DE3433189A1

DE3433189A1 - Beschleunigungsmesser

Info

Publication number: DE3433189A1
Application number: DE19843433189
Authority: DE
Inventors: Norman Frederick Lothian Schottland Watson
Original assignee: Ferranti PLC
Current assignee: Ferranti International PLC
Priority date: 1983-09-16
Filing date: 1984-09-10
Publication date: 1985-04-04
Anticipated expiration: 2004-09-11
Also published as: FR2552222B1; GB2146776B; FR2552222A1; JPH0465963B2; DE3433189C2; US4601206A; GB2146776A; JPS6088311A

Description

Patentanwälte

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Unser Zeichen: A 14 Lh/fi

Ferranti plc

Bridge House, Park Road,

Gatley, Cheadie, Cheshire, England

Beschleunigungsmesser

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• 5 . - A 14 809 -

Beschreibung

Die Erfindung betrifft Beschleunigungsmesser, und insbesondere Beschleunigungsmesser-Systeme mit Trägheitsplattformen.

Trägheitsplattformen gibt es in unterschiedlichen Ausführungsformen und sie werden verwendet in der Trägheitsnavigation, wobei eine orthogonal empfindliche Triade aus Ring-Laser-Kreisel und eine orthogonal empfindliche Triade aus Beschleunigungsmessern in einer gemeinsamen festen Halterung montiert sind. Die Plattform und die Halterung können fest bezüglich des Fahrzeugs angeordnet sein, wobei die Kreisel und die Beschleunigungsmesser translatorische und Winkelbeschleunigung der Plattform und des Fahrzeugs im Raum messen, wenn das Fahrzeug sich bewegt und manövriert. Die durch die Kreisel und Beschleunigungsmesser erzeugten Signale werden gewöhnlich an einen Computer gegeben, der durch Anwendung geeigneter Algorithmen die Fahrzeugbewegung bestimmt. Auf diese bekannte Verarbeitung der Signale durch Computer wird in der Beschreibung Bezug genommen, sie wird jedoch nicht im Detail erläutert.

Die Beschleunigungsmesser sollten im Idealfall nur solchen Komponenten der Fahrzeugbeschleunigungen ausgesetzt sein, die in eine Richtung gerichtet sind oder Schwingungen mit relativ niedrigen Frequenzen (weniger als einige zehn Hertz) haben und Beschleunigungsmesser, die als Trägheits-Qualitäts-Beschleunigungsmesser bezeichnet werden, werden verwendet, um auf niederfrequente Veränderungen der Beschleunigung anzusprechen, jedoch auf Kosten einer schwachen Empfindlichkeit gegenüber hohen Frequenzen. In der Beschreibung werden unter der Bezeichnung "niederfrequente Beschleunigungsmesser" solche vorgenannten Trägheits-Qualitäts-Beschleunigungsmesser verstanden.

Jedoch die Zwänge oder Beschränkungen beim Positionieren von drei Einzelachsen-Beschleunigungsmessern und Kreiseln innerhalb einer Halterung bedeuten, daß zusätzliche Beschleunigungen gemessen werden, die zu fehlerhaften Messungen führen, es sei denn sie werden kompensiert oder eliminiert.

Solche Fehlerquellen und die Gleichungen, die ihre Lösung definieren, sind in der Literatur genannt, beispielsweise in "Inertial Guidance Engineering", veröffentlicht von Prentice^Hall Inc., Englewood Cliffs, N.J., U.S.A.

Zwei solche Fehlerquellen sind die Folge des sogenannten Kegeleffekts, der verursacht wird durch Bewegungen der Kreiseleingangsachsen, was zu Meßfehlern bei der Winkelbeschleunigung führt, sowie der Sculling-Effekt, bei welchem lineare und Winkelvibrationen mit relativ hohen Frequenzen von hunderten von Hertz längs von zwei orthogonalen Achsen eine stä'ndige lineare Beschleunigung längs der dritten orthogonalen Achse erzeugen.

Um diese Fehler zu kompensieren, muß die Winkel- und die lineare Beschleunigung, die von den Kreiseln und den Beschleunigungsmessern gemessen wird, korrigiert werden, was bedeutet, daß die Signale, die Ursache dieser Effekte sind, gemessen und verarbeitet werden müssen.

Im Falle des Sculling-Effekts liegt beispielsweise die resultierende ständige lineare Beschleunigung innerhalb der Betriebs-Bandbreite des Beschleunigungsmessers, resultiert jedoch aus Schwingungsbeschleunigungen in orthogonalen Achsen mit Frequenzen über denen, auf die gewöhnliche Trägheitsbeschleunigungsmesser ansprechen. Es sind diese hochfrequenten Beschleunigungen (und entsprechende hochfrequente Winkel bewegungen beim Kegel-Effekt), die zu messen und zu verarbeiten sind und ein Beschleunigungsmesser, der in der Lage ist, solche hochfrequenten Schwingungs-Beschleunigungen zu messen, wird nachfolgend als in einem hochfrequenten Bereich verwendbar bezeichnet.

Während die Halterung mechanisch vom Systemgehäuse und dem Fahrzeug isoliert sein kann durch elastische Antisc-hwingungs-Befestigungsmittel, ist eine solche Isolierung nie vollständig und Beschleunigungen, die durch das Fahrzeug induziert werden und durch diese Befestigungsmittel modifiziert werden, können auf die Halterung einwirken und die obengenannten Schwingungs-Beschleunigungen erzeugen.

Ferner können Reaktionsdrehmomente vom Kreiselmechanismus Winkelbeschleunigungen der Halterung um deren Schwerpunkte verursachen mit Zitter-Frequenzen von

mehreren hundert Hertz. Theoretisch können solche Winkel bewegungen unberücksichtigt bleiben durch Anordnung der Beschleunigungsmesser im Schwerpunkt, jedoch in der Praxis verhindert die Masse bzw. räumliche Ausdehnung der Instrumente eine solche ideale Anordnung, und um die Bewegung der Halterung zu definieren ist es notwendig, die linearen Beschleunigungskomponenten zu berücksichtigen, die durch die Versetzung der Beschleunigungsmesser aus ihrer idealen Lage entstehen und Berechnungen bezüglich der gemessenen linearen und Winkelbeschleunigungen auszuführen, um die Beschleunigungsmessungen auf einen einzigen Punkt in der Halterung zu beziehen.

Solche Größen-Effekt-Berechnungen (size effect calculations) sind konventionell und leicht durchführbar durch geeignete bekannte Algorithmen, die in den Computer des Systems eingegeben werden, aber die Ausführung der Algorithmen, d.h. der in den Berechnungen benutzten Daten, hängt von den Charakteristiken der einzelnen Beschleunigungsmesser und Kreisel ab, weshalb solche Algorithmen nicht einfach zur Lösung durch einen Computer anpaßbar sind im Falle eines Instrumenten-Wechsels. Die Durchführung solcher Korrekturen bedingt eine genaue Messung der Schwingungs-Beschleunigungen und damit eine Meßbandbreite bis zu mehreren KHz. Die Rechenkapazität und die Rechenzeit, die erforderlich ist zur Behandlung solcher Fehler über eine große Bandbreite, stellt einen wichtigen Faktor hinsichtlich der Kosten und des Arbeitsverhaltens des Systems dar.

Es ist Aufgabe der Erfindung eine Anordnung von Beschleunigungsmessern mit Trägheitsplattform zu schaffen, durch welche Fehlereffekte wenigstens im wesentlichen eliminiert und/oder Meßsignale für ihre Korrektur einfacher erhalten werden können.

Nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist hierzu eine Beschleunigungsmesser-Anordnung vorgesehen, deren drei orthogonalen Achsen ein Beschleunigungsmesser-System zugeordnet ist, mit wenigstens einem Beschleunigungsmesser, der in einem niederfrequenten Bereich arbeitet, einem Paar Beschleunigungsmessern, die in einem hochfrequenten Bereich arbeiten und in gleichen Abständen um ein Stoßzentrum (centre of percussion) angeordnet sind, das gemeinsam ist für die anderen orthogonalen Achsen und den Schwerpunkt der Anordnung, ferner mit Signal-Verarbeitungseinrichtungen , um ■ aus der Summe der Signale von dem Paar (Hochfrequenz)-Beschleunigungsmessern ein Summensignal zu erzeugen, das repräsen-

tativ ist für die Schwingungsbeschleunigung der Anordnung längs dieser Achse und um aus der Differenz zwischen den Signalen von diesem Paar Beschleunigungsmessern ein Differenzsignal zu erzeugen, das repräsentativ ist für die Winkelbeschleunigung der Anordnung um diese orthogonalen Achsen.

Nach einer zweiten Ausfuhrungsform der Erfindung ist eine Trägheitsplattform mit einer Beschleunigungsmesser-Anordnung, wie vorstehend definiert, ausgerüstet, mit einer orthogonalen Triade von Kreiseln und Prozessoren, die auf Signale ansprechen, die sie von den Kreiseln und den Beschleunigungsmessern empfangen, um die Bewegung der Plattform im dreidimensionalen Raum zu berechnen.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert, in der

Fig. 1 perspektivisch eine Anordnung aus Kreiseln und Beschleunigungsmessern zeigt, die einer Trägheitsplattform zugeordnet ist.

Fig. 2 zeigt schematisch eine Trägheitsplattform mit einer ersten Ausführungsform eines Ein-Achsen-Beschleunigungsmesser-Systems.

Fig. 3 zeigt schematisch eine Trägheitsplattform mit einer weiteren Ausführungsform eines Ein-Achsen-Beschleunigungsmesser-Systems.

Fig. 1 zeigt eine Trägheitsplattform mit einer Anordnung aus Kreiseln und Beschleunigungsmessern innerhalb eines hohlen Gehäuses 10. An drei äußeren Wänden sind Kreisel-Pakete Gx, Gy und Gz montiert, von denen jedes einen bekannten mechanisch zitternden Ringlaser-Kreisel enthält. Die Innenflächen der Würfelwände 11 tragen Halteblöcke 12, die nahe den Zentren der Wandflächen angeordnet sind, um planare Halteflächen 13 zu schaffen, die senkrecht zur Wandebene verlaufen.

Die Blöcke sind paarweise sich gegenüberliegenden. Wandflächen zugeordnet und so gelegt, daß die Halteflächen jedes Paares koplanar sind, wobei diese Ebene durch den Würfel rechtwinklig zu den beiden anderen Ebenen verläuft und alle drei Ebenen sich im Schwerpunkt der Anordnung schneiden.

Jede der Halteflächen trägt einen Beschleunigungsmesser, die mit 15x, 15'x, 15y,

15'y, 15z und 15'z in Übereinstimmung mit ihren empfindlichen Achsen bezeichnet sind, die durch Pfeile an den Halteblocks dargestellt sind, und die sich in Richtung der Koordinatenachsen x, y und ζ erstrecken, die bei 14- gezeigt sind.

In jedem Paar sind die Beschleunigungsmesser 15 und 15' in gleichem Abstand auf jeder Seite des Schwerpunktes 14 angeordnet.

Wenn die Anordnung eine translatorische Beschleunigung erfährt, beispielsweise in x-Richtung, so ist der Durchschnitt der Signale von den Beschleunigungsmessern 15x und 15'x (eine Funktion ihrer Summe) ein Maß für die Translationsbeschleunigung in dieser Richtung. Wenn die Bewegung eine Rotation um die y-Achse einschließt, dann werden die Signale von den Beschleunigungsmessern 15x und 15'x subtrahiert und stellen durch ihre Differenz die Winkel beschleunigung um diese Achse dar. Die Signaldifferenz zwischen den Beschleunigungsmessern 15y und 15'y stellt die Winkelbeschleunigung um die z-Achse dar und die Signaldifferenz zwischen den Beschleunigungsmessern 15z und 15'z stellt die Winkel beschleunigung um die x-Achse dar.

Fig. 2 zeigt ein Beschleunigungsmesser-System Ax mit zwei Beschleunigungsmessern 15x und 15'x, die der x-Achse zugeordnet sind. Die Beschleunigungsmesser sind Einachsen-Geräte mit identischem Aufbau und jeder hat eine Arbeitsbandbreite von Null auf mehrere Kilohertz und jedes Gerät gibt ein Ausgangssignal in analoger Form ab. Ein geeignetes Gerät ist der Beschleunigungsmesser Sundstrand QA2000, hergestellt von der Firma Sundstrand Data Control Inc., Remond, Washington, U.S.A.

Die Ausgangssignale der Geräte 15x, 15'x, die der Stärke der Beschleunigung entsprechen, werden an Verstärker 16, 16' gelegt, wo die relativen Amplituden der Beschleunigungsmesser maßstäblich angepaßt werden.

Die Ausgänge der Verstärker 16, 16' werden an einen Summierverstärker 17 gelegt, dessen Ausgang 18 proportional zur Summe der Beschleunigungsmesser-Signale ist und der eine Funktion der translatorischen oder linearen Beschleunigung der Anordnung längs der x-Achse ist.

Die Ausgänge der Verstärker 16, 16' werden ferner an Eingänge eines Differenzverstärkers 19 gelegt, dessen Ausgangs der proportional zur Differenz zwischen den Beschleunigungsmesser-Signalen ist, eine Funktion der Rotationsbeschleunigung der Anordnung um die y-Achse ist.

Das Summensignal vom Ausgang 18, das sämtliche translatorischen Beschleunigungen der Anordnung in der x-Richtung umfaßt, wird ferner über einen Analog/Digital-Wandler 21 an einen Prozess-Computer 22 gelegt, der ferner das entsprechende Summensignal und Differenzsignal von den anderen Beschleunigungsmesser-Systemen Ay und Az von den Kreiseln Gx, Gy und Gz der Anordnung empfängt, um die Berechnungei durchzuführen, um die Bewegung der Anordnung infolge der Bewegung des Fahrzeugs in konventioneller Weise zu bestimmen.

Die Summen- und die Differenzsignale haben analoge Form und werden an eine konventionelle Korrekturschaltung 23 gelegt, um die Fehler infolge des Kegeleffekts und des Sculling-Effekts mittels analoger Schaltungen zu berechnen.

Signale, die sich auf Fehler beziehen, werden an den Computer 22 über einen Analog/Digital-Wandler 24 angelegt und benutzt, um die Ablesungen bzw. Messungen der Beschleunigungsmesser und Kreisel zu modifizieren, um diese Kegel- und Sculling-Bewegungen zu kompensieren.

Die Korrekturen, die die Korrekturschaltung 23 ausführt, sind nicht Teil der Erfindung, sie stellen die Lösung von bekannten Korrekturgleichungen dar, der Schaltkreis wird jedoch der Vollständigkeit halber kurz beschrieben.

Die Schaltung 23 ist unterteilt in zwei Abschnitte 25 und 26. Der obere Abschnitt 25 erzeugt Korrektursignale für die Kegel-Effekte um die drei Achsen, wobei die Kegel-Rate um eine gegebene Achse, z.B. die z-Achse, definierbar ist als £(Winkel der Rotation um die y-Aehse) χ (Winkel-Rate der Rotation um die y-Achse) J + C(Winkel der Roation um die x-Achse) χ (Winkel-Rate der Rotation um die y-Achse)J, wobei entsprechende Beziehungen für die Kegel-Raten um die x-Achse und die y-Achse gelten. Das Differenzsignal vom x-Achsen-Beschleunigungsmesser-System Ax stellt die Winkelbeschleunigung um die y-Achse dar, so daß ein erstes Zeitintegral des Signales die Winkelrate der Rotation und ein zweites Zeitintegral den Rotationswinkel um die x-Achse darstellt.

Der Ausgang 20 des Beschleunigungsmessers Ax (bezogen auf die Rotation um die y-Achse) wird an einen ersten Stufenintegrator 26y gegeben mit einer Ausgangsklemme 27y, die mit einem zweiten Stufenintegrator 28y verbunden ist, der einen Ausgang 29y hat. Der Ausgang 27y des Integrators 26y ist ferner an einen Eingang einer Multiplizierschaltung 30 gelegt, während ein zweiter Eingang mit dem Ausgang eines zweiten Stufenintegrators 28x verbunden ist (der x-Achsensignale vom Beschleunigungsmesser-System Az erhält). Der Ausgang 29y des Integrators 28x ist mit einem Eingang einer MultiplizierschaHung 31 verbunden, deren zweiter Eingang mit dem Ausgang des Integrators 26x verbunden ist. Die Produktsignale werden in einem Summierverstärker 32 addiert und das Signal am Ausgang 33 stellt die Kegel-Rate um die z-Achse dar. Das analoge Signal wird an den Analog/Digital Wandler 24 und dann an den Computer 32 gelegt, wie oben beschrieben.

Entsprechende Differenzsignale von den Beschleunigungsmessern Ay und Az werden entsprechend an erste Stufenintegratoren 26z und 26x gelegt.

Die anderen Integratorstufen sind entsprechend über Multiplizierschaltungen und Summierschaltungen gekoppelt um entsprechende x-Achsensignale und y-Achsensignale zu erzeugen.

Der untere Abschnitt 26 der Korrekturschaltung 23 erzeugt Korrektursignale für Fehler aufgrund des Sculling-Effekts, die für jede Achse, z.B. die Y-Achse, definiert werden können als £(Winkelverschiebung um die z-Achse) χ (lineare Beschleunigung längs der x-Achse)3 + [!(Winkelverschiebung um die x-Achse) χ (lineare Beschleunigung längs der z-Achse)l . Ein erster Eingang der Multiplizierschaltung 35y ist an den Ausgang 29z des zweiten Stufenintegrators 28z gelegt, um Signale zu empfangen, die eine Verschiebung um die z-Achse darstell en,und ein zweiter Eingang ist an den Summenausgang 18 des Beschleunigungsmesser-Systems Ax gelegt, um Signale zu empfangen, welche die lineare Beschleunigung längs der x-Achse darstellen. Die Multiplizierschaltung 35'y hat einen ersten Eingang, der mit dem Ausgang 29x des zweiten Stufenintegrators 28χ verbunden ist, um Signale zu empfangen, die eine Verschiebung um die x-Achse darstellen und einen zweiten Eingang, der mit dem Summenausgang des Beschleunigungsmesser-Systems Az verbunden ist, um Signale zu empfangen, welche die lineare Beschleunigung längs der z-Achse darstellen. Die Produktsignale, die an den Ausgangsleitungen 36y und 36'y der Multiplizierschaltung erscheinen, werden an einen Summenverstärker 37y gelegt

und dessen Ausgang auf der Leitung 38 stellt die Korrektur für den Sculling-Fehler dar, und dieser Ausgang wird über den Analog/Digital-Wandler 34 an den Computer 22 gegeben. Entsprechende Paare von Multiplizierschaltungen 35x, 35'x und 35z und 35'ζ empfangen Signale vom zweiten Stufenintegrator und den Beschleunigungsmessern, um Signale von ihren zugeordneten Summenverstärkern 37x und 37z zu erzeugen, um ein Kompensationssignal bezüglich des Sculling-Effekts für die x-Achse und die z-Achse zu erzeugen. Die relativen Amplituden der Signale, die von den Beschleunigungsmessern und den Integratoren 28 erhalten werden, können eine Einstellung oder Anpassung durch geeignete Verstärker oder Dämpfungsschaltungen erfordern, die aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen sind.

Die Verwendung analoger Signale und analoger Schaltungen, insbesondere die analogen Multiplizierschaltungen im Korrekturschaltkreis 23, befreit den Computer 22 von der Durchführung entsprechender digitaler Rechnungen, wodurch beträchtliche Computer-Arbeitszeit eingespart wird.

Während die Signale zur Kompensierung des Sculling-Effekts, wie gezeigt_s an den Computer gelegt werden, der sie benutzt, um die linearen Beschleunigungsmesser-Signale zu korrigieren (die von den Summensignal en abgeleitet sind), können die analogen Signale auf den Leitungen 38 geeignet angepaßt (scaled) und gemischt werden mit den analogen Summensignalen von den Beschleunigungsmessern, wodurch die Anzahl von Eingängen zum Computer und der Umfang der digitalen Prozeß-Arbeit reduziert werden kann.

Die Verwendung von Beschleunigungsmessern zur Ableitung der hochfrequenten Messungen der Winkelbewegung in analoger Form ermöglicht es, digitale Filter 39 am digitalen Ausgang der Ring-Laser-Kreisel zu verwenden, um hochfrequente Kreiselfehler und Rauschen zu eliminieren, um die im wesentlichen niederfrequenten Veränderungen zu erhalten, welche der Fahrzeugbewegung zugeordnet und für den Computer 22 erforderlich sind.

Ein Vorteil der vorbeschriebenen Anordnung besteht darin, daß, obwohl die einzelnen Beschleunigungsmesser mit ihren Stoßzentren versetzt gegeneinander montiert sind, kann das Stroßzentrum (centre of percussion) von jedem der drei orthogonalen Beschleunigungsmesser-Systemen koexistieren im Schwerpunkt 14

der Anordnung, wodurch die Notwendigkeit, Korrekturen wegen der Größen-Wirkung der Geräte an den Beschleunigungssignalen auszuführen, vollständig eliminiert wird und dadurch die Anordnung vereinfacht wird.

Die vorbeschriebene Anordnung der Beschleunigungsmesser vereinfacht aber nicht nur den Aufbau der Trägheitsplattform, sondern sie läßt weitere Möglichkeiten offen. Beispielsweise, da die Messungen der niederfrequenten Winkel bewegungen der Anordnung im wesentlichen von den Kreiseln ausgeführt werden und die hochfrequenten Messungen der Winkel bewegungen (für die Fehlerkorrektur) durch die Beschleunigungsmesser, können diese sich in ihren Arbeitsbereichen überlappen, so daß Vergleiche zwischen den erzeugten Signalen gemacht werden können, um die Genauigkeit und/oder Stabilität des Meßsystems zu bestimmen. Es kann auch eine Selbst-Prüfung zwischen den Beschleunigungsmessern jedes Beschleunigungsmesser-Systems vorgesehen werden. Geeignete Geräte (nicht gezeigt) können vorgesehen werden einschließlich Integrierschaltungen zum Integrieren der Ausgänge der Beschleunigungsmesser mit einer langen Zeitkonstante (um die Differential-Effekte einer vibrierenden oder schwingenden Rotation zu beseitigen) und Vergleichen der Ergebnisse, um Übereinstimmungen zwischen den Beschleunigungsmessern bzw. deren Ansprechvermögen herbeizuführen.

Die anhand von Fig. 2 beschriebene Trägheitsplattform verwendet zwei Beschleunigungsmesser mit großer Bandbreite, von denen jeder auf niederfrequente Trägheitsbewegungen des Fahrzeuges und auf die hochfrequenten Schwingungsbewe gungen der Anordnung, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, sowie irgendwelche, die durch das Fahrzeug induziert werden, ansprechen.

Beschleunigungsmesser, die eine derart breite Response-Bandbreite haben, sind jedoch relativ komplex und teuer. Eine alternative Ausführungsform eines Einachsen-Beschleunigungsmesser-Systems ist in Fig. 3 dargestellt.

Das Beschleunigungsmesser-System A¹X, das der x-Achse zugeordnet ist, hat ein Paar piezoelektrische Beschleunigungsmesser 4Ox und 40'x mit einem Hochfrequenz-Ansprechvermögen z.B. in einer Bandbreite von 3Hz bis 2KHz. Geeignete Beschleunigungsmesser sind der Typ 2250A, der von der Firma Endevco Corp., San Juan Capestrano, Kalifornien, U.S.A. hergestellt wird. Die hochfrequenten Beschleunigungsmesser, wie oben in der Beschreibung definiert, sind ähnlich

angeordnet wie die Beschleunigungsmesser 15x und 15'x, die oben in Verbindung mit Fig. 2 beschrieben wurden, d.h. sie haben gleiche Abstände vom Schwerpunkt 14 und liegen auf gegenüberliegenden Seiten des Schwerpunktes, wobei ihre empfindlichen Achsen in Richtung der x-Achse liegen. Das Beschleunigungsmesser-System hat ferner einen separaten niederfrequenten Beschleunigungsmesser 30"x, der ein konventionelles handelsübliches Trägheits-Qualitäts-Instrument ist, z.B. der vom Anmelder hergestellte Typ FA2, mit einer Frequenz-Response-Bandbreite von Null bis mehr als 50Hz.

Die Ausgänge der beiden hochfrequenten Beschleunigungsmesser 40x und 40'x werden über Anpaß-Verstärker 31 und 3Γ (scaling amplifiers) an Summier- und Differenzverstärker 42 und 43 gelegt, deren Ausgänge an eine Korrekturschaltung 44 gelegt sind, die dem Schaltkreis 23 nach Fig. 2 entspricht.

Der Ausgang 45 des Summierverstärkers 42 gibt ferner Signale an eine Kombinierschaltung 46, an welche die analogen Ausgangssignale des niederfrequenten Beschleunigungsmessers 40"x gelegt werden.

Die hoch- und niederfrequenten Beschleunigungsmesser-Signale werden geeignet in Verstärkern 47, 48 maßstäblich angepaßt (scaled),wobei diese Verstärker differentielle Ausgänge haben. Ein Ausgang jedes Verstärkers ist mit dem andern verbunden und bildet eine gemeinsame Schiene 44 für ein Tiefpaßfilter 50, das Signale vom Verstärker 47 empfängt und für ein Hochpaßfilter 51, das Signale vom Verstärker 48 empfängt. Die Ausgänge der Filter sind mit zwei Eingängen eines tömbinierverstärkers 52 verbunden, der einen Ausgang 53 hat, welcher Beschleunigungsmesser-Signale, die sich über die kombinierte Bandbreite erstrecken, an einen Analog/Digital-Wand!er 54 gibt und damit an einen Computer 55, der dem Computer 22 nach Fig. 2 entspricht. Die Komponenten der Filternetzwerke sind so gewählt, daß eine Übergangsfrequenz oder Kreuzungsfrequenz (crossover frequency) von etwa 10 Hz entsteht.

Entsprechende Beschleunigungsmesser-Systeme A'y und A'z erzeugen ebenfalls Summen- und Differenz-Signale für die Korrekturschaltung 44 und hoch- und niederfrequente lineare Response-Signale für den Eingang zum Computer 55.

Innerhalb dieses kombinierten Beschleunigungssignales sind nur Schwingungs-

komponenten vom Beschleunigungsmesser 40"x, die kleiner sind als die 10Hz-Frequenz, Fehlern infolge des Größen-Effekts ausgesetzt, so daß, obwohl der Computer einen Korrektur-Algorithmus für den Größen-Effekt benötigt, er weniger komplex ist und relativ wenig Rechenkapazität benötigt, wegen seiner Beschränkung auf einen Bereich von Frequenzen unter 10Hz. Messungen der Fehler aufgrund des Größen-Effekts können weiter vereinfacht werden, wenn der niederfrequente Beschleunigungsmesser, welcher einer der Achsen zugeordnet ist, im Schwerpunkt 14 angeordnet ist, so daß er keinen Fehlern aufgrund des Größeneffekts ausgesetzt ist und kompensierende Algorithmen nur bezüglich der beiden anderen niederfrequenten Beschleunigungsmesser benötigt werden.

Eine Trägheitsplattform mit Beschleunigungsmesser-Systemen, in welchen wenigstens die auf hochfrequente Bewegungen ansprechenden Teile symmetrisch angeordnet sind, damit sie gemeinsame Stoßzentren haben koinzident mit dem Schwerpunkt der Anordnung, ermöglicht es, translatorische und Rotations-Schwingungen zu bestimmen und zu verwenden zur Eliminierung von Fehlerquellen, wie z.B. die sogenannten Kegel-Effekte und Scull ing-Effekte, in analoger Form und mit größerem Vorteil als bei Verwendung digitaler Formen in den konventionellen Computern, wobei jedoch Fehler aufgrund von Größen-Effekten eleiminiert oder mindestens reduziert werden.

Wie oben erwähnt, können Mittel vorgesehen werden zur Selbstüberprüfung zwischen den hochfrequenten Beschleunigungsmessern jedes Systems. Ferner können solche Mittel vorgesehen werden, wenn eine Überlappung der Operations-Bänder der hochfrequenten und niederfrequenten Beschleunigungsmesser vorliegt. Signale in dem gemeinsamen Band können getrennt werden durch entsprechende Bandpaßfilter und verglichen werden, um eine Abweichung von der Konformität des Responses festzustellen.

Es können auch Beschleunigungsmesser-Systeme gebildet werden mit Beschleunigungsmessern großer Bandbreite oder Kombinationen von Beschleunigungsmessern mit beschränkten Bandbreiten.

Da ein in sich geschlossenes Beschleunigungsmesser-System geeicht hergestellt werden kann, um ein gewünschtes Ansprechvermögen über die gesamte Bandbreite

zu schaffen, ist es einfacher in einem System ersetzbar als individuelle Beschleunigungsmesser mit unterschiedlichen Charakteristiken. Ein solches in sich geschlossenes Beschleunigungsmesser-System kann paarweise benutzt werden als alternative Ausführungsform von Beschleunigungsmessern mit großer Bandbreite, wie oben in Verbindung mit Fig. 2 beschrieben wurde.

Claims

Ferranti pic - A 14 809 - Patentansprüche

1. Anordnung von Beschleunigungsmessern mit einer Trägheitsplattform, wobei jeder von drei orthogonalen Achsen ein Beschleunigungsmesser-System zugeordnet ist, gekennzeichnet durch wenigstens einen Beschleunigungsmesser, der in einem niederfrequenten Bereich arbeitet, einem Paar von Beschleunigungsmessern, die in einem hochfrequenten Bereich arbeiten und die in gleichen Abständen um ein Stoßzentrum angeordnet sind, das für die anderen orthogonalen Achsen gemeinsam ist und um den Schwerpunkt der Anordnung, daß Signal Verarbeitungsschaltungen vorgesehen sind, um aus der Summe der Signale von diesem Paar von Beschleunigungsmessern ein Summensignal zu erzeugen, welches die Schwingungsbeschleunigung der Anordnung längs dieser Achse darstellt, und um aus der Differenz der Signale von diesem Paar von Beschleunigungsmessern ein Differenzsignal zu erzeugen, das die Winkelbeschleunigung der Anordnung um eine dieser orthogonalen Achsen darstellt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungsschaltung eine Bemessungsschaltung aufweist zur Steuerung der absoluten und relativen Amplitude der Signale, die von den beiden Beschleunigungsmessern in dem hochfrequenten Bereich erzeugt werden, ferner mit einem Summierverstärker, der auf diese Signale anspricht und ein Summensignal erzeugt, das den algebraischen Durchschnitt dieser Signale darstellt, sowie mit einem Differenzverstärker, der auf die Differenzen in Größe und Polarität dieser Signale anspricht, um das Differenzsignal zu erzeugen.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein geschlossenes kubisches Gehäuse aufweist, und daß die Paare von hochfrequenten Beschleunigungsmessern, die jeder der drei Koordinatenachsen zugeordnet sind, an entgegengesetzten Innenseiten des Gehäuses angebracht sind.

4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Schaltungen zur Selbstüberprüfung vorgesehen sind, um die Signale zu vergleichen, die von dem Beschleunigungsmesser-Paar im hochfrequenten Bereich erzeugt und über eine Zeitspanne integriert worden sind, die lang ist relativ zu derjenigen der Rotationsbewegung zwischen dem Paar von Beschleunigungsmessern und um eine Differenz in ihrem Response anzuzeigen.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Beschleunigungsmesser-System zwei Beschleunigungsmesser hat, von denen, jeder eine Arbeits-Bandbreite hat, die von Null Hertz bis mehreren Kilohertz reicht.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Beschleunigungsmesser-System separate Beschleunigungsmesser für die Messungen von niederfrequenten und hochfrequenten Schwankungen der Beschleunigung aufweist.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der niederfrequente Beschleunigungsmesser eines Systems im Schwerpunkt der Anordnung angeordnet ist.

8. Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch eine Kombinierschaltung, die auf die Summensignale der Prozessor-Schaltung und auf Signale des niederfrequenten Beschleunigungsmessers anspricht, um ein einheitliches Beschleunigungssignal zu erzeugen, das sich über eine Bandbreite erstreckt, welche die niederfrequenten und die hochfrequenten Arbeitsbereiche der niederfrequenten und der hochfrequenten Beschleunigungsmesser einschließt.

9. Anordnung nach Anspruch 8dadurch gekennzeichnet, daß die Kombinierschaltung ein Kreuzungsfilter-Netzwerk aufweist mit einem Tiefpaßfilter zum Empfang von Signalen vom niederfrequenten Beschleunigungsmesser und zum Abgeben von Signalen mit Frequenzen unter einer vorgegebenen Kreuzungsfrequenz, sowie mit einem Hochpaßfilter zum Empfang von Signalen von der Summierschaltung der Prozessor-Schaltung und zur Abgabe von Signalen über dieser Kreuzungsfrequenz.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 6-9, gekennzeichnet durch eine weitere Selbstüberprüfungs-Schaltung mit Filtern zur Abgabe von Signalen von dem Beschleunigungsmesser, der im. niederfrequenten Band arbeitet und Signalen von den Beschleunigungsmessern, die im hochfrequenten Band arbeiten, an ein Band, das für beide Typen von Beschleunigungsmessern gemeinsam ist, ferner mit einer Vergleichsschaltung, um die Signale zu vergleichen, die

- von jedem Typ der Beschleunigungsmesser empfangen werden und eine Differenz in ihrem Response anzuzeigen.

11. Trägheitsplattform mit einer Anordnung aus orthogonalen Kreiseln, sowie einer Anordnung mit Beschleunigungsmessern nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit Computer-Schaltungen, die auf Signale ansprechen, die von den Kreiseln und den Beschleunigungsmessern geliefert werden, um die Bewegung der Plattform im dreidimensionalen Raum zu berechnen.

12. Trägheitsplattform nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine analoge Korrekturschaltung, die auf die Summen-Signale und die Differenz-Signale von jedem Beschleunigungsmesser-System anspricht, um Korrektursignale zu erzeugen bezüglich Fehlern, die durch den Kegel-Effekt oder den Sculling-Effekt hervorgerufen werden, wobei diese KorrektursignaIe zusammen mit den Signalen der Beschleunigungsmesser und der Kreisel bearbeitet werden.

13. Trägheitsplattform nach Anspruch 11 oder 12, gekennzeichnet durch eine Kreuzschaltung, die auf Signale der Kreisel anspricht, welche eine Bewegung um die Koordinatenachsen anzeigen, sowie auf Signale von den Beschleunigungsmessern, die ebenfalls eine Bewegung um die Koordinatenachsen anzeigen, um den Response dieser entsprechenden Instrumente zu vergleichen.