CH625338A5 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und ein Gerät zum Durchführen des Verfahrens.

In der Technik sind zahlreiche Arten von nordsuchenden 5 Kreiselkompassen bekannt. Eine Art eines nordsuchenden Kreiselkompasses ist ein pendelartiger Kreisel, dessen Drehachse horizontal orientiert ist. Diese Art von Kreisel führt unter dem Einfluss der Erddrehung ein Präzessionsbewegung aus, damit die Drehachse nach der echten Nordrichtung ausgerichtet îowird. Bei einer solchen Einrichtung kann der Kreisel um einen Nord-Süd-Meridian nach vorwärts und rückwärts schwingen. Die Präzision, mit der die echte Nordrichtung aus einem solchen Gerät erzielt werden kann, ist jedoch durch Fehlerdrehmomente begrenzt, z.B. die Reibung bei der Aufhängung des Kreisels, 15 die dem Kreise ein Drehmoment um die vertikale Achse aufgeben und den Kreisel von der Nordrichtung weghalten. Die Grösse dieser Drehmomente kann nicht einfach bestimmt werden und wird in vielen Fällen einfach als konstant angenommen. Da hierbei die Schwingungen um die echte Nordrichtung einge-20 prägt sind, ist die minimale Zeitdauer, während der eine Anzeige der echten Nordrichtung erzielt werden kann, auf die Periode wenigstens einer Schwingung begrenzt. Die Dauer dieser Periode hängt auch von der anfänglichen Fehlausrichtung der Drehachse in bezug auf die Nordrichtung ab.

25 Eine weitere Art von nordsuchendem Kreiselkompasssystem ist in US-PS 3 222 795 beschrieben. Eine derartige Einrichtungweist eine Trägheitsplattform mit drei Kreiseln auf. Die Plattform ist auf die lokale horizontale Orientierung durch Montage-Servomechanismen gezwungen. Auch muss die emp-30 findliche Achse eines der Kreisel zu Beginn in einer Richtung etwa von Ost nach West durch Verwendung eines Kompasses oder dergleichen ausgerichtet sein. Die Forderung nach einer Trägheitsplattform, die mit Kreiseln und Servomechanismen sowie zugeordneter Elektronik ausgerüstet ist, und auch die For-35 derung nach einem externen Kompass würde wesentlich zu den Kosten und zur Grösse dieser Einrichtung beitragen.

Mit der vorliegenden Erfindung soll diese und andere Schwierigkeiten bekannter Einrichtungen überwinden.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur 40 Bestimmung der Nordrichtung zu schaffen, die in jeder horizontalen Richtung ohne Genauigkeitsverlust oder Zunahme der Beruhigungszeit ausgerichtet werden kann.

Gemäss einer weiteren Aufgabe soll eine Vorrichtung zur Bestimmung der Nordrichtung geschaffen werden, welche keine 45 Kenntnis der geographischen Breite erfordert, um die echte Nordrichtung zu bestimmen.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Bestimmung der Nordrichtung zu schaffen, welche auch zur Bestimmung der geographischen Breite eines Punktes auf der 50 Oberfläche der Erde verwendet werden kann.

Gemäss einer weiteren Aufgabe soll die echte Nordrichtung in einer minimalen Zeit bestimmt werden können.

Im weiteren soll die Vorrichtung zur Bestimmung der Nordrichtung billig sein und eine minimale elektrische Leistung zum 55 Betrieb erfordern. Die Vorrichtung soll leicht und transportabel sein und eine hohe Genauigkeit aufweisen.

Das erfindungsgemässe Verfahren ist durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angeführten Merkmale gekennzeichnet.

60 Das erfindungsgemässe Gerät ist durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 10 angeführten Merkmale gekennzeichnet. Der Winkel zwischen einer Azimuth-Bezugsli-nie des Kreisels und der echten Nordrichtung wird durch Messen der Grösse des Drehmomentes erzielt, das erforderlich ist, 65 um der Präzession des Kreisels um eine horizontale Empfindlichkeitsachse entgegenzuwirken, die wegen der horizontalen Komponente der Winkelgeschwindigkeit der Erde auftreten würde. Dieses Gegendrehmoment wird zweimal gemessen, wo-

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bei die horizontale Empfindlichkeitsachse des Kreisels in zwei unterschiedlichen Richtungen um die lokale vertikale Achse orientiert ist, die sich um einen bekannten Winkel voneinander unterscheiden. Vorzugsweise ist der Kreisel ein Kreisel mit zwei Freiheitsgraden, mit aufeinander senkrecht stehenden horizontalen Empfindlichkeitsachsen, und die Messungen von Gegendrehmomenten werden gleichzeitig vorgenommen.

Ein Kreisel, der auf einer schwebenden Halterung befestigt ist, welche so gefesselt ist, dass eine Drehung im Azimuth verhindert wird, wird von den Winkeleingangsgeschwindigkeiten um horizontale Achsen entkoppelt, denen das Gehäuse des Kreiselkompasses unterliegen kann, wenn es von einem Dreifuss oder einer anderen tragbaren Basis aus betrieben wird. Befestigt man den Kreisel auf einer schwebenden Anordnung, die konform mit der Oberfläche eines Flotationsmittels ist, ergibt sich auch eine maximale Empfindlichkeit der beiden zueinander senkrecht stehenden Empfindlichkeitsachsen gegenüber der horizontalen Komponente der Winkelgeschwindigkeit, weil die schwebende Anordnung die Spinachse des Kreisels parallel zu dem lokalen Schwerkraftvektor hält. Somit ist eine einwandfreie Leistung des Kreiselkompasses gewährleistet, selbst wenn das Gehäuse des Kreiselkompasses um mehrere Grade falsch nivelliert wird.

Vorzugsweise wird das Gegendrehmoment, das zur Verhinderung einer Präzession erforderlich ist, über eine Zeiteinheitsperiode aufgegeben, wobei die Empfindlichkeitsachsen des Kreisels in zwei beliebigen, zueinander senkrechten Richtungen orient'ert sind. Dann ist die Azimuthorientierung der schwebenden Anordnung in bezug auf das Gehäuse genau um 180 ° versetzt. Dann werden die zweiten Messungen der Gegendrehmomente um die beiden Empfindlichkeitsachsen durchgeführt. Durch Messen der Komponenten der horizontalen Erdgeschwindigkeit in einer ersten Orientierung und unmittelbar daran in einer um 180 ° zur ersten Orientierung verschobenen Orientierung können die Messungen zur Auflösung nach dem Winkel zwischen der Richtung einer Empfindlichkeitsachse des Kreisels und der echten Nordrichtung kombiniert werden. Das Kombinieren der Messungen in den beiden Orientierungen verdoppelt effektiv die gemessenen Komponenten der horizontalen Erdgeschwindigkeit und hebt korrelierte Störungen, die auf den Kreisel einwirken, auf, z.B. Abgleichdriften und Nicht-Senk-recht-Stehen der Kreiselachsen in bezug auf den Schwerkraftvektor. Da die Fehler aufgehoben werden, kann ein Kreisel mit einer Kurzzeitstabilität verwendet werden.

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1,2 und 3 Vektordiagramme, die die Beziehung zwischen physikalischen Grössen, welche mit dem Kreiselkompass gemessen werden, und der Bezugsorientierung des Kreiselkompasses darstellen,

Fig. 4 eine Schnittansicht einer Ausführungsform einer Sensoranordnung,

Fig. 5 und 6 teilweise herausgeschnittene Detailansichten, die bestimmte Merkmale des Ausführungsbeispieles nach Fig. 4 zeigen,

Fig. 7 eine Aufsicht auf eine abgeänderte Schwebeanordnung, die in der Ausführungsform nach Fig. 4 verwendet werden kann,

Fig. 8 ein Funktionsblockschaltbild der bevorzugten Ausführungsform des Kreisels mit Rechnerschaltung, und

Fig. 9,10 und 11 Vektordiagramme, die mögliche Fehlorientierungen der Bezugsachsen der Sensoranordnung darstellen.

Fig. 1 zeigt das Problem, das mit einer Einrichtung nach der Erfindung gelöst werden soll. Es soll der Azimuth des Punktes P gemessen vom Punkt A in bezug auf die echte Nordrichtung festgestellt werden. Die Achse 01 ist die echte Nordrichtung vom Punkt A. Die Achse + Y ist eine Bezugsrichtung in der horizontalen Ebene, die durch den Kreiselkompass aufgebaut wird. Die Achse + Y kann in einer beliebigen horizontalen Richtung verlaufen. Der Winkel a ist der Winkel zwischen der 5 Achse + Y und der echten Nordrichtung und wird durch die Einrichtung gemessen. Die Richtungslinie AP ist die Betrachtungsrichtung von Punkt A nach Punkt P. Der Winkel ß ist der Winkel zwischen der Achse + Y und der Richtungslinie AP. Der Winkel ß kann durch eine externe Vorrichtung, z.B. einen io Theodoliten gemessen werden. Der Winkel ©p ist der Peilwin-kel oder Azimuthwinkel des Punktes P gemessen vom Punkt A in bezug auf die echte Nordrichtung. Es gilt:

©p = ß + a

(1)

15

Der Winkel a wird durch Messen einer horizontalen Komponente der Winkelgeschwindigkeit der Erddrehung an der Stelle A um die Empfindlichkeitsachse einer Winkelgeschwin-digkeitsabfühlvorrichtung erhalten. Die Winkelgeschwindig-2okeitsabfühlvorrichtung ist vorzugsweise ein Kreisel, der gezwungen ist, eine Drehung der Empfindlichkeitsachse um die örtliche Vertikale zu verhindern. Insbesondere ergibt sich die Winkelgeschwindigkeit der Erddrehung um ihre Achse, die ein Vektor ist, der in Richtung der Achse der Erde vom Nordpol verläuft, 25 eindeutig bei jeder Linie der geographischen Breite der Erdoberfläche. Der Winkelgeschwindigkeitsvektor Q Erde der Erd-drehung an einer beliebigen Stelle der Erde kann in eine horizontale £2 h und in eine vertikale Komponente £2 v aufgelöst werden. Die Grösse der horizontalen Winkelgeschwindigkeit 30 Qh ändert sich vom Äquator zu jedem der Pole als eine Kosinus-Funktion der geographischen Breite X. Die horizontale Winkelgeschwindigkeit wird gemäss vorliegender Erfindung gemessen, um die Richtung der Achse Y in bezug auf die echte Nordrichtung zu bestimmen. Die horizontale Winkelgeschwin-35 digkeit wird in die Richtung der echten Nordrichtung orientiert. Die Vektorkomponenten der horizontalen Winkelgeschwindigkeit werden längs zweier zueinander rechtwinkelig stehender Koordinatenachsen gemessen. Der Winkel a zwischen einer dieser Achsen und der Nordrichtung, d.h. die Richtung des hori-40 zontalen Winkelgeschwindigkeitsvektors, wird aus diesen Vektorkomponenten erhalten. Aus Fig. 2 ergibt sich, dass die Vektorkomponenten cox, (Oy die Seiten eines Rechtecks darstellen, wobei der Betrag der horizontalen Winkelgeschwindigkeit die Diagonale des Rechteckes darstellt. Der Winkel a zwischen der 45 Vektorkomponente (oy und der Nordrichtung 01 kann trigonometrisch bestimmt werden.

Die Vektorkomponenten cox und wy der horizontalen Winkelgeschwindigkeit fiH können entweder gleichzeitig oder nacheinander gemessen werden. Bei der dargestellten Ausfüh-50 rungsform werden die Komponenten gleichzeitig gemessen, indem die Grösse des Drehmomentes gemessen wird, das erforderlich ist, um eine Winkelverschiebung eines Kreisels mit zwei Freiheitsgraden um seine horizontal orientierten zueinander rechtwinkelig verlaufenden Empfindlichkeitsachsen zu verhin-55 dern. Wenn der Einfluss der Winkelgeschwindigkeit nicht aufgehoben wird, führt der Kreisel eine Präzessionsbewegung um seine Empfindlichkeitsachsen aus. Es gibt jedoch auch andere Möglichkeiten, die Komponenten des horizontalen Winkelgeschwindigkeitsvektors zu messen, die nicht die Verwendung ei-60 nes eine Drehbewegung ausführenden Kreisels erforderlich machen, die aber im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegen. Einige solcher anderer Vorrichtungen werden nachstehend erläutert.

Drückt man das Voranstehende in Form von Gleichungen 65 aus, ergibt sich:

w

£2h cos a y »'■H1

<i)x = Qh sin a

(2)

(3)

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tan a =

<"x (0„

(4) a = arc tan a = arc tan -

Ü>x cov o)x/o)y — cos y sin y

(13)

(5),

wobei Qh die horizontale Winkelgeschwindigkeit,

a der Winkel zwischen der echten Nordrichtung Ol und der Bezugsachse (Y) und cox, o)y die Vektorkomponenten der horizontalen Winkelgeschwindigkeit £2h gemessen durch eine Winkelgeschwindig-keits- oder Winkelverschiebungsabfiihlvorrichtung sind.

Eine Einrichtung gemäss der Erfindung kann auch zur Bestimmung der geographischen Breite eines Punktes auf der Erdoberfläche verwendet werden. Aus den Gleichungen (2) und (3) ergibt sich

£2u —

CO.

cosa sin a

(6)

wobei a aus der Gleichung (5) erhalten wird.

Um zu vermeiden, dass eine Division durch einen Ausdruck, der sich dem Wert Null nähert, zu vermeiden, kann der horizontale Erdgeschwindigkeitsvektor ausgedrückt werden als:

fìH —

sin a wobei a > 45 °

ü)v cosa wobei a 45 '

Die geographische Breite eines Punktes auf der Erdoberfläche hat die folgende Beziehung zur Winkelgeschwindigkeit £2Erde und zu seiner horizontalen Komponente fiH:

ßH — ^ Erde cos

(7)

wobei £2erde die Winkelgeschwindigkeit der Erddrehung, Qh die horizontale Komponente von £2Erde und X die geographische Breite des Punktes A auf der Erdoberfläche sind.

o>v/cosa , , o)x/sin a cos K = —<- oder cos K =

Q

Erde

Q

Erde

X = arc cos a>v

£2

Erde cos a

(8)

Die Gleichung (5) bezieht sich auf einen speziellen Fall, bei dem die X- und Y-Empfindlichkeitsachsen zueinander senkrecht stehen. Die vorliegende Erfindung ist jedoch in gleicher Weise auf den Fall anwendbar, bei dem Messungen von Komponenten des horizontalen Winkelgeschwindigkeitsvektors um zwei Empfindlichkeitsachsen durchgeführt werden, die nicht senkrecht aufeinander stehen, sondern die sich voneinander in ihrer Richtung um einen bekannten Winkel in einer horizontalen Ebene unterscheiden. Fig. 3 zeigt diesen allgemeineren Fall. In Fig. 3 ist der Winkel a der Winkel zwischen der echten Nordrichtung Ol und der Y-Empfindlichkeitsachse. Die Herleitung des Winkels a aus zwei Vektorkomponenten des horizontalen Winkelgeschwindigkeitsvektors iox und toy ist in den nachstehenden Gleichungen (9) bis (13) angegeben.

a + 8 = y e = y — a o)y = fìH cos a (l)x = Qh cos E (ox = Q„ cos (y - a)

0).

= y cos + sin y tan a

(9) (10)

(H) (12)

In Fig. 4 ist eine Schnittansicht einer Ausführungsform einer 5 Sensoranordnung 8 dargestellt. Ein äusserer Rahmen 10 nimmt ein drehbares inneres Gehäuse 12 auf Kugellagern 14 auf. Das innere Gehäuse 12 ist um wenigstens 180 ° über ein Daumenrad 16 drehbar. Das innere Gehäuse 12 ist eine abgedichtete Einheit, die vorzugsweise hermetisch abgedichtet ist. 10 Ein toroidförmiger Schwimmer 18 ist innerhalb des inneren Gehäuses 12 schwebend von einer Flüssigkeit 20 getragen.

Die Flüssigkeit 20 kann Wasser, Quecksilber oder eine andere Flüssigkeit, bzw. ein strömendes Medium sein. Ein Über-brückungselement oder ein Deckel 22 ist mit der Oberseite des 15 Schwimmers 18 befestigt und nimmt eine Winkelgeschwindig-keitsabfühlvorrichtung 24 auf. Der Durchmesser des Schwimmers 18 ist so gewählt, dass ein entsprechendes Rückstellmoment oder Schweben in einem ausgewählten strömenden Medium erzielt wird.

2o Der Winkelgeschwindigkeitssensor 24 ist vorzugsweise ein Kreisel mit einem rotierenden Trägheitsrad, es können jedoch auch andere Arten von Winkelgeschwindigkeitsabfühlvorrich-tungen verwendet werden. Ein Kreisel wird bevorzugt, weil er der kleinste, im Augenblick zur Verfügung stehende Winkelge-25 schwindigkeitssensor ist und die gewünschten Leistungseigenschaften hat.

Bei der dargestellten Ausführungsform, bei der die Winkel-geschwindigkeitsabfühlvorrichtung 24 ein Kreisel ist, ist der Kreisel mit seiner Drehachse 25 in einer vertikalen Richtung 30 orientiert. Kleine Winkelverschiebungen des inneren Gehäuses 12 und des äusseren Rahmens 10 um eine horizontale Achse stören die Richtung der Drehachse nicht. Die Flüssigkeit 20 im Gehäuse 12 wird weiterhin eine horizontale Oberfläche einnehmen. Das Überbrückungselement 22 kann in einer horizontalen 35 Orientierung gehalten werden, und die Drehachse 25 des Kreisels, die in einem konstanten rechten Winkel in bezug auf das Element 22 orientiert ist, verläuft weiterhin in einer vertikalen Richtung.

Der Kreisel weist zwei Abgriffe (nicht dargestellt) auf, die 40 Winkelgeschwindigkeiten oder Winkelabweichungen um eine Empfindlichkeitsachse 27 resp. 29 abfühlt. Die Achsen 25,27 und 29 sind rechtwinklig zueinander angeordnet. Der Kreisel besitzt ferner einen ersten und einen zweiten Drehmomentgeber (nicht dargestellt), um dem Kreisel um die Empfindlich-45 keitsachsen 29 und 27 eine Präzessionsbewegung zu erteilen. Jeder Abgriff wird verwendet, um eine Winkelverschiebung des Trägheitsrades in bezug auf das Gehäuse des Kreisels zu überwachen und ein elektrisches Signal proportional dieser Verschiebung zu erzeugen. Der Abgriff wandelt die mechanische so Bewegung des Kreisels in ein elektrisches Signal mit entsprechender Empfindlichkeit um, sodass eine zugeordnete Schaltung betrieben werden kann. Der Abgriff ein ausreichend grosses Auflösungsvermögen, um sehr geringe Verschiebungswerte und eine elektrische Nullposition, die klar definiert ist und wie-55 derholbar ist, anzuzeigen. Die Funktion eines jeden Drehmomentgebers besteht darin, ein mechanisches Drehmoment zu erzeugen, das proportional einem elektrischen Signal ist. Dieses Drehmoment wird zur Positionierung der Drehachse des Kreisels verwendet. Eine konstante Orientierung des Kreisels wird 60 dadurch aufrechterhalten, dass dem Kreisel ein Drehmoment aufgegeben wird, das das entsprechende Abgriffsignal auf Null bringt. Dieser Gesichtspunkt der Arbeitsweise eines Kreiselkompasses ist nachstehend im einzelnen erläutert.

Elektrische Verbindungen zur Winkelgeschwindigkeitsab-65 fühlvorrichtung 24 werden über einen Leiter 34 hergestellt.

Eine Membran 36 ist zwischen dem Überbrückungselement 22 und der Innenwand des inneren Gehäuses 12 eingesetzt, um zu verhindern, dass die Winkelgeschwindigkeitsabfühlvorrich-

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tung 24 um ihre vertikale Achse gedreht wird. Somit kann die gleichschleife 70 und eine Spin-Energiequelle 72 auf. Der Krei-Winkelgeschwindigkeitsabfühlvorrichtung sich über kleine Win- sei 66 kann ein abgestimmter Kreisel sein, wie er beispielsweise kel um eine horizontale Achse drehen, sie ist jedoch an einer in US-PS 3 678 764 oder 3 943 778 dargestellt ist. Die Kreisel-

Drehung um die vertikale Achse gehindert. parameter, die für diese Ausführungsform der Erfindung opti-

Ein Spiegel 38 ist in der dargestellten Weise angeordnet und 5 miert werden sollen, sind kleine Abmessungen, geringer Ener-

ermöglicht die Erzielung einer horizontalen Bezugsrichtung in gieverbrauch, gute Kurzzeit-Nullabgleichstabilität und geringe bezug auf die Richtung einer der Empfindlichkeitsachsen 27 Null-Abgleichtemperatur-Empfindlichkeit, und geringe Kosten oder 29. In Fig. 4 steht die Empfindlichkeitsachse 27 rechtwin- des Gerätes.

kelig zur Oberfläche des Spiegels 38. Auf diese Weise kann in Weil die Drehachse des Kreisels 66 durch den Schwimmer bezug auf die Empfindlichkeitsachse 27 eine Bezugsrichtung i018 innerhalb des inneren Gehäuses 12 vertikal gehalten wird, ist durch Verwendung einer externen optischen Vorrichtung mit die Empfindlichkeit des Kreisels gegen Schwerkraft nicht kri-Hilfe der Autokollimations- oder Autoreflexionstechnik erzielt tisch. Für abgestimmte Rotorkreisel besteht auch keine effekti-werden. Zur Autokollimation projiziert ein externer Theodolit ve Massenungleichgewichtsempfindlichkeit für Beschleunigung (nicht dargestellt) einen Lichtstrahl auf den Spiegel. Der Theo- längs der Drehachse. Dieses Merkmal eines abgestimmten Ro-dolit ist so positioniert, dass der reflektierte Lichtstrahl auf dem 15 torkreisels ist besonders geeignet zur Verwendung in einer AusFadenkreuz des Theodoliten beobachtet wird. Auf diese Weise führungsform der Erfindung. Ein abgestimmter Rotorkreisel ergibt die Richtung der Empfindlichkeitsachse 27 einen Bezug- hat eine Empfindlichkeit gegen Beschleunigung nur für Be-sazimuthwinkel für den Theodoliten. Andere Azimuthwinkel in schleunigungen senkrecht zu der Drechachse. Da im Betrieb bezug auf diesen Bezugsrichtungswinkel der Empfindlichkeits- dieser Ausführungsform der Erfindung keine solche Beschleuachse 27 können durch Drehen des Theodoliten in der Azi- 20 nigung vorhanden ist, besteht keine Notwendigkeit für eine ex-muthebene erzielt werden. Die Lösung der Gleichung (1) ergibt akte Einstellung der Massenungleichgewichtsempfindlichkeit eine Messung eines Azimuthwinkels in bezug auf die echte oder Steuerung der Massenungleichgewichtstemperaturemp-Nordrichtung. findlichkeit des Kreisels. Andere Parameter, die bei der Ausin Fig. 5 stellt ein federähnliches Bauteil 40 mit einer Raste wähl eines Kreisels optimiert werden sollen, sind Drehmoment-42 und Anschlagstiften 44 eine Vorrichtung zur Aufrechterhai- 25 geber-Massstabsfaktor, der für die Impulsdrehmomentgabe tung einer gewünschten Azimuthbeziehung zwischen dem inne- ausgelegt ist, Betrieb bei niedriger Temperatur und stabile bau-ren Gehäuse 12 und dem äusseren Rahmen 10 dar. Beim Be- liehe Eigenschaften, damit den Anforderungen des Transportes trieb der Einrichtung wird das innere Gehäuse 12 um Winkel entsprochen werden kann.

von 90 °, 180 0 und 270 0 in bezug auf eine anfängliche Azi- X- und Y-Drehmomentnachgleichschleifen 68 und 70 sind muthposition gedreht. Eine Vielzahl von Anschlagstiften 44, die 30 identische Schaltungen zur Aufhebung der Winkelverschiebung entsprechend um den Umfang des inneren Gehäuses 12 herum des äusseren Rahmens 10 in Fig. 4 des Kreisels um die Emp-versetzt sind, stellen eine Möglichkeit für bekannte Winkelposi- findlichkeits-Achsen 27 und 29. Eine Drehmoment-Nachtionen des inneren Gehäuses 12 in bezug auf die Azimuthorien- gleichschleife ist in US-PS 3 062 059 beschrieben und darge-tierung des Bauteiles 40 am äusseren Rahmen 10 dar. Das inne- stellt. Wird das Gerät in einer stationären Position betrieben re Gehäuse 12 wird mit der Daumenschraube 16 so gedreht, 35 und auf einem Dreifuss befestigt, so ist die einzige äussere Win-dass ein Anschlagstift 14 längs des Bauteiles 40 gleitet. Wenn kelgeschwindigkeitseingabe, die vom Kreisel abgefühlt wird, die ein Anschlagstift 44 mit der Raste 42 ausgerichtet ist, drückt die Winkelgeschwindigkeit, die sich aus der Erddrehung ergibt. Die Federwirkung des Bauteiles 40 den Stift in die Raste. aufeinander senkrecht stehenden, horizontalen Empfindlich-

Die Flächen 46 sind ebene Auflageflächen zur Befestigung keitsachsen stehen in die Richtungen der Vektor komponenten des Gerätes auf einem Dreifuss oder einer anderen Basis. Der 40 <x>x, coy des horizontalen Winkelgeschwindigkeitsvektors. Der äussere Rahmen 10 besitzt eine mit Schraubgewinde versehene Kreisel wird versuchen, eine Präzessionsbewegung um seine Bohrung 48 in der zentralen Fläche 46 zur Befestigung des Ge- Empfindlichkeitsachsen als Funktion der Grösse dieser beiden rätes mit dem Dreifuss. Die Deckfläche 50 des Rahmens 10 ist Komponenten längs der Empfindlichkeitsachsen 27 und 29 auseine ebene Auflagefläche zur Aufnahme eines Theodoliten als zuführen, und zwar unabhängig von der Richtung der Achsen Alternative für eine Auslesevorrichtung. Die Schrauben 52 und 45 27 und 29 in bezug auf die echte Nordrichtung. Eine Abgriff-54 ergeben eine Befestigung des Theodoliten mit dem Gerät. Erregerspannung erregt die Primärwicklungen der Abgriffspu-Wie in den Figuren 4 und 6 gezeigt, passen die Stifte 55 auf dem len des Kreisels. Wenn das Kreiselgehäuse relativ zu dem Träg-Schwimmer B in Löcher eines Tragbügels 56, damit ein Sicher- heitsrad rotiert, wird ein Abgriffsignal erzeugt. Dieses Abgriffsi-heitsanschlag erzielt wird, der die Translationsbewegung und gnal wird mit einer entsprechenden Drehmomentnachgleich-die Drehbewegung um die Achse 25 begrenzt, wenn der Krei- 50 schleife gekoppelt, in der Impuls-Drehmomentsignale erzeugt selkompass nicht in Betrieb ist. werden. Die Impuls-Drehmomentsignale werden dem entspre-Fig. 7 ist eine Aufsicht auf eine andere Ausführungsform chenden Drehmomentgeber des Kreisels aufgegeben, wodurch einer Schwimmeranordnung, die anstelle des Schwimmers 18 der Kreisel, d.h. das Trägheitsrad, eine Präzessionsbewegung in und der Membran 36 verwendet werden kann. Der Schwimmer der gleichen Richtung der Winkelgeschwindigkeitskomponente 58 nach Fig. 7 ist mit dem Gehäuse 12 durch Halteschienen 60 55 um eine bestimmte Empfindlichkeitsachse ausführt. Somit wird und 62 verbunden. Die Halteschienen 60 und 62 begrenzen die das Trägheitsrad des Kreisels bewegungsfrei um eine Empfind-Bewegung des Schwimmers bei einer Drehung um die vertikale lichkeitsachse in bezug auf die gehäusefesten Koordinaten des Achse, ermöglichen jedoch eine Schwenkbewegung um eine ho- Kreisels gehalten. Das Abgriffsignal wird auf Null gebracht und rizontale Achse. die Anzahl von digitalen Impulsen in den Drehmomentsignalen In Fig. 8 ist ein Blockschaltbild einer Schaltung zur Berech- 60 pro Zeiteinheit, die erforderlich sind, um einer Präzession auf-nung des Winkels zwischen der echten Nordrichtung und einer grund einer Komponente der horizontalen Winkelgeschwindig-Bezugsrichtung des Gerätes gezeigt. Bei der dargestellten Aus- keit entgegenzuwirken, ist ein Mass für die Grösse dieser Kom-führungsform ist die Bezugsrichtung die Richtung einer der bei- ponente. Da die Grösse der Vektorkomponente sich um eine den Empfindlichkeitsachsen des Kreisels. Dabei kann jede der bekannte trigonometrische Funktion gegenüber der Grösse der beiden Empfindlichkeitsachsen als die Bezugsrichtung verwen- 65 horizontalen Komponente der Winkelgeschwindigkeit ändert, det werden. Der Kreisel und die Steuereinrichtung 64 weisen und da die horizontale Komponente der Winkelgeschwindigkeit einen Kreisel 66 mit zwei Freiheitsgraden, eine Y-Drehmo- in der echten Nordrichtung orientiert ist, kann der Winkel zwi-ment-Neuabgleichschleife 68, eine X-Drehmoment-Neuab- sehen einer Empfindlichkeitsachse und der echten Nordrichtung

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aus der Anzahl von gegenwirkenden digitalen Impulsen pro Zeiteinheit berechnet werden.

Die Berechnungsschaltung 74 weist einen aufwärts/abwärts zählenden Zähler 76, eine Recheneinrichtung 78 mit integrierter Schaltung, einen Verstärker 80, eine Alpha-Winkel-Sichtan-zeige 82, einen Verstärker 84, eine Sichtanzeige 86 für den Winkel der geographischen Breite, einen Zählerreversierschal-ter 88, einen Zähler 90 und einen Zeitimpulsgenerator 92 auf.

Bei der Betrachtung der Arbeitsweise der dargestellten Ausführungsform sei unterstellt, dass die Achse 25 in vertikaler Richtung ausgerichtet ist, die Achse 27 die Y-Achse des Kreisels und die Achse 29 die X-Achse des Kreisels in Fig. 8 ist. Wie in Fig. 2 gezeigt, erstrecken sich kolineare Achsen Y und 27 sowie kolineare Achsen X und 29 in einer horizontalen Richtung.

Der Winkel zwischen der Empfindlichkeitsachse einer Win-kelgeschwindigkeitsabfühlvorrichtung und der echten Nordrichtung kann durch Messen der Winkelgeschwindigkeit festgestellt werden, die um eine horizontale, bewegungsfreie Empfindlichkeitsachse abgefühlt wird, und anschliessend daran durch Messen der Winkelgeschwindigkeit, die um eine horizontale, bewegungsfreie Empfindlichkeitsachse in einer Richtung abgefühlt wird, die senkrecht zu der Richtung verläuft, in der die erste Messung vorgenommen wurde. Die Messvorrichtung kann eine einzige Empfindlichkeitsachse aufweisen, deren Orientierung zwischen den ersten und zweiten Messungen gedreht wird, oder sie kann zwei aufeinander senkrechte Empfindlichkeitsachsen besitzen, wobei dann die Messungen gleichzeitig durchgeführt werden. Die Winkelgeschwindigkeiten, die durch die Vorrichtung abgefühlt werden, sind die Vektorkomponenten der horizontalen Winkelgeschwindigkeit fiH, wie dies in den Gleichungen (2) und (3) definiert ist. Aus den gemessenen Vektorkomponenten o), und tüy ist es möglich, den Winkel zwischen den Empfindlichkeitsachsen und der echten Nordrichtung zu berechnen, wie dies in der Gleichung (5) gezeigt wird.

Bei der Durchführung dieser Messungen bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Gleichungen komplexer und der Vorgang wird so erweitert, dass wesentliche Fehlerquellen eliminiert werden. Figuren 9,10 und 11 zeigen mögliche kennzeichnende Fehlerquellen, die die berechneten Winkel zwischen den Empfindlichkeitsachsen und der echten Nordrichtung nachteilig beeinflussen. Die Figuren 9,10 und 11 zeigen die horizontale Komponente der Erdgeschwindigkeit, den Winkel a und die X- und Y-Empfindlichkeitsachsen, wie sie für die Figuren 1 und 2 definiert sind. Die Figuren 10 und 11 zeigen die vertikale Komponente der Winkelgeschwindigkeit Qv- Fig. 9 zeigt eine mögliche Fehlausrichtung zwischen den Y-und den X-Empfindlichkeitsachsen, die als Winkel ô dargestellt ist. Die Fehlausrichtungen der Achsen, die in den Zeichnungen dargestellt sind, sind zu Darstellungszwecken übertrieben gross gezeichnet.

Fig. 10 zeigt einen Kippwinkel § aufgrund eines Kippens der Drehachse 25 in der Y-Richtung. Fig. 11 zeigt einen Kippwinkel y der Drehachse in der X-Richtung. Die Winkelfehlausrichtungen sind zu Darstellungszwecken übertrieben gross dargestellt und in der Praxis sind diese Winkelfehlausrichtungen klein, jedoch in Hinblick auf die Genauigkeit des berechneten Winkels a bedeutend.

Eine weitere mögliche Fehlerquelle ist eine eingeprägte Vorspannung im Kreisel. Insbesondere kann eine eingeprägte Tendenz des Kreisels zum Driften um die Empfindlichkeitsachsen von dem Abgriffsignal aus der Präzession, die durch eine Komponente der horizontalen Winkelgeschwindigkeit verursacht wird, nicht unterschieden werden. Jeder dieser Drifts würde durch ein Drehmomentsignal in der vorbeschriebenen Weise entgegengewirkt werden. Wenn eine Kreiselvorspannung oder eine eingeprägte Drift kompensiert wird, ist das Drehmomentsignal als eine Funktion der Grösse der Drift des Kreisels fehlerhaft.

Um den Einfluss einer Kreiseldrift zu kompensieren, werden die Messungen der Vektorkomponenten der horizontalen 5 Winkelgeschwindigkeit, wie sie in den Gleichungen (2) und (3) definiert sind, einmal mit den X- und Y-Empfindlichkeitsachsen in einer ersten horizontalen Orientierung und ein zweites Mal mit der Richtung der X-und Y-Empfindlichkeitsachsen um 180 ° vertauscht gemessen. Es liegt aber auch im Rahmen der io vorliegenden Erfindung, die eine Vorrichtung schafft, die nach der Gleichung (5) arbeitet, ohne dass der zweite Satz von Messungen mit den Empfindlichkeitsachsen vertauscht durchgeführt wird.

Die folgenden Gleichungen (13) bis (25) zeigen, wie der 15 erweiterte Messvorgang den Einfluss der wichtigsten Quellen möglicher Fehler aufhebt. Die Nomenklatur, die in den Gleichungen (13) bis (25) verwendet wird, ist in der nachstehenden Tabelle 1 angegeben.

20 Tabelle 1

a: Winkel zwischen der echten Nordrichtung (QH) ur)d

Y-Drehmomentgeberachse Ô: Abweichung von der rechtwinkeligen Positionierung zwischen den Y- und X-Drehmomentgeberachsen 25Kippwinkel der Drehachse in Y-Richtung y: Kippwinkel der Drehachse in X-Richtung ex: Driftwinkelgeschwindigkeit zum Kreiselvergleich um die X-Achse ey: Driftwinkelgeschwindigkeit zum Kreiselvergleich

30 um die Y-Achse

(ex und ey können jede Driftwinkelgeschwindigkeit mit einer grossen Korrelationszeit verglichen mit der Zeit À t darstellen)

sfx, sfy: Drehmomentgeber-Impuls-Skalenfaktoren 35 Nx, Ny: Anzahl von Impulsen, die sich über die Zeitdauer At angesammelt haben A t: Impulsansammlungsdauer in jeder Position (0 ° und

180°)

£2h: Horizontale Komponente der Winkelgeschwindig-40 keit Qgrde der Erddrehung

Qv". Vertikale Komponente der Winkelgeschwindigkeit

QEriit, der Erddrehung Ç: Winkelanteil der eine 180° Drehung überschreitet.

45 Die Einrichtung wird zuerst auf einem Dreifuss (nicht dargestellt) befestigt, z.B. kann ein Theodolit auf der Oberfläche 50 befestigt sein. Vorzugsweise hat die Azimuthorientie-rung des Theodoliten eine bekannte Beziehung in bezug auf die Empfindlichkeitsachsen 27 und 29, die X- und Y-Achsen des so Kreisels 24. Die Oberfläche 50 wird nivelliert, so dass sie horizontal liegt. Der Schwimmer steht dann auf gleichem Niveau mit den Empfindlichkeitsachsen 27 und 29 des Kreisels 24.

Anschliessend werden gleichzeitig, jedoch unabhängig voneinander Messungen des Drehmomentes durchgeführt, das er-55 forderlich ist, um die Empfindlichkeitsachsen des Kreisels in einer festen, ungeänderten Beziehung in bezug auf den Trägheitsraum zu halten. Sowohl die horizontale Komponente der Winkelgeschwindigkeit der Erddrehung als auch die eingeprägte Drift des Kreisels werden von dem Kreisel um eine oder 60 beide Empfindlichkeitsachsen abgefühlt. Bei der dargestellten Ausführungsform wird eine Präzession des Kreisels um beide Empfindlichkeitsachsen durch das Entgegenwirken des Drehmomentes verhindert, das in digitaler Form aufgegeben wird. Natürlich kann auch eine analoge Drehmomentschleife verwen-65 det werden.

Die Winkelgeschwindigkeit der Drehung, die um die X- und die Y-Achse abgefühlt wird, wird durch Zählen der Anzahl von Drehmomentimpulsen über eine einheitliche Zeitperiode erhal-

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ten. Bei der dargestellten Ausführungsform zählt der Zähler 90 (Fig. 8) Impulse aus dem Impulsgenerator 92, damit eine exakte Messperiode erzielt wird. Der Aufwärts-/Abwärts-Zähler 76 zählt die Anzahl von Impulsen, die dem X-Drehmomentgeber, und die Anzahl von Impulsen, die dem Y-Drehmomentgeber während einer Periode von 30 Sekunden aufgegeben werden. Die Zählperiode kann jedoch auch kürzer oder länger sein.

Die Anzahl von Impulsen, die dem Kreisel aufgegeben wird, wobei die Y-Achse in einer 0 "-Position steht, ist auf die horizontale Komponente der Erdgeschwindigkeit in der in Gleichung (16) angegebenen Weise bezogen. Diese 0 "-Position ist als die Verlängerung der Empfindlichkeitsachsen 27 und 29 in Richtung der +Y und + X-Achsen mit Ausnahme möglicher Fehler, wie in den Figuren 10 und 11 gezeigt, definiert. Jeder Impuls muss dem Kreisel eine Präzessionsbewegung über einen bestimmten Winkel aufgeben, um der Präzession dieses Kreisels um den gleichen Winkel entgegenzuwirken. Die Richtung der Drehmomentgabe hängt von der Polarität des Impulses ab. Ein typischer Skalenfaktor ist etwa 0,04 Bogensekunden pro Impuls. Mit anderen Worten heisst dies, dass ein Impuls den Kreisel um die Achse in Präzessionsbewegung versetzt, der sie über einen Winkel von 0,04 Bogensekunden aufgegeben wird. Ein Zählerreversierschalter 88 wird in die 0 "-Position gesetzt. In dieser Position zählt der Aufwärts-/Abwärts-Zähler in Abhängigkeit von einer positiven Impuls nach aufwärts und in Abhängigkeit von einem negativen Impuls nach abwärts. Dabei sei angenommen, dass positive Impulse der Präzession in der 0 °-Position entgegenwirken.

Die Gleichung (13) beruht auf der Gleichung (2), enthält jedoch Fehlerausdrücke, die die einfache Gleichung nicht enthält. Beispielsweise wird der Ausdruck QH cos a durch den Kosinus des Winkels § aufgelöst, wenn ein Kippwinkel der Drehachse in der Y-Richtung vorhanden ist. Ein solcher Kippwinkel würde während einer Eichung der Einrichtung entdeckt werden. Wenn ein Kippwinkel existiert, tritt eine Komponente der vertikalen Winkelgeschwindigkeit, £2V sin § längs der Y-Achse auf. Der Ausdruck ey stellt einen eingeprägten Abgleich des Kreisels um die Y-Achse plus einer beliebigen anderen Lärmquelle dar. Ein Beispiel für die ersten und dritten Ausdrücke der Gleichung (13) ist in Fig. 10 gezeigt:

Dann werden der Kreisel, der Schwimmer und das innere Gehäuse 12 im Azimuth um einen Winkel von 180 ° durch Drehen des Daumenrades 16 gedreht. Der Kreisel kann sich dann einige Sekunden lang stabilisieren, bevor die Messungen fortge-5 setzt werden.

Als nächstes werden die gleichen Messungen eine Periode von 30 Sekunden lang wiederholt, wobei die X- und Y-Achsen in der 180 ° Position gegenüber den ersten Messungen stehen. Dies heisst mit anderen Worten, dass die Achsen 27 und 29 in io der 180 ° Position sich in entgegengesetzten Richtungen in bezug auf die in Fig. 9 gezeigten Richtungen erstrecken. Die 180 ° Position wird als die Verlängerung der Empfindlichkeitsachsen 27 und 29 in den — Y und — X-Richtungen definiert, mit Ausnahme für Fehlerquellen nach den Figuren 10 und 11. Der Zäh-15 lerumkehrschalter wird in die 180 ° Position geschaltet, in dieser Position zählt der Zähler nach abwärts anstatt nach aufwärts. Mit anderen Worten heisst dies, dass die Messung der Winkelgeschwindigkeit, die um die X-Achse und die 180 0 Position abgefühlt wird, von der Winkelgeschwindigkeit subtrahiert 20 wird, die um die X-Achse und die Nullgradposition abgefühlt wird, und die Winkelgeschwindigkeit, die um die Y-Achse in der 180 ° Position abgefühlt wird, wird von der Winkelgeschwindigkeit subtrahiert, die um die Y-Achse in der Nullgradposition abgefühlt wird. Die Gleichungen (15) und (16) geben 25 die Beziehung zwischen der Anzahl von Impulsen, die den Kreisel um die X- und Y-Empfindlichkeitsachsen mit Drehmoment beaufschlagen und die Komponente der horizontalen Winkelgeschwindigkeit, die um diese Achsen abgefühlt wird, an. Es sei angenommen, dass in der Nullposition positive Impulse erzeugt 30 werden, um Drehmomente um die X- und Y-Empfindlichkeits-achsen aufzugeben. In der 180 ° Position wird die Richtung der Komponente des horizontalen Winkelgeschwindigkeitsvektors reversiert, und deshalb werden negative Impulse erzeugt, die dem Einfluss dieser Komponenten entgegenwirken. In der Null-35 gradposition zählt der Zähler 76 in Abhängigkeit von positiven Impulsen nach aufwärts. In der 180 ° Position zählt er weiterhin in Abhängigkeit von negativen Impulsen nach aufwärts.

wyi8oj

<V=

sfv sfv

40

At

Nyig0o= cos § cos (a+rc+Ç) +ey+Qv sin§

(15)

At

Ny()0—Qh cos § cos a + gy + Qv sin l

(13)

In der gleichen Messperiode A t von 30 Sekunden wird die Winkelgeschwindigkeit um die X-Achse ebenfalls durch Auszählen der Anzahl von Impulsen gemessen, die dem X-Drehmo-mentgeber während dieser Periode aufgegeben werden. Die Beziehung zwischen der Winkelgeschwindigkeit, die um die X-Achse abgefühlt wird, und der horizontalen Komponente der Erdgeschwindigkeit ergibt sich aus Gleichung (14). Die Gleichung (14) basiert auf der Gleichung (3), enthält jedoch Fehlerausdrücke, die in dem einfachen Fall nicht eingeschlossen sind. Der Winkel (a-ô) unterscheidet sich um den Wert einer Abweichung von der senkrechten Stellung zwischen den Y- und den X-Empfindlichkeitsachsen. Die Winkelgeschwindigkeit, die längs der X-Achse abgefühlt wird, ist eine Kosinus-Funktion eines Kippwinkels y der Drehachse in der X-Richtung. Eine Komponente der vertikalen Winkelgeschwindigkeit wird als Funktion des Sinus eines Kippwinkels der Drehachse in der X-Richtung abgefühlt. Der Ausdruck ex stellt einen Kreiselab-gleich und/oder Geräusch, das von dem Kreisel um die X-Achse abgefühlt wird, dar. Ein Beispiel der ersten und dritten Ausdrücke der Gleichung (14) ist in Fig. 11 gezeigt.

45

180°

+ ex+Qv siny sf

Nx180o- QH cos y sin (a - ô+jt+Ç)

(16)

so Das Reversieren der Richtung des Zählers in der 180 ° Position subtrahiert die Anzahl von Impulsen, die in der zweiten der 30 Sekundenperioden gezählt worden sind, d.h. in der 180 ° Position, von der Anzahl von Impulsen, die in der ersten der beiden 30 Sekundenperioden, d.h. in der 0 0 Position gezählt 55 werden. Die Gleichungen (17) und (18) stellen die Gleichung (13) minus die Gleichung (15) sowie die Gleichung (14) minus die Gleichung (16) dar. Bestimmte Fehlerausdrücke heben sich auf, weil sie die gleiche Polarität oder Richtung sowohl in den 0 °- als auch den 180 "-Positionen haben. Die Abgleichausdrük-6o ke heben sich ebenso auf wie die Ausdrücke, die eine Funktion der vertikalen Komponente der Winkelgeschwindigkeit der Erddrehung sind.

A(oy = _Ëx.

65

À t CV Nyi8o°"

,)

(17)

«V=

sf,

At

Nx =Qh cos y sin (a-ô) + ex + Qv sin y (14)

= Qh cos I [cos a (1 + cos Ç) - sin a sin Ç]

625 338

10

Aco = s^x /jsf _jyj \ Schaltungseinrichtung 78 die Endzählung der Impulse, die ein x At X(l xiso Drehmoment um die X-Achse ergeben, durch die Endzählung der Impulse, die ein Drehmoment um die Y-Achse ergeben.

= Qh cos y [sin a cos ô(l + cos Ç) — cos a sin ô 5 = r (23)

sfy A Ny

(1+ cos Ç) + cos a cosò sin Ç + sin a sin ô sin Ç] (18) j.

R + 5- T

Obgleich die mathematischen Zusammenhänge in Verbin- 1 + R ç

dung mit der Arbeitsweise der Einrichtung angegeben werden, 2

ist die einzige mathematische Funktion, die in der Einrichtung durchgeführt wird, das Zählen der Impulse in zwei Impulsfolgen Der Winkel a ist somit gleich dem Arcustangens des in durch den Aufwärts/Abwärts-Zähler 76, damit eine endgültige Gleichung (24) angegebenen Ausdruckes.

digitale Zählung am Ende der zweiten der 30 Sekunden-Perioden der Messung erhalten wird. Die Endzählungen der Anzahl J=

von Impulsen, die dem Kreisel ein Drehmoment um die X- und die Y-Achsen während der beiden 30 Sekundenperioden aufge-

iotanas-TTÎ-T- (24)

R+ô-2 1

(25)

a = arctan

1 +R l geben werden, sind auf die abgefühlten Komponenten des hori-zontalen Winkelgeschwindigkeitsvektors in den Gleichungen

(19) und (20) bezogen. Die Gleichung (25) wird durch die integrierte Schaltungs-

einrichtung 78 aufgelöst. Die Einrichtung 78 teilt die Impulsato,, = —\ A Nx (19) Zählung für die X-Achse durch die Impulszählung für die

25 Y-Achse, damit das auf der linken Seite der Gleichung (23) angegebene Verhältnis erhalten wird. Der Wert des Winkels ô ist ein fester Fehlerwert, der während der Eichprüfung der Ein-

Aü)y = A Ny (20) richtung festgelegt wird. Der Winkel Ç kann durch Eichprüfung gemessen werden, oder es können einstellbare Anschläge ver-Die Beziehung zwischen den abgefühlten Komponenten des 30 wendet werden, um exakt eine Drehung von 180 " zu^erzielen, horizontalen Winkelgeschwindigkeitsvektors und des Winkels w. ?" 8"erte Schaltungsemnchtung 78 beaufschlagt die a zwischen der Y-Empfindlichkeitsachse und der echten Nord- Wmkels.chtanze.ge 82 über den Verstarker 80. Die Winkel-richtung ist in Gleichung (4) angegeben. Zur Auflösung nach fh anze^ 82 weist Licht emittierende Dioden auf, die als dem Winkel a wird Gleichung (18) durch Gleichung (17) divi- Ausksung den berechneten Winkel a ergete.

diert. Die Gleichung (21) ergibt sich aus dieser Division. Der 35 . „Dle «ntegnerte Schaltunpemnchtung 78 kann ferner zur Ausdruck Q„, der eine Funktion der geographischen Breite ist, Aufl°sunf def. Gleichung (8) nach dem Winkel X verwendet wird durch diese Division ebenso wie das Zeitintervall A t eli- ge0grap^fhe des Punktes A auf der miniert Erdoberflache ist, an welchem die Messungen vorgenommen werden. Der Winkel a ist aus der Lösung derjjleichung (25) 40 bekannt, der Winkelgeschwindigkeitsvektor ß Erde hat einen sfy ANy " ' bekannten Wert und die Vektorkomponente des horizontalen

Winkelgeschwindigkeitsvektors, die um die Y-Achse abgefühlt wird, A o)y, ist aus den Gleichungen (17) und (20) bekannt und T tan et cos ô (1 + cos Ç) — sin 5 (1 + cos Ç) ist proportional A Ny. Die Zeit A t und der Drehmomentgeber-

L cos | [1 + coS Ç — tan a sin Ç] 45 Skalenfaktor sfy sind bekannte Grössen.

Verwendet man die gleiche Näherung für kleine Fehlerwinkel wie vorstehend, kann Gleichung (17) wie folgt geschrieben + [cos 5 sin t + tan q sin ô sin Ç] l werden cosÇ[l + cosÇ — tan a sin Ç] J sf

5° —^ A Ny = 2 QH cos a (26)

Die Winkel y, I, à und t, sind Fehlerwinkel und daher ihrem Betrage nach klein. Die Gleichung (21) lässt sich somit als Näherung erster Ordnung in dem trigonometrischen Funk- t o — o . . ,

tionen schreiben. Somit ergibt sich die Gleichung (21) in verein- rrU H &decos wir fachter Form als Gleichung (22).

sf, AN,

cos y

55

. s , "i" cos ^= 1— (27)

sfx AN, _ tanq - 5 + 2 2AtQErdecosa sfy ANy 1 — t, tan a (22) 6Q

2 Die Grösse des Winkels X wird dadurch erhalten, dass der

Arcuscosinus von der Gleichung (27) genommen wird. Die Gleichung (22) wird nach dem Tangens a aufgelöst. Um Winkelsichtanzeige 86 weist auch Licht emittierende Dioden die Berechnungen zu vereinfachen, dividiert die integrierte auf, die eine Auslesung des Winkels X ergeben.

5 Blatt Zeichnungen

Claims (33)

1. 625 338

   P ATENTANSPRÜCHE

   1. Verfahren zur Bestimmung der echten Nordrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse eines Kreisels mit vertikaler Drehachse an einer Drehung um die Vertikale in be-zug auf seinen Rahmen gehindert und der Kreisel gleichzeitig gegen geringe Drehungen um eine horizontale Achse isoliert wird, dass der Kreisel um eine horizontale erste Empfindlichkeitsachse, die in einer horizontalen ersten Richtung verläuft, drehmomentbeaufschlagt wird, um einer Winkelverschiebung eines gehäusebezogenen Abgriffes um die in der ersten Richtung verlaufenden Empfindlichkeitsachse entgegenzuwirken, wobei die Winkel verschiebung sich aus einer Vektorkomponente der horizontalen Komponente der Winkelgeschwindigkeit der Erddrehung um die erste Empfindlichkeitsachse ergibt, dass der Kreisel um eine horizontale zweite Empfindlichkeitsachse, die in einer horizontalen zweiten Richtung verläuft, drehmomentbeaufschlagt wird, um einer Winkelverschiebung eines gehäusebezogenen Abgriffes um die zweite Empfindlichkeitsachse entgegenzuwirken, wobei die Winkelverschiebung eine Vektorkomponente der horizontalen Winkelgeschwindigkeit ergibt, und wobei die zweite Richtung von der ersten Richtung um einen bekannten Winkel abweicht, und dass die echte Nordrichtung in bezug auf die erste Richtung einer Empfindlichkeitsachse aus einer Verhältnisfunktion der Drehmomente berechnet wird, die erforderlich sind, um den Drehmomenten aufgrund der Winkelgeschwindigkeit der Erddrehung um die erste und die zweite Empfindlichkeitsachse entgegenzuwirken.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kreisel wenigstens einen einzigen Freiheitsgrad besitzt, und dass der Kreisel um seine vertikale Drehachse um einen Winkel von 90 ° gedreht wird, wobei dieser Schritt nach der Drehmomentbeaufschlagung des Kreisels um eine Empfindlichkeitsachse in einer ersten Richtung durchgeführt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die horizontale erste Richtung und die horizontale zweite Richtung senkrecht aufeinander stehen, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte im Anschluss an die Drehmomentbeaufschlagung des Kreisels um eine Empfindlichkeitsachse in der zweiten Richtung:

   der Abgriff und die Drehmomenterzeugungsvorrichtung des Kreisels werden um die vertikale Achse in einem Winkel von etwa 90 0 gedreht, so dass die erste Empfindlichkeitsachse in einer etwa horizontalen dritten Richtung verläuft, die sich um etwa 180 ° von der ersten Richtung unterscheidet, der Kreisel wird um die erste Empfindlichkeitsachse drehmomentbeaufschlagt, um der Winkélverschiebung entgegenzuwirken, die sich aus einer Vektorkomponente der horizontalen Winkelgeschwindigkeit um die erste Empfindlichkeitsachse ergibt, die in der dritten Richtung verläuft, und um Fehler in der Drehmomentbeaufschlagung um die erste Empfindlichkeitsachse aufzuheben, die in der ersten Richtung aufgrund eines Kreiselabgleichfehlers und der Abweichung von der orthogonalen Stellung zwischen der Drehachse des Kreisels und den Empfindlichkeitsachsen und aufgrund eines Kippwinkels der Drehachse gegenüber der Vertikalen oder eines Kippwinkels der Empfindlichkeitsachse gegenüber der Horizontalen auftreten, wenigstens der Abgriff und die Drehmomenterzeugungsvorrichtung des Kreisels um die Drehachse werden um einen Winkel von etwa 90 ° gedreht, so dass die erste Empfindlichkeitsachse in einer horizontalen vierten Richtung verläuft, die sich um 180 ° von der zweiten Richtung unterscheidet, der Kreisel wird um die erste Empfindlichkeitsachse drehmomentbeaufschlagt, um der Winkelverschiebung entgegenzuwirken, die sich aus einer Vektorkomponente der horizontalen Winkelgeschwindigkeit um die zweite Empfindlichkeitsachse ergibt, die in der vierten Richtung verläuft, und um Fehler in der Drehmomentbeaufschlagung um die erste Empfindlichkeitsachse aufzuheben, die in der zweiten Richtung verläuft, und zwar aufgrund eines Kreiselabgleichfehlers und einer Abweichung von der orthogonalen Stellung zwischen der Drehachse des Kreisels und den Empfindlichkeitsachsen und eines Kippwinkels der Drehachse gegenüber der Vertikalen sowie eines Kippwinkels der Spinachse gegenüber der Horizontalen, und es wird ein Verhältnis der algebraischen Dif-5 ferenz der Gegendrehmomente, die dem Kreisel um die erste Empfindlichkeitsachse in der ersten und dritten Richtung aufgegeben werden, zu der algebraischen Differenz der Drehmomente, die dem Kreisel um die zweite Empfindlichkeitsachse aufgegeben werden, welche in der zweiten und vierten Richtung ver-10 läuft gebildet.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Berechnungsschritt die Berechnung eines Arcustangen der Winkelverschiebung umfasst.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

   i5 dass der Berechnungsschritt die Berechnung eines Arcuscotan-gens der Winkelverschiebung umfasst.
6. 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kreisel zwei Freiheitsgrade mit aufeinander senkrecht stehenden Empfindlichkeitsachsen in der ersten und der zweiten

   20 Richtung aufweist, und dass die Drehmomentbeaufschlagung des Kreisels um die erste und die zweite Empfindlichkeitsachse, die in der ersten und der zweiten Richtung verlaufen, gleichzeitig durchgeführt wird.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Kreisel zwei Frei-25 heitsgrade besitzt und zwei aufeinander senkrecht stehende erste und zweite Empfindlichkeitsachsen aufweist, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte im Anschluss an die Drehmomentbeaufschlagung des Kreisels um die Empfindlichkeitsachsen in den ersten und zweiten Richtungen:

   30 der Kreisel wird um die Vertikale um einen Winkel von etwa 180 ° gedreht, so dass die erste Empfindlichkeitsachse in einer horizontalen dritten Richtung und die zweite Empfindlichkeitsachse in einer etwa horizontalen vierten Richtung verläuft, wobei die dritte Richtung sich von der ersten Richtung um etwa 35 180 ° und die vierte Richtung von der zweiten Richtung um etwa 180 ° unterscheidet, der Kreisel wird um die erste Empfindlichkeitsachse, die in der ersten Richtung verläuft, drehmomentbeaufschlagt, um Winkelverschiebungen entgegenzuwirken, die sich aus einer Vektorkomponente der horizontalen 40 Winkelgeschwindigkeit um die erste Empfindlichkeitsachse in der dritten Richtung ergeben, und um Fehler in der Drehmomentbildung um eine Empfindlichkeitsachse auszuschalten, die in der ersten Richtung verläuft, und zwar aufgrund eines Kreiselabgleichfehlers und einer Abweichung von der orthogonalen 45 Stellung zwischen der Drehachse des Kreisels und den Empfindlichkeitsachsen, und aufgrund eines Kippwinkels der Drehachse von der Vertikalen und eines Kippwinkels der Empfindlichkeitsachse von der Horizontalen, der Kreisel wird um die zweite Empfindlichkeitsachse, die in der vierten Richtung verläuft, 50 drehmomentbeaufschlagt, um einer Winkelverschiebung entgegenzuwirken, die sich aus einer Vektorkomponente der horizontalen Winkelgeschwindigkeit um die zweite Empfindlichkeitsachse in der vierten Richtung ergibt, und um Fehler in der Drehmomentbeaufschlagung um die zweite Empfindlichkeits-55 achse aufzuheben, die in der zweiten Richtung verläuft, und zwar aufgrund eines Kreiselabgleichfehlers und einer Abweichung von der orthogonalen Stellung zwischen der Drehachse des Kreisels und den Empfindlichkeitsachsen und aufgrund eines Kippwinkels der Drehachse von der Vertikalen und eines 60 Kippwinkels der Spinachse von der Vertikalen oder eines Kippwinkels der Empfindlichkeitsachse von der Horizontalen, und es wird ein Verhältnis der algebraischen Differenz der Gegendrehmomente, die dem Kreisel um die erste Empfindlichkeitsachse aufgegeben wird, welche in der ersten und dritten Richtung ver-65 läuft, zu der algebraischen Differenz der Drehmomente, die dem Kreisel um die zweite Empfindlichkeitsachse aufgegeben wird, welche in der zweiten und vierten Richtung verläuft, gebildet.

   625 338
8. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehmomentbeaufschlagung des Kreisels um Empfindlichkeitsachsen in der dritten und vierten Richtung gleichzeitig durchgeführt wird.
9. 9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des Winkels a zwischen einer horizontalen Richtung und der echten Nordrichtung eine erste Vektorkomponente ü)x der horizontalen Winkelgeschwindigkeit S2H um eine in einer horizontalen ersten Richtung verlaufende Achse X gemessen wird, dass wenigstens eine zweite Vektorkomponente (oy der horizontalen Winkelgeschwindigkeit QH um eine in einer horizontalen zweiten Richtung verlaufende Achse Y gemessen wird, wobei die erste Richtung sich von der zweiten Richtung um einen bekannten Winkel unterscheidet, und dass der Winkel a zwischen der Nordrichtung der horizontalen Komponente der Winkelgeschwindigkeit ßH der Erddrehung und einer der ersten und zweiten Richtungen im wesentlichen aus einem Verhältnis der ersten und zweiten gemessenen Vektorkomponente o)x, (oy der horizontalen Winkelgeschwindigkeit Qh berechnet wird.
10. 10. Gerät zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 1 zum Erzeugen eines Signales, aus welchem die echte Nordrichtung bestimmt werden kann, gekennzeichnet durch einen Rahmen, eine Vorrichtung zum Feststellen der Winkelgeschwindigkeit der Erddrehung um eine Empfindlichkeitsachse und zur Erzeugung eines der Winkelgeschwindigkeit entsprechenden Ausgangssignales, eine Vorrichtung zur Halterung der Abfühlvorrichtung am Rahmen des Gerätes mit einer Empfindlichkeitsachse der Abfühlvorrichtung, die an jeder Rotation in bezug auf den Rahmen in jeder im wesentlichen horizontalen ersten Richtung gehindert wird, wobei die Haltevorrichtung eine Vorrichtung zum Isolieren der Abfühlvorrichtung gegenüber geringen Drehungen um eine horizontale Achse des Rahmens in bezug auf die Erdoberfläche aufweist, wobei das Ausgangssignal den Winkel zwischen der ersten Richtung und der echten Nordrichtung anzeigt, und eine Vorrichtung zur Erzielung einer horizontalen Bezugsrichtung in bezug auf die erste Richtung der Empfindlichkeitsachse der Abfühlvorrichtung.
11. 11. Gerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung zum selektiven Drehen der Haltevorrichtung und der Abfühlvorrichtung um die Vertikale über wenigstens einen bekannten Winkel vorgesehen ist, um die Empfindlichkeitsachse der Abfühlvorrichtung in einer etwa horizontalen zweiten Richtung zu orientieren.
12. 12. Gerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung vorgesehen ist, mit deren Hilfe die Abfühlvorrichtung vorübergehend und lösbar in einer Position gehalten ist, in der die Empfindlichkeitsachse in der ersten Richtung orientiert ist, und die Abfühlvorrichtung vorübergehend und lösbar in einer Position gehalten ist, in der die Empfindlichkeitsachse in der zweiten Richtung orientiert ist.
13. 13. Gerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung die Abfühlvorrichtung selektiv so hält,

    dass die Empfindlichkeitsachse in einer Vielzahl von horizontalen Richtungen orientiert ist.
14. 14. Gerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung zum automatischen Berechnen von Winkeln vorgesehen ist, die auf die Messvorrichtung anspricht, um den Winkel zwischen einer der ersten und zweiten Richtungen der Empfindlichkeitsachse und der echten Nordrichtung zu bestimmen.
15. 15. Gerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Abfühlvorrichtung einen Kreisel mit wenigstens einem Freiheitsgrad und ferner eine Vorrichtung zur Begrenzung der Drehung der Isoliervorrichtung um die Vertikale aufweist, wobei der Kreisel auf der Isoliervorrichtung befestigt ist und die Drehachse in einer etwa vertikalen Richtung liegt.
16. 16. Gerät nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch einen Rahmen, einen Kreisel mit zwei Freiheitsgraden und zwei aufeinander senkrecht stehende Empfindlichkeitsachsen, wobei der Kreisel ein Trägheitsrad, eine Vorrichtung zur Anzeige der

    5 Winkelverschiebung des Trägheitsrades um die Empfindlichkeitsachsen und eine Vorrichtung zur Drehmomentbeaufschlagung des Trägheitsrades um die Empfindlichkeitsachsen aufweist, und die Drehmomenterzeugungsvorrichtung auf die Anzeigevorrichtung anspricht und Winkelverschiebungen der An-io Zeigevorrichtung um die Empfindlichkeitsachsen entgegenwirkt, die sich aus wenigstens einer Vektorkomponente der horizontalen Komponente der Winkelgeschwindigkeit der Erddrehung ergeben, eine Vorrichtung zur Halterung des Kreisels am Rahmen, wobei die Drehachse des Kreisels etwa vertikal und die 15 Empfindlichkeitsachsen in einer etwa horizontalen ersten Richtung orientiert sind, und wobei die Halterung den Kreisel gegenüber kleinen horizontalen Drehungen um eine horizontale Achse des Rahmens relativ zur Erdoberfläche abstützt, eine Vorrichtung zur Begrenzung der Drehung der Isoliervorrich-20 tung und des Kreisels um die Vertikale, eine Vorrichtung zur Messung des dem Kreisels angegebenen Drehmoments, um dem Kreisel eine Präzessionsbewegung aufzugeben, damit einer Winkelverschiebung entgegengewirkt wird, die sich aus einer Komponente der Drehgeschwindigkeit der Erde ergibt, und ei-25 ne Vorrichtung zur Erzielung einer horizontalen Bezugsrichtung in bezug auf die Richtung wenigstens einer der Empfindlichkeitsachsen des Kreisels.
17. 17. Gerät nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum automatischen Berechnen von Winkeln, die

    30 auf die Drehmomenterzeugungsvorrichtung ansprechen, um den Winkel zwischen der Richtung wenigstens einer der Empfindlichkeitsachsen des Kreisels und der echten Nordrichtung zu bestimmen.
18. 18. Gerät nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch eine

    35 Vorrichtung zum selektiven Drehen der Isoliervorrichtung und des Kreisels um wenigstens einen bekannten Winkel.
19. 19. Gerät nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Grösse des bekannten Winkels 180 ° beträgt.
20. 20. Gerät nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass 40 die Anzeigevorrichtung eine erste und eine zweite Abgriffvor-

    richtung aufweist, deren jede eine Winkelverschiebung des Kreisels um eine der Empfindlichkeitsachsen des Kreisels abfühlt, wobei die erste und die zweite Abgriffvorrichtung erste und zweite Abgriffsignale in Abhängigkeit von der Winkelver-45 Schiebung des Kreisels um eine Empfindlichkeitsachse erzeugen.
21. 21. Gerät nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehmomenterzeugungsvorrichtung erste und zweite Dreh-

    50 momenterzeugungseinrichtungen aufweist, von denen jede den Kreisel um eine der beiden Empfindlichkeitsachsen des Kreisels in Präzessionsbewegung versetzen kann.
22. 22. Gerät nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass erste und zweite Abgleichschaltungen vorgesehen sind, dass die

    55 erste Nachgleichschaltung mit der ersten Abgriffvorrichtung und der ersten Drehmomenterzeugungseinrichtung zur Kopplung des ersten Abgriffsignales mit der ersten Drehmomenterzeugungseinrichtung verbunden ist, dass die Drehmomenterzeugungsvorrichtung auf das erste Abgriffsignal anspricht, um 60 den Kreisel in einer Richtung mit Drehmoment zu beaufschlagen, die das erste Abgriffsignal auf Null bringt, dass die zweite Nachgleichschaltung mit der ersten Abgriffvorrichtung und der zweiten Drehmomenterzeugungseinrichtung verbunden ist, um das zweite Abgriffsignal mit der zweiten Drehmomenterzeu-65 gungseinrichtung zu koppeln, wobei die zweite Drehmomenterzeugungseinrichtung auf das zweite Abgriffsignal anspricht, um den Kreisel in einer Richtung mit Drehmoment zu beaufschlagen, in der das zweite Abgriffsignal Null wird.

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    4
23. 23. Gerät nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Nachgleichschaltungen digitale Schaltungen sind und dass die ersten und zweiten Abgriffsignale jeweils eine Impulsfolge darstellen.
24. 24. Gerät nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die automatisch arbeitende Berechnungseinrichtung eine Vorrichtung zur Bestimmung des Arcustangens eines Winkels a aufweist, dessen Tangens die eine Vektorkomponente der horizontalen Winkelgeschwindigkeit in Richtung einer Empfindlichkeitsachse des Kreisels dividiert durch die andere Vektorkomponente der horizontalen Winkelgeschwindigkeit in Richtung der anderen Empfindlichkeitsachse des Kreisels ist.
25. 25. Gerät nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterungsvorrichtung ein inneres Gehäuse (12) mit einem Flotationsmittel (20) aufweist, dass ein Schwimmer (18) in dem Flotationsmittel angeordnet ist, und dass der Kreisel auf dem Schwimmer so befestigt ist, dass seine Drehachse (25) eine etwa vertikale Orientierung hat (Fig. 4).
26. 26. Gerät nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung zwischen dem inneren Gehäuse (12) und dem Schwimmer (18) angeordnet ist.
27. 27. Gerät nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung wenigstens eine Membran (36) aufweist, die zwischen Schwimmer (18) und innerem Gehäuse (12) eingeschaltet ist, damit eine hohe Beweglichkeit um alle Achsen in einer horizontalen Ebene und eine Steifheit um eine Achse senkrecht zur horizontalen Ebene erzielt wird.
28. 28. Gerät nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Aufbau einer Bezugsrichtung einen auf dem Rahmen (10) befestigten Spiegel (38) aufweist und dass die Ebene des Spiegels senkrecht zur Richtung einer der Empfindlichkeitsachsen (27) liegt (Fig. 4).
29. 29. Gerät nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine automatische Berechnungsvorrichtung die Grösse eines Winkels a bestimmt, dessen Tangens gleich einer Vektorkomponente der horizontalen Winkeldrehgeschwindigkeit um eine Empfindlichkeitsachse des Kreisels dividiert durch eine Vektorkomponente der horizontalen Winkeldrehgeschwindigkeit um die andere Empfindlichkeitsachse des Kreisels ist.
30. 30. Gerät nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnungsvorrichtung aus dem Tangens einen Arcustangens zur Bestimmung des Winkels a berechnet.
31. 31. Gerät nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die automatische Berechnungsvorrichtung aus dem Tangens einen Arcuscotangens zur Bestimmung des Winkels a berechnet.
32. 32. Gerät nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum Messen einer ersten Komponente der horizontalen Drehgeschwindigkeit der Erde um eine in einer horizontalen ersten Richtung verlaufenden Achse, eine Vorrichtung zum Messen einer zweiten Komponente der horizontalen Drehgeschwindigkeit der Erde um eine Achse, die wenigstens einer horizontalen zweiten Richtung verläuft, wobei die zweite Richtung sich von der ersten Richtung um einen bekannten Winkel unterscheidet, und eine Vorrichtung zur Berechnung des Winkels zwischen der Nordrichtung der horizontalen Komponente der Drehgeschwindigkeit der Erde und einer der ersten und zweiten Richtungen von der ersten und zweiten gemessenen Komponente der horizontalen Drehgeschwindigkeit der Erde.
33. 33. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1, zur Bestimmung der geographischen Breite, dadurch gekennzeichnet, dass die geographische Breite des Standortes des Kreisels aus einer Funktion des Verhältnisses der Winkelgeschwindigkeit der Erddrehung dividiert durch die horizontale Winkelgeschwindigkeit, die auf den Kreisel einwirkt, berechnet wird.