DE3923506A1 - Navigationsgeraet mit einem dreiachsigen messwinkel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Navigationsgerät nach Anspruch 1, sowie ein Verfahren zur Anwendung dieses Gerätes nach Anspruch 2.

Mit diesem Gerät, einschließlich Verfahren, kann ohne Zuhilfenahme künst­ licher, vom Menschen geschaffener Hilfen, z. B. Funkbaken, optische Peil­ punkte usw. allein durch drei global ausreichend vertretene, physikalische Größen, navigiert werden.

Geräte mit ähnlicher Aufgabenstellung sind aus der Flug- und Raumtechnik bekannt und finden vorwiegend dort Verwendung wo es sich um die räumliche Stabilisierung von Flugkörpern, Positionen oder Richtungen handelt.

Drei rechtwinkelig zueinander stehende Achsen bilden in aller Regel hierzu die physikalische Grundlage. Vorzugsweise kommen Kreisel, Funkfeuer, träge Massen aber auch optische Fixpunkte in Betracht. Vor diesem Hintergrund lassen sich stabilisierte Plattformen erstellen, die als Basis für weitere Aktionen (z. B. zur Navigation) dienen.

Diese Techniken befinden sich bereits auf einem sehr hohen, ausgereiften Niveau und entziehen sich folgedessen und im Sinne allgemeiner Anwendbar­ keit dem Nichtfachmann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, global ausgelegte Navigation mit einfachster Technik, minimiertem Restaufwand und ohne zusätzliche, von außen herangetragene, künstliche Hilfen auszukommen und so dem Laien diese Handlungsweisen zu eröffnen.

Gemäß der Erfindung werden drei global zugängliche, physikalische Größen aus dem jeweiligen Umfeld des Standortes aufgenommen und mit den gleichen Größen des Zielortes verglichen. Das Erdmagnetfeld und extraterrestrische Objekte (Sonne, Stern(e), Mond, alternativ auch Satellitensignale) fungieren dabei als Eingangsgrößen, am Ausgang - dem Lot - wird das Nutz­ signal - Richtung und Entfernung - abgenommen.

Der Zugriff zum Endergebnis erfolgt ohne komplizierte Verfahrensregeln, langwierigen Beobachtungen und ohne besondere Schulung der Bedienperson; es ergibt sich unmittelbar nachdem das Gerät mit wenigen Handgriffen ein­ gestellt wurde. Die erreichbaren Vorteile liegen somit auf der Hand, wobei gegenüber der Zielgenauigkeit gewisse Abstriche eingeräumt werden müssen. Es ist aber auch nicht Aufgabe dieses Gerätes, konkurrierent gegenüber bereits etablierten Systemen, bezüglich der Zielgenauigkeit anzutreten. Vielmehr liegen die Vorzüge dieser Navigationskonzeption darin, daß es auch ohne Vorbildung vom Laien, eigenständig, als ein in sich ge­ schlossenes System genützt werden kann. Globale Zielgenauigkeit von klei­ ner als 50 Km ist mit einer entsprechend konzipierten Ausführung möglich. Zum Gegenstand der Anmeldung wird an Stelle einer eingebauten Uhr, die funktionsnotwendig zur Einstellung des Y-Schenkels zählt, ein speziell programmierter Taschenrechner empfohlen. Durch diese Maßnahme minimiert sich der technisch- mechanische Aufwand bei gleichbleibendem Bedien­ komfort.

Nachfolgend wird die Erfindung durch ein Anwendungsbeispiel und einer zeichnerischen Darstellung näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt den dreiachsigen Meßwinkel mit dem Schenkel X für das Erdmag­ netfeld M′, Schenkel Y für das Azimut A′ der Sonne (Schattenwurf) und Schenkel L für das Lot L′.

Das Erdmagnetfeld, das Azimut der Sonne und die Lotrichtung sind die physi­ kalischen Größen dieses Beispiels:

• a) Das Erdmagnetfeld beinhaltet verschiedene Gradienten, einer davon ist die Inklination. Darunter wird der Winkel des Erdmagnetfeldes verstan­ den, der sich gegenüber der horizontalen Ebene an einem bestimmten Ort ergibt. Am Nord- oder Südpol tritt dieses Feld senkrecht aus der Erde, neigt sich entsprechend der geografischen Breite, bis es am Äquator horizontal zu liegen kommt und steigt im weiteren Verlauf zum Pol wieder an. Die Richtung des Erdmagnetfeldes M′ wird über ein einfaches Magnetometer erfaßt, welches in seiner Wirkrichtung der Achse M ent­ spricht. Es erfordert bislang den größten gerätetechnischen Aufwand; jedoch bietet der auf diesem Gebiet vorhandene technische Fortschritt bereits einfache Lösungen an.
• b) Das Azimut A′ eines extraterrestrischen Objektes (z. B. Sonne) ist nach der hier unterstellten Anwendung die Richtung, die vom Beobachtungs­ standort zum Lot dieses Objektes am Horizont zeigt (z. B. Mittagssonne = Süden). Das Azimut ist demnach einer Raumachse vergleichbar - eine Richtung, kein Winkel zu Nord oder Süd. Infolge der Kugelgestalt der Erde ergeben sich global unterschiedliche Azimutrichtungen. Bedingt durch die Erdrotation werden diese Richtungen zusätzlich einer kontinu­ ierlichen Drehbewegung unterworfen. In der einfachsten Ausführung genügt bereits der Schattenwurf der Sonne. Mit einem, auf einer Teilscheibe aufgebrachten Ring kann das Azimut des Zielortes nachgebildet bzw. erkannt werden (Schatten quert diametral den Ring). Dieses einfache Hilfsmittel entspricht durchaus den gestellten Anforderungen. Einem Taschenrechner ist das Azimut des Zielortes zu entnehmen, wobei zweckmäßigerweise nur die geografischen Koordinaten dieses Ortes eingelesen werden sollten.
• c) Das Lot L′ ist eine gravitative Kraftrichtung zum Erdmittelpunkt hin. Mit einer Dosenlibelle können Abweichungen vom Lot erkannt und darge­ stellt werden; sie dient als Ausgang des Navigationsgerätes - zur Aus­ sage über Richtung und Entfernung. Nicht erforderlich, aber vorteilhaft ist eine axiale und zentrische Gradeinteilung der Libelle.

Bevor das Gerät funktionsgerecht zum Einsatz kommt, muß die Achse X und Y entsprechend den Bedingungen am Zielort zueinander und gegenüber der Lot­ achse L eingestellt werden.

Voreinstellung der Achse X:
Die magnetische Inklination eines Ortes - Winkel des Erdmagnetfeldes ge­ genüber der horizontalen Ebene - entspricht in Annäherung der geografi­ schen Breite dieses Ortes (stehen diesbezüglich genauere Daten zur Verfü­ gung, so ist dies von Vorteil). Demnach kann die bekannte geografische Breite des Zielortes direkt auf die Achse X (gegenüber der Lotachse) ein­ gegeben werden, z. B. 50 Grad geografische Breite entspricht in Annäherung 50 Grad magnetische Inklination (vgl. Fig. 1).

Voreinstellung der Achse Y:
Entsprechend der Ausstattung des Taschenrechners, werden die geografischen Koordinaten des Zielortes in das Programm eingelesen. Das daraus resul­ tierende Ergebnis (z. B. 90 Grad) wird als Azimut des Zielortes auf die Teilscheibe des Azimutmessers übertragen (vgl. Fig. 1). Damit ist die Einstellung des Gerätes entsprechend dem Zielort (bekannter Ort) abgeschlossen.

Wird nun am unbekannten Ort der Schenkel X des dreiachsigen Meßwinkels an die örtlich vorhandene Magnetfeldrichtung M′ raumlagegleich angelegt und in gleicher Weise durch eine entsprechende Drehung um diese Achse M′ auch mit Schenkel Y verfahren (Y an A′ anlegen), so ergibt sich am Lotschenkel L gegenüber L′ eine Vektorabweichung die der geografischen Richtungs- und Entfernungsbeziehung beider Orte entspricht.

Die Vektorrichtung, die von L nach L′ zeigt ist die Richtung zum Zielort und kann an der Libelle direkt abgelesen werden (Abweichungsrichtung der Blase vom Mittelpunkt); die Vektorgröße (Abweichungsgröße der Blase vom Mittelpunkt) entspricht der Entfernung (Fig. 1 zeigt die Einstellung am Zielort).

Wird anstelle der Eingangsgröße M′ die Richtung zum Himmelspol eingesetzt, so ergeben sich revers angezeigte Richtungen die in ihrer Endbewertung mit zu berücksichtigen sind. Mit dem angesprochenen einfachen Anwendungsbeispiel können sich in Äqua­ tornähe - zur Zeit der Tag-Nachtgleiche - ungenaue Aussagen einstellen. Nur durch die Wahl anderer, geeigneter Eingangsgrößen oder zeitlichem Aus­ weichen kann möglichen Fehlaussagen begegnet werden. Je nach Anwendung und Voraussetzung läßt sich das Gerät als Tag- und/oder Nachtsystem ausbauen bzw. handhaben und fördert letztendlich das Verständnis über die Zusammen­ hänge der in der Natur vorkommenden navigationsrelevanten Parameter.

Zur Steigerung der Einsatz- und Aussagefähigkeit dieses Gerätes lassen sich durchaus noch technische Raffinessen einbringen, jedoch sollte dabei die ursprüngliche Zielsetzung ··· mit geringstem Aufwand ··· nicht aus dem Auge verlorengehen.

Claims (3)

1. Navigationsgerät mit einem dreiachsigen Meßwinkel zur Ermittlung von Richtungs- und Entfernungsbeziehungen zwischen zwei geografischen Orten, dadurch gekennzeichnet, daß an drei Achsen, die zu einem dreischenke­ ligen Meßwinkel vereint sind und die jeweils eine/jede Winkelbe­ ziehung einnehmen können, Sensoren zur Erkennung bzw. zum Vergleich bestimmter, ortstypisch axial ausgerichteter, physikalischer Reizan­ gebote angebracht sind,

• - ein Sensor am Schenkel X als Eingang mit Wirkrichtung zumindest einer erdgebundenen oder extraterrestrischen physikalischen Größe,
• - ein Sensor am Schenkel Y als Eingang mit Wirkrichtung zu mindest einem extraterrestrischen Objekt und
• - als Ausgang ein Sensor am Schenkel L der im Vergleich zur Lotrechte L′ des Standortes seine Wirkung in die Horizontale entfaltet, so daß sein Produkt - Richtungs- und Entfernungsaussage - direkt in dieser Ebene angezeigt wird.

2. Verfahren zur Anwendung des Navigationsgerätes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Schenkel des Meßwinkels X und Y die zur Aufnahme ortstypisch axial ausgerichteter, physikalischer Reiz­ angebote aus dem Umfeld eines Standortes dienen, mit einer dem Ziel­ ort entsprechenden - alle Schenkel betreffenden Einstellung, unverän­ dert in eine sinn-, zeit- und raumlagegleiche Ausrichtung der gleichen - am unbekannten Ort vorgefundenen Achsen gebracht werden, um alsdann am Systemausgang - am Lotmesser L - der im Vergleich zum örtlichen Lot L′ steht - das Nutzsignal für Richtung und Entfernung zu gewinnen.

3. Navigationsgerät und Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Lotsensor L - abgesehen und unab­ hängig der zum Einsatz kommenden Reizangebote und Verfahrensschritte - autark zur Aussage über Richtungs- und Entfernungsbeziehungen gegenüber jedem geografischen Ort herangezogen werden kann.