DE3143527A1 - Geraet zur automatischen bestimmung der nordrichtung - Google Patents
Geraet zur automatischen bestimmung der nordrichtungInfo
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Description
PATENTANWÄLTE
Dipl.-Phys. JÜRGEN WEISSE . Dipl.-Chem. Dr. RUDOLF WOLGAST
BÖKENBUSCH41 · D 5620 VELBERT 11- LANGENBERG
Postfach 1103 86 · Telefon: (0 2127) 4019 ■ Telex: 8 516 895
Die Erfindung betrifft ein Gerät zur automatischen
Bestimmung der Nordrichtung mittels eines von der Erddrehung beeinflußten Kreisels, bei welchem
(a) der Kreisel ein zweiachsiger Kreisel ist, dessen Drallachse im wesentlichen
vertikal ist,
(b) an den beiden zueinander senkrechten Eingangsachsen des Kreisels je ein Lageabgriff
und ein Drehmomenterzeuger vorgesehen sind,
(c) das Signal jedes einer Eingangsachse zugeordneten Lageabgriffs zur elektrischen Fesselung
des Kreisels mit seiner Drall achse an die Vertikale überkreuz auf den Drehmomenterzeuger
der jeweils anderen Eingangsachse geschaltet ist,
"Jl U1
(d) der Kreisel durch einen Stellmechanismus aus einer Ausgangsstellung (O -Stellung)
um eine mit der Drallachse zusammenfallende, vertikale Achs
lung verdrehbar ist und
lung verdrehbar ist und
fallende, vertikale Achse um 180°-Stel-
(e) ein Nordabweichungsrechner vorgesehen ist, der
(e..) Speicher zum Speichern der beiden in der
0 -Stellung den Drehmome führten Signale enthält,
O -Stellung den Drehmomenterzeugern zuge-
(e2) differenzbildende Mittel zur Bildung
von Signalen, die in verschiedenen von dem Stellmechanismus bestimmten Stellungen
des Kreisels dem einen bzw. dem anderen Drehmomenterzeuger zugeführt werden, und
(e.,) quotientenbildende Mittel zur Bildung
des Quotienten solcher Differenzen zur Bildung einer Winkelfunktion des
Azimutwinkels zwischen einer Eingangsachse des Kreisels und Nord. 25
Die DE-PS 2 741 274 geht davon aus, daß die auf die Drehmomenterzeuaer gegebenen, den Kreisel fesselnden
Signale Ü und U mit den Komponenten Ω und 3 der
Erddrehgeschwindigkeit bezogen auf die horizontalen 30
Eingangsachsen χ und y des Kreisels nach folgenden Beziehungen zusammenhängen
Ux Ktx Mx ο
H Hy u;
Viii* - ^--O1 , (2)
H H *
3Η3527
wobei
M das Drehmoment· ist, das an dem um die x-Achse
Ji
wirksamen Drehmomenterzeuger auftritt,
M das Drehmoment, das an dem um die y-Achse wirksamen Drehmomenterzeuger auftritt, und
H der Drehimpuls des Kreisels ist.
Aus dem Verhältnis
*ry · üy
= tan Ψ (3)
kann die Nordabweichung nach
KTx · üx
φ= arc tan =±2 =£. (4)
φ= arc tan =±2 =£. (4)
KTy · üy
bestimmt werden. Diese Beziehungen gehen von idealisierten Verhältnissen aus, die in der Praxis nicht gegeben
sind. Insbesondere treten folgende Fehlerquellen auf:
(a) Durch Montagetoleranzen fallen die Kreisel-Eingangsachsen χ und y nicht genau mit dem gehäusefesten Bezugssystem x„,yp,z„ zusammen, das der
\J K3 <J
QQ Signalverarbeitung zugrundegelegt wird. Diese
Fehler können durch Winkel a.. charakterisiert werden, wobei die Indizes i und j als Variable
für x,y und ζ bzw. x_,y ,z„ stehen und i eine
Eingangsachse und j eine Achse des Bezugssystems repräsentiert, α ist also z.B. die Verdrehung
der Eingangsachse χ um die Koordinatenachse y .
(b) Es können Beschleunigungen auf das System wirken. Diese können durch die Komponenten a ,a und a
in dem gehäusefesten Koordinatensystem x„,y-,fz„ dargestellt werden.
la la la
(c) Es kann eine Masseunwucht, dargestellt dunch einen
Masseunwucht-Koeffizienten m, auftreten.
(d) Es kann Anisoelastizität, dargestellt durch einen Anisoelastizitäts-Koeffizienten n, auftreten.
(e) Es liegt eine Masseanisotropie vor, da axiales und polares Trägheitsmoment des Kreiselrotors
nicht gleich sind. Diese wird durch einen Masseanisotropie-Koeffizienten
dargestellt:
(C-A) Γ 1 Ί H L o/h J
(f)■ Es kann unkompensierte, feste Kreiseldrift
B ,B j_o/hj um die x- bzw. y-Achse auftreten.
(g) Schließlich ist ein Quadratur-Koeffizient q zu
berücksichtigen.
Infolge dieser Fehler mißt der Kreisel durch seine Drehmomenterzeuger statt der Gleichungen (1) und (2)
die folgenden Signale:
Mx(1) (1)
Η" = Tx -Qy + ttyxßz - Vßx ~may
ay az +Ψ Ωζ Qy +By
M (1)
=2· = - T u;=Q +« Ω -α Ω -ma - σ a (6)
H y xxzyxyz x^y
+ η a .a + ^^ Ω Ω +Β
χζ H ζ χ χ
Die Messung der Nordabweichung ψ nach Gleichung (4) wird
daher durch die genannten Störeinflüsse verfälscht.
Die DE-AS 2 903 282 zeigt Möglichkeiten, bei einem Gerät der eingangs definierten Art die Verfälschung
der Messung durch Störeinflüsse wenigstens teilweise zu unterbinden.
Eine Lösung (Fig. 6 bis 8 der DE-AS 2 903 282), die insbesondere in den Fällen anwendbar ist, wo die
feste Kreiseldrift (B ) den dominierenden Störeinfluß
bringt, besteht darin, daß der Nordabweichungsrechner einen Speicher zum Speichern der beiden den Drehmomenterzeugern
zugeführten Signale enthält, daß der Kreisel
I^ nach dem Speichern dieser Signale durch einen Stellmechanismus
um 180 um eine mit der Kreiseldrallachse zusammenfallende vertikale Achse verdrehbar ist, daß
die dann den Drehmomenterzeugern zugeführten Signale
auf den Nordabweichungsrechner geschaltet sind, daß der Nordabweichungsrechner zur Bildung von Signalen
= (0) (180)
XX X
DTy . T (ie«.
eingerichtet ist, wobei
(0)
■ y » H
M (180) (180) = i
=
x H
x H
T
x H
x H
(180)
(180) M
= _y.
η
η
3U3527
(O) (180)
M und M die gespeicherten bzw. die
xx _.
nach der 180 -Drehung auf den einen Drehmomenterzeuger gegebenen Signale sind,
(0) (180)
M und M die gespeicherten bzw. die nach
M und M die gespeicherten bzw. die nach
der 180 -Drehung auf den anderen Drehmomenterzeuger
gegebenen Signale sind und
H der Drehimpuls des Kreisels
ist, und
daß der Nordabweichungsrechner weiterhin zur Bildung eines Signals
DTx Ψ = arc tan
- DT
n als Nordabweichungssignal eingerichtet ist.
Eine solche Anordnung gestattet die Eliminierung der Driften des Kreisels um seine beiden Eingangsachsen.
Durch Nichtlinearitäten der Drehmomentgeber sowie durch Temperatureffekte können Skalenfaktorfehler
auftreten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Gerät der eingangs definierten Art solche Skalenfaktorfehler
ebenfalls zu eliminieren.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß
(f) der Kreisel durch den Stellmechanismus um die vertikale Achse zusätzlich in eine 90°-Stellung
und in eine 27O°-Stellung verdrehbar ist und
(g) der Nordabweichungsrechner Speicher zum Speichern der jeweils zwei in der
180°-Steilung, der 90°-Stellung und der -Stellung den beiden Drehmomenterzeugern
zugeführten Signale enthält und
(h) die quotientenbildenden Mittel jeweils den Quotienten von Differenzen von Signalen
so bilden, daß
10
10
(h,|) jede Differenz von zwei Signalen gebildet
wird, die dem gleichen Drehmomenterzeuger bei zwei um 180 gegeneinander versetzten Stellungen des Kreisels
zugeführt wird,
(h~) die Signale, welche die im Zähler eines Quotienten stehende Differenz bilden,
dem gleichen Drehmomenterzeuger zugeführt werden, wie die Signale,
welche die im Nenner dieses Quotienten stehende Differenz bilden, und
(hj die Differenz im Zähler von Signalen
2^ gebildet wird, die Stellungen des
Kreisels zugeordnet sind, welche gegenüber den Stellungen des Kreisels, die
den die Differenz im Nenner bildenden Signalen zugeordnet sind, um 90 winkelversetzt
sind.
Dabei ist vorteilhaft, wenn
(i) durch die quotientenbildenden Mittel
ein erster Quotient gebildet wird, der
im Zähler eine Differenz von einem ersten
Drehmomenterzeuger zugeführten, der O°-Stellung und der 18O°-Stellung d
Kreisels zugeordneten Signalen und
(i„) im Nenner eine Differenz von dem ersten Drehmomenterzeuger zugeführten, der
9O°-Stellung und der 27O°-Stellung des
Kreisels zugeordneten Signalen enthält,
(j) ein zweiter Quotient gebildet wird, der
(J1) im Zähler eine Differenz von dem zweiten
Drehmomenterzeuger zugeführten,
der 90°-Stellung und der 27O°-Stellung des Kreisels zugeordneten Signalen
und
(j«) im Nenner eine Differenz von dem zweiten
Drehmomenterzeuger zugeführten, der O°-Stellung und der 18O°-Stellung
des Kreisels zugeordneten Signalen
enthält, und
25
25
(k) der Nordabweichungsrechner Mittel zur Bildung des arithmetischen Mittelwerts der
beiden Quotienten aufweist.
Es wird so ein Gerät erhalten, daß sich hinsichtlich der wesentlichen Fehlerursachen, nämlich Drift und
Skalenfaktorfehler automatisch kompensiert.
In weiterer Ausbildung der Erfindung kann vorgesehen werden, daß
(a) die quotientenbildenden Mittel gleichzeitig einen Quotienten von Differenzen und dessen
ν-**· 3H3527
Kehrwert bilden, wobei der eine Quotient dem Tangens des Azimutwinkels zwischen der einen Eingangsachse
und Nord und der andere Quotient dem Cotangens dieses Winkels entspricht und
(b) der Nordabweichungsrechner zur Bildung des
Arcustangens bzw. des Arcuscotangens dieser Größen eingerichtet ist, so daß zwei Werte
für den Azimutwinkel erzeugt werden, und
(c) der Nordabweichungsrechner weiterhin Mittel zur Bestimmung des Quadranten des Kurswinkels
sowie
(d) eine Auswahlschaltung (104) enthält,
(d..) auf welche die beiden aus dem Arcustangens
und aus dem Arcuscotangens gewonnenen Werte des Azimutsignals aufgeschaltet sind und
20
(d„) welche in Abhängigkeit vom Quadranten denjenigen
Wert ausgibt der aus dem Quotienten unter Berücksichtigung des Verlaufs der Arcustangens- bzw. der Arcuscotangensfunktion
mit optimaler Genauigkeit ableitbar ist.
Auf diese Weise wird erreicht, daß der Azimutwinkel mit optimaler Genauigkeit erhalten wird.
Ausführungsbeispiele %der Erfindung sind nachstehend
unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.
Fig. 1 ist eine schematisch-perspektivische Darstellung eines Kreisels zur
Bestimmung der Nordrichtung
3U3527
Fig. 2 ist eine schematisch-perspektivische Darstellung des Kreisels, der mit der
in Fig. 1 dargestellten Rahmenanordnung in einem äußeren Gehäuse sitzt, mit dem
Stellmechanismus in der 0 -Stellung.
Fig. 3 ist eine Darstellung des Kreisels
ähnlich Fig. 2 in der 9O°-Stellung.
Fig. 4 ist eine Darstellung des Kreisels
ähnlich Fig. 2 in der 18O°-Stellung
Fig. 5 ist eine Darstellung des Kreisels 15
ähnlich Fig. 2 in der 27O°-Steilung.
Fig. 6 ist ein Blockschaltbild des Nordabweichungsrechners.
Fig. 7 zeigt eine abgewandelte Ausführung des ^O Nordabweichungsrechners.
In Fig. 1 ist mit 20 das Gehäuse eines Kreisels bezeichnet, dessen Drallachse ζ vertikal angeordnet ist.
Der Kreiseldrall ist mit H bezeichnet. Das Gehäuse 20 ist um eine mit χ bezeichnete erste Eingangsachse, die
zu der Drallachse ζ senkrecht ist, in einem inneren Kardanrahmen 22 gelagert. An dem Kardanrahmen 22 ist
ein Abgriff 24 angebracht, welcher auf eine Auslenkung des Gehäuses 20 um die zweite Eingangsachse Y
anspricht. Auf der gegenüberliegenden Seite ist an dem Kardanrahmen 22 ein Drehmomenterzeuger 26 angebracht,
durch den auf das Gehäuse 20 ein Drehmoment um die zweite Eingangsachse y ausübbar ist. Der innere
Kardanrahmen 22 ist um die erste Eingangsachse χ die
zu der zweiten Eingangsachse y senkrecht steht, in einem äußeren Kardanrahmen 28 gelagert. An dem äußeren
Kardanrahmen 28 ist ein Abgriff 30 angebracht, der
auf eine Auslenkung des inneren Kardanrahmens 22 gegenüber dem äußeren Kardanrahmen 28 um die erste Eingangsachse χ anspricht. Auf der gegenüberliegenden Seite
ist an dem äußeren Kardanrahmen 28 ein Drehmomenterzeuger 32 angebracht, durch den auf den inneren
Kardanrahmen 22 ein Drehmoment um die erste Eingangsachse χ ausübbar ist. Die Abgriffe 24 und 30 und die
Drehmomenterzeuger 26 und 32 sind überkreuz miteinander verbunden, d.h. der Abgriff 24 auf der Eingangsachse
y ist über einen frequenzabhängigen Verstärker 34 auf den Drehmomenterzeuger 32 auf der
Eingangsachse χ geschaltet, und der Abgriff 30 auf der Eingangsachse χ ist über einen frequenzabhängigen
Verstärker 36 auf den Drehmomenterzeuger 26 auf der Eingangsachse y geschaltet. Die Verstärkungsgrade
der Verstärker 34 und 36 sind so hoch gewählt, daß das Kreiselgehäuse 20 und die Kardanrahmen 22 und
praktisch elektrisch an die in Fig. 1 dargestellten relativen Lagen gefesselt sind.
Der äußere Kardanrahmen 28 bildet in der Praxis ein Gehäuse 40 (Fig. 2 bis 5). Das Gehäuse 40 ist um eine
mit der Drallachse ζ des Kreis-ils zusammenfallende
vertikale Achse z„ verdrehbar <relagert und durch
einen Stellmechanismus 42 in verschiedene Winkelstellungen verdrehbar. Der in Fig. 2 bis 5 schematisch
dargestellte Stellmechanismus 42 enthält einen Winkelgeber 44, der die Winkellage des Gehäuses 40 in
bezug auf eine Referenzrichtung liefert, eine
^O Positionierungselektronik 46 mit einem Stellungswählschalter
48, eine Nachführelektronik 50 und einen Stellmotor 52. Die Referenzrichtung wird von der
Xp-Achse eines gerätefesten Koordinatensystems xr,yG,z-,
gebildet. Der Kreisel definiert ein Koordinatensystem XfY/z, wobei die x-Achse, wie gesagt, die erste
Eingangsachse und die y-Achse die zweite Eingangsachse bildet, während die z-Achse mit der Drallachse des
Kreisels und bei allen Stellungen mit der zG~Achse
zusammenfällt. Der Stellmechanismus 42 verdreht das Gehäuse 40, d.h. den Rahmen 28 von Fig. 1 je
nach Stellung des Schalters 48 in vier verschiedenen Stellungen. In der in Fig. 1 und 2 dargestellten
O -Stellung fällt die x-Achse, d.h. die erste Eingangsachse
des Kreisels, mit der als Referenzrichtung dienenden xr-Achse des gerätefesten Koordinatensystems
zusammen. In der in Fig. 3 dargestellten 90°-Stellung zeigt die x-Achse des Kreisels in Richtung der y-,-Richtung
des gerätefesten Koordinatensystems. In der in Fig. 4 dargestellten 180°Stellung zeigt die x-Achse
in Richtung der negativen x^-Achse des gerätefesten Koordinatensystems. Der Kreisel mit den Rahmen 22 und
28, den Abgriffen 24 und 30 und den Drehmomenterzeugern 26 und 32 ist dann gegenüber der in Fig. 1
dargestellten Lage um 180 um die zG~Achse verdreht.
In der in Fig. 5 dargestellten 27O°-Stellung fällt schließlich die x-Achse des Kreisels in die Richtung
der negativen yr~Achee des gerätefesten Koordinatensystems.
Es würde dann der Abgriff 30 in Fig. 1 links vorn etwa an der Stelle des Drehmomenterzeugers 26
sitzen. Durch die Verdrehung ändert sich auch die Lage der Eingangsachsen χ und y des Kreisels zur
Nordrichtung und damit zur Horizontalkomponente der Erddrehgeschwind igkeit.
Der in Fig. 6 dargestellte Nordabweichungsrechner weist Speicher für die in den verschiedenen Stellungen den
Drehmomenterzeugern zugeführten Signale (vorzugsweise mit dem Faktor 1/H) auf. Speicher 54 und 56 speichern
die Signale T bzw. T , die dem Drehmomenterzeuger xx
32 auf der ersten Eingangsachse χ in der 0 -Stellung bzw. der 180°-Stellung zur elektrischen Fesselung
des Kreisels an seine dargestellte Lage durch den Abgriff 24 über den hochverstärkenden Verstärker 34
zugeführt werden. Speicher 58 und 60 speichern (mit
QO 1 RO
negativem Vorzeichen) die Signale-T bzw. -T , die dem Drehmomenterzeuger 26 auf der zweiten Eingangsachse y in der 0°-Steilung bzw. der 180°-Steilung zur
elektrischen Fesselung des Kreisels an seine dargestellte Lage durch den Abgriff 30 über den hochverstärkenden
Verstärker 26 zugeführt werden. Speicher 62 und 64 speichern die Signale T bzw. T , die
dem Drehmomenterzeuger 32 auf der ersten Eingangsachse χ in der 90°-Stellung bzw. der 27O°-Stellung
zugeführt werden. Speicher 66 und 68 speichern mit negativem Vorzeichen die Signale -T bzw. T , die
dem Drehmomenterzeuger 26 auf der zweiten Eingangsachse y in der 90°-Stellung bzw. der 27O°-Stellung
zugeführt werden.
Der Kreisel wird durch den'Stellmechanismus 42 nacheinander
in die verschiedenen in Fig. 2 bis 5 dargestellten Stellungen gebracht. Die dabei den Drehmomenterzeugern
26 und 32 zugeführten Signale werden in den Speichern 54 bis 68 abgespeichert. Diese
Signale werden wie folgt verarbeitet.
In einem Summerpunkt 70 wird die Differenz des im Speicher 54 gespeicherten Signals T und des im
"i 8O Speicher 56 gespeicherten Signals T gebildet. ·
Es entsteht ein Differenzsignal.
(7) DT = T ° - T 18° .
x x x
x x x
In einem Summierpunkt72 wird die Differenz des im
Speicher 58 gespeicherten Signals - T ° und des im
1 80 Speicher 60 gespeicherten Signals - T gebildet.
Es entsteht ein Differenzsignal. 35
(8) DTy = Ty 180 - Ty° .
In einem Summierpunkt 74 wird die Differenz des im
90 Speicher 62 gespeicherten Signals T und des im
270
entsteht ein Differenzsignal
5
(9) dT = T 90 - T 18° .
V ' X X X
In einem Summierpunkt 76 wird die Differenz des im Speicher 68 gespeicherten Signals - T und des
y go
im Speicher 66 gespeicherten Signals - T gebildet. Es entsteht ein Differenzsignal
do) - äTy = t/° _ Ty
Der Nordabweichungsrechner von Fig. 6 enthält weiterhin quotientenbildende Mittel 78 mit einem Quotientenbildner
80, einem Quotientenbildner 82, einem Quotientenbildner 86. Der Quotientenbildner 80 bildet
den Quotienten
20
20
DTx ·
dTx
der Differenzsignale von den Summierpunkten 70 und 74,
Der Quotientenbildner 82 bildet den Quotienten
DT
-dTy .
der Differenzsignale von den Summierpunkten 72 und 76.
Der Quotientenbildner 84 bildet den Quotienten
dT
der Differenzsignale von den Summierpunkten 74 und 70,
d.h. den Kehrwert des vom Quotientenbildner 80 gebildeten
Quotienten. Der Quotientenbildner 86 bildet den Quotienten
- dT
DT
DT
^q der Differenzsginale von den Summierpunkten 76 und 72,
d.h. den Kehrwert des vom Quotientenbildner 82 gebildeten Quotienten.
Es läßt sich zeigen, daß die von den Quotientenbildnern 80 und 86 gelieferten Signale jeweils ein Maß für tan Ψ/
den Tangens des Azimut- oder Nordabweichungswinkels darstellen. Dementsprechend liefern die Quotientenbildner
82 und 84 jeweils cot Ψ , den Cotangens dieses Winkels.
Es sind Mittel 88 zur Bildung der arithmetischen Mittelwerte der tan Φ - bzw. der cot ψ - Signale
vorgesehen.
Diese Mittel 88 enthalten einen Summierpunkt 90, in dem die beiden Werte für tan Ψ von den Quotientenbildnern
und 86 addiert werden, und Mittel 92 zur Division der erhaltenen Summe durch zwei. Es ergibt sich ein Mittelwertsignal
tan Ψ . Die Mittel 88 enthalten weiterhin einen Summierpunkt 94 > in dem die beiden Werte für cot Ψ
von den Quotientenbildnern 82 und 84 addiert werden, und Mittel 96 zur Division der erhaltenen Summe durch
zwei. Es ergibt sich ein Mittelwertsignal cot Ψ .
Der Nordabweichungsrechner enthält weiterhin Mittel 98 zur Bildung der Arcustangens- bzw. der Arcuscotangensfunktion
der Mittelwertsignale tan Ψ bzw. cot Φ von
den mittelwertbildenden Mitteln 88. Diese Mittel können Arcustangens- und Arcuscotangens-Funktionsgeneratoren
100 bzw. 102 sein. Diese Funktionsgeneratoren 100 und 102 liefern je ein Signal Φ(tan) und
Ψ(cot), das den Azimutwinkel ψ darstellt, der entweder
aus dem Tangens oder aus dem Cotangens erhalten wurde.
Je nach dem Betrag des Winkels kann dieser besser und genauer aus dem Tangens oder aus dem Cotangens
abgeleitet werden. Aus diesem Grund enthält der Nordabweichungsrechner eine Auswerterschaltung 104,
auf welche die beiden aus dem Arcustangens un^ aus dem Arcuscotangens gewonnene" Werte φ(tan) und φ(cot)
des Azimutsignals aufgeschaltet sind. Die Auswerterschaltung
104 gibt in Abhängigkeit vom Quadranten denjenigen Wert Φ aus, der aus dem Quotienten oder Mittelwert
von Quotienten unter Berücksichtigung des Verlaufs der Arcustangens- bzw. der Arcuscotangensfunktion mit
optimaler Genauigkeit ableitbar ist.
Man erkennt, daß die quotientenbildenden Mittel 78 jeweils Quotienten von Differenzen von Signalen bilden.
Jede Differenz wird von zwei Signalen gebildet, die dem gleichen Drehmomenterzeuger 26 oder 32 bei zwei um
gegeneinander versetzten Stellungen des Kreisels zugeführt wird. Es ist DT = T ° - T 18° , d.h. die
X X X
Differenz von Signalen, die beide dem Drehmomenterzeuger 32 in der 0 -Stellung und in der 180 -Stellung
zugeführt werden, und dT = T - T ,d.h. die Differenz von Signalen, die beide ebenfalls dem Drehmomenterzeuger
32 in der 90 -Stellung und der dazu um 180 versetzten 270 -Stellung zugeführt werden.
Die Signale, welche die im Zähler eines Quotienten stehende Differenz bilden, im vorliegenden Beispiel
T und T , werden dem gleichen Drehmomenterzeuger, nämlich 32, zugeführt wie die Signale T und T 27° ,
X X
welche die im Nenner dieses Quotienten stehende Differenz bilden. Schließlich wird die Differenz DT im
Zähler von Signalen T ° und T gebildet, die Stellungen des Kreisels, nämlich der O -Stellung und
der 18O°-Stellung zugeordnet sind, welche gegenüber
den Stellungen des Kreisels, nämlich der 90 -Stellung
und der 27O°-Stellung, die den die Differenz dT im
90 270 Nenner bildenden Signalen T„r und T zugeordnet
·Λ· Χ
sind, um 90 winkelversetzt sind. 10
Das kann leicht auch für die anderen Quotienten verifiziert werden.
Man erkennt ferner, daß durch die quotientenbildenden -
Mittel 78 für den Tangens wie für den Cotangens jeweils
DT
ein erster Quotient, z.B. χ gebildet wird, der im
ein erster Quotient, z.B. χ gebildet wird, der im
dTx
Zähler eine Differenz DT von einem ersten Drehmoment-
Zähler eine Differenz DT von einem ersten Drehmoment-
Ji
erzeuger 32 zugeführten, der 0 -Stellung und der
180 -Stellung des Kreisels zugeordneten Signalen T
18O X
bzw. T und im Nenner eine Differenz dT von
X 9O 270 X
Signalen Z und T enthält, die dem ersten
Ji.
Ji
Drehmomenterzeuger 32 zugeführt werden und der 90°-Stellung bzw. der 27O°-Stel] ung zugeordnet sind. Ein
zweiter Quotient γ enthält im Zähler eine Differenz
DT
dT von dem zweiten Drehmomenterzeuger 26 zugeführten Signalen - T und T , die de·»- 90°-Stellung bzw.
ο
der 270 -Stellung des Kreisels zugeordnet sind, und
der 270 -Stellung des Kreisels zugeordnet sind, und
im Nenner eine Differenz DT von dem zweiten Drehmomenterzeuger
26 zugeführten Signalen - T und T ,
ο ο
die der 0 -Stellung bzw. der 180 -Stellung des
Kreisels zugeordnet sind.
Von den so erhaltenen Quotienten wird der arithmetische Mittelwert gebildet.
Die Bestimmung der Nordabweichung mit einem Gerät der vorliegenden Art beruht darauf, daß die Komponenten
der Erddrehgeschwindigkeit um die beiden zueinander senkrechten Eingangsachsen χ und y des Kreisels
bestimmt und zueinander ins Verhältnis gesetzt werden. Wenn Skalenfaktorfehler auftreten, d.h. das Verhältnis
von Signal zu Komponente der .Erddrehgeschwindigkeit für die eine Eingangsachse anders ist als für die
andere, dann geht dieser Skalenfaktorfehler in den Tangens des Nordablagewinkels ein. Bei der beschriebenen
Anordnung wird jeder Quotient jeweils aus Meßsignalen gebildet, die mit dem gleichen Drehmomenterzeuger
gewonnen wurden. Skalenfaktorfehler werden dadurch eliminiert.
Es wird somit ein Gerät geschaffen, bei dem sowohl Driften des Kreisels als auch Skalenfaktorfehler
keinen Einfluß auf das Meßergebnis haben.
Bei der Auführungsform nach Fig. 7 ist der Kreisel
nur in die 0 -Stellung und in die 180 -Stellung verdrehbar.
Es sind vier Speicher 110, 112, 114 und 116 vorgesehen. In den Speichern 110 und 112 werden die
dem Drehmomenterzeuger 32 in der 0 -Stellung bzw. der
180°-Stellung zugeführten Signale T ° bzw. T 18°
gespeichert. In den Speichern 114 und 116 werden die
dem Drehmomenterzeuger 26" in der 0 -Stellung und in der 180°-Stellung zugeführten Signale τΤ ° bzw. - T
gespeichert.
30
30
In einem Summierpunkt 118 wird die Differenz des im
Speicher 112 gespeicherten Signals und des im Speicher
110 gespeicherten Signals als erstes Differenzsignal
3H3527
gebildet. In einem zweiten Summierpunkt 120 wird die
Differenz des in dem Speicher 114 gespeicherten
Signals und des im Speicher 116 gespeicherten Signals als zweites Differenzsignal
gebildet.
10
10
Ein Quotientenbildner 122 bildet den Quotienten des ersten und des zweiten Differenzsignals
- DT
χ
χ
DT
Υ
Υ
Dieser entspricht tan Φ, dem Tangens des Azimut- oder
Nordabweichungswinkels. Ein Arcustangens-Funktionsgenerator 124 liefert daraus einen Wert ψ(tan) für den
aus dem Tangens gewonnen Azimut- oder Nordabweichungswinkel .
Ein Quotientenbildner 126 bildet den Quotienten des
zweiten und des ersten Differenzsignals 25
DT
- DTx '
- DTx '
Das ist der Kehrwert des vom Quotientenbildner 122 gebildeten Quotienten und entspricht cot ψ, dem
Cotangens des Azimut- oder Nordabweichungswinkels. Ein Arcuscotangens-Funktionsgenerator 128 liefert daraus
einen Wert φ(cot) für den aus dem Cotangens gewonnen Azimut- oder Nordabweichungswinkel.
35
Die beiden Werte ψ(tan) und ψ(cot) werden auf eine
Auswahlschaltung 130 gegeben, welche in Abhängigkeit
3U3527
vom Quadranten dasjenige Azimutwinkelsignal an einem
Ausgang .132 ausgibt, das nach dem Verlauf der Tangens- bzw. Cotangensfunktion aus den Verhältnissen
- DTx DT Öt" bZW· - DT
γ χ
mit optimaler Genauigkeit darstellbar ist. 10
Claims (4)
- 3U3527PatentansprücheGerät zur automatischen Bestimmung der Nordrichtung mittels eines von der Erddrehung beeinflußten Kreisels, bei welchem(a) der Kreisel ein zweiachsiger Kreisel ist, dessen Drallachse (z) im wesentlichenvertikal ist, 15Xb) an den beiden zueinander senkrechten Eingangsachsen (x,y) des Kreisels je ein Lageabgriff (30,24) und ein Drehmomenterzeuger (32,26)vorgesehen sind, 20(c) das Signal jedes einer Eingangsachse (x,y) zugeordneten Lageabgriffs (30,24) zur elektrischen Fesselung des Kreisels mit seiner Drallachse (z) an die Vertikaleüberkreuz auf den Drehmomenterzeuger (26,32) der jeweils anderen Eingangsachse (y,x) geschaltet ist,(d) der Kreisel durch einen Stellmechanismus (42) aus einer Ausgangsstellung (0 -Stellung) um eine mit der Drallachse (z) zusammenfallende, vertikale Achs lung verdrehbar ist undaus einer Ausgangsstellung (0 -Stellung)nerfallende, vertikale Achse (z_) um 180 -Stelle(e) ein Nordabweichungsrechner (Fig. 6) vorgesehen ist, der3U3527Speicher (54,58) zum Speichern der beiden in der O -Stellung den Drehmome erzeugern zugeführten Signale enthält,(e2) differenzbildende Mittel zur Bildungvon Signalen, die in verschiedenen von dem Stellmechanismus (42) bestimmten
Stellungen' des Kreisels dem einen bzw. dem anderen Drehmomenterzeuger (26,32) zugeführt werden, und(e_) quotientenbildende Mittel zur Bildung
des Quotienten solcher Differenzen zur Bildung einer Winkelfunktion desAzimutwinkels zwischen einer Eingangsachse des Kreisels und Nord,dadurch gekennzeichnet, daß
(f) der Kreisel durch den Stellmechanismus (42)um die vertikale Achse (z_) zusätzlich in
eine 9O°-Stellung
verdrehbar ist undeine 9O°-Stellung und in eine 27O°-Stellung(g) der No::dabweichungsrechner Speicher (54 bis68) zum Speichern der jeweils zwei in der
18O°-S-:ellung, der 90°-Stellung und der
270 -Stellung den beiden Drehmomenterzeugernzugeführten Signale enthält und
30(h) die quotientenbildenden Mittel (78) jeweils den Quotienten von Differenzen von Signalen so bilden, daß(h^) jade Differenz von zwei Signalen gebildet wird, die dem gleichen Drehmomenterzeuger (26,32) bei zwei um 180° gegeneinander3K3527versetzten Stellungen des Kreiselszugeführt wird,(h~) die Signale, welche die im Zähler eines Quotienten stehende Differenz bilden,dem gleichen Drehmomenterzeuger (26,32) zugeführt werden, wie die Signale, welche die im Nenner dieses Quotienten stehende Differenz bilden, und 10(h~) die Differenz im Zähler von Signalen gebildet wird, die Stellungen des Kreisels zugeordnet sind, welche gegenüber den Stellungen des Kreisels, die den die Differenz im Nenner bildenden Signalen zugeordnet sind, um 90 winkelversetzt sind. - 2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß 20(i) durch die quotientenbildenden Mittel (78) ein erster Quotient gebildet wird, der(I1) im Zähler eine Differenz von einem ersten Drehmomenterzeuger (z.B. 32) zugeführten, der 0 -Stellung und der 180°-Stellung des Kreisels zugeordneten Signalen und(i„) im Nenner eine Differenz von dem erstenDrehmomenterzeuger (32) zugeführten, der 90°-Stellung und der 27O°-Stellungdes Kreisels zugeordneten Signalen enthält,(j) ein zweiter Quotient gebildet wird, der■Ί) im Zähler eine Differenz von dem zweiten Drehmomenterzeuger (26) zugeführten, der 90°-Stellung und der 27O°-Stellung des Kreisels zugeordneten Signalen und(j„) im Nenner eine Differenz von dem zweiten Drehmomenterzeuger (26) zugeführten, der O°-Stellung und der 180°-Stellung des Kreisels zugeordneten Signalen enthält, und(k) der Nordabweichungsrechner Mittel (88) zurBildung des arithmetischen Mittelwerts der beiden Quotienten aufweist.
- 3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich-net, daß(a) die quotientenbildenden Mittel (78) gleichzeitig einen Quotienten von Differenzen unddessen Kehrwert bilden, wobei der eine 25Quotient dem Tangens des Azimutwinkelszwischen der einen Eingangsachse und Nord und der andere Quotient dem Cotangens dieses Winkels entspricht und(b) der Nordabweichungsrechner zur Bildung desArcustangens bzw. des Arcuscotangens dieser Größen eingerichtet ist, so daß zwei Werte für den Azimutwinkel erzeugt werden, und(c) der Nordabweichungsrechner weiterhin Mittelzur Bestimmung des Quadranten des Kurswinkels sowie(d) eine Auswahlschaltung (104) enthält,(cL) auf welche die beiden aus dem Arcustangens und aus dem Arcuscotangens gewonnenen Werte des Azimutsignals aufgeschaltet sind und(d~) welche in Abhängigkeit vom Quadranten denjenigen Wert ausgibt der aus dem Quotienten unter Berücksichtigung des Verlaufs der Arcustangens- bzw. der Arcuscotangensfunktion mit optimaler Genauigkeit ableitbar ist.
- 4. Gerät zur automatischen Bestimmung der Nordrichtung mittels eines von der Erddrehung beeinflußten Kreisels, bei welchem der Kreisel ein zweiachsiger Kreisel ist, dessen Drallachse im wesentlichenvertikal ist, bei welchem die Lage des Kreisels 20durch Lageabgriffe abgegriffen wird und mittels eines Drehmomenterzeugers Stützmomente auf den Kreisel ausübbar sind, durch welche die Drallachse des Kreisels vertikal gehalten wird, bei welchem an zwei zueinander senkrechten Eingangsachsen desKreisels je ein Lageabgriff und ein Drehmomenterzeuger vorgesehen sind, bei welchem weiterhin das Signal jedes einer Eingangsachse zugeordneten Lageabgriffs zur elektrischen Fesselung des Kreisels mit seiner Drallachse an die Vertikale überkreuz auf den Drehmomenterzeuger der jeweils anderen Eingangsachse geschaltet ist, bei welchem die den beiden Drehmomenterzeugern zugeführten Signale gleichzeitig auf einen Nordabweichungs-_,. rechner geschaltet sind, welcher aus dem Verhältnis der Signale ein die Abweichung einer gerätefesten» φ —Referenzrichtung von Nord wiedergebenes Signal
liefert, bei welchem ferner der Nordabweichungsrechner einen Speicher zum Speichern der beiden
den Drehmomenterzeugern zugeführten Signale enthält, bei welchem weiterhin der Kreisel nach dem Speichern dieser Signale durch einen Stellmechanismus um 180° um eine mit der Kreiseldrallachse
zusammenfallende vertikale Achse verdrehbar ist
und bei welchem die dann den Drehmomenterzeugern zugeführten Signale auf den Nordabweichungsrechner geschaltet sind und der Nordabweichungsrechner zur Bildung von SignalenDTx = Tx(0)- T(180)- T(180)(0)eingerichtet ist, wobei(180) _M H(0) _ Mx(O)(180)(0)(180)M H(180)M (0) und M <180)X Xdie gespeicherten bzw. die nach der 180 -Drehung auf den einen Drehmomenterzeuger gegebenen Signale sind,3H3527M und M die gespeicherten bzw. die nachder 180°-Drehung auf den anderen Drehmomenterzeuger gegebenen Signale sind undH der Drehimpuls des Kreisels istbei welchem schließlich der Nordabweichungsrechner weiterhin zur Bildung eines Signalsψ = arc tan _ =r=—
■ Υals Nordabweichungssignal eingerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Nordabweichungsrechner 15(a) zusätzlich zur Bildung eines AzimutwinkelsignalsDTΦ = arc ct<3 - DT^"
χeingerichtet ist und(b) Mittel zur Bestimmung des Quadranten des Kurswinkels aus der Tangens- und der Cotangensfunktionsowie
25(c) eine Auswahlschaltung (130) enthält,(C1) auf welche die beiden aus dem Arcustangens und aus dem Arcuscotangens gewonnenen Werte des Azimutwinkelsignals aufgeschaltet sind und(C2) welche in Abhängigkeit vom Quadranten dasjenige Azimutwinkelsignal an einem Ausgang (132) ausgibt, das nach dem Verlauf derTangens- bzw. Cotangensfunktion aus den Ver--DT DT hältnissen ^=- bzw. ,^ mit optimalery χGenauigkeit darstellbar ist.
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