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Richtungskreisel Die Erfindung bezieht sich auf einentRi¢htungskreiselv
Es ist bekannt, daß Kreiselgeräte nicht ausschließlich die Nordrichtung suchende
Geräte sind und in Richtinstrumenten, z.B. Kreiselkompassen, bei denen die Bezugsrichtung
von einem Kreisel abhängt, müssen Mittel vorgesehen werden, um den Kreisel entweder
so anzuordnen, daß er die Nordrichtung sucht oder daß er ein Ausgangsmaß für die
Azimutlage der Kreiselachse liefert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache und schnell
ansprechende Einrichtung zu schaffen, durch die eine Nordbezugsrichtung geliefert
wird, wobei diese Nordbezugsrichtung beispielsweise in einem Fahrzeug in Verbindung
mit einem Richtungskreisel benutzbar ist.
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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einer Kreiselvorrichtung,
die sich auf die Nordrichtung einstellt, mit einem Kreiselmotor, der um eine normalerweise
horizontale Achse drehbar von einem Lager getragen wird, das durch einen normalerweise
vertikal angeordneten Faden getragen wird, wodurch der Rotor pendelnd aufgehängt
ist und sich dadurch die Nordrichtung einstellt, dadurch gelöst, daß Mittel vorgesehen
sind, um die Azimutstellung des Rotors festzustellen und ein entsprechendes
elektrisches
Ausgangssignal zu erzeugen, und daß Filter vorgesehen sinar, um aus dem Ausgang
des Signales HochRrequenzschwingungen auszusieben, und daß Mittel vorgesehen sind,
um den Rotor zu sesseln.
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Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren, mit welchem in
einem Fahrzeug eine Nordbezugsrichtung einem Richtungskreisel übermittelt wird,
welches dadurch gekennzeichnet ist, daß bei Stillstand es Fahrzeuges ein Kreisel
in Pendelschwingungen versetzt wird und dieser sich in die Nordrichtung einstellt,
da er an einer Faden aufgehängt ist, daß von dem Kreiselgerät ein elektrisches Signal
abgeleitet wird, das der Nordrichtung entspricht, daß das Signal ausgeriltert wird,
um HochRrequenzkomponenten auszusieben, daß das Signal dem Richtungskreisel zugeführt
wird und 3 der pendelnde Kreisel gefesselt wird, bevor das Fahrzeu sich in Bewegung
setzt.
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Ein herkömmlicher, die Nordrichtung suchender Kreiselkompaß erfordert
etwa 84 Minuten (in der Praxis zwischen 70 und 120 Minuten bis er in der tage ist,
in einer Umgebung zu arbeiten, die variablen Beschleunigungen ausgesetzt ist, z.B.
bei einem Schiff oder bei einem Flugzeug. Diese Zeitdauer ist nachteilig lang, wenn
z.B. die Ku'srichtung hieraus abgeleitet werden soll.
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Die Zeitdauer kann zeitweilig bei gewissen Konstruktionen verkUrzt
werden, wenn es bekannt ist, daß das Kreiselgerät keinen beträchtlichen Beschleunigungen
unterworfen wird und auch während des Einstellvorganges keine seitlichen Versetzungen
auStreten; aber praktische Grenzen lassen es nicht zu, diese Zeitdauer unter 20
bis 30 Minuten zu verkürzen. Es hat sich beispielsweise als. unzweckmäßig erwiesen,
ein wirtschaftlich tragbares System mit Bauteilen wie Drehmomentgebern, Verstärkern
usw. auszustatten, die eine Doppelverstärkung und SSttigungswerte
besitzen,
die proportional zum Quadrat des Verhältnisses der Zeitdauerverminderung vergrößert
werden müssen, um eine Zeitverminderung unter 20 bis 30 Minuten zu erreichen. Bei
einer solchen Zeitdauer müssen Zeitintervalle von 3/4 Stunde bis 1 Stunde in Kauf
genommen werden, bevor eine Kursrichtung genau erhalten werden kann.
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Ahnliche Betrachtungen ergeben sich beim Anlauf der Kreiselkompaßarbeitsweise
von Inertialsystemen. Dieses Verfahren der Benutzung einer verkürzten Zeitdauer
stellt dann noch höhere Anforderungen an die Diskrimination, Abtriftfreiheit und
Störfreiheit der Messung und der Servobauteile. Es hat sich daher gezeigt, daß die
Erlangung einer genauen Langzeitnavigation durch das Brfordernis einer schnellen
Nordausrichtung in der gleichen Anordnung noch schwieriger wird.
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Es sind daher Versuche unternommen worden, spezielle Einzweckhilfseinrichtungen
vorzusehen, um die anfängliche Ausrichtung zu unterstützen, damitPdie technischen
Erfordernisse und die Komplexheit der Navigationseinrichtung verringert werden.
Diese Hilfseinrichtungen können von magnetischer oder optischer Bauart sein oder
es kann eine Kupplung mit äußeren, vorher ausgerichteten Kreiselgeräten statvfinden,
die Daten in den KompaB eingeben oder ein Kurssignal eingeben oder es kann eine
Intertialplattform außen vorgesehen werden. Eine andere Bauform einer sich auf die
Nordrichtung einstellenden Vorrichtung ist der schwere, pendelnd an einem Faden
aufgehängte D Theodolit-Kreisel, der normalerweise auf einer stabilen Basis in Verbindung
mit Überwachungsinstrumenten benutzt wird, um eine Kursgenauigkeit von Bogenminuten
zu liefern.
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Es hat sich aber bis jetzt als unmöglich erwiesen, einen Theodolit-Kreisel
auf einer nicht stabilen pder einer semistabilen Basis zu benutzen. Es ist Tatsache,
daß ein solches Instrument völlig ungeeignet wäre, Anzeigen auf einem sich bewegenden
Fahrzeug zu liefern (nicht stabile Basis) und dennoch hat es sich überraschenderweise
erwiesen,
daß die relativ kleinen Störungen, die bei einem stationären Fahrzeug zu erwarten
sind und vom Lauf des Motors, der Bewegung von Menschen oder Gütern, Windstößen
od.dgl.
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(semi-stabile Basis) herrühren, zu tolerieren,.vorausgesetzt, daß
gewisse Vorkehrungen getroffen werden.
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Der Erfindung liegt demgemäß die Erkenntnis zugrunde, daß bei einer
Fadenaufhängung die kleinen Störungen, denen das Gerät normalerweise ausgesetzt
ist, hauptsächlich eine Schwingung des Rotors mit sehr kleiner Amplitude bewirken
und mit einer relativ niedrigen Frequenz der Eigenschwingung des Kreisel, um die
Nordrichtung herum und eine andere Schwingung tritt auf, die eine größere Amplitude
mit höherer Frequenz besitzt.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel betrug die Niederfrequenz 7 bis 8
Minuten pro Schwingung und die Hochfrequenz 1,5 bis 2 Hz. Diese Hochfrequenzschwingung
kann ausgefiltert -werden, ohne die Genauigkeit der Anzeige des Kreiselerätes merklich
zu beeinträchtigen. Die Störungen können außerdem ohne Schaden gelegentliche,relativ
große, zwischen den Hauptrichtungen liegende Stöße aufweisen, die die Störung der
Schwingung des Rotors um die Nordrichtung stören können. Es können dann Mittel vorgesehen
werden, die diese großen-Stbrungen feststellen und, wenn diese zu groß sind, ein
Warnsignal liefern, welches anzeigt, daß die gerade durchgeführte Messung wiederholt
werden sollte.
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Nachstehend wird ein AusfUhrungsbeispiel der Erfindung anhand der
Zeichnung beschrieben. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine schematische Darstellung
eines Pendel-Kreisels, der sich in die Nordrichtung einstellt und ein Nordbezugssignal
einer Kreiselplattform liefert, z.B. zur Benutzung bei einem Flugzeug.
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Die Plattform 11 ist von herkömmlicher Bauart und weist zwei oder
drei qualitativ äußerst hochwertige, teuere Kreiselgeräte
auf, die
in Verbindung mit Besleunigungsmessern arbeiten und eine vollständige und genaue
Information bezüglich der Lage des Fahrzeuges liefern. Diese Kreisel sind nicht
selbst die Nordrichtung suchende Kreisel und ihre Kreiselstarrheit ält ihre Achsen
in willkürlichen Azimutstellungen, die im Raum fixiert sind. Um den Ausgang der
Plattform zu interpretieren, ist es notwendig, die tage der Azimutachsen immer dann
auszurichten oder zu bestimmen, wenn die Plattform erregt wird.
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Deshalb ist ein die Nordrichtung suchender Kreisel 12 zusätzlich vorgesehen.
Dieser weist einen herkdmlichen Rotor 14 auf, der sich um eine Horizontalachse -15
dreht und einen nicht dargestellten elektrischen Antrieb besitzt, durch den der
Rotor in Umdrehungen versetzt wird. Der Rotor 14 wird in einem Gehäuse 16 getragen,
das an einem Draht 17 aufgehängt ist, der etwa 10 cm lang ist; der Draht 17 ist
am Aufbau 18 befestigt. Ein äußeres Gehäuse 20 trägt den Aufbau 18 und ist drehbar
in Lagern 21 gegenüber einer Basis 31 und zwar-um eine vertikale Achse , die annfhernd
mit der Achse des Drahtes 18 zusammenfällt. Das äußere Gehäuse 20 wird durch Stirnräder
22 um die Vertikalachse in Drehung versetzt und diese Stirnräder 22 werden durch
einen Motor 23 angetrieben.
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Das Gehäuse 16 trägt starr einen Spiegel 24, so daß dieser mit dem
Gehäuse 16 umläuft. Am Gehäuse 20 sind Fotozellen 25 angeordnet, die die Drehstellung
des Spiegels 24 gegenüber einem auf diesen fallenden, nicht dargestellten L5chtstrahl
abfühlen und elektrische Ausgangssignale auf einer Leitung 26 erzeugen, welche die
augenblickliche relative Winkelstellung des Gehäuses 16 repräsentieren und dadurch
die Abweichung des Rotors 14 von einer Mittelstellung anzeigen. Die elektrischen
Ausgangssignale auf der Leitung 26 werden bei 27 wrstSrkt und das resultierende
Signal wird dem Motor 23 zugeführt und steuert diesen so, daß
das
äußere Gehäuse 20 den Azimutbewegungen des Rotors 14 folgt.
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Auf dem äußeren Gehäuse 20 ist ein Synchro 28 montiert und dieses
fühlt die Winkelstellung des Gehäuses ab und liefert ein elektrisches Ausgangssignal
auf einer Leitung 29 und dieses Signal reprasentiert die Azimutstellung des Rotors
14 und bildet die erforderliche Nordbezugsrichtung. Dieses Ausgangssignal wird einem
Kursbezugsiomputer (nicht dargestellt) der Plattform II zugeführt.
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Die Charakteristiken des Pendelrotors 14 sind derart, daß er um die
örtlichen Nordrichtung mit einer Periode von etwa 7 bis 8 Minuten oszilliert. Diese
Schwingungen werden extrem wenig gedämpft und ihnen folgt automatisch das Gehäuse
20. Die durch das Synchro 28 erzeugten Signale repräsentieren demgemäß hauptsächlich
eine Schwingung um die Nordrichtung, woraus der Kursbezugshomputer der Plattform
11 die wahre Nordrichtung relativ zum Plattformkreisel berechnet.
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Wie-enwäjurt, erzeugen Störungen eines stationären Fahrzeuges auf
dem Boden hauptsächlich zwei Schwingungen des Rotors 14.
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Eine dieser Schwingungen mit niedriger Amplitude und niedriger Frequenz
ist klein genug, um keine störenden Fehler im Kreiselausgang zu erzeugen. Diese
Schwingung ist in erster Linie von der Größe der Störung abhängig, durch die sie
verursacht wird, und gemäß einem Ausführungsbeispiel ist sie kleiner als 0,0010
pro Millimeter linearversetzung. Demgemäß brauchenkeine.
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Vorkehrungen getroffen zu werden, um diese Schwingung ausz;uschalten.
Die andere Hauptschwingung hat eine Frequenz von 1,5 bis 2 Hz mit einer Amplitude
in der Größenordnung,von 8 bis 10 Bogenminuten pro Millimeter linearer Versetzung
und diese Schwingungen müssen reduziert werden. Gemäß dem speziellen
Ausführungsbeispiel
wird dies dadurch bewirkt, daß der aus Motor 23 und Zahnrädern 22 bestehenden Servoschleife
niedrige Bandbreiten verliehen werden, indem die Servoschleifenverstärkung und Ausfilterung
in geeigneter Weise gewählt wird, so daß ein genügend kleines Ansprechen gegenüber
dem Hochfrequenzgehalt des Signal es von den Fotozellen 25 erreicht wird, wodurch
die Hochfrequenzschwingungen, die vorstehend diskutiert wurden, ausgefiltert werden.
Deshalb wird das äußere Gehäuse 20 veranlaßt, nur den Niederfrequenzschwingungen
des Rotors 14 zu folgen.
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Weil infolge der Bewegungen des Fahrzeuges der Rotor 14 weiteren Bewegungen
außer den Schwingungen um die Nordrichtung ausgesetzt ist, ist die Konstruktion
des Gehäuses 20 derart getroffen, daß ein allseitiges Spiel gegeben ist, welches
beispielsweise 10 mm zwischen Gehäuse 20 und den aufgehängten Elementen 14,16 beträgt,
die demgemäß diese Bewegungen frei aufnehmen können.
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Bei gewissen Anwendungen hat sich gezeigt, daß das stationäre Fahrzeug
gelegentlich Ubermäßigen Störungen wthrend der Messung ausgesetzt sein kann, so
die Gefahr besteht, daß die Genauigkeit der Messung beeinträchtigt wird. Deshalb
können Mittel vorgesehen sein, um das Vorhandensein dieser Ubermäßigen Störungen
festzustellen und eine Warnung zu liefern, damit die Messung wiederholt werden kana,oder
um die Messungen bis zu einer bestimmten Zeit nach der Störung zu ignorieren. Ein
Verfahren zur Feststellung dieser Störungen besteht darin, das Ausgangssignal auf
der Leitung 26 nicht nur den übrigen Tiefpaßfiltern zu unterwerden, um das Folgeservo
zu betätigen, sondern auch durch einen zweckmäßigerweise abgestimmten Hochpaßfilter
zu schicken, um übermäßige Werte von Hochfrequenzschwingungen festzustellen und
infolgedessen ein Warnsignal zu erzeugen. Das Warnsignal kann eine manuelle Aktion
anzeigen, um die Messung zu wiedeholen oder kann der Plattform 11 zugeführt werden,
um automatisch die
bestehende Messung zu streichen und einen neuen
Meßzyklus zu starten.
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Die aufgehängten Elemente14 und 16 kann man nicht frei schwingen lassen,
während das Fahrzeug sich bewegt, weil sie dann möglicherweise einer Beschädigung
ausgesetzt würden, und deshalb ist eine bei 30 angedeutete Käfiganordnung vorgesehen.
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Bei der Benutzung wird der Kreisel 12 gefangen und der Rotor 14 läuft
auf die Betriebsdrehzahl und wird gerichtet. Dies kann manuell oder automatisch
geschehen. Dann wird der Kreisel freigegeben und der Rotor setzt seine Oszillationsbewegungen
um die Nordvehse fort. Die Fotozellen 25 folgen einer vollen Schwingung des Rotors
14 und diese Information wird dem Kursnomputer der Plattform 11 zugeführt. Bei anderen
Anordnungen brauchen die Fotozellen nur einer halben oder einer viertel Schwingung
zu folgen, um die Nordrichtung zu berechnen. Die Nordrichtung ist daher sehr schnell
auffindbar. Ein Pendelkreisel dieser Bauart ist relativ billig und die zusätzlichen
Kosten über das Grundnavigations-« system hinaus lassen einen guten Vergleich mit
anderen Verfahren der Bestinimung der Nordrichtung in einem Flugzeug oder einem
anderen Fahrzeug zu, insbesondere wenn man bedenkt, daß eine äußerst genaue und
sehr schnell erlangbare Bezugsachse durch die Erfindung erlangt werden kann.
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Wenn das Flugzeug mit einem Digitalkomputer ausgerüstet ist, kann
dieser benutzt werden, um aus einer Zahl von eitlich auReinanderfolgenden Winkelmessungen
der Schwingung den Mittelpunkt zu errechnen, um den dann die Schwingung stattfindet,
d.h. die Nordrichtung. so braucht beispielsweise die Messung nur über einen Viertelschwlngungszyklus
durchgeführt zu werden, wodurch die Zeit vermindert-wird, die für eine Ablesung
erhalten wird,
und zwar wird sie vermindert bis auf etwa 2 bis
3 Minuten.
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Je nach Kapazität des Computers kann die Zahl der Messungen zwischen
50 bis herunter zu 3 schwanken. Wenn ein solcher computer leicht verftigbar ist,
wird es oft erwünscht sein, ihn, wie erwähnt, zu benutzen, um die Zeit zu vermindern,
die zur Erlangung der Nordbezugslinie erforderlich ist, insbesondere bei Kriegs-Land
fahrzeugen. Es ist jedoch klar, daß unter normalen Umständen eine Zeit von 7 bis
8 Minuten akzeptabel iæt, die in Verbindung mit ,den grundsätzlichen Lehren der
Erfindung benötigt wird. Ein solcher Computer ist bei 32 angedeutet und wenn dieser
benutzt wirdt führt man das vom Synchro 28 gelieferte Ausgangssignal diesem Computer
und dann der Plattform 11 zu und nicht der Plattform wie in dem vorbeschriebenen
Beispiel.
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Die Erfindung wurde vorstehend unter Bezugnahme auf eine Flugzuuginstallation
beschrieben. Die Erfindung kann Jedoch auch bei anderen, sich bewegenden Fahrzeugen,
z.B. Schiffen, Panzern, gepanzerten Fahrzeugen oder anderen Land-, Lu£t- oder SeeSahrzeugen
Anwendung finden, die Navigationseinrichtungen enthalten, welche eine Nordinformation
benötigen.
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PatentansprUche