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Kreiselstabilisiertes optisches Visiersystem Die Erfindung betrifft
ein optisches Visiersystem und im besonderen ein Visierlinien-Stabilisierungssystem,
bei welchem ein Visierlinien-Umlenkspiegel zur Stabilisierung um die Azimut- und
die Höhenachse durch einen Kreisel gesteuert ist.
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Bei den herkömmlichen Bewaffnungssystemen findet üblicherweise ein
optisches Visiergerät, wie beispielsweise ein Teleskop oder ein Periskop, zur manuellen
Betätigung Anwendung, wobei ein Fadenkreuz auf einen Zielpunkt ausgerichtet wird.
Die Mitte des Fadenkreuzes der Visiereinrichtung ist dabei genau mit dem Abschuß-
bzw. Lanzierrohr der betreffenden Waffe ausgerichtet, um sicherzustellen, daß die
Waffe bzw. das Geschoß vor dem Abschuß auf das Ziel ausgerichtet ist. Soweit der
Abschuß der Waffe von einer festen Plattform aus erfolgt, läßt sich dabei eine extreme
Genauigkeit erzielen.
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Bei den neueren Waffensystemen, bei welchen ein Geschoß von einem
in Bewegung befindenden Trägerluftfahrzeug oder von einer in Bewegung befindlichen
erdgebundenen Plattform aus abgeschossen wird, sind Korrekturen als Folge der Bewegungen
der Plattform erforderlich, welche das Visierliniengerät trägt. Befindet sich so
beispielsweise die Visiereinrichtung in einem Flugzeug, so beeinflussen Bewegungen,
wie beispielsweise Längsneigungs- und Gierbewegungen (d. h. Bewegungen um die Quer-bzw.
um die Hochachse), die Visierlinie und müssen kompensiert werden. Für die heutigen
Waffensysteme mit gelenkten Flugkörpern bzw. Geschossen muß die Erzeugung rascher
und außerordentlich genauer Korrekturen bezüglich durch die Trägerbewegungen hervorgerufener
Fehler innerhalb eines weiten Frequenzbereichs in dem System gewährleistet sein.
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Die bekannten Systeme zur Korrektur von durch die Plattformbewegung
verursachten Fehlern verwenden kreiselkontrollierte stabilisierte Visiereinrichtungen,
bei welchen die optische Visiereinrichtung durch einen Kreisel im Raum stabilisiert
wird. Derartige Systeme haben sich bei Verwendung in Bewaffnungssystemen, für welche
nur eine begrenzte Genauigkeit erforderlich ist, als zufriedenstellend erwiesen.
Bei den heutigen, in ständig zunehmendem Maße verwendeten Bewaffnungssystemen mit
gelenkten Geschossen erfordert die außerordentliche Genauigkeit des gelenkten Flugkörpers
einen so hohen Grad an Stabilisierung gegenüber Bewegungen des Trägerfahrzeuges,
und zwar über einen weiten Frequenzbereich, daß die herkömmlichen Stabilisierungssysteme
hierfür ganz unzureichend werden. Herkömmliche mechanische Übertragungen, wie beispielsweise
Zahnradgetriebe und Seilzüge zwischen dem Kreisel und dem Visiersystem, beeinträchtigen
die Genauigkeit und die zeitliche Abstimmung der Korrekturen in einem Ausmaß, das
mit der Genauigkeit der gelenkten Geschosse bzw. Flugkörper nicht vereinbar ist.
Ferner treten bei den herkömmlichen Systemen, in welchen die Stellungsinformation
von dem Kreisel mittels magnetischer Geber u. dgl. abgenommen wird, zusätzliche
Fehler in dem System auf.
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In Präzisierung zu obigem Eingangsabsatz betrifft somit die Erfindung
ein Visiersystem, bei welchem ein im optischen Visierstrahlengang gegenüber der
Fahrzeugplattform beweglich angeordneter, gemäß seiner jeweiligen Stellung der Richtung
der Visierlinie bestimmender Visierlinien-Umlenkspiegel durch einen Kreisel gegen
Schwankungen der Fahrzeugplattform und dadurch bedingte Visierlinienverschiebungen
stabilisiert ist.
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Durch die Erfindung soll ein System dieser Art geschaffen werden,
das im Hinblick auf die für die modernen Waffensysteme erforderliche hohe Zielgenauigkeit
einen besonders hohen Grad an Stabilisierung gegenüber Bewegungen des Trägerfahrzeugs
innerhalb eines weiten Frequenzbereichs aufweist. Durch die Erfindung sollen dabei
die bei mechanischer Steuerung des Visiersystems in Abhängigkeit von der Kreiselstabilisierung
auftretenden Unzuträglichkeiten, insbesondere die verhältnismäßig große
Ansprechträgheit
derartiger mechanischer Systeme, vermieden werden.
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Zu diesem Zweck ist gemäß der Erfindung vor-Qesehen, daß zur Feststellung
von durch Bewegungen der Fahrzeugplattform bedingten Abweichungen der jev:eiliaen
Visierlmie von der raumstabilen Kre-selumlaufachse ein zweites optisches Strahlengangsystem
vorgesehen ist, das eine an dem Kreisel angeordnete Lichtquelle mit Vorrichtungen
zur Erzeugung eines kolliminierten, in einer vorgegebenen, vorzugsweise parallelen
Richtung bezüglich der raumfesten Kreiselumlaufachse 23 verlaufenden Strahlenbündels
aufweist und längs welchem der Visierlinien-Umlenkspiegel angeordnet ist, an welchem
das Lichtbündel des zweiten Strahlengangs auf einen Detektor reflektiert wird, welcher
Ausgangssignale nach Maßgabe der Verschiebung der Lage des Lichtbündels bezüglich
einer Normallage erzeugt, in welcher die Visierlinie mit der Richtung der Kreiselumlaufachse
übereinstimmt.
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Gemäß dem Grundgedanken der Erfindung findet somit ein mit einem zusätzlichen
optischen Strahlengang arbeitendes Nachweissystem Anwendung, um die durch Schwankungen
des Trägerfahrzeugs bedingten Abweichungen der Visierlinie von einer als Referenzrichtung
dienenden Kreiselumlaufachse festzustellen; gleichzeitig ist die Verwendung eines
elektrischen Servosystems zur Verstellung des Visierlinien-Umlenkspiegels vorgesehen,
derart, daß dieser ohne komplizierte, sperrige, störanfällige und trägheitsbehaftete
mechanische Übertragungen laufend so verstellt wird, daß die Visierlinie auf die
raumfeste Kreiselumlaufachse ausgerichtet bleibt.
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Die Anordnung kann dabei so getroffen sein, daß der Detektor an dem
Stabilisierungskreisel angeordnet ist und daß die gebündelte Strahlung des zweiten
Strahlengangs von dem Visierlinien-Umlenkspiegel über einen fahrzeugfesten zusätzlichen
Reflexionsspiegel auf den Detektor reflektiert wird; alternativ kann auch vorgesehen
sein, daß der Detektor fahrzeugfest angeordnet ist und daß der Visierlinien-Umlenkspiegel
das Lichtbündel des zweiten optischen Strahlengangs direkt auf den Detektor reflektiert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen,
daß der Detektor als lichtelektrischer Quadrantendetektor ausgebildet ist, welcher
Ausgangssignale nach Maßgabe der Verteilung des auffallenden Strahlungsbündels auf
die einzelnen Quadranten erzeugt; es kann dabei vorgesehen sein, daß aus den Ausgangsgrößen
der einzelnen Quadranten des Ouadrantendetektors durch Kombination Signale erzeugt
werden, welche der Abweichung der jeweiligen momentanen Visierlinie von der raumfesten
Kreiselumlaufachse im Azimut bzw. nach der Höhe entsprechen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, daß der
Visierlinien-Umlenkspiegel an der Fahrzeugplattform in einem um eine vertikale Achse
drehbaren Gier- bzw. Azimutrahmen um eine normalerweise horizontale Längsneigungsachse
wirkende Drehmomentgeber bzw. Stehantriebe vorgesehen ist, welche mit den umgewandelten
Ausgangssignalen des Detektors beaufschlagt werden und den Visierlinienumlenkspiegel
so verstellen, daß die von ihm definierte Visierlinie stets auf die raumfeste Kreiselumlaufachse
ausgerichtet gehalten wird.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten des erfindungsgemäßen Visiersystems
ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung;
in dieser zeigt F i g. 1 in schematischer Form, teilweise in Form eines Blockschemas,
eine bevorzugte Ausführungsform eines kreiselstabilisierten Visiersystems gemäß
der Erfindung,-F i g. 2 in schematischer Darstellung das Nachweis- und Servosystem
mit geschlossener Regelschleife zur Messung der Azimut- und Höhenabweichung der
Visierlinie von der Kreiselumlaufachse und zur Bildung von Korrektursignalen für
den Visierlinien-Umlenkspiegel, F i g. 3 a und 3 b eine Darstellung eines Balanciersystems
gemäß der Erfindung zur Trägheitsbalancierung des Visierlinien-Umlenkspiegels, F
i g. 4 in schematischer Form eine abgewandelte Ausführungsform eines Teils des erfindungsgemäßen
Visiersystems, bei welcher der optische Detektor an dem Fahrzeug montiert ist.
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In F i g. 1 ist das Prinzip einer bevorzugten Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Visiersystems schematisch, teilweise in Form eines Blockschemas,
dargestellt. Es handelt sich um ein stabilisiertes Visierliniensystem zur Kontrolle
einer Visierlinie 11
zwischen einem Visierteleskop 12 und einem Ziel 13. Die
Visierlinie 11 verläuft von dem Teleskop 12 ausgehend längs eines optischen
Strahlenganges, welcher einen Reflexionsspiegel 14 und (nicht dargestellte) zugehörige
Visiereinrichtungen bekannter Art aufweisen kann, über einen Visierlinien-Umlenkspiegel
15 zu dem Ziel 13. Der Spiegel 14 und das Teleskop 12 sind an der Fahrzeugplattform
befestigt, deren Bewegungen sie mitmachen, während der Spiegel 15
demgegenüber
im Azimut und in der Höhe beweglich gelagert ist. Der Visierlinien-Umlenkspiegel
15 weist eine reflektierende Vorderfläche a im optischen Lichtweg der Visierlinie
11 sowie eine zu dieser Vorderfläche a parallele reflektierende Rückseite
b auf. Der Visierlinien-Umlenkspiegel 15 kann in einem geeigneten
Rahmen bzw. Gestell montiert sein, das um die Höhenachse mittels zweier (nicht dargestellter)
Wellen schwenkbar ist, welche zum Antrieb durch einen Längsneigungsdrehmomentgeber
17 angeordnet sind. Die Schwenkzapfen für den Visierlinien-Umlenkspiegel 15 sind
im oberen Teil eines Kardanrings 19 gelagert, der seinerseits an dem Fahrzeug angebracht
ist und in üblicher Weise um die Azimutachse drehbar gelagert ist. Ein fahrzeugfest
angeordneter Gierdrehmomentgeber 21 (um die Hochachse wirkender Drehmomentgeber)
dient zur Drehung des Kardanrings 19 mit dem daran befestigten Visierlinien-Umlenkspiegel
15 um die Azimutachse.
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Die Visierlinie 11 wird durch die Bewegung des Visierlinien-Umlenkspiegels
15 um die Azimut- und die Höhenachse ausgelenkt; die Visierlinie ist im Raum mittels
eines Systems stabilisiert, welches einen Kreisel 22 von herkömmlicher Zweiachsenbauart
aufweist, welcher eine Stabilisierung im Raum um seine Umlauf- bzw. Spinachse 23
bewirkt. Der Kreisel 22 weist ein Gehäuse 16 auf, das in geeigneter Weise an der
Fahrzeugplattform befestigt ist. Ein Kreiselrotor 24 rotiert um die Umlauf- bzw.
Spinachse 23. Der Rotor 24 weist eine Haupt- oder Primärspiegelfläche 25, eine Sekundärspiegelfläche
37 und ein zerstreuend wirkendes Linsensystem 36 auf. Des weiteren sind dem Kreisel
22 zwei Spulen bzw. Wicklungen 26, 27 zur Ausübung von Präzessionsdrehmomenten auf
den Kreisel 22 in Abhängigkeit von einer Steuerung 30
zugeordnet,
die beispielsweise von Hand durch denselben Beobachter, welcher durch das Teleskop
12 das Ziel 13 anvisiert, bedient werden kann. Auf diese Weise kann die Kreiselumlaufachse
23 nach Maßgabe der von dem Beobachter gegebenen Steuerungsbefehle verlagert werden.
Des weiteren ist ein optisches Lichtwegsystem vorgesehen, das zum Nachweis von Abweichungen
der Visierlinie 11 von der Kreiselspinachse 23 zur Erzeugung von Korrektursignalen
für den Längsneigungsmotor 17 und den Giermotor 21 dient. Das Nachweissystem
weist einen Lichtdetektor 28 auf, welcher an einem inneren (Gier-) Kardanring 29
zur Stabilisierung durch den Kreisel längs der Umlauf- bzw. Spinachse 23 befestigt
ist. Der Detektor 28 spricht auf Lichtstrahlung an und kann mehrere getrennte Oberflächen
aufweisen. Der Detektor 28 ist entlang der Spinachse 23 angeordnet und weist eine
Mittelöffnung 31 auf, durch welche von einer Lichtquelle 32 ausgehendes, durch eine
Linse 33 gerichtetes Licht hindurchtritt. Die Lichtquelle 32 und die Linse 33 sind
fest an dem Kreiselgehäuse 16 angeordnet. Die Lichtquelle 32 ist in der Kreiselachse
23 angeordnet und wirft ein Lichtbündel durch eine Öffnung 41 in dem Gehäuse 16
auf eine Glasfaseroptik 34, welche das Lichtbündel entlang der Kreiselspinachse
23 durch die Öffnung 31 auf das optische System richtet, welches die Negativlinse
36, den Hilfs- oder Sekundär-Reflexionsspiegel 37 und den Primär- oder Hauptspiegel
25 aufweist, welcher einen Teil des Rotors 24 des Kreisels 22 bildet. Das Lichtbündel
wird durch das Spiegelsystem kollimiert und in Richtung der Spinachse 23 auf die
Rückseite b des Reflexionsspiegels 15 geworfen. Die Linse 36 und der Hilfs- bzw.
Sekundärspiegel 37 sind an dem Kreiselrotor 24 angeordnet und machen dessen
Bewegung mit. Das kollimierte Bündel wird an der Rückseite b des Spiegels 15 um
90° auf einen Autokollimationsspiegel 39 reflektiert, der an dem Kardanrahmen 19
befestigt ist und mit diesem um die Azimutachse beweglich ist. Das von dem Spiegel
39 zurückgeworfene autokollimierte Bündel wird sodann abermals an der Rückseite
b um 90° reflektiert und durch das optische System, welches die Spiegelfläche 25,
den Sekundärspiegel 37 und die Linse 36 aufweist, in die Ebene des Detektors 28
fokussiert. Der Detektor 28 ist so angeordnet, daß er ein geringfügig verformtes
bzw. verzerrtes Bild erhält und elektrische Ausgangssignale an eine Fehlernachweisschaltung
43 liefert, welche eine Anzeige für die Abweichung in Azimut und Höhe der Visierlinie
11 von der Kreiselumlauf- bzw. Spinachse 23 darstellt. Die Fehlernachweisschaltung
43 liefert Signale an den Giermotor 21 und den Längsneigungsmotor 17, derart, daß
der Spiegel 15 in Azimut und Höhe nach Maßgabe des von dem Detektor 21 festgestellten
Abweichungssignals verstellt wird.
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Auf diese Weise ist gewährleistet, daß die Visierlinie 11, wie sie
sich dem Auge des durch das Teleskop 12 blickenden Beobachters bietet, im Raum bei
dem erfindungsgemäßen Visiersystem stabilisiert ist. Es ist zu beachten, daß der
Kreisel 22 mittels der Handsteuerung 30 in einfacher Weise durch Präzessionsdrehmomente
in jede gewünschte Stellung gebracht werden kann.
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Da die Vorder- und Rückseite a bzw. b des Spiegels 15
zueinander parallel sind, werden Richtungskorrekturen der Rückseite b auf
die Vorderseite a
entsprechend übertragen und so Visierlinienabweichungen
korrigiert. Die Abweichung der Visierlinie 11 in der Längsneigungsachse tritt, bezogen
auf die Auslenkung des Spiegels 15, in einem Verhältnis 2: 1 auf. Das heißt, daß
für je 2° Visierlinienauslenkung der Spiegel 15 um 1° abgelenkt wird. Dieses
2:1-Verhältnis wird ohne besondere zusätzliche Korrekturvorrichtungen kompensiert,
da die Rückseite b des Spiegels 15 parallel zu dessen Vorderseite a ist. Daher stellt
die Abweichung bzw. Ablenkung des von der Rückseite b reflektierten Lichtbündels
von dem von dem Detektor 28 aufgenommenen Bündel ein genaues Maß der Abweichung
der Visierlinie 11 von der Kreiselumlaufachse 23 dar. Auf diese Weise erhält man
gemäß der Erfindung ein kreiselstabilisiertes Visiersystem ohne Verwendung mechanischer
Getriebe oder Seilscheiben.
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Das Autokollimationsverfahren des Systems, wonach das von der Lichtquelle
32 ausgehende Bündel durch das an dem Kreisel vorgesehene optische Strahlengangsystem
kollimiert, von der Rückseite b auf den Autokollimationsspiege139 projiziert und
über das an dem Kreisel vorgesehene optische Strahlengangsystem zu dem Detektor
28 zurückgeleitet wird, erlaubt eine Ablesung sehr hoher Auflösung für die Abweichung
der Visierlinie 11 von der Kreiselumlaufachse 23.
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Die optische Visierlinie 11 kann nach Wunsch des Beobachters
in einfacher Weise mittels der Steuerung 30 verstellt werden, welche über
die Wicklungen 26 und 27 Präzessionsdrehmomente auf den Kreisel 22 ausübt. Die resultierende
Verstellung der Kreiselumlaufachse 23 ihrerseits wird durch das optische Nachweissystem
festgestellt und der Spiegel 15 so gesteuert, daß er der Kreiselumlaufachse
23 folgt.
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F i g. 2 zeigt eine schematische Darstellung der Fehlemachweisschaltung
43 des in F i g. 1 dargestellten Geräts. Der Detektor 28 kann ein Quadrantdetektor
mit getrennten Flächenquadranten A, B, C
und D sein, welche auf Strahlungsenergie
von dem in F i g. 1 beschriebenen autokollimierten Lichtbündel ansprechen; der Detektor
28 stellt daher jede Richtungsänderung des Spiegels 15 bezüglich der Kreiselspinachse
fest, da der Detektor 28 infolge seiner Anbringung an dem Kardan 29 bezüglich der
Kreiselspinachse 23 stabilisiert ist und der Spiegel 15 an dem Fahrzeug beweglich
angeordnet ist. Bewegungen des Fahrzeuges haben daher zur Folge, daß das kollimierte
Lichtbündel des optischen Strahlengang-Nachweissystems an der Oberfläche b unter
einem Winkel reflektiert wird und in dem Detektor 28 ein Ausgangssignal hervorruft.
Signale von jeder der Oberflächen A, B, C und D des Detektors 28 werden
einem amplitudenmodulierten System zugeführt, welches für jede der Detektorteilflächen
einen Vorverstärker 47 und einen Demodulator 48 aufweist. Der Ausgang
der Demodulatoren wird einer Summationsvorrichtung 49 zugeführt, welche einerseits
ein Signal für den Längsneigungsmotor 17 erzeugt, welches die Abweichung
des Spiegels 15 und damit der Visierlinie 11 von der Kreiselspinachse 23 in der
Höhe wiedergibt, sowie ein Signal für den Giermotor 19, das der Abweichung
der Visierlinie von der Kreiselspinachse 23 im Azimut entspricht. Der Detektor
28 ist geringfügig gegenüber der Scharfeinstellungslage versetzt, derart,
daß, wenn keine Abweichung vorliegt, jeder seiner Quadranten die gleiche Ausgangsgröße
liefert, die jeweils proportional einem Viertel der Energie des Lichtflecks ist,
welchen das
auf den Detektor 28 autokollimierte Lichtbündel
auf diesem erzeugt. Das Nachweissystem gemäß F i g. 2 arbeitet als Servosystem mit
geschlossener Regelschleife auf Nullabgleich, wodurch Linearitätsprobleme vermieden
werden, wie sie bei Stellungsnachführvorrichtungen auftreten, in denen die Regelschleife
bei einer von Null verschiedenen Stellung zweier Ausgangsvorrichtungen arbeitet.
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Das Stabilisierungssystem gemäß der Erfindung arbeitet über einen
breiten Frequenzbereich hin von 0 bis 200 Hz. Die Visierlinienstabilisierung ist
eine Funktion des klassischen Servosystems mit geschlossener Regelschleife; d. h.,
es wird ein Fehlersignal erzeugt, der Spiegel wird durch den Giermotor und den Längsneigungsmotor
nach Maßgabe des Fehlersignals so verdreht, daß der Fehler verschwindet und das
System in seine Nullstellung zurückkehrt, in welcher die Visierlinienachse mit der
Kreiselspinachse zusammenfällt.
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In F i g. 3 ist die Vorrichtung zur sowohl statischen als auch dynamischen
Balancierung des Stabilisierspiegels 15 um jede der Kardanachsen gezeigt.
In einer zur Gierachse parallelen Linie sind zwei Balancierräder 61 und 62 angeordnet.
Das Balancierrad 61 ist auf der Längsneigungsachse angeordnet und fest mit dem Stabilisierspiege115
verbunden. Das Balancierrad 62 ist in rollender Berührung mit dem Rad 61
mit ausreichender Lagerreibung angeordnet; die Reibung kann beispielsweise durch
dünne gekreuzte Stahlbänder verwirklicht werden, die mit den beiden Rädern verbunden
sind. Bei einer Bewegung der Fahrzeugplattform um einen bestimmten Winkel ist jedes
der Räder 61 und 62, welche den gleichen Radius aufweisen, bestrebt,
sich um den gleichen Winkel, jedoch in entgegengesetzten Richtungen, zu verdrehen
(unter Vernachlässigung der Lagerreibung). Das polare Trägheitsmoment des Rades
62 ist ein Drittel des kombinierten Trägheitsmomentes des Rades 61 und des Spiegels
15. Da die Räder 61 und 62 in rollender Berührung stehen, wirkt jede dieser Bewegungen
der anderen entgegen, und der Stabilisierungsspiegel 15 bleibt bezüglich
des Fahrzeugrahmens fest. Wenn sich das Rad 61 und der Spiegel 15 um die
Hälfte des Einheitsbezugswinkels des Plattformwinkels verdrehen, wird eine Drehmomentbalancierung
erreicht. In dieser Weise erhält man eine Trägheits- bzw. Inertialbalancierung des
Stabilisierungsspiegels während der gesamten Fahrzeugbewegungen.
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In F i g. 4 ist eine alternative Ausführungsform eines Teils des erfindungsgemäßen
Visiersystems gezeigt, bei welcher der Detektor 28 auf dem Kardanring 19 außerhalb
des Kreisels angeordnet ist. Die in F i g. 4 gezeigte Vorrichtung stellt eine Abwandlung
der in F i g. 1 veranschaulichten Ausführungsform dar, wobei der Kreisel bis auf
die Anbringung des Detektors 28 in seinem Aufbau in beiden Ausführungsbeispielen
durchaus äquivalent ist. Die Lichtquelle 32 (in F i g. 1) projiziert ein Lichtbündel
längs der Kreiselumlaufachse 23; dieses Lichtbündel wird durch das Strahlengangsystem
mit den Spiegeln 25
und 37 kollimiert. Das kollimierte Lichtbündel wird an
der Rückseite b des Stabilisierungs-Visierspiegels 15 reflektiert und von dem Detektor
28 hinsichtlich seiner Lage überwacht. Da das Lichtbündel raumfest längs der Kreiselumlaufachse
stabilisiert ist, bewirken Fahrzeugbewegungen eine Verschiebung des Lichtbündels
auf dem Detektor 28, welcher entsprechende Ausgangsgrößen für die Nachweisschaltung
43 erzeugt. Durch die Schaltung 43 werden die Stellantriebe 17 und 21 betätigt,
welche den Visierlinien-Umlenkspiegel 15 in eine Stellung drehen, in welcher das
Lichtbündel auf dem Detektor korrekt zentriert ist und somit die Visierlinie 11
in ihrer Richtung mit der Kreiselumlaufachse übereinstimmt.