DE4008197A1 - Nordrichtungsbestimmender sensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen nordrichtungsbestimmenden Sensor, enthaltend

• a) einen zweiachsigen, elektrisch gefesselten Kreisel mit einer Drallachse und einer ersten und einer zweiten Eingangsachse, die zueinander und zu der Drallachse senkrecht sind, wobei die Drallachse im Betrieb wenigstens näherungsweise vertikal ist,
• b) Lagesensormittel, welche auf Abweichungen der Drallachse des Kreisels von der Vertikalen ansprechen, und
• c) Signalverarbeitungsmittel, auf welche die Signale des Kreisels und der Lagesensormittel aufgeschaltet sind, zur Erzeugung einer den Azimutwinkel nach Nord wiedergebenden Ausgangsinformation.

Zugrundeliegender Stand der Technik

Die DE-B 2-27 41 274 zeigt ein Gerät zur Bestimmung der Nordrichtung mit einem zweiachsigen, elektrisch gefesselten Kreisel, bei welchem die Drallachse vertikal angeordnet ist. Ein Azimutwinkel wird aus dem Verhältnis der Kreiselsignale an den beiden Eingangsachsen des Kreisels gewonnen. An diesen Eingangsachsen sind nämlich Komponenten der Horizontalkomponente der Erddrehgeschwindigkeit wirksam. An dem Kreisel sind weiterhin Lagesensormittel in Form von Beschleunigungsmessern vorgesehen, welche auf Abweichungen der Drallachse des Kreisels von der Vertikalen ansprechen. Eine Signalverarbeitungsschaltung, auf welche die Signale des Kreisels und der Lagesensormittel aufgeschaltet sind, erzeugen eine den Azimutwinkel nach Nord wiedergebende Ausgangsinformation.

Die DE-C 2-30 50 615 zeigt eine Vorrichtung zur Bestimmung der Nordrichtung mit einem zweiachsigen, elektrisch gefesselten Kreisel, der in einem Azimutrahmen mit zur Azimutachse senkrechter Drallachse angeordnet ist. Zur Bestimmung der Nordrichtung bei Kompensation von Kreiselfehlern ist der Azimutrahmen in verschiedene, um 90° gegeneinander winkelversetzte Stellungen verdrehbar. Die dabei erhaltenen Signale sind auf eine Signalverarbeitungsschaltung aufgeschaltet.

Die DE-B 1-29 03 282 zeigt ein Gerät zur Bestimmung der Nordrichtung ähnlich dem Gerät nach der vorerwähnten DE-B 2-27 41 274. Nach der DE-B 1-29 03 282 ist der Kreisel um eine mit der Kreiseldrallachse zusammenfallende, vertikale Achse um 180° verdrehbar. Die in den beiden 0°- und 180°-Positionen erhaltenen Kreiselsignale werden gespeichert und auf eine Signalverarbeitungsschaltung aufgeschaltet. Dabei wird durch Differenzbildung der Signale ebenfalls eine Kompensation bestimmter Kreiselfehler erreicht.

Die DE-C 2-29 22 411 zeigt ein Gerät zur automatischen Bestimmung der Nordrichtung in einem Fahrzeug mit einem zweiachsigen, elektrisch gefesselten Kreisel, dessen Drallachse parallel zur Fahrzeughochachse verläuft, also im wesentlichen vertikal angeordnet ist. Lagesensormittel in Form von zwei Beschleunigungsmessern sprechen auf Abweichungen der Drallachse von der Vertikalen ab. Aus den Signalen der Beschleunigungsmesser und des Kreisels werden Signale erzeugt, welche den Azimutwinkel nach Nord liefern. Zur Kompensation von Kreiselfehlern erfolgt eine Verdrehung des Kreisels um 180° um eine Eingangsachse, so daß der Drallvektor umgekehrt wird.

Die DE-C 2-31 43 527 betrifft ein Gerät zur Bestimmung der Nordrichtung, ebenfalls ähnlich dem, das in der DE-B 2-27 41 274 beschrieben ist. Nach der DE-C 2-31 43 527 wird der Kreisel um die vertikale Drallachse in vier jeweils um 90° gegeneinander winkelversetzte Stellungen verdreht. Signalverarbeitungsmittel erzeugen daraus ein Signal, das den Azimutwinkel nach Nord unter Kompensation von Kreiselfehlern wiedergibt.

Die DE-A 1-37 02 022 zeigt eine Trägheitssensoranordnung zur Messung der auf drei Achsen bezogenen Komponenten der Winkelgeschwindigkeit und der Beschleunigung. Eine solche Anordnung soll mit möglichst wenigen Sensoren kompakt aufgebaut werden. Zu diesem Zweck sind drei zweiachsige Wendekreisel vorgesehen, die definiert unterschiedliche, unwuchtbedingte Beschleunigungsempfindlichkeit zeigen. Die sechs Kreiselsignale der Wendekreisel werden so zur Bildung von sechs Ausgangssignalen linearkombiniert, daß drei Ausgangssignale die Komponenten der Winkelgeschwindigkeit und drei Ausgangssignale die Komponenten der Beschleunigung wiedergeben.

Eine ähnliche Anordnung zeigt die US-A 43 20 699. Es geht hierbei nicht um die Bestimmung der Nordrichtung aus Komponenten der Erddrehgeschwindigkeit.

In dem Buch "Kreiselgerät" von Dipl.-Ing. Wolf von Fabeck, 1. Auflage (1980), Seite 409, ist ein Kreisel-Beschleunigungsmesser beschrieben, bei welchem ein zentral angeordneter Antriebsmotor zwei zu beiden Seiten davon angeordnete, dynamisch abgestimmte Kreisel antreibt. Einer der Kreisel dient als Kreisel-Beschleunigungsmesser, und der andere Kreisel dient als Wendekreisel. Der Wendekreisel liefert die Drehgeschwindigkeit, die Differenz der Signale von Kreisel-Beschleunigungsmesser und Wendekreisel liefert die Translationsbeschleunigung.

Auch hier geht es nicht um die Bestimmung der Nordrichtung.

Die DE-C 2-32 13 720 zeigt ein Federgelenk für dynamisch abgestimmte Kreisel.

Offenbarung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen nordrichtungsbestimmenden Sensor der eingangs genannten Art einfach und kompakt aufzubauen, wobei Abweichungen der Drallachse des Kreisels von der Vertikalen genau und empfindlich erfaßt werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Lagesensormittel einen zweiten elektrisch gefesselten Kreisel enthalten, dessen Drallachse zu der Drallachse des erstgenannten Kreisels in definierter Weise ausgerichtet ist und der mit einer definierten Unwucht behaftet ist.

Die Lage der Drallachse kann dann in zwei Richtungen durch den als Kreisel-Beschleunigungsmesser wirkenden zweiten Kreisel in Verbindung mit den nicht-unwuchtigen Kreisel mit hoher Genauigkeit bestimmt werden. Der nicht-unwuchtige Kreisel liefert die Komponenten der Erddrehgeschwindigkeit. Die Kreiselsignale können hinsichtlich der Abweichung der Drallachse von der Vertikalen in bekannter Weise korrigiert werden.

Vorteilhaft ist es, wenn die Drallachsen der beiden Kreisel zusammenfallen. Dabei können die beiden Kreisel von einem gemeinsamen Antriebsmotor antreibbar sein. Die beiden Kreisel können dynamisch abgestimmte Kreisel sein. Der gemeinsame Motor kann dann zentral in einem Kreiselgehäuse angeordnet sein und mit den zu beiden Seiten angeordneten Kreiselrotoren in Antriebsverbindung stehen. Es ergibt sich dadurch ein kompakter und genauer nordrichtungsbestimmender Sensor. Zur weiteren Erhöhung der Genauigkeit durch Eliminierung von Kreiselfehlern kann das Kreiselgehäuse um die Drallachse der Kreisel in wenigstens zwei um 180° gegeneinander winkelversetzte Stellungen verdrehbar sein, wobei den Signalverarbeitungsmitteln die bei den beiden Stellungen erhaltenen Kreiselsignale zur Kompensation von Kreiselfehlern zugeführt werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Längsschnitt eines nordrichtungsbestimmenden Sensors.

Fig. 2 ist ein Blockdiagramm der beiden Kreisel des nordrichtungsbestimmenden Sensors.

Bevorzugte Ausführung der Erfindung

Ein Antriebsmotor 10 ist zentral in einem im wesentlichen zylindrischen Kreiselgehäuse 12 angeordnet. Das Kreiselgehäuse 12 besteht aus einem den Antriebsmotor 10 umschließenden, ringförmigen Mittelteil 14 und topfförmigen Deckelteilen 16 und 18. Die Deckelteile 16 und 18 sind zu beiden Seiten auf den Mittelteil 14 aufgesetzt. Zu beiden Seiten des Mittelteils 14 und des Antriebsmotors 10 weist das Kreiselgehäuse 12 Zwischenwände 20 und 22 auf. Die Zwischenwände 20 und 22 haben zentrale, fluchtende Durchbrüche, in denen Kugellager 24 und 26 sitzen. Der Antriebsmotor weist einen Stator 28 und einen Rotor 30 auf. Der Rotor 30 ist mit einer Motorwelle 32 in den Kugellagern 24 und 26 gelagert. Mit der Motorwelle 32 ist ein Kreiselrotor 34 eines ersten zweiachsigen, elektrisch gefesselten, dynamisch abgestimmten Kreisels 36 über ein Federgelenk 38 gekoppelt. Das Federgelenk kann nach Art der DE-C 2-32 13 720 ausgebildet sein. Das Federgelenk 38 ist mittels einer Schraube 40 mit der Stirnfläche der Motorwelle 32 verbunden. Auf der Zwischenwand 20 sitzen die Statorwicklungen 42 von Drehmomenterzeugern (Torquern), die mit am Kreiselrotor 34 sitzenden Ringen zur Erzeugung von Drehmomenten auf den Kreiselrotor 34 um jeweils eine von zwei zueinander senkrechte Eingangsachsen x und y zusammenwirken. Mit 48 ist in Fig. 1 ein Abgriff bezeichnet, der auf Auslenkung des Kreiselrotors 34 aus einer Mittellage um eine der Eingangsachsen anspricht. Ein entsprechender, um 90° versetzter Winkelabgriff spricht aus Auslenkung des Kreiselrotors 34 aus der Mittellage um die andere Eingangsachse an. Der Kreisel 36 ist von dem Deckelteil 16 abgedeckt.

Auf der entgegengesetzten Seite ist mit der Motorwelle 32 der Kreiselrotor 52 eines zweiten zweiachsigen, elektrisch gefesselten, dynamisch abgestimmten Kreisels 54 über ein Federgelenk 56 verbunden. Das Federgelenk 56 ist mittels einer Schraube 58 mit der in Fig. 1 unteren Stirnfläche der Motorwelle 32 verbunden. Auf der Zwischenwand 22 sitzen Statorwicklungen 60 von Drehmomenterzeugern, die ebenfalls mit am Kreiselrotor 52 sitzenden Ringen 62 zur Erzeugung von Drehmomenten auf den Kreiselrotor 52 um jeweils zwei zueinander senkrechte Eingangsachsen x und y zusammenwirken. Mit 64 ist in Fig. 1 ein Abgriff bezeichnet, der auf Auslenkung des Kreiselrotors 52 aus einer Mittellage um eine der Eingangsachsen anspricht. Ein entsprechender, um 90° versetzter Winkelabgriff spricht auf Auslenkung des Kreiselrotors 52 aus der Mittellage um die andere Eingangsachse an. Der Kreisel 54 ist durch den Deckelteil 18 abgedeckt.

Die Eingangsachsen des zweiten Kreisels 54 sind parallel zu den entsprechenden Eingangsachsen des ersten Kreisels 36. Während der Kreisel 36 möglichst gut ausgewuchtet ist, ist der Kreisel 54 mit einer definierten Unwucht versehen. Der Kreisel 54 reagiert daher auf Beschleunigungen. Insbesondere spricht der Kreisel 54 auf die Erdbeschleunigung an, wenn die Drallachse des Kreisels 54 nicht genau vertikal ist, wenn also die Umlaufachse der Motorwelle 32 nicht genau zur Vertikalen ausgerichtet ist. Das Gehäuse 12 ist durch eine Stellvorrichtung 65 um 180° um die Drallachse der Kreisel 36 und 54 aus einer ersten in eine zweite Stellung verdrehbar.

In Fig. 2 ist ein Blockdiagramm der Kreiselanordnung und der Signalverarbeitungsmittel dargestellt.

Der Kreiselrotor 34 sucht seine Lage im inertialen Raum beizubehalten. Abweichungen des Kreiselgehäuses 12 um die Eingangsachse x werden von dem Kreiselabgriff 48 erfaßt. Über einen Fesselregler 66 wird ein um die zur Eingangsachse x senkrechte Eingangsachse y wirksamer Drehmomenterzeuger 68 angesteuert, der den Kreiselrotor 34 an das Kreiselgehäuse 12 fesselt. Im einzelnen: An der Eingangsachse x wird eine Komponente Ω_x der Erddrehgeschwindigkeit wirksam. Das ist durch Pfeil 70 dargestellt. Weiterhin treten störende Drehgeschwindigkeiten auf, beispielsweise durch Bewegungen des Kreiselgehäuses. Solche Drehgeschwindigkeiten sind mit ω_sx bezeichnet und durch den Pfeil 72 dargestellt. Die beiden Drehgeschwindigkeiten sind im Punkt 74 des Blockdiagramms überlagert. Sie ergeben die Drehgeschwindigkeit des Kreiselgehäuses 12 um die Eingangsachse x relativ zu dem intertialen Raum. Diese Drehgeschwindigkeit erzeugt eine Auslenkung des Kreiselabgriffs 48 gegenüber dem Kreiselrotor 34. Der Kreiselabgriff 48 liefert ein entsprechendes Signal an den Fesselregler 66. Ein Ausgangssignal des Fesselreglers 66 beaufschlagt über eine Verbindung 76 den Drehmomenterzeuger 68. Der Drehmomenterzeuger 68 erzeugt ein Drehmoment an dem Kreiselrotor 34 um die Eingangsachse y. Dieses Drehmoment erzeugt eine Winkelgeschwindigkeit ω_x des Kreiselrotors 34 um die Eingangsachse x, dargestellt durch Pfeil 78, welche den Kreiselrotor 34 dem Kreiselgehäuse 12 nachführt und das Signal des Kreiselabgriffs 48 zum Verschwinden bringt. Das ist in dem Blockdiagramm durch den "Summierpunkt" 80 dargestellt. Auf den Kreiselrotor 34 wirkt um die Eingangsachse y ein "Bias"-Drehmoment, das zu einem Kreiselfehler führt. Dieses "Bias"-Drehmoment ist in dem Blockdiagramm von Fig. 2 durch einen Pfeil 82 dargestellt und in einem Summierpunkt 84 dem Drehmoment des Drehmomenterzeugers 68 überlagert. In ähnlicher Weise sucht der Kreiselrotor 52 des zweiten Kreisels 54 seine Lage im inertialen Raum beizubehalten. An dem Kreiselabgriff 64, der auf Auslenkungen des Kreiselrotors 52 aus der Mittellage relativ zu dem Kreiselgehäuse 12 um die Eingangsachse x anspricht, wirkt ebenfalls einmal die an der Eingangsachse x wirksame Komponente der Erddrehgeschwindigkeit Ω_x, die durch einen Pfeil 86 dargestellt ist, und die störende Drehgeschwindigkeit ω_sx, die durch einen Pfeil 88 dargestellt ist. Diese Drehgeschwindigkeiten sind in dem Punkt 90 des Blockdiagramms überlagert. Die Drehgeschwindigkeiten bewirken eine Auslenkung des Kreiselgehäuses 12 gegenüber dem Kreiselrotor 52 und ein Abgriffsignal von dem Kreiselabgriff 64 am Eingang eines Fesselreglers 92 für die Eingangsachse x. Der Fesselregler 92 steuert über Verbindung 94 einen um die Eingangsachse y wirksamen Drehmomenterzeuger 96 des zweiten Kreisels 54 an. Der Drehmomenterzeuger 96 erzeugt ein Drehmoment an dem Kreiselrotor 52 um die Eingangsachse y. Dieses Drehmoment erzeugt eine Drehgeschwindigkeit ω_x an dem Kreiselrotor 52, die in dem Blockdiagramm von Fig. 2 durch Pfeil 98 dargestellt ist. Dieses Drehmoment ist so bemessen, daß es den Kreiselrotor 52 ebenfalls dem Kreiselgehäuse 12 nachführt und das Signal des Kreiselabgriffs 64 zum Verschwinden bringt. Das ist in dem Blockdiagramm durch den Summierpunkt 100, ähnlich dem Summierpunkt 80, bei Kreisel 36 dargestellt. Auf den Kreiselrotor 52 wirkt jedoch ebenfalls ein "Bias"-Drehmoment, das durch einen Pfeil 102 dargestellt ist. Weiterhin wirkt auf den Kreiselrotor 52 ein beschleunigungsabhängiges Störmoment, das in dem Blockdiagramm durch einen Pfeil 104 dargestellt ist.

Signalverarbeitungsmittel 106 erhalten an einem 108 das Ausgangssignal des Fesselreglers 66. Das ist das gleiche Signal, das auch auf den Drehmomenterzeuger 68 aufgeschaltet ist. In einem Summierpunkt 110 wird weiterhin die Differenz der Ausgangssignale der Fesselregler 66 und 96 gebildet. Diese Differenz liefert ein Maß für die auf den Kreisel 54 wirkende Erdbeschleunigung und damit für die Abweichung der Drallachsen der Kreisel 54 und 36 von der Vertikalen um die Eingangsachse y. Die Differenz von dem Summierpunkt 110 ist über einen Eingang 112 ebenfalls auf den Drehmomenterzeuger geschaltet. Die an den Eingängen 108 und 110 erhaltenen Signale werden durch die Signalverarbeitungsmittel gespeichert. Durch die Stellvorrichtung 65 wird dann das Kreiselgehäuse 12 um 180° um die Drallachsen der Kreisel 36 und 54, also um die Umlaufachse der Motorwelle 32 verdreht. Die in dieser Stellung an den beiden Eingängen gemessenen Signale werden ebenfalls gespeichert.

In entsprechender Weise weist der Kreisel 36 einen Kreiselabgriff 50 auf, der um 90° winkelversetzt zu dem Kreiselabgriff 48 angeordnet ist und auf Auslenkungen des Kreiselrotors 34 aus der Mittellage relativ zu dem Kreiselgehäuse 12 um die Eingangsachse y anspricht. An dem Kreiselabgriff 50 wird die Komponente Ω_x der Erddrehgeschwindigkeit wirksam, die um die Eingangsachse y wirkt. Das ist in dem Blockdiagramm durch einen Pfeil 114 dargestellt. Außerdem wirken auf den Kreiselabgriff störende Drehgeschwindigkeiten ω_sy des Kreiselgehäuses 12 um die Eingangsachse y relativ zur Erde. Die Drehgeschwindigkeiten sind durch Pfeil 116 dargestellt. Die Drehgeschwindigkeiten sind überlagert, wie durch Summierpunkt 118 in dem Blockdiagramm dargestellt ist. Bei Auslenkung des Kreiselabgriffs 50 gegenüber dem Kreiselrotor 34 liefert der Kreiselabgriff 50 ein Signal. Dieses Signal ist auf einen Fesselregler 120 geschaltet. Der Fesselregler 120 gibt ein Ausgangssignal auf einen Drehmomenterzeuger 122. Der Drehmomenterzeuger 122 erzeugt ein Drehmoment an dem Kreiselrotor 34 um die Eingangsachse y. Dadurch wird eine Drehgeschwindigkeit des Kreiselrotors 34 um die Eingangsachse y erzeugt, welche den Kreiselrotor 34 dem Kreiselgehäuse 12 nachführt und durch Pfeil 124 dargestellt ist. Die Nachführung ist in dem Blockdiagramm durch den Summierpunkt 126 dargestellt. Auf den Kreiselrotor 34 wirkt auch ein "Bias"-Drehmoment, das durch Pfeil 128 dargestellt ist. Dieses "Bias"-Drehmoment bewirkt eine Auslenkung des Kreiselrotors 34 gegenüber dem inertialen Raum. Der Fesselregler 120 wird von dem Kreiselabgriff so angesteuert, daß der Kreiselrotor 34 ungeachtet äußerer, an dem Kreiselgehäuse 12 wirksam werdender Drehgeschwindigkeiten und des an dem Kreiselrotor 34 wirksamen "Bias"-Drehmoments an das Gehäuse gefesselt bleibt.

Entsprechend spricht ein Kreiselabgriff 130 auf Auslenkungen des Kreiselrotors 52 des zweiten Kreisels 54 aus seiner Mittellage um die Eingangsachse y an. Solche Auslenkungen werden einmal durch die in die Richtung der Eingangsachse y fallende Komponente der Erddrehgeschwindigkeit Ω_y und zum anderen durch Störbewegungen ω_sy des Kreiselgehäuses 12 relativ zur Erde hervorgerufen. Diese Drehgeschwindigkeiten sind durch Pfeile 132 und 134 dargestellt. Ihre Überlagerung ist durch den Summierpunkt 136 repräsentiert. Der Kreiselabgriff 130 steuert einen Fesselregler 138 an. Der Fesselregler 138 liefert ein Ausgangssignal. Dieses Ausgangssignal ist auf einen Drehmomenterzeuger 140 geschaltet. Der Drehmomenterzeuger 134 erzeugt ein Drehmoment an dem Kreiselmotor 52 um die Eingangsachse x. Dieses Drehmoment ist in dem Blockdiagramm durch einen Pfeil 142 dargestellt. Dem Drehmoment von dem Drehmomenterzeuger 140 überlagert ist ein "Bias"-Drehmoment um die Eingangsachse x. Dieses "Bias"-Drehmoment ist durch einen Pfeil 144 dargestellt. Weiterhin ist dem Drehmoment des Drehmomenterzeugers 140 ein Drehmoment um die Eingangsachse x überlagert, das durch eine Unwucht des Kreiselrotors 52 hervorgerufen wird. Dieses Drehmoment ist durch einen Pfeil 146 dargestellt. Die Überlagerung dieser drei Drehmomente ist in dem Blockdiagramm von Fig. 2 durch einen Summierpunkt 148 dargestellt. Die Drehmomente bewirken wieder eine Drehgeschwindigkeit des Kreiselrotors 52 um die Eingangsachse y. Diese Drehgeschwindigkeit ist durch einen Pfeil 150 dargestellt. Durch diese Drehgeschwindigkeit wird der Kreiselrotor 52 des zweiten Kreisels 54 an das Kreiselgehäuse 12 gefesselt. Das ist durch einen Summierpunkt 152 repräsentiert.

Das Ausgangssignal des Fesselreglers 120 des Kreisels 36 ist über einen Eingang 154 auf die Signalverarbeitungsmittel 106 aufgeschaltet. Weiterhin wird in einem Summierpunkt 156 die Differenz der Ausgangssignale der beiden Fesselregler 120 und 138 gebildet. Diese Differenz liefert ein Maß für die Abweichung der Drallachsen der Kreisel 36 und 54 von der Vertikalen um die Eingangsachse x. Diese Differenz ist über einen Eingang 158 ebenfalls auf die Signalverarbeitungsmittel 106 aufgeschaltet. Auch die über die Eingänge 154 und 158 aufgeschalteten Signale oder Daten werden bei den beiden Stellungen des Kreiselgehäuses 12 bestimmt und gespeichert. Es sind zeitmessende Mittel 162 vorgesehen, welche den Signalverarbeitungsmitteln 106 über einen Eingang 164 den zeitlichen Abstand zwischen den beiden Messungen in der 0°-Stellung und der 180°-Stellung liefern. Aus den so aufgeschalteten und gespeicherten Signalen oder Daten wird durch die Signalverarbeitungsmittel ein Signal erzeugt, welches den Azimutwinkel nach Nord darstellt. Dieses Signal wird an einem Ausgang 160 ausgegeben.

Die beschriebene Anordnung arbeitet wie folgt:
Die Signale der Fesselregler 66, 92, 120 und 138 enthalten nicht nur Anteile, die von den Komponenten der Erddrehgeschwindigkeit herrühren, sondern auch Komponenten, welche durch die durch die Pfeile 72, 88, 128 und 144 dargestellten Drehgeschwindigkeiten des Kreiselgehäuses 12 gegenüber der Erde bedingt sind, und Anteile, welche auf die an den Kreiselrotoren wirksamen Drehmomente zurückzuführen sind. Durch die Messung in zwei um 180° gegeneinander um die Drallachsen winkelversetzten Stellungen des Kreiselgehäuses 12 und Differenzbildung in den Signalverarbeitungsmitteln 106 wird der Einfluß der "Bias"-Drehmomente im wesentlichen kompensiert: Die an den Eingangsachsen x und y wirksamen Drehgeschwindigkeiten kehren ihr Vorzeichen bei der 180°-Drehung um, so daß sich die davon herrührenden Abgriffsignale bei der Differenzbildung verstärken. Die "Bias"-Drehmomente behalten dagegen ihr Vorzeichen bei, so daß sich ihr Einfluß bei der Differenzbildung im wesentlichen heraushebt.

Durch die Bildung der Differennzen der Signale von den Fesselreglern 66 und 92 bzw. 120 und 138 werden Signale erhalten, welche den auf den Kreiselrotor 52 des zweiten Kreisels 54 um die Eingangsachsen x und y wirksamen Schwerebeschleunigungen und damit der Abweichung der Drallachse dieses Kreisels 54 von der Vertikalen entsprechen. Damit können die Anteile der Vertikalkomponente der Erddrehgeschwindigkeit bestimmt und berücksichtigt werden, die infolge einer Fehlausrichtung an den Eingangsachsen x und y wirksam werden.

Schließlich können aus den Änderungen der Lagewinkel der Drallachse des zweiten Kreisels 54 bei der zweiten Messung in der 180°-Stellung gegenüber der ersten Messung in der 0°-Stellung in Verbindung mit dem Zeitabstand dieser Messungen, wie er von den zeitmessenden Mitteln geliefert wird, die Drehgeschwindigkeiten ω_sx und ω_sy des Kreiselgehäuses 12 gegenüber der Erde um die Eingangsachsen x und y bestimmt werden. Solche Drehgeschwindigkeiten können beispielsweise dadurch entstehen, daß ein das Kreiselgehäuse 12 tragendes Stativ langsam in das Erdreich einsinkt. Solche Bewegungen sind zwar sehr langsam. Die zu messenden Komponenten der Erddrehgeschwindigkeit sind jedoch auch sehr klein.

Im einzelnen ergibt sich für die Eingangsachse x (mit Vereinfachungen)

ω_{x, n/m} = Ω_x + ω_{sx, n/m} + ω_{ux, n/m} + ω_{Bias x, nm} ,

wobei

l_x das eine Drehgeschwindigkeit darstellende, sich aus dem Strom des Drehmomenterzeugers ergebende Meßsignal ist,
Ω_x die in die Eingangsachse x fallende Komponente der Horizontalkomponente der Erddrehgeschwindigkeit ist,
ω_sx die in die Eingangsachse x fallende Komponente der Drehgeschwindigkeit des Kreiselgehäuses 12 gegenüber der Erde ist,
ω_{ux, n/m} die Drehgeschwindigkeit ist, die sich aus dem infolge der Unwucht des zweiten Kreisels 54 bei einer Abweichung der Drallachse von der Vertikalen am Kreiselrotor 52 um die Eingangsachse y auftretenden Drehmoment ergibt, und
ω_{Bias x, n} die Drehgeschwindigkeit ist, die sich aus dem um die Eingangsachse y auftretenden "Bias"-Drehmoment ergibt,
n = 1 für den Kreiselrotor 34 und = 2 für den Kreiselrotor 52,
m = 1 für die 0°-Stellung und = 2 für die 180°-Stellung.

Es wird angenommen, daß ω_{ux, 1/m}=0 ist. Der Kreiselrotor 34 hat keine Unwucht. Weiterhin ist

ω_sx,1/1 = ω_sx,2/1.

Die beiden Kreisel 36 und 54 bewegen sich gemeinsam im Kreiselgehäuse 12.

Die Signalverarbeitungsmittel bestimmen ω_{Bias x, n} aus der mittleren Summe der Signale in den beiden Stellungen m=1 und m=2 des Kreiselgehäuses. Aus der im Summierpunkt 110 gebildeten Differenz wird ω_uy bestimmt, und aus der im Summierpunkt 156 gebildeten Differenz wird ω_ux bestimmt. Die Abweichungen α_x, α_y der Drallachse von der Vertikalen bestimmen sich dann aus

ω_sx = g.K. α_y (genauer sin α_y)

und

ω_sy = g.K. α_x.

Die Differenz Δα_x der Abweichungen bei der Messung in der 0°-Stellung und bei der Messung in der 180°-Stellung liefert in Verbindung mit dem Zeitintervall ΔT zwischen diesen Messungen:

ω_ux,n/m = Δα_x/ΔT.

Entsprechend werden die Signale der Eingangsachse y verarbeitet. Es werden so Ω_x und Ω_y erhalten. Der Azimutwinkel nach Nord ergibt sich dann zu

Claims (8)

1. Nordrichtungsbestimmender Sensor, enthaltend

• a) einen zweiachsigen, elektrisch gefesselten Kreisel (36) mit einer Drallachse und einer ersten und einer zweiten Eingangsachse, die zueinander und zu der Drallachse senkrecht sind, wobei die Drallachse im Betrieb wenigstens näherungsweise vertikal ist,
• b) Lagesensormittel (36, 54), welche auf Abweichungen der Drallachse des Kreisels von der Vertikalen ansprechen, und
• c) Signalverarbeitungsmittel (106), auf welche die Signale des Kreisels (36) und der Lagesensormittel (36, 54) aufgeschaltet sind, zur Erzeugung einer den Azimutwinkel (Ψ) nach Nord wiedergebenden Ausgangsinformation,

dadurch gekennzeichnet, daß

• d) die Lagesensormittel einen zweiten elektrisch gefesselten Kreisel (54) enthalten,
  • - dessen Drallachse zu der Drallachse des erstgenannten Kreisels (36) in definierter Weise ausgerichtet ist und
  • - der mit einer definierten Unwucht behaftet ist.

2. Nordrichtungsbestimmender Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drallachsen der beiden Kreisel (36, 54) zusammenfallen.

3. Nordrichtungsbestimmender Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kreisel (36, 54) von einem gemeinsamen Antriebsmotor (10) antreibbar sind.

4. Nordrichtungsbestimmender Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) die beiden Kreisel (36, 54) dynamisch abgestimmte Kreisel sind und
• b) der gemeinsame Antriebsmotor (10) zentral in einem Kreiselgehäuse (12) angeordnet ist und mit den zu beiden Seiten angeordneten Kreiselrotoren (34, 52) in Antriebsverbindung steht.

5. Nordrichtungsbestimmender Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kreiselgehäuse (12) um die Drallachse der Kreisel (36, 54) in wenigstens zwei um 180° gegeneinander winkelversetzte Stellungen verdrehbar ist, wobei den Signalverarbeitungsmitteln (106) die bei den beiden Stellungen erhaltenen Kreiselsignale zur Kompensation von Kreiselfehlern zugeführt werden.

6. Nordrichtungsbestimmender Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Signalverarbeitungsmittel (106) für jede Richtung der Eingangsachsen einmal die Kreiselsignale des ersten Kreisels (36) und zum anderen zur Bestimmung der Abweichung der Drallachsen von der Vertikalen die Differenz der Kreiselsignale des ersten Kreisels (36) und des zweiten Kreisels (54) aufgeschaltet ist.

7. Nordrichtungsbestimmender Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zeitmessende Mittel (162) vorgesehen sind, durch welche eine dem Zeitintervall zwischen den Messungen in den beiden Stellungen entsprechende Information auf die Signalverarbeitungsmittel (106) aufschaltbar ist, wobei die Signalverarbeitungsmittel (106) aus der Differenz der Abweichungen der Drallachse von der Vertikalen und diesem Zeitintervall ein die Drehgeschwindigkeit des Kreiselgehäuses (12) gegenüber der Erde wiedergebendes Korrektursignal erzeugen.