NO770958L - Apparat for tilveiebringelse av et signal fra hvilket retningen sann nord kan bestemmes. - Google Patents

Description

Apparat for tilveiebringelse av et signal fra hvilket

retningen sann nord kan bestemmes.

Det er kjent forskjellige utførelser av nord-søkende gyrokompasser. En av disse er et pendelgyroskop med sin spinnakse orientert horisontalt. Denne type gyroskop har en tendens til å foreta presesjonsbevegelser under jordrotasjonen for å til-passe sin spinnakse til sann nord. I en slik mekanisme kan gyroskopet svinge frem og tilbake i en nord-sydmeridian. Presisjons-bevegelsen ved hjelp av hvilken retningen av sann nord kan oppnås er begrenset av feildreiemomenter som f.eks. frembrakt ved friksjon i opphengningen av gyroskopet, som meddeler gyroskopet et dreiemoment om den vertikale akse og holder gyroskopet borte fra retningen nord. Størrelsen av disse dreiemomenter kan lett bestemmes og erdved mange anvendelser vanligvis antatt å være konstante. Også fordi svingninger om sann nord som opptrer ved denne type mekanisme er den minste tidsperiode i løpet av hvilken indikering av sann nord kan oppnås, begrenset til perioden for minst en svingning. Lengden av denne periode er også avhengig av den begynnende mistilpasning mellom spinnaksen og nord.

En annen type nord-søkende gyrokompass er beskrevet

i U.S.-patentskrift nr. 3.222.795., hvor en treghetsplattform omfatter tre gyroskoper. Plattformen er styrt til en lokal horisontal orientering av en servomekanisme. Den følsomme akse for et av gyroskopene må også til å begynne med tilpasses tilnærmet øst-vest-retningen ved anvendelse av et kompass eller liknende. Nødvendig-heten av en treghetsplattform utstyrt med gyroskoper og servo-mekanismer og tilhørende elektronikk, og også nødvendigheten av et ekstra kompass vil i høy grad bidra til økte omkostninger og dimensjoner for gyrokompasset.

Apparatet ifølge oppfinnelsen overvinner de ovenfor nevnte og andre ulemper ved tidligere kjente gyrokompasser ved anvendelse av et gyroskop som er montert på en flottør. Flottør-en har svingefrihet om enhver horisontal akse, men er hindret fra å rotere om en lokal vertikal akse. Gyroskopet er montert på flottøren med sin spinnakse orientert i hovedsakelig vertikal retning. Fasthold av flottøren i azimut sikrer en nøyaktig azimut-referanse mellom gyroskopet og huset i hvilket flottøren flyter. Rotasjonsfrihet om enhver horisontal akse sikrer at gyroskopets spinnakse kan forbli nominelt vertikal og at ingen uønsket bevegelse om en horisontal akse overføres til gyroskopet.

Vinkelen mellom en azimutreferanselinje i gyroskopet og sann nord oppnås ved måling av størrelsen av dreiemomentet som er nødvendig for å motvirke presesjonsbevegelse av gyroskopet om en horisontal følsom akse som ville opptre som følge av horisontalkomponenten av jordens rotasjonsbevegelse. Dette motvirkende dreiemoment måles to ganger med den horisontale følsomme akse for gyroskopet orientert i to vilkårlige forskjellige retninger om den lokale vertikale akse som avviker med en kjent vinkel. Fortrinnsvis har gyroskopet to frihetsgrader om ortogonale horisontale følsomme akser og målingene av de motvirkende dreiemomenter foretas samtidig.

Et gyroskop som er montert på en flottør som fast-holdes for å hindre rotasjon i azimut er avkoplet fra påvirkende vinkelbevegelse om horisontale akser som gyrokompassets hus kan utsettes for når gyrokompasset arbeider på en tre-fot eller enhver annen transportabel basis. Monteringen av gyroskopet på en flottør som faller sammen med overflaten av væsken i huset gir også maksimal følsomhet for to ortogonale følsomme akser til horisontalkomponenten av jordbevegelsen fordi flottøren opprettholder spinnaksen for gyroskopet paralleTt med den lokale tyngde-vektcr. Gyrokompasset vil derfor arbeide upåvirket selv om huset er ute av nivellering så meget som flere grader.

Et apparat ifølge oppfinnelsen erkarakterisert

ved en ramme, en innretning for avføling av hastigheten av jordens vinkelbevegelse om en følsom akse for levering av et signal som representerer denne hastighet, organer som bærer avfølsings-innretningen i rammen med innretningens følsomme akse orientert i en hovedsakelig horisontal, første retning, hvilke bæreorganer omfatter isolering av innretningen overfor små dreiebevegelser

om enhver horisontal akse av rammen i forhold til jordoverflaten, og en andre innretning for å tilveiebringe en horisontal referanseretning i forhold til den følsomme akse for avfølingsinnret-ningen.

Ytterligere trekk ved oppfinnelsen vil fremgå av kravene 2-22.

Oppfinnelsen skal forklares nærmere nedenfor under henvisning til tegningene. Fig. 1, 2 og 3 viser vektordiagrammer for forholdet mellom de fysiske størrelser som måles av gyrokompasset og refer-anseorienteringen for dette. Fig. 4 viser et tverrsnitt gjennom en utførelses-form av avfølingsinnretningen.

Fig. 5 og 6 viser utsnitt av fig. 4.

Fig. 7 viser et grunnriss av en flottør som kan anvendes ved utførelsen på fig. 4. Fig. 8 viser et blokkskjerna for en foretrukket ut-førelse av gyrokompasset ifølge oppfinnelsen inkludert beregnings-kretsene. Fig. 9, 10 og 11 viser vektordiagrammer for mulige misorienteringer av referanseaksene på avfølingsinnretningen.

Fig. 1 viser det problem som skal løses ved hjelp

av apparatet ifølge oppfinnelsen. Det eir ønskelig å finne azimut for punktet P .målt fra punktet A i forhold til sann nord. Aksen 01 er retningen av sann nord fra punktet A. Aksen +Y er en referanseretning i horisontalplanet som tilveiebringes av gyrokompasset. Aksen +Y kan strekke seg i en hvilken som helst horisontal retning. Vinkelen a er vinkelen mellom aksen +Y og sann nord og målt ved hjelp av apparatet ifølge utførelséseksemplet. Retningslinjen AP er sikteretningen fra punktet A til punktet P. Vinkelen er vinkelen mellom aksen Y og retningslinjen AP. Vinkelen - kan måles ved hjelp av en utenforliggende innretning som f.eks. en teodolitt. Vinkelen 0^er azimutvinkelen for punktet P målt fra punktet A i forhold til sann nord. Herav fremgår at

Vinkelen a oppnås ved måling av horisontalkomponenten av jordrotasjonens vinkelhastighet i punktet A om den føl- somme akse for avfølingsinnretningen for vinkelhastigheten. Denne innretning er fortrinnsvis et gyroskop som er hindret fra rotasjon av den følsomme akse om den lokale vertikalakse. Vinkelhastigheten for jordrotasjonen om sin akse, som er en vektor som strekker seg i retning av jordaksen fra nordpolen og kan finnes ved hver breddegrad på jordoverflaten. Jordens hastighetsvektor i ethvert punkt på jorden kan deles i en horisontal og en vertikal komponent. Størrelsen av den horisontale komponent av jordrotas j onsvektoren varierer fra ekvator til hver av polene som en sekantfunksjon av bredden. Det er den horisontale komponent av jordrotasjonsvektoren som måles i samsvar med oppfinnelsen for å bestemme retningen av aksen Y i forhold til sann nord. Horisontalkomponenten av jordrotasjonsvektoren vil være orientert i retning av sann nord. Komponentene i den horisontale jordrotasjon måles langs to ortogonale akser. Vinkelen mellom hver av disse akser og nord, d.v.s. retningen av den horisontale jordrotas jonsvektor er utledet fra disse komponenter. Av fig. 2 fremgår at disse komponenter danner sidene i et rettvinklet triangel hvor den horisontale komponent av jordrotasjonen er hypotenusen. Vinkelen mellom en av de målte komponenter og nord kan utledes fra enten arcus tangens eller arcus cotangens.

Komponentene av den horisontale vektor av jordrotas jonen kan måles enten samtidig eller i tur og orden. I det viste utførelseseksempel måles komponentene samtidig ved måling av størrelsen av de dreiemomenter som er nødvendig for å hindre vinkelforskyvning av gyroskopet med to frihetsgrader om dets horisontalt orienterte ortogonale følsomme akser. Hvis virkningen av jordrotasjonen ikke utelukkes vil gyroskopet utføre en pres:e-sjonsbevegelse om sine følsomme akser. Det er imidlertid andre måter å måle komponentene av den horisontale jordrotasjonsvektor som ikke krever anvendelse av et roterende gyroskop,

men som ligger innenfor rammen av foreliggende oppfinnelse.

Noen av disse anordninger skal beskrives nedenfor.

Uttrykk for disse prinsipper i form av likninger gir:

hvor H = den horisontale komponent av jordrotas jonen.

a = vinkelen mellom sann nord og referanseaksen Y.

to^, ^ vinkelhastigheten for forskyvningen om X og Y-aksene målt i vinkelhastighet eller vinkelforskyvning av avfølingsinn-retningen, alternativt:

Apparatet ifølge oppfinnelsen kan også anvendes

for å bestemme bredden av et punkt på jordoverflaten. Av liknende 2 og 3 fremgår det at:

hvor a utledes av likningen (5).

For å unngå mekanisering kan ved divisjon med et uttrykk som kan nærme seg null, den horisontale jordrotasjonsvektor utledes som:

Bredden av et punkt på jordoverflaten har følgende forhold til jordrotasjonsvektoren og dens horisontale komponent.

hvor fl = jordrotasjonsvektoren.

fl H er den horisontale komponent av fl.

X = bredden i punktet A på jordoverflaten.

Likningene (5) og (6) vedrører spesielle tilfeller hvor avfølingsaksene X og Y er ortogonale. Prinsippet ifølge oppfinnelsen er imidlertid like anvendelig for tilfeller hvor målingene av komponentene av den horisontale jordrotasjonsvektor skjer om to følsomme akser som er ortogonale, men som avviker fra hverandre i retning med en kjent vinkel X i horisontalplanet. Fig. 3 viser et mere generelt tilfelle. På fig. 3 er vinkelen 'oO vinkelen mellom sann nord og den følsomme akse Y. Utledningen av vinkelen alfa' fra to horisontale komponenter av den horisontale jordrotasjonsvektor omega og omega Y er inn-ført i likningene 10 til 15.

Fig. 4 viser et tverrsnitt gjennom en avfølings-innretning 8. En ytre ramme 10 bærer et roterbart indre hus 12

i kulelageret 14. Huset 12 er roterbart minst 180° ved hjelp av et tommelhjul 16. Huset 12 er en lukket enhet, fortrinnsvis hermetisk lukket.

En toroidformet flottør 18 flyter inne i huset 12

i en væske 20. Væsken 20 kan være vann, kvikksølv eller en annen egnet væske. Et broelement eller lokk 2 2 er festet på toppen av flottøren 18 for å bære avfølingsinnretningen 24 for vinkelhastigheten. Diameteren av flottøren 18 er valgt slik at det oppnås tilstrekkelig tilbakestillingsmoment eller pendling av en valgt væske.

Avfølingsinnretningen 24 er fortrinnsvis et gyroskop med et roterende svinghjul, men andre typer av avfølings-innretninger for vinkelhastighet kan anvendes, som f.eks. et ringlaser.gyroskop eller et kjernemagnetisk resonansgyroskop som f.eks. vist i U.S. patentskrifter nr. 3.433.568 og 3.103.623.

Et gyroskop er å foretrekke fordi det for tiden er det minste som kan skaffes og det har de ønskede karakteristikker.

I det viste eksempel er avfølingsinnretningen 24

et gyroskop som er orientert med sin spinnakse 25 i hovedsakelig vertikal retning. Mindre vinkelforskyvninger av huset 12 og den ytre ramme 10 om enhver horisontal aksel vil ikke forstyrre retningen av spinnaksen. Væsken vil fortsette å ha en horisontal overflate og elementet 22 vil opprettholde sin horisontale orien-

tering og spinnaksen 25 i gyroskopet vil være orientert konstant i rett vinkel på elementet 22 og beholde sinr. hovedsakelig vertikale retning.

Gyroskopet har en ikke vist detekteringsinnretning som avføler vinkelhastigheten eller vinkelforskyvningen om en følsom akse 27 og en andre ikke vist detekteringsinnretning som avføler vinkelhastigheten eller vinkelforskyvningen om en følsom akse 29. Aksene 25, 27 og 29 er ortogonale. Gyroskopet inneholder også en ikke vist første dreiemomentkilde og en andre ikke vist dreiemomentkilde for å sette gyroskopet i presesjonsbevegelse om de følsomme akser 29 og 27. Hver detekteringsinnretning anvendes for overvåkning av vinkelforskyvningen av svinghjulet i forhold til huset og frembringer et elektrisk signal som er proporsjonalt med denne forskyvning. En detekteringsinnretning omformer mekanisk bevegelse i gyroskopet til et elektrisk signal med tilstrekkelig følsomhet til å styre en tilhørende krets og har tilstrekkelig oppløsningsevne til å detektere meget små enheter av forskyvning og en elektrisk null-stilling som er tydelig definert og reproduserbar. Funksjonen av hver dreiemomentkilde er å frembringe et mekanisk dreiemoment som er proporsjonalt med det elektriske signal. Dette dreiemoment anvendes for å styre spinnaksen i gyroskopet. En konstant orientering av gyroskopet opprettholdes ved å påtrykke gyroskopet dreiemoment inntil detekteringssignalet svarer til null. Virkemåten av gyrokompasset skal beskrives nærmere nedenfor.

Elektriske forbindelser til avfølingsinnretningen 24 skjer via en ledning 34.

Et membran 36 er forbundet mellom elementet 22 og den indre vegg av huset 12 for å hindre at avfølingsinnretningen 24 roterer om sin vertikale akse. Avfølingsinnretningen kan der-med svinge innenfor små vinkler om enhver horisontal akse, men hindres fra å svinge om den vertikale akse.

Et speil 38 er anordnet for å kunne tilveiebringe en horisontal referanseretning i forhold til en av de følsomme akser 27 og 29. På fig. 4 er den følsomme akse 27 ortogonal i forhold til planet av speilet 38. En referanseretning kan derfor tilveiebringes i forhold til den følsomme akse 27 ved anvendelse av en ytre optisk innretning som f.eks. en teodolitt, ved selvinnsiktning og ved selvrefleksjon. For selvinnsiktning kan en utvendig teodolitt (ikke vist) projesere en lysstråle på speilet. Teodolitten er anordnet slik at den reflekterte lysstråle iakttas på et siktekors i teodolitten. På denne måte kan retningen av den følsomme akse 27 gi en referanse azimutvinkel til teodolitten. Andre azimutvinkler i forhold til denne refer-anseretningsvinkel for den følsomme akse 27 kan oppnås ved dreining av teodolitten i azimut. Løsningen av likning (1) fås ved måling av azimutvinkelen i forhold til sann nord.

Fig. 5 viser et fjærliknende legeme 4 0 med en for-dypning 4 2 og en sperrepinne 44 som opprettholder et ønsket azimutforhold mellom huset 12 og rammen 10. Ved anvendelse av apparatet dreies huset 12 gjennom vinkelene 90°, 180°, 270° i forhold til en utgangsazimutposisjon. Et antall sperrepinner 44 riktig plassert på omkretsen av huset 12 muliggjør en kjent vinkelposisjon av huset 12 i forhold til azimutorienteringen av-legemet 40 på rammen 10. Huset 12 dreies med tommelhjulet 16 slik at en sperrepinne 44 glir langs legemet 40. Når sperrepinnen 44 er i flukt med fordypningen 4 2 vil fjærvirkningen av legemet 4 0 tvinge sperrepinnen inn i fordypningen.

Flaten 4 6 er en plan flate for montering av apparatet på en trefot eller en annen basis. Rammen 10 har et gjenget hull 48 i flaten 46 for feste av apparatet på trefoten. Flaten 50 er en plan flate for å bære en teodolitt på apparatet som en alternativ avlesningsinnretning. Skruer 52 og 54 tjener til å feste teodolitten til apparatet. Som vist på fig. 4 og 6 er styrepinner 55 på flottøren 18 ført i huller i braketter 56 for å tilveiebringe en beskyttende begrensning mot sideveis bevegelse og rotasjonsbevegelse om aksen 25 når gyroskopet ikke er i bruk. Fig. 7 viser grunnriss av en annen utførelse av flottøren til erstatning av flottøren 18 og membranet 36. Flottøren 58 på fig. 7 er forbundet med braketten 56 med holde-stenger 60 og 62. Stengene 60 og 62 hemmer bevegelse av flottøren i rotasjon om den vertikale akse, men tillater svingebevegelse om en horisontal akse. Fig. 8 viser et blokkskjema for kretserfe for beregning av vinkelen mellom sann nord og referanseretningen i appar atet ifølge utførelseseksemplet. I det viste utførelseseksempel er referanseretningen retningen av en av to følsomme akser i gyroskopet. Hver av de følsomme akser kan anvendes som referanseretning. Gyroskopet og styreinnretningen 64 omfatter et gyroskop 66 med to frihetsgrader, en Y-dreiemoment utbalanseringssløyfe 68,

en X-dreiemoment utbalanseringssløyfe 70 og en spinndrivkilde 72. Gyroskopet 66 kan være et gyroskop med avstemt rotor ifølge U.S. patentskrift nr. 3.678.764 eller 3.943.778.Gyroskopparametrene som skal optimaliseres for denne utførelse har små dimensjoner, lavt energiforbruk, god korttidsstabilitet, lav temperaturføl-somhet sammen med billig pris.

Da spinnaksen i gyroskopet 66 holdes hovedsakelig vertikalt av flottøren 18 i huset 12, er følsomheten av gyroskopet overfor tyngdekraften ikke kritisk. For gyroskoper med avstemt rotor er det heller ingen virksom masseubalansefølsomhet for akselerasjoner langs spinnaksen. Dette trekk ved et gyroskop med avstemt motor gjør det særlig egnet for anvendelse i et apparat ifølge oppfinnelsen. Et gyroskop med avstemt rotor har følsomhet overfor akselerasjoner bare vinkelrett på spinnaksen. Da det ikke forekommer slik akselerasjon ved drift av apparatet ifølge oppfinnelsen, er det ingen nødvendighet for nøyaktig just-ering av masseubalansefølsomhet eller kontroll av masseubalanse-temperaturfølsomhet for gyroskopet. Andre parametre som skal optimaliseres ved valg av et gyroskop er dreiemomentfaktoren som kan tilrettelegges for pulsdreiemoment, drift ved lav temp-eratur og kraftige konstruksjonskarakteristikker som kan motstå rystelser under transport.

X- og Y-dreiemomentutbalanseringssløyfene 68 og 70 er identiske kretser for å tilintetgjøre vinkelforskyvning av rammen 10 for gyroskopet 66 om dets følsomme akser 27 og 29. En dreiemomentutbalanseringssløyfe er beskrevet i U.S. patentskrift nr. 3.062.059. Når apparatet anvendes i stasjonær posisjon montert på en trefot, er den eneste ytre vinkelhastighet som kan ayføles av gyroskopet vinkelhastigheten som skyldes jordrotas jonen. De ortogonale hovedsakelig horisontale følsomme akser vil begge være i retning av en komponent i den horisontale jordrotasjonsvektor. Gyroskopet vil forsøke å utføre presésjons-bevegelse om sine følsomme akser som en funksjon av størrelsen av de to komponenter i den horisontale jordrotasjonsvektor langs de følsomme akser 27 og 29 og vil gjøre dette uavhengig av retningen av aksene 27 og 29 i forhold til sann nord. En spenning energiserer primæren i detekteringsspolen i gyroskopet. Når gyroskopets hus roterer i forhold til svinghjulet frembringes et detekteringssignal. Detekteringssignalet er koplet til et tilsvarende dreiemoment utbalanseringssløyfe hvor det frembringes pulsformede dreiemomentsignaler. Dreiemomentsignalene tilføres den tilhørende dreiemomentkilde i gyroskopet og bringer dette til å foreta presesjonsbevegelse, d.v.s. svinghjulet bringes til å rotere i samme retning som jordrotasjonskomponenten om en bestemt følsom akse. Svinghjulet i gyroskopet vil således holdes bevegelsesløst om en følsom akse i forhold til huset som er fiksert i forhold til koordinatene i gyroskopet. Detekteringssignalet utliknes og antallet digitale pulser i dreiemomentsignalene pr. tidsenhet som er nødvendig for å motvirke presé-sjonsbevegelsen som skyldes en komponent i den horisontale jordrotas jon er et mål for størrelsen av denne komponent. Da størr-elsen av komponenten av jordrotasjonen vil variere etter en kjent trigonometrisk funksjon fra størrelsen av den totale horisontale komponent av jordrotasjonen, og da den horisontale komponent av jordrotasjonen er orientert i retning av sann nord, kan vinkelen mellom den følsomme akse og sann nord beregnes av antallet motvirkende digitalpulser pr. tidsenhet.

Beregningskretsen 74 omfatter en oppover-nedover teller 76, integrerte kretser 78, en forsterker 80, én indikator 82 for vinkelen alfa, en forsterker 84, en indikator 86 for breddevinkelen, en tellereverseringsbryter 88, en teller 90 og en tidspulsgenerator 92.

Ved drift av utførelseseksemplet, antas det at aksen 25 er hovedsakelig vertikal, aksen 27 er Y-aksen for gyroskopet 66 og aksen 29 er X-aksen for gyroskopet 24, d.v.s. 66

på fig. 8. Som vist på fig. 2 faller Y-aksen og aksen 27 sammen og aksen X og aksen 29 faller sammen og kan strekke seg i vilkårlig horisontal retning.

Vinkelen mellom den følsomme akse for avfølingsinn-retningen og sann nord kan finnes ved å måle vinkelhastigheten om en horisontal, bevegelsesløs følsom akse og deretter måle vinkelhastigheten om en horisontal, bevegelsesløs følsom akse i en retning som er ortogonal i forhold til retningen i hvilken den første måling ble foretatt. Avfølingsretningen kan ha en enkel følsom akse hvis orientering dreies mellom den første og andre måling eller den kan ha to ortogonale følsomme akser og i det sistnevnte tilfelle kan målingene skje samtidig. Vinkelhastigheten som avføles er komponentene i en horisontal jordrotasjon om sin akse som angitt i likning (2) og (3). Fra de målte komponenter A og A , er det mulig å beregne vinkelen mellom den følsomme akse og sann nord, slik det fremgår av likningene (5) og (6) .

Når disse målinger foretas med utførelseseksemplet er likningene mere komplekse og bearbeidelsen utvidet for å eliminere viktige feilkilder. Fig. 9, 10 og 11 viser mulige viktige feilkilder som kan være ufordelaktige ved beregning av vinkelen mellom den følsomme akse og sann nord. Fig. 9, 10 og 11 viser den horisontale komponent av jordrotasjonen, vinkelen alfa og de følsomme akser X og Y som angitt for fig. 1 og 2. Fig. 10 og 11 viser den vertikale komponent av jordrotasjonen Sly. Fig. 9 viser en mulig mis tilpasning mellom de følsomme akser X og Y som er vist med vinkelen 6. Mistilpasningen av aksene som er vist på tegningen er overdrevne for tydelighets skyld. Fig. 10 viser en hemningsvinkel £ som skyldes hel-ning av spinnaksen 25 i retningen Y. Fig. 11 viser en helningsvinkel X for spinnaksen i retning X. Vinkelmistilpasningen er overdrevet for tydelighets skyld, og i praksis er disse vinkler små, men viktige når det gjelder nøyaktigheten av den beregnede vinkel alfa.

En annen mulig feilkilde er den indre forspenning

i gyroskopet, d.v.s. enhver iboende tendens til drift om sine følsomme akser som ikke kan detekteres ved detekteringssignal fra presesjonsbevegelsen som skyldes en komponent av jordens horisontale rotasjon. Enhver slik drift må motvirkes ved et dreiemomentsignal på den måte som er beskrevet ovenfor. Hvis ikke. forspenningen i gyroskopet eller den iboende drift kom-penseres vil dreiemomentsignalet således være uriktig som en funksjon av størrelsen av driften av gyroskopet. For å kompen-sere virkningen av enhver drift av gyroskopet må komponentene av jordens horisontale rotasjon måles ifølge likningene (2) og (3), en gang med de følsomme akser X og Y i en vilkårlig første horisontal orientering og deretter en gang til med de følsomme akser X og Y ombyttet 180°. Det er imidlertid klart at et apparat som arbeider ifølge likningen (5) eller (6) uten at det foretas et andre sett målinger med ombyttede følsomme akser også ligger innenfor oppfinnelsens ramme.

De etterfølgende likninger (16) til (28) viser hvorledes de utvidede målinger tilintetgjør virkningen av de mest viktige feilkilder. Betegnelsene som anvendes i likningene (16) til (28) er følgende: a er lik vinkelen mellom nord (fl n ) og dreiemoment- aksen Y

er avvikelsen fra ortogonalitet mellom aksene X og

Y

er helningsvinkelen for spinnaksen i Y-retningen Y er helningsvinkelen for spinnaksen i X-retningen

e er gyroskopets forspenningsdrift om aksen X

e er gyroskopets forspenningsdrift om Y-aksen

^ (e x og r e ykan være enhver drift med stor korrela-sjonstid sammenliknet med tiden At)

sfx, sfy er skalafaktorer for dreiemomentpulsene

A A

N , N er antallet pulser som akkumuleres i tidsrommet At

x y

At er pulsakkumuleringstiden i hver posisjon 0° og 180°

flH er den horisontale komponent av jordrotasjonen AV er den vertikale komponent av jordrotasjonen

er rotasjonsvinkelen 180°.

Apparatet monteres først på en trefot (ikke vist)

og eventuelt kan en teodolitt anbringes på flaten 50. Fortrinnsvis har azimutorienteringen av teodolitten et kjent forhold til de følsomme akser 27 og 29, og X- og Y-aksene for gyroskopet 24. Flaten 50 er nivellert hovedsakelig til horisontalplanet. Flottør-en 18 vil da nivellere de følsomme akser 27 og 29.

Deretter foretas samtidig, men hver for seg målinger av dreiemomentet som er nødvendig for å holde de følsomme akser i gyroskopet fiksert i uendret forhold. Det skal bemerkes at begge de horisontale komponenter av jordrotasjonen og enhver ibotende drift i gyroskopet avføles av gyroskopet om enten den ene eller begge dets følsomme akser. Ved det beskrevne utførelses-eksempel hindres presesjonsbevegelse av gyroskopet om begge føl-somme akser ved motvirkende dreiemomenter som påtrykkes i digital form. Naturligvis kan også en analog dreiemomentsløyfe anvendes .

Vinkelhastigheten som avføles om aksene X og Y oppnås ved telling av antallet dreiemomentpulser over en tidsenhet.

I utførelseseksemplet teller telleren 90 (fig. 8) pulser fra pulsgeneratoren 92 for å tilveiebringe en nøyaktig måleperiode. Oppover/nedover-telleren 76 teller antallet pulser som tilføres X-dreiemomentkilden og antallet pulser som tilføres Y-dreiemomentkilden i løpet av en periode på 30 sekunder. Telleperioden kan imidlertid være kortere eller lengre.

Antallet pulser som tilføres gyroskopet med Y-

aksen i posisjonen 0° sammenliknes med horisontalkomponenten av jordrotasjonen på den måten som fremgår av likningen (16). Denne posisjon 0° er definert som en forlengelse av de følsomme akser 27 og 29 i retningen +Y og +X unntatt mulige feil som vist på fig. 10 og 11. Enhver puls må bibringe gyroskopet en ' presfås j onsbevegelse en viss vinkel for å motvirke presésjons-bevegelsen av gyroskopet en tilsvarende vinkel. Retningen av dreiemomentet er avhengig av polariteten av pulsene. En typisk skalafaktor er 0,04 buesekunder pr. puls. Med andre ord en puls vil meddele gyroskopet en presesjonsbevegelse om aksen en vinkel på 0,04 buesekunder. Tellereverseringsbryteren 88 befinner seg da i stillingen 0°. I denne stilling vil oppover/nedover-telleren telle oppover i tilfellet av positive pulser og nedover i tilfellet av negative pulser. Det antas at positive pulser motvirker prese.sjonsbevegelsen i stillingen 0°.

Likningen (16) er basert på likning (2), men omfatter uttrykk for seg som den forenklede likning ikke inneholder. For eksempel løses uttrykket Q. Hcos a ved løsning av cosinus av vinkelen £ hvis det er noen helningsvinkel av spinnaksen i Y-retningen. Enhver slik helningsvinkel vil oppdages under kalibreringen av apparatet. Hvis en helningsvinkel fore-ligger vil en komponent av den vertikale jordrotasjon fl^sin £ opptre langs Y-aksen. Uttrykket e yrepresenterer enhver iboende forspenning i gyroskopet om Y-aksen pluss enhver annen støykilde. Et eksempel på det første og det tredje uttrykk i likningen (16) er vist på fig. 10:

I de samme tredve sekunder avføles vinkelhastigheten om X-aksen ved telling av antallet pulser som tilføres X-dreiemomentkilden under denne periode. Forholdet mellom vinkelhastigheten som avføles for X-aksen og horisontalkomponenten for jordrotasjonen fremgår av likning (17). Likningen (17) er basert på likningen (3), men inneholder også feilkomponenter som ikke forekommer i den forenklede likning (3) . Vinkelen ot avviker fra et med en verdi som representerer enhver ikke ortogonalitet mellom aksene X og Y. Vinkelhastigheten langs X-aksen er en cosinusfunksjon for enhver hemningsvinkel;X for spinnaksen i X-retningen. En komponent av den vertikale jordrotasjon avføles som funksjon av sinus av enhver helningsvinkel av spinnaksen i X-retningen Uttrykket e representerer enhver gyroskopforspenning og/eller forstyrrelse som avføles av gyroskopet om sin X-akse.

Et eksempel på det første og tredje uttrykk i likningen (17) er vist på fig. 11.

Deretter blir flottøren og det indre hus 12 dreiet i azimut gjennom en vinkel på 180° ved hjelp av tommelhjulet 16. Gyroskopet tillates så å stabilisere seg i noen sekunder før målingene begynner.

Deretter foretas de samme målinger i en periode

på tredve sekunder med X og Y-aksen dreiet 180° i forhold til de første målinger. Med andre ord strekker aksene 27 og 29 seg i motsatt retninger i forhold til de retninger som er vist på fig. 9. Denne 180°-stilling er definert med forlengelse av de følsomme akser 27 og 29 i -Y-retningen resp. -X-retningen, med unntakelse av feilkildene som er vist på fig. 10 og 11. Teller-reverseringsbryteren bringes i 180°-stillingen. I denne stilling

teller telleren nedover eller oppover. Med andre ord vil målingen av vinkelhastigheten om X-aksen i 180°-stillingen bli subtrahert fra vinkelhastigheten om X-aksen i 0°-posisjon og vinkelhastigheten målt om Y-aksen i 180°-stillingen vil bli subtrahert fra vinkelhastigheten om Y-aksen i 0°-stillingen. Likningene (18) og (19) gjelder forholdet mellom antall pulser som bevirker dreiemoment av gyroskopet om de følsomme akser X og Y og komponenten av den horisontale jordrotasjon om disse akser. Det antas at i 0°-stillingen frembringes positive pulser for dreiemoment om de følsomme akser X og Y. I 180°-stillingen er retningen av komponentene av den horisontale jordrotasjons vektor snudd og derfor frembringes negative pulser for å motvirke virkningen av disse komponenter. I 0°-stillingen teller oppover/nedover-telleren 7 6 oppover som følge av positive pulser. I 180°-stillingen vil den fortsette å telle oppover som følge av negative pulser.

Vending av retningen av telleren i l80°-stillingen bevirker substraksjon av antallet pulser som telles i den andre av to tredve-sekunders perioder, d.v.s. i 180°-stillingen fra antallet pulser som er tellet i den første av de to.tredve-sekunders perioder, mens den befinner seg i 0°-stillingen. Likningene (20) og (21) representerer likningen (16) minus likningen (18) respektivt likningen (17) minus likningen (19). Det skal bemerkes at visse feiluttrykk utlikner hverandre fordi de har samme polaritet eller retning i begge stillinger 0° og 180°. Forspenn-ingsuttrykkene eliminerer likesom uttrykkene som er en funksjon av de vertikale komponenter av jordrotasjonen.

Det er klart at selv om det her er presentert matematikk i forbindelse med apparatets drift, er den eneste matematiske funksjon som anvendes i apparatet telling av pulser i to pulstog ved hjelp av en oppover/nedover-teller 7 6 for å oppnå en endelig digital telleverdi ved slutten av den andre to tredve-sekunders perioder for målingen. Den endelige telleverdi av antallet dreiemomentpulser for gyroskopet om X- og Y-aksen under to tredve-sekunders perioder står i forhold til de avfølte komponenter av den horisontale jordrotasjonsvektor i likningene (22) og (23).

Forholdet mellom de avfølge komponenter for den horisontale jordrotasjonsvektor og vinkelen a mellom den føl-somme akse Y og sann nord fremgår av likningen (4). For således å utlede vinkelen a divideres likningen (21) med likningen (20). Likningen (24) er resultatet av denne divisjon. Det skal bemerkes at uttrykket Q n som er en funksjon av bredden faller bort ved denne divisjon likesom tidsintervallet At:

Deretter foretas en første orden-tilnærmelse av uttrykkene under divisjon. Hvilken som helst av vinklene y, £ , 6, r, er meget mindre enn en. Likningen (24) kan naturligvis løses med hensyn på alfa, men i praksis blir de uviktige uttrykk sløyfet. Likningen (24) forenkles til likning (25).

Likningen (24) er løst for tangens alfa. For å forenkle beregningen dividerer kretsen 78 den endelige telleverdi av dreiemomentpulsene om X-aksen med den endelige telleverdi av dreiemomentpulsene om Y-aksen.

Vinkelen alfa er således lik arcus tangens til uttrykket i likning (27) .

Likningen (28) løses ved hjelp av kretsen 78. Kretsen 78 deler pulstelleverdien for X-aksen med pulstelleverdien for Y-aksen for å oppnå forholdet på venstre side i likningen (26).

Verdien av vinkelen <5 er en feil som kan bestemmes ved kallibreringen av apparatet. Vinkelen£kan måles ved kallibreringen eller innstillbare stopporganer kan anvendes for å tilveiebringe en nøy-aktig dreining på 180°.

Naturligvis kan vinkelen a også utledes av uttrykkene for arcus cotangens på samme måte som ovenfor.

Kretsen 78 driver vinkelindikatoren 82 fra forsterk- eren 80. Vinkelindikatoren 82 omfatter lysemitterende dioder som indikerer den beregnede verdi av vinkelen cu

Kretsen 78 kan også løse likningen (9) for vinkelen X som er bredden av det punkt på jordoverflaten hvor målingene foretas. Vinkelen a er kjent av likningen (28), jordrotasjonsvektoren Q er en kjent verdi og komponenten for jordrotasjonsvektoren om Y-aksen er A og utledes fra likningene (20) og

----- - - ■ ■ AOJy

(2 3) og er proporsjonal med AN^. Tiden At og dreiemomentskala-faktoren s er kjente størrelser.

Ved å anvende samme lille vinkeltilnærmelse som før kan likningen (20) skrives

Størrelsen av vinkelen X oppnås ved å ta arcus cosinus-:;.^. verdien i likningen (9). Vinkelindikatoren 86 omfatter også lysemitterende dioder som indikerer avlesningsverdien for vinkelen

X.

Claims (22)

1. Apparat for tilveiebringelse av et signal fra hvilket retningen sann nord kan bestemmes, karakterisert ved en ramme, en innretning for avføling av hastigheten av jordens vinkelhastighet om en følsom akse og fer levering av et signal som representerer denne hastighet, organer som bærer avføl-ingsinnretningen i rammen med innretningens følsomme akse orientert i en hovedsakelig horisontal, første retning, hvilke bæreorganer omfatter isolering av innretningen overfor små dreiebevegelser om enhver horisontal akse av rammen i forhold til jordoverflaten, og en andre innretning for å tilveiebringe en horisontal referanseretning i forhold til den følsomme akse for avføl-ingsretningen.

2. Apparat ifølge krav 1, karakterisert ved hjelpemidler for selektiv dreining av bæreorganene og av-følingsinnretningen om vertikalaksen minst en kjent vinkel for orientering av avfølingsinnretningens følsomme akse i en hovedsakelig horisontal andre retning.

3. Apparat ifølge krav 2, karakterisert ved en innretning for midlertidig og utløsbart fasthold av avfølingsinnretningen i en posisjon med den følsomme akse orientert i den første retning, og midlertidig og utløsbart fasthold av et gyroskop i en posisjon med den følsomme akse orientert i den andre retning.

4. Apparat ifølge krav 3, karakterisert ved at holdeinnretningen er innrettet til selektivt å holde avfølingsinnretningen med sin følsomme akse orientert i en vilkårlig av et antall horisontale retninger.

5. Apparat ifølge krav 2, karakterisert ved en anordning for automatisk beregning av vinklene og som reagerer på avfølingsinnretningen for å bestemme vinkelen mellom den første og den andre retning av den følsomme akse og retningen sann nord.

6. Apparat ifølge krav 1, karakterisert ved at avfølingsinnretningen omfatter et gyroskop med minst en enkelt frihetsgrad, og organer for å hemme rotasjon av isoleringsorganene om vertikalen, hvilket gyroskop er montert på isoleringsorganene med sin spinnakse i hovedsakelig vertikal retning.

7. Apparat ifølge krav 1, karakterisert ved at avfølingsinnretningen omfatter et gyroskop med to frihetsgrader om to ortogonale følsomme akser og med et svinghjul og en innretning for å detektere vinkelforskyvning av svinghjul-aksen om de følsomme akser og en anordning for å meddele sving-hjulets dreiemoment om de følsomme akser, hvilken dreiemomentan-ordning reagerer på detekteringsinnretningen for å motvirke vinkelforskyvningen av detekteringsinnretningen om de følsomme akser som skyldes minst en komponent av den horisontale vinkelhastighet av jorden, at det er anordnet organer for å hemme rotasjon av isoleringsorganene og gyroskopet om vertikalen, og at det er anordnet en innretning for måling av dreiemomentet som påføres gyroskopet for å meddele dette en presesjonsbevegelse for å motvirke vinkelforskyvning som skyldes en komponent av jordens rotasjon.

8. Apparat ifølge krav 7, karakterisert ved en anordning for automatisk beregning av vinklene og som reagerer på dreiemomentanordningen for å bestemme vinkelen mellom retningen av minst en av de følsomme akser i gyroskopet og retningen sann nord.

9. Apparat ifølge krav 7, karakterisert ved en innretning for selektiv rotasjon av isoleringsorganene og gyroskopet gjennom minst en kjent vinkel.

10. Apparat ifølge krav 9, karakterisert ved at den kjente vinkel er 180°.

11. Apparat ifølge krav 7, karakterisert ved at detekteringsinnretningen omfatter en første og andre detekteringsorgan som hver detekterer vinkelforskyvning av gyroskopet om en av dets to følsomme akser, og frembringer et første og andre signal som reaksjon på vinkelforskyvning av gyroskopet om en følsom akse.

12. Apparat ifølge krav 11, karakterisert ved at dreiemomentanordningen omfatter et første og andre dreiemomentorgan som hver påfører gyroskopet en presesjonsbevegelse om en av dets to følsomme akser.

13. Apparat ifølge krav 12, karakterisert ved en første og andre utbalanseringskrets av hvilke den første er forbundet mellom det første detekteringsorgan og det første dreiemomentorgan som reagerer på det første detekteringsorgan for å påføre gyroskopet et dreiemoment i en retning for utligning av signalet fra den første detekteringsinnretning, og den andre er forbundet mellom det andre detekteringsorgan og det andre dreiemoemntorgan som reagerer på det andre detekteringsorgan for å påføre gyroskopet et dreiemoment i en retning for utligning av signalet fra det andre detekteringsorgan.

14. Apparat ifølge krav 13, karakterisert ved at den første og andre utbalanseringskrets er digitale kretser, og at det første og andre detekteringsorgansignal hver omfatter et pulstog.

15. Apparat ifølge krav 14, karakterisert ved at en automatisk beregningsanordning omfatter hjelpemidler for- å bestemme arcus tangens for en vinkel hvis tangens er en vektorkomponent av jordrotasjonen i retning av en følsom akse for gyroskopet dividert med den andre vektorkomponent av jordrotasjonen i retning av den andre følsomme akse for gyroskopet .

16. Apparat ifølge krav 7, karakterisert ved at bæreorganene omfatter et indre hus som inneholder en væske, og en flottør som flyter i væsken og som gyroskopet er montert i med spinnaksen i hovedsakelig vertikal stilling.

17. Apparat ifølge krav 16, karakterisert ved at hemmeorganene er anordnet mellom det indre hus og flottøren.

18. Apparat ifølge krav 17, karakterisert ved at hemmeorganene omfatter minst ett membran mellom flottøren og rammen for å tilveiebringe stor ettergivenhet om alle akser hovedsakelig i horisontalplanet og stivhet om en akse vinkelrett på horisontalplanet.-

19. Apparat ifølge krav 7, karakterisert ved hjelpemidler for å opprette en referanseretning, om-fattende et speil som er montert i rammen og hvis plan står vinkelrett på retningen av en av de følsomme akser.

20. Apparat ifølge krav 8, karakterisert ved at den automatiske beregningsanordning bestemmer størr-elsen av vinkelen a hvis tangens er lik en vektorkomponent av jordens horisontale rotasjonsbevegelse om en ayigyroskopets følsomme akser dividert på en ortogonal vektorkomponent av jordens horisontale rotasjonshastighet om den andre av gyroskopets følsomme akser.

21. Apparat ifølge krav 20, karakterisert ved at beregningsanordningen beregnes arcus tangens for å bestemme vinkelen a.

22. Apparat ifølge krav 20, karakterisert ved at beregningsanordningen beregner arcus co-tangens for å bestemme vinkelen a.