DE2555484A1

DE2555484A1 - Magnetische kursvorgabe

Info

Publication number: DE2555484A1
Application number: DE19752555484
Authority: DE
Inventors: Howell Douglas Garner
Original assignee: National Aeronautics and Space Administration NASA
Current assignee: National Aeronautics and Space Administration NASA
Priority date: 1974-12-11
Filing date: 1975-12-10
Publication date: 1976-06-16
Also published as: US3943763A; CA1046756A; DE2555484B2; JPS5184274A; FR2294429A1; GB1495213A; DE2555484C3

Description

Magnetische Kursvorgabe

Die Erfindung bezieht sich auf eine Fahrzeugkursvorgabe mit einer Richtungsanzeige, die so am Fahrzeug angebracht ist, daß sie um eine parallel zur Kursabweichungsachse verlaufende Achse gedreht werden kann, und einem auf der Richtungsanzeige so befestigten Magnetometer, daß seine Längsachse mit der parallel zur Kursabweichungsachse des Fahrzeugs verlaufenden Achse zusammenfällt, so daß es drehbar mit der Richtungsanzeige ist, wodurch das Magnetometer ein Ausgangssignal erzeugt, das auf die Differenz zwischen der Richtungsanzeigeneinstellung und dem tatsächlichen Kurs des Fahrzeugs bezogen ist.

üblicherweise sind Magnetometer, wenn sie als Kursvorgabe in einem Flugzeug verwendet werden, in einem Teil des Flugzeugs angebracht, der sich so weit wie möglich entfernt von solchen magnetischen Anomalien, wie sie der Motor und das elektrische System darsteIlen,befindet. Obgleich dies ein lobenswertes Verfahren ist, werden doch an dieser entfernten Stelle mindestens zwei Magnetometer und eine Art von SignaIfunktionsdrehmeldern auf dem Instrumentenbrett benötigt, um Kurs-

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änderungen zu ermöglichen.

Die vorliegende Erfindung verwendet ein SignaI-Magnetometer in Reichweite des Piloten, so daß er Kursänderungen vornehmen kann, indem er nur einfach das Magnetometer in bezug auf das Flugzeug dreht.

Das Erdmagnetfeld verläuft nur am magnetischen Äquator, der grob gesehen dem geografischen Äquator entspricht, zur Erdoberfläche parallel und wird an den beiden magnetischen Polen senkrecht. Innerhalb der Vereinigten Staaten ändert sich die Richtung des Feldes von ungefähr 60° auf 75° zur Horizontalen. Wird ein magnetisches Sensorelement des Typs, das nach unten gerichtet ist, verwendet, verändert sich seine Wi nke I bezi ehung zur senkrechten Komponente des Erdfeldes, wenn ein Flugzeug eine kurze Kehrtwende ausführt, und unter gewissen Bedingungen können unerträgliche Fehler in der Abgabe des Sensors auftreten. Dieser Effekt wird beim herkömmlichen Magnetkompass "Norddrehfeh I er" genannt und kann im schlimmsten Fall dazu führen, daß eine Kurve in der entgegengesetzten Richtung zu der angezeigt wird, wie sie tatsächlich ausgeführt wird.

Bei herkömmlichen Autopilot-Anordnungen, bei denen eine Magnetometer-Kursvorgabe verwendet wurde, ist das Problem des nördlichen Querneigungsfehlers entweder dadurch umgangen worden, daß das Magnetometerelement mit einem freien Kreisel stabilisiert wird, so daß es auch bei einer Schräglage des Flugzeugs in einer horizontalen Ebene verbleibt, oder dadurch, daß das Magnetometer mit einem freien Richt-Kreise I kombiniert wird. Bei der Kombination wird der freie Richt-Kreise I als Kursvorgabe des Autopiloten benutzt und die Abgabe (output) des Magnetometers wird zur Überwachung der Neigung des Kreisels verwendet, so daß er entweder von Hand oder automatisch während der NormaIfIugI age korrigiert werden kann. Beide Lösungen sind aufwendig und nicht zuverlässig. Deswegen Ist es die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfache, bei geringen Kosten höchst zuverlässige Vorrichtung zu schaffen,

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mit welcher der Norddrehfehler in einem Magnetometer, das als Kursvorgabe in einem Fahrzeug wie beispielsweise einem Flugzeug benutzt wird, kompensiert werden kann.

Auf einer Richtungsanzeige ist innerhalb bequemer Reichweite des Piloten ein Magnetometer angebracht. Richtungsanzeige und Magnetometer können frei um eine Achse drehen, die parallel zur Gierachse des Flugzeugs verläuft und die Längsachse des Magnetometers verläuft senkrecht zu dieser Achse.

Die Abgabe des Magnetometers ist zum Sinus des Winkels zwischen den Linien des Magnetflusses und einer auf der Längsachse des Magnetometers senkrecht stehenden Ebene proportional. Wenn sich das Flugzeug in horizontaler Lage befindet, verläuft die vertikale Komponente des Erdmagnetfeldes senkrecht zur Längsachse des Magnetometers und hat keine Abgabe. Wenn das Magnetometer für einen West- oder Ostkurs eingestellt wird, verläuft seine Längsachse parallel zur Längsachse des Flugzeugs und die Winke Ibeziehung zwischen der senkrechten Feldkomponente und der Längsachse des Magnetometers ändert sich nicht mit dem Schräglagewinkel und es entsteht keine Abgabe. Wenn jedoch das Magnetometer zum Halten eines Nord- oder Südkurses eingestellt ist, verläuft seine Längsachse senkrecht zur Längsachse des Flugzeugs und die senkrechte Komponente des Erdfeldes erzeugt eine Abgabe, die proportional zum Sinus des Schräglagewinkels ist. In der Tat ist der durch die senkrechte Feldkomponente entstehende Fehler sowohl zum Sinus des Schräglagewinkels als auch zum Sinus der Kurseinstellung eines Magnetometers proportional. Daher schließt die vorliegende Erfindung eine einfache Computerschaltung zum Errechnen des Produkts des Sinus'des Schräglagewinkels, des Kosinus' der Kurseinstellung des Magnetometers (Null im Osten) und der Größe der Magnetometerabgabe der senkrechten Komponente des Erdfeldes zur Erzeugung eines korrekten Signals ein.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der Zeichnung.

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Es ze i gen:

Flg. 1 ein Magnetometer nach dem Stand der Technik, das bei der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann,

Fig. 2 die Abgabe des Magnetometers aus Fig. 1

für verschiedene Stellungen des Magnetometers,

Fig. 3 die Anbringung des Magnetometers aus Fig. 1

in einem Flugzeug gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 4 die Arbeitsweise des Magnetometers aus Fig. 1,

das gemäß Fig. 3 in einem Flugzeug angebracht ist,

Fig. 5 eine Ausführungsform einer Kursvorgabe nach dem

Stand der Technik mit zwei Magnetometern aus Fig. 1, die an einer abseitsIiegenden Stelle eines Flugzeugs angebracht sind,

Fig. 6 ein Vektordiagramm der Komponenten des Erdmagnetfe I des,

Fig. 7 die in den Magnetometern aus Fig. 1 auftretenden Fehler, die durch die vertikale Komponente des Erdmagnetfeldes verursacht werden,

Fig. 8 ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,

Fig. 9 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,

Flg.10 ein wetteres AusfUhrungsbeIspIeI, bei dem die Magnetometer an einer entfernt vom Piloten gelegenen Stelle Im Flugzeug angebracht sind,

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FIg. 11 ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfi ndung,

Flg. 12 ein Vektordiagramm der Erdmagnetkräfte, die auf ein Flugzeug während einer kurzen Kehrtwendung einwirken und

Fig. 13 eine Ausführungsform, mit der der nördliche

Querneigungsfehler eines Magnetkompasses in einem Flugzeug korrigiert wird.

Bei der vorliegenden Erfindung wird ein Magnetometer verwendet, welches direkt im Flugzeug montiert ist. An dem Magnetometer ist eine Kompaß-Skala befestigt, wobei sich diese Anordnung frei um eine Achse drehen kann, die parallel zur Gierachse des Flugzeugs verläuft, so daß sie vom Piloten gemäß dem gewünschten Kurs von Hand eingestellt werden kann. Die Erfindung verwendet eine elektrische Schaltung zur Kompensierung der Fehler bei der Magnetometerabgabe, die durch das Rollen des Flugzeugs verursacht werden. Diese kompensierte Magnetometei— abgabe kann direkt als magnetische Kursvorgabe für eben Flügellagennivellierer eines StabiIitäts-Erhöhungs-Systems oder für ein konventionelles automatisches Pilotensystem verwendet werden. Es kann auch zur visuellen Kursreferenz bei einem manuell gesteuerten Flugzeug dienen.

Es folgt" eine kurze Beschreibung einer typischen Magnetometer-Kursvorgabe und der Auswirkung einer kurzen Kehrtwendung auf seine Abgabe.

In Fig. 1 ist zur Darstellung der vorliegenden Erfindung ein herkömmliches Flußtormagnetometer benutzt worden, obgleich jegliche Art von Magnetometer mit einer ähnlichen Richtungscharakteristik verwendet werden kann. Das herkömmliche Magnetometer aus Fig. 1 enthält zwei hochpermeabIe Magnetkerne 11 und 12, eine Spule 13, an welche über Anschlußklemmen 14 und 15 eine Wechselstromspannung angeschlossen Ist, und eine Spule 16,

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die mit einem Gleichrichter 17 verbunden ist, der aus Dioden 18 und 19 und einem Kondensator 20 besteht. Die Abgabe (output) des Magnetometers erscheint an Anschlußklemmen 21 und 22. Diese Vorrichtung hat eine solche Charakteristik, daß die Ausgangsgleichspannung des Gleichrichters 17 gleich Null ist, wenn die Richtung des Erdmagnetfeldes senkrecht zur Längsachse des Magnetometers verläuft. Die Abgabe ändert sich sinusförmig, wenn die Richtung des Feldes in bezug auf das Magnetometer wechselt und erreicht einen maximalen Positivwert, wenn sie zur Längsachse des Magnetometers in eine Richtung parallel verläuft und einen maximalen Negativwert in der entgegengesetzten Richtung, wie in Fig. 2 dargestellt. Eine Drehung des Magnetometers um seine Längsachse verursacht in der Abgabe keine Änderung.

Diese Art von Magnetometern kann als Kursvorgabe für ein Flugzeug oder für ein anderes Fahrzeug verwendet werden, in welchem es so angebracht wird, daß es um eine Achse gedreht werden kann, die parallel zur Gierachse des Fahrzeugs verläuft. Nach Fig. 3 ist eine kreisförmige Skala 23, die in Werten des Kompasses geeicht ist, auf dem Magnetometer 24 befestigt, so daß es sich damit zusammen um eine Achse 25 dreht, die parallel zur Gierachse des Fahrzeugs verläuft. Ein Zeiger oder eine Anzeigemarkierung 26 ist neben der Skala befestigt und am Fahl— zeug angebracht. Die Eichmarken auf der Skala 23 sind so zum Magnetometer in Beziehung gesetzt, daß, wenn E oder W der Anzeigemarkierung 26 gegenüber eingestellt ist, die Längsachse des Magnetometers zur Längsachse des Fahrzeugs (der Rollachse eines Flugzeuges) parallel verläuft. Wenn der Pilot nun das Magnetometer dreht, um N auf die Anzeigemarkierung 26 zu bringen, erzeugt das Magnetometer eine Ausgangsspannung von Null nur dann, wenn das Fahrzeug seinen Kurs direkt auf den magnetischen Nordoder den magnetischen Südpol gemäß Fig. 4 nimmt. Da der Abfall der Ausgangsspannung des Magnetometers beim Durchgang des Fahrzeugs durch den nordwärtsgerichteten Kurs dem beim Passieren des südwärts gerichteten Kurses entgegengesetzt ist (Fig. 2), kann es nur bei einem dieser beiden Kurse eine stabile Steuerspannung für das Steuersystem des Fahrzeuges zur Verfügung

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stellen und ist selbstverständlich so geschaltet, daß das System stabil ist, wenn der Fahrzeugkurs der Anzeige auf der Magnetometerskala entspricht. Aus Fig. 4 geht ebenfalls hei— vor, daß das Magnetometer eine Nullabgabe erzeugt, wenn die Skala auf W eingestellt ist und das Fahrzeug sich auf Westkurs befindet.

In Fig. 5 wird eine mehr in die Einzelheiten gehende Anordnung nach dem Stand der Technik dargestellt. Hier sind zwei nicht parallele Magnetometer 27 und 28 Im Fahrzeug parallel zu den Längs- bzw. Querachsen angeordnet. Sie befinden sich im allgemeinen an einer so entfernt wie möglich vom Piloten gelegenen Stelle 29, daß es für ihn unbequem ist, sie zu drehen. Die gleichgerichteten Ausgangsspannungen der DemoduIatoren 30 und 31 der Magnetometer 27 und 28 werden an einen Furktionsdrehmelder 32, der auf dem Instrumentenbrett des Fahrzeugs angebracht Ist, abgegeben, so daß der Pilot den Funktionsdrehmelder 32 so einstellen kann, daß er beim gewünschten Kurs eine Null abgabe hat.

Obgleich bei der vorliegenden Erfindung jede der Magnetometeranordnungen aus Fig. 3 oder Fig. 5 Verwendung finden kann, wird die erstere bevorzugt, weil sie einfacher ist.

Die Hauptschwierigkeit bei der Verwendung einer dieser Anordnungen als Kursvorgabe für ein Fahrzeug-Steuersystem liegt in der Tatsache, daß das Erdmagnetfeld in den meisten Gebieten nicht horizontal verläuft und das am Fahrzeugkörper angebrachte Magnetometer für andere Kurseinsteilungen als für Ost oder West sowohl für den Schräglagewinkel des Fahrzeugs als auch für den Fahrzeugkurs empfindlich ist.

Dieser Effekt ergibt sich aus den Flg. 6 und 7. Die Richtung des Erdmagnetfeldes wird durch den Vektor F (Fig. 6) und seine horizontalen und vertikalen Komponenten werden durch H_Q und V angegeben. Die Fig. 7a, b, c und d zeigen einen Teil

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eines Flugzeugs in einer Ebene, die senkrecht auf der Längsachse steht, und ein wie in Fig. 3 beschriebenes einfaches Magnetometer 24 ist daran angebracht. In den Fig. 7a und b ist das Magnetometer für einen Ost- oder Westkurs eingestellt, d. h., die Längsachse des Magnetometers läuft parallel zur Längsachse des Flugzeugs. In dieser Stellung reagiert das Magnetometer nicht auf ein Rollen des Flugzeugs, da es beim Rollen um seine Längsachse gedreht wird. In den Fig. 7 c und d jedoch ist das Magnetometer für einen Nord- oder Südkurs eingestellt, wobei seine Längsachse senkrecht auf der Flugzeug-Rollachse steht und es wird deutlich, daß Veränderungen im Rollwinkel des Flugzeuges Veränderungen im Winkel der Längsachse des Magnetometers in bezug auf die vertikale Komponente des Erdmagnetfeldes hervorrufen und so eine Abgabe vom Magnetometer erzeugen, die sowohl eine Funktion des Roll- als auch des Kurswinkels ist. Wenn die Ausgangsgröße eines solchen Magnetometers zur Kurssteuerung eines Flugzeuges benutzt wird, werden bei Ost- oder Westkursen keine Schwierigkeiten auftreten. Jedoch würde zum Beispiel in den Vereinigten Staaten, wo der magnetische Deklinationswinkel einen Wert von 60° bis 75° hat, eine südwärts gerichtete Einstellung des Magnetometers zu einer übermäßigen negativen Rückkopplung im gesamten Kontrollsystem führen, d. h., wenn das System eine Rechtswendung ei— forderte, um einen Kursfehler zu korrigieren, würde das Flugzeug beginnen, nach rechts in die Kurve zu gehen (mit dem rechten Flügel nach unten) und das Magnetometer würde von der senkrechten Komponente des Erdmagnetfeldes beeinflußt, um ein Signal zu erzeugen, das eine Verringerung der Wendung fordert. Dies würde für südwärts gerichtete Einstellungen zu einer sehr trägen Arbeitsweise führen. Ernster ist jedoch zu nehmen, daß eine nordwärts gerichtete Einstellung zu einer positiven Rückkopplung des Gesamtsystems führt, so daß, wenn eine Drehung in eine Richtung erst begonnen Ist, das Magnetometer ungeachtet des Fahrzeugkurses ein ständig anwachsendes Kurvenmaß in dieser Richtung fordert.

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Ein Hauptmerkmal dieser Erfindung liegt in der Berechnung der Größe dieser vom Rollwinkel beeinflußten Abgabe und ihrer Subtraktion von der Gesamtabgabe des Magnetometers, so daß das Restsignal lediglich eine Funktion des Kurses ist. Aus den Fig. 6 und 7 geht hervor, daß die Größe R der ro I I sensitiven Abgabe des Magnetometers durch die folgende Gleichung dargestellt werden kann:

R = K Sin <J> cos H

wobei K ein Gewinnfaktor, der eine Funktion des lokalen magnetischen Neigungswinkels und der Magnetometerempfindlichkeit ist, <J> der Rollwinkel und H der auf dem Magnetometer eingestellte Kurs ist. Es ist zu bemerken, daß der tatsächliche Kurs des Flugzeugs nicht einbezogen ist.

Die Verwendung der Magnetometer und Korrekturschaltung bei einem Flugzeugsteuersystem hängt in einem gewissen Ausmaß von der damit zusammenhängenden, im Flugzeug verfügbaren Instrumentenausrüstung ab. In Fig. 8 wird ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem ein Spannungssignal, das zum Sinus des Schräglagewinkels proportional ist, von einem senkrecht als Freikreisel (free-gyro-mounted) angebrachter Umformer 33 (transducer), wie er bei einem herkömmlichen "künstlichen Horizont" verwendet wird, erhalten werden kann. Die Sinus-Funktion kann durch Verwendung eines ηichtIinearen Widei— Standselementes in einem Potentiometer-Umformer, durch eine nichtlineare mechanische Verbindung zwischen der Kreiselkompaßgabel und dem Potentiomenter oder durch andere herkömmliche Vorrichtungen erhalten werden. Tatsächlich hat sich in der Praxis herausgestellt, daß die Sinusfunktion nicht wirklich notwendig ist und ein zufriedenstellender Betrieb auch zu erzielen ist, wenn das Signal nur eine Linearfunktion des RoII-winkels ist. Die Abgabe des Umformers 33 wird an einen anderen Umformer 34 angelegt, der durch die in Fig. 3 gezeigte Magnetometeranordnung so eingestellt ist, daß seine Abgabe eine Kosinus-Funktion der KurseinsteIiung des Magnetometers ist.

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Der Umformer 34 ist in allgemeinster Form ein Hebel 35, der unter Vernachlässigung einer Querbewegung eine Längsbewegung auf ein lineares Potentiometer 36 überträgt. Es können jedoch auch andere Vorrichtungen benutzt werden, um die Kosinus-Funktion zu erhalten. Wie aus Fig. 8 hervorgeht, liefert die Ausgangsspannung vom S i nus-<j>-Umf ormer 33 die Ladespannung für den Kosiηus-H-Umformer 34, so daß die Abgabe des Kos i nus-H-Umf ormers 34 das Produkt von Sinus <j> und Kosinus H ist. Diese Abgabe geht durch einen einstellbaren Abschwächer oder Potentiometer 37, durch welchen es möglich ist, den Wert von K in die Gleichung einzusetzen. Dieser Abschwächer 37 braucht normalerweise nicht wiedereingestellt zu werden, ausgenommen bei großen Änderungen im magnetischen Deklinationswinkel, die bei einem Überfliegen von einem weiten geografischen Bereich durch das Flugzeug herrühren.

Die Abgabe des Spannungsteilers 37 wird von der Abgabe des Demodulators 17 durch einen Differenzverstärker 38 abgezogen und damit eine korrigierte Abgabe vorgelegt.

In Fig. 9 wird eine bevorzugte Anwendung dargestellt, bei der das Magnetometer als Kursvorgabe für ein Steuersystem mit Flügelnivellierer (wing-I eve I er) verwendet wird. Der einzige in diesem System verfügbare Sensor ist ein strömungstechnisches Bauelement zur Bestimmung der auffallenden Größe, das als Sensor 40 ausgebildet ist und eine Brücke 41 (rate bridge) in die entsprechende Größe eingeht, welche primär auf Kursabweichungsroaß ansprechen. Dieses wird anstelle des Umformers 33 in Fig. 8 benutzt. Für eine korrekte kurze Kehrtwendung ist der Sinus des Schräglagewinkels eine Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit und des Kursabweichungsmaßes.

c· a V · W

Sind)=

V 2 2 2

^v g^Z+V^Z· w^z

wobei V die Fahrzeuggeschwindigkeit, w das Kursabweichungsmaß des Fahrzeugs und g die von der Schwerkraft herrührende Beschleunigung ist. Diese Funktion könnte durch Verwendung einer

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geeigneten elektronischen Schaltung berechnet werden. Es hat sich abe.r in der Praxis herausgestellt, daß, wenn eine Linearfunktion des Kursabweichungsmaßes für Sinus d> in der zuvor beschriebenen Korrektur-Schaltung eingesetzt wird, das Gesamtsystem innerhalb des normalen Bereichs von Fahrzeuggeschwindigkeiten zufriedenstellend arbeitet. Diese Funktion des Kursabweichungsmaßes wird vom Sensor 40 erhalten, dessen Ausgangswert durch eine Brücke 41 an das Potentiometer in Fig. 8 angelegt wird. Es ist ein Vorteil, daß mit dieser Anordnung ein vollständiger Seitwärts/Voraus-Autopilot (IateraI/directionaI autopilot) ohne Verwendung von Gyroskopen jeglicher Art gebaut werden kann.

Wird es gewünscht, die Magnetometereinheit an einer wie im Zusammenhang mit Fig. 5 beschriebenen entfernten Stelle anzubringen, kann eine ähnliche Korrekturschaltung verwendet werden. In diesem Fall werden die beiden Magnetometer-27 und 28 nach Fig. 5 im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 10 benutzt. Die Längsachse des Magnetometers 27 ist parallel zur Längsachse des Fahrzeugs und die Längsachse des Magnetometers 28 parallel zur Neigungsachse angeordnet. Aus den Fig. 6 und 7 ist ersichtlich, daß das Magnetometer 27 vom Fahrzeugrollen unbeeinflußt bleibt, wogegen im Magnetometer 28 ein maximaler Fehler auftritt. In diesem Falle ist es nur nötig, die Korrektui— spannung, proportional zum Fahrzeugroi IwinkeI oder zum Gierungsmaß an den Ausgang des Magnetometers 28 anzulegen, um für jegliche Kurseinstellung eine korrekte Abgabe zu erhalten. Daher wird ein zu sin <j> · cos H in bezug gesetztes, von einem Generator 42 erzeugtes Signal von K mit dem Spannungsteiler multipliziert und so von der Abgabe des Magnetometers 28 mit Hilfe des Differenzverstärkers 44 abgezogen, wobei das sich daraus ergebende Signal an den Funktionsdrehmelder 32 angelegt wird. Der Generator 42 kann wie nach Fig. 8 oder Fig. beschaffen sein.

In Flg. 11 wird eine andere Version der Korrekturschaltung dargestellt, wie sie mit einem von einem Signal gedrehten Magnetometer 45 verwendet wird. Die Arbeltsweise ist die gleiche wie in Fig. 8,

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mit der Ausnahme, daß die Korrektur direkt an das Magnetometer als veränderliches örtliches magnetisches Feld angelegt wird. Eine aus einer oder mehreren Spulen 46, die auf nichtmagnetischen Formen aufgewickelt sind, bestehende Magnetspule ist derart um das Magnetometer 45 angeordnet, daß ein relativ gleichmäßiges Magnetfeld innerhalb des Raumes erzeugt wird, der vom Magnetometer 45 eingenommen wird. Das Magnetometer 45 ist durch eine Welle 47 mechanisch mit einer Kompaßskala 48 verbunden, die vom Piloten eingestellt werden kann, um den wie zuvor beschriebenen gewünschten Kurs des Fahrzeugs zu wählen. Das Magnetometer dreht sich innerhalb der Magnetspule 46, die an dem Fahrzeug so angebracht ist, daß die Richtung des Magnetfeldes, das sie erzeugt, parallel zur Neigungsachse des Fahrzeugs verläuft. An die Magnetspule 46 wird ein Strom angelegt, der eine Funktion des Rollwinkels des Fahrzeugs ist. In Fig. 11 wird diese von einem als Sensor 49 ausgebildeten strömungstechnischen Bauelement, das primär für das Kursabweichungsmaß wie in Fig. 9 empfindlich ist, gelieferte Funktion dargestellt. Die Abgabe des Sensors 49 wird über eine Brücke 50, einen Spannungsteller 51 und einen Vei— stärker 52 an Spulen 46 angelegt. Es ist deutlich, daß die Wirkung des von den Magnetspulen 46 erzeugten Feldes auf das Magnetometer 45 proportional dem cos H ist, wobei H dem Kurs gleichkommt, auf den das Magnetometer 45 eingestellt ist. Die an das Magnetometer 45 angelegte Gesamtkorrektur ist dann R = K sin * cos H, wobei sin cj> von der Abgabe des Sensors 49 angenähert wird, cos H durch die Einstellung des Magnetometers 49 In bezug auf die Richtung des von der Magnetspule 46 geschaffenen Felds erzeugt wird, und K von einem Dämpfungswiderstand 51 so eingestellt wird, daß es dem magnetischen Kippwinkel des geografischen Ortes, an dem sich das Fahrzeug befindet, entspricht. Die Abgabe des Magnetometers 45 wird über einen Demodulator 53 an einen Endverstärker54 angelegt. Durch diesen Aufbau können die sich bewegenden Teile des in den Flg. 8 und 9 dargestellten Umformers und des Kosinus-Generators weggelassen werden.

Die Erfindung kann auch dazu verwendet werden, den Norddrehfehler zu korrigieren,- der auf herkömmliche Magnetkompasse einwirkt, die bei der Navigation von Flugzeugen und anderen Fahrzeugen

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gebraucht werden.

In Fig. 12 werden die eine Rolle spielenden magnetischen Vektoren dargestellt. F stellt die Gesamtgröße des Erdmagnetfeldes an einem bestimmten Ort dar. H₀ die HorizontaI-Komponente von F, ist für den Richtungssinn der Magnetkompaßnadel verantwortlich. Beim HorizontaIfIug wirkt die vertikale Komponente V nicht auf den Kompaß ein, wenn sich jedoch das Flugzeug in die Kurve legt, wird vom Kompaß die zur Flugzeugneigungsachse parallel verlaufende Komponente von V, He, erfaßt und bringt einen Fehler !n seinen Richtungskurs. Dieser "nördlicher Querneigungsfehler" genannte Fehler ist groß genug, um völlig falsche Ablesungen zu verursachen, wenn das Flugzeug in der nördlichen Hemisphäre eine Wendung zu einem nordwärts gerichteten Kurs macht.

Bei herkömmlichen Luftfahrt-Instrumenten wurde dieses Problem dadurch gelöst, daß ein Richtungskreisel vorgesehen wird, der so eingestellt ist, daß sich dieselbe Ablesung ergibt wie beim Magnetkompaß, wenn sich das Flugzeug in NormaIfIugI age befindet. Bei Kursmanövern wird dann der Richtungskreisel als Azimuth-Referenz benutzt. Diese Lösung erfordert den Einbau eines kostspieligen Kreiseiinstrumentes mit begrenzter Lebensdauer, das wegen der ihm eigenen Drift in periodischen Abständen wieder eingestellt werden muß, um dein Magnetkompaß zu entsprechen. Die vorliegende Erfindung korrigiert den dem Magnetkompaß eigenen Querneigungsfehler, so daß damit bei Wendemanövern genaue Aztmuth-AbIesungen zur Verfügung gestellt werden und der Richtungskreisel nicht mehr gebraucht wi rd.

Aus Fig. 12 geht hervor, daß ein Magnetfeld Hc, dessen Größe gleich He ist, wenn es an die Magnetkompaßnadel angelegt wird, die Auswirkung von V auf den Kompaß während eines Wendemanövers löschen wird. Es wird ebenfalls deutlich, daß die Richtung von Hc parallel zur Neigungsachse des Flugzeugs verläuft und daß Ihre Größe gleich V sin <j> ist.

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In Fig. 13 wird eine Mechanisierung dieser Korrektur dai— gestellt. Ein Paar Magnetspulen 55 und 56 sind auf jeder Seite des Magnetkompasses 57 angebracht. Diese Spulen sind so ausgelegt, daß sie ein relativ gleichmäßiges Magnetfeld in dem Raum erzeugen, in dem sich die Magnetkompaßnadel dreht. Die Richtung dieses Feldes läuft parallel zur Neigungsachse des Fahrzeugs, in welchem der Kompaß angeordnet ist. Während des Betriebs fließt ein Strom, der proportional zum Fahrzeug-Schräglagewinkel und zur senkrechten Komponente des Erdmagnetfeldes verläuft, durch die Magnetspulen 55, 56. Die Größe und die Richtung dieses Stroms ist derart, daß das von den Magnetspulen 55, 56 erzeugte Magnetfeld He gerade aufhebt. Der passende Strom wird von einem Leistungsverstärker 58 erzeugt, der seinerseits von einer elektrischen Größe abhängig ist, die von einem Instrument gewonnen wird, welches den Schräglagewinkel des Fahrzeuges mißt. Als Instrument geeignet wäre der übliche Kreisel für den künstlichen Horizont.

Obgleich für einen vollkommenen Ausgleich ein Strom erforderlich ist, der sin ώ proportional ist, sorgt in der Praxis auch ein Strom, der nur proportional zu ώ ist, für einen adäquaten Ausgleich. Da sich die Größe von V über weite geografische Bereiche nur wenig verändert, kann es manuell in das System eingesetzt werden, beispielsweise mit einem Potentiometer 59. Die Eingabe für das Potentiometer 59 wird von einem Generator 60, wie beispielsweise der Umformer aus Fig. 8, oder dem Sensor 40 aus Fig. 9, erzeugt.

Ansprüche:

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Claims

Patentansprüche

Fahrzeugkursvorgabe mit einer Richtungsanzeige, die so am Fahrzeug angebracht ist, daß sie um eine parallel zur Kursabweichungsachse verlaufende Achse gedreht werden kann, und einem auf der .Richtungsanzeige so befestigten Magnetometer, daß seine Längsachse mit der parallel zur Kursabweichungsachse des Fahrzeugs verlaufenden Achse zusammenfällt, so daß es drehbar mit der Richtungsanzeige ist, wodurch das Magnetometer ein Ausgangssignal erzeugt, das auf die Differenz zwischen der Richtungsanzeigeneinstellung und dem tatsächlichen Kurs des Fahrzeugs bezogen ist, gekennzeichnet durch

a) Vorrichtungen (24) an dem Fahrzeug zum Erzeugen eines zum Norddrehfehler in Beziehung stehenden" Signals

b) Vorrichtungen (38) zum Subtrahieren des auf den Norddrehfehler bezogenen Signais vom Ausgangssignal, das vom Magnetometer (24) erzeugt wurde, wodurch sich daraus ein bezüglich des Norddrehfehlers korrigiertes Ausgangssignal ergi bt.
2. Fahrzeugskursvorgabe mit einem Funktionsdrehmelder, mit einem ersten an dem Fahrzeug befestigten Magnetometer, dessen Längsachse parallel zur Rollachse des Fahrzeuges verläuft, und dessen Abgabe mit dem Funktionsdrehmelder verbunden ist und mit einem zweiten an dem Fahrzeug befestigten Magnetometer, dessen Längsachse parallel zur Querachse des Magnetometers verläuft, gekennzeichnet durch

a) Vorrichtungen (27, 28) an dem Fahrzeug zur Erzeugung eines zum Norddrehfehler in Beziehung stehenden Signals und

b) Vorrichtungen (44) zum Subtrahieren des zum Norddrehfehler in Beziehung stehenden Signals von der Abgabe des

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zweiten Magnetometers (28) und Anlegen dieses an den Funktionsdrehmelder (32), wobei die Kursvorgabe bezüglich des Norddrehfeh Iers korrigiert ist.
3. Fahrzeugkursvorgabe nach Anspruch 1 und Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungen zur Erzeugung eines in Beziehung zum Norddrehfehler stehenden Signals Vorrichtungen (42,43) zur Erzeugung eines Signals enthalten, welches in Beziehung steht zu

K sin ώ cos H,

wobei K ein Gewinnfaktor, der eine Funktion des lokalen magnetischen Inklinationswinkels und der Magnetometer- empfindlichkeit ist, <J> der Rollwinkel und H der Kurs ist, auf den der Funktionsdrehmelder (32) eingestellt ist.
4. Fahrzeugkursvorgabe nach Anspruch 1 und Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Erzeugung eines in Beziehung zum Norddrehfehler stehenden Signals Vorrichtungen (33-37, 46-52) zur Erzeugung eines Signals enthalten, welches in Beziehung steht zu

K s i η ω cos H,

wobei K ein Gewinnfaktor, der eine Funktion des lokalen magnetischen Inklinationswinkels und der Magnetometerempfindlichkeit ist, <j> der Rollwinkel und H der der Kurs ist, auf den das Magnetometer (24, 45) eingestellt ist.
5. Vorrichtung zur Berichtigung des Norddrehfehlers eines magnetischen Kompasses an einem Fahrzeug, gekennzeichnet durch Vorrichtungen (58, 59, 60, 40) zur Erzeugung eines zu V · sin <j> in Beziehung stehenden

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Signals, wobei V die am Ort des Fahrzeuges herrschende vertikale Komponente des Erdmagnetfeldes F und <j> der Schräglagewinkel des Fahrzeuges ist, und Spulenanordnungen (55, 56), die den Kompaß (57) umgeben und das erzeugte Signal empfangen, um eine Kraft in einer Richtung an der Kompaßnadel zu erzeugen, die entgegengesetzt der Kraft am Ort der Nadel gerichtet ist, die durch den Norddrehfehler verursacht ist.
6. Fahrzeugkursvorgabe nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der cos H Anteil des Signals durch Spulen (46) erzeugbar ist, die das Magnetometer (45) umgeben und im Fahrzeug so befestigt sind, daß die Richtung des von den Spulen erzeugten Magnetfeldes parallel zur Querachse des Fahrzeugs verläuft.
7. Fahrzeugkursvorgabe nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der cos H Anteil des Signals durch einen Hebel (35) erzeugbar ist der am Magnetometer (24) befestigt ist.
8. Gerät nach den Ansprüchen 3, 4 oder 5, dadurch gekennze i chnet, daß der sin ώ Antei I des Signals durch einen als Freikreisel angebrachten Umformer (33) erzeugbar ist.
9. Gerät nach den Ansprüchen 3, 4 oder 5, dadurch gekennzei chnet, daß der sin <j> Antei I durch einen als Sensor (40, 49) ausgebildetes strömungstechnisches Bauelement erzeugbar ist.

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