DE3143527A1

DE3143527A1 - Geraet zur automatischen bestimmung der nordrichtung

Info

Publication number: DE3143527A1
Application number: DE19813143527
Authority: DE
Inventors: Uwe 7770 Überlingen Krogmann
Original assignee: Bodenseewerk Geratetechnik GmbH
Current assignee: Bodenseewerk Geratetechnik GmbH
Priority date: 1981-11-03
Filing date: 1981-11-03
Publication date: 1983-05-19
Also published as: GB8500611D0; US4461089A; GB2108724B; GB2108724A; GB2150291A; GB2150291B; FR2515813A1; FR2515813B1; DE3143527C2

Description

PATENTANWÄLTE

Dipl.-Phys. JÜRGEN WEISSE . Dipl.-Chem. Dr. RUDOLF WOLGAST BÖKENBUSCH41 · D 5620 VELBERT 11- LANGENBERG

Postfach 1103 86 · Telefon: (0 2127) 4019 ■ Telex: 8 516 895

Patentanmeldung Bodenseewerk Gerätetechnik GmbH, D-7770 Überlingen Gerät zur automatischen Bestimmung der Nordrichtung

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur automatischen Bestimmung der Nordrichtung mittels eines von der Erddrehung beeinflußten Kreisels, bei welchem

(a) der Kreisel ein zweiachsiger Kreisel ist, dessen Drallachse im wesentlichen vertikal ist,

(b) an den beiden zueinander senkrechten Eingangsachsen des Kreisels je ein Lageabgriff und ein Drehmomenterzeuger vorgesehen sind,

(c) das Signal jedes einer Eingangsachse zugeordneten Lageabgriffs zur elektrischen Fesselung des Kreisels mit seiner Drall achse an die Vertikale überkreuz auf den Drehmomenterzeuger der jeweils anderen Eingangsachse geschaltet ist,

"Jl U₁

(d) der Kreisel durch einen Stellmechanismus aus einer Ausgangsstellung (O -Stellung) um eine mit der Drallachse zusammenfallende, vertikale Achs
lung verdrehbar ist und

fallende, vertikale Achse um 180°-Stel-

(e) ein Nordabweichungsrechner vorgesehen ist, der

(e..) Speicher zum Speichern der beiden in der 0 -Stellung den Drehmome führten Signale enthält,

O -Stellung den Drehmomenterzeugern zuge-

(e₂) differenzbildende Mittel zur Bildung

von Signalen, die in verschiedenen von dem Stellmechanismus bestimmten Stellungen des Kreisels dem einen bzw. dem anderen Drehmomenterzeuger zugeführt werden, und

(e.,) quotientenbildende Mittel zur Bildung

des Quotienten solcher Differenzen zur Bildung einer Winkelfunktion des Azimutwinkels zwischen einer Eingangsachse des Kreisels und Nord. 25

Die DE-PS 2 741 274 geht davon aus, daß die auf die Drehmomenterzeuaer gegebenen, den Kreisel fesselnden Signale Ü und U mit den Komponenten Ω und 3 der

Erddrehgeschwindigkeit bezogen auf die horizontalen 30

Eingangsachsen χ und y des Kreisels nach folgenden Beziehungen zusammenhängen

^Ux ^Ktx ^Mx ο

H Hy ^u;

Viii* - ^--O₁ , (2)

H ^H *

3Η3527

wobei

M das Drehmoment· ist, das an dem um die x-Achse

Ji

wirksamen Drehmomenterzeuger auftritt,

M das Drehmoment, das an dem um die y-Achse wirksamen Drehmomenterzeuger auftritt, und

H der Drehimpuls des Kreisels ist.

Aus dem Verhältnis

*ry · ^üy

= tan Ψ (3)

kann die Nordabweichung nach

^KTx · ^üx
φ= arc tan =±2 =£. (4)

^KTy · ^üy

bestimmt werden. Diese Beziehungen gehen von idealisierten Verhältnissen aus, die in der Praxis nicht gegeben sind. Insbesondere treten folgende Fehlerquellen ^auf:

(a) Durch Montagetoleranzen fallen die Kreisel-Eingangsachsen χ und y nicht genau mit dem gehäusefesten Bezugssystem x„,y_p,z„ zusammen, das der

\J K3 <J

QQ Signalverarbeitung zugrundegelegt wird. Diese Fehler können durch Winkel a.. charakterisiert werden, wobei die Indizes i und j als Variable für x,y und ζ bzw. x_,y ,z„ stehen und i eine Eingangsachse und j eine Achse des Bezugssystems repräsentiert, α ist also z.B. die Verdrehung der Eingangsachse χ um die Koordinatenachse y .

(b) Es können Beschleunigungen auf das System wirken. Diese können durch die Komponenten a ,a und a in dem gehäusefesten Koordinatensystem x„,y-,_fz„ dargestellt werden.

la la la

(c) Es kann eine Masseunwucht, dargestellt dunch einen Masseunwucht-Koeffizienten m, auftreten.

(d) Es kann Anisoelastizität, dargestellt durch einen Anisoelastizitäts-Koeffizienten n, auftreten.

(e) Es liegt eine Masseanisotropie vor, da axiales und polares Trägheitsmoment des Kreiselrotors nicht gleich sind. Diese wird durch einen Masseanisotropie-Koeffizienten dargestellt:

(C-A) Γ 1 Ί H L o/h J

(f)■ Es kann unkompensierte, feste Kreiseldrift

B ,B j_o/hj um die x- bzw. y-Achse auftreten.

(g) Schließlich ist ein Quadratur-Koeffizient q zu berücksichtigen.

Infolge dieser Fehler mißt der Kreisel durch seine Drehmomenterzeuger statt der Gleichungen (1) und (2) die folgenden Signale:

^Mx⁽¹⁾ (1)

Η" ^{= T}x -^Qy ^{+ tt}yx^ßz - V^ßx ~^may

^ay ^az ⁺Ψ ^Ωζ ^Qy ^+By

_M (1)

=2· = - T ^u;=Q +« Ω -α Ω -ma - σ a (6)

H y xxzyxyz x^y

+ η a .a + ^^ Ω Ω +Β χζ H ζ χ χ

Die Messung der Nordabweichung ψ nach Gleichung (4) wird daher durch die genannten Störeinflüsse verfälscht.

Die DE-AS 2 903 282 zeigt Möglichkeiten, bei einem Gerät der eingangs definierten Art die Verfälschung der Messung durch Störeinflüsse wenigstens teilweise zu unterbinden.

Eine Lösung (Fig. 6 bis 8 der DE-AS 2 903 282), die insbesondere in den Fällen anwendbar ist, wo die feste Kreiseldrift (B ) den dominierenden Störeinfluß

bringt, besteht darin, daß der Nordabweichungsrechner einen Speicher zum Speichern der beiden den Drehmomenterzeugern zugeführten Signale enthält, daß der Kreisel

I^ nach dem Speichern dieser Signale durch einen Stellmechanismus um 180 um eine mit der Kreiseldrallachse zusammenfallende vertikale Achse verdrehbar ist, daß die dann den Drehmomenterzeugern zugeführten Signale auf den Nordabweichungsrechner geschaltet sind, daß d_er Nordabweichungsrechner zur Bildung von Signalen

₌ (0) (180)

XX X

_DTy . _T (ie«.

eingerichtet ist, wobei

(0)

■ y » H

M ⁽¹⁸⁰⁾ (180) ₌ i

₌
x H

T
x H

⁽¹⁸⁰⁾

(180) M

= _y.
η

3U3527

(O) (180)

M und M die gespeicherten bzw. die

xx _.

nach der 180 -Drehung auf den einen Drehmomenterzeuger gegebenen Signale sind,

(0) (180)
M und M die gespeicherten bzw. die nach

der 180 -Drehung auf den anderen Drehmomenterzeuger gegebenen Signale sind und

H der Drehimpuls des Kreisels

ist, und

daß der Nordabweichungsrechner weiterhin zur Bildung eines Signals

DT_x Ψ = arc tan

- DT

_n als Nordabweichungssignal eingerichtet ist.

Eine solche Anordnung gestattet die Eliminierung der Driften des Kreisels um seine beiden Eingangsachsen. Durch Nichtlinearitäten der Drehmomentgeber sowie durch Temperatureffekte können Skalenfaktorfehler auftreten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Gerät der eingangs definierten Art solche Skalenfaktorfehler ebenfalls zu eliminieren.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß

(f) der Kreisel durch den Stellmechanismus um die vertikale Achse zusätzlich in eine 90°-Stellung und in eine 27O°-Stellung verdrehbar ist und

(g) der Nordabweichungsrechner Speicher zum Speichern der jeweils zwei in der 180°-Steilung, der 90°-Stellung und der -Stellung den beiden Drehmomenterzeugern zugeführten Signale enthält und

(h) die quotientenbildenden Mittel jeweils den Quotienten von Differenzen von Signalen so bilden, daß
10

(h,|) jede Differenz von zwei Signalen gebildet wird, die dem gleichen Drehmomenterzeuger bei zwei um 180 gegeneinander versetzten Stellungen des Kreisels zugeführt wird,

(h~) die Signale, welche die im Zähler eines Quotienten stehende Differenz bilden, dem gleichen Drehmomenterzeuger zugeführt werden, wie die Signale,

welche die im Nenner dieses Quotienten stehende Differenz bilden, und

(hj die Differenz im Zähler von Signalen ²^ gebildet wird, die Stellungen des

Kreisels zugeordnet sind, welche gegenüber den Stellungen des Kreisels, die den die Differenz im Nenner bildenden Signalen zugeordnet sind, um 90 winkelversetzt sind.

Dabei ist vorteilhaft, wenn

(i) durch die quotientenbildenden Mittel

ein erster Quotient gebildet wird, der

im Zähler eine Differenz von einem ersten

Drehmomenterzeuger zugeführten, der O°-Stellung und der 18O°-Stellung d Kreisels zugeordneten Signalen und

(i„) im Nenner eine Differenz von dem ersten Drehmomenterzeuger zugeführten, der 9O°-Stellung und der 27O°-Stellung des Kreisels zugeordneten Signalen enthält,

(j) ein zweiter Quotient gebildet wird, der

(J₁) im Zähler eine Differenz von dem zweiten Drehmomenterzeuger zugeführten,

der 90°-Stellung und der 27O°-Stellung des Kreisels zugeordneten Signalen und

(j«) im Nenner eine Differenz von dem zweiten

Drehmomenterzeuger zugeführten, der O°-Stellung und der 18O°-Stellung des Kreisels zugeordneten Signalen

enthält, und
25

(k) der Nordabweichungsrechner Mittel zur Bildung des arithmetischen Mittelwerts der beiden Quotienten aufweist.

Es wird so ein Gerät erhalten, daß sich hinsichtlich der wesentlichen Fehlerursachen, nämlich Drift und Skalenfaktorfehler automatisch kompensiert.

In weiterer Ausbildung der Erfindung kann vorgesehen werden, daß

(a) die quotientenbildenden Mittel gleichzeitig einen Quotienten von Differenzen und dessen

ν-**· 3H3527

Kehrwert bilden, wobei der eine Quotient dem Tangens des Azimutwinkels zwischen der einen Eingangsachse und Nord und der andere Quotient dem Cotangens dieses Winkels entspricht und

(b) der Nordabweichungsrechner zur Bildung des

Arcustangens bzw. des Arcuscotangens dieser Größen eingerichtet ist, so daß zwei Werte für den Azimutwinkel erzeugt werden, und

(c) der Nordabweichungsrechner weiterhin Mittel zur Bestimmung des Quadranten des Kurswinkels sowie

(d) eine Auswahlschaltung (104) enthält,

(d..) auf welche die beiden aus dem Arcustangens und aus dem Arcuscotangens gewonnenen Werte des Azimutsignals aufgeschaltet sind und 20

(d„) welche in Abhängigkeit vom Quadranten denjenigen Wert ausgibt der aus dem Quotienten unter Berücksichtigung des Verlaufs der Arcustangens- bzw. der Arcuscotangensfunktion mit optimaler Genauigkeit ableitbar ist.

Auf diese Weise wird erreicht, daß der Azimutwinkel mit optimaler Genauigkeit erhalten wird.

Ausführungsbeispiele ^%der Erfindung sind nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine schematisch-perspektivische Darstellung eines Kreisels zur Bestimmung der Nordrichtung

3U3527

Fig. 2 ist eine schematisch-perspektivische Darstellung des Kreisels, der mit der in Fig. 1 dargestellten Rahmenanordnung in einem äußeren Gehäuse sitzt, mit dem Stellmechanismus in der 0 -Stellung.

Fig. 3 ist eine Darstellung des Kreisels

ähnlich Fig. 2 in der 9O°-Stellung.

Fig. 4 ist eine Darstellung des Kreisels

ähnlich Fig. 2 in der 18O°-Stellung

Fig. 5 ist eine Darstellung des Kreisels 15

ähnlich Fig. 2 in der 27O°-Steilung.

Fig. 6 ist ein Blockschaltbild des Nordabweichungsrechners.

Fig. 7 zeigt eine abgewandelte Ausführung des ^O Nordabweichungsrechners.

In Fig. 1 ist mit 20 das Gehäuse eines Kreisels bezeichnet, dessen Drallachse ζ vertikal angeordnet ist. Der Kreiseldrall ist mit H bezeichnet. Das Gehäuse 20 ist um eine mit χ bezeichnete erste Eingangsachse, die zu der Drallachse ζ senkrecht ist, in einem inneren Kardanrahmen 22 gelagert. An dem Kardanrahmen 22 ist ein Abgriff 24 angebracht, welcher auf eine Auslenkung des Gehäuses 20 um die zweite Eingangsachse Y

anspricht. Auf der gegenüberliegenden Seite ist an dem Kardanrahmen 22 ein Drehmomenterzeuger 26 angebracht, durch den auf das Gehäuse 20 ein Drehmoment um die zweite Eingangsachse y ausübbar ist. Der innere Kardanrahmen 22 ist um die erste Eingangsachse χ die

zu der zweiten Eingangsachse y senkrecht steht, in einem äußeren Kardanrahmen 28 gelagert. An dem äußeren Kardanrahmen 28 ist ein Abgriff 30 angebracht, der

auf eine Auslenkung des inneren Kardanrahmens 22 gegenüber dem äußeren Kardanrahmen 28 um die erste Eingangsachse χ anspricht. Auf der gegenüberliegenden Seite ist an dem äußeren Kardanrahmen 28 ein Drehmomenterzeuger 32 angebracht, durch den auf den inneren Kardanrahmen 22 ein Drehmoment um die erste Eingangsachse χ ausübbar ist. Die Abgriffe 24 und 30 und die Drehmomenterzeuger 26 und 32 sind überkreuz miteinander verbunden, d.h. der Abgriff 24 auf der Eingangsachse y ist über einen frequenzabhängigen Verstärker 34 auf den Drehmomenterzeuger 32 auf der Eingangsachse χ geschaltet, und der Abgriff 30 auf der Eingangsachse χ ist über einen frequenzabhängigen Verstärker 36 auf den Drehmomenterzeuger 26 auf der Eingangsachse y geschaltet. Die Verstärkungsgrade der Verstärker 34 und 36 sind so hoch gewählt, daß das Kreiselgehäuse 20 und die Kardanrahmen 22 und praktisch elektrisch an die in Fig. 1 dargestellten relativen Lagen gefesselt sind.

Der äußere Kardanrahmen 28 bildet in der Praxis ein Gehäuse 40 (Fig. 2 bis 5). Das Gehäuse 40 ist um eine mit der Drallachse ζ des Kreis-ils zusammenfallende vertikale Achse z„ verdrehbar <relagert und durch einen Stellmechanismus 42 in verschiedene Winkelstellungen verdrehbar. Der in Fig. 2 bis 5 schematisch dargestellte Stellmechanismus 42 enthält einen Winkelgeber 44, der die Winkellage des Gehäuses 40 in bezug auf eine Referenzrichtung liefert, eine

^O Positionierungselektronik 46 mit einem Stellungswählschalter 48, eine Nachführelektronik 50 und einen Stellmotor 52. Die Referenzrichtung wird von der Xp-Achse eines gerätefesten Koordinatensystems x_r,y_G,z-, gebildet. Der Kreisel definiert ein Koordinatensystem XfY/z, wobei die x-Achse, wie gesagt, die erste Eingangsachse und die y-Achse die zweite Eingangsachse bildet, während die z-Achse mit der Drallachse des

Kreisels und bei allen Stellungen mit der z_G~Achse zusammenfällt. Der Stellmechanismus 42 verdreht das Gehäuse 40, d.h. den Rahmen 28 von Fig. 1 je nach Stellung des Schalters 48 in vier verschiedenen Stellungen. In der in Fig. 1 und 2 dargestellten O -Stellung fällt die x-Achse, d.h. die erste Eingangsachse des Kreisels, mit der als Referenzrichtung dienenden x_r-Achse des gerätefesten Koordinatensystems zusammen. In der in Fig. 3 dargestellten 90°-Stellung zeigt die x-Achse des Kreisels in Richtung der y-,-Richtung des gerätefesten Koordinatensystems. In der in Fig. 4 dargestellten 180°Stellung zeigt die x-Achse in Richtung der negativen x^-Achse des gerätefesten Koordinatensystems. Der Kreisel mit den Rahmen 22 und 28, den Abgriffen 24 und 30 und den Drehmomenterzeugern 26 und 32 ist dann gegenüber der in Fig. 1 dargestellten Lage um 180 um die z_G~Achse verdreht. In der in Fig. 5 dargestellten 27O°-Stellung fällt schließlich die x-Achse des Kreisels in die Richtung der negativen y_r~Achee des gerätefesten Koordinatensystems. Es würde dann der Abgriff 30 in Fig. 1 links vorn etwa an der Stelle des Drehmomenterzeugers 26 sitzen. Durch die Verdrehung ändert sich auch die Lage der Eingangsachsen χ und y des Kreisels zur Nordrichtung und damit zur Horizontalkomponente der Erddrehgeschwind igkeit.

Der in Fig. 6 dargestellte Nordabweichungsrechner weist Speicher für die in den verschiedenen Stellungen den

Drehmomenterzeugern zugeführten Signale (vorzugsweise mit dem Faktor 1/H) auf. Speicher 54 und 56 speichern

die Signale T bzw. T , die dem Drehmomenterzeuger xx

32 auf der ersten Eingangsachse χ in der 0 -Stellung bzw. der 180°-Stellung zur elektrischen Fesselung des Kreisels an seine dargestellte Lage durch den Abgriff 24 über den hochverstärkenden Verstärker 34

zugeführt werden. Speicher 58 und 60 speichern (mit

QO 1 RO

negativem Vorzeichen) die Signale-T bzw. -T , die dem Drehmomenterzeuger 26 auf der zweiten Eingangsachse y in der 0°-Steilung bzw. der 180°-Steilung zur elektrischen Fesselung des Kreisels an seine dargestellte Lage durch den Abgriff 30 über den hochverstärkenden Verstärker 26 zugeführt werden. Speicher 62 und 64 speichern die Signale T bzw. T , die dem Drehmomenterzeuger 32 auf der ersten Eingangsachse χ in der 90°-Stellung bzw. der 27O°-Stellung zugeführt werden. Speicher 66 und 68 speichern mit negativem Vorzeichen die Signale -T bzw. T , die dem Drehmomenterzeuger 26 auf der zweiten Eingangsachse y in der 90°-Stellung bzw. der 27O°-Stellung zugeführt werden.

Der Kreisel wird durch den'Stellmechanismus 42 nacheinander in die verschiedenen in Fig. 2 bis 5 dargestellten Stellungen gebracht. Die dabei den Drehmomenterzeugern 26 und 32 zugeführten Signale werden in den Speichern 54 bis 68 abgespeichert. Diese Signale werden wie folgt verarbeitet.

In einem Summerpunkt 70 wird die Differenz des im Speicher 54 gespeicherten Signals T und des im

"i 8O Speicher 56 gespeicherten Signals T gebildet. · Es entsteht ein Differenzsignal.

(7) DT = T ° - T ¹⁸° .
x x x

In einem Summierpunkt72 wird die Differenz des im Speicher 58 gespeicherten Signals - T ° und des im

1 80 Speicher 60 gespeicherten Signals - T gebildet.

Es entsteht ein Differenzsignal. 35

(8) DT_y = T_y ¹⁸⁰ - T_y° .

In einem Summierpunkt 74 wird die Differenz des im

90 Speicher 62 gespeicherten Signals T und des im

270

Speicher 64 gespeicherten Signals T gebildet. Es

entsteht ein Differenzsignal 5

(9) dT = T ⁹⁰ - T ¹⁸° .

^V ' X X X

In einem Summierpunkt 76 wird die Differenz des im Speicher 68 gespeicherten Signals - T und des

y go

im Speicher 66 gespeicherten Signals - T gebildet. Es entsteht ein Differenzsignal

do) - äT_y = t/° _ T_y

Der Nordabweichungsrechner von Fig. 6 enthält weiterhin quotientenbildende Mittel 78 mit einem Quotientenbildner 80, einem Quotientenbildner 82, einem Quotientenbildner 86. Der Quotientenbildner 80 bildet

den Quotienten
20

DT_x ·

^dTx

der Differenzsignale von den Summierpunkten 70 und 74, Der Quotientenbildner 82 bildet den Quotienten

DT

-^dTy .

der Differenzsignale von den Summierpunkten 72 und 76. Der Quotientenbildner 84 bildet den Quotienten

dT

der Differenzsignale von den Summierpunkten 74 und 70, d.h. den Kehrwert des vom Quotientenbildner 80 gebildeten Quotienten. Der Quotientenbildner 86 bildet den Quotienten

- dT
DT

^q der Differenzsginale von den Summierpunkten 76 und 72, d.h. den Kehrwert des vom Quotientenbildner 82 gebildeten Quotienten.

Es läßt sich zeigen, daß die von den Quotientenbildnern 80 und 86 gelieferten Signale jeweils ein Maß für tan Ψ_/ den Tangens des Azimut- oder Nordabweichungswinkels darstellen. Dementsprechend liefern die Quotientenbildner 82 und 84 jeweils cot Ψ , den Cotangens dieses Winkels.

Es sind Mittel 88 zur Bildung der arithmetischen Mittelwerte der tan Φ - bzw. der cot ψ - Signale vorgesehen.

Diese Mittel 88 enthalten einen Summierpunkt 90, in dem die beiden Werte für tan Ψ von den Quotientenbildnern und 86 addiert werden, und Mittel 92 zur Division der erhaltenen Summe durch zwei. Es ergibt sich ein Mittelwertsignal tan Ψ . Die Mittel 88 enthalten weiterhin einen Summierpunkt 94 > in dem die beiden Werte für cot Ψ von den Quotientenbildnern 82 und 84 addiert werden, und Mittel 96 zur Division der erhaltenen Summe durch zwei. Es ergibt sich ein Mittelwertsignal cot Ψ .

Der Nordabweichungsrechner enthält weiterhin Mittel 98 zur Bildung der Arcustangens- bzw. der Arcuscotangensfunktion der Mittelwertsignale tan Ψ bzw. cot Φ von

den mittelwertbildenden Mitteln 88. Diese Mittel können Arcustangens- und Arcuscotangens-Funktionsgeneratoren 100 bzw. 102 sein. Diese Funktionsgeneratoren 100 und 102 liefern je ein Signal Φ(tan) und Ψ(cot), das den Azimutwinkel ψ darstellt, der entweder aus dem Tangens oder aus dem Cotangens erhalten wurde.

Je nach dem Betrag des Winkels kann dieser besser und genauer aus dem Tangens oder aus dem Cotangens abgeleitet werden. Aus diesem Grund enthält der Nordabweichungsrechner eine Auswerterschaltung 104, auf welche die beiden aus dem Arcustangens un^ aus dem Arcuscotangens gewonnene" Werte φ(tan) und φ(cot) des Azimutsignals aufgeschaltet sind. Die Auswerterschaltung 104 gibt in Abhängigkeit vom Quadranten denjenigen Wert Φ aus, der aus dem Quotienten oder Mittelwert von Quotienten unter Berücksichtigung des Verlaufs der Arcustangens- bzw. der Arcuscotangensfunktion mit optimaler Genauigkeit ableitbar ist.

Man erkennt, daß die quotientenbildenden Mittel 78 jeweils Quotienten von Differenzen von Signalen bilden. Jede Differenz wird von zwei Signalen gebildet, die dem gleichen Drehmomenterzeuger 26 oder 32 bei zwei um gegeneinander versetzten Stellungen des Kreisels zugeführt wird. Es ist DT = T ° - T ¹⁸° , d.h. die

X X X

Differenz von Signalen, die beide dem Drehmomenterzeuger 32 in der 0 -Stellung und in der 180 -Stellung zugeführt werden, und dT = T - T ,d.h. die Differenz von Signalen, die beide ebenfalls dem Drehmomenterzeuger 32 in der 90 -Stellung und der dazu um 180 versetzten 270 -Stellung zugeführt werden. Die Signale, welche die im Zähler eines Quotienten stehende Differenz bilden, im vorliegenden Beispiel T und T , werden dem gleichen Drehmomenterzeuger, nämlich 32, zugeführt wie die Signale T und T ²⁷° ,

X X

welche die im Nenner dieses Quotienten stehende Differenz bilden. Schließlich wird die Differenz DT im Zähler von Signalen T ° und T gebildet, die Stellungen des Kreisels, nämlich der O -Stellung und der 18O°-Stellung zugeordnet sind, welche gegenüber

den Stellungen des Kreisels, nämlich der 90 -Stellung und der 27O°-Stellung, die den die Differenz dT im

90 270 Nenner bildenden Signalen T„_r und T zugeordnet

·Λ· Χ

sind, um 90 winkelversetzt sind. 10

Das kann leicht auch für die anderen Quotienten verifiziert werden.

Man erkennt ferner, daß durch die quotientenbildenden -

Mittel 78 für den Tangens wie für den Cotangens jeweils

DT
ein erster Quotient, z.B. χ gebildet wird, der im

^dTx
Zähler eine Differenz DT von einem ersten Drehmoment-

Ji

erzeuger 32 zugeführten, der 0 -Stellung und der

180 -Stellung des Kreisels zugeordneten Signalen T

18O ^X

bzw. T und im Nenner eine Differenz dT von

^X 9O 270 ^X

Signalen Z und T enthält, die dem ersten

Ji. Ji

Drehmomenterzeuger 32 zugeführt werden und der 90°-Stellung bzw. der 27O°-Stel] ung zugeordnet sind. Ein

zweiter Quotient γ enthält im Zähler eine Differenz

DT

dT von dem zweiten Drehmomenterzeuger 26 zugeführten Signalen - T und T , die de·»- 90°-Stellung bzw.

ο
der 270 -Stellung des Kreisels zugeordnet sind, und

im Nenner eine Differenz DT von dem zweiten Drehmomenterzeuger 26 zugeführten Signalen - T und T ,

ο ο

die der 0 -Stellung bzw. der 180 -Stellung des

Kreisels zugeordnet sind.

Von den so erhaltenen Quotienten wird der arithmetische Mittelwert gebildet.

Die Bestimmung der Nordabweichung mit einem Gerät der vorliegenden Art beruht darauf, daß die Komponenten der Erddrehgeschwindigkeit um die beiden zueinander senkrechten Eingangsachsen χ und y des Kreisels bestimmt und zueinander ins Verhältnis gesetzt werden. Wenn Skalenfaktorfehler auftreten, d.h. das Verhältnis von Signal zu Komponente der .Erddrehgeschwindigkeit für die eine Eingangsachse anders ist als für die andere, dann geht dieser Skalenfaktorfehler in den Tangens des Nordablagewinkels ein. Bei der beschriebenen Anordnung wird jeder Quotient jeweils aus Meßsignalen gebildet, die mit dem gleichen Drehmomenterzeuger gewonnen wurden. Skalenfaktorfehler werden dadurch eliminiert.

Es wird somit ein Gerät geschaffen, bei dem sowohl Driften des Kreisels als auch Skalenfaktorfehler keinen Einfluß auf das Meßergebnis haben.

Bei der Auführungsform nach Fig. 7 ist der Kreisel nur in die 0 -Stellung und in die 180 -Stellung verdrehbar. Es sind vier Speicher 110, 112, 114 und 116 vorgesehen. In den Speichern 110 und 112 werden die dem Drehmomenterzeuger 32 in der 0 -Stellung bzw. der

180°-Stellung zugeführten Signale T ° bzw. T ¹⁸° gespeichert. In den Speichern 114 und 116 werden die dem Drehmomenterzeuger 26" in der 0 -Stellung und in der 180°-Stellung zugeführten Signale τΤ ° bzw. - T

gespeichert.
30

In einem Summierpunkt 118 wird die Differenz des im Speicher 112 gespeicherten Signals und des im Speicher 110 gespeicherten Signals als erstes Differenzsignal

3H3527

gebildet. In einem zweiten Summierpunkt 120 wird die Differenz des in dem Speicher 114 gespeicherten Signals und des im Speicher 116 gespeicherten Signals als zweites Differenzsignal

gebildet.
10

Ein Quotientenbildner 122 bildet den Quotienten des ersten und des zweiten Differenzsignals

- DT
χ

DT
Υ

Dieser entspricht tan Φ, dem Tangens des Azimut- oder Nordabweichungswinkels. Ein Arcustangens-Funktionsgenerator 124 liefert daraus einen Wert ψ(tan) für den aus dem Tangens gewonnen Azimut- oder Nordabweichungswinkel .

Ein Quotientenbildner 126 bildet den Quotienten des

zweiten und des ersten Differenzsignals 25

DT
- ^DTx '

Das ist der Kehrwert des vom Quotientenbildner 122 gebildeten Quotienten und entspricht cot ψ, dem

Cotangens des Azimut- oder Nordabweichungswinkels. Ein Arcuscotangens-Funktionsgenerator 128 liefert daraus einen Wert φ(cot) für den aus dem Cotangens gewonnen Azimut- oder Nordabweichungswinkel. 35

Die beiden Werte ψ(tan) und ψ(cot) werden auf eine Auswahlschaltung 130 gegeben, welche in Abhängigkeit

3U3527

vom Quadranten dasjenige Azimutwinkelsignal an einem Ausgang .132 ausgibt, das nach dem Verlauf der Tangens- bzw. Cotangensfunktion aus den Verhältnissen

- DT_x DT Öt" ^bZW· - DT

γ χ

mit optimaler Genauigkeit darstellbar ist. 10

Claims

3U3527

Patentansprüche

Gerät zur automatischen Bestimmung der Nordrichtung mittels eines von der Erddrehung beeinflußten Kreisels, bei welchem

(a) der Kreisel ein zweiachsiger Kreisel ist, dessen Drallachse (z) im wesentlichen

vertikal ist, 15

Xb) an den beiden zueinander senkrechten Eingangsachsen (x,y) des Kreisels je ein Lageabgriff (30,24) und ein Drehmomenterzeuger (32,26)

vorgesehen sind, 20

(c) das Signal jedes einer Eingangsachse (x,y) zugeordneten Lageabgriffs (30,24) zur elektrischen Fesselung des Kreisels mit seiner Drallachse (z) an die Vertikale

überkreuz auf den Drehmomenterzeuger (26,32) der jeweils anderen Eingangsachse (y,x) geschaltet ist,

(d) der Kreisel durch einen Stellmechanismus (42) aus einer Ausgangsstellung (0 -Stellung) um eine mit der Drallachse (z) zusammenfallende, vertikale Achs lung verdrehbar ist und

aus einer Ausgangsstellung (0 -Stellung)

ner

fallende, vertikale Achse (z_) um 180 -Stelle

(e) ein Nordabweichungsrechner (Fig. 6) vorgesehen ist, der

3U3527

Speicher (54,58) zum Speichern der beiden in der O -Stellung den Drehmome erzeugern zugeführten Signale enthält,

(e₂) differenzbildende Mittel zur Bildung

von Signalen, die in verschiedenen von dem Stellmechanismus (42) bestimmten
Stellungen' des Kreisels dem einen bzw. dem anderen Drehmomenterzeuger (26,32) zugeführt werden, und

(e_) quotientenbildende Mittel zur Bildung
des Quotienten solcher Differenzen zur Bildung einer Winkelfunktion des

Azimutwinkels zwischen einer Eingangs

achse des Kreisels und Nord,

dadurch gekennzeichnet, daß
(f) der Kreisel durch den Stellmechanismus (42)

um die vertikale Achse (z_) zusätzlich in
eine 9O°-Stellung
verdrehbar ist und

eine 9O°-Stellung und in eine 27O°-Stellung

(g) der No::dabweichungsrechner Speicher (54 bis

68) zum Speichern der jeweils zwei in der
18O°-S-:ellung, der 90°-Stellung und der
270 -Stellung den beiden Drehmomenterzeugern

zugeführten Signale enthält und
30

(h) die quotientenbildenden Mittel (78) jeweils den Quotienten von Differenzen von Signalen so bilden, daß

(h^) jade Differenz von zwei Signalen gebildet wird, die dem gleichen Drehmomenterzeuger (26,32) bei zwei um 180° gegeneinander

3K3527

versetzten Stellungen des Kreisels

zugeführt wird,

(h~) die Signale, welche die im Zähler eines Quotienten stehende Differenz bilden,

dem gleichen Drehmomenterzeuger (26,32) zugeführt werden, wie die Signale, welche die im Nenner dieses Quotienten stehende Differenz bilden, und 10

(h~) die Differenz im Zähler von Signalen gebildet wird, die Stellungen des Kreisels zugeordnet sind, welche gegenüber den Stellungen des Kreisels, die den die Differenz im Nenner bildenden Signalen zugeordnet sind, um 90 winkelversetzt sind.
2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß 20

(i) durch die quotientenbildenden Mittel (78) ein erster Quotient gebildet wird, der

(I₁) im Zähler eine Differenz von einem ersten Drehmomenterzeuger (z.B. 32) zugeführten, der 0 -Stellung und der 180°-Stellung des Kreisels zugeordneten Signalen und

(i„) im Nenner eine Differenz von dem ersten

Drehmomenterzeuger (32) zugeführten, der 90°-Stellung und der 27O°-Stellung

des Kreisels zugeordneten Signalen enthält,

(j) ein zweiter Quotient gebildet wird, der

■Ί) im Zähler eine Differenz von dem zweiten Drehmomenterzeuger (26) zugeführten, der 90°-Stellung und der 27O°-Stellung des Kreisels zugeordneten Signalen und

(j„) im Nenner eine Differenz von dem zweiten Drehmomenterzeuger (26) zugeführten, der O°-Stellung und der 180°-Stellung des Kreisels zugeordneten Signalen enthält, und

(k) der Nordabweichungsrechner Mittel (88) zur

Bildung des arithmetischen Mittelwerts der beiden Quotienten aufweist.
3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich-

net, daß

(a) die quotientenbildenden Mittel (78) gleichzeitig einen Quotienten von Differenzen und

dessen Kehrwert bilden, wobei der eine 25

Quotient dem Tangens des Azimutwinkels

zwischen der einen Eingangsachse und Nord und der andere Quotient dem Cotangens dieses Winkels entspricht und

(b) der Nordabweichungsrechner zur Bildung des

Arcustangens bzw. des Arcuscotangens dieser Größen eingerichtet ist, so daß zwei Werte für den Azimutwinkel erzeugt werden, und

(c) der Nordabweichungsrechner weiterhin Mittel

zur Bestimmung des Quadranten des Kurswinkels sowie

(d) eine Auswahlschaltung (104) enthält,

(cL) auf welche die beiden aus dem Arcustangens und aus dem Arcuscotangens gewonnenen Werte des Azimutsignals aufgeschaltet sind und

(d~) welche in Abhängigkeit vom Quadranten denjenigen Wert ausgibt der aus dem Quotienten unter Berücksichtigung des Verlaufs der Arcustangens- bzw. der Arcuscotangensfunktion mit optimaler Genauigkeit ableitbar ist.
4. Gerät zur automatischen Bestimmung der Nordrichtung mittels eines von der Erddrehung beeinflußten Kreisels, bei welchem der Kreisel ein zweiachsiger Kreisel ist, dessen Drallachse im wesentlichen

vertikal ist, bei welchem die Lage des Kreisels 20

durch Lageabgriffe abgegriffen wird und mittels eines Drehmomenterzeugers Stützmomente auf den Kreisel ausübbar sind, durch welche die Drallachse des Kreisels vertikal gehalten wird, bei welchem an zwei zueinander senkrechten Eingangsachsen des

Kreisels je ein Lageabgriff und ein Drehmomenterzeuger vorgesehen sind, bei welchem weiterhin das Signal jedes einer Eingangsachse zugeordneten Lageabgriffs zur elektrischen Fesselung des Kreisels mit seiner Drallachse an die Vertikale überkreuz auf den Drehmomenterzeuger der jeweils anderen Eingangsachse geschaltet ist, bei welchem die den beiden Drehmomenterzeugern zugeführten Signale gleichzeitig auf einen Nordabweichungs-

_,. rechner geschaltet sind, welcher aus dem Verhältnis der Signale ein die Abweichung einer gerätefesten

» φ —

Referenzrichtung von Nord wiedergebenes Signal
liefert, bei welchem ferner der Nordabweichungsrechner einen Speicher zum Speichern der beiden
den Drehmomenterzeugern zugeführten Signale enthält, bei welchem weiterhin der Kreisel nach dem Speichern dieser Signale durch einen Stellmechanismus um 180° um eine mit der Kreiseldrallachse
zusammenfallende vertikale Achse verdrehbar ist
und bei welchem die dann den Drehmomenterzeugern zugeführten Signale auf den Nordabweichungsrechner geschaltet sind und der Nordabweichungsrechner zur Bildung von Signalen

^DTx ^{= T}x

(0)

- T

(180)

- T

(180)

(0)

eingerichtet ist, wobei

(180) _

M H

(0) _ ^Mx

(O)

(180)

(0)

(180)

M H

(180)

M ⁽⁰⁾ und M <¹⁸⁰⁾

X X

die gespeicherten bzw. die nach der 180 -Drehung auf den einen Drehmomenterzeuger gegebenen Signale sind,

3H3527

M und M die gespeicherten bzw. die nach

der 180°-Drehung auf den anderen Drehmomenterzeuger gegebenen Signale sind und

H der Drehimpuls des Kreisels ist

bei welchem schließlich der Nordabweichungsrechner weiterhin zur Bildung eines Signals

ψ = arc tan _ =r=—
■ Υ

als Nordabweichungssignal eingerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Nordabweichungsrechner 15

(a) zusätzlich zur Bildung eines Azimutwinkelsignals

DT

Φ = ^arc ^ct<3 - DT^"
χ

eingerichtet ist und

(b) Mittel zur Bestimmung des Quadranten des Kurswinkels aus der Tangens- und der Cotangensfunktion

sowie
25

(c) eine Auswahlschaltung (130) enthält,

(C₁) auf welche die beiden aus dem Arcustangens und aus dem Arcuscotangens gewonnenen Werte des Azimutwinkelsignals aufgeschaltet sind und

(C₂) welche in Abhängigkeit vom Quadranten dasjenige Azimutwinkelsignal an einem Ausgang (132) ausgibt, das nach dem Verlauf der

Tangens- bzw. Cotangensfunktion aus den Ver-

-DT DT hältnissen ^=- bzw. ,^ mit optimaler

y χ

Genauigkeit darstellbar ist.