-
-
Nordbestimmende und kurshaltende
-
Kreis elvorrichtung Die Erfindung betrifft eine nordbestimmende und
kurshaltende Kreiselvorrichtung, enthaltend einen Kreisel mit zwei Meßachsen, dessen
Drallachse im wesentlichen vertikal steht und der auf einem Präzessionsrahmen angeordnet
ist, enthaltend weiterhin zwei Lageabgriffe zur Festellung der Neigung dieses Rahmens
in zwei zueinander und zur Drallachse senkrecht stehenden Richtungen, von denen
die eine parallel zur Präzessionsachse verläuft, enthaltend einen weiteren Rahmen,
in welchem der Präzessionsrahmen gelagert ist und der seinerseits an einem Gehäuse
mittels einer zur Präzessionsachse senkrechten Achse gelagert ist, wobei auf die
Achse des weiteren Rahmens ein Momentenerzeuger wirkt, der von einem ersten Lageabgriff
angesteuert wird und enthaltend eine Rechenschaltung zur Berechnung der Nordablage
X gegenüber einer Bezugsrichtung aus den mittels des Kreisels erzeugten Signalen.
-
Aus der DE-AS 27 41 274 ist eine solche Kreiselvorrichtung bekannt.
Es handelt sich dabei um einen zweiachsigen Kreisel, mit im wesentlichen horizontal
liegenden Eingangsachsen, wobei die Lageabgriffe der Achsen jeweils überkreuz auf
an beiden Achsen angeordnete Drehmomentenerzeuger wirken.
-
Die den Drehmomentenerzeugern zugeführten Spannungen werden gleichzeitig
einem Nordabweichungsrechner zur Berechnung der Nordablage übertragen.
-
Bei dieser Anordnung ist die Horizontierung beider Eingangsachsen
vor dem Beginn des Nordbestimmungsvorganges notwendig.
-
Aus der gleichen Literaturstelle ist auch eine Kreiselvorrichtung
bekannt, die außer zur Nordbestimmung auch zur Kursbestimmung (urskreisel) anwendbar
ist, wobei das Gehäuse des Kreisels 900 um eine der Eingangsachsen geschwenkt wird.
Die Drallachse weist dann im wesentlichen eine horizontale Richtung auf. In dieser
Stellung wird der Kreisel fixiert und mißt die Winkelgeschwindigkeiten um die fahrzeugfesten
Eingangsachsen, wobei zusätzliche Beschleunigungsmesser vorhanden sind, die die
Lage des Fahrzeuges zur Horizontalen sensieren.
-
Diese Kreiseleinrichtung hat bei der Kursbestimmung einen komplizierten
Aufbau, insbesondere durch die Verwendung von Beschleunigungsmessern, welche hohen
Genauigkeitsanforderungen entsprechen müssen. Außerdem ist eine aufwendige Auswertung
bei der Kursbestimmung notwendig.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kreiselvorrichtung
zu schaffen, bei der die Zeit für eine präzise Nordbestimmung verkürzt ist und die
als Kurs-Lage-Referenz benutzbar ist, wobei mit möglichst einfachen Mitteln eine
genaue Kursbestimmung erreicht werden soll.
-
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Kreisel zwei
Meßachsen aufweist und z.B. ein dynamisch abgestimmter Kreisel ist, dessen Abgriffen
Signale (o 1, 2 zur Berechnung der Nordrichtung entnommen werden, daß der weitere
Rahmen ein Rahmen mit im wesentlichen vertikaler Achse (Azimutrahmen) ist, daß mittels
des Signals des ersten Lageabgriffs der Präzessionsrahmen in der zur Präzessionsachse
senkrechten Richtung in eine horizontale Lage gebracht wird, daß das Signal des
zweiten Lageabgriffs zur Berücksichtigung der Neigung (4) der Präzessionsachse gegenüber
der Horizontalen dient und daß an sich bekannte
Schaltmittel vorgesehen
sind, um den Präzessionsrahmen zur Nutzung des Kreisels auch als Kurskreisel in
eine Lage zu verschwenken und dort zu halten, in der die Drallachse des Kreisels
horizontal liegt.
-
Zur Ermittlung der Nordrichtung sind die Fesselkreise des Kreisels
geschlossen und liefern zwei den Momenten um dessen Eingangsachsen entsprechende
Signale. Um eine einfache Berechnung der Nordrichtung zu erhalten, wird erfindungsgemäß
der Präzessionsrahmen in der senkrecht zur Präzessionsachse stehenden Richtung mittels
einfacher Lot fühler horizontiert. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung muß
dann lediglich der Neigungswinkel # der Präzessionsachse gemessen und in die Berechnung
des Nordablagewinkels « einbezogen werden. Dieser Winkel ist mittels den Signalen
der Fesselkreise #1 und Cu2 nach der Beziehung α = α1 + arc tan Y12
1 l cos I Av sinW berechenbar, wobei Lv die Vertikalkomponente der Erdrotation ist
und als Konstante in einem Speicher der Rechenschaltung abgespeichert ist oder vor
der Messung eingegeben wird und OC1 die Ablage des Azimutrahmens von der Bezugsrichtung
ist.
-
Zur schnellen Auswertung der Ergebnisse ist sowohl bei der Nordbestimmung
als auch in der Kursbestimmung ein Microprozessor vorgesehen, welcher die Signale
des Kreisels, der Lotsensoren und der Achsenstellungsabgriffe speichert und daraus
den Nordablagewinkel bzw. den Kurswinkel errechnet und gleichzeitig den Programmablauf
für die einzelnen Meßphasen steuert.
-
Zwecks einer vereinfachten Auswertung des Nordablagewinkels α
kann bei der Nordbestimmung mittels des zweiten Lageabgriffs und einem auf die Azimutachse
wirkenden Komentengebers der Präzessionsrahmen auch in Richtung der Präzessions-
achse
horizontiert werden. Dadurch entfällt eine Berücksichtigung des Neigungswinkels
y und der Nordablagewinkel läßt sich aus der Beziehung = = CC 1 + arc tan #2 berechnen.
-
Um den Bezug der Nordrichtung zum Fahrzeug zu erhalten, wird der Winkel
01, X1 zwischen Fahrzeug und Stellung des Azimutrahmens bei der Berechnung berücksichtigt.
-
Herstellungstoleranzen der Kardanrahmen und Lot fühler, äußere Einflüsse
durch magnetische Fehler o.ä. können bei der Nordbestimmung zu Drift fehlern führen,
die zu einem großen Teil dadurch eliminiert werden, daß die Nordablage in in zwei
um insbesondere 1d'00 verdrehten Stellungen der Azimutachse gemessen werden. Die
daraus gewonnenen Ergebnisse lassen sich für eine verbesserte Bestimmung des Nordablagewinkels
verwenden.
-
Bei der Kreiselvorrichtung des Anspruches 1 wird mittels eines einfachen
Lot fühlers der Präzessionsrahmen in eine Lage gebracht, in welcher die Spinachse
des Kreisels horizontal liegt. Durch die Anordnung der Rahmen erhält man so einen
vollständig entkoppelten Kurskreisel der in physikalisch richtiger Weise eine Kurs-Lage-Referenz
bildet.
-
Da das die Kreiselvorrichtung tragende Fahrzeug während der Nordbestimmung
in den meisten Fällen eine gegenüber der Horizontalen abweichende Lage der Längs-
bzw. Querachse besitzt, ist es zur Übertragung des Nordablagewinkels auf die Kursrichtung
bzw. auf die Kursanzeige des Kreisels vorteilhaft, diesen in eine Stellung zu verdrehen,
in welcher die Rahmen so zueinander stehen, daß eine kardanfehlerfreie Übertragung
möglich ist. Dieses wird dadurch erreicht, daß die Momentengeber in Abhängigkeit
von den Lageabgriffen Momente auf die Achsen erzeugen und die Rahmen in die ge-
forderte
Lage bewegen.
-
Wird die Drallachse des Kreisels horizontiert, so daß die Anordnung
der des Kurskreiselbetriebs entspricht, so ist zusätzlich eine Nordbestimmung mit
Hilfe des Kreiselkompassverfahrens möglich. Hierzu wird am Kreisel ein Nordeinlaufsignal
abgegriffen, wobei zusätzlich die Abweichung der Präzessionsachse gegenüber der
Horizontalen gemessen wird und zur Korrektur des gemessenen Nordablagewinkels dient.
-
Der Vorteil dieses Verfahrens liegt in einer geringeren Störbewegungsempfindlichkeit,
die z.B. bei auf den Kreisel wirkenden, relativ großen Schwingungen oder Bewegungen
eine Nordbestimmung ermöglicht. Die mit der Präzessionsachse parallel liegende Achse
des dynamisch abgestimmten Kreisels kann in diesem Fall für eine Schwingungsunterdrückung
eingesetzt werden.
-
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand nachstehender Zeichnungen
näher erläutert.
-
Es zeigen Fig. 1 - die Kreiselvorrichtung in der für die Nordbestimmung
geeigneten Lage Fig. 2 - die Kreiselvorrichtung in einer um 900 gedrehten Lage als
Kurs-Lage-Referenz.
-
Gemäß Fig. 1 ist auf einem feststehenden Teil, z.B. Fahrzeug, ein
Gestell 1 angeordnet. Ein Azimutrahmen 2, welcher in dem Gestell 1 mit vertikaler
Achse 16 gelagert ist, trägt weiterhin einen darin drehbar gelagerten Präzessionsrahmen
3 mit im wesentlichen horizontaler Achse 15. Beide Achsen 15, 16 enthalten Drehwinkelabgriffe
4, 5 und Momentenerzeuger 6, 7.
-
Auf dem Präzessionsrahmen 3 sind zwei senkrecht zueinander stehende,
als Lotfühler ausgebildete Lageabgriffe 8 und 9 sowie zwei als Neigungsmesser ausgebildete
Lageabgriffe 10 und 11, welche ebenfalls aufeinander senkrecht stehen, so angeordnet,
daß eine Abweichung des Präzessionsrahmens 3 von der Horizontalen und eine gegenüber
dieser um 900 verdrehten Stellung sensiert werden kann.
-
Das Kernstück der Kreiselvorrichtung, der dynamisch abgestimmte Kreisel
12, ist so auf dem Präzessionsrahmen 3 angeordnet, daß die Spinachse 12 senkrecht
auf dem Präzessionsrahmen steht. Ferner liegt die in radialer Richtung verlaufende
erste Achse 19 des dynamisch abgestimmten Kreisels parallel zu der Präzessionsachse
15 der Kreiselvorrichtung und die zweite Achse 20 in einer 900 zu dieser gedrehten
Stellung. Die von den Lotfühlern 8, 9 und den Neigungsmessern 10, 11 erzeugten Signale
werden Auswerteschaltungen 17, 18 zugeführt, welche daraus resultierende Signale
unter Einflußnahme einer Rechenschaltung oder eines Microrpozessors an die Momentenerzeuger
6, 7 leiten.
-
Die Nordbestimmung und das anschließende Kurshalten wird nach einer
vorher einzugebenden Sequenz abgearbeitet und umfaßt folgende Punkte: a) Einschalten
des Kreiselmotors und Schließen der Fesselkreise des Kreisels 13, b) Sensieren der
Lotabweichung in der zur Achse 15 senkrecht stehenden Richtung mittels Lot fühler
8 und gegebenenfalls korrigieren, d.h., diese Achse durch Ansteuern des Momentenerzeugers
7 horizontieren, c) Messen des-Winkels der Präzessionsachse gegenüber der Horizontalen
mit Hilfe des Lageabgriffs 10, d) Messen der Ausgangsgrößen des Kreisels 13, d.h.,
der Tangentialkomponenten der Erddrehgeschwindigkeit in zwei senkrecht aufeinander
stehenden Kompo-
nenten und berechnen des Nordablagewinkels unter
Berücksichtigung der Neigung der Präzessionsachse, e) eventuelles Schwenken des
Kreisels um 1800 um die Azimutachse 16 mittels des Momentengebers 6 und des Azimutabgriffs
5 und Wiederholen der Punkte b) - d).
-
Aus den so gewonnenen Werten für die Nordablage können nun im Rechner
Driftfehler und ein verbesserter Nordablagewinkel ermittelt werden, f) Schwenken
des Präzessionsrahmens 3 um die Achse 15 nach Fig. 2 um 900 mittels des Momentengebers
7 und des Lotfühlers 9 in die in Fig. 2 gezeigte Stellung, so daß die Kreiseldrallachse
12 in horizontaler Richtung steht, g) eventuelles Drehen des Azimutrahmens 2 mit
Hilfe des Drehmoment gebers 6 in eine Stellung, in welcher eine kardanfehlerfreie
Übertragung des Nordablagewinkels OC auf den Kurswertanzeiger möglich ist; dies
ist dann der Fall, wenn-der Präzessionsrahmen 3 in der Ebene des Azimutrahmens 2
liegt, was durch den Abgriff 4 sensiert wird.
-
Der Kreisel 13 befindet sich nun in einer vom Fahrzeug entkoppelten
Kursstellung und kann mittels des Abgriffs 5 den augenblicklichen Kurs des Fahrzeuges
anzeigen.
-
Bei der Nordbestimmung nach Punlrt a) - e) ist es auch möglich, durch
zusätzliche Horizontierung der Präzessionsachse 15 die Berechnung des Nordablagewinkels
durch Wegfall des Winkels ff zu vereinfachen. Hierzu wird mit Hilfe des Neigungsmessers
10 der Momentengeber 6 so angesteuert, daß die Präzessionsachse in einer von zwei
möglichen horizontalen Stellungen gehalten wird. Der Neigungsmesser 10 wird dazu
als Lotfühler verwendet.
-
Die in Fig. 2 dargestellte Stellung des Präzessionsrahmens 3 der Kreiselvorrichtung
ist neben der Kursbestimmung auch dann erforderlich, wenn die Nordbestimmung z.B.
-
aus Störmomentgründen nach dem Kreiseikompaßverfahren erfolgt. Zu
diesem Verfahren benötigt man zusätzlich den Neigungsmesser 11 welcher die Abweichung
der Präzessionsachse 19 des Kreisels 13 bzw. der Präzessionsachse 15 der Xreiselvorrichtung
von der Horizontalen mißt. Befindet sich der Präzessionsrahmen 3 in der lotrechten
Lage, die mittels des Lot fühlers 9 und des Momentengebers 7 erreicht wird, wobei
die Ansteuerung des Momentengebers 7 wie in Fig. 1 gezeigt erfolgt, dann bewirkt
die Tangentialkomponente der Erddrehgeschwindigkeit ein Moment um die Kreiselachse
20. Dieses Moment bzw. der Strom, welcher ein diesem entgegengerichtetes Moment
erzeugt, bildet ein Maß für die Nordablage das zum Nachführen des Kreisels oder
zur Berechnung der Nordablage verwendbar ist. Diese ist noch durch die Neigung der
Präzessionsachse 15 von der Horizontalen verfälscht und wird durch Bestimmung der
Neigung mittels des Neigungsmessers 11 und einer Korrektur-Berechnung verbessert.