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Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung des wahren Horizonts mit
Hilfe eines Kreiselgeräts auf bewegter Plattform Die Erfindung bezieht sich auf
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur von der Sicht unabhängigen Erzielung des
wahren Horizonts eines bewegten Systems, insbesondere eines gerichteten Horizonts
mit Hilfe eines Dreikreiselgeräts. Es sind bereits Vorrichtungen in Gestalt von
bedienten Anzeigeinstrumenten bekannt, mit deren Hilfe man den Horizont ermitteln
kann. Auch Geräte sind bereits vorgeschlagen, die mittels dreier Kreisel selbsttätig
einen gerichteten wahren Horizont ergeben. Die erstgenannte Gruppe hat den Nachteil,
daß diese Instrumente bedient werden müssen und als weitere Folge davon in ihrer
Genauigkeit von der Geschicklichkeit des Beobachters abhängig sind. Die bisher bekannten
Kreiselgeräte der zweiten Gruppe sind nicht für wirklich lange Dauer, etwa auf längerer
Reise eines Schiffes, gleichmäßig brauchbar; denn die auf die Kreisel wirkende Erddrehung
läßt sich niemals so genau kompensieren, daß nicht nach einer größeren Anzahl von
Betriebsstunden infolge Unkenntnis der Fehlergröße der Kompensierung unzulässig
große Ungenauigkeiten in der Ermittlung des Horizonts entstünden, für die kein Mittel
zur Berichtigungsgegeben ist. Außerdem bedingen diese Geräte ununterbrochenen Betrieb
der Kreisel vom Beginn der Fahrt an, weil nur der einmal im Ruhezustand des Systems
eingestellte Horizont durch das Gerät aufrechterhalten, nicht aber zu beliebiger
Zeit durch Ingangsetzen aufgefunden werden kann.
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Diesen übelständen abzuhelfen, ist Zweck der Erfindung. Sie bezweckt
ferner, ein Zusatzgerät zu bereits sonst bestehenden Kreiselgeräten zu schaffen,
das diesen zur selbsttätigen Kontrolle und Berichtigung beigeordnet werden kann.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die Gesamtpräzession eines über seinem
Schwerpunkt aufgehängten Kreisels hervorgerufen und beeinflußt wird einerseits durch
Erddrehung, Eigengeschwindigkeit des Systems, Lagerreibung sowie sonstige Widerstände,
andererseits durch die Schieflage des Systems. Das Verfahren nach der Erfindung
besteht darin, daß man an einem Dreikreiselgerät erstens alle auftretenden Präzessionswinkel
der Horizontkreisel in irgendeiner Form algebraisch addiert, zweitens die jeweilige
Summe im Maß einer der Gesamtpräzession entsprechenden (scheinbaren) Geschwindigkeit
unter Berücksichtigung der Winkelstellung des Azimutkreisels zur Kiellinie bzw.
den Kardanachsen als Strecke darstellt, drittens die auf irgendeinem anderen Weg
(Geschwindigkeitsmesser) ermittelte tatsächliche Geschwindigkeit des Systems ebenfalls
als Strecke im gleichen Geschwindigkeitsmaß darstellt und viertens beide Strecken
miteinander vergleicht. Der Unterschied ergibt ein Maß für den Fehler der vorgenommenen
Kompensation von Erd
drehurig einschließlich der Widerstände des
Geräts und für die Schieflage des Systems zusammengenommen. Hieraus läßt sich bereits
die Schieflage berechnen, also der wahre Horizont bestimmen. Dies ist jedoch etwas
umständlich. Da nun aber der Unterschied aus scheinbarer und wahrer Geschwindigkeit
bei zeitlich aufeinanderfolgenden Messungen nur dann konstant bleibt, wenn sich
das Dreikreiselgerät in der Horizontalstellung befindet, so wird gemäß weiterer
Erfindung die Gerätlage nach der ersten Messung so lange korrigiert, bis die Differenzen
der Strecken bei mindestens zwei zeitlich (z. B. etwa 5 Minuten) auseinanderliegenden
Messungen konstant bleiben. Selbstverständlich kann man sich diese letzte Maßnahme
sparen, wenn man z. B. durch zweckentsprechend aufgestellte Tabellen ein für allemal
die erforderlichen Korrekturwinkel für die verschiedenen Differenzen festgelegt
hat. Die Korrektur der Gerätlage ist aber besonders zweckmäßig, wenn man sie außer
durch Beeinflussung der Präzessionsachsen der Horizontalkreisel auch noch durch
Beeinflussung der Präzessionsachse des Azimutkreisels herbeiführt, und auch dies
ist ein Teil der Erfindung. Tut man dies nämlich, so ist bei richtiger Lage das
System nach Norden orientiert. Durch dieses Verfahren ist also das Gerät gleichzeitig
als Kompaß korrigiert.
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Das Verfahren ist anwendbar, ohne daß man den Kreiseln eine besondere
Kompensierung gegen Erddrehung erteilt. Eine solche vorkompensierung ist aber empfehlenswert,
wenn man nicht zu große Differenzwerte erhalten will.
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Eine Vorrichtung zur Ausübung.des Verfahrens besteht im wesentlichen
aus einem Gerät mit drei Kreiseln, deren Präzessionsachsen durch regelbare Drehmomente
beeinflußbar sind, und einem Auswertungsgerät, um die algebraische Präzessionssumme
der Horizontkreisel als gerichtete Strecke darzustellen und um diese Strecke mit
einer auf andere Weise ermittelten, ebenfalls als Strecke gegebenen Fortbewegungsgeschwindigkeit
des Trägers zu vergleichen.
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In den beiliegenden Zeichnungen ist die Erfindung in einer beispielsweisen
Ausfülr rang veranschaulicht, und zwar zeigen Abb. i das Kreiselgerät in schematischer
Ansicht, Abb. 2 einen Teil des Rahmens mit einem Kreisel im Schnitt, Abb.3 die Vorrichtung
zur Darstellung der Geschwindigkeiten als Strecken, Abb. q. das elektrische Schaltschema
in vereinfachter Weise, Abb. 5 und 6 Einzelteile, die im folgenden näher erläutert
werden, Abb. 7 eine abgeänderte Ausführung der Vorrichtung nach Abb. 3.
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Die drei Kreisel 11, 12, 13 sind mit aufeinander senkrecht stehenden
Empfindlichkeitsachsen im Hauptrahmen 14 untergebracht. Kreisel 13 ist als Azimutkreisel
angeordnet mit horizontaler Präzessionsachse, während die beiden anderen Kreisel
ii und 12 vertikale Präzessionsachsen und zueinander senkrechte horizontale Impulsachsen
haben. (Sie könnten auch aufeinander senkrechte horizontale Präzessions- und vertikale
Impulsachsen haben. Soll das Gerät gleichzeitig als Kompaß dienen, so muß jedoch
der Nordkreisel [im Beispiel Kreisel ii] horizontale Impuls- und vertikale Präzessionsachse
besitzen.) Alle Kreisel haben außer ihrem Rotationsfreiheitsgrad nur noch einen
Präzessionsfreiheitsgrad. Die Kreisel 11, i2 und 13 sind in den Hauptrahmen mit
Einzelrahmen 15, 16, 17 eingehängt. Rahmen 14. ist in den Kardanringen 18, i9 mit
Schwerpunkt unter dem Schnittpunkt der Kardanachsen 21, 22 und um die vertikale
Achse 2o drehbar befestigt. Das ganze Gerät ist mit dem bewegten System (z. B. Luft-
oder Wasserfahrzeug) durch die Böcke 23 verbunden.
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Die beiden Kreisel i i und 12, die den Horizont ergeben, sind in ihrem
gesamten Aufbau, in Aufhängung und Ausrüstung völlig identisch, mit dem Unterschied
nur, daß ihre horizontalen Impulsachsen, wie gesagt, aufeinander senkrecht stehen
und zweckmäßig wenigstens einer von ihnen (z. B. Kreisel 1:2), der Ost-West gerichtet
ist, eine bekannte Einrichtung zur Kompensierung der Erddrehung besitzt. Es genügt
daher, die Anordnung des Kreisels i i zu beschreiben. Der den Kreisel ii tragende
Einzelrahmen i5 (s. Abb. 2) ist oberhalb des Schwerpunkts in den Horizontallagern
24. im Rahmen 14. schwenkbar gelagert. Am Vorsprung 15' ist er in beliebiger Weise
etwa durch Federn mit Rahmen 14 verbunden, oder er besitzt sonstige Einrichtungen,
die seine elastische Rückführung in die Nullage bewirken. Das Kreiselgehäuse kann
sich in den Vertikallagern 25, 26 drehen. Der Kreisel besitzt die Rotationsachse
27.
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Die vertikale Gehäuseachse 28 des Kreisels i i trägt oben einen Kontaktarm
29, der auf Gegenkontakten des konaxial mit Achse 28 frei drehbaren Zahnsektors
30 schleifen kann. In dessen Zähne greift Ritzel 31 des am Rahmen 15 befestigten
Wendemotors 32 ein und dreht den Kontaktarm 29 mit seinen Kontakten der Stellung
des Kontaktarms 29 nach. Ritzel 31 greift andererseits ein in den Zahnsektor 33,
mit dem ein Kontaktarm 3.4 verbunden ist (Abb. 2, 5 und 6). Dieser gelangt durch
Drehung über einen kleinen toten Winkel (beiderseits z. B. je 6°) auf einen der
Kontakte 3 5 an dem auf der Achse 36 des Zahnsektors 33 frei drehbaren Sektor 37.
Sektor
37 trägt den Anker 38 zwischen den Polen eines Elektromagneten 39, der durch Bügel
4o am Rahmen 15 befestigt ist. Er besitzt außerdem einen Arm 41 mit der am Bügel
4o angreifenden Zugfeder 42. Anschläge 43 begrenzen den Ausschlag des Sektors 37.
Die Teile 38 bis 42 dienen im wesentlichen der Vermeidung eines Wackelkontaktes
zwischen 34 und 35. Kontaktgabe hat nämlich außer der später beschriebenen Wirkung
zur Folge, daß Elektromagnet 39 erregt wird und dadurch der Anker 38 den Sektor
37 bis zu einem der Anschläge 43 entgegen der Drehung des Kontaktarms 34 mitnimmt.
Feder 42 hat das Bestreben, Sektor 37 wieder in die Mittellage zurückzubringen.
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Auf den Rahmen 15 ist das Laufgewicht 44 (Abb.2) aufgesetzt, das quer
zur Rahmenebene in beiden Richtungen verschoben werden kann, um so ein Drehmoment
um die Achse der Lager 24 auszuüben. Es wird betätigt durch eine beliebige Einrichtung
(Elektromagnet, Elektromotor o. dgl.), die bei Kontaktgabe zwischen den Kontakten
34 und 35 anspricht.
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Mit der vertikalen Gehäuseachse 28 des Kreisels ist ferner ein zweckmäßig
regelbares, durch Widerstände zu beeinflussendes Korrekturrelais, bestehend aus
einem Anker 45 und Feld 46 verbunden. Ferner ist zur Dämpfung der schwingenden Bewegung
des Rahmens 15 eine Einrichtung vorhanden, die aus dem Zahnsektor 47, dem
flüssigkeitsgefüllten Behälter 48 mit Flügelrad 49 und Ritzel 5o besteht. Der um
eine horizontale Achse drehbare Rahmen 16 ist in seiner Ausrüstung und Ausgestaltung
gleich Rahmen 15, hängt jedoch im Rahmen 14 mit seiner Ebene senkrecht zu der des
Rahmens 15. Der Rahmen 17 des Azimutkreisels 13 ist analog den Rahmen 15,
16 im Rahmen 14 drehbar gelagert, nur daß er nicht über seinem Schwerpunkt
aufgehängt ist, sondern Kreisel 13 horizontale Präzessions- und Rotationsachsen
bei vertikaler Empfindlichkeitsachse besitzt.
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Die Achse 2o des Rahmens 14 trägt ein Zahnrad 51, das mit dem Ritzel
des am Kardanring 18 befestigten Wendemotors 52 kämmt.
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Der in Abb.3 dargestellte Empfangsteil des Geräts oder das Auswertungsgerät
besteht im wesentlichen aus den beiden Spindeln 53 und 54, von denen die eine gegen
die andere um ihren Schnittpunkt verschwenkt werden kann, ferner der Kontaktschiene
55 und den Führungsmuttern 56 und 57. Der von den Spindeln umschlossene Winkel a
wird durch einen elektrischen Empfänger 58 eingestellt, der von einem mit dem Wendemotor
52 verbundenen Geber 76 in Gang gesetzt wird. Der gleiche Geber betätigt einen zweiten
Empfänger 59 an der Mutter 57, der synchron, aber entgegengesetzt wie der Empfänger
58 läuft und dadurch Einstellung des Winkels ß als Komplementärwinkel zu a durch
Drehung der Schiene 55 um ihren Schnittpunkt mit Spindel 54 bewirkt. Empfänger 59
kann zusammen mit Mutter 57 längs Spindel 54 bewegt werden. Diese Bewegung wird
durch die Vorrichtung 6o am freien Ende der Spindel 54 bewirkt. Die Vorrichtung
6o besteht z. B. aus einer Kurbel, Handrad o. dgl. bei Einstellung von Hand oder
aus einem motorischen Empfänger und dient dazu,- die in irgendeiner unabhängigen
Weise (z. B. durch einen Fahrtmeßapparat) ermittelte Schiffsgeschwindigkeit oder
gegebenenfalls die Fahrt über Grund durch Verschiebung der Mutter 57 einzustellen.
Bei Benutzung des Geräts wird also jeweils die Strecke vom Schnittpunkt der Spindeln
53, 54 bis zum Schnittpunkt der Spindel 54 mit der Kontaktschiene 55 proportional
der Schiffsgeschwindigkeit bemessen. Spindel 53 ist über den Drehpunkt bei 58 hinaus
durch den Arm 53' verlängert, ebenso Schiene 55 über die Mutter 57 hinaus durch
den Arm 73.
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Spindel 53 trägt an einem freien Ende ein Differentialgetriebe, bestehend
etwa aus den Kegelrädern 61 und 62 und den auf gemeinsamer Achse 63 drehbaren Planetenkegelrädern
64 und 65. Kegelrad 61 ist gemeinsam mit Schneckenrad 66 auf Spindel 53 frei drehbar
und wird durch die Schnecke 67 vom Empfänger 68 her angetrieben. Kegelrad 62 ist
mit Empfänger 69 und die Achse 63 der Planetenräder 64, 65 mit Spindel 53 gekuppelt.
Die Verschiebung der Mutter 56 erfolgt also unter der Differentialwirkung durch
die Empfänger 68 und 69. Hierdurch wird, wie später beschrieben, eine durch den
einen Horizontalkreisel des Kreiselgeräts gegebene Komponente der scheinbaren Schiffsgeschwindigkeit
eingestellt, und zwar unter Wirkung eines der Kreisel r s oder r2.
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Wenn nun unter Wirkung der verschiedenen das Dreieck 53, 54 55 bestimmenden
Einflüsse die Mutter 56 aus ihrer Mittellage zur Schiene 55 auswandert, so berührt
die Schiene 55 beim Gleiten über die Fläche der Mutter 56 einen der beiden seitlich
ihrer Mittellage angeordneten Kontakte 70, 7r.
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Statt daß mit Hilfe der beiden Empfänger 58 und 59 der Winkel zwischen
Spindel 53
und Schiene 55 ständig genau auf 9o° eingestellt bleibt und Kontaktgabe
erfolgt, wenn die Mitte der Mutter 56 sich ,gegen die Schiene 55 verschiebt, kann
man auch die Empfänger 59 fortlassen. Es erhält dann (Abb.7) die Schiene 55 einen
festen Drehpunkt 8o an der Mutter 57 und die Mutter 56 einen Drehkopf 81, in dem
sich die Schiene 55 ihrer Länge
nach unter Drehung des Mutterkopfes
verschieben kann. Die Kontakte 70, 71 sind in beiden Fällen so angebracht, daf-
einer von ihnen geschlossen wird, wenn der Winkel zwischen Spindel 53 und Schiene
55 von go° abweicht.
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Die Einrichtung ist so getroffen, daß die Spindel 53 mit Differentialgetriebe
und Empfängern 68 und 69 bei Drehung um 58 auch auf die andere Seite von Spindel
54, z. B. in die Richtung 72, gelangen kann, wobei dann die Verlängerung 73 der
Schiene 55 in die Lage 8o kommt und mit Mutter 56 bzw. den Kontakten 70,
71 zusammenarbeitet. Ebenso ist Spindel 53 verlängert, um die heidenanderen
Quadranten mit 53' bestreichen zu können. . Es kann noch eine zusätzliche Einrichtung
an sich bekannter Art benutzt werden, um Schlingerbewegungen beim Absetzen der wirklichen
Geschwindigkeit an der Spindel 54. auszugleichen, und zwar etwa in der Weise, daß
der die Schiene 55 tragende Teil der Mutter 57 quer verschiebbar zur Spindel 54
angeordnet und von einem durch die Schlingerbewegung und entsprechend der Schlingergeschwindigkeit
und dem Abstand der Schlingerachse angeregten Geber gesteuert wird.
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Ein gleiches Gerät, bestehend aus Teilen 53 bis 73, ist vorhanden
zur Einstellung der zweiten Komponente der scheinbaren Geschwindigkeit, die durch
den anderen der beiden Kreisel ii oder 1a erzeugt wird. Die beiden ander verbunden
gleichen Geräte sein, so können daß nur auch eine mitein-" Spindel 54 vorhanden
ist. Man kann auch so vorgehen, daß man die Spindel für die zweite Komponente in
senkrechter Lage zur Spindel 53 an der Mutter 56 der ersten anbringt und von dieser
bewegen läßt. Denn es kommt letzten Endes nur darauf an, die unabhängig aus einem
Fahrtmeßapparat richtig gefundene Schiffsgeschwindigkeit mit der aus den Komponenten
von den Kreiseln i i, 1.2 her ermittelten scheinbaren Geschwindigkeit nach Größe
und Richtung zu vergleichen.
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Das Gerät arbeitet in folgender Weise (s. dazu insbesondere Abb. 4)
Zunächst wird durch die Einrichtung 6o die Mutter 57 auf die wahre Schiffsgeschwindigkeit
eingestellt. Wenn nun die Kreiselanordnung in Gang gesetzt wird, so schaltet bei
einer Kursabweichung oder Kursänderung ein mit der Präzessionsachse des Azimutkreisels
13 verbundener Kontaktarm 74 über Kontakte 75 den als Nachdrehmotor arbeitenden
Wendemotor 52, der den Hauptrahmen i.1 entgegen dem Drehwiderstand zu drehen, also
die Präzession des Azimutkreisels aufzuheben sucht. Gleichzeitig betätigt er eitlen
mit ihm gekuppelten Geber 76, der die Empfänger 58 und 59 steuert und somit die
Winkel a und ß entsprechend der Stellung des Rahmens 14 gegenüber dem Kardanring
18 einstellt. Kontaktarm z9 an der Präzessionsachse z8 des Nord-Süd-Kreisels i i
schaltet den Wendemotor 3a, der mit dem Geber 77 gekuppelt ist und so den Empfänger
69 an Spindel 53 arbeiten läßt. Gleichzeitig werden durch Vermittlung des Sektors
33 die Kontakte 34, 35 betätigt und einerseits das entgegen- der Kreiselpräzession
wirkende Laufgewicht 44 um einen konstanten Betrag verrückt, andererseits der Wendemotor
68 am Differentialgetriebe der Spindel 53 in Gang gesetzt, der so lange arbeitet,
wie das Laufgewicht aus seiner Mittelstellung ausgerückt bleibt.
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Wandert die Mutter 57 aus ihrer Mittelstellung gegenüber Schiene 55
aus bzw. weicht der Winkel zwischen Spindel-53 und Schiene 55 von go° ab, so schließt
sich einer der Kontakte 70 oder 71. Hierdurch wird das Korrekturrelais 46 an der
Präzessionsachse des Nord-Süd-Kreisels ii, ein analoges Relais 78 am Azimutkreisel
13 und eine Dämpfungseinriehtung (pämpfungsgewicht) 7.9 am Nord-Süd-Kreisel
i i betätigt. Diese an sich bekannte Dämpfungseinrichtung verhindert Übersteuerung,
sie schaltet also die rückdrehenden Kräfte bereits aus, bevor noch die Horizontlage
wiedererreicht ist.
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Schaltung und Arbeitsweise des Ost-West-Kreisels 12 und der mit ihm
zusammenarbeitenden Teile ist die gleiche wie beim Nord-Süd-Kreisel, nur fehlt bei
der Schaltung des einen von beiden die Verbindung mit dem Korrekturrelais 78 des
Azimutkreisels.
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Setzt man nun bei einer Messung die durch den Ort der Muttern 56 sowohl
für den Nord-Süd- als auch den Ost-West-Kreisel bestimmten Komponenten nach Strecke
und Richtung zusammen, so ergibt sich die scheinbare Geschwindigkeit, die mit der
an Spindel 54 durch Lage der Mutter 57 eingestellten wahren Geschwindigkeit verglichen
wird.
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Ist bei einer zweiten. Messung der Unterschied zwischen der wahren
Geschwindigkeit und der durch die Komponenten angezeigten scheinbaren gleich demjenigen,
der sich bei der ersten Messung ergab, so zeigen Kreisel i r und 12 mit ihren Rotationsachsen
den wahren Horizont; andernfalls ist zu korrigieren, bis sich bei zwei oder mehr
Messungen gleiche Unterschiede ergeben. Man kann selbstverständlich auch fortlaufend
arbeiten, etwa unter Zuhilfenahme einer Fahrtmeßan-Lage, und demzufolge selbsttätig
fortlaufend über die Kontakte 70, 71 auf die Korrekturspule 46 Korrekturen vornehmen,
wodurch der Horizont ständig in seiner Lage erhalten bleibt.
Der
Gegenstand der Erfindung beschränkt sich nicht auf die dargestellte Ausführungsform,
es sind vielmehr Änderungen nach mancherlei Richtung denkbar, sowohl in der Anordnung
der Teile zueinander als auch ihrer Schaltung; so können z. B. mehrere Korrektureinrichtungen
miteinander vereinigt werden, statt elektrischer Übertragung kann mechanische, hydraulische
oder pneumatische gewählt werden. Die einzelnen Kreisel brauchen nicht in einem
gemeinsamen Rahmen ruhen, sondern können örtlich voneinander getrennt sein, auch
können Kreisel eines anderen vorhandenen Geräts die Funktionen des einen oder anderen
Kreisels des Geräts nach der Erfindung übernehmen.
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Das Wesen der Erfindung besteht allgemein in dem Verfahren und der
Vorrichtung zur Ermittlung des wahren Horizonts dadurch, daß man die durch alle
Ursachen sich ergebenden Präzesionen als Geschwindigkeit darstellt und in wiederholter
Messung die Unterschiede der so gefundenen scheinbaren Geschwindigkeit des Systems
mit der auf andere Weise ermittelten währen Geschwindigkeit von Hand oder selbsttätig
zur Bestimmung des wahren Horizonts benutzt. Auch in seiner Anwendung bleibt das
Gerät nicht auf den beschriebenen Zweck beschränkt," -vielmehr soll es u. a. -dazu
dienen, an einem bereits durch Arbeitskreisel vorstabilisierten System den - Störungsmomenten
dieser Arbeitskreisel entgegenwirkende Momente durch Einschaltung von Kräften hervorzurufen.