DE3431593A1

DE3431593A1 - Signalverarbeitungsvorrichtung fuer einen auf einem beschleunigungsmesser beruhenden winkelgeschwindigkeitsfuehler

Info

Publication number: DE3431593A1
Application number: DE3431593A
Authority: DE
Inventors: Rex B. Woodinville Wash. Peters
Original assignee: Sundstrand Data Control Inc
Current assignee: Sundstrand Corp
Priority date: 1983-09-02
Filing date: 1984-08-28
Publication date: 1985-04-04
Also published as: NL8402550A; JPS6078354A; CA1213370A; GB2146193B; US4522062A; FR2551571A1; SE8404320D0; GB2146193A; BE900485A; HK75687A; IL72544A0; SE8404320L; AU2997484A; IL72544A; IT8448738A0; NO843474L; ZA846113B; GB8422083D0; AU551312B2; CH663669A5

Description

Sundstrand Data Control, Inc Redmond, Washington 98o52 V.St.A. .

Signalverarbeitungsvorrichtung für einen auf einem Beschleunigungsmesser beruhenden Winkelgeschwindigkeitsfühler

Die Erfindung betrifft eine Signalverarbeitungsvorrichtung , die von einem bewegten Körper, der mehrere kreisförmig bewegte Beschleunigungsmesser aufweist, erzeugte Trägheitskraft- und Winkelgeschwindigkeitssignale insbesondere mittels eines Digitalprozessors verarbeitet. Die Beschleunigungsmesser werden insbesondere eine Vibration in einer Richtung senkrecht zu ihren empfindlichen Achsen untworfen.

Herkömmliche Signalverarbeitungsvorrichtungen dieser Art weisen Schaltungen auf, die aus Winkelgeschwindigkeitssignalen, die ein Beschleunigungsmesser oder ein Paar von Beschleunigungsmessern abgeben, Kraftsignale diskriminieren. Die Beschleuni-

572-B01837/AtAl

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gungsmesser werden entweder kreisförmig bewegt oder mit einer konstanten Frequenz (J vibriert. Die Signalverarbeitungsschaltungen integrieren das von dem oder den Beschleunigungsmessern abgegebene Analogsignal über eine Periode T der Frequenz CJ mittels einer Integrationsschaltung und legen dann das integrierte Signal einer Abtast- und Halteschaltung an, um ein spezifisches Kraftsignal F zu erzeugen. Gleichzeitig werden die Ausgangssignale der Beschleunigungsmesser mit einem der Funktion sgncos6Jt entsprechenden Signal multipliziert. Das Signal wird dann über die Periodendauer T integriert und einer Abtast- und Halteschaltung angelegt. Das sich daraus ergebende Signal stellt die Drehung der Beschleunigungsmesser gegenüber der kraftempfindlichen Achse der Beschleunigungsmesser dar (US-Serial No. 357 und 357 715, beide am 12.3.1982 angemeldet).

Da Trägheitsnavigationssysteme, bei denen die oben beschriebenen Kraft- und Winkelgeschwindigkeitsmessysteme angewendet werden an bestimmten Stellen digitale Eingänge benötigen, da sie Digitalrechner einsetzen, müssen Spannungs- oder Stromausgangssignale der Beschleunigungsmesser, die die spezifische Kraft und Winkelgeschwindigkeitssignale darstellen, in Digitalsignale umgesetzt werden.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Signalverarbeitungsvorrichtung zu ermöglichen, die von einem oder zwei in einer Richtung senkrecht zu ihren empfindlichen Achsen vibrierenden Beschleunigungsmesser Analogsignale empfängt und diese in ein Kraftsignal und ein Winkelgeschwindigkeitssignal darstellende Digitalsignale umsetzt;

es ist ferner Aufgabe der Erfindung, eine Signalverarbeitungsvorrichtung zu ermöglichen, die von einem mit periodischer Winkelgeschwindigkeit &) kreisförmig bewegten Beschleunigungsmesser erzeugte Beschleunigungssignale verarbeitet und ein Winkelgeschwindigkeitssignal erzeugt;

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es ist ferner Aufgabe der Erfindung eine Signalverarbeitungsvorrichtung zu ermöglichen, die von einem Beschleunigungsmesserpaar, der mit einer Frequenz U) innerhalb eines Bezugsrahmens senkrecht zu seiner empfindlichen Achse vibriert wird, erzeugte Beschleunigungssignale verarbeitet und daraus ein die Beschleunigung des Bezugsrahmens in Richtung der empfindlichen Achse darstellendes Kraftsignal und ein Winkelgeschwindigkeitssignal erzeugt, das die Winkelgeschwindigkeit des Bezugsrahmens um eine Achse, die zur Vibrationsrichtung senkrecht steht, darstellt.

Die obige Aufgabe wird anspruchsgemäß gelöst.

Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel ist eine Signalverarbeitungsvorrichtung zur Lösung der Aufgabe angegeben, die erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, das sie aufweist:

eine Vorzeichen-Schalteinrichtung, die mit dem Beschleunigungsmesser verbunden ist und das Beschleunigungssignal mit einer periodischen Funktion der Frequenz bi deren Mittelwert Null ist, multipliziert;

eine erste Umsetzschaltung, die mit der Vorzeichen-Schalteinrichtung verbunden ist und deren Ausgang in ein erstes Frequenz-Signal umsetzt; und ;

eine erste Zähleinrichtung, die mit der ersten Umsetzeinrichtung verbunden ist und ein dem Winkelgeschwindigkeitssignal entsprechendes Digitalsignal entsprechend dem ersten" Frequenzsignal erzeugt.

Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel wird in Lösung der obigen Aufgabe eine Signalverarbeitungsvorrichtung angegeben, die erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß sie aufweist:

eine Impulsgeneratorschaltung, die Impulse mit einer der Frequenz W entsprechenden Frequenz erzeugt;

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eine Vor-Verarbeitungsschaltung, die eine erste Summierschaltung aufweist, die die Beschleunigungssignale zu einem Analogsignal kombiniert, das die Beschleunigung des Bezugsrahmens in Richtung der empfindlichen Achsen im wesentlichen ohne Komponenten der Kreisbewegung des Bezugsrahmens darstellt und _: eine zweite Summierschaltung, die die Beschleunigungssignale zu einem Analogsignal kombiniert, das im wesentlichen die Kreisbewegung des Bezugsrahmens ohne Bezugsrahmen-Beschleunigungs-Komponenten in Richtung der empfindlichen Achsen, wiedergibt;

eine Vorzeichen-Schalteinrichtung, die das anlöge Geschwindigkeitssignal mit der periodischen Funktion sgncosiot, deren Mittelwert Null ist, multipliziert;

einen ersten Spannungs-Frequenz-Umsetzer, der das analoge Kraftsignal in ein erstes Frequenzsignal umsetzt;

einen zweiten Spannungs-Frequenz-Umsetzer der das multiplizierte analoge Geschwindigkeitssignal in ein zweites Frequenzsignal umsetzt;

eine erste Zählerschaltung, die in Abhängigkeit von den von der Impulsgeneratorschaltung abgegebenen Impulsen das erste Frequenzsignal über einen vorgegebenen Teil der Frequenz CU zählt und ein digitales Kraftsignal erzeugt; und

eine zweite Zählerschaltung, die in Abhängigkeit von den von der Impulsgeneratorschaltung abgegebenen Impulssignalen das zweite Frequenzsignal über einen vorgegebenen Teil der Frequenz Uj zählt und ein digitales Geschwindigkeitssignal erzeugt.

Das zuletzt beschriebene Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung weist außerdem eine Korrekturschaltung auf, die die Ausgänge der Zähler mit Größen kombiniert, die die Skalenfaktoren der Beschleunigungsmesser darstellen, um die Genauigkeit des digi- . talen Kraftsignals und des Winkelgeschwindigkeitssignals zu erhöhen.

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Die Erfindung wi . ir
beschrieben. Es ic:..:

Fig. 1 in vereinfachter ?c.. 'jcktive ein Paar von Bcsc."ieu-

nigung£.v: = .5sern, ds-r.·. "· .'.rartempf ind\. ~hc;n Achse;·. ■ parallel. :u einer Kriisvibrationsachic stehen;

rig. 2 in vereinfachter Perspektive ein Beschleunigung ι-messerpaar, dessen krafte:.vpfindiiche Ac?.^i.-r. ic-':. recht zu einer Kreisvibrationsachse stehen;

rig, 3 vereinfacht ein Rücken-an-Rücken angeordnetes Beschleunigur.gsmesserpaar, dessen kraftempfincliche Achsen zur Richtung einer geradlinigen Vibration senkrecht stehen;

Fig. 4 ein Diagramm, das den Betrieb eines gemäß Figur 1 angeordneten Beschleuni^urigsmesserpaars in einem Drei-Achsen-Geschwindigkei:.· fühler darstellt; und

Fig. 5 ein Blockschaltbild :?..-. ;i .·.; ..führungsbeispieii -ine:

rbeitun2'S"-^!'c:.T:l.::l:'L.ung gemäß der Erf;. - ά'.:η:?

zusammen mi" einem "£_■ -:;".·'.. -_r.".igungsrf:esserpü::.

Die in der vorliegenden Spezifικ-.-.iin beschriöbfe^sn D;.gi·:;·!- Signal-Verarbeitungsvorrichtungs::. verarbeiten Ausgangssigna ic von Beschleunigungsmessern, leite·. iav;n Konponenti-n eines spezifischen Kraftvektors F u:aa .'^-λι.· ..·■...-,· te η eines Winkelgeschwindigkeitsvektor j^_ ab un..l :;y..': ~.?:. lieber, ungewür. ^:.c ir e Signalkomponenten. Die Beschl ,ur.i ^. .'."^.".asaerL ignr.Ii. i> = vc.t "^x entweder von einem einzigen E ^3 :.':■".. 3U".~ igungsüic·-, ser OGcr t .Πν-ιΐ Paar von Beschleunigungsmesser;. .·■ ""..-^en, dca ν.ο:^;· ..·:■■., in anderer Weise kreisförmig cd^: : . :.disch in Abhängigkeit von einem periodischen Signal :.,-,■- ^v · i^^enz ίύ bewegt wird Die Bewegungsrichtung der Be.-,ch.'.-, v,:.;-ungsmesser ist seriK^-:ecr.·, zur kraftempfindlichen Achsa :'.. . ^T:~- ~ -hleunigungsme --ser, ;.o ei.

BAD ORSQSNAL

deren Ausgangssignale Winkelgeschwindigkeitskomponeten enthalten, die von von den Beschleunigungsmessern erfaßten Corioloskräften herrühren. Die zuvor genannten US-Patentanmeldungen enthalten eine genaue Theorie der Ableitung von Winkelgeschwindigkeitsinformation in einem Insertialsystem mittels Beschleunigungsmessern. Aus dieser Theorie ist bemerkenswert, daß von einem Beschleunigungsmesserausgangssignal eine Information über die Winkelgeschwindigkeit durch folgende Schritte erhalten wird:

Das Ausgangssignal des Beschleunigungsmessern wird mit einer periodischen Funktion der Frequenz Cü , deren Mittelwert Null ist und die die Form sgncosWt hat, multipliziert;

das multiplizierte Signal wird über die Periodendauer T einer Periode von U integriert;

das integrierte Signal wird mittels einer Abtast- und Halteschaltung abgetastet und damit eine Spannung erhalten, die einen Wert der Kreisbewegung für die Periodendauer T um eine Achse senkrecht zur Vibrationsachse darstellt.

Ein spezifisches Kraftsignal, das die Beschleunigung eines die Beschleunigungsmesser bzw. den Beschleunigungsmesser enthaltenden Aufbaus in Richtung der kraftempfindlichen Achse darstellt, wird in gleicher Weise durch Integration des Beschleunigungsmesserausgangs über die Periodendauer T erhalten. In dieser Weise werden Kraftsignal- und Winkelgeschwindigkeitssignal getrennt voneinander von einem Beschleunigungsmesserausgangssignal abgeleitet.

Das in den Figuren 1 bis 3 dargestellte Beschleunigungsmesserpaar hat bezüglich der Signalgröße des Kraftsignals und des Winkelgeschwindigkeitssignals und damit bei der Erhöhung des Signal-Rauschverhältnisses einen deutlichen Vorteil gegenüber einem Aufbau mit nur einem Beschleunigungsmesser. Insbesondere erhöht sich bei der gepaarten Beschleunigungsmesseranordnung

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gemäß den Figuren 1 bis 3 der Rauschpegel im Kraft- und im Geschwindigkeitssignal jeweils um die Quadratwurzel aus 2, wohingegen die Größe des tatsächlichen Kraft- und Winkelgeschwindigkeitsmessignals verdoppelt ist, so daß sich das Signal-Rauschverhältnis um den Faktor y2 erhöht. Bei der dargestellten Beschleunigungsmesseranordnung sind außerdem Beschleunigungsstörungen im Geschwindigkeitssignal, die durch von Antriebsmaschinen erzeugte äußere Kräfte entstehen, im wesentlichen ausgeschaltet.

Figur 1 zeigt eine erste Anordnung eines Paars von Beschleunigungsmessern 10 und 12, die auf einer eine Kreisbewegung ausführenden Basis 14 befestigt sind. Die Basis 14 führt kleine kreisförmige Vibrationsbewegungen um eine Drehachse 16 aus, wie dies durch den Pfeil 18 dargestellt ist. Die kraftempfindlichen

ι 2
Achsen A und A der Beschleunigungsmesser 10 und 12 haben dieselbe Richtung wie die Achse Z, um die die Basis 14 vibriert.

j Figur 2 zeigt eine weitere mögliche Anordnung des Beschleuni- \ ' gungsmesserpaars, bei der die Beschleunigungsmesser 20 und \ Rücken an Rücken auf einer Halterung 24 angeordnet sind, die \ um eine Achse Z kreisförmig vibriert, wie der Pfeil 26 an-

* 12

^; deutet; so daß die kraftempfindlichen Achsen A und A parallel

und entgegengesetzt jeweils senkrecht zur Vibrationsachse Z ; gerichtet sind.

Figur 3 zeigt eine dritte mögliche Anordnung des Beschleunigungsmesserpaars, wobei die Beschleunigungsmesser 30 und 32 Rücken an Rücken angeordnet sind, so daß ihre kraftempfindlichen

1 2
Achsen A und A parallel und entgegengesetzt gerichtet sind.

Bei dieser Anordnung erfahren die Beschleunigungsmesser 30 und 32 eine linear gerichtete Vibration in Richtung einer durch Pfeile 34 und 36 bezeichneten Achse X.

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Figur 4 zeigt eine graphische Darstellung eines Drei-Achsensystems, wie bei der in Figur 1 dargestellten Beschleunigungsmesseranordnung Signale erzeugt werden können, die bei der Kreisbewegung erzeugte Kräfte darstellen. Die in Figur 1 dargestellten Beschleunigungsmesser 10 und 12 können in einem orthogonalen Dreibein angeordnet werden. Die von ihnen gebil-

12 12 1 2 deten kraftempfindlichen Achsen A , A , A , A , A und A

X X j J L· ii

liegen parallel zu orthogonalen Achsen X, Y und Z, die für das System ein Inertialsystem bilden. Die in den in Figur 4 dargestellten Inertialsystem erzeugten Kraft- und Winkelgeschwindigkeitssignale in Richtung der orthogonalen Achsen X, Y und Z sind zur Verwendung in einem Trägheits-Navigations-System geeignet. Die in Figur 4 dargestellten Beschleunigungsmesserpaare werden mit konstanter Winkelfrequenz CJ und konstanter Winke lamp Ii tude 6 „ vibriert. Die Beschleunigungsmesserausgangssignale enthalten Information, die zur Ableitung von Winkelgeschwindigkeitssignalen -Ω- . und Kraftsignalen F. dient, die die Bewegung des die Beschleunigungsmesser aufweisenden Systems längs und um den durch die Achsen X, Y und Z gebildeten Bezugsrahmens darstellen.

Die eingangs genannten US-Patentanmeldungen offenbaren einen Analog-Prozessor, dessen Ausgänge zwei Abtast- und Haltespannungen darstellen, die zur Trennung der spezifischen Kraftsignale von den Winkelgeschwindigkeitssignalen verwendet werden. Eine der Spannungen stellt die über eine Vibrations- bzw. Bewegungsperiode T gemittelte spezifische Kraft und die andere Spannung die über dieselbe Pe'riodendauer T gemittelte Winkelgeschwindigkeit dar. Die Spannungen werden periodisch mit der Periodendauer T aufgefrischt, die zum Beispiel der Frequenz 30 Hz entspricht. Bemerkenswert ist es, daß die Mittelwertbildung der Winkelgeschwindigkeit kleine dynamische Fehler beinhalten kann, die aufgrund gewisser Eingangsbewegungen der Beschleunigungsmesser auftritt. Für viele eine konstante Geschwindigkeit aufweisende Eingangsbewegungen ist jedoch diese Mittelwertbildung genügend genau.

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Da die Ausgänge der oben beschriebenen Signalverarbeitungsschaltung Spannungen sind, ist eine Umsetzung in Digitalsignale nötig, so daß die spezifische Kraft-Signale und Winkelgeschwindigkeitssignale durch einen in einem Trägheits-Navigationssystem enthaltenen Digital-Prozessor verarbeitet werden können. Außer der Bildung einer geeigneten Schnittstelle zu dem Digitalprozessor ist die Umsetzung in das Digitalsignal zur digitalen Kompensation der Temperaturabhängigkeit der Beschleunigungsmesser wünschenswert.

Es könnte nun versucht werden, einfach die Signalausgänge der Signalverarbeitungsschaltung einer Analog-Digital-Umsetzung zu unterwerfen. Bei näherer Betrachtung hat jedoch dieses naheliegende Verfahren eine Anzahl von Nachteilen. Das erste Problem hängt mit dem dynamischen Bereich zusammen. Im spezifischen Kraftkanal können die Signale von 0,1 χ 10~ der Normfallbeschleunigung g während der Ausrichtung eines Trägheits-Navigationssystems bis 20 der Normfallbeschleunigung g während dem echten Betrieb reichen. Den letztgenannten Beschleunigungswert kann z.B. eine das Trägheits-Navigationssystem enthaltende Rakete erreichen. Dazu wäre dann ein Analog-Digital-Wandler

nötig, dessen Bereich von 2x10 bis 1 geht, der somit 29 Binär-Bits einschließlich eines Vorzeichenbits aufweisen müßte. Auch die Geschwindigkeitssignale benötigen einen größeren dynamischen Bereich. Beispielsweise würde eine Anwendung bei einer Rotation, die von 0,01 /h bis 1500°/s reicht, einen dynamischen

Bereich von 5x10 bis 1 des Analog/Digital-Wandlers bedingen, der somit 30 Binärbits einschließlich eines Vorzeichenbits haben müßte. Zur Zeit sind jedoch keine Analog/Digital-Umsetzer erhältlich, die einen solchen Dynamikbereich beherrschen.

Wenn man außerdem eine Beschleunigungsmesseranordnung gemäß den Figuren 2 oder 3 betrachtet und zur Vor-Abtrennung der Coriolis-Winkelgeschwindigkeitssignale von den spezifischen Kraftsignalen Summen- und Differenzverstärker verwendet, wie dies in der US-Patentanmeldung 357 714 der Fall ist, wo damit die Vibrationsempfindlichkeit des Geschwindigkeitskanals

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des Prozessors verringert wird, müssen in vielen Fällen die Skalenfaktoren der zwei Beschleunigungsmesser innerhalb lOOppm über einen weiten Temperaturbereich angepaßt werden. Für diese Anpassung wären Fühler nötig, deren Spannungsskalenfaktoren durch einen Skalierungswiderstand zu 50-70 ppm und deren Skalenfaktortemperatur-Koeffizienten durch Siebung zu 1 - 2 ppm/ C gewählt sind. Offensichtlich sind solche Maßnahmen sehr teuer und unpraktisch, insbesondere wenn ein im Einsatz befindlicher Beschleunigungsmesser ausgetauscht werden muß.

Auch der in der US-Patentanmeldung Nr. 357 715 offenbarte Weg, den Abtast- und Halteschaltungen der Signalverarbeitungsvorrichtung einen Analog/Digital-Wandler anzuschließen, ergab ein verhältnismäßig kompliziertes System, da dem an sich schon komplizierten Analog-Signal-Verarbeitungsteil der Wandlerteil angeschlossen wurde, der die Kraft- und Geschwindigkeitssignale in den Digitalbereich umsetzt.

Ein im Konzept einfacherer Weg besteht in der direkten Digitalisierung der Beschleunigungsmesserausgangssignale und der Simulation der Funktion des Analog-Signalverarbeitungsteils der US-Anmeldung Nr. 357 715 durch einen Mikroprozessor. Dieser Weg würde im Prinzip die Anpassung der Temperaturgänge jedes Beschleunigungsmessers ermöglichen und somit die obengenannte teure Analoganpassung vermeiden. Der obengenannte Nachteil des zu geringen Dynamikbereichs ist jedoch nach wie vor vorhanden. Tatsächlich ist der Dynamikbereich sogar größer, da eine Rotation mit 1500° /s in einem Beschleunigungsmesser eine Signalamplitude von nicht mehr als 1g erzeugen würde. Gleichzeitig muß der Beschleunigungsmesser den vollen Bereich der Trägheitskraft bis zu 20 g verkraften. Als Ergebnis erhöht sich der zu digitalisierende Dynamikbereich um zumindest 4 Binärbits auf über 32 Bitstellen einschließlich eines Vorzeichenbits. Diese sehr breitbandige Digitalisierung muß an eine Abtastfrequenz von mindestens 300 Abtastungen pro Sekunde angepaßt sein, damit die numerisch ausgeführte Integration möglich ist.

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Ein anderer Weg, die entsprechend den obigen Ausführungen dem Dynamikbereich eigenen Probleme insbesondere bei zu integrierenden Signalen zu lösen, ist eine Strom-Frequenz oder Spannungs-Frequenzwandlung. Eine zeitliche Integration kann dann durch eine Zählerschaltung erfolgen, die durch diskrete Impulse mit konstantem Abstand zurückgesetzt wird. Der Zählerstand würde für einen Beschleunigungsmesser dann für jeden Impuls eine feste Geschwindigkeitsänderung, beispielsweise in m/s darstellen. Durch dieses Verfahren kann das Zeitintegral des Ausgangssignals eines Spannungs-Frequenzwandlers durch Zählen der Frequenz impulse in einem Zähler durchgeführt werden.

Falls die Ausgänge der Beschleunigungsmesser jedoch einfach einem Spannungs-Frequenzumsetzer angelegt werden, ergeben sich bestimmte praktische Probleme.

Spannungs-Frequenz-Umsetzer arbeiten typisch bei einer maximalen Impulsfrequenz von-25.000 Impulsen pro Sekunde, obwohl auch bereits Spannungs-Frequenz-Umsetzer entwickelt wurden, die mit einer Frequenz bis zu 250.000 Impulsen pro Sekunde arbeiten. Falls zur Darstellung des vollen Ausgangsbereichs eines Beschleunigungsmessers 250.000 Impulse pro Sekunde verwendet werden .und man 20 g, das etwa 216 m/s sind, als oberen Grenzwert nimmt, stellt ein Impuls eine Geschwindigkeitsänderung von 0,000865 m/s (0,0026 ft/s) dar. Bei der Abtastfrequenz 30 Hz entsprechen 0,000865 m/s CO,0026 ft/s) einer Spitzenbeschleuni-

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gung von 0,16 m/s (0,49 ft/s ) oder etwa 0,015 g. Daraus ergibt sich ein Problem, da die Coriolos-Geschwindigkeitsinformation als Wechselstromsignal mit beispielsweise 30 Hz auftritt. Wenn ein typischer Skalenwert von 0,001 g für 1 /s verwendet wird, stellen 0,015 g 15°/s dar. Als Ergebnis kann das Wechselsignal für Eingangsraten kleiner als 15 /s niemals eine genügend deutliche Geschwindigkeitsänderung erzeugen, so daß der Spannungs-Frequenz-Wandler keinen einzigen Impuls abgibt. Als Geschwindigkeitsfühler hat demnach das Beschleunigungsmessersystem

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einen Schwellwert von 15°/s, der normalerweise für ein Trägheits-Navigationssystem unannehmbar ist.

Figur 5 zeigt ein Blockschaltbild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Signalverarbeitungsvorrichtung, die die zuvor angeführten Nachteile vermeidet. Der Hauptzweck dieser Vorrichtung ist von den Ausgangssignalen der Beschleunigungsmesser 10 und 12 die Komponenten, die eine Kraft- oder eine Winkelgeschwindigkeitsänderung in Richtung der empfindlichen Achsen der Beschleunigungsmesser darstellen, von den Komponenten, die eine Kreisbewegung der Beschleunigungsmesser um eine Achse senkrecht zur Vibrationsachse darstellen,abzutrennen. Die US-Anmeldung Serial Nr. 357 714 offenbart die grundlegende Theorie der Signaltrennung, die dem Betrieb der Schaltung in Figur 5 zugrundeliegt. In der Darstellung der Figur 5 sind die Beschleunigungsmesser 10 und 12 gemäß Figur 1 angeordnet, es ist jedoch selbstverständlich, daß die Schaltungsanordnung leicht auf die Beschleunigungsmesseranordnung gemäß den Figuren 2 bzw. modifiziert werden kann. Die Vorrichtung in Figur 5 enthält einen Steuerimpulsgenerator 40, der auf einer Leitung 42 eine von der Frequenz W abhängende Impulsfolge abgibt, die einem Treibersignalgenerator 44 eingegeben wird. Der Treibersignalgenerator 44 dient dazu, die Beschleunigungsmesser Ί0 und 12 in durch den Pfeil 18 in Figur 1 angedeuteter Richtung mit der Frequenz 0} zu vibrieren. Die Beschleunigungsmesser und 12 geben Beschleunig·
Leitungen 46 und 48 aus.

ι ο und 12 geben Beschleunigungssignale a bzw. a jeweils auf

Eine Vor-Abtrennschaltung 50 , die Summiergleider 52 und 54 aufweist, empfängt die Beschleunigungssignale durch die Leitungen 46 und 48. Da die kraftempfindlichen Achsen der Beschleunigungsmesser 10 und 12 in Figur 1 dieselbe Richtung haben , stellt der Ausgang des Summiergliedes 52 auf einer Leitung 56 ein Signal dar, das die Summe der erfaßten Beschleunigung der Beschleunigungsmesser 10 und 12 in Richtung der kraftempfindlichen Achse Z in Figur 1 darstellt, und eliminiert gleichzeitig die

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durch Corioliskräfte hervorgerufenen Winkelgeschwindigkeitskomponenten. In ähnlicher Weise werden die Ausgangssignale der Leitungen 46 und 48 im Summierglied 54 voneinander abgezogen, so daß auf einer Leitung 58 ein Signal mit wesentlich verstärkter Winkelgeschwindigkeitskomponente bei im wesentlichen eliminierter Kraftkomponente abgegeben wird.

Das die Kraftkomponente enthaltende Signal auf der Leitung bzw. das die Geschwindigkeitskomponente enthaltende Signal auf der Leitung 58 werden dann jeweils Skalierungsverstärkern 60 und 62 eingespeist, die jeweils das Kraftsignal bzw. das Geschwindigkeitssignal mit einem geeigneten Skalierungsfaktor Kp bzw. K^_ skalieren.

Das skalierte analoge Geschwindigkeitssignal des Skalierungsverstärkers 62 wird über eine Leitung 64 einer Multiplizierschaltung 66 eingespeist, die das Geschwindigkeitssignal mit einem periodischen Signal sgncosü t , dessen Mittelwert Null ist, multipliziert. Das Ausgangssignal der Schaltung 66, das auf einer Leitung 68 auftritt, ist .ein Analogsignal der Form K₀-Ca - a ) sgncosßJt und enthält Winkelgeschwindigkeitsinformation. Bei dem in Figur- 5 dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel empfängt ein Spannungs-Frequenz-Wandler 70 das Analogsignal auf der Leitung 68 und setzt die Geschwindigkeitsinformation in ein Frequenzsignal um, das dann über eine Leitung 72 einem Digitalzähler 74 eingespeist wird. Der Zähler 74 integriert das Ausgangssignal der Vorzeichenschaltung 66, indem er die Zyklusanzahl des über die Leitung 72 empfangenen Frequenzsignals des Spannungs-Frequenz-Wandlers 70 über eine Periodendauer T zählt, die zum Beispiel ein Zyklus des Frequenzsignals 6J sein kann. Gemäß Figur 5 empfängt der Zähler 74 ein Signal über eine Leitung 76 vom Steuerimpulsgenerator 40, das die Periodendauer T darstellt. Auf diese Weise gibt am Ende jeder Zeitdauer T der Zähler 74 über eine Leitung 78 ein Digitalsignal Λ θ aus, das die Winkelgeschwindigkeit

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des die Beschleunigungsmesser 10 und 12 enthaltenden Aufbaus beispielsweise während der Zeitdauer T darstellt. Dieses Signal wird dann einem Mikroprozessor 80 eingegeben.

In ähnlicher Weise wird das skalierte Kraftsignal K-Ca +a ) einem zweiten Spannungs-Frequenz-Wandler 82 über eine Leitung 84 eingespeist, der das Analogsignal in ein Frequenzsignal umsetzt und auf einer Leitung 86 ausgibt. Ein zweiter Zähler 88 integriert das Frequenzsignal über eine Zeitdauer T und ein Digitalsignal A ν stellt die Geschwindigkeitsänderung des die Beschleunigungsmesser 10 und 12 enthaltenden Aufbaus über die Zeitdauer T dar und wird über eine Leitung 90 dem Mikroprozessor 80 eingegeben. Auf diese Weise empfängt der Mikroprozessor 80 das Signal Δθ, das einem analogen Geschwindigkeitssignal XL entspricht und das Signal Δ ν, das einem analogen Kraftsignal F entspricht.

Die Schaltung in Figur 5 führt außerdem Skalierung und Temperaturkompensation aus. Beispielsweise kann vom Mikroprozessor über eine Leitungspaar 92 und 94 jeweils den Skalierungsverstärkern 60 und 62 Information bezüglich des Vorzugswerts der Skalierungskoeffizienten Kp bzw. Kj^ übertragen werden. Der Mikroprozessor 80 kann eine geeignete Temperaturkompensation für die Beschleunigungsmesser 10 und 12 ausführen, indem von einem in jedem Beschleunigungsmesser 10 bzw. 12 enthaltenen (nicht dargestellten) Temperaturfühler über ein Leitungspaar 96 und 98 Temperaturinformation dem Mikroprozessor 80 eingespeist wird.

Der Mikroprozessor 80 kann die Genauigkeit der Werte von Δ ν bzw. Δ θ weiter verbessern, indem er aufgrund der untenstehenden Gleichungen (1) und C 2") die Werte Av bzw. A θ ' berechnet:

e₁₁CK₁₊K₂)-e₂ ₁CK ₁-K₂)₊e₁₂CK₁₊K₂)-e₂₂CK₁-k₂) (1)

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e₂₁(K_l+K₂)-e₁₁(K_l-K₂)+e₂₂(K_l+K₂)-e_l2(K₁+K₂) (2)

In den angeführten Gleichungen stellen K. den Skalenfaktor für den ersten Beschleunigungsmesser TO und K- den Skalenfaktor für den Beschleunigungsmesser 12 dar. In der in Figur 5 dargestellten Schaltung stellen e.. jeweils die Ausgänge der Zähler 88 und 74 dar, wobei i=1 den Ausgang des zweiten Zählers 88 und i=2 den Ausgang des ersten Zählers 74 angibt. Genauso gibt j an, über welche Halbperiode der Frequenz uJ die Größe e dargestellt ist. Bei der in Figur 5 dargestellten Schaltung stellen j = 1 die erste Halbperiode von (Δ mit sgncos CJ t = +1 bzw. j=2 die zweite Halbperiode mit sgncos GJ t = -1 dar.

Falls in dieser Weise die Zählwerte der Zähler 88 und 74 jede Halbperiode des Signals Co dem Mikroprozessor 80 eingegeben werden, statt am Ende jeder Periode T , kann der Mikroprozessor 80 die durch die Zähler 88 und 74 akkumulierten Impulse auswerten, wenn die sgncos 6J t-Funktion +1 ergibt und wenn die sgncos GJt-Funktion -1 ergibt. Dadurch können die Signale der Beschleunigungsmesser und 12 getrennt durch den Mikroprozessor 80 ausgewertet werden. Der Hauptvorteil dieses Verfahrens besteht darin, daß das spezifische Kraftsignal im Digitalausgang bis zu einem durch die Stabilität der zwei Skalenfaktoren K₁ und K-, bestimmten Pegel abnehmen kann, der 10.000/1 oder größer sein kann, obwohl die tatsächliche Analogabnahme durch Anpaßfehler auf die Größenordnung 100/1 begrenzt sein kann.

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Claims

Patentansprüche

1. Signalverarbeitungsvorrichtung, die aus mindestens einem Beschleunigungssignal, das von mindestens einem mit einer Frequenz U) periodisch bewegten Beschleunigungsmesser erzeugt wird, ein Winkelgeschwindigkeitssignal erzeugt,

gekennzeichnet durch

eine Vorzeichenschalteinrichtung (66), die mit dem Beschleunigungsmesser (10; 12) verbunden ist und das Beschleunigungssignal mit einer periodischen Funktion der Frequenz U , deren Mittelwert Null ist, multipliziert;

eine erste Wandlereinrichtung (70), die mit der Vorzeichenschalteinrichtung (66) verbunden ist und das multiplizierte Beschleunigungssignal in ein erstes Frequenzsignal umsetzt; und

eine erste Zählereinrichtung (74), die mit der ersten Wandlereinrichtung (70) verbunden ist und ein digitales Winkelgeschwindigkeitssignal abhängig vom ersten Frequenzsignal erzeugt.

2. Signalverarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die erste Wandlereinrichtung (70) eine Spannungs-Frequenz -Umsetzschaltung aufweist.

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3. Signalverarbeitunsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennze'ichnet,

daß die Zählereinrichtung (74) eine Digitalzählerschaltung aufweist, die Perioden des ersten Frequenzsignals über einen vorgegebenen Teil einer Periode der Frequenz U) zählt.

4. Signalverarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie weiterhin aufweist:

eine zweite Wandlereinrichtung (82), die mit dem Beschleunigungsmesser (10; 12) verbunden ist und das Beschleunigungssignal in ein zweites Frequenzsignal umsetzt; und

eine zweite Zähleinrichtung (88), die mit der zweiten Wandlereinrichtung (82) verbunden ist und ein digitales Kraftsignal abhängig vom zweiten Frequenzsignal erzeugt.■

5. Signalverarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

daß die zweite Wandlereinrichtung (82) eine Spannungs-Frequenz-Umsetzschaltung aufweist und die zweite Zähleinrichtung eine Digitalzählerschaltung aufweist, die Perioden des zweiten Frequenzsignals über den vorgegebenen Teil einer Periode der Frequenz CU zählt.

6. Signalverarbeitungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet,

daß ein Paar Beschleunigungsmesser (10, 12) vorgesehen ist, das mit einer Frequenz W in einer Richtung senkrecht zu den beiden kraftempfindlichen Achsen der Beschleunigungsmesser vibriert wird.

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7. Signalverarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

daß sie zusätzlich eine Vor-Abtrenneinrichtung (50; 54) aufweist, die zwischen die Beschleunigungsmesser (10; 12) und die Vorzeichenschalteinrichtung (66) eingeschaltet ist und im wesentlichen Kraftkomponenten von den Beschleunigungssignalen abtrennt.

8. Signalverarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet,

daß sie zusätzlich aufweist:

eine Vor-Abtrenneinrichtung (50; 52, 54), die zwischen die Beschleunigungsmesser und die Vorzeichenschalteinr'ichtung (66) und die zweite Wandlereinrichtung (82) eingeschaltet ist , von dem der Vorzeichenschalteinrichtung (66) angelegten Beschleunigungssignal Kraftkomponenten entfernt und von dem der zweiten Wandlereinrichtung (82) angelegten Beschleunigungssignal Kreisbewegungskomponenten entfernt.

9. Signalverarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,

daß die kraftempfindlichen Achsen der Beschleunigungsmesser parallel sind und die gleiche Richtung haben und daß die Vor-Abtrenneinrichtung ein Summierglied (52) aufweist, das die der zweiten Wandlereinrichtung (82) angelegten Beschleunigungssignale summiert und ein Differenzglied (54) aufweist, das eine Differenz der der Vorzeichenschalteinrichtung (66) angelegten Beschleunigungssignale bildet.

10. Signalverarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,

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daß die kraftempfindlichen Achsen der Beschleunigungsmesser parallel und entgegengesetzt gerichtet sind und daß die Vor-Abtrenneinrichtung ein Differenzglied aufweist, das eine Differenz der der zweiten Wandlereinrichtung (82) angelegten Beschleunigungssignale bildet und ein Summierglied, das die der Vorzeichen-Schalteinrichtung (66) angelegten Beschleunigungssignale summiert.

11. Signalverarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,

daß die erste und zweite Zähleinrichtung (74, 88) jeweils eine Digitalzählerschaltung aufweisen, die jeweils die Periodenzahl des ersten und zweiten Frequenzsignals für einen vorgegebenen Teil der Periode der Frequenz U zählen und als Digitalzählwert abgeben.

12. Signalverarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß sie zusätzlich aufweist:

eine Korrektureinrichtung (80), die mit der ersten und zweiten Zähleinrichtung (74, 88) verbunden ist und den Ausgang e.... der ersten Zähleinrichtung mit dem Ausgang e^.. der zweiten Zähleinrichtung zusammen mit Werten, die Skalierungsfaktoren K₁ und K- der Beschleunigungsmesser (10, 12) darstellen für einen ersten Teil der Periode der Frequenz CJ und das Ausgangssignal e.j 2 der ersten Zählereinrichtung mit dem Ausgangssignal e_2 der zweiten Zähleinrichtung zusammen mit den Skalenfaktorwerten über den zweiten Teil der Periode der Frequenz Cu kombiniert und das digitale Winkelgeschwindigkeitssignal erzeugt.

13. Signalverarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,

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daß der erste Teil der Periode der Frequenz LJ die erste Halte der Periode der Frequenz W ist, bei der die U -perio dische Funktion, deren Mittelwert Null ist +1 ist und daß der zweite Teil der Periode der Frequenz U) die zweite Hälfte der Periode der Frequenz (J ist, bei der die U) -periodische Funktion mit dem Mittelwert Null -1 ist.

14. Signalverarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,

daß die Korrektureinrichtung (80) das digitale Winkelgeschwindigkeitssignal

ΔΘ = e₂₁ CK₁₊K₂)-e_l1(K₁-K₂)+e₂₂(K₁+K₂)-e_l2CK₁-K₂)

erzeugt,

worin e.. die Ausgangssignale der Zähleinrichtungen sind,

mit

i=1 - zweite Zähleinrichtung,

i=2. - erste Zähleinrichtung,

j=l - erste Hälfte einer Periode der Frequenz W und

j = 2 - zweite Hälfte einer Periode der Frequenz CJ sind,

sowie K₁ bzw. K„ Skalierungsfaktoren des ersten bzw. zweiten Beschleunigungsmessers darstellen.

15. Signalverarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,

daß die Korrektureinrichtung (80) eine Einrichtung aufweist, die die Ausgänge der ersten und zweiten Zähleinrichtung (74,88) kombiniert und das digitale Kraftsignal Δν entsprechend der Gleichung

= e_ll(K_l+K₂)-e_2l(K₁-K₂)+e_l2(K₁+K₂)-e₂₂(K_l-K₂l

erzeugt.

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