DE2659094C3

DE2659094C3 -

Info

Publication number: DE2659094C3
Application number: DE2659094A
Authority: DE
Inventors: Uwe Dipl.-Phys. 7770 Ueberlingen De Krogmann
Original assignee: Bodenseewerk Geratetechnik GmbH
Current assignee: Bodenseewerk Geratetechnik GmbH
Priority date: 1976-12-27
Filing date: 1976-12-27
Publication date: 1989-09-21
Also published as: GB1558034A; FR2375579A2; DE2659094B2; DE2659094A1; FR2375579B2; US4114437A

Description

Die Erfindung betrifft ein Navigationsgerät zur Navigation von Landfahrzeugen in einem Gitterkoordinatensystem nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Ein solches Navigationsgerät ist bekannt durch eine Firmendruckschrift der Firma Teldix "Beschreibung und Bedienungsanleitung der FAHRZEUG-NAVIGATIONSANLAGE FNA 4-15". Das darin beschriebene Navigationsgerät enthält ein Kursreferenzsystem mit einem nordsuchenden Kreiselgerät und einem während der Fahrt als Kursreferenz dienenden freien Kreisel.

Das nordsuchende Kreiselgerät weist ein fahrzeugfest montiertes Gestell auf, an dem über ein Kardangelenk ein Pendelkörper aufgehängt ist. Der Pendelkörper wird durch die Wirkung der Schwerkraft in das Lot gebracht und anschließend gegen eine Kugelkalotte arretiert, die zum fahrzeugfesten Gestell gehört. An dem Pendelkörper sitzt ein gasgelagerter Wendekreisel. Der Wendekreisel enthält einen um eine vertikale Achse drehbar gelagerten Rahmen. In diesem Rahmen ist der Kreiselmotor mit horizontaler Umlaufachse gelagert. Der Wendekreisel spricht auf die zur Umlaufachse senkrechte Komponente der Horizontalkomponente der Erddrehgeschwindigkeit an. Infolge dieser Komponente wird der Kreiselmotor und der Rahmen um die besagte vertikale Achse ausgelenkt. Diese Auslenkung wird durch einen Abgriff abgegriffen. Das Signal dieses Abgriffs wird verstärkt und beaufschlagt einen Stellmotor, welcher das Kardangelenk verdreht und damit den Pendelkörper solange verdreht, bis die Achse des Kreiselmotors in die geographische Nordrichtung weist. In dieser Stellung verschwindet die zur Umlaufachse des Kreiselmotors senkrechte Komponente der Horizontalkomponente der Erddrehgeschwindigkeit.

Der "freie Kreisel" enthält einen Kreiselmotor, der mit waagerechter Umlaufachse an einem inneren Kardanrahmen befestigt ist. Der innere Kardanrahmen ist in einem äußeren Kardanrahmen um eine zur Umlaufachse senkrechte Achse schwenkbar gelagert. Der äußere Kardanrahmen ist wiederum um eine Azimutachse in einem fahrzeugfest montierten Teil gelagert. Ein Regelkreis mit einer an dem inneren Kardanrahmen angebrachten Elektrolyt-Libelle als Sensor und einem um die Azimutachse wirksamen Drehmomenterzeuger hält die Umlaufachse des Kreiselmotors horizontal.

Die Signale des nordsuchenden Kreiselgeräts und des freien Kreisels sind über einen A/D-Wandler auf eine Einheit für die Kursberechnung aufschaltbar. In diese Einheit können über ein Bediengerät die "Konvergenz", also der Winkel zwischen Gitternord und geographisch Nord, und die von der geographischen Breite abhängige Drift des freien Kreisels infolge der Erddrehung eingegeben werden. Diese Konvergenz und Drift werden bei der Berechnung des Gitterkurswinkels berücksichtigt.

Die Geschwindigkeit wird nach dem so bestimmten Gitterkurswinkel in Komponenten zerlegt, aus denen durch Integration die Gitterkoordinaten gewonnen werden.

Das bekannte Navigationsgerät benutzt in dem nordsuchenden Kreiselgerät einen Wendekreisel, der mit horizontaler Umlaufachse fahrzeugfest und damit erdfest arretiert wird. Ein solcher Wendekreisel spricht auf Drehgeschwindigkeiten an. Er erfaßt daher nicht nur die relativ geringe Drehgeschwindigkeit der Erde sondern wird auch von allen Drehschwingungen des Trägerfahrzeugs sehr stark beeinflußt.

Die Eindrehung der Umlaufachse des Wendekreisels in die Nordrichtung ist konstruktiv aufwendig und zeitraubend. Durch diese Eindrehung wird außerdem die Messung gestört.

Die durch die Erddrehgeschwindigkeit hervorgerufene Drift wird zur Kompensation von Hand eingegeben. Da sie von der geographischen Breite abhängt, kann sie sich im Verlaufe der Mission ändern.

Meßfehler von Kurs und Geschwindigkeit können sich zu nicht unerheblichen Positionsfehlern aufintegrieren.

Durch die DE-OS 20 08 702 ist ein nordsuchendes Kreiselpendel bekannt, bei welchem ein Kreisel mit horizontaler Drallachse an einem Band aufgehängt ist. Ein photoelektrischer Abgriff spricht auf eine Auslenkung des Kreisels aus einer Nullage an. Das Signal des Abgriffs ist hochverstärkt auf einen um die Bandachse wirkenden Drehmomenterzeuger geschaltet. Dadurch wird das infolge der Erddrehung auf den Kreisel wirkende Richtmoment, das die Drallachse des Kreisels nach Nord auszurichten trachtet, durch ein Gegenmoment kompensiert. Der Strom, der dabei durch den Drehmomenterzeuger fließt, ist proportional dem Richtmoment. Dieses wiederum hängt außer von der Nordabweichung, d. h. dem Winkel zwischen der so elektrisch gefesselten Drallachse und der Nordrichtung, auch von dem Kosinus der geographischen Breite ab. Aus dem Strom durch den Drehmomenterzeuger, der in ein geeignetes Ausgangssignal, z. B. den Spannungsabfall an einem mit dem Drehmomenterzeuger in Reihe liegenden Meßwiderstand, umsetzbar ist, kann die Nordabweichung und damit die Nordrichtung bestimmt werden, ohne daß der Kreisel selbst dazu mit seiner Drallachse in die Nordrichtung einschwingen müßte. Die Nordrichtung wird damit sehr schnell erhalten. Voraussetzung ist allerdings die Kenntnis der geographischen Breite.

Die DE-OS 20 08 702 bezieht sich auf die Bestimmung der geographischen Nordrichtung mittels eines stationären Meridiankreisels, nicht auf die Bestimmung der Position eines Fahrzeugs aus Kurs und Geschwindigkeit.

Durch die US-PS 21 63 746 ist ein Gerät zur Markierung der Position eines Fahrzeuges auf einer Karte bekannt, bei welchem die Position aus dem mittels eines Kompasses gemessenen Kurs und der gemessenen Geschwindigkeit bestimmt wird. Es wird dabei angenommen, daß das Fahrzeug ein See oder Luftfahrzeug ist, sich also in einem Medium bewegt, das seinerseits gegenüber der Erdoberfläche beweglich ist. Zu der gemessenen Geschwindigkeit muß daher die Geschwindigkeit des Wassers bzw. der Luft addiert werden.

Zu diesem Zweck sieht die US-PS 21 63 746 ein mechanisches Getriebe vor, das mittels einer der Strömungsgeschwindigkeit des umgebenden Mediums ausgesetzten Venturidüse und einer damit verbundenen Turbine angetrieben wird. Über Nockenscheiben, die von einem Kompaß verdrehbar sind, und Reibradgetriebe werden Rollen, auf die eine Karte aufgewickelt ist, mit einer der einen Komponente der Fahrzeuggeschwindigkeit proportionalen Stellgeschwindigkeit angetrieben und wird eine quer zur Bewegungsrichtung der Karte bewegliche Marke mit einer der anderen Komponente der Fahrzeuggeschwindigkeit proportionalen Stellgeschwindigkeit bewegt. Bei Erreichen einer bekannten Position, z. B. beim Überfliegen eines charakteristischen Orientierungspunktes erfolgt eine manuelle Verstellung der Marke, um die Marke mit diesem Orientierungspunkt auf der Karte in Übereinstimmung zu bringen. Dabei werden über komplizierte mechanische Getriebe in Abhängigkeit von der inzwischen verstrichenen Zeit Zusatzstellgeschwindigkeiten erzeugt, die den Komponenten derjenigen Wasser- oder Luftgeschwindigkeit proportional sind, welche innerhalb der verstrichenen Zeit den gerade korrigierten Versatz zwischen Marke und Orientierungspunkt hervorrufen.

Auch in dem Aufsatz von Brendes "Die Technik eines modernen elektromechanischen Flugnavigationsrechners" in "Feinwerktechnik" 68 (1964), 39-44 wird beschrieben, daß der Pilot beim Überfliegen von Orientierungspunkten eine Standortkorrektur durchführt und die Standortkorrektur beim Überfliegen eines Orientierungspunktes benutzt, um die manuell eingestellten Windwerte automatisch zu korrigieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Genauigkeit der Positionsanzeige bei Navigationsgeräten der vorliegenden Art zu verbessern.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs angegebenen Maßnahmen gelöst.

Nach der Erfindung dient als nordsuchendes Kreiselgerät ein bandaufgehängter Kreisel. Ein solcher ist wesentlich unempfindlicher gegen störende Drehschwingungen als ein fahrzeugfest arretierter Wendekreisel, wie er bei dem bekannten Navigationsgerät nach der oben diskutierten Teldix-Druckschrift benutzt wird. Das Einschwingen eines solchen bandaufgehängten Kreisels in die Nordrichtung ist jedoch sehr langwierig und erfolgt weitgehend ungedämpft. Es erfolgt daher nach Art der DE-OS 20 08 702 eine Kompensation des auf den Kreisel wirkenden Kreiselrichtmomentes durch ein Gegenmoment, das von einem Drehmomenterzeuger ausgeübt wird. Das Kreiselrichtmoment und damit das Gegenmoment sind jedoch außer von dem Azimutwinkel der Kreiseldrallachse noch von der geographischen Breite abhängig. Da der Kreisel nicht in die Nordrichtung einläuft sondern nur ein die Abweichung von Nord darstellendes Signal erzeugt wird, muß die geographische Breite, wie auch in der DE-OS 20 08 702 dargestellt, durch den Faktor 1/cos ϕ berücksichtigt werden. Das spielt bei den üblichen Anwendungen des Meridiankreisels, nämlich zur Bestimmung der Nordrichtung an einer bestimmten Stelle, keine Rolle. Man weiß dort, wo man ist und kann die bekannte geographische Breite berücksichtigen. Mit einem Navigationsgerät soll aber die Position gerade bestimmt werden.

Die Erfindung benutzt nun einen solchen bandaufgehängten Kreisel mit Kompensation des Kreiselrichtmoments. Dafür wird aus den Gitterkoordinaten, die das Navigationsgerät bestimmungsgemäß liefert, die geographische Breite berechnet. Das tut das Navigationsgerät nach der erwähnten Teldix-Druckschrift nicht. Aus dieser so vom Navigationsgerät gelieferten geographischen Breite wird der Faktor 1/cos gewonnen, der es gestattet, aus dem Kreiselrichtmoment auf die Nordrichtung zu schließen.

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 seiner Winkelgeschwindigkeit

Darin ist

ω _E = Erddrehgeschwindigkeit,
ϕ = geographische Breite,
R = Erdradius,
V _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 (1) 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 (1) 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-West- bzw. Nord-Süd-Richtung zusammenfallen. Wenn man sich die Erdkugel einmal stillstehend vorstellt, dann würde eine Bewegung des Landfahrzeugs mit dem freien 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 freien Kreisels eine feste Gitterreferenzrichtung vorzugeben, nur erforderlich, den Einfluß der Erddrehung auf die Drallachse des freien Kreisels zu kompensieren oder zu berücksichtigen.

Das bei der Erfindung auf den freien Kreisel als Drehmoment aufgeschaltete oder rechnerisch berücksichtigte Korrektursignal kompensiert daher nur die durch die Erddrehung bedingte Auswanderung der Drallachse. Wenn also z. B. zum Zeitpunkt der Ausrichtung des freien Kreisels nach dem nordsuchenden Kreisel geographisch Nord und Gitternord zusammenfielen, dann bleibt der freie Kreisel nach Gitternord ausgerichtet, auch wenn sich das Fahrzeug von seinem Ausgangspunkt erheblich nach Ost oder West bewegt hat und daher Gitternord und geographisch Nord voneinander abweichen. Das erleichtert die Zerlegung der Geschwindigkeit in die auf das Gitterkoordinatensystem bezogenen Komponenten.

Aus der berechneten geographischen Breite wird das Korrektursignal für den freien Kreisel gebildet. Die systematische Drift des freien Kreisels wird somit automatisch kompensiert und nicht wie bei dem Navigationsgerät nach der Teldix-Druckschrift aufgrund einer manuellen Eingabe.

Es wird somit die geographische Breite aus den Gitterkoordinaten berechnet, während andererseits die geographische Breite in die Bestimmung der Gitterkoordinaten eingeht, so daß ein geschlossener Kreis entsteht. Die Erfindung gestattet eine schnelle und genaue Positionsbestimmung, auch wenn sich die Position des Fahrzeugs hinsichtlich ihrer geographischen Länge oder Breite gegenüber einem bekannten Ausgangspunkt merklich ändert.

Das Signal des Geschwindigkeitsgebers wird im Rechner mit dem Sinus bzw. Kosinus des jeweiligen Gitterkurswinkels multipliziert und über der Zeit integriert, um die Koordinaten des Fahrzeugs in dem Gitterkoordinatensystem zu gewinnen. Durch einen Fehler Δ K _v des Skalenfaktors des Geschwindigkeitsgebers kann ein Wegfehler Δ S auftreten. Der Fehler Δ K _v des Skalenfaktors bringt einen Geschwindigkeitsfehler

Δ V = Δ K _v · V _gem,

wobei V _gem die vom Geschwindigkeitsgeber gemessene Geschwindigkeit des Fahrzeugs ist. Durch Integration ergibt sich dabei ein Wegefehler

Δ S = ∫Δ V dt = Δ K _v · ∫ V _gem dt

Δ S = Δ K _v · S _gem.

Es sind auch elektro-mechanische Weggeber bekannt, die entweder direkt mit den Antriebsrädern gekoppelt sind oder über eine Welle an das Fahrzeuggetriebe angeschlossen werden. Ein solcher elektromechanischer Weggeber mißt somit die Zahl der Umdrehung der Antriebsräder bzw. Montagewelle und leitet daraus eine Information über den zugelegten Weg ab. Das Geschwindigkeitssignal ist dann praktisch eine Impulsfrequenz, wobei jeder Puls einer Wegänderung entspricht. Durch Schlupf der Räder bzw. Antriebsketten des Fahrzeugs gegenüber dem befahrenen Untergrund entspricht die von dem Weggeber gelieferte Information nicht genau dem tatsächlichen über Grund zurückgelegten Weg. Der Zusammenhang zwischen Weggeberinformation und zurückgelegtem Weg ist dabei nicht feststehend und eineichbar, sondern hängt z. B. von der Natur des Untergrundes, der Geländeart und den Witterungsverhältnissen ab. Auch dies kann zu einem Fehler der die Position des Fahrzeugs angegebenen Ausgangssignale des Rechners führen.

Es ergibt sich eine formell der obigen Gleichung identische Gleichung für den Wegfehler.

Eine weitere Fehlerquelle liegt in einem Kursfehler Δ α _K, mit welchen das von dem Kursreferenzgerät gelieferte Gitterkurswinkelsignal α _K behaftet ist. Auch ein solcher Kursfehler kann zu erheblichen Navigationsfehlern führen.

Bei einem nach der Erfindung ausgebildeten Navigationsgerät können bei Erreichen eines bekannten geodätischen Punktes dessen Koordinaten in den Rechner eingegeben werden. Diese Koordinaten werden mit den vom Rechner aus Kurs und Geschwindigkeit berechneten Koordinaten verglichen. Aufgrund des Unterschiedes zwischen wahrem Ort und berechnetem Ort führt der Rechner folgende Operationen durch:

1. Er korrigiert die Ausgangssignale, so daß die Anzeige mit den Koordinaten des wahren Ortes, nämlich des besagten geodätischen Punktes, in Übereinstimmung gebracht wird.
2. Er korrigiert das Gitterkurswinkelsignal und den am Bewegungssignal S _gem, z. B. zur Berücksichtigung des Schlupfes, anzubringenden Korrekturfaktor W _A für die zukünftige Positionsberechnung.

Nachdem also das Fahrzeug von einem Startpunkt zu einem geodätischen Punkt gefahren ist und dort die vorerwähnten Korrekturen im Rechner angebracht worden sind, erfolgt die weitere Anzeige der Koordinaten im Gitterkoordinatensystem mit erheblich verbesserter Genauigkeit. Wesentlich ist dabei, daß die Koordinatenfehler Δ x und Δ y, wie sich zeigen läßt, nur von den Koordinatendifferenzen des - bekannten - Startpunktes und des besagten bekannten geodätischen Punktes abhängen und nicht von der Bahn, längs welcher das Fahrzeug von dem einen zum anderen gelangt ist.

"Geodätischer Punkt" kann dabei jeder markante Geländepunkt sein, dessen Koordinaten sehr genau bekannt sind. "Startpunkt" kann der Ausgangspunkt der Mission oder aber der geodätische Punkt sein, in welchem die vorhergehende Korrektur im Rechner vorgenommen wurde. Im ersten "Startpunkt" kann der am gemessenen Weg anzubringende Korrekturfaktor W _A unter Berücksichtigung der Gelände- und Witterungsverhältnisse nach Erfahrungswerten in den Rechner eingegeben werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert:

Fig. 1 veranschaulicht die verschiedenen Winkel und Richtungen.

Fig. 2 ist ein Blockschaltbild eines Navigationsgerätes.

Fig. 3 zeigt einen Teil des Gitternetzes und veranschaulicht den Grundgedanken der Korrektur der Anzeige und des Gitterkurswinkels und Korrekturfaktors.

Fig. 4 zeigt als Blockschaltbild den Aufbau des Rechners für die Korrektur von Gitterkurswinkel und Korrekturfaktor.

Fig. 5 zeigt den zeitlichen Verlauf von Positions- und Kursfehler und veranschaulicht die mit dem beschriebenen Navigationsgerät erzielbare Wirkung.

Mit Φ ist in Fig. 1 die Längsachse eines Landfahrzeugs bezeichnet. Diese Längsachse Φ schließt mit der geographischen Nordrichtung einen Winkel α _FG mit der "Gitter-Nord"-Richtung den Gitterkurswinkel α _FN ein. Gitter-Nord und "geographisch Nord" schließen einen Winkel α _GK, den Gitterkonvergenzwinkel, ein. Außerdem sind die Winkel α _K als Winkel zwischen der Längsachse und der Bezugsachse (H) des Kreiselreferenzgerätes 40 sowie der Winkel α _MK zwischen der geographischen Nordrichtung und der Bezugsachse (H) angegeben.

In Fig. 2 liefert ein Geschwindigkeitsgeber 10 ein Signal proportional zu der Fahrzeuggeschwindigkeit V in Richtung der Fahrzeuglängsachse Φ. Dieses Signal wird, vorzugsweise in digitaler Form, einem Rechner 12 zugeführt. Dem Rechner 12 wird ferner von einem Kreiselreferenzgerät 40 ein Signal α _K zugeführt, welches die Winkellage eines freien Kreisels 16 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 _ZG = ω _E sin ϕ (2)

mittels eines Drehmomenterzeugers 18 ständig hinsichtlich der Erddrehung kompensiert wird. In den Rechner 12 werden ferner von einem Anzeige- und Bediengerät 20 vor Beginn des Einsatzes E _A, N _A und α _GK (0) eingegeben, d. h. die Anfangsposition in Gitterkoordinaten E _A und N _A sowie der dort gegebene Gitterkonvergenzwinkel α _GK (0) (Fig. 1).

Vor Beginn des Einsatzes wird die geographische Nordrichtung in an sich bekannter Weise mittels eines nordsuchenden Kreiselgerätes 22 in Form eines Meridiankreisels bestimmt. Der Meridiankreisel enthält einen an einem Band 24 aufgehängten Kreisel 26, der auf ein Kreiselrichtmoment wirkt, 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 34 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 Gegenmiment kompensiert, so daß der Kreisel 26 an seine Bandnullage gefesselt ist. Der auf diese Weise dem Kreiselrichtmoment proportionale Strom durch den Drehmomenterzeuger 34 erzeugt einen entsprechenden Spannungsabfall an einem mit der Wicklung des Drehmomenterzeugers 34 in Reihe liegenden Widerstand 36. Das so erhaltene Signal wird, multipliziert mit einem vom Rechner 12 erhaltenes 1/cos ϕ-Signal in einem Speichergerät 38 abgespeichert, das so den Winkel zwischen Bandnullage (Bezugsachse) und geographischer Nordrichtung liefert. Danach wird der freie Kreisel 16 ausgerichtet. Diese ganze Anordnung bildet das Kreiselreferenzgerät 40.

Aus α _K (t) vom Kreiselreferenzgerät 40 und dem eingegebenen α _GK (0) wird vom Rechner 12 α _FN (t) nach der Beziehung

α _FN (t) = α _K (t)-α _GK(0) (3)

gebildet. In einer Variante der Ausführungsform wird der Kreisel 16 nicht nach diesem Winkel (α _MK) im Speicher 38 ausgerichtet, sondern das Winkelsignal außer dem Winkel α _K zum Rechner übertragen, und daraus gemäß

α _FN (t) = α _MK + α _K (t)-α _GK(0) (3a)

der Gitternordwinkel berechnet. Aus der Geschwindigkeit V(t) und α _FN (t) ergeben sich die Geschwindigkeitskomponenten im Gitterkoordinatensystem.

V _N (t) = V(t) cos α _FN (t) (4)

V _E (t) = V(t) sin α _FN (t) (5)

Diese Werte werden vom Rechner 12 unter Berücksichtigung der eingegebenen Anfangswerte E _A und N _A zur Bestimmung der Position des Landfahrzeugs im Gitterkoordinatensystem zeitlich integriert. Die so erhaltenen Signale N _F und E _F werden dem Anzeige- und Bediengerät 20 zugeführt:

Aus den so erhaltenen Gitterkoordinaten N _F und E _F ermittelt der Rechner die geographische Breite ϕ (t) bei Verwendung des sog. UTM-Gitters nach folgender Beziehung:

ϕ₁[rad] = -1,0439-10^-16 · N _F²[m²] + 1,581313 · 10^-7 N _F[m] (8a)

b = 3,05241 · 10^-4 ϕ₁²[rad²]-1,18979 · 10^-4 ϕ₁[rad] (8b)

N₂[m] = 10^-3 b(E _F[m]-500 · 0 · 10³)² (8c)

N₁[m] = N _F[m]-N₂[m] (8d)

ϕ[rad] = -1,0439 · 10^-16 N₁²[m²] + 1,581313 · 10^-7 N₁[m]. (8e)

Die verschiedenen Faktoren haben dabei die erforderlichen Dimensionen m^-2 bzw. m^-1.

Aus dem so gewonnenen ϕ bildet der Rechner 12 die Größen ω _ZG gemäß Gleichung (2) und 1/cos ϕ. Durch das ω _ZG-Signal wird der Einfluß der Erddrehung auf den freien Kreisel 16 mittels des Drehmomenterzeugers 18 kompensiert. Das 1/cos ϕ-Signal kompensiert den Einfluß der geographischen Breite auf das Kreiselrichtmoment des Meridiankreisels, während des Nordungsvorganges.

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 18 den freien Kreisel 16 nachzuführen, kann statt dessen auch die Auswanderung des Kreisels im Rechner 12 selbst berücksichtigt werden. Es wird dann statt Gleichung (3):

Dadurch können Nachführfehler ausgeschlossen werden. Mit dem so gewonnenen α _FN (t) werden die Gitterkoordinaten N _F und E _F nach Gleichung (6) und (7) im Rechner gebildet.

In Fig. 3 ist mit A der Startpunkt und mit EGP ein geodätischer Punkt bezeichnet. Die bekannten Koordinaten des Startpunktes A sind x _A und y _A. Die ebenfalls genau bekannten Koordinaten des geodätischen Punktes EGP sind x _S und y _S. Das Fahrzeug hat sich längs einer Bahn B von dem Startpunkt A zu dem geodätischen Punkt EGP bewegt. Die Koordinatendifferenzen zwischen Startpunkt A und geodätischem Punkt EGP sind

x _S-x _A = S _x

und

y _S-y _A = S _y.

Durch Fehler des Gitterkurswinkels α _K und des Korrekturfaktors W _A zeigt das Navigationsgerät jedoch nicht die Koordinaten x _s, y _s des geodätischen Punktes EGP, sondern die Koordinaten x _F, y _F des Punktes C an. Die Anzeigefehler sind

Δ x = x _F-x _S

Δ y = y _F-y _S. (10)

Diese Anzeigefehler sind bedingt durch einen Fehler des Korrekturfaktors W _A und einen Fehler des gemessenen Gitterkurswinkels α _K als Hauptfehlerursachen. Sie ergeben sich unabhängig vom Verlauf der Bahn B zu

Δ x = Δ W _A · S _x-Δα _K · S _y

Δ y = Δ W _A · S _y + Δα _K · S _x, (11)

sind also nur von den zurückgelegten Wegkomponenten abhängig. Das gestattet eine Abschätzung der besagten Hauptfehlerursachen aus den aufgetretenen Anzeigefehlern Δ x und Δ y:

Mit den so gefundenen Schätzwerten für die Hauptfehlerursachen werden bei der weiteren Bewegung des Fahrzeugs der - zunächst manuell eingegebene - Korrekturfaktor W _A sowie der vom Kursreferenzgerät gelieferte Gitterkurswinkel α _K korrigiert:

Auf diese Weise wird durch die Verarbeitung der "Positionsstützungs"-Information bei Erreichen des geodätischen Punktes EGP nicht nur die Position selbst korrigiert, sondern es wird außerdem eine automatische Korrektur des Korrekturfaktors W _A ("Weganpassungsfaktors") und des Gitterkurswinkels α _K für die zukünftige Navigation durchgeführt. Durch wiederholte Positionsstützung während einer Mission wird so das Navigationsgerät laufend korrigiert und damit eine hohe Navigationsgenauigkeit erzielt.

Der Bewegungsgeber ist, wie oben beschrieben, ein Geschwindigkeitsgeber, dessen Signale im Rechner zur Bildung von Koordinatensignalen, wie dort beschrieben, integriert werden. Es kann sich jedoch auch um einen Weggeber handeln, der auf Umdrehungen z. B. der Fahrzeugräder anspricht. Dabei wird zur Bildung der Gitterkoordinaten im Rechner jedes Weginkrement mit dem Sinus bzw. Kosinus des zugehörigen Gitterkurswinkels α _K multipliziert, und die so erhaltenen Koordinateninkremente werden addiert. Im Startpunkt wird weiterhin ein Korrekturfaktor W _A in den Rechner eingegeben, der sich aus Erfahrungswerten ergibt und mit welchem die Weginkremente jeweils multipliziert werden.

In dem geodätischen Punkt EGP werden über ein Bediengerät 41 (Fig. 4) die Koordinaten x _s und y _s in den Rechner eingegeben. Wird ein vorher schon bekannter EGP angefahren, so können die Koordinaten- Eingaben auch vor Erreichen des EGP durchgeführt werden. In den Punkten 42 und 44 wird die Differenz der vom Rechner als Ausgangssignale gelieferten Koordinaten x _F, y _F und der eingegebenen Koordinaten x _s bzw. y _s gebildet. Es ergeben sich dadurch die Anzeigefehler Δ x und Δ y. An Eingängen 46 bzw. 48 erscheinen die Koordinatendifferenzen oder Wegkomponenten S _x bzw. S _y (Fig. 3).

Der Anzeigefehler Δ x liegt zusammen mit dem die Koordinatendifferenz S _x wiedergegebenen Signal an einem Multiplizierglied 50. Der Anzeigefehler Δ y liegt zusammen mit dem die Koordinatendifferenz S _y wiedergebenden Signal an einem Multiplizierglied 64. In einem Punkt 54 wird die Summe der Ausgangssignale der Multiplizierglieder 50 und 64, welche den Produkten Δ x · S _x bzw. Δ y · S _y entsprechen, gebildet.

Der Anzeigefehler Δ y liegt weiterhin zusammen mit dem die Koordinatendifferenz S _x wiedergebenden Signal an einem Multiplizierglied 56. Der Anzeigefehler Δ x liegt weiterhin zusammen mit dem die Koordinatendifferenz S _y wiedergebenden Signal an einem Multiplizierglied 52. In einem Punkt 60 wird die Differenz der Ausgangssignale der Multiplizierglieder 56 und 58, welche den Produkten Δ y · S _x bzw. Δ x · S _y entsprechen, gebildet.

An beiden Eingängen eines Multipliziergliedes 62 liegt das die Koordinatendifferenz S _x wiedergebende Signal. An beiden Eingängen eines Multipliziergliedes 58 liegt das die Koordinatendifferenz S _y wiedergebende Signal. Die Ausgangssignale dieser beiden Multiplizierglieder 62 und 58 entsprechen also S _x² bzw. S _y². Diese Ausgangssignale werden im Punkt 66 addiert, so daß ein Signal S _x² + S _y² entsteht.

Ein Dividierglied 68 dividiert die Summe vom Punkt 54 durch die Summe vom Punkt 66. Dadurch wird ein die Korrektur wiedergebendes Signal erzeugt, daß dem Rechner zur Korrektur von W _A zugeführt wird.

Ein Dividierglied 70 dividiert die Differenz vom Punkt 60 durch die Summe vom Punkt 66. Dadurch wird ein die Korrektur Δα _K wiedergebendes Signal erzeugt, das dem Rechner zur Korrektur des gemessenen Gitterkurswinkels α _K zugeführt wird.

Dem Rechner werden weiterhin die Signale von den Punkten 42 und 44 zugeführt, welche die Anzeigefehler Δ x bzw. Δ y wiedergeben. Um diese Anzeigefehler werden die als Ausgangssignale des Rechners angezeigten Koordinaten x _F und y _F korrigiert.

Die Rechenoperationen können mit analogen Signalen durchgeführt werden. Die Multiplizier-, Dividier- und Addierglieder können aber auch digital arbeiten.

Die vorteilhafte Wirkung der erfindungsgemäßen Ausbildung des Navigationsgerätes ist in Fig. 5 veranschaulicht.

Dort sind für eine typische Bahn des Fahrzeugs der Positionsfehlerverlauf sowie der Verlauf des Kursfehlers aufgetragen. Die Einheit des Kursfehlers ist dabei "Strich"(-), wobei

Es wurden Positionsstützungen in geodätischen Punkten durchgeführt, die nach 21 Minuten, 51,5 Minuten, 63 Minuten und 73 Minuten nach dem Start passiert wurden.

Vor der ersten Positionsstützung steigt der Positionsfehler durch Kursfehler und Fehler des Korrektur- oder Weganpassungsfaktors W _A praktisch linear an (Kurve P). Durch die erste Positionsstützung wird der Positionsfehler auf einen Wert vermindert, der sich aus der Genauigkeit ergibt, mit welcher die Position des geodätischen Punktes bekannt ist. Ohne die gleichzeitige Korrektur der Fehlerursachen würde der Positionsfehler danach etwa mit der gleichen Steigung wieder anwachsen wie vor der Positionsstützung. Durch die Ermittlung des Kursfehlers und des Fehlers des Weganpassungsfaktors und durch Korrektur um diese Größe bleibt der Positionsfehler bereits nach der ersten Stützung sehr klein.

Ganz ähnlich verhält es sich mit dem Kursfehler (Kurve K). Hier bleibt allerdings ein relativ großer Restfehler auch nach der Positionsstützung. Das dürfte auf eine Quergeschwindigkeit des Fahrzeugs zurückzuführen sein, die mit dem Navigationsgerät nicht erfaßt wird und als Fehlerursache nicht berücksichtigt wurde. Durch die Positionsstützung wird der Kursfehler jedoch in einem Bereich von etwa ±1- gehalten, was, wie ersichtlich, zur Erzielung einer hohen Navigationsgenauigkeit völlig ausreichend ist. Die Sprünge im Kursfehlerverlauf in Fig. 5 sind bedingt durch die Quantisierung der digitalen Kurswinkelauslesung.

Claims

Navigationsgerät zur Navigation von Landfahrzeugen in einem Gitterkoordinatensystem, enthaltend:
- (a) ein Kursreferenzgerät (40) mit
  - (a₁) einem nordsuchenden Kreiselgerät (22),
  - (a₂) einem Abgriff (30) des nordsuchenden Kreiselgeräts (22), der auf die Auslenkung des Kreisels (26) aus der Nullage anspricht und ein entsprechendes Signal liefert, und
  - (a₃) einem während der Fahrt als Kursreferenz dienenden freien Kreisel,
    
    - dessen Lage gegenüber geographisch Nord unter Benutzung des nordsuchenden Kreiselgerätes zu einem festen Zeitpunkt bestimmbar ist,
    
    - auf den ein Korrektursignal (ω _ZG) für die durch die Erddrehung bedingte Auswanderung der Drallachse des freien Kreisels (16) gegenüber der Gitternordrichtung erzeugbar ist und
    
    - der seinerseits das Kurssignal (α _K) liefert.
- (b) einen Geschwindigkeitsgeber (10) zur Erzeugung eines der Fahrzeuggeschwindigkeit proportionalen Geschwindigkeitssignals (V),
- (c) Mittel zum Anbringen eines Korrekturfaktors an einem als Bewegungssignal gemessenen oder durch Integration aus der Geschwindigkeit gewonnenen Wegsignals S _gem zur Bildung eines der Positionsberechnung zugrunde liegenden korrigierten Wegsignals S.
- (d) einen Rechner (12),
  - - dem das Kurssignal (α _K) und das Geschwindigkeitssignal (V) zugeführt werden zur Bildung von Komponentensignalen (V _N, V _E), welche den Komponenten der Fahrzeuggeschwindigkeit (V) im Gitterkoordinatensystem entsprechen, und
  - - der Integratoren zur Integration der Komponentensignale (V _N, V _E) zwecks Erzeugung einer Positionsanzeige (N _F, E _F) enthält, und
- (e) Mittel zum Eingeben der Koordinaten (x _s, y _s) eines bekannten geodätischen Punktes in dem Gitterkoordinatensystem zur Positionsstützung und zur Korrektur der angezeigten Ausgangssignale (x _F, y _F) um die Differenzen (Δ x _F, Δ y _F) der im geodätischen Punkt angezeigten Koordinaten (x _F, y _F) und der eingegebenen Koordinaten (x _S, y _S) dieses geodätischen Punktes.
gekennzeichnet durch die Kombination der nachstehenden Merkmale:
- (f) das nordsuchende Kreiselgerät (22) enthält
  - (f₁) einen an einem Band (24) aufgehängten Kreisel (26)
  - (f₂) einen Drehmomenterzeuger (34), der
    
    - auf den Kreisel (26) wirkt und
    
    - von dem hochverstärkten Signal des auf die Auslenkung des Kreisels (26) des nordsuchenden Kreiselgeräts (22) ansprechenden Abgriffs (30) so beaufschlagt ist, daß das auf den Kreisel (26) wirkende Richtmoment durch ein Gegenmoment des Drehmomenterzeugers (34) kompensiert wird;
- (g) der Rechner (12) erzeugt aus der Position (N _F, E _F) des Fahrzeugs in Gitterkoordinaten ein die geographische Breite (ϕ) des Fahrzeugs wiedergebendes Signal, aus welchem wiederum
  - (g₁) ein dem Kehrwert (1/cos ϕ) des Kosinus der geographischen Breite (ϕ) entsprechendes Signal abgeleitet wird, das zur Bestimmung der geographischen Nordrichtung mit dem Signal multipliziert wird, das auf den Drehmomenterzeuger (34) des nordsuchenden Kreiselgeräts (22) aufgeschaltet ist, sowie
  - (g₂) das besagte Korrektursignal (ω _ZG) für die durch die Erddrehung bedingte Auswanderung der Drallachse des freien Kreisels (16) gegenüber der Nordrichtung abgeleitet wird.
- (h) der Rechner ist weiterhin zur Durchführung der nachstehenden Operationen eingerichtet:
  - (h₁) Bestimmung der Korrekturen bzw. des Gitterkurswinkelsignals bzw. des Korrekturfaktors W _A des Wegsignals S _gem nach der Beziehung wobei S _x und S _y die Koordinatendifferenzen zwischen dem Startpunkt des Fahrzeuges und dem besagten bekannten geodätischen Punkt sind, und
  - (h₂) weitere Berechnung und Anzeige der die Fahrzeugposition im Gitterkoordinatensystem wiedergebenden Koordinaten mit dem um die Korrektur berichtigten Korrekturfaktor W _A und dem um die Korrektur berichtigten Gitterkurswinkel.