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Dokumentenidentifikation DE10219861A1 07.11.2002
Titel Verfahren und Vorrichtung zur Langzeitnavigation
Anmelder SAGEM SA, Paris, FR
Erfinder Brunstein, Etienne, Eragny, FR;
Neytard, François, Eragny, FR
Vertreter Weickmann & Weickmann, 81679 München
DE-Anmeldedatum 03.05.2002
DE-Aktenzeichen 10219861
Offenlegungstag 07.11.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 07.11.2002
IPC-Hauptklasse G01C 21/16
IPC-Nebenklasse G01C 19/64   
Zusammenfassung Bei einem Verfahren zur Langzeitnavigation mit Hilfe eines Trägheitskerns (3), dem ein verbundenes Bezugssystem mit Achsen Xm, Ym, Zm zugeordnet ist und der auf einem Träger montiert ist, um dessen Bewegungen bezüglich eines geografischen Bezugssystems mit festen Richtungen entlang drei Achsen Yg, Yg, Zg zu messen, wird vorgeschlagen, dass es umfasst: Messschritte, bei denen mit Hilfe des Trägheitskerns (3) ständig eine Orientierung des verbundenen Bezugssystems mit dem geografischen Bezugssystem gemessen wird, sowie Positionierschritte, bei denen eine Folge von Zyklen von acht Drehungen des Trägheitskerns (3) vorgenommen wird, die jeweils die Achse Y in einer Richtung parallel zur Achse Ygh halten, wobei vor und nach einer Folge von zwei Drehungen um die Achse Xm eine Drehung um die Achse Zm erfolgt, wobei vor und nach einer Folge von zwei Drehungen um die Achse Zm eine Drehung um die Achse Xm erfolgt. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft die Langzeitnavigation eines Trägers mit Hilfe einer Trägheitsnavigationszentrale.

Man kennt verschiedene Typen von Trägern, wie z. B. Flugzeugen, Schiffen oder Landfahrzeugen, deren Navigation die Kenntnis ihrer Position, Geschwindigkeit und Lage (Kurs, Rollbewegung und Nickbewegung) erfordert.

Eine moderne Trägheitsnavigationszentrale umfasst im Allgemeinen Trägheitssensoren, wie z. B. Gyrometer und Beschleunigungsmesser, die fest am Träger angebracht sind. Man spricht von einer Zentrale "mit verbundenen Komponenten" (auf englisch "strapdown").

Die Gyrometer messen angulare Rotationen und ermöglichen die Regelung einer Analyseplattform derart, dass sie in einem geografischen Bezugssystem fest bleibt. Die Beschleunigungsmesser messen Beschleunigungen, wobei diese Messungen in diese Analyseplattform projeziert und dann ein erstes Mal integriert werden, um die Geschwindigkeit zu liefern, dann ein zweites Mal integriert werden, um die Position zu liefern. Die Lage wird aus drei Lagewinkeln des Trägerbezugsystems bezüglich des Bezugssystems der Analyseplattform erhalten.

Die Genauigkeit einer Trägheitsnavigationszentrale hängt direkt von den Fehlern der Trägheitssensoren ab (Gyrometer und Beschleunigungsmesser), insbesondere von der Projektion dieser Fehler in das örtliche geografische Bezugssystem.

Bei einer Navigationszentrale mit verbundenen Komponenten hängt die Projektion dieser Fehler wesentlich von der Bahn des Trägers ab, sie kann daher nicht beherrscht werden.

Die Präzision einer Navigationszentrale mit verbundenen Komponenten ist daher durch die inhärente Genauigkeit dieser Sensoren begrenzt. Im Fall einer Langzeitträgheitsnavigation hängen die Positionsfehler insbesondere von der Genauigkeit der Gyrometer ab.

Zur Verbesserung der Langzeitnavigationsgenauigkeit einer Trägheitszentrale mit verbundenen Komponenten betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Navigation mittels eines Trägheitskerns mit verbundenen Komponenten, der auf einer mechanischen Vorrichtung montiert ist, die es erlaubt, diesen Kern in verschiedenen aufeinanderfolgenden Positionen anzuordnen, um die in das örtliche geografische Bezugssystem projizierten Gyrometerfehler zu mitteln.

Die von der Trägheitszentrale mit verbundenen Komponenten am Ausgang gelieferten Lageinformationen ermöglichen die direkte Steuerung der mechanischen Vorrichtung, um den Kern nacheinander in verschiedenen Positionen anzuordnen, die bezüglich des örtlichen geografischen Bezugssystems im Wesentlichen fest sind.

Insbesondere schlägt die Erfindung ein Verfahren zur Langzeitnavigation mit Hilfe eines Trägheitskerns vor, dem ein verbundenes Bezugssystem mit Achsen Xm, Ym, Zm zugeordnet ist und der auf einem Träger montiert ist, um dessen Bewegungen bezüglich eines geografischen Bezugssystems mit festen Richtungen entlang drei Achsen Xg, Yg, Zg zu messen, dadurch gekennzeichnet, dass es umfasst:

  • - Messschritte, bei denen mit Hilfe des Trägheitskerns ständig eine Orientierung des verbundenen Bezugssystems mit dem geografischen Bezugssystem gemessen wird;
  • - Positionierschritte, bei denen eine Folge von Zyklen von acht Drehungen des Trägheitskerns vorgenommen wird, die jeweils die Achse Ym in einer Richtung parallel zur Achse Yg halten, wobei vor und nach einer Folge von zwei Drehungen um die Achse Xm eine Drehung um die Achse Zm erfolgt, wobei vor und nach einer Folge von zwei Drehungen um die Achse Zm eine Drehung um die Achse Xm erfolgt.

Die Positionierschritte erlauben das Kompensieren der Messfehler durch Invertieren des Vorzeichens entlang der Achse Ym bei jeder Drehung, durch Invertieren des Vorzeichens entlang der Achse Xm bei jeder Drehung um die Achse Zm und durch Invertieren des Vorzeichens entlang der Achse Zm bei jeder Drehung um die Achse Xm.

Die ständig durchgeführten Messschritte ermöglichen dann das gegenseitige Kompensieren der Fehler auf jeder der Achsen Xm, Ym und Zm des verbundenen Bezugssystems, um die Fehlerprojektionen auf den Achsen Xg, Yg, Zg durch Mittelung ihres Auftretens während eines Zyklus zu verringern.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Langzeitnavigation mittels eines Trägheitskerns, der auf einem Träger montiert ist, um Bewegungen bezüglich eines geografischen Bezugssystems mit festen Richtungen entlang drei Achsen Xg, Yg, Zg zu messen, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen ersten Motor zum Drehen eines Kardangelenks um eine mit dem Träger verbundene erste materielle Achse umfasst, einen zweiten Motor zum Drehen des Trägheitskerns um eine zur ersten materiellen Achse orthogonale und mit dem Kardangelenk verbundene zweite materielle Achse sowie einen Prozessor zum Steuern/Regeln des ersten und des zweiten Motors durch Ausführen eines Programms, welches eine Folge von Zyklen von acht Drehungen des Trägheitskerns durchführt, die jeweils eine mit dem Trägheitskern verbundene Achse Ym in einer Richtung parallel zur Achse Yg halten, wobei vor und nach einer Folge von zwei Drehungen um die erste materielle Achse eine Drehung um die zweite materielle Achse erfolgt, und wobei vor und nach einer Folge von zwei Drehungen um die zweite materielle Achse eine Drehung um die erste materielle Achse erfolgt.

Der erste Motor erlaubt es, den Trägheitskern in einer die Achse Yg enthaltenden Ebene zu halten, um jede Position des Trägheitskerns unabhängig von Kursänderungen des Trägers zu machen. Der zweite Motor ermöglicht es, die Achse Ym horizontal zu halten.

Zahlreiche Details und Vorteile der Erfindung werden mit Hilfe eines Ausführungsbeispiels besser verstanden werden, das nachfolgend mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben wird, in denen:

  • - Fig. 1 die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer speziellen Anfangsposition zeigt;
  • - die Fig. 2 bis 5 jeweils die Vorrichtung in einer Position nach einer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens möglichen Rotation zeigen;
  • - Fig. 6 ein Steuer/Regelschema der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist.

In Fig. 1 ist eine Plattform 1 mit einem Träger, wie z. B. einem Schiff fest verbunden. Die Plattform 1 trägt ein Kardangelenk 2, um drei Achsen Xm, Ym, Zm eines mit einem Trägheitskern 3 verbundenen Bezugssystems in Richtungen zu halten, die im Wesentlichen parallel zu drei Achsen Xg, Yg, Zg eines festen geographischen Bezugssystems sind. Die Achsen Xg und Yg sind in der Horizontalebene nach Norden bzw. Westen orientiert, die Achse Zg ist vertikal nach oben orientiert.

Ein erster Rotationsfreiheitsgrad ist durch eine mit dem Träger verbundene materielle Achse 4 gegeben. Ein Motor 5 ermöglicht die Drehung der Achse 4, um Auswirkungen von Kursänderungen des Trägers zu beseitigen.

Ein zweiter Rotationsfreiheitsgrad ist durch eine mit dem Trägheitskern 3 verbundene materielle Achse 6 gegeben. Ein Motor 7 ermöglicht die Drehung der Achse 6, um die Auswirkungen der Rotation des Trägers um die Achse 6 zu beseitigen. Eine Kombination der Drehungen der materiellen Achsen 4 und 6 ermöglicht es somit, die Achse Ym ständig in einer zur Achse Yg im Wesentlichen parallelen Richtung zu halten.

Ein dritter Rotationsfreiheitsgrad ist durch eine zur materiellen Achse 4 und zur materiellen Achse 6 orthogonale dritte materielle Achse 14 gegeben. Ein Motor 8 ermöglicht die Drehung der dritten Achse 14, um die Rotationen des Trägers um die Achse 14 auszugleichen. Eine Kombination der Rotationen der materiellen Achse 4 und 14 ermöglicht es somit, die Achse Xm ständig in einer zur Achse Xg im Wesentlichen parallelen Richtung zu halten.

Wenn die Achsen Xm und Ym in zu den Achsen Xg bzw. Yg parallelen Richtungen gehalten werden, wird zwangsläufig die Achse Zm in einer zur Achse Zg parallelen Richtung gehalten.

Der Trägheitskern 3 umfasst drei Sensoren 9, 10, 11, die jeweils die Funktionen eines Gyrometers und eines Beschleunigungsmessers erfüllen. Der Sensor 9 misst die Beschleunigungen des Trägheitskerns 3 in der Richtung der Achse Ym und die Drehungen des Trägheitskerns 3 um die Achse Ym. Der Sensor 10 misst die Beschleunigungen des Trägheitskerns 3 in der Richtung der Achse Xm und die Drehungen des Trägheitskerns 3 um die Achse Xm. Der Sensor 11 misst die Beschleunigungen des Trägheitskerns 3 in der Richtung der Achse Zm und die Drehungen des Trägheitskerns 3 um die Achse Zm.

Die Gyrometerfunktionen der Sensoren 9, 10, 11 erlauben die Messung der Drehwinkel des Trägheitskerns 3 um jede der drei Achsen Xg, Yg, Zg. Aus den gemessenen Drehwinkeln können somit Drehwinkel des Trägers berechnet werden.

Die Beschleunigungsmesserfunktionen jedes der Sensoren 9, 10, 11 ermöglichen die Messung der Beschleunigung des Trägheitskerns in jeder der Richtungen entlang den Achsen Xm, Ym, Zm. Man kann daher die Beschleunigungen des Trägers entlang den Achsen Xg, Yg, Zg des geografischen Bezugssystems aus den gemessenen Beschleunigungen herleiten, dann durch Integration auch die Geschwindigkeit, und durch doppelte Integration die Position des Trägers im geografischen Bezugssystems Xg, Yg, Zg.

Jede der von den Sensoren 9, 10, 11 durchgeführten Winkelmessungen unterliegt Driftfehlern, Skalenfaktorfehlern und Achseneinstellfehlern.

Der Driftfehler hängt mit einer Nullpunktverschiebung der Messung zusammen (auf englisch "offset"), wobei eine Größe "0" nicht genau am Nullpunkt gemessen wird. Diese Abweichung ist im Allgemeinen im gesamten Messbereich konstant. Der Wert des Driftfehlers wird bei der Achse Xm als Dx, bei der Achse Ym als Dy und bei der Achse Zm als Dz bezeichnet.

Der Skalenfaktorfehler ist der Fehler des Multiplikatorkoeffizienten der Messung. Der Wert des Skalenfaktorfehlers wird bei der Achse Xm als Fx, bei der Achse Ym als Fy und bei der Achse Zm als Fz bezeichnet.

Die Einstellfehler folgen aus der Tatsache, dass die drei Achsen Xm, Ym, Zm nicht perfekt orthogonal zueiander sind. Der Orthogonalitätsfehler zwischen den Achsen Xm und Ym wird als Cxy bezeichnet, der Orthogonalitätsfehler zwischen den Achsen Ym und Zm als Cyz, und der Orthogonalitätsfehler zwischen den Achsen Zm und Xm als Czx.

Um die Auswirkungen dieser Fehler auf die Navigationsgenauigkeit zu verringern, wird der Trägheitskern 3 periodisch gedreht, um das Fehlervorzeichen zu wechseln. Durch Mittelung der Projektionen der verschiedenen Messfehler im örtlichen geografischen Bezugssystem Xg, Yg, Zg wird somit eine positive Fehleranhäufung durch eine negative Fehleranhäufung während einer Integrationsdauer verringert, die für Messungen mit entgegengesetztem Vorzeichen identisch ist.

Die Drehung der Sensoren erfolgt durch Rotation der materiellen Achsen 4 und 6. Diejenigen Drehwerte, die die Mittelung der Fehler mit einer minimalen Anzahl von Elementarpositionen erlauben, sind Rotationen um +π oder -π um verschiedene Achsen.

Ausgehend von der in Fig. 1 dargestellten Anfangsposition ist eine erste mögliche Rotation durch das Paar [γ(0), β(0)] gegeben, d. h. jenem Paar, das einer Nullrotation entspricht. Die Orientierung der Sensoren und somit die Orientierung der Fehler wird hierbei beibehalten.

Eine zweite und eine dritte mögliche Rotation sind jene, die durch die Paare [γ(0), β(+π)] und [γ(0), β(-π)] gegeben sind. Das für jede dieser Rotationen gleiche Endergebnis ist in Fig. 2 dargestellt. Nur die Drehrichtung des Winkels β unterscheidet sich, was im Übergangsbereich beim Übergang von einer Anfangsposition zur Endposition unterschiedliche Auswirkungen hat.

In Fig. 2 ist der Trägheitskern 3 um 180°, d. h. um π radiant, um die Achse 6 gedreht, sodass sich die Sensoren nun an der Unterseite des Trägheitskerns 3 befinden. Der Sensor 10 bleibt derart orientiert, das er Messungen entlang der Achse Xm vornimmt ohne Vorzeichenänderung der Fehler relativ zur Achse Xg. Der Sensor 11 bleibt so orientiert, dass er Messungen entlang der Achse Zm vornimmt, mit Vorzeichenänderung der Fehler relativ zur Achse Zg. Der Sensor 9 ist nicht mehr zu erkennen, da er durch das Volumen des Trägheitskerns 3 verdeckt ist. Man versteht jedoch leicht, dass der Sensor 9 so orientiert bleibt, dass er Messungen entlang der Achse Ym vornimmt, mit Vorzeichenänderung der Fehler relativ zur Achse Yg. Ein Fehler, der bei der Messung der Sensoren 9 und 11 in ihrer Anordnung gemäß Fig. 1 hinzukommt bzw. abgezogen wird, wird bei der Messung der Sensoren 9 und 11 in ihrer Anordnung gemäß Fig. 2 abgezogen bzw. kommt hinzu. Ein Fehler, der bei der Messung des Sensors 10 in der Anordnung nach Fig. 1 hinzukommt bzw. abgezogen wird, kommt bei der Messung des Sensors 10 in seiner Anordnung nach Fig. 2 weiterhin hinzu bzw. wird weiterhin abgezogen.

Eine vierte und eine fünfte mögliche Rotation sind durch die Paare [γ(+π), β(0)] und [γ(-π), β(0)] gegeben. Das für diese beiden Rotationen identische Endergebnis ist in Fig. 3 ausgehend von Fig. 1 als Anfangsposition, dargestellt. Man versteht leicht, dass das Endergebnis unterschiedlich wäre, wenn man von einer anderen Anfangsposition ausgehen würde, beispielsweise jener gemäß Fig. 2.

In Fig. 3 ist der Trägheitskern 3 um 180° um die Achse 4 gedreht, sodass die Sensoren an der Oberseite des Trägheitskerns 3 bleiben. Der Sensor 10 bleibt derart orientiert, dass er Messungen entlang der Achse Xm vornimmt, und zwar mit Vorzeichenänderung der Fehlerprojektionen auf die Achse Xg. Der Sensor 11 bleibt derart orientiert, dass er Messungen entlang der Achse Zm vornimmt, ohne Vorzeichenänderung der Fehlerprojektionen auf die Achse Zg. Der Sensor 9 bleibt derart orientiert, dass er Messungen entlang der Achse Ym vornimmt, mit Vorzeichenänderung der Fehlerprojektionen auf die Achse Yg. Ein Fehler, der bei der Messung der Sensoren 9 und 10 in ihrer Anfangsanordnung hinzukommt bzw. abgezogen wird, wird bei der Messung der Sensoren 9und 10 in ihrer Endanordnung abgezogen bzw. kommt hinzu. Ein Fehler, der bei der Messung des Sensors 11 in seiner Anfangsanordnung hinzukommt bzw. abgezogen wird, kommt bei der Messung des Sensors 11 in seiner Endanordnung weiterhin hinzu bzw. wird weiterhin abgezogen.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt eine zyklische Abfolge von Rotationen des Trägheitskerns 3, die aus den fünf vorstehend genannten ausgewählt sind, und zwar gemäß programmierter Sequenzen zur Rotation der materiellen Achsen 4 und 6 mittels der Motoren 5 bzw. 7. Zum Invertieren des Vorzeichens der Projektionen jedes Fehlers auf die Achsen des örtlichen geografischen Bezugssystems Xg, Yg, Zg sind vier Rotationen ausreichend. Zwei Rotationen um die Achse Xm invertieren die Fehlerprojektionen relativ zu den Achsen Yg und Zg und bringen sie in die Anfangsposition zurück. Zwei Rotationen um die Achse Zm invertieren die Fehlerprojektionen relativ zu den Achsen Zg und Xg und bringen sie in die Anfangsposition zurück. Allerdings bewirken die Rotationen selbst bestimmte Fehler, hauptsächlich durch den Effekt von Skalenfaktor- und Achseneinstellfehlern. Zur Mittelung der durch die Drehungen selbst ausgelösten Fehler ist jeder Zyklus durch eine Serie von acht Rotationen zusammengesetzt, die den Trägheitskern 3 am Zyklusende in die Anfangsposition am Zyklusbeginn zurückbringen. Bei der Serie ist jede Wahl von Rotationen aus den fünf vorstehend genannten Rotationen möglich. Somit bestehen 58, d. h. 390.625 mögliche Rotationsserien für einen Zyklus.

Aus allen möglichen Serien wurden neun Basisserien ausgewählt, um gleichzeitig die Drift-, Skalenfaktor- und Einstelleffekte zu verringern. Während eines Zyklus ist die Dauer Δt einer Rotation zum Übergang von einer Anfangsposition in eine Endposition bei allen Rotationen der Serie identisch. Typischerweise beträgt die Dauer Δt einige Sekunden. Am Ende jeder Rotation wird der Trägheitskern 3 während eines Zeitintervalls in seiner Endposition gehalten, das bis auf Δt gleich einem Achtel der Zykluszeit Tc ist, bevor die nächste Rotation der Serie erfolgt, deren Ausgangsposition die Endposition der vorangegangen Rotation ist. Typischerweise beträgt eine Zykluszeit mehrere Minuten. Am Ende eines Zyklus wird ein neuer Rotationszyklus durchlaufen, und zwar mit der gleichen Serie wie beim vorangegangen Zyklus oder mit einer anderen Serie, die auf der Basis der neun vorgeschlagenen Serien ausgewählt ist.

Die neun Basisserien sind in Tabelle 1 angegeben, deren erste Zeile die acht Rotationen Rot1 bis Rot8 eines Zyklus aufführt. Die zweite Zeile gibt die Positionen des Trägheitskerns am Anfang und am Ende jeder Rotation bezogen auf das örtliche geografische Bezugssystem Xg, Yg, Zg an. Xn gibt an, dass die Achse Xm nach Norden gerichtet ist. Xs gibt an, dass die Achse Xm nach Süden gerichtet ist. Yo gibt an, dass die Achse Ym nach Westen gerichtet ist. Ye gibt an, dass die Achse Ym nach Osten gerichtet ist. Zh gibt an, dass die Achse Zm nach oben gerichtet ist. Zb gibt an, dass die Achse Zm nach unten gerichtet ist. Die folgenden Zeilen führen die Serien S1 bis S9 auf, wobei γ(+π) eine Rotation um +π Radiant um die Achse Zm angibt und γ(-π) eine Rotation um -π Radiant um die Achse Zm angibt. Ebenso gibt β(+π) eine Rotation um +π Radiant um die Achse Xm an, und β(-π) gibt eine Rotation um -π Radiant um die Achse Xm an. Tabelle 1



Diesen Serien ist gemeinsam, dass alle Rotationen eine Drehung betreffen, d. h. eine Rotation um π-Radiant (180°). Man erkennt eine solche Drehung in einer Ebene orthogonal zur Achse Zm, worauf eine Drehung in einer Ebene orthogonal zur Achse Xm folgt, worauf zwei Drehungen in der Ebene orthogonal zur Achse Zm folgen, worauf eine Drehung in der Ebene orthogonal zur Achse Xm folgt, worauf eine Drehung in der Ebene orthogonal zur Achse Zm folgt, worauf zwei Drehungen in der Ebene orthogonal zur Achse Xm folgen.

Betrachtet man eine Folge von zwei Drehungen Rot7, Rot8, um die Achse Xm, so geht dieser eine Drehung Rot6 voraus, und ihr folgt eine Drehung Rot1 des nachfolgenden Zyklus um die Achse Zm. Betrachtet man eine Folge von zwei Drehungen Rot3, Rot4 um die Achse Zm, so geht ihr eine Drehung Rot2 voraus, und ihr folgt eine Drehung Rot5 um die Achse Xm.

Somit weisen die Fehlerprojektionen entlang der Achse Zg im ersten Zeitintervall, das der ersten Drehung vorausgeht, ein erstes Vorzeichen auf, und das entgegengesetzte Vorzeichen während dreier Zeitintervalle, die der fünften Drehung vorausgehen, erneut das erste Vorzeichen während zweier Zeitintervalle, die der siebten Drehung vorausgehen, das entgegengesetzte Vorzeichen während des Zeitintervalls, das der achten Drehung vorausgeht, und erneut das erste Vorzeichen während des Zeitintervalls, welches der achten Drehung folgt. Die Fehlerprojektionen entlang der Achse Zg weisen ein erstes Vorzeichen während vier Zeitintervallen auf, und das entgegengesetzte Vorzeichen während vier Zeitintervallen. Die Mittelung der Fehlerprojektionen entlang der Achse Zg tendiert dazu, sich während eines Zyklus aufzuheben.

Die Fehlerprojektionen entlang der Achse Xg weisen anfänglich vor der ersten Drehung ein erstes Vorzeichen auf, dann das entgegengesetzte Vorzeichen während zweier Zeitintervalle, die der dritten Drehung vorausgehen, erneut das erste Vorzeichen während des Zeitintervalls, das der vierten Drehung vorausgeht, das entgegengesetzte Vorzeichen während zweier Zeitintervalle, die der sechsten Drehung vorausgehen, erneut das erste Vorzeichen während zweier Zeitintervalle, die der achten Drehung vorausgehen, und erneut das erste Vorzeichen während eines Zeitintervalls, das der achten Drehung folgt. Die Fehlerprojektionen entlang der Achse Xg weisen das erste Vorzeichen während vier Zeitintervallen und das entgegengesetzte Vorzeichen während vier Zeitintervallen auf. Die Mittelung der Fehlerprojektionen entlang der Achse Xg tendiert dazu, sich während eines Zyklus aufzuheben.

Die Fehlerprojektionen entlang der Achse Yg ändern bei jeder Drehung ihr Vorzeichen. Die Fehler entlang der Achse Yg, die alternierend ein erstes Vorzeichen und das entgegengesetzte Vorzeichen aufweisen, tendieren somit dazu, sich während eines Zyklus aufzuheben.

Programmierte Sequenzen werden durch einen Prozessor, vorzugsweise einen schnellen Prozessor, ausgeführt, der in bekannter Weise die Motoren 5 und 7 steuert, um die Drehungen zu bewirken.

Wenn sich auch die Fehlerprojektionen global während der Intervalle eines Zyklus kompensieren, bei denen der Trägheitskern in einer festen Position zwischen zwei Rotationen gehalten wird, so kompensieren sie sich jedoch nicht a priori während der Rotationen. Während jeder Dauer Δt bewirkt eine Rotation Restfehler bei der Winkelmessung, insbesondere wegen der Skalenfaktor- und Achseneinstellfehler der Gyrometer. Die Fertigungs- und Montagetoleranzen der Gyrometer erlauben eine Abschätzung der Werte der Driftfehler Dx, Dy, Dz, der Skalenfaktorfehler Fx, Fy, Fz und der Achseneinstellfehler Cyz, Czx, Cxy. Man kann daher die Restfehler berechnen, indem man während jeder Dauer Δt einer Rotation dem Fachmann bekannte Fehlerberechnungsformeln integriert. Durch Aufsummieren jedes Typs von Restfehlerprojektion während der Gesamtheit der Rotationsdauern Δt eines Zyklus und durch Dividieren des erhaltenen Ergebnisses durch die Gesamtdauer eines Zyklus erhält man einen Mittelwert jedes Fehlerprojektionstyps während eines Zyklus. Führt man eine Folge von Zyklen durch, wie vorstehend beschrieben, so berechnen sich die Restfehlerterme, die an den verschiedenen Achsen auftreten, gemäß der nachfolgenden Tabelle 2: Tabelle 2



Für jede Serie von Drehungen sind die Koeffizienten kdx, kdy, kdz Konstanten, die unabhängig sind von den Driftfehlern Dx, Dy, Dz, die Koeffizienten kfx, kfz sind Konstanten, die unabhängig sind von den Skalenfaktorfehlern Fx, Fy, Fz, die Koeffizienten kcx, kcy, kcz sind Konstanten, die unabhängig sind von den Einstellfehlern Cyz, Czx, Cxy. Die Koeffizienten Cx, Cy, Cz sind Linearkombinationen der Einsteilfehler Cyz, Czx, Cxy.

Wählt man die Dauer fit einer Drehung kurz im Vergleich zur Zykluszeit Tc, so kann man ein sehr kleines Verhältnis Δt/Tc erhalten. Da man feststellt, dass die Terme Dx, Dy, Dz, die die Drift betreffen, mit diesem Verhältnis multipliziert werden, ist der Drift-bedingte Restfehler gering. Da ferner die die Einstellung betreffenden Terme Cx, Cy, Cz mit diesem Verhältnis und mit der Erdrotationsgeschwindigkeit Ω multipliziert werden, ist der Einstellungs-bedingte Restfehler gering. Der Fehler aufgrund der Skalenfaktoren Fx, Fz wird durch die Drehungen des Trägheitskerns 3 nicht verschlechtert. Da die Skalenfaktoren Fx, Fz mit der Erdrotationsgeschwindigkeit Q multipliziert werden, ist der Skalenfaktorbedingte Restfehler kleiner als in einer Anordnung, bei der der Trägheitskern 3 starr ohne Kardangelenke am Träger befestigt ist ("strapdown"). Die Erdrotationsgeschwindigkeit Ω ist nämlich klein verglichen mit den Bewegungen des Trägers, insbesondere den Kursbewegungen. Ferner ist kein Fehler proportional zur Geschwindigkeit der Drehungen, die daher erhöht werden kann, um das Verhältnis Δt/Tc zu verringern.

Diese bemerkenswerten Eigenschaften gelten für konstante Werte während eines Drehzyklus. In erster Ordnung bleiben diese Eigenschaften bei bezüglich der Zyklusdauer langsam variablen Größen erhalten.

Dank der vorstehend beschriebenen Mechanisierung und der Drehzyklen wird der Einfluss der verschiedenen Fehlerterme beträchtlich verringert. Daher ist die Langzeitstabilität der Gyrometer kein begrenzendes Kriterium mehr bei diesen Anwendungen.

Die Lehre der Erfindung ist nicht auf Gyrometer beschränkt, sie ist ebenso auf Beschleunigungsmesser anwendbar. Die grundlegenden Fehler von Beschleunigungsmessern (Schräge, Skalenfaktor und Achseneinstellungen) werden ebenfalls durch Projektion in das örtliche geografische Bezugssystem gemittelt.

Das vorstehend beschriebene Verfahren, das angewandt wird, um den Trägheitskern 3 in eine Folge von festen Positionen bezüglich des durch die Achsen Xg, Yg, Zg bestimmten örtlichen geografischen Koordinatensystems G zu bringen, erlaubt die Ausweitung des Einsatzes von Gyrometern und/oder Beschleunigungsmessern, die normalerweise in starr auf einem Träger befestigten Zentralen verwendet werden (auf englisch "strapdown"), d. h. bei kürzeren Dauern, auf Langzeitanwendungen.

Die Erfindung ist nicht auf das oben beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Man erhält die gleichen Ergebnisse durch Invertieren der Richtung aller Rotationen des Winkels γ und/oder Invertieren der Richtung aller Rotationen des Winkels β, d. h. wenn man in den Serien γ(+π) durch γ(-π) und umgekehrt ersetzt, und/oder β(+π) durch β(-π) und umgekehrt. Ebenso bleiben die erhaltenen Ergebnisse unverändert bei einer zyklischen Vertauschung der Reihenfolge der Drehungen, die neun Basislösungen sind identisch, wenn sie in ihrer Gesamtheit ausgehend von einer der zweiten bis achten Drehung durchgeführt werden und bei der vorstehenden Drehung enden, wie in der Beschreibung erläutert.

In der Ausführungsform der Fig. 4 ist das Kardangelenk mit drei materiellen Drehachsen durch ein Kardangelenk 2' mit zwei Drehachsen 4 und 6 ersetzt. Nur die vertikale Achse 4 entlang Zm und die horizontale Achse 6 entlang Xm sind hier beibehalten worden. Dieser vereinfachte Aufbau erlaubt es, die vorstehend beschriebenen Drehungen mittels der gleichen Motoren 5 und 7 durchzuführen.

Wie man in Fig. 5 erkennen kann, erlaubt das Kardangelenk 2' keine Kompensierung eines Kippens der Achsen Xm und Zm um einen Winkel α bezüglich der Achse Xg bzw. der Achse Zg. Dennnoch ist es durch eine Kombination von Rotationen um die Achse Xm und die Achse Zm weiterhin möglich, die Achse Ym in einer Richtung parallel zur Achse Yg zu halten. Die Zunahme des Mittelwerts der Fehlerprojektionen relativ zu den Achsen Xg und Zg bleibt gering, solange der Winkel α klein bleibt. Andererseits oszillieren beispielsweise im Fall eines Schiffs die Achsen Xm und Zm im Allgemeinen mit quasi konstanter Amplitude und Frequenz, was es erlaubt, in erster Näherung die Achsen Xm und Zm im Mittel während eines Zyklus als parallel zu den Achsen Xg bzw. Zg anzusehen.

Wie in Fig. 6 gezeigt, empfängt ein Prozessor 12 die Messwerte der Sensoren 9, 10, 11, und berechnet mit Hilfe dieser Messwerte drei Lagewinkel durch Ausführen eines ersten Trägheitsnavigationsprogramms vom Typ mit verbundenen Komponenten ("strapdown"). Ein erster Lagewinkel ist der Winkel α, dessen Achsen Zm, Xm von den Achsen Zg, Xg in ein- und derselben Ebene abweichen. Ein zweiter Lagewinkel ist der Winkel β, dessen Achsen Ym, Zm von den Achsen Yg, Zg in ein- und derselben Ebene abweichen. Ein dritter Lagewinkel ist der Winkel y, dessen Achse Xm, Ym von den Achsen Xg, Yg in ein- und derselben Ebene abweichen.

Der Prozessor 12 steuert wenigstens die Motoren 5 und 7 durch Ausführen eines zweiten, in einem Speicher 13 enthaltenen Programms. Das Programm berücksichtigt die vom ersten Programm berechneten Lagewinkel, um den Trägheitskern 3 in der jeweiligen stabilen Position zu regeln.

Das Programm enthält die vorstehend beschriebenen Basisserien, um die Drehungen gemäß den Zyklen entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren durchzuführen.

Durch Drehen der Motoren 5 und 7 um einen Winkel von 180° gemäß einem Zyklus entsprechend einem erfindungsgemäßen Verfahren ermöglicht es das Programm, die Fehlerprojektionen auf den drei Achsen Xg, Yg und Zg alternierend in einer Richtung und in einer entgegengesetzten Richtung auftreten zu lassen, damit sich diese Fehlerprojektionen im Mittel während eines Zyklus gegenseitig aufheben.

Wenn der Prozessor 12 nur die Motoren 5 und 7 steuert, so kompensieren alternierende Rotationen mit geringer Amplitude um die Achse Ym die Fehler in einer Richtung und in der anderen im Mittel während jedes Zeitintervalls einer stabilen Position und im Mittel während eines Zyklus.

Die Vorrichtung wird weiter verbessert, wenn der Prozessor 12 den Motor 8 durch Ausführen eines speziell hierfür vorgesehenen Programms steuert, um den Trägheitskern 3 in jeder Position stabil zur Achse Yg und ferner auch zu den Achsen Xg und Zg zu halten.

Zusammengefasst lässt sich die Erfindung wie folgt beschreiben: Mit Hilfe eines Trägheitskerns 3, der auf einem Träger montiert ist, um dessen Bewegungen bezüglich eines geografischen Bezugssystems mit festen Richtungen entlang drei Achsen Xg, Yg, Zg zu messen, umfasst das erfindungsgemäße Verfahren unter anderem Schritte, die darin bestehen, ständig mit Hilfe des Trägheitskerns 3 eine Orientierung eines mit dem Trägheitskern verbundenen Bezugssystems Xm, Ym, Zm relativ zum geografischen Bezugssystem zu messen, ferner Positionierschritte, die darin bestehen, eine Verkettung, d. h. eine Abfolge von Zyklen von acht Drehungen des Trägheitskerns 3 durchzuführen, die jeweils die Achse Ym in einer zur Achse Yg parallelen Richtung halten, wobei vor und nach einer Folge von zwei Drehungen um die Achse Xm eine Drehung um die Achse Zm erfolgt, wobei vor und nach einer Folge von zwei Drehungen um die Achse Zm eine Drehung um die Achse Xm erfolgt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst einen ersten Motor 5 zum Drehen eines Kardangelenks 2 um eine mit dem Träger verbundene erste materielle Achse 4, einen zweiten Motor 7 zum Drehen des Trägheitskerns 3 um eine zur ersten materiellen Achse 4 orthogonale und mit dem Kardangelenk 2 verbundene zweite materielle Achse 6, sowie einen Prozessor 12 zum Berechnen von drei Lagewinkeln durch Ausführen eines ersten Trägheitsnavigationsprogramms vom Typ mit verbundenen Komponenten und zum Steuern/Regeln des ersten und zweiten Motors 5 bzw. 7 durch Ausführen eines zweiten Programms, welches unter Verwendung der berechneten Lagewinkel den Trägheitskern 3 in einer Folge von Winkelpositionen anordnet, die stabil sind bezüglich des Bezugssystems mit festen Richtungen, wobei dieses Anordnen gemäß einer Abfolge von Zyklen mit acht Drehungen des Trägheitskerns 3 in wenigstens zwei orthogonalen Ebenen erfolgt, jede mit konstanter Orientierung im Bezugssystem mit festen Richtungen.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Langzeitnavigation mit Hilfe eines Trägheitskerns (3), dem ein verbundenes Bezugssystem mit Achsen Xm, Ym, Zm zugeordnet ist und der auf einem Träger montiert ist, um dessen Bewegungen bezüglich eines geografischen Bezugssystems mit festen Richtungen entlang drei Achsen Xg, Yg, Zg zu messen, dadurch gekennzeichnet, dass es umfasst:

    Messschritte, bei denen mit Hilfe des Trägheitskerns (3) ständig eine Orientierung des verbundenen Bezugssystems mit dem geografischen Bezugssystem gemessen wird;

    Positionierschritte, bei denen eine Folge von Zyklen von acht Drehungen des Trägheitskerns (3) vorgenommen wird, die jeweils die Achse Ym in einer Richtung parallel zur Achse Yg halten, wobei vor und nach einer Folge von zwei Drehungen um die Achse Xm eine Drehung um die Achse Zm erfolgt, wobei vor und nach einer Folge von zwei Drehungen um die Achse Zm eine Drehung um die Achse Xm erfolgt.
  2. 2. Verfahren zur Langzeitnavigation nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zyklus eine Drehung in einer ersten Ebene umfasst, worauf eine Drehung in einer zweiten Ebene folgt, worauf zwei Drehungen in der ersten Ebene folgen, worauf eine Drehung in der zweiten Ebene folgt, worauf eine Drehung in der ersten Ebene folgt, worauf zwei Drehungen in der zweiten Ebene folgen.
  3. 3. Verfahren zur Langzeitnavigation nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ebene orthogonal zur Achse Z mit vertikaler Richtung ist, und dass die zweite Ebene orthogonal zur Achse Y ist.
  4. 4. Verfahren zur Langzeitnavigation nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es Schritte zum Festhalten der Achsen Xm, Ym, Zm in zu den Achsen Xg, Yg, Zg parallelen Richtungen umfasst.
  5. 5. Vorrichtung zur Langzeitnavigation mit Hilfe eines Trägheitskerns (3), der auf einem Träger montiert ist, um dessen Bewegungen bezüglich eines Bezugssystems mit festen Richtungen entlang drei Achsen Xg, Yg, Zg zu messen, dadurch gekennzeichnet, dass sie umfasst:

    einen ersten Motor (5) zum Drehen eines Kardangelenks (2) um eine mit dem Träger verbundene erste materielle Achse (4);

    einen zweiten Motor (7) zum Drehen des Trägheitskerns (3) um eine zur ersten materiellen Achse (4) orthogonale und mit dem Kardangelenk (2) verbundene zweite materielle Achse (6);

    einen Prozessor (12) zum Berechnen von drei Lagewinkeln durch Ausführen eines ersten Trägheitsnavigationsprogramms vom Typ mit verbundenen Komponenten und zum Steuern/Regeln des ersten und des zweiten Motors (5, 7) durch Ausführen eines zweiten Programms, welches unter Verwendung der berechneten Lagewinkel den Trägheitskern (3) in einer Folge von stabilen Winkelpositionen bezüglich des Bezugssystems mit festen Richtungen gemäß einer Abfolge von Zyklen mit acht Drehungen des Trägheitskerns (3) in wenigstens zwei orthogonalen Ebenen anordnet, wobei jede eine konstante Orientierung im Bezugssystem mit festen Richtungen aufweist.
  6. 6. Vorrichtung zur Langzeitnavigation nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Programm eine Drehung in einer ersten Ebene vorsieht, worauf eine Drehung in einer zweiten Ebene folgt, worauf zwei Drehungen in der ersten Ebene folgen, worauf eine Drehung in der zweiten Ebene folgt, worauf eine Drehung in der ersten Ebene folgt, worauf zwei Drehungen in der zweiten Ebene folgen.
  7. 7. Vorrichtung zur Langzeitnavigation nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen dritten Motor (8) zum Drehen des Trägheitskerns (3) um eine zur ersten und zur zweiten materiellen Achse (4, 6) orthogonale dritte materielle Achse durch Steuerung/Regelung des Prozessors (12) umfasst, und dass das Programm dazu ausgelegt ist, die Motoren (5, 7, 8) derart zu drehen, dass der Trägheitskern (3) bei jeder stabilen Position des Trägheitskerns (3) in einer festen Ebene des Bezugssystems mit festen Richtungen X, Y, Z gehalten wird.






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