DE3131111A1 - CIRCUIT DEVICE FOR DETERMINING THE NORTH DIRECTION - Google Patents

CIRCUIT DEVICE FOR DETERMINING THE NORTH DIRECTION

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DE3131111A1
DE3131111A1 DE19813131111 DE3131111A DE3131111A1 DE 3131111 A1 DE3131111 A1 DE 3131111A1 DE 19813131111 DE19813131111 DE 19813131111 DE 3131111 A DE3131111 A DE 3131111A DE 3131111 A1 DE3131111 A1 DE 3131111A1
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    • G01C19/00Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/02Rotary gyroscopes
    • G01C19/34Rotary gyroscopes for indicating a direction in the horizontal plane, e.g. directional gyroscopes
    • G01C19/38Rotary gyroscopes for indicating a direction in the horizontal plane, e.g. directional gyroscopes with north-seeking action by other than magnetic means, e.g. gyrocompasses using earth's rotation

Description

PATENTANWÄLTE Dipl.-Phys. JÜRGEN WEISSE · Dipl.-Chem. Dr. RUDOLF WOLGASTPATENT LAWYERS Dipl.-Phys. JÜRGEN WEISSE · Dipl.-Chem. Dr. RUDOLF WOLGAST

BÖKENBUSCH41 · D 5620 VELBERT 11 - LANGENBERG Postfach 110386 · Telefon: (02127) 4019 · Telex: 8516895BÖKENBUSCH41 D 5620 VELBERT 11 - LANGENBERG Box 110386 Telephone: (02127) 4019 Telex: 8516895

10 Patentanmeldung 10 patent application

Bodenseewerk Gerätetechnik GmbH, D-7770 Überlingen Kreiselgerät zur Bestimmung der NordrichtungBodenseewerk Geräteechnik GmbH, D-7770 Überlingen Gyroscope to determine the north direction

20 Die Erfindung betrifft ein Kreiselgerät zur Bestimmung der Nordrichtung enthaltendThe invention relates to a gyroscopic device for determination containing the north direction

(a) einen in einem Gehäuse pendelnd aufgehängten Meridiankreisel,(a) a meridian spinning top suspended in a housing,

(b) einen Abgriff, der auf die Auslenkung des Meridiankreisels gegenüber einer Gehäusereferenz anspricht,(b) a tap that points to the deflection of the meridian gyro responds to a housing reference,

(c) einen Drehmomenterzeuger, der 30(c) a torque generator, the 30th

(c,) um die Hochachse auf den Meridiankreisel wirkt und(c,) around the vertical axis on the meridian top acts and

(c„) von dem Signal des Abgriffs im Sinne einer 35 Fesselung des Meridiankreisels an die Gehäuse(c ") from the signal of the tap in the sense of a 35 Fixation of the meridian top to the housing

referenz beaufschlagt ist, undreference is applied, and

(d) eine Signalauswerterschaltung, die(d) a signal evaluation circuit that

(d,) von dem auf den Abgriff aufgeschalteten Signal beaufschlagt ist,
5
(d,) is acted upon by the signal connected to the tap,
5

(d?) ein Filter enthält und(d ? ) contains a filter and

(d,) ein gefiltertes Signal liefert, welches die Abweichung der Gehäusereferenz von Nord darstellt.(d,) provides a filtered signal which shows the deviation of the housing reference from north represents.

Durch die DE-PS 1 941 808 ist ein Kreiselgerät zur Bestimmung der Nordrichtung mit einem an einem Band in einem Gehäuse aufgehängten Meridiankreisel bekannt, bei welchem ein Abgriff zur Erzeugung eines Signals nach Maßgabe der Azimut-Auslenkung des Kreisels gegenüber einer durch die Bandnullage gegebenen Gehäusereferenz vorgesehen ist. Auf den Meridiankreisel wirkt ein Drehmomenterzeuger, der von dem Signal des Abgriffs über einen hochverstärkenden Verstärker beaufschlagt ist. Dieser Drehmomenterzeuger übt auf den Meridiankreisel ein Drehmoment um die Azimutachse aus, das dem Kreiselrichtmoment, d.h. dem durch die Erddrehung hervorgerufenen, die Kreiseldrallachse nach Nord ausrichtenden Drehmoment entgegenwirkt. Der Meridiankreisel schwingt dann nicht mit seiner Kreiseldrallachse in die Nordrichtung ein, was eine langwierige Prozedur wäre, da der an einem Band aufgehängte Meridiankreisel ein praktisch ungedämpftes Schwingungs-DE-PS 1 941 808 discloses a gyro device for determining the north direction with a on a band in a housing suspended meridian gyro known, in which a tap for generating a signal according to the azimuth deflection of the gyro with respect to a housing reference given by the band zero position is provided. A torque generator acts on the meridian gyro, which is generated by the signal from the tap is applied via a high-gain amplifier. This torque generator is exercising the meridian gyro generates a torque about the azimuth axis that corresponds to the gyro directional torque, i.e. the The rotation of the earth caused by the rotation of the gyroscope counteracts the north-orientated torque. Of the The meridian gyro then does not swing in the north with its gyroscopic spin axis, which is a lengthy one The procedure would be because the meridian gyro, which is suspended from a ribbon, has a practically undamped oscillation

"^ system mit langer Schwingungsperiode darstellt. Vielmehr wird der Meridiankreisel elektrisch an die Gehäusereferenz, d.h. die Bandnullage, gefesselt. Das dazu auf den Meridiankreisel auszuübende Drehmoment ist proportional dem Kreiselrichtmoment und damit bei"^ represents a system with a long period of oscillation. Rather the meridian gyro is electrically connected to the housing reference, i.e. the tape zero position, tied up. The torque to be exerted on the meridian top is proportional to the gyro straightening torque and thus at

° kleinen Winkeln zwischen Kreiseldrallachse und Nord proportional diesem Winkel. Wenn man bei hinreichend° small angles between the centrifugal axis and north proportional to this angle. If you are at sufficient

hoher Verstärkung des von dem Abgriff gelieferten Signals euch den Winkel zwischen Kreiseldrallachse und Gehäusereferenz vernachlässigen kann, ist das Drehmoment des Drehmomenterzeugers proportional dem Winkel zwischen Gehäusereferenz und Nord. Kann man voraussetzen, daß der Drehmomenterzeuger linear arbeitet, so liefert das verstärkte Signal des Abgriffs, das auf den Drehmomenterzeuger aufgeschaltet wird, ein Maß für diesen Winkel zwischen Gehäusereferenz und Nord. Dieses Signal kann zur Anzeige der Nordrichtung (DE-AS 20 08 702) oder zu Navigationszwecken (DE-AS 25 45 025) benutzt werden.high amplification of the signal delivered by the tap you can determine the angle between the gyroscopic axis and Can neglect the housing reference, the torque of the torque generator is proportional to the angle between housing reference and north. Can one assume that the torque generator works linearly, in this way, the amplified signal from the tap that is connected to the torque generator is supplied Measure for this angle between the housing reference and north. This signal can be used to indicate the north direction (DE-AS 20 08 702) or for navigation purposes (DE-AS 25 45 025).

Durch die elektrische Fesselung des Meridiankreisels und die Schwingungsperiode des Systems wesentlich verkürzt. Es kann dann in einer verglichen mit vorbekannten, sich frei einstellenden bandaufgehängten Meridiankreiseln kurzen Zeit die Nordabweichung, d.h. der Winkel zwischen Gerätereferenz und Nord bestimmt werden. Trotzdem dauert es noch unerwünscht lange, bis sich tatsächlich ein stationärer Wert für die Nordabweichung eingestellt hat. Auch wird die Messung durch äußere Störungen beeinträchtigt.Due to the electrical restraint of the meridian gyro and the oscillation period of the system significantly shortened. It can then be suspended in a freely adjusting tape compared to previously known Meridian gyroscopes determine the north deviation for a short time, i.e. the angle between the device reference and north will. Nevertheless, it still takes an undesirably long time before a stationary value for the North deviation has set. The measurement is also affected by external interference.

Um den Einfluß solcher äußerer Störungen zu eliminieren, ist es bekannt, das auf den Drehmomenterzeuger aufgeschaltete, als Haß für die Nordabweichung dienende Signal auf einen Analog-Digital-Wandler zu geben, der ein diesem Signal entsprechendes Digitalsignal liefert.In order to eliminate the influence of such external disturbances, it is known to switch to the torque generator, as hatred for the north deviation serving signal to an analog-to-digital converter, the supplies a digital signal corresponding to this signal.

1^ Dieses Digitalsignal ist auf einen Rechner aufgeschaltet, der zur rekursiven Mittelwertbildung aus den in vorgegebenen Zeitabständen abgetasteten Digitalsignalen eingerichtet ist. Durch die Mittelwertbildung wird der Einfluß von Störungen unterdrückt. Dadurch, 1 ^ This digital signal is connected to a computer which is set up for recursive averaging from the digital signals sampled at specified time intervals. The averaging suppresses the influence of interference. Through this,

aJ daß die Mittelwertbildung rekursiv erfolgt, ist jedoch aJ , however, is that the averaging takes place recursively

• sichergestellt, daß ein Meßwert relativ schnell zur Verfugung steht, (DE-OS 25 45 026 und DE-OS 26 18 sowie US-PS 40 75 764). Wenn der Meßwert auch zunächst unter Umständen mit einem Fehler behaftet ist, so wird er jedoch verbessert in dem Maße, wie die Mittelwertbildung erfolgt. Dem Analog-Digital-Wandler ist üblicherweise noch ein Tiefpassfilter vorgeschaltet.• ensures that a measured value is obtained relatively quickly Available (DE-OS 25 45 026 and DE-OS 26 18 and US-PS 40 75 764). If the measured value also initially may be flawed, however, it will be improved as the Averaging takes place. A low-pass filter is usually connected upstream of the analog-digital converter.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Kreiselgerät der eingangs definierten Art, die Zeit innerhalb .welcher ein Meßwert.mit einer gewünschten Genauigkeit erhalten wird, weiter zu verkürzen und den Einfluß von mechanischen Störungen auf die Messung zu unterdrücken.
15
The invention is based on the object of further shortening the time within which a measured value is obtained with a desired accuracy in a gyroscope of the type defined at the outset, and of suppressing the influence of mechanical disturbances on the measurement.
15th

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daßAccording to the invention, this object is achieved by that

(e) das Filter ein Kaiman-Filter ist, 20(e) the filter is a Kalman filter, 20

(e,) welches das System des gefesselten Meridiankreisels nachbildet,(e,) which simulates the system of the bound meridian gyro,

(e„) auf welches als erstes Filtereingangssignal ^ die Differenz des auf den Drehmomenterzeuger(e ") on which as the first filter input signal ^ the difference of the on the torque generator

aufgeschalteten Signals (Mg) und eines von dem Kaiman-Filter gelieferten Schätzwertsapplied signal (Mg) and an estimated value supplied by the Kalman filter

(Mg) dieses Signals aufgeschaltet ist.(Mg) this signal is applied.

Bei einem Kaiman-Filter wird das Meßgrößen liefernde System durch ein Modell nachgebildet. Ein sich aus einem solchen Modell ergebender Schätzwert für eine der Meßgräßen wird mit dem tatsächlich in dem System gemessenen Wert der Meßgröße verglichen und aus derIn the case of a Kalman filter, the system that supplies the measured variables is simulated by a model. One off The estimated value resulting from such a model for one of the measured quantities is identical to that actually in the system measured value of the measured variable and compared from the

Differenz ein Filtereingangssignal gebildet. DieseDifference a filter input signal is formed. These

Filtereingangssignale werden multipliziert mit geeigneten zeitabhängigen Funktionen auf Integrationsmittel gegeben und verändern Parameter des Modells solange, bis die Filtereingangssignale verschwinden. Dann entspricht das Modell der Realität, und an dem so erhaltenen Modell können Schätzwerte für Meßgrößen des Systems, z.B. wie im vorliegenden Fall für den WinkelFilter input signals are multiplied by suitable time-dependent functions on integration means given and change parameters of the model until the filter input signals disappear. Then corresponds the model of reality, and on the model obtained in this way, estimated values for measured quantities of the System, e.g. as in the present case for the angle

do zwischen Gerätereferenz und Nord gewonnen werden.do can be obtained between device reference and north.

'^ Es hat sich gezeigt, daß durch Anwendung eines solchen Kaiman-Filters zur Bestimmung eines Schätzwertes Ji für den Winkel zwischen Gerätereferenz und Nord bei einem Kreiselgerät der vorliegenden Art gegenüber dem geschilderten bekannten Gerät eine erhebliche ** Verbesserung sowohl hinsichtlich der Einstellzeit als auch hinsichtlich der Unterdrückung von mechanischen Störungen erzielt werden kann.It has been shown that by using such a Kalman filter to determine an estimated value Ji for the angle between the device reference and north in a gyro device of the present type compared to the known device described, a considerable improvement in both the setting time and in terms of the suppression of mechanical disturbances can be achieved.

Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand derRefinements of the invention are the subject of

Unteransprüche.Subclaims.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen ZeichnungenAn embodiment of the invention is as follows with reference to the accompanying drawings

näher erläutert;
25
explained in more detail;
25th

Fig. 1 ist eine schematisch-perspektivische Darstellung des mechanischen Aufbaus des Kreiselgeräts.Fig. 1 is a schematic perspective view of the mechanical structure of the gyro.

Fig. 2 zeigt als Blockdiagramm die Verknüpfung der verschiedenen Meßgrößen des Kreiselgeräts und des Kaiman-Filter für die Signalverarbeitung.2 shows, as a block diagram, the linking of the various measured variables the gyro and the Kalman filter for signal processing.

Fig. 3 veranschaulicht den EinstellvorgangFig. 3 illustrates the adjustment process

bei einem bekannten Kreiselgerät
und bei einem Kreiselgerät mit
einem Kaiman-Filter.
5
in a known gyroscope
and with a gyro with
a Kalman filter.
5

Fig. 4 veranschaulicht die Beeinflussung des Einstellvorgangs durch Störungen bei einem bekannten Kreiselgerät und dem Kreiselgerät mit Kaiman-Filter.
10
4 illustrates the influencing of the setting process by disturbances in a known gyroscope and the gyro with a Kalman filter.
10

Das Kreiselgerät enthält ein Gehäuse 10, in welchem
ein Meridiankreisel 12 mit einem Mast 14 mittels eines Bandes 16 aufgehängt ist. Das Gehäuse 10 definiert
ein Koordinatensystem mit der vertikalen Achse ζ und
den dazu und zueinander senkrechten Achsen χ und y.
The gyroscope includes a housing 10 in which
a meridian gyro 12 is suspended from a mast 14 by means of a tape 16. The housing 10 defines
a coordinate system with the vertical axis ζ and
the axes χ and y, which are perpendicular to this and to each other.

Die Achse y stellt dabei eine Gerätereferenz dar. Wenn der Meridiankreisel 12 mit seiner Kreiseldrallachse 18 in der durch die y- und die z-Achse bestimmten
Ebene liegt, ist das Band 16 entspannt. Diese Stellung wird daher als Bandnullage bezeichnet. Die Auslenkung
des Meridiankreisels 12 gegenüber der Gerätereferenz y wird mittels eines hier als Potentiometer angedeuteten Abgriffs 20 erfaßt. Das Signal des Abgriffs ist über
einen hochverstärkenden Verstärker 22 auf einen Drehmomenterzeuger 24 geschaltet. Die Kreiseldrallachse ist
mit 26 bezeichnet.
The axis y represents a device reference. If the meridian gyro 12 with its gyroscopic twist axis 18 is determined by the y and z axes
Is level, the belt 16 is relaxed. This position is therefore referred to as the tape zero position. The deflection
of the meridian gyro 12 with respect to the device reference y is detected by means of a tap 20 indicated here as a potentiometer. The signal from the tap is over
a high-gain amplifier 22 is connected to a torque generator 24. The gyroscopic axis is
denoted by 26.

Es werden im folgenden die nachstehenden BezeichnungenThe following terms are used in the following

benutzt, die auch aus Fig. 1 ersichtlich sind:
30
used, which can also be seen from Fig. 1:
30th

Cl = Azumutwinkel zwischen Kreiseldrallachse 26 und
Nord
Cl = azumuth angle between gyroscopic axis 26 and
North

β = Azimutwinkel zwischen Gehäusereferenz y und Nord
35
β = azimuth angle between housing reference y and north
35

^ & η = Auslenkung der Kreiseldrallachse 26 gegenüber der Gehäusereferenz^ & η = deflection of the gyroscopic twist axis 26 with respect to the housing reference

§ - Elevationswinkel der Kreiseldrallachse 26, § - elevation angle of the gyroscopic axis 26,

c = Drehfederkonstante der Bandaufhängungc = torsion spring constant of the belt suspension

m - Masse des von dem Meridiankreisel 12 gebildeten m - mass of that formed by the meridian gyro 12

Kreiselpendels,
10
Roundabout pendulum,
10

r = Länge des Kreiselpendelsr = length of the pendulum

g = Erdbeschleunigungg = acceleration due to gravity

I = Trägheitsmoment des Kreiselpendels um die x-Achse I = Trägheitsmoment des Kreiselpendels um die z-AchseI = moment of inertia of the centrifugal pendulum around the x-axis I = moment of inertia of the centrifugal pendulum around the z-axis

H = KreiseldrallH = gyroscopic swirl

UJ = Winkelgeschwindigkeit der Erddrehung φ = geographische BreiteUJ = angular velocity of the earth's rotation φ = geographical latitude

M = das dem Drehmomenterzeuger 24 vom Verstärker 22 zugeführte Signal,M = that of the torque generator 24 from the amplifier 22 supplied signal,

My = H ω sin ψ My = H ω sin ψ

M.. = H ω cos ψ
N e
M .. = H ω cos ψ
N e

V = Verstärkungsgrad des VerstärkersV = gain of the amplifier

1 + TD s1 + T D s

VFR (s) = V = Übertragungsfunktion des Verstär-VF R (s) = V = transfer function of the amplifier

1 + T1 s1 + T 1 s

kerskers

s= Variable der Laplace-Transformiertens = variable of the Laplace transform

K.. (i,k = 1,2,3,4) = zeitabhängige FunktionenK .. (i, k = 1,2,3,4) = time-dependent functions

VM = die Varianz des Meß-Rauschprozesses des auf den Drehmomenterzeuger aufgeschalteten SignalsV M = the variance of the measurement noise process of the signal applied to the torque generator

Veft = die Varianz des Meß-Rauschprozesses der Abweichung der Kreiseldrallachse 26 von der Gehäusereferenz V eft = the variance of the measurement noise process of the deviation of the gyroscopic twist axis 26 from the housing reference

M β = Störmoment um Hochachse Z Ma = Störmoment um x-AchseM β = disturbance torque around the vertical axis Z Ma = disturbance torque around the x-axis

,W = Leistungsschichten der Systemrauscheingänge, W = power layers of the system noise inputs

Im oberen Teil von Fig. 2 ist das Kreiselgerät, das generell mit 28 bezeichnet ist, als Blockdiagramm dargestellt.At the top of Fig. 2 is the gyroscope, generally designated 28, in block diagram form shown.

Die Momentengleichung für die Momente um die Hochachse ζ (Fig. 1) lautetThe moment equation for the moments about the vertical axis ζ (Fig. 1) reads

(1) I2e = Me - Hae cos <P sin« - Hß - [vFR(s) + (J aA(1) I 2 e = M e - Ha e cos <P sin «- Hß - [vF R (s) + ( Y a A

Es ist also I α gleich der Summe der um die Hochachse ζ wirkenden Momente, nämlich der Stömomente M ,So I α is equal to the sum of the around the vertical axis ζ acting moments, namely the flow moments M,

des Kreiselrichtmoments infolge der Horizontalkomponen-30 of the gyro straightening torque as a result of the horizontal component 30

te der Erddrehung H ta cos φ sine , des Kreiselmoments infolge einer Drehgeschwindigkeit um die x-Achse H β sowie des von dem Drehmomenterzeuger 24 und dem Band 16 auf den Meridiankreisel 12 ausgeübten Drehmoments. Dieses letztere Drehmoment ist proportional dem Winkel«., um den die Kreiseldrallachse 26 gegen diete of the earth's rotation H ta cos φ sine, the gyroscopic torque due to a rotational speed about the x-axis H β and the torque exerted by the torque generator 24 and the belt 16 on the meridian gyro 12. This latter torque is proportional to the angle "., By which the centrifugal axis 26 relative to the

Gehäusereferenz ausgelenkt ist. Der Proportionalitätsfaktor enthält einmal den Verstärkungsgrad des Verstärkers 22 (in den der Einfachheit halber der Faktor des Drehmomenterzeugers 24 mit eingerechnet ist).Housing reference is deflected. The proportionality factor contains the gain of the Amplifier 22 (in which, for the sake of simplicity, the factor of the torque generator 24 is included).

Der Verstärkungsgrad des Verstärkers 22 besitzt ein Zeitverhalten F„ (s) mit einer übertragungsfunktion, das in Gleichung (1) (mathematisch nicht ganz korrekt) als Faktor angedeutet ist.The gain of the amplifier 22 has a time behavior F "(s) with a transfer function, which is indicated as a factor in equation (1) (mathematically not entirely correct).

Als Momentengleichung um die x-Achse ergibt sichThe equation of moments about the x-axis results

(2) L) β = M8 + Hm sinqp +Hei - mrg sin P χ ρ e(2) L) β = M 8 + Hm sinqp + Hei - mrg sin P χ ρ e

I ρ ist wieder gleich der Summe der um die x-Achse wirkenden Momente, nämlich der Störmomente Me infolge äußerer Einwirkungen, des Kreiselmoments H ω sin φ , das auf die Vertikalkomponente der Erddrehung zurückzuführen ist, eines Kreiselmoments H« infolge von Drehgeschwindigkeiten β um die Hochachse ζ sowie mit umgekehrtem Vorzeichen eines Peldelmoments P = mrg sinß das bei einer Auslenkung des Meridiankreisels 12 mit dem Mast 14 aus der Lotrichtung und damit bei einer Auslenkung der Kreiseldrallachse 26 aus der Horizontalebene auftritt. Da es sich um einen schweren Kreisei handelt, können β und ρ , d.h. die Nutation, vernachlässigt werden. Im Fall der Feinausrichtung, wenn also die Kreiseldrallachse 26 schon im wesentlichen nach Nord ausgerichtet und α klein ist, können sin ο durch« und sin p durch ß ersetzt werden. Aus den Gleichungen (1) und (2) ergeben sich dann die folgenden linearisierten ModellgleichungenI ρ is again equal to the sum of those around the x-axis acting moments, namely the disturbance moments Me due to external influences, the gyroscopic moment H ω sin φ, which is due to the vertical component of the earth's rotation, a gyroscopic moment H «due to Rotational speeds β around the vertical axis ζ and with the opposite sign of a Peldel moment P = mrg sinß that with a deflection of the meridian gyro 12 with the mast 14 from the perpendicular direction and thus with a Deflection of the gyratory axis 26 from the horizontal plane occurs. Since it is a heavy circle egg , β and ρ, i.e. the nutation, can be neglected will. In the case of fine alignment, that is, when the gyroscopic spin axis 26 is already essentially aligned to the north and α is small, sin ο can be replaced by «and sin p by ß. the end Equations (1) and (2) then result in the following linearized model equations

(3) Hi = Pß - Mv - Wv (4) HP = - Mn* - M(3) Hi = Pβ - M v - W v (4) HP = - M n * - M

JS.JS.

A mit -dem Kompensatiorasmoment bzw. idem,sauf ..den --Drehmomenterzeuger -24 .au f geschalt et en A with -the Kompensatiorasmoment or idem, s to ..the --torque generator -24. Switched to f

(5) Mg Cs) =.= CV;Fr Cb) + ^8 )::o:ft Cs) 5(5) Mg Cs) =. = CV; F r Cb) + ^ 8 ) :: o : ft Cs) 5

Dabei ist die Drehfederkonstante C vernachlässigbar, da der Verstärkungsgirad -V. in der Praxis um idrei ZZe.hner— potenzen größer ist als CC -. Die /Störmomente Me and MThe torsion spring constant C is negligible because the reinforcement factor -V . in practice by three ZZe.hner potencies greater than CC -. The / disturbance moments Me and M

TO a TO a

sind in den Gleichungen (3) und (4) als atochastischeare in equations (3) and (4) as atochastic

Signale mit WuW bezeichnet.
s ν ζ
Signals designated with WuW.
s ν ζ

Diese Modellgleichungen (3) und (4)isind in dem Blackdiagramm-im oberen"Teil von Rig. -2 dargestellt.These model equations (3) and (4) are in FIG Black diagram-shown in the upper "part of Rig. -2.

Ein Summierpunkt 30 repräsentiert Gleichurtg '(-41. !Die Abweichung α der Kreiseldrallac.hse ZG von Nord, cdi-e, wie nach ersichtlich .wind, im "Punkt :32;:des Blockdiagramms erscheint, wird:multipliziert mit >A summation point 30 represents equation '(-41.! The deviation α of the gyroscopic twist axis ZG from north, cdi-e, as can be seen after .wind, in the "point : 32 ;: of the block diagram appears, is: multiplied by>

MM-=" H ep cos φ , wie durch iden Block j34 dargestellt ist. Dieses Produkt erscheint mit negativem Vorzeichen an dem Summierpunkt. λΕϊπ weiterer .^Summand : im iSummieF- :punkt .ist das von dem Drehmome.nterzeu;geT -24 gelieferte Drehmofient M , das Djcoportional zder :ftbwexchang::a der Kreis^eldrällacbse _Z6 (mitM M - = "H ep cos φ, as shown by the block j34. This product appears with a negative sign at the summing point. 24 delivered torque M, the Djcoportional zder : ftbwexchang :: a the circle ^ eldrällacbse _Z6 (with

von der Gehäusereferenrz (mit .dem Azimutwinkel α ) ist und im Punkt ;36 des . Blockdiagramms :-erschei.nt. Diese Abweichung α , dEft^von dem 'Abgriff1' 20 erhäl%en wird, wird mit idem Verstärkungsfaktor^des Verstärkers~22 miültipliziert, wie durch Block ■ J7 :idar;gesteilt ist, erscheint ebenfalls mit negativem .Vorzeic.lnren aam mierpunkt 30. Der dritte-Summand,rder;am'Sammierpunktfrom the housing reference (with the azimuth angle α) and at point; 36 des. Block diagrams: -appears. This deviation α, dEft ^ from the 'tap 1 ' 20 is multiplied by the gain factor ^ of the amplifier ~ 22, as shown in block J7: idar;, also appears with a negative sign 30. The third summand, rder; at the 'collecting point

' wirksam wird, ist die das Störmoment um die z-Achse repräsentierende Große W- . Nach Gleichung (4) ergibt der Summierpunkt 30 als Summe H^ . Die Abweichung der Kreiseldrallachse von Nord im Azimuts d,h« um die z-Achse bewirkt somit eine Winkelgeschwindigkeit β um die x-Achse (Fig, 1). Diese Winkelgeschwindigkeit ergibt sich aus dem Summensignal am Summierpunkt durch Division durch H? was durch einen Block 36 dargestellt ist« Der Auslenkungswinkeip um die x«Aehse 'becomes effective is the magnitude W- representing the disturbance torque about the z-axis. According to equation (4), the summing point 30 results as the sum H ^. The deviation of the gyroscopic spin axis from north in the azimuth d, h «around the z-axis thus results in an angular velocity β around the x-axis (FIG. 1). This angular velocity results from the sum signal at the summing point by dividing by H ? which is represented by a block 36 'The angle of deflection about the x' axis

"^ ergibt sich daraus durch Integration, dargestellt durch einen Block 38, Die Kreiseldrallaehae 26 sucht also bei einem Winkel es im Azimut gegenüber Nord ihren Elevationswinkelβ zu ändern. Der Elevationswinkel ρ bewirkt jedoch gemäß Gleichung (3) durch das"^ Is obtained therefrom by integration, represented by a block 38, the Kreiseldrallaehae 26 thus searches at an angle β in azimuth relative to north, it its elevation angle to change. The elevation angle ρ causes, however, according to equation (3) through the

"5 Pendelmoment P = m.r.g eine Winkelgeschwindigkeit« um die Azimutachse z."5 pendulum moment P = m.r.g an angular velocity« around the azimuth axis z.

Ein Summierpunkt 40 in Fig. 2 repräsentiert Gleichung (3)e A summing point 40 in FIG. 2 represents equation (3) e

Der Elevationswinkel§ , der sich aus der durch Block symbolisierten (durch das System erfolgenden) Integration ergibt, wird mit P = m.r.g multipliziert. Dieses Produkt wird mit positivem Vorzeichen an dem Summierpunkt 40 wirksam. Mit negativem Vorzeichen wird ^ ® The elevation angle § , which results from the integration symbolized by the block (carried out by the system), is multiplied by P = mrg. This product becomes effective at the summing point 40 with a positive sign. With a negative sign becomes

weiterhin H1, = H β sin « und die das Störmoment ν e τfurthermore H 1 , = H β sin «and the disturbance torque ν e τ

darstellende Größe M„ wirksam. An dem Summierpunkt ergibt sich dann nach Gleichung (3) H β . Die Winkelgeschwindigkeit β um die Azimutachse ζ ergibt sich durch Division durch H, was durch den Block 44 dar-representing quantity M "effective. At the summing point Then, according to equation (3), H β results. The angular velocity β about the azimuth axis ζ is obtained by dividing by H, which is shown by block 44

gestellt ist. Durch Integration der Winkelgeschwindigkeit m , dargestellt durch Block 46, ergibt sich « im Punkt 32.is posed. Integrating the angular velocity m, represented by block 46, results in “at point 32.

Ein Summierpunkt 48 repräsentiert den Abgriff 20, wo die Differenz des Winkels ® zwischen GehäusereferenEA summing junction 48 represents the tap 20 where the difference between the angle ® GehäusereferenE

,ο, ο

und Nord und des Winkels a zwischen Kreiseldrallachse und Nord gebildet wird und den Winkel« . liefert. Eineand north and the angle a between the gyroscopic axis and north is formed and the angle «. supplies. One

(t)
Größe Wa = ά stellt stochastische Störungen von α dar, die integriert, wie durch Block 50 dargestellt, den Winkel α ergeben. Als Anfangswert der Integration ist a (t ) vorgegeben.
(t)
Quantity W a = ά represents stochastic disturbances of α, which when integrated, as represented by block 50, result in the angle α. As the initial value of the integration of a (t) is predetermined.

Dieses Blockdiagramm stellt somit in linearisierter Form das in Fig. 1 gezeigte Kreiselgerät 28 dar» 10This block diagram thus represents the gyro device 28 shown in FIG. 1 in a linearized form. 10

Eine Signalauswerterschaltung enthält ein Kaiman-Filter 52, das im unteren Teil von Fig. 2 dargestellt ist. Dieses Kaiman-Filter 52 bildet das durch das Blockdiagramm dargestellte Modell des Kreiselgeräts nach. Es liefert Schätzwerte für die verschiedenen Größen, die durch ein Dach (λ) gekennzeichnet sind. Mg ist beispielsweise ein Schätzwert für das von dem Drehmomenterzeuger 24 auf den Meridiankreisel ausgeübte Drehmoment bzw. das auf den Drehmomenterzeuger aufgeschaltete Signal. Als erste Filtereingangsgröße dient die Differenz des Signals Mg und des vonA signal evaluation circuit contains a Kalman filter 52, which is shown in the lower part of FIG is. This Kalman filter 52 forms the model of the gyroscope represented by the block diagram after. It provides estimated values for the various sizes that are characterized by a roof (λ). Mg is, for example, an estimate of that exerted on the meridian gyro by the torque generator 24 Torque or the signal applied to the torque generator. As the first filter input variable the difference between the signal Mg and that of

dem Kaiman-Filter 52 gelieferten Schätzwerts Mg dieses Signals.the estimated value Mg supplied to the Kalman filter 52 of this Signal.

Fakultativ kann auf das Kaiman-Filter 52 zusätzlich als zweites Filtereingangssignal die Differenz eines die Abweichung ο . des Meridiankreisels 12" von der Gehäusereferenz y darstellenden Signals und eines von dem Kaiman-Filter 52 gelieferten Schätzwerts α Δ Optionally, on the Kalman filter 52, as a second filter input signal, the difference of the deviation ο. of the meridian gyro 12 ″ from the signal representing the housing reference y and an estimated value α Δ supplied by the Kalman filter 52

ou dieses Signals aufgeschaltet sein. Das ist in Fig. gestrichelt angedeutet. ou this signal must be activated. This is indicated by dashed lines in FIG.

Die Filtereingangssignale werden mit zeitabhängigen Faktoren multipliziert und integriert, wobei durch dieThe filter input signals are time-dependent Factors multiplied and integrated, being by the

Integrale die Parameter des Modells verändert werden, bis die Filtereingangssignale verschwinden. Es kannIntegrals the parameters of the model can be changed until the filter input signals disappear. It can

dann davon ausgegangen werden, daG das so modifizierte Modell dem realen System entspricht, so daß die an dem Modell abgegriffenen Schätzwerte die im System auftretenden realen Größen wiedergeben.it can then be assumed that the model modified in this way corresponds to the real system, so that the an The estimated values taken from the model reflect the real values occurring in the system.

Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispxel besitzt das Kaiman-Filter 52 folgende Struktur 5In the preferred embodiment, the Kalman filter 52 following structure 5

In einem ersten Summierpunkt 54 wird die DifferenzIn a first summing point 54, the difference

"IQ gebildet eines ersten Signals, das einen Schätzwert Mg für das auf den Drehmomenterzeuger 24 geschaltete Signal darstellt, und eines zweiten Signals, das den mit H ω cos ψ multiplizierten Schätzwert u des Winkels zwischen Kreiseldrallachse 26 und Nord dar-"IQ formed a first signal which represents an estimated value Mg for the signal switched to the torque generator 24, and a second signal which represents the estimated value u, multiplied by H ω cos ψ, of the angle between the gyro axis 26 and north.

"15 stellt, wobei, wie gesagt, H der Kreisdrall, ω die Winkelgeschwindigkeit der Erddrehung und φ die geographische Breite ist. Die erhaltene Differenz wird durch den Kreiseldrall H dividiert, wie durch Block angedeutet ist. In einem zweiten Summierpunkt 58 wird die Summe gebildet der durch den Kreiseldrall H dividierten Differenz von dem ersten Summierpunkt 54 und des mit einem zeitabhängigen Faktor [<2o multiplizierten ersten Filtereingangssignals, wobei die Multiplikation durch den Block 60 dargestellt ist."15, where, as I said, H is the circular twist, ω is the angular velocity of the earth's rotation and φ is the geographical latitude. The difference obtained is divided by the circular twist H, as indicated by block. The sum is formed at a second summing point 58 the difference between the first summing point 54 and the first filter input signal multiplied by a time-dependent factor [<2 o, the multiplication being represented by the block 60, divided by the gyroscopic swirl H.

Und die in dem zweiten Summierpunkt 58 gebildete Summe wird durch Integrationsmittel 62 integriert. Das so erhaltene Signal, das einen Schätzwert β für den Elevationswinkel der Kreiseldrallachse 26 darstellt, wird mit einem Faktor P = mrg multipliziert, wie durch Block 64 dargestellt ist, wobei m die Masse des Meridiankreisels 12, r die Länge des Kreiselpendels (Fig. 1) und g die Erdbeschleunigung ist. In einem dritten Summierpunkt 66 wird die Summe gebildet von dem mit P multiplizierten Integral von den Integrationsmitteln 62 und einem Signal M = H θ sin ψ And the sum formed in the second summing point 58 is integrated by integration means 62. The signal obtained in this way, which represents an estimated value β for the elevation angle of the gyroscopic swirl axis 26, is multiplied by a factor P = mrg, as shown by block 64, where m is the mass of the meridian gyro 12, r is the length of the gyro pendulum (FIG. 1 ) and g is the acceleration due to gravity. In a third summing point 66 the sum is formed from the integral multiplied by P from the integration means 62 and a signal M = H θ sin ψ "

veve

Die in dem dritten Summierpunkt 66 gebildete Summe wird durch den Kreiseldrall H dividiert, wie durch Block 68 angedeutet ist. In einem vierten Summierpunkt wird die Summe gebildet von der durch den Kreiseldrall H dividierten Summe von dem dritten Summierpunkt und dem mit einem zeitabhängigen Faktor K^ multiplizierten ersten Filtereingangssignal, wobei der Faktor K, durch Block 72 dargestellt ist. Die in dem vierten Summierpunkt 70 gebildete Summe wird durch Integrationsmittel 74 integriert, wobei das so erhaltene Signal den besagten Schätzwert cc des Winkels zwischen Kreiseldrallachse und Nord darstellt, der, multipliziert mit dem durch Block 76 dargestellten Faktor M.. = H» cos<p in dem ersten Summierpunkt 54 subtrahiert wird. Das erste Filtereingangssignal wird mit einem zeitabhängigen Faktor K^ 2 dargestellt durch Block 78, multipliziert und dann durch Integrationsmittel 80 integriert, wobei ein Signal erhalten wird, das den Schätzwerte für den Winkel zwischen Gerätereferenz y und Nord darstellt. In einem fünften Summierpunkt 82 wird die Differenz gebildet von der integrierten Summe von dem vierten Summierpunkt 70 und dem mit dem Faktor K, ~ multiplizierten und integrierten ersten Filtereingangssignal, wobei ein Signal erhalten wird, das einenThe sum formed in the third summing point 66 is divided by the gyroscopic swirl H, as by Block 68 is indicated. In a fourth summing point, the sum is formed from that caused by the gyroscopic swirl H divided sum of the third summing point and that multiplied by a time-dependent factor K ^ first filter input signal, the factor K being represented by block 72. the The sum formed in the fourth summing point 70 is integrated by integration means 74, the The signal obtained in this way represents the said estimated value cc of the angle between the gyroscopic axis and north, that multiplied by the factor M .. = H »cos <p represented by block 76 in the first summing point 54 is subtracted. The first filter input signal is with a time-dependent factor K ^ 2 represented by block 78, multiplied and then integrated by integrating means 80, where a signal is obtained which represents the estimated value for the angle between the device reference y and north. In a fifth summing point 82, the difference is formed from the integrated sum of the fourth summing point 70 and that with the factor K, ~ multiplied and integrated first filter input signal, a signal being obtained which has a

Schätzwert et . für die Auslenkung des Meridiankreisels 12 gegen die Gehäusereferenz y darstellt. In einem sechsten Summierpunkt 84 wird die Summe gebildet von dem mit einem Faktor D multiplizierten Signal, das im Punkt 86 durch die *- Division der Summe vom dritten Summierpunkt 66 durch den Kreiseldrall H erhalten wurde, der mit einem Faktor γ multiplizier-Estimate et. represents the deflection of the meridian gyro 12 against the housing reference y. In a sixth summing point 84, the sum is formed from the signal multiplied by a factor D , which was obtained in point 86 by * dividing the sum from the third summing point 66 by the gyroscopic twist H, which was multiplied by a factor γ.

1 1 ten Differenz von dem fünften Summierpunkt 82, dem mit einem zeitabhängigen Faktor K, multiplizierten FiItereingangssignal sowie , mit negativem Vorzeichen, 1 1st difference from the fifth summing point 82, the filter input signal multiplied by a time-dependent factor K and, with a negative sign,

dem mit einem Faktor γ multiplizierten Schätzwert - ιthe estimated value multiplied by a factor γ - ι

Mg des auf den Drehmomenterzeuger 24 geschalteten Signals. Dabei ist der Faktor D durch Block 88, der Faktor γ durch Block 90, 1 der Faktor K.9 Mg of the signal switched to the torque generator 24. The factor D through block 88, the factor γ through block 90 , 1 is the factor K. 9

1 11 1

durch Block 92 und der Faktor γ durch Block symbolisiert. Die in dem sechsten Summierpunkt gebildete Summe wird durch Integrationsmittel 96 integriert, wodurch der besagte Schätzwert Mg des auf den Drehmomenterzeuger 24 geschalteten Signals erhalten wird.symbolized by block 92 and the factor γ by block. The sum formed in the sixth summing point is integrated by integration means 96, as a result of which said estimated value Mg of the signal connected to the torque generator 24 is obtained.

Fakultativ kann in den zweiten Summierpunkt 58 zusätzlich das mit einem zeitabhängigen Faktor K91 , dargestellt durch den gestrichelten Block 98, multiplazierte zweite Filtereingangssignal addiert werden, welches, wie gesagt, die Differenz eines die Abweichung des Meridiankreisels 12 von der Gehäusereferenz y darstellenden Signals und eines von dem Kaiman-Filter gelieferten Schätzwerts© . dieses Signals ist. In dem vierten Summierpunkt 70 würde dann zusätzlich das mit einem zeitabhängigen Faktor K], , dargestellt durch den gestrichelten Block 100, multiplizierte zweite Filtereingangssignal addiert. Durch die Integrationsmittel 80, die einen Schätzwert^ des Winkels zwischen Gerätereferenz y und Nord liefern, würde zusätzlich das mit einem zeitabhängigen Faktor K,-multiplizierte zweite Filtereingangssignal integriert. Der Faktor K-j , ist durch Block 102 symbolisiert. Schließlich würde im sechsten Summierpunkt zusätzlich das mit einem zeitabhängigen Faktor K. ·,, dargestellt durch Block 104, multiplizierte zweite Filtereingangssignal addiert.Optionally, the second filter input signal multiplied by a time-dependent factor K 91 , represented by the dashed block 98, can be added to the second summing point 58, which, as said, is the difference between a signal representing the deviation of the meridian gyro 12 from the housing reference y and a the estimated value © supplied by the Kalman filter . this signal is. In the fourth summing point 70, the second filter input signal multiplied by a time-dependent factor K], represented by the dashed block 100, would then be added. The integration means 80, which supply an estimated value ^ of the angle between the device reference y and north, would additionally integrate the second filter input signal multiplied by a time-dependent factor K 1. The factor Kj is symbolized by block 102. Finally, in the sixth summing point, the second filter input signal multiplied by a time-dependent factor K, represented by block 104, would be added.

Zur Bildung des ersten Filtereingangssigna]s wird ^ in einem achten Summierpunkt 106 die Summe gebildet vonTo form the first Filtereingangssigna s] ^ is formed in an eighth summing point 106, the sum of

dem auf den Drehmomenterzeuger 24 tatsächlich aufgeschalteten Signal Mg, mit negativem Vorzeichen demthe signal Mg actually applied to the torque generator 24, with the negative sign dem

A von dem Kaiman-Filter 52 gelieferten Schätzwert Mg A estimate Mg provided by the Kalman filter 52

dieses auf den Drehmomenterzeuger 24 aufgeschalteten ** Signals und einem Signal V.. , das die Varianz des Meß-Rauschprozesses des auf den Drehmomenterzeuger aufgeschalteten Signals Mg darstellt. Zur Bildung des zweiten Filtereingangssignals wird in einem neunten Summierpunkt 108 die Summe gebildet von dem von dem Abgriff 20 gelieferten, die Abweichung des Meridiankreisels 12 von der Gehäusereferenz y darstellenden Signal β. , mit negativem Vorzeichen dem von dem Kaiman-Filter 52 gelieferten Schätzwert αΑ dieses die Abweichung des Meridiankreisels 12 von der Gehäusereferenz y darstellenden Signals und einem Signal Va . , das die Varianz des Meß-Rauschprozesses der Abweichung des Meridiankreisels von der Gehäusereferenz darstellt.this ** signal applied to the torque generator 24 and a signal V .. which represents the variance of the measurement noise process of the signal Mg applied to the torque generator. To form the second filter input signal, in a ninth summing point 108 the sum is formed from the signal β supplied by the tap 20 and representing the deviation of the meridian gyro 12 from the housing reference y. , with a negative sign the estimated value α Α supplied by the Kalman filter 52, this signal representing the deviation of the meridian gyro 12 from the housing reference y and a signal V a . , which represents the variance of the measurement noise process of the deviation of the meridian gyro from the housing reference.

Wie man sieht, bildet das Kaiman-Filter 52 das Iinearisierte System des Kreiselgeräts 28 nach. Die Blöcke 88,90,94 mit dem Integrator 96 sind eine Nachbildung des Verstärkers 22, dessen Übertragungsfunktion mitAs can be seen, the Kalman filter 52 forms the linearized one Gyro 28 system according to. Blocks 88,90,94 with integrator 96 are one Replica of the amplifier 22, its transfer function with

(6) VFR (s) = V(6) VF R (s) = V

angenommen wird. Dieses Modell wird durch die Filter-3Q eingangssignale von den Summierpunkten 106 und 108 mit zeitabhängigen Faktoren, dargestellt durch die Blöcke 60,98,72,100,102,78,92 und 104, die auf die Eingänge von Integrationsmitteln 62,74,80 und 96 gege ben werden, solange variiert, bis die FiItereingangssignale verschwinden und das Modell der Realität angepaßt ist.Is accepted. This model is supported by the Filter 3Q input signals from summing points 106 and 108 with time-dependent factors represented by the Blocks 60, 98, 72, 100, 102, 78, 92 and 104, which respond to the inputs of integration means 62, 74, 80 and 96 be varied until the filter input signals disappear and the model is adapted to reality.

Die Figuren 3 und 4 veranschaulichen die durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Signalverarbeitungsmittel gegenüber dem Stand der Technik erzielten Vorteile.Figures 3 and 4 illustrate the results achieved by the inventive design of the signal processing means compared to the prior art Advantages.

In Fig. 3 stellt die Linie 110 den realen Wort desIn Fig. 3, line 110 represents the real word of the

Winkels » zwischen Gerätereferenz und Nord dar. " οAngle »between the device reference and north. "ο

Kurve 112 zeigt, wie die Anzeige eines Geräts etwa nach Dt-OS 1 941 808 in diesen Wert « einläuft,Curve 112 shows how the display of a device, for example according to Dt-OS 1 941 808, enters into this value «,

ig wenn das auf den Drehmomenterzeuger 24 geschaltete Signal Mg zur Signalverarbeitung lediglich über einen Tiefpaß geleitet wird. Kurve 114 zeigt das Einlaufen des Meßwerts, wenn zusätzlich zu dem Tiefpaß noch ein Mittelwertfilter nach Art der US-PS 4 075 764 vorgesehen ist, Kurve 116 schließlich zeigt das Einlaufen der Anzeige in den realen Wert bei Verwendung des beschriebenen Kaiman-Filters 52. Es zeigt sich, daß die beschriebene Signalverarbeitung etwa dreimal so schnell ist wie die Signalverarbeitung nach dem Stand der Technik. Die beschriebene Signalverarbeitung gestattet die Schätzung des Winkels® auf J~genau nach ungefähr 20 Sekunden, während sich bei der bekannten Anordnung noch nach 60 Sekunden nur eine Genauigkeit von etwa 3~~ergibt«.ig if the switched to the torque generator 24 Signal Mg is only passed through a low-pass filter for signal processing. Curve 114 shows the run-in of the measured value if, in addition to the low-pass filter, a mean value filter of the type described in US Pat. No. 4,075,764 is provided is, curve 116 finally shows the approach of the display in the real value when using the described Kalman filter 52. It turns out that the signal processing described is about three times as fast is like prior art signal processing. The signal processing described is permitted the estimate of the Winkel® to the nearest J ~ approximately 20 seconds, while with the known arrangement only an accuracy is achieved after 60 seconds of about 3 ~~ results in «.

Fig. 4 zeigt das Verhalten hinsichtlich der Unterdrückung äußerer Störungen wieder im Vergleich zu den vorbekannten Lösungen„.Fig. 4 shows the behavior with regard to the suppression external disturbances again in comparison to the previously known solutions “.

Linie 118 zeigt den realen Wert des Winkels α . Kurve 120 zeigt den Verlauf des Schätzwerts e bei Auftreten von Störungen, wenn das Signal Mg lediglich über ein Tiefpaßfilter geleitet wird. Kurve 122 zeigt den Verlauf des Schätzwerts'bei den gleichen Störungen unter Verwendung eines Tiefpasses mitLine 118 shows the real value of the angle α . Curve 120 shows the course of the estimated value e when interference occurs when the signal Mg is only passed through a low-pass filter. Curve 122 shows the course of the estimated value for the same interference using a low-pass filter

1 einem Mittelwertfilter nach der US-PS 4 075 764. Kurve 124 schließlich zeigt den zeitlichen Verlauf des Schätzwertes, wenn ein Kaiman-Filter 52 der beschriebenen Art verwendet wird.1 an average filter according to US Pat. No. 4,075,764. Finally, curve 124 shows the course over time of the estimated value when a Kalman filter 52 described type is used.

Claims (5)

313111313111 PatentansprücheClaims !»j Kreiselgerät zur Bestimmung der Nordrichtung enthaltend! »J Gyro device for determining north direction containing (a) einen in einem Gehäuse (10) pendelnd aufgehängten Meriankreisel (12), (a) a merian top (12) suspended in a pendulum manner in a housing (10), (b) einen Abgriff (20), der auf die Auslenkung (%)(b) a tap (20) that refers to the deflection (%) des Meridiankreisels gegenüber einer Gehäusereferenz (y) anspricht,of the meridian gyro responds to a housing reference (y), (c) einen Drehmomenterzeuger (24), der(c) a torque generator (24) which (c.) um die Hochachse (z) auf den Meridiankreisel (12) wirkt und(c.) acts around the vertical axis (z) on the meridian gyro (12) and (c„) von dem Signal des Abgriffs (20) im Sinne(c ") from the signal of the tap (20) in the sense einer Fesselung des fieridiankreisels (12) an die Gehäusereferenz (y) beaufschlagt ist, unda bondage of the fieridian gyro (12) to the housing reference (y) applied is and (d) eine Signalauswerterschaltung, die(d) a signal evaluation circuit that (d,) von dem auf den Abgriff (20) aufgeschalteten Signal (Mg) beaufschlagt ist,(d,) is acted upon by the signal (Mg) applied to the tap (20), (do) ein Filter enthält und(d o ) contains a filter and (d,) ein gefiltertes Signal liefert, welches(d,) provides a filtered signal which die Abweichung ( β ) der Gehäusereferenz (y) von Nord darstellt,represents the deviation (β) of the housing reference (y) from north, dadurch gekennzeichnet, daßcharacterized in that (e) das Filter ein Kaiman-Filter (52) ist,(e) the filter is a Kalman filter (52), (e,) welches das System des gefesselten Meridiankreisels (12) nachbildet,(e,) which is the system of the bound meridian gyro (12) simulates, (e_) auf welches als erstes Filtereingangssignal die Differenz des auf den Drehmomenterzeuger aufgeschalteten Signals (Mg) und eines von dem Kaiman-Filter (52) geliefer-(e_) on which the first filter input signal is the difference of the on the torque generator activated signal (Mg) and one supplied by the Kalman filter (52) ten Schätzwerts (Mg) dieses Signals aufgeschaltet ist.th estimated value (Mg) of this signal is applied. 2. Kreiselgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Kaiman-Filter zusätzlich als zweites Filtereingangssignal die Differenz eines die Abweichung des Meridiankreisels (12) von der Gehäusereferenz darstellenden Signals (a A) und eines von dem Kaiman-Filter (52) gelieferten Schätzwerts (α fl) dieses Signals aufgeschaltet ist,2. Gyro device according to claim 1, characterized in that on the Kalman filter, in addition, as a second filter input signal, the difference of a signal representing the deviation of the meridian gyro (12) from the housing reference ( a A ) and one of the Kalman filter (52) supplied estimated value (α fl ) of this signal is applied, 3. Kreiselgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich-OQ net, daß das Kaiman-Filter (52) folgende Struktur besitzt:3. Gyroscope according to claim 1, characterized in-OQ net that the Kalman filter (52) has the following structure: (a) In einem ersten Su'mmierpunkt (54) wird die Differenz gebildet(a) The difference is formed in a first summing point (54) (a,) eines ersten Signals, das einen Schätz-λ (a,) a first signal which has an estimate λ wert Mg für das auf den Drehmomenterzeugerworth Mg for that on the torque generator (24) geschaltete Signal darstellt, und(24) represents switched signal, and (a„) eines zweiten Signals, das den mit H β cos 9 multiplizierten Schätzwert« des Winkels zwischen Kreiseldrallachse (26) und Nord darstellt, wobei(a ") of a second signal, which is the estimated value multiplied by H β cos 9" represents the angle between the gyroscopic axis (26) and north, where H der KreiseldrallH the spin §5 die Winkelgeschwindigkeit der Erddrehung und§5 the angular velocity of the earth's rotation and ψ die geographische Breite ist. ψ is the latitude. (b) Die erhaltene Differenz wird durch den Kreiseldrall H dividiert.(b) The difference obtained is divided by the gyroscopic twist H. (c) In einem zweiten Summierpunkt (58) wird die(c) In a second summing point (58) the Summe gebildetSum formed (c. ) der durch den Kreiseldrall H dividierten Differenz von dem ersten Summierpunkt (54) und(c.) the difference from the first summing point (54) divided by the gyroscopic swirl H and (c„) des mit einem zeitabhängigen Faktor K~_(c ") the with a time-dependent factor K ~ _ multiplizierten ersten Filtereingangssignals multiplied first filter input signal (d) Die in dem zweiten Summierpunkt (58) gebildete Summe wird durch Integrationsmittel (62) integriert ,(d) The sum formed in the second summing point (58) is integrated by integration means (62) , (e) das so erhaltene Signal, das einen Schätzwert β für den Elevationswinkel der Kreiseldrallachse darstellt, wird mit einem Faktor P = m.r.g multipliziert, wobei 5(e) the signal obtained in this way, which has an estimated value β for the elevation angle of the gyroscopic spin axis is multiplied by a factor P = m.r.g, where 5 m die Masse des Meridiankreisels, r die Länge des Kreiselpendels und g die Erdbeschleunigung ist.m is the mass of the meridian top, r is the length of the top pendulum and g is the acceleration due to gravity. (f) In einem dritten Summierpunkt (.66) wird die Summe gebildet von(f) In a third summing point (.66) the sum is formed from (f,) dem mit P multiplizierten Integral von den(f,) the integral multiplied by P of the Integrationsmitteln (62) und 15Integration means (62) and 15 (fo) einem Signal M = Hu sin» . Α ν e ~(f o ) a signal M = Hu sin ». Α ν e ~ (g) Die in dem dritten Summierpunkt (66) gebildete Summe wird durch den Kreiseldrall H dividiert. 20(g) The sum formed in the third summing point (66) is divided by the gyroscopic twist H. 20th (h) In einem vierten Summierpunkt (70) wird die Summe gebildet von(h) In a fourth summing point (70) the sum is formed from (h,) der durch den Kreiseldrall H dividierten Summe von dem dritten Summierpunkt (66) (h,) the sum divided by the gyroscopic twist H from the third summing point (66) undand (h„) dem mit einem zeitabhängigen Faktor K,„(h ") the one with a time-dependent factor K," multiplizierten ersten Filtereingangssignals 30multiplied first filter input signal 30 (i) Die in dem vierten Summierpunkt (70) gebildete Summe wird durch Integrationsmittel (74) integriert, wobei das so erhaltene Signal den be-(i) The sum formed in the fourth summing point (70) is integrated by integration means (74), the signal obtained in this way sagten· Schätzwert* des Winkels zwischen Krei- ·" seldrallachse (26) und Nord darstellt.said · estimate * of the angle between the circular axis (26) and north. (j) Das erste Filtereingangssignal wird(j) The first filter input becomes (j,) mit einem zeitabhängigen Faktor K,„ multipliziert und dann
5
(j,) multiplied by a time-dependent factor K, “and then
5
(J2) durch Integrationsmittel (80) integriert, wobei ein Signal erhalten wird, das(J 2 ) integrated by integrating means (80) to obtain a signal which den Schätzwert α für den Winkel zwischenthe estimated value α for the angle between Gerätereferenz (y) und Nord darstellt. 10Represents device reference (y) and north. 10 (k) In einem fünften Summierpunkt (82) wird die Differenz gebildet von(k) In a fifth summing point (82) the difference is formed from (k,) der integrierten Summe von dem vierten Summierpunkt (70) und(k i) the integrated sum of the fourth Summing point (70) and (k„) dem mit dem Faktor K,_ multiplizierten und integrierten ersten Filtereingangssignal, wodurch ein Signal erhalten wird, das ei-(k ") that multiplied by the factor K, _ and integrated first filter input signal, whereby a signal is obtained that Λ.Λ. nen Schätzwert <s für die Auslenkung desnen estimated value <s for the deflection of the Meridiankreisels (12) gegen die Gehäusereferenz (y) darstellt.Meridian gyro (12) against the housing reference (y) represents. (1) In einem sechsten Summierpunkt (84) wird die Summe gebildet von(1) In a sixth summing point (84) the sum is formed from VT0 (I1) dem mit einem Faktor (^— ) multiplizier-VT 0 (I 1 ) which is multiplied by a factor (^ -) 1 ten Signal, das durch die Division der1st signal obtained by dividing the Summe vom dritten Summierpunkt (66) durch 3" den Kreiseldrall H erhalten wurde,Sum of the third summation point (66) was obtained by 3 "the gyroscopic twist H, (I7) der mit einem Faktor T, multiplizierten Differenz vom fünften Summierpunkt (82),(I 7 ) the difference from the fifth summing point (82) multiplied by a factor T, e^nem zeitabhängigen Faktor K._ multiplizierten Filtereingangssignal sowie, e ^ nem time-dependent factor K._ multiplied filter input signal and, (Ia) mit negativem Vorzeichen, dem mit einem Faktor(y ) multiplizierten Schätzwert Mg(Ia) with a negative sign, the one with a Factor (y) multiplied estimate Mg des auf aen Drehmomenterzeuger (24) geschal teten Signals.the shell on aen torque generator (24) signal. (m) Die in dem sechsten Summierpunkt (84) gebildete Summe wird durch Integrationsmittel (96) inte-(m) The sum formed in the sixth summing point (84) is integrated by integration means (96) griert, wodurch der besagte Schätzwert Mg des auf den Drehmomenterzeuger (24) geschalteten Signals (Mg) erhalten wird.grated, whereby said estimated value Mg of the switched to the torque generator (24) Signal (Mg) is obtained.
4. Kreiselgerät nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß4. Gyroscope according to Claims 2 and 3, characterized in that (n) in den zweiten Summierpunkt (58) zusätzlich das λλ mit einem zeitabhängigen Faktor K„, multiplizierte zweite Filtereingangssignal addiert wird,(n) in the second summing point (58) additionally multiplied the λλ by a time-dependent factor K " second filter input signal is added, (o) in dem vierten Summierpunkt (70) zusätzlich das nc mit einem zeitabhängigen Faktor K,, multiplizierte zweite Filtereingangssignal addiert wird,(o) In the fourth summing point (70) the nc is added with a time-dependent factor K ,, multiplied second filter input signal, (p) durch die Integrationsmittel (80), die einen(p) by the integration means (80), the one Schätzwert* des Winkels zwischen Geräterefeo Estimate * of the angle between device efeo on renz (y) und Nord liefern, zusätzlich das mit einem zeitabhängigen Faktor K,, multiplizierte zweite Filtereingangssignal integriert wird undon renz (y) and north deliver, in addition that with a time-dependent factor K ,, multiplied second filter input signal is integrated and (q) im sechsten Summierpunkt (84) zusätzlich das mit einem zeitabhängigen Faktor K. multiplizierte zweite Filtereingangssignal addiert wird.(q) in the sixth summing point (84) additionally multiplied by a time-dependent factor K. second filter input signal is added. 5. Kreiselgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß5. Gyro device according to claim 4, characterized in that (r) zur Bildung des ersten Filtereingangssignals in einem achten Summierpunkt (106) die Summe gebildet wird von(r) to form the first filter input signal in an eighth summing point (106) the sum is formed by (r,) dem auf den Drehmomenterzeuger (24) tatsächlich aufgeschalteten Signal Mg, 10(r,) that on the torque generator (24) actually activated signal Mg, 10 (τy) mit negativen Vorzeichen, dem von dem Kaiman-Filter (52) gelieferten Schätzwert Mg dieses auf den Drehmomenterzeuger (24) aufgeschalteten Signals und 15 (τy) with a negative sign, the estimated value Mg supplied by the Kalman filter (52) of this signal applied to the torque generator (24), and 15 (r,) einem Signal, das die Varianz des Meß-(r,) a signal that shows the variance of the measurement Rauschprozesses des auf den Drehmomenterzeuger (24) aufgeschalteten Signals darstellt, und
20
Represents the noise process of the signal applied to the torque generator (24), and
20th
(s) zur Bildung des zweiten Filtereingangssignals in einem neunten Summierpunkt (108) die Summe gebildet wird von(s) to form the second filter input signal in a ninth summing point (108) the sum is formed from (s.) dem von dem Abgriff (20) gelieferten, die(s.) the one supplied by the tap (20), the Abweichung des Meridiankreisels (12) von der Gehäusereferenz (y) darstellenden Signal & . ,Deviation of the meridian gyro (12) from the housing reference (y) representing signal & . , (s„) mit negativem Vorzeichen, dem von dem(s ") with a negative sign, that of the Kaiman-Filter (52) gelieferten Schätz-Kaiman filter (52) supplied estimate wert ß . dieses die Abweichung des Meridian kreisels (12) von der Gehäusereferenz (y)worth ß. this the deviation of the meridian gyro (12) from the housing reference (y) darstellenden Signals und 35representing signal and 35 (s,) einem Signal, das die Varianz des Heß- und Rauschprozesses der Abweichung des Meridiankreisels (12) von der Gehäusereferenz (y) darstellt.(s,) a signal that shows the variance of the Heß- and Rausch process of the deviation of the Meridian gyro (12) from the housing reference (y) represents.
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