DE3028649C2

DE3028649C2 - Vorrichtung zur Bestimmung der Nordrichtung

Info

Publication number: DE3028649C2
Application number: DE19803028649
Authority: DE
Inventors: Uwe 7770 Überlingen Krogmann
Original assignee: Bodenseewerk Geratetechnik GmbH
Current assignee: Bodenseewerk Geratetechnik GmbH
Priority date: 1980-07-29
Filing date: 1980-07-29
Publication date: 1988-06-16
Also published as: GB2080972B; DE3028649A1; FR2487971B1; GB2080972A; FR2487971A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Nordrichtung, enthaltend einen Azimutrahmen, der um eine Azimutachse verdrehbar gelagert ist, einen auf Komponenten der Erddrehgeschwindigkeit ansprechenden und entsprechende Signale liefernden Wendekreise!, der auf dem Azimutrahmen angeordnet ist, wobei

die Drallachse des Wendekreisels in einer zu der Azimutachsc senkrechten Ebene liegt und eine Eingangsachse des Wendekreisels in dieser Ebene senkrecht zu der Drallachse verläuft, einen Stellmotor zum Verdrehen des Azimutrahrtiens um die Azimutachse,

eine Steuereinrichtung, durch welche der Stellmotor zum wahlweisen Eindrehen in eine erste Stellung (0°-Stellung) und eine dagegen um 90° versetzte zweite Stellung (90° -Stellung) ansteuerbar ist, Lotfühlermittel, welche auf Abweichungen der Azimutachse von der Vertikalen ansprechen, und Signalverarbeitungsmittel für die Bestimmung der Nordrichtung, auf welche die Signale des Wendekreisels und Signale von den Lotfühlermitteln aufgeschaltet sind und welche

Mittel enthalten zur Speicherung der Signale des Wendekreisels in der 0°-Stellung und der 90°-Stellung, sowie

Mi.tel zur Korrektur der gespeicherten Signale nach Maßgabe von Signalen der Lotfühlemiittel, Mittel zur Division der in der 0°-Stellung und der 90°-Stellung gespeicherten, korrigierten Signale durch die Horizontalkomponente J2_r *■ Ot cos Φ der Erddrehgesrhwindigkcit und Mittel zur Bildung des Sinus und/oder Kosinus des wahren Azimutwinkels aus den so erhaltenen Si· gnalen.

Es ist ein Gerät zur Navigation von Landfahrzeugen bekannt (DE-OS 25 45 025), bei welchem mittels eines bandaufgehängten M^ridiankreisels. dessen Richtmoment durch ein Gegenmoment kompensiert wird, der Winkel zwischen Kreiseldrallachse und Nordrichtung bestimmt wird. Ein freier Kreisel, der für die Navigation

des Fahrzeugs als Kursreferenzgerät dient, wird nach der so bestimmten Nordrichtung ausgerichtet. Ein solches selbstnordendes Kursreferenzgerät arbeitet also mit zwei Schritten: Vor Antritt der Fahrt wird die Nordrichtung bestimmt. Es erfolgt eine Anfangsausrichtung des Kursreferenzgeräts nach dieser Nordrichtung. Anschließend liefert das Kursreferenzgerät im Kursreferenzbetrieb laufend den auf diese Nordrichtung bezogenen Kurs des Fahrzeugs.

Durch die DE-OS 27 41 274 ist es bekannt, die Nordrichtung statt mittels eines bandaufgehängten Kreisels mit horizontaler Drallachse mit Hilfe eines zweiachsigen Wendekreisels zu bestimmen, dessen Drallachse vertikal angeordnet ist. Der Wendekreisel enthält auf zwei zueinander senkrechten horizontalen Eingangsachsen je einen Abgriff und je einen Drehmomenterzeuger. Die Ausgangssignale der Abgriffe sind jeweils überkreuz über einen Verstärker auf den auf der jeweils Sinderen Ein^n^sächss sitzenden Drehmomenterzeuger geschaltet. Die auf die Drehmomenterzeuger geschalteten Signale entsprechen den Komponenten der Horizontalkomponente der Erddrehung. Aus dem Verhältnis der beiden Signale ergibt sich der Anfangswert des Kurswinkels. Um diesen Anfangswert auch dann richtig zu erhalten, wenn die Kreiseldrallachse, die sich in Richtung der Fahrzeughochachse erstreckt, nicht genau vertikal zur Erdoberfläche liegt, sind zwei Beschleunigungsmesser vorgesehen, welche die Schräglage des Fahrzeugs liefern. Aus den Signalen der Beschleunigungsmesser und den auf die beiden Drehmomenterzeuger des Wendekreisels aufgeschalteten Signalen wird in einem Rechner der Anfangswert des auf ein erdfestes Koordinatensystem bezogenen Kurswinkels bestimmt.

Bei der Anordnung nach der DE-OS 27 41 274 wird der gleiche zweiachsige Wendekreisel nach einer Verschwenkung um 90° mit im wesentlichen horizontaler Kreiseldrallachse als Kurs-Lage-Referenzgerät benutzt, wobei der Rechner aus den Winkelgeschwindigkeiten und den Signalen der Beschleunigungsmesser unter Berücksichtigung der bei der Anfangsausrichiung ermittelten Anfangswerte ständig die Lage des Fahrzeugs und insbesondere laufend von den wahren Kurswinkel berechnet.

In beiden Fällen wird aus dem Kurswinkel und der in Fahrzeuglängsachse gemessenen Fahrzeuggeschwindigkeit die Position des Fahrzeugs in einem geographischen oder Gitterkoordinatensystem bestimmt.

Die geschilderten bekannten Anordnungen liefern die Fahrzeugposition zwar mit hoher Genauigkeit. Sie sind jedoch für viele Anwendungen zu aufwendig, während es andererseits Anwendungen gibt, bei denen die Anforderungen an die Genauigkeit der Navigation geringer sind aber ein wenig aufwendiges Kursreferenzgerät verlangt wird.

Durch die nicht vorveröffentlichte DE-OS 29 22 412 ist ein selbstnordendes Kurs-Lage-Referenzgerät bekannt, bei welchem ebenfalls durch eine Anfangsausrichtung die Nordrichtung bestimmt und dann im Kursreferenzbetrieb für die Navigation laufend ein Kurswinkel abgegriffen wird. Das bekannte Kursreferenzgerät enthält einen Azimutrahmen, der um eine Azimutachse verdrehbar gelagert ist. Auf dem Azimutrahmen ist ein zweiachsiger Kreisel angeordnet, wobei die Drallachse des Kreisels in einer zu der Azimutachse senkrechten Ebene Hegt, eine erste Eingangsachse des Kreisels parallel zur Azimutachse und die zweite Eingangsachse des Kreisels senkrecht zur Draliachse und der ersten Eingangsachse verläuft. Auf der ersten bzw. zweiten Eingangsachse des Kreisels sitzen je ein erster und ein zweiter Abgriff. Ferner sitzen auf der ersten und zweiten F.ingangsachse des Kreisels je ein erster bzw. zweitcr Drehmomenterzeuger. Der auf der zweiten Eingangsachsc angeordnete zweite Abgriff ist auf den ersten Drehmomenterzeuger geschaltet, der auf der ersten Eingangsachse des Kreisels sitzt. Das auf den ersten Drehmomenterzeuger geschaltete Signal für die

ίο Anfangsausrichtung ist gleichzeitig auf nordrichtungsbestimmende Mittel aufgeschaltet. Der Azimutrahmen ist durch einen Stellmotor um die Azimutachse verdrehbar. Ferner ist auf der Azimutachse ein Winkelstellungsgeber angeordnet.

Bei dem bekannten selbstnordenden Kurs-Lage-Referenzgerät ist der Azimutrahmen in einem Rollrahmen um die im wesentlichen vertikale Azimutachse verdrehbar gelagert, und der Rollrahmen ist seinerseits um die F«jhr/'*u**!äri'*s^oc«»5S schwenkbar "cls^sr*. Der zweiachsige Kreisel ist ein zweiachsiger Wendekreisel. Es ist nicht nur der zweite Abgriff auf den ersten Drehmomenterzeuger geschaltet sondern, ähnlich wie bei der DE-OS 27 41 274, auch der auf der ersten Eingangsachse sitzende erste Abgriff auf den auf der zweiten Eingangsachse des Kreisels sitzenden zweiten Drehmomenterzeuger. Schließlich sitzt auf dem Azimutrahmen noch ein Beschleunigungsmesser, dessen Eingangsachse paralk'. zur Drallachse des Kreisels liegt.

Der Azimutrahmen ist mit dem Rollrahmen in einer ersten Betriebsweise »Nordung« oder »Anfangsausrichtung« so um die Fahrzeuglingsachse ausrichtbar, daß die Azimutachse in einer dorch die Fahrzeuglängsachse gehenden Vertikalebene liegt. In einer zweiten Betriebsweise »Kurs-Lage-Referenz« ist der Azimutrahmen mit dem Rollrahmen so um die Fahrüeuglängsachse ausrichtbar, daß die Azimutachse parallel zur Fahrzeughochachse ist.

Der Azimutrahmen ist gegenüber dem Rollrahmen durch den Azimut-Stellmotor um die Azimutachse wahlweise in eine 0° -Stellung, in welcher die Drallachse parallel zur Fahrzeuglängsachse ist, oder in eine dazu um 90° winkelversetzte 90° -Stellung verdrehbar.

In der ersten Betriebsweise »Nordung« liefert der Rechner aus den in den beiden Stellungen des Azimutrahmens gemessenen und gespeicherten, die Drehgeschwindigkeit um die zweite Eingangsachsc wiedergebenden Signalen des Wendekreisels und den ebenfalls in diesen Stellungen gemessenen und gespeicherten Beschlcunigungssignalen des Beschleunigungsmessers die anfängliche Abweichung einer durch die Fahrzeuglängsachse gehenden Vertikalebene von der Mc.idianebene (anfängliche Nordabweichung).

In der zweiten Betriebsweise »Kurs-Lage-Referenz« beim Eindrehen des Azimutrahmens in die 90°-Stellung liefert der Rechner aus den Winkelgeschwindigkeitssignalen des Wendekreisels ein den wahren Kurs des Fahrzeugs wiedergebendes Signal.

Auch bei dieser bekannten Anordnung wird wie bei der DE-OS 27 41 274 sowohl die Nordrichtung bei dei Anfangsausrichtung als auch der Kurswinkel in der Betriebsweise »Kurs-Lage-Referenz« durch einen Rechner aus den beiden Signalen des zweiachsigen Wendekreisels sowie Beschleunigungsmessersignalen berechnet

Der Rechner enthält dabei Mittel zur Speicherung der Signale des Wendekreisels in der 0°-Stellung unc der 90° -Stellung sowie Mittel zur Korrektur der gespeicherten Signale durch Lotfühlermittel, Mittel zur Divi-

sion der in der 0" Stellung und dvr 90" -Stellung gespeicherten, korrigierten Signale durch die Horizontalkomponentc JJ₁. = JJ/ cos Φ der f-rddrehgcschwindigkcil und Mittel zur Bildung des Sinus und Kosinus des wahren Azimutwinkels aus den so erhaltenen Signalen.

Der Vorteil der Anordnung nach der DE-OS 29 22 412 liegt darin, daß bei günstigem mechanischen Aufv-nd eine erhebliche Vereinfachung der Signalverarbeitung gegenüber der Anordnung nach der DE-OS 27 41 274 erreicht wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe /ugrun'Je, eine Vorrichtung der eingangs definierten Art mechanisch und hinsichtlich der Signalverarbeitung mit möglichst einfachen Mitteln aufzubauen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß

(a) der Azimutrahmen um eine gerätefeste Achse drehbar gelagert ist.

(b) die Lotfühlermittel ein Paar von Signalen liefern, welche die Abweichung dieser gerätefesten Achse von der Vertikalen wiedergeben, und

(c) durch die Signalverarbeitungsmittel jedes der durch die Horizontalkomponente der Erddrehgeschwindigkeit zu dividierenden Signale mit einem durch ein Signal der Lotfühlermittel bestimmten Anteil der Vertikalkomponente der Erddrehgeschwindigkeit korrigierbar ist.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Nor-'richtung mittels eines elektrisch gefesselten Wendekreisels aus den Komponenten der Erddrehung bestimmt. Die Signalverarbeitung wird dabei sehr einfach, wobei durch die Messung in verschiedenen Winkelstellungen des Azimutrahmens wesentliche Fehlerquellen des verwendeten Kreisels kompensiert werden. Die Anforderungen an die Präzision des Kreisels könnten daher geringer gehalten werden. Der Kreisel kann in der für die Nordrichtung benutzten Lage anschließend als Kurs-Lage-Referenzgerät benutzt werden, wobei die jeweiligen Lagewinkel einschließlich des Kurswinkels aus den durch den Kreisel gemessenen Winkelgeschwindigkeiten unter Berücksichtigung der bei der Anfangsausrichtung bestimmten Anfangslage ermittelt werden.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung ist nachstehend an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert

F i g. 1 ist eine schematisch-perspektivische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines selbstnordenden Kurs-Lage-Referenzgcräts.

F i g. 2 zeigt einen Teil der Signalverarbeitungsmittel für die Bestimmung der Elemente C_3] und Cn der Richtungskosinusmatrix für eine Transformation aus einem gerätefesten Koordinatensystem in ein erdfestes Koordinatensystem.

F i g. 3 zeigt einen Teil der Signalverarbeitungsmittel für die Bestimmung des Elements Cn der Richtungskosinusmatrix.

F i g. 4 zeigt einen Teil der Signalverarbeitungsmittel für die Bestimmung des Elements Cn der Richtungskosinusmatrix.

F i g. 5 zeigt einen Teil der Signalverarbeitungsmittel für die Bestimmung der Winkelfunktion des Azimutwinkels nach Nord aus den Elementen der Richtungskosinusmatrix.

Das sclbsinorderide Kurs-Lage-Referenzgerät von F i g. I enthalt einen Azimutrahmen 10, der um eine A/imuiaehse / verdrehbar ist. Der Azimutrahmen definiert ein Koordinatensystem mit den Koordinatenach· sen .χ', γ-' und ζ*'. Auf dem Azimutrahmen 10 ist ein Kreisel 12 angeordnet, dessen Drall H parallel zur Achse *· verläuft. Der Kreisel definiert ein Koordinatensystem mit der Drallachse z^K, einer zur Azimutachse z< parallelen ersten Eingangsachse y* und einer zweiten Kingangsachsc **·', die senkrecht zur Drallachse z^K und der ersten fiingangsachse y* verläuft. Der Azimutrahmen 10 mit seinem Koordinatensystem x¹', y¹ und 2*-' ist um die Azimutachse 2*' verdrehbar gegenüber einem gehäusefesten Koordinatensystem χ°,γ° und ζ°, wobei die Koordinatenachse z° parallel zu der Koordinatenachse ^'ist und in der dargestellten 0°-Stellung die Koordinatenachsen x^c; und y° parallel zu den Koordinatenachse xf- und /des Azimutrahmens 10 sind. Der Drehwinkel des Azimutrahmens 10 um die Azimutachse ζ° aus der dargestellten 0°-Stellung heraus ist mit A₁ bezeichnet. Vorzugsweise ist das gehäusefeste Koordinatensystem parallel zu einem fahrzeugfesten Koordinatensystem mit den Koordinatenachsen Fahrzeuglängsachse x^F, Fahrzeugquerachse y*⁷ und Fahrzeughochachsez^Fangeordnet.

Auf der ersten Eingangsachse y* des Kreisels 12 sitzen ein erster Abgriff 14 und ein erster Drehmomenterzeuger 16. Auf der zweiten Eingangsachse x^K des Kreisels 12 sitzen ein zweiter Abgriff 18 und ein zweiter Drehmomenterzeuger 20. Der auf der ersten Eingangsachse y* angeordnete erste Abgriff 14 ist über einen Verstärker 22 auf den zweiten Drehmomenterzeuger 20 geschaltet, der auf der zweiten Eingangsachse x^K des Kreisels 12 sitzt. Der auf der zweiten Eingangsachse x^K angeordnete zweite Abgriff 18 ist über einen Verstärker 24 auf den ersten Drehmomenterzeuger 16 geschaltet, der auf der ersten Eingangsachse y* des Kreisels 12 sitzt. Auf diese weise ist der Kreisel um seine Eingangsachsen elektrisch an sein Gehäuse gefesselt. Es handelt sich um einen zweiachsigen Wendekreisel. Die den Drehmomenterzeugern 16 und 20 zugeführten Signale Ti bzw. 7Ί werden über Filter 26 bzw. 28 abgegriffen und in noch zu beschreibender Weise den Signalverarbeitungsmitteln zugeführt.

Auf der Azimutachse z<~ sitzt ein Stellmotor 30 zum Verdrehen des Azimutrahmens 10 um die Azimutachse 2p. Auf der Azimutachse 2^ ist weiterhin ein Winkelstellungsgeber 32 angeordnet. Eine umschaltbare Steuereinrichtung 34 ist von dem Signal des Winkelstellungsgebers 32 beaufschlagt und steuert den Stellmotor so, daß der Azimutrahmen 10 wahlweise in die dargestellte 0^c -Stellung, in welcher die Kreiseldrallachse z* parallel zu einer gerätefesten Achse x" ist, in eine 90°-Stellung oder in eine 180°-Stellung verdrehbar ist.

Auf dem Azimutrahmen 10 ist ein erster Beschleunigungsmesser 36 angeordnet, dessen Empfindlichkeitsachse parallel zur Kreiseldrallachse z* ist, und ein zweiter Beschleunigungsmesser 38, dessen Empfindlichkeitsachse parallel zu der zweiten Eingangsachse a* des Kreisels 12 ist Die Signale Ux und Uy des ersten bzw. des zweiten Beschleunigungsmessers werden über Filter 40 bzw. 42 ebenfalls den Signalverarbeitungsmitteln zugeführt

Die für die Anfangsausrichtung benutzten Teile der Signalverarbeitungsmittel sind in den F i g. 2 bis 5 dargestellt

Die Signalverarbeitungsmittel enthalten Mittel 44,46, 48 zur Speicherung der dem ersten Drehmomenterzeu-

■is hi

ίο

ger 16 zugeführten Signale — T₂ \ ο, — T₁ | «>, — T₂ \ mo in der O"-Stellung, der 90°-Stellung bzw. der 180°-Stellung. Die Signalverarbcitungsmitlel enthalten weiterhin Mittel 50, 52 zur Bildung der halben Differenz der bei der 0°-Stellung und bei der 180° -Stellung gespeicherten Signale sowie Mittel 54 zur Division des dabei erhaltenen Signals durch die Horizontalkomponente ü_c = Qe· co" Φ der Erddrehung. Weiterhin enthalten die Signalverarbeitungsmittel Mittel 56, 58 zur Bildung des Mittelwerts der in der 0°-Stellung und der 180"-Stellung im ersten Drehmomenterzeuger 16 zugeführten, in den Speichern 44 und 48 gespeicherten Signale, Mittel 60 zur Subtraktion des in der 90"-Stellung in dem Speicher 46 gespeicherten Signals — Ti | w von diesem Mittelwert und Mittel 62 zur Division des dabei erhaltenen Signals durch die Horizontalkomponente Qc — Qe ■ cos (Pder Erddrehung.

Bei der Ausführung nach F i g. 1 wird auch eine evtl. Schräglage des Azimutrahmens bei der Anfangsausrich-Ch der Richtungskosinusmatrix aus den gemäß F i g. 2 bestimmten Elementen Cn und C_n durch die Beziehung

C₃₃ = V]-C]₁-Cl₂

Um auch diejenigen Fehler zu eliminieren, die nicht durch die Messung in der 0°-Stellung und der 180°-Stellung und die beschriebene Kombination der dabei erhaltenen gespeicherten Signale kompensiert werden, sind

ίο der besagten halben Differenz der in den Speichern 44 und 48 gespeicherten Signale das in der 0°-Stellung im Speicher 44 gespeicherte Signal multipliziert mit dem Skalenfaktorfehler DSF_x und das in der 90°-Stellung im Speicher 46 gespeicherte Signal multipliziert mit einem den Fehlmontagewinkel λ,,· des Kreisels um die Azimutachse ιΓ wiedergebenden Faktor entgegengeschaitet. Der besagten Differenz des Mittelwerts der in den Speichern 44 und 48 gespeicherten Signale (F i g. 3) und des im Speicher 46 gespeicherten Signals wird das in der

tung berücksichtigt. Dies geschieht durch die Signale 20 0"-Stellung im Speicher 44 gespeicherte Signal multiph-

der Beschleunigungsmesser 36 und 38.

Dementsprechend enthalten die Signalverarbeitungsmittel für die Bestimmung der Nordrichtung weiterhin Mittel 64,66 zur Division der Bcschleunigungsmcssersignale durch die negative Erdbeschleunigung zur Hr/.eugung von Signalen, welche die Elemente Cn und C» der Richtungskosinusmatrix für eine Transformation aus einem gerätefesten Koordinatensystem mit Nord, Ost und Vertikaler darstellen. Es sind weiterhin Mittel 68 ziert mit einem den Fehlmontagewinkel a,_ydes Kreisels um die Azimutachse if wiedergebenden Faktor entgegengeschaltet und das in der 90°-Stellung im Speicher 46 gespeicherte Signal multipliziert mit dem Skalenfaktorfehler DSF, überlagert.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 bis 5 sind weiterhin Mittel 86, 88 bzw. 90, 92 zur Speicherung der Signale von beiden Beschleunigungsmessern 36, 38 jeweils in der 0"-Stellung und in der 180° -Stellung vorge-

(F ig. 4) zur Multiplikation des so erhaltenen CjrSignals 30 sehen. Weiterhin enthalten die Signalauswertemittel mit der Vertikalkomponente Qe ■ sin Φ der Erddrehung Mittel 94,96 bzw. 98,100 zur Bildung der halben Diffevorgesehen, wobei J?_Edie Drehgeschwindigkeit der Er- renzen der in der O°-Stellung und in der 180°-Stellung de und Φ die geographische Breite ist. Weiterhin sind gespeicherten Signale für jeden der beiden Beschleuni-Mittel 70 zur Addition des erhaltenen Produkts Q₃ ■ C-n gungsmesser 36, 38 als Beschleunigungsmessersignale zu der besagten halben Differenz der in den Speichern 35 zur Division durch die Erdbeschleunigung, wie in F i g. 2 44 und 48 gespeicherten Signale vor der besagten Divi- bei 64 und 66 angedeutet ist. Dem als halbe Differenz

der gespeicherten Signale gebildeten Beschleunigungsmessersignaie des ersten Beschleunigungsmessers 36 wird das in der 0°-Stellung gespeicherte Signal des ersten Beschleunigungsmessers 36 multipliziert mit dem Skalenfaktorfehler DK_x dieses Beschleunigungsmessers 36 sowie das in der 0°-Stellung gespeichei te Signal des zweiten Beschleunigungsmessers 38 multipliziert mit einem dem Fehlmontagewinkel des ersten Beschleuni-

gespeicherten Signals und dem Mittelwert der in den 45 gungsmessers 36 um die Azimutachse z*" entsprechen-Spcichern 44, 48 gespeicherlen Signale und des besag- den Faktor ε,, entgegengeschallct. Dem als halbe Diffe-

sion durch die Horizontalkomponente der Erddrehung (durch die Mittel 54), wobei diese Division ein das Element C12 der Richtungskosinusmatrix darstellendes Signal liefert

In ähnlicher Weise sind Mittel 72 zur Multiplikation des Cji-Signals Tix der Vertikalkomponente Q„ = Q_E · cos Φ der Erddrehung sowie Mittel 74 zur Addition der besagten Differenz des in dem Speicher 46

ten Produkts von Cji-Signal und Vertikalkomponente vor der Division durch die Horizontalkomponente Q₁-der Erddrehung vorgesehen, wobei diese Division ein das Element Ci 1 der Richtungskosinusmatrix darstellendes Signal liefert (F i g. 3).

Es sind weiterhin, wie in F i g. 5 dargestellt ist, Mittel zur Bildung von den Sinus und Kosinus des Azimutwinkels nach Nord darstellenden Signalen vorgesehen.

renz der gespeicherten Signale gebildeten Beschleunigungsmessersignal des zweiten Beschleunigungsmessers 38 ist das in der 0°-Stellung gespeicherte Signal des zweiten Beschleunigungsmessers 38 multipliziert mit dem Skalenfaktorfehler DK_y dieses Beschleunigungsmessers 38 entgegengeschaltet und das in der 0°-Stellung gespeicherte Signal des ersten Beschleunigungsmessers 36 multipliziert mit einem dem Fehlmontage-

Diese Mittel zur Bildung des Sinus und Kosinus des 55 winkel des zweiten Beschleunigungsmessers 38 um die Azimutwinkels nach Nord enthalten Mittel 76 zur Divi- Azimutachse 2F des entsprechenden Faktors Sy₇ überlasion des Cn-Signals durch ^\ — C_3x ², wodurch sich ein gert Auf diese Weise ergeben sich die Komponenten dem Kosinus des Azimutwinkels nach Nord cos (P dar- C31 und Cn der Richtungskosinusmatrix korrigiert hinstellendes Signal ergibt. Es sind weiterhin Mittel 78 zur sichtlich der Fehler der verwendeten Bauteile, wodurch Multiplikation Ci₂-Signals mit y'l — Cn² und Mittel 80 60 die Anforderungen an die Präzision der Bauteile reduzur Multiplikation des cos !^-Signals mit Cn · Cj₂ vorge- ziert werden können. Es müssen lediglich die Fehler der sehen. Das so erhaltene Produktsignal wird durch Addi- Bauteile bekannt sein. Diese können in einem Kalibriertionsmittel 82 zu dem mit der Wurzel multiplizierten verfahren vor Auslieferung des Gerätes bestimmt wer-Cu-Signal addiert Es sind Mittel vorgesehen zur Divi- den. Aus dem gleichen Grunde wird bei der beschriebesion der so erhaltenen Summe durch das negative EIe- 65 nen Ausführung der besagten Differenz von Mittelwert

ment — On der Richtungskosinusmatrix, wodurch sich ein den Sinus des Azimutwinkels nach Nord sin Ψ darstellendes Signal ergibt Dabei ergibt sich das Element der in den Speichern 44 und 48 gespeicherten Signale und im Speicher 46 gespeicherten Signal das in der 0"-Stellung gespeicherte Signal des erster Beschleuni-

11 12

gungtmessers 36 dividiert durch den Skalanfaktor SF, desselben und multipliziert mit ;inem die Masseunwucht-Drift des Kreisels darstellenden Faktor m überlagert und das Produkt der in der O-Stellung in den Speichern 86, 90 gespeicherten Signale des ersten und des zweiten Beschleunigungsmessers 36 bzw. 38, jeweils dividiert durch den zugehörigen Skalenfaktor SF^ bzw. SFy, multipliziert mit einem die zweifachen Anisoelastiziiät 2 η des Kreisels 12 darstellenden Faktor entgegengeschaltet. Das ist in Fig.3 durch den Block 102 und Summierpunkt 104 sowie den eine Multiplikation symbolisierenden Block 106 und Block 108 dargestellt. Wie in F i g. 4 durch Block 110 und Summierpunkt 112 dargestellt ist, ist der besagten halben Differenz der in den Speichern 44 und 48 gespeicherten Signale des in der 0°-Stellung gespeicherte Signal des zweiten Beschleunigungsmessers 38 multipliziert mit einem die Masseunwucht-Drift des Kreisels 12 darstellenden Faktor m überlagert.

Bei Kurs-Lage-Referenzbetrieb während der Fahrt erfolgt die 'aufende Berechnung des Kurswinkels nach Art der nicht vorveröffentlichten DE-OS 29 22 414 »Kurs-Lage-Referenzgerät« bei welcher die Achsen des Kreisels in gleicher Weise angeordnet sind wie bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen. Gegenüber der vorgenannten älteren Patentanmeldung ergibt sich der Vorteil, daß eine zusätzliche Verschwenkung des Kreisels um eine horizontale Schwenkachse entfällt. Auf den Inhalt der DE-OS 29 22 414 wird zur Ergänzung der Offenbarung ausdrückfich Bezug genommen.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

35

40

45

¹SO

55

Claims

Patentansprüche:

I.Vorrichtung zur Bestimmung der Nordrichtung, enthaltend einen Azimutrahmen, der um eine Azimutachse verdrehbar gelagert ist,

einen auf Komponenten der Erddrehgeschwindigkeit ansprechenden und entsprechende Signale liefernden Wendekreisel der auf dem Azimutrahmen angeordnet ist, wobei

die Drallachse des Wendekreisels in einer zu der Azimutachse senkrechten Ebene liegt und eine Eingangsachse des Wendekreisels in dieser Ebene senkrecht zu der Drallachse verläuft, ι > einen Stellmotor zum Verdrehen des Azimutrahmens um die Azimutachse,

eine Steuereinrichtung, durch welche der Stellmotor zum wahlweisen Eindrehen in eine erste Stellung (0°-Stellung) und eine dagegen um 90° versetzte zweite Sisllung (90° -Stellung) ansteuerbar ist,
Lotfühlermittel, welche auf Abweichungen der Azimutachse von der Vertikalen ansprechen, und
Signalverarbeitungsmittel für die Bestimmung der Nordrichtung, auf welche die Signale des Wendekreiseis und Signale von den Lotfühlermitteln aufgeschaltet sind und welche

Mittel enthalten zur Speicherung der Signale des Wendekreiscls in der 0°-Stellung und der 90"-Stellung, sowie Mittel zur Korrektur der gespeicherten Signale nach Maßgabe von Signalen der Lotfühlermittel.

Mittel zur Division der in der 0°-Stellung und der 90°-Steilung gespeki erten, korrigierten Signale durch die Horizontalkomponente .& = .£?£ cos Φ der Erddrehgeschwindigkeit und

Mittel zur Bildung des Sinus und/oder Kosinus des wahren Azimutwinkels aus den so erhaltenen Signalen,
dadurch gekennzeichnet, daß

(a) der Azimutrahmen um eine gerätefeste Adise drehbar gelagert ist,

(b) die Lotfühlermittel ein Paar von Signalen liefern, welche die Abweichung dieser gerätefesten Achse von der Vertikalen wiedergeben, und

(c) durch die Signalvcrarbeitungsmiltel jedes der durch die Hori/onialkomponcnie der P.rddrch- ya geschwindigkeit zu dividierenden Signale mit einem durch ein Signal der Lotfühlcrmittel bestimmten Anteil der Vertikalkomponente der Erddrehgeschwindigkeil korrigierbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) der Azimutrahmen durch den Stellmotor und die Steuereinrichtung zusätzlich in eine gegenüber der ersten Stellung um 180° versetzte dritte Stellung (180°-Stellung) eindrehbar ist und bo

(b) dieSignalvefarbeitungsmittel

Mittel enthalten zur Speicherung des Signals des Wcndekrcisels in der 180" -Stellung

(c) Mittel (50,52) zur Bildung der halben Differenz, der bei der 0°-Stellung und der bei der h^r> 180"-Stellung gespeicherten Signale, wobei d:is so erhaltene Signal durch die Horizontalkom-Donenten ß_t- = Ür cos Φ der Krddrehgcschwin-

digkeit dividiert wird,

(d) Mittel (56,58) zur Bildung des Mittelwerts der in der 0°-Stellung und der 180°-Stellung gespeicherten Signale und

(e) Mittel (60) zur Subtraktion des in der 90°-Stellung gespeicherten Signals von diesem Mittelwert vorgesehen sind, wobei das so erhaltene Signal durch die Horizontalkomponente Uc = JSeCOS Φ der Erddrehgeschwindigkeit dividiert wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) auf dem Azimutrahmen (10) ein erster Lotfühler, z. B. ein Beschleunigungsmesser (36) angeordnet ist, dessen Empfindlichkeitsachse parallel zur Kreiseldrallachse (z*) ist, und ein zweiter Lotfühler, z. B. ein Beschleunigungsmesser (38), dessen Empfindlichkeitsachse parallel zu der zweiten Eingangsachse (x*) des Kreisels (12) ist

(b) die Signalverarbeitungsmittel für die Bestimmung der Nordrichtung weiterhin

(bi) Mittel (64,66) zur Division der Beschieunigungsmessersignale durch die negative Erdbeschleunigung enthalten zur Erzeugung von Signalen, welche die Elemente Ci\ und Cn der Richtungskosinusmatrix für eine Transformation aus. einem gerätefesten Koordinatensystem in ein erdfestes Koordinatensystem darstellen,

(b₂) Mittel (68) zur Multiplikation des C₃₂-Signr.b mit der Vertikalkomponente Ω, — S2esin Φ der Erddtehung, wobei Ωε die Drehgeschwindigkeit die Erde und Φ die geographische Breite ist,

(bj) Mittel (70) zur Addition des erhaltenen Produkts Ω, Cj₂ zu der besagten halben Differenz der gespeicherten Signale vor der besagten Division durch die Horizontalkomponente der Erddrehung, wobei diese Division ein das clement G₂ der Richtungskosinusmatrix darstellendes Signal liefert,

(b₄) Mittel (72) zur Multiplikation des Cj,-Signals mit der Vertikalkomponente Ω, = Ω_Εύη <Pder Erddrehung,

(bi) Mittel (74) zur Addition der besagten Differenz von tcspeichertem Signal und Mittelwert und des besagten Produkts von Cn Signal und Vcrtikalkomponente vor der besagten Division durch die Hori/onlalkomponcntc der F.rddrchung, wobei diese Division ein das Element Cn der Richtungskosinusmatrix darstellendes Signal liefert, und

(bb) Mittel (Fig.5) zur Bildung von den Sinus und Kosinus des Azimutwinkels nach Nord darstellenden Signalen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Bildung des Sinus und Kosinus des Azimutwinkels nach Nord

(a) Mittel (76) zur Division des Cn-Signals durch i]\ — Cn⁷ aufweisen, wodurch sich ein den Kosinus des Azimutwinkels nach Nord cos Ψ darstellendes Signal ergibt, und

(b) Mittel (78) zur Multiplikation des Cu-Signals mit \J\ — Cji² sowie

(c) Mittel (80) zur Multiplikation des cos ^-Signals mit Cn · C]₂,

(d) Mittel (82) zur Addition des so erhaltenen Produktsignals zu dem durch die Wurzel dividierten CirSignal und

(e) Mittel (84) zur Division der so erhaltenen Summe durch das negative Element — Cu der Riehtungskosinusmatrix, wodurch sich ein den Sinus des Azimutwinkels nach Nord sin Ψ darstellendes Signal ergibt

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ιο

(a) der besagten halben Differenz der gespeicherten Signale des in der 0°-Stellung gespeicherte Signal multipliziert mit dem Skalenfaktorfehler DSF_x und das in der 90°-Stellung gespeicherte Signal multipliziert mit einem den Fehlmontagewinkel et_xy des Kreisels um die Azimutachse 2Ϊ wiedergebenden Faktor entgegengeschaltet sind und

(b) der besagten Differenz von Mittelwert und in der 90°-Stellung gespeichertem Signal das in der 0°-Stellung gespeicherte Signal multipliziert mit einem den Fehimontagewinkei a_x) des Kreisels um die Azimutachse zC wiedergebenden Faktor entgegengeschaltet und da;, in der 90°-Stellung gespeicherte Signal multipliziert mit dem Skalenfaktorfehler DSF_x überlagert ist.

G. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, gekennzeichnet durch

(a) Mittel (86, 88 bzw. 90, 92) zur Speicherung der Signale von den beiden Beschleunigungsmessern (36,38) jeweils in der 0° -Stellung und in der 180°-Stellung,

(b) Mittel (94,96 bzw. 98,100) zur Bildung der halben Differenzen der in der 0° -Stellung und in der 180° -Stellung gespeicherten Signale für jeden der beiden Beschleunigungsmesser (36,38) als Beschleunigungsmessersignale zur Division durch die Erdbeschleunigung.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) dem als halbe Differenz der gespeicherten Signale gebildeten Beschleunigungsmessersignal des ersten Beschleunigungsmessers (36) das in der 0^D-Stellung gespeicherte Signal des ersten Beschleunigungsmessers (36) multipliziert mit dem Skalenfaktorfehler DK_x dieses Beschleunigungsmessers (36) sowie das in der 0°-Stellung gespeicherte Signal des zweiten Beschleunigungsmessers (38) multipliziert mit einem dem Fehlmontagewinkel des ersten Beschleunigungsmessers (36) um die Azimutachse 2f-' entsprechenden Faktor ε,₇ entgegengeschaltet sind,

(b) dem als halbe Differenz der gespeicherten Signale gebildeten Beschleunigungsmessersignal des zweiten Beschleunigungsmessers (38) das in der 0°-Stellung gespeicherte Signal des zweiten Beschleunigungsmessers (36) multipliziert mit dem Skalenfaktorfehler DK_y dieses Beschleunigungsmessers (38) entgegengeschaltet und das &o in der 0°'Stellung gespeicherte Signal des ersten Beschleunigungsmessers (36) multipliziert mit einem dem Fehlmontagewinkel des zweiten Beschleunigungsmessers (38) um die Azimutachse zf entsprechenden Faktor s_yt überlagert ist.

8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) der besagten Differenz von Mittelwert der gespeicherten Signale und in der 90°-Stellung gespeichertem Signal

(ai) das an der 0°-Stellung gespeicherte Signal des ersten Beschleunigungsmessers (36) dividiert durch den Skalenfaktor SF_x desselben und multipliziert mit einem die Masseunwucht-Drift des Kreisels darstellenden Faktor m überlagert und

(a2) das Produkt der in der 0°-Stellung gespeicherten Signale des ersten und des zweiten Beschleunigungsmessers (36, 38), jeweils dividiert durch den zugehörigen Skalenfaklor SF_x bzw. SFy, multipliziert mit einem die zweifache Anisoelastizität 2 η des Kreisels darstellenden Faktor entgegengeschaltet ist, und

(b) der besagten halben Differenz der gespeicherten Signale das in der 0° -Stellung gespeicherte Sigsal des zweiten Beschleunigungsmessers (38) multipliziert mit einem d;_ Masseunwucht-Drift des Kreiseis darstellenden F; jctor zn überlagert ist.