DE3131111C2 - Gyro device for determining the north direction - Google Patents

Gyro device for determining the north direction

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DE3131111C2
DE3131111C2 DE19813131111 DE3131111A DE3131111C2 DE 3131111 C2 DE3131111 C2 DE 3131111C2 DE 19813131111 DE19813131111 DE 19813131111 DE 3131111 A DE3131111 A DE 3131111A DE 3131111 C2 DE3131111 C2 DE 3131111C2
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H. Uwe 7770 Überlingen-Nußdorf Krogmann
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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

Abstract

Bei einem bandaufgehängten Meridiankreisel wird die Auslenkung α ↓A der Kreiseldrallachse gegenüber einer Gehäusereferenz durch einen Abgriff abgegriffen und das Abgriffsignal über einen hochverstärkenden Verstärker auf einen Drehmomenterzeuger gegeben. Dieser wirkt um die Hochachse auf den Meridiankreisel und fesselt diesen an die Gehäusereferenz. Es ist ein Kalman-Filter (52) vorgesehen, welches das System des gefesselten Meridiankreisels nachbildet. Auf das Kalman-Filter (52) wird als Filtereingangssignal die Differenz des auf den Drehmomenterzeuger aufgeschalteten Signals Mg und eines von dem Kalman-Filter (52) gelieferten Schätz wertes M g dieses Signals aufgeschaltet.In the case of a tape-hung meridian gyro, the deflection α ↓ A of the gyroscopic twist axis is tapped from a housing reference by a tap and the tap signal is sent to a torque generator via a high-gain amplifier. This acts around the vertical axis on the meridian gyro and ties it to the housing reference. A Kalman filter (52) is provided, which simulates the system of the tethered meridian gyro. The difference between the signal Mg applied to the torque generator and an estimated value M g of this signal supplied by the Kalman filter (52) is applied as the filter input signal to the Kalman filter (52).

Description

wert Mg des auf den Drehmomenterzeuger (24) geschalteten Signals,
(m) Die in dem sechsten Summierpunkt (84) gebildete Summe wird durch Integrationsmittel (96) integriert, wodurch der besagte Schätzwert Mg des auf den Drehmomenterzeuger (24) geschalteten Signals (Mg) erhalten wird.
value Mg of the signal switched to the torque generator (24),
(m) The sum formed in the sixth summing point (84) is integrated by integration means (96), as a result of which said estimated value Mg of the signal (Mg) connected to the torque generator (24) 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 fiiit einem zcitHuiiangigen ι an.tor λ2ι rnuitiplizierte zweite Filtereingangssigna' addiert wird,(n) in the second summing point (58) additionally the fiiit a zcitHuiiangigen ι an.tor λ 2 ι rnuitized second filter input signal 'is added,

(o) in dem vierten Summierpunkt (70) zusätzlich das mit einem zeitabhängigen Faktor Xn multiplizierte zweite Filtereingangssignal addiert wird,(o) In the fourth summing point (70) the second filter input signal multiplied by a time-dependent factor X n is added,

(p) durch die Integrationsmittel (80), die einen Schätzwert &0 des Winkels zwischen Gerätereferenz O) und Nord liefern, zusätzlich das mit einem zeitabhängigen Faktor AT31 multiplizierte zweite Filtereingangssignal integriert wird und(p) by the integration means (80), which supply an estimated value & 0 of the angle between the device reference O) and north, the second filter input signal multiplied by a time-dependent factor AT 31 is also integrated and

(q) im sechsten Summierpunkt (84) zusätzlich das mit einem zeitabhängigen Faktor K41 multiplizierte zweite Filtereingangssignal addiert wird.(q) In the sixth summing point (84), the second filter input signal multiplied by a time-dependent factor K 41 is added.

5. Kreiselgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß5. Gyroscope according to claim 4, characterized in that

(r) zur Bildung des ersten Filtereingangssignals in einem achten Summierpunkt (106) ai". Summe gebildet wird von(r) to form the first filter input signal in an eighth summing point (106) ai ". Sum is formed by

(r,) dem auf den Drehmomenterzeuger (24) tatsächlich aufgeschalteten Signal Mg, (r,) the signal Mg actually applied to the torque generator (24),

(T2) mit negativem Vorzeichen, dem von dem Kaiman-Filter (52) gelieferten Schätzwert Mg dieses auf den Drehmomenterzeuger (24) aufgeschalteten Signals und (T 2 ) with a negative sign, the estimated value Mg supplied by the Kalman filter (52) of this signal applied to the torque generator (24) and

(r3) einem Signai, das die Varianz des Meß-Rauschprozesses des auf den Drehmomenterzeuger (24) aufgeschalteten Signals darstellt, und
(s) zur Bildung des zweiten Filtereingangssignals in einem siebten Summierpunkt (108) die Summe gebildet wird von
(r 3 ) a signal which represents the variance of the measurement noise process of the signal applied to the torque generator (24), and
(s) to form the second filter input signal in a seventh summing point (108) the sum is formed from

(51) dem von dem Abgriff(20) gelieferten, die Abweichung des Meridiankreisels (12) von der Gehäusereferenz (y) darstellenden Signal aA, (51) the signal a A supplied by the tap (20) and representing the deviation of the meridian gyro (12) from the housing reference (y) ,

(52) mit negativem Vorzeichen, dem von dem Kaiman-Filter (52) gelieferten Schätzwert aA dieses die Abweichung des Meridiankreisels (12) von der Gehäusereferer;z (y) darstellenden Signals und(5 2 ) with a negative sign, the estimated value a A supplied by the Kalman filter (52), this signal representing the deviation of the meridian gyro (12) from the housing reference; z (y) and

(53) einem Signal, das die Varianz des Meß- und Rausc'uyrozesses der Abweichung des Meridiankreisels (12) von der GehäuDie Erfindung betrifft ein Kreiselgerät zur Bestimmung der Nordrichtung enthaltend(5 3 ) a signal which contains the variance of the measuring and Rausc'uyrozesses of the deviation of the meridian gyro (12) from the housing. The invention relates to a gyro device for determining the north direction

(a) einen in einem Gehäuse pendelnd aufgehängten ίο Meridiankreisel,(a) a ίο 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(c) a torque generator that

(C1) um die Hochachse auf den Meridiankreisel(C 1 ) around the vertical axis on the meridian top

wirkt undacts and

(C2) von dem Signal des Abgriffs im Sinne einer Fesselung des Meridiankreiseis an die Gehäusereferenz beaufschlagt ist, und
(d) eine Signalauswerterschaltung, v'o
(C 2 ) is acted upon by the signal of the tap in the sense of a fettering of the meridian circle to the housing reference, and
(d) a signal evaluation circuit, v'o

(d 1) von dem auf der. Drehmomenterzeuger aufgeschalteten Signal beaufschlagt ist,
(d2) ein Filter zur Unterdrückung von Störungen
(d 1) from the one on the. Torque generator connected signal is applied,
(d 2 ) a filter for suppressing interference

enthält undcontains and

(d3) ein gefiltertes Signa! liefert, welches die(d 3 ) a filtered signa! delivers which the

Abweichung der Gehäusereferenz von Nord darstellt.Represents deviation of the housing reference from north.

Durch die DE-PS 19 41 808 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 gege-DE-PS 19 41 808 is a gyroscope for Determination of the north direction with a meridian gyro suspended from a tape in a case known, in which a tap for generating a signal in accordance with the azimuth deflection of the Gyro opposite one of the

J5 benen 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. jem durch die Erddrehung hervorgerufenen, die Kreiseldrallachse nach Nord ausrichtenden Drehmoment entgegenwirkt. Der Meridiankreisel schwingt dann nicht mit seiner Kreiseldrallachse in. die Nordrich-5 tung ein, was eine langwierige Prozedur wäre, da der an einem Band aufgehängte Meridiankreisel ein praktisch ungedämpftes Schwingungssystem mit langer Schwingungsperiode darstellt. Vielmehr wird der Meridiankreisel elektrisch an die Gehäusereferenz, d. h. dieJ5 housing reference is provided. A torque generator acts on the meridian gyro the signal from the tap is acted upon by a high-gain amplifier. This torque generator exerts a torque on the meridian gyro about the azimuth axis, which corresponds to the gyro directional moment, d. H. Something caused by the rotation of the earth, the centrifugal axis of rotation to the north counteracts. The meridian gyro then does not swing with its gyroscopic axis into the Nordrich-5 tion, which would be a lengthy procedure, since the meridian top hung on a ribbon is a practical represents undamped oscillation system with a long oscillation period. Rather, it becomes the meridian top electrically to the housing reference, d. H. the

><> Bandnullage, gefesselt. Das dazu auf den Meridiankreisel auszuübende Drehmoment ist proportional dem Kreiselrichtmoment und damit bei kleinen Winkeln zwischr'i Kreiseldrallachse und Nord proportional diesem Winkel. Wenn man bei hinreichend hoher Verstärkung des von dem Abgriff gelieferten Signalb auch 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 auC den Drehmomenterzeuger aufgeschaltet wird, tin 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.> <> Tape zero position, tied up. That on the meridian gyro The torque to be exerted is proportional to the gyro straightening torque and therefore at small angles between the gyroscopic axis and north proportional to this Angle. If, given a sufficiently high amplification of the signal supplied by the tap, the The angle between the gyroscopic spin axis and the housing reference is the torque of the The torque generator is proportional to the angle between the housing reference and north. Can one assume that the torque generator works linearly, the amplified signal of the tap, the auC delivers Torque generator is connected, tin measure for this angle between housing reference and north. This signal can be used to display the north direction (DE-AS 20 08 702) or for navigation purposes (DE-AS 25 45 025) can be used.

Durch die elektrische Fesselung des Meridiankreisels wird die SchwinEunesoeriode des Svstems wesentlichThe electrical fettering of the meridian gyro makes the SchwinEuneso period of the system essential

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.shortened. It can then be hung up in a freely adjusting tape compared to previously known Meridian gyroscopes the north deviation for a short time, d. H. the angle between the device reference and north to be determined. Nevertheless, it still takes an undesirably long time before a steady-state value is actually achieved has set for the north deviation. 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 Maß für die Nordabweichung dienende Signal auf einen Analog-Digital-Wandler zu geben, der ein diesem Signal entsprechendes Digitalsignal liefert. 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, daß die Mittelwertbildung rekursiv erfolgt, ist jedoch sichergestellt, daß ein Meßwert relativ schnell zur Verfügung steht (DE-OS 25 45 026 und DE-OS 26 18 868 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. In order to eliminate the influence of such external disturbances, it is known that on the torque generator connected signal, which serves as a measure for the north deviation, is sent to an analog-digital converter which supplies a digital signal corresponding to this signal. This digital signal is on a computer switched on, the one for recursive averaging from the digital signals sampled at specified time intervals is set up. The averaging suppresses the influence of interference. The fact that the averaging takes place recursively, however, ensures that a measured value is relatively fast is available (DE-OS 25 45 026 and DE-OS 26 18 868 and US-PS 40 75 764). If the reading may initially be flawed, however, it will be improved to the extent that how 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, weiterzu verkürzen und den Einfluß von mechanischen Störungen auf die Messung zu unterdrücken.The invention is based on the object, in a gyroscope of the type defined at the outset, the time within which a measured value is obtained with a desired accuracy, to further shorten and the To suppress the influence of mechanical disturbances on the measurement.

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

(e) das Filter zur Unterdrückung von Störungen ein Kaiman-Filter ist,(e) the interference suppression filter is a Kalman filter,

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

(e2) auf welches als erstes Filtereingangssignal die Differenz des auf den Drehmomenterzeuger aufgeschalteten Signals (Mg) und eines von dem Kaiman-Filter gelieferten Schätzwert (Mg) dieses Signals aufgeschaltet ist, und(e 2 ) to which the difference between the signal (Mg) applied to the torque generator and an estimated value (Mg) of this signal supplied by the Kalman filter is applied as the first filter input signal, and

(0 dieser Schätzwert (Mg) als schnell in einen wahren Wert einlaufendes, von Störungen weitgehend freies Maß für die Abweichung einer Gerätereferenz von Nord ausgegeben wird.(0 this estimated value (Mg) is output as a measure for the deviation of a device reference from north that quickly becomes a true value and is largely free of interference.

Bei einem Kaiman-Filter wird das Meßgrößen liefernde System durch ein Modell nachgebildet. Ein sich aus einem solchen Modell ergebender Schätzwert für eine der Meßgrößen wird mit dem tatsächlich in dem System gemessenen Wert der Meßgröße verglichen und aus der Differenz ein Filtereingangssignal gebildet. Diese Filiereingangssignale 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 Winkel Ct0 zwischen Gerätereferenz und Nord gewonnen werden.In the case of a Kalman filter, the system that supplies the measured variables is simulated by a model. An estimated value for one of the measured variables resulting from such a model is compared with the value of the measured variable actually measured in the system, and a filter input signal is formed from the difference. These filter input signals are multiplied by suitable time-dependent functions and applied to integration means and change parameters of the model until the filter input signals disappear. The model then corresponds to reality, and estimated values for measured variables of the system, e.g. B. can be obtained as in the present case for the angle Ct 0 between the device reference and north.

Es hat sich gezeigt, daß durch Anwendung eines solchen Kaiman-Filters zur Bestimmung eines Schätzwertes Zt0 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 Zt 0 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 both in terms of the response time and in terms of the suppression of mechanical disturbances can be achieved.

Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert:
Refinements of the invention are the subject of the subclaims.
An embodiment of the invention is explained in more detail below with reference to the accompanying drawings:

Fig. 1 ist eine schematisch-perspektivische Darstellung des mechanischen Aufbaus des Kreiselgeräts;
Fig. 2 zeigt als Blockdiagramm die Verknüpfung der verschiedenen Meßgrößen des Kreiselgeräts und des Kaiman-Filter für die Signalverarbeitung;
1 is a schematic perspective illustration of the mechanical structure of the gyroscope;
2 shows, as a block diagram, the combination of the various measured variables of the gyroscope and the Kalman filter for signal processing;

Fig. 3 veranschaulicht den Einstellvorgang bei einem bekannten Kreiselgerät und bei einem Kreiselgerät mit einem Kaiman-Filter;Fig. 3 illustrates the setting process in a known gyroscope and a gyro with a Kalman filter;

Fig. 4 veranschaulicht die Beeinflussung des Einstellvorgangs durch Störungen bei einem bekannten Kreiselgerät und dem Kreiselgerät mit Kaiman-Filter. 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 uiiJ zueinander senkrechten Achsen .vundj·. Die Achse y stellt dabei eine Gerätereferenz dar. Wenn der Meridiankreisel 12 mit seiner Kreiseldrallachse 18 in4 illustrates the influencing of the setting process by disturbances in a known gyroscope and the gyro with a Kalman filter. The gyro device contains a housing 10 in which a meridian gyro 12 with a mast 14 is suspended by means of a band 16. The housing 10 defines a coordinate system with the vertical axis ζ and the axes uiiJ mutually perpendicular to each other .vundj ·. The axis y represents a device reference. When the meridian gyro 12 with its gyro axis 18 in

jn der durch die y- und die z-Achse bestimmten Ebene liegt, ist das Band 16 entspann!.. 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.
Es werden im folgenden die nachstehenden Bezeichnungen benutzt, die auch aus Fig. 1 ersichtlich sind:
The belt 16 is relaxed in the plane defined by the y and z axes. This position is therefore referred to as the belt 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 switched to a torque generator 24 via a high-gain amplifier 22. The gyroscopic spin axis is denoted by 26.
The following designations are used in the following, which can also be seen from Fig. 1:

a = Azimutwinkel zwischen Kreiseldrallachse 26 a = azimuth angle between centrifugal axis 26

und Nord,and north,

a0 = Azimutwinkel zwischen Gehäusereferenz y und Nord, a 0 = azimuth angle between housing reference y and north,

aA = Auslenkung der Kreiseldrallachse 26 gegenüber der Gehäusereferenz, a A = deflection of the gyroscopic twist axis 26 with respect to the housing reference,

β = Elevationswinkel der Kreiseldrallachse 26, β = elevation angle of the gyroscopic axis 26,

ca = Drehfederkonstante der Bandaufhängung, m = Masse des von dem Meridiankreisel i2 gebildeten Kreiselpendels,
r = Länge des Kreiselpendels,
c a = torsion spring constant of the belt suspension, m = mass of the centrifugal pendulum formed by the meridian top i2,
r = length of the pendulum,

g = Erdbeschleunigung, g = acceleration due to gravity,

Ix = Trägheitsmoment des Kreiselpendels um die I x = moment of inertia of the centrifugal pendulum

x-Achse,X axis,

/. = Trägheitsmoment des Kreiselpendels um die/. = Moment of inertia of the centrifugal pendulum by

?-Achse,?-Axis,

H = Kreiseldrall, H = gyroscopic swirl,

a>r = Winkelgeschwindigkeit der Erddrehung,
ψ = geographische Breite,
a> r = angular velocity of the earth's rotation,
ψ = latitude,

Mg = das dem Drehmomenterzeuger 24 vom Verstärker 22 zugeführte Signal,
My = Hω, sin φ, Mn — Hfj>t cos e>,
V = Verstärkungsgrad des Verstärkers,
Mg = the signal supplied to the torque generator 24 by the amplifier 22,
My = Hω, sin φ, M n - Hfj> t cos e>,
V = gain of the amplifier,

= γ a£ = Übertragungsfunktion des Ver-= γ a £ = transfer function of the

1 + T\ s stärkers, 1 + T \ s stronger,

s - Variable der Laplace-Transformierten, s - variable of the Laplace transform,

K,k (ι, k- 1, 2, 3, 4) = zeitabhängige Funktionen, K, k (ι, k- 1, 2, 3, 4) = time-dependent functions,

VSh - die Varianz des Meß-Rauschprozesses des auf der. Drehmomenterzeuger aufgeschalteten Signals, V Sh - the variance of the measurement noise process of the. Torque generator connected signal,

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

Ma -■= Störmoment um Hochachse Z, M a - ■ = disturbance torque about vertical axis Z,

Mß = Störmoment um ,v-Achse M ß = disturbance torque around, v-axis

Wy.W. = Leistungsschichten der Systerarauscheingänge. Wy.W. = Power layers of the systere noise inputs.

Im oberen Teil von Fig. 2 ist das Kreiselgerät, das generell mit 28 bezeichnet ist, als Blockdiagramm dargestellt. In the upper part of Fig. 2, the gyroscope, which is generally designated 28, is shown as a block diagram.

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

I1O = Μα-Ηω, cos φ sin α -Hß-[ VFR(s) + C„] aA. I 1 O = Μ α -Ηω, cos φ sin α -Hß- [VF R (s) + C "] a A.

Es ist also La gleich der Summe der um die Hochachse ζ wirkenden Momente, nämlich der Störmomente Mn, des Kreiselrichtmoments infolge der Horizontalkomponente der Erddrehung H <u, cos ρ sin α, des Kreiselmoments infolge einer Drehgeschwindigkeit um die .v-Achse sowie des von dem Drehmomenterzeuger 24 und dem Band 16 auf den Meridiankreisel 12 ausgeübten Drehmoments. Dieses letztere Drehmoment ist proportional dem Winkel aA, um den die Kreiseldrallachse 26 gegen die 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). Der Verstärkungsgrad des Verstärkers 22 besitzt ein Zeitverhalten FK (j) mit einer Übertragungsfunktion, das in Gleichung (1) (mathematisch nicht ganz korrekt) als Faktor angedeutet ist.So La is equal to the sum of the moments acting around the vertical axis ζ, namely the disturbance torques M n , the gyroscopic directional moment due to the horizontal component of the earth's rotation H <u, cos ρ sin α, the gyroscopic moment due to a rotational speed around the .v axis and of the torque exerted on the meridian gyro 12 by the torque generator 24 and the belt 16. This latter torque is proportional to the angle a A by which the centrifugal spin axis 26 is deflected from the housing reference. 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). The gain of the amplifier 22 has a time response F K (j) with a transfer function that 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

Ixß = Mß+H ω, sin φ+ Ha - mrg sin β. (2) I x ß = Mß + H ω, sin φ + Ha - mrg sin β. (2)

/Jjistwieder gleich der Summe der um die x-Achse wirkenden Momente, nämlich der Störmomente infolge äußerer Einwirkungen, des Kreiselmoments H ω, sin φ, das auf die Vertikalkomponente der Erddrehung zurückzuführen ist, eines Kreiselmoments Ha infolge von Drehgeschwindigkeiten α um die Hochachse ζ sowie mit umgekehrtem Vorzeichen eines Pendelmoments P= mrgsinß, 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 Kreisel handelt, können α und ß, d. h.die Nutation, vernachlässigt werden. Im Fall der Feinausrichtung, wenn also die Kreiseldrallachse 26 schon im wesentlichen nach Nord ausgerichtet und 05 klein ist, können sin α durch α und sinjS durch β ersetzt werden. Aus den Gleichungen (1) und (2) ergeben sich dann die folgenden linearisierten Modellgleichungen/ Jj is again equal to the sum of the moments acting around the x-axis, namely the disturbing moments Mß 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 Ha due to rotational speeds α around the vertical axis ζ as well as with the opposite sign of a pendulum moment P = mrgsinß, which occurs when the meridian gyro 12 with the mast 14 is deflected from the vertical direction and thus when the gyroscopic spin axis 26 is deflected from the horizontal plane. Since it is a heavy top, α and ß, ie the nutation, can be neglected. In the case of fine alignment, that is to say when the gyroscopic spin axis 26 is already oriented essentially to the north and 05 is small, sin α can be replaced by α and sinjS by β . The following linearized model equations then result from equations (1) and (2)

Hß = -MNa-Mg+Wz Hβ = -M N aM g + W z

mit dem Kompensationsmoment bzw. dem auf den Drehmomenterzeuger 24 aufgeschalteten Signalwith the compensation torque or the signal applied to the torque generator 24

Dabei ist die Drehfederkonstante C„ vernachlässigbar, da der Verstärkungsgrad V in der Praxis um drei Zehnerpotenzen größer ist als C11. Die Störmomente und Ma sind in den Gleichungen (3) und (4) als stochastische Signale mit W, und W. bezeichnet.The torsion spring constant C ″ is negligible, since the gain V is in practice three powers of ten greater than C 11 . The disturbing torques MSS and M a are indicated in equations (3) and (4) as stochastic signals W, and W..

Diese Modellgleichungen (3) und (4) sind in dem Blockdiagramm im oberen Teil von Fig. 2 dargestellt.These model equations (3) and (4) are shown in the block diagram in the upper part of FIG.

ίο Ein Summierpunkt 30 repräsentiert Gleichung (4). Die Abweichung α der Kreiseldrallachse 26 von Nord, die, wie noch ersichtlich wird, im Punkt 32 des Blockdiagramms erscheint, wird multipliziert mit Ms = H ω, cos φ, wie durch den Block 34 dargestellt ist. Dieses Produkt erscheint mit negativem Vorzeichen an dem Summierpunkt. Ein weiterer Summand im Summierpunkt ist das von dem Drehmomenterzeuger 24 gelieferte Drehmoment Mr das proportional der Abweichung aA der Kreiseldrallachse 26 (mit dem Azimutwinkel a) von der Gehäuserefsrenz (mit dem Azimutwinkel ^0) ist und im Punkt 36 des Blockdiagramms erscheint. Diese Abweichung a0, die von dem Abgriff 20 erhalten wird, wird mit dem Verstärkungsfaktor des Verstärkers 22 multipliziert, wie durch Block 37 dargestellt ist, und erscheint ebenfalls mit negativem Vorzeichen am Summierpunkt 30. Der dritte Summand, der am Summierpunkt wirksam wird, ist die das Störmoment um die z-Achse repräsentierende Größe W1. Nach Gleichung (4) ergibt der Summierpunkt 30 als Summe Hß. Dieίο A summing point 30 represents equation (4). The deviation α of the centrifugal spin axis 26 from north, which, as will be seen later, appears at point 32 of the block diagram, is multiplied by M s = H ω, cos φ, as shown by block 34. This product appears with a negative sign at the summing point. Another addition at the summation point is the torque M r supplied by the torque generator 24, which is proportional to the deviation a A of the gyroscopic twist axis 26 (with the azimuth angle a) from the housing reference (with the azimuth angle ^ 0 ) and appears at point 36 of the block diagram. This deviation a 0 , which is obtained from the tap 20, is multiplied by the gain factor of the amplifier 22, as represented by block 37, and also appears with a negative sign at the summing point 30. The third summand which takes effect at the summing point is the quantity W 1 representing the disturbance torque about the z-axis . According to equation (4), the summing point 30 gives the sum Hβ. the

jo Abweichung der Kreiseldrallachse von Nord im Azimut, d. h. um die z-Achse bewirkt somit eine Winkelgeschwindigkeit^ um die x-Achse (F i g. 1). Diese Winkelgeschwindigkeit ergibt sich aus dem Summensignal am Summierpunkt 30 durch Division durch H, was durch einen Block36 dargestellt ist. Der Auslenkungswinkel^Ö um die x-Achse ergibt sich daraus durch Integration, dargestellt durch einen Block 38. Die Kreiseldrallachse 26 sucht also bei einem Winkel α im Azimut gegenüber Nord ihren Elevationswinkel β zu ändern. Der Elevationswinkel β bewirkt jedoch gemäß Gleichung (3) durch das Pendelmoment P= m ■ τ ■ g eine Winkelgeschwindigkeit α um die Azimutachse z.jo deviation of the gyroscopic spin axis from north in azimuth, ie around the z-axis thus results in an angular velocity ^ around the x- axis (FIG. 1). This angular velocity results from the sum signal at the summing point 30 by dividing by H, which is represented by a block 36. The deflection angle about the x-axis results therefrom by integration, represented by a block 38. The gyroscopic twist axis 26 thus seeks to change its elevation angle β at an angle α in azimuth with respect to north. However, according to equation (3), the elevation angle β causes an angular velocity α about the azimuth axis z through the pendulum moment P = m · τ · g.

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

Der ElevationswinkelA der sich aus der durch Block 38 symbolisierten (durch das System erfolgenden) Integration ergibt, wird mit P = mrg multipliziert. Dieses Produkt wird mit positivem Vorzeichen an dem Summierpunkt 40 wirksam. Mit negativem Vorzeichen wirdThe elevation angle A which results from the integration symbolized by block 38 (performed 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

so weiterhin My = Hm, sin φ und die das Störmoment darstellende Größe My wirksam. An dem Summierpunkt 40 srgibt sich dann nach Gleichung (3) Ha. Die Winkelgeschwindigkeit α um die Azimutachse ζ ergibt sich durch Division durch H, was durch den Block 44 dargestellt ist. Durch Integration der Winkelgeschwindigkeit a, dargestellt durch Block 44, ergibt sich α im Punkt 32. Ein Summierpunkt 48 repräsentiert den Abgriff 2Θ, wo die Differenz des Winkels O0 zwischen Gehäusereferenz und Nord und des Winkels α zwischen Kreiseldrallachse 26 und Nord gebildet wird und den Winkel aA liefert Eine Größe W^ (i) = ß0 stellt stochastische Störungen von βο dar, die integriert, wie durch Block 5β dargestellt, den Winkel O0 ergeben. Als Anfangswert der Integration ist O0 (Ό) vorgegeben.so My = Hm, sin φ and the quantity My representing the disturbance torque continue to be effective. At the summing point 40 sr then results according to equation (3) Ha. The angular velocity α about the azimuth axis ζ is obtained by dividing by H, which is represented by block 44. Integrating the angular velocity a, represented by block 44, results in α at point 32. A summation point 48 represents the tap 2Θ, where the difference between the angle O 0 between the housing reference and north and the angle α between the gyroscopic axis 26 and north is formed and the Angle a A yields a quantity W ^ (i) = ß 0 represents stochastic disturbances of βο, which when integrated, as represented by block 5β, result in the angle O 0 . The initial value of the integration is given as O 0 (Ό).

Dieses Blockdiagramm stellt somit in linearisierter Form das in Fig. i gezeigte Kreiselgerät 28 dar.This block diagram thus represents the gyro device 28 shown in FIG.

Eine Signalauswerterschaltung enthält ein Kaiman-Filter 52, das im unteren Teil von F i g. 2 dargestellt ist.A signal evaluation circuit contains a Kalman filter 52, which is shown in the lower part of FIG. 2 is shown.

Dieses Kaiman-Filter 52 bildet das durch das Blockdiagramm dargestellte Modell des Kreiselgeräts 28 nach. Es liefert Schätzwerte fur die verschiedenen Größen, die durch ein Dach (") 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 von dem Kaiman-Filter 52 gelieferten Schätzwerts Λ/gdieses Signals.This Kalman filter 52 simulates the model of the gyro device 28 illustrated by the block diagram. It supplies estimated values for the various variables, which are identified by a roof ("). Mg is, for example, an estimated value for the torque exerted by the torque generator 24 on the meridian gyro or the signal applied to the torque generator Signal Mg and the estimated value Λ / g of this signal supplied by the Kalman filter 52.

Fakultativ kann auf das Kaiman-Filter 52 zusätzlich als zweites Filtereingangssignal die Differenz eines die Abweichung aA des Meridiankreisels 12 von der Gehäusereferenz y darstellenden Signals und eines von dem Kaiman-Filter 52 gelieferten Schätzwerts aA dieses Signals aufgeschaltet sein. Das ist in Fig. 2 gestrichelt angedeutet. Optionally, the difference between a signal representing the deviation a A of the meridian gyro 12 from the housing reference y and an estimated value a A of this signal supplied by the Kalman filter 52 can be added to the Kalman filter 52 as a second filter input signal. This is indicated by dashed lines in FIG. 2.

Die FiliCTcingärigsiigriäic werden mit zeitabhängigen Faktoren multipliziert und integriert, wobei durch die Integrale die Parameter des Modells verändert werden, bis die Filtereingangssignale verschwinden. Es kann dann davon ausgegangen werden, daß das so modifizierte Modell dem realen System entspricht, so daß die an dem Modell abgegriffenen Schätzwerte die im System auftretenden realen Größen wiedergeben.The FiliCTcingärigsiigriäic are time-dependent with Factors multiplied and integrated, whereby the parameters of the model are changed by the integrals, until the filter input signals disappear. It can then be assumed that the modified in this way Model corresponds to the real system, so that the estimated values tapped from the model correspond to those in the Real values occurring in the system.

Bei dem bevorzugten Ausfuhrungsbeispiel besitzt das Kaiman-Filter 52 folgende Struktur:In the preferred exemplary embodiment, the Kalman filter 52 has the following structure:

In einem ersten Summierpunkt 54 wird die Differenz 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 φ multiplizierten Schätzwert a des Winkels zwischen Kreiseldrallachse 26 und Nord darstellt, 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 56 angedeutet ist. In einem zweiten Summierpunkt 58 wird die Summe gebildet der durch den Kreiseldrall //dividierten Differenz von dem ersten Summierpunkt 54 und des mit einem zeitabhängigen Faktor Af22 multiplizierten ersten Filtereingangssignals, wobei die Multiplikation durch den Block 60 dargestellt ist. 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, rdie Länge des Kreiselpendels (Fig. 1) undgdie Erdbeschleunigung ist. In einem dritten Summierpunkt 66 wird die Summe gebildet von dem mit /"multiplizierten Integral von den Integrationsmitteln 62 und einem Signal Mv = Hm, sin φ. In a first summing point 54, the difference is formed between a first signal, which represents an estimated value Mg for the signal switched to the torque generator 24, and a second signal, which multiplied by H ω, cos φ, the estimated value a of the angle between the gyroscopic axis 26 and north represents, where, as said, H is the circular twist, ω, the angular velocity of the earth's rotation and φ the geographical latitude. The difference obtained is divided by the gyroscopic swirl H , as indicated by block 56. At a second summing point 58, the sum is formed of the difference, divided by the gyroscopic twist, from the first summing point 54 and the first filter input signal multiplied by a time-dependent factor Af 22 , the multiplication being represented by block 60. 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 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 / ″ from the integration means 62 and a signal M v = Hm, sin φ.

Die in dem dritten Summierpunkt 66 gebildete Summe wird durch den Kreiseldrall H dividiert, wie durch Block 68 angedeutet ist. In einem vierten Summierpunkt 70 wird die Summe gebildet von der durch den Kreiseldrall H dividierten Summe von dem dritten Summierpunkt 66 und dem mit einem zeitabhängigen Faktor Kn multiplizierten ersten Filtereingangssignal, wobei der Faktor AT12 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 a des Winkels zwischen Kreiseldrallachse und Nord darstellt, der, multipliziert mit dem durch Block 76 dargestellten Faktor MK = H oe cos φ in dem ersten Summierpunkt 54 subtrahiert wird. Das erste Filtereingangssignal wird mit einem zeitaöhängigen Faktor AT32, dargestellt durch Block 78, multipliziert und dann durch Integrationsmittel 80 integriert, wobei ein Signal erhalten wird, das den Schätzwert ä0 für den Winkel zwischen Gerätereferenz>» 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 AT32 multiplizierten und integrierten ersten Filtereingangssignal, wobei ein Signal erhalten wird,The sum formed in the third summing point 66 is divided by the gyroscopic twist H , as indicated by block 68. In a fourth summing point 70, the sum is formed from the sum of the third summing point 66 divided by the gyroscopic twist H and the first filter input signal multiplied by a time-dependent factor K n , the factor AT 12 being represented by block 72. The sum formed in the fourth summing point 70 is integrated by integration means 74, the signal thus obtained representing the said estimated value a of the angle between the gyroscopic axis and north, which, multiplied by the factor M K = H o e cos φ in represented by block 76 the first summing point 54 is subtracted. The first filter input signal is multiplied by a time-dependent factor AT 32 , represented by block 78, and then integrated by integration means 80, a signal being obtained which represents the estimated value 0 for the angle between device reference> »and north. In a fifth summing point 82 the difference is formed from the integrated sum of the fourth summing point 70 and the first filter input signal multiplied by the factor AT 32 and integrated, a signal being obtained,

ίο das einen Schätzwert αλ für die Auslenkung des Meridiankreisels 12 gegen die Gehäusereferenz.y darstellt. In einem sechsten Summierpunkt 84 wird die Summeίο that represents an estimated value α λ for the deflection of the meridian gyro 12 against the housing reference.y. At a sixth summing point 84, the sum is

VT0
gebildet von dem mit einem Faktor ~zr multiplizierten
VT 0
formed from that multiplied by a factor ~ zr

Signal, das im Punkt 86 durch die Division der Sumrr.evom dritten Summierpunkt 66 durch den Kreiseldrall H Signal that is generated at point 86 by dividing the sum of the third summing point 66 by the gyroscopic swirl H.

erhalten wurde, der mit einem Faktor^-multipliziertenwhich was multiplied by a factor of ^

t\t \

Differenz von dem fünften Summierpunkt 82, dem mit einem zeitabhängigen Faktor Ä'42 multiplizierten Filtereingangssignal sowie, mit negativem Vorzeichen,Difference from the fifth summing point 82, the filter input signal multiplied by a time-dependent factor λ '42 and, with a negative sign,

dem mit einem Faktor—multiplizierten Schätzwert Mg des auf den Drehmomenterzeuger 24 geschalteten Signals. Dabei ist der Faktor -^ durch Block 88, der the estimated value Mg, multiplied by a factor, of the signal switched to the torque generator 24. Here is the factor - ^ through block 88, the

Faktor —durch Block 90, der Faktor AT42 durch Block 92Factor - through block 90, the factor AT 42 through block 92

Ά 1 Ά 1

und der Faktor γ durch Block 94 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.and the factor γ is symbolized by block 94. 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 AT2!, dargestellt durch den gestrichelten Block 98, multiplizierte zweite Filtereingangssignal addiert werden, welches, wie gesagt, die Differenz eines die Abweichung des Meridiankreisels 12 von der Gehäuse« ferenz,y darstellenden Signals und eines von dem Kaiman-Filter 52 gelieferten Schätzwerts aA dieses Signals ist. In dem vierten Summierpunkt 70 würde dann zusätzlich das mit einem zeitabhängigen Faktor Kn, dargestellt durch den gestrichelten Block 100, multiplizierte zweite Filtereingangssignal addiert. Durch die Integrationsmittel 80, die einen Schätzwert S0 des Winkels zwischen Gerätereferenz.)' und Nord liefern, würde zusätzlich das mit einem zeitabhängigen Faktor AT31 multiplizierte zweiteOptionally, in the second summing point 58, this can also be done with a time-dependent factor AT 2! , Multiplied second filter input signal are added represented by the dashed block 98, which, as said, the difference of the deviation of the meridian gyro 12 of the housing "f erence, y representative signal and one of the Kalman filter 52 estimated value of a A supplied this Signal is. In the fourth summing point 70, the second filter input signal multiplied by a time-dependent factor K n , represented by the dashed block 100, would then be added. The integration means 80, which supply an estimated value S 0 of the angle between the device reference.) 'And North, would also add the second multiplied by a time-dependent factor AT 31

so Filtereingangssignal integriert. Der Faktor AT3, ist durch Block 102 symbolisiert. Schließlich würde im sechsten Summierpunkt 84 zusätzlich das mit einem zeitabhängigen Faktor AT41, dargestellt durch Block 104, multiplizierte zweite Filtereingangssignal addiert.so integrated filter input signal. The factor AT 3 is symbolized by block 102. Finally, in the sixth summing point 84, the second filter input signal multiplied by a time-dependent factor AT 41 , represented by block 104, would also be added.

Zur Bildung des ersten Filtereingangssignals wird in einem achten Summierpunkt 106 die Summe gebildet von dem auf den Drehmomenterzeuger 24 tatsächlich aufgeschalteten Signal Mg, mit negativem Vorzeichen dem von dem Kaiman-Filter 52 gelieferten Schätzwert Mg dieses auf den Drehmomenterzeuger 24 aufgeschalteten Signals und einem Signal VUp das die Varianz des Meß-Rauschprozesses des auf den Drehmomenterzeuger 24 aufgeschalteten Signals Mg darstellt Zur Bildung des zweiten Filtereingangssignals wird in einem siebten Summierpunkt 108 die Summe gebildet von dem von dem Abgriff 20 gelieferten, die Abweichung des Meridiankreisels 12 von der Gehäusereferenz y darstellenden Signal aA, mit negativem Vorzeichen dem von demTo form the first filter input signal, in an eighth summing point 106 the sum of the signal Mg actually applied to the torque generator 24, with a negative sign the estimated value Mg delivered by the Kalman filter 52 of this signal applied to the torque generator 24 and a signal V Up which represents the variance of the measurement noise process of the signal Mg applied to the torque generator 24 To form the second filter input signal, the sum is formed in a seventh summing point 108 of the signal a supplied by the tap 20 and representing the deviation of the meridian gyro 12 from the housing reference y A , with the negative sign that of that

HH

Kalma-ii-Filter 52 gelieferten Schätzwert aA dieses die Abweichung des Meridiankreisels M von der Gehäusereferenz y darstellenden Signals und einem Signal VaA, das die Varianz des Meß-Rauschprozesses der Abweichung des Meridiankreisels von der Gehäuserefevenz darstellt.Kalma-ii filter 52 supplied estimated value a A of this signal representing the deviation of the meridian gyro M from the housing reference y and a signal V aA representing 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 linearisierte 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 simulates the linearized system of the gyroscope 28. The blocks 88, 90, 94 with the integrator 96 are a replica of the amplifier 22, its transfer function with

(6)(6)

1 + T\ s 1 + T \ s

angenommen v/ird. Dieses Modell wird durch die FiI-tereingangssignale 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 gegeben werde»., solange variiert, bis die Filtereingangssignale verschwinden und das Modell rter Realität angepaßt ist.assumed v / ird. This model is given by the filter input signals from the summing points 106 and 108 with time-dependent factors, represented by the blocks 60, 98, 72, 100, 102, 78, 92 and 104, which are applied to the inputs of integration means 62, 74, 80 and 96 will »., varied until the filter input signals disappear and the model is adapted to reality.

Die F i g. 3 und 4 veranschaulichen die durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Signalverarbeitungsmittel gegenüber dem Stand der Technik erzielten Vorteile.The F i g. 3 and 4 illustrate the signal processing means resulting from the design according to the invention advantages achieved over the prior art.

In Fig. 3 stellt die Linie 110 den realen Wert des Winkels ar0 zwischen Gerätereferenz und Nord dar. Kurve 112 zeigt, wie die Anzeige eines Geräts etwa nach DE-OS 19 41 808 in diesen Wert a0 einläuft, 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 40 75 764 vorgesehen ist. Kurve 116 schließlich zeigt das Einlaufen der Anzeige in den realen Wert bei Verwendung des beschriebenen KaI-man-Fiiters 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 a0 auf 1~ genau nach ungefähr 20 Sekunden, während sich bei der bekannten Anordnung noch nach 60 Sekunden nur eine Genauigkeit von etwa 3" ergibt.In Fig. 3, the line 110 represents the real value of the angle ar 0 between the device reference and north. Curve 112 shows how the display of a device, for example according to DE-OS 19 41 808, runs into this value a 0 when it affects the torque generator 24 switched signal Mg is only passed through a low-pass filter for signal processing. Curve 114 shows the arrival of the measured value if, in addition to the low-pass filter, a mean value filter according to the type of US Pat. No. 4,075,764 is provided. Finally, curve 116 shows the progression of the display into the real value when using the described Kalman filter 52. It can be seen that the signal processing described is approximately three times as fast as the signal processing according to the prior art. The signal processing described allows the angle α 0 to be estimated to an accuracy of 1 ~ after approximately 20 seconds, while the known arrangement only yields an accuracy of approximately 3 "after 60 seconds.

Fig.4 zeigt das Verhalten hinsichtlich der Unterdrückung äußerer Störungen wieder im Vergleich zu den vorbekannten Lösungen.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 ao- Kurve 120 zeigt den Verlauf des Schätzwerts a0 bei Auftreten so 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 mit einem Mittelwertfilter nach der US-PS 40 75 764. Kurve 124 schließlich zeigt den zeitlichen Verlauf des Schätzwertes, wenn ein Kaiman-Filter 52 der beschriebenen Art verwendet wird.Line 118 shows the real value of the angle ao. Curve 120 shows the course of the estimated value a 0 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 with an average filter according to US Pat. No. 4,075,764. Curve 124 finally shows the course over time of the estimated value when a Kalman filter 52 of the type described is used.

Hierzu 4 Blatt ZeichnungenFor this purpose 4 sheets of drawings

6565

Claims (1)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Kreiselgerät zur Bestimmung der Nordrichtung enthaltend1. Containing gyro to determine north direction (a) einen in einem Gehäuse (10) pendelnd aufgehängten Meridiankreisel (12),(a) a meridian top (12) suspended in a housing (10) in a pendulous manner, (b) einen Abgriff (20), der auf die Auslenkung (aA) des Meridiankreisels gegenüber einer Gehäusereferenz (y) anspricht,(b) a tap (20) which responds to the deflection (a A ) of the meridian gyro with respect to a housing reference (y), (c) einen Drehmomenterzeuger (24), der(c) a torque generator (24), the (C1) um die Hochachse (z) auf den Meridiankreisel (12) wirkt und(C 1 ) acts around the vertical axis (z) on the meridian gyro (12) and (C2) von dem Signal des Abgriffs (20) im Sinne einer Fesselung des Meridiankreisels (12) an die Gehäusereferenz (y) beaufschlagt ist, und(C 2 ) is acted upon by the signal from the tap (20) in the sense of tying the meridian gyro (12) to the housing reference (y) , and (d) eint Signalauswerterschaltung, die(d) a signal evaluation circuit that (d,) von dem auf den Drehmomenterzeuger aufgeschalteten Signal (Mg) beaufschlagt ist,(d,) is acted upon by the signal (Mg) applied to the torque generator, (d2) ein Filter zur Unterdrückung von Störungen enthält und(d 2 ) contains a filter for suppressing interference and (d3) ein gefiltertes Signal liefert, welches die Abweichung (σ0) der Gehäusereferenz (y) von Nord darstellt,
dadurch gekennzeichnet, daß
(d 3 ) supplies a filtered signal which represents the deviation (σ 0 ) of the housing reference (y) from north,
characterized in that
(e) das Plier zur Unterdrückung von Störungen ein Kaiman-Filter (52) ist, M (e,) welches das System des gefesselten Meri-(e) the Plier for interference suppression is a Kalman filter (52), M (e,) which the system of the fettered meri- diankreiseh, (M) nachbildet,
(e2) auf welches als e. jtes Filtereingangssignal die Differenz des auf den Drehmomenterzeuger aufgeschalteten Signals (Mg) und eines von dem Kaiman-Filter (52) gelieferten Schätzwerts (Mg) dieses Signals aufgeschaltet ist, und
(0 dieser Schätzwert (Mg) als schnell in einen wahren Wert einlaufendes, von Störungen weitgehend freies Maß für die Abweichung einer Gerätereferenz von Nord ausgegeben wird.
diankreiseh, (M) simulates,
(e 2 ) to which as e. jth filter input signal is the difference between the signal (Mg) applied to the torque generator and an estimated value (Mg) of this signal supplied by the Kalman filter (52), and
(0 this estimated value (Mg) is output as a measure for the deviation of a device reference from north that quickly becomes a true value and is largely free of interference.
3. 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 (aA) un<i eines von dem Kaiman-Filter (52) gelieferten Schätzwerts (aA) dieses Signals aufgeschaltet ist.3. 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 (a A ) representing the deviation of the meridian gyro (12) from the housing reference un <i one of the Kalman filter (52 ) delivered estimated value (a A ) of this signal is applied. 3. Kreiselgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kaiman-Filter (52) folgende Struktur besitzt:3. Gyroscope according to claim 1, characterized in that the Kalman filter (52) has the following structure owns: (a) In einem ersten Summierpunkt (54) wird die Differenz gebildet(a) The difference is formed at a first summing point (54) (a,) eines ersten Signals, das einen Schätzwert Mg für das auf den Drehmomenterzeuger (24) geschaltete Signal darstellt, und fee(a,) a first signal which represents an estimated value Mg for the signal switched to the torque generator (24), and fee (a2) eines zweiten Signals, das den mit Ηω, cos φ multiplizierten Schätzwert a des Winkels zwischen Kreiseldrallachse (26) und Nord darstellt, wobei
H der Kreiseldrall b5
(A 2 ) a second signal which represents the estimated value a, multiplied by Ηω, cos φ , of the angle between the gyroscopic axis (26) and north, where
H the gyro twist b5
ω, die Winkelgeschwindigkeit der Erddrehung und
Φ die geographische Breite ist.
ω, the angular velocity of the earth's rotation and
Φ 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 Summe gebildet(c) The sum is formed at a second summing point (58) (cj) der durch den Kreiseldrall H dividierten Differenz von dem ersten Summierpunkt (54) und(cj) the difference from the first summing point (54) and divided by the gyroscopic swirl H (C2) des mit einem zeitabhängigen Faktor Kn multiplizierten ersten Filtereingangssignals. (C 2 ) of the first filter input signal multiplied by a time-dependent factor K n. (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 obtained by integration means (62) integrated, (e) das so erhaltene Signal, das einen Schätzwert jj für den Elevationswinkel der Kreiseldrallachse darstellt, wird mit einem Faktor P = m ■ τ-g multipliziert, wobei(e) the signal obtained in this way, which represents an estimated value jj for the elevation angle of the gyroscopic twist axis, is multiplied by a factor P = m · τ-g , where m die Masse des Meridiankreisels,
r die Länge des Kreiselpendels und
g die Erdbeschleunigung ist.
(0 In einem dritten Summierpunkt (66) wird die Summe gebildet von
(fj) dem mit P multiplizierten Integral von
m is the mass of the meridian top,
r is the length of the pendulum and
g is the acceleration due to gravity.
(0 In a third summing point (66) the sum is formed from
(fj) with the multiplied integral of P
den Integrationsmitteln (62) und
(f2) einem Signal M, = Ha, sin φ.
(g) Die in dem dritten Summierpunkt (66) gebildete Summe wird durch den Kreiseldrall H dividiert.
the integration means (62) and
(f 2 ) a signal M, = Ha, sin φ.
(g) The sum formed in the third summing point (66) is divided by the gyroscopic twist H.
(h) In einem vierten Summierpunkt (70) wird die Summe gebildet von(h) In a fourth summing point (70) the sum is formed from (hi) der durch den Kreiseldrall H dividierten Summe von dem dritten Summierpunkt (66) und(hi) the sum of the third summing point (66) and divided by the gyroscopic twist H (h2) dem mit einem zeitabhängigen Faktor Kn multiplizierten ersten Filtereingangssignal. (h 2 ) the first filter input signal multiplied by a time-dependent factor K n. (i) Die in dem vierten Summierpunkt (70) gebildete Summe witu durch Integrationsmittel (74) integriert, wobei das so erhaltene Signal den besagten Schätzwert a des Winkels zwischen Kreiseldrallachse (26) und Nord darstellt,
(j) Das erste Filtereingangssignal wird
(i) The sum formed in the fourth summation point (70) witu integrated by integration means (74), the signal thus obtained representing said estimated value a of the angle between the gyroscopic axis (26) and north,
(j) The first filter input becomes
(j,) mit einem zeitabhängigen Faktor K32 (j,) with a time-dependent factor K 32 multipliziert und dannmultiplied and then U2) durch Integrationsmittel (80) integriert, webei ein Signal erhalten wird, das den Schätzwert a0 für den Winkel zwischen Gerätereferenz (y) und Nord darstellt,
(k) In einem fünften Summierpunkt (82) wird die Differenz gebildet von
(k,) der integrierten Summe von dem vierten
U 2 ) integrated by integration means (80), whereby a signal is obtained which represents the estimated value a 0 for the angle between the device reference (y) and north,
(k) In a fifth summing point (82) the difference is formed from
(k i) the integrated sum of the fourth
Summierpunkt (70) und
(k2) dem mit dem Faktor Kn multiplizierten und integrierten ersten Filtereingangssignal, wodurch ein Signal erhalten wird, das einen Schätzwert aA für die Auslenkung des Meridiankreisels (12) gegen die Gehäusereferenz (y) darstellt,
(I) In einem sechsten Summierpunkt (84) wird die Summe gebildet von
Summing point (70) and
(k 2 ) the first filter input signal multiplied by the factor K n and integrated, whereby a signal is obtained which represents an estimated value a A for the deflection of the meridian gyro (12) against the housing reference (y) ,
(I) In a sixth summing point (84) the sum is formed from
(11) dem mit einem Faktor \~~f~) multiplizierten Signal, das durch die Division der Summe vom dritten Summierpunkt (66) durch den Kreiseldrall //erhalten wurde,(1 1 ) the signal multiplied by a factor \ ~~ f ~) that was obtained by dividing the sum of the third summing point (66) by the gyroscopic swirl //, (12) der mit einem Faktorf-—!multiplizierten(1 2 ) that multiplied by a factor -! Differenz vom fünften Summierpunkt (82),Difference from the fifth summing point (82), (13) dem mit einem zeitabhängigen Faktor K42 multiplizierten Filtereingangssignal sowie,(1 3 ) the filter input signal multiplied by a time-dependent factor K 42 and, (14) mit negativem Vorzeichen, dem mit(1 4 ) with a negative sign, the one with einem Faktor hpi multiplizierten Schätzsereferenz 00 darstellt.represents the estimation reference 00 multiplied by a factor hpi.
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