DE4124002A1 - Vorrichtung zur kompensierung der dynamischen fehler von elektronischen magnetkompassen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kompensierung der Fehler, die entstehen, wenn elektronische Magnetkompasse auf rollenden und gekrängten Schiffen eingesetzt werden.

Elektronische Magnetkompasse sind bekannt. Sie liefern mittels geeigneter elektronischer Sensoren bei anschließender elektronischer Weiterverarbeitung der Meßwerte eine Information über die Richtung des Magnetfeldes relativ zur Schiffsvorausrichtung und damit über den anliegenden Schiffskurs. Diese Kursinformation wird auf einem Anzeigegerät sichtbar gemacht oder in andere Anlagen, z. B. Selbststeueranlagen zur Weiterverarbeitung eingegeben.

Bei einer häufig verwendeten Anordnung werden z. B. mit Hilfe eines Magnetfeldsensors - bestehend aus zwei Magnetfeldsonden, die in einer Kursgebereinheit angeordnet sind (eine in Längs-, die andere in Querschiffsrichtung) - die Komponenten der dort herrschenden magnetischen Feldstärke (magnetisches Erdfeld, überlagert vom Magnetfeld der Eisenmassen des Schiffes) in bezug auf die Längs- und die Querschiffsrichtung erfaßt. Der Arcustangens des Quotienten der beiden Magnetfeldkomponenten liefert den Kurswinkel.

Elektronische Magnetkompasse sind - wie herkömmliche Magnetkompasse auch - den verschiedenen Störeinflüssen ausgesetzt, die von den durch Wind und Seegang verursachten Schiffsbewegungen herrühren. Sie bewirken Fehlanzeigen des Schiffskurses. Zwei Ursachen sind dafür maßgebend:

• 1 Die Hochschiffskomponente R des vom Schiffseisen am Ort des Magnetfeldsensors erzeugten Magnetfeldes,
• 2 die am Ort des Magnetfeldsensors wirkende Vertikalkomponente Z des erdmagnetischen Feldes.

Zu 1:
Bei statischer Neigung des Schiffes um seine Längsachse (Krängung) bleibt der Magnetfeldsensor infolge seiner kardanischen Aufhängung horizontal. Die durch die Krängung um den Krängungswinkel i entstandene Horizontalkomponente in Querschiffsrichtung -R · sin i (s. Abb. 1) wirkt auf den Magnetfeldsensor und verursacht so eine Kursfehlanzeige. Diese schwankt, wenn der Winkel i sich zeitlich ändert, das heißt wenn das Schiff rollt. Der Kompaß wird dann unruhig. Die genannten Fehlanzeigen werden seit langem im Rahmen der üblichen Kompaßregulierungen dadurch beseitigt, daß am Ort des Magnetkompasses ein dem Hochschiffsfeld R entgegengerichtetes dem Betrag nach gleiches kompensierendes Feld R1 erzeugt wird, so daß die am Kompaßort herrschende mit dem Schiff sich mitneigende Hochschiffskomponente gleich Null ist:

R + R1 = 0 Gl. (1)

(Kompensierung des Krängungsfehlers, auch K-Kompensierung genannt.) Bei elektronischen Magnetkompassen wird R1 meist mittels einer gleichstromdurchflossenen Spule erzeugt. (Spulennormale in Hochschiffsrichtung, Magnetfeldsensor zentrisch über der Spule, darunter oder innerhalb derselben.)

Zu 2:
Auch wenn R korrekt kompensiert, d. h. Gl. (1) erfüllt ist, treten bei der Einwirkung von horizontalen Beschleunigungen auf den Magnetfeldsensor Kursfehlanzeigen auf, die durch die Vertikalkomponente Z des magnetischen Erdfeldes am Ort des Sensors bedingt sind: die Beschleunigungen bewirken eine Schieflage des kardanisch aufgehängten Magnetfeldsensors, weil dessen Schwerpunkt - bestimmungsgemäß - unterhalb des Drehpunktes der Kardanachsen liegt, so daß die horizontale Beschleunigungskomponente ein Drehmoment erzeugt, welches den Sensor aus seiner Horizontallage herauskippt. Es sei i der Neigungswinkel des Magnetfeldsensors gegen die Horizontale. Dann erhält man die auf den Magnetfeldsensor wirkende Komponente f des störenden Feldes (s. Abb. 2)

f = Z · sin s - R · sin (i - s). Gl. (2)

Setzt man voraus, daß die Winkel i und s so klein sind, daß man den Sinus dieser Winkel durch die Winkel selbst, gemessen in Bogenmaß, ersetzen kann, dann folgt:

f = Z · s - R · i + R · s. Gl (3)

Überlagert man dem vom Schiff herrührenden Hochschiffsfeld R ein künstlich erzeugtes kompensierendes Hochschiffsfeld R2, dann erhält man für die fehlererzeugende Komponente f:

f = Z · s - R · i + R · s - R2 · i + R2 · s. Gl. (4)

Bei wechselnden Horizontalbeschleunigungen entstehen somit wechselnde Kursanzeigefehler; die Kurzanzeige wird unruhig.

Um f zu Null zu machen, muß also nicht nur R, sondern auch Z kompensiert werden. Entsprechende Vorschläge sind bekannt. Zur Realisierung benötigt man Vorrichtungen, um das kompensierende Feld auch bei rollendem Schiff in der Vertikalrichtung zu halten, z. B. Horizontkreisel. Diese Vorrichtungen haben den Nachteil, daß sie einen großen mechanischen Aufwand erfordern.

Messungen an Bord haben gezeigt, daß man durch geeignete Einstellung des kompensierenden Feldes R2 eine bis auf kleine Restschwankungen ruhige Kursanzeige erreichen kann. Das ist z. B. dann möglich, wenn die Winkel s und i miteinander in hohem Grad korreliert sind, das heißt, daß zwischen s und i die Beziehung

s = c · i + u Gl. (5)

besteht, wobei c ein konstanter Faktor ist und u eine nicht mit i korrelierte Funktion, deren Beträge klein gegen i sind. Aus den Ergebnissen von an Bord durchgeführten Messungen kann man das folgern.

Wenn diese Voraussetzung erfüllt ist und u vernachlässigt wird, erhält man aus Gl. (5):

s = c · i. Gl. (6)

Durch Einsetzen von Gl. (6) in Gl. (4) erhält man:

f = (-R + Z · c + R · c - R2 + R2 · c) · i Gl. (7)

Man kann also die Störfelder f zu Null machen, wenn man R2 so wählt, daß gilt:

-R + Z · c + R · c - R2 + R2 · c = 0 Gl. (8)

Man erkennt durch Vergleich von Gl. (8) mit Gl. (1), daß das zur Erzielung der ruhigen Anzeige erforderliche Kompensierfeld R2 im allgemeinen von R1 verschieden ist. In der Praxis bedeutet das, daß bei derjenigen Einstellung des kompensierenden Hochschiffsfeldes, bei der die maximale Ruhe der Kompaßanzeige erreicht ist, dann eine mittlere Fehlanzeige entsteht, wenn der zeitliche Mittelwert der Winkel i von Null verschieden ist, d. h. wenn das Schiff um einen mittleren Krängungswinkel Rollbewegungen ausführt; das bedeutet: die Anzeige ist zwar ruhig aber falsch.

Die Erfindung löst die Aufgabe, durch Einsatz der Mikroprozessortechnik eine ruhige Kursanzeige zu liefern, wobei gleichzeitig auch der bei mittlerer Krängung des Schiffes entstehende Krängungsfehler aufgehoben wird. Dafür sind keine zusätzlichen mechanischen Bauelemente oder zusätzliche Meßsensoren erforderlich. Die für die erfindungsgemäße Vorrichtung benötigten elektronischen Elemente, Bausteine und Schaltkreise sind bekannt.

Es wird vorausgesetzt, daß das zeitliche Mittel der horizontalen Querbeschleunigungen, gemittelt über mehrere Rollperioden des Schiffes, näherungsweise gleich Null ist. Somit wird auch der zeitliche Mittelwert der Winkel s gleich Null. Der Magnetfeldsensor wird so als Informationsgeber für die Horizontalrichtung benutzt. Dazu wird ein kurzer Stromimpuls auf die Kompensierspule gegeben, so daß sich R2 kurzzeitig um den vorgegebenen Betrag ΔR ändert. Während der Impulsdauer wird die Kursübertragungselektronik ausgeschaltet und in das Kursübertragungssystem derjenige Kurswert eingegeben, der unmittelbar vor Einschalten des Impulses anlag. Die Änderung von f, die durch den Impuls hervorgerufen wurde, Δf, wird gemessen und gespeichert. Aus Gl. (4) ergibt sich:

Δf = ΔR · (-i + s) Gl. (9)

Nach dem Abschalten des Impulses wird die Kursübertragung so weitergeführt wie vor dem Einschalten desselben.

Der beschriebene Schalt- und Meßvorgang wird in äquidistanten Zeitabschnitten durchgeführt, die groß genug sind, um die Kursübertragung zu gewährleisten, doch klein genug, daß mehrere Vorgänge (z. B. 10) während einer Rollperiode des Schiffes ablaufen können. Aus Gl. (9) ergibt sich:

Δf/ΔR = (-i + s) Gl. (10)

Für den Mittelwert der Quotienten (Δf/ΔR) über mehrere zurückliegende Perioden ergibt sich:

= - + = - Gl. (11)

Der so bestimmte mittlere Krängungswinkel wird mit dem Wert R1 nach Gl. (1) multipliziert und der so erhaltene Korrekturwert R1 · elektronisch zu der gemessenen Querkomponente des vom Magnetfeldsensor erfaßten Magnetfeldes hinzuaddiert. R1 war bei der herkömmlichen Einstellung der Kompensierfeldstärke R1 gemäß Gl. (1) in das erfindungsgemäße Korrektursystem abgespeichert worden (z. B. durch einen Knopfdruck nach erfolger Regulierung). Man kann auch ΔR = R1 (R1 gem. Gl. (1)) wählen und die Mittelwerte von Δf bilden. Diese liefern direkt R · und damit den einzugebenden Korrekturwert.

Ein Zahlenbeispiel möge die Verhältnisse verdeutlichen: werden Magnetfeldsonden verwendet, die mit 10 kHz betrieben werden, dann finden während einer Zeitspanne von 0,05 s 500 Schwingungen statt, genügend, um trotz Einschwing- und Abschaltvorgängen eine sichere Feldstärkemessung zu ermöglichen. Werden die Impulse in Abständen von 0,7 s wiederholt, steht genügend Zeit für eine sichere Kursübertragung zur Verfügung. Bei einer Rollschwingungsdauer des Schiffes von 7 s können so 10 Messungen während einer Rollperiode durchgeführt werden. Über z. B. 3 Perioden gemittelt stehen somit 3 · 10=30 Meßwerte zur Verfügung.

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Kompensierung der dynamischen Fehler, die durch Krängung und Rollen des Schiffes bei elektronischen Magnetkompassen entstehen, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) der Wert des zum Aufheben des magnetischen Hochschiffsfeldes eingestellten Kompensierstromes (entsprechend dem kompensierenden Hochschiffsfeld R1) nach Ausführung der Kompensierung (sog. K-Kompensierung) abgespeichert wird,
• b) beim Gebrauch des Kompasses an Bord der Kompensierstrom in der Kompensierspule für das Hochschiffsfeld so eingestellt wird, daß die Schwankung der Kursanzeige auf ein Minimum gebracht wird (entsprechend dem Hochschiffsfeld R2),
• c) in äquidistanten Zeitabständen ein kurzer Stromimpuls auf die Kompensierspule gegeben wird, der an dem Magnetfeldsensor kurzzeitig eine magnetische Hochschiffsfeldstärke ΔR erzeugt,
• d) während der Impulsdauer die Übertragung abgeschaltet und der vor Impulsbeginn anliegende Kurswert während der Impulsdauer in das Kursübertragungssystem eingegeben wird und nach Abschalten des Impulses die Kursübertragung wie vor dem Einschalten desselben weitergeführt wird,
• e) während der Impulseinwirkung die durch de Änderung ΔR der Hochschiffsfeldstärke hervorgerufene Änderung Δf des Querschiffsfeldes gemessen und der Wert abgespeichert wird,
• f) jeweils der Quotient (Δf/ΔR) gebildet wird,
• g) die Quotienten (Δf/ΔR) über mehrere zurückliegende Schiffsrollperioden gemittelt werden,
• h) der so erhaltene Mittelwert multipliziert mit R1, als Korrektur zu der vom Magnetfeldsensor gemessenen Querschiffsfeldstärke hinzuaddiert wird und
• i) die so erhaltene korrigierte Querschiffsfeldstärke zur Gewinnung der korrigierten Kursanzeige verwendet wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impuslhöhe so gewählt wird, daß das am Magnetfeldsensor entstehende Hochschiffsfeld gleich dem zur Kompensation des Krängungsfehlers erforderlichen Hochschiffsfeld R1 ist. Die am Magnetfeldsensor entstehenden Änderungen der Querschiffskomponente werden gemittelt. Der Mittelwert wird direkt zur Korrektur der Querschiffsstärke und damit des anliegenden Kurses verwendet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung von Δf gemäß Buchstabe e) von der querschiffs gerichteten Magnetfeldsonde gemessen und der Mittelwert gem. h) und i) zur Korrektur von dem Meßwert der querschiffs gerichteten Magnetfeldsonde abgezogen wird. Das gilt bei einer Kursgebereinheit mit zwei Magnetfeldmeßsonden, eine in die Schiffslängs- und die andere in die Schiffsquerrichtung orientiert.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhaltung der Kursanzeige während der Dauer des Impulses nach d) durch die mechanische Trägheit der Bauteile des Kursanzeigegerätes bewirkt wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhaltung der Kursanzeige gemäß d) durch elektronische Umschaltung des Systems während der Impulsdauer erzielt wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung des zur ruhigen Kompaßanzeige erforderlichen kompensierenden Feldes R2 gemäß b) an Bord per Hand vorgenommen wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung gem. b) automatisch durch eine geeignete elektronische Schaltvorrichtung erfolgt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der zur Mittelung herangezogenen Schiffsrollperioden gem. g) - und damit die zu berücksichtigende Mittelungszeit - entsprechend den an Bord vorliegenden Verhältnissen von Hand eingestellt werden kann.