DE3884615T2

DE3884615T2 - Eine vom schlingern unabhängige magnetometeranordnung.

Info

Publication number: DE3884615T2
Application number: DE88902895T
Authority: DE
Inventors: Brian Daniels
Original assignee: SEC DEP FOR DEFENCE LONDON; UK Secretary of State for Defence
Current assignee: SEC DEP FOR DEFENCE LONDON; UK Secretary of State for Defence
Priority date: 1987-04-14
Filing date: 1988-03-31
Publication date: 1994-03-17
Anticipated expiration: 2008-04-01
Also published as: JPH03501159A; DE3884615D1; WO1988008139A1; CA1295126C; US4995165A; GB8922660D0; EP0363370B1; GB2230097B; EP0363370A1; GB2230097A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Magnetometeranordnungen für Steuerkursmessungen und insbesondere auf eine Anordnung, die von der Orientierung um eine Achse unabhängig ist.
Im US-Patent 3 936 949 ist eine Magnetometeranordnung beschrieben, in der Komponenten des Magnetfelds entlang dreier mit einem Fahrzeug verbundener Achsen gemessen werden und die Messungen zusammen mit Messungen von einem vertikalen Gyroskop an einen Computer zur Verarbeitung weitergegeben werden, um den Kurs des Fahrzeugs zu bestimmen.
In Space Science Instrumentation, Band 1, Nr. 2, 1975, S. 177-188, woraus der Oberbegriff vom Anspruch 1 abgeleitet wurde, ist ein dreiachsiges Fluxgate-Magnetometer beschrieben, das zwei Magnetkernsensoren mit zweiachsigen orthogonalen Sensorspulen benutzt. Dies liefert fiir beide Sensoren eine Reaktion entlang zweier orthogonaler Achsen.
Revue de Physique, Band 5, Nr. 1, Februar 1970, S. 175-177 offenbart einen Fluxgate-Sensor mit großem Längen/Breitenverhältnis, und zwar einen Sensor in einer Rennbahnkonfiguration. Für Unterwassersituationen benutzen heute typischerweise angewendete Vorrichtungen kardanisch aufgehängte Kompasse, die Steuerkursinformation aus seriell codierten Azimutmessungen liefern. Für viele Anwendungen sind geringes Gewicht und Zuverlässigkeit erforderlich. Die Zuverlässigkeit kann durch Eliminieren beweglicher Teile verbessert werden. Um ohne kardanische Aufhängung auszukommen, ist es nötig, eine Stellungsfühlervorrichtung vorzusehen, um den gemessenen Magnetvektor für Lageänderungen des Magnetsensors, die keine Kursänderungen sind, zu korrigieren. Ein Ansatz zur Messung der Magnetometerstellung war, empfindliche Beschleunigungsmesser zu benutzen. Dies hat sich aufgrund von Langzeitdrift und der Unfähigkeit, durch Wellen hervorgerufenen Stoßzuständen zu widerstehen, als problematisch erwiesen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine vom Schlingern unabhängige Magnetometeranordnung anzugeben, bei der die Abhängigkeit von beweglichen Teilen minimiert ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine vom Schlingern unabhängige Magnetometeranordnung zwei Magnetfeldsensoren, mit:
einem ersten Magnetfeldsensor in Form eines magnetischen Körpers von regelmäßiger Toroidform, der um eine Achse senkrecht zur Toroidebene symmetrisch ist und an einem beweglichen Objekt so montierbar ist, daß seine Achse parallel zu einer Schlingerachse des beweglichen Objekts liegt, und so eingerichtet ist, daß seine Flußempfindlichkeit vom Drehwinkel um die Schlingerachse unabhängig ist;
und einen zweiten am Objekt montierbaren Magnetfeldsensor, der angeordnet ist, um entlang der Schlingerachse empfindlich zu sein;
dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Sensor gerichtet ist, die Form eines langgestreckten magnetischen Körpers mit einem großen Längen/Breitenverhältnis hat, entlang der Schlingerachse angebracht ist und bemessen ist, daß er die genaue räumliche Ausrichtung auf den ersten Sensor zu ermöglicht und/oder zu vereinfacht und daß die Anordnung so ist, daß eine Komponente eines Magnetfelds entlang der Schlingerachse durch den zweiten Magnetfeldsensor und die Komponente des Magnetfelds seitlich zur Schlingerachse durch den ersten Sensor gemessen wird.
Vorzugsweise ist der zweite Sensor ein toroidförmiger magnetischer Körper in der Form eines langgestreckten rechteckigen Rahmens mit im Verhältnis zu den Querseiten relativ langen Längsseiten.
In der bevorzugten Anordnung ist der erste Sensor mit einer gleichförmigen primären Toroidalwicklung zur Verbindung mit einer Quelle eines Wechselstromerregersignals und mit einem oder mehreren Paaren von zueinander senkrechten sekundären, den Toroid umgebenden Abnehmerspulen versehen.
Alternativ können zusätzliche Toroide mit jeweils einem Satz von orthogonalen Spulen so gegeneinander versetzt angeordnet werden, daß alle Axialwinkeldaten bezüglich benachbarter Toroide gleiche Winkel haben. Der zweite Sensor ist entlang der Schlingerachse angeordnet und mit einer Primärspule zur Verbindung mit einer Quelle eines Wechselstrom-Erregersignals und einer den Magnetkörper umgebenden sekundären Abnehmerspule, deren Achse parallel zur Schlingerachse ist, versehen. Vorzugsweise sind beide Primärspulen mit derselben Wechselstromquelle verbunden. In der bevorzugten Anordnung sind die Abnehmerspulen des ersten und zweiten Sensors jeweils mit selektiv auf die zweite Harmonische der primären Frregersignale reagierenden Schaltungen verbunden. Vorzugsweise enthalten diese Schaltungen phasenempfindliche Detektoren. Die detektierten Signale von den orthogonalen Abnehmerspulen des ersten Sensors sind mit einer Verarbeitungsschaltung verbunden, in der die laterale Komponente eines äußeren Feldes von der Quadratwurzel der Summe der Quadrate der detektierten Signale abgeleitet wird. Vorzugsweise ist ein Speicher vorgesehen, der mit einer geeichten Nachschlagetabelle für die Kurse geladen ist, so daß die aus dem Verhältnis von longitudinalem zu lateralem Feld berechneten Kurse für beliebige Nichtlinearitäten korrigiert werden können; gleiches gilt für orthogonale Fehlerkorrektur des Toroidausgangssignals.
Vorzugsweise sind Einrichtungen vorgesehen, um den relativen Neigungswinkel der Schlingerachse des Magnetometersystems zum Erdfeld zu messen, so daß Ungenauigkeiten im aus der Nachschlagtabelle abgeleiteten Kurs aufgrund des Inklinationswinkels korrigiert werden können. Die Meßeinrichtungen können ein Neigungsmeßgerät zum Messen der Neigung des Magnetometers gegen die Horizontale umfassen.
In einer alternativen Anordnung kann die longitudinale Komponente des externen Feldes gemessen werden, indem parallel zur Schlingerachse ein Draht aus Mumetall oder anderem geeigneten Material, der einen Wechselstrom leitet, eine um den Mumetalldraht herum vorgesehene Abgreifwicklung, eine Gleichstrom-Vorspannungsquelle, die mit dem Mumetalldraht verbunden ist und ein mit der Abgreifwicklung verbundener Wechselstromdetektor vorgesehen werden, die so angeordnet sind, daß das Feld aus der Gleichstrom-Vorspannung bestimmt wird, die zum Aufheben der Wirkung des Feldes nötig ist.
Die Erfindung wird nun nur beispielhaft mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, von denen:
Fig. 1 ein bekanntes Magnetometer darstellt;
Fig. 2 und 3 die Änderung der Reaktion des Magnetometers auf ein sinusförmiges Erregungssignal zeigen, wenn ein externes Magnetfeld vorliegt;
Fig. 4 ein bekanntes Toroidmagnetometer zeigt
Fig. 5 ein erfindungsgemäßes Magnetometersystem zeigt;
Fig. 6a und 6b zur Darstellung einer Betriebsweise die Reaktionskurve der Magnetometeranordnung aus Fig. 5 zeigen;
Fig. 7 ein Blockdiagramm des Signalprozessors der Magnetometeranordnung aus Fig. 5 ist;
Fig. 8 und 9 das Magnetometer aus Fig. 5 in Drauf- und Seitenansicht zeigen, um das Stromphasenüberwachungskonzept zu veranschaulichen, das benutzt wird, um über 3600 korrekte Peilungsablesungen zu ermöglichen;
Fig. 10 eine alternative Magnetfeldsonde zur Verwendung in der Anordnung von Fig. 5 zeigt;
Fig. 11, 12 und 13 das Magnetometersystem aus Fig. 5 zeigen, um den Effekt des Inklinationswinkels des Erdmagnetfelds auf Kursmessungen zu veranschaulichen;
Fig. 14 ein Vektordiagramm ist, das den Effekt der Neigung auf den X-Vektor zeigt; und
Fig. 15 eine Anordnung zeigt, die ein Neigungsreferenzmagnetomet er für neigungskorrigier te Kursmessung benutzt.
Das Funktionsprinzip eines bekannten Magnetometers ist mit Bezug auf Fig. 1 bis 4 veranschaulicht. Die Grundfunktion eines Magnetometers ist, die Anwesenheit eines statischen Magnetfelds nachzuweisen, das Magnetfluß in einer stationären hochpermeablen Vorrichtung induziert. Dieser statische Magnetfluß dient zur Veränderung der B/H-Kurvenbetriebsart des magnetischen Materials in einer Weise, die ein magnetisches Ungleichgewicht erzeugt, wenn durch eine magnetomotorische Referenzkraft erregt wird. Ein Erregungssignal wird durch eine Eingangsspule 10 in einen Magnetkreis eingekoppelt. Der Magnetkreis umfaßt zwei beabstandete ferromagnetische Polelemente 11, 12, die an einem Ende durch ein weiteres ferromagnetisches Element verbunden sind, um das die Spule 10 angebracht ist. Eine Ausgangsspule 13-14 verläuft um die Polelemente 11, 12 und der in dieser Spule induzierte Strom wird benutzt, um ein externes Magnetfeld 15 zu bestimmen. Wenn das beeinflussende externe Magnetfeld 15 gleich Null ist, erzeugt ein an die Eingangsspule 10 angelegtes sinusförmiges Erregungseingangssignal entsprechende magnetische Felder A (21) und B (22) von entgegengesetzter Phase in den magnetischen Elementen 11 und 12, die zu einem in der Ausgangsspule 14 induzierten verschwindenden Strom A+B (23) führen. In Anwesenheit eines beeinflussenden externen Magnetfelds 15 jedoch ändert sich, wenn die Polelemente 11 , 12 asymmetrische Flußbeziehungen haben, der Arbeitspunkt (34) auf der B-H-Kennlinie 25 und das resultierende Signal 33 an der Ausgangsspule 14 hat die Form:
k-a cos 2n - b cos 4n - c cos 6n - ... (1),
wobei K, a, b ... konstant sind und n die Frequenz des Eingangssignals ist. Die Amplitude dieses Signals hängt von der Größe des beeinflussenden Feldes ab. Ein entsprechender Effekt wird erhalten, wenn eine Toroidwicklung 40 durch ein alternierendes Signal am Eingang 41 erregt wird und einem statischen Umgebungsmagnetfluß 42 unterworfen wird, wie in Fig. 4 gezeigt. Die Plus- und Minuszeichen zeigen das Flußungleichgewicht aufgrund der Anwesenheit des statischen Felds 42 an. Dies führt zu einem asymmetrischen Magnetfluß, der ein Signal am Ausgang 43 mit geradzahligen Harmonischen hervorruft (Gleichung (1)). Gängige Fluxgate-Magnetometer nutzen diese Eigenschaft, wobei sie einen horizontal angeordneten Toroidkörper mit orthogonalen Abgreifsolenoidspulen benutzen, um Y-Azimutkoordinaten abzuleiten. Diverse Signalverarbeitungstechniken werden benutzt, doch ist die gebräuchlichste die Verwendung eines Bandpaßfilters, um die Signale mit der zweiten Harmonischen zu extrahieren und eine tan&supmin;¹- Funktion auf die beiden Signale anzuwenden.
Dieses herkömmliche Fluxgate-Magnetometer ist empfindlich auf Magnetfluß in allen drei orthogonalen Koordinatenrichtungen und um es geeignet für Schleppmodul-Anwendungen zu machen, wäre es nötig, Stellungskompensation anzuwenden, um die Verwendung einer kardanischen Konstruktion zu vermeiden.
Fig. 5 zeigt ein erfindungsgemäßes Magnetometersystem. Die Anordnung ist so, daß es eine Längsachse hat, die parallel zur Schlingerachse eines gezogenen Moduls gemacht werden kann, so daß das Magnetometer unempfindlich gegen Schlingern ist, während Änderungen des Neigungswinkels durch einen einfachen Korrekturfaktor kompensiert werden können. Ein vertikal angeordneter Ferrittoroid 50 ist mit einer schraubenförmig um den Toroid gewundenen Erregungseingangsspule 51 versehen. Zueinander senkrechte "X"- und "Y"-Abgreifspulen 52 und 53 umgeben den Toroid. Koaxial mit dem Toroid 50 ist eine Magnetfeldsonde 54 ausgerichtet. Die Sonde 54 umfaßt einen langgestreckten Toroid, der einen rechteckigen Körper mit Seitenteilen 55, 56 bildet, die wesentlich länger als die Endteile 57, 58 sind. Die Sonde ist so angeordnet, daß die longitudinale Symmetrieachse der Probe 54 kollinear mit der Achse 59 des Toroids 50 ist. Eine primäre Eingangsspule 510 ist nacheinander um die Seitenarme 55, 56 der Sonde 54 gewickelt und eine sekundäre Abgreifspule 511 umgibt die Sonde.
Azimutwinkelmessungen werden durch den Neigungswinkel des Magnetometers gegen die Horizontale sowie durch den lokalen Winkel des Magnetfelds gegen die Horizontale - den Inklinationswinkel - beeinflußt. Wenn der Winkel der Vorrichtung relativ zum Magnetfeld φ ist, dann wird der wahre Winkel θ durch die Änderung des Magnetflusses im Toroid und in der Sonde aufgrund von φ beeinflußt.
Wenn der Toroid 50 vertikal montiert ist, ist die Summe der Quadrate der Signale von den Solenoidspulen 52 und 53 für alle Schlingerwinkel um die Achse 59 konstant.
Die orthogonalen Ausgangssignale x, y von den Spulen 52, 53 werden in komplexer Notation dargestellt, um die Vorzeichen der Winkel zu erhalten und im Falle eines Spulensatzes sei
x = sin θ sinα (2)
y = cos θ sinα ,
wobei θ der Schlingerachsenwinkel und α der Azimutwinkel ist.
Dann gilt [x² + ²] = sin α (3)
So ist die Wurzel der Quadratsumme der Ausgangssignale der beiden Spulen vom Azimutwinkel abhängig. Bei dieser Betriebsweise des Toroids 50 ist die zweite Harmonische des zusammengesetzten Ausgangssignals eine Funktion der Azimutposition und das Ausgangssignal ist unabhängig von der Stellung der Schlingerachse.
Der Toroid 50 erzeugt ein Ausgangssignal, das der lateralen Komponente des magnetischen Steuerkursvektors entspricht. Die longitudinale Komponente wird von der auf die Schlingerachse 59 ausgerichteten Sonde 54 abgeleitet.
Es sind unterschiedliche Signal verar bei tungsverfahren möglich, das gewählte Verfahren ist jedoch, die Vorrichtung mit in Sättigung getriebenen Magnetkernen zu betreiben, wie in Fig. 6a gezeigt. Ein Offsetmagnetfeld verzerrt das Ausgangssignal 60 (Fig. 6b) im Vergleich mit dem Ausgangssignal 61 ohne Offsetfeld. Frequenzverdoppelte Komponenten werden dann unter Anwendung eines phasenempfindlichen Nachweisprozesses nachgewiesen, wie unten beschrieben wird.
Fig. 7 verdeutlicht ein detailliertes Verfahren zum Ableiten von Steuerkursinformation. Erregungssignale der Frequenz N aus einer Frequenzquelle (nicht gezeigt) werden jeweils an die X-, Y-Spulen 70 und 71 von Toroid 72 und Sonde 73 angelegt. Zur Vereinfachung ist nur ein Satz orthogonaler X-, Y-Spulen gezeigt, obwohl die Genauigkeit der Messung verbessert wird, wenn mehr als ein Satz (n) verwendet wird. Bandfilter 74-76 lassen die frequenzverdoppelten Komponenten mit der Frequenz 2N von den X-, Y- und Sonden-Abgreifspulen 77, 78 bzw. 79 durch. Die gefilterten Signale werden jeweils an phasenempfindliche Detektoren 710-712 angeschlossen, an die auch eine Referenzfrequenz 2N angeschlossen ist. Die Referenzfrequenz 2N von der Erregungssignalquelle ist auch an die phasenempfindlichen Detektoren 710-712 über den gemeinsamen Eingang 713 angeschlossen. Eine Nachschlagtabelle (714) kann vorgesehen sein, um die X-, Y-Ausgänge der n Spulensätze zu überwachen und orthogonale Fehler der Solenoidspulen des Toroids auszugleichen. Typischerweise würde der Tangens des Schlingerwinkels überwacht durch Aufnehmen von X/Y- Werten über 715 unter Aktualisieren und Anwenden notwendiger Korrekturfaktoren über Kanal 716 auf die Quadratsummenwerte der X-, Y-Ausgangssignale, die in Schaltung 717 abgeleitet werden. Dies würde erreicht durch Abbilden der X/Y-Werte auf eine entsprechende Anordnung von während der Eichung abgeleiteten Faktoren. Diese Faktoren würden wahre Summenwerte,dividiert durch tatsächlich gemessene Summenwerte für jeden minimal auflösbaren Schlingerwinkel umfassen. Die Kehrwerte dieser Faktoren würden somit die zur Korrektur der ausgeführten Quadratsummenberechnungen verwendeten Faktoren bilden.
Für jeden Satz 1 bis n von Spulen werden die Ausgangssignale der phasenempfindlichen X-, Y-Detektoren in entsprechenden Schaltungen 718, 719 quadriert und der Betrag der komplexen Amplitude a (= [x² + y² - e²]) wird in der Schaltung 717 abgeleitet, wobei e eine vom gemessenen Inklinationswinkel abgeleitete Korrektur ist, wie noch beschrieben wird. Für ein System mit mehr als einem Satz orthogonaler Spulen ist der Betrag der komplexen Amplitude:
a = [x&sub1;² + y&sub1;² + x&sub2;² + y&sub2;²-xn² + yn²] (4)
für 'n' Sätze von Abgreifspulen. Das Ausgangssignal a der Schaltung 717 zusammen mit dem Ausgangssignal b vom phasenempfindlichen Sondendetektor 712 werden dividiert (720), um ein Ausgangssignal c (= a/b) zu liefern. Der Vektor 'b' wird, wie später beschrieben wird, in Abhängigkeit vom Inklinationswinkelkorrektursignal e und dem durch ein Neigungsmeßgerät 732 gemessenen Instrumentenneigungswinkel β korrigiert. Das Ausgangssignal c wird dann verarbeitet (721) und noch zu beschreibenden Korrekturen unterworfen, um ein Kursausgabesignal tan&supmin;¹c zu liefern. Der durch elektrische Messung (722) des relativen Winkels zwischen Magnetometerschlingerachse und Erdfeld erhaltene Meßwert des Neigungswinkels d wird verarbeitet (723), um ein Inklinationskorrektursignal e gleich f sin d zu ergeben. f ist das Ausgangssignal einer weiteren Schaltung 724 und ist gleich [x² + y² + b²] , wobei x und y vom Ausgangssignal g einer mit den phasenempfindlichen x-, y-Detektoren 710, 711 verbundenen Ausgabeeinheit 725 abgeleitet werden.
Ein Normalisierungswiderstand 726 mit einstellbarem Massenanschluß oder eine äquivalente Technik ist vorgesehen zur Eichung des Verhaltens von Sonde und Toroid. Um einer Nichtlinearität Rechnung zu tragen, ist ein PROM mit einer Nachschlagetabelle 727 vorgesehen, um die Kurswerte c zu korrigieren. Da das Toroidelement 72 frei in Schlingerrichtung drehbar ist, als auch einer azimutalen Schwenkbewegung unterliegt, muß eine Ost/West-Unterscheidung in Abhängigkeit von der Schlingerrichtung aus der Normalen vorgesehen werden. Dies kann erreicht werden durch Ermitteln und Überwachen der Phase der X-, Y-Solenoidspulen, die aus dem Ausgang (725) der X-, Y-phasenempfindlichen Detektoren 710 und 711 erhalten wird. So liefern die Toroidausgänge auch einen Eingangskanal 728, der Größe und Vorzeichen von X und Y an einen Polaritätssteuererfassungsspeicher 729 liefert. Die Vorzeichenvereinbarung zur Phasenüberwachung und die Verwendung der Information im Speicher 729 durch eine Azimutsektorkontrolle 730 zur Beseitigung der azimutalen Ost/West-Zweideutigkeit und zur Berichtigung der Kursberechnung (721) ist in Fig. 8 und 9 verdeutlicht, wobei das Beispiel für ein Paar von X/Y-Spulen gilt. Azimutwinkel sind grün oder rot bezeichnet, je nachdem ob sie östlich oder westlich vom Norden liegen. Der Schlingerachsenwinkel θ wird aus der Ebene der "X"-Abgreifspule 52 gemessen, wobei X positiv ist, wenn θ zwischen 0 und 90º liegt und Y negativ ist, wenn θ zwischen 90º und 180º liegt. Die Vorzeichentabelle ist daher: Grün Rot Vorzeichen von tan θ (y/x) Quadrant θº
Die Logik dahinter ist:
a. Wenn während einer progressiven Azimutänderung die Phase sowohl von x als auch von y umklappt, dann fällt der gemessene Azimutwinkel in den gegenüberliegenden 180º-Sektor.
b. Wenn das Vorzeichen von tan θ sich ändert, hat eine Schlingerverschiebung stattgefunden, und Größe und Phase sind im Speicher abgelegt, für späteren Vergleich.
c. Die Gefahr von Irrtum aufgrund nahezu gleichzeitigen Auftretens von Schlingern und Azimuttransfer in den gegenüberliegenden 180º-Sektor kann durch einen zusätzlichen Spulensatz wie beschrieben ausgeschaltet werden. Unter diesen Bedingungen ist die einzige elektrische Bedingung für Azimuttransfer, daß minimal n-1 Spulen eine Umkehr der Feldpolarität sehen. (Wobei n = Anzahl der Spulen. ) Inklinationswinkelkorrektur vor der Phasenüberwachung ist bevorzugt.
So trägt der Datenkanal 728 die Phaseninformation der Toroidausgangssignale. Im Speicher 729 fragt ein Algorithmus beide Toroidausgänge jedesmal ab, wenn eine Phasenumkehr auftritt, so daß gemäß der Logiktabelle ein Sektortransfer unter den vordefinierten logischen Bedingungen implementiert ist. Die Azimutsektorkontrolle 730 transferiert dann den Kurswert, backbord oder steuerbord bezüglich der Längsachse, zum Kursprozessor 721. So ist der Sensor durch Suchen nach Polaritätsumkehr bei einer oder mehreren der Toroidspulen in der Lage, zwischen Ost- und Westsektoren zu unterscheiden. Für von Null verschiedene Inklinationswinkel treten Phasenverschiebungen in den x/y-Spulen auf, so daß Umkehrungen verzögert werden, oder ein permanenter Offset im Ausgangssignal erfaßt wird. Die x/y-Vektoramplituden können korrigiert werden, so daß einem Inklinationswinkel von Null äquivalente Kompensation erreicht wird. Die Sektorkontrolle wird hinsichtlich des Inklinationswinkels korrigiert, indem das Inklinationswinkelsignal d zusammen mit einem Neigungssignal h von einem Neigungsmeßgerät 732 an den Speicher 729 angeschlossen wird. Dies liefert eine Vektorkorrektur für die x/y-Ausgänge des Toroids so daß eine Situation mit verschwindendem Inklinationswinkel simuliert wird.
Beim Einstellen des Magnetometers (zur Zeit t = 0) ist ein Sektoreinstellschalter 731 mit dem Speicher 729 verbunden, und die Azimutsektorkontrolle 730 wird so betrieben, daß Stromparameter von X- und Y-Spule in einem Schreib-Lesespeicher des Speichers 729 gespeichert werden, wobei die Magnetometerachse 59 typischerweise in einer Nordwest-Richtung liegt. Anschließend werden die Spulenstromparameter aktualisiert und liefern so eine Echtzeitaufzeichnung der Schlingerposition des Toroids.
Ein alternativer Ansatz ist, eine Ost/West-Transposition vorzusehen, so daß beim Einschalten der korrekte Sektor passend gewählt werden kann.
In der Praxis kann Systemintegration die Inkaufnahme kleinerer Ungenauigkeiten der relativen Position von Sonde und Toroid erfordern, in welchem Fall eine "sin max"-Schwellwertbedingung für die Sonde in den Algorithmus für die Sektortransferroutine einbezogen würde.
Alternative Verfahren zur Verarbeitung der Stromparameter können eingesetzt werden: Ein Magnetsystem kann als Magnetverstärker verwendet werden und nicht wie in Fig. 6 gezeigt in Sättigung getrieben werden. Dies erzeugt Verstärkung, wäre aber unidirektional, sofern nicht ein kontrolliertes Vormagnetisierungssignal an den Toroidkern angelegt werden könnte. Es wäre auch möglich, die Flußverweilzeit pro Halbzyklus zu quantifizieren und nach Beschneiden und Differenzieren mit einem Bezugssignal zu korrelieren.
Die unidirektionale Magnetfeldsonde 54 kann durch die in Fig. 10 gezeigte Anordnung ersetzt werden. Die Wechselstromquelle ist über einen Draht aus Mumetall oder anderem geeignetem magnetischem Material 101 angeschlossen, der parallel zur Schlingerachse 59 angeordnet ist. Eine Abgreifspule 102 ist um den Draht 101 gewickelt. Die Komponente eines externen Magnetfelds parallel zum Draht 101 wird durch Messen des Pegels eines Gleichstromvormagnetisierungssignals bestimmt, das an den Draht 101 angelegt wird, um das in der Abgreifspule 102 induzierte Wechselspannungssignal aufzuheben. Dieses Verfahren würde eine Korrektur der Änderung der Flußdichte des Erdmagnetfelds in Abhängigkeit von der globalen Position erfordern. Bei einer anderen Abwandlung können die orthogonalen x-, y- Spulen am Toroid vor der phasenempfindlichen Erfassung auf eine Frequenz von 2N abgestimmt werden.
Bei einer alternativen Anordnung kann Sensorneigung und Änderung des Inklinationswinkels des Erdmagnetfelds gleichzeitig kompensiert werden.
Der Inklinationswinkel φ ist der Winkel zwischen der Horizontalen und dem Erdmagnetfeldvektor. Der magnetische Kursfehler ist eine Funktion des Effekts des Inklinationswinkels auf die Ausgangssignale von Toroid und Sonde, wie gezeigt wird. Wenn die Vorrichtung in den Einfluß eines schrägen Magnetfelds gebracht wird, dann enthält das Quadratsummenwurzelausgangssignal des Toroids eine zum Sinus des Winkels zwischen Magnetvektor und Horizontaler proportionale Komponente. Zusätzlich wird das Sondenausgangssignal proportional zum Kosinus dieses Magnetvektorwinkels verringert.
Daher sind Inklinationswinkelkorrekturen notwendig, um den korrekten Kurs θ zu erhalten.
Die Magnetometervektorbeziehungen sind gezeigt in Fig. 11, wobei
Y = [x² + y² + z²] =sinδ
Kurs bei Inklinationswinkel φ (5)
X = (Sondenausgangssignal) = cos
sei.
Für den wahren Kurs beim Inklinationswinkel φ gilt
Yo = [x² + y²] = sin θ , (6)
wobei θ der wahre Kurs ist.
Die Komponente 'z' wird von der Feldstärke als Funktion von sin φ abgeleitet und erscheint als X&sub0; sin φ, wobei X&sub0; der Gesamtmagnetometervektor beim Inklinationswinkel φ ist. Alle obigen Beziehungen setzen voraus, daß die Ausgangssignale von Toroid und Probe gegen eine bekannte Referenz normalisiert sind.
Wahrer Kurs gegen Längsachse
= tan&supmin;¹ [wahre laterale Horizontalkoordinate/wahre longitudinale Horizontalkoordinate]
als alternative Anordnung, wie auch aus dem Vektordiagramm in Fig. 11 zu erkennen ist.
Inklinationswinkelkorrektur ist erforderlich, um eine vollständige globale Abdeckung zu erreichen. Eine solche Korrektur kann erreicht werden durch Verwendung des Quadratsummenwurzelausgangssignals von Toroid und Sonde.
Der allgemeine Ausdruck für das Ausgangssignal vom Toroid und Sonde beim Inklinationswinkel φ ist
Kn = [Y² + (Xφ sin φ)² + (Xφ cos φ)²] (8)
wobei Y² Toroid-Quadratsummensignal, nur x/y-Komponenten,
Xφ = Sondenausgangssignal bei Inklinationswinkel Null
Bei N-S-Ausrichtung wird der Y-Term gleich Null und der Ausdruck wird zu:
Kn = [Y²n + X²n] ,
wobei Xn = Xφ cos φ und Yn = Xφ sin φ.
Der Inklinationswinkel φ ist daher:
wie bei N-S-Ausrichtung erhalten (10)
Damit die arc cos φ-Funktion erhalten werden kann, ist ein Nord/Süd-Datenwert erforderlich, an dem der Wert von Xn/Kn bestimmt wird, wobei:
Kn = Quadratsummenwurzel von Toroid-X/Y- und Sondenausgangssignal und Xn = Sonde.
Dies kann getan werden mit einer Maxima aufsuchenden Sonde und einem gleichzeitig Minima aufsuchenden Toroid. Eine Aktualisierung der Eichung wird durchgeführt, wenn diese Bedingungen erfaßt worden sind.
Ein Nord- oder Süddurchgang ist notwendig, damit dies getan werden kann, und dies kann nachteilig sein. Eine Alternative ist, eine Vorrichtung 120 auf dem Schleppschiff zu verwenden, die nicht schlingert und daher leicht zu eichen und zu verarbeiten ist, wie in Fig. 12 und 13 gezeigt. Information über den Inklinationswinkel φ wird dann vom Schiff zur Schleppmodulvorrichtung 121 übertragen. Der Inklinationswinkeldetektor der Schiffsvorrichtung 120 könnte aus einem Toroid 130 und einer Sonde 131 bestehen, die so versetzt sind, daß die Sonde 131 vertikal ist.
In dieser Situation ist der Inklinationswinkel = sin&supmin;¹(Xn/Kn),
wobei
wobei Y² = Toroidquadratsummenausgangssignal und
X² = quadriertes Sondenausgangssignal Die Wirkungen der Neigung θ des Moduls können im Schleppmodul 121 beispielsweise durch einen einfachen differentiellen hydrostatischen Druckdetektor kompensiert werden.
Die Neigung des Moduls 121 gegen die Horizontale ist gegeben durch arc sin [k(P1-P2)/l], wobei P1 - P2 die im Abstand 1 gemessene Druckdifferenz ist. Die Vektorkorrektur 123 wird dann auf die gemessene X'-Komponente 124 mittels der Beziehung
aus Fig. 14 angewandt, wobei X die wahre Longitudinalkomponente, X' der beim Winkel β gemessene Wert und Z = Xo sin φ (aus Gleichung 7) sind.
Eine Alternative zu diesem Verfahren ist, ein PROM mit Nachschlagetabelle für unterschiedliche Inklinationswinkel zu verwenden, und in das Navigationssystem des Transportschiffs zu integrieren, um eine lokale Aktualisierung des Inklinationswinkels zu ermöglichen.
Als Alternative ist es möglich, ein Außenbord ("wet end")- Referenzmagnetometer 151 wie in Fig. 15 mit einem Schlingerfreiheitsgrad (um die Achse 152) zu verwenden, um eine vertikale Referenz in der Y/Z-Ebene zu liefern, wobei sich in diesem Fall die Vorrichtung mit dem Meßmagnetometer gegen die Horizontale neigt. Dies ermöglicht die direkte Messung der 'Z'-Komponente beim Winkel β und damit die Berechnung des wahren Werts von X. Bei dieser Anordnung ist die Verarbeitungsschaltung 723 nicht erforderlich, da e dann die unter diesen Bedingungen gemessene Z-Komponente ist:
X = X¹/cosβ (1 - sin 2ß) - Z¹sinβ ,
wobei Z¹ die gemessene 'Z'-Komponente ist.

Claims

1. Vom Schlingern unabhängige Magnetometeranordnung für Kursmessungen mit zwei Magnetfeldsensoren, mit:

einem ersten Magnetfeldsensor (50) in Form eines magnetischen Körpers von regelmäßiger Toroidform, der um eine zur Toroidebene senkrechte Achse symmetrisch ist und an einem beweglichen Gegenstand so montierbar ist, daß seine Achse parallel zu einer Schlingerachse (59) des beweglichen Gegenstands ist und so angeordnet ist, daß seine Magnetflußempfindlichkeit vom Drehwinkel um die Schlingerachse (59) unabhängig ist;

und einem zweiten Magnetfeldsensor (54), der am Gegenstand montierbar ist und so angeordnet ist, daß er entlang der Schlingerachse (59) empfindlich ist; dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Sensor (54) gerichtet ist, die Form eines langgestreckten magnetischen Körpers mit einem großen Längen/Breitenverhältnis hat, längs der Schlingerachse (59) angeordnet ist und so bemessen ist, daß er die genaue räumliche Ausrichtung auf den ersten Sensor (50) ermöglicht und/oder vereinfacht, und daß die Anordnung so ist, daß eine Komponente eines Magnetfelds entlang der Schlingerachse (59) durch den zweiten Magnetfeldsensor (54) und die Komponente des Magnetfelds senkrecht zur Schlingerachse (59) durch den ersten Sensor (50) gemessen wird.

2. Magnetometersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Sensor (54) ein toroidförmiger magnetischer Körper in Form eines langgestreckten rechteckigen Rahmens ist, dessen Längsseiten (55, 56) lang im Vergleich zu den Querseiten (57, 58) sind.

3. Magnetometersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Sensor (50) mit einer gleichförmigen primären Toroidwicklung (51) zur Verbindung mit einer Quelle eines alternierenden Erregersignals und mit einem oder mehreren Paaren (52, 53) von zueinander senkrechten, den Toroid umschlingenden sekundären Abgreifspulen versehen ist.

4. Magnetometersystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Sensor (54) mit einer Primärspule (510) zur Verbindung mit einer Quelle für ein alternierendes Erregersignal und einer sekundären Abgreifspule (511) versehen ist, die den Magnetkörper umschlingt und eine Achse parallel zur Schlingerachse (59) besitzt.

5. Magnetometersystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärspulen (51, 510) des ersten und zweiten Sensors mit der gleichen Wechselstromquelle verbunden sind.

6. Magnetometersystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgreifspulen des ersten und zweiten Sensors jeweils mit selektiv auf die erste Oberwelle des primären Erregersignals empfindlichen Schaltungen (74, 75, 76) verbunden sind.

7. Magnetometersystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberwellenschaltungen phasenempfindliche Detektoren (710, 711, 712) enthalten.

8. Magnetometersystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Abgreifspulen (52, 53) des ersten Sensors (50) erfaßten Signale mit einer Verarbeitungsschaltung (717) verbunden sind, in der die senkrechte Komponente eines äußeren Feldes von der Quadratwurzel der Summe der Quadrate der erfaßten Signale abgeleitet wird.

9. Magnetometersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch einen Speicher (714, 727), der mit einer geeichten Kursnachschlagetabelle programmiert ist, so daß die aus dem Verhältnis von Längskomponente und Lateralkomponente des Feldes abgeleiteten berechneten Kurse hinsichtlich jeglicher Nichtlinearität und auch hinsichtlich Orthogonalfehler der Solenoidspulen des Toroids korrigiert werden können.

10. Magnetometersystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen (732, 733; 151) zum Messen oder Ableiten des relativen Neigungswinkels der Schlingerachse des Magnetometersystems gegen das Erdfeld vorgesehen sind, so daß der aus der Nachschlagetabelle abgeleitete Kurs hinsichtlich Ungenauigkeiten durch die Inklination korrigiert werden kann.

11. Magnetometersystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung ein Neigungsmeßgerät (732) zum Messen der Neigung des Magnetometers gegen die Horizontale und eine damit verbundene Einrichtung (733) zur Korrektur der Magnetometermessungen beinhaltet.

12. Magnetometersystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hilfsreferenzmagnetometer (151) als Einrichtung zur Inklinationswinkelkorrektur in Verbindung mit dem Neigungsmeßgerät vorgesehen ist.

13. Magnetometersystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Referenzmagnetometer mit einem Freiheitsgrad um die Schlingerachse des Magnetometersystems gelagert ist.

14. Magnetometersystem nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Magnetfeldsensor (54) ein zur Schlingerachse (59) paralleler, einen Wechselstrom leitender Draht (101) aus u-Metall oder anderem magnetischem Material ist, und daß ferner eine Abgreifwicklung (102) um den Draht (101) und ein mit der Abgreifwicklung verbundener Wechselstromdetektor vorgesehen sind, die so angeordnet sind, daß das Feld aus dem zum Aufheben der Feldwirkung erforderlichen Verschiebungsgleichstrom bestimmt wird.