DE578763C - Verfahren zur Ermittlung des Kurses von Luftfahrzeugen von einem aussenliegenden Beobachtungspunkt - Google Patents

Description

AUSGEGEBEN AM 16. JUNI 1933

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

M 578763 .KLASSE 72f GRUPPE 15os

Verfahren zur Ermittlung des Kurses von Luftfahrzeugen von einem außenliegenden Beobachtungspunkt

Patentiert im Deutschen Reiche vom 4. Juli 1931 ab

Denkt man sich auf dem Visierstrahl zwischen einem festen Beobachtungspunkt und einem Luftfahrzeug einen Punkt in konstantem Abstand von der Beobachtungsstelle und projiziert diesen Punkt fortlaufend auf die Horizontalebene, so entsteht in dieser, falls das Fahrzeug geradlinigen Kurs behält, eine Ellipse, deren große Achse parallel zur Kursrichtung des Fahrzeuges liegt. Falls der konstante Abstand den Wert ι hat, ist dessen Projektion auf die Horizontalebene gleich dem Cosinus des Geländewinkels, unter welchem das Fahrzeug am Beobachtungsort sichtbar ist. Es ist bekannt, einen Dreharm mit darauf befestigtem Schreibstift auf diese Länge einzustellen und ihn gleichzeitig entsprechend dem Seitenwinkel, unter welchem das Fahrzeug gegenüber einer festen Bezugsrichtung im Fernrohr erscheint, zu drehen, so daß der Schreibstift einen Teil einer Ellipse aufzeichnet. Durch Einpassen von vorgegebenen Ellipsen, die sich zweckmäßig auf einer oberhalb des Registrierpapiers drehbaren Scheibe befinden, in diesen Teil der aufgezeichneten Kurve kann dann die Lage der großem Achse der Ellipse und damit der Kurs des Fahrzeuges bestimmt werden. Nachteilig bei dieser Bestimmung ist, daß sie nur dann einigermaßen genau ist, wenn ein hinreichend langes Stück der Ellipse aufgezeichnet wird, was aber wiederum zur Voraussetzung hat, daß die Bahn des Fahrzeuges längere Zeit geradlinig bleibt. Ferner müssen bei einer derartigen Aufzeichnung vor jeder neuen Kursbestimmung ältere Aufzeichnungen gelöscht oder es muß das Zeichenpapier erneuert werden. Schließlich ist die Kursbe-Stimmung dann nicht mehr möglich, wenn das Fahrzeug in sehr geringer Höhe fliegt oder unmittelbar Kurs über den Beobachtungsort hinweg nimmt, weil im ersteren Falle die Ellipse annähernd in einen Kreis übergeht, während im 4" zweiten Falle die Aufzeichnung überhaupt nicht mehr vorgenommen werden kann.

Erfindungsgemäß wird der Kurs des Fahrzeuges ebenfalls als Richtung der großen Achse einer in der erwähnten Weise entstehenden Ellipse gefunden, jedoch ohne daß dazu die Aufzeichnung der Ellipse erforderlich ist. Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß die Lage der Ellipse bereits allein durch den Geländewinkel, unter welchem das Fahrzeug erscheint, und durch den Neigungswinkel der durch die Flugbahn und den Beobachtungspunkt gelegten Flugebene bestimmt ist. Es wird der Lagewinkel der Ellipsenachsen gegenüber der jeweiligen Visierebene rechnerisch als Funktion der erwähnten beiden Winkel unter der Voraussetzung ermittelt, daß das Fahrzeug während der Dauer der Ermittlung seinen Kurs beibehält, der Neigungswinkel der Flugebene also konstant bleibt.

'-) Von dem Patentsucher ist als der Erfinder angegeben worden:

Rudolf Neubauer in Berlin-Heinersdorf.

Zweckmäßig wird für die Bestimmung ein Kurvenkörper verwendet, der in Abhängigkeit von dem Winkel zwischen der kleinen Achse der Ellipse und der jeweiligen Visierebene und von dem fortlaufend gemessenen Geländewinkel sowie in Abhängigkeit von dem Neigungswinkel der Flugebene als Parameter geschnitten, ist. Wird dann entlang diesem Kurvenkörper ein Abnehmernocken fortlaufend auf den Wert für to den jeweiligen Geländewinkel eingestellt, so ergibt die Längsverschiebung dieses Nockens den Wert für den Neigungswinkel der Flugebene. Diese Verschiebung muß unter der gemachten Voraussetzung, daß das Fahrzeug während der Bestimmung seinen Kurs nicht ändert, Null sein. Zu diesem Zweck ist eine Drehung des Kurvenkörpers erforderlich, die dem gesuchten Winkel zwischen der kleinen Achse der Ellipse und der Visierebene entspricht. Dieser Winkel ergibt dann zu 90 ° addiert die Kursrichtung des Fahrzeuges gegenüber der jeweiligen Visierrichtung und durch Überlagerung mit dem gegenüber einer festen Bezugsrichtung gemessenen Seitenwinkel des Fahrzeuges den Fahrzeugkurs hinsichtlich dieser festen Bezugsrichtung. Die mathematische Beziehung zwischen den drei Winkeln kann auch durch Rechengetriebe evtl. auch logarithmische Getriebe ausgewertet werden. In jedem Falle ist eine sehr schnelle und damit der gemachten Annahme entsprechend verhältnismäßig sehr genaue Bestimmung des Fahrzeugkurses möglich.

In der Zeichnung zeigt Fig. 1 schaubildlich

die der Erfindung zugrunde liegende geometrisehen Verhältnisse. In Fig. 2 und 3 sind zwei verschiedene Ausführungsformen für die neue Kursbestimmung dargestellt.

In Fig. ι stellt K die Einheitskugel mit dem Punkt 0 als Bezugspunkt dar, von welchem der Geländewinkel ε und der Seitenwinkel φ gegenüber der als Orientierungslinie gewählten Nord-Süd-Richtung NS eines sich von A' nach C geradlinig bewegenden Fahrzeuges fortlaufend gemessen werden. Die Visierstrahlen schneiden +5 die Oberfläche der Einheitskugel K in einem Kreisbogen UT₁, der sich durch lotrechte Projektion auf der Horizontalebene als Ellipse E mit der kleinen Halbachse oa und mit der großen Halbachse ob abbildet. Den kürzesten Abstand vom Fahrzeug hat der im Punkt 0 stehende Beobachter, wenn er senkrecht zur Zielbahn, d. h. in Richtung der kleinen Achse oa der Ellipse visiert. Dann aber liegt die große Halbachse ob parallel zum Kurs A', C und gibt somit die Kursrichtung des Fahrzeuges mit Bezug auf die als Orientierungslinie gewählte Nord-Süd-Richtung NS an.

Durch die Tatsache, daß sich die Bahn eines

sich geradlinig bewegenden Fahrzeuges auf der

fio Horizontalebene als Teil einer Ellipse darstellen läßt, ist es möglich, zu dem Winkel δ, den der Ellipsenradius von der bekannten Größe cos ε_α mit der kleinen Achse oa der Ellipse einschließt, den zugehörigen Neigungswinkel ε der Flugebene zu berechnen und umgekehrt. In dem sphärischen Dreieck A BC, das auf der Kugel durch die Flugebene, durch die durch den Punkt B' der kürzesten Entfernung gelegte Ebene oAB und durch die jeweilige Visierebene oCB ausgeschnitten wird, ist:

cos δ = ctg (90⁰ — ε_α) ■ tg (90° — ε) oder cos δ = tg ε_α · ctg ε, (ι)

wobei ö wiederum der Winkel ist, der, zu 90 ° addiert, die Kursrichtung des Fahrzeuges gegenüber der Visierrichtung ergibt. Demzufolge ist der Kurswinkel gegenüber der festen Bezugsrichtung:

σ = ψ— (90° + S).

Fig. 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel zur Ermittlung des Winkels δ bzw. σ, bei dem ein Kurvenkörper 8 verwendet wird, der nach Maßgabe obiger Gleichung (1) hergestellt ist. Unter der Annahme, daß der Geländewinkel ε_α 8$ konstant ist, ergibt diese Gleichung zu jedem Winkel δ eindeutig den zugehörigen Neigungswinkel ε der Flugebene. Trägt man dann zu den einzelnen Winkern δ, die auf einer Kreisfläche zwischen 0 und 180 ° verteilt sind, die zugehörigen Werte für ε als Radialwerte auf, dann entsteht eine Kurvenscheibe. Dieser Vorgang wird für jeden Wert ε_α zwischen ο und 90° wiederholt, so daß sich eine Anzahl von Kurvenscheiben ergibt, aus deren Übereinanderschichtung der Kurvenkörper 8 entstanden gedacht werden kann.

Wird nun der Kurvenkörper 8 um den Winkel δ gedreht und gleichzeitig der auf ihm gleitende Abnehmernocken 7 auf den fortlaufend gemessenen Wert für den Geländewinkel ε_α eingestellt, so erhält dieser Nocken 7 eine Längsverschiebung, die dem Neigungswinkel ε der zugehörigen Flugebene entspricht. Der Winkel δ bzw. der Kurswinkel σ ist gesucht und wird in der Einrichtung gemäß Fig. 2 auf Grund der obenerwähnten Annahme gefunden, daß der Kurs des Fahrzeuges kurzzeitig geradlinig ist und infolgedessen der Neigungswinkel ε der Flugebene kurze Zeit konstant bleibt. Wenn uo aber ε konstant ist und der Geländewinkel ε_α und der Seitenwinkel φ des Fahrzeuges fortlaufend als Meßwerte eingeführt werden, kann der Winkel δ fortlaufend bestimmt werden, was auf folgende Weise geschieht:

Durch Drehen der Handkurbel 1 wird der Gegenzeiger 2 mit dem Empfängerzeiger 3 eines den Geländewinkel ε_α von der Meßstelle aus übertragenden Fernzeigersystems fortlaufend in Deckung gehalten und auf diese Weise über Kegelräder 4 der an der Spindel 5 geführte Schlitten 6 mit dem darin verschiebbar ge-

lagerten Abnehmernocken 7 gegenüber dem Kurvenkörper 8 auf den Wert für den Geländewinkel ε_α eingestellt. Gleichzeitig wird der Geländewinkel auf den mit dem Schneckenrad 9 verbundenen Zeiger 10 übertragen. Durch Drehen der Handkurbel 11 wird der Gegenzeiger 12 mit dem Empfängerzeiger 13 eines den Seitenwinkel φ übertragenden Fernzeigersystems in Deckung gehalten. Dieser Winkel wird über

ίο Kegelräder 14 und 15, Differentialgetriebe 16 und Stirnräder 17 auf die Trommel 8 übertragen. Dabei bewirken die Stirnräder 17 eine Übersetzung von 1: 2 ins Langsame, weil eine volle Drehung des Kurvenkörpers einem Winkel von 180 ° entspricht.

Die Drehung des Kurvenkörpers bewirkt eine Verschiebung des Abnehmernockens 7 in dem Schlitten 6, welche durch eine auf der Unterseite des Nockens 7 vorgesehene Verzahnung auf das Ritzel 18 und weiter über Kegelräder 19 und 20 auf den Zeiger 21 übertragen wird.

Die Trommel 8 möge zunächst eine beliebige Stellung gegenüber der Einstellung der Handkurbel ii, die dem Seitenwinkel entspricht, besitzen. Der Zeiger 21 wird dann bei der Weiterdrehung der Trommel 8 durch die Handkurbel 11 zunächst einen sich stetig ändernden, falschen Neigungswinkel ε der Flugebene anzeigen. Erst wenn die Drehung der Trommel 8 dem Winkel δ (Fig. 1) entspricht, erhält der Zeiger 21 eine Einstellung entsprechend dem Neigungswinkel ε der zugehörigen Flugebene. Weil dieser Neigungswinkel ε aber stets für eine hinreichend lange Zeit konstant bleibt, so ist klar, daß der Zeiger 21 stillstehen muß, wenn die Trommel 7 tatsächlich den Drehwert δ erhält. Zu diesem Zweck muß von der Handkurbel 22 derjenige Winkel eingedreht werden, um welchen die Nullstellung der Trommel von der Lage der kleinen Ellipsenachse abweicht. Falls die Nullstellung der Trommel mit der Nullstellung der Handkurbel H in Übereinstimmung gewesen wäre, würde also die Trommel von der Handkurbel 22 über Differentialgetriebe 16 um den Winkel σ + 90 ° zurückzudrehen sein (Fig. 1). Weil die Nullstellung der Trommel anfangs jedoch willkürlich sein kann, wird auch diese zum Anhalten des Zeigers 21 erforderliche Rückdrehung einen entsprechend anderen Wert haben. Der Winkel δ wird über Kegelräder 23 auf die Welle 24 und weiter über Kegelräder 25 und Stirnräder 26 auf das eine Seitenrad 27 eines Differentialgetriebes übertragen, dessen anderes Seitenrad 28 über Kegelräder 14,15 von der Handkurbel 11 entsprechend dem gemessenen Seitenwinkel φ des Fahrzeuges eingestellt wird. Die Differenz beider Winkel ist gemäß Fig. ι gleich σ -f- 90 °. Ist nun zwischen den beiden Seitenrädern 27 und 28 des Differentialgetriebes von vornherein eine Versetzung um 90° vorhanden, so überträgt das Planetenrad 29 über die Hohlwelle 30 und Kegelräder 31 den Kurswinkel σ auf die Resultatwelle 32 und die damit verbundene Anzeigevorrichtung 33, 33'.

Die Kursangabe durch die große Achse ob der Ellipse gibt nicht ohne weiteres zu erkennen, ob es sich um einen Vorbeiflug oder um einen direkt über den Beobachter hinweg gehenden Kurs handelt. Eine einfache Überlegung zeigt jedoch, daß es sich so lange um einen Vorbeiflug handeln muß, solange der Zeiger 13 sich dreht, denn bei einem Flug über den Beobachter hinweg ist keine Änderung der Seitenrichtung φ vorhanden. Steht der Zeiger 13 dagegen still, während der Zeiger 10 in steter Bewegung bleibt, dann ist das Fahrzeug in direktem Anflug und nimmt Kurs über den Beobachter hinweg. Der Bedienungsmann der Handkurbel 22 dreht dann so lange, bis die Anzeigevorrichtung 33, 33' den Kurswinkel σ = φ anzeigt.

Für den Fall, daß Richtwerte für einen dreiachsigen Scheinwerfer geliefert werden müssen, kann diesem der Neigungswinkel ε der Flugebene telephonisch durch Ablesen der Stellung des Zeigers 21 oder durch elektrische Geber, welche an die diesen Zeiger einstellende Welle angeschlossen sind, übermittelt werden.

Zur Vermeidung der Kurventrommel 8 kann die Gleichung (1) auch durch Rechengetriebe ausgewertet werden. Fig. 3 zeigt hierfür schematisch eine Ausführungsform, bei der zur Vermeidung der Multiplikation logarithmische Getriebe verwendet werden. Durch Logarithmieren geht die Gleichung (1) nämlich über in:

Ig cos δ — Ig tg ε_α = Ig ctg e. (2)

Der mittels Handkurbel 1 eingeführte Meßwert für den Geländewinkel ε_α des Fahrzeuges stellt über Stirnräder 34 ein erstes Kurvenscheibenpaar 35 mit einer nach der Tangensfunktion und mit einer nach dem Logarithmus dieser Funktion geschnittenen Kurvenscheibe ein, so daß der Wert Ig tg ε_α über Kegelräder 36 und 37 auf das Differentialgetriebe 38 übertragen wird. In diesem Differentialgetriebe wird über Stirnräder 39 der Resultatwert Ig cos δ eines zweiten Kurvenscheibenpaares 40 überlagert, das von der Handkurbel 41 entsprechend dem Winkel δ eingestellt wird. Die Differenz beider Werte, die dem Wert Ig ctg ε entspricht, wird dann durch die Welle 42 auf das dritte Kurvenscheibenpaar43 übertragen, das den Neigungswinkel ε der Flugebene über Kegelräder 44 und 20 auf den Zeiger 21 überträgt. Die Handkurbel 41 ist bei dieser Einrichtung so zu bedienen, daß der Zeiger 21 stillsteht, weil der von diesem angezeigte Neigungswinkel ε der Flugebene bei geradlinigem Kurs des Fahrzeuges konstant bleibt. Durch Überlagerung des gegenüber der jeweiligen Visierrichtung erhaltenen Kurswinkels δ mit dem jeweiligen Seitenwinkel φ des

Fahrzeuges kann dann in der in der Einrichtung nach Fig. 2 gezeigten Weise wiederum der Kurswinkel σ gegenüber der festen Orientierungslinie NS erhalten werden. Die Anordnung gemäß Fig. 3 ist einfacher in der Herstellung. Sie hat jedoch den Nachteil daß die Logarithmen der trigonometrischen Funktionen in der Nähe von o° und 90 ° nicht dargestellt werden -können, weil dafür die Kurvenscheiben zu steil wurden. Die Verwendung des Kurvenkörpers 8 gemäß Fig. 1 vermeidet jedoch diese Nachteile. Die erhaltenen Werte für δ und σ können in einfacher Weise bei der Feuerleitung, beispielsweise zur Ermittlung der Vorhaltwerte, dienen.

Claims (6)

1. Patentansprüche:

   i. Verfahren zur Ermittlung des Kurses von Luftfahrzeugen von einem außenliegenao den Beobachtungspunkt, bei dem der Kurs als Richtung der großen Achse einer durch Projektion einer konstanten Länge des Visierstrahles auf die Horizontalebene teilweise entstanden gedachten Ellipse bestimmt wird, a.5 dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel, den die große oder kleine Achse dieser Ellipse mit der jeweiligen Visierebene einschließt, als Funktion des Geländewinkels und des Neigungswinkels der Flugebene mit Rechenvorrichtungen ermittelt wird unter der Annahme, daß das Fahrzeug sich kürzere Zeit geradlinig bewegt.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Subtraktion des Winkels zwischen der großen oder kleinen Achse der Ellipse und der jeweiligen Visierebene von der gegenüber einer festen Bezugsrichtung gemessenen Seitenrichtung des Fahrzeuges der Kurs des Fahrzeuges hinsichtlich dieser festen Bezugsrichtung bestimmt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß entlang einem Kurvenkörper, der in Abhängigkeit von dem Winkel (δ) zwischen der kleinen Achse der Ellipse und der jeweiligen Visierebene und von dem Geländewinkel (ε_ο) des Fahrzeuges sowie in Abhängigkeit von dem Neigungswinkel (ε) der Flugebene geschnitten ist, ein Abnehmernocken (7) parallel mit sich selbst entsprechend dem Geländewinkel (e_o) des Fahrzeuges verschiebbar ist, derart, daß zur Vermeidung einer Längsverschiebung des Nockens, die dem Neigungswinkel (ε) der Flugebene entspricht, eine Drehung des Kurvenkörpers um den Winkel (δ) zwischen der kleinen Achse der Ellipse und der jeweiligen Visierebene erforderlich ist.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kurvenkörper über ein Differentialgetriebe (16) fortlaufend entsprechend dem gemessenen Seitenwinkel des Fahrzeuges und von einem Handantrieb (22) derart zusätzlich verstellt wird, daß ein von dem Abnehmernocken eingestellter Zeiger stillsteht.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlung des Winkels (δ) zwischen der kleinen oder großen Achse der Ellipse und der Visierebene nach der Beziehung Ig cos δ — Ig tg ε_α = Ig ctg ε in einer Recheneinrichtung erfolgt, die aus drei durch ein Differentialgetriebe (38) miteinander in Verbindung stehenden Kurvenscheibengetrieben besteht, von denen das eine (37) entsprechend dem Geländewinkel (ε_ο) des Fahrzeuges und das zweite (40) derart eingestellt wird, daß der Resultatwert des dritten (43) konstant bleibt.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 2 und 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehwert (δ) des Kurvenkörpers (8) bzw. des zweiten Rechengetriebes (40) und der gemessene Seitenwinkel (φ) des Fahrzeuges zwecks Ermittlung des Kurswinkels (σ) • hinsichtlich der Bezugsrichtung, gegenüber welcher der Seitenwinkel gemessen wurde, einer Additions vorrichtung, z. B. einem Differentialgetriebe (27, 28, 29), zugeleitet werden, go

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