DE3143527C2

DE3143527C2 - Gerät zur automatischen Bestimmung der Nordrichtung

Info

Publication number: DE3143527C2
Application number: DE3143527A
Authority: DE
Inventors: Uwe 7770 Überlingen Krogmann
Original assignee: Bodenseewerk Geratetechnik GmbH
Current assignee: Bodenseewerk Geratetechnik GmbH
Priority date: 1981-11-03
Filing date: 1981-11-03
Publication date: 1984-09-20
Also published as: GB2150291B; GB8500611D0; US4461089A; GB2150291A; GB2108724A; FR2515813A1; DE3143527A1; FR2515813B1; GB2108724B

Abstract

Mittels eines zweiachsigen, elektrisch gefesselten Kreisels mit vertikaler Drallachse wird die Nordrichtung aus dem Verhältnis der horizontalen Komponenten der Erddrehgeschwindigkeit bestimmt. Der Kreisel ist um eine vertikale Achse in 0 °-, 90 °-, 180 °- und 270 °-Stellungen verdrehbar. Die erhaltenen Signale werden gespeichert. Eine mit verschiedenen Differenzen dieser Signale und Verhältnisse solcher Differenzen arbeitende Signalauswerterschaltung liefert die Nordabweichung unbeeinflußt von Kreiseldrift und Skalenfaktorfehler.

Description

eingerichtet ist. wobei

W(Oi A/"¹"" Λ/"" ,t/"^S("

7"<0) _"'\ jil K(Il _ ^lny T-(CIl _ '"λ -ρ I K(II '"y

¹ ~ /Γ ^l - // ^Λ ~ H ' H

M"" und Mj'⁸'" die gespeicherten bzw. die nach der 180 -Drehung auf den einen Drehmomenterzeuger gegebenen Signale sind.

J^UI und AiJ'""¹ die gespeicherten bzw. die nach der 180 -Drehung auf den anderen Drehmomenterzeuger gegebenen Signale sind und

H der Drehimpuls des Kreisels ist

w bei welchem schließlich der Nordabweiehungsrvehner weiterhin zur Bildung eines Signals

/) /;
ι//= arc lan-^₇.

als Nordabweichungssignal eingerichtet ist. dadurch gekennzeichnet, daß der Nordabweichungsrechner
(a) zusätzlich zur Bildung eines A/imuiwinkelsignals
D T_r

eingerichtet ist und

(b) Mittel zur Bestimmung des Quadranten des Kurswinkels aus der Tangens- und der Cotangensfunktion ■»?

sowie
(C) eine Auswahlschaltung (130) cnihäU.

(C₁) au^r welche die beiden aus dem Arcustangcns und aus dein Arcuscotangens gewonnenen Werte des Azimutwinkelsignals aufgeschultei sind und

(C₂) welche in Abhängigkeil vom Quadranten dasjenige Azimutwinkelsignal an einem Ausgang (132) >i>

ausgibt, das nachdem Verlauf der Tangens-bzw. Cotangensfunktion aus den Verhältnissen ^A bzw. L. mil optimaler Genauigkeit darstellbar ist.

Die Erfindung betrifft ein Gerät /ur automalischen Bestimmung der Nordrichlung mittels eines von der Erddre- wi lung beeinflußten Kreisels, bei welchem

,0 der Kreisel ein zweiachsiger Kreisel ist. (.lessen Drallachse im wesentlichen vertikal ist.

b) an den beiden zueinander senkrechten Eingangsachsen des Kreisels je ein Lageabgriff und ein Drehmomenterzeuger vorgesehen sind. <,>

O das Signal jedes einer Eingangsachse zugeordneten LageabgrilTs zur elektrischen Fesselung des Kreisels mil seiner Drallachse an die Vertikale überkreuz auf den Drehmomenterzeuger der jeweils anderen Eingangsachse geschähet ist.

(d) der Kreisel durch einen Siel !mechanism us aus einer Ausgangsstellung (O -Stellung) und eine mit der Drallachse

zusammenfallende, vertikale Achse um ISO in eine ISO -Stellung verdrehbar ist und (e! ein Nordabweichungsrechner vorgesehen ist. der

(e,) Speicher zum Speichern der beiden in der 0 -Stellung den Drehmomenterzeuger!! zugeführten Signale > enthält.

(C₂) differenzbildende Mittel zur Bildung von Signalen, die in verschiedenen von dem Siellmechanismus bestimmten Stellungendes K reiseis dem einen bzw. dem anderen Drehmomenterzeuger zugeführt werden, und

(e,) quotienienbildende Mittel zur Bildung des Quotienten solcher Differenzen zur Bildung einer Winkelfunk-K) lion des Azimuiwinkels zwischen einer Eingangsachse des Kreisels und Nord.

Die DEi-PS 2741 274 geht davon aus. duU die auf die Drehmomenierzeuger gegebenen, den Kreisel fesselnden Signale C₁ und C₁. mit den Komponenten ίί, und Ω_χ der Erddrehgesehwindigkeit bezogen auf die horizontalen Eingangsachsen ν und r des Kreisels nach folgenden Beziehungen zusammenhängen

C₁. -Κ,, Μ

Af₁. das Drehmoment ist. das an dem um die v-Achse wirksamen Drehmomenterzeuger auftritt. :5 Λ/, das Drehmoment, das an dem um die r-Achse wirksamen Drehmomenterzeuger auftritt, und H der Drehimpuls des Kreisels ist.

Aus dem Verhältnis

J(I λ',, ■ f ', _ß, y

λ-h ' ' ι ^i

kann die Noidabweiehting nach

Φ = arc tan .'' ^v (4)

Λ,, · C₁.

bestimmt werden. Diese Beziehungen gehen von idealisierten Verhältnissen aus. die in der Praxis nicht gegeben sind. Insbesondere treten folgende Fehlerquellen auf:

(a) Durch Montageioleranzen fallen die Kreisel-Eingangsachscn ν und r nicht genau mit dem gehäusefesten Bezugssystem v,,. r,,. ;,, zusammen, das der Signalverarbeitung zugrundegclcgt wird. Diese Fehler können durch Winkel i^ charakterisiert werden, wobei die Indizes / und / als Variable für .v. y und ζ bzw. .v,,, y_u. r₍, stehen und / eine Eingangsachse und / eine Achse des Bezugssystems repräsentiert. ä_v}. ist also z.B. die Verdrehung der Eingangsachse .v um die Koordinatenachse r,,.

(b) Es können Beschleunigungen auf das System wirken. Diese können durch die Komponenten a_v, a_y und a. in dem gehäusefesten Koordinatensystem v,,. y,,. z,, dargestellt werden.

(c) Es kann eine Masseunwucht, dargestellt durch einen Masseunwuchl-Koeffizienien />/. auftreten.

(d) Es kann Anisoelastizität. dargestellt durch einen Anisoclastizitäis-Kocffizienien n. auftreten.

(e) Es liegt eine Masseanisotropie vor. da axiales und polares Trägheitsmoment des Kreiselrotors nicht gleich sind. Dicsp wird durch einen MMSseMnisntronie-Koeffizicnten dnrgestHIl:

(C--.4) Γ 1
^ H \j);h

(S) Es kann unkompensiertc, feste Kreiseldrift B_x. B_x [«//;] um die v- bzw. r-Achse auftreten, (g) Schließlich ist ein Quadratur-Koeffizient q zu berücksichtigen.

^Nl Infolge dieser Fehler mißt der Kreisel durch seine Drehmomenterzeuger statt der Gleichungen (1) und (2) die folgenden Signale:

--" ■ = Τί"=Ω_ν-¥ΐ_ν.Ω.-χ_ν.Ω. — ιηα_χ + ιια_χ + na.ii.+ „ Ω.Ω..+ Β.. (5)

u. + ^C ..Ω.Ω^ + Β,. (6)

Die Messung der Nordabweichung ψ nach Gleichung (4) wird daher durch die genannten Siöreinflüssc verfälscht.

Die DE-AS 2903 282 zeigt Möglichkeiten, bei einem Gerät der eingangs definierten Art die Verfälschung der Messung durch Störcinllüsse wenigstens teilweise zu unterbinden.

Eine Lösung (Fig. 6 bis 8 der DE-AS 2903282), die insbesondere in den Fällen anwendbar ist. wo die feste Kreiseldrift (fi_}.) den dominierenden Störeinfluß bringt, besteht darin, daß der Nordabweichungsrechner einen Speicher zum Speichern der beiden den Drehmomenterzeugern zugeführten Signale enthält, daß der Kreisel nach dem Speichern dieser Signale durch einen Stellmechanismus um 180 um eine mit der Kreiseldrallachse zusammenfallende vertikale Achse verdrehbar ist, daß die dann den Drehmomenierzeugern zugeführten Signale auf den Nordabweichungsrechner geschallet sind, daß der Nordabweichungsrechner zur Bildung von Signalen

DT = 7"'°' — 7""⁸⁰¹
η τ — τ¹¹⁸⁰¹ _ τ'"¹

UIy-Iy l_y

eingerichtet ist, wobei is

.Y(IBdI 2,)

T-(IKOI _ '")■

T-(IHOl _'"_y i.i

H ■ -ί

Λ/;'" und jV/J""" die gespeicherten bzw. die nach der 180 -Drehung auf den einen Drehmomenterzeuger gegebe- ,„ , ,-

nen Signale sind. is;

My^0} und M"⁸⁰' die gespeicherten bzw. die nach der 180 -Drehung auf den anderen Drehmomenterzeuger fi

gegebenen Signale sind und ;_:.

H der Drehimpuls des Kreisels ist. und ψ

daß der Nordabweichungsrechner weiterhin zur Bildung eines Signals _3? %

φ = arc tan- --_' ;i

als Nordabweichungssignal eingerichtet ist. 4n ·,':;

Eine solche Anordnung gesiaitet die Eliminierung der Driften des Kreisels um seine beiden Eingangsachsen. £

Durch Nichtlinearitälen der Drehmomentgeber sow ic durch Temperalurelfekte können Skalenfakiorfehler aufire- '(j,

^icn· I

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Gerät der eingangs definierten Art solche Skalenfakiorfehler W>

ebenfalls zu eliminieren. 4> j|

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 270 -Stellung verdrehbar ist und

(g) der Nordabweichungsrechncr Speicher zum Speichern der jeweils zwei in der 180 -Stellung, der 90 Stellung und der 270 -Stellung den beiden Drehmomenteryeugern zugeführten Signale enthält und >o

(h) die quotientenbildenden Mittel jeweils den Quotienten von Differenzen von Signalen so bilden, daß (h,) jede Differenz von zwei Signalen gc-büuci wird, die dem gleichen Drehmomenterzeuger bei zwei um 180 gegeneinander versetzten Stellungen des Kreisels zugeführt wird,

(h₂) 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

(h₃) 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.

Dabei ist vorteilhaft, wenn mi

(i) durch die quolientcnbildenden Mittel ein erster Quotient gebildet wird, der (i,) im Zähler eine Differenz von einem ersten Drehmomenterzeuger zugeführten. dcrO -Stellung und der

180'-Stellung des Kreisels zugeordneten Signalen und (i₂) im Nennereine Differenz von dem ersten Drehmomenterzeuger zugeluhrten, der 90 -Stellung und der 270 -Stellung des Kreisels zugeordneten Signalen enthält.

(j) ein zweiter Quotient gebildet wird, der

(J₁) im Zähler eine Differenz von dem zweiten Drehmomenterzeuger zugcfiihrien. der 90 -Stellung und der 270 -Stellung des Kreisels zugeordneten Signalen und

;■■,'.:	ι	ίΐ-'ί	(C)
	Υ'ν til	(d)

(J₂) im Nenner eine Differenz von dem /weilen Drehmomenterzeuger zugeführien. der 0 -Stellung und

der 18Ü -Stellung des Kreisels zugeordneten Signalen enthält, und (k) der Nordabweichungsrechner Mittel zur Bildung des arithmetischen Mittelwerts der beiden Quotienten aufweist.

Es wird so ein Gerät erhalten, daß sich hinsichtlich der wesentlichen Kehlerursachen, 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 Kehrwert bilden, wobei der eine Quotient dem Tangens des Azimulwinkels 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 Azimulwinkel erzeugt werden, und der Nordabweichungsrechner weiterhin Mittel zur Bestimmung des Quadranten des Kurswinkels sowie eine Auswahlschaltung (104) enthält.

(d,) aufweiche die beiden aus dem Arcustangens und aus dem Arcuscotangens gewonnenen Werte des

Azimutsignals aufgeschaltet sind und
i'j (d₂) welche in Abhängigkeit vom Quadranten denjenigen Wert ausgibt, der aus dem Quotienten unter

Ii Berücksichtigung des Verlaufs der Arcuslangens- bzw. der Arcuscotangcnsfunktion mit optimaler

H Genauigkeit ableitbar ist.

(': 3d 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

I; erläutert.

•i Fig. 1 ist eine schematisch-perspektivische Darstellung eines Kreisels zur Bestimmung der Nordrichtung.

<:'{ Fig. 2 ist eine schematisch-perspektivische Darstellung des Kreisels, der mit der in Fig. 1 dargestellten Rahmen-

'■■/': ^:5 anordnung in einem äußeren Gehäuse sitzt, mit dem Stellmechanismus in der 0 -Stellung.

':; Fig. 3 ist eine Darstellung des Kreisels ähnlich Fig. 2 in der 90 -Stellung.

Fig. 4 ist eine Darstellung des Kreisels ähnlich Fig. 2 in der 180 -Stellung. Fig. 5 ist eine Darstellung des Kreisels ähnlich Fig. 2 in der 270 -Stellung. Fig. 6 ist ein Blockschaltbild des Nordabweichungsrechners, w Fig. 7 zeigt eine abgewandelte Ausführung des Nordabweichungsrechners.

In Fig. 1 ist mit 20 das Gehäuse eines Kreisels bezeichnet, dessen Drallachse : vertikal angeordnet ist. Der ;:; Kreiseldrall ist mit H bezeichnet. Das Gehäuse 20 ist um eine mit ν bezeichnete erste Eingangsachse, die zu der

}t Drallachse ζ senkrecht ist. in einem inneren Kardanrahmen 22 gelagert. An dem Kardanrahmen 22 ist ein AbgritT24

ι angebracht, welcher auf eine Auslenkung des Gehäuses 20 um die zweite Eingangsachse Y anspricht. Auf der

^ιΓ 35 gegenüberliegenden Seite ist an dem Kardanrahmen 22 ein Drehmomenterzeuger 26 angebracht, durch den auf das

■ν Gehäuse 20 ein Drehmoment um die zweite Eingangsachse y ausübbar ist. Der innere Kardanrahmen 22 ist um die

;' erste Eingangsachse ν die zu der zweiten Eingangsachse ν senkrecht steht, in einem äußeren Kardanrahmen 28

j. ■, gelagert. An dem äußeren Kardanrahmen 28 ist ein Abgriff 30 angebracht, der auf eine Auslenkung des inneren

;-ä Kardanrahmens 22 gegenüber dem äußeren Kardanrahmen 28 um die erste Eingangsachse ν anspricht. Auf der

'iJ. -«ι gegenüberliegenden Seite ist an dem äußeren Kardanrahmen 28 ein Drehmomenterzeuger 32 angebracht, durch den

ψ auf den inneren Kardanrahmen 22 ein Drehmoment um die erste Eingangsachse ν ausübbar ist. Die Abgriffe 24 und

\j', 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

Eingangsachsc ν geschaltet, und der Abgriff 30 auf der Eingangsachse ν ist über einen frequenzabhängigen μ 45 Verstärker 36 auf dem 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 28 praktisch

h elektrisch an die in Fig. 1 dargestellten relativeil Lagen gefesselt sind.

iv Der äußere Kardanrahmen 28 bildet in der Praxis ein Gehäuse 40 (F i g. 2 bis 5). Das Gehäuse 40 ist um eine mit der

pi Drallachse r des Kreisels zusammenfallende vertikale Achse :,-, verdrehbar gelagert und durch einen Stellmechanis-

£r 50 mus42in verschiedene Winkelstellungen verdrehbar. Der in Fig. 2 bis 5 schcmatisch dargestellte Stellmechanismus

Si 42 enthält einen Winkelgeber 44, der die Winkellage des Gehäuses 40 in bezug auf eine Referenzrichtung liefert, eine

b Positionierungselektronik 46 mit einem StellungswählschaUer 48. eine Nachführelektrenik 50 und einen Stellmotor

H 52. Die Referenz ichtung wird von der .\<,-Achse eines gerätefesten Koordinatensystems v,,. r_(l. :_G gebildet. Der

β Kreisel definiert ein Koordinatensystem .v. y. r. wobei die .v-Achse, wie gesagt, die erste Eingangsachse und die v-

55 Achse die zweite Eingangsachse bildet, während die r-Achse mit der Drallachse des Kreisels und bei allen Stellungen mit der T₆-AcIiSe 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 0 Stellung fällt die .v-Achsc, d.h. die erste Eingangsachse des Kreisels, mit der als Referenzrichtung dienenden .\ν Achse des gerätefesten Koordinatensystems zusammen. Inderin Fig. 3 dargestellten 9CT-Stellung zeigt die .v-Achse «o des Kreisels in Richtung der ιν,-Richtung des gerätefesten Koordinatensystems. Inderin Fig. 4 dargestellten 18CT-Stellung zeigt die .v-Achse in Richtung der negativen .Vc-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 r₆-Achse verdreht. Inderin Fig. 5 dargestellten 270-Stellung fällt schließlich die .v-Achse des Kreisels in die Richtung der negativen jv.-Achsc des gerätefesten Koordinatensystems. Es M würde dann der Abgriff 30 in Fig. I links vorn etwa an der Stelle des Drehmomenterzeuger* 26 sitzen. Durch die Verdrehung ändert sich auch die Lage der Eingangsachsen .v und y des Kreisels zur Nordrichtung und damit zur Horizontalkomponcnlc der Erddrchgcschwindigkcil.
Der in Fig. 6 dargestellte Nordabwcichungsrechner weist Speicher für die in den verschiedenen Stellungen den

Drehmomenterzeugern zugefiihrten Signale (vorzugsweise mil dem Faktor I H) auf. Speicher 54 und 56 speichern die Signale 7"" bzw. T_x'*", die dem Drehmomenterzeuger 32 auf der ersten Eingangsachse ν in derO -Stellung bzw. der 180 -Stellung zur elektrischen Fesselung des Kreiseis an seine dargestellte Lage durch den Abgriff 24 über den hochverstärkenden Verstärker 34 zugeführt werden. Speicher 58 und 60 speichern (mit negativem Vorzeichen) die Signale - 7""bzw. - 7",'"". die dem Drehmomenterzeuger 26 auf der zweiten Eingangsachse y in der 0 -St ellung bzw. < der 180 -Stellung 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_x" bzw. T_x ¹'", die dem Drehmomenterzeuger 32 auf der ersten Eingangsaehse ν in der 90 -Stellung bzw. der 270 -Stellung zugeführt werden. Speicher 66 und 68 speichern mil negativem Vorzeichen die Signale - Γ,'"' bzw. Τ^^Ί". die dem Drehmomenterzeuger 26 auf der zweiten Hingangsachse r in der 90 -Stellung bzw. der 270 -Stellung zugeführt werden. it>

Der Kreisel wird durch den Siellmechanismus 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_x und des im Speicher 56 gespeicherten Signals 7","*" gebildet. Es entsteht ein Differenzsignal.

UT_x ='/;?- r,¹⁸". (7)

In einem Summierpunkt 72 wird die Differenz des im Speicher 58 gespeicherten Signals — T" und des im Speicher 60 gespeicherten Signals -7",!"" gebildet. Es entsieht ein Differenzsignal. ;o

DT₁ = T;*"-Tf. (8)

In einem Summierpunkt 74 wird die Differenz des im Speicher 62 gespeicherten Signals 7_V"" und des im Speicher 64 gespeicherten Signals 7\^;7" gebildet. Es entsieht ein Differenzsignal

JT_x = T?"-T_x ²'". (9)

In einem Summierpunki 76 wird die Difieren/ des im Speicher 68 gespeicherten Signals — T^" und des im Speieher 66 gespeicherten Signals -T₁''" gebildet. Es entsteht ein Differenzsignal 3d

-ilT_y=T?°-T;-~". (K))

Der Nordabweichungsrechner von Fig. 6 enthält weiterhin quolicnieiibildende Mittel 78 mit einem Quotientenbildner 80. einem Quotientenbildner 82. einem Quolientenbildner 86. Der Quotientenbildner 80 bildet denQuotien- 3>

der Differenzsignale von den Summierpunkten 70 und 74. Der Quotientenbildner 82 bildet den Quotienten _DT,

df,

der Differenzsignale von den Summierpunkien 72 und 76. Der Quotienienbildner 84 bildet den Quotienten

der Differenzsignale von den Summierpunkten 74 und 70. d.h. den Kehrwert des vom Quolientenbildner gebildeten Quotienten. Der Quotienienbildner 86 biidei den Quotienten

dT_v -DT₁

der Differenzsignale von den Summierpunkten 76 und 72. d.h. den Kehrwert des vom Quotientenbildner gebildeten Quotienten.

Es läßt sich zeigen, daß die von den Quoticntenbildnern 80 und 86 gelieferten Signale jeweils ein Maß für tan φ, den Tangens des Azimut- oder Nordabweichungswinkels darstellen. Dementsprechend liefern die Quotientenbildner und 84 jeweils cott//, den Cotangens dieses Winkels.

Es sind Mittel 88 zur Bildung der arithmetischen Mittelwerte der ιαηφ- bzw. der coti/z-Signale vorgesehen.

Diese Mittel 88 enthalten einen Summierpunkt 90. in dem die beiden Werte für tan ψ von den Quotientenbildnern 80 und 86 addiert werden, und Mittel 92 zur Division der erhaltenen Summe durch zwei. Es ergibt sich ein Mittelwertsignal tan ψ. Die M ittel 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 Mittclwertsignal cot φ.

Der Nordabweichungsrechner enthält weiterhin Mittel 98 zur Bildung der Arcustangens- bzw. der Arcuscotangensfunktion der Mittclwerlsig"ale lan φ bzw. coli/i von den mittelwertbildenden Mitteln 88. Diese Mittel 98 können Arcustangens- und Areuscotangens-Funklionsgeneratoren 100 bzw. 102 sein. Diese Funktionsgeneratoren 100 und 102 liefern je ein. Signal φ (tan) und φ (cot), das den Azimulwinkel φ darstellt, der entweder aus dem Tangens oder aus dem Cotangens erbalten 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 Auswerlerschaltung 104, auf _r

welche die beiden aus dem Arcustangens und aus dem Arcuscolangens gewonnenen Werte i//(tan) und i//(cot) des jf

Azimutsignals aufgeschaltet sind. Die Auswcrterschaltung 104 gibt in Abhängigkeit vom Quadranten denjenigen

ι« Wert φ aus, der aus dem Quotienten oder Mittelwert von Quotienten unter Berücksichtigung des Verlaufs der Arcustangens- bzw. der Arcuscotangcnsfunktion mit optimaler Genauigkeit ableitbar ist.

Man erkennt daß die quotienienbildendcn 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 180 gegeneinander versetzten Stellungen des Kreisels zugeführt wird. Es ist DT_x = T" — Τ'^Ά". d.h. die DhTerenz von Signalen, die beide dem Drehmomenterzeuger 32 in der 0 -Stellung und in der 180 -Stellung zugeführt werden, und JT_x = F_x ¹"' — Τ-^ηι\ 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_x und T_x ⁸". werden dem gleichen Drehmomenterzeuger, nämlich 32. zugeführt wie die Signale T_x " und JT²⁷⁰. welche die im Nenner dieses Quotienten stehende

:o Differenz bilden. Schließlich wird die Differenz D T_x im Zähler von Signalen T? und T_x ¹*" gebildet, die Stellungen des Kreisels, nämlich der 0 -Stellung und der 180 -Stellung zugeordnet sind, welche gegenüber den Stellungen des Kreisels, nämlich der 90 -Stellung und der 270 -Stellung, die den die Differenz JT_x im Nenner bildenden Signalen T_x" und T²⁷⁰ zugeordnet sind, um 90 winkelversclzt sind.
Das kann !eicht auch für die anderen Quotienten verifiziert wurden.

:? Man erkennt ferner, daß durch die quoticntenbildenden Miltel 78 für den Tangens wie für den Cotangens jeweils

ein erster Quotient, z. B. ^v gebildet wird, der im Zähler eine Differenz D T_x von einem ersten Drehmomenterzeuger 32 zugeführten, der 0 -Stellung und der 180 -Stellung des Kreisels zugeordneten Signalen T_x bzw. 7"_Λ'⁸⁰ und im Nenner eine Differenz JT_x von Signalen Z_x" und T_x ¹" enthält, die dem ersten Drehmomenterzeuger 32 zugeführt ,/7"

werden und der 90 -Stellung bzw. der 270 -Stellung zugeordnet sind. F.in zweiter Quotient - ' enthält im Zähler

eine Differenz dT_y von dem zweiten Drehmomenterzeuger 26 /ugcführicn Signalen - 7",'¹" und 7",^:i". die der 90 Stellung bzw. der 270 -Stellung des Kreisels zugeordnet sind, und im Nenner eine Differenz D T_x von dem zweiten Drehmomenterzeuger 26 zugeführten Signalen —T" und T'"". 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 .v und r des Kreisels bestimmt und zueinander ins Verhältnis gesetzt werden. Wenn Skulcnfaktorfchlcr auftreten, d.h. das Verhältnis von Signal zu Komponente der Erddrehgeschwindigkeit für die eine Hingangsachse anders ist als für die andere, dann geht dieser Skalenfaktorfehler in den Tangens des Nordablagcwinkels ein. Bei der beschriebenen Anordnung wird jeder Quotient jeweils aus Meßsignalen gebildet, die mit dem gleichen Drehmomenterzeuger gewonnen wurden. Skalenfaktorfehler weiden dadurch eliminiert.

Es wird somit ein Gerät geschalten, bei dem sowohl Driften des Kreisels als auch Skalenfaktorfehler keinen ^4:> Einfluß auf das Meßergebnis haben.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 7 ist der Kreisel nur indict) -Stellung und indie 180 -Stellung verdrehbar. Es sind vier Speicher UO. 112.114 und 116 vorgesehen. In den Speichern 110 und 112 werden die dem Drehmomenterzeuger 32 in der 0 -Stellung bzw. der 180 -Stellung zugeluhrien Signale T_x bzw. 7"_Λ""' gespeichert. In den Speichern 114 und 116 werden die dem Drehmomenlerzeuge^r 26 in der 0 -Stellung und in der 180 -Stellung zugeführten Signale - T° bzw. - Γ,!⁸" gespeichert.

In einem Summierpunkt 118 wird die Differenz des im Speicher 112 gespeicherten Signals und des im Speicher 110 gespeicherten Signals als erstes Diflcrcnzsignal

,, -DT_x = T""-T?

gebildet. In einem /weiten Suinmierpunkl 120 wird die Differenz des in dem Speicher 114 gespeicherten Signals und des im Speicher 116 gespeicherten Signals als zweites Dillercnzsignal

gebildet.

F.in Quoiientcnhildner 122 bildet den Quotienten des ersten und des /weiten DilTerenzsignals

dt

Dieser entspricht lan φ, dem Tangens des Azimut- oder Nordahweichungswinkels. hin Ar<;usiangens-Funklionsgeneraior 124 liefert daraus einen Wert φ (tan) für den aus dem Tangens gewonnenen Azimut- oder Nordabweichungswinkel.

Ein Quotientenbildncr 126 bildet den Quotienten des zweiten und des ersten Differen/signals

_DT_y DT/

Das ist der Kehrwert des vom Quolientcnbildner 122 gebildeten Quoiicnitn und entspricht cot φ. dem Cotangens des Azimut- oder Nordabwcichungswinkels. Hin Arcuscolangcns-I- unktionsgeneralor 128 liefert daraus einen Wert '" i//(cot) für den aus dem Cotangens gewonnenen Azimut- oder Nordabweichungswinkel.

Die beiden Werte ·/» (tan) und φ (cot) werden aufeine Auswahlschaltung 130 gegeben, welche in Abhängigkeit vom Quadranten dasjenige Azimutwinkelsignal an einem Ausgang 132 ausgibt, das nach dem Verlauf der Tangens- bzw. Cotangensfunktion aus den Verhältnissen

15 DT_x DT_x.

mit optimaler Genauigkeit darstellbar ist.

Hierzu S Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. 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 (.v, r) des Kreisels je ein LageabgrifT(30,24) und ein Drehmomenterzeuger (32, 26) vorgesehen sind,

(c) das Signal jedes einer Eingangsachsc (.v, >·) zugeordneten Lageabgriffs (30. 24) zur elektrischen Fesselung des Kreises mit seiner Drallachse [:) an die Vertikale überkreuz auf den Drehmomenterzeuger (26,32) der jeweils anderen Eingangsachse ( r. .v) geschaltet ist.

(d) der Kreisel durch einen Stellmechanismus (42) aus einer Ausgangsstellung (0 -Stellung) um eine mit der Drallachse (r) zusammenfallende, vertikale Achse (r<_;) um 180 -Stellung verdrehbar ist und

(e) ein Nordabweichungsrechner (Fig. 6) vorgesehen ist, der

υ (e,) Speicher (54.58) zum Speichern der beiden in der 0 -Stellung den Drehmomcnicrzeugern zugeführten

Signale enthält.

(e₂) differenzbildende Mittel zur Bildung von Signalen, die in verschiedenen von dem Stellmechanismus (42) bestimmten Stellungen des Kreises dem einen bzw. dem anderen Drehmomenterzeuger (26, 32) zugeführt werden, und

(e,) quotiemcnbildende Mittel zur Bildung des Quotienten solcher Differenzen zur Bildung einer Winkelfunktion des Azimutwinkels zwischen einer Eingangsachse des Kreisels und Nord, dadurch gekennzeichnet,

(f) der Kreisel durch den Stellmcchanismus (42) um die vertikale Achse [Z₁₁) zusätzlich in eine 90 -Stellung und in eine 270 -Stellung verdrehbar ist und

:5 (g) der Nordabweichungsrechncr Speicher (54 bis 68) zum Speichern der jeweils zwei in der 180 -Stellung, der -Stellung und der 270 -Stellung den beiden Drehmomenterzeugern zugcfühncn Signale enthält und (h) die quotientenbildcndcn Mittel (78) jeweils den Quotienten von Differenzen von Signalen so bilden, daß (h,) jede Differenz von zwei Signalen gebildet wird, die dem gleichen Drehmomenterzeuger (26.32) bei zwei um 180 gegeneinander versetzten Stellungen des Kreises zugeführt wird.

jo (h₂) die Signale, welche die im Zähler eines Quotienlcn stehende Differenz bilden, dem gleichen Drehmomenterzeuger (26, 32) zugeführt werden, wie die Signale, welche die im Nenner dieses Quotienten stehende Differenz bilden, und

(h,) die Differenz im Zähler von Signalen gebildet wird, die Siellungen des Kreisels zugeordnet sind, welche gegenüber den Stellungen des Kreisels, die den die Differenz im Nenner bildenden Signalen zugeordnet i> sind, um 90 winkelvcrsetzt sind.

2. Gerät nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß

(i) durch die quoticntenhildtnden Mittel (78) ein erster Quotient gebildet wird, der
(i,) im Zähler eine Differenz von einem eisten Drehmomenterzeuger)/. B. 32) /ugclülirien. derO -Stellung

und der 180 -Stellung des Kreisels zugeordneten Signalen und
(U) im Nennereine Differenz von dem ersten Drehmomenterzeuger(32) zugeführien. der 90 -Stellung und

der 270 -Stellung des Kreisels zugeordneten Signalen enthüll,
(j) ein zweiter Quotient gebildet wird, der
(j,) im Zähler eine Differenz von dem zweiten Drehmomenterzeuger (26) zugeführten, der 90 -Stellung und

der 270 -Stellung des Kreisels zugeordneten Signalen und
(J₂) im Nennereine Differenz von dem zweiten Drehmomenterzeuger^) zugeführten. der 0 -Stellung und der 180 -Stellung des Kreisels zugeordneten Signalen enthält, und

(k) der Nordabweichungsrechner Mittel (88) zur Bildung des arithmetischen Mittelwerts der beiden Quotienten 5Ii aufweist.

3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß

(a) die quotientenbildenden Mittel (78) gleichzeitig einen Quotienten von Differenzen und dessen Kehrwert bilden, wobei der eine Quotient dem Tangens des Azimutwinkels zwischen der einen Eingangsaehse und Nord und der andere Quotient dem Cotangens dieses Winkels entspricht und

(b) der Nordabweichungsrechner zur Bildung des Arcustangcns bzw. des Arcuscouingcns 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 «ι (d) eine Auswahlschaltung (104) enthält.

(d|) aufweiche die beiden aus dem Arcustangcns und aus dem Arcuscouingcns gewonnenen Werte des Azinuitsignals aufgeschüttet sind und

(d_;) welche in Abhängigkeit vom Quadranten denjenigen Wen ausgibt der aus dem Quotienten unter Berücksichtigung des Verlaufs der Arcustangens- h/w. der Arcuscotangcnsfunktion mit optimaler e<> Genauigkeit ableitbar ist.

4. Gerät zur automalischen Bestimmung der Nordrichtung mittels eines von der Erddrehung beeinflußten Kreisels, bei welchem der Kreisel ein zweiachsiger Kreisel ist, dessen Drallachse im wesentlichen vertikal ist. bei

welchem die Lage des Kreisels durch Lugeabgriffe abgegriffen wird und mittels eines Drehmomenterzeuger* Stützmomente auf den Kreisel ausübbar sind, durch welche die Drallachse des Kreisels vertikal gehalten wird, bei welchem an zwei zueinander senkrechten Eingangsachsen des Kreisels je ein Lageabgriff und ein Drehmomenterzeuger vorgesehen sind, bei welchem weiterhin das Signal jedes einer Eingangsachse zugeordneten Lageabgriffs zur elektrischen Fesselung des Kreisels mit sein;r Drallachse an die Vertikale überkreuz auf den s Drehmomenterzeuger der jeweils anderen Eingangsachse geschaltet ist. bei welchem die den beiden Drehmomenterzeugern zugeführten Signale gleichzeitig auf einen Nordabweichungsrechner geschaltet sind, welcher aus dem Verhältnis der Signale ein die Abweichung einer gerälefesten Referenzrichtung von Nord wiedergebendes Signal liefert, bei welchem ferner der Nordabweichungsrechner einen Speicher /um 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 Drehmomenierzeugern zugeführten Signale auf den Nordabweichungsrechner geschaltet sind und der Nordabweichungsrechner zur Bildung von Signalen