DE314504C

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Publication number: DE314504C
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AUSGEGEBEN AM 20. SEPTEMBER 1919

KLASSE 42 c GRUPPE.

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung des Ortes und der horizontalen Geschwindigkeitskomponenten auf Grund . des Beschleunigungs-5 oder Reaktionsprinzips. Das Verfahren be_T steht darin,· daß die von der Eigenbewegung der Erde herrührenden Reaktionskomponenten bei den entsprechenden Reaktionsmessern als Berichtigungen in Rechnung gezogen

ίο werden.

Ein Beispiel der Anwendung des Verfahrens an einer Vorrichtung zur Orts- und-Geschwindigkeitsbestimmung durch ein bewegliches Erdmodell- ist in der Zeichnung im Grund- und Aufriß dargestellt, wobei im Aufriß (Fig. 1) die Vorrichtung nach einem beliebigen Standort auf der Erde, im Grundriß (Fig. 2) nach einem-solchen am Äquator eingestellt ist. .

so Ein in Bewegung gesetzter Körper, z. B. ein Fahrzeug, erfährt eirie gewisse Beschleunigung". Auf eine v. am Fahrzeug etwa angebrachte bewegliche und abgefederte Masse wirkt infolge der Beschleunigung eine derselben entgegengesetzt gerichtete Reaktion, durch die sie einen bestimmten Ausschlag macht, an welchem die Beschleunigung gemessen werden kann. ■ ' ■. ·
Bei beliebiger Bewegung kann die Beschleunigung und dementsprechend auch die Reaktion in drei Komponenten nach drei Richtungen zerlegt werden. Für,Bewegungen auf der Erde kommen hauptsächlich zwei Richtungen in Betracht, die in der Horizontalebene liegen. Werden durch irgend welche Reaktionsmesser die Komponenten nach zwei zueinander senkrechten festen Richtungen bestimmt und über die Zeit integriert, so ergeben sich die horizontalen Geschwindigkeitskomponenten nach diesen beiden Riehtungen, ihre Resultierende ist die horizontale Geschwindigkeit des Fahrzeuges. Durch nochmalige Integration der Geschwindigkeitskomponenten über die Zeit ergeben sich die in den beiden festen Richtungen zurückgelegten Wegkomponenten und in ihrer Resultierenden der gesamte zurückgelegte Weg in horizontaler Projektion.

Da die Erde nun nicht ruhend ist, sondern eine bestimmte Eigenbewegung mit bestimm- g₀ ter Beschleunigung besitzt, die an einem Reaktionsmesser eine entsprechende Reaktion erzeugt, ist die auf einem bewegten Fahrzeug gemessene Reaktion diejenige der Absolut-.bewegung, der Bewegung des betreffenden Punktes im Raum, also nicht ohne weiteres zur Kennzeichnung der Relativbewegung des Fahrzeuges auf der Erde brauchbar. Um auf die Bewegung relativ zur Erde zu kommen, müssen zu der gemessenen Reaktion die durch die Eigenbewegung' des betreffenden Punktes der Erde erzeugten Systemreaktionen in negativem Sinne hinzugefügt werden. Bei ruhendem Fahrzeug müssen die Reaktions-

messer, demgemäß nach Anbringen der Korrekturen in der Nullage stehen.

Die" Bewegung der Erde setzt sich aus zwei Bewegungen zusammen: Rotation der Erde um ihre eigene Achse und Bewegung der Erde um die Sonne, wobei die Bahn der Erde eine Ellipse von kleiner Exzentrizität ist, in deren einem Brennpunkt die Sonne steht.

Die Beschleunigung eines Punktes der Erdoberfläche infolge der Rotation p\ ist senkrecht zur Rotationsachse nach innen gerichtet und proportional dem Rotationsradius sowie~ dem Quadrat der Winkelgeschwindig-

!5 keit der Rotation. Die Umdrehungszeit der Erde ist ein Sterntag. Die Beschleunigung hat an den Polen den Wert o, am Äquator ihren größten Wert von der Größenordnung 0,034 m/sek.² und verläuft angenähert wie eine Sinusfunktion. Die Abweichung rührt von der Abweichung der Erdform von der Kugelgestalt her. Da die Beschleunigung immer in die Meridianebene fällt, so ergibt sie auch nur eine im Meridian verlaufende horizontale Komponente. Diese Horizontalkomponente P₁' ist wieder eine angenäherte Sinusfunktion, und zwar hat sie den Wert ο am Äquator und an den Polen ihr Maximum vom halben obigen \Vert in 45 ° Breite.

Bei der zweiten Bewegung der Erde, derjenigen um die Sonne, tritt entsprechend dem Charakter einer Zentralbewegurig eine stets nach dem Sonnenmittelpunkt gerichtete Beschleunigung p₂ auf, deren Größe sich im Laufe des Jahres umgekehrt proportional dem wechselnden Erdabstand von der Sonne ändert. Ihr Mittelwert hat etwa die Größenordnung 0,006 kg/sekA Zu gleicher Zeit hat diese Beschleunigung für jeden Punkt der Erde die gleiche Größe, im Laufe des Tages dreht sich ihre Richtung entsprechend der scheinbaren Sonnenbewegung um die Erde. Für einen beliebigen Punkt der Erde ergibt sie im allgemeinen eine Nord-Süd-Komponente p₂' und eine Ost - West - Komponente p_z" in der Horizontälebene.

Bei Relativbewegungen tritt außer den Systembeschleunigungen noch die Ergänzungsbeschleunigung der Relativbewegung oder Coriolis - Beschleunigung auf, welche gleich ist dem doppelten Produkt aus der Relativgeschwindigkeit, projiziert auf eine zur Momentanachse senkrechte Ebene in die Winkelgeschwindigkeit der Drehung um diese Momentanachse. Ein Punkt der Erdoberfläche bewegt sich in einer zykloidenartigen Kurve, die zwar infolge der Schiefstellung der Erdachse zur Erdbahnebene nicht eben ist. Infolge der verhältnismäßig großen Fortbewegungsgeschwindigkeit der Erde um die Sonne (im Mittel etwa 29800 m/sek.) gegenüber der Umfangsgeschwindigkeit der Erdrotation (am Äquator etwa 464 m/sek.) ist diese Bahn in die Länge gezogen und hat die Form einer sehr flachen Wellenlinie. Die ■ Momentanachse rückt demgemäß weit hinaus und die' Winkelgeschwindigkeit um diese Achse wird sehr klein. Unter Annahme der Erdachse als extremsten Fall, der Momentanachse würde bei einer relativen Fahrzeuggeschwindigkeit von beispielsweise 30 m/sek. die Ergänzungsbeschleunigung höchstens (am Pol) eine Größenordnung von 0,0044 m/sek.² haben; bei der tatsächlichen Momentanachse in mindestens 50 fächer Entfernung des Erdradius kann demnach der Wert der Ergänzungsbeschleunigung noch nicht die Größenordnung 0,0001 m/sek.² erreichen, so daß sie im allgemeinen.vernachlässigt werden darf. .

Durch die in der Zeichnung dargestellte Vorrichtung werden die erforderlichen Korrekturen an den aufgenommenen Fahrzeugreaktionen selbsttätig angebracht.

Das kardanisch aufgehängte Erdmodell 1 soll dauernd in ähnlicher Lage zur Erde gehalten werden. . . ■

Seine Achse ist im Ring 2 gelagert, der seinerseits wieder in seiner horizontalen Achse in dem vertikal gestellten Ring 3 gelagert ist. Der Ring 3 selbst kann um seine 9° ' vertikale,Achse beliebig gedreht werden, wobei dafür gesorgt ist, daß diese Achse dauernd vertikal gehalten wird. Durch einen Kompaß wird der Ring 3 jederzeit so eingestellt, daß die horizontale Achse von Ost nach'West zeigt, so daß also, die .Erdmodellachse immer in die Meridianebene fällt. Mit dem Ring 3 verbunden sind in horizontaler Ebene zwei Reaktionsmesser 4 und 5 angebracht, welche die zur Ebene des Ringes parallele und die dazu senkrechte horizontale Reaktionskomponente bestimmen und über die Zeit zweimal integrieren. Das Resultat der Integrationen, Geschwindigkeit und zurückgelegter Weg nach den betreffenden Richtungen, kann auf Papierstreifen und durch Zählwerke aufgenommen werden. Der zurückgelegte Weg nach den beiden Richtungen wird durch die Rollen 6 und 7 in passendem Maßstabe auf das Erdmodell in dem no Sinne übertragen, daß sich dieses stets in ähnliche Lage zur wirklichen Erde stellt.

Mit dem Ring 2, dessen Ebene die Erdachse enthält, ist ein Zahnrad 8 fest verbunden. Die Stellung desselben gegenüber dem vertikalen Ring 3 zeigt die geographische Breite des jeweiligen Ortes an und kann beispielsweise an einer Teilung _k mit Nonius genau abgelesen werden. In ähnlicher Weise ist die. geographische Länge des jeweiligen

Ortes ζ B. mit Hilfe eines mit dem Ring 2 verbundenen Zeigers auf einer am Erdmodell angebrachten Teilung abzulesen

Die Zylinder der Reaktionsmesser 4 und 5 sind nicht fest, sondern in achsialer Richtungverschiebbar angeordnet, um die notwendigen Korrekturen der Reaktionen anzubringen. "

Durch Rad.9 wird die Drehung des Rades 8 in doppelter Übersetzung auf ein weiteres Zahnrad 10 von halber Zähnezahl übertragen, welches durch den Kurbelzapfen 11 den Winkelhebel· 12, 13 auslenkt. Der Hebel 13 greift durch ein Gelenk an dem einen Ende des

^X5 Hebels 14 an und verschiebt hierdurch den Zylinder des Reaktionsmessers 4 um eine Strecke, die der Beschleunigungskomponente P₁', herrührend von der Erdrotation, entspricht.

Zur Darstellung der Systembeschleunigung p₂, herrührend von der Bewegung der Erde um die Sonne, ist ein Punkt 15 zu Hilfe genommen, der um einen festen Punkt 16 eine der scheinbaren Bewegung der Sonne um die Erde in gewisser Beziehung ähnliche Bewegung ausführt. Die Richtung nach dem Punkte ist gegeben durch die Verbindungslinie der Mittelpunkte von Erde und Sonne, der Abstand ist proportional der Größe der Beschleunigung p₂, also indirekt proportional - dem Quadrate der jeweiligen Entfernung der Erde von der Sonne. Die tägliche scheinbare Bewegung der Sonne um die Erde ist eine Drehung um die Erdachse, und zwar in einer Ebene, die entsprechend der Jahreszeit von der Äquatorebene nach Norden oder Süden achsial verschoben ist.

Der Punkt 15 erhält seine Bewegung durch die in dem beweglichen Rahmen 18 gelagerte AVelle 17. Der Rahmen wird von dem Rad 8 aus durch den* Lenker 19 derart eingestellt, daß. die Welle 17 stets parallel der Erdachse steht. Mit der Welle 17 und der zu ihr parallelen Stange 20 sind die beiden gleich langen Lenker 21 zu einem Gelenkparallelogramm derart verbunden, daß der am Ende der Stange 20 sitzende Punkt 15 von dem festen Punkt 16 immer den der Beschleunigung p₂ entsprechenden Abstand hat. Die Welle 17 wird durch eine Zahnradübersetzung vom Uhrwerk der Integriertrommel des Reaktionsmessers 4 angetrieben und macht in 24 Stunden eine Umdrehung.

Auf der AVelle 17 ist eine Muffe 22 verschiebbar angeordnet, die durch eine kleine Kurbel mit umlaufendem Schneckenrad 23 bewegt wird, welches wiederum durch die fest am Rahmen 18 sitzende Sclinecke 24 nach rund 365 Umdrehungen der Welle 17 einmal gedreht wird. Beim Verschieben der Muffe 22 rollt die Rolle 25 auf der Kurvenbahn 26. ab, wodurch das Gelenkparallelo- .· gramm der Jahreszeit entsprechend eingestellt wird und der Punkt 15 jederzeit seine Drehung in der vorgeschriebenen Ebene ausführt. Da die Verbindungslinie der Punkte 15 und 16 immer nach der Sonne hinzeigen muß, kann der richtige Gang der ganzen Einrichtung auf einfache Weise daran nachgeprüft werden, ob der Schatten des Punktes 15 jederzeit auf den Punkt 16 fällt.

Die Nord-Süd-Komponente der Bewegung des Punktes 1.5 wird durch den Lenker 27, der am zweiten Ende des Hebels 14 angreift, als der Beschleunigung p₂' entsprechende Reaktion auf den Zylinder des entsprechenden Reaktionsmessers 4 übertragen. Der Lenker 2J ist im Punkte 15 mit der Stange 20 durch ein Kreuzgelenk, mit dem Hebel 14 durch ein Kugelgelenk verbunden.

In ähnlicher Weise wird die der Ost-West- _. Komponente p₂" der Beschleunigung p₂ entsprechende Reaktion von der Bewegung des Punktes 15 durch den Lenker 28 abgeleitet, der dieselbe durch den Hebel 29 auf den Zylinder des Ost-West-Reaktionsmessers 5 überträgt.

Das Rädergetriebe hat den Zw'eck, den Antrieb der Welle 17 unabhängig von ihrer Stellung zur Welle 30 zu machen, von der aus der Antrieb durch die Räder 31 und 32 erfolgt. Das Getriebe besteht, im wesentlichen aus zwei Paaren gleichachsiger Kegelräder 33, 34 und 35, 36, die mit den weiteren, auf gemeinsamer .Welle sitzenden Kegelrädern 37, 38 im. Eingriff stehen. Das Rad

34 steht fest. Bei ebenfalls feststehendem Rad 36 wird sich bei einer Drehung des Rades 33 auch das Rad 35 um den gleichen Winkel drehen, da die beiden dieselben kuppelnden Räder 37, 38 sich gegenseitig nicht verdrehen können. Die beiden Räder 33 und

35 bewegen sich demnach so, als ob sie mit- " einander fest verbunden wären.

Nun wird das Rad 39 entsprechend der Erdachse durch die durchgeführte Welle 40 eingestellt. Eine Neigung der Erdachse verdreht durch das Kegelrad 41 das Rad 36 inumgekehrtem Sinn, das Rad 35 also infolge nochmaliger Umkehrung durch 38 im gleichen Sinn um denselben Winkel. Bei irgendeiner beliebigen gleichzeitigen Bewegung des Rades 33 erfolgt diese Drehung, zusätzlich, die relative Lage des Rades 35 oder 42 zur Welle 40 und daher auch die Übersetzung der Bewegung auf das Rad 43 ist demnach· vollständig unabhängig von der Neigung der Erdachse zur Vertikalen. '

Durch die beschriebene Vorrichtung werden die durch die. Reaktionsmesser 4" und 5

aufgenommenen absoluten Beschleunigungen auf Relativbeschleunigung'en zurückgeführt, und somit sind die durch Integration dieser Beschleunigungen über die Zeit erhaltenen Geschwindigkeiten und Wege die relativ auf der Erdoberfläche vorhandenen. Wenn die Vorrichtung an einem beliebigen nach geographischer Länge und Breite bekannten Ort auf denselben eingestellt wird, so zeigt sie

ίο von einem auf beliebigem Wege erreichten neuen Standort die geographische Länge und Breite ohne werteres an.

Die ' nach erstmaliger Integration der korrigierten Reaktionen erhaltenen Ge- -15 schwindigkeitskomponenten können den entsprechenden^ Anzeigevorrichtungen entnommen und zusammengesetzt werden und ergeben so die horizontale Geschwindigkeit und Richtung der wirklichen Fahrzeugbewegung auf der Erde.

An Stelle der Zahnräder 8 und 10 mit.dem Übersetzungsverhältnis 1 :2 und ,dem Kurbelzapfen 11 kann eine Kurvenscheibe gesetzt werden, welche die Reaktion von der Erdrotation herrührend darstellt, wobei gleichzeitig der genaueren Gestalt der Erde Rechnung getragen werden kann.

Wird zur Einstellung des. Erdmodells nur ein Ost-West-Reaktionsmesser benutzt, die Paralleleinstellung· der Erdmodellachse zur Erdachse dagegen durch ein passendes Kreiselsystem besorgt, das den zweiten Reaktionsmesser und 'den Kompaß ersetzt, dann werden die beiden zusätzlichen Nord-Süd-Reaktionskomponenten entsprechend P₁' und />₂' von vornherein berücksichtigt und es ist nur die der Ost-West-Komponenten p₂" entsprechende Reaktion zur Korrektur anzubringen. In diesem Fall vereinfacht sich die Vorrichtung entsprechend.

Das Wesentliche vorliegender Erfindung besteht darin, daß die durch Reaktionsmesser bestimmten Beschleunigungen durch Hinzufügen der negativen System- und Ergän-Zungsbeschleunigungen korrigiert werden, um zu den Relativbeschleunigungen zu kommen, die zur' Geschwindigkeit^- und Ortsbestimmung allein brauchbar sind. Mit welchen Mitteln hierbei diese Korrekturen bestimmt werden, ist gleichgültig.

Das Verfahreq ist sinngemäß auch anwendbar auf Anordnungen, bei denen das Erdmodell nicht in ähnlicher Lage zur Erde gehalten oder bei denen überhaupt kein eigentliches Erdmodell verwendet wird. Ferner können die beispielsweise benutzten Reaktionsmesser sowie die Integrationsvorrichtungen durch beliebige, den gleichen Zweck erfüllende Einrichtungen ersetzt werden.

Claims

Patent-Ansprüche :

1. Verfahren zur Bestimmung des Ortes und der horizontalen Geschwindigkeitskomponenten auf «Grund des Beschleunigungs- oder. Reaktionsprinzips, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Eigenbewegung der Erde herrührenden Reaktionskomponenten bei den entsprechenden Rea'itionsmessern als Berichtigungen inR.echnung gezogen werden.

2. Vorrichtung zur Ortsbestimmung mittels eines beweglichen Erdmodells (1), eingestellt-durch Reibrädchen (6 und 7), die mittels horizontaler, in Nord-Süd- und ,Ost-West-Richtung aufgestellter Reaktionsmesser (4 und 5) gedreht werden, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Erdrotation herrührende Fehler durch eine in den Meridian fallende horizontale Reaktionskomponente, und der von der Bewegung der Erde um die Sonne herrührende Fehler mit wegen der gleichzeitigen Rotation täglich wechselnder Richtung durch je eine nach dem Me-. ridiän und senkrecht dazu gerichtete Reaktionskomponente berichtigt wird.

3. Vorrichtung zur Ortsbestimmung, nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Berichtigung infolge der Erdrotation dienende Reaktionskomponente von einem Kurbelzapfen (11) abgeleitet wird, der vom Polring (2) in doppelter Übersetzung verdreht wird.

4. Vorrichtung zur Ortsbestimmung. nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Berichtigung infolge der Erdrotation dienende Reaktionskomponente von einer mit dem Polring (2) verbundenen Kurvenscheibe abgeleitet wird.

5. Vorrichtung zur Ortsbestimmung nach Anspruch Ί und 2,. dadurch gekennzeichnet, daß die zur Berichtigung infolge der Bewegung der Erde um die Sonne dienenden Reaktionskomponenten von einem mittels Getriebes bewegten Punkte

(15) abgeleitet werden, der sich täglich in gleicher Weise um einen Festpunkt

(16) dreht, wie die Sonne scheinbar um die Erde, dessen Abstand von demselben n₀ j edoch umgekehrt proportional dem Quadrate des im Laufe des Jahres wechselnden Sonnenabstandes von der Erde gehalten wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen.