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Verfahren und Einrichtung zur hochgenauen Messung
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eines Fahrzeugkurses sowie einer rechtweisenden Peilung auf bewegtem
Fahrzeug Die erfindung betrifft cin Verfahren und eine Einrichtung zur hochgenauen
Messung eines Fahrzeugkurses sowie einer rechtweisenden Peilung auf bewegtem Fahrzeug,
insbesondere einem Schiff.
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Beim Anpeilen eines Ziels auf See, beispielsweise einer Boje, wird
mit Radarpeilung oder auch mit aktiver Funkpeilung mit zwei Antennen an Bord des
Schiffs und einer selbststrahlenden Boje eine Meßgenauigkeit von 1 bis 20
erreicht.
Für manche Anwendungszwecke ist eine höhere Genauigkeit wünschenswert, beispielsweise
beim Manövrieren großer Schiffskörper in engen wasserstraßen oder bei seismischen
axplorationsmessungen zur genauen und reproduzierbaren Positionsbestimmung der einzelnen
Geophoneinheiten eines am Ende markierten, beispielsweise mit einer Boje versehenen
seismischen Kabels (Streamer-Kabel). Bei der letztgenannten dreidimensionalen Meßaufgabe
wird in einem gitterartig zu vermessenden heeresoberflächenbereich unabhängig von
den jeweiligen Wind- und Strömungsverhältnissen, denen das Schiff und das mehrere
Kilometer lange Streamer-Kabel unterliegt, eine reproduzierbare Genauigkeit bezüglich
der einzelnen Meßpunkte von beispielsweise + 10 m gewünscht. Eine derart hohe Meßgenauigkeit
verlangt für die rechtweicende Peilung über zwei Winkelwerte einerseits eine extrem
genaue Bestimmung des Jahrzeugkurses (Schiffskurses) und andererseits eine sehr
genaue Bestimmbarkeit der Richtung des Objekts (beispielsweise der Boj) in bezug
auf eine bestimmte Fahrzeugachse, beispielsweise die Schifflängsachse.
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Zur bestimmung des Fahrzeugkurses ist die Verwendung von Richtungssensoren
auf Kreisel- oder Magnetkompaßbasis bekannt.
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Bei Kreiselkompassen treten neben dern sog hrtSehlerX welcher rechnerisch
kompensiert werden kann, nach fiahrmanövern t1bergansfehlweisungen auf, die nur
langsam abklingen, wenn das Schiff wieder konstant geradeaus fährt.
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Weitere Fehler treten durch technisch bedingte Unvollkommenheiten
bei der mechanischen Realisierung auf, wie z.B.: Reibungsmomente der inneren Hochachsenlager,
Zwangskräfte und Unsymmetrien im Koppelmechanismus, ungewollte Gewichtsverschiebungen,
gegenseitige Beeinflussung durch Luftwirbel der rotierenden Kreisel, Störungen im
Aufhänge- und Zentriermechanismus, Abweichung der Form der Scampfungsoberflächen
vom Kreisquerschnitt und Anregung von Nutationsschwingungen
infolge
von Schiffsvibrationen.
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Die in der ersten Gruppe erwähnten Fahrmanöver können durch ein geeignetes
Rechenprogramm größtenteils eliminiert werden. Dieses setzt aber voraus, daß das
idealisierte Kreiselmodell, welches dem programm zugrunde liegt, auch grundsätzlich
erfüllt ist und daß zusätzlich keine Unvollkommenheiten der zweiten Gruppe auftreten.
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Erfahrungsgemäß treten solche Fehler während des Betriebes sporadisch
auf. Ebenso ist das mit mechanischen Mitteln erzielte Kreiselmodell zeitabhängigen
Änderungen unterworfen.
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Bei den üblichen Installationen mit nur einem Kreiselsystem können
daher während des Betriebes sowohl die sporadischen als auch die sich langsam aufbauenden
Fehler und Modellabweichungen nicht erkannt werden.
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Bei Richtungssensoren auf Magnetkompaßbasis treten praktisch keine
Übergangsfehlweisungen auf, jedoch besitzen Magnetkompssse kursobhängige Aufstellfehler
und Langzeitfehler.
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Bekannte Peileinrichtungen verfügen als Nordreferenz im allgemeinen
über eingebaute Kompasse, die als Tochterkompasse ihre Daten von einem Mutterkompaß
erhalten. Damit ist die Peilgenauigkeit durch die Qualität der Übertragungseinrichtungen
mitbestimmt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und
eine Einrichtung zur Ermittlung einer hochgenauen Kursreferenz auf einem bewegten
Falirzeug anzugeben, das für eine hochgenaue Peilung von Objekten, insbesondere
für seismische Messungen, geeignet ist.
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Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene erfindung
gelöst. Vorteilhalfte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind in Unteransprüchen
gekennzeichnet.
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Bei der Erfindung werden der Schiffskurs und die Seitenpeilung zur
Ermittlung der rechtweisenden Peilung eines
Peilobjekts (rechtweisend
Nord) getrennt erfaßt.
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Während bei herkömmlicher Bestimmung des Fahrzeugkurses beispielsweise
mittels eines Kreiselkompasses keine oder nur eine Aussage begrenzter Gültigkeit
über die Zuverlässigkeit des Kompaßsystems möglich ist, sieht die Erfindung zur
Ermittlung des Kurses vor, die Daten von mehreren, vorzugsweise von drei, hinsichtlich
ihres stochastischen Fehlerverhaltens möglichst kompensierend ausgesuchten Xichtungssensoren
auf Kreiselkomplßbasis sequentiell und paarweise, d.h. jeder gegen jeden vergleichend
zu untersuchen. Aus dem Ergebnis des Vergleichs und unter Beachtung einer vorgebbaren
Mindestschwelle wird dann über einen Kurs- und Peilrechner bestimmt, ob alle drei
Richtungssensoren in Ordnung sind. Streuen die Daten eines Richtungssensors zu einem
gegebenen Augenblick über einen bestimmten Toleranzbereich hinaus, in dem die Daten
der beiden übrigen Richtungssensoren liegen, so wird der unzulässig streuende Richtungssensor
bei der anschließend vorgenommenen arithmetischen Mittelwertbildung nicht berücksichtigt.
Bei der zusätzlichen Fahrtfehlerkorrekturg mittels des Kurs- und Peilrechners werden
zur Ermittlung des richtigen Kurzes zusätzlich die Geschwindigkeit des Fahrzeugs
(Schiffs) sowie die geographische Breite berücksichtigt.
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Durch den Einsatz eines redundanten Mehrfachkreiselsystems mit mindestens
drei Kreiseleinheiten lassen sich auf einfache Weise sporadisch auftretende Meßfehler
einzelner Systeme erkennen und durch Abschaltung oder Auswahl von geeigneten Wichtungsfaktoren
eliminieren. Ebenfalls kann durch Mittelwertbildung über die Meßwerte der redundanten
Systeme die Meßgenauigkeit gesteigert werden. In Weiterführung dieser Technik können
die durch Fahrmanöver entstehenden bergangsfehlweisungen durch Vergleich des arithmetischen
Mittelwertes mit den Daten eines zusätzlichen Richtungssensors auf Magnetkompaßbasis
erkannt und eliminiert werden. Damit ist ein solches System in der Lage,
auch
nach beliebigen Fahrmanövern noch exakt berechnete aktuelle Kurse zu liefern. Durch
Einbeziehung eines zusätzlichen Nagnetkompasses als synergistisches Referenzsystem
können daher noch bessere Resultate erzielt werden.
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Der andere Teil der Meßaufgabe, nämlich die hochgenaue rechtweisende
Peilung des Objekts, wird mittels eines oder vorzugsweise mittels mehrerer Peildiopter
erreicht, die insbesondere bei eingeschränktem Sichtwinkelbereich zum Objekt an
unterschiedlichen Positionen des Fahrzeugs montiert und jeweils mit einem Winkelencoder
gekoppelt sind. über ein drehbares Fernrohr der Peildiopter mit Fadenkreuz und einen
beispielsweise manuell zu betätigenden Signalschalter wird auch bei bewegter See
eine Peilgenauigkeit von 0,050 erreicht.
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Der Winkel zwischen optischer Achse eines Diopters und der Fcahrzeuglängsachse
wird vorzugsweise direkt digital mit einem hochpräzisen Winkelencoder erfaßt. Wenn
insbesondere aus räumlichen Gründen der Einbau eines digitalen Encoders in die Dioptergehäuse
nicht möglich ist, kann auch ein räumlich kleinerer analoger Synchrogeber (Drei-
oder Zweiphasen-Synchro) bzw. Kesolver im Diopter verwendet werden und die Umwandlung
in Digitalwerte erfolgt dann mit einem Synchro- bzw. Resolver-Digitalwandler.
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Vorzugsweise werden sämtliche Kurs- und Peildaten im Kurs- und Peilrechner
auf eine gemeinsame Schiffslängsachse bzw. einem gemeinsamen fiktiven Aufstellort
bezogen.
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Die wesentlichen Vorteile der erfindung sind die folgenden: - Zu jedem
Zeitpunkt wird die Zuverlässigkeit des gesamten Meßsystems gemeldet, da stets eine
Aussage über den Ausfall oder nicnttoleranzgemäßes Verhalten eines Richtungssensors
möglich ist.
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- Durch die gezielte Auswahl der Hichtungssensoren (z.B. Kreiselkompasse)
ist bei der hittelwertbildung eine Fehlerkompensation möglich.
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- Durch die Einzelauswertung aller drei Kurs anzeigen können Kursfehler
erkannt werden.
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- Durch Multiplexabtastung der Werte der Peildiopter mit kurzer Zykluszeit
können die Einflüsse der Schiffsdrehung durch eine Echtzeitdatenverarbeitung weitgehend
ausgeschaltet werden.
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- Durch unmittelbare digitale Winkelcodierung ergibt sich kein analog/digitaler
Umwandlungsfehler.
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Die Erfindung eignet sich vorzugsweise zur relativen Positionsbestimmung
eines Objekts in Verbindung mit einem genauen Entfernungsmesser, z.B. einem HF-
oder Laser-Entfernungsmesser.
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Bei der bereits angesprochenen Anwendung auf Çxplorationsschiffen
kann die Position der Endboje bei gekannter Länge und stückweise bekannter Richtung
des Streamer-Kabels mit bisher nicht gekannter Genauigkeit bestimmt werden.
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Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten werden nachfolgend unter
Bezug auf ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigen: Fig.
1 eine Skizze zur Verdeutlichung ds der Erfindung zugrundeliegenden Neßproblems
und Fig. 2 die Blockschaltbildanordnung einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur
hochgenauen Messung einer rechtweisenden Peilung.
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Fig. 1 läßt die Umrisse eines Schiffs 1 mit Längsachse 4 erkennen.
Bezogen auf einen Punkt (beispielsweise auf der Kommandobrücke) ist mit d: der (fahrtfehlerberichtigte)
Kurs
(rechweisend Nord) und mit ß die Seitenpeilung zu einem Objekt 5 bezeichnet. Der
sich aus und ß summierende Winkel g wird als rechtweisende Peilung bezeichnet.
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Die Gesamt anordnung des Eursbestimmungs- und Peilsystems zeigt die
Fig. 2. Darin sind mit G1, G2 und G3 drei hinsichtlich ihres stochastischen Fehlerverhaltens
sich gegenseitig möglichst kompensierende Kreiselkompasse, mit 2 ein Kurs- und Peilrechner,
mit 3 ein Multiplexer und mit P1, P2 und Pf drei Peildiopter mit nachgeschalteten
bynchro-Digitalwandlern UD15 SD2 und SD3 bezeichnet. Vorzugsweise erfolgt die Winkelmessung
jedoch mit Hilfe eines im Peildioptergehäuse integrierten digitalen Winkelencorders.
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Die Kreiselkompasse G1, G2 und G3 liefern über mit ausgezogener Linienführung
gezeichnete Leitungen den jeweils ermittelten Kurs als Digitalsignal (beispielsweise
13 Bit-Signal) an den Kurs- und Peilrechner 2. Eine jeweils gestrichelte Leitungsverbindung
wird als Status-Leitung bezeichnet; über sie wird dem Kurs- und Peilrechner 2 mitgeteilt,
ob der jeweilige Kreiselkompaß eine Fehlanzeige liefert. ns ist weiterhin ein Magnetkompaß
G4 vorhanden, dessen Daten ebenfalls dem Kurs- und Peilrechner 2 zugeführt werden.
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Der Kurs- und Peilrechner 2 vergleicht zunächst unter Beachtung einer
vorgebbaren Schwelle g die digitalisierten Kurawerte der einzelnen Kreiselkompasse
G1, G2 bzw. G3 gegeneinander, d.h. jeder gegen jeden, und überprüft so die Zuverlässigkeit
der einzelnen Kurswerte. Durch diese Ditterenzwertbildung ist mit ausreichender
Sicherheit eine Erkennung von Kursfehlanzeigen möglich. Im Normalfall werden die
Kurs anzeigen aller drei Kreiselkompasse innerhalb eines relativ eng vorgegebenen
Toleranzfeldes liegen, so daß bei der anschließenden Mittelwertbildung auch alle
drei Kursanzeigen berücksichtigt werden können. Wird bei der vorausgehenden
Vergleichsmessung
ermittelt, daß die Kursanzeige eines Kreiselkompasses zu stark von den beiden übrigen
abweicht, so wird einerseits bezüglich dieses Kreiselkompasses eine Kursfehlanzeigemeldung
gegeben und andererseits wird die Kursanzeige dieses Kreiselkompasses bei der anschließenden
Mittelwertbildung nicht berücksichtigt. Bei einer plötzlichen Kursänderung weisen
jedoch Kreiselkompasse systembedingte Ubergangsfehlweisungen auf. Diese können zwar
rechnerisch zum größten Teil kompensiert werden, es verbleiben jedoch Restfehler,
da ein rechnerisches Kompensationssystem zum Teil auf idealisierten und vereinfachten
Annahmen beruht.
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Zur weiteren Verringerung dieser Restfehler werden die Mittelwert
angaben der Kreiselkompasse vorteilhaft mit den Daten eines Hagnetkompasses verglichen.
Dieser weist nahezu keine systembedingten bergangsfehlweisungen auf und hat daher
eine gute Kurzzeitgenauigkeit. Diese kann noch erhöht werden, wenn unter Zuhilfenahme
der besseren Langzeitwerte der Kreiselkompasse die Daten des Magnetkompasses für
jeden Winkelwert mit Korrekturwerten verbessert werden.
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Bei Abweichungen der Daten des Magnetkompasses von den Daten der Kreiselkompasse
nach plötzlicher Kursänderungen werden daher bei Uberschreiten einer Entscheidungs
schwelle kurzzeitig nur die Daten des Magrletkompasses verwendet, bis die Differenz
der Daten wieder unterhalb der Entscheidungsschwelle liegt. Dem Kurs- und i>eilrechner
2 werden außerdem die geographische Breite \f: z.ß. von einem Navigationsrechner
oder auch als manuell einstellbarer Vorgabewert sowie die Geschwindigkeit V des
Fahrzeugs (des Schiffs), z.B. aus einem Fahrtrechner, einer Fahrtmeßanlage oder
ebenfalls durch manuelle Eingabe, mitgeteilt, um eine Fahrfehlerkorrektur zu ermöglichen.
Aus diesen Vorgabewerten berechnet der Kurs- und Peilrechner den fahrtfehlerberichtigten
Kurscc und liefert als Ausgänge beispielsweise die drei unkorrigierten Kurse der
Kreiselkompasse, den gemittelten,
um den Fahrtfehler berichtigten
Kurs sowie gegebenenfalls ein Statuswort (z.B. 6 Bit), das angibt, ob und gegebenenfalls
welcher Kreiselkompaß momentan außerhalb der Toleranzschwelle # liegt bzw. defekt
ist. Der Kurs- und Peilrechner kann außerdem mit einem Digital-Synchro-Wandler ausgerüstet
sein, an dessen itusgang der gemittelte, ebenfalls um den Fahrtfehler berichtigte
Kurs für ein Steuertochtergerät zur Verfügung steht.
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Die drei Peildiopter P1, P2 und P3 sind an unterschiedlichen Positionen
des Schiffs so angeordnet, daß bei eingeschränktem Sichtwinkelbereich sowie in jeder
Position und Lage des Schiffs das Objekt jederzeit von wenigstens einem Peilwertgeber
aus angepeilt werden kann.
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Die Peildiopter P1, P2 und P3 bestehen in bekannter Weise im wesentlichen
aus einem Kernrohr mit Fadenkreuz und weisen jeils einen manuell zu betätigenden
Signalschalter auf, über den durch den Beobachter augenblicklich ein Statussignal
erzeugbar ist, das die Gültigkeit eines momentan ermittelten Peilwerts signalisiert.
Die Peildiopter können zur Stabilisierung der Beobachtungsmöglichkeit bei beegang
zusätzlich kardanisch gelagert sein. Die Anzeigewerte der Peildiopter P1, P2 und
P3 gelangen auf jeweils zugeordnete Synchro-Digitalwandler SD1, ZD2 und SD oder
vorzugsweise unmittelbar auf digitale Winkelencoder, die den digitalisierten jeweiligen
Beilwert an den naciigeschaltet en Multiplexer 3 weitergeben. Der multiplexer 3
schaltet in zyklischer Folge die drei Peilwerte nacheinander auf den Eurs- und Peilrechrler
2, beispielsweise in Form eines 16-Bit-Signals, von dem jeweils 13 Bit den Wert
der Seitenpeilung ßl, ß2 bzw. ß3, zwei Bit eine Adresse zur Identifizierung des
jeweiligen Peildiopters und das letzte Bit den Zustand am jeweiligen Peildiopter
angeben, wobei mit Zustand die Aussage darüber gemeint ist, ob der uignalschalter
am Peildiopter durch den Beobachter gesetzt oder gelöscht ist, so daß dem Kurs-
und Peilrechner 2 mitgeteilt wird, ob ein über den Multiplexer gerade anstehender
Peilwert
zur Auswer-tung herangezogen werden soll oder nicht. Die SykluszeiL der Multiplexabtastung
aller Peiler ist vorteilhafterweise so gewählt (z.B.
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10 ms), daß bis zu einem bestimmten Grenzwert die Schiffsdrehrate
ohne Einfluß auf die Auflösungsgenauigkeit der Peilung bleibt.
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Bei der Erfindung erfolgt die Zusammenfassung der Kursreferenz und
der Peilwerte erst im Kurs- und Peilrechner.
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Dadurch können Übertragungsfehler vermieden werden, die bei Bezugnahme
einer Peilung auf einen in den Peildiopter eingebauten Tochterkompaß zwischen Mutter-
und Tochterkompaß auftreten können.
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Vorzugsweise erfolgt im Kurs- und Peilrechner eine Bezugnahme der
Aufstellorte der Peildiopter auf einen gemeinsamen fiktiven Bezugspunkt, z.B. die
Brücke des Schiffes.