DE3141262A1 - "einrichtung zur schaffung eines kuenstlichen horizonts" - Google Patents

Description

DipUng.W. Dohi^s<« "''* '

D:p!.-'raH-].Lippert ' f 15.. Oktober 1981

Pc!.*',Ui η να I te D-Hg/Sch

Frankerriofster Stiafie 137
Berqisch Glorjhnvh ?

THE MAJESTY THE QUEEN AS REPRESENTED BY THE CANADIAN MINISTER
OF NATIONAL DEFENCE
Department of National Defence

Ottawa, Ontario, Kanada

"Einrichtung zur Schaffung eines künstlichen Horizonts"

Die Erfindung betrifft Einrichtungen, die einen, künstlichen Horizont schaffen, indem sie eine Lichtlinie oder einen Lichtbalkeh vor dem Piloten projizieren und dessen Lage und Stellung steuern, um den natürlichen Horizont !

zu simulieren. . j

Im Rahmen der Erfindung soll der Ausdruck "Flugzeug" auch ί Flugsiraulatoren und im allgemeinen Fahrzeuge umfassen»

die in drei Dimensionen bewegbar; sind.

Übliche .Flugzeuginstrumente umfassen eine Einrichtung, die die Orientierung des Plugzeuges relativ zu einem Horizont anzeigen. Dieses Instrument ist im Cockpit dortangeordnet, wo der Pilot es periodisch beobachten kann, um die Lage des Flugzeuges bestimmen zu können, wenn der ■ natürliche Horizont vom Piloten nicht gesehen werden kann. Dies macht es erforderlich, daß der Pilot das zentrale oder foveale Sehen benutzt, das einen räumlichen Winkel· von etwa 3 · direkt vor' den Augen umfaßt.

Das zentrale Sehen sieht ein Instrument, wie den künstlichen Horizont, so, als'stelle· es. ein Symbol dar, welches, bevor ein Gefühl von räumlicher Position oder Bewegung von diesem erhalten werden kann, ein Entschlüsseln und-Auslegen erfordert. Andererseits wird peripheres Sehen von llatur aus in alltäglichen Situationen zum .Festste-llen von Bewegungen verwendet. Dieses Sehen tut dies mittels zugeordneter "festgelegter" Kreise, die linienartige Besonderheiten im peripheren Gesichtsfeld erkennen und Einzelheiten über deren Bewegung zum Zentrum des für. Bewegungswahrnehraung zuständigen Gehirns leiten. Auf diese Weise wird jedes Instrument, das Informationen über die Bewegung des Piloten und des Flugzeuges mittels dessen peripheren Sehens liefert, diese zugeordneten Krei'se verwenden und das bewußte Denken des Piloten von der'Tätigkeit des dauernden Auslegens von Symbolen befreien. ·

Da es praktisch nicht möglx'ch "ist, die Abmessung des vorhandenen künstlichen Horizontes so zu vergrößern, daß er durch'peripheres ,Sehen erkannt und wahrgenommen

werden kann, müßte eine Einrichtung gefunden werden, die das normale. Instrumentenbrett mit Informationen belegt, die unbewußt peripher wahrgenommen werden können. Das .im Augenblick bekannte praktischste Mittel besteht darin, 5 eine Lichtlinie oder einen Lichtbalken von einem Projektor auf .das Standard-Instrumentenbrett zu werfen, wo-, bei Einrichtungen vorgesehen sind, um den Lichtbalken : relativ zum" Flugzeug zu bewegen, um die Lage des Horizontes anzuzeigen.
•10 ·

! Eine Vorrichtung, die es ermöglicht, eine Lichtlinie oder

S einen Lichtbalken vor dem Piloten zu erzeugen und diesen

J durch das periphere Sehen wahrzunehmen, .ist in der US-PS

j · 4 083 239 beschrieben. Dort ist eine Lichtquelle in einem

'15 Gehäuse angeordnet und ein Teil des Gehäuses ist schwenk-

j bar, und ein anderer drehbar ausgebildet, wodurch opti- . i

i sehe Elemente bewegt wurden, die so kombiniert sind, ]

i daß dem Piloten ein Lichtbalken übermittelt wird. Die j.

i Bewegung der Teile ist auf die Kreiselplattform des

: 20 Flugzeuges bezogen, so daß der Lichtbalken immer den

wahren Horizont repräsentiert. Obwohl diese Konstruk-

; tion in einigen Anwendungsbereichen annehmbar ist,

ist sie nicht in allen Flugzeugen praktisch; verwendbar,

ι da die Konstruktion recht sperrig ist und nicht leicht

I 25 in das Cockpit eines vorhandenen Flugzeuges paßt. Die

: Konstruktion weist darüberhinaus den Nachteil auf, daß

i ■

i die Bewegung der mechanischen Teile bei extremen Tem-ί - ■■ peraturschwankungen und Beschleunigungskräften die ! Verwendung dieser bekannten Vorrichtung in Flugzeugen, j 30 wie Jagdflugzeugen, beeinträchtigt.

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I Die vorliegende Erfindung ist auf eine Einrichtung zur I Schaffung eines künstlichen Horizonts gerichtet, die veri ringerte Gesamtabmessungen hat und die dort, wo die Raum-

i ■

SUB

erfordernisse vorgeschrieben sind, so angeordnet werden kann, daß die Lichtquelle vom Cockpit entfernt liegt, so daß nur der Projektionskopf im Cockpit enthalten ist.

Für eine entfernt liegende Lichtquelle bestehen zwei \ im Gegensatz zueinander stehende Design-Kriterien. Um ^; einen Lichtbalken zu projizieren, der bei- Sonnenlicht ge-; sehen werden kann, muß die Lichtquelle kräftig sein. ^:

ί Eine derartige Lichtquelle kann jedoch nicht nur wegen | des Kraftverbrauches, sondern aus dem viel wesentlicheren; Grunde unerwünscht sein, weil sie eine Sicherheitsgefahr darstellt. Infolgedessen ist es bei der Verwendung einer

entfernt liegenden Lichtquelle erforderlich,·die Wirk- ί samkeit der Lichtübertragung von der Lichtquelle zum . j

'■

15 projezierten Lichtbalken zu maximieren, um die erforder- I ! liehe Lichtintensität von einer Lichtquelle annehmbarer j

j ■ ■

Kraft zu erhalten. Paradoxerweise wird der Lichtbalken j in anderen Situationen als bei Sonnenlicht zu intensiv j sein, so daß es ferner erwünscht ist, eine Vorrichtung ί . zum Variieren der Intensität des Lichtbalkens vorzusehen.!

1 ;

Bei einigen Anwendungen könnte die Lichtquelle und der j Projektionskopf im Cockpit angeordnet werden, wenn ge- j nügend Raum zur Verfugung steht. Jedoch besteht noch die Möglichkeit, daß diese Teile voneinander getrennt ange- j ordnet werden müssen, weil zwei unterschiedliche Design- ! Kriterien zur Anordnung der Teile vorhanden sind. Ersteng muß der Projektionskopf starr im Flugzeug angebracht wer-j den, um Positionsfehler des Lichtbalkens zu verhindern, ] ' die durch Vibration und Be,schleunigungskräf te barvorgerufen werden. Zweitens sollte die Lichtquelle elastisch angeordnet sein, um die Wahrscheinlichkext einer Vibra-. tionsbeschädi'gung zu begrenzen. TJm diese diametral ent-

; i

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gegengesetzt gerichteten Kriterien zu berücksichtigen, ist es erforderlich, ein flexibles, optisches Glied zwischen der Lichtquelle und dem Projektionskopf uriab- · hängig von der Tatsache zu haben, da3 diese Teile direct nebeneinander angeordnet sein könnten.

Infolgedessen schafft die Erfindung eine künstliche .Horizonteinrichtung, die eine Lichtquelle begrenzter . · Kraft hat, die vom Cockpit des Flugzeuges entfernt angeordnet werden kann. Im Cockpit'ist ein·Zerlegungsmechanismus angeordnet, um das Licht von der Lichtquelle zu erhalten und einen Lichtbalken zu projizieren, der · den echten Horizont darstellt, indem ein Lichtstrahl längs des wahrgenommenen Balkens in einer ausreichend hohen Frequenz zerlegt wird, so daß der Balken als eine kontinuierliche Projektion wahrgenommen wird.

Unter Bezugnahme auf die Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert.' In der Zeichnung zeigen: '

Fig. 1 eine Ansicht eines Flugzeug-Cockpits,, aus der zwei Stellungen eines Licht- · balkens ersichtlich sind, die, gemäß · ' der Erfindung, vor einem der Piloten projiziert sind;' ' "

TIg. · 2 eine schaubildliche Darstellung, die die physikalischen. Beziehungen zwischen den Hauptkomponenten eines bevorzugten Ausführungsbeispieles einer künstlichen Horizont-Einrichtung ge- '. ' maß der Erfindung veranschaulicht;

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Pig. 3 einen vereinfachten Querschnitt durch einen Projektionskopf; ;

. Pig. 4 eine Serie von sechs Diagrammen, die ' ' mit (a) bis (f) bezeichnet sind und die

• ' unterschiedliche Stellungen desLicht-

balkens relativ zu einem Bezugspunkt

j darstellen?

10 . Pig. 5 einen Querschnitt in einem größeren j · Maßstab durch den zum Befestigen einer

optischen Paser verwendeten Anschluß,·

. ■ . ■

Pig. 6 eine schematische Darstellung eines - Steuerkreises, der ein Teil der

peripheren Horizont-Einrichtung ist;

Fig. 7 eine grafische Darstellung,, die ein

Steuersignal illustriert, das zur

' Schaffung eines bevorzugten Licht

balkens verwendet wird, der aus einer •Anzahl von leuchtenden Punkten besteht; ·

Pig. 8 eine der Fig. 7 entsprechende Darstel- ι - ' · lung und . . '

Fig. 9 einen der Fig. 3 entsprechenden Schnitt · einer anderen Ausführungsform der Er- ; findung. ;

■ Fig. 1 der Zeichnung stellt ein' Instrumentenbrett 20 ■ j dar, das' für einen Piloten und einen· Copiloten ausgelegt j ist, die.hinter den entsprechenden Steuerungen.22 und j

24 .sitzen werden. Die'Instrumente, .die links von der Mitte des Instrumentenbrettes liegen, sind im wesentlichen Verdoppelungen der rechts liegenden, so daß entweder der Pilot oder der Copilot das Flugzeug steuern kann. Das Instrumentenbrett umfaßt zwei künstliche Horizontinstrumente 26 und 28, wie sie üblicherweise in einem Instrumentenbrett dieser Art zu finden sind und die dem Piloten die Neigung und die Querlage des Flugzeuges zu einer horizontalen Ebene anzeigen. Diese In- |. .10 strumente sind relativ klein und müssen vom Piloten

unter Verwendung des zentralen Sehens sorgfältig beobachtet werden, so daß der Pilot seine Augen von der Windschutzscheibe und anderen Instrumenten abwenden muß, während er sich auf das künstliche Horizontinstrument konzentriert. · ■

Fig. 1 illustriert ferner zwei Stellungen eines Licht- ." balkens, der durch eine erfindungsgemäße Einrichtung er-' zeugt wird·, die nachstehend unter Bezugnahme auf die folgenden Figuren näher erläutert werden- wird. Die zwei Stellungen sind mit den Bezugszeichen 32 und 34 versehen. Die Stellung 32 des Lichtbalkens ist auf das künstlichen Horizontinstrument 26 zentriert, das bei dieser speziellen Anordnung als ein Bezugspunkt dient; ■ Daraus ergibt sich, daß das" Flugzeug in normaler Fluglage mit der linken Tragfläche nach unten gehalten wird. Demgegenüber zeigt die Lichtbalkenstellung 34 an, daß das Flugzeug seine Nase in einer Sinkflugphase abgesenkt hat, während die Tragflächen in einem -horizontparallelen Niveau liegen. Dies ergibt sich in erster Linie daraus, daß die Instrumente im Instrumentenbrett 20 rechteckig eingerahmt sind und horizontale und vertikale Seiten aufweisen. Infolgedessai leistet diese

Anordnung selbst eine Hilfe, um anzuzeigen, ob der Lichtbalken horizontal in. bezug auf das Instrumentenbrett 20 ist oder nicht und ob das Flugzeug quergeneigt ist oder nicht. In gleicher Weise zeigt die Tatsache. daß-der Lichtbalken in der Stellung 32 gegenüber.den Instrumenten geneigt verläuft, an, daß das Flugzeug eine seitliche Schräglage hat und die Seite der Schräglage. Bei einigen Flugzeugen werden die Instrumente j keine rechteckigen Kanten haben, Jedoch im allgemeinen 10 in einer Reihe angeordnet sein, die horizontal verläuft. . In dem unwahrscheinlichen Fall, daß das Flugzeug, in dem die erfindungsgemäße Einrichtung verwendet werden soll, keine Instrumente in einer solchen Anordnung aufweist, muß der Bezugspunkt an dem Instrumentenbrett hinzugefügt werden. Dies könnte in Form einer Linie oder einer Anzahl von Linien erfolgen, die horizontal im Instrumentenbrett verlaufen, mit einer besonderen Linie, die- anzeigt, daß sich das Flugzeug in Normalfluglage befindet. ' · • 20

Es ist klar, daß in einem Flugzeug zwei Lichtbalken erzeugt werden müssen, wenn der .Copilot auch den Lichtbalken verwenden soll. Dies ist erforderlich, weil ein Lichtbalken, der sich über das gesamte Instrumentenbrett erstrecken würde, sich an der einen Seite ab- ! senken und an der anderen Seite aufwärts schwenken wür- ! de,^: wenn das Flugzeug seine- Querlage verändern würde, j und infolgedessen würden der Pilot und der Copilot un- : terschiedliche Information vom.Lichtbalken erhalten. \ ' Zwei Lichtbalken können entweder durch Verwendung von j zwei Peripheral-Horizont-Einrichtungen der vorbeschrie- I beneri Art oder durch Verwendung einer solchen Vorrichtung mit einer geeigneten Optik erzeugt werden, die entweder den Lichtbalken in.zwei Bilder aufspaltet oder die

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es dem Lichtbalken ermöglicht, entweder vor dem Piloten ■ oder vor dem Copiloten ausgebildet zu werden. !

Pig. 2 zeigt diagramraartig die Hauptkomponenten einer bevorzugten Ausführungsform der künstlichen Horizont- * Einrichtung gemäß der Erfindung. · ■ - [

Ein Projektionskopf 36 erhält Licht'von einer Laser- ■' Quelle 36 über eine flexible Verbindung 40, die eine · optische Paser als Lichtleiter umfaßt, die später näher j erläutert werden wird. Die Laser-Quelle 38 wird von einem] Steuerkreis getrieben,, der in einem Gehäuse 42 enthalten '· ist, das ein Eingangssignal von der Plugzeug-Kreisel- . " . plattform über drei Eingänge 44 erhält, die Informationen bezüglich der Querlage des Plugzeuges tragen, und von drei Verbindungen 46, die Informationen über . j die .Neigung des Plugzeuges übertragen. Ein Krafteingang ■ 48 ist ebenfalls vorgesehen und der Steuerkreis ist, ; wie später näher erläutert werden wird, mit dem Projektionskopf. 36 verbunden, um den Zerlegungsmechanismus . anzutreiben, der die Information, die von der Kreisel- \ plattform erzeugt wird, verwendet, um die Lage des Lichtbalkens zu steuern, so daß der.Pilot eine kon-. tinuierliche Darstellung 50 sieht, die den wahren Hpri-·

zont repräsentiert. ' . ι

Die hauptsächlichen inneren Teile des Projektionsköpfes '-■ 30 sind in.der Schnittdarstellung der Fig. 3 veranschaulicht, aus der ersichtlich ist, daß das in Ri,chtung des Pfeiles 52 von der flexiblen Verbindung 40 . !■"" (Pig. 2) auf einen ersten geneigten Spiegel 54 auf- "' trifft. Dieser Spiegel liegt'normal in einer Ebene von etwa 45° zur Richtung des durch den Pfeil 52 angezeigten ■ Lichtstrahles, so daß das Licht, das vom Spiegel re-

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flektiert wird, auf einen zweiten Spiegel 56 auftrifft, der ebenfalls in etwa 45° zur Richtung des zwischen den Spiegeln verlaufenden Lichtes steht. Die Spiegel sind zusammenwirkend angeordnet, um einen Ausgang vom Projektionskopf zu erzeugen, · der über eine Öffnung 58 aus diesem austritt, um den Lientkälken 50 (Fig. 2) zu er-

zeugen. ·

Der erste Spiegel 54 bildet einen Teil eines ersten Zerlegung smeohaiiismus' 60, der einen Stab 62 umfaßt, an dem ■ ■ der Spiegel befestigt ist, um sich mit dem Stab um dessen Achse bewegen zu können. In gleicher Weise ist der zweite Spiegel 56 an einem Stab 64 befestigt, der einen Teil eines zweiten Zerlegungsmechanismus' 66 bildet. V/ie später beschrieben wird, sind die Zerlegungsmechanismen

60 und 62 unabhängig angetrieben, um optisch so zusammen-. zuwifken, daß. der auftreffende Strahl 52 abgelenkt wird

und dadurch den vom Piloten gesehenen Lichtbalken er-' zeugt. Die Stellung des Liohtbalkens wird durch das Ab-lenken dieser Spiegel bestimmt, wie später näher erläutert· werden wird.

Fig. 4 zeigt sechs individuelle Stellungen des Lichtbalkens, die- durch die Buchstaben "a" bis "f" gekenn-

•25 zeichnet sind. Es ist aus dem Diagramm (a) ersichtlich, daß der Lichtbalke.n in einer Stellung dargestellt ist, die'zentral über einem Bezugspunkt liegt.· Um zu bewirken, daß der'Lichtbalken vor dem Piloten erscheint, muß das vom Projektionskopf 36 (Fig. -2) projezierte Licht mit einer ausreichenden Frequenz zerlegt werden, um den Piloten glauben zu lassen, daß die erzeugte Linie eine unterbrochene sei. Die im bevorzugten Ausführungsbeispiel • verwendete Frequenz beträgt 40 Zyklen pro Sekund.e. In-

• ' folgedessen schwingt, wie im Diagramm (a) der Fig. 4 an-

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ö -5 ft λ α i

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gegeben, das Licht zwischen Werten von "h", die unter
Bezugnahme auf eine Nullstellung 67 angegeben sind.
Sollte das Plugzeug anfangen zu steigen, um die Plughöhe zu erreichen, wird sich der Lichtbalken abwärts in bezug' auf den Bezugspunkt bewegen, was einen negativen Wert . . von "v" bewirkt, wie. dies im Diagramm (b) dargestellt ;' . ist. Es ist daher aus den Diagrammen (a) und (b) er- j

ί ' - sichtlich, daß ein Lichtbalken, bei dem das .Plugzeug .. j eine Nullquerlage einnimmt, durch Zerlegen unter Ver-

wendung des ersten Spiegels 54 und durch Stellen des ι

zweiten Spiegels 56 zum Anzeigen jeder, vertikalen Ver- j

stellung relativ zur Neigung erzeugt werden kann. Wenn \.

das Plugzeug jedoch eine Querlage mit abgesenktem rech- j

ten Flügel bei einer Nullneigung ausführt, wird der · > Lichtbalken eine im Diagramm (c) angezeigte Stellung'

einnehmen und'dieser Lichtbalken kann nur erzeugt wer- ; den durch Bewegen der Spiegel 54 und 56 (Pig. 3) syn- .. chron, so daß der erste Spiegel 56 horizontale Bewegung. · darstellt und der zweite Spiegel 56 sich relativ zrur"

vertikalen Bewegung bewegt. Tatsächlich wird jedex Punkt des Lichtbalkens als ein Resultat der Bewegung des ersten Spiegels über einen Winkel erreicht, der dem
Kosinus des Winkels A entspricht, während der zweite
Spiegel eine Bewegung hervorruft, die dem Sinus dieses.

Winkels entspricht. Mit sich synchron bewegenden Spiegeln wird der Winkel des Lichtbalkens relativ zu Horizontalen (Winkel A) einfach erreicht, indem das Verhältnis der .;. Größen der Signale zu den Zerlegungsmechanismen 60; 66 · " ■■ variiert wird, mit denen die Bewegungen der Spiegel \ sympathetisch, also in Resonanz-Schwingungen, sind. ';

Die ersten drei Diagramme der Pig. 4· zeigen die Yerwen- ■■

dung des ersten Spiegels zum Zerlegen des Lichtbalkens, ■■

wobei der erste Spiegel das gesanfe Zerlegen in Diagramm , (a) ausführt. Diagramm (d) zeigt die Situation, die

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eintritt, wenn sich die Querlage des Flugzeuges um 90° ändert, also das Plugzeug um 90° rollt» In diesem Falle ist der erste Spiegel stationär und der zweite Spiegel bewirkt das Zerlegen des Lichtstrahles. In der I Tat ist diese Stellung eine natürliche Progression von i den Stellungen, die im Diagramm (a) und (c) gezeigt j sind, wobei das Flugzeug nach der im Diagramm (c) ge- ! zeigten Stellung weiter in die Stellung rollt, die im _; Diagramm (d) dargestellt ist. Eine Komplikation, tritt j ein, wenn das Flugzeug sowohl erheblich rollt und sich . neigt; Es ist aus den vorhergehenden Diagrammen ersieht- j lieh, daß beide Spiegel zusammenspielen, ■ um das Licht auf ein Rollen zu bewegen. Jedoch müssen beide Spiegel ebenfalls zusammenspielen, um Neigen wxderzuspxegeln. j 15 Dies kann klargemacht werden durch einen'Vergleich der Diagramme (b) und.(d). Im Diagramm ..(b) wird die gesamte Neigung durch eine eingestellte Stellung des zweiten Spiegels 56 gezeigt. Wenn der im Diagramm (b) gezeigte Lichtbalken in Abhängigkeit von der Steigung zu bewegen ; ist," so würde diese Bewegung aus dem Justieren des er- ' sten Spiegels 54 resultieren. Infolgedessen muß in al- | len" Stellungen zwischen diesen beiden Extremen das ITei- ι gen durch eine Kombination der Bewegung, die beide j Spiegel ausführen, widergespiegelt werden.· Wie im j

'25 . Diagramm (e) ersichtlich ist, sind Koordinaten für die ·! Enden des Lichtbalkens relativ zum Bezugspunkt gezeigt. " ^; Durch Vergleichen der Diagramme (e) und (f) ist er- · ; sichtlich, daß der Lichtbalken Stellungen einnehmen j kann, in denen die Koordinaten an einem Ende positiv ; sind, während diejenigen am anderen Ende negativ sind; j .und andere Stellungen sind möglich derart, wie sie in ' ; dem Diagramm (f) gezeigt sind, in denen'drei der Koordinatenwerte negativ sind, während einer positiv ist. ι

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; . · Andere Situationen sind offensichtlich möglich, sollte

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das Plugzeug um,560° rollen, während es auch geneigt wird. · . . ■.."-.;

Um das Neigen in die Zerlegungsmechanismen 60 und 66 ■ einzubringen,* muß der Lichtbalken in bezug auf den Bezugspunkt auf zwei Koordinaten bewegt werden. Im Diagramm (e) hat sich zum Beispiel das Zentrum des Lichtbalkens längs der horizontalen Achse um eine Ent-

■ fernung· "bewegt, die gleich der Neigung vervielfacht um Sinus A ist. In gleicher Weise-ist die vertikale Verstellung gleich der Heigung vervielfacht um Kosinus A, Indem sowohl Neigen und Roll.en in Betracht gezogen wird, würde ein Punkt, wie der am oberen Ende- des Lichtbalkens des Diagramms (e) (wie zeichnerisch dargestellt) die folgenden Koordinaten haben:

X = Konstante χ Kosinus A + Neigung χ Sinus A Y= Konstante χ Sinus A + Neigung χ Kosinus A

Da Kosinus A negativ ist, wird der vertikale. Wert für die Neigung vom ersten Wert in der entgegengesetzten Sichtung "relativ zum Rollen in Abzug .gebracht. Ein " ""■ gleiches Resultat-wird erhalten, wenn das Diagramm (f) ! verwendet wird.

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Es ist klar, daß der erste Spiegel ein Zerlegen in horizontaler Richtung oder in X-Richtung bewirkt und daß

■ der zweite Spiegel entsprechend in der vertikalen Richtung oder in der X-Richtung zerlegt. Die vorstehende ' = Berechnungsformel .zeigt an, daß die Zerlegungsmechanismen 60 und 66 durch individuelle Signale gesteuert werden, von denen jedes aus zwei Teilen besteht, die sich' erstens auf das Rollen und zweitens auf das Neigen beziehen, (wie in der Berechnungsformel gezeigt ist). Of-

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fenbar muß der im Gehäuse 42 (Fig. 2) enthaltene Steuerkreis, in der Lage sein, Signale von der Kreiselpiattform. den Eingängen 44 und den Verbindungen 46 zu analysieren und diese analysierten Signale in Eingänge für die Zer- · legungsmechanismen 60 und 66 umzuformen. Bevor der Zen tr'alkreis beschrieben wird, werden die mechanischen Anschlüsse beschrieben, die zum Festlegen der flexiblen Verbindungen an diesem Ende benutzt werden, uin die Beschreibung der mechanischen Teile zu vervollständigen.

" _: ■

Fig.. 5 zeigt einen Anschluß, der zum Anbringen der flexiblen Verbindung 40 an die Laser-Quelle 38 dient. Das in der Zeichnung links dargestellte Ende des Anschlusses ist auf einen .zylindrischen," mit Gewinde versehenen Vorsprung 68 der Laser-Quelle 38 unter Verwendung eines G^ewinderinges 70 aufgeschraubt, der seinerseits einen inneren konischen Bereich hat, der sich an einen äußeren konischen Bereich 72 eines Zwischenstückes .74 anlegt. Der Gewindering "70 ist dadurch in der Lage, " das Zwischenstück 74 in genaue Flucht mit dem Licht .zu '

• ziehen, das die Laser-Quelle in der Achse des Zwischenelementes verläßt. Das Licht trifft als ein im wesentlichen paralleler Strahl auf das Fokussierungs-Linsensystem 76· auf, das in einem Lin enhalter 78 angeordnet ist, der seinerseits durch 'eirien Ring SO festgehalten wird, welcher durch Außengewinde in ein zu diesem Zweck im Zwischenstück 74 eingebrachtes Innengewinde eingeschraubt ist. Am anderen Ende des Zwischenstückes 74 ist eine innere nach außen hin divergierende konische · Oberfläche c2 vorgesehen, um ein Endstück 84 von der Type aufzunehmen, wie es an einer "Amphenol-Präzisions-Faser-optischen-Verbindung" bekannt ist und- das an der

• flexiblen.Verbindung angebracht ist, die eine optische

Paser 86 umfaßt, welche in einer genau vorbestimmten.

Lage im Ende des Endstückes 84 angeordnet ist, so' da3

das durch da's Linsensystem fokussierte Licht in dieses ; Ende der Paser 86 zur Leitung zum Projektionskopf 36 ' (Fig. 2) eintritt. Der in Pig. 5 dargestellte Anschluß

ist auch am anderen entgegengesetzten Ende der flexiblen ;

Verbindung 40 vorgesehen, wobei jedoch der Unterschied ! j vorhanden ist, daß das Linsensystem am anderen Ende so .! gewählt ist, daß es das aus der Paser 86 austretende
Licht erhält und dieses Licht in einen parallel Strahl

umsetzt. '-'·"" j

Bei dem in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Aus-_
führungsbeispiel ist die optische Paser eine einzige

Faser, die einen Durchmesser von 50 μ "hat.. Diese Faser
ist gewählt worden als ein Kompromiß zwischen den Erfordernissen an den entgegengesetzten Enden der flexiblen Verbindung 40, wobei auch die Mindestfestigkeits- -'-. erfordernisse der Verbindung in Betracht gezogen worden

sind. In dem in Fig. 5 dargestellten Ende muß das Ende \
der Faser offensichtlich genau angeordnet werden, wenn
das gesamte aus der Laser-Quelle austretende Licht zum . ·, Ende der Faser hin gebündelt werden soll. Es ist we- j sentlich,. daß dann, wenn die Kraft der Laser-Quelle' ', wegen zufriedenstellender Kraft-und Sicherheitserforder- i nissen auf einem Minimum gehalten, werden muß, so viel ! wie möglich des Lichtes ohne Verluste übertragen werden | muß. Es wurde festgestellt, daß diese Anordnung in der I Lage ist, das Licht mit Verlusten in der Größenordnung ;

von 2 bis 3 db zu übertragen. · . . -

An dem mit dem Projektionskopf verbundenen Ende der
flexiblen Verbindung muß das aus der optischen Paser
austretende Licht auf einem Minimum gehalten werden,

.214-12R2 .

um ausmittige optische Probleme auf einem Minimum zu }

halten. Wenn 'das Licht zu einem parallelen Strahl zu j

tran^brmieren ist, muß das Linsensystem in der Lage j

sein, das.austretende Licht aufzunehmen und dieses i

Licht genau parallel zu gestalten. Weil dies nicht j

.' · absolut erreicht werden kann, wird die Parallelisie- !

rung verbessert, wenn der Diyergenzwinkel des die ι

Paser 86 verlassenden Lichtes auf einem Minimum ge- I

. halten ist. Um die Übertragungsverluste ferner auf ein j

Minimum herabzusetzen, wird eine abgestufte Indexfaser vorgezogen.

Es wird anerkannt, daß die Faser 86 ein Kompromiß ist, da es an dem in Fig. 5 dargestellten Eingangsende einfächer sein würde, eine dicke Faser zu haben, während die Faser an ihrem Ausgangsende so dünn wie möglich sein sollte, um die Divergenz auf ein Minimum herabzusetzen.

[ Um das Steuersystem, das in der Lage ist, Signale von der Flugzeug-Kreiselplattförm zu erhalten und diese Signale zu bearbeiten, um die Zerlegungsmechanismen 60 und 66 anzutreiben, genauer erklären zu können, wird auf "Fig. 6 -Bezug genommen.

Aus Fig. 6 ist ersichtlich," daß Eingangs signale 44 und 46 von einer Eingangssignal-Verarbeitungseinrichtung erhalten werden, die diese Signale in zwei Digitalausgänge umwandelt, von denen ein erster die Neigung und ein

zweiter das Rollen, also die Querlage des Flugzeuges .darstellt.· Diese Signale gelangen zu einem Mikro-Prozessor-System, das auch einen Eingang von der Steuersignal-Bearbeitungseinrichtung erhält. Dies gibt dem Piloten die Möglichkeit des Abblendens,' des Justierens auf Null und des Änderns der Skala. Alle diese Signale ■

. -J

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314Ϊ262

werden bearbeitet und dem Mikro-Prozessor-System zum j Kombinieren mit den Signalen aus der Eingangssignal- ; Zentraleinheit zugeführt, um digitale Signale einer , Ausgangssignal-Bearbeitungseinrichtung zuzuführen, die ' ihrerseits separate Neigungs- und Hollinformationen für die Zerlegungsmechanismen 60 und 66, wie unter Bezugnahme' auf Pig. 4 beschrieben worden ist·, erzeugt. Kraftverstärker sind, wie dargestellt, in die; Sign al streck; en zu den Zerlegungsmechanismen eingeschaltet. Eine Krai'Lzufuhr ist ferner mit dem erforderlichen Ein-Aus-Schalter¹ vorgesehen und dieser ist sowohl mit einer Laserkraftzufuhr und mit dem System gekuppelt. Ein Helium-Neon-. Laser, der einen Kraftausgang von 2 bis 4 Milliwatt hat, wird vorgezogen. . ' · '

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Es ist bei dem in Fig. 6 der Zeichnung dargestellten ■ Steuerkreis klar, daß die Leistungsfähigkeit des Mikfo- ; Prozessor-Systems geändert werden kann und" daß dies eine '"■ einfache Änderung der bis hierher beschriebenen Einrichtung ermöglicht. Aus Erläuterungszwecken ist eine vereinfachte Einrichtung beschrieben worden, die zum Zeigen der Neigung und des Rollens annehmbar ist. In einer bevorzugten Ausführungsform ist es jedoch möglieh, die Intensität des Lichtbalkens an unterschiedliche Bedingungen im Cockpit anzupassen. Bei strahlendem Sonnen—.

licht sollte der Lichtbalken so strahlend wie möglich sein, während bei Nacht eine erhebliche Abblendung be-. ' nutzt werden sollte. Das Mikro-Prozessor-System ermöglicht diese Verbesserung, so daß der Unterschied 30 zwischen einer Einrichtung ohne dieses Abblendungsmerk- ! mal und einer solchen mit diesem Merkmal sich nur durch j ein anderes Mikro-Pi-ozessor-System unterscheidet. Um ^: j einen bevorzugten Versuch zum Abblenden zu beschreiben,

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wird auf Pig.· 7 Bezug genommen. Diese Figur zeigt eine typische Wellenform, die zu einem der Zerlegungsmechanismen zugeführt wird, um den Spiegel zum Ablenken des lichtes längs eines von der Pluglage des Plugzeuges

! 5 abhängigen Weges zu bewegen. Wie Pig. 7 zeigt, beginnt der Spiegel einen Zyklus mit einer maximalen Winkelverstellung und dann, wenn die Zeit fortschreitet, be-

■ |. wegt er "sich in einer Anzahl von Schritten zum Ende des Zyklus hin, von wo aus er wieder zurückkehrt, um ein

1. 10 · neues Zerlegen zu beginnen. Die ausgezogenen Linien zei- ! · gen in Fig. 7 die Wellenform, die dem Zerlegungsmecha-I nismus zugeführt wird und die unterbrochenen Linien

i .

! · illustrieren die Bewegung des·Spiegels, die in der Tat durch die Tragheitseigenschaften hinter der Wellenform

15 nacheilen..Dennoch ist es klar, daß der Spiegel

j einige Zeit'zwischen jedem Schritt stationär verbleibt, _;

ehe-er Licht projizieren wird, das während der statio- ^!

nären. Bereiche des Zyklus als ein Punkt erscheint und |

das zwisehen den Punkten ein sehr schwaches die Punkte j

20 verbindendes Licht sein wird, das in der Tat nicht vom j

Piloten gesehen werden kann. Dies ist der Pail, da die

ι Beleuchtungsintensität abhängig ist von der Ze-rlegungs- \

j geschwinoigkeit. Wenn die Zerlegung augenblicklich an- |

j · gehalten wird, wird dort ein Bereich maximaler Beleuch- \

\ 25 tung auftreten. ' . I

^r Es "ist festgestellt worden, daß das menschliche Auge

' eine Reihe von sieben und mehr Punkten als eine gerade

! -Linie ansieht und diese Tatsache ermöglicht die Schaf-

j 30 fung einer Linie maximaler Intensität-von'neun einzelnen·

I ' - Punkten. Wenn es gewünscht wird, den Lichtbalken leicht

! abzublenden, kann der-Pilot die Abbl-end-steuerung be-' tätigen, was.die Anzahl der Schritte im Zyklus beein-

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. ■ flußt. Eine geeignete Änderung würde darin bestehen, von -neun Punkten auf'siebzehn, auf dreiunddreissig, auf fünfundsechzig und dann auf eine ununterbrochene Linie überzugehen. Ferner kann ein Abblenden durch Parken des Lichtstrahles für einen Zeitabschnitt des Zyklus bewirkt werden, wie dies in !'"ig. 8 veranschaulicht ist, aus der ersichtlich ist, daß der Zyklus "aus einer An- . zahl von Schritten gefolgt von einer Winkelversteilung besteht, die größer ist als diejenige, die eine Licht-TO übertragung ermöglicht. Oberhalb dieser Grenze wird das Licht im Projektionskopf durch eine Falle gehalten, ohne die Zykluszeit zu verlängern. Obwohl die Anzahl der Schritte gleich derjenigen sein kann, die nach Fig.'7 verwendet wird, ist infolgedessen jeder Schritt kurzer . und dadurch abgeblendet. Durch eine Kombination von Parken und Verändern der Anzahl der Schritte im Zyklus ist ein 13 db Intensitäts-Abfall ohne das Parken echt erreicht und ein weiterer 13 db Intensitäts-Abfall wird durch das Parken bewirkt. .'.".:

^; 20 '■.·■-;

Ein alternativer Versuch zur Verwendung des Parkens, um ; das Abblenden zu erleichtern, besoeht darin, ein ein- j

faches Filter zu benutzen, das .nach dem Abblenden von ■ ; neun Punkten auf eine volle Linie in die Lichtbahn ein- j ! 25 gebracht wird. Mit einem solchen eingefügten Filter wird. - der Projektionskopf noch neun Punkte projizieren und

über die Abschnitte zu einer vollen Linie fortfahren ^; und damit in der Tat die Anzahl der Abblendungsabschnit- |.

te wiederholen, jedoch mit einem vorgeschalteten Filter.

Das vorbeschriebene Ausführungsbeispiel ist zu jeder j ! Verwendung geeignet, wobei entweder ein Kriterium von j zwei Kriterien die Trennung der Lichtquelle vom Projektionskopf diktieren, nämlich Raumbegrenzung im

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Cockpit, und Anordnungserfordernisse für die Lichtquelle, die eine .eil astische Aufhängung benötigt. V;enn jedoch diese Kriterien nicht annehmbar sind, kann eine Kombination der Lichtquelle und des Frojektionskopfes bevoräugt v/erden. V.'ie aus i'ig. 9 ersichtlich ist, entspricht eine solctie Konstruktion iai \\^resentl.ichen der in Fig. 3 .veranschaulichten, Jedoch anstelle des lichteintrittes bei. 52 (Fig. 3) von einer entfernten Lichtquelle, ist eine Laser-Cuelle 90 fest angeordnet, um einen Licht-

10. sti'ähl auf einen Spiegel 92 zu.werfen, der das Licht zu dein ersten von zwei Spiegeln 94 und 06 richtet. Diesen Spiegel sind Zerlegungsmechanismen 9ö und 100 zugeordnet, die in der gleichen VTeise wirken wie diejenigen, die unter Bezugnahme auf das andere Ausführungsbeispiel er- ^lj läuLort worden sind.

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   1. Einrichtung zum Projizieren eines Lichtbalkens als
   künstlicher Horizont vor einem Piloten eines Flugzeuges, wobei der Lichtbalken eine ununterbrochene
   visuelle Darstellung des tatsächlichen Horizontes

   relativ zum Flugzeug liefert, g e k e η η ζ e i c h- j

   net durch eine einen Lichtstrahl erzeugende I

   Lichtquelle (38; 90), Zerlegungsmechanismen (60, 66; I

   98, 100), die in der Bahn des Lichtstrahles angeord- !

   net sind und einen um eine Achse schwenkbaren Re- ' .j

   flektor (54; 94), der den Lichtstrahl in einer ersten j

   Ebene zerlegt, und einen zweiten um eine andere Achse j

   schwenkbaren Reflektor (56; 96) umfassen,darch den das .,j

   vom ersten Reflektor erhaltene Licht derart reflek- \

   tlert wird, daß es in einer zweiten Ebene zerlegt ;

   wird, die senkrecht zur ersten Ebene steht, um eine \

   Projektion zu erzeugen, die vom Piloten als ein I

   Lichtbalken wahrgenommen -wird, der zur Darstellung ' der Fluglage positioniert ist, und Steuereinrichtungen _t\ die auf Signale vom Flugzeugkreisel ansprechen und

   rai'fc eiern ersten und dem zweiten Reflektor (54, 56; .]

   94, 96) gekuppelt sind und diese Reflektoren um ihre :

   Achsen derart bewegen, daß der Lichtbalken ver- .. j

   schwenkt wird, um das Rollen darzustellen, und ver- ;

   tikal bewegt wird, um das Neigen darzustellen, so !

   daß der Lichtbalken (50) eine kontinuierliche Dar- · j stellung des wahren Horizontes unabhängig von der
   Orientierung des Flugzeuges ist.

   2. Einrichtung nach Anspruch 1, .dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Reflektor durch Planspiegel (54, 56; 94* 96) gebildet sind.

   . ■ " . I

   L 3 · Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontrolleinrichtung stufenförmige Schwingbewegungen des ersten und des zweiten Reflektors bewirkt und der Lichtbalken aus einer Anzahl von Punkten großer Leuchtintensität besteht, die durch Bereiche stark verringerter Intensität verbunden sind.

   4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch g ekennzeichnet, daß eine einen Teil des

   j yon den Zerlegungsmechänismen ausgesandten Lichtes I

   zurückhaltende Falle vorgesehen ist, und daß die j.

   Steuereinrichtungen eine Parkperiode während jedes j

   .Zerlegens des projizierten Lichtes bewirken, so '

   ' daß der Lichtstrahl während der Parkperiode durch j

   die Falle zurückgehalten wird, und so daß während !

   I des Zerlegens des Lichtes-der Lichtbalken durch die . Lichtzerlegung während eines kürzeren Zeitabschnit- ■ . tes abgeblendet erscheint. ■ '

   ■ 25 ■ ■ '.

   ■ 5 ·. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeich-■ net durch Einrichtungen zum Ändern der Intensität des vom Piloten wahrgenommenen Bildes. j

   "30 6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- j kennzeichnet, daß die Lichtquelle eine i Laser-Quelle (38; 90), eine einzige optische Faser (80), eine Einrichtung (76) zum Konvergieren des j Lichtes von der Laser-Quelle und zum Fokussieren

   dieses Lichtes auf das Eintrittsende der Faser· (80) sowie eine mit dem entgegengesetzten Ende der Faser gekuppelte Einrichtung zum Parallelisieren des von . J der Faser austretenden Lichtes zur Bildung eines Licht-j Strahles umfaßt. ■ ■ . |

   7. Einrichtung zum Projizieren eines·Lichtbalkens als künstlicher Horizont vor einem Piloten eines Flugzeuges, wobei der Lichtbalken eine ununterbrochene visuelle Darstellung des tatsächlichen Horizontes gegenüber dem Flugzeug bildet, gekennzeichnet durch Einrichtungen, die mit-dem Ausgang des Flugzeugkreisels zum Erzeugen von Informationen über das Rollen des Flugzeuges gekuppelt sind und zum Umwandeln dieses Ausgangs in zwei synchrone Roll-Ausgänge, die bei einem ersten Zustand Wellenform in Phase und bei einem zweiten Zustand um 180° zur Phase versetzt miteinander haben, wobei der erste dieser Roll-Ausgänge einen Wert hat, der eine Funktion des Kosinus des augenblicklichen Rollwinkels des Flugzeuges ist, und wobei der zweite dieser Roll-Ausgänge eine Funktion des Sinus¹ des gleichen · Winkels ist, so daß das zusammengesetzte Diagramm der Werte von diesen Ausgängen eine gerade Linie ist, die mit einer Bezugslinie .den Rollwinkel darstellt, wobei die Linie im ersten Zustand einen positiven Verlauf und im zweiten Zustand einen negativen Verlauf hat, eine zweite Einrichtung, die mit dem Ausgang des Flugzeugkreisels gekuppelt ist und-Informationen über die Neigung erzeugt und diesen Ausgang in einen Neigungs-Ausgang umwandelt, der in direktem Verhältnis zum Neigungswinkel steht, eine Einrichtung zum Mischen der beiden Roll-Ausgänge mit dem Neigungs-Ausgang um erste und zweite zusammengesetzte

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   Ausgänge zu schaffen, deren augenblickliche Werte • Funktionen der Summe des ersten Rollausganges und dem Produkt des Neigungs-Ausganges und dem Sinus¹ des Rollwinkels und der Summe des zweiten RoIl-Ausganges und dem Produkt des Neigungs-Ausgangs und dem Kosinus des Rollwinkels sind, eine einen Lichtstrahl erzeugende.Lichtquelle, einen ersten land einen zweiten Spiegel, die zur Schwingbewegung um entsprechende Bezugspunkte angeordnet sind, wobei die Spiegel Antriebseinrichtungen umfassen, die mit dem entsprechenden ersten und zweiten zusammengesetzten Ausgang gekuppelt sind und auf diese Ausgänge die Spiegel bewegen, wobei der Lichtstrahl durch den ersten Spiegel über etwa 90° reflektiert wird und dieses reflektierte Licht vom zweiten Spiegel über etwa andere 90° reflektiert wird, wodurch die Spiegel kombiniert einen Lichtbalken projizieren, der in Bezug zu einem Bezugspunkt liegt, um die Stellung des wahren Horizontes unabhängig von der Orientierung des Flugzeuges anzuzeigen.

   8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennz'e ichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung eines Lichtstrahles ein Laser ist.

   9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch g e-Jc e η η ζ e i c hn e t, daß die Einrichtung zur Erzeugung eines Lichtstrahles ferner eine optische Faser, Einrichtungen zum Fokussieren des Lichtes vom Laser auf ein Ende der Faser, Einrichtungen zum Parallelisieren des aus dem anderen Ende der Faser

   ·. austretenden Lichtes umfassen, um einen Lichtstrahl zu erzeugen, der auf den ersten Spiegel .auftrifft.

   — 5 —

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   - 5 - -.,.-"■■■ Λ j.

   10. Einrichtung, nach Anspruch 7,, gekennzei c h~ . net durch eine Einrichtung zum Ändern ■

   ; der Helligkeit des vom Piloten wahrgenommenen |

   ! Bildes. . - ; '

   ■ ⁵ ' ' M

   11. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch ge- i

   ^:. ' kennzeichnet, daß eine einen Teil i . "-I-

   ί des "vom zweiten Spiegel austretenden Lichtes zu- ;

   : rückhaltende Falle vorgesehen ist und daß die '

   ^: 10 Steuereinrichtung eine Parkperiode zwischen Zer- ι

   i legungen bewirkt, wodurch der Lichtstrahl während j

   I der Parkperiode hinter die Falle projiziert wird J

   I und wobei während des Zerlegens der Strahl ein . j'

   I " abgeblendetes Bild erzeugt, das durch die Zer-

   j 15 legung des Strahles während eines kürzeren Zeit- ■

   j raumes bewirkt wird. ■ !

   I ' :^: ■ '■ -'I-

   j 12. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch .g -e- i. j kennzeichnet, daß die Steuereinrich-

   ! 20 tung eine stufenförmige Bewegung des ersten und ! des zweiten Spiegels bewirkt, wodurch der Lichtbalken aus einer Anzahl von Bereichen strahlen- . : der Helligkeit besteht, die durch Bereiche stark

   reduzierter Helligkeit verbunden sind.

   ¹ 13. Einrichtung zum Projizieren .eines Lichtbalkens

   ί vor einem Flugzeugpiloten derart, daß der Licht-

   ; balken eine kontinuierliche visuelle Darstellung·

   I des tatsächlichen Horizontes relativ zum Flugzeug

   ; 30 darstellt, gekennzeichnet

   durch einen ersten Spiegel (54; 9k) der um eine erste Achse zum Ablenken des Lichtes im wesentlichen in Bezug auf eine erste Achse bewegbar ist, einen zweiten Spiegel (56; 96), der

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   um eine zweite Achse zum Ablenken des vom ersten ! Spiegel kommenden Lichtes etwa in Bezug auf eine | i " zweite Achse bewegbar ist, die .im rechten Winkel j . . zur ersten Achse steht," so daß gleichzeitige -Be-- : 5- wegung der Spiegel die Bewegung des den zweiten Spiegel verlassenden Lichtes längs einer vorbestimmten Bahn bewirkt, eine Steuereinrichtung, die auf die"Ausgänge vom Flugzeugkreisel anspricht und die Spiegel derart bewegt, daß das vom zweiten _: 10 Spiegel ausgehende Licht die Linie, die den wahren ; Horizont darstellt, mit "einer ausreichend großen ^! Frequenz zerlegt, daß der Pilot eine Lichtlinie I wahrnimmt. ■ '

   15 1-4. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch ge-

   ; kennzeichnet, daß die Steuereinrichtung

   ! ' das Licht in eine Anzahl von schnellen und langsamen Bewegungen zerlegt, daß der Pilot eine Anzahl \

   ! · von hellen Lichtbereichen längs einer Linie wahr-

   !2O ··· nimmt, die durch Bereiche sehr niedriger Leuchtkraft

   ' · voneinander getrennt sind.

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