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Technischer
Bereich
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen elektronischen Kreiselmagnetkompass,
welcher hauptsächlich,
aber nicht ausschließlich,
als ein Ausrüstungsgegenstand
für Boote
oder jede andere Art von Fahrzeugen ausgeführt ist.
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Stand der
Technik
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Analoge
elektronische Kompasse sind seit längerer Zeit bekannt und auf
dem Markt verfügbar. Sie
umfassen mindestens einen sättigungsfähigen Kernsensor
(Magnetfeldsensor) mit einem veränderlichen
magnetischen Widerstand, wobei die Ausgangssignale dieses Sensors
jeden Augenblick mit dem Winkel zwischen dem geographischen Norden und
der Längsachse
des Fahrzeuges (Kurswinkel) in Beziehung gesetzt werden; üblicherweise
sind die Ausgangssignale des Sensors proportional dem Sinus bzw.
dem Kosinus des ermittelten Kurswinkels. Ein elektronischer Kompass
dieser Art wird in der Europäischen
Patentanmeldung EP-A-87890 offenbart.
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Gewöhnlich weisen
die genannten Kompasse aus den bekannten oder aus vorhersehbaren Gründen Fehler
auf, beispielsweise die magnetische Deklination, welche auf mehrere
elementare Umstände
zurückzuführen sind.
Zunächst
ist das Magnetfeld der Erde nicht homogen, sondern es weist maximale
Intensität
in den Äquatorialbereichen
und minimale Intensität
in den Polargebieten auf, die zudem noch örtliche Störungen aufweisen. Außerdem fällt der
magnetische Norden nicht mit dem geografischen Norden zusammen.
Die genannten Fehler können
dadurch vermieden werden, dass man einen jeden Kompasses auf eine
geeignete Weise kalibriert.
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Besonders
während
langer Reisen erfordert der genannte Mangel des Magnetfeldes der
Erde an Homogenität
die häufige
Wiederholung des Kalibrierungsvorganges, welcher gewöhnlich langwierig
und kostenaufwendig ist.
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Eine
weitere Fehlerquelle kann das tragende Mittel sein, welches den
Kompass mit dem Boot verbindet und welches den genannten Kompass,
und insbesondere seinen Sensor, in einer horizontalen Position oder
in irgend einer vorher eingestellten konstant beibehaltenen Position
hält, wodurch
die Krängungsbewegungen
des Bootes, oder das Schlingern des Fahrzeuges, ausgeglichen werden,
welche auf die Wellenbewegung und/oder auf die Bootsmanöver, zum
Beispiel einem Fieren, zurückzuführen sind. Falls
der Krängungswinkel
größer als
der maximale Winkel ist, der durch das tragende Mittel ausgeglichen
werden kann, folgt der Kompass, und insbesondere sein Sensor, der
Krängung
des Bootes und verlässt
somit die weiter oben genannte vorher eingestellte Position.
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Als
eine Folge davon ist die Intensität des Magnetfeldes der Erde,
welche durch den Sensor festgestellt wird, schwächer oder jedenfalls anders als
die tatsächliche
Intensität, und
der Kompass "markiert" einen Kurswinkel,
welcher sich vom tatsächlichen
unterscheidet. Diese Art von Fehler kann beim Navigieren auf hoher
See besonders erheblich sein, wenn das Navigieren durch die mit
dem Kompass gekoppelte automatische Kurssteueranlage gesteuert wird,
welche den Kompassfehler als einen Kursfehler betrachten kann, diesen
folglich korrigiert und das Boot vom Kurs abbringt. Um diese Art
von Fehlern zu vermeiden, hängen
Kompasse üblicherweise
an einer Halterung wie beispielsweise einer universellen Gelenkverbindung.
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Das
Dokument US-A-3.895.869 offenbart einen mit Kompensationswicklungen
versehenen Kursgeber, welcher einen von einer Erregerwicklung umgebenen
Kern und zwei Paare von Erfassungswicklungen für die Richtung umfasst. Der
Kern ist in ein würfelförmiges Gehäuse eingekapselt,
welches von zwei orthogonalen Kompensationswicklungen umgeben ist.
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Das
Dokument US-A-5.339.246 offenbart eine Apparatur für den Zweck,
einen missweisenden Kurs, wie dieser durch einen Magnetkompass eines Fahrzeuges
angezeigt wird, zu kompensieren, so dass der missweisende Kurs dem
tatsächlichen
Kurs entspricht, welcher durch die Signale angezeigt wird, die im
Fahrzeug vom Globalen Positionierungssystem empfangen werden. Diese
Apparatur enthält
einen Computer zur Berechnung der Kompensationsfaktoren aus den
fortlaufenden Positionen, welche das Fahrzeug während seiner Fahrt einnimmt.
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Das
Dokument US-A-4.157.619 offenbart einen Neigungswinkelmesser, welcher
auf die Neigung und den Magnetfluss der Erde reagiert, um ein Ausgangssignal
zu erzeugen, welches die Richtungsorientierung der Vorrichtung in
Bezug auf das umgebende Feld darstellt. Er weist einen inneren Aufbau
auf, welcher einen Ringkern umfasst, der von Eingangsspulen und
von Ausgangsspulen umgeben ist. Dieser innere Aufbau ist von Neigungsspulen
umgeben.
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Das
Dokument GB-A-2.044.460 offenbart einen Luftspaltmagnetometersensor,
um am gleichen Punkt des Raumes die drei zueinander orthogonal verlaufenden
Komponenten eines Magnetfeldes gleichzeitig zu messen. Er enthält einen
Ringkern aus einem magnetisierbaren Material mit einer Treiberwicklung,
welche ringförmig
um den Kern herum gewickelt ist. Eine erste Sekundärwicklung
ist umfänglich
um den Kern herum gewickelt. Eine zweite Sekundärwicklung ist ringförmig über einen
Abschnitt des Kerns gewickelt, und eine dritte Sekundärwicklung
ist ringförmig über einen
anderen Abschnitt des Kerns, vorzugsweise unter 90° zur zweiten
Sekundärwicklung,
gewickelt. Der Kern ist in einem nichtmagnetischen Würfel angeordnet,
welcher Wicklungen trägt,
die auf das Äußere des
Würfels
gewickelt sind.
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Um
zu ermöglichen,
dass der Kompass immer mit der gleichen Fehlerfreiheit arbeitet,
muss er eine hohe Winkelempfindlichkeit und eine gute Arbeitsdynamik
aufweisen, wobei die Winkelempfindlichkeit den kleinsten Winkel
bedeutet, welchen der Kompass feststellen kann, und Arbeitsdynamik
die ihm innewohnende grundlegende Fähigkeit bedeutet, die gleiche
Empfindlichkeit bei sich verändernden Bedingungen
des Magnetfeldes beizubehalten.
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Darstellung der Erfindung
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in einem elektronischen
Magnetkreiselkompass, welcher frei von den weiter vorn genannten Fehlern
und Grenzen bekannter Kompasse ist und eine hohe Winkelempfindlichkeit
und eine gute Arbeitsdynamik aufweist.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen
elektronischen Kompass vorzustellen, welcher auch unter extremen
Umweltbedingungen arbeiten kann. Noch ein weiteres Ziel der vorliegenden
Erfindung besteht darin, einen Kompass vorzustellen, welcher unter
außergewöhnlichen
dynamischen Bedingungen eingesetzt werden kann.
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Die
genannten Aufgaben werden durch einen elektronischen Kompass gemäß Anspruch
1 erreicht.
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Dank
der Verwendung von derartigen elektrischen Ausgleichswicklungen
ist es möglich,
eine sehr hohe Linearität
in der dynamischen Reaktion des Sensors zu erreichen.
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Gemäß einem
weiteren vorteilhaften Merkmal der Erfindung ist der Kompass mit
dem Fahrzeug mit Hilfe von Kardanringen verbunden, welche ermöglichen,
dass der Kompass Neigungswinkel in Bezug auf das Fahrzeug bis ±75° einnehmen
kann. Da die Kardanringe nicht gedämpft sind, erzeugen die Sensorschwingungen,
welche durch die Bewegungen des Fahrzeuges hervorgerufen werden,
eine unerwünschte
Modulation der Ausgangssignale X und Y. Die genannte Modulation
wird vermieden mittels einer besonderen Anordnung der Achsen des
Sensors in Bezug auf die Schwingungsachsen der Kardanringe, nämlich eine
nichtlineare Zwischenmodulation der X- und Y-Signale. Dies ermöglicht,
den Kurswinkel genau zu bestimmen, ohne dass bei der mobilen Ausrüstung ein
kompliziertes System von Flüssigkeitsdämpfung verwendet
werden muss. Über
die Vereinfachung des Aufbaus der Kardanringe hinaus ermöglicht diese
Lösung
auf vorteilhafte Weise ein schnelleres Reagieren des Kompasses auf
schnelle Kursänderungen
des Fahrzeuges. In der Tat folgt der Kompass den Kursänderungen
des Fahrzeuges mit einer maximalen Verzögerung von 1 Sekunde.
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Verzeichnis der Zeichnungen
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Die
vorliegende Erfindung soll nun unter Bezug auf eine den allgemeinen
Erfindungsgedanken nicht einschränkende
Ausführungsform,
welche in den angefügten
Zeichnungen dargestellt ist, ausführlicher beschrieben werden.
Bei den Zeichnungen handelt es sich um:
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1 ist
eine Übersichtsdarstellung
mit teilweiser Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Kompasses;
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2 zeigt
schematisch das Blockdiagramm des elektronischen Steuersystems des
Kompasses von 1;
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3 zeigt
schematisch das Blockdiagramm mit Bezug auf eine Einzelheit des
elektronischen Steuersystems des Kompasses von 1;
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4 zeigt
das Blockdiagramm, welches die Software der Steuerung für den Kompass
von 1 betrifft.
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In
den angefügten
Abbildungen sind einander entsprechende Bestandteile mit den gleichen
Bezugszahlen bezeichnet.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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1 zeigt
einen erfindungsgemäßen Kompass 1,
welcher umfasst:
einen sättigungsfähigen Kernsensor 2 mit
einem Ringkern 3 aus Aluminium, auf welchem sich eine erste
Erregerwicklung 3' befindet,
wodurch eine Spule aus amorphem ferromagnetischem Material gebildet
wird. Ein Paar von zueinander orthogonalen elektrischen Wicklungen
(4, 5) umgibt die genannte Spule. Diese Wicklungen
(4, 5) umgeben das aus einem nichtmagnetischen
Material gefertigte Tragelement 6, in welches der Ringkern 3 eingetaucht
ist, und können
zwei Signale abgeben, die den Horizontalkomponenten des Magnetfelds
der Erde proportional sind.
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Das
Tragelement 6 besteht vorteilhafterweise aus einem glasfaserverstärkten Epoxidharz,
welches dank seines niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten,
der bei etwa 7 ppm/°C
liegt, eine hohe mechanische Leistungsfähigkeit aufweist.
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Es
ist ein zweites Tragelement 7 vorhanden, welches aus nichtmagnetischem
Material besteht und das erste Tragelement vollständig umgibt.
Auf diesem befindet sich ein zweites Paar von elektrischen Wicklungen
(8, 9) mit zueinander orthogonalen Windungen.
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Der
Sensor befindet sich in einem starren Rahmen 10, welcher
ihn trägt
und ihn mit den Aufhängemitteln,
vorteilhafterweise Kardanringen 11, verbindet, die ihrerseits
dauerhaft am Boots- oder Fahrzeugrahmen befestigt sind. Die Kardanringe
ermöglichen,
dass der Sensor 2 eine bis zu ±75° geneigte Lage in Bezug auf
das Fahrzeug einnehmen kann. Sie enthalten vier Kugellager (12, 13),
welche aus einer nichtmagnetischen Legierung wie beispielsweise
Kupfer-Beryllium hergestellt sind (zwei von ihnen sind in 1 sichtbar),
zwei mittige Tragachsen (14, 15), welche aus einem
nichtmagnetischen Material wie vorzugsweise einer Kupfer-Zinn-Legierung
hergestellt sind, und zwei Tragelemente 16, 17,
welche aus einem nichtmagnetischen Material wie beispielsweise Aluminium
hergestellt sind, in welche die weiter oben genannten Lager (12, 13)
eingesetzt sind.
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Um
zu ermöglichen,
dass der Sensor 2 die Krängungsbewegungen des Bootes
ausbalanciert, sind die zuvor genannten zwei Achsen auf sich überlappenden
Ebenen angeordnet, damit sie ein Verbundpendel bilden, welches zwei
unterschiedliche Schwingungsfrequenzen aufweist. Auf diese Weise ist
der Neigungswinkel des Bootes oder Fahrzeugs, der ausgeglichen wird,
größer als
derjenige, den die bekannten Aufhängemittel ermöglichen.
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Die
Achse des Sensors 2 sind in Bezug auf die schwingenden
Aufhängeachsen
um 45° gedreht, so
dass sie eine Modulation bei der Bestimmung des Kurswinkels mittels
einer nichtlinearen Zwischenmodulation vermeiden.
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Der
Sensor kann auch ohne Kardanringe verwendet werden. In diesem Fall
können
die Schwingungen des Bootes oder des Fahrzeuges durch einen zweiachsigen
Neigungswinkelmesser ausgeglichen werden.
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Der
Sensor arbeitet wie folgt. Ein Impulsstrom fließt durch die Erregerwicklung 3', wobei der genannte
Strom periodisch den Kern sättigt;
vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, weist der genannte Impulsstrom
eine Frequenz von 9,6 kHz auf, und seine Impulse haben eine Dauer
von 5 Mikrosekunden und eine Intensität von 100 A/m. Durch jede Wicklung
(8, 9) fließt
ein Signal, welches in Bezug auf das Signal, das durch die entsprechende
Wicklung des ersten Paares (4, 5) abgegeben wird,
eine diesem proportionale Amplitude und eine entgegengesetzte Richtung
aufweist und folglich die Wirkung der Amplitude und/oder den örtlichen
Mangel an Homogenität
des Magnetfeldes der Erde auf den Ringkern 3 dynamisch
kompensiert. Dadurch dass die Wicklungen auf die zuvor genannte
Art und Weise erregt werden, gibt der Sensor zwei Signale (X, Y)
ab, die zum ermittelten Kurswinkel in Beziehung stehen.
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Wir
wollen anschließend
die elektronische Steuerschaltung des Kompasses unter besonderer Bezugnahme
auf die 2, 3 und 4 beschreiben.
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Derjenige
Teil der Schaltung, welcher für
die Steuerung der Signale notwendig ist, umfasst drei elektronische
Schaltungen, welche in 2 durch Block 20 und
in größerer Ausführlichkeit
in 3 dargestellt sind. Der Sensor 2 ist
an das Signalsteuersystem 20 angeschlossen, welches die
Signale X, Y abgibt, die ihrerseits in einen Analog/Digital-Wandler 21 eingespeist
werden, welcher einen Doppelkanal aufweist. Der genannte Wandler
ist mit der logischen Einheit 22 verbunden, welche einen
Speicher enthält, der mit
der logischen Einheit 22 Daten austauscht. Als Reaktion
auf die vom Wandler 21 abgegebenen Signale spricht die
Logikeinheit 22 eine Speicherzelle an, welche Korrekturparameter
enthält,
die anschließend
verwendet werden, um den tatsächlichen
Kurswinkel zu ermitteln.
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Üblicherweise,
aber nicht notwendigerweise, stellt der Sensor 2 den Kurswinkel
in Parameterform bereit, d. h. die Signale X und Y sind proportional dem
Sinus bzw. dem Kosinus des Kurswinkels, so dass es möglich ist,
den weiter vorn genannten Winkel auf eine bereits bekannte Art und
Weise mittels einer bereits bekannten Schaltung zu erhalten, welche den
Kurswinkel in analoger Form bereit stellt.
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Ohne
den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen, ist es auch möglich, den
Speicher wegzulassen; in diesem Fall bestimmt die Logikeinheit 22 den
tatsächlichen
Kurswinkel als Reaktion auf die vom Wandler 21 abgegebenen
Signale.
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Der
tatsächliche
Kurswinkel wird von der logischen Einheit 22 zu bereits
bekannten Anzeigemitteln und/oder zu einer automatischen Kurssteueranlage
geschickt.
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3 zeigt
in größerer Ausführlichkeit
die Schaltung, welche das Signalsteuersystem 20 bildet.
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Die
Erregerwicklung 3',
welche den Ringkern umgibt, ist an einen parametrischen Oszillator 23 angeschlossen,
welcher seinerseits mit einem Oszillator 24 und einem vektoriellen
Kreuzkorrelator 25 verbunden ist.
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Die
Wicklung 5 des ersten Paares von Wicklungen setzt sich
aus einer Erfassungswicklung und einer Rückkopplungswicklung zusammen.
Die Erfassungswicklung ist mit einem synthetischen induktiven Bauelement 26 und
einem Vorverstärker 27 verbunden,
welcher das Signal X in den Kreuzkorrelator 25 einspeist.
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Die
andere Wicklung 4 setzt sich aus einer Erfassungswicklung
und einer Rückkopplungswicklung
zusammen. Die Erfassungswicklung ist mit einem synthetischen induktiven
Bauelement 28 und einem Vorverstärker 29 verbunden,
welcher das Signal Y zum Kreuzkorrelator 25 überträgt.
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Auf
diese Weise wird das Signal/Rausch-Verhältnis der von den Wicklungen
(4, 5) abgegebenen Signale optimiert.
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Die
vom Kreuzkorrelator 25 erzeugten Rückkopplungssignale X und Y
werden zu den jeweiligen Integratoren (31, 33)
und zu den Transkonduktanzverstärkern
(30, 32) übertragen,
wo sie weiter zu den jeweiligen Rückkopplungswicklungen geleitet
werden. Durch diese Wicklungen fließt ein Strom, welcher in dem
vom Ringkern eingenommenen Volumen ein Magnetfeld erzeugt, welches
die gleiche Intensität,
aber die entgegengesetzte Richtung des gemessenen aufweist, so dass
er den Kern ständig
in einem Nullfeld hält
mit Ausnahme der Änderungen
des externen Feldes, die auf Kursänderungen des Fahrzeuges und
auf Veränderungen
des örtlichen
Feldes zurückzuführen sind.
Dies zielt darauf ab, die größte Arbeitslinearität des Kompasses
zu erreichen. Die Transkonduktanzverstärker (30, 32) übertragen
die Signale X, Y auch zu den zugehörigen Bessel-Filtern zweiter
Ordnung (34, 35), welche Signale X, Y abgeben,
die in den zweikanaligen Analog/Digital-Wandler 21 eingespeist
werden.
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Vorteilhafterweise
kann der Kompass auch eine Satelliten-Selbstortungseinheit wie beispielsweise
eine vom GPS-Typ umfassen, von welcher er weitere Daten erhält, die
zusammen mit den vom Speicher erhaltenen Korrekturparametern verwendet werden,
um den tatsächlichen
Kurswinkel festzulegen. Ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen,
ist es auch möglich,
die Satelliten-Selbstortungseinheit wegzulassen.
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Hilfsausrüstungen
wie beispielsweise die Satelliten-Selbstortungseinheit, die Anzeigemittel, die
automatische Kurssteueranlage usw., welche allgemein auf Booten
oder in einigen Arten von Fahrzeugen verwendet werden, "kommunizieren" mittels eines Protokolls,
welches unter der Bezeichnung "NMEA" bekannt ist. Um
den Kompass so zu gestalten, dass er mit den genannten Ausrüstungen
kompatibel ist, werden die Signale vom Wandler 21 mittels
eines (nicht dargestellten) Transkoders in Signale umgewandelt,
welche mit dem "NMEA"-Protokoll übereinstimmen.
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Das
gesamte elektronische System des Kompasses wird durch eine Software
gesteuert, deren Blockschaltbild in 4 dargestellt
ist und nachfolgend anschaulich beschrieben wird.
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Block 40 stellt
den Initialisierungsschritt der logischen Einheit 22 dar,
und Block 41 stellt den Initialisierungsschritt des Analog/Digital-Wandlers 21 dar.
Danach wird der Zeitgeber (Block 42) gestartet, und die
Zeit wird auf Null (Block 43) gestellt. Im folgenden Arbeitsschritt,
welcher durch den Block 44 dargestellt ist, werden die
Signale X, Y vom Sensor gelesen. Falls der Y-Wert gleich Null ist
(Block 45), wird er auf 0,000001 (Block 47) gesetzt,
während
in dem Fall, wo die X- und Y-Werte den Wert 2500 überschreiten
(Block 46), diese durch einen Wiener-Filter (Block 48)
verarbeitet werden. Block 49 berechnet die Richtung auf
der Grundlage der empfangenen X- und Y-Werte, und anschließend führt der
Block 50 die Umwandlung von Bogenmaß in Gradmaß durch. Diese Endwerte für die Richtung
werden formatiert, um sie an das NMEA-Protokoll (Block 51)
anzupassen, und schließlich
werden sie noch formatiert, um sie der verwendeten Anzeige (Block 52)
anzupassen.
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Falls
die Satelliten-Selbstortungseinheit vorhanden ist, erhält die Logikeinheit 22 weitere
Daten von der genannten Einheit.
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Folglich
bestimmt die Logikeinheit 22 den tatsächlichen Kurswinkel und schickt
ihn zum Anzeigemittel und/oder zur automatischen Kurssteueranlage, falls
diese zur Verfügung stehen,
bevor sie zurück zum
Arbeitsschritt 42 geführt
werden, damit die vom Sensor 2 abgegebenen Signale nochmals
aufgenommen werden und selbiger Zyklus wiederholt wird.
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Falls
der Speicher weggelassen wird, entfallen auch die entsprechenden
Arbeitsschritte der Abfrage und der Erfassung, und falls die Satelliten-Selbstortungseinheit
weggelassen wird, entfällt
auch der entsprechende Arbeitsschritt der Erfassung. Falls sowohl
der Speicher als auch die Satelliten-Selbstortungseinheit weggelassen
werden, entfällt
auch der entsprechende Prozessschritt.
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Wie
bereits weiter vorn ausgesagt wurde, weist der erfindungsgemäße Kompass
alle Vorteile auf, die von ihm verlangt werden, und während der experimentellen
Prüfungen
waren seine Leistungsdaten besser als jene von bekannten Kompassen, selbst
wenn er unter sehr widrigen Umweltbedingungen eingesetzt wurde.
Die durchgeführten
Prüfungen haben
die folgenden Ergebnisse geliefert.
Genauigkeit der Messung: ± 6'' Bogensekunden,
Auflösung: ± 1'',
Bereich der Arbeitstemperatur: ± 50 °C,
Bereich
des Arbeitswinkels: ± 75 °,
Linearität: 0,3 %,
Durchlassbereich:
1 Hz,
Integrationszeit für
die Messung: 2 Sekunden
Maximal verträgliche Beschleunigung: 3 g,
Stromaufnahme:
120 mA bei 12 V (Gleichstrom),
Sensorgewicht: etwa 0,7 kg.
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Der
auf diese Weise erhaltene Kompass hatte die folgenden Merkmale:
große
Leichtigkeit, Kompaktheit, Genauigkeit, Preisgünstigkeit.
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In
einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform gemäß der vorliegenden
Erfindung kann der Kompass auch zwei oder mehrere Sensoren umfassen.