DE2520391A1 - Strap-down-traegheitsnavigationssystem - Google Patents

Description

fefentanwalt )ipHng. RolfMenges

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PATENTMENGES Zomeding 30 74 87-803

Tag/Date 7. Mai 1975

Anwaltsakte: U 247

UNITED TECHNOLOGIES CORPORATION HARTFORD, Connecticut 06101, V.St.A.

Strap-Down-Tragheitsnavigationssystem

Die Erfindung bezieht sich auf Systeme zum Messen der Auswanderung eines Kreisels in einem Strap-Down-Trägheitsnavigationssystem, und insbesondere auf ein System, welches dazu verwendet wird, den Drehimpuls des Kreiselläufers in bekannter Weise zu modulieren, um die Kreiselauswanderungskomponenten von den wahren Winkelgeschwindigkeitskomponenten zu trennen. Die Kenntnis der Kreisauswanderung erlaubt eine stark verbesserte Genauigkeit sowohl der Ausrichtung des Trägheitssystem als auch der Leistungsfähigkeit des Navigationssystems.

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Kardanisch aufgehängte Trägheitsmess- und -navigations systeme sind in der Lage, die A8imutauswanderung zu beseitigen, die durch Abgleichfehler in dem Kreisel vermöge des zusätzlichen Freiheitsgrades, der kardanischen Ringen eigen ist, verursacht wird. Bislang sind zwar Strap-Down-Trägheitsmessysteme von einer allgemeinen kommerziellen Anwendung, wie beispielsweise in Flugzeugen, aufgrund der hohen Kosten ausgeschlossen gewesen, die das Erzielen niedriger Auswanderungswerte bei kardanisch aufgehängten Systemen verursacht, Strap-Down-Systeme haben sich jedoch aufgrund ihrer Einfachheit und Zuverlässigkeit in Raumfahrzeugen bewährt.

Die Erfindung schafft ein Strap-Down-Kreiselsystem zur Verwendung in Trägheitssystemen, in welchen die Auswanderung kontinuierlich oder intermittierend gemessen wird, und das System kann in bezug auf eine Auswanderung während des Betriebs kompensiert sein. Das Prinzip der Auswanderungsmessung beruht auf der Tatsache, dass auf den Kreisel ausgeübte Auswanderungsdrehmomente durch Mechanismen erzeugt werden, die in keiner Beziehung zu der Grosse des Kreiseldrehimpulses, d.h. des Kreiseldralls stehen. Durch Modulieren des Kreiseldrehimpulses, d.h. durch Modulieren der Geschwindigkeit des Kreiselläufers wird dem Ausgangssignal des Kreisels eine Vorspannung gegeben, die dazu verwendet werden kann, die Komponenten der wahren Winkelgeschwindigkeit von den Auswanderungskomponenten zu trennen. Wenn die Kreiselläufergeschwindigkeit in einer sorgfältig kontrollierten, zyklischen Weise moduliert wird, kann die Auswanderung mit einer verhältnismässig grossen Genauigkeit gemessen und die Genauigkeit der Kreiselmessungen beträchtlich verbessert werden.

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Das Grundkonzept des Trennens des Kreiselauswanderungs— drehmoments von dem Präzessionsdrehmoment aufgrund der wahren Winkelgeschwindigkeit mit Hilfe des Modulierens des Kreiseldralls ist bekannt und ist in Trägheitsnavigationssystemen in Verbindung mit rotierenden Plattformen bereits angewendet worden. Ein bekanntes Verfahren beinhaltet die Rotation des Kreiselgehäuses. Dieses Verfahren moduliert jedoch die Richtung des Kreiseldrallvektors im Trägheitsraum, während die Grosse des Kreiseldralls konstant bleibt. Die Ausbreitungsrichtung des Winkelfehlers aufgrund des Kreiselauswanderungsdrehmoments wird dann mit der Rotationsfrequenz moduliert,und dieser Winkelfehler wird in den Navigationsberechnungen ausgesiebt.

Bei einem weiteren bekannten Verfahren wird zwar die Grosse des Kreiseldralls verändert, dieses letztere Verfahren ist jedoch nur bei stabilen Plattformen von Nutzen und die Auswanderung wird nicht berechnet. Die wahre Bewegung wird vielmehr aus der modulierten Komponente des Kreiselausgangssignals gewonnen und zu der Plattform zurückgeführt, um einen Nullabgleich der wahren Bewegung vorzunehmen. Das ist notwendigerweise eine langsam vonstatten gehende Prozedur, die durch die Modulationsgeschwindigkeit begrenzt ist und nichtbei Strap-Down-Kreiseln verwendet werden kann, die eine Lageinformation geben.

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Die Erfindung stellt eine Verbesserung gegenüber den bekannten Systemen dar und beinhaltet die Modulation der Grosse des Kreiseldralls, nicht seiner Vektorrichtung, um den Fehlerbeseitigungseffekt zu erzielen. Ausserdem wird die Fehlerbeseitigung ohne Störung der normalen Betriebsansprechcharakteristik der geschlossenen Schleife in dem Strap-Down-Kreisel erreicht.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist die Tatsache, dass eine schnelle Selbstausrichtung der Strap-Down-Kreiselträgheitsmesseinheit ausgeführt werden kann, wodurch das Erfordernis eliminiert wird, von einer externen Quelle aus eine optische oder andere Art von Azimutausrichtung vorzunehmen, um den Nordsuchbetrieb des Systems zu initialisieren.

Die vorliegende Erfindung ist von der Genauigkeit der Kreiselläufergeschwindigkeitsmodulation und der Umschaltverfahren abhängig. Um die geforderte Genauigkeit und Wiederholbarkeit zu erzeugen und um ausserdem das Auswanderungsmessverfahren nach der Erfindung mit gegenwärtig verfügbaren elektronischen Digitalschaltungen kompatibel zu machen, wird hier ausserdem ein einzigartiger digitaler Sinuswellen-Synthesizer offenbart, der in der gleichzeitig angemeldeten deutschen Patentanmeldung, P , "Digitaler Sinuswellen-Synthesizer",

beansprucht ist.

Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Drehimpuls des rotierenden Läufers eines Strap-Down-Geschwindigkeitsintegrationskreisels zyklisch moduliert, indem die Geschwindigkeit des Kreiselläufers sinusförmig verändert wird. Da die Auswanderungskomponente

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des Kreiselausgangssignals normalerweise von den wahren eingegebenen Geschwindigkeiten unabhängig ist, bleibt die Auswanderungskomponente unmoduliert, während die Komponente der wahren Winkelgeschwindigkeit entsprechend der vorgenommenen Kreiselläufergeschwindigkeitsmodulation moduliert wird. Durch numerisches Integrieren des Kreiselausgangssignals über eine oder mehrere Modulationsperioden ergibt sich eine Grosse, welche das Produkt der Kreiselauswanderung und Modulationsperiode ist, wobei letztere eine bekannte Grosse ist. Wenn die Auswanderung bestimmt worden ist, kann die Ausrichtung des Trägheitssystems und/oder die Korrektur des Navigationssystems durch bekannte Verfahren genau ausgeführt werden.

Gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden Bandpässe und Bandsperren verwendet, um das Kreiselausgangssignal in seine Komponenten der Auswanderung und der wahren Winkelgeschwindigkeit zu trennen. Da die Komponenten der wahren Winkelgeschwindigkeit durch die Kreiselläufergeschwindigkeitsmodulation moduliert sind, während es die Auswanderungskomponenten nicht sind, erfolgt die Trennung der beiden Komponenten, wenn die richtigen Frequenzkomponenten isoliert werden.

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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild des Strap-Down-

Kr eise Häuf ergeschwind igke it smodulators und des Auswanderungsrechners, die die Erfindung beinhalten,

Fig. 2 ein Blockschaltbild des Auswanderungs

rechners von Fig. 1,

Fig. 3 anhand eines Diagramms die sinus

förmige Kreiselläufermodulation und ihre Auswirkung auf die Auswanderungskomponenten und die Komponenten der wahren eingegebenen Bewegung des Kreisels,

Fig. 4 anhand eines Blockschaltbilds die

Verwendung von Filter einrichtungen zum Trennen der Auswanderungskomponenten und der Komponenten der wahren eingegebenen Bewegung des modulierten Kreiselausgangssignals, und

Fig. 5 ein Blackschaltbild des digitalen

Sinuswellen-Synthesizers von Fig.

Fig. 1 zeigt einen Standardintegrationskreisel 10, der in ein Strap-Down-Trägheitsmessystem eingebaut ist. Strap-Down-Systeme unterscheiden sich von kardanisch aufgehängten Standardträgheitssystemen dahingehend, dass sich

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der Kreisel nicht um Kreiselrahmen bewegen kann, wenn er einem Eingangsdrehmoment ausgesetzt ist, sondern dass das Eingangsdrehmoment als ein Ergebnis von Änderungen des Kreiselausgangssignals abgefühlt und ein Rückkopplungssignal einer Nachführspule zugeführt wird, die ein Drehmoment erzeugt, welches das Eingangsdrehmoment ausgleicht. Der Strom in der Nachführspule ist ein Mass für die Winkelgeschwindigkeit, und das Integral des Stroms über einer Zeitspanne, d.h. die Ladung ist ein Mass für den Drehwinkel selbst.

Die Kreiselauswanderung führt, wenn keine Winkelgeschwindigkeitseingabe vorhanden ist, zu einem Gesamtnachführspulenstrom und wird durch Schaltkreise erzeugt, die auf die Abgriffspannung ansprechen, die ihrerseits aus der Auswanderung sowie aus Massenungleichgewichten, elektronischen Defekten und anderen kleinen Ungenauigkeiten in dem Kreisel und zugeordneten Geräten resultiert . Die Auswanderung verursacht jedoch, wenn sie nicht korrigiert wird, ungenauigkeiten in dem Kreiselausgangssignal, welche sich mit der Zeit summieren und zu Gesamtfehlern in Navigationssystemen führen.

Die Kreiselbewegung in Abhängigkeit von eingegebenen Geschwindigkeiten wird durch einen Abgriff abgefühlt, der mit dem Kreiselrahmen verbunden ist, und ein Wechselstromsignal, dessen Amplitude proportional zu der Kreiselabweichung ist, wird einem Impulsdrehmomentsignal-Servoverstärker 12 über eine Leitung 14 zugeführt. Der Verstärker 12 wandelt das Wechselstromsignal in ein Gleichstromsignal' um, welches dann in eine Reihe von Impulsen gleicher Dauer zerhackt wird, wobei die Anzahl der Impulse während eines gewählten Zeitintervalls proportional zu der Kreiselabweichung und somit proportional zu der Winkelgeschwindigkeit,

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d.h. zu dem Drehmoment über dem ausgewählten Zeitintervall ist. Die Reihe von Impulsen wird über eine Leitung 16 zu der Kreiselnachführspule (nicht dargestellt) zurückgeleitet.

Die Reihe von Gleichstromimpulsen wird ausserdem über eine Leitung 18 einem Auswanderungsrechner 20 und über eine Leitung 22 einem Führungscomputer 24 zugeführt. Wie im einzelnen erläutert werden wird, entnimmt der Auswanderungsrechner der Impulsreihe, die ihm von dem Verstärker 12 zugeführt wird, die gewünschte Auswanderungsinformation, die dann über eine Leitung 26 dem Computer 24 zugeführt wird. Der Computer 24 berechnet aus der Kreiselausgangsinformation von der Leitung 22 und der Auswanderungsinformation von der Leitung 26 die gewünschte Navigationsinformation über die Lage und die Position. Der Führungscomputer 24 und die in ihm ausgeführten Berechnungen sind

bekannt und bilden keinen Teil der Erfindung.

Wie oben bereits erwähnt, beruht die Erfindung auf der Tatsache, dass Auswanderungsdrehmomente durch Mechanismen erzeugt werden, die nicht in Beziehung zur Grosse des Kreiseldralls stehen. Somit bleibt durch Modulieren des Dralls des Kreiselläufers, indem eine zyklische Läufergeschwindigkeitsmodulation auf ihn ausgeübt wird, die Auswanderungskomponente unmoduliert und kann von der modulierten Komponente der wahren Bewegung getrennt werden.

Zum Erzielen der gewünschten Kreiselläufergeschwindigkeitsmodulation ist in Fig. 1 ein Läufergeschwindigkeitsmodulator 28 gezeigt, der ein zyklisches Ausgangssignal erzeugt und dieses Signal über eine Leitung 30 dem Strap-Down-Kreisel 10 zuführt, in welchem die Läufergeschwindigkeit

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in Abhängigkeit von dem Modulationssignal moduliert wird. In seiner breitesten Anwendung kann jeder bekannte analoge Wellenformgeber verwendet werden, dessen Ausgangssignal irgendeine stabile und wiederholbare zyklische Modulationsschwingung sein kann, die dem Antriebsmotor für den Kreiselläufer zugeführt und normalerweise in ein Freguenzsignal umgewandelt wird, da die Antriebsmotoren im allgemeinen mehrphasig sind.
Zum Ausführen der Erfindung in

ihrer bevorzugten Form wird jedoch der digitale Sinuswellen-Synthesizer von Fig. 5 verwendet, da er speziell so ausgelegt ist, dass er ein sinusförmiges Ausgangssignal in digitaler Form, das den Einschränkungen von Kreiselläufermotoren entspricht, und mit hoher Auflösung und Wiederholbarkeit erzeugt.

Unabhängig von dem bei der Ausführungsform von Fig. 1 verwendeten Typ des Läufergeschwindigkeitsmodulators muss ein Synchronisierungssignal aus dem Modulator 28 dem Führungscomputer 24 über eine Leitung 32 und dem Auswanderungsrechner 20 über eine Leitung 34 zugeführt werden, um das Kreiselausgangssignal mit der auf es ausgeübten Modulation zu synchronisieren. Das Synchronisierungssignal braucht nicht mit der Modulationswellenform identisch zu sein, es muss aber zumindest ein 2-Werte-Signal sein, welches die Richtung des Modulationssignals angibt, d.h. entweder eine zunehmende oder eine Abnehmende Kreiselläufergeschwindigkeit.

In den Fig. 2 und 3 ist eine bevorzugte Ausführungsform des Auswanderungsrechners 20 von Fig. 1 dargestellt. Nimmt man an, dass der Läufergeschwindigkeitsmodulator eine Sinuswelle erzeugt, beispielsweise unter Verwendung des digitalen Sinuswellen-Synthesizers von Fig. 5 oder

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einer äquivalenten Einrichtung, so wird die Kreiselläufergeschwindigkeit ebenfalls sinusförmig moduliert. Fig. 3 zeigt anhand einer Kurve A die Auswirkung der sinusförmigen Modulation, die über einen Zyklus der Modulationsperiode P auf die Kreiselläufergeschwindigkeit ausgeübt wird, wobei eine typische Periode P fünfzehn Sekunden beträgt. Das Kreiselausgangssignal wird eine Auswanderungsgeschwindigkeitskomponente D enthalten, die sich nicht mit der Läufergeschwindigkeitsmodulation ändert, und eine Komponente S der wahren Bewegungsgeschwindigkeit, die durch den Läufergeschwindigkeitsmodulator moduliert ist. Die wahre Bewegungsgeschwindigkeitskomponente kann beispielsweise die Erddrehgeschwindigkeit sein. Das durch die Kurve A dargestellte resultierende Kreislausgangssignal ist zwar als ein analoges Signal dargestellt, in Wirklichkeit handelt es sich jedoch um eine Impulsreihe aus dem Impulsdrehmomentsignal-Servoverstärker 12 von Fig. 1, wobei die Frequenz der Impulse über jeder von mehreren inkrementalen Perioden die Winkelbewegung angibt. Es ist zu erkennen, dass Fig. 3 sowohl die Auswanderungskomponente D als auch die Komponente S der wahren Bewegung mit Bezug auf das Kreiselausgangssignal in derselben Richtung liegend zeigt, es ist aber ebenso wahrscheinlich, dass die beiden Komponenten in entgegengesetzten Richtungen wirken.

Die Komponente S rührt von einer wahren Winkelbewegung her, die über die Periode der Berechnungen als konstant angenommen wird. Das aus der Komponente S resultierende Signal kann deshalb über den einzelnen Halbperioden der Modulation gemittelt werden. Dieses Verfahren ist durch die gestrichelten Linien E und F dargestellt. Die Abweichung der Linien E und F von dem Mittelwert, d.h. der

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gestrichelten Linie G ist gegeben'durch S/M, wobei S der Mittelwert der Komponente aufgrund der wahren Geschwindigkeit und M eine mathematische Grosse ist, die gewonnen wird, indem die durch den Läufergeschwindigkeitsmodulator erzeugte Änderung der Läufergeschwindigkeit über eine halbe Periode gemittelt wird. Die als Linie E dargestellte Komponente ist dann gleich S + S/M, und die als Linie F dargestellte Komponente ist gleich s" - S/M.

Es wird gezeigt werden, dass durch Multiplizieren des Wertes des Kreiselausgangssignals, das als Schwingung A dargestellt ist, mit einer Zahl kleiner als der Modulationsindex M über der ersten, d.h. positiven Halbwelle, und dann durch Multiplizieren des Wertes des Kreiselausgangssignals mit der gleichen Zahl grosser als der Modulationsindex M über der zweiten, d.h. negativen Halbwelle, die Differenz zwischen den beiden Produkten proportional zur Auswanderung ist. Wie unten dargestellt, werden die Komponenten des Kreiselausgangssignals mit den Zahlen M-I und M+l über der ersten bzw. zweiten Halbwelle multipliziert.

Kreiselausgangssignal = p/2 [- (M-I) (S+S/M+D)] + P/2[(M+1) (S-S/M+D),

= P/2 [-(M-I) (S+S"/M+D) + (M+l) (S-S/M+D)]

= p/2 [ -sm-s"-md+s+s7m+d + ?m-s~+md+s~-s7m+d]

= P/2 [ 2D] = PD

Wenn der Auswanderungsrechner 20 als Hardware ausgeführt ist, muss offenbar der Modulationsindex M eine ganze Zahl sein, während für Softwareversionen jeder Wert des Modulationsindexes verwendet werden kann. Es kann eine gleichartige

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Definition für M verwendet werden, in welcher die Multiplikationsfaktoren (M-I) und (M+l) um eine andere Zahl als 2 voneinander abweichen, um die Anzahl der Wahlmöglichkeiten für die Modulationsschwingung zu vergrössern.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform des Auswanderungsrechners 20. Die Kreiselausgangsimpulse des Impulsdrehmoment (pulse torquing)-Servorverstärkers 12 werden einem Impulsvervielfacher 34 zugeführt, in welchem sie mit einer Geschwindigkeit vervielfacht werden, die durch einen Geschwindigkeitsselektor 36 festgelegt wird, der mit dem Impulsvervielfacher 34 über eine Leitung 38 verbunden ist. Die Geschwindigkeit kann durch den Geschwindigkeitsselektor 36 vorgewählt oder darin in Abhängigkeit von dem Modulationsindex M berechnet werden. Zum Triggern des Geschwindigkeitsselektors 36 wird ihm ein in Fig. 3 als Kurve B dargestelltes Sychronisierungssignal aus dem Läufergeschwindigkeitsmodulator 28 über eine Leitung 40 zugeführt. Eine Einrichtung zum Erzeugen des Synchronisierungssignals ist in Fig. 5 dargestellt. Bei Bedarf wird der Läufergeschwindigkeitsmodulator 28 so eingestellt oder aufgebaut, dass er einen ganzzahligen Modulationsindex M erzeugt. Das Synchronisierungssignal wird ausserdem einem Aufwärts-Abwärts-Selektor 42 über eine Leitung 44 und einem Längenselektor 46 über eine Leitung 48 zugeführt.

Die Kreiselausgangssignalimpulse werden nach Vervielfachung in dem Vervielfacher 34 dem Selektor 42 über eine Leitung 50 zugeführt und durch diesen hindurch auf Leitungen 54 oder 56, in Abhängigkeit von der Richtung des Synchronisierungssignals auf der Leitung 44, zu einem Zähler 52 geleitet, d.h. das Synchronisierungssignal bestimmt, ob die Impulse in dem Zähler 52 vorwärts oder rückwärts gezählt werden sollen. Ausserdem ist als ein Eingangssignal

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für den Aufwärts-Abwärts—Selektor 42 ein Kreiselgeschwindigkeitsrichtungssignal auf einer Leitung 58 dargestellt, bei welchem es sich um ein 2-Werte-Signal handelt, welches das augenblickliche Vorzeichen des unkorrigierten Kreiselausgangssignals angibt, d.h. ob die Kreiselwinkelgeschwindigkeit im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn gerichtet ist. Der Aufwärts-Abwärts-Selektor 42 arbeitet wie eine EXKLUSIVES ODER-Schaltung, um die Vervielfachten Impulse in Abhängigkeit sowohl von dem Synchronisierungssignal als auch von der Kreiselwinkelgeschwindigkeitsrichtung zu den richtigen Aufwärtsoder Abwärts-Leitungen 54 oder 56 zu leiten und somit in bezug sowohl auf die Richtung der Modulation als auch die Richtung der Winkelgeschwindigkeit die endgültige Richtung der Auswanderungskomponente festzulegen.

Der Zähler 52 summiert die Zählungen von den Aufwärts- und Abwärts-Leitungen und führt die algebraische Subtraktion aus, um den Rest zu berechnen, der zur Auswanderung proportional ist.Der Zähler kann ein Digitalcomputer sein.

Der Längenselektor 46 ist voreingestellt oder wird so eingestellt, dass die Anzahl von Modulationsperioden P festgelegt ist, über welche die Auswanderungsberechnungen ausgeführt werden, und er zählt die Aufwärts- und Abwärtsschwingungen des Synchronisierungssignals von der Leitung 48, bis die richtige Anzahl erreicht ist. Gleichzeitig schickt der Längenselektor 46 ein Signal über eine Leitung 6O, um den Zähler 52 am Ende jeder Periode zu löschen, und instruiert ein Speicherregister 62 über eine Leitung 64, dass es die Auswanderungsberechnung des Zählers 52 aufnehmen soll, bevor der Zähler gelöscht wird. Das Speicherregister 62 arbeitet als ein Speicher für die

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Auswanderungsberechnungen, bis diese durch den Führungscomputer 24 angefordert werden. Das Periodenglied P, das in der Auswanderungsberechnung als eine Konstante erscheint, kann zwar auf jeder gewünschten Stufe der Berechnugen eliminiert werden, vorzugsweise erfolgt das jedoch in dem Führungscomputer 24, welcher als ein Eingangssignal das Synchronisierungssignal empfängt, das in direkter Beziehung zu der Periode P steht.

Fig. 4 zeigt die Verwendung von Bandpässen und Bandsperren in der Rückkopplungsschleife des Impulsdrehmomentsignalservoverstärkers zum Ausführen einer Auswanderungssperre. Dieses Verfahren kann an Stelle der Ausführungsform von Fig. 2 verwendet werden. Bei der Ausführungsform von Fig. 4 werden die Auswanderungsbewegung und die wahre Winkelbewegung getrennt erfasst und somit wird dem Führungscomputer 24 eine auswanderungsfreie Information zugeführt.

In Fig. 4 erzeugt der Läufergeschwindigkeitsmodulator 28 eine sinusförmige Schwingung, beispielsweise indem der digitale Sinuswellen-Synthesizer von Fig. 5 oder eine äquivalente Einrichtung verwendet wird. Die sinusförmige Schwingung wird über eine Leitung 70 einem Kreisel 72 zugeführt, in welchem die Kreiselläufergeschwindigkeit ebenfalls sinusförmig moduliert wird. Eine Kreiselabgriffstromversorgung 74 liefert dem nicht dargestellten Kreiselabgriff .über eine Leitung 76 eine Erregungsfrequenz. Das von dem Kreiselabgriff erzeugte Ausgangssignal besteht aus einer Auswanderungsgeschwindigkeit skomponente, die sich nicht mit der Läufergeschwindigkeitsmodulation ändert, und aus einer Komponente der wahren Bewegungsgeschwindigkeit, die durch den Läufergeschwindigkeitsmodulator 28 moduliert ist. Beide Komponenten werden

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ihrerseits mit der Abgrifferregungsfrequenz der Abgriffstromversorgung 74 moduliert. Das Ausgangssignal des Kreiselabgriffes wird über eine Leitung 78 einem Bandpassverstärker und Demodulator 80 zugeführt. Die Erregungsfrequenz des Kreiselabgriffes wird dem Bandpassverstärker und Demodulator 80 ausserdem von der Abgriffstromversorgung 74 über eine Leitung 82 zugeführt. Der Bandpassverstärker und Demodulator 80 ist auf die Abgrifferregungsfrequenz abgestimmt, so dass sein Ausgangssignal zu der konstanten Auswanderungsgeschwindigkeit skomponente und der läufergeschwindigkeitsmodulierten Komponente der wahren Bewegungsgeschwindigkeit proportional ist.

Das Ausgangssignal des Bandpassverstärkers und Demodulators 80 wird auf zwei parallelen Wegen abgegeben, und zwar zum einen über eine Leitung 84 an einen Bandsperreverstärker 86, welcher auf die Läufergeschwindigkeitsmodulationsfrequenz abgestimmt ist, und zum anderen über eine Leitung 88 an einen Bandpassverstärker 90, der ebenfalls auf die Läufergeschwindigkeitsmodulationsfrequenz abgestimmt ist. Das Ausgangssignal des Bandsperreverstärkers 86 ist zu der konstanten Auswanderungsgeschwindigkeit skomponente und der unmodulierten Komponente der wahren Bewegungsgeschwindigkeit proportional, während das Ausgangssignal des Bandpassverstärkers 90 zu der läufergeschwindigkeitsmodulierten Komponente der wahren Bewegungsgeschwindigkeit proportional ist.

Da das Strap-Down-Kreiselrückkopplungssystem für alle Eingangssignale abgeglichen sein muss, die dem Kreisel 72 zugeführt werden, werden die getrennten Komponenten aus den Verstärkern 86 und 90 in einem Sutimierungsknotenpunkt 92 wieder vereinigt. Das Ausgangssignal des

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Bandsperreverstärkers 86 wird dem Summierungsknotenpunkt 92 über eine Leitung 94 und das Ausgangssignal aus dem Bandpassverstärker 90 dem Summierungsknotenpunkt 92 über eine Leitung 96 zugeführt. Das resultierende Ausgangssignal des Summierungsknotenpunkts 92 wird dann über eine Leitung 98 dem Impulsdrehmomentsignalservorverstärker 100 zugeführt, dessen Ausgangssignal über eine Leitung 102 dem Strap-Down-Kreiselüberwachungsmotor in dem Kreisel 72 zugeführt wird. Obwohl es in Fig. 4 nicht dargestellt ist, sei erwähnt, dass der Impulsdrehmomentsignalservoverstärker 100 aus einer Quantisiereinrichtung und einer Stromumschaltbrücke besteht, die ein zeitmoduliertes,konstantes Stromrechtecksignal ableitet, das auf der Leitung 1O2 erscheint. In der Praxis wird das Umschalten des Rechtecksignals \on minus nach plus mit einer vorgeschriebenen Taktgeschwindigkeit von typischerweise 1 kHz gesteuert, wohingegen das Umschalten von plus nach minus durch einen Vergleich des Rückkopplungssignals mit einer Sägezahn— schwingung festgelegt wird, die mit der vorgeschriebenen Taktgeschwindigkeit synchronisiert ist.

Das Ausgangssignal des Bandpassverstärkers 90 wird ausserdem über eine Leitung 104 einem Demodulator und Tiefpass 106 zugeführt. Das Ausgangssignal des Läufergeschwindigkeitsmodulators 28 wird ausserdem über eine Leitung 108 dem Demodulator und Tiefpass 106 zugeführt. Der Demodulator und Tiefpass 106 ist auf die Läufergeschwindigkeitsmodulationsfrequenz abgestimmt und sein Ausgangssignal ist zu der Komponente niedriger Frequenz der wahren Bewegungsgeschwindigkeit proportional. Die Komponenten höherer Frequenz der wahren Bewegungsgeschwindigkeit werden gewonnen, indem das Signal aus dem

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Summierungsknotenpunkt 92 über eine Leitung 110 einem Hochpass 112 zugeführt wird, welcher die konstante Auswanderungsgeschwindigkeitskomponente und die läufer— geschwxndxgkeitsmodulierte Komponente in dem Signal nicht durchlässt. Das Ausgangssignal des Hochpasses 112 wird einem Summierungsknotenpunkt 114 zugeführt, wo es mit dem Ausgangssignal des Demodulator und Tiefpasses 106 vereinigt wird, um ein Signal zu erzeugen, welches das Ausgangssignal aus einem auswanderungsfreiai Kreisel darstellt. Das Ausgangssignal des Summierungsknotenpunkte 114 wird dann digitalisiert, indem es durch einen Analog-Digital-Wandler 116 hindurchgeleitet wird, welcher typischerweise mit dem Impulsdrehmomentsignalservorverstärker lOO bei einer Taktfrequenz von 1 kHz synchronisiert ist. Das Ausgangssignal des Analog-Digital-Wandlers 116, das auf einer Leitung 118 erscheint, ist typischerweise eine Impulsfolge, welche Inkremente von Winkeländerungen der wahren Bewegung darstellt. Dieses Signal wird dann einem Datenprozessor zugeführt, bei welchem es sich um den Führungscomputer 24 von Fig. 1 handeln kann. ν

Fig. 5 zeigt den neuen linear-parabolischen Läufergeschwindigkeitsmodulator zum digitalen Aufbauen einer Sinuswelle. Die Einrichtung kann in Verbindung mit den Ausführungsformen der Fig. 2 und 4 und ausserdem überall dort verwendet werden, wo eine digital aufgebaute Sinuswelle erwünscht ist. Die Kreiselläufergeschwindigkeitsmodulation muss eine hohe Stabilität haben und den Einschränkungen der Kreiselläufermotoren angepasst sein. In der Praxis kann eine ausreichende Stabilität nur durch Digitalschaltungen erreicht werden, die aus einem stabilen quarzgesteuerten Oszillator gespeist werden.

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Eine Einschränkung ist bei der Kreiselläufergeschwindigkeit ihre Beschleunigung und Verzögerung, die bei der Ausführung der Erfindung genau geregelt werden muss. Die Änderungsgeschwindigkeit der Beschleunigung ist ebenfalls von Bedeutung. Der hier offenbarte linear-parabolische Läufergeschwindigkeitsmodulator schafft bestimmte Grenzen unabhängig sowohl von dem Beschleunigungskoeffizienten als auch von dem Beschleunigungsgeschwindigkeitskoeffizienten der Läufergeschwindigkeit. -

Der Synthesizer von Fig. 5 enthält einen Hauptzähler 120, welcher die Anzahl von Impulsen zählt, die ihm durch ein variables Impulsgatter 122 aus einem Taktoszillator 124 zugeführt werden. Es ist eine Regellogik vorgesehen, welche dafür sorgt, dass das digitale Ausgangssignal des Hauptzählers 120 sich in Abhängigkeit von der Zeit sinusförmig ändert. Das digitale Ausgangssignal des Hauptzählers 120 ist, in seiner bevorzugten Ausführungsform, ein digitales 12-Bit-Wort. Die sinusförmige Änderung des Ausgangssignals ist in Wirklichkeit keine reine Sinusschwingung, sondern eine Annäherung, die durch Kombinieren einer linearen Änderung über der Zeit mit einer parabolischen Änderung über der Zeit erreicht wird.

Es wird ein Zeitpunkt angenommen, welcher Null Grad einer Sinuskurve äqivalent ist. der Oszillator 124 erzeugt Impulse mit einer Frequenz von etwa 1 kHz, die über eine Leitung 126 dem einstellbaren Impulsgatter 122 zugeführt werden, welches zu dieser Zeit so eingestellt ist, dass es sämtliche auf der Leitung 126 erscheinenden Impulse durchlässt. Diese Impulse werden dann dem Zähler 120 über eine Leitung 128 zugeleitet, welcher von einem Anfangsgrundzählerstand, der von Null verschieden sein kann, vorwärts zählt. Der Zählerstand in dem Zähler 120

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wird über eine Leitung 130 einem Wertdetektor 132 zugeführt, in welchem ein Zählwert gespeichert ist, der dem Wert äquivalent ist, den die Sinuskurve bei einer Drehung von ungefähr +60° haben würde. Dieser Wert wird im folgenden als 60 -Wert bezeichnet. Wenn der Wert des Zählers 120 den in dem Wertdetektor 132 gespeicherten Wert erreicht, wird ein Ausgangssignal über eine Leitung 136 an eine ODER-Schaltung 134 abgegeben. Die ODER-Schaltung 134 gibt ein Signal über eine Leitung 138 an ein Flipflop 140 ab, um ihn aus seinem rückgesetzten Zustand in seinen Setzzustand umzuschalten. Wenn der Flipflop 140 gesetzt wird, gibt er ein Signal über eine Leitung 142 an eine Torschaltung 144 ab, welches diese Torschaltung öffnet und den Impulsen aus dem Oszillator 124 erlaubt, durch eine durch sechzehn dividierende Schaltung 146 und durch die Torschaltung 144 hindurch zu einem Flankenzähler 148 zu gehen, d.h. einer von jeweils sechzehn Impulsen aus dem Oszillator 124 wird zu dem Flankenzähler 148 geleitet. In diesem Zeitpunkt ist der Flankenzähler 148 so eingestellt worden, dass er seinen maximalen Zählerstand von binär fünfzehn enthält (es gibt sechzehn mögliche Zählerstände zwischen binär null und binär fünfzehn). Wenn der Flankenzähler 148 seinen maximalen Zählerstand enthält, wird ein Signal an das einstellbare Impulsgatter 122 über eine Leitung 150 abgegeben, welches bewirkt, dass das einstellbare Impulsgatter 122 alle Eingangsimpulse durchlässt, die es auf der Leitung 126 empfängt. Nimmt man an, dass der Flankenzähler 148 so eingestellt ist, dass er infolge des Setzzustands eines Flipflops 152 rückwärts zählt, so wird der Flankenzähler langsam rückwärts zählen, und zwar jedesmal dann, wenn er einen Impuls aus der Torschaltung 144 empfängt. Wenn der Flankenzähler 148 rückwärts zählt, bewirkt das Signal auf der Leitung 150, dass das einstellbare Impulsgatter 122 für jeden Schritt,

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um den der Flankenzähler 148 seinen Zählerstand verringert hat, einen Impuls weniger durchlässt, d.h. wenn der Flankenzähler 148 einen Zählerstand vierzehn

enthält, lässt das einstellbare Impulsgatter 122 nur fünfzehn der auf der Leitung 126 abgegebenen sechzehn Impulse durch, und wenn der Flankenzähler einen Zählerstand dreizehn enthält, lässt das einstellbare Impulsgatter 122 nur vierzehn der sechzehn Impulse durch, usw. bis der Flankenzähler Null erreicht. Während dieses Zeitintervalls lässt das einstellbare Impulsgatter 122 immer weniger von den Oszillatorimpulsen zu dem Zähler 120 durch. Die durch sechzehn dividierende Schaltung 146 bewirkt, dass dem einstellbaren Impulsgatter 122 sechzehn Oszillatorimpulse für jeden Impuls zugeführt werden, der dem Flankenzähler 148 zugeführt wird, und wenn der Flankenzähler rückwärts zählt, erreichen weniger Impulse den Zähler 120, so dass dieser in Abhängigkeit von der Zeit mit einer langsameren Geschwindigkeit vorwärts zählt, wobei der Zählerstand in dem Zähler 120 als eine Funktion der Zeit die Abrundung des Gipfels einer Sinuskurve annähert.

Wenn der Flankenzähler 148 einen Zählerstand Null erreicht, wird dieser Zustand durch eine Logikschaltung 154 abgefühlt und es wird ein Signal über eine Leitung 156 an den Flipflop 152 abgegeben, damit dieser Flipflop rückgesetzt wird und den Flankenzähler 148 vom Rückwärtszählen auf Vorwärtszählen umschaltet. Das Signal auf der Leitung 156 wird ausserdem über eine Leitung 158 an einen Flipflop 160 abgegeben, um dessen Zustand umzukehren und den Hauptzähler 120 vom Vorwärtszählen auf Rückwärtszählen umzuschalten.

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Der Flankenzähler beginnt nun in Abhängigkeit von den Impulsen aus der Torschaltung 144 vorwärts zu zählen. Das einstellbare Impulsgatter 122 lässt am Anfang nur einen von jeweils 16 Impulsen auf der Leitung 126 zu dem Zähler 120 durch, welcher nun rückwärts zu zählen beginnt. Da der Zähler 148 vorwärts zählt, nimmt die Anzahl von durch das einstellbare Impulsgatter 122 hindurchgehenden Impulsen allmählich zu und der Zählerstand in dem Hauptzähler 12O nimmt mit einer grösseren Geschwindigkeit in einer zu seinem Vorwärtszählen gleichartigen Weise ab. Dieser Vorgang setzt sich fort, bis der Wertdetektor 132 feststellt, dass der Wert in dem Zähler ungefähr 120 der Sinuskurve äquivalent ist oder dass der Zähler 120 denselben Wert wie der 60°-Wert der Sinuskurve enthält. In diesem Zeitpunkt wird ein Signal über die Leitung 136 an die ODER-Schaltung 134 abgegeben, wodurch der Flipflop 140 rückgesetzt und dadurch die Torschaltung 144 gesperrt wird.Anschließend werden sämtliche Impulse, die vom Oszillator 124 auf der Leitung 126 dem einstellbaren Impulsgatter 122 zugeführt werden, zu dem Hauptzähler 120 geleitet und es wird das lineare Rückwärtszählen wieder aufgenommen.

Wenn der Mittelwert der Sinuskurve erreicht ist, stellt der Wertdetektor 130 fest, dass der Zähler 120 einen Zählerstand erreicht hat, der gleich dem Nullwert der Modulation ist, und erzeugt ein Signal auf einer Leitung 164, welches, unter der Annahme, dass es sich um ein Zwei-Werte -signal handelt, von den zuvor beschriebenen Auswanderungsrechnern als Synchronisierungssignal verwendet werden kann. Der Zähler 120 braucht nicht negativ zu zählen, sondern kann auf einen positiven Zählerstand voreingestellt sein, der 0 der Sinuskurve entspricht, wobei sämtliche positiven und negativen Ausschläge der

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Sinuskurve durch positive Zahlen dargestellt werden. Das Synchronisierungssignal auf der Leitung 164 kann ausserdem an den Flipflop 140 abgegeben werden, um sicherzustellen, dass er während der nächsten Zählperiode in seinem rückgesetzten Zustand ist und gesetzt wird, wenn der nächste 60°-Wert der Sinuskurve erreicht wird.

An dem Mittelwert der Sinuskurve enthält der Flankenzähler seinen maximalen Zählerstand. Dieser Zustand wird durch die Logikschaltung 154 abgefühlt und es wird ein Signal über eine Leitung 166 an den Flipflop 152 abgegeben, damit dieser gesetzt wird und den Flankenzähler auf Rückwärtszählen umschaltet. Der Zähler 120 behält sein Rückwärtszählen bei. Wenn der Zähler 120 rückwärts bis zu dem -60° (240°)-Wert der Sinuskurve zählt, betätigt der Wertdetektor 132 wieder die ODER-Schaltung 134, die den Flipflop 140 setzt und die Torschaltung 144 durchsteuert. Der Flankenzähler 148 zählt nun von fünfzehn bis null rückwärts und die Anzahl der durch das variable Impulsgatter 122 hindurch zu dem Zähler 120 gehenden Impulse wird verringert, wie zuvor, bis der Flankenzähler 148 einen Zählerstand Null erreicht. In diesem Zeitpunkt setzt ein Signal aus der Logikschaltung 154 über eine Leitung 156 den Flipflop 152 zurück, was zur Folge hat, dass der Flankenzähler 148 auf Vorwärtszählen umschaltet, und kehrt den Zustand des Flipflops 160 um, was zur Folge hat, dass der Hauptzähler 120 wieder vorwärts zählt, so dass er die Sinuskurve vervollständigen kann. Der Flankenzähler beginnt dann seine Zählung null bis fünfzehn, in dieser Zeit ist die Torschaltung 144 gesperrt und der übrige lineare Teil dar Sinuskurve wird im Zähler 120 gebildet.

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Das Ausgangssignal des Zählers 12O auf der Leitung 130 kann einem Digital-Analog-Wandler (nicht dargestellt) zugeführt werden, welcher des binäre Ausgangssignal in einen analogen Wert umwandelt, der dem Kreiselläuferantriebsmotor zugeführt wird. Es kann ausserdem eine Frequenzumwandlung erforderlich sein, die von dem Typ des Antriebsmotors abhängt, beispielsweise durch Verwendung einer binären Frequenzvervielfacherschaltung.

Im Rahmen der Erfindung bietet sich dem Fachmann über die beschriebenen Ausführungsbeispiele hinaus eine Vielzahl von Vereinfachungs- und Verbesserungsmöglichkeiten sowohl hinsichtlich der Bauteile als auch ihrer Zusammenfügung.

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Claims (14)

1. Patentansprüche :

   1J Verfahren zum Bestimmen der Auswanderung eines Strap-Down-Kreisels, welcher einer externen Winkelbewegung ausgesetzt ist und ein Ausgangssignal erzeugt, das eine Komponente enthält die zu der wahren Winkelbewegung proportional ist/ und eine Komponente, die zu-der Kreiselauswanderung proportional ist, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

   ZyklischesModulieren des Dralls des Kreisels für mindestens einen Modulationszyklus,

   Multiplizieren des Ausgangssignals des Kreisels mit einem vorgewählten Faktor, der zu der durch die zyklische Modulation erzeugten Änderung des Kreiseldralls in Beziehung steht, und dann

   Integrieren des multiplizierten Ausgangssignals über den Modulationszyklus.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kreisel einen rotierenden Läufer hat und dass bei dem Schritt des zyklischen Modulierens des Dralls des Kreisel die Kreiselläuferdrehgeschwindigkeit sinusförmig moduliert wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Multiplizierens folgende Schritte enthält:

   Multiplizieren des Ausgangssignals des Kreisels während desjenigen Teils des Modulationszyklus, während welchem die Kreiselläuferdrehgeschwindigkeit vergrössert wird, mit einer ganzen Zahl weniger als die mittlere Änderung der Läufergeschwindigkeit während des Modulationszyklus, um ein erstes Produkt zu gewinnen, und

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   Multiplizieren des Ausgangssignals des Kreisels während desjenigen Teils des Modulationszyklus, während welchem die Kreiselläuferdrehgeschwindigkeit verrringert wird, mit der ganzen Zahl mehr als die mittlere Änderung der Läufergeschwindigkeit während des Modulationszyklus, um ein zweites Produkt zu gewinnen.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Integrierens einen Schritt enthält in welchem eines der beiden Produkte von dem anderen Produkt subtrahiert wird.
5. 5. Steuereinrichtung mit einem Strap-Down-Kreisel, der einen rotierenden Läufer hat, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer einer externen Winkelbewegung ausgesetzt ist und ein Ausgangssignal erzeugt, das eine zu der wahren Winkelbewegung proportionale Komponente und eine zu der Kreiselauswanderung proportionale Komponente enthält, und gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum zyklischen Modulieren der Drehgeschwindigkeit des Kreiselläufers, wobei die Drehgeschwindigkeit des Kreiselläufers während eines Teils des Modulationszyklus vergrössert und während des anderen Teils des Modulationszyklus verringert wird, und durch eine Einrichtung, die auf das Ausgangssignal des modulierten Kreisels anspricht, um daraus eine zu der Kreiselauswanderung proportionale Komponente zu entnehmen.
6. 6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die letztgenannte Einrichtung enthält: eine Einrichtung, die das Ausgangssignal des Kreisels während desjenigen Teils des Modulationszyklus, während welchem die Kreiselläuferdrehgeschwindigkeit vergrössert wird,

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   mit einem gewählten Faktor weniger als die mittlere Änderung der Läuferdrehgeschwindigkeit während dieses Modulationszyklus multipliziert,um ein erstes Produktsignal zu erzeugen, eine Einrichtung, die das Ausgangssignal des Kreisels während desjenigen Teils des Modulationszyklus, während welchem die Kreiselläufer— drehgeschwindigkeit verringert wird, mit dem gewählten Faktor mehr als die mittlere

   Änderung der Läuferdrehgeschwindigkeit während dieses Modulationszyklus multipliziert,um ein zweites Produktsignal zu erzeugen, und eine Einrichtung zum Subtrahieren eines der beiden ProduktsignaIe von dem anderen Produktsignal.
7. 7. Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum zyklischen Modulieren der Kreiselläuferdrehgeschwindigkeit eine Einrichtung zum sinusförmigen Modulieren der Kreiselläuferdrehgeschwindigkeit enthält.
8. 8. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Subtrahiereinrichtung einen Vorwärts-Rückwärts-Zähler enthält.
9. 9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Inaktivieren der Subtrahiereinrichtung nach einer vorgewählten ganzen Zahl von Modulationszyklen der Kreiselläuferdrehgeschwindigkeit.
10. 10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der gewählte Faktor eine ganze Zahl ist.
11. 11. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet.

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    dass die letztgenannte Einrichtung enthält: einen Bandpassverstärker mit einem Eingang und einem Ausgang, der auf die Läufergeschwindigkeitsmodulationsfreguenz abgestimmt ist,

    einen Bandsperreverstärker mit einem Eingang und einem Ausgang, der auf die Läufergeschwindigkeitsmodulationsfrequenz abgestimmt ist,

    eine Einrichtung zum Zuführen des Kreiselausgangssignals zu den Eingängen des Bandpassverstärkers und des Band— sperreverstärkers,

    einen Summierungsknotenpunkt, der mit den Ausgängen des Bandpassverstärkers und des Bandsperreverstärkers verbunden ist,

    einen Hochpass mit einem Eingang und einem Ausgang, eine Einrichtung zum Verbinden des Summierungsknotenpunkts mit dem Eingang des Hochpasses, einen Demodulator mit einem Eingang und einem Ausgang, der auf die Läufergeschwindigkeitsmodulationsfrequenz abgestimmt ist,

    eine Einrichtung zum Verbinden des Ausgangs des Bandpassverstärkers mit dem Demodulator, einen Tiefpass mit einem Eingang und einem Ausgang, eine Einrichtung zum Verbinden des Ausgangs des Demodulators mit dem Eingang des Tiefpasses, und eine Einrichtung zum Vereinigen der Ausgangssignale des Hochpasses und des Tiefpasses.
12. 12. Einrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine Drehmomentsignalspule, die mit dem Kreisel verbunden ist, und durch eine Einrichtung zum Verbinden des Summierungsknotenpunkts mit der Drehmomentsignalspule.
13. 13. Einrichtung nach Anspruch 11 oder 12, gekennzeichnet

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    durch einen mit dem Kreisel verbundenen Abgriff, durch eine Abgriffstromversorgung zum Erregen des Abgriffes mit einer gewählten Frequenz, durch eine Filtereinrichtung mit einem Eingang und einem Ausgang, die auf die Abgrifferregungsfreguenz abgestimmt ist, und durch eine Einrichtung zum Verbinden des Abgriffes mit dem Eingang der Filtereinrichtung.
14. 14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal des Bandsperreverstärkers zu den Komponenten der wahren Winkelbewegung und der Auswanderung proportinal ist, dass das Ausgangssignal des Bandpassverstärkers zu der modulierten Komponente der wahren Winkelbewegung proportional ist, dass der Hochpass die Auswanderungskomponente und die modulierte Komponente aus dem Ausgangssignal an dem Summierungsknotenpunkt entfernt, dass ein auf die Laufergeschwindigkeitsmodulationsfrequenz abgestimmter Demodulator zum Demodulieren des zweiten Signals vorgesehen ist und daß der Tiefpass nur den Anteil niedriger Frequenz der Modulationskomponente der Komponente der wahren Winkelbewegung aus dem demodulierten zweiten Signal durchlässt.

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    -as.

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