DE3109779A1

DE3109779A1 - "magnetkompass-kompensationssystem"

Info

Publication number: DE3109779A1
Application number: DE19813109779
Authority: DE
Inventors: Donald Jacob 85023 Phoenix Arizona Kesselring; Alfred Charles 85304 Phoenix Arizona Setter
Original assignee: Sperry Corp
Current assignee: Sperry Corp
Priority date: 1980-03-17
Filing date: 1981-03-13
Publication date: 1982-02-25
Also published as: US4327498A; IL62311A; JPH021244B2; JPS56143906A; GB2071854B; CA1154131A; FR2478302A1; IT8148022A0; FR2478302B1; GB2071854A; DE3109779C2; IT1170803B

Description

Patentanwälte Dipl.- I η g. C U rt Wal I ach

Dipl.-Ing. Günther Koch

Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach

^ Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum: _{13> März 19Ö1}

Unser Zeichen: 17 I53 _ Fk/Vi

SPERRY CORPORATION

1290 Avenue of the Americas,

New York, New York, 10019

U.S.A.

Magnetkompaß-Kompensationssystem

Die Erfindung "bezieht sich allgemein auf Magnetkompaß-Kompensationssysteme und insbesondere auf derartige Systeme, die zur Verwendung in starke Eisenbestandteile enthaltenden Landfahrzeugen geeignet sind, beispielsweise in militärischen gepanzerten Transportfahrzeugen und Panzern.

Es sind verschiedene Arten von die Nordrichtung findenden oder aufsuchenden Einrichtungen für navigierbare Fahrzeuge bekannt, die Kompensationssysteme verwenden, um die dauernden und induzierten Magnetfelder des Fahrzeuges zu beseitigen. Die meisten dieser Einrichtungen sind speziell zur Verwendung in Luftfahrzeugen ausgelegt. Einrichtungen dieser Art verwenden grundsätzlich einen Erdmagnetfeldfühler zur Nessung der Horizontalkomponenten des Erdmagnetfeldes sowie eine mechanische oder elektronische Kompensationseinheit, die an dem Magnetfeldmeßfühler befestigt oder elektrisch mit diesem verbunden ist und die während eines Kompensations-Ausschwingvorganges dazu verwendet werden kann, die Störwirkungen der permanenten und induzierten Magnetfelder des Fahrzeuges zu beseitigen. Ohne eine derartige Kompensation würden die durch die dem Fahrzeug eigenen Magnetfelder hervorgerufenen Störungen die Anzeige des Magnetfeldmeßfühlers als Navigationshilfe unbrauchbar machen.

Bei den meisten Magnetkompaßanwendungen, wie beispielsweise in Schiffen und Luftfahrzeugen, wird die Hauptstörung oder Verzerrung des Erdmagnetfeldes in der Nähe des Magnetkompaß-Meßfühlers oder Anzeigers, d. h. des

örtlichen Erdmagnetfeldes, durch das sogenannte "Harteisenmaterial" in dem Fahrzeug hervorgerufen. Dieses
Harteisenmaterial erzeugt im Ergebnis selbst ein permanentmagnetisches Feld, das in Kombination mit dem Erdmagnetfeld dieses verzerrt, so daß die Kompaßanzeige fehlerhaft ist. Das Harteisenmaterial, dessen Lage in dem Fahrzeug festgelegt ist, kann einfach und in üblicher Weise
nach einer Ermittlung durch ein Kompaßausschwenken kompensiert werden, wobei die Horizontalkomponenten des
durch das Harteisenmaterial hervorgerufenen Feldes dadurch zu Null gemacht werden kann, daß gleiche und entgegengesetzte Magnetfeldkomponenten in der Nähe des Kompasses erzeugt werden. Veil das durch das Harteisenmaterial hervorgerufene permanente Störfeld in seiner Lage in .dem Fahrzeug festgelegt ist und durch das Erdmagnetfeld
nicht beeinflußt wird, ist die Kompensation für alle
Steuerkurse und Lagen des Fahrzeuges wirksam. Eine weitere Störung oder Verzerrung des Erdmagnetfeldes in der Nähe des Meßfühler des Magnetkompasses wird durch die
Weicheisenbestandteile des Fahrzeuges hervorgerufen. Dieses Weicheisenmaterial ergibt eine Störung oder Verzerrung des örtlichen Magnetfeldes, die durch ein Magnetfeld hervorgerufen wird, das durch das Erdmagnetfeld in den
Weicheisenbestandteilen des Fahrzeuges induziert wird.
Wenn daher das Fahrzeug seine Lage relativ zur Richtung
des Erdmagnetfeldes ändert, so ändert sich auch die Größe des in dem Weicheisenmaterial des Fahrzeuges induzierten
Feldes ebenfalls aufgrund der Änderung des Einfallwinkels des Erdmagnetfeldes auf diese Weicheisenbestandteile. Daher ist die Kompensation des induzierten oder Weicheisenfehlers in dem Örtlichen Erdmagnetfeld ein wesentlich
schwierigeres Problem. Tatsächlich wird bei vielen

Kompaßsystem-Installationen, insbesondere in Luftfahrzeugen, nicht versucht, den Weicheisenfehler zu kompensieren, der durch erhebliche Fluglagenänderungen hervorgerufen wird, und zwar deshalb, weil dieser Fehler während eines normalen Fluges nur vorübergehend ist.

Auf dem Gebiet der Kompaßkompensation wurden bereits Kompensationsschemen vorgeschlagen, bei denen versucht wurde, die induzierten Feldfehler in einem Kompaßsystem zu kompensieren. Ein Beispiel hierfür ist in der US-PS 2 692 970 beschrieben. In dieser Patentschrift sind die auftretenden theoretischen Grundlagen einer derartigen ' Veicheisenkompensation für Luftfahrzeuge beschrieben. Hierbei müssen jedoch die der Kompensationseinrichtung zugeordneten Magnetometer so angeordnet und bezüglich der Vertikal- und Querachse des Luftfahrzeuges befestigt sein, daß sie lediglich entsprechende Komponenten des Erdmagnetfeldes erfassen, die von Harteisen- und Weicheisenstörungen frei sind, weil diese Werte als Funktionen der Nick- und Kollagen des Luftfahrzeuges aufgelöst werden, um die Harteisen- und Weicheisen-Kompensationsfelder am Kompaß-Magnetometer zu liefern. Allgemein könnte diese bekannte Anordnung bei stark eisenhaltigen Landkampffahrzeugen, wie beispielsweise Panzern, nur dann brauchbar sein, wenn die Magnetometer auf einem hohen Mast weit entfernt von den Metallteilen des Panzers befestigt werden könnten* Dies dürfte üblicherweise in der modernen Panzerkriegsführung nicht akzeptabel sein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Magnetkompaß-Kompensationssystem der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem der primäre Magnetfeld-Meßfühler oder

der Navigationssystem-Kompaßmeßfühler nahe der schützenden Panzerung des Fahrzeuges angeordnet werden kann und
"bei dem sich eine hohe Kompaßgenauigkeit "bei Mick- und
Rollbewegungen des Fahrzeuges ergibt.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs Λ angegebene Erfindung gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bei dem erfindungsgemäßen Magnetkompaß-Kompensationssystem kann der primäre Magnetfeldmeßfühler oder der Navigationssystem-Kompaßmeßfühler im Inneren der schützenden Panzerung des Fahrzeuges angeordnet sein. Das erfindungsgemäße Magnetkompaß-Kompensationssystem ergibt eine Kompaßgenauigkeit mit einem vorgegebenen kleinen Fehler
(beispielsweise +3 ) nicht nur bei einer ebenen Lage des Luftfahrzeuges, sondern, auch dann, wenn sich das Fahrzeug auf unebenem Gelände befindet, was zu Kippbewegungen von ± 15° bis ± 20° in Nick- und Rollrichtung führt.

Das erfindungsgemäße Magnetkompaß-Kompensationssystem ermöglicht die Lieferung eines genatien Maßes des magnetischen Steuerkurses eines stark eisenhaltigen Landfahrzeuges, wie beispielsweise eines Panzers, mit Hilfe von Meßfühlern, die vollständig im Inneren der schützenden Panzerung des Fahrzeuges angeordnet sind, d. h. die äußerst starken Feldstörungen durch permanente und induzierte
Magnetfelder ausgesetzt sind. Gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform schließen die Magnetfeldmeßfühler einen
primären Magnetfeldmeßfühler, der so angeordnet ist, daß

er lediglich die Horizontalkomponenten des Erdmagnetfeldes mißt, wie beispielsweise eine übliche pendelnd befestigte Magnetflußsonde, und einen sekundären Magnetfeldmeßfühler ein, der in dem Fahrzeug nahe benachbart zu dem primären Meßfühler befestigt und so angeordnet ist, daß er direkt bei allen Fahrzeuglagen die Komponenten des Gesamtmagnetfeldes des Fahrzeuges und des Erdmagnetfeldes, gemessen parallel zu den primären Längs-, "Vertikal- und Quer-Fahrzeugachsen feststellt, wobei das Gesamtmagnetfeld entsprechende Komponenten des Erdmagnetfeldes, des permanenten Fahrzeugmagnetfeldes und des induzierten Fahrzeugmagnetfeldes einschließt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist weiterhin eine einstellbare elektronische Verarbeitungseinrichtung vorgesehen, die aus den Gesaratmagnetfeldkomponenten die Komponenten trennt, die von den permanenten·und induzierten Fahrzeug-Magnetfeldern hervorgerufen werden, und es ist eine Yielzahl von Magnetfeldgeneratorwicklungen vorgesehen, die den primären Meßfühler umgeben, bezüglich der Fahrzeug-Hauptachsen festgelegt sind und auf die getrennten permanenten und induzierten Felder mit entgegengesetzten Vorzeichen ansprechen, so daß die Auswirkungen dieser Komponenten auf den primären Meßfühler beseitigt werden. Auf die Magnetfeldgeneratoren ansprechende Bückführungsschaltungen liefern ßückführungssignale an die elektronische Einrichtung zur Erzeugung der Erdmagnetfeldkomponenten, die erforderlich sind, um die induzierten Feldkomponenten zu definieren und- um alle Auswirkungen der Vicklungsfeider auf den eng benachbarten sekundären oder feste Achsen aufweisenden Meßfühler zu beseitigen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen noch näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine typische Installation einer Ausfiihrungsforra des Magnetkompaß-Kompensationssystems in einem Panzer, während Fig. 1A eine vergrößerte Darstellung der eigentlichen Detektorbaugruppe zeigt,

Fig. ? eine schematische Darstellung einer festen. Drei-Achsen-Magnetfeldsonde sowie die Ausrichtung ihrer Haupt-Meßachsen bezüglich der Hauptachsen des Fahrzeuges,

Fig. J' eine ähnliche Darstellung einer pendelnd angeordneten Zwei-Achsen-Magnetfeldsonde,

Fig. ^l'- ein Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform des Magnetkompaß-Kompensationssystems,

Fig. fi eine ausführlichere Darstellung einer elektronischen Verarbeitungseinrichtung, die einen Teil der Ausführungsform nach Fig. 4- bildet,

Fig. 6 eine Abänderung der bevorzugten Ausführungsform.

Fig. 1 zeigt ein typisches stark eisenhaltiges Land-

Kampf fahrzeug, wie "beispielsweise einen Panzer 11, der eine Magnetkompaß-Detektorbaugruppe 12 aufweist, die vollständig innerhalb der schützenden St aliTnanz erplatt en des Panzers eingeschlossen ist. Zwei jeweils drei zueinander orthogonale Achsen aufweisende Systeme sind in den Panzer 11 eingezeichnet. Das erste Drei-Achsen-System entspricht den Erdmagnetfeldachsen durch den Panzer und ist durch die beiden horizontalen Achsen a, b und eine vertikale Achse c bezeichnet. Das zweite Droi-Achsen-System entspricht den Längs-, Quer- und Vertikalachsen des Panzers 11, die mit den Buchstaben 1, t bzw. ν bezeichnet sind. Fig. 1A zeigt eine vergrößerte Darstellung der magnetischen Detektorbaugruppe 12, die vollständig innerhalb der schützenden Umhüllung des Panzers 11 angeordnet ist und erste (!Compensations-) Detektoreinrichtungen 15 und zweite (Kompaß-) Detektoreinrichtungen 14 in enger Nähe zueinander einschließt, die vorzugsweise in einem gemeinsamen Behälter oder Gehäuse 12 angeordnet sind. Es ist verständlich, daß das Koordinatenachsensystem des Fahrzeuges vorzugsweise das dargestellte ist, d. h. das aus den Längsachsen,' Querachsen und vertikalen Achsen bestehende System, was jedoch die Erfindung in ihrem weitesten Grundgedanken nicht in irgendeiner Weise auf diese Achsen beschränkt, so daß in der Praxis auch andere Koordinatenachsensysteme verwendet werden können.

In Fig. 2 ist schematisch eine feste Drei-Achsen-Magnetfeldsonde 14 gezeigt, die von der Art sein kann, wie sie in der DE-OS 2 434 374 beschrieben ist, und die auch als Magnetflußrohr bezeichnet wird. Diese Magnetfeldsonde ist bezüglich des Fahrzeuges festgelegt, so daß ihre Meßachsen parallel zu den Haupt-Fahrzeugachsen 1, t und ν

ausgerichtet sind. Diese Magnetfeldsonde mißt daher direkt die Längs-, Quer- und Vertikalkomponenten des Gesamtmagnetfeldes an der Fahrzeugposition, und zwar unter Einschluß der Komponenten des Erdmagnetfeldes, der Komponenten des Permanentmagnetfeldes des Panzers und der Komponenten des induzierten Magnetfeldes des Panzers. Fig. 2 zeigt weiterhin die beiden Drei-Achsen-Systeme a-a¹, b-b¹ , c-c¹ und 1-1', t-t', v-v' gemäß Fig. 1.

In Fig. 3 ist ein primärer Magnetfeldmeßfühler gezeigt, der in Form einer pendelnd aufgehängten Zwei-Achsen-Magnetfeldsonde 13 von der Art dargestellt ist, die beispielsweise in der DE-OS 2 132 280 gezeigt ist. Diese Magnetfeldsonde 13 ist in dem Fahrzeug derart befestigt, daß sie Signale erzeugt, die die Horizontalkomponenten des Magnetfeldes an der Position des Fahrzeuges darstel-. len. In ähnlicher Weise kann die pendelnde Magnetfeldsonde 13 Signale erzeugen, die andere Komponenten des Erdmagnetfeldes darstellen. Den primären äußeren Signalen, die auf die Magnetfeldsonde 13 einwirken, sind magnetische Kompensationswicklungen 53» 54- "und 55 zugeordnet, die in erfindungsgemäßer Weise Felder erzeugen, die die . Störungen aufheben, die durch die permanenten und induzierten Magnetfelder des Panzers hervorgerufen werden, wie dies weiter unten erläutert wird. Fig. 3 zeigt weiterhin die beiden Drei-Achsen-Systeme nach Fig. 2.

In der folgenden Erläuterung des elektronischen Teils des erfindungsgemäßen Magnetkorapaß-Kompensationssystems, der die den Kompensationswicklungen 53» 54 und 55 zugeführten Ströme erzeugt, um die Kompensationsmagnetfelder zu erzeugen, wird auf die verschiedenen Magnetfeldkomponenten-

vektoren und deren Beziehungen Bezug genommen, die wie folgt definiert sind:

GLEICHUNGEN	^Hn	BESCHREIBUNG
Erdmagnetfeld = H i + H k ei ek		Ungestörte horizontale und vertikale Komponenten des Erdmagnetfeldes
2.H , = H .CO S ψ COS 8 — H , SIN8 1 H . = H . (ΟΟ3ψ3.ΙΝΘ5ΙΝφ - 3ΙΝψΟΟ3φ) ec ei	^HPV	Erdmagnetfeld entlang der Fahrzeugachsen
+ H , COS3SIN* ek ^ψ		Ψ ⁼ Steuerkurs
⁴-^Hev * "ei <SIN.SIN+C0SiSINaC0S)		θ = Nick
+ H COSθCOSφ		φ = Roll
5. H , = H . COSiJ; el ei 6. H = -Ή . είΝψ et ei		Erdmagnetfeld entlang der Fahrzeugachsen unter ebenen Bedingungen
.7. H = H . ev ek
8.Harteisenfeld des Fahrzeuges entlang der Achse =		Permanentes (Harteisen-)
9 .Harteisenfeld des Fahrzeuges entlang der Achse = Χ»		Magnetfeld des Fahrzeuges
K).Harteisenfeld des Fahrzeuges entlang der Achse = V
^1LHsl = ^Kll^Hel ^{+ K}tl^Het ^{+ K}vl^Hev		Indusiertes (Weicheisen-)
^IZKst = ^Klt^Hel ^{+ K}tt^Het ^{+ K}vt^Hev		Magnetfeld des Fahrzeuges
^LlKsv - ^Klv^Hel ^{+ K}tv^Het ^{+ K}w^Hev
	Gesamtmagnetfeld entlang
¹⁵· ^Ht ^aHet * ^Hpt ^{+ H}st	Fahrzeugachsen.
¹⁶· ^Hv - ^Hev ^{+ H}pv ^{+ H}sv ■
¹⁷'~^Hlcomp * ^Hpl ^{+ H}sl tcomp' pt st 19.-H "β H +H vcunip pv sv	Kompensationsfelder von den festen äußeren Wicklungen, die ,die pendelnde 2-Achsen-Magnet- sonde umgeben.
■1- 1 lcomp el	Kompensiertes Feld, das auf
2LH_t' s H - H sH	das pendelnde 2-Achsen--Feld
t tcomp et	aufgeprägt ist.
22-H · a H - H a H ν ν vcomp ev

Pig. 4- zeigt ein vereinfaclites Blockschaltbild einer "bevorzugten Ausführungsform des Magnetkompaß-Kompensationssystems. Dieses System schließt die sekundäre oder Kompensations-Magnet felddetektoreinrichtung 14- in Form einer festen Drei-Achsen-Magnetfeldsonde zur direkten Messung der Längs-, Quer- und Vertikalkomponenten des Gesamtmagnetfeldes des Fahrzeuges an einer Stelle innerhalb des' Fahrzeuges ein. Den Längs- und Querkomponenten entsprechende Signale werden in üblicher Weise durch die horizontal angeordneten Schenkel der Magnetfeldsonde geliefert, während der Vertikalkomponente entsprechende Signale in der dargestellten Weise von dem vertikalen Schenkel geliefert werden. Die Betriebsweise dieses Detektors ist ausführlich in der oben erxtfähnten DE-OS 2 434- 374- beschrieben. Diese Signale werden einem Stromservo 15 zugeführt, der von der in der DE-PS 1 964- 569 beschriebenen Art sein kann. Wie dies in dieser Patentschrift beschrieben ist, sind die Ausgangssignale des Stromservos 15 elektrische Spannungssignale, die die Vektorkoraponenten des Gesamtmagnetfeldes an der Position des Magnetfelddetektors in dem Panzer, gemessen entlang dessen Längs-, Quer- und Vertikalachsen, darstellen. Diese Ausgangssignale werden dann einer in einer geschlossenen Schleife betriebenen elektronischen Verarbeitungseinrichtung 16 zugeführt, deren grundlegende Funktion darin besteht, Gleichströme an die Kompensationswicklungen 53» 54- und zu liefern, die (in einer Helmholtz-Anordnung)' die primäre oder Kompaß-Magnetfeldsonde 13 umgeben, wobei die Gleichströme eine derartige Amplitude und Polarität aufweisen, daß innerhalb der Grenzen der Systemgenauigkeit die permanenten und induzierten Felder des Fahrzeuges an dieser Position und bei allen Fahrzeug-Steuerkursen und

Fahrzeugroll- und -nickwinkeln aufgehoben werden. Weil die mit festen Achsen angeordnete Gesamtfeld-Magnetfeldsonde 14 die Komponenten des Gesamtmagnetfeldes direkt innerhalb der Fahrzeiig-Koordinatenachsen mißt und weil die Kompensationswicklungen 53, 54- und 55 ebenfalls auf die Koordinatenachsen des Fahrzeuges bezogen sind, ist zu erkennen, daß bei dem erfindungsgemäßen Magnetkompaß-Kompensationssystem keine trigonometrischen Transformationen oder Auflösungen bezüglich der Erdkoordinatenachsen erforderlich sind. Entsprechend erzeugt die feste Magnetfeldsonde 14 direkt Signale, die proportional zu den Gesamtfeldkomponenten Η·,, H. und H entsprechend den vorstehenden Gleichungen 14, 15 und 16 sind, wobei die Werte von H-,, H . und H durch die Gleichungen 2, 3 und 4 definiert sind, während die Werte des Permanentfeldes des Fahrzeuges gleich H -, , H₄. und H ,_r sind, wie dies in den

P-L pX/ pv

P p p

vorstehenden Gleichungen 8, 9 und 10 definiert ist, und wobei die komplexen Gleichungen des induzierten Magnetfeldes des Fahrzeuges gleich H -, , H . und H sind, wie dies in den vorstehenden Gleichungen 11, 12 und 13 definiert ist. Wie dies schematisch in Fig. 4 gezeigt ist, Xierden die Gesamtfeldkomponenten H-, , H, und H Summier- und Verstärkungseinstellschaltungen 28 zugeführt, die über noch zu beschreibende Rückführungssteuerschleifen Ausgangssignale liefern, die proportional lediglich zu den Komponenten des Erdmagnetfeldes H-, , H_e+_ und H (vorstehende Gleichungen 2, 3 und 4) sind. Diese Ausgänge werden einer Gruppe von Potentiometer- und Summiernetzwerken 29 zugeführt, in denen die Komponentenwerte H ^, H .. und H des Permanentfeldes des Fahrzeuges und die Komponentenwerte H_gl, E^ und H_gv des induzierten Feldes des Fahrzeuges ausgebildet und summiert werden. Die

letzteren Signale werden in geeigneter Weise in Schaltungen 59 gepuffert und hinsichtlich ihrer Verstärkung'eingestellt, und die Ausgangssignale dieser Schaltungen 59 werden den Feldgeneratorwicklungen 53? 5^ und 55 zugeführt, die den pendelnden Kompaßmeßfühler oder die Kompaßmagnetfeldsonde 13 umgeben. Die gleichen Ausgangssignale werden an die Summier- und Verstärkungseinstellschaltungen 28 über Leitungen 61, 62, 65 zurückgeführt und werden in diesen Schaltungen 28 mit den Ausgangssignalen der festen Magnetfeldsonde summiert, um im Ergebnis ihre entsprechenden Komponenten aus den Gesamtfeldkomponenten zu entfernen, so daß lediglich die Erdfeldkomponenten H , , H . und H verbleiben.

Das kompensierte Ausgangssignal der pendelnden Zwei-Achsen-Magnetfeldsonde oder der Kompaßmagnetfeldsonde 13 wird über die üblichen drei Ausgangsleitungen einem zweiten Stromservo 60 in üblicher Weise zugeführt, um ein Ausgangssignal zu liefern, das dem Steuerkurs des Panzers 11 bezüglich der magnetischen Nordrichtung proportional ist. Der Stromservo 60 kann so angeschaltet sein, daß er einen üblichen synchro-gesteuerten Anzeiger einstellt, wie dies beispielsweise in der US-PS 3 646 537 beschrieben ist, oder die Ausgangssignale können einem Kurskreisel eines' Kreiselmagnetkompaßsystems von der Art zugeführt werden, wie sie beispielsweise in der GB-PS 638 971 beschrieben ist.

In 3?ig. 5 ist die elektronische Verarbeitungseinrichtung 16 in Form eines Schaltbildes dargestellt. Die elektronische Verarbeitungseinrichtung 16 besteht aus drei Kanälen 17, 18 und 19j die nahezu identische elektronische

Bauteile aufweisen. Jeder Kanal empfangt die Gleichspannungsausgangssignale von den Stromservo- und Pufferschaltungen 15 nach Fig. 4-. Der Kanal.17 empfängt das die Längskomponente H-, des Gesamtmagnetfeldes, gemessen entlang der Längsachse des Panzers, darstellende Signal, der Kanal 18 empfängt das eine Komponente H. des Gesamtmagnetfeldes, gemessen entlang der Querachse des Panzers, darstellende Signal und der Kanal 19 empfängt das eine Komponente H des Gesamtmagnetfeldes, gemessen entlang der Vertikalachse des Panzers, darstellende Signal. Weil die Kanäle 17, 18 und 19 von ihrem Aufbau und ihrer Funktion her im wesentlichen identisch sind, wird nur ein derartiger Kanal, der Kanal 17, ausführlich beschrieben, um unnötige Wiederholungen zu vermeiden.

Das induzierte Magnetfeld ist die magnetische Störung, 'die durch die sogenannten Weicheisenmaterialien hervorgerufen wird. Im Gegensatz zum Permanentfeld ist das induziert 3 Magnetfeld vorübergehend und ändert die Wirkung des Erdmagnetfeldes H . und H ^- (siehe die vorstehende Gleichung 1) dadurch, daß die magnetischen Achsen der aus Eisenmolekülen bestehenden Kristallbereiche neu ausgerichtet werden. Die Amplitude und Richtung des induzierten Magnetfeldes ändert sich als Funktion der Größe und Richtung des äußeren Feldes, das auf das Fahrzeug auftrifft, so daß sich Änderungen ergeben, wenn das Fahrzeug verschiedene Lagen und Steuerkurse bezüglich des Erdfeldes annimmt.

Die vorstehenden Gleichungen 11 bis 13 setzen das induzierte Magnetfeld auf den Fahrzeugsteuerkurs und die Fahrzeuglage und die äußeren Erdmagnetfeldkomponenten

- λ/-JlO

Ξ-,, H . und H aus den Gleichungen 2 bis 4 in Beziehung. Der erste Index-Buchstabe der K(Konstanten-)Ausdrücke bezieht sich auf die Sichtung des von außen angelegten Feldes, das das Entstehen eines induzierten Magnetfeldes bewirkt, wie dies durch den zweiten Index-Buchstaben angegeben ist. Beispielsweise führt in der vorstehenden Gleichung 11 das auf die Querachse des Fahrzeuges ausgeübte äußere Feld (H ,) zur Erzeugung eines induzierten Feldes (^+-n ^H _e-t-)» das entlang der Längsachse· des Fahrzeuges gerichtet ist. In ähnlicher Weise ist (K -,H) das induzierte Magnetfeld,das in Längsrichtung gerichtet ist und sich aufgrund des auf die vertikale Achse einwirkenden äußeren Feldes (H ) ergibt. Der Ausdruck (K, ^H^) stellt das induzierte Magnetfeld dar, das sich entlang der Längsachse aufgrund eines äußeren Feldes ergibt, das auf die gleiche Achse einwirkt. Der Ausdruck (H -,) stellt das gesamte induzierte Magnetfeld entlang der Längsachse dar. Entsprechend erzeugt jedes der drei äußeren Felder (H-, , H , und H) drei induzierte Felder, die- entlang der Fahrzeugachsen gerichtet sind. Wie dies aus den Gleichungen 2 bis 4 zu erkennen ist, sind diese induzierten Felder eine Funktion der Fahrzeug-Kicklage.

Ahnlich wie die Harteisen- oder Permanentfelder, die sich mit der Fahrzeuglage nicht ändern, weil sie bezüglich des Fahrzeuges festgelegt sind, kann glücklicherweise die Größe der Komponenten der induzierten Feldänderungen genau während eines Kompaßausschwingens des Fahrzeuges und während bestimmter gewünschter Steuerkurse bei geneigtem Fahrzeug bestimmt werden, wobei dieses Verfahren für den Fachmann auf dem Gebiet von magnetischen Kompassen gut bekannt ist. Beispielsweise können die K-Werte der

U G 7 7 9

vorstehenden Gleichungen 11, 12 und 13 "bei den Hauptsteuerkursen des Fahrzeuges bei in ebener Lage befindlichem Fahrzeug unter Verwendung der Gleichungen 5» 6 und 7 berechnet werden, worauf dann bei einem dieser Steuerkurse, beispielsweise bei 0°, das Fahrzeug geneigt oder in eine Nicklage bis zu einem willkürlich gewählten Wert von 15° gebracht wird, was die Gleichungen 2, 3 xmd 4 beeinflußt, worauf die K-Werte entsprechend modifiziert werden können. Die vorstehend genannte US-Patentschrift 2 692 970 gibt die ausführlichen Gleichungen zur Ableitung dieser K-Werte an.

Wie bei einer erneuten Betrachtung der Fig. 5 zu erkennen ist, wird der zu H-, proportionale Gleichspannung saus gang des Stromservos 15 einem Summierglied 20 zugeführt, in dem dieses Gleichspannungsausgangssignal mit dem negativen Gleichspannungs-Rückführungssignal (wie dies noch näher erläutert wird) summiert wird. Das resultierende Signal H-, wird einem Widerstandselement oder einem Netzwerk 17a zugeführt, das weiterhin die Ausgangssignale H ,und Η. entsprechender Summierglieder 30 und 40 der Kanäle 18 bzw. 19 empfängt. In ähnlicher Weise wird das H-, -Spannungssignal 17 den Widerstandsnetzwerken 18a und 19a der Kanäle 18 bzw.19 zugeführt. Die Widerstandsnetzwerke 17a, 18a und 19a bilden eine Einrichtung zur Lieferung eines Maßes des induzierten Magnetfeldes des Fahrzeuges H -, , H , und H entsprechend den vorstehenden Gleichungen 11, 12 und 13- Weil alle diese drei Netzwerke wiederum identisch sind, wird nur eines beschrieben. Beispielsweise sind die Potentiometer 22, 21 und 23 für das Netzwerk 17a zum Empfang von Spannungen angeschaltet, die jeweils proportional zu den Erdmagnetfeldkomponenten entlang der

längs-(H_el), Quer-(H_et) und Vertikalachsen(H_ev) sind. Die Schleifer dieser Potentiometer werden entsprechend der Werte von K-,-,, K^-, "bzw. E-, eingestellt, wobei diese Werte während des Kompaß aus schwingens bestiiamt werden, wie dies weiter oben beschrieben wurde. Die Ausgangssignale dieser Potentiometer werden am Summierglied 24 summiert und das resultierende Ausgangssignal dieses Summiergliedes ist die Spannung mit dem Wert H -, , die das induzierte Magnetfeld entlang der Längsachse in der Position der festen Magnetfeldsonde 14 entsprechend der vorstehenden Gleichung 11 darstellt. Die Werte yon H , und H werden in der gleichen Weise gewonnen, und zwar im Kanal 18 über das Netzwerk 18a mit den Potentiometern J1, 32 und 33 bzw. im Kanal 19 über das Netzwerk 19a mit den Potentiometern 41, 42 und 43.

Wie dies weiter oben erläutert wurde, wird das störende Permanentmagnetfeld als "Harteisen"-Stb"rung bezeichnet, was sich auf die Art des Eisens bezieht, die diese Wirkung hervorruft. Das "Harteisen"-i¹eld (Hp) ist hinsichtlich seiner Größe und Sichtung im wesentliehen konstant und kann daher in Ausdrucken der fahrzeugfesten Achsen gemäß den Gleichungen 8, 9 und 10 ausgedrückt werden. Aus diesen Gleichungen ist zu erkennen, daß zu irgendeinem Zeitpunkt das Permanentmagnetfeld des Fahrzeuges ebenso wie das induzierte Feld über lange Zeitperioden konstant sein kann und damit durch periodisches Kompaßausschwingen kompensiert werden kann.

Unter erneuter Bezugnahme auf den Kanal 17 gemäß Fig. 5 ist zu erkennen, daß die Größe der Permanentfeldstörungen bezüglich der Längsachse H -, des Fahrzeuges während des

Kompaß aus schwingens des Fahrzeuges bestimmt idrd, wobei dieses Kompaßausschwingen als solches gut bekannt ist. Dieses Kompaßausschwingen kann beispielsweise entsprechend der Verfahren durchgeführt werden, die in der US-.Militärnorm MIL-STD 765A festgelegt sind, die vom U. S.-Verteidigungsministerium erhältlich ist. Zur Lieferung des Wertes von H _Ί ist ein weiteres Widerstandsnetzwerk

pl

26 vorgesehen, das ein gleichspannungsgespeistes Potentiometer aufweist, dessen Schleifer auf den während des Ausschwingens bestimmten Wert von H -, eingestellt ist. Dieses Signal wird mit der induzierten Feldkomponente H-, in einem Summierglied 25 kombiniert oder summiert. Die

Werte von H , und H werden in ähnlicher Weise in die pt pv

Kanäle Ί8 und 19 über Potentiometer 36 und 4-6 eingeführt und mit den Werten von H j_ und H über Summierglieder 35

S O SV

und 45 summiert. Das Ausgangssignal des Summiergliedes 25 des Kanals 17 ist damit ein Signal, das proportional zur Summe der Komponenten des induzierten Magnetfeldes und des Permanentmagnetfeldes parallel zur Längsachse des Fahrzeuges ist, d. h. also ein Signal, das proportional zu H -j +H-, ist. Dieses Signal kann dann mit der richtigen Polarität an die Wicklungen 53 bis 55 angelegt werden, um ein gleiches und entgegengesetztes Magnetfeld an der pendelnd befestigten primären oder Kompaß-Magnetfeldsonde 13 zu erzeugen, um beide Komponenten der störenden induzierten und Permanentmagnetfelder zu Null zu machen, so daß die Kompaß-Magnetfeldsonde lediglich die Komponente H-, des Erdmagnetfeldes parallel zur Längsachse des Fahrzeuges mißt, wie dies in den vorstehenden Gleichungen 17 und 20 angegeben ist. Zu diesem Zweck wird das Ausgangssignal des Summiergliedes 25 einem Spannungs-/Strom-Yerstärker 50 zugeführt, um die entgegengesetzt

- ψ-11·

polarisierten H -, + H -,-Stromsignale mit dem richtigen Amplitudenpegel an die Wicklung 53 zu liefern.

Erfindungsgemäß wird der der Wicklung 53 zugeführte, ein Magnetfeld erzeugende Strom mit Hilfe eines Strommeßwiderstandes 56 gemessen und über eine Leitung 61 und ein Verstärkungseinstellnetzwerk 28 als weiterer Eingang dem Suminierglied 20 zugeführt, in dem es von dem ursprünglichen Eingangssignal H-. subtrahiert wird, um das H -,-Signal zu liefern, das für die Abtrennung der H .,-Komponenten benötigt xtfird, wie dies durch die vorstehende Gleichung 11 angegeben ist.

Die Nähe der festen Magnetfeldsonde 14- zu den die pendelnde Magnetfeldsonde 13 umgebenden Kompensationswicklungen 53» 54- und ^ kann jedoch dazu führen, daß ein Streukompensationsfeld durch die feste Magnetfeldsonde 14-gemessen wird. Wenn dieses Streukompensationsfeld nicht korrigiert wird, erzeugt es Fehler bei der Bestimmung der Werte von H_e-, , H . und H · Daher sind die Verstärkungseinstelleinrichtungen 27, 37 "und 4-7 mit den elektronischen Kreisen 62, 62 und 63 gekoppelt, um diese Streukompensation durch Einführen eines vorgegebenen Verstärkungsfaktors 1 + λ in die Eückführungssignale zu korrigieren. Der Ausdruck .) stellt eine proportionale Differenz in der G-röße zwischen den von den Wicklungen 53 ₅ 54- und 55 zurückgeführten Kompensationssignalen und der Streukompensation von den Wicklungen 53 > 5^ "und 55 dar, die von der festen Magnetfeldsonde 14- festgestellt wird. Wenn beispielsweise die zurückgeführten Kompensationssignale zehnmal größer als die festgestellte Streukompensation sind, so ist A gleich 1/1O oder 0,1.

Der Aufbau und die Betriebsweise der Kanäle 18 und 19 entspricht dem vorstehend beschriebenen Kanal 17 hinsichtlich der Erzeugung der Kompensationsströme an die Wicklungen 54- bzw. 55 entsprechend den Gleichungen 18, und 21, 22.

Es sind Anwendungen des beschriebenen Magnetkompaß-Kompensationssystems denkbar, bei denen dem für die Magnetfelddetektorbaugruppe 12 benötigten Raum eine besondere Bedeutung zukommt, insbesondere im Inneren von Panzern. Die -abgeänderte Ausführungsform nach Fig. 6 verringert die Größe der Detektorbaugruppe um ungefähr 50 %. Wie dies gezeigt ist, weist das Gehäuse 12'die allgemeine Form eines Würfels auf, wobei die festen Wicklungen 53» 54- und 35 an zumindest drei zueinander senkrechten Innenflächen des Würfels befestigt sind (beispielsweise jeweils eine Wicklung an den Seitenflächen und eine an einer der vertikalen Flächen oder eine in der Mitte hiervon) und wobei der pendelnde Magnetfeldsondenmeßfühler in der Mitte hiervon befestigt ist. Um das Volumen der Detektoreinheit so weit wie möglich zu verringern, ist die feste Magnetfeldsonde 14 an der Oberseite der Einheit befestigt, beispielsweise an der Unterseite des oberen Deckels 12" der Einheit. Es ist verständlich, daß die feste Magnetfeldsonde 14 an dieser Position stärker den Wicklungsfeldern ausgesetzt ist, als dies bei der Anordnung nach Fig. 1A der Fall ist, bei der die Magnetfeldsonden nebeneinander angeordnet sind. Entsprechend der vorliegenden Erfindung ist es jedoch lediglich erforderlich, die Größe der Rückführungssignale an den Leitungen 61, 62 und 63 durch jeweiliges Vergrößern der Verstärkung der Verstärkungssteuer- und der Verstärkungs-

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einstelleinrichtungen 27, 37 und 4-7 zu vergix5ßern. Wenn "beispielsweise bei der Anordnung nach Fig. 1A das Rückführungssignal für die maximale Korrekturachse 13 % des Eingangssignals und an den anderen Achsen beispielsweise 2 bzw. 3 % "beträgt, so könnte die entsprechende Verstärkung für die Anordnung nach 5¹Xg. 6 in der Größenordnung von 50 %i 20 % bzw. 30 ^ liegen.

Damit ist die Aufgabenstellung der vorliegenden Erfindung gelöst. Die feste Magnetfeldsonde 14- mißt das G-esamtmagnetfeld des Fahrzeuges an einer Position im Inneren dieses Fahrzeuges und bei allen Kipplagen dieses Fahrzeuges, wobei diese Meßwerte über in geschlossener .Schleife betriebene Schaltungen zur Abtrennung der induzierten und permanenten Störmagnetfelder von dem Gesamt feld verwendet werden. Diese abgetrennten Felder werden dann durch Ströme dargestellt und Wicklungen zugeführt, die die pendelnde Haupt- oder Kompaßmagnetfeldsonde 15 umgeben, um gleiche und entgegengesetzte Kompensationsfelder an dieser Magnetfeldsonde zu erzeugen, so daß "diese.Kompaßmagnetfeldsonde lediglich die Horizontalkomponente des Erdmagnetfeldes ist, wie dies erwünscht ist.

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Claims

Patentanwälte Dipl.-Ing. Curt Wallach Dipl.-Ing. Günther Koch Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 24 02 75 · Telex 5 29 513 wakai d Datum: Unser Zeichen: Ί^ I53 Patentansprüche

1. »Magnetkompaß-Kompensationssystem für ein starke Eisenbestandteile aufweisendes Fahrzeug, dadurch gekennzeichnet, daß erste, an dem Fahrzeug festgelegte Magnetfelddetektoreinrichtungen (14-) zur Erzeugung erster Signale, die den Komponenten der Summe des Erdmagnetfeldes und der permanenten und induzierten Magnetfelder des Fahrzeuges an diesem Fahrzeug parallel zu einem Koordinatenachsensystem entsprechen, das bezüglich des Fahrzeuges festgelegt ist, und zweite Magnetfelddetektoreinrichtungen (13) vorgesehen sind, die pendelnd an dem Fahrzeug, benachbart zu der ersten Magnetfelddetektoreinrichtung befestigt sind und zweite Signale erzeugen, die vorgegebenen Komponenten des Erdmagnetfeldes an der zweiten Magnetfelddetektoreinrichtung, bezogen auf erdfeste Achsen, entsprechen, daß Magnetfeldgeneratoreinrichtungen (53 > 54-, 55) BH dem Fahrzeug in der Nähe der zweiten Magnetfelddetektoreinrichtung befestigt sind und Magnetfeldkomponenten parallel zu dem fahrzeugfesten Koordinatenachsensystem erzeugen, daß eine Signalverarbeitungseinrichtung (16) mit den ersten Detektoreinrichtungen (14) gekoppelt ist und auf die ersten Komponentensignale

.anspricht, um Kompensationssignale zu liefern, die den Komponenten der permanenten und induzierten Magnetfelder des Fahrzeuges entlang des fahrzeugfesten Koordinatenachsensystems entsprechen, und daß die Signalverarbeitungseinrichtungen Eückführungssteuereinrichtungen (28), Einrichtungen zur Zuführung der Kompensationssignale an die Magnetfeldgeneratoreinrichtungen (53» 5*N 55) zur Erzeugung entsprechender Magnetfelder in der Nähe der zweiten Magnetfelddetektoreinrichtung (13)» die im wesentlichen gleich und entgegengesetzt zu den Komponenten, der permanenten und induzierten Magnetfelder des Fahrzeuges sind, so daß die zweite Magnetfelddetektoreinrichtung (13) Ausgangssignale liefert, die proportional lediglich zu den vorgegebenen Komponenten des Erdmagnetfeldes sind, und Einrichtungen zur Zuführung der Kompensationssignale an die Rückführungssteuereinrichtungen (28) zur effektiven Entfernung der Kompensationssignale aus den ersten Komponentensignalen einschließen.

2. Magnetkompaß-Kompensationssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das fahrzeugfeste Koordinatenachsensystem die Längs-, Quer- und Vertikal achsen des Fahrzeuges einschließt und daß die vorgegebenen Komponenten des Erdmagnetfeldes die horizontalen Komponenten bezüglich der Erde sind.

3. Magnetkompaß-Kompensationssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß die SignalVerarbeitungseinrichtungen (16) zur Lieferung der Kompensationssignalkomponenten, die dem induzierten Magnetfeld des Fahrzeuges entsprechen, Signale "benötigen, die ausschließlich den Komponenten des Erdmagnetfeldes entsprechen, und daß die Rückführungssteuereinrichtungen (28) die Kömpensationssigna-Ie von den ersten Signalkomponenten subtrahieren, um lediglich diese Erdmagnetfeldkomponenten zu liefern.

4. Magnetkompaß-Kompensationssystem nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeldgeneratoreinrichtungen Wicklungen (53 > 54, 55) umfassen, daß die Signalverarbeitungseinrichtungen (16) erste und zweite einstellbare Impedanzelemente (21-23, 31-33, 4-1-43; 26, 36, 4-6) umfassen, die auf den ersten Signalkomponenten entsprechende Signalspannungen und auf dsn Kompensationssignalkom-.ponenten entsprechende Signalspannungen ansprechen und entsprechend eines.Kompaß ausschwingens des Fahrzeuges einstellbar sind, um Signalspannungen zu lie-. fern, die den Kompensationssignalkomponenten entsprechen, und daß Einrichtungen (50, 51» 52) zur Zuführung der KompensationsSignalspannungen als entsprechende ' Ströme an die Wicklungen (53j 54, ^) und Einrichtungen (56, 57j 58) vorgesehen sind, die auf die Wicklungsströme ansprechen und die Spannungssignale liefern, die den Kompensationskomponentensignalen entsprechen.

5. Magnetkompaß-Kompensationssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch

gekennzeichnet , daß die Riickf ührungssteuereinrichtungen (28) weiterhin Verstärkungssteuereinrichtungen (27, 37, 4-7) zur wirksamen Beseitigung der Auswirkungen der Magnetfeldgeneratoreinrichtungen (53, 54-_} 55) suf die erste Magnetfelddetektor einrichtung einschließen.

6. Magnetkompaß-Kompensationssystem, nach Anspruch 5₅ dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeldgeneratoreinrichtungen in Helmholtz-Anordnung angeordnete Wicklungen (53, 54-, 55) einschließen, die orthogonal zueinander um die zweite Magnetfelddetektoreinrichtung (13) herum angeordnet sind, und daß die erste Magnetfelddetektoreinrichtung (14) "benachbart, jedoch außerhalb der Wicklungen angeordnet ist.

7. Magnetkompaß-Kompensationssystem nach Anspruch 5? dadurch gekennzeichnet, " daß die Magnetfeldgeneratoreinrichtungen in Helmholtz-Anordnung angeordnete Wicklungen (53» 54-, 55) einschließen, die orthogonal um die zweite Magnetfelddetektoreinrichtung (13) herum angeordnet sind, und daß die erste Magnetfelddetektoreinrichtung (14-) eng benachbart und zumindest teilweise innerhalb der Wicklungen angeordnet ist.