DE1928760C3 - Kreiselkompaß - Google Patents
KreiselkompaßInfo
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- G01C19/02—Rotary gyroscopes
- G01C19/34—Rotary gyroscopes for indicating a direction in the horizontal plane, e.g. directional gyroscopes
- G01C19/38—Rotary gyroscopes for indicating a direction in the horizontal plane, e.g. directional gyroscopes with north-seeking action by other than magnetic means, e.g. gyrocompasses using earth's rotation
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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
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 ωε 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
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
_ Mn (a cos C) /
'"■' - Hg
'"■' - Hg
Mn
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
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
MB
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
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)
lR 8 J
lR 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)
Th = 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
lr =
Mn
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)
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 Hg 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.
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8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
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