DE2520391C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Steuereinrichtung der im Oberbegriff der Patentansprüche 1 bzw. 5 angegebenen Art.

In einem Strap-Down-Trägheitsnavigationssystem ist der Kreisel bordfest eingebaut, d. h. er weist keine stabilisierte Plattform auf. Bei einem solchen Navigationssystem sind die Trägheitsvorrichtungen (Kreisel und Beschleunigungsmesser) direkt an dem Träger befestigt.

Kardanisch aufgehängte Trägheitsmeß- und -navigationssysteme sind vermöge des zusätzlichen Freiheitsgrades, der kardanischen Ringen eigen ist, in der Lage, die Azimutdrift zu beseitigen, die durch Ungleichgewichte in den Kreiseln verursacht wird. Obgleich sich Strap-Down-Trägheitsmeßsysteme aufgrund ihrer Einfachheit und Zuverlässigkeit in Raumfahrzeugen bewährt haben, sind die bislang von einer allgemeinen kommerziellen Anwendung, wie beispielsweise in Flugzeugen, aufgrund der hohen Kosten ausgeschlossen gewesen, die das Erzielen niedriger Driftwerte gegenüber kardanisch aufgehängten Systemen verursacht.

Aus der US-PS 37 57 093 ist es bekannt, das Kreiseldriftdrehmoment von dem Präzessionsdrehmoment aufgrund der wahren Winkelgeschwindigkeit mit Hilfe des Modulierens des Kreiseldrehimpulses zu trennen und dieses Verfahren in Trägheitsnavigationssystemen in Verbindung mit rotierenden Plattformen anzuwenden. Dabei wird jedoch die Richtung des Ausgangsdrehmoments des Kreisels längs der Präzessionsachse selbst moduliert, so daß die Position der Drehimpulsachse und der Eingangsachse über und unter eine Referenzposition moduliert wird. Diesem Zweck dienen Kreiselnachführmotoren, mittels welchen die Plattform um die genannten Achsen bewegt wird, indem ein zeitlich veränderliches Signal an die Kreiselnachführmotoren angelegt wird. Dieses bekannte Verfahren moduliert die Richtung des Kreiseldrehimpulsvektors im Trägheitsraum, während die Größe des Kreiseldrehimpulses konstant bleibt. Die Ausbreitungsrichtung des Winkelfehlers aufgrund des Kreiseldriftdrehmoments wird dann mit der Rotationsfrequenz moduliert, und dieser Winkelfehler wird in den Navigationsberechnungen ausgesiebt. Nachteilig ist bei diesem bekannten Verfahren, daß die normale Ansprechcharakteristik des Kreisels gestört wird.

Aus der US-PS 32 83 593 ist zwar ein weiteres Verfahren bekannt, bei dem die Größe des Kreiseldrehimpulses verändert wird, dieses Verfahren ist jedoch nur bei stabilen Plattformen von Nutzen und die Kreiseldrift 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 nicht bei Strap-Down-Kreiseln verwendet werden kann, die eine Lageinformation geben sollen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Steuereinrichtung zu schaffen, bei denen die Bestimmung der Kreiseldrift zur Beseitigung von durch die Drift hervorgerufenen Fehlern einfach und schnell erfolgen kann, ohne daß die normale Ansprechcharakteristik des Kreisels gestört wird, und so, daß sich der Kreisel ohne Zuhilfenahme äußerer Quellen schnell selbstausrichten kann.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil der Patentansprüche 1 und 5 angegebenen Schritte bzw. Merkmale gelöst.

Das erfindungsgemäße Prinzip des Bestimmens der Drift beruht auf der Tatsache, daß auf den Kreisel ausgeübte Driftdrehmomente durch Mechanismen erzeugt werden, die in keiner Beziehung zu der Größe des Kreiseldrehimpulses stehen. Durch das erfindungsgemäße Modulieren der Größe des Kreiseldrehimpulses, d. h. durch Modulieren der Drehgeschwindigkeit des Kreiselläufers wird dem Ausgangssignal des Kreisels eine Vorspannung überlagert, die dazu verwendet werden kann, die Komponenten der wahren Winkelgeschwindigkeit von den Driftkomponenten zu trennen. Durch sorgfältig kontrolliertes periodisches Modulieren der Kreiselläuferdrehgeschwindigkeit läßt sich die Kreiseldrift mit verhältnismäßig großer Genauigkeit bestimmen und die Genauigkeit der Kreiselmessungen beträchtlich verbessern. Gemäß der Erfindung wird lediglich die Größe des Drehimpulsvektors in der Drehimpulsachse moduliert, es wird also weder die Vektorrichtung noch die Vektorposition des Drehimpulses beeinflußt. Dazu wird der Kreiselläufermotor mit periodischen Störungen beaufschlagt, um die Kreiselläuferdrehgeschwindigkeit und deshalb den Drehimpuls des Kreisels zu modulieren. Diese Drehimpulsmodulation bewirkt, daß das Kreiselausgangssignal aufgrund der Winkelbewegungen um die Kreiseleingangsachse (echte Fahrzeuggeschwindigkeiten) moduliert wird, sie bewirkt aber nicht, daß das Kreiselausgangssignal aufgrund von Kreiselkreisvorspannungsfehlern moduliert wird. Dieser Unterschied in der Signalmodulation ermöglicht das Trennen von echten Kreiselsignalen von Fehlern. Die Fehlerbeseitigung wird also ohne Störung der normalen Ansprechcharakteristik der geschlossenen Schleife in den Strap-Down-Kreisel erreicht.

Die Möglichkeit der schnellen Selbstausrichtung des Strap- Down-Kreisel-Trägheitsmeßsystems ist ein weiterer Vorteil der Erfindung, denn dadurch wird das Erfordernis eliminiert, von einer externen Quelle aus eine optische oder andere Art von Azimutausrichtung vorzunehmen, um den Nordsuchbetrieb des Systems zu initialisieren.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bilden den Gegenstand der Unteransprüche.

In der Ausgestaltung der Erfindung nach den Ansprüchen 2 und 7 wird die Größe des Drehimpulses des rotierenden Läufers des Kreisels periodisch moduliert, indem die Drehgeschwindigkeit des Kreiselläufers sinusförmig verändert wird. Da die Driftkomponente des Kreiselausgangssignals normalerweise von den wahren eingegebenen Geschwindigkeiten unabhängig ist, bleibt die Driftkomponente unmoduliert, während die Komponente der wahren Winkelgeschwindigkeit entsprechend der vorgenommenen Kreiselläuferdrehgeschwindigkeitsmodulation -moduliert wird. Durch numerisches Integrieren des Kreiselausgangssignals über eine oder mehrere Modulationsperioden ergibt sich eine Größe, welche das Produkt der Kreiseldrift und der Modulationsperiode ist, wobei letztere eine bekannte Größe ist. Wenn die Drift bestimmt worden ist, kann die Ausrichtung des Trägheitsmeßsystems und/oder die Korrektur des Navigationssystems genau ausgeführt werden.

In der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 11 werden Bandpässe und Bandsperren verwendet, um das Kreiselausgangssignal in seine Komponenten der Drift und der wahren Winkelgeschwindigkeit zu trennen. Da die Komponenten der wahren Winkelgeschwindigkeit durch die Kreiselläuferdrehgeschwindigkeitsmodulation moduliert sind, während es die Driftkomponenten nicht sind, erfolgt die Trennung der beiden Komponenten, wenn die richtigen Frequenzkomponenten isoliert werden.

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

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Strap-Down- Kreisels mit einer Steuereinrichtung nach der Erfindung,

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Driftrechners nach Fig. 1,

Fig. 3 anhand eines Diagramms die sinusförmige Kreiselläufermodulation und ihre Auswirkung auf die Driftkomponenten und die Komponenten der wahren eingegebenen Bewegung des Kreisels,

Fig. 4 anhand eines Blockschaltbilds die Verwendung von Filtereinrichtungen zum Trennen der Driftkomponenten und der Komponenten der wahren eingegebenen Bewegung des modulierten Kreiselausgangssignals, und

Fig. 5 ein Blockschaltbild eines zum Modulieren der Kreiselläuferdrehgeschwindigkeit verwendeten digitalen Sinuswellen-Synthesizers.

Fig. 1 zeigt einen Strap-Down-Kreisel 10, der in ein Strap-Down-Trägheitsmeßsystem eingebaut ist. Strap- Down-Systeme unterscheiden sich von kardanisch aufgehängten Trägheitsmeßsystemen dahingehend, daß sich der Kreisel nicht im 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 ist ein Maß für den Drehwinkel selbst.

Die Kreiseldrift führt, wenn keine Winkelgeschwindigkeitseingabe vorhanden ist, zu einem Gesamtnachführspulenstrom. Dieser 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 Drift verursacht demzufolge, 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, d. h. zu dem Drehmoment über dem ausgewählten Zeitintervall ist. Die Reihe von Impulsen wird über die Leitung 16 zu der Kreiselnachführspule (nicht dargestellt) zurückgeleitet.

In der folgenden Beschreibung ist unter der Bezeichnung "Geschwindigkeit" jeweils die "Winkelgeschwindigkeit" zu verstehen.

Die Reihe von Gleichstromimpulsen wird außerdem über eine Leitung 18 einem Driftrechner 20 und über eine Leitung 22 einem Führungscomputer 24 zugeführt. Wie im einzelnen erläutert werden wird, entnimmt der Driftrechner 20 der Impulsreihe, die ihm von dem Verstärker 12 zugeführt wird, die gewünschte Driftinformation, die dann über eine Leitung 26 dem Computer 24 zugeführt wird. Der Computer 24 berechnet aus der Kreiselausgangsinformation von der Leitung 22 und der Driftinformation 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 Driftdrehmomente durch Mechanismen erzeugt werden, die nicht in Beziehung zur Größe des Kreiseldrehimpulses stehen. Somit bleibt durch Modulieren des Drehimpulses des Kreiselläufers, indem eine periodische Läufergeschwindigkeitsmodulation auf ihn ausgeübt wird, die Driftkomponente unmoduliert und kann von der modulierten Komponente der wahren Bewegung getrennt werden.

Als Einrichtung 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 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 Frequenzsignal umgewandelt wird, da die Antriebsmotoren im allgemeinen mehrphasig sind.

Bevorzugt 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 28 muß dieser ein Synchronisierungssignal dem Führungscomputer 24 über eine Leitung 32 und dem Driftrechner 20 über eine Leitung 33 zuführen, 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 28 eine Sinuswelle erzeugt, beispielsweise unter Verwendung des digitalen Sinuswellen-Synthesizers von Fig. 5 oder 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 Driftkomponente D enthalten, die sich nicht mit der Läufergeschwindigkeitsmodulation ändert, und eine Komponente S der wahren Bewegungsgeschwindigkeit, die durch den Läufergeschwindigkeitsmodulator 28 moduliert ist. Die wahre Bewegungsgeschwindigkeitskomponente kann beispielsweise die Erddrehgeschwindigkeit sein. Das durch die Kurve A dargestellte resultierende Kreiselausgangssignal 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 Driftkomponente D als auch die modulierte 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 modulierte Komponente S rührt von einer wahren Winkelbewegung her, die über die Periode der Berechnungen als konstant angenommen wird. Das aus der modulierten 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 gestrichelten Linie G ist gegeben durch /M, wobei der Mittelwert der Komponente aufgrund der wahren Geschwindigkeit und M eine mathematische Größe ist, die gewonnen wird, indem die durch den Läufergeschwindigkeitsmodulator 28 erzeugte Änderung der Läufergeschwindigkeit über eine halbe Periode gemittelt wird. Die als Linie E dargestellte Komponente ist dann gleich +/M, und die als Linie F dargestellte Komponente ist gleich -/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 größer als der Modulationsindex M über der zweiten, d. h. negativen Halbwelle, die Differenz zwischen den beiden Produkten proportional zur Drift ist. Wie unten dargestellt werden die Komponenten des Kreiselausgangssignals mit den Zahlen M -1 und M +1 über der ersten bzw. zweiten Halbwelle multipliziert.

Kreiselausgangssignal = P/2 [- (M -1) ( +/M +D) ] + P/2 [(M +1) -( -/M +D) ]
Kreiselausgangssignal = P/2 [- (M -1) ( +/M +D) + (M +1) ( --/M +D) ]
Kreiselausgangssignal = P/2 [-M--MD + +/M +D + M- +MD +--/M +D ]
Kreiselausgangssignal = P/2 [2D ]
Kreiselausgangssignal = PD

Wenn der Driftrechner 20 mit festverdrahtetem Programm ausgeführt ist, muß offenbar der Modulationsindex M eine ganze Zahl sein, wogegen, wenn er frei programmierbar ist, jeder Wert des Modulationsindexes verwendet werden kann. Es kann eine gleichartige Defintion für M verwendet werden, in welcher die Multiplikationsfaktoren (M -1) und (M +1) um eine andere Zahl als 2 voneinander abweichen, um die Anzahl der Wahlmöglichkeiten für die Modulationsschwingung zu vergrößeren.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform des Driftrechners 20. Die Kreiselausgangsimpulse des Impulsdrehmoment(pulse torquing)-Servoverstärkers 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 Synchronisierungssignal 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 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 EXKLUSIVE-ODER-Schaltung, um die vervielfachten Impulse in Abhängigkeit sowohl von dem Synchronisierungssignal als auch von der Kreiselwinkelgeschwindigkeitsrichtung zu den richtigen Aufwärts- oder Abwärts-Leitungen 54 und 56 zu leiten und somit in bezug sowohl auf die Richtung der Modulation als auch die Richtung der Winkelgeschwindigkeit die endgültige Richtung der Driftkomponente 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 Drift proportional ist. Der Zähler 52 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. 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 60, um den Zähler 52 am Ende jeder Periode zu löschen, und instruiert ein Speicherregister 62 über eine Leitung 64, daß es die Driftberechnung des Zählers 52 aufnehmen soll, bevor der Zähler gelöscht wird. Das Speicherregister 62 arbeitet als ein Speicher für die Driftberechnungen, bis diese durch den Führungscomputer 24 angefordert werden. Das Periodenglied P, das in der Driftberechnung als eine Konstante erscheint, kann zwar auf jeder gewünschten Stufe der Berechnungen 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 Impulsdrehmomentsignalservorverstärkers 12 zum Ausführen einer Driftsperre. Dieses Verfahren kann an Stelle der Ausführungsform von Fig. 2 verwendet werden. Bei der Ausführungsform von Fig. 4 werden die Driftbewegung und die wahre Winkelbewegung getrennt erfaßt und somit wird dem Führungscomputer 24 eine driftfreie 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, so daß in diesem 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 Driftgeschwindigkeitskomponente, die sich nicht mit der Läufergeschwindigkeitsmodulation ändert, und aus einer Komponente der wahren Bewegungsgeschwindigkeit, die durch den Läufergeschwindigkeitsmodulator 28 moduliert ist. Beide Komponenten werden ihrerseits mit der Abgriffserregungsfrequenz der Abgriffstromversorgung 74 moduliert. Das Ausgangssignal des Kreiselabgriffs wird über eine Leitung 78 einem Bandpaßverstärker und Demodulator 80 zugeführt. Die Erregungsfrequenz des Kreiselabgriffs 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 Driftgeschwindigkeitskomponente und der modulierten 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 Driftgeschwindigkeitskomponente und der unmodulierten Komponente der wahren Bewegungsgeschwindigkeit proportional, während das Ausgangssignal des Bandpaßverstärkers 90 zu der modulierten Komponente der wahren Bewegungsgeschwindigkeit proportional ist.

Das 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 Summierungsknotenpunkt 92 wieder vereinigt. Das Ausgangssignal des 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 Impulsdrehmomentsignalservoverstärker 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 102 erscheint. In der Praxis wird das Umschalten des Rechtecksignals von 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 Sägezahnschwingung 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 Summierungsknotenpunkt 92 über eine Leitung 110 einem Hochpaß 112 zugeführt wird, welcher die konstante Driftgeschwindigkeitskomponente und die läufergeschwindigkeitsmodulierte Komponente in dem Signal nicht durchläßt. Das Ausgangssignal des Hochpasses 112 wird einem Summierungsknotenpunkt 114 zugeführt, wo es mit dem Ausgangssignal des Demodulators und Tiefpasses 106 vereinigt wird, um ein Signal zu erzeugen, welches das Ausgangssignal aus einem driftfreien Kreisel darstellt. Das Ausgangssignal des Summierungsknotenpunkts 114 wird dann digitalisiert, indem es durch einen Analog-Digital-Wandler 116 hindurchgeleitet wird, welcher typischerweise mit dem Impulsdrehmomentsignalservoverstärker 100 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.

Der Sinuswellen-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 Wirkklichkeit 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 äquivalent 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 Hauptzähler 120 über eine Leitung 128 zugeleitet, welcher von einem Anfangsgrundzählerstand, der von Null verschieden sein kann, vorwärts zählt. Der Zählerstand in dem Hauptzähler 120 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 Hauptzählers 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 einen 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, 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.

Der Flankenzähler 148 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 Hauptzähler 120 durch, welcher nun rückwärts zu zählen beginnt. Da der Flankenzähler 148 vorwärts zählt, nimmt die Anzahl von durch das einstellbare Impulsgatter 122 hindurchgehenden Impulsen allmählich zu und der Zählerstand in dem Hauptzähler 120 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 120 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 das lineare Rückwärtszählen wird wieder aufgenommen.

Wenn der Mittelwert der Sinuskurve erreicht ist, stellt der Wertdetektor 130 fest, daß der Hauptzähler 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 dem Driftrechner 20 als Synchronisierungssignal verwendet werden kann. Der Hauptzähler 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 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 148 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 148 auf Rückwärtszählen umschaltet. Der Hauptzähler 120 behält sein Rückwärtszählen bei. Wenn der Hauptzähler 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 148 beginnt dann seine Zählung null bis fünfzehn. In dieser Zeit ist die Torschaltung 144 gesperrt und der übrige lineare Teil der Sinuskurve wird im Hauptzähler 120 gebildet.

Das Ausgangssignal des Hauptzählers 120 auf der Leitung 130 kann einem Digital-Analog-Wandler (nicht dargestellt) zugeführt werden, welcher das 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.

Claims (14)

1. Verfahren zum Bestimmen der Drift eines bordfest eingebauten Kreisels, welcher einer externen Winkelbewegung ausgesetzt ist und ein Ausgangssignal erzeugt, das eine zu der wahren Winkelbewegung proportionale Komponente und eine zu der Kreiseldrift proportionale Komponente enthält, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Periodisches Modulieren der Größe des Drehimpulses des Kreisels für mindestens eine Modulationsperiode,
Multiplizieren des Ausgangssignals des Kreisels mit einem vorgewählten Faktor, der zu der durch die periodische Modulation erzeugten Änderung der Größe des Kreiseldrehimpulses in Beziehung steht, und dann
Bestimmen der Kreiseldrift durch Integrieren des multiplizierten Ausgangssignals über der eine bekannte Größe darstellenden Modulationsperiode.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Schritt des periodischen Modulierens der Größe des Drehimpulses des Kreisels die Kreiselläuferdrehgeschwindigkeit sinusförmig moduliert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Multiplizierens folgende Schritte umfaßt:
Multiplizieren des Ausgangssignals des Kreisels während desjenigen Teils der Modulationsperiode, während welchem die Kreiselläuferdrehgeschwindigkeit vergrößert wird, mit einer ganzen Zahl, die kleiner ist als die mittlere Änderung der Läufergeschwindigkeit während der Modulationsperiode, um ein erstes Produkt zu gewinnen, und
Multiplizieren des Ausgangssignals des Kreisels während desjenigen Teils der Modulationsperiode, während welchem die Kreiselläuferdrehgeschwindigkeit verringert wird, mit einer ganzen Zahl, die größer ist als die mittlere Änderung der Läufergeschwindigkeit während der Modulationsperiode, um ein zweites Produkt zu gewinnen.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Integrierens einen Schritt beinhaltet, in welchem eines der beiden Produkte von dem anderen Produkt subtrahiert wird.

5. Steuereinrichtung mit einem bordfest eingebauten Kreisel, der einen rotierenden Läufer hat, welcher einer externen Winkelbewegung ausgesetzt ist und ein Ausgangssignal erzeugt, das eine zu der wahren Winkelbewegung proportionale Komponente und eine zu der Kreiseldrift proportionale Komponente enthält, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (28) zum periodischen Modulieren der Drehgeschwindigkeit des Kreiselläufers, wobei die Drehgeschwindigkeit des Kreiselläufers während eines Teils der Modulationsperiode (P) vergrößert und während des anderen Teils der Modulationsperiode (P) verringert wird, und durch eine Einrichtung (20), die dem Ausgangssignal (A) des modulierten Kreisels (10; 72) die zu der Kreiseldrift proportionale Komponente (D) entnimmt.

6. Steuereinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (20), die dem Ausgangssignal (A) des modulierten Kreisels (10; 72) die zu der Kreiseldrift proportionale Komponente (D) entnimmt, enthält:
eine Einrichtung (42), die das Ausgangssignal (A) des Kreisels (10; 72) während desjenigen Teils der Modulationsperiode, während welchem die Kreiselläuferdrehgeschwindigkeit vergrößert wird, mit einem gewählten Faktor multipliziert, der kleiner als die mittlere Änderung der Läuferdrehgeschwindigkeit während dieser Modulationsperiode ist, um ein erstes Produktsignal zu erzeugen, und das Ausgangssignal (A) des Kreisels (10; 72) während desjenigen Teils der Modulationsperiode, während welchem die Kreiselläuferdrehgeschwindigkeit verringert wird, mit einem gewählten Faktor multipliziert, der größer als die mittlere Änderung der Läuferdrehgeschwindigkeit während dieser Modulationsperiode ist, um ein zweites Produktsignal zu erzeugen, und
eine Einrichtung (15) zum Subtrahieren eines der beiden Produktsignale von dem anderen Produktsignal.

7. Steuereinrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (28) zum periodischen Modulieren der Kreiselläuferdrehgeschwindigkeit eine Einrichtung zum sinusförmigen Modulieren der Kreiselläuferdrehgeschwindigkeit ist.

8. Steuereinrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Subtrahiereinrichtung (52) ein Vorwärts- Rückwärts-Zähler ist.

9. Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (46) zum Inaktivieren der Subtrahiereinrichtung (52) nach einer vorgewählten ganzen Zahl von Modulationsperioden der Kreiselläuferdrehgeschwindigkeit.

10. Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der gewählte Faktor eine ganze Zahl ist.

11. Steuereinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (20), die dem Ausgangssignal (A) des modulierten Kreisels (10; 72) die zu der Kreiseldrift proportionale Komponente (D) entnimmt, enthält:
einen Bandpaßverstärker (90), der auf die Läufergeschwindigkeitsmodulationsfrequenz abgestimmt ist,
einen Bandsperreverstärker (86), der auf die Läufergeschwindigkeitsmodulationsfrequenz abgestimmt ist,
eine Einrichtung (80) zum Anlegen des Kreiselausgangssignals (A) an die Eingänge des Bandpaßverstärkers (90) und des Bandsperreverstärkers (86),
einen Summierungsknotenpunkt (92), der mit den Ausgängen des Bandpaßverstärkers (90) und des Bandsperreverstärkers (86) verbunden ist,
einen Hochpaß (112), dessen Eingang mit dem Summierungsknotenpunkt (92) verbunden ist,
einen Demodulator (106), der auf die Läufergeschwindigkeitsmodulationsfrequenz abgestimmt ist und dessen Eingang mit dem Ausgang des Bandpaßverstärkers (90) verbunden ist,
einen Tiefpaß (106), dessen Eingang mit dem Ausgang des Demodulators verbunden ist, und
eine Einrichtung (114) zum Vereinigen der Ausgangssignale des Hochpasses (112) und des Tiefpasses (106).

12. Steuereinrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine Drehmomentsignalspule, die einerseits mit dem Kreisel (72) und andererseits mit dem Summierungsknotenpunkt (92) verbunden ist.

13. Steuereinrichtung nach Anspruch 11 oder 12, gekennzeichnet durch einen mit dem Kreisel (72) verbundenen Abgriff, durch eine Abgriffstromversorgung (74) zum Erregen des Abgriffes mit einer gewählten Frequenz, und durch eine Filtereinrichtung (80), die auf die Abgrifferregungsfrequenz abgestimmt ist und deren Eingang mit dem Abgriff verbunden ist.

14. Steuereinrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Bandsperreverstärkers (86) zu den Komponenten der wahren Winkelbewegung und der Drift proportional ist, daß das Ausgangssignal des Bandpaßverstärkers (90) zu der modulierten Komponente (S) der wahren Winkelbewegung proportional ist, daß der Hochpaß (112) die Driftkomponente (D) und die modulierte Komponente (S) aus dem Ausgangssignal (A) an dem Summierungsknotenpunkt (92) entfernt, daß der auf die Läufergeschwindigkeitsmodulationsfrequenz abgestimmte Demodulator (106) zum Demodulieren des Ausgangssignals des Bandpaßverstärkers (90) vorgesehen ist und daß der Tiefpaß (106) nur den Anteil niedriger Frequenz der Modulationskomponente der Komponente der wahren Winkelbewegung aus dem demodulierten Ausgangssignal des Bandpaßverstärkers (90) durchläßt.