DE3004007C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kreiselvorrichtung zur Bestimmung einer Haupt-Kompaßrichtung mit einem Kreisel mit zwei orthogonalen empfindlichen Achsen, einem um eine vertikale Achse V drehbaren Träger für den Kreisel, sowie Aufnehmern, die auf die Bewegungen des Kreisels um die beiden empfindlichen Achsen ansprechen, wobei eine erste empfindliche Achse des Kreisels horizontal liegt und von der Haupt- Kompaßrichtung um einen Winkel γ abweicht, wobei ferner eine Schal­ tung vorgesehen ist, die auf die Ausgänge der Aufnehmer anspricht zur Erfassung des Winkels γ.

Aus der US-PS 32 79 086 ist eine Kreiselvorrichtung bekannt, die auf einem Träger montiert ist. Kleine Verdrehungen dieses Trägers sollen korrigiert werden, zu welchem Zweck Beschleunigungsmesser verwendet werden.

Aus der DE-OS 14 48 581 ist ein Kreiseltheodolit zur Messung von Azimutwinkeln mit einem Theodoliten und einem Gyroskop bekannt, wobei das letztere in einem pendelnd aufgehängten Gehäuse ange­ ordnet ist. An dem Gehäuse ist eine Marke und an einem weiteren Pendel eine Gegenmarke angebracht, deren Bilder mittels Linsen und Prismen auf die Brennebene eines Fernrohrs projiziert und manuell oder motorisch zur Übereinstimmung gebracht werden.

Schließlich ist es bekannt, Kreiselvorrichtungen auf einem Drehteller zu montieren und ihre Mißweisung gegenüber Norden auf einem Meßgerät anzuzeigen. Der Drehteller wird dann um den angezeigten Winkel verdreht, um die wahre Nord-Richtung zu erhalten. Diese Vorrichtungen benötigen jedoch eine genau geeichte Skala auf dem Drehteller.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Kreisel­ vorrichtung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß sie einfacher aufgebaut ist als die bisherigen Vorrichtungen dieser Art und insbesondere ohne Beschleunigungsmesser und ohne geeichte Skalen auskommt.

Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß die andere empfindliche Achse X des Kreisels um die erste empfindliche Achse Y des Kreisels um einen bekannten kleinen Winkel β zur Horizontalen geneigt ist, aus welchem durch die Schaltung ein Korrekturwert γ _c für den Winkel γ herleitbar ist zur ent­ sprechenden Drehung des Trägers.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung wird nach­ folgend anhand der Zeichnung erläutert, in der

Fig. 1 schematisch in Form eines Diagrammes die relativen Richtungen der Kreiselachsen und die Haupt-Kompaß­ richtungen zeigt.

Fig. 2 zeigt perspektivisch einen zweiachsigen Kreisel.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform einer Schaltung für die Ver­ arbeitung der Kreiselsignale.

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Schaltung.

Fig. 5 zeigt schematisch eine pendelförmige Aufhängung für den Kreisel.

Fig. 6 zeigt noch eine Ausführungsform einer Schaltung für die Verarbeitung der Kreiselsignale.

In Fig. 1 sind die Hauptachsen die vertikale Achse V, die Nord-Süd-Achse NS und die Ost-West-Achse EW. Das Diagramm zeigt ferner die Achsen X und Y eines zweiachsigen Kreisels, wobei diese Achsen wechselweise senk­ recht zueinander stehen. Die Y-Achse wird genau horizontal gehalten und sie zeigt nominell in Ost-West-Richtung. Die Mißweisung gegenüber dieser Richtung, die gewöhnlich klein ist, ist mit dem Winkel γ bezeichnet. Die X-Achse des Kreisels weicht daher gegen­ über der Nord-Süd-Richtung ebenfalls um denselben Winkel γ ab. Ferner ist jedoch die X-Achse um die Y-Achse gedreht, so daß sie gegenüber der Horizontalen um einen kleinen bekannten Winkel β geneigt ist. Die Kreiseldrehachse Z ist gegenüber der Vertikalen um denselben Winkel β geneigt. Schließlich ist die Breite des Ortes des Kreisels mit dem Winkel α bezeichnet. Dies ist ein variabler Winkel.

Fig. 2 zeigt schematisch einen konventionellen zweiachsigen Kreisel. Eine Kreiselmasse GM wird durch einen nicht-gezeigten Motor schnell gedreht und sie ist in einem inneren Kardanring IG montiert, der um die Y-Achse in einem äußeren Kardanring OG schwenk­ bar ist. Der äußere Kardanring selbst ist um die Achse X schwenkbar, die senkrecht zur Y-Achse liegt. Die X-Achse trägt einen Aufnehmer XP und einen Drehmoment-Geber XT, die Y-Achse trägt ebenfalls einen Aufnehmer YP und einen Drehmoment-Geber YT. Der Ausgang des Auf­ nehmers XP wird an einen Verstärker A 1 gelegt, um sowohl den X-Ausgang XO und den Eingang zum Drehmoment-Geber YT zu liefern. In gleicher Weise ist der Aufnehmer YP an einen zweiten Verstärker A 2 gelegt, dessen Ausgang sowohl den Y-Ausgang YO und den Eingang zum Drehmoment-Geber XT bildet. Wenn der Kreisel um eine vertikale Achse drehbar ist mit Ausrichtung der X-Achse und der Y-Achse, wie anhand von Fig. 1 beschrieben und unter der Annahme, daß die Winkelgeschwindigkeit der Erde Ω ist, ergeben sich folgende Ausgänge der beiden Verstärker:

• XO = Ω cos (α + β) cos γ
  YO = Ω cos α sin γ

Der Kreisel wird um die vertikale Achse gedreht, um die Mißweisung der Y-Achse gegenüber der Ost-West- Richtung zu korrigieren mit einer Winkelgeschwindigkeit μ. Diese Drehung beeinflußt nicht den Ausgang YO, da er senkrecht zur Y-Achse ist. Infolge der Neigung der X-Achse gegenüber der Horizontalen wird diese Drehung jedoch mit der X-Achse gekoppelt und der Ausgang XO ist nun gegeben durch

XO = Ω cos (α + b) cos γ + μ sin β.

Fig. 3 zeigt eine Schaltung, an welche die beiden Ausgänge XO und YO des Kreisels gelegt sind.

Der Ausgang YO wird an ein Potentiometer 30 gelegt, das den Eingang um einen konstanten Faktor teilt. Der andere Ausgang XO wird an einen Summierverstärker 31 gelegt, der von ihm eine konstante Größe abzieht. Die Ausgänge dieser beiden Einheiten werden addiert und an den Eingang eines Summierverstärkers 32 gelegt, der eine lange Zeitkonstante hat. Der Ausgang des Summier-Verstärkers 32 wird an ein Anzeigegerät 33 gegeben.

Der konstante Dividierfaktor des Potentiometers 30 ist gleich Ω cos α, so daß der Ausgang des Potentiometers 30 die Größe sin γ darstellt. Wenn der Winkel der Mißweisung klein ist, dann ist der Ausgang des Potentiometers 30 proportional zum Winkel γ selbst. Die konstante Größe, die vom Eingang XO durch den Summierverstärker 31 subtrahiert wird, ist gleich Ω cos (α + β). Da der Winkel γ klein ist wenn die Vor­ richtung annähernd ausgerichtet ist, ist cos γ annähernd gleich eins. Damit ist der Ausgang des Summierverstärkers 31 annähernd gleich μ sin β.

Wenn der einzige Eingang zum Summierverstärker 32 der Ausgang des Potentiometers 30 wäre, der dem Winkel γ proportional ist, dann wäre der Ausgang des Verstärkers 32 ebenfalls zu demselben Winkel proportional. Jedoch liegt auch der Ausgang des Summier­ verstärkers 31 vor und gibt, wenn er integriert wird ein Maß für den Winkel, um den die Vorrichtung in Azimut-Richtung gedreht wird. Der Summier-Verstärker 32 wirkt als Integrator.

Im Betrieb bleibt die Vorrichtung ungestört, bis der Ausgang vom Summier-Verstärker 32 einen stetigen Wert erreicht hat. Der Ausgang dieses Verstärkers wird an das Anzeigegerät 33 ge­ legt und er liefert eine Anzeige, jedoch keinen Meßwert der wirklichen Mißweisung γ _o . Der Ausgang ist beinahe vollständig eine Folge des Einganges YO zum Potentiometer 30, weil der Eingang XO in Abwesenheit irgendeiner Rotation der Vorrichtung nahezu vollständig durch den Summierverstärker 31 gelöscht wird.

Wenn die Vorrichtung nun um eine vertikale Achse in einer solchen Richtung gedreht wird, daß die Mißweisung reduziert wird, so wird der Eingang XO

XO = Ω cos (a + β) cos γ _o + μ sin β.

Der erste Ausdruck wird kontinuierlich durch den Summierverstärker 31 auf Null gebracht und der zweite Ausdruck wird durch den Summier­ verstärker 32 integriert, der einen momentanen Ausgang γ _c gibt, der die Größe der angelegten Korrektur darstellt. Dieser ist von entgegengesetztem Sinn als ein bereits vorhandener Ausgang γ _o , womit der wirkliche Ausgang des Verstärkers, der durch das Anzeige­ gerät 33 angezeigt wird, die Differenz (γ _o - γ _c ) ist. Die Vorrichtung kann dann gedreht werden, bis diese Differenz Null wird, zu welchem Zeitpunkt die Y-Achse genau in Ost-West-Richtung ausgerichtet ist. Die X-Achse des Kreisels, obwohl nicht horizontal, zeigt genau in die Nord-Süd-Richtung. Die oben verwendeten Annäherungen für die Werte von sin q und cos γ werden genauer, wenn die Mißweisung auf Null reduziert wird.

Die Änderung des Wertes γ _c erfolgt augenblicklich und der Vor­ gang der Ausrichtung ist daher sehr schnell, sobald der Anfangs­ ausgang des Summier-Verstärkers 32 einen stetigen Wert erreicht hat.

Die Einheiten 30 und 31 können in geeigneter Form aufgebaut sein. Das Potentiometer 30 dividiert den Eingang YO durch den Faktor Ω cos α, der bei jeder bestimmten Breite eine Konstante ist. Der Summierverstärker 31 faßt eine vorgegebene Spannung von -Ω cos (α + β) mit dem XO-Eingang Ω cos (α + β) cos γ + m sin β zu­ sammen. Der Verstärker 32 kann für diesen Zweck verwendet werden und der Wert des Potentiometers 30 kann auf den Wert des Rückkopplungs­ widerstandes des Verstärkers bezogen werden. Fig. 4 zeigt eine solche Ausbildung.

In der Schaltung nach Fig. 4 hat das Potentiometer 30 einen Wert von r, wobei

r = R Ω cos α.

R ist hierbei der Widerstandswert des Rückkopplungswiderstandes des Summierverstärkers 32. Die beiden anderen Eingänge werden an diesen über Widerstände mit gleichem Widerstandswert R ₁ gelegt, wobei

R ₁ = R sin β.

Der Winkel β ist konstant und in die Vorrichtung eingebaut.

Aus der Beschreibung geht hervor, daß die Vorrichtung so aufgebaut werden muß, daß ihre X-Achse und ihre Y-Achse genau positioniert sind und daß die Vorrichtung um eine vertikale Achse V drehbar ist. Wenn die Vorrichtung auf einem stabilen Träger montiert ist, dann ist nur ein Drehteller erforderlich, wie z. B. ein Theodolit-Kopf. Dieser braucht jedoch nicht geeicht zu sein, da keine Messung der Mißweisung vorgesehen ist. In Fällen, in denen ein stabiler Träger nicht zur Verfügung steht oder verwendet werden kann, ist es er­ forderlich, die Vorrichtung mit Hilfe einer zweiachsigen Pendel­ aufhängung abzustützen.

Eine solche Aufhängung ist in der DE 29 48 726 A1 beschrieben.

Fig. 5 zeigt eine solche Aufhängung, in welcher der zweiachsige Kreisel 50 mittels einer doppelten, über Kreuz verlaufenden Feder­ aufhängung abgestützt ist. Diese umfaßt Federn 51, die die X-Achse bilden und Federn 52, die die Y-Achse bilden und die in einem Rahmen montiert sind. Die gesamte Aufhängung ist auf einem Dreh­ teller 53 montiert.

Die in den Fig. 3 und 4 gezeigte Schaltung eignet sich für den Fall, in welchem der Kreisel durch eine Pendelaufhängung gehalten ist. Sie ist jedoch auch bei einer stabilen Montage verwendbar, hier ist es jedoch wichtig, daß die Y-Achse des Kreisels genau senkrecht zur Achse des Drehtellers verläuft. Jeder Fehler in dieser Hinsicht führt zu Fehlern im Ausgang des Verstärkers 32. Ferner werden durch Abweichungen oder Ablenkungen im Drehteller während seiner Rotation Fehler er­ zeugt. Die Fehler erscheinen im Eingang YO der Schaltung, während die Korrektur γ _c , die während der Drehung des Dreh­ tellers eingegeben wird, nur im Eingang XO erscheint. Es ist daher möglich, die Fehlerquellen zu vermeiden durch Unter­ brechen des YO-Signales während der Drehung des Drehtellers.

Fig. 6 zeigt eine Schaltung zur Ausnutzung dieses Vorteils und sie zeigt ferner eine vereinfachte Korrektur für die Breite. Wie zuvor, werden die beiden Eingänge über Summierwiderstände angelegt, es sind jedoch keine Signalverarbeitungseinheiten vor­ gesehen, hingegen wird durch einen Schalter SA ein Eingang ausgewählt, so daß nur einer der Eingänge zu einem Zeitpunkt an den Summierverstärker 32 gelegt wird. Der Rückkopplungswiderstand R ist nicht direkt mit dem Verstärkerausgang verbunden wie zuvor, sondern er ist über ein Potentiometer 61 und einen Schalter SB angekoppelt. Dieser Schalter SB, der mit dem Schalter SA gekoppelt ist, hat einen Kontakt, der mit dem Ausgang des Summierverstärkers 32 verbunden ist, während sein anderer Kontakt an einer konstanten Spannung V′ liegt.

Sind die beiden Schalter SA und SB eingestellt, wie dargestellt, so wird nur der Ausgang YO an den Verstärker 32 gelegt, wobei der Widerstand R über das Potentiometer 61 an den Ausgang des Verstärkers 32 gelegt ist. Das Potentiometer 61 liefert die er­ forderliche Breitenkorrektur. Der Term Ω des Eingangs ist konstant und kann durch Wahl der Stärken des Summierwiderstandes und des Rückkopplungswiderstandes R kompensiert werden. In diesem Zu­ stand ist der einzige Eingang zum Verstärker 32 derjenige, der sin γ darstellt, von welchem die Mißweisung γ _o abgeleitet und angezeigt wird, wobei der Rückkopplungskondensator des Verstärkers bei diesem Prozeß geladen wird. Wenn der Verstärkerausgang einen stetigen Zustand erreicht hat, können die beiden Schalter SA und SB betätigt werden, um den anderen Eingang mit dem Verstärker 32 zu verbinden, der in einen reinen Integrator umgewandelt wird durch die Abtrennung des Rückkopplungswiderstandes R. Die Spannung V′ ist derart gewählt, daß bei der gegebenen Einstellung des Potentio­ meters 61 der die Breite betreffende Ausdruck ausgeschaltet wird, so daß nur der Ausdruck μ sin β verbleibt und an den Verstärker 32 gelegt und von ihm integriert wird. Der Verstärkerausgang entlädt den Rückkopplungskondensator und reduziert damit die Anzeige auf dem Anzeigegerät 33.

Der Winkel β, um den die X-Achse des Kreisels gegenüber der Horizontalen versetzt ist, kann aus einem weiten Bereich gewählt werden. Der Winkel β kann einen Wert bis zu beispielsweise 30° haben, liegt aber zweckmäßigerweise bei etwa 5°.

Claims (5)

1. Kreiselvorrichtung zur Bestimmung einer Haupt-Kompaßrichtung, mit einem Kreisel mit zwei orthogonalen empfindlichen Achsen, einem um eine vertikale Achse V drehbaren Träger für den Kreisel, sowie Aufnehmern, die auf die Bewegungen des Kreisels um die beiden empfindlichen Achsen ansprechen, wobei eine erste empfind­ liche Achse des Kreisels horizontal liegt und von der Haupt- Kompaßrichtung um einen Winkel γ abweicht, wobei ferner eine Schal­ tung vorgesehen ist, die auf die Ausgänge der Aufnehmer anspricht zur Erfassung des Winkels γ, dadurch gekennzeichnet, daß die andere empfindliche Achse (X) des Kreisels um die erste empfindliche Achse (Y) des Kreisels um einen bekannten kleinen Winkel (β) zur Horizontalen geneigt ist, aus welchem durch die Schaltung ein Korrekturwert (γ _c ) für den Winkel (γ) her­ leitbar ist zur entsprechenden Drehung des Trägers.

2. Kreiselvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung ein Potentiometer (30) und einen Summierverstärker (31) aufweist, um die konstanten Komponenten in den Ausgängen (YO, XO) der Aufnehmer (XP, YP) zu entfernen, ferner einen Summierver­ stärker (32) zur Zusammenfassung der verarbeiteten Signale und ein Anzeigegerät (33), das auf den Ausgang des Summierverstärkers (32) anspricht.

3. Kreiselvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung Schalter (SA, SB) aufweist zur Veränderung der Charakteristik des Verstärkers (32) für die Ausgänge (YO, XO) der Aufnehmer (YP, XP).

4. Kreiselvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schaltung ein Potentiometer (61) aufweist, um Änderungen der geographischen Breite, in welcher die Vorrichtung benutzt wird, zu kompensieren.

5. Kreiselvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger eine zweiachsige Pendelaufhängung (51, 52, 53) aufweist, an welcher der Kreisel (50) montiert ist.