DE1943026C3

DE1943026C3 - Verfahren zur Bestimmung der Drift eines Kurskreisels

Info

Publication number: DE1943026C3
Application number: DE1943026A
Authority: DE
Inventors: Waltraud Dipl.- Ing. 7520 Bruchsal Baer; Horst Dipl.-Ing. Dr. 6902 Sandhausen Brendes; Egon Dipl.- Ing. 6901 Nussloch Funk
Original assignee: Teldix GmbH
Current assignee: Rockwell Collins Deutschland GmbH
Priority date: 1969-08-23
Filing date: 1969-08-23
Publication date: 1980-01-03
Also published as: GB1296723A; FR2059019A5; DE1943026B2; DE1943026A1; US3622764A; SE361940B

Description

Die Erfindung bezieht sich gemäß dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs auf ein aus der US-PS 09 931 bekanntes Verfahren zur Bestimmung der Drift eines Kurskreisels.

Kurskreisel haben bekanntlich die Eigenschaft zu driften. Die Drift eines Kurskreisels setzt sich aus der v, von der geographischen Brette abhängigen Drift und einer jedem Kreisel eigenen Zufallsdrift zusammen. Man kann zwar bei bekanntem Einsatzort die von der geographischen Breite abhängige Drift durch Maßnahmen am Kreisel kompensieren; eine Kompensation der m> Zufallsdrift ist jedoch vorab nicht ohne weiteres möglich.

Es ist deshalb notwendig, in bestimmten Zeitabständen die Drift und zwar entweder nur die Zufallsdrift oder die Summe aus Zufallsdrift und breitenabhängiger b'> Drift zu bestimmen und eine Extrapolation für den nachfolgenden Zeitraum vorzunehmen. Nach dem aus der US-PS 29 09 931 bekannten Verfahren wird daher in einer vorgegebenen Meßzeit die der Prift entsprechende Änderung der Ausrichtung des den Kreiselläufer tragenden Rahmens gegenüber einer Bezwgsriehtung gemessen oder es wird mittels einer Kompensationseinrichtung dem Kurssignal ein der Drift entsprechendes Signal aufgeschaltet Eine derartige Messung oder Kompensation kann insbesondere wegen statistischer Fehler ungenau sein oder es ist eine entsprechend lange Meßzeit erforderlich.

Ist beispielsweise zur Messung der genannten Änderung eine digitale Winkelmeßeinrichtung vorhanden, welche eine Auflösung des gemessenen Winkelwerts auf 1- zuläßt webe! 6400- einem Winkel von 360° entsprechen, so ergäbe sich bei einer Meßzeit von 3 Minuten eine Ungenauigkeit der Driftbestimmung von 20- pro Stunde. Eine derartige Ungenauigkeit ist in vielen Fällen nicht tragbar, so daß die Meßzeit wesentlich verlängert werden müßte. Da aber der Kreiselträger, beispielsweise ein Fahrzeug, während der Driftbestimmung stillgesetzt bleiben muß, ist eine lange Meßzeit nicht tragbar.

Aus der DE-OS 14 98 051 ist ein Kreiselkompaß bekannt bei welchem jeweils zwei Meßwerte in Form von Impulsfolgen sowie deren Differenz gebildet werden. Hierbei entspricht der erste Meßwert der Kreiselverschiebungsgeschwindigkeit In einer ersten Stellung der Eingangsachse und der zweite Meßwert der Kreiselverschiebungsgeschwindigkeit in einer zweiten, um 180° verschwenkten Stellung der Eingangsachse. Aufgrund der Differenzbildung wird somit der Einfluß der Kreiseldrift eliminiert Die Verschwenkung der Eingangsachse erfordert einen nicht unerheblichen gerätetechnischen Aufwand. Darüber hinaus wird eine relativ lange Meßzeit erforderlich, zumal, wenn zum Zwecke der Mittelwertbildung die genannten Messungen mehrmals wiederholt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung der Drin eines Kurskreisels anzugeben, welches bei gleichem Auflösungsvermögen der Winkelmeßeinrichtung von beispielsweise 1 - eine größere Auflösung des Winkelwertes und zwar bei kurzer Meßzeit liefert Außerdem sollen kurzzeitige Kreiselauswanderungen keine Verfälschung des Meßergebnisses bzw. eine geringe Verfälschung mit sich bringen.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des ersten Patentanspruches angegebenen Merkmale gelöst

Die Erfindung zeichnet sich durch eine hohe Genauigkeit der Kreiseldriftbestimmung bei einer kurzen Meßzeit aus. Weiterhin ergibt sich eine wesentliche Verbesserung des Auflösungsvermögens im Vergleich mit einer Einzelmessung. Aufgrund der Differenzbildung der Meßwerte aus der ersten und zweiten Hälfte der Meßzeit ist eine aufwendige Ausrichtung des Kreiselrahmens gegenüber einer Bezugsrichtung nicht erforderlich.

Durch Abstimmen der Anzahl /Vder Einzelmeßwerte der Meßzeit T sowie der Impulsfolgefrequenz wird in vorteilhafter Weise erreicht, daß die KfeiseldHft direkt in Winkelgraden bzw. in Stricheinheiten ausgegeben wird und eine entsprechende Umwandlung nicht erforderlich ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläuteri. Es zeigt

Fig. I eine graphische Darstellung der innerhalb einer Meßzeit T bestimmten Meßwerte bei einer Anfangsausrichtung gleich Null,

F i g. 2 eine graphische Darstellung der den Impulsfolgen entsprechenden Rächen, wobei die Meßzeit Tzur Berücksichtigung einer Anfangsausrichtung in zwei Hälften geteilt ist,

Fig.3 eine Prinzipdarstellung einer Schaltung zur Durchführung des Verfahrens.

Aus der F i g. 1 ergibt sich, daß in der Vielzahl der bis zum Zeitpunkt t> in gleichem Zeitabstand vorgenommenen Messungen der Winkelwert 0 registriert wird; die Impulszahl ist somit bei diesen Messungen 0. Zwischen ι ο den Zeitpunkten <i und h. wird bei der gleichen Zahl von Messungen jeweils der Winkelwert 1 - registriert und anschließend zwischen fc und !3 der Winkelwert 2~ usw. Zwischen U und dem Meßzeitende T wird hier für eine geringere Zahl von Messungen der Winkelwert 4~ registriert Da die Messungen alle in gleichen Abständen zueinander erfolgen, ist die Summe der in den Meßintervallen fi —t% ti— b... u— 7*erhaltenen Impulse proportional den zu diesen Meßintervallen gehörenden schraffiert eingezeichneten Flächen.

Die Berechnung der Summe F dieser schraffierten Flächen ergibt (allgemein ausgedrückt):

F =

2D

25

wenn man unter π die Zahl der Flächen versteht und mit D den aufgelaufenen Driftwert am Meßzeitende bezeichnet Da die Höhenschritte jeweils 1 ~ sind, kann man für π auch den Betrag von D* setzen und schließlich darf für D*—D gesetzt werden, wenn man einen Driftfehler von 1—2~/Std. zuläßt; dies ergibt eine durchgeführte Fehlerbetrachtung.

Die exakte Dreiecksfläche des in Fi g. 1 dargestellten Dreiecks ist

F exakt =

TD

Da Tein feststehender Wert ist, ist die Dreiecksfläche proportional der zu messenden Drift D. Als Differenz zwischen exakter Dreiecksfläche und angenäherter Dreiecksfläche ergibt sich

F exakt -F= -,

45

also ein Wert, der von D unabhängig ist und bei der Gewinnung des gesuchten Meßwertes berücksichtigt werden kann. Die Summe der in der Meßzeit aufsummierten Impulse stellt also ein Maß für die Dreiecksfläche und damit für die in der Meßzeit aufgelaufene Drift Ddar. Durch die Aufsummierung der Impulse der Vielzahl der Messungen kann der in der Meßzeit aufgelaufene Driftwert mit größerer Auslösung als 1" entnommen werden. Kurzzeitige Auswanderungen des Kurkreisels mitteln sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren weitgehend heraus.

In der Fig.2 wird davon ausgegangen, daß der Winkel zu Beginn der Meßzeit ΛοΦΟ ist Zum Driftwert to D in der Meßzeit Γ kann man kommen, wenn man eine der Fläche F₂ des Parallelogramms bzw. der Hälfte davon entsprechende Größe bildet Die Parallelogrammfläche F₂ ist gegeben durch die Gesamtfläche F_ga des gezeichneten Trapezes minus der zweifachen _br, Fläche F,

1^

»"f

F, =

- 2F₁ - 1^-

Durch die Bestimmung einer der Parallelogrammfläche proportionalen Größe erhält man somit ein Maß für die Drift D. Eine der Parallelogrammfläche proportionale Größe kann man dadurch erhalten, daß man in der ersten Hälfte der Meßzeit die den einzelnen Winkelwerten α entsprechenden Impulszahlen mit negativen Vorzeichen aufaddiert, also eine der Fläche Fi proportionale Größe schafft, und dann zu diesem negativen Zahlenwert die in der zweiten Hälfte der Meßzeit auflaufenden Impulse, deren Summe der Fläche Fi+ F₂ entspricht addiert Durch Abstimmen der Zahl der Messungen pro Zeiteinheit, der Meßzeit selbst und der Impulsfolgefrequenz in den Impulsfolgen hat man es in der Hand, den gemessenen Driftwert, z. B. direkt in Strich auszugeben und die Auflösung festzulegen. Es hat sich gezeigt, daß bei dem erfindungs£imäßen Verfahren Meßzeiten bis einige (z. B. 3) Minuten znr Bestimmung des Driftwertes ausreichen. In einem praktischen Ausführungsbeispiel war die Impulsfolgefrequenz 3, 84 MHz, die Zahl der Messungen pro Zeiteinheit 600. Als Idpinste Meßzeit ergibt sich dann bei einer Auflösung der Winkelmeßeinrichtung 1- 12,8 sek. Die Meßzeit wird jedoch günstigerweise zur Erhöhung der Auflösung um den Faktor 2" vergrößert Wegen der Addition und Subtraktion braucht hier der vom angegebenen Differenzwert

F exakt - F = ^-

nicht mehr berücksichtigt zu werden.

Da es vorkommen kann, daß durch Störungen in der Schaltung oder im Kreisel einzelne falsche Meßwerte zustande kommen, wird weiterhin ein sogenanntes FalschwertFilter vorgesehen. Es wird hierbei jede einem neuen Meßwert entsprechende Impulsfolge mit der gespeicherten Impulsfolge der vorhergehenden Messung verglichen und bei Äquivalenz zur Summenbildung weitergegeben. Bei Ungleichheit der Impulsfolgen wird hingegen die eingespeicherte Impulsfolge zur Summenbildung weitergegeben. Anstelle des somit als falsch erkannten Meßwertes geht also der bei der vorhergehenden Messung erhaltene Meßwert nochmals in das Meßergebnis ein. Hierbei wird von der Überlegung ausgegangen, daß sich- der einzelne Meßwert nicht sprunghaft um mehr als 1 ~ ändern kann.

In Fig.3 ist eine Schaltung zur Durchführung des Verfahrens im Prinzip dargestellt. Ein beispielsweise auf einen Fahrzeug montierter Kurskreisel 1 enthält in seinem Gehäuse einen Winkelwertgeber, welcher in Abhängigkeit vom der Stellung des Fahrzeuges gegenüber der Ausrichtung des Kreiselrahmens ein Ausgangssignal erzeugt. Beispielsweise gibt ein solcher Winkelwertgeber zwei Spannungen ab, die in ihrer Amplitude den Sinus und Kosinus des Winkels zwischen Spinachse des Kreisels und Fahrzeuglängsaehse entsprechen, Im Glied 2 werden aus diesen beiden Spannungen zwei Spannungen erzeugt, deren Phasenverschiebung gegeneinander dem augenblicklichen Winkel entspricht. Aus diesen beiden Spannungen werden im Glied 3, z. B. bei den negativen Nulldurchgängen, Start-Stop-Signale für das Tor 4 gewonnen, das für eine der Phasenverschiebung zwischen den beiden Ausgangsspannungen des Glieds 2 entsprechende Zeit Impulse vom ImDulsgene-

rator 5 zum elektrischen Zähler 6 gelangen IaBt. Bei , einer Arbeitsfrequenz der dem Winkelwertgeber zugeführten Spannung von 600 Hz werden dem Zähler 6 sechshundert Impulsfolgen pro Sekunde angeboten. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren müssen die Impulse der Impulsfolgen in der ersten Hälfte von T aufaddiert und dann von der in der zweiten Hälfte von T auflaufenden Impulszahl abgezogen werden. Die Summation wird im Addier- und Subtrahierwerk 7 durchgeführt. Um jedoch durch Störungen auftretende Falschwerte erkennen zu können, ist diesem ein aus dem Vergleichsglied 8, dem Speicher 9 und dem Register 10 bestehendes Falschwertfilter vorgeschaltet. Im Vergleichsglied 8 wird nach jeder neuen Bestimmung des Winkels λ im Zähler 6 der diesem Winkel entsprechen- is de Binärwert mit dem im Speicher 9 gespeicherten, von der vorhergehenden Messung herrührenden Binärwert verglichen. Das Cllied 8 bewirkt nach diesem Vergleich eine Übernahme des neuen Binärwertes in den Speicher 9. Sind die beiden Binärwerte äquivalent, so wird dieser Wert in das Register 10 weitergegeben, dessen vorher eingespeicherter Wert gelöscht wird. Der neu ins Register 10 eingespeicherte Binärwert wird nunmehr zusammen mit dem im Register 11 eingespeicherten, ■ 'as Zwischenergebnis darstellenden Birnärwert dem Addier- und Subtrahierwerk 7 zugeführt, das die halbe Meßzeit lang die zugeführten Werte zu einem negativen Zahlenwert aufaddiert und während der zweiten halben Meßzeit die zugeführten Werte zu diesem negativen Zahlenwert mit positivem Vorzeichen addiert. Das jo Ergebnis jeder Addition bzw. Subtraktion wird wieder dem Register 11 zugeführt. Der dem Addier- und Subtrahierwerk 7 zugeführte Binärwert des Registers 10 wird in diesem sofort neu eingespeichert.

Sind hingegen der neue Binärwert von Zähler 6 und j5 der Binärwert von Speicher 9 nicht äquivalent, so wird in das Register 10 kein neuer Wert weitergegeben, und es wird der im Register 10 eingespeicherte Binärwert dem Addier- und Subtrahierwerk 7 zugeführt sowie in das Register 10 neu eingespeichert. Entstand der neue Binärwert von Zähler 6 aufgrund einer zutreffenden Änderung des MeUwertes. so wird ein weiterer Binärwert von Zähler 6 mit dem gespeicherten Binärwert von Speicher 9 äquivalent sein, so daß Weitergabe und Addition bzw. Subtraktion wie oben beschrieben erfolgen kann. Entstand jedoch der neue Binärwert von Zähler 6 aufgrund eines Falschwertes, so wird auch bei einem weiteren, jetzt wieder richtigen Binärwert noch keine Äquivalenz bestehen und der im Register 10 eingespeicherte Binärwert wird wiederum dem Addier- und Subtrahierwerk 7 zugeführt Erst mit dem nächsten Binärwert von Zähler 6 wird der Binärwert von Speicher 9 äquivalent sein, so daß eine Weitergabe an das Register 10 erfolgen wird. Es wird somit durch das Falschwertfilter bewirkt, daß auftretende Falschwerte in das Meßergebnis nicht eingehen.

Nach der Meßzeit T steht im Register 11 eine Binärzahl, die der zu bestimmenden Drift D entspricht Eine der geforderten Auflösung des Driftwertes entsprechende Stellenzahl des Registers wird nach w Abschluß der Meßzeit in den Speicher 12 eingespeichert. Will man diesen Binärwert in eine Impulsbreite umwandeln, so kann man einen elektronischen Zähler 13, dem Impulse (z. B. 200 Hz Impulsfolgefrequenz) des impulsgenerators 14 zugeführt werden, und noch ein Vergleichsglied 15 vorsehen. Der jeweils beim Umspringen des Zählers 13 von seinem Endwert in seiner Anfangsstellung auftretende Ausgangsimpuls des Zählers 13 wird dazu benutzt das Tor 16 durchlässig zu milchen. Im Vergleichsglied 15 wird fortlaufend der Stand des Zahlers 13 mit dem im Speicher 12 eingespeicherten Wert verglichen. Bei Übereinstimmung wird ein Impuls abgegeben, der das Tor 16 wieder spitfTt. Die Länge des Ausgangsimpulses des Tores 16 ist eim Maß für die Drift des Kreisels. Dieser Wert kann dazu benutzt werden, die Drift des Kreisels zu kompensieren; er kann aber auch zur rechnerischen Korrektur des angezeigten Winkel et herangezogen werden. Werden die Impulse der ersten Hälfte der Meßzeit lediglich aufaddiert und von der entstehenden Summe der Impulse der zweiten Meßzeithälfte abgezogen, dann muß der Impuls des Zählers B das Tor 16 sperren und dafür der Impuls aus dem Vergleichsglied 15 das Tor durchlässig machen.

Aus dem oben Gesagten ergibt sich, daß zu Beginn der Meßzeit bereits ein dem Winkel txt, entsprechender Digitalwert in das Register 10 eingeschrieben sein muß. Dieser Wert wird ebenfalls erst bei Äquivalenz zweier aufeinanderfolgender Meßwerte eingeschrieben.

Wenn der zu messende Winkel α nahe bei 0° oder nahe bei 360° liegt, ist mit einem Überlaufen der 0/360°-Marke in der Meßzeit zu rechnen. Da die Impulszahl nahe 0° sehr groß ist, würde ein solches Überhufen der 0/360°-Marke eine völlig falsche Driftmrssung bewirken. Man sorgt deshalb vor jeder Meßzeit dafür, daß ein solches Überlaufen der 0/360°-Marke nicht Zustandekommen kann. Hierzu wird vor jeder Meßzeit der Winkel «ο bestimmt, und bei unter einem vorgegebenen Grenzwert oder über einem vorgegebenen Grenzwert liegender Impulszahl wird die Öffnungszeit des Tores 4 um einen 180° entsprechenden Wert verlängert bzw. gekürzt Dies wird durch Negieren der einen dem Glied 3 zugeführten Spannung erzielt Es wird hierbei der Winkel eco künstlich geändert, was aber, da ja «o herausfällt, keinen Einfluß auf das Meßergebnis hat

Um die Summe der Impulse bis zum Ende der ersten Hälfte der Meßzeit registrieren zu können, muß das Register 11 eine Vielzahl von Binärstellen aufweisen. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann dieses Register auf eine Zahl von Binärstellen beschränkt werden, die den erwarteten maximalen Driftwert gerade noch registrieren kann. Die bei der Addition und Subtraktion auftretenden höheren Binärstellen werden nicht registriert Wegen der Subtraktion in der einen Hälfte der Meßzeit und der Addition in der anderen Hälfte ist die Beschränkung jedoch nicht schädlich, wie sich aus dem folgenden Ausdruck ergibt:

Σ 0

Σ *72

_χ -nx

Hierbei sind Ai₁ die Meßwerte und X ist ein Zahlenwert, bei dem das Register anstelle des Zahlenwertes eine 0 registriert. Die Zahl X+1 bew^:. ία dann im Register das Registrieren einer 1 usw. π gibt an, wieviel mal Xm den beiden Meßwertsummen enthalten ist Im Register ist nach der ersten Hälfte der Meßzeit die Summe der Meßwerte minus aXregistriert Da ΛΊη der zweiten Meßzeithälfte ebenfalls η mal erreicht wird, fallen die Werte nXsas der Forme! heraus. Voraussetzung für eine richtige Anzeige ist hierbei, daß sich die beiden Meßwertsummen um eine kleinere Zahl als X unterscheiden.

Hierzu 2 Blatt Zcichnunccn

Claims

Patentansprüche;

U Verfahren zur Bestimmung der Drift eines Kurskreisels, nach welchem bei stillstehendem Krejselträger in einer vorgegebenen Meßzeit durch Winkelmessung die Änderung der Ausrichtung des den Kreiselläufer tragenden Rahmens gegenüber einer Bezugsrichtung festgestellt wird und der Meßwert zur Verarbeitung bereitgestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl N von Meßwerten in Form von Impulsfolgen bestimmt wird, daß aus den Impulsfolgen in einer ersten und einer zweiten Hälfte der Meßzeit T jeweils die Summe gebildet wird, daß aus den Summen die Differenz gebildet wird zur Berücksichtigung der Anfangsausrichtung <xo und daß die Anzahl W der Einzelmeßwerte, die Meßzeit ^sawie die Impulsf&'.gefrequenz eines die Impulse erzeugenden Generators derart aufeinander abgestimmt sind, daß die somit bestimmte Kreiseldrift direkt in Winkelgraden bzw. in Stricheinheiten vorliegt
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsfolge jeder Einzelmessung mittels eines Zählers bestimmt wird, daß die genannte Impulsfolge mit der in einem Speicher eingespeicherten Impulsfolge der vorhergehenden Messung verglichen wird und daß bei Äquivalenz der Impulsfolgen die genannte Impulsfolge zur Summenbild'.mg weitergegeben wird, während bei Ungleichheit der Impulsfolgen die bei der vorhergehenden Äquivalenz ermittele Impulsfolge zur Summenbildung weitergegeben wird.
3. Verfahren nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß vor Beginn der Meßzeit Γ η geprüft wird, ob die Anfangsausrichtung des Rahmens zur Nordrichtung, d. h. der Azimutwinkel « im Bereich von 0° bzw. 360° liegt, und daß bei positivem Prüfergebnis eine Verlängerung bzw. eine Verkürzung der Impulsfolgen entsprechend einem Winkel von 180° vorgenommen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß vor Beginn der Meßzeit Tder Azimutwinkel <x zweimal nacheinander bestimmt wird und bei Äquivalenz die erhaltene Impulsfolge in <r> den Speicher eingegeben wird.