DE2545025B2

DE2545025B2 - Navigationsgerät zur Navigation von Landfahrzeugen

Info

Publication number: DE2545025B2
Application number: DE19752545025
Authority: DE
Inventors: Uwe Karl Otto 7773 Nussdorf Krogmann
Original assignee: Bodenseewerk Geratetechnik GmbH
Current assignee: Bodenseewerk Geratetechnik GmbH
Priority date: 1975-10-08
Filing date: 1975-10-08
Publication date: 1980-09-11
Also published as: DE2545025A1; FR2327516A1; GB1551309A; FR2327516B1

Description

tu/r; = ü)f. ■ sin φ

dem sich gegenüber dem inertialen Raum bewegten Gitterkoordinatensystem nachführt, wobei

(UE die Drehgeschwindigkeit der Erde und
ψ die geographische Breite ist.

3, Navigationsgerät nach Anspruch 1, dadurch s gekennzeichnet, daß

(a) der Rechner (12) zur zeitlichen Integration des ' die Auswanderungsgeschwindigkeit azo des freien Kreisels (16) gegenüber dem Gitterkoordinatensystems wiedergebenden Korrektursignals unter Berücksichtigung der Anfangsbedingungen zwecks Ermittlung des Winkels zwischen Kreiselreferenzrichtung und Gitterreferenzrichtung eingerichtet ist und

(b) der Rechner (12) bei der Erzeugung der Komponentensignale (Vn, Ve) des Kurssignals um den so ermittelten Winkel korrigiert

Die Erfindung betrifft ein Navigationsgerät zur Navigation von Landfahrzeugen in einem Gitterkoordinatensystem nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein solches Navigationsgerät ist bekannt aus »Industrial Electronics«, Februar 1965, Seiten 72 bis 76. Bei diesem bekannten Navigationsgerät enthält das Kursreferenzgerät einen nordsuchenden Kreiselkompaß, der ein Kurssignal liefert Das Kurssignal wird in einem Navigationsrechner mittels eines einen Synchro und einen Stellmotor enthaltenden Nachlaufsystems in eine Drehbewegung umgesetzt Der Stator des Synchros ist dabei zur Korrektur des vom Kreiselkompaß erhaltenen, auf geographisch Nord bezogenen Kurssignals von Hand verstellbar, so daß die Drehbewegung dem Kurswinkel im Gitterkoordinatensystem entspricht. Diese Drehbewegung wird auf einen Sinus-Kosinus-Generator (Resolver) übertragen, welchem ein der Fahrzeuggeschwindigkeit entsprechendes Geschwindigkeitssignal von einem Geschwindigkeitsfühler zugeführt wird. Der Sinus-Kosinus-Generator erzeugt daraus Komponentensignale in Form von Impulsfrequenzen, weiche den Komponenten der Fahrzeuggeschwindigkeit in dem Gitterkoofdinatensystem entsprechen. Diese Komponentensignale werden auf Motore geschaltet, welche als Integratoren wirken und die Impulse aufsummieren. Die Motore steuern Digital-Anzeigegeräte, welche die Position des Fahrzeugs im Gitterkoordinatensystem angeben.

Es ist gleichzeitig eine Anzeige des Kurswinkels im Gitterkoordinatensystem vorgesehen. Außerdem steuern die Impulse über Stellmotore eine Lichtmarkenanzeige der Position und des Kurswinkels auf einer Karte.

Das bekannte Gerät benutzt einen Kreiselkompaß, der sich mit seiner waagerecht gehaltenen Drallachse nach geographisch Nord ausrichtet. Dieser Kreiselkom-

f>o paß liefert unmittelbar das Kurssignal. Die Genauigkeit eines solchen Kreiselkompaß in einem bewegten Landfahrzeug ist begrenzt, da die Einstellung durch die Erschütterungen des Fahrzeugs stark gestört wird. Eine starke Dämpfung des Kreiselkompaß bewirkt, daß sich

^h'> der Kompaß nur langsam in die Nordrichtung einstellt und auf eine Kursänderung nur träge reagiert.

Der Unterschied zwischen dem Kurs, bezogen auf geographisch Nord und »Gitternord«, wird bei dem

bekannten Gerät durch eine manuelle Verstellung des Stators des Synchros im Nachlaufsystem berücksichtigt Eine solche Korrektur gilt aber mir in einem begrenzten Bereich.

Es ist ein nordsuchendes Kreiselgerät fur die Navigation von Landfahrzeugen bekannt, bei welchem ein nordsuchender Meridiankreisel sowie ein als eigentliches Kursreferenzgerät dienender freier Kreisel vorgesehen sind (DE-OS 14 98 042). Der nordsuchende Meridiankrek.il dient der genauen Bestimmung der Nordrichtung bei stillstehendem Fahrzeug, Nach der so bestimmten Nordrichtung wird die Einstellung des freien Kreisels korrigiert Auf die Elevationsachse des freien Kreisels wirkt dabei dauernd ein den Einfluß der Erddrehung kompensierendes Drehmoment, welches den freien Kreisel in der so erhaltenen Nordrichtung hält

Durch die DE-OS 20 08 702 ist ein nordsuchendes Kreiselpendel bekannt, bei welchem ein Kreisel mit horizontaler Drallachse an einem Band aufgehängt ist Ein photoelektrischer Abgriff spricht auf eine Auslenkung des Kreisels aus einer Nuliage an. Das Signal des Abgriffs ist hochverstärkt auf einen um diu· Bandachse wirkenden Drehmomenterzeuger geschaltet. Dadurch wird das infolge der Erddrehung auf den Kreisel wirkenden Richtmoment, das die Drallachse des Kreisels nach Nord auszurichten trachtet, durch ein Gegenmoment kompensiert Der Strom, der dabei durch den Drehmomenterzeuger fließt, ist proportional dem Richtmoment Dieses wiederum hängt außer von der Nordabweichung, d. h. dem Winkel zwischen der so elektrisch gefesselten Drallachse und der Nordrichtung, auch von dem Kosinus der geographischen Breite ab. Aus dem Strom durch den Drehmomenterzeuger, der in ein geeignetes Ausgangssignal, ζ. Β. den Spannungsabfall an einem mit dem Drehmomenterzeuger in Reihe liegenden Meßwiderstand, umsetzbar ist, kann die Nordabweichung und damit die Nordrichtung bestimmt werden, ohne daß der Kreisel selbst dazu mit seiner Drallachse in die Nordrichtung einschwingen müßte. Die NonLichtung wird damit sehr schnell erhalten. Voraussetzung ist allerdings die Kenntnis der geographischen Breite.

Sowohl die DE-OS 14 98 042 als auch die DE-OS 2008 702 beziehen sich auf die Bestimmung der geographischen Nordrichtung bzw. eines Kurses, bezogen auf die geographische Nurdrichtung, nicht auf die Bestimmung der Position eines Fahrzeugs.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Navigationsgerät nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 so auszubilden, daß die Position des Fahrzeugs schnell und mit hoher Genauigkeit und auch bei Bewegung des Fahrzeugs in einem relativ größen Bereich erhalten wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 aufgeführten Maßnahmen gelöst

Nach der Erfindung wird somit der Kurs nicht direkt durch einen nordsuchenden Kreiselkompaß bestimmt wie bei der vorerwähnten Anordnung nach »Industrial Electronics«. Vielmehr wird einmal durch einen nordsuchenden Kreisel die Nordrichtung bei stillstehendem Fahrzeug mit hoher Genauigkeit bestimmt, und nach der so bestimmten Nordrichtung wird ein während der Fahrt als Kursreferenz dienender Kreisel eingestellt. Von der Anordnung in DE-OS 14 98 0*2 unterscheidet sich das Kursreferenzgerät bei der Erfindung jedoch in verschiedener Hinsicht:

Ein in einem Fahrzeug befindlicher freier Kreisel sucht seine Orientierung im Raum beizubehalten. Das fahrt dazu, daß der Kreisel, auch wenn seine Drallachse zunächst genau nach Nord ausgerichtet ist, langsam aus der Nordrichtung auswandert, und zwar mit seiner Winkelgeschwindigkeit

αι_ζ = iu_E SU» ψ Η ^— tg φ

Darin ist

ω ε = Erddrehgeschwindigkeit,
φ = geographische Breite,
Ä = Erdradius,

= Ostkomponente der Fahrzeuggeschwindigkeit

Mit dieser Geschwindigkeit muß die Drallachse des Kreisels ständig nachgeführt werden, wenn sie in dec Nordrichtung gehalten werden solL Der erste Term auf der rechten Seite von Gleicinreg (1) ist darauf zurückzuführen, daß die parallel zur Erdoberfläche in der Meridianebene liegende Nordrichtung sich mit dem Umlauf der Erde im Raum ändert, so daß die ohne die Nachführung raumfeste Kreiseldrallachse gegenüber der Nordrichtung auswandert. Eine solche Auswanderung der Kreiseldrallachse erfolgt auch gegenüber dem ebenfalls mit der Erde im Raum umlaufenden Gitterkoordinatensystem. Der zweite Term in Gleichung (1) kommt dadurch zustande, daß sich bei einer Bewegung in Ost-West-Richtung auf einer Kugel die Nordrichtung, d.h. die Richtung der Tangente an den jeweiligen Meridian im Raum unabhängig von der Erddrehung ändert Eine solche Änderung erfolgt jedoch nicht gegenüber dem nicht auf eine Kugel bezogenen

Gitterkoordinatensystem, dessen Koordinatenachsen

nur im Ursprung des Koordinatengitters mit der

Ost-West- bzw. Nord-Süd-Richtung zusammenfallen. Wenn man sich die Erdkugel einmal stillstehend

vorstellt, dann würde eine Bewegung des Landfahrzeugs mit dem freien Kreisel in Ostrichtung keine Änderung der Gitterreferenzrichtung im Raum bedingen, so daß auch der Winkel zwischen der raumfesten Kreiselreferenzrichtung und der Gitterreferenzrichtung davon nicht beeinflußt wird. Es ist daher, um mittels des freien Kreisels eine feste Gitterreferenzrichtuwg vorzugeben, nur erforderlich, den Einfluß der Erddrehung auf die Drallachse des freien Kreisels zu kompensieren oder zu berücksichtigen.

)0 Das bei der Erfindung auf den freien Kreisel als Drehmoment aufgeschaltete oder rechnerisch berücksichtigte Korrektursignal kompensiert daher nur die durch die Erddrehung bedingte Auswanderung der Drallachse. Wenn also z.B. zum Zeitpunkt der

)j Ausrichtung des freien Kreisels nach dem nordsuchenden Kreisel geographisch Nord und Gitternord zusammenfielen, dann bleibt der freie Kreisel nach Gitternord ausgerichtet, auch wenn sich das Fahrzeug von seinem Ausgangspunkt erheblich nach Ost od^r

bo West bewegt hi.t und daher Gitternord und geographisch Nord voneinander abweichen. Das erleichtert die Zerlegung der Geschwindigkeit in die auf das Gitterkoordinatensystem bezogenen Komponenten. Mit einem Kreiselkompaß, der stets nach geographisch

h > Nord ausgerichtet ist, ist das nicht möglich, und auch die Anordnung nach DE-OS 14 98 042 richtet den freien Kreisel nach geographisch Nord aus. Ein weilerer Unterschied gegenüber der DE-OS 14 98 042 besteht

darin, daß die Draliachse des nordsuchenden Kreisels nicht in die Nordrichtung gedreht wird. Vielmehr wird - ähnlich wie bei der DE-OS 20 08 702 - das von der Erddrehung auf den nordsuchenden Kreisel ausgeübte Richtmoment gemessen und daraus die Nordabweichung bestimmt Gemäß dem dritten kennzeichnenden Merkmal des Patentanspruchs 1 wird aus den wie oben erwähnt relativ leicht gewonnenen Koordinaten im Gitterkoordinatensystem durch den Rechner wiederum die geographische Breite bestimmt Das gestattet wiederum die Erzeugung des Korrektursignals für den freien Kreisel und die Berücksichtigung der geographischen Breite bei jeder Bestimmung der Nordrichtung aus dem vom Kosinus der geographischen Breite abhängigen Richtmoment Es wird somit die geographi sehe Breite aus den Gitterkoordinaten berechnet während andererseits die geographische Breite in die Bestimmung der Gitterkoordinaten eingeht so daß ein geschlossener Krsis srustehi. Die Erfindung gestattet eine schnelle und genaue Positionsbestimmung, auch wenn sich die Position des Fahrzeugs hinsichtlich ihrer geographischen Länge oder Breite gegenüber einem bekannten Ausgangspunkt merklich ändert.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung ist nachstehend an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert:

F i g. 1 veranschaulicht die verschiedenen Winkel und Richtungen;

F i g. 2 ist ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Gerätes.

Mit Φ ist in F i g. 1 die Längsachse eines Landfahrzeugs bezeichnet Diese Längsachse Φ schließt mit der geographischen Nordrichtung einen Winkel «to mit der »Gitter-Nordw-Richtung den Gitterkurswinkel «rv ein. Gitter-Nord und »geographisch Nord« schließen einen Winkel «c/e, den Gitterkonvergenzwinkel, ein. Außerdem sind die Winkel &κ als Winkel zwischen der Längsachse und der Bezugsachse (H) des Kreiselreferenzgerätes 40 sowie der Winkel «mk zwischen der geographischen Nordrichtung und der Bezugsachse (H) angegeben.

In Fig.2 liefert ein Geschwindigkeitsgeber 10 ein Signal proportional zu der Fahrzeuggeschwindigkeit V in Richtung der Fahrzeuglängsachse Φ. Dieses Signal wird, vorzugsweise in digitaler Form, einem Rechner 12 zugeführt Dem Rechner 12 wird ferner von einem Kreiselreferenzgerät 40 ein Signal oc_K zugeführt welches die Winkellage eines freien Kreisels 16 angibt der vor dem Einsatz nach geographisch Nord ausgerichtet war oder dessen Bezugsachsenlage relativ zu geographisch Nord vor dem Einsatz genau ermittelt wurde und der durch ein Drehmoment u>zg gemäß Gleichung (2) mittels eines Drehmomenterzeugers 18 ständig hinsichtlich der Erddrehung kompensiert wird. In den Rechner 12 werden ferner von einem Anzeige- und Bediengerät 20 vor Beginn des Einsatzes Ea, Na und *gk (0) eingegeben, d. h. die Anfangsposition in Gitterkoordinaten Ea und Na sowie der dort gegebene Gitterkonvergenzwinkel «gk(0) (F i g. 1).

Vor Beginn des Einsatzes wird die geographische Nordrichtung in an sich bekannter Weise mittels eines nordsuchenden Kreisels, z. B. eines Meridiankreisels 22, bestimmt Der Meridiankreise! 22 enthält einen an einem Band 24 aufgehängten Kreisel 26, der auf ein Kreiselrichtmoment wirkt das die Drallachse 28 des Kreisels 26 nach Nord auszurichten trachtet Eine Auslenkung des Kreisels 26 aus seiner Bandnullage wird mittels eines Abgriffes 30 abgegriffen und hochverstärkt durch einen Verstärker 32 auf einen Drehmomenterzeuger 34 gegeben. Dieser übt auf den Kreisel 26 ein Drehmoment um die Bandachse aus, welches dem Kreiselrichtmoment entgegenwirkt Es wird somit praktisch das Kreiselrichtmoment durch ein Gegenmoment kompensiert, so daß der Kreisel 26 an seine Bandnullage gefesselt ist Der auf diese Weise dem ίο Kreiselrichtmoment proportionale Strom durch den Drehmomenterzeuger 34 erzeugt einen entsprechenden Spannungsabfall an einem mit der Wicklung des Drehmomenterzeugers 34 in Reihe liegenden Widerstand 36. Das so erhaltene Signal wird, multipliziert mit

'' einem vom Rechner 12 erhaltenes —!—Signal in einem

COSy

Speichergerät 38 abgespeichert das so den Winkel zwischen Bandnullage (Bezugsachse) und geographischer Nnrdrichtung liefert. Danach wird der freie >o Kreisel 16 ausgerichtet. Diese ganze Anordnung bildet das Kreiselreferenzgerät 40.

Aus *k(0 ^vom Kreiselreferenzgerät 40 und dem eingegebenen «gk(0) wird vom Rechner 12 «nv (t) nach der Beziehung

in gebildet In einer Variante der Ausführungsform wird der Kreisel 16 nicht nach diesem Winkel (λμκ) im Speicher 38 ausgerichtet, sondern das Winkelsignal außer dem Winkel Xk zum Rechner übertragen, und daraus gemäß

(3a)

der Gitternordwinkel berechnet wird. Aus der Geschwindigkeit V(t) und »fn(0 ergeben sich die Geschwindigkeitskomponenten im Gitterkoordinatensystem.

V_s(t) =

V_EU) =

cos*_F.v(t)

Diese Werte werden vom Rechner 12 inter Berücksichtigung der eingegebenen Anfangswerte E_A und Na zur Bestimmung der Position des Landfahrzeuges im Gitterkoordinatensystem zeitlich integriert Die so erhaltenen Signale N_Funa E_F werden dem Anzeige- und Bediengerät 20 zugeführt:

NfU) = J K(T)COS *_f.v(T)dT + Ν
0

E_F(t) = j V(τ) sin<x_flV(T)dr + E

Aus den so erhaltenen Gitterkoordinaten Nf und
ermittelt der Rechner die geographische Breite

7 8

Verwendung des sog. UTM-Gitters nach folgender Beziehung:

-,,[rad] - - 1.0439 10 '" /V²Or³] + 1,581313 · 10 ¹NAm] (Ka)

h = 3,05241 IO ⁴ ₇ ²[rad²] - 1,1897«) IO"⁴ _7l[rad] (8h)

N₁[Hi] = IO"-'h(£_r[m] - 500-0-I»')² (8c)

N₁Im] = N_F[m] - N₁Im] (8d)

₇|>ad] = - 1,0439· IO"\V-['»²] f 1,581313- 10 ¹N₁[In]. (8c)

Die verschiedenen Faktoren haben d;ibei die Statt über den Drehmomenterzeuger 18 den freien

erforderlichen Dimensionen m ^! bzw. m-'. Kreisel 16 nachzufiihren, kann statt dessen auch die

Aus dem so gewonnenen 9: bildet der Rechner 12 die π Auswanderung des Kreisels im Rechner 12 selbst

Größen ω«; gemäß Gleichung (2) und J_{5 #/} . Durch das berücksichtigt werden. Fs wird dann statt Gleichung (3):

ωΛ,-Signal wird der Einfluß der Erddrehung auf den

freien Kreisel 16 mittels des Drehmomenterzeuger 18 /

kompensiert. Das l/cos φ-Signal kompensiert den 211 Vv(O = ■»*(») + J <»«;<0α> - v;*l"l Cl

Einfluß der geographischen Breite auf das Kreiselricht· 0

moment des Meridiankreisels, während des Nordungsvorgangs.

Der Aufbau oder die Programmierung eines Rech- Dadurch können Nachführfehler ausgeschlossen

ncrs zur Durchführung der vorerwähnten Operationen y, werden. Mit dem so gewonnenen <\in(0 werden die ist dem Fachmann geläufig und daher hier nicht im Gitterkoordinaten Nfund Eh nach Gleichung (6) und (7) einzelnen beschrieben. im Rechner gebildet.

Hk'ivu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

ί, Navigationsgerät sw N a> igation von Landfabrzeugen in einem Gitterkoordinatensystem, enthaltend:

(a) ein Kursreferenzgerät (40) mit einem nordsuchenden Kreisel (22) und Einrichtungen zur Erzeugung eines auf Gitterkoordinaten bezogenen Kurssignals (<xfn\

(b) einen Geschwindigkeitsgeber (10) zur Erzeugung eines der Fahrzeuggeschwindigkeit proportionalen Geschwindigkeitssignals,

(c) einen Rechner (12), dem das Kurssignal («nc) und das Geschwindigkeitssignal (V) zugeführt wird zur Bildung von Komponentensignalen (Vn, Ve), welche den Komponenten der Fahrzeuggeschwindigkeit (V) im Gitterkoordinatensystem entsprechen, und der Integratoren zur Integration der Komponentensignale (Vn Ve) zwecks Erzeugung einer Positionsanzeige (Nr Ef) enthält,

gekennzeichnet durch die Kombination der nachstehenden Merkmale:

(d) Das Kursreferenzgerät (40) enthält zusätzlich zu dem nordsuchenden Kreisel (22) einen während der Fahrt als Kursreferenz dienenden freien Kreisel (16), dessen Lage gegenüber geographisch Nord unter Benutzung des nordsuchenden Kreisels zu einem festen Zeitpunkt bestimmbar ist und der seinerseits das Kurssignal (ot_FK) liefert,

(e) der nordsuchende KreL"";l (22) des Kursreferenzgerätes enthält eiren Drehmomenterzeuger (34), der vor dem hochverstä- xten Signal eines auf die Auslenkung des Kreisels (22) aus einer Nullage ansprechenden Abgriffs (30) beaufschlagt ist, so daß das auf den Kreisel (22) wirksame Richtmoment durch ein Gegenmoment des Drehmomenterzeugers (34) kompensiert wird,

(f) der Rechner (12) erzeugt aus der Position (Nf, Ef) des Fahrzeugs in Gitterkoordinaten ein die geographische Breite (φ) des Fahrzeugs wiedergebendes Signal, aus welchem wiederum

(fi) ein dem Kehrwert (l/cos φ) des Kosinus der geographischen Breite (ψ) entsprechendes Signal abgeleitet wird, das zur Bestimmung der geographischen Nordrichtung mit dem Signal multipliziert wird, das auf den Drehmomenterzeuger (34) des nordsuchenden Kreisels (22) aufgeschaltet ist, sowie
(U) ein Korrektursignal (coza) für die durch die Erddrehung bedingte Auswanderung der Drallachse des freien Kreisels (16) gegenüber der Gitternordrichtung.
2. Navigationsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an dem während der Fahrt als Kursreferenz dienenden freien Kreisel (16) ein Drehmomenterzeuger (18) vorgesehen ist, der von dem Korrektursignal des Rechners (20) beaufschlagt ist und auf den freien Kreisel (16) ein Drehmoment ausübt, welches diesen mit einer Drehgeschwindigkeit