Fahrzeug, auf dem dieser Kreiselkompaß angeordnet ist, seine Geschwindigkeit und/oder seinen Kurs ändert, spricht die Ballistik in der Weise an, daß sie einen ballistischen Ablenkfehler erzeugt, der jedoch nur dann dem Nordgeschwindigkeitsfehler äquivalent ist, wenn der Kompaß nach S c h u 1 e r abgestimmt ist. Daher ändert sich bei einem mechanisch gesteuerten Kompaß mit festen Ballistik- und Dämpfungsparametern die Periode mit dem Breitengrad und es gibt nur zwei Breitengrade (einen für die nördlichen Breiten und einen für die südlichen Breiten), bei denen man die Schuler-Periode erzielt. Die festen Parameter sind normalerweise für den mittleren Breitengrad ausgelegt, bei dem das Fahrzeug betrieben werden soll. Bei allen anderen Breitengraden muß der Kompaß immer nach jeder Änderung der Geschwindigkeit und/oder des Kurses ausschwingen, weil der Geschwindigkeitsfehler und der ballistische Ablenkfehler nicht gleich sind. Ein derartiges Ausschwingen kann eine lange Zeitperiode erfordern, während der die Kompaßanzeige ungenau ist. Diese Tatsache kann nicht mehr hingenommen werden, wenn das Fahrzeug über große Breitengradbereiche hinweg betrieben werden soll und häufige Wechsel der Geschwindigkeit und/oder des Kurses erforderlich sind.

Es sind weiterhin bereits Kreiselkompasse der eingangs genannten Art bekannt (US-Patentschrift 26 62 301), bei denen die zur Nordgeschwindigkeit des Kreiselkompasses proportionalen Signale zur Korrektur der das Ausgangssignal liefernden Geber verwendet werden. Diese Korrektureinrichtungen verhindern jedoch nicht das Auftreten von Schwingungen oder Sprüngen der Anzeige, da lediglich die Ausgangssignale des Kreiselkompasses korrigiert werden, nicht jedoch die fehlerhafte Auslegung der Parameter der Ballistik.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kreiselkompaß der eingangs genannten Art mit Ballistikeinrichtungen zu schaffen, bei dem im stetigen Zustand eingestellte Azimut-Geschwindigkeitsfehler mit dem Azimut-Ballistikablenkfehler unabhängig von dem Breitengrad übereinstimmt, so daß es nicht mehr erforderlich ist, daß der Kreisel sich nach Änderungen der Geschwindigkeit und/oder des Kurses wieder einstellen muß und sich eine genauere Kursanzeige ergibt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,

daß bei einem Kreiselkompaß mit Schulerabstimmung und mit einer Flüssigkeitsballistik sowie Dämpfungsmassen an der Kreiselkappe sowie einem um die vertikale Achse wirksamen Drehmomenterzeuger zum Aufbringen der Korrektur- und Kompensationsmomente, das dem Drehmomentgeber zugeführte Korrcktursignal proportional zur Differenz zwischen der Nordgeschwindigkeit und dem Kosinus des jeweiligen Breitengrades λ derart ist, daß es bei dem Breitengrad 0 ist, für den die festen Ballistik- und Dämpfungsparameter den Schuler-Abgleich des Kompasses bewirken, und daß den Nachführeinrichtungen des Kompasses ein zum ballistischen Ableukfehler Φ proportionales Signal derart zugeführt wird, daß die Kompaßrose den wahren Meridiankurs anzeigt

Der erfindungsgemäße Kreiselkompaß wird in einer solchen Weise Zwangskräften ausgesetzt, daß der Azimutfehler bei eingestelltem stetigen Zustand identisch mit der Azimut-Ballistikablenkung unabhängig von dem Breitengrad ist, so daß kein Schwingen des Kreisels bei Geschwindigkeits- und/oder Kursänderungen auftritt und sich eine genauere Kursanzeige ergibt.

Bei dem Kreiselkompaß wird durch den Drehmomentgeber ein Nordgeschwindigkeits-Korrekturdrehmoment um die Vertikalachse der Kreiselkappe angelegt und es wird gleichzeitig die Ost-West-Horizontalachse des Nachführungskardanringes gegenüber der Kreiselrotor-Spinachse verschoben (d. h. ihre Orthogonalität wird modifiziert), und zwar um einen Betrag, der gleich, jedoch entgegengesetzt zum ballistischen Ablenkwinkel ist. Daher wird der das Kreiselelement tragende Nachführungskardanring zur wahren Nordrichtung hin ausgerichtet, so daß eine genaue Kompaßrosenanzeige und genaue Kompaßausgangsdaten zur Verfügung stehen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Im folgenaen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung noch näher erläutert.

In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine Ausführungsform des Kreiselkompasses,

F i g. 2 eine Darstellung einer Ausführungsform eines ballistischen Sperrventils, welches in den Kreiselkompaß gemäß F i g. 1 in einer seiner Betriebsarten eingebaut sein kann.

Ein Kreiselrotor 1 ist — vergleiche dazu F i g. 1 — in geeigneten (njcht gezeigten) Rotorlagern in einem kugelförmigen Rotorgehäuse oder einer Kreiselkappe 2 um eine Drehachse 3 drehbar gelagert, welche im Normalbetrieb mit dem Erdmeridian, d. h. im wesentlichen in Nord-Süd-Richtung, ausgerichtet ist. Die konstruktiven Einzelheiten des Rotors und der Kreiselkappe sind in der britischen Patentschrift 7 91 556 klar dargestellt. Die Kreiselkappe 2 ist in einem vertikalen Kardanring 4 mittels Zapfen 5 und geeigneten Lagern mit geringer Be'bung zur Drehung um eine im Normalbetritfb vertikale Achse 6 drehbar gelagert. Der vertikale Kardanring 4 ist seinerseits zwischen den Armen eines gabelförmigen Kardanringes oder Jochs 7 mittels Zapfen ¹^ und mittels geeigneter Lager mit niedriger Reibung gehalten, und zwar für eine Drehung um eine horizontals, im Normalbetrieb im wesentlichen in Ost-West-Richiijng verlaufende Achse 9. Das Joch 7 weist eine im garnen glockenförmige obere Platte 10 mit großem Durchmesser auf, die in einer entsprechend glockenförmig ausgebildeten Tragplatte 11 mittels eines großen Hauptlagers 12 zur Drehung um die normalerweise vertikale Achse 6 gelagert ist Die Tragplatte 11 ist an einem aus Gründen der Klarheit nur teilweise dargestellten Kompaßgehäuse 13 befestigt; dieses Gehäuse bildet die Hauptumhüilung für den Kreiselkompaß.

Das Azimut-Joch liegt somit in der OW-Ebene und bestimmt die nominelle Horizontalachse 9 des Vertikalrings 4, wobei der vertikale Kardanring 4 die Kreiselkappe 2 in der nominell vertikalen Achse 6

Ό haltert Ferner kann das ganze Gehäuse 13 mit einem Auftriebs-Strömungsmittel oder einer Auftriebsflüssigkeit angefüllt sein, wodurch die auf die Stützlager für die Kreiselkappe 2 und den Vertikalring 4 einwirkende Last vermindert wird.

Das Joch 7, welches das Bezugsglied für den Kreiselkompaß bildet, wird die Kreiselkappe 2 nachgeführt, und zwar mittels einer Stellungsnachführ-Servoregelschleife. Der Signalgeber für dieses System weist einen üblichen Geber 17 der Ε-Bauart auf, dessen gewickelter Sator 18 auf einem Bügel 16 angeordnet ist, der am vertikalen Kardanring 4 befestigt ist; der Anker des Gebers 17 wird durch ein Weicheisenteil 19 gebildet, welches an der Kreiselkappe 2 mittels eines Blockes 15 befestigt ist Der Geber 17 ist dabei derart angeordnet, daß er eine relative Winkelbewegung zwischen der Kreiselkappe 2 und dem Kardanring 4 um den Zapfen 5 herum feststellt; eine derartige Relativbewegung erzeugt in der Geberausgangswicklung ein alternierendes elektrisches Signal, dessen Phase und Amplitude proportional zur Richtung und Größe dieser Bewegung ist, wobei diese Ausgangsgröße an der Leitung 20 auftritt. Der Geber 17 kann zu der im britischen Patent 28 86 897 beschriebenen Bauart gehören.

Auf der fest angeordneten Tragplatte 11 ist ein

J5 Servomotor 22 der Nachführschleife angebracht. Dieser Motor steht über ein Untersetzungsgetriebe 23 mit einem großen, an der oberen Platte 10 des Jochs 7 befestigten Ringzahnrad 24 im Eingriff. Der Servomotor 22 wird durch das Ausgangssignal eines Verstärkers 25 angesteuert, dessen Eingang über die Leitung 20 ein Signal vom Geber 17 empfängt. Das Joch 7 wird daher in einer derartigen Richtung angetrieben, daß das Ausgangssignai des Gebers 17 auf Null verringert wird.

An der oberen Platte 10 des Jochs ist ein sockelartiger Vorsprung 26 befestigt, auf welchem eine Kompaßrose 27 und ein Kompaßrosenzahnrad 28 drehbar um die Vertikalachse 6 gelagert sind; die Kompaßrose liefert eine optische Anzeige des geographischen Kurses des Fahrzeuges. Ein Umkehrgetriebe 29 verbindet den

so Servomotor 22 mit dem Kompaßrosenzahnrad 28 in der Weise, daß die Kompaßrose 27 in einem 1:1 -Verhältnis mit dem Azimut-Zahnrad 24 in einer entgegengesetzten Richtung zur Drehungsrichtung des Jochs 7 angetrieben wird. Der Zweck dieser Anordnung besteht darin, daß man auf diese Weise für den die Kompaßrose wie üblich von der Rückseite des Gehäuses her betrachtenden Steuermann Kompaßrosen-Bewegungen im »natürli-

chen«-Sinn erzeugt, wenn Änderungen erfolgen.

Auf der Tragplatte 11 des Gehäuses 13 ist ein Kompaßgeber 30 angeordnet, der über ein Getriebe mit einem 1:1 -Verhältnis mit dem Joch 7 verbunden ist; auf diese Weise wird die Kompaßinformation an entfernt angeordnete Weitergabevorrichtungen oder andere Einrichtungen, wie beispielsweise eine Selbststeueranlage, geliefert.

Für eine erhöhte Genauigkeit kann natürlich ein »fein-«Synchro hinzugefügt werden.
Das gesamte Gehäuse 13 ist pendelartig in einem

geeigneten Roll-Bewegungs- und Längsneigungs-Trannkardanring 14 gelagert, wie dies schematisch in F i g. 1 gezeigt ist.

Die mechanischen Mittel zur Aufprägung Meridiansuchender Drehmomente auf die Kreiselkappe 2 weisen eine übliche Flüssigkeitsballistik (einen Neigungs- bzw. Biewegungs-Fühler) auf, die zwei teilweise mit einem Strömungsmittel, wie beispielsweise Silikonen, gefüllte Tanks 35 und 36 einschließt. Die Tanks 35 und 36 sind miteinander mittels eines unteren Rohres 37 verbunden, durch welches das Strömungsmittel vom einen Tank zum anderen fließen kann. Eine Entlüftungsleitung 38 — die in F i g. 1 aus Gründen der Klarheit zum Teil weggebrochen dargestellt ist — verbindet die oberen Teile der Tanks. Die Flüssigkeitsballistik (Neigungsfühler) arbeitet in üblicher Weise, um die Neigung der Kreiselkappe festzustellen, und um ein Drehmoment um die Horizontalachse 9 anzulegen, so daß die Kreiselkugel zum Meridian hin präzediert. Eine Dämpfung des Kompasses erreicht man durch das Vorsehen einer Masse am Westende der Kreiselkappe. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel besteht diese Masse aus einer Vielzahl von Gewichten, wie beispielsweise den O-ewichten 39 und 40, wobei deren effektive Masse so angeordnet ist, daß sie sich am Westende der Kreiselkappe konzentriert. Es kann ferner eine Anzahl weiterer Gewichte auf der Kreiselkappe verwendet werden, wenn dies zur Einstellung des Gesamtschwebezustandes der Kreiselkappe in der Auftriebsflüssigkeit erforderlich ist. Die Parameter der Flüssigkeitsballistik und der Dämpfungsmasse sind so festgelegt, daß sich ein gewünschtes ballistisches Moment Mb und ein Dämpfungsmoment Md relativ zum Winkelmoment H des Kreiselrotors 1 ergibt.

Als mechanisch geregelter Kreiselkompaß mit festen ballistischen und Dämpfungsparametern wird die auf den Kreisel einwirkende vertikale Erdgeschwindigkeit durch ein horizontales in der Flüssigkeitsballistik erzeugtes Drehmoment kompensiert, was eine kleine feste Neigung der Drehachse 3 um die horizontale Ost-West-Achse 9 herum erfordert, wobei deren Größe proportional dem Sinus der örtlichen Breite ist Weil die Kompaßdämpfung durch die festen Gewichte 39,40 auf der Westseite der Kreiselkappe 2 erreicht wird, die selbst im vertikalen Kardanring 4 um die Vertikalachse 6 rotieren kann, führt jede Neigung um die horizontale Ost-West-Achse 9 (ballistische Neigung) ein Drehmoment um diese Achse herum ein, welches daher in einer Präzession im Azimut resultiert, um einen Azimutfehler zu erzeugen. Dieser Fehler wird als der »Breitendämpfungs«-Fehler bezeichnet und durch Anlegen eines Drehmoments Tl an die Kreiselkappe 2 um die Vertikal-Achse 6 mit einer durch die folgende Beziehung gegebenen Größe kompensiert:

55

M₀

H ι», sin /,

(D

wobei ω_ε die Erdgeschwindigkeit und λ die örtliche Breite ist Die durch dieses Drehmoment bewirkte Kompensation wird im folgenden als »Festbreitenkompensation« bezeichnet

Die Vorrichtung zur Erzeugung dieses Drehmoments um die Vertikalachse 6 des Kreiselkompasses weist einen Wirbelstrom-Drehmomentgeber 45 auf.

Dieser Drehmomentgeber weist einen bewickelten Stator 46 auf. der an einem geeigneten Bügel 47 angeordnet ist; der Bügel 47 ist derart an Vertikalring 4 befestigt, daß der Stator 46 dicht benachbart zur Oberfläche der Kreiselkappe 2 liegt, auf welche der Drehmomentgeber einwirkt. Der Drehmomentgeber 45 gleicht in seinem Aufbau dem Geber 17. Die Erregung der Steuerwicklung erzeugt an der Kreiselkappe 2 ein Drehmoment um die Vertikalachse 6, welches von der Richtung und Größe der Erregungsspannung abhängt.

Die Festbreitenkompensation wird durch eine in F i g. 1 links gezeigte Schaltung bewirkt. Eine Spannung proportional zu Kj sin λ (wobei λ = die Breite und K3 = ein Proportionalitätsfaktor ist) wird mittels eines Abgriffpotentiometers 50 erzeugt, welches eine mittelabgezapfte Wicklung 5! aufweist, die von einer Gleichstromquelle gespeist wird, und das ferner einen Schleifer 52 besitzt, der mittels eines Knopfes 53 von Hand eingestellt wird, welcher entsprechend der örtlichen Breite geeicht ist Der Widerstand zwischen den Abgriffen ist derart eingestellt, daß eine Sinusfunktions-Ausgangsgröße erzeugt wird. Der Widerstand 54 erzeugt zusammen mit der Größe der Potentiometerspeisespannung den Proportionalitätsfaktor Kj, der entsprechend der obigen Gleichung (1) die konstanten Ausdrücke

M₁, M₁₁

einschließt.

Diese Spannung wird durch einen Gleichstrom/ Wechselstrom-Umwandler 55 in Wechselstrom umgewandelt und an den Eingang des Drehmomentgeber-Verstärkers 56 angelegt, dessen Ausgangsgröße den Steuerwicklungen des Drehmomentgebers 45 zugeführt wird. Die beschriebene Schaltung liefert daher die Festbreitenkompensation für den Kreiselkompaß.

Wie bereits oben diskutiert wurde, ist der Kreiselkompaß mit festen ballistischen und Dämpfungsfaktor-Parametern Fehlern ausgesetzt, die mit den Änderungen der Geschwindigkeit und/oder des Kurses des Fahrzeuges, welches den Kreisel trägt, zusammenhängen. Bei vielen üblichen Kreiselkompassen dieser Bauart läßt man den Geschwindigkeitsfehler entstehen und die Kompaßausgangsgröße wird beispielsweise durch Versetzen der Kompaßkreisel-Einstellmarke und — wenn eine entfernte Anzeige erwünscht ist — des Geberstators korrigiert. Wie bereits oben erwähnt, ist jedoch bei einer derartigen Anordnung der Kompaßeinstellpunkt der ballistischen Ablenkung nur bei zwei speziellen Breiten (einer nördlichen und einer südlichen) äquivalent, und daher muß sich der Kompaß — ausgenommen an diesen Breiten — nach jeder Änderung der Geschwindigkeit und/oder des Kurses wieder einstellen. Der hier beschriebene Kompaß wird nun in der Weise Kräften ausgesetzt, daß sein eingestellter Geschwindigkeitsfehler im stetigen Zustand mit dem ballistischen Ablenkfehler identisch ist und zwar unabhängig von der Breite. Im folgenden wird die dazu erforderliche Einrichtung sowie die mathematische Grundlage dafür beschrieben.

Das durch die Flüssigkeit in den Tanks 35 und 36 erzeugte ballistische Moment Mb ist entsprechend der Ausbildung beschleunigungsabhängig und wird immer dann proportional zur Nord-Süd-Komponente der angelegten Beschleunigung ein Drehmoment T₃ um die horizontale Ost-West-Achse 9 anlegen, wenn das

Fahrzeug den Kurs oder die Geschwindigkeit ändert; es gilt:

T. = M₁₁

α cos C

(2)

wobei a die Beschleunigung, Cder Fahrzeugkurs und g die Erdbeschleunigung ist. Dieses Drehmoment hat eine Präzessionsrate ω* um die Vertikalachse 6 mit einer Größe von

Tt
H

Mb Hg

α cos C

(3)

15

zur Folge, wenn die Beschleunigung für eine Zeit l andauert, so ergibt sich eine Azimutversetzung Φ der Drehachse mit folgender Größe

20

_ M_n (a cos C) /
'"■' - Hg

M_n

Γ cos C,

(4)

25

da at= V. Dies ist der ballistische Ablenkfehler und eine Funktion der Nordgeschwindigkeit und daher für jede spezielle Geschwindigkeit konstant, unabhängig von der geographischen Breite des Fahrzeuges.

Wenn sich das Fahrzeug über die Erdoberfläche in nördlicher Richtung mit einer Geschwindigkeit V bewegt, so fühlt die nach Norden zeigende Kreiselkappe 2 eine äquivalente Winkelgeschwindigkeit um die horizontale Ost-West-Achse von

V cos C
R

(5)

wobei R der Erdradius ist, und wobei sich das nach Norden weisende Ende seiner Drehachse um die gleiche Geschwindigkeit (Rate) nach oben neigt Diese Neigungsrate könnte durch das Anlegen eines Drehmomentes um die Vertikalachse der Kreiselkappe 2 kompensiert werden, wobei dieses Drehmoment eine derartige Richtung und Größe aufweisen würde, daß die Kreiseldrehachse mit der gleichen Rate in die entgegengesetzte Richtung präzediert wird, wodurch der Kreisel für eine mit Breitenändemngen verbundene Winkelneigung unempfindlich gemacht wurde und wobei kein Nordgeschwindigkeitsfehler vorhanden sein würde.

Es sei nunmehr angenommen, daß ein Fahrzeug aus seiner Ruhestellung startet (obwohl in der Praxis lediglich eine Geschwindigkeitsänderung gegenüber irgendeiner vorhergehenden Geschwindigkeit vorliegen kann, wobei aber auch die folgende Analyse gilt) und sich mit einer Nordgeschwindigkeit von V ■ cos C bewegt. Die mit der Breitenänderung verbundene Neigungsgeschwindigkeit (Neigungsrate) ist tüjund die ballistische Ablenkung ist Φ (vgl. die oben angegebenen Gleichungen (5) und (4)). Da jedoch die Drehachse 3 seitlich gegenüber dem Meridian durch den azimutalen ballistischen Ablenkfehler Φ versetzt ist, erfährt die Kreiselkappe 2 infolge der Horizontalkomponente der Erdgeschwindigkeit eine weitere Neigungsgeschwindigkeit um die horizontale Ost-West-Achse mit folgender Größe

35

40

45

50

55

60

65

Da jedoch Φ ein kleiner Winkel ist, kann Gleichung (6) und Gleichung (4) zusammengefaßt werden, und es ergibt sich:

~ ">ι· ^cos

M_B Hg

V cos C

Die Neigungsgeschwindigkeiten um die Horizontale, welche der Kreisel abfühlt, sind somit in den Gleichungen 5 und 7 ausgedrückt, und da sie inhärenterweise entgegengesetzten Sinn haben, ergibt sich eine gesamte Horizontalneigungsgeschwindigkeit

oder vereinfacht von

,cos/. ~-^B- V cos Cj. (8)
Hg

= V cos C

- M₁₁

(9)

■i(/j_(l = i.j_£. cos /. sin Φ

(6)

wobei sich die Geschwindigkeit (Rate) aus einem zu

T = H ,-,, = V cos Ci^ - .·,,. cos/. ^Aijll(10)
l^R 8 J

äquivalenten Drehmoment ergibt. Indem man nun ein Kompensationsdrehmoment dieser Größe und mit dem richtigen Sinn an die Vertikalzapfen 5 der Kreiselkappe 2 anlegt, wird der Einstellfehler im stetigen Zustand äquivalent zum ballistischen Ablenkfehler, und daher läuft die Kreiseldrehachse 3 unabhängig von der Breite versetzt gegenüber dem Meridian durch den ballistischen Ablenkwinkel. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird die obige Lehre in der in Fig. 1 links dargestellten Schaltung ausgeführt Für diese Zwecke ist an der oberen Befestigungsplatte ii ein Funktionsdrehgeber 60 angeordnet, der über ein geeignetes Untersetzungsgetriebe 61 mit dem Azimutzahnrad 24 (und somit mit der Kompaßrose 28) in Eingriff steht, und zwar mit einem Drehzahlverhältnis von 1:1. Ferner ist ein Log vorgesehen, das Geschwindigkeitsdaten des Schiffs liefert; diese Daten können entweder automatisch durch Logeinrichtung 62 des Schiffes oder durch einen von Hand eingestellten Knopf 63 geliefert werden.

Der Drehgeber 60 wird mit einer festen Spannung erregt wodurch das Ausgangssignai der Cosinus-Wicklung an den Leitungen 64 proportional zu cos C ist; dieses Signal wird an ein Potentiometer 65 angelegt welches entsprechend einer Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit V eingestellt ist Die Ausgangsgröße K\ V cos C wird an die Primärwicklung eines Kopplungstransformators 66 gelegt, dessen am Mittelabgriff geerdete Ausgangswickiung die Erregung für ein Widerstandsnetzwerk liefert welches zur Erzeugung der erforderlichen Signale dient welche — wie noch beschrieben wird — die Kompensationsdrehmoinente und Kompaßversetzung zur Folge haben.

Das am Sekundär-Transformator 66 auftretende Nordgeschwindigkeitssignal wird an das geschaltete und mit Abgriffen versehene Widerstandsnetzwerk 67 angelegt, dessen Schleifer 68 — wie oben beschrieben — durch den Breiteneinstellknopf 53 eingestellt ist Die Abgriffe am Widerstandsnetzwerk sind derart ausge-

wählt, daß eine Cosinus-Ausgangsgröße erzeugt wird, wodurch das Signal Vcos Centsprechend dem Faktor (Ka-Kscos λ) gedämpft ist. Die Abgriffe sind ferner derart angeordnet, daß sie eine Null-Ausgangsgröße bei 40° Breite liefern, da bei diesem Ausführungsbeispiel der Kompaß bei dieser Breite Schuler abgestimmt ist. Die Schaltungskonstanten sind derart ausgebildet, daß sie die verschiedenen festen in den vorhergehenden Gleichungen

K₄ = £ und K₅ = ,

Parameter einschließen, und sie sind hier durch das Widerstandsnetzwerk 67 und den Widerstand 69 dargestellt. Die Ausgangsgröße des Widerstandsnetzwerkes 67 wird an den Eingang des Vertikal-Achsen-Drehmomentgeberverstärkers 56 angelegt, dessen Ausgangsgröße am Vertikal Achsen-Drehmomentgeber 45 liegt, um auf diese Weise ein Drehmoment um die Kreiselkappen-Zapfen 5-5 entsprechend der Gleichung (10) zu erzeugen, um so die Nordgeschwindigkeitsfehler des Kreisels zu kompensieren. Durch die Summierschaltung 57 wird dieses Kompensationssignal mit dem festen Breiten-Korrekturdrehmoment kombiniert, welches — wie oben beschrieben — in der Schaltung 51 bis 54 entsteht.

Das am Ausgang des Transformators 66 auftretende Nordgeschwindigkeitssignal wird — zusammen mit der richtigen in Gleichung (4) vorausgesetzten Proportionalitätskonstante

^M"

— auch als ein Vorspannsignal für die Kompaßnachführ-Servoregelschleife 17-22 verwendet, wodurch das Bezugsglied oder das Joch 7 des Systems entsprechend der ballistischen Ablenkung versetzt wird, wodurch die Kompaßrose 27 und die vom Geber 30 übertragenen Daten relativ zum Gehäuse 13 den wahren Meridian-Norden angeben. Dies erreicht man durch Kombination des Nordgeschwindigkeitssignals auf Leitung 70 mit dem Kompaßnachführsignal auf Leitung 20, und durch Anlegen des resultierenden Signals auf Leitung 72 an den Nachführverstärker 25, dessen AusgangsgröDe dem Nachführmotor 22 zugeführt wird. Auf diese Weise muß der Nachfolge-Kardanring 7 und somit der Vertikalring 4 von der Kreiselkappe versetzt werden, um dadurch ein Signal im Geber 17 zu erzeugen, welches gleich dem Geschwindigkeitssignal auf Leitung 70 unter Bedingungen des stetigen Zustandes ist Somit kann sich die Kreiseldrehachse versetzt gegenüber dem Meridian einstellen, während das Nachfolgeglied oder das Joch 7 genau auf dem Meridian gehalten wird (d. h. tatsächlich rechtwinklig zum Meridian oder in wahrer Ost-West-Richtung). In anderen Worten: da die erwähnten Kompensationen den Kreiselkompaß für die durch die Gleichungen (5) und (6) dargestellten Drehmomente unempfindlich machen, bleibt er zu allen Zeiten eingestellt

Die beschriebenen elektronischen Maßnahmen die die Einflüsse von Geschwindigkeits- und/oder Kursänderungen auf den Kreiselkompaß beseitigen, können ferner durch ein Drehmoment ergänzt werden, welches proportional zur Nordgeschwindigkeit ist, wodurch der Kompaß zusätzlich automatisch gegenüber Beschleunigungswirkungen kompensiert wird.

Bei Anlegung der oben erwähnten Steuergrößen an den Kompaß ist die Versetzung des Kompasses im (in Ruhestellung) eingestellten stetigen Zustand gleich der ballistischen Ablenkung und mit Ausnahme des einer Nordbeschleunigung unterworfenen Dämpfungsgewichtes 39-40 würde bei Vollendung der Beschleunigung keine schwingende Rück-Einstellung vorhanden sein. Es sei jedoch daran erinnert, daß die horizontale Ost-West-Achse 9 der Gabel oder des Joches 7 gegenüber der Kreiseldrehachse um eine durch die Gleichung (4) gegebene Größe versetzt ist, um

₀₌ Μ« γ cos C

Da das Gewicht 39-40 nunmehr gegenüber der Ost-Westachse versetzt ist, erzeugt das Dämpfungsmoment Mo ein Drehmoment um diese Achse und macht — für eine (in der Zeichnung dargestellte) Nordgeschwindigkeit — das Südende der Kreiselkappe 2 um folgende Größe schwerer:

T₁, = Λ'/_η sind φ,

und da Φ ein kleiner Winkel ist, gilt

(H)

T_h = M₁, Φ oder ^M£^M'i ν cos C (12)

D Hg

Daher muß, um diesem entgegenzuwirken und somit die örtliche vertikale Erdgeschwindigkeitskompensation aufrechtzuerhalten, die Kreiselkappe 2 um einen

j5 derartigen Winkel Διρ geneigt werden, daß das ballistische Flüssigkeitsverschiebungsmoment gleich dieser Änderung des Horizontaldrehmomentes ist, d. h. das Nordende der Kreiselkappe muß nach unten geneigt werden. Die Größe dieses Gegendrehmomentesist

und da T, =

gilt:

'M₁,

(13)

und somit

Ψ =

M₁,

KcosC

Es seien nunmehr die Einwirkungen einer Nordbeschleuiiigung auf das Gewicht 39-40 betrachtet Der durch die während einer Zeit t wirkenden Beschleunigung erzeugte Neigungswinkel ist

l_r =

M_n

at cos C,

b5 und daher ist

= ^M" V cos C Hg

(16)

Die obigen Ausführungen zeigen, daß der zur Kompensation des horizontalen Ungleichgewichts infolge der Servoversetzung für den ballistischen Ablenkfehler erforderliche Neigungswinkel automatisch und augenblicklich durch die Beschleunigungskraft auf der Kreiselkappe 2 erzeugt wird. Es sei nunmehr zum Zwecke der Erläuterung angenommen, daß sich das Fahrzeug auf einer gegebenen Breite in Ruhestellung befindet und daß es über eine Zeit t hinweg auf irgendeine endliche Geschwindigkeit beschleunigt wird. Die »feste« Breitenkompensation ist bereits durch den Knopf 53 eingestellt. Nach Abschluß der Beschleunigung wird der infolge der Beschleunigung auftretende Neigungswinkel durch die in Gleichung (17) gegebene Größe geändert.

Die normale Breitenkompensation wurde jedoch für einen sich vom jetzt vorhandenen Neigungswinkel unterscheidenden Neigungswinkel vorgenommen, und daher muß die Größe des Breiten-Kompensalionsdrehmomentes durch ein Drehmoment abgeändert werden, welches äquivalent zu

V cos Q oder - ° V cos C (18)

M₁,

Aus dem Vorstehenden kann man somit ersehen, daß dann, wenn ein weiteres Drehmoment um die Vertikalachse des Kompaß proportional zu dem in Gleichung (18) angegebenen Wert angelegt wird, der Kreiselkompaß vollständig gegenüber den Beschleunigungswirkungen kompensiert wird, die bei Geschwindigkeitsänderungen und/oder Kursänderungen des Fahrzeugs darauf einwirken.

Das Vorstehende wird — vgl. dazu F i g. 1 — dadurch erreicht, daß die Sekundärseite des Transformators 66 auf Leitung 75 ein weiteres zu V cos C proportionales Signal liefert, welches entsprechend dem Proportionalitätsfaktor

30

35

40

beispielsweise durch einen geeigneten Widerstand 76 gedämpft wird, und wobei dieses Signal dann durch Summiernetzwerk 77 an die Vertikalachsen-Drehmoment-Schaltung angelegt wird, wobei dieses Signal das vom Potentiometer 50 erhaltene »feste« Breiten-Kompensationssignal modifiziert. so

Der Kreiselkompaß kann mit Mitteln ausgestattet sein, um das Instrument von einem Kreiselkompaß in einen üblichen Kurskreisel umzuwandeln, und zwar zur Verwendung insbesondere bei hohen Breiten oder bei Ausfall irgendeiner der Kreiselkompaßsteuerungen, wodurch unter solchen Umständen eine stabilisierte Richtungsanzeige erzeugt wird. Die Kurskreisel-Betriebsart kann mittels eines Betriebsarten-Wählschalters ausgewählt werden, der die gekuppelten Schalter 80, 81, 82 aufweist. Der Schalter 80 dient zur Erregung eines ballistischen Trennventils 83, welches im einzelnen in F i g. 2 dargestellt ist. Das Ventil weist einen vergrößerten länglichen Zylinder 84 auf, der direkt mit dem Rohr 37 verbunden ist, innerhalb welchem ein Solenoid 85 axial angeordnet ist, der ein Ventil 86 betätigt.

Wenn der Schalter 80 geschlossen ist, so ist das Solenoid-Ventil 85 erregt und das Ventil 86 geschlossen, wodurch die Flüssigkeitsströmung zwischen den Tanks 35 und 36 unterbunden ist. Wenn der Schalter 81 in seine untere Stellung gebracht ist, so liefert er eine in geeigneter Weise geeichte Spannung an den Drehmomentgeber 45, und zwar proportional zum Sinus der Breite, wodurch die richtige Erdgeschwindigkeitskorrektur für den Kreisel aufrechterhalten bleibt. Da der Kreisel jetzt nicht als Kreiselkompaß arbeitet, wird der Schalter 82 in seine untere Stellung bewegt, um die Servo-Versetzungsspannung herauszutrennen, welche der Kompaß-Nachführschleife erlaubt, das Joch 7 mit der Drehachse der Kreiselkappe 2 auszurichten. Das Einnivellieren der Richtungskreisel-Betriebsart wird automatisch durch die Dämpfungsgewichte 39-40 gewährleistet.

Aus der obigen Beschreibung ergibt sich, daß der Kreiselkompaß in einer solchen Weise unter Zwangskräften ausgesetzt wird, daß der Azimut-Fehler bei eingestelltem stetigen Zustand identisch mit der Azimut-Ballistikablenkung unabhängig von der Breite ist, wobei durch eine Servo-Versetzungstechnik Beschleunigungsfehler ebenfalls kompensiert werden und gleichzeitig eine Korrektur der Kompaßrose und Datengeber erzeugt wird. Während somit der Kreiselkompaß auf irgendwelche Geschwindigkeitsänderungen und/oder Kursänderungen sowie auf Beschleunigungen anspricht, bewirken die hier beschriebenen Steuerungen und die Versetzungstechnik, daß die Kompaßrose und Datengeber zu allen Zeiten eine wahre azimutale Kursinformation liefern, wodurch der Kompaß besonders für äußerst manövrierbare Fahrzeuge geeignet ist

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Kreiselkompaß mit auf die Schwerkraft ansprechenden Einrichtungen zur Erzeugung von Meridian-suchenden Drehmomenten an dem Kreiselelement mit Nachführeinrichtungen zum Antrieb einer Kompaßrose entsprechend der Ausrichtung des Kreiselementes, mit Einrichtungen zur Ableitung von zur Nordgeschwindigkeit des Kreiselkompasses proportionalen Signalen und mit einer Kompensationseinrichtung für den ballistischen Ablenkfehler und den Nordgeschwindigkeitsfehler, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Kreiselkompaß mit Schulerabstimmung und mit einer Flüssigkeitsballistik (35—38) sowie Dämpfungsmassen (39, 40) an der Kreiselkappe (2) sowie einen: um die vertikale Achse wirksamen Drehmomenterzeuger zum Aufbringen der Korrektur- und Kompensationsmomente, das dem Drehmomentgeber (45) zugeführte Korrektursignal proportional zur Differenz zwischen der Nordgeschwindigkeit und dem Kosinus des jeweiligen Breitengrades λ derart ist, daß es bei dem Breitengrad 0 ist, für den die festen Ballistik- und Dämpfungsparameter den Schuler-Abgleich des Kompasses bewirken, und daß den Nachführeinrichtungen (22—25) des Kompasses ein zum ballistischen Ablenkfehler Φ proportionales Signal derart zugeführt wird, daß die Kompaßrose (28) den wahren Meridiankurs anzeigt.

2. Kreiselkompaß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Drehmomentgeber (45) zugeführte Signal einen Proportionalitätsfaktor /Ct aufweist, der einen dem Erdradius entsprechenden Ausdruck einschließt und daß das den Nachführeinrichtungen zugeführte Signal einen Proportionalitätsfaktor K₂ aufweist, der einen dem ballistischen Moment Mb der Ballistikeinrichtungen und dem Winkelmoment H_g des Kreiselkompaß-Rotors entsprechenden Ausdruck einschließt.

3. Kreiselkompaß nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Drehmomentgeber (45) zugeführte Signal weiterhin eine Komponente Ks einschließt, die proportional zur Horizontalkomponente der Erddrehgeschwindigkeit und dem Sinus des ballistischen Ablenkwinkels ist.

4. Kreiselkompaß nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Drehmomentgeber (45) ein weiteres Signal zugeführt wird, das eine Komponente Kt proportional zum Quadrat des ballistischen Momentes und dem Reziprokwert des Winkelmomentes des Kreiselkompaßrotors aufweist, um die Wirkung der Beschleunigungen während Geschwindigkeitsänderungen und/oder Kursänderungen zu kompensieren.