DE2545025A1

DE2545025A1 - Navigationsgeraet zur navigation von landfahrzeugen

Info

Publication number: DE2545025A1
Application number: DE19752545025
Authority: DE
Inventors: Uwe Karl Otto Krogmann
Original assignee: Bodenseewerk Geratetechnik GmbH
Current assignee: Bodenseewerk Geratetechnik GmbH
Priority date: 1975-10-08
Filing date: 1975-10-08
Publication date: 1977-07-14
Also published as: FR2327516A1; FR2327516B1; DE2545025B2; GB1551309A

Description

O C / EI Π Ο C

DipL-Phys. JÜRGEN WEISSE . DipL-Chem. Dr. RUDOLF WOLGAST

D 5620 VELBERT 11-LANGENBERG · BÖKENBUSCH41 Postfadi 110386 - Telefon: (02127) 4019 · Telex: 8516895

Patentanmeldung Bodenseewerk Gerätetechnik G.m.b.H., 7770 Überlingen

Navigationsgerät zur Navigation von Landfahrzeugen

Die Erfindung betrifft ein Navigationsgerät zur Navigation von Landfahrzeugen in einem Gitterkoordinatensystem mittels eines Kursreferenzgerätes.

Es ist in der Seefahrt bekannt, den Schiffsort aus Kurs und Geschwindigkeit zu bestimmen. Als Kursreferenzgerät dient dabei ein Kompaß. Die Geschwindigkeit wird mittels eines geeigneten Logs bestimmt. Die Position wird graphisch in der Seekarte ermittelt. Da der Kompaß nur die Richtung zwischen Schiffslängsachse und Nordrichtung und das Log nur die Geschwindigkeit des Schiffs durch das Wasser mißt, so daß bei diesem Navigationsverfahren keine Berücksichtigung von Stromversetzung oder Abtrift erfolgt, ist diese Art der Navigation mit ziemlicher Ungenauigkeit behaftet.

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-Sf-

H.

Es besteht die Aufgabe ein Navigationsgerät zur Navigation von Landfahrzeugen zu schaffen, das eine Navigation ohne Bezugnahme auf Landmarken wie Straßen, Gebäude o. dgl. gestattet und die Position des Landfahrzeuges mit hoher Genauigkeit liefert. Dabei erfolgt, insbesondere bei militärischen Anwendungen, die Navigation häufig nicht in einem durch geographische Länge und Breite gegebenen Koordinatensystem sondern in einem willkürlichen Gitterkoordinatensystem. Die Lage dieses Gitterkoordinatensystems zu dem geographischen Koordinatensystem von Länge und Breite kann zudem noch, ähnlich einem Code, laufend verändert werden, um so die in diesem Gitterkoordinatensystem gegebenen Positionsangaben für den Gegner zu verschlüsseln.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Navigationsgerät vorgesehen, das gekennzeichnet ist durch

(a) einen nordsuchenden Meridiankreisel zur Bestimmung der Nordrichtung

(b) einen nach dem Meridiankreisel ausrichtbaren freien Kreisel als Kursreferenzgerät,

(c) einen Geschwindigkeitsgeber zur Erzeugung eines der Fahrzeuggeschwindigkeit proportionalen Signals,

(d) einen Rechner, der mit dem Kursreferenzgerät und dem Geschwindigkeitsgeber verbunden und zur Erzeugung von Ausgangssignalen entsprechend der Fahrzeugposition in dem Gitterkoordinatensystem aus den von dem Kursreferenzgerät und dem Geschwindigkeitsgeber gelieferten Gitterkurswinkel- und Geschwindigkeitssignalen eingerichtet ist, und

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(e) Mittel zur Kompensation der durch die Erddrehung bedingten Auswanderung des freien Kreisels relativ zu dem Gitterkoordinatensystem mittels eines Nachführsignals oder zur Eingabe dieser Auswanderung in den Rechner.

Der nordsuchende Meridiankreisel gestattet vor Antritt der Fahrt eine genaue Bestimmung der Nordrichtung. Nach der so bestimmten Nordrichtung wird der freie Kreisel als Kursreferenzgerät ausgerichtet. Der Rechner bestimmt dann während der Fahrt laufend die Position in dem Gitterkoordinatensystem aus den Gitterkurswinkeln und den gemessenen Geschwindigkeiten. Da bei einem Landfahrzeug der Winkel zwischen Fahrzeuglängsachse und Kursreferenz anders als bei einem Schiff recht genau die Bewegungsrichtung des Landfahrzeuges angibt, der Kurs durch den Meridiankreisel und den freien Kreisel genau bestimmt werden kann, die Geschwindigkeit über Land ebenfalls einer recht genauen Messung zugänglich ist und schließlich die Auswertung mittels eines Rechners erfolgt, gestattet das erfindungsgemäße Verfahren - anders als ähnliche Verfahren in See- und Luftfahrt- eine sehr genaue Positionsbestimmung.

Ein in einem Fahrzeug befindlicher freier Kreisel sucht seine Orientierung im Raum beizubehalten. Das führt dazu, daß der Kreisel auch wenn seine Drallachse zunächst genau nach Nord ausgerichtet ist, langsam aus der Nordrichtung auswandert, und zwar mit einer Winkelgeschwindigkeit

(l) ce _z =«_E

Darin ist

E = Erddrehgeschwindigkeit

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φ = geographische Breite,
R = Erdradius
ost = Ostkomponente der Fahrzeuggeschwindigkeit.

Mit dieser Geschwindigkeit muß die Drallachse des Kreisels ständig nachgeführt werden, wenn sie in der Nordrichtung gehalten werden soll. Der erste Term auf der rechten Seite von Gleichung (l) ist darauf zurückzuführen, daß die parallel zur Erdoberfläche in der Meridianebene liegende Nordrichtung sich mit dem Umlauf der Erde im Raum ändert, so daß die ohne die Nachführung raumfeste Kreiseldrallachse gegenüber der Nordrichtung auswandert. Eine solche Auswanderung der Kreiseldrallachse erfolgt auch gegenüber dem ebenfalls mit der Erde im Raum umlaufenden Gitterkoordinatensystem. Der zweite Term in Gleichung (l) kommt dadurch zustande, daß sich bei einer Bewegung in Ost-West-Richtung auf einer Kugel die Nordrichtung, d.h. die Richtung der Tangente an den jeweiligen Meridian im Raum unabhängig von der Erddrehung ändert. Eine solche Änderung erfolgt jedoch nicht gegenüber dem nicht auf eine Kugel bezogenen Gitterkoordinatensystem, dessen Koordinatenachsen nur im Ursprung des Koordinatengitters mit der Ost-Westbzw. Nord-Süd-Richtung zusammenfallen.

Wenn man sich die Erdkugel einmal stillstehend vorstellt, dann würde eine Bewegung des Landfahrzeugs mit dem Kreisel in Ostrichtung keine Änderung der Gitterreferenzrichtung im Raum bedingen, so daß auch der Winkel zwischen der raumfesten Kreiselreferenzrichtung und der Gitterreferenzrichtung davon nicht beeinflußt wird. Es ist daher, um mittels des Kreisels eine feste Gitterreferenzrichtung vorzugeben, nur erforderlich, den Einfluß der Erddrehung auf die Drallachse des Kreisels zu kompensieren oder zu berücksichtigen.

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Λ-

Es ist zu diesem Zweck möglich, daß die Kompensationsmittel zu Erzeugung eines Nachführsignals

*Z6 * *E ^sin<P

aus den von dem Rechner ermittelten Gitterkoordinaten eingerichtet sind, wobei, wie oben angegeben, «_F die Erddrehgeschwindigkeit und φ die geographische Breite ist.

Es kann aber auch vorgesehen sein, daß der Rechner zur Berechnung der Auswanderungsgeschwindigkeit «· „-» des Kreisels aus den ermittelten Gitterkoordinaten und der wiederum daraus ermittelten geographischen Breite und zur zeitlichen Integration derselben unter Berücksichtigung der Anfangsbedingungen zwecks Ermittlung des Winkels zwischen. Kreiselreferenzrichtung und Gitterreferenzrichtung und ' weiterhin zur Berücksichtigung dieses Winkels für die Bestimmung des Gitterkurswinkels bei Erzeugung der Fahrzeugpositions-Ausgangssignale eingerichtet ist.

Zur schnellen Bestimmung der Nordrichtung mittels des Meridiankreisels ist es weiterhin vorteilhaft, daß das auf den Meridiankreisel wirksame Richtmoment durch ein Gegenmoment eines Drehmomenterzeugers kompensiert wird, der von dem hochverstärkten Signal eines auf die Auslenkung des Kreisels aus einer Nullage ansprechenden Abgriffs beaufschlagt ist, und daß der Rechner zur Multiplikativ eines dem verstärkten Abgriffsignals proportionalen Signals mit dem Kehrwert des Kosinus der geographischen Breite zur Erzeugung eines Signals für den Winkel zwischen der besagten Nullage und der Nordrichtung eingerichtet ist.

Die Erfindung ist nachstehend an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert .

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Fig. 1 veranschaulicht die verschiedenen Winkel und Richtungen.

Fig. 2 ist ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Gerätes.

Mit 0 ist in Fig. 1 die Längsachse eines Landfahrzeugs bezeichnet. Diese Längsachse 0 schließt mit der geographischen Nordrichtung einen Winkel«_ρβ,, mit der ^tfGitter-Nord" -Richtung den Gitterkurswinkel α „^. ein. Gitter-Nord und "geographisch Nord" schließen einen Winkel« „„, den Gitterkonvergenzwinkel, ein. Außerdem sind die Winkelet _v als Winkel zwischen der Längsachse und der Bezugsachse (H) des Kreiselreferenzgerätes kO sowie der Winkel« ,,~ zwischen der geographischen

JMu.

Nordrichtung und der Bezugsachse (H) angegeben.

In Figur 2 liefert ein Geschwindigkeitsgeber 10 ein Signal proportional zu der Fahrzeuggeschwindigkeit V in Richtung der Fahrzeuglängsachse 0. Dieses Signal wird, vorzugsweise in digitaler Form einem Rechner 12 zugeführt. Dem Rechner 12 wird ferner von einem Kreiselreferenzgerät kO ein Signal« _K zugeführt, welches die Winkellage eines freien Kreisels l6 angibt, der vor dem Einsatz nach geographisch Nord ausgerichtet war oder dessen Bezugsachsenlage relativ zu geographisch Nord vor dem Einsatz genau ermittelt wurde und der durch ein Drehmoment ω gemäß Gleichung (2) mittels eines Drehmomenterzeugers l8 ständig hinsichtlich der Erddrehung kompensiert wird. In den Rechner 12 werden ferner von einem Anzeige- und Bediengerät 20 vor Beginn des Einsatzes E., N^ und α ^g. (θ) eingegeben, d.h. die Anfangsposition in Gitterkoordinaten E. und N. sowie der dort gegebene Gitterkonvergenzwinkel« _ßK (0) (Fig. 1).

Vor Beginn des Einsatzes wird die geographische Nordrichtung in an sich bekannter Weise mittels eines Meridiankreisels 22. bestimmt. Der Meridiankreisel 22 enthält einen an einem Band 24 aufgehängten Kreisel 26. Auf einen solchen Kreisel

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26 wirkt ein Kreiselrichtmoment, das die Drallachse 28 des Kreisels 26 nach Nord auszurichten trachtet. Eine Auslenkung des Kreisels 26 aus seiner Bandnullage wird mittels eines Abgriffes 30 abgegriffen und hochverstärkt durch einen Verstärker 32 auf einen Drehmomenterzeuger 3^ gegeben. Dieser übt auf den Kreisel 26 ein Drehmoment um die Bandachse aus, welches dem Kreiselrichtmoment entgegenwirkt. Es wird somit praktisch das Kreiselrichtmoment durch ein Gegenmoment kompensiert, so daß der Kreisel 26 an seine Bandnullage gefesselt ist. Der auf diese Weise·dem Kreiselrichtmoment proportionale Strom durch den Drehmomenterzeuger 3k erzeugt einen entsprechenden Spannungsabfall an einem mit der Wicklung des Drehmomenterzeugers 3k in Reihe liegenden Widerstand 36. Das so erhaltene Signal wird, multipliziert mit einem vom Rechner 12 erhaltenes - Signal in einem

COS °

Speichergerät 38 abgespeichert, das so den Winkel zwischen Bandnullage (Bezugsachse) und geographischer Nordrichtung liefert. Danach wird der Kreisel l6 ausgerichtet. Diese ganze Anordnung bildet das Kreiselreferenzgerät 40.

Aus «g (t) vom Kreiselreferenzgerät kO und dem eingegebenen (θ) wird vom Rechner 12 α _p„ (t) nach der Beziehung

(3) "_FN (t) = *_K (t) - «_GK (0)

gebildet. In einer Variante der Ausführungsform wird der Kreisel l6 nicht nach diesem Winkel (^a _MK) im Speicher 38 ausgerichtet, sondern das Winkelsignal außer dem Winkel α

K zum Rechner übertragen, und daraus gemäß

(3a) «_FN (t) =^αΜκ+«_κ (t) -«gg. (0)

der Gitternordwinkel berechnet wird. Aus der Geschwindigkeit V(t) und * _FK (t) ergeben sich die Geschwindigkeitskomponenten im Gitterkoordinatensystem.

(k) V_n (t) = V (t) cos «_FN (t)

(5) V_E (t) = V (t) sin «_FN (t)

Diese Werte werden vom Rechner 12 unter Berücksichtigung der eingegebenen Anfangswerte E. und N. zur Bestimmung

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der Position des Landfahrzeuges im Gitterkoordinatensystem zeitlich integriert. Die so erhaltenen Signale Np₁ und E_ werden dem Anzeige- und Bediengerät 20 zugeführt:

■ί

(6) N_p(t) = I V (t ) cos «_FN (τ) dv + N_A

(7) E_F(t) = j V (τ) sin * _m (τ ) ds +

Aus den so erhaltenen Gitterkoordinaten N„ und E„ ermittelt

C Γ

der Rechner die geographische Breite φ (t) bei Verwendung des sog. UIM-Gitters nach folgender BeziehungJ

(8a) V₁ [rad] = -1, 0439 - l0~^l6. N_p ² [m²] + 1,581313 * 1θ"⁷Ν_ρ[_Μ]

(8b) b m 3,05241· 10" " f ²' -frac^J - 1,18979 · 10" ψ_± [rad]

(8c) N₂JmJ a 10"³b (EpjmJ- 5ΟΟ.Ο·1Ο³)²

(8d) N₁H = N_F[mJ - N₂ ^J

(8c) f^-adj m -1,Ο439·1Ο"¹⁶ N₁ ²^²J₊ 1,581 313. 10"⁷ N₁JmJL

Die verschiedenen Faktoren haben dabei die erforderlichen Dimensionen m bzw. m~ .

Aus dem so gewonnenen φ bildet der Rechner 12 die Größen ω _ZG gemäß Gleichung (2) und _ . Durch das ^Ü> _ZG-Signal wird

cosf
der Einfluß der Erddrehung auf den Kreisel 16 mittels des Drehmomenterzeugers l8 kompensiert. Das l/cosy - Signal

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kompensiert den Einfluß der geographischen Breite auf das Kreiselrichtmoment des Meridiankreisels, während des Nordungsvorgangs -

Der Aufbau oder die Programmierung eines Rechners zur Durchführung der vorerwähnten Operationen ist dem Fachmann geläufig und daher hier nicht im einzelnen beschrieben.

Statt über den Drehmomenterzeuger l8 den Kreisel l6 nachzuführen, kann stattdessen auch die Auswanderung des Kreisels im Rechner 12 selbst berücksichtigt werden. Es wird dann statt Gleichung (3):

(9) «_FN (t) - «_K(o) + ξ -_ZG (Od₁- _Bgk(o)

Dadurch können Nachführfehler ausgeschlossen werden. Mit dem so gewonnenen «pj^*) werden die Gitterkoordinaten N_p

und E„ nach Gleichung (6) und (7) in» Rechner gebildet, r

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Claims

Patentansprüche

1.) Navigationsgerät zur Navigation von Landfahrzeugen in einem Gitterkoordinatensystem mittels eines Kursreferenegerätes gekennzeichnet durch

(a) einen nordnsuchenden Meridiankreisel zur Bestimmung der Nordrichtung

(c) einen Geschwindigkeitsgeber zur Erzeugung eines der Fahrgeschwindigkeit proportionalen Signals,

(d) einen Rechner der mit dem Kursreferenzgerät und dem Geschwindigkeitsgeber verbunden und zur Erzeugung von AusgangsSignalen entsprechend der Fahrzeugposition in dem Gitterkoordinatensystem aus den von dem Kursreferenzgerät und den Geschwindigkeitsgeber gelieferten Gitterkurswinkel- und Geschwindigkeitssignalen eingerichtet ist, und

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ORIGINAL INSPECTED

2. Navigationsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsmittel zur Erzeugung eines Nachführsignals

ZG^{= ω}Ε ^sin

aus den von dem Rechner ermittelten Gitterkoordinaten eingerichtet sind, wobei « „ die Erddrehgeschwindigkeit und φ die geographische Breite ist.

Navigationsgerät nach Anspruch}, dadurch geknnzeichnet, daß der Rechner zur Berechnung der Auswanderungsgeschwindigkeit

ei „„ des Kreisels aus den ermittelten Gitterkoordinaten und ZG

der wiederum daraus ermittelten geographischen Breite ψ und zur zeitlichen Integration derselben unter Berücksichtigung der Anfangsbedingungen zwecks Ermittlung des Winkels zwischen Kreiselreferenzrichtung und Gitterreferenzrichtung und weiterhin zur Berücksichtigung dieses Winkels für die Bestimmung des Gitterkurswinkels bei Erzeugung der Fahrzeugpositions-Ausgangssignale eingerichtet ist.

Navigationsgerät nach Anspruch 3» dadurch .gekennzeichnet, daß das auf den Meridiankreisel wirksame Richtmoment durch ein Gegenmoment eines Drehmomenterzeugers kompensiert wird, der von dem hochverstärkten Signal eines auf die Auslenkung des Kreisels aus einer Nullage ansprechenden Abgriffs beaufschlagt ist, und daß der Rechner zur Multiplikation eines dem verstärkten Abgriffsignals proportionalen Signals mit dem Kehrwert des Kosinus der geographischen Breite zur Erzeugung eines Signals für den Winkel zwischen der besagten Nullage und der Nordrichtung eingerichtet ist.

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