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Die Erfindung betrifft eine Sensorbaugruppe zur Lageermittlung eines Objekts, insbesondere eines Flugkörpers oder Raumflugkörpers bestehend aus einer räumlichen Anordnung einer redundanten Anzahl von Trägheitssensoren an einem gemeinsamen Trägersystem.
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Trägheitsmessplattformen entsprechend der vorgeschlagenen Sensorbaugruppe sind beispielsweise als inertiale Messeinheiten bekannt (IMUs, Inertial Measurement Units). Sie werden in den verschiedensten Anwendungen eingesetzt, insbesondere für die Lageerkennung und Navigation in der Luft- und Raumfahrt, aber auch in diversen Messeinrichtungen für die Industrie und in Kraftfahrzeugen. Als Trägheitssensoren kommen entweder Drehraten- oder Drehwinkelsensoren (Gyroskope) zur Verwendung, wie beispielsweise im Fall einer Lageerkennung, oder eine Kombination von Gyroskopen mit linearen Beschleunigungssensoren, wie beispielsweise im Fall von Navigationsaufgaben. Beispielsweise werden dabei jeweils mindestens drei der genannten Trägheitssensoren in geeigneter Weise räumlich angeordnet, um die gewünschte dreidimensionale Erfassung der kinematischen Größen zu gewährleisten. Ferner ist oftmals aus Gründen der Betriebssicherheit eine redundante Ausführung der Sensoren erforderlich, um beispielsweise bei einem Sensorausfall die Fehlersituation zu erkennen und gegebenenfalls durch Umschalten auf eine weitere Einheit einen Systemausfall zu vermeiden.
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In anspruchsvollen Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Genauigkeit der Lagebestimmung, wie in militärischen Anwendungen oder bei Satelliten zur Erdbeobachtung, finden sich häufig sog. schiefwinklige Konfigurationen mit 4 und mehr Sensoren. Spezielle Ausführungen hierzu sind beispielsweise in D. H. Titterton and J. L. Weston, Strapdown Inertial Navigation Technology, Progress in Astronautics and Aeronautics Series, AIAA 2004, 2nd Ed., Kapitel 9.3. beschrieben.
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Während einfache kommerzielle Drehratenmesseinheiten in der Regel drei einachsige Gyroskope in einer orthogonalen Konfiguration aufweisen, besitzen höherwertige Plattformen typischerweise nach heutigem Stand vier, fünf oder sechs Gyroskope in einer nichtorthogonalen Anordnung (Skew Axis Configurations). Die technischen Vorteile liegen dabei sowohl in der Verbesserung der Messauflösung als auch in den Möglichkeiten einer eigenständigen Fehlererkennung und potenziellen Ausfallsicherheit dieser Sensorsysteme. So wird – wie beispielsweise aus M. A. Sturza, Skewed Axis Inertial Sensor Geometry for Optimal Performance, in Proceedings of the Digital Avionics Systems Conference (AIAA '88), pp. 128–135, San Jose, California, USA 1988 bekannt – mit vier Sensoren eine eigenständige Ausfallerkennung möglich und mit fünf oder mehr Sensoren ist zusätzlich die Lokalisierung der defekten Komponente möglich. Die hierbei betrachteten Konfigurationen mit schiefwinkeligen Achsen gründen sich auf die räumliche Struktur regulärer Polyeder (platonischer Körper). Dabei sind die Sensorachsen gedanklich parallel zu den entsprechenden Flächennormalen ausgerichtet, so dass sich eine räumlich gleichförmige und damit optimale Verteilung der Messachsen innerhalb der Einheitskugel ergibt. Zum besseren Verständnis der Zusammenhänge wird neben den zuvor genannten Zitaten auf J. T. Ephgrave, Optimum Redundant Configurations of Inertial Sensors, Aerospace Corporation, AD-759 561, Sept. 1966 verwiesen. Hierbei sind die Beobachtungsmatrix H und die erzielbare Güte der Sensorbaugruppe von Bedeutung. Die Beobachtungsmatrix H beschreibt mathematisch die geometrische Abbildung des dreidimensionalen Drehratenvektors in den n-dimensionalen Sensorraum, beispielsweise n = 4 im Fall von 4 Gyroskopen, das heißt, die Beobachtungsmatrix H wird durch eine [n×3]-Matrix verkörpert. Die erzielbare Güte oder Performanz für die sogenannte Lagelösung wird durch einen Qualitätsfaktor GDOP bestimmt (Geometric Dilution of Precision). Zu den bekannten und derzeit gebräuchlichen Sensor-Konfigurationen für Fluglage-Kontrollsysteme und militärische Navigationsanwendungen zählen das Tetraeder mit vier und das Dodekaeder mit sechs Trägheitssensoren.
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Die
US 2014/0311242 A1 offenbart eine Sensorbaugruppe mit einem dreiachsigen Gyroskop mit sechs Gyrosensoren, die auf einer Platine angeordnet sind. Die Messachsen sind achsparallel angeordnet, so dass aufwendige Algorithmen zur Lageermittlung notwendig sind. Die
DE 196 10 554 A1 offenbart eine Beschleunigungssensorbaugruppe, bei der aus drei Siliziumchips mittels mikromechanischer Bearbeitung Vibrationssensoren herausgearbeitet sind. Die Siliziumchips sind mittels randseitigen Vertiefungen und Vorsprüngen miteinander zu einem rechteckigen Aufbau zusammengesteckt. Die
US 2013/0111993 A1 offenbart ein Gehäuse, in dem eine Sensorbaugruppe gedämpft aufgenommen ist. In der
JP 2013-036810 A wird ein Sensormodul mit einer Elektronikeinheit vorgeschlagen, bei dem an einem Trägersystem nicht parallel zueinander angeordnete Sensorelemente aufgenommen sind. Aus der
US 4,821,572 ist eine Sensorbaugruppe mit einer Vielzahl von auf unterschiedlichen Messachsen angeordneten Sensorelementen zur Erfassung der Winkel- und Linearbeschleunigungen bekannt. Die Sensorelemente sind in einem Trägersystem aufgenommen. In der
US 8,498,827 B2 ist ein Verfahren zur Kombination der Sensorsignale mehrerer redundanter Trägheitssensoren bekannt, um ein virtuelles Sensorausgangssignal einer Trägheitsgröße zu erzeugen. Die
DE 10 2005 031 128 A1 offenbart einen Winkelgeschwindigkeitsdetektor, bei dem ein Schaltkreissubstrat mittels eines Klebers auf eine Oberfläche eines Basissubstrats geheftet ist.
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Aufgabe der Erfindung ist, eine langzeitstabile, ausfallsichere und einfach auszuwertende Sensorbaugruppe vorzuschlagen.
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Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Die von diesem abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen des Gegenstands des Anspruchs 1 wieder.
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Die vorgeschlagene Sensorbaugruppe dient der Lageermittlung eines Objekts, insbesondere eines Flugkörpers oder Raumflugkörpers. Die Sensorbaugruppe enthält eine räumliche Anordnung einer redundanten Anzahl von Trägheitssensoren an einem gemeinsamen Trägersystem. In vorteilhafter Weise weisen jeweils zwei Trägheitssensoren dieselbe Ausrichtung ihrer Messachsen auf, indem sie beispielsweise auf gegenüberliegenden parallelen Flächen des Trägersystems aufgenommen sind. In besonders vorteilhafter Weise sind dabei ihre Messachsen senkrecht zu denen der übrigen Trägheitssensoren ausgerichtet. Dies bedeutet, dass die Messachsen jeweils zweier Trägheitssensoren zueinander denselben Winkel einnehmen und jede dieser Messachsen senkrecht zu den Messachsen zumindest zweier weiterer Trägheitssensoren ausgerichtet ist, wobei jeweils drei auf unterschiedlichen Messachsen angeordnete Trägheitssensoren eine Triade bilden und mehrere Triaden redundant vorgesehen sind.
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Dabei bilden jeweils drei Trägheitssensoren eine sogenannte Triade mit aufeinander senkrecht stehenden Messachsen. Derartige Triaden können sehr einfachen Messalgorithmen unterworfen werden, so dass die Lageermittlung des Objekts schnell und einfach erfolgen kann. Die Triaden sind redundant ausgebildet, so dass sich eine erhöhte Ausfallsicherheit ergibt. Beispielsweise können, um eine erhöhte Messdauer zu erzielen, mehrere Triaden zeitlich hintereinander betrieben werden, wobei nach Ausfall einer Triade die nächste in Betrieb genommen wird. Die Triaden können zur Erhöhung der Messgenauigkeit parallel betrieben werden. Parallele und serielle Schaltungen der Triaden können abhängig von vorgegebenen Anforderungen über die Zeit vorgenommen werden. Bei einem Ausfall eines oder zwei Trägheitssensoren einer Triade kann die gesamte Triade abgeschaltet werden oder die funktionsfähigen Trägheitssensoren messtechnisch in andere, dafür geeignete Triaden integriert werden. Beispielsweise können auf derselben Messachse angeordnete funktionsfähige Trägheitssensoren zur Erhöhung der Messgenauigkeit entlang dieser Messachse verwendet werden.
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Zur Bereitstellung einer einfach herzustellenden und mit ausreichender Performanz ausgebildeten Sensorbaugruppe können sechs Trägheitssensoren an den gedachten Flächen eines Würfels angeordnet sein, wobei jeweils drei in unterschiedliche Messrichtungen weisende, also auf drei Messachsen wie Raumachsen angeordnete Trägheitssensoren eine Triade bilden und die übrigen drei Trägheitssensoren, die ebenfalls auf diesen Messachsen angeordnet sind, die zweite redundante Triade bilden. Die Messachsen aller Trägheitssensoren schneiden sich hierbei in einem Punkt. Komplexere Sensorbaugruppen können beispielsweise drei oder mehr Triaden aufweisen. Beispielsweise können vier Triaden mit zwölf Trägheitssensoren vorgesehen sein, deren Messachsen senkrecht zu den Flächen eines Dodekaeders angeordnet sind.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Trägersystem aus einem Montagekäfig und einem Sensorträger gebildet. An dem in bevorzugter Weise würfelförmig ausgebildeten und in dem bevorzugt würfelförmig ausgebildeten Montagekäfig aufgenommenen Sensorträger sind jeweils an einer Seite die Trägheitssensoren angeordnet wie angebracht. Der Montagekäfig ist an einem Bauteil, beispielsweise einer Grundplatte oder dergleichen des Flugobjekts fest, beispielweise starr aufgenommen.
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Beispielsweise können die Trägheitssensoren unter Zwischenschaltung einer Schwingungsdämpfungseinrichtung an dem Trägersystem aufgenommen sein. Die Schwingungsdämpfungseinrichtung ist in bevorzugter Weise mehrstufig, insbesondere zweistufig ausgebildet. Beispielsweise können ein erster Teil der Schwingungsdämpfungseinrichtung zwischen dem Montagekäfig und dem Sensorträger und ein zweiter Teil der Schwingungsdämpfungseinrichtung zwischen jeweils einem Trägheitssensor und dem Sensorträger ausgebildet sein. Beispielsweise kann ein würfelförmig ausgebildeter Sensorträger an seinen Ecken mittels viskoelastischer Elemente wie Dämpfungselementen an dem Montagekäfig aufgenommen sein. Die Trägheitssensoren können mittels viskoelastischer Elemente, beispielsweise Dämpfungselementen an dem Sensorträger aufgenommen sein.
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Beispielsweise kann der Sensorträger viskoelastisch in einer Ebene durch seinen Schwerpunkt an dem Montagekäfig gelagert sein. Alternativ kann der Sensorträger viskoelastisch in seinem Schwerpunkt gelagert sein. Die Trägheitssensoren können jeweils einzeln auf dem Sensorträger mittels viskoelastischer Dämpfungselemente angeordnet sein. Beispielsweise kann ein Dämpfungsring vorgesehen sein, an dem jeweils ein Trägheitssensor starr aufgenommen ist, wobei der Dämpfungsring mittels bevorzugt dreier gleichmäßig auf einer Ebene verteilt angeordneter Dämpfungselemente an einer Aufnahmefläche des Sensorträgers aufgenommen ist.
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In vorteilhafter Weise können Elastizitäts- und Steifigkeitsgrößen der viskoelastischen Dämpfungselemente derart ausgelegt sein, dass die viskoelastischen Dämpfungselemente Stoßbelastungen der Trägheitssensoren dämpfen und/oder die Trägheitssensoren gegeneinander schwingungselastisch isolieren.
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Die Trägheitssensoren können als Drehratensensoren, Gyroskope und/oder Beschleunigungssensoren ausgebildet sein. Weiterhin können Drehratensensoren und/oder Gyroskope als die Corioliskraft eines rotierenden Objekts auswertende Vibrationskreisel ausgebildet sein.
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Die Erfindung wird anhand des in den 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 einen schematischen Aufbau der vorgeschlagenen Sensorbaugruppe,
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2 ein Ersatzmodell der Sensorbaugruppe der 1 und
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3 ein Diagramm des frequenzabhängigen Übertragungsfaktors des Ersatzmodells der 2 im Vergleich mit weiteren Ersatzmodellen.
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Die 1 zeigt die Sensorbaugruppe 1 im linken Teil der 1 im Zusammenbau mit dem Trägersystem 2 mit dem Montagekäfig 3 und dem in diesem untergebrachten Sensorträger 4 mit den Trägheitssensoren 5. Der rechte Teil der 1 zeigt in Explosionsdarstellung den Sensorträger 4 mit den Trägheitssensoren 5. Der Montagekäfig 3 ist in nicht dargestellter Weise starr mit einer Grundplatte oder dergleichen eines Flugobjekts, beispielsweise eines Raumflugkörpers verbunden. Der Montagekäfig 3 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel als Würfel wie gleichseitiger Hexaeder ausgebildet. Der Sensorträger 4 ist ebenfalls würfelförmig in verkleinerter Größe ausgebildet und in dem Montagekäfig 3 flächenparallel aufgenommen. An jeweils einer Seite des Sensorträgers 4 ist ein einachsiger Trägheitssensor 5 mit seiner sensitiven Achse wie Messachse senkrecht zu der ihn aufnehmenden Fläche 6 des Sensorträgers 4 aufgenommen. Auf diese Weise sind jeweils zwei Trägheitssensoren 5 bezüglich ihrer sensitiven Achse identisch und jeweils senkrecht zu den beiden anderen Trägheitssensorpaaren mit jeweils derselben Messachse angeordnet.
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Die Trägheitssensoren 5 sind mittels der zweistufigen Schwingungsdämpfungseinrichtung 7 an dem Montagekäfig 3 aufgenommen. Der erste Teil 8 der Schwingungsdämpfungseinrichtung 7 ist zwischen dem Montagekäfig 3 und dem Sensorträger 4 wirksam. Der zweite Teil 9 der Schwingungsdämpfungseinrichtung 7 ist jeweils zwischen einem Trägheitssensor 5 und dem Sensorträger 4 wirksam. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der erste Teil 8 der Schwingungsdämpfungseinrichtung 7 durch acht zwischen den gegenüberliegenden Ecken des Sensorträgers 4 und des Montagekäfigs 3 angeordneten wie jeweils verschraubten Dämpfungselementen 10 gebildet. Die Dämpfungselemente 10 können als viskoelastische Dämpfungselemente ausgebildet sein. Der zweite Teil 9 ist aus den Dämpfungselementen, beispielsweise viskoelastischen Dämpfungselementen 11 gebildet. Die Trägheitssensoren 5 sind in dem gezeigten Ausführungsbeispiel mittels der Schrauben 13 fest an Sensorringen 12 aufgebracht. Die Sensorringe 12 weisen eine plane Fläche mit hier drei über den Umfang verteilt angeordneten Dämpfungselementen 11 auf und werden mittels der Schrauben 14 unter Zwischenlage der Dämpfungselemente 11 mit den Flächen des Sensorträgers 4 verschraubt, so dass die Trägheitssensoren 5 schwingungsentkoppelt auf den Flächen des Sensorträgers 4 aufgenommen sind. Der Sensorträger 4 besitzt die Grundform eines gleichseitigen Hexaeders, so dass die Messachsen der Trägheitssensoren 5 eine würfelförmige Symmetrie aufweisen.
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Aus dieser Anordnung ergeben sich für die Sensorbaugruppe
1 die in der Tabelle 1 dargestellten GDOP-Werte:
| | GDOP |
| Alle sechs Trägheitssensoren aktiv | 1.225 |
| Ein Trägheitssensor defekt | 1.414 |
| Zwei nicht kollineare Trägheitssensoren defekt | 1.581 |
| Triade 1 | 1.732 |
| Triade 2 | 1.732 |
Tabelle 1
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Unter einer Triade sind jeweils drei Trägheitssensoren
5 in die drei Raumrichtungen ohne Redundanz zu verstehen. Insoweit gliedert sich die Sensorbaugruppe in zwei Triaden, wobei jeweils zwei Trägheitssensoren
5 in eine Raumrichtung redundant angeordnet sind. Beim Ausfall eines einzelnen Trägheitssensors
5 ergibt sich die Wahl, die Sensorbaugruppe
1 mit fünf Trägheitssensoren
5 weiter zu betreiben oder, wie hier vorgeschlagen, auf die zweite, d.h. die redundante Sensortriade mit GDOP = 1.732 umzuschalten. Auch eine hohe Ausfallsicherheit einer Sensoranordnung mit einer dodekaedrischen Anordnung der Trägheitssensoren mit schiefwinkliger Anordnung lässt sich mit der einfacheren hexaedrischen Geometrie erzielen, insbesondere wenn moderne Systemkonzepte unter Verwendung einer passiven Redundanz zur Anwendung gelangen. Die Tabelle 2 zeigt im Vergleich die Zuverlässigkeit von einer Sensoranordnung mit dodekaedrischer Anordnung von sechs Trägheitssensoren und der hier vorgeschlagenen Sensorbaugruppe
1 mit vereinfachter hexaedrischer Geometrie, dargestellt am Beispiel einer 10-jährigen Missionszeit eines Raumflugkörpers mit einer statistischen Ausfallrate von 700 FIT (failure in time) pro Sensorachse wie Messachse.
| Annahme für Missionszeit | 10 Jahre |
| Statistische Ausfallrate pro Sensor | 700 FIT |
| Sensorbaugruppe 1 mit zwei Triaden bildenden Trägheitssensoren 5 | |
| eine Triade aktiv | R = 0.832 |
| zwei Triaden, aktive Redundanz | R = 0.972 |
| zwei Triaden, passive Redundanz | R = 0.985 |
| Dodekaeder mit sechs Trägheitssensoren | R = 0.982 |
Tabelle 2
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Im Vergleich mit der dodekaedrischen Anordnung von Trägheitssensoren weist eine einfache Triade zunächst eine deutlich kleinere Zuverlässigkeit auf (R = 0.832 gegenüber R = 0.982). Betreibt man zwei Sensortriaden in aktiver Redundanz entsprechend der Sensorbaugruppe 1, das heißt werden beide Triaden, das heißt alle Trägheitssensoren eingeschaltet, so nähert sich die theoretische Zuverlässigkeit bereits derjenigen des Dodekaeders an (mit R = 0.972). Im Fall einer passiven Redundanz, das heißt, die zweite Sensortriade wird erst bei Bedarf aktiviert, wenn beispielsweise ein Trägheitssensor 5 der ersten Triade ausgefallen ist, kann die Zuverlässigkeit der Sensorbaugruppe 1 gegenüber der dodekaedrischen Sensoranordnung gesteigert werden (R = 0.985 gegenüber R = 0.982).
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Die 2 zeigt das Ersatzmodell 15 der Sensorbaugruppe 1 der 1 mit dem starr an einem Raumflugkörper oder dergleichen massefest angeordneten Montagekäfig 3, dem Sensorträger 4 mit der Masse M2 und dem Trägheitssensor 5 mit der Masse M1 bei einer impulsmäßigen Auslenkung Z0 des Raumflugkörpers beispielsweise in Form einer Schock- und/oder Vibrationsbelastung und einer daraus resultierenden Auslenkung Z am Trägheitssensor 5. Zwischen dem Montagekä3 und dem Trägheitssensor 5 ist die Schwingungsdämpfungseinrichtung 7 mit dem zwischen dem Montagekäfig 3 und dem Sensorträger 4 wirksamen ersten Teil 8 und dem zwischen dem Sensorträger 4 und dem Trägheitssensor 5 wirksamen zweiten Teil 9 angeordnet. Das vereinfachte Ersatzmodell 15 ist als gedämpfter linearer Schwinger mit zwei Freiheitsgraden (Two-Degrees-of-Freedom-System) wiedergegeben. Mit den zweistufig angeordneten Dämpfungselementen des ersten und zweiten Teils 8, 9 lassen sich die Auswirkungen von äußeren Schockund Vibrationsbelastungen auf die Trägheitssensoren deutlich vermindern, so dass die Anforderungen an deren mechanischer Belastbarkeit im Vergleich zu denen alternativer Konstruktionen mit einfacher Dämpfung geringer ausfallen können. Das vereinfachte Ersatzmodell 15 für eine zweistufige Schwingungsdämpfungseinrichtung 7 stellt im Wesentlichen eine Verdopplung einer einfachen Schwingungsdämpfungseinrichtung dar.
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Die zu dem Ersatzmodell 15 der 2 zugehörige Transmissionskurve 17 ist in dem Diagramm der 3 gezeigt. Zusätzlich zur dargestellten Transmissionskurve 17 sind beispielhaft auch die Transmissionskurven 18, 19 von einstufigen Schwingungsdämpfungsordnungen dargestellt. Es ist deutlich zu erkennen, dass sich für die zweistufige Schwingungsdämpfungseinrichtung ein ausgedehnterer Dämpfungsbereich mit λ2D0F kleiner gleich eins ergibt als im Fall der einfachen SDOF-Schwinger; zudem lässt sich in der praktischen Systemauslegung die resultierende Eigenfrequenz leichter dimensionieren, weil mit den zwei SDOF-Dämpferebenen doppelt so viele Einstellparameter zur Verfügung stehen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sensorbaugruppe
- 2
- Trägersystem
- 3
- Montagekäfig
- 4
- Sensorträger
- 5
- Trägheitssensor
- 6
- Fläche
- 7
- Schwingungsdämpfungseinrichtung
- 8
- Teil
- 9
- Teil
- 10
- Dämpfungselement
- 11
- Dämpfungselement
- 12
- Sensorring
- 13
- Schraube
- 14
- Schraube
- 15
- Ersatzmodell
- 16
- Diagramm
- 17
- Transmissionskurve
- 18
- Transmissionskurve
- 19
- Transmissionskurve
- M1
- Masse
- M2
- Masse
- Z
- Auslenkung
- Z0
- Auslenkung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2014/0311242 A1 [0005]
- DE 19610554 A1 [0005]
- US 2013/0111993 A1 [0005]
- JP 2013-036810 A [0005]
- US 4821572 [0005]
- US 8498827 B2 [0005]
- DE 102005031128 A1 [0005]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- D. H. Titterton and J. L. Weston, Strapdown Inertial Navigation Technology, Progress in Astronautics and Aeronautics Series, AIAA 2004, 2nd Ed., Kapitel 9.3. [0003]
- M. A. Sturza, Skewed Axis Inertial Sensor Geometry for Optimal Performance, in Proceedings of the Digital Avionics Systems Conference (AIAA '88), pp. 128–135, San Jose, California, USA 1988 [0004]
- J. T. Ephgrave, Optimum Redundant Configurations of Inertial Sensors, Aerospace Corporation, AD-759 561, Sept. 1966 [0004]
