NO154739B - Gyrokompass. - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører generelt gyro-kompasser, og mer spesielt et gyrokompass med en eneste frihetsgrad, som drives av en permanentmagnetmotor, under anvendelse av gyrorotorhastighets-modulasjonsteknikker til å bestemme retningen for sann nord.

Det å bestemme sann nord under bruk av gyroskoper - gyro-kompassmålinger - er vel kjent. Ved en gyrokompass fremgangsmåte er et gyroskop med én frihetsgrad anordnet med sin utgangsskse på linje med vertikalen og med innaksen i horisontalplanet, tilnærmet pekende i øst-vest retningen. Det dreiemoment som er nødvendig for å holde gyrorotoren ved en null-orientering,

blir målt og registrert. Gyroskoprotoren blir deretter dreiet nøyaktig 180° om utaksen, og dreiemomentet blir på nytt målt og registrert. På denne måte blir virkningene av iboende gyrodrift differensiert fra jordhastighetsvirkningene, noe som tillater kursbestemmelse.

En annen fremgangsmåte til gyrokompassmåling hvor der brukes et gyro med én frihetsgrad og rotorhastighets-modulasjonsteknikker, er også vel kjent innen gyrokompassteknikken.

Et gyro med én frihetsgrad er montert i en slingrebøyle, slik

at gyrorotoren i tillegg til sin frihet til å spinne om spinnaksen er fri til å dreie seg om en eneste akse vinkelrett på rotorspinnaksen. Denne akse er kjent som utgangsaksen. I forbin-delse med gyroskopkompassmålinger ved hjelp av et gyroskop med en eneste frihetsgrad, tilfører et dreiemomentorgan, vanligvis et elektromagnetisk sådan, et dreiemoment om utaksen for således å holde rotoren ved en null-vinkelstilling. Det inne-bærer at det tilførte dreiemoment gjøres like stort, men rettes motsatt de andre dreiemomenter som forekommer om utaksen. Disse andre dreiemomenter kan formes som summen av et dreiemoment som skyldes koblingen av en komponent av jordens vinkelhastighet, og ikke spesifiserte dreiemomenter som fører til gyrodrift. De uspesifiserte dreiemomenter har en rekke opprinnelser: elektromagnetiske forstyrrelser, mekaniske og dynamiske ubalanser og termisk forårsakede forskyvninger for å nevne bare noen få.

Gyrokompassmåling med et gyroskop som bare har en eneste frihetsgrad under bruk av hjulhastighets-modulasjon, inne-bærer drift av gyroskopet ved en referanserotor-hastighet og registrering av det dreiemoment som er påkrevet for bibehol-delse av rotorens null-orientering. Dette målte dreiemoment er således i størrelse lik de forstyrrende dreiemomenter, idet en komponent av disse skyldes jordens vinkelhastighet. Av betydning er det at det dreiemoment som skyldes jordens rotasjon, er direkte proporsjonal med gyroskoprotorens vinkel-momentum, og for en rotor med konstant treghetsmoment, med rotorens vinkelhastighet. Ved en forskjellig rotorhastighet vil derfor jordens rotasjon forårsake et forskjellig forstyrrende dreiemoment. Dersom det antas at de forstyrrende dreiemomenter bortsett fra det som skyldes jordrotasjonen, forblir konstant (eller endrer seg på forventede måter) under endringer i rotorhastigheten, så er det mulig å bestemme jord-rotasjonens bidrag til de samlede forstyrrende dreiemomenter om gyroskopets utgangsakse. Fra størrelsen av dette jordrota-sjonsbevirkede, forstyrrende dreiemoment kan der beregnes retningen for jordens vinkelhastighetsvektor, sann nord.

Ved gyrokompassmåling ved hjelp av rotorhastighets-modulasjon, har man hittil oppnådd bare moderat nøyaktighet på grunn av uforutsigelige endringer i de forstyrrende dreiemomenter (bortsett fra den som bevirkes ved jordrotasjonen) ved rotor-hastighets-endringer. En hovedkilde for denne uforutsigelse har vært den uensartethet i magnetiseringsnivå som er oppnådd med hysteresemotorer som vanligvis benyttes til drift av gyro-rotorer. Hver gang rotoren er bragt i synkronisme ved en forskjellig hastighet, opptrer der en noe forskjellig magneti-sering av hysteresematerialet. Dette på sin side bevirker forskjellige motorytelser og endringer i strømnivået i stator-viklingene.

De varierende ytelser bevirker endringer i termisk frem-skaffede dreiemomenter og endrer også motorens magnetfelt. Dette felt samvirker med andre magnetiske felter, f.eks. jordens magnetfelt,og med ledende og gjennomtrengelige mate-rialer som er plassert nær dreiemomentsummasjons leddet, for således å fremskaffe forstyrrende dreiemomenter om gyroskopets utakse, som varierer på uforutsette måter med endringer av rotorhastigheten.

Det er således en hensikt med den foreliggende oppfinnelse å skaffe et apparat og en fremgangsmåte til å bestemme sann nord meget nøyaktig under bruk av rotorhå~5tighets-modulasjonsteknikker.

Gyrokompassinstrumentet til å indikere sann nord ifølge den foreliggende oppfinnelse omfatter en gyroskoprotor, en elektrisk permanentmagnetmotor til å dreie gyroskoprotoren om en spinnakse, slingrebøyleorganer til opplagring av rotoren for vinkeldreining om spinnaksen og til å tillate vinkeldreining av rotoren fra en nullstilling om en utgangsakse vinkelrett på spinnaksen, en dreiemomentmotor til å ■holde rotoren ved nullstillingen om utgangsaksen, og signalbehandlingsorganer til å fremskaffe et signal som indikerer det dreiemoment som tilføres fra dreiemomentmotoren, og er karakterisert ved at permanentmagnetmotoren er innrettet til å spinne rotoren om spinnaksen ved varierende vinkelhastigheter, at signalbehandlingsorganene er innrettet til å

skaffe et første signal som indikerer det dreiemoment som tilføres fra dreiemomentmotoren ved én av rotorvinkelhastighetene, og et annet signal som indikerer det dreiemoment som tilføres fra dreiemomentmotoren ved en annen av rotorvinkelhastighetene, og at signalbehandlingsorganene er innrettet til å.reagere på det første og annet signal for å

\ skaffe en indikasjon på sann nord.

Fordi bruken av stabile permanentmagneter i en permanentmagnetmotor eliminerer fluktasjoner i ytelse når motor-hastigheten endres, gir et gyrokompass som bruker rotor-hastighets-modulasjon, stor nøyaktighet. For eksempel går en gyrokompassteknikk ut på å virke ved to forskjellige rotorhastigheter. De signaler som måler og indikerer dreiemomentnivåene som påføres om utgangsaksen ved de to rotorhastigheter, blir deretter behandlet for å fremskaffe det dreiemomentbidrag som skyldes vekselvirkningen mellom gyroskopets spinn og jordens rotasjon. Denne dreiemomentstørrelse blir deretter behandlet videre ved hjelp av signalbehandlings- og beregningsorganer for å indikere retningen av sann nord.

I tillegg til gyrokompassmåling er det beskrevne instrument vel egnet til overvåkning av langtids-

endringer med hensyn til drift av andre gyroskoper, spesielt de som styrer stabile plattformer. For denne anvendelse er plattformhastigheten istedenfor jordhastigheten ukjent og avføles ved hjelp av det overvåkende gyroskop med variabel rotorhastighet.

Fig. 1 er en skjematisk representasjon av en foretrukken utførelsesform for den foreliggende oppfinnelse som her er beskrevet for gyrokompassmåling, og

fig. 2 er en skjematisk representasjon av en utførelses-form for oppfinnelsen for overvåkning av drift.

På fig. 1 er der vist et gyrokompass 10 på overflaten av jorden 11 ved en breddegrad representert ved vinkel 6. Rotoren 12 i gyrokompasset 10 er montert i en slingrebøyle 13 som tillater rotoren 12 å dreie seg om en slingrebøyleakse 14 inne i en ytre slingrebøyle 21. Slingrebøyleaksen 14, gyrout-gangsaksen, er innrettet vertikalt.

Rotoren 12 dreies av en permanentmagnetmotor 15 av vanlig konstruksjon. Motoren 15 er innrettet til å dreie rotoren 12 ved varierende eller to forskjellige forhåndsvalgte hastigheter. En dreiemomentmotor 16 med sin tilhørende elektronikk (ikke vist) påfører dreiemoment mellom slingrebøylen 13 og den ytre slingrebøyle 21 på en slik måte at rotoren 12 forblir hovedsakelig ved en nullreferansestilling i forhold til den ytre slingrebøyle 21 overfor forstyrrende dreiemomenter. Når rotoren 12 befinner seg i nullstillingen, danner spinnaksen 17 hos rotoren 12,slik det er illustrert på tegningen, en kursvinkel <j> med tangentlinjen 18 som ligger i planet for storsirkelen 19, som går gjennom stedet for gyrokompasset. Kursvinkelen er den parameter som måles ved hjelp av gyrokompasset 10.

Under drift plasseres gyrokompasset 10 på

jordens overflate med sin utgangsakse 14 innrettet etter vertikalen. Spinnaksen 17 hos rotoren

12 ligger således i horisontalplanet og peker tilnærmet i nord-syd retningen. Rotoren 12 blir deretter dreiet ved hjelp av permanentmagnetmotoren 15 til den første av de to forskjellige forhåndsvalgte hastigheter, idet den ene f.eks. utgjør maksimal vinkelhastighet og den annen halvparten av denne verdi. Dreiemomentmotoren 16 holder rotoren 12 ved dens null-orientering med hensyn til den ytre slingrebøyle 21. Det dreiemoment som tilføres motoren 16, måles og registreres ved hjelp av et signalbehandlings organ representert ved henvisningstallet 20. Deretter endres rotorhastigheten til den andre forhåndsvalgte verdi, og det nye dreiemomentnivå som tilføres, måles og lagres av signalbehandlings-

organet 20.

På dette stadium er der kjent to tall som representerer de dreiemomenter som er nødvendige for å bibeholde rotoren 12 ved dens nullposisjon ved de to forskjellige rotorhastigheter. Disse to tall inneholder tilstrekkelig informasjon til å bestemme kursvinkelen <p slik det vil bli klargjort i det følgende.

Det forstyrrende dreiemoment Tg som virker på gyroskoprotoren 12, og som skyldes jordens vinkelhastighet, er kjent ved uttrykket

hvor u er vinkelhastighetsvektoren for jorden og 5 er spinnvektoren for- gyroskoprotoren 12. Omforming av vektor-produktet i ligning (1) gir det forstyrrende dreiemoment om utgangsaksen 14

hvor H og cd er henholdsvis størrelsen av rotorens spinn og jordrotasjonshastigheten. De forstyrrende dreiemomenter, bortsett fra det som bevirkes av jordrotasjonen, kan represen-teres som T^. T, innbefatter alle forstyrrende dreiemomenter, f.eks. de som skriver seg fra masseubalanse, termisk bevirkede forskyvninger osv. Fordi forstyrrende dreiemomenter som skyldes uforutsigelige, i hysteresemotorer iboende magneti-

seringsnivåendringer, er eliminert ved bruken av permanentmagnetmotoren 15, forholder T, seg enten konstant med rotor-hastighetsendringer, eller varierer på en forutsigelig repe-terbar måte som kan bestemmes på forhånd ved hjelp av kali-brer ingsteknikker.

Antas det for illustrasjonens skyld at T, forblir konstant ved endringer i rotorhastigheten, kan de følgende to ligninger for dreiemomentlikevekt om utgangsaksen 14 skrives: hvor tilført og T 2 tilført er de dreiemomenter som tilføres fra dreiemomentmotoren 16 og måles ved hjelp av signalbehandlingsorganet 20 ved den første og annen rotorhastighet, og H1 og H,, betegner størrelser for vinkelmomenturn for rotoren 12 ved de to rotorhastigheter. Ved enkel alge-braisk manipulasjon kan kursvinkelen cf> uttrykkes som

Denne beregning utføres i signalbehandlings-

organet 20, hvis utsignal gir den sanne kursvinkel

På fig. 2 er der skjematisk vist et overvåkningsgyroskop

30 festet til en stabil plattform 31. Plattformen 31 styres f.eks. ved hjelp av ytterligere (ikke viste) gyroskoper for å holde en fast orientering i forhold til et inertielt koordinat-system, dvs. stabilisert med hensyn til jorden eller inertirom. En begrensningsfaktor for langtidsnavigering hvor en slik stabil plattform benyttes, har vært langtidsdrift i gyrosko-pene, spesielt det gyroskop som styrer vinkelorienteringen om vertikalaksen 32. Ved dette eksempel på en jordstabilisert plattform er overvåkingsgyroskopet 30 orientert slik at inn-gangsaksen 33 er vertikal, slik at det vil registrere rota-sjoner om vertikalen. Ved denne orientering vil derfor overvåkingsgyroskopet 30 registrere den kjente vertikale komponent av jordhastigheten pluss eventuelle langtidsdriftusikkerheter hos vinkelhastigheter ved selve plattformen om vertikalaksen 32. Som ved driften i gyrokompassmålingsmoden beskrevet ovenfor, dreies rotoren 34 ved forskjellige eller to forhåndsbestemte hastigheter, mens dreiemomentmotoren 35 bibeholder en null-rotororientering. Fordi den vertikale komponent av jordhastigheten er kjent, vil vinkelhastigheten av selve plattformen 31 bli enkelt overvåket av gyroskopet 30. Enhver målt plattform-hastighet som avgjøres av overvåkingsgyroskopet 30, utgjør således en indikasjon på den drift i gyroskopet som styrer vinkelorientering om vertikalaksen 32. Denne overvåkings-mulighet kan anvendes ved enhver akse og enhver referansemodes for plattformtregheten.

Det vil således ses at den beskrevne oppfinnelse muliggjør nøyaktig bestemmelse av kursvinkel under bruk av rotor-hastighetmodulasjonsteknikk for å isolere og bestemme det dreiemoment som skriver seg fra jordrotasjon. I tillegg mulig-gjør oppfinnelsen nøyaktig overvåking av drifthastigheten hos andre gyroskoper.

Claims (3)

1. Gyrokompass (10,30) til å indikere retningen for sann nord, omfattende: en gyroskoprotor (12,34), en permanentmagnetmotor (15) som er innrettet til å dreie rotoren (12) om en spinnakse (17), slingrebøyleorganer (13,21) til å opplagre rotoren (12,j for vinkeldreining om spinnaksen og for å tillate vinkeldrei-, ning av rotoren (12,34) fra en nullstilling om en utgangsakse (14) vinkelrett på spinnaksen (17), en dreiemomentmotor(16,35) til å holde rotoren ved nullstillingen om utgangsaksen, og signalbehandlingsorganer (20) til å fremskaffe et signa! som indikerer det dreiemoment som tilføres fra dreiemomentmotoren, karakterisert ved at permanentmag netmotoren (15) er innrettet til å spinne rotoren (12,34) om spinnaksen (17) ved varierende vinkelhastigheter, at signalbehandlingsorganene (20) er innrettet til å skaffe et første signal som indikerer det dreiemoment som tilføres fra dreiemomentmotoren (16,35) ved én av rotorvinkelhastighetene, og et annet signal som indikerer det dreiemoment som tilføres fr dreiemomentmotoren (16,35) ved en annen av rotorvinkelhastighetene, og at signalbehandlingsorganene (20) er innrettet til å reagere på det første og annet signal for å skaffe en indikasjon på sann nord.

2. Gyrokompass som angitt i krav 1, karakterisert ved at permanentmagnetmotorer (15) er innrettet til å spinne rotoren (12,34) om spinnaksen (17) ved to forskjellige, forhåndsbestemte vinkelhastigheter, idet signalbehandlingsorganene (20) fremskaffer et første signal som indikerer det dreiemoment som tilføres fra dreiemomentmotoren (16,35) ved én av de forhåndsbestemte vinkelhastigheter for rotoren (12,34), og et annet signal som indikerer det dreiemoment som tilføres fra dreiemomentmotore (16,35) ved den andre av de forhåndsbestemte vinkelhastighet reagerer på det første og annet signal for å skaffe en indi-for rotoren (12,23), idet signalbehandlingsorganene (20) kasjon på sann nord.

3. Fremgangsmåte for bruk av gyrokompasset ifølge krav 1, for bestemmelse av sann nord, omfattende det å orientere spinnaksen for rotoren i horisontalplanet og orientere utgangsaksen langs vertikalplanet og spinne rotoren ved en kjent vinkelhastighet og opptegne et signal som kommer fra signalbehandlingsorganene og indikerer dreiemomentet ved nevnte vinkelhastighet, karakterisert ved at rotoren spinnes ved to forskjellige,forhåndsbestemte vinkelhastigheter, og at de opptegnede signaler som indikerer dreiemomentet ved hver forhåndsbestemt vinkelhastighet, blir behandlet for å fremskaffe en indikasjon på sann nord.

4- Fremgangsmåte for bruk av gyrokompasset ifølge krav 1 til å overvåke vinkelhastigheten av en inertiplattform, omfattende det å spinne rotoren ved en kjent vinkelhastighet og å opptegne et signal som kommer fra signalbehandlingsorganene og indikerer dreiemomentet ved nevnte vinkelhastighet, karakterisert ved at rotoren blir spunnet ved to forskjellige, forhåndsbestemte vinkelhastigheter, og at de opptegnede signaler som indikerer dreiemomentet ved hver forhåndsbestemt vinkelhastighet, blir behandlet for å angi vinkelhastigheten for inertiplattformen.