DE2545026A1 - Geraet zur bestimmung der nordrichtung - Google Patents

Description

• Gerät zur Bestimmung der Nordrichtung
• Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Bestimmung der Nordrichtung, enthaltend: einen mit seinem Gehäuse an einem Band aufgehängten Kreisel, einen Abgriff, der auf Abweichungen des Kreisels von einer Bandnullage anspricht, einen mit dem Gehäuse des Kreisels verbundenen Drehmomenterzeuger, der von dem hochverstärkten Abgriffsignal beaufschlagt ist und auf den Kreisel ein dem Kreiselrichtmoment entgegenwirkendes Drehmoment um die Bandachse ausübt, und eine auf das verstärkte Abgriffsignal ansprechende Meß- und Anzeigevorrichtung für die Abweichung der Kreiseldrallachse von der Nordrichtung.
• Auf einen bandaufgehängten Kreisel wirkt bekanntlich ein Kreiselrichtmoment, welches die Drallachse des Kreisels nach Norden auszurichten trachtet. Das Einschwingen des Kreisels in die Nordrichtung erfordert jedoch erhebliche Zeit. Es ist daher bekannt, mittels eines photoelektrischen Abgriffs Abweichungen des Kreisels von der Bandnullage abzugreifen und das Abgriffsignal hochverstärkt auf einen Drehmomenterzeuger zu geben, welcher auf das Kreiselgehäuse ein der Abweichung entgegenwirkendes Drehmoment um die Bandachse ausübt. Wenn also der Kreisel unter dem Einfluß des Kreiselrichtmomentes aus der Bandnullage auswandern will, dann wird über den Drehmomenterzeuger ein dem Kreiselrichtmoment entgegenwirkendes Moment erzeugt und der Kreisel so an die Bandnullage gefesselt. Das Kreiselrichtmoment wird durch ein Gegenmoment kompensiert. Dieses Gegenmoment ist dann bei entsprechender Vorausrichtung des Kreisels und hinreichender Verstärkung des Abgriffsignals ebenso wie das Kreiselrichtmoment proportional dem Winkel zwischen Bandnullage und Nordrichtung. Da das Drehmoment wiederum nach der Charakteristik des Drehmomenterzeugers proportional dem Abgriffsignal ist, ist das letztere ebenfalls proportional dem Winkel zwischen Bandnullage und Nordrichtung (DT-OS 1 941 808).
• Bandaufgehängte Kreisel sind empfindlih gegen Erschütterungen.
• Es bietet daher Schwierigkeiten ein Gerät der vorerwähnten Art auf einer Erschütterungen ausgesetzten Unterlage, z.B.
• auf einem motorgetriebenen Landfahrzeug zu verwenden. Man könnte versuchen, de S törungen durch Filterung des Ausgangssignals zu eliminieren. Eine solche Filterung mit konventionellen Filtern würde jedoch wieder eine unzulässige Verlängerung der Meßdauer mit sich bringen. In vielen Fällen ist es aber erforderlich, möglichst schnell eine Anzeige der Nordrichtung zu erhalten.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gerät zur Bestimmung der Nordrichtung zu schaffen, welches einerseits auch auf Erschütterungen ausgesetzten Unterlagen verwendbar ist und andererseits schon nach kurzer Zeit eine Anzeige der Nordrichtung liefert.
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Meß- und Anzeigevorrichtung einen Analog-Digital-Wandler zur Erzeugung eines dem Abgriffsignal proportionalen Digitalsignals und einen Rechner aufweist, der zur rekursiven Mittelwertbildung aus den in vorgegebenen Zeitabständen abgetasteten Digitalsignalen und zir sofortigen Ausgabe des jeweils gebildeten Mittelwertes eingerichtet ist.
• Durch die Mittelwertbildung werden Störungen des Meßsignals wie sie durch Erschütterungen hervorgerufen werden, herausgemittelt. Dadurch, daß die Mittelwertbildung rekursiv erfolgt, ist jedoch sichergestellt, daß sehr schnell eine - zunächst gegebenenfalls noch fehlerbehaftete - Anzeige der Nordrichtung zur Verfügung steht, die sich dann fortlaufend verbessert.
• Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
• Fig. 1 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Gerät zur Bestimmung der Nordrichtung.
• Fig. 2 ist ein Blockdiagram des bei diesem Gerät benutzten "digitalen Filters".
• In einem Gehäuse 10 ist an einem Band 12 das Gehäuse 14 eines Kreisels mittels eines vertikalen Mastes 16 aufgehängt.
• Die Drallachse 18 des Kreisels liegt horizontal. Infolge der Erddrehung wirkt auf den Kreisel ein Kreiselrichtmoment, welches die Drallachse 18 nach Nord auszurichten trachtet.
• Da der Kreisel mit seiner Drallachse 18 schon näherungsweise nach Nord ausgerichtet ist, ist das reiselrichtmoment proportional dem - keinen - Winkel zwischen Drallachse 18 und Nordrichtung.
• An dem Mast 16 ist ein Spiegel 20 angeordnet. Eine Lichtquelle 22 schickt ein Lichtbündel 24 über den Spiegel 20 auf eine Photodetektoranordnung 26. Lihtquelle 22, Spiegel 20 und Photodetektoranordnung 26 bilden einen photoelektrischen Abgriff 28, der ein Abgriffsignal nach Maßgabe der Auslenkung des Kreisels aus der Bandnullae liefert.
• Das Abgriffsignal wird über einen Vorverstärker 30, ein Vorhaltnetzwerk 32, und einen Endverstärker 34 auf einen Drehmomenterzeuger 36 gegeben. Der Anker des Drehmomenterzeugers 36 ist über eine Stange 38, die gleichachsig zu dem Mast 16 an der Unterseite des Kreiselgehäuses 14 angebracht ist, mit dem letzteren verbunden. Der Drehmomenterzeuger 36 übt auf das Gehäuse 14 ein dem Kreiselrichtmoment entgegengerichtetes Drehmoment aus, welches praktisch das Kreiselrichtmoment kompensiert. Dadurch ist der Kreisel elektrisch an die Bandnullage gefesselt. Das vom Drehmomenterzeuger 36 auf das Kreiselgehäuse 14 ausgeübte Drehmoment und infolge der Charakteristik des Drehmomenterzeugers 36 auch das zugehörige verstärkte Abgriffsignal sind proportional dem Winkel zwischen Drallachse i8 und Nord und damit praktisch dem Winkel zwischen Bandnullage und Nord.
• Das verstärkte Abgriffsignal wird durch.den Spannungsabfall UM an einem Meßwiderstand 40 gemessen, der mit dem Drehmomenterzeuger 36 in Reihe liegt. Dieser Spannungsabfall UM ist dem Abgriffsignal proportional. Mittels eines "digitaLen Filters11 42 wird ein Mittelwert UM gebildet, in dem statistische Schwankungen z.B. infolge von Erschütterungen weitgehend herausgemittelt sind. Dieses digitale Filter tt enthält einen Rechner, der rekursiv den Mittelwert aus Meßsignalen \ (to) UM(t1).. UM (tn-l) UM(tn) bildet, die in festen Zeitibständen nacheinander abgetastet werden.
• Auf diese Weise steht sehr schnell ein Meßwert für die Nordrichtung zur Verfügung, der möglicherweise zunächst noch mit einer Ungenauigkeit behaftet ist jedoch mit jeder Abtastung zunehmend genauer wird.
• Das so gemittelte Signal UM wird einem weiteren Rechner 44 zugeführt, der unter Berücksichtigung der geographischen Breite den Winkel zwischen Bandnullage und Nordrichtung ausgibt.
• Für den aritmetischen Mittelwert n (1) UM (tn) = 1/n . # UM (ti) 1=1 gilt die folgende Rekursionsformel

  (2) UM (t) = UM (tn-1) + 1/n |UM (tn) - UM (tn-1)|

  Diese Rekursionsformel kann bei dem Rechner 42 angewandt werden. Um eine schnellere Konvergenz zu erzielen kann man bei Kenntnis der Natur der Störung den Mittelwert jedoch auch nach der allgemeinen Rekursionsformel

  (3) UM (tn) = (UM) (tn-1) + Kn |UM (tn) - UM (tn-1)|

  arbeiten, wobei die Koeffizienten K entsprechend der Natur n der Störung geeignet gewählt werden können. Für ein weißes Rauschen können die Koeffizienten K durch n (4) K = n-i n Pn-1 + #v² gegeben sein, wobei sich die Pn-1 wiederum aus der Rekursions formel (5) Pn-1 = (1-Kn-1) Pn-2 ergeben. v 2 ist dabei die Varianz des dem Meßsignal überlagerten Rauschens und P ist die Varianz der Differenz 0 zwischen Meßsignal und gefiltertem Meßsignal.
• -6- Die Koeffizienten können jeweils von dem das digitale Filter" bildenden Rechner rekursiv "on-line" mit berechnet werden, Es ist jedoch auch möglich, die Koeffizienten Kn "off-line" zu berechnen und in einem Speicher bereitzustellen.
• Das digitale Filter ist in Figur 2 als Blockschaltbild dårgestellt.
• Das an dem Widerstand 40 abgegriffene analoge Signal U (t) M wird auf einen Analog-Digital-Wandler 46 geschaltet. Das digitale Ausgangssignal UM (tn) des Analog-Digital-Wandlers 46 liegt an einem Eingang eines Subtrahierers 48. An dem anderen Eingang des Subtrahierers 48 liegt das Signal UM (tn-1), das in einem Mittelwertspeicher 50 gespeichert ist. Der Ausgang des Subtrahierers 48 liegt an einem Eingang eines Multiplizierers 52. An dem anderen Eingang des Multiplizierers 52 liegt ein Koeffizientensignal Kn t das an einem Ausgang eines Speichers 54 bereitgestellt wird. Der Ausgang des Multiplizierers 52 liegt zusammen mit dem Speicherinhalt des Mittelwertspeichers 50 an einem Addierer 56, Der Ausgang des Addierers 56 bildet zugleich den Ausgang des gesamten Rechners oder digitalen Filters 42. Dieser Ausgang ist weiterhin auf den Mittelwertspeicher 50 geschaltet. Ein Zeitgeber 58 bewirkt zu vorgegebenen Zeiten t ...t die 1 n Fortschaltung der Adresse des am Ausgang des Speichers 54 bereitgestellten Koeffizienten Ko..Kn und die Übernahme des gebildeten Mittelwertes N (tun) in den Mittelwertspeicher 50.
• Mit einem solchen digitalen Filter erfolgt eine rekursive Bildung des Mittelwertes nach Gleichung (3) oder, wenn Kn=1/n gewählt wird, nach Gleichung (2).

Claims (1)

1. Patentansprüche 1. Gerät zur Bestimmung der Nordrichtung, enthaltend: einem mit seinem Gehäuse an einem Band aufgehängten Kreisel, einen Abgriff, der auf Abweichungen des Kreisels von einer Bandnullage anspricht, mit dem Gehäuse des Kreisels verbundenen Drehmomenterzeuger, der von dem hochverstärkten Abgriffsignal beaufschlagt ist and auf den Kreisel ein dem Kreiselrichtmoment entgegenwirkendes Drehmoment um die Bandachse ausübt, und eine auf das verstärkte Abgriffsignal ansprechende Meß- und Anzeigevorrichtung für die Abweichung der Kreiseldrallachse von der Nordrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Meß- und Auzeigevorrichtung einen Analog-Digital- Wandler (46) zur Erzeugung eines dem Abgriffsignal proportionalen Digitalsignals und einen Rechner aufweist, der zur rekursiven Mittelwertbildung aus den in vorgegebenen Zeitabständen abgetasteten Digitalsignalen und zur sofortigen Ausgabe des jeweils zuletzt gebildeten Mittelwertes eingerichtet ist.

   7. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner (42) zur Bildung des Mittelwertes nach der Beziehung UM- (tn) = UM- (tn-1) + Ku [UM(tn) - UM- (tn-1)] eingerichtet ist, wobei...tn-1, tn... die Abtastzeitpunkte, UM (tn) das im Zeitpunkt tn abgetastete Digitalsignal und UM- (tn) bzw. UM- (tn-1) der nach Abtastung des Digitalsignals im Zeitpunkt tn bzw. tn-1 gebildete Mittelwert ist.

   3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß K zu n 1/n gewählt ist.

   4. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Pn-1 K = n Pn-1 + # v² gewählt ist, wobei Pn-1 sich nach der Rekursionsformel Pn-1 = (1-Kn-1) Pn-2 ergibt und #v² die Varianz des als weißes Rauschen angenommenen Meßrauschens ist und P die Varianz der Differenz o zwischen Meßsignal und gefiltertem Meßsignal.

   5. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Rechner (42) zur rekursiven Berechnung der Faktoren Kn eingerichtet ist.

   6. Gerät nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Faktoren K in einem Speicher (54) des Rechners (42) n gespeichert sind.

   7. Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Analog-Digital-Wandlers (46) an einem Eingang eines Subtrahierers (48) anliegt, dessen anderer Eingang auf einen Mittelwertspeicher (50) geschaltet ist, daß der Ausgang des Subtrahierers (48) auf einen Multiplizierer (52) geschaltet ist, der außerdem von dem Speicher (54) für die Faktoren K beaufschlagt ist, daß der Ausgang des n Multiplizierers (52) zusammen mit dem Ausgang des Mittelwertspeichers (50) an einem Addierer (56) anliegt, daß der zugleich den Rechnerausgang bildende Ausgang des Addierers (56) auf den Eingang des Mittelwertspeichers (50) geschaltet ist, und daß ein Zeitgeber (58) vorgesehen ist, der zu jedem Abtastzeitpunkt die Übernahme des Addierer-Ausgangssignals in den Mittelwertspeicher (30) and die Fertschaltung der Adresse des auf den Multiplizierer (52) geschalteten Faktors Kn bewirkt.