DE3109779C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Magnetkompaßsystem der im
Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art.
Es sind verschiedene Arten von die Nordrichtung findenden
Magnetkompaßsystemen für navigierbare Fahrzeuge bekannt, die ein
Kompensationssystem verwenden, um die dauernden und induzierten
Magnetfelder des Fahrzeuges zu beseitigen. Die meisten dieser
Magnetkompaßsysteme sind speziell zur Verwendung in Luftfahrzeugen
ausgelegt. Einrichtungen dieser Art verwenden grundsätzlich
einen Erdmagnetmeßfühler zur Messung der Horizontalkomponenten
des Erdmagnetfeldes sowie eine mechanische oder elektronische
Kompensationseinheit, die an dem Erdmagnetfeldfühler
angeordnet oder elektrisch mit diesem verbunden ist und die
während eines Kompensations-Ausschwingvorganges dazu verwendet
werden kann, die Steuerwirkungen 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 Erdmagnetfeldfühlers
als Navigationshilfe unbrauchbar machen.
Bei den meisten Anwendungen von Magnetkompaßsystemen, wie
beispielsweise in Schiffen und Luftfahrzeugen, wird die Hauptstörung
oder Verzerrung des Erdmagnetfeldes in der Nähe des
Erdmagnetfeldfühlers, das heißt die Verzerrung des örtlichen
Erdmagnetfeldes, durch das sogenannte Harteisenmaterial in dem
Fahrzeug hervorgerufen. Dieses Harteisenmaterial erzeugt 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 Kompaßausschwingen kompensiert werden,
wobei die Horizontalkomponenten des durch das Harteisenmaterial
hervorgerufenen Magnetfeldes dadurch zu Null gemacht werden, daß
gleiche und entgegengesetzte Magnetfeldkomponenten in der Nähe
des Erdmagnetfeldfühlers erzeugt werden. Weil 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 Erdmagnetfeldfühlers des Magnetkompaßsystems 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 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. In der Praxis wird bei vielen Magnetkompaßsystem-
Anlagen, 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.
Aus der US-PS 26 92 970 ist ein Kompensationssystem bekannt, bei
dem versucht wird, die durch die induzierten Felder hervorgerufenen
Felder des Magnetkompaßsystems zu kompensieren. Hierbei
müssen jedoch die der Kompensationseinrichtung zugeordneten
Magnetometer so angeordnet und bezüglich der Gier- und Nickachse
des Luftfahrzeuges befestigt sein, daß sie lediglich entsprechende
Komponenten des Erdmagnetfeldes umfassen, die von
Harteisen- und Weicheisenstörungen frei sind, weil diese Werte
als Funktionen der Nick- und Rollagen des Luftfahrzeuges aufgelöst
werden, um die Harteisen- und Weicheisen-Kompensationsfelder
am Kompaß-Magnetometer zu liefern. Dieses bekannte
Kompensationssystem könnte 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
jedoch nicht akzeptabel sein.
Aus der DE-OS 16 23 555 ist weiterhin ein Magnetkompaßsystem
der eingangs genannten Art bekannt, bei dem zwei Magnetfelddetektoreinrichtungen
in Form von Magnetflußventilen an einem
Trägerbauteil in unterschiedlichen Abständen von dem Fahrzeug
gehaltert sind. Die Magnetfelder des Fahrzeuges weisen daher
an den Positionen dieser Magnetflußventile unterschiedliche
Stärken auf. Weil der Abstand zwischen den Magnetflußventilen
bekannt ist, kann das Verhältnis der magnetischen Feldstärken
bestimmt und zur Einstellung von zwei Potentiometern verwendet
werden, die Multiplikationsfaktoren für die zwei elektrischen
Signale liefern, die die Magnetfeldkomponenten darstellen, die
von den Magnetflußventilen festgestellt werden. Diese skalierten
Signale werden von den entsprechenden Signalen abgeleitet, die
von dem anderen Magnetflußventil geliefert werden, um Signale
zu liefern, die proportional zum Erdmagnetfeld sind. Die abgeleiteten
Signale werden in einer Signalverarbeitungseinrichtung
weiter verarbeitet, um die Kompaßeinstellung festzulegen. Weiterhin
wird eine Magnetfeldkompensation mit Hilfe eines durch
Wicklungen geleiteten Stromes erreicht, die benachbart zu den
Magnetflußventilen angeordnet sind. Diese Ströme durch die
Wicklungen werden mit Hilfe von weiteren Potentiometern mit
Hilfe eines Ausschwingverfahrens eingestellt. Damit ist jedoch
eine Kompensation der durch die Weicheisenbestandteile in dem
Fahrzeug hervorgerufenen Magnetfelder nicht möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Magnetkompaßsystem
der eingangs genannten Art zu schaffen, das in der Lage ist,
sich ändernde Weicheisen-Magnetfelder zu kompensieren, so daß
es möglich ist, das Magnetkompaßsystem im Inneren eines Fahrzeuges
oder in dessen unmittelbarer Nähe anzuordnen.
Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des
Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Das erfindungsgemäß ausgebildete Magnetkompaßsystem kompensiert
automatisch die Magnetfelder des Fahrzeuges, die die Kompaßanzeige
beeinflussen, und zwar sowohl die unveränderlichen Harteisenfelder
als auch die sich als Funktion der Weicheisenposition
relativ zum Erdmagnetfeldvektor ändernden Weicheisenfelder.
Bei dem erfindungsgemäßen Magnetkompaßsystem können die
Magnetfelddetektoreinrichtungen oder der Navigationssystem-Kompaßmeßfühler
im Inneren der schützenden Panzerung des Fahrzeuges
angeordnet sein. Das erfindungsgemäße Magnetkompaßsystem ergibt
eine Kompaßgenauigkeit mit einem vorgegebenen kleinen Fehler
(beispielsweise ±3°) nicht nur bei einer ebenen Lage des Fahrzeuges,
sondern auch dann, wenn sich das Fahrzeug auf unebenem
Gelände befindet, was zu Kippbewegungen von ±15° bis 20°C in
Nick- und Rollrichtung führt.
Das erfindungsgemäße Magnetkompaßsystem ermöglicht die Lieferung
eines genauen Maßes des magnetischen Steuerkurses eines stark
eisenhaltigen Landfahrzeuges, wie beispielsweise eines Panzers,
mit Hilfe von Magnetfelddetektoreinrichtungen, die vollständig
im Inneren der schützenden Panzerung des Fahrzeuges angeordnet
sind, das heißt die äußerst starken Feldstörungen durch permanente
und induzierte Magnetfelder ausgesetzt sind. Hierbei mißt
eine Magnetfelddetektoreinrichtung lediglich die Horizontalkomponenten
des Erdmagnetfeldes, wobei diese Magnetfelddetektoreinrichtung
beispielsweise durch eine übliche pendelnd
befestigte Magnetfeldsonde gebildet ist, während die andere
Magnetfelddetektoreinrichtung in dem Fahrzeug nahe benachbart zu
der pendelnd befestigten Magnetfeldsonde befestigt und so
angeordnet ist, daß sie direkt bei allen Fahrzeuglagen die
Kompensation 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.
Die Signalverarbeitungseinrichtung trennt aus den Gesamtmagnetfeldkomponenten
die Komponenten, die von den permanenten und
induzierten Fahrzeug-Magnetfeldern hervorgerufen werden, und
es ist eine Vielzahl von Magnetfeldgeneratorwicklungen vorgesehen,
die die pendelnde Magnetfeldsonde umgeben, bezüglich der
Fahrzeug-Hauptachsen festgelegt sind und auf die getrennten und
permanenten und induzierten Felder mit entgegengesetzten Vorzeichen
ansprechen, so daß die Auswirkungen dieser Komponenten
auf die pendelnd befestigte Magnetfeldsonde beseitigt werden.
Auf die Magnetfeldgeneratoren ansprechende Rückführungsschaltungen
liefern Rückführungssignale an die elektronische Einrichtung
zur Erzeugung der Erdmagnetfeldkomponenten, die erforderlich
sind, um die induzierten Feldkomponenten zu definieren
und um alle Auswirkungen der Wicklungsfelder auf die eng
benachbarte, feste Achsen aufweisende Magnetfeldsonde zu
beseitigen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand
der Zeichnungen noch näher erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine typische Installation einer Ausführungsform des
Magnetkompaßsystems in einem Panzer, wobei Fig. 1A
eine vergrößerte Darstellung der eigentlichen Detektorbaugruppe
zeigt,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer festen Drei-Achsen-
Magnetfelddetektoreinrichtung in Form einer Magnetfeldsonde
sowie die Ausrichtung ihrer Haupt-Meßachsen bezüglich
der Hauptachsen des Fahrzeuges,
Fig. 3 eine ähnliche Darstellung einer pendelnd angeordneten
Magnetfelddetektoranordnung in Form einer Zwei-Achsen-
Magnetfeldsonde,
Fig. 4 ein Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform
des Kompensationssystems des Magnetkompaßsystems,
Fig. 5 eine ausführlichere Darstellung einer elektronischen
Signalverarbeitungseinrichtung, die einen Teil der
Ausführungsform nach Fig. 4 bildet,
Fig. 6 eine Abänderung der bevorzugten Ausführungsform.
Fig. 1 zeigt ein typisches stark eisenhaltiges Land-Kampffahrzeug,
wie beispielsweise einen Panzer 11, der eine Magnetkompaß-
Detektorbaugruppe 12 aufweist, die vollständig innerhalb der
schützenden Stahlpanzerplatten des Panzers eingeschlossen ist.
Zwei jeweils drei zueinander orthogonale Achsen aufweisende
Systeme sind in dem 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 Drei-Achsen-System
entspricht den Längs-, Quer- und Vertikalachsen des Panzers 11,
die mit den Buchstaben l, t bzw. v bezeichnet sind. Fig. 1A
zeigt eine vergrößerte Darstellung der Detektorbaugruppe 12,
die vollständig innerhalb der schützenden Umhüllung des Panzers
11 angeordnet ist und eine erste zur Kompensation dienende
Magnetfelddetektoreinrichtung in Form einer Magnetfeldsonde 13
und eine zweite Magnetfelddetektoreinrichtung in Form einer
Magnetfeldsonde 14 in enger Nähe zueinander einschließt,
wobei diese Magnetfeldsonden 13 und 14 vorzugsweise in einem
gemeinsamen Behälter oder Gehäuse der Detektorbaugruppe 12 angeordnet
sind.
In Fig. 2 ist schematisch die feste, um drei Achsen messende Magnetfeldsonde
14 gezeigt, die die Form einer Magnetfeldsonde von der Art
aufweisen kann, wie sie in der DE-OS 24 34 374 beschrieben
ist und die auch als Magnetflußrohr bezeichnet wird. Diese erste
Magnetfeldsonde ist bezüglich des Fahrzeuges festgelegt, so
daß ihre Meßachsen parallel zu den Haupt-Fahrzeugachsen l, t
und v 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-a′, b-b′, c-c′ und l-l′, t-t′,
v-v′ gemäß Fig. 1.
In Fig. 3 ist eine zweite Magnetfelddetektoreinrichtung in
Form einer pendelnd aufgehängten, um zwei Achsen messende Magnetfeldsonde
13 von der Art gezeigt, wie sie beispielsweise in der DE-OS
21 32 280 beschrieben ist. Diese Magnetfeldsonde 13 ist in dem
Fahrzeug derart befestigt, daß sie Signale erzeugt, die die
Horizontalkomponenten des Magnetfeldes an der Position des
Fahrzeuges darstellen. 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 noch
zu beschreibender 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 der
der Ausführungsform des Magnetkompaßsystems, der die den
Kompensationswicklungen 53, 54 und 55 zugeführten Ströme
erzeugt, um die Kompensationsmagnetfelder zu erzeugen, wird
auf die verschiedenen Magnetfeldkomponentenvektoren und deren
Beziehungen Bezug genommen, die wie folgt definiert sind:
Fig. 4 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild einer bevorzugten
Ausführungsform des Magnetkompaß-Kompensationssystems.
Dieses System schließt die erste
Magnetfeldsonde 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 erwähnten DE-OS 24 34 374 beschrieben.
Diese Signale werden einem Stromservo 15 zugeführt,
der von der in der DE-PS 19 64 569 beschriebenen
Art sein kann. Wie dies in dieser Patentschrift beschrieben
ist, sind die Ausgangssignale des Stromservos 15
elektrische Spannungssignale, die die Vektorkomponenten
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 Signalverarbeitungseinrichtung 16
zugeführt, deren grundlegende Funktion darin besteht,
Gleichströme an die Kompensationswicklungen 53, 54 und 55
zu liefern, die (in einer Helmholtz-Anordnung) die zweite
oder 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, das Gesamtfeld messende Magnetfeldsonde
14 die Komponenten des Gesamtmagnetfeldes direkt
innerhalb der Fahrzeug-Koordinatenachsen mißt und weil
die Kompensationswicklungen 53, 54 und 55 ebenfalls auf
die Koordinatenachsen des Fahrzeuges bezogen sind, ist zu
erkennen, daß bei der Ausführungsform des Magnetkompaßsystems
keine trigonometrischen Transformationen
oder Auflösungen bezüglich der Erdkoordinatenachsen erforderlich
sind. Entsprechend erzeugt die feste Magnetfeldsonde
14 direkt Signale, die proportional zu den Gesamtfeldkomponenten
H l, H t und H v entsprechend den vorstehenden
Gleichungen 14, 15 und 16 sind, wobei die Werte
von H el, H et und H ev durch die Gleichungen 2, 3 und 4 definiert
sind, während die Werte des Permanentfeldes des
Fahrzeuges gleich H pl, H pt und H pv sind, wie dies in den
vorstehenden Gleichungen 8, 9 und 10 definiert ist, und
wobei die komplexen Gleichungen des induzierten Magnetfeldes
des Fahrzeuges gleich H sl, H st und H sv sind, wie
dies in den vorstehenden Gleichungen 11, 12 und 13 definiert
ist. Wie dies schematisch in Fig. 4 gezeigt ist,
werden die Gesamtfeldkomponenten H l, H t und H v Summier-
und Verstärkungseinstellschaltungen 28 zugeführt, die
über noch zu beschreibende Rückführungssteuerschleifen
Ausgangssignale liefern, die proportional lediglich zu
den Komponenten des Erdmagnetfeldes H el, H et und H ev
(vorstehende Gleichungen 2, 3 und 4) sind. Diese Ausgänge
werden einer Gruppe von Potentiometer- und Summiernetzwerken
29 zugeführt, in denen die Komponentenwerte H pl,
H pt und H pv des Permanentfeldes des Fahrzeuges und die
Komponentenwerte H sl, H st und H sv 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 Kompensationswicklungen 53, 54 und 55 zugeführt,
die den pendelnden Kompaßmeßfühler oder die
Magnetfeldsonde 13 umgeben. Die gleichen Ausgangssignale
werden an die Summier- und Verstärkungseinstellschaltungen
28 über Leitungen 61, 62, 63 zurückgeführt
und werden in diesen Schaltungen mit den Ausgangssignalen
der festen Magnetfeldsonde 14 summiert, um im Ergebnis
ihre entsprechende Komponenten aus den Gesamtfeldkomponenten
zu entfernen, so daß lediglich die Erdfeldkomponenten
H el, H et und H ev verbleiben.
Das kompensierte Ausgangssignal der pendelnden
Magnetfeldsonde 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 36 46 537 beschrieben
ist, oder die Ausgangssignale können einem Kurskreisel
eines Kreiselmagnetkompaßsystems von der Art zugeführt
werden, wie sie beispielsweise in der GB-PS
6 38 971 beschrieben ist.
In Fig. 5 ist die elektronische Signalverarbeitungseinrichtung
16 in Form eines Schaltbildes dargestellt. Die elektronische
Signalverarbeitungseinrichtung 16 besteht aus drei Kanälen
17, 18 und 19, die nahezu identische elektronische
Bauteile aufweisen. Jeder Kanal empfängt die Gleichspannungsausgangssignale
von den Stromservo- und Pufferschaltungen
15 nach Fig. 4. Der Kanal 17 empfängt das die
Längskomponente H l des Gesamtmagnetfeldes, gemessen entlang
der Längsachse des Panzers, darstellende Signal, der
Kanal 18 empfängt das eine Komponente H t des Gesamtmagnetfeldes,
gemessen entlang der Querachse des Panzers,
darstellende Signal und der Kanal 19 empfängt das eine
Komponente H v 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 induzierte
Magnetfeld vorübergehend und ändert die Wirkung
des Erdmagnetfeldes H ei und H ek (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 äußerden 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
H el, H et und H ev aus den Gleichungen 2 bis 4 in Beziehung.
Der erste Index-Buchstabe der K (Konstanten-)Ausdrücke
bezieht sich auf die Richtung 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 et) zur Erzeugung eines induzierten
Feldes (K tl H et), das entlang der Längsachse des Fahrzeuges
gerichtet ist. In ähnlicher Weise ist (K vl H ev) das
induzierte Magnetfeld, das in Längsrichtung gerichtet ist
und sich aufgrund des auf die vertikale Achse einwirkenden
äußeren Feldes (H ev) ergibt. Der Ausdruck (K ll H el)
stellt das induzierte Magnetfeld dar, das sich entlang
der Längsachse aufgrund eines äußeren Feldes ergibt, das
auf die gleiche Achse einwirkt. Der Ausdruck (H sl) stellt
das gesamte induzierte Magnetfeld entlang der Längsachse
dar. Entsprechend erzeugt jedes der drei äußeren Felder
(H el, H et und H ev) 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-Nicklage.
Ähnlich 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
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 und 4 beeinflußt,
worauf die K-Werte entsprechend modifiziert
werden können. Die vorstehend genannte US-Patentschrift
26 92 970 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 l proportionale Gleichspannungsausgang
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 el wird einem Widerstandselement oder einem Netzwerk
17 a zugeführt, das weiterhin die Ausgangssignale H et und
H ev entsprechender Summierglieder 30 und 40 der Kanäle 18
bzw. 19 empfängt. In ähnlicher Weise wird das H el-Spannungssignal
den Widerstandsnetzwerken 18 a und 19 a der
Kanäle 18 bzw. 19 zugeführt. Die Widerstandsnetzwerke 17 a,
18 a und 19 a bilden eine Einrichtung zur Lieferung eines
Maßes des induzierten Magnetfeldes des Fahrzeuges H sl,
H st und H sv 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 17 a
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 ll, K tl bzw. K vl eingestellt, wobei diese
Werte während des Kompaßausschwingens bestimmt 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 sl, die das
induzierte Magnetfeld entlang der Längsachse in der Position
der festen Magnetfeldsonde 14 entsprechend der vorstehenden
Gleichung 11 darstellt. Die Werte von H st und
H sv werden in der gleichen Weise gewonnen, und zwar im
Kanal 18 über das Netzwerk 18 a mit den Potentiometer 31,
32 und 33 bzw. im Kanal 19 über das Netzwerk 19 a mit den
Potentiometern 41, 42 und 43.
Wie dies weiter oben erläutert wurde, wird das störende
Permanentmagnetfeld als "Harteisen"-Störung bezeichnet,
was sich auf die Art des Eisens bezieht, die diese Wirkung
hervorruft. Das "Harteisen"-Feld (Hp) ist hinsichtlich
seiner Größe und Richtung im wesentlichen konstant
und kann daher in Ausdrücken 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 pl des Fahrzeuges während des
Kompaßausschwingens des Fahrzeuges bestimmt wird, 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 US-
Verteidigungsministerium erhältlich ist. Zur Lieferung
des Wertes von H pl ist ein
gleichspannungsgespeistes Potentiometer
26 vorgesehen, dessen Schleifer auf den während des
Ausschwingens bestimmten Wert von H pl eingestellt ist.
Dieses Signal wird mit der induzierten Feldkomponente H sl
in einem Summierglied 25 kombiniert oder summiert. Die
Werte von H pt und H pv werden in ähnlicher Weise in die
Kanäle 18 und 19 über Potentiometer 36 und 46 eingeführt
und mit den Werten von H st und H sv über Summierglieder 35
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 sl+H pl ist. Dieses Signal kann dann mit der richtigen
Polarität an die Kompensations-Wicklungen 53, 54, 55 angelegt werden,
um ein gleiches und entgegengesetztes Magnetfeld an
der pendelnd befestigten zweiten Magnetfeldsonde
13 zu erzeugen, um beide Komponenten der störenden
induzierten und Permanentmagnetfelder zu Null zu machen,
so daß die zweite Magnetfeldsonde lediglich die Komponente
H el 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-
Verstärker 50 zugeführt, um die entgegengesetzt
polarisierten H sl+H pl-Stromsignale mit dem richtigen
Amplitudenpegel an die Kompensationswicklung 53 zu liefern.
Der der Kompensationswicklung 53 zugeführte, ein
Magnetfeld erzeugende Strom wird mit Hilfe eines Strommeßwiderstandes
56 gemessen und über eine Leitung 61 und ein
Verstärkungseinstellnetzwerk 28 als weiterer Eingang dem
Summierglied 20 zugeführt, in dem es von dem ursprünglichen
Eingangssignal H l subtrahiert wird, um das HH el-Signal
zu liefern, das für die Abtrennung der H sl-Komponenten
benötigt wird, wie dies durch die vorstehende Gleichung
11 angegeben ist.
Die Nähe der ersten festen Magnetfeldsonde 14 zu den die zweite, pendelnde
Magnetfeldsonde 13 umgebenden Kompensationswicklungen
53, 54 und 55 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 el, H et und H ev. Daher sind die Verstärkungseinstelleinrichtungen
27, 37 und 47 mit den elektronischen
Kreisen 61, 62 und 63 gekoppelt, um diese Streukompensation
durch Einführen eines vorgegebenen Verstärkungsfaktors
1+λ in die Rückführungssignale zu korrigieren.
Der Ausdruck λ stellt eine proportionale Differenz
in der Größe zwischen den von den Kompensationswicklungen 53, 54
und 55 zurückgeführte Kompensationssignalen und der
Streukompensation von den Kompensationswicklungen 53, 54 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 λ gleich 1/10 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
Kompensationswicklungen 54 bzw. 55 entsprechend den Gleichungen 18, 19
und 21, 22.
Es sind Anwendungen des beschriebenen Magnetkompaß-Kompensationssystems
denkbar, bei denen dem für die
Detektorbaugruppe 12 benötigten Raum eine besondere
Bedeutung zukommt, insbesondere im Inneren von Panzern.
Die abgehängte 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 Kompensationswicklungen 53,
54 und 55 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 die pendelnde Magnetfeldsonde 13
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
beschriebenen Ausführungsform 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 Verstärkungseinstelleinrichtungen
27, 37 und 47 zu vergrößern. 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 Fig. 6 in der Größenordnung
von 50%, 20% bzw. 30% liegen.
Die feste Magnetfeldsonde 14 mißt das Gesamtmagnetfeld
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 Gesamtfeld verwendet
werden. Diese abgetrennten Felder werden dann durch Ströme
dargestellt und Wicklungen zugeführt, die die pendelnde
Magnetfeldsonde 13 umgeben, um gleiche
und entgegengesetzte Kompensationsfelder an dieser
Magnetfeldsonde zu erzeugen, so daß diese pendelnde Magnetfeldsonde
lediglich die Horizontalkomponente des Erdmagnetfeldes
mißt, wie dies erwünscht ist.
Claims (8)
1. Magnetkompaßsystem für ein Eisenbestandteile enthaltendes
Fahrzeug, mit einer ersten an dem Fahrzeug befestigten Magnetfelddetektoreinrichtung
zur Erzeugung erster Komponentensignale,.
die Komponenten der Summe des Erdmagnetfeldes und der permanenten
und induzierten Magnetfelder des Fahrzeuges parallel zu
einem fahrzeugfesten Koordinatensystem entsprechen, mit einer
zweiten an dem Fahrzeug befestigten Magnetfelddetektoreinrichtung,
mit Magnetfeldgeneratoren, die fahrzeugfest in der Nähe
der zweiten Magnetfelddetektoreinrichtung angeordnet sind und
Magnetfeldkomponenten parallel zu dem fahrzeugfesten Koordinatensystem
erzeugen, mit einer Signalverarbeitungseinrichtung zur
Verarbeitung von Signalen von den Magnetfelddetektoreinrichtungen,
und mit einer Anzeigeeinrichtung,
dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Magnetfelddetektoreinrichtung
(13) pendelnd an dem Fahrzeug befestigt
ist und zweite Komponentensignale erzeugt, die vorgegebenen
Komponenten des Erdmagnetfeldes an dieser zweiten Magnetfelddetektoreinrichtung
(13) bezogen auf ein erdfestes Koordinatensystem
entsprechen, daß die Signalverarbeitungseinrichtung (16)
auf die ersten Komponentensignale anspricht und Kompensationssignale
an die Magnetfeldgeneratoren Kompensationswicklungen (53, 54, 55)
liefert, die den Komponenten der permanenten und induzierten
Magnetfelder des Fahrzeuges in dem fahrfesten Koordinatensystem
entsprechen, daß die Signalverarbeitungseinrichtung (16)
Rückführungseinrichtungen (28) und Kompensationseinrichtungen
(29) zur Verfügung der Kompensationssignale an die Magnetfeldgeneratoren
Kompensationswicklungen (53, 54, 55) zur Erzeugung entsprechender
Magnetfelder in der Nähe der zweiten Magnetfelddetektoreinrichtung
(13) einschließt, die im wesentlichen gleich und entgegengesetzt
zu den Komponenten der permanenten und induzierten
Magnetfelder des Fahrzeuges sind, wodurch die zweite Magnetfelddetektoreinrichtung
(13) Ausgangssignale an die Anzeigeeinrichtung
liefert, die proportional zu den Komponenten des Erdmagnetfeldes
sind, und das weiterhin Einrichtungen (Verstärker 27, 37,
47; Leitungen 61, 62, 63) zur Zuführung der Kompensationssignale
an die Rückführungseinrichtungen (28) vorgesehen sind, um die
Wirkungen der Kompensationssignale auf die ersten Komponentensignale
zu beseitigen.
2. Magnetkompaßsystem nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführungseinrichtungen
(28) die Kompensationssignale von den ersten
Komponentensignalen (H l, H t, H v) subtrahieren, um
lediglich die Erdmagnetfeldkomponenten darstellende Ausgangssignale
zu liefern, die den Kompensationseinrichtungen (29)
zugeführt werden.
3. Magnetkompaßsystem nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeldgeneratoren
Kompensationswicklungen (53, 54, 55) umfassen, daß die Kompensationseinrichtungen
(29) erste und zweite einstellbare Impedanzelemente
(Potentiometer 21-23, 31-33, 41-43/26, 36, 46) umfassen, die
auf die Ausgangssignale der Rückführungseinrichtungen (28) ansprechen
und durch Kompaßausschwingen des Fahrzeuges einstellbar
sind, um Signalspannungen zu liefern, die den Kompensationssignalen
entsprechen, und daß Einrichtungen (Verstärker 59, 50, 51,
52) zur Zuführung der Kompensationssignale als entsprechende
Ströme an die Kompensationswicklungen (53, 54, 55) sowie Einrichtungen (Strommeßwiderstände
56, 57, 58) vorgesehen sind, die auf die Wicklungsströme
ansprechen und Spannungssignale liefern, die den Kompensationssignalen
entsprechen.
4. Magnetkompaßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführungseinrichtungen
(28) Verstärkungseinstelleinrichtungen (27, 37, 47) zur
Einführung eines vorgegebenen Verstärkungsfaktors in die rückgeführten
Kompensationssignale einschließen, um Kompensations-
Streufeldern in der ersten Magnetfelddetektoreinrichtung (14)
entgegenzuwirken.
5. Magnetkompaßsystem nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfeldgeneratoren
in Helmholtz-Anordnung angeordnete Kompensationswicklungen (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.
6. Magnetkompaßsystem nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetfelddetektoren
in Helmholtz-Anordnung angeordnete Wicklungen (53, 54, 55)
einschließen, die orthogonal zueinander um die zweite Magnetfelddetektoreinrichtung
(13) angeordnet sind, und daß die erste
Magnetfelddetektoreinrichtung (14) zumindestens teilweise
innerhalb der Wicklungen angeordnet ist.
7. Magnetkompaßsystem nach Anspruch 3, 5 und 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationswicklungen (53,
54, 55) auf die Achsen des Fahrzeuges bezogen sind.
8. Magnetkompaßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß beide Magnetfelddetektoreinrichtungen
(13, 14) innerhalb des Fahrzeuges angeordnet
sind.
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