DE2638630B2 - Navigationsgerät zum Anvisieren einer Lichtquelle, insbesondere der Sonne - Google Patents

Description

üblichen elektrischen und elektronischen Hilfsmitteln so weiterverarbeilet werden können, daß sich noen besser brauchbare Anzcigesignale ergeben Dabei wird es besonders beim Anvisieren von nichl-punktlörmigen Lichtquellen, also insbesondere der Sonne, meist darauf ankommen, das Visiersignal zeitlich zu verkürzen, und es wird dann in dem erfindungsgemäßen Navigationsgerät eine Signalverarbeiuingsschaltung vorgesehen, die eine solche zeilliche Verkürzung des Visiersignals bewirkt. Wie an sich bekannt, kann die Verkürzung im einfachsien Fall dadurch erzielt werden, daß die Signa Iverarbeilungsischallung eine Differenzierstulc aufweist, die auf die Anstiegs- und/oder Abstiegsflanke des Signals ansprichi. Line noch genauere Anzeige ci"iiii sicm ofi dann. wCiln uiO

ferenziersiufc den

/weilen Differential.quolientcn nach der Zeit bildet, also auf die Wendepunkte der Anstiegs- und/oder Abstiegsflanke des Signals anspricht.

Wenn man auf die Mitte der flächenhaften Lichtquelle ab/ielen will, kann man elektrisch die Mitte des Signalinipulses bestimmen. Line einfache Möglichkeit dafür besieht darin, daß die Signalverarbeitungsschal-UJiig eine Integricrsiufe und eine nachgesehaltete Differen/iersiufe zur Bildung des zweiten Differentialqiiolienten nach der Zeit aufweist. Besonders bequem wird die Linrichtung dann, wenn die Signalverarbeiuingsschaltung auf verschiedene der eben besprochenen Betriebsweisen umschaltbar ist.

Linen einfachen und kostengünstigen mechanischen Aufbau erhält man. wenn man die Visiereiiirichiiing auf einem den künstlichen Horizont verkörpernden Tragkörper, vorzugsweise in l'onn einer Plane, anordnet, der in einem Grundgcstcll kardanisch aufgehängt ist. •\ul diesem Tragkörper können dann diejenigen Teile der Na\ igalionsvornchlung angebracht werden, die in I lonzoniallage ausgerichtet werden müssen.

Lm wesentlicher Bestandteil der Navigation ist die Bestimmung der seitlichen Ausrichtung (des Seilenwinkels) aiii die anzupeilende Lichtquelle, insbesondere die Sonne. I ^!m dies bei dem crlindungsgemäßen NavigaiKinsgcräi ebenlalls automaiiseh vornehmen zu können, ist in weiterer .Ausgestaltung der Lrfindung vorgesehen, daß dci eben erwähnte Tragkörper eine aiii die anzuvisierende Lichtquelle ansprechende A/imiit-SietKTciiirichtiing aufweist, und daß zur Drehung des I ragkörpcrs um eine vertikale Achse ein Λ/iniiit-Aninebsmoior vorgesehen ist. der von der Λ/ι 'lut-SieueremnchtunL' derart steuerbar ist. daß die hori/ontale Drehachse tier Visiereinrichtung normal zur Li.isirahliingsrichiung der anzuvisierenden Lichtquelle liegt. Ls versieht sich, daß an die Genauigkeit der seitlichen •\usrichiung auf die Lichtquelle keine so hohen •\nlorderungen zu stellen sine wie an die Messung des Llevaiionswinkcls. Man kann deshalb mit verhältnismäßig einfachen Azimut-Steuereinrichtungen auskommen. Line besonders einfache und kostengünstige Ausführungsform isi dadurch gekennzeichnet, daß die Azimut-Sieiiercinrichtung eine lichtundurchlässijje vertikale Wand, je einen beiderseits davon angeordneten Lichtdetektor und eine Steuerschaltung aufweist, die den Azimut-Antriebsmotor auf eine Position des Tragkörpers einregelt, bei der die Signale der beiden Lichldctektoren glejch sind. Das ist dann die Position, in der die Drehachse der Visiereinrichtung normal zur Linstrahlungsrichtung liegt.

Die Lrfindung wird im folgenden an Hand von Ausführungsbcispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Ls zeigt

l-'ig. I eine ganz schematische Darstellung eines ei Imdimgsgemäßcn Navigationsgeräts in Seitenansicht.

I i g. 2 eine andere Ausführungsform einer bei dem Gerät nach I·" i g. I verwendeten Scheibe.

I" i g. j cine weitere mögliche Ausluhrungslorm.

I" i g. 4 eine ganz schematische Ansicht eines in Γ i g. I dargestellten Bauteils in Richtung des Pfeils IV der L ig. 1.

Das in F i g. 1 dargestellte Navigationsgerät enthält als wesentliche Teile ein Grundgestell 2. das auf irgendeine Unterlage 4. beispielsweise ein Schiffsdeck, aufsetzbar ist, einen in Lagern 6, 8 drehbar gelagerten Kardanring 10, einen im Kardanring 10 in Lagern 12 drehbar gelagerten vertikalen Antriebsmotor 14, der durch ein unterhalb der Lager 12 befindliches Gewicht 16 beschwert ist, einen auf der Abtriebswelle 18 des Vertikal-Antriebsmotors 14 aufgebauten Tragkörper 20 in Form einer kreisrunden Piaitc, eine auf dem Tragkörper 20 aufgebaute Visiereinrichtung 22. eine ebenfalls auf dem Tragkörper 20 aufgebaute Azimut-Steuereinrichtung 24 und ein Steuer- und Anzeigegerät 26. Die Lager 6, 8 und 12. bilden, wie ohne weiteres zu erkennen ist, eine kardanisehe Aufhängung für den Vcrtikal-Antriebsmotor 14 und den damit verbundenen Tragkörper 20. so daß die Oberfläche des Tragkörpers 20 einen künstlichen Horizont darstellt. Ls versieht sich, daß auf ausgeglichene Gewichtsverteilung zu achten ist.

Die Visiereinrichtung 22 cnthäli eine Scheibe 28. die um ihre .Scheibenachse als horizontale Drehachse 30 mit Hilfe eines regelbaren Gleichstrommotors 32 drehbar ist. Die Drehachse 30 licgl parallel zu dem durch den Tragkörper 20 verkörperten künstlichen 1 lorizont und ist somit selbst horizonia! angeordnet. In der Scheibe 28 ist als Licht-Visierpfad eine von ihrer Mantelfläche 34 ausgehende radiale Bohrung 36 angeordnet, die an ihrem äußeren Fnde von einer lichtdurchlässigen Abdeckung 38. beispielsweise aus Kunststoff-Glas, verschlossen sein kann. Die Scheibe 28 besteht selbst aus lichtundurchlässigem Material. Am inneren F.nde der Bohrung 36 isl ein Lichtdetektor 40 angeordnet, der zweckmäßig als Fototransistor oder Fotodiode ausgeführt ist. Das Signal vom Lichtdetektor 40 wird über Schleifringe 42, 44 und damil zusammenwirkende Schleifkontakte 46, 48 abgenommen. An einer gegenüber der Bohrung 36 um einen vorgegebenen Winkel, insbesondere 90 oder (wie in der Lig. dargestellt) 180 versetzten Stelle cnthäli die Scheibe 28 eine achsparallele Durchgangsbohrung50. Diese wirkl als Markierung einer Referenzeinrichlung. zu der ferner eine stationär auf dem künstlichen Horizont (dem Tragkörper 20) angeordneten Fülleinrichtung gehört, die die Lage der Markierung (der Durchgangsbohrung 50) auf der Scheibe 28 abtastet. Diese Fülleinrichtung enthält bei der Ausführungsform nach Fig. 1 eine auf der einen Seile der Scheibe angeordnete Leuchte 52 und einen auf der anderen Seite der Scheibe 28 angeordneten zweiten Lichtdetektor 54.

Bei einer praktischen Ausführungsform kann die Scheibe 28 etwa einen Durchmesser von 25 mm haben und etwa 6 mm dick sein. Die Bohrung 36 kann dann einen Durchmesser von etwa 2 mm haben, und die Diirchgangsbohrung 50 kann einen Durchmesser von etwa 0.1 bis 0,2 mm haben. Die Figur ist zwecks besserer Übersichtlichkeit nicht maßstäblich, und es sind auch die elektrischen Verbindungen zwischen den einzelnen Bauelementen nicht dargestelit.

Zur automatischen seitlichen Ausrichtung der Visiereinrichtung 22 auf die anzuvisierende Lichtquelle, die in

I i g. 1 durch clic l'iirallclstrahlen 56 angedeutet ist. dient die auf dem Tragkörper (künstlichem Horizont) 20 angeordneten Azimut-Steuereinrichtung 24.

Diese enthält eine auf dem Tragkörper 20 senkrecht zu der Drehachse 30 aufgebaute lichtundurchlässige vertikale Wand 58 und je einen beiderseits dieser Wand angeordneten Lichtdetektor 60 bzw. 62, die hinter Viertclkreis-Prisnien 64 bzw. 66 angeordnet sind. Die beiden Lichtdetektoren 60 und 62 steuern über eine Steuerschaltung 68 den Vertikal-oder Azimut-Antriebsmotor 14 derart, daß der Tragkörper 20 sich in eine Position einstellt, in der die von den Liehideiektoien 60 und 62 gelieferten Signale gleich sind. Man erkennt ohne weiteres, daß dann die Visiereinrichtung 22 so eingestellt ist,daß ihre horizontale Drehachse 30 normal zur lüinstrahlungsrichtung der anzuvisierenden Lichtquelle 56 liegt.

Das Steuer- und Anzeigegerät 26 enthält als Winkelnicßeinrichtung einen quarzgesteuerten Impulsgenerator 70, dessen Impulsfolgefrcquenz groß gegen die Drehzahl der Visiereinrichtung 22 ist, und einen Impulszähler 72, der von dem Referenzsignal, das durch den Signalimpuls vom zweiten Lichtdetektor 54 dargestellt wird, eingeschaltet und von dem Visicrsignal. das durch den vom Lichtdetektor 40 gelieferten Impuls dargestellt wird, ausgeschaltet wird. Weiter enthält die Winkclnicßcinrichlung eine Anzeigeeinrichtung 74, die die Impulszahl als Größe des Elevalionswinkels der anvisierten Lichtquelle 56 anzeigt. Die Impulsfolgcfrequcnz des Impulsgenerators 70 bestimmt die Drehzahl des regelbaren Gleichstrommotors 32, d. h. also die Drehzahl der Visiereinrichtung 22. Die an sich bekannten Hinrichtungen zur entsprechenden Regelung des Motors 32 sind in der Figur nicht dargestellt. Außerdem ist zusätzlich eine von dem Impulsgenerator 70 gesteuerte Zeituhr 76 vorgesehen. Diese ist zweckmäßig neben der Anzeigeeinrichtung 74 angeordnet, so daB die Meßwerte fur den F.ievalionswinkci (in Fig. 36.856°) und die Zeil (in Fig. 17: 35 Uhr) nebeneinander abzulesen sind. Bei voller Ausnutzung der möglichen Genauigkeit (beispielsweise bei Anzeige in tausendstel Winkelgraden), kann es zweckmäßig sein. Unregelmäßigkeiten in der letzten Stelle der Anzeige durch eine Mittelwertbildung auszugleichen. Bei der Einrichtung nach F i g. 1 ist deshalb zusätzlich zu der Anzeigeeinrichtung 74 ein Mittclwertanzeiger 78 vorgesehen, der in vorgegebenen Zeitabständen, z. B. alle 20 Sekunden, den Mittelwert einer Anzahl, z. B. 1000. von vorausgegangenen Einzel-Anzeigen der Anzeigeeinrichtung 74 bildet und anzeigt. In F i g. 1 ist dieser Mittelwert mit 36.853^C angegeben. Die elektrische Schaltung zur Bildung eines derartigen Mittelwerts ist in der üblichen Weise aufgebaut und kann von jedem einschlägigen Fachmann ohne weiteres hergestellt werden.

Die Wirkungsweise der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung ist schon aufgrund der vorangegangenen Beschreibung ohne weiteres zu verstehen. Wenn es sich beispielsweise bei der anzuvisierenden Lichtquelle 56 um die Sonne handelt, kann die dargestellte Vorrichtung bei freiliegender Sonne ohne weiteres in Betrieb gesetzt werden. Die Azimut-Steuereinrichtung 24 dreht dann zunächst den kardanisch aufgehängten Tragkörper 20, der einen künstlichen Horizont bildet, so lange mit Hilfe des Vertikal- oder Azimut-Antriebsmotors 14, bis die horizontale Drehachse 30 der Visiereinrichtung 22 normal zur Einstrahlungsrichtung der Sonne liegt. Diese Ausrichtung wird auch bei Bewegungen des Bodens 4.

beispielsweise eines Schiffskörpers, automatisch nacligeregell. Der Motor 32 dreht die Visiereinrichtung 22 mit einer durch den Impulsgenerator 70 genau vorgegebenen Drehzahl. Bei jeder Umdrehung wird von dem zweiten Lichtdetektor 54 ein Refcrenzimpuls und von dem Lichtdetektor 40 ein Visiersignal oder Visierinipuls an das Steuer- und Anzeigegerät 26 gegeben, und zwar bei der in Fig. I dargestellten Ausführungsform über eine Signalverarbeitungssehaltung 80, die einen Teil der Winkelmeßeinrichtung bildet und im wesentlichen die Wirkung hat. daß die Impulse, insbesondere das Visiersignal, zeitlich verkürzt werden. Der Zähler 72 zählt die Impulszahl, die der Impulsgenerator 70 zwischen dem Referenzimpuls und dem Visierimpuls liefert, und zeigt diese Inipulszahl als Winkclmefiwcrl in der Anzeigeeinrichtung 24 an. Is ist zweckmäßig, die Impulsfolgefrcquenz des Inipulsgcneraiors 70 so zu wählen, daß sich einfache Beziehungen zwischen der Drehzahl der Visiereinrichtung 22. den gezählten Impulsen und dem angezeigten Winkelwert ergeben. Wenn beispielsweise die letzte angezeigte Stelle der Winkelmessung die hiiiulerlslel Grail sein sollen, ist es zweckmäßig, für eine Umdrehung der Visiereinrichtung 22 eine Impulszahl von 36 000 vorzusehen. Wenn dann beispielsweise die Visiereinrichtung mit einer Drehzahl von 3000 pro Minute, also 50 pro Sekunde, umläuft, kann die Grundfrequenz des Impulsgenerators 70 zu 50 χ 36 000= 1.8MIIz gewählt werden. Dann entspricht ein einzelner Impuls einem Winkel von 0.01°. Fs verstellt sich, daß die genannte Grundfrequenz auch durch Teilung einer höheren Quarz-Schwingungsfrequenz erzeugt werden kann. Die dafür erforderlichen Schaltungen sind bekannt. Im allgemeinen wird es genügen, den Winkel auf ein hundertste! Grad anzugeben: Die in Fig. I dargestellte Anzeige bis tausendstel Cjrad wird nur 111 Sonderfällen erforderlich sein und dann auch eine entsprechend höhere Grundfrequenz des impuisgcnerütors 70 sowie eine genauere Regelung des Antriebsmotors 32 bedingen.

Insbesondere dann, wenn hohe Anzeigegenauigkeiten für den Winkel gefordert werden, ist es zweckmäßig, die in Fig. 1 angedeutete Signal-Verarbeitungsschaltung 80 zu verwenden, um den Visierimpuls zeitlich zu verkürzen. Dies ist besonders dann erforderlich, wenn die Lichtquelle nicht punktförmig ist. also insbesondere bei der Sonne. Der Visierimpuls besteht dann aus einer Anstiegsflanke, der dem ersten Randdurchgang der Sonne entspricht, einem etwa konstanten Mittelteil, der der Sonnenfläche entspricht, und eine Abstiegsflanke, die dem Durchgang am anderen Ende des überstrichenen Durchmessers der Sonnenscheibe entspricht. Eine einfache Form der Signalverkürzung besteht darin, daß in der Signalverarbcitungsschahung 80 eine Differenzierstufe vorgesehen ist. so daß nur die Anstiegs- und/oder Abstiegsflanke des Signals erfaßt werden. Da sich diese beiden differenzierten Signale im Vorzeichen unterscheiden, kann man sehr leicht mit Hilfe von Dioden die beiden differenzierten Signale trennen und einzeln oder getrennt verwenden. Eine noch höhere Genauigkeit ergibt sich dann, wenn man zweimal differenziert, also auf den Wendepunkt der Anstiegsoder Abstiegsflanke abstellt. Auch dabei ermöglicht der Polaritätsunterschied der so gewonnenen Signale eine einfache Selekticrung. Eins andere Ausführungsmöglichkeit besteht darin, daß die Signalverarbeitungsschaltung 80 eine Integrierstufe und eine nachgeschaltete Differenzierstufe zur Bildung des zweiten Differential-

quoticntcn nach der Zeit aufweist. Auf diese Weise kann /u man zu einem sehr kurzzeitigen Signal kommen, das etwa beim Passieren der Mitte der Sonnenscheibe auftritt. Besonders zweckmäßig ist es, wenn die Signalverarbeitungsschaltung 80 auf verschiedene Betriebsweisen, beispielsweise die eben beschriebenen Betriebsweisen, umschaltbar ist. Dies ist in Fig. 1 durch einen Stellknopf 82 und durch Punkte symbolisierte verschiedene Schaltstellungen angedeutet, die mit V (Vorderflanke), H (Hinterflanke), VW (Vorderer Wendepunkt), HW (Hinterer Wendepunkt) und M (Mitte) bezeichnet sind. Die zur Erzielung der gewünschten Verarbeitungscharakteristik erforderlichen Schaltungen sind hier nicht dargestellt, da sie von jedem einschlägigen Fachmann ohne weiteres entworfen werden können.

Es versteht sich, daß bei der tatsächlichen Ausführung einer nach Fig. 1 aufgebauten Vorrichtung eine Schutzhaube oder dergleichen vorgesehen ist, um die Vorrichtung vor äußeren Einflüssen, insbesondere Seewasser und Seeluft, zu schützen. Es versteht sich, daß eine solche Schutzhaube zumindest in dem von der Visiereinrichtung 22 benötigten bogenförmigen Bereich lichtdurchlässig sein muß.

Zu den elektrischen Verbindungen ist noch zu bemerken, daß natürlich die Verbindung zwischen der Az'mut-Steuereinrichtung 24 und dem Vertikal- oder Azimut-Antriebsmotor 14 flexibel sein oder über Schleifringe erfolgen muß.i Da jedoch der Tragkörper 20 nur um insgesamt 360 drehbar sein muß, sind Schleifringe dafür im allgemeinen entbehrlich.

F i g. 2 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform, die sich von der in F i g. 1 dargestellten Ausführungsform vor allem dadurch unterscheidet, daß der Lichtdetektor stationär auf dem künstlichen Horizont angeordnet und berührungslos an den Lichtleitpfad angekoppelt ist. Dadurch können Schleifringe, die oft störanfällig sind, entfallen. In der F i g. 2 werden für Teile, die Teilen der F i g. 1 entsprechen, gleiche Bezugszeichen wie dort verwendet, jedoch unter Voranstellung der Ziffer 2.

Bei der Ausführungsform nach F i g. 2 ist als Visiereinrichtung 222 wieder eine Scheibe 228 vorgesehen, die um ihre Scheibenachse als horizontale Drehachse 230 drehantreibbar ist. Der Licht-Visierpfad besteht auch hier aus einer von der Mantelfläche 234 von der Scheibe 228 ausgehenden, im wesentlichen radialen Bohrung 236, die an ihrem äußeren Ende von einer lichtdurchlässigen Abdeckung 238 abgeschlossen ist. Der Lichtdetektor 240 ist stationär auf dem den künstlichen Horizont verkörpernden Tragkörper 220 aufgebaut, und zwar auf einem damit verbundenen Träger 221. In der Scheibe 228 ist ein zu der horizontalen Drehachse 230 konzentrischer Ausschnitt 241 vorgesehen, in den das innere Ende der Bohrung 238 mündet. Man erkennt ohne weiteres, daß auf diese Weise der Lichtdetektor sehr einfach berührungslos an das innere Ende der Bohrung 236 angekoppelt werden kann; es braucht offensichtlich nur der Lichtdetektor mit (geringem) Abstand vom inneren Ende der Bohrung 236 angeordnet zu werden, wobei man dann nur dafür zu sorgen hat, daß der Lichtdetektor 240 zumindest in demjenigen Drehwinkelbereich der Scheibe 228, in welchem die zu messenden Elevationswinkel liegen, auf das durch die Bohrung 236 fallende Licht ansprechen kann. Da der zu messende Elevationswinkel immer zwischen 0 und 90 Grad liegt, braucht also der Lichtdetektor 240 lediglich auf Signale anzusprechen, die in diesem Winkelbereich liegen. Im allereinfachsten Fall wird als Lichtdetektor 240 ein Fototransistor oder ein ähnlicher fotoelektrischer Wandler verwendet, der auf jedes beliebige Lichtsignal anspricht, das in dem kreisrunden Ausschnitt 241 ankommt. Es wird vielfach auch möglich sein, den Lichtdetektor bogenartig zu gestalten, so daß er beispielsweise eine über einen Bogen von 90 Grad erstreckte Empfangsfläche aufweist. In den meisten Fällen wird es aber einfacher sein, einen handelsüblichen Lichtdetektor, z. B. einen Fototransi-

Hi stör, zu verwenden, der wie üblich eine verhältnismäßig kleine Lichtempfangsfläche aufweist. Die Verwendung derartiger handelsüblicher Lichtdetektoren kann dadurch ermöglicht werden, daß zwischen dem Lichtdetektor und dem inneren Ende der Bohrung ein die

Ii Fmpfangsfläche des Lichtdetektors vergrößernder Lichtleiter angeordnet ist. Lichtleiter werden in der Technik vielfältig verwendet, um Licht von einem Ort zum anderen zu leiten, und zwar auch über gekrümmte Wege. Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 ist ein solcher Lichtleiter in dem schon erwähnten Ausschnitt 241 der Scheibe 228 vor dem inneren Ende der Bohrung 236 in der Scheibe 228 angeordnet. Man erkennt, daß auf diese Weise ein irgendwo in einem verhältnismäßig großen Winkelbereich einfallendes Lichtsignal aufgefangen und an einer einzigen Stelle abgenommen werden kann. Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 ist der Lichtleiter 237 ringförmig und erstreckt sich konzentrisch zu der horizontalen Drehachse 230 über den ganzen Umfang des Ausschnitts 241. Der Lichtleiter 237 liegt zu einer Seite der Scheibe 228 frei und ist dort lichtabgebend ausgebildet, nämlich in Form einer Mattierung 239 in einer schmalen Ringzofie. Der stationäre Lichtdetektor 240 ist mit Abstand vor dem freiliegenden Umfangsbereich des Lichtleiters 237 angeordnet. Der Lichtleiter besteht im einfachsten Fall aus einem Ring aus Glas oder transparenten Kunststoff, wip in Her Technik allgemein iihlich. Im übrigen kann die Scheibe entsprechend der Ausführungsform nach F i g. 1 ausgebildet sein, also insbesondere eine Druchgangsbohrung 250, eine Leuchte 252 und einen zweiten Lichtdetektor 254 zur Bildung eines Referenzsignals aufweisen. Um Störungen durch Fremdlicht zu vermeiden, ist es bei der Ausführungsform nach Fig. 2 zweckmäßig, eine lichtdichte Abdeckung 243 vorzusehen, die sich bis über die Mantelflächen der Scheibe 228 erstreckt und nur einen Schlitz 245 für den Durchtritt von Licht zu der Bohrung 236 freiläßt.

Die Abmessungen können bei der Ausführungsform nach Fig. 2 ähnlich oder gleich denen nach der Fig. 1 sein; insbesondere kann also die radiale Bohrung 236 eine Länge von etwa i0 bis 20 mm und einen Durchmesser von etwa 1 bis 3 mm haben.

F i g. 3 zeigt in ähnlicher Darstellung wie F i g. 2 eine andere Ausführungsform, bei der nicht nur der Lichtdetektor, sondern auch ein zugeordneter Lichtleiter stationär auf dem künstlichen Horizont angeordnet ist Dies führt zu größerer baulicher Einfachheit und ermöglicht ein leichteres Auswechseln des Lichtleiters im Falle von Verschmutzungen.

Für in F i g. 3 dargestellte Teile, die in entsprechender Weise in F i g. 1 oder F i g. 2 vorhanden sind, werden Bezugszeichen verwendet, deren erste Ziffer eine 3 ist und deren beide letzte Ziffern gleich denen der entsprechenden Bezugszeichen der F i g. 1 und 2 sind.

Wie bei den Ausführungsformen nach den Fig. 1 und 2 ist auch bei der Ausführungsform nach Fig.3 als Visiereinrichtung 322 eine Scheibe 328 vorgesehen, die um ihre Scheibenachse als horizontale Drehachse 330

drehantreibbar ist. Der Lichl-Visierpfad besteht ;:ius einer von der Mantelfläche 334 der Scheibe 328 ausgehenden radialen Bohrung 336, die an ihrem äußeren Ende von einer lichtdurchlässigen Abdeckung 338 abgeschlossen ist, und einem vor dem inneren Ende der Bohrung 336 mit geringem Abstand von der Scheibe 328 angeordneten Lichtleiter 337. Dieser Lichtleiter ist sektorförmig und erstreckt sich mit seiner dem inneren Ende der Bohrung 336 benachbarten Fläche über etwas mehr als den vollen Viertelkreis, in welchem der Einfallswinkel der Strahlung 356 gemessen werden soll. Der Lichtleiter ist stationär auf dem den künstlichen Horizont darstellenden Tragkörper 320 autgebaut, und zwar an einer Halterung 32J befestigt, beispielsweise mit Schrauben 323. Diese Halterung 321 dient hier gleichzeitig als Abdeckung gegen Fremdlicht. An dem etwa auf der Achse 330 liegenden inneren Ende des Lichtleiters 337 ist der Lichtdetektor 340 angeordnet. Er empfängt somit jeden Lichteinfall durch die radiale Bohrung 336 innerhalb des Viertelkreises, über den sich der Lichtleiter erstreckt. Der Lichtleiter 337 liegt genügend tief in einer zylindrischen Ausnehmung 341, um gegen Störungen durch Fremdlicht abgeschirmt zu sein. Der Abschirmung gegen Fremdlicht dient ferner, wie schon erwähnt, die Halterung 321. Sie hat am oberen Ende eine abgewinkelte lichtdichte Abdeckung 343, die sich bis über einen nach innen abgesetzten Abschnitt 333 der Mantelfläche 334 der Scheibe 328 erstreckt.

Wie bei den Ausführungsformen nach den F i g. 1 und 2 ist auch bei der Ausführungslorm nach Fig.3 zur Bildung eines Referenzsignals eine Durchgangsbohrung 350 in der Scheibe 328 vorgesehen. Diese Durchgangsbohrung 350 arbeitet mit einer I cuchtc 352 und einem zweiten Lichtdetektor 450 zusammen.

Fig. 4 zeigt in schematischer Darstellung eine Seitenansicht in Blickrichtung des Pfeils IV der Fig. 1 auf die lichtundurchlässige Wand 58, das Vierteilkreisprisma 66 und den länglich ausgebildeten Lichtdetektor 62. Außerdem sind in F i g. 3 auch die Strahlen 56 der anzuvisierenden Lichtquelle angedeutet.

Wie die vorstehende Beschreibung zeigt, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung mit verhältnismäßig einfachen Mitteln kostengünstig hergestellt werden. Der finanzielle Aufwand und der dcmenlsprechende Verkaufspreis kann nur etwa V₂₀ des Aufwandes und des Kaufpreises für eine Einrichtung für Funknavigation betragen. Selbst im Vergleich zu einem normalen Sextanten ergibt sich ein nur unwesentlich höherer Anschaffungspreis; zum Beispiel kann eine erfindungsgemäße Einrichtung einschließlich Steuer- und Anzeigegerät und einschließlich Zeituhr 76 einen derzeitigen (Jahr 1976) Verkaufspreis von etwa DM 2000,- haben. Im Vergleich dazu kostet zur Zeit (1976) eine Einrichtung zur Funknavigation etwa DM 30 000,— und ein üblicher Sextant etwa DM 1603,—_

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (20)

26 38 63Ö Patentansprüche:

1. Navigationsgerät zum Anvisieren einer Lichtquelle, insbesondere der Sonne, mit einer um eine horizontale Drehachse motorisch drehantreibbarcn -, Visiereinrichtung, die einen im wesentlichen radial zu der horizontalen Drehachse verlaufenden und an einen Lichtdetektor angekoppelten Licht-Visierpfad definiert, so daß bei Ausrichtung des Visierpfades auf die Lichtquelle der Lichtdetektor ein Visiersignal erzeugt, und einer Winkelmeßeinrichtung zur Bestimmung der bei Auftreten des Visiersignals vorliegenden Elevationswinkel-Drehstellung der Visiereinrichtung relativ zu einer auf einen künstlichen Horizont bezogenen Referenz-Drehstellung, dadurch gekennzeichnet, daß die Visiereinrichtung (22; 322) mit konstanter Drehzahl um die horizontale Drehachse (30; 230; 330) in Rotation versetzbar ist, daß eine Referenzeinrichtung (50, 52, 54; 250,252,254; 350,352,354) vorgesehen ist, die in der Referenz-Drehstellung ein Referenzsignal erzeugt, und daß die Winkelmeßeinrichtung zur selbsttätigen Bildung eines Elevationswinkelsignals aus dem Zeitabstand zwischen Referenz- und Visiersignal eingerichtet ist.

2. Navigationsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelmeßeinrichtung einen vorzugsweise quarzgesteuerten Impulsgenerator (70), dessen Impulsfolgefrequenz groß gegen die Drehzahl der Visiereinrichtung (22) ist, einen Impulszähler (72), der von dem Referenzsignal eingeschaltet und von dem Visiersignal ausgeschaltet wird, und eine Anzeigeeinrichtung (74), die die Impulszahl als Größe des Elcvaiionswinkels anzeigt, aufweist.

3. Navigationsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsfolgefrequcnz des Impulsgeneraiors (70) die Drehzahl der Visiereinrichtung (22) bestimmt.

4. Navigationsgerät nach ei;iem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine Zeituhr (76) vorgesehen ist.

5. Navigationsgerät nach Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeiluhr (76) von dem Impulsgenerator (70) gcslcLiert ist.

b. Navigationsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Drehantrieb für die Visiereinrichtung (22) ein regelbarer Gleichstrommotor (32) vorgesehen ist.

7. Navigationsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mittelwertanzeiger (78) vorgesehen ist, der in vorgegebenen Zeitabständen, z. B. alle 20 Sekunden, den Mittelwert einer vorgegebenen Anzahl, z. B. 1000, von vorausgegangenen Meßwerten des Elevationswinkels bildet und .mzeigt.

8. Navigationsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl der Visiereinrichtung (22) etwa 3000 pro Minute beträgt. ho

9. Navigationsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelmeßeinrichtung eine Signalverarbcilungseinrichtung (80) aufweist, die das Visiersignal zeitlich verkürzt. t>:'>

10. Navigationsgeriit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungsschal-

(80) eine Differenziersuifc aufweist, die auf die Anstiegs- oder/und Absiiegsllanke des Visiersignals anspricht.

11. Navigationsgerät nach Anspruch lü. dadurch gekennzeichnet, daß die Differenzierstufe den zweiten Differentialquotienten nach der Zeit bildet und auf die Wendepunkte der Anstiegs- und/oder Abstiegsflanke des Visiersignals anspricht.

12. Navigationsgerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungsschaltung (80) eine Integrierstufe und eine nachgeschaltete Differenzierstufe zum Bilden des zweiten Differentialquotienten nach der Zeil aufweist.

13. Navigaiionsgerät nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungsschaltung (80) auf verschiedene Betriebsweisen wie Vorderflanke (V), Hinterflanke (H). Vorderflanken-Wendepunkt (VW), Hinterflanken-Wendepunkt (HW)oder Mitte (M)des Visiersignals einstellbar ist.

14. Navigationsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzeinrichtung eine mit der Visiereinrichtung (22) drehbare Markierung und eine darauf ansprechende, stationär auf dem künstlichen Horizont angeordnete Fühleinrichtung aufweist.

15. Navigationsgerät nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß als Markierung eine zur horizontalen Drehachse (32) parallele Durchgangsbohrung (50) in der Visiereinrichtung (22; 222; 322) vorgesehen ist und daß die Kühleinrichtung eine vor dem einen Ende der Durchgangsbohrung angeordnete Leuchte (52) und einen auf der anderen Seite der Durchgangsbohrung angeordneten zweiten Lichtdetektor (54) aufweist.

16. Navigationsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Licht-Visicrpfad der rotierenden Visiereinrichtung berührungslos an einen stationär zur Visiereinrichtung angeordneten Lichtdetektor (240; 340) angekoppelt ist.

17. Navigationsgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem die Visiereinrichtung tragenden, den künstlichen Horizont verkörpernden Tragkörper, vorzugsweise in Form einer Platte, dadurch gekennzeichnet, daß der Tragkörper (20) in einem Grundgestellt (2) kardanisch aufgehängt ist.

18. Navigationsgerät nach Anspruch Γ/, bei dem der Tragkörper (20) um eine vertikale Achse drehbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Tragkörper (20) eine auf die anzuvisierende Lichtquelle (56) ansprechende Azimut-Steuereinrichtung (24) vorgesehen ist, und daß zur Drehung des Tragkörpers (20) um die vertikale Achse ein Vertikal-Antriebsmotor (14) vorgesehen ist, der von der Azimut-Steuereinrichtung (24) derart steuerbar ist, daß die horizontale Drehachse (30) der Visiereinrichtung (22) normal zur Einstrahlungsrichtung der anzuvisierenden Lichtquelle (56) liegt.

19. Navigationsgerät nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Azimut-Steuereinrichtung (24) eine lichlundurchlässige vertikale Wand (58), je einen beiderseits davon angeordneten Lichtdetektor (60, 62) und eine Steuerschaltung (68) aufweist, die den Vertikal-Antriebsmotor (14) auf eine Position des Tragkörpers (20) einregelt, bei der die Signale der beiden Lichtdetektoren (60,62) gleich sind.

20. Navigaiionsgerät nach Anspruch l^ci, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtdetektoren (60,62) der

Azimui-Steuereinrichtung (24) hinter Viertelkreis-Prismen (64,66) angeordnet sind.

Die Erfindung betrifft ein Navigationsgerät /.um Anvisieren einer Lichtquelle, insbesondere der Sonne, mit einer um eine horizontale Drehachse motorisch drehantreibbaren Visiereinrichtung, die einen im wesentlichen radial zu der horizontalen Drehachse verlaufenden und an einen Lichtdetektor angekoppelten Licht-Visierpfad definiert, so daß bei Ausrichtung des Visierpfades auf die Lichtquelle der Lichtdetektor ein Visiersignal erzeugt, und einer Winkelmeßeinrichtung zur Bestimmung der bei Auftreten des Visiersignals vorliegenden Eievationswinkel-Drehstellung der Visiereinrichtung relativ zu einer auf einen künstlichen Horizont bezogenen Referenz-Drehstellung.

Bei einer bekannten Einrichtung der angegebenen Art (US-PS 30 63 332) ist die Drehstellung der Visiereinrichtung nur unter gleichzeitiger Veränderung des Seitenwinkels verstellbar, und die Winkelmeßeinrichtung enthält zwei Winkel-Anzeigegeräte, von denen das eine den Seitenwinkel in bezug auf eine feste geographische Linie und das andere eine aus dem Seitenwinkel und der Drohstellung der Visierehrichtung kombinierte Anzeige liefert. Wegen der zwangsläufigen Koppelung der Drehstellung der Visiereinrichtung und des Seitcnwinkels (Azimuts) des Visier-Lichtpfades kann die bekannte Vorrichtung nicht in einfache. Weise zum Anvisieren einer Lichtquelle verwendet werden, insbesondere ist es damit nicht möglich, bei festgehaltener Seitenwinkel-Einstcllung die Drchstellung der Visiereinrichtung zu verändern und genau auf die Flcviiiion der anzuvisierenden Lichtquelle einzustellen. Demgemäß wird beim Gebrauch der bekannten Vorrichtung die Drehstellung der Visiereinrichtung willkürlich auf einen etwa der gesuchten Elevation entsprechenden Wert eingestellt, und es wird dann bei festgehaltener Drehstellung der Visiereinrichtung das Navigationsgerät um eine vertikale Achse gedreht, bis der Lichtdetektor ein maximales Signal anzeigt. Es wird dann die Seitenwinkel-Drehstellung an dem dafür vorgesehenen Anzeigegerät angezeigt. Eine genaue Ausrichtung der Visiereinrichtung auch der Höhe nach ist nur durch Ausprobieren möglich, und die Ermittlung der vorliegenden Elevationswinkel-Drchstellung erfordert eine Berechnung, in die die Anzeigewerte beider Anzeigegeräte eingehen.

Das Anvisieren von Lichtquellen mittels eines Licht-Visierpfades, der zu einem Lichtdetektor führt, ist auch bei einer anderen Visiereinrichtung (DEOS 15 48 512) bekannt. Dabei ist aber die Visiereinrichtung nicht motorisch drehantreibbar. Man hat dann zwar den Vorteil, daß die Messung von subjektiven Einflüssen und Fehlern weitgehend befreit ist, doch ist immer noch eine gewisse Geschicklichkeit bei der Bedienung erforderlich, um die Sonne oder eine andere Lichtquelle rasch und richtig anzuvisieren. Bei kleinen Schiffseinheiten ist es oft aus Mangel an Hilfskräften nicht möglich, derartige Arbeiten auszuführen, insbesondere auch bei schlechtem Wetter und bei Besatzungen, die nur aus wenigen Personen oder gar nur aus einer Person bestehen.

Hei verhältnismäßig kleinen Schiffseinheiten, beispielsweise Privatyachten oder Segelbooten, kann für Navigationseiiiriehtungcn nur ein begrenzter Aufwand getrieben werden. So sind beispielsweise die üblichen Einrichtungen zur Funknavigation mit Anpeilung von Satelliten oder Erdstationen in sehr vielen Fällen zu aufwendig und zu kostspielig, und man war dann bisher auf verhältnismäßig einfache Geräte angewiesen, insbesondere Sextanten üblicher Bauart, die entweder keine zufriedenstellende Genauigkeit haben und/oder besondere Geschicklichkeit beim Bedienen erfordern.

Die vorliegende Erfindung geht von der Aufgabe aus. ίο ein Navigationsgerät zu schaffen, das ohne Bedienungsaufwand arbeitet und doch so einfach aufgebaut ist, d;-.ß es auch für kleine Schiffseinheiten in Frage kommt.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst mit einem Navigationsgerät der eingangs angegebenen Art, is das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Visiereinrichtung mit konstanter Drehzahl um die horizontale Drehachse in Rotation versetzbar ist, daß eine Referenzeinrichtung vorgesehen ist, die in der Referenz-Drehstellung ein Referenzsignal erzeugt, und daß »ο die Winkelmeßeinrichtung zur selbsttätigen Bildung eines Elevationswinketsignals aus dem Zeilabsland zwischen Referenz- und Visiersignal eingerichtet ist.

Das erfindungsgemäße Navigationsgerät erfordert bei der Bestimmung der Elevation keinerlei Bedienungsarbeit mehr und kann sehr einfach aufgebaut sein, da sowohl der Drehantrieb für die Visiereinrichtung als auch die Einrichtungen zum Erzeugen und Verarbeiten der Signale beim heutigen Stand der Technik ersichtlich einfach und kostengünstig gestaltet werden können, jo Diese Vorteile des erlindungsgemäßen Navigationsgeräts beruhen im wesentlichen auf dem an sich bekannten Abtastprinzip: Durch die Rotation der Visiereinrichtung wird der mögliche Bereich von F.levationswinkeln periodisch durchfahren, und der Zeitpunkt, zu welchem υ das Auftreten des Visiersignals die genaue Ausrichtung auf die anzuvisierende Lichtquelle anzeigt, wird in eine Winkel-Anzeige umgesetzt.

Der Lichtdetektor kann berührungslos an den

Lichtvisierpfad angekoppelt sein, so daß er stationär zur rotierenden Visiereinrichtung angeordnet werden kann und Störungen durch Schleifkontakte oder dergleichen nicht zu befürchten sind.

Die Winkelmeßeinrichtung enthält zweckmäßigerweise einen Impulsgenerator, dessen impulsfolgefre quenz groß gegen die Drehzahl der Visiereinrichtung ist, einen Impulszähler, der von dem Referenzsignal eingeschaltet und von dem Visiersignal ausgeschaltet wird, und eine Anzeigeeinrichtung, die die Impiilszahl als Größe des Elevationswinkels anzeigt. Man kann so in sehr einfacher Weise direkt z:u einer digitalen Anzeige des Elevationswinkels kommen. Die Bezugnahme auf die Drehzahl der Visiereinrichtung erfolgt dabei am einfachsten so, daß die Impulsfolgefrequenz des Impulsgenerators die Drehzahl der Visiereinrichtung bestimmt.

Es ist zweckmäßig, in der erfindungsgemäßen Navigationseinrichtung zusätzlich eine Zeituhr vorzusehen, um eine weitere für die Navigation wichtige Größe mit anzuzeigen. Der Aufbau wird besonders einfach. μ wenn eine von dem Impulsgenerator gesteuerte Zeituhr verwendet wird. Es versteht sich, daß es vorteilhaft ist, wenn der Impulsgenerator quarzgesteuert ist, weil dies in bekannter Weise es ermöglicht, die Fehler infolge Abwe^;'"hung von der tatsächlichen Zeit stark /u b5 verringern.

Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemiißen Navigationsgeräts besteht darin, daß die periodisch von der Visiereinrichtung angelieferten Signale leichi mit