DE1233153B - Korrektureinrichtung fuer einen Erdmagnetfeldinduktor - Google Patents

Description

DEUTSCHES VMTWI PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

DeutscheKl.: 42 c-36

Nummer: 1 233 153

Aktenzeichen: S 54220IX b/42 c

1233 153 Anmeldetag: 10. Juli 1957

Auslegetag: 26. Januar 1967

Die Erfindung betrifft eine Korrektureinrichtung für einen zur Messung der Richtung der Horizontalkomponente des Erdmagnetfeldes bestimmten Erdinduktor.

Derartige Erdinduktoren, die auch unter der englischen Bezeichnung »flux valve« bekannt sind, weisen einen Kern aus einem ferromagnetischen, permeablen Werkstoff auf, welcher eine oder mehrere Induktionswicklungen trägt. Mittels einer mit Wechselstrom gespeisten Erregerwicklung wird der Kern magnetisch erregt. Die Amplitude der hierbei in den Induktionswicklungen induzierten Spannung hängt unter anderem von der Stärke der Erdmagnetfeldkomponente in dem die Induktionswicklung tragenden Teil des Kerns ab.

Auf dieser Abhängigkeit beruht die Verwendung eines derartigen Erdinduktors zur Richtungsanzeige. Üblicherweise ist der Kern dreischenklig ausgebildet, wobei jeder der drei Schenkel eine Induktionswicklung trägt und eine gemeinsame Erregerwicklung vorgesehen ist. Die Induktionswicklungen können im Stern oder Dreieck geschaltet sein. Die in ihnen induzierten Ausgangsgrößen definieren einen elektrischen Vektor, dessen Lage in einem mit den Ausgangswicklungen elektrisch verbundenen Anzeige- oder Steuergerät reproduzierbar ist und eine Funktion der relativen Lage des Erdfeldinduktors bezüglich des Erdmagnetfeldes darstellt. Sind die Schenkel des Kems in einer Ebene angeordnet, so ist hierdurch eine Ansprechebene des Induktors definiert, derart, daß die Ausgangsgröße des Erdfeldinduktors ein Maß für die in die Ansprechebene fallende Komponente des Erdmagnetfeldes darstellt. Die Schenkel können sternförmig (vorzugsweise mit gleichen Winkelabständen untereinander), in Form eines gleichseitigen Dreiecks (Delta-Form), kreuzförmig oder anderweitig angeordnet sein.

Ein derartiger Erdfeldinduktor kann zur Richtungsanzeige von Fahrzeugen dienen, beispielsweise unmittelbar als Erdinduktorkompaß oder als Bezugsgerät zur Zwangsführung eines Kreiselkompasses. In jedem Fall ist dabei jedoch eine Korrektur bezüglich in der Ansprechebene des Erdfeldinduktors wirksam werdender Störfeldkomponenten erforderlich. Als Ursache derartiger störender, in der Ansprechebene des Erdinduktors wirksam v/erdender Störkomponenten kommen bei einem mit seiner Ansprechebene normalerweise waagerecht gehaltenen, zur Messung der Horizontalkomponente des Erdmagnetfeldes bestimmten Erdinduktor folgende Störfelder bzw. Fahrzeugbewegungszustände in Frage:

Die in die jeweilige Ansprechebene des Induktors Korrektureinrichtung für einen
Erdmagnetfeldinduktor

Anmelder:

Sperry Rand Corporation,
New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. C Wallach, Patentanwalt,
München 2, Kaufingerstr. 8

Als Erfinder benannt:

Marlin Carlile Depp, Peekskill, N. Y. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 10. Juli 1956

fallende Komponente des (im wesentlichen fahrzeugfesten) Störfeldes, wie es durch das Fahrzeugeisen, durch in dem Fahrzeug fließende elektrische Ströme u. dgl. unvermeidlich vorhanden ist, und zwar auch bei normaler (waagerechter) Lage des Fahrzeugs; in diesem letzteren Fall ist die waagerechte Komponente des (fahrzeugfesten) Fahrzeugstörfeldes in der Ansprechebene des Erdinduktors wirksam; bei Längsbzw. Quemeigungen des Fahrzeugs treten hierzu, abgesehen von den verhältnismäßig geringfügigen Änderungen der Horizontalkomponente des störenden Fahrzeugfeldes, noch die nach der jeweiligen Neigungslage des Fahrzeugs zunehmend in der Ansprechebene wirksam werdenden Vertikalkomponenten des Fahrzeugfeldes; bei Verkippungen des Erdinduktors, derart, daß seine Ansprechebene nicht mehr mit der wahren Horizontalen übereinstimmt, wird in der Ansprechebene des Erdinduktors neben der zu messenden Fiorizontalkomponente des Erdfeldes (bzw. genaugenommen: neben der in die verkippte Ansprechebene fallenden Komponente der Horizontalkomponente) ein Teil der senkrechten Komponente des Erdmagnetfeldes wirksam, was ebenfalls eine Verfälschung der Anzeige des Erdinduktors zur Folge hat; derartige Verkippungen des Erdinduktors können bei Längsbeschleunigungen des Fahrzeugs sowie bei Querbeschleunigungen (Wende-

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bewegungen) auftreten; eine ständige Verkippung unabhängig von Fahrzeugbeschleunigungen ist ferner durch die stets wirksame Coriolisbeschleunigung gegeben; in modernen Flugzeugen, die mit sehr hohen Geschwindigkeiten fliegen, kann diese auf die Coriolisbeschleunigung zurückgehende Störung, zumal sie langzeitig wirksam ist, besonders bedeutsam werden.

Angesichts der zunehmend höheren Genauigkeitsanforderungen an die richtungsweisenden Instru- mente, wie sie insbesondere die moderne Entwicklung der Flugtechnik mit ihren hohen Geschwindigkeiten mit sich gebracht hat, kommt der möglichst genauen und bezüglich sämtlicher möglicher Störursachen möglichst vollständigen Korrektur der Anzeige derartiger Erdfeldinduktoren eine hohe Bedeutung zu.

Aus der USA.-Patentschrift 2581428 ist bereits eine Korektureinrichtung für einen dreischenkligen Erdfeldinduktor mit drei Ausgangs-Induktionswicklungen bekannt, durch welche dem Einfluß des Fahrzeugstörfeldes Rechnung getragen werden soll. Die bekannte Korrektureinrichtung weist einen Dreiphasen-Wechselstromgenerator auf, welcher in die die Ausgangswicklungen des Erdinduktors mit dem Anzeige- bzw. Steuergerät verbindenden Ausgangsleitungen des Erdinduktors jeweils solche Dreiphasen-Wechselstromkomponenten einspeist, durch welche die Auswirkung des störenden Fahrzeugfeldes in der (Wechselstrom-)Ausgangsgröße des Erdinduktors kompensiert werden soll; diese bekannte Korrektür beruht somit auf dem Prinzip einer Kompensation nicht der Störursache selbst (d. h. des in der Ansprechebene wirksam werdenden Fahrzeugfeldes), sondern des von der Störursache im Ausgang des Erdinduktors hervorgerufenen Beitrags zur Ausgangsgröße. Die bekannte Einrichtung hat den grundlegenden Nachteil, daß die zugeführte Kompensationsgröße (d. h. der Dreiphasen-Kompensationswechselstrom) von der gleichen, verhältnismäßig geringen Größenordnung wie der signifikante Anteil der Ausgangsgröße, d. h. der die Lage des Magnetfeldvektors wiedergebende Unterschied der Wechselstromamplituden in den Ausgangsleitungen, sein muß und innerhalb dieser schon an sich geringen Größenordnung genau dem auf die Störursache (Fahrzeugfeld) zurückgehenden Bruchteil dieses signifikanten Anteils der Ausgangsgröße entsprechen muß. Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß die bekannte Korrektureinrichtung kompliziert und äußerst aufwendig sein muß, wenn die gewünschte Korrektur tatsächlich genau erzielt werden soll.

Im übrigen ist bei der bekannten Korrektureinrichtung lediglich eine Korrektur hinsichtlich des (fahrzeugfesten) Fahrzeugstörfeldes vorgesehen, das, wie oben auseinandergesetzt, nur eine unter mehreren verschiedenen, die Anzeigegenauigkeit des Erdinduktors beinträchtigenden Störursachen ist.

Die Erfindung fußt insoweit auf dieser bekannten Korrektureinrichtung, als sie ebenfalls aus einer an die Induktionswicklungen des Erdfeldinduktors angeschlossenen einstellbaren Stromquelle besteht, die nach Maßgabe von in der Meßebene des Erdinduktors auftretenden Feldabweichungen Kompensationsströme zuführt.

Durch die Erfindung soll eine Korrektureinrichtung dieser Art geschaffen werden, welche frei von den geschilderten Nachteilen der bekannten Anordnung, insbesondere von dem grundsätzlichen Nachteil des

dort verwendeten Korrekturprinzips ist und darüber hinaus neben der Korrektur des vom Fahrzeugfeld herrührenden Fehlers auch die Kompensation aller auf die anderweitigen Störursachen zurückgehenden Abweichungen gestattet.

Zu diesem Zweck ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß die einstellbare Stromquelle eine Gleichstromquelle ist, die so bemessen ist, daß die durch die Gleichströme in den Wicklungen erzeugten Felder die Feldabweichungen nach Größe und Richtung kompensieren.

Von der bekannten Korrektureinrichtung unterscheidet sich das Korrektursystem gemäß der Erfindung prinzipiell: Die Korrektur erfolgt hier nicht wie bei der bekannten Anordnung in der Weise, daß der Ausgangsgröße Korrekturgrößen gleicher Art und Größenordnung wie diese hinzugefügt werden, sondern daß die störend wirksamen Feldkomponenten als solche in der Ansprechebene des Erdinduktors durch Kompensation aufgehoben werden: Korrektur durch Kompensation der Störursachen, statt Korrektur durch Kompensation der Wirkung der Störursachen. Die zugeführten Korrekturgrößen (Gleichströme zur Erzeugung der Kompensationsfelder) können dabei in einer ganz anderen (nämlich größeren) Größenordnung liegen als die signifikanten Anteile der Ausgangsgröße und sind zudem anderer Natur wie diese (Gleichströme gegenüber Wechselströme), so daß auch die Möglichkeit eröffnet wird, durch Sperrglieder eine schädliche Beeinflussung der angeschlossenen Anzeige- bzw. Steuervorrichtung durch die Korrekturgrößen trotz deren Zufuhr von der Ausgangsseite des Erdinduktors her in einfacher Weise zu vermeiden. Gleichzeitig liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, daß die ohnehin auf den Erdinduktorschenkeln vorgesehenen Ausgangswicklungen neben ihrer Hauptfunktion zusätzlich für die Zwecke der Erfindung als Erregerwicklungen zur Erzeugung der die störenden Magnetfeldkomponenten in den Schenkeln kompensierenden Magnetfelder ausgenutzt werden können.

Das vorstehend erwähnte Korrekturprinzip durch unmittelbare Kompensation der Feldabweichungen durch ein Gegenfeld ist aus der deutschen Patentschrift 749 842 für einen einschenkligen Erdinduktor und unter Benutzung einer zusätzlichen Wicklung an sich bekannt. Gegenüber diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, daß diese Kompensationsart auch bei dem aus der USA.-Patentschrift 2 581428 bekannten dreischenkligen Erdinduktor anwendbar ist, welcher keine für die Einführung von Kompensationsströmen geeigneten zusätzlichen Wicklungen aufweist, und daß bei Ersatz der dreipoligen einstellbaren Wechselstromquelle durch eine dreipolige einstellbare Gleichstromquelle Gleichstromfelder in den Induktorschenkeln erzielbar sind, deren Resultierende für alle in Betracht kommenden Störursachen nach Maßgabe von experimentell bestimmbaren oder bereits vorhandenen Signalen hinsichtlich Richtung und Größe so einstellbar ist, daß sie die jeweiligen Feldabweichungen zu kompensieren vermag. Eine über die beabsichtigte Kompensation der Störfeldkomponenten hinausgehende Verfälschung der Wechselstromsignale wird dabei zuverlässig vermieden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die drei in einer Ebene angeordneten Schenkel des Erdfeldinduktors in glei-

chen Winkelabständen gegeneinander versetzt sind, daß der Erdfeldinduktor an dem Fahrzeugrahmen um die Fahrzeuglängs- und -querachse drehbar kardanisch so gelagert ist, daß ein erster seiner Schenkel mit der darauf befindlichen Induktionswicklung in einer die Fahrzeuglängsachse enthaltenden Ebene liegt, und daß die durch die drei Schenkel definierte Ansprechebene des Erdfeldinduktors durch pendelnde Aufhängung unabhängig von den Fahrzeugbewegungen im wesentlichen waagerecht gehalten wird.

Die Korrektureinrichtung gemäß der Erfindung gestattet die Korrektur der Anzeige eines derartigen Erdinduktors bezüglich sämtlicher eingangs aufgeführter Störursachen. In diesem Zusammenhang kann in zweckgemäßen Ausgestaltungen des grundlegenden Erfindungsgedankens vorgesehen sein, daß

zur Kompensation des vom Fahrzeug herrührenden Störfeldes der ersten Wicklung ein Korrrekturstrom von vorgegebener Größe und den beiden anderen Wicklungen unter sich gleich große, entgegengesetzt gerichtete Korrekturströme von vorgegebener Größe zugeführt werden;

zur Korrektur der bei Längs- und Querneigungen des Fahrzeugs in der Ansprechebene des Erdfeldinduktors wirksam werdenden Störfeldkomponenten der ersten Wicklung ein dem Längsneigungswinkel proportionaler Korrekturstrom und den beiden anderen Wicklungen untereinander entgegengesetzt gleiche Korrekturströme proportional dem Querneigungswinkel zugeführt werden;

zur Kompensation der durch die von der Coriolisbeschleunigung herrührenden Verkippung des Erdfeldinduktors in dessen Ansprechebene wirksam werdenden Störfeldkomponenten den beiden anderen Wicklungen entgegengesetzt gleiche Korrekturströme zugeführt werden, die proportional der Fahrzeuggeschwindigkeit und dem Quadrat des Sinus der geographischen Breite sind;

zur Kompensation der bei Verkippungen des Erdfeldinduktors infolge von Fahrzeug-Längsbeschleunigungen in der Ansprechebene des Induktors wirksam werdenden Störfeldkomponenten der ersten Wicklung ein der Fahrzeug-Längsbeschleunigung, der Fahrzeuggeschwindigkeit und dem Sinus der geographischen Breite proportionaler Korrekturstrom zugeführt wird;

zur Korrektur von bei Verkippungen des Erdfeldinduktors infolge seitlicher Fahrzeugbeschleunigungen, beispielsweise Wendebeschleunigungen, in der Ansprechebene des Induktors wirksam werdender Störfeldkomponenten den beiden anderen Wicklungen entgegengesetzt gleiche Korrekturströme zugeführt werden, die proportional der seitlichen Fahrzeugbeschleunigung, der Fahrzeuggeschwindigkeit und dem Sinus der geographischen Breite sind.

Ausführungsbeispiele der Erfindung und der genannten speziellen Kompensationsmaßnahmen ergeben sich aus der folgenden Beschreibung an Hand der Zeichnungen; in diesen zeigt

F i g. 1 ein Prinzipschaltbild einer Korrektureinrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung

für einen zur Zwangsführung eines Richtungskreisels dienenden Erdfeldinduktor,

Fig. 2 in perspektivischer Ansicht den eigentlichen Erdfeldinduktor, wie er in der Anlage gemäß F i g. 1 verwendet werden kann,

F i g. 3 eine graphische Darstellung zur Veranschaulichung der bei der Erörterung der verschiedenen Störursachen in Betracht zu ziehenden geometrischen Verhältnisse,
ίο Fig. 4A und 4B schematische Darstellungen zur Veranschaulichung der Kompensation der waagerechten Komponente des störenden Fahrzeugfeldes, Fig. 5A und 5B schematische Darstellungen zur Erläuterung der bei Längsneigungen auftretenden Störkomponenten und ihrer Kompensation,

Fig. 6A und 6B schematische Darstellungen zur Veranschaulichung der infolge der Coriolisbeschleunigung auftretenden Fehler und ihrer Kompensation, Fig. 7A und 7B Schaltungen der Korrektureinrichtung zur Kompensation der bei Seitenbeschleunigungen bzw. bei Längsbeschleunigungen auftretenden Fehler.

Allgemeine Beschreibung der Einrichtung

Ein Erdfeldinduktor 1 liefert ein elektrisches Ausgangssignal, das von der Orientierung der Flugzeuglängsachse gegenüber der Richtung der waagerechten Komponente des magnetischen Erdfeldes abhängt und zum Überwachen eines Richtungskreisels 3 dient.

Das Überwachungssignal wird dem Stator eines Gleichlaufübertragers 2 zugeführt, dessen Rotor von dem Kreisel 3 verstellt wird. Jede Differenz zwischen der Richtung der Kreiselumlaufachse und der Richtung des elektrischen Vektors im Stator erzeugt im Rotor ein Signal, das in einem Zwangsführungsverstärker 4 verstärkt und einem an der waagerechten Achse des Kreisels angeordneten Drehmomentmotor 5 zugeführt wird, welcher dem Kreisel eine solche Präzession erteilt, daß die Differenz beseitigt wird und die Kreiselumlaufachse auf die Richtung des Erdfeldes ausgerichtet gehalten wird. Eine übliche Waagerechtsteuerung 7 mit einem um die Vertikalachse wirkenden Drehmomentgeber 8 hält die Kreiselumlaufachse im wesentlichen waagerecht. Angaben über die magnetische Flugrichtung für Tochtergeräte, Navigationsrechner und Selbststeuergeräte des Flugzeugs werden von einem vom Kreisel 3 eingestellten Geber 6 geliefert.

Der Erdfeldinduktor (Fig. 2) -

Der Erdfeldinduktor besteht aus einem sternförmigen Kern 10 einer Nickel-Eisen-Legierung hoher Permeabilität. Der sternförmige Kern hat drei SchenkelA, B und C, die unter gegenseitigen Winkelabständen von 120° angeordnet sind. Jeder Schenkel trägt ein bogenförmiges Horn 11, das zum Konzentrieren der Flußlinien auf die Schenkel des Kerns 10 dient. Der Kern 10 trägt eine mittlere senkrechte Wicklung 15, die aus einer einphasigen 400-Hz Stromquelle gespeist wird, und jeder Schenkel trägt eine Ausgangswicklung 12,13 oder 14, in welcher eine Spannung induziert wird, deren Amplitude proportional der Stärke der Erdfeldkomponente ist, die parallel zu der Achse des die Wicklung tragenden Schenkels verläuft. Die Wicklungen 12,13 und 14 sind sternförmig geschaltet, und ihre äußeren Enden sind mit Hilfe von Leitungen 16, 17 und 18, welche

Trennkondensatoren 19 zur gleichstrommäßigen Trennung enthalten, mit den drei Wicklungen des Stators des Gleichlaufübertragers 2 verbunden.

Der Erdfeldinduktor ist pendelnd am Rumpf des Flugzeugs mit Hilfe einer kardanischen Lagerung 20, 20 a, 20 b aufgehängt, die eine freie Bewegung um die Quer- und Längsachse des Flugzeugs gestattet, und durch eine PendelmasseM waagerecht gehalten, so daß die Wicklungen nur die waagerechten Komponenten des magnetischen Feldes wahrnehmen. Der Schenkel Λ liegt parallel zur Längsachse des Flugzeugs, der Schenkel B erstreckt sich, grob gesagt, in Richtung auf den rechten Tragflügel, und der Schenkel C, grob gesagt, in Richtung auf den linken Tragflügel.

Die in den Ausgangswicklungen der Schenkel A, B und C induzierten Spannungen stellen nicht genau die waagerechte Komponente des Erdfeldes am Ort des Erdinduktors dar, a) wenn das gesamte Erdfeld und damit dessen waagerechte Komponente in der so Nähe des Erdinduktors gestört ist und b) wenn der Erdinduktor durch Beschleunigungskräfte aus der waagerechten Ebene herausgekippt ist. Die unter den ersten Bedingungen erzeugten Fehler haben ihre Ursache in dem magnetischen Feld, das von dem Flugzeugaufbau selbst erzeugt oder hervorgebracht wird, und zwar durch magnetische Felder, welche gleichstromführende Kabel umgeben, durch Erdrückleitungsströme in der Flugzeughaut und durch Fehler, die erzeugt werden, während das Flugzeug seine Lage ändert. Die meisten dieser Fehler lassen sich als von vorbestimmter konstanter Größe und Richtung gegenüber dem Flugzeug ansehen.

Die Art der verschiedenen Fehler läßt sich an Hand der F i g. 3 klären, die ein zusammengesetztes Diagramm aus drei kartetischen Koordinatensystemen ist. Das Erdsystem ist durch die drei Koordinaten /, 7 und k bestimmt, wobei k längs der wahren oder Schwerkraftsenkrechten verläuft und i und ;' die Nord-Süd- und Ost-West-Richtung angeben und damit die waagerechte Ebene bestimmen. Das Flugzeugsystem wird durch die Koordinaten t und ν angegeben, wobei ν in der senkrechten Achse des Flugzeugs liegt und / und t die Längs- bzw. Querachse des Flugzeugs sind und eine Bezugsebene im Flugzeug bestimmen. Das System des Erdinduktors wird durch die Koordinaten a, b und c angegeben, wobei c in der senkrechten Achse des Erdinduktors liegt, a in der Richtung des Schenkels A und b zu beiden senkrecht gerichtet ist. Es wird angenommen, daß das Flugzeug in geradem, waagerechtem, unbeschleunigtem Flug auf einem nördlichen Kurs unter etwa 40° nördlicher Breite fliegt. Die drei Systeme sind als zusammenfallend dargestellt.

Bei dieser Erörterung werden Feldstörungen, die in einer Beziehung zur Erde stehen, wie tägliche oder säkulare Änderungen des magnetischen Vektors, sowie örtliche magnetische Störungen, die von vom Hugzeug unabhängigen magnetischen Feldern erzeugt werden, nicht berücksichtigt. Dagegen werden von den Magnetfeldern, die im Flugzeug entstehen, wie permanente oder induzierte Felder, von Gleichstromkabeln erzeugte Felder und Wirbelstromfelder, nur die permanenten Felder betrachtet. Außerdem werden der Einfachheit halber nur die qualitative Wirkung der fehlererzeugenden magnetischen Felder, die gegenüber dem Flugzeug festliegen, die Bewegung dieser Felder gegenüber dem Erdinduktor und die

Wirkung der Bewegung des Erdinduktors selbst gegenüber dem Flugzeug und dem Gesamtmagnetfeld der Erde betrachtet.

Wie F i g. 3 zeigt, wird die waagerechte Komponente des magnetischen Erdfeldes (H_e)_i von den waagerecht angeordneten Induktorwicklungen 12, 13 und 14 wahrgenommen, wogegen beim Kippen des Induktors aus der waagerechten Ebene heraus durch Beschleunigungskräfte, die auf die Pendelmasse einwirken, der Induktor auch einen Teil der senkrechten Komponente (H_E)_k wahrnimmt.

Liegt der Induktor waagerecht, so nimmt er die waagerechten Komponenten (H_p)_l und (H_p)_t des permanenten Flugzeugfeldesifp wahr, während, wenn das Flugzeug sich in Quer- oder Längsrichtung neigt, der Induktor einen Teil der senkrechten Komponente (H_p)_v des Flugzeugfeldes wahrnimmt.

Kompensation dieser Fehler
Flugzeugfeld

Fig.4A zeigt, wie sich die waagerechte Komponente (H_p)_u des Flugzeugfeldes mit der waagerechten Komponente (H_e)_i des Erdfeldes zu dem resultierenden Feld (H_r)_u zusammensetzt. Größe und Richtung dieses Feldes können durch ein Drehen des Flugzeuges am Boden oder durch elektrisches Drehen bestimmt werden.

Das Störfeld (H_p)_u kann durch eine gleich große Feldkomponente 22 (F i g. 4B) von entgegengesetztem Sinn kompensiert werden, die man gemäß der Erfindung dadurch erhält, daß man den Ausgangswicklungen des Induktors Gleichspannungen entsprechender Größe zuführt. Bei dem dargestellten Beispiel ist das Korrekturfeld 22 eine Kombination eines von der Wicklung 12 erzeugten Feldes 23 und eines Feldes 24, das von den Feldern der Wicklungen 13 und 14, wie in Fig. 4B dargestellt, hervorgebracht wird. Die Größen der Komponentenfelder werden mit Hilfe eines Längskomponenten-Potentiometers 21 und zweier miteinander gekuppelter Querkomponenten-Potentiometer 25 und 26 eingestellt (F i g. 1), die aus einer Stromquelle 50 genau geregelter Gleichspannung gespeist werden.

Die Potentiometer 21, 25 und 26 des Flugzeugfeldkompensators 60 sind an den positiven und negativen Anschluß der Stromquelle 50 angeschlossen, während der Mittelanschluß der Stromquelle mit dem Sternpunkt der Wicklungen 12, 13 und 14 verbunden ist. Jeder der Wicklungen 12, 13 und 14 können daher positive oder negative Ströme durch Einstellen der Schleifarme der Potentiometer 21, 25 und 26 zugeführt werden. Die miteinander gekuppelten Querkomponenten-Potentiometer 25 und 26 beliefern die Wicklungen 13 und 14 mit gleich großen und entgegengesetzten Gleichströmen, so daß die Vektorsumme der in dieser Weise erzeugten Felder ein resultierendes Feld jeder gewünschten Größe ergibt, das immer rechtwinklig zu dem Feld steht, das von dem der Wicklung 12 zugeführten Gleichstrom hervorgerufen wird (Fig. 4B). Die Größe und die Richtung des resultierenden Kompensationsfeldes am Ort des Induktors kann also innerhalb der ganzen 360° in der Ebene der Wicklungen eingestellt werden. Der Kompensator 60 weist geeichte Skalen auf, die im Führerraum des Flugzeugs angebracht sind, so daß Einstellungen von dort vorgenommen werden können.

Quer- und Längsneigungsfehler

Die eben beschriebene Kompensation ist dann unrichtig, wenn das Flugzeug Manöver um seine Längsoder Querachse ausführt, da das magnetische Feld des Flugzeugs, welches den Fehler im Ausgang des Induktors hervorruft, seine Lage gegenüber der waagerecht verbleibenden Ebene des Induktors ändert. Dies ist in Fig. 5A und 5B dargestellt, welche zur Erläuterung das Flugzeug in westlicher Flugrichtung und nach vorn abwärtsgeneigt zeigt. Der empfindliche Teil des Induktors wird durch die Pendelmasse waagerecht gehalten. Ein ähnlicher Effekt tritt auf, wenn das Flugzeug quergeneigt ist.

Bei kleinen oder mäßigen Längs- oder Querneigungen des Flugzeugs ändert sich der Einfluß der Komponenten (Hp)_l und (H_p)_t in der durch die Achsen a und b des Induktor-Koordinatensystems (vgl. F i g. 3) definierten Ansprechebene des Induktors nicht nennenswert, da die Komponenten sich mit dem Kosinus des Längsneigungswinkels ändern. Hingegen hat die Vertikalkomponente (H_p)_v des flugzeugfesten Störfeldes, welche gemäß dem Sinus des Längsneigungswinkels in der a-, 6-Ansprechebene des Erdfeldinduktors wirksam wird, schon bei kleinen Längsneigungswinkeln eine verhältnismäßig große Änderung der Ausgangsgröße des ^-Schenkels zur Folge. Dieser Effekt ist in Fig. 5B veranschaulicht; darin stellt (H_p)_va die Projektion der (H^r _p)_v-Komponente auf die α-Achse des Induktor-Koordinatensystems dar; diese Komponente liegt in der Horizontalebene; (H_p)_tb + (H_p)_ia stellt die Resultierende der Projektionen der (H_p)_t- und (H_jj)_rKomponenten, d. h. der in der (geneigten) Ji-Ebene des Flugzeug-Koordinatensystems liegenden Komponenten (H_p)_t und (H_p)_l, auf die a- und ö-Achsen des Induktor-Koordinatensystems dar. Die resultierende Störkomponente

(Hp)la + (H_p)_tb + (H_p)_va

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setzt sich mit der Horizontalkomponente des Erdmagnetfeldes (H_b)_i zu einer Resultierenden (H_R)_ab in der Ansprechebene des Erdinduktors zusammen, die somit eine fehlerhafte Anzeige des Induktors zur Folge hat. Um diesen Fehler zu korrigieren, muß daher bei Längsneigungen des Flugzeugs eine entsprechende Kompensationsspannung erzeugt werden.

Ähnliche Überlegungen gelten für die Kompensation von bei Querneigungen des Flugzeugs in der Ansprechebene des Erdinduktors wirksam werdenden Störkomponenten.

Zur Kompensation dieser durch Abweichungen des Flugzeugs von der normalen (waagerechten) Fluglage bedingten Fehler werden gemäß der Erfindung mittels an einem Lotkreisel 57 (F i g. 1) angeordneter Längsneigungs- bzw. Querneigungssignalgeber 55 bzw. 56 Kompensationsgleichspannungen erzeugt, die proportional der Längsneigungs- bzw. Querneigungsfiuglage des Flugzeugs sind. Wie aus F i g. 1 ersichtlich, werden die jeweiligen Ausgangssignalspannungen der Längsneigungs- bzw. Querneigungssignalgeber 55 bzw. 56 bei 58 bzw. 58' demoduliert und die hierzu proportionalen Gleichströme den betreffenden Schenkeln des Erdfeldinduktors zugeführt, und zwar wird das Längsneigungskompensationssignal der Wicklung 12 auf dem Schenkel A in Reihe mit der Längskompo-

nenten-Kompensationsspannung und entsprechend das Querneigungskompensationssignal den Wicklungen 13 und 14 auf den Schenkeln B und C parallel zu den Querkomponenten-Kompensationsspannungen zugeführt. Es sei bemerkt, daß die Widerstände in der Demodulatorschaltung 58' der Querneigungskompensation als Trennwiderstand dienen und daher größer als die Reihenwiderstände R' in den Zuführungsleitungen zu den einzelnen Wicklungen sind. Die Kompensationsspannungen werden somit durch den Lotkreisel 57 automatisch in Abhängigkeit von der jeweiligen Längs- bzw. Querneigungslage des Flugzeugs verändert.

Fehler infolge von Verkippungen
des Erdfeldinduktors

Diese Fehler werden dadurch verursacht, daß ein Teil der senkrechten Komponente (H_b)_k des magnetischen Erdfeldes wahrgenommen wird. In modernen Flugzeugen, die mit sehr hohen Geschwindigkeiten fliegen können, ist der wesentlichste Anlaß für diese Fehler die Coriolisbeschleunigung, da diese Beschleunigung immer vorhanden ist, wenn das Flugzeug sich in der Luft befindet.

Bei geradem und ebenem Flug fliegt ein Flugzeug infolge der Erddrehung tatsächlich in einer gebogenen Bahn. Ein innerhalb des Flugzeugs frei hängendes Pendel, wie beispielsweise die Masse M, die den Induktor waagerecht hält, spricht auf eine Beschleunigungskraft an, die unter dem Namen Coriolisbeschleunigung bekannt ist und das Pendel veranlaßt, sich gegenüber der Lotrichtung unter einem Winkel einzustellen, der von der Geschwindigkeit des Flugzeugs längs seiner gekrümmten Flugbahn abhängt sowie von der Schwerebeschleunigung und der geographischen Breite des Flugzeugstandorts. Fliegt das Flugzeug auf einem nordwärts gerichteten Kurs auf der nördlichen Halbkugel, wobei das Pendel des Induktors infolge der Coriolisbeschleunigung dauernd, in Flugrichtung gesehen, nach rechts hängt (Fig. 6A), so hat die senkrechte Komponente (H_e)_k des Erdfeldes eine Komponente (H_b)_kb, welche sich in Richtung b des Induktors projiziert, und zwar mit einer Größe, die gleich dem Produkt von (H_E)_h und dem Sinus des Ausschlagwinkels des Pendels ist. In Vektorsummation mit (H_b)_i erzeugt diese Komponente einen Kursfehler im Ausgang des Induktors.

Obwohl bei der Beschreibung eine nordwärts gerichtete Flugbahn betrachtet wurde, haben in anderen Richtungen verlaufende Flugbahnen sowohl auf der nördlichen als auch auf der südlichen Halbkugel der Erde einen gleichartigen Fehler zur Folge, mit der Ausnahme, daß die den Fehler hervorrufende Feldkomponente in der Ebene des Induktors einen Fehler hervorruft, dessen Winkelgröße im Ausgang des Induktors in Beziehung zum Kosinus der magnetischen Rugrichtung des Flugzeugs steht. Der sich aus der Coriolisbeschleunigung ergebende Flugrichtungsfehler des Induktors läßt sich wie folgt berechnen:

Ausschlag des magnetischer Pendels infolge Deklinations-

der Coriolis- winkel der

beschleunigung Erde

X tgy χ cos Θ [Grad],

609 759/104

wobei

ω_Ε = WinkelbeschIeanigung der Erde,

V = Geschwindigkeit des Flugzeugs längs der Flugbahn,.

λ = geographische Breite des Flugzeugstandorts,

γ = Deklinationswinkel des magnetischen Erdfeldes,

Θ — magnetischer Kurs der Flugbahn über Grund ist.

Eine Analyse der geomagnetischen Angaben hat gezeigt, daß der Deklinationswinkel und die waagerechte Feldstärke des magnetischen Erdfeldes sich in eigenartiger Weise gegenüber den geographischen Koordinaten ändern. Werden darüber hinaus Mittelwerte des veränderliehen Deklinationswinkels und der veränderlichen waagerechten Feldstärke ge- ao nommen, so ist es möglich, den magnetischen Deklinationswinkel als eine Funktion der geographischen Breite und des waagerechten Feldes auszudrücken.

Es gilt also

arc tg

Es läßt sich zeigen, daß

γ nahezu = arc tg

Ksin λ

(2)

Durch Einsetzen der Gleichung (2) in Gleichung (1) ergibt sich ein einfacher Ausdruck, nämlich

Störfeldkomponente in der Ebene des Induktors infolge der Coriolisbeschleunigung

2( üe · Vsin λ · ATsin λ

E_c =

(He),

waagerechte Komponente des magnetischen Erdfeldes

X cos6> [Grad], (3)

wobei K eine Konstante ist.

25

30

40

45

50

Aus der Gleichung (3) läßt sich nun erkennen, daß der Richtungsfehler des Induktors infolge der CoriolisbeschIeunigung die Folge eines Störfeldes in der Ebene des Induktors ist. Dieses Störfeld ist eine Funktion allein von der Flugzeuggeschwindigkeit längs der Flugbahn und der geographischen Breite und läßt sich wie folgt ausdrücken:

E_c = CV sin² λ · cos Θ,

(4)

6o

wobei C eine Konstante ist. Dieses Störfeld hat eine konstante Größe unabhängig von der Rumpf- oder Flugrichtung des Flugzeugs (da sich der Induktor mit dem Flugzeug dreht) für eine gegebene Geschwindigkeit längs der Flugbahn und geographischen Breite. Eine den Wicklungen 13 und 14 des Induktors zugeführte Gleichspannung, deren Größe proportional dem Produkt der Flugzeuggeschwindig-

65 keit längs der Flugbahn und dem Quadrat des Sinus der geographischen Breite des Flugzeugs ist, wiegt daher den Coriolisbeschleunigungsfehler im Ausgang des Induktors auf.

Zu diesem Zweck wird eine Gleichspannung, die der Grundgeschwindigkeit des Flugzeugs proportional ist, an zwei miteinander gekuppelten Potentiometern 35 hervorgerufen. Die Potentiometer werden aus der Stromquelle 50 gespeist und mit Hilfe eines von Hand einstellbaren Knopfes 34 eingestellt (Fig. 1). Statt dessen kann eine selbsttätige Loftgeschwindigkeitsfolgeeinrichtung verwendet werden, da der Fehler zwischen der Luftgeschwindigkeit und der Grundgeschwindigkeit nicht kritisch ist.

DieGrundgeschwindigkeitsgleichspannung wird an die Wicklungen zweier miteinander gekuppelter Potentiometer 36 gelegt, deren Schleif arme in Abhängigkeit von der geographischen Breite, unter der das Flugzeug fliegt, mit Hilfe eines von Hand einstellbaren Knopfes 38 eingestellt werden. Die Potentiometerwicklung 36 sind nach einer Sinus²-Funktion gewickelt, so daß die Ausgangsspannung der Schleif arme proportional der Geschwindigkeit (V) des Flugzeugs mal dem Quadrat des Sinus der geographischen Breite (sin ²/l) ist. Diese Gleichspannung wird den Wicklungen 13 und 14 des Induktors zugeführt, so daß die Größe des in dieser Weise erzeugten resultierenden magnetischen Feldes gerade die Wirkung des wahrgenommenen Teiles der senkrechten Komponente des magnetischen Erdfeldes auf dessert waagerechte Komponente aufhebt.

Da ein Coriolisbeschleunigungseffekt immer vorhanden ist, wenn das Flugzeug in der Luft ist, ist dessen Kompensation von primärer Wichtigkeit.

Immer wenn das Flugzeug seinen Kurs oder seine Geschwindigkeit ändert, treten Beschleunigungskräfte auf, die den Induktor aus der waagerechten Ebene herauskippen. Wiederum nehmen die Induktorwicklungen einen Teil der senkrechten Komponente des Erdfeldes wahr. Die hierdurch im Ausgang hervorgerufenen Fehler können in ähnlicher Weise kompensiert werden, wie zuvor für die Corioliskompeusation beschrieben. Diese Kompensationen werden nachfolgend an Hand der Fig. 7A bzw. 7B für Quer- bzw. Längsbeschleunigungen beschrieben.

Infolge seitlicher Beschleunigungen nehmen die Wicklungen 13 und 14 des Induktors einen TeiL der senkrechten Komponente des magnetischen Erdfeldes wahr. Zur Beseitigung dieses Fehlers wird eine Gleichspannung, die proportional dem Produkt der seitlichen Beschleunigung und dem Sinus der geographischen Breite ist (da die letztgenannte Meßgröße, wie oben beschrieben, im wesentlichen proportional dem Deklinationswinkel ist), den Induktorwicklungen 13 und 14 zugeführt. Zu diesem Zweck wird eine der Luftgeschwindigkeit proportionale Gleichspannung von zwei miteinander gekuppelten linearen Potentiometern 40 (Fig. 7A) geliefert, die in gegenläufigem Sinn von einem Luftgeschwindigkeitsfolgegerät 39 üblicher Bauart verstellt werden. Die Ausgangsspan.-nung der Potentiometer 40 wird an die Wicklungen zweier miteinander gekuppelter Sinus-Potentiometer 41 gelegt, deren Schleifarme von einer Vorrichtung 43 in Abhängigkeit von der geographischen Breite des Flugzeugstandorts eingestellt werden. Da die Kompensationsspannung eine Funktion der geographischen Breite ist, ist ein. zweipoliger Umschalter 65 vorgesehen, durch den die Polarität umgekehrt Wird_y

Claims (5)

wenn das Flugzeug von der nördlichen auf die südliche Halbkugel fliegt. Die Einrichtung kann so getroffen werden, daß dieser Schalter betätigt wird, wenn der Breiteneinstellknopf 43 über die Breite O0 hinwegbewegt wird. Die Ausgangsspannung der Potentiometer 41 wird an zwei miteinander gekuppelte lineare Potentiometer 42 angelegt, deren Scheifarme gegenläufig in Abhängigkeit von der Richtung und der Geschwindigkeit der Flugzeugwendung eingestellt werden, die von einem Wendegeschwindigkeitskreisel 44 gemessen wird. Die resultierenden Spannungen an den Schleifarmen der Potentiometer 42 sind daher proportional dem Produkt der seitlichen Beschleunigung (die proportional zu coV ist, wobei ω die Wendegeschwindigkeit des Flugzeugs und V die Geschwindigkeit bedeutet) und der Größe der senkrechten Komponente (HE)k des Erdfeldes. Diese Spannungen werden den Wicklungen 13 und 14 des Induktors über Trennwiderstände zugeführt. Die ao seitliche Beschleunigung des Flugzeugs könnte auch unmittelbar mit Hilfe eines stabilisierten Seitenbeschleunigungsmessers gemessen werden, anstatt wie oben berechnet zu werden. Unter dem Einfluß von Längsbeschleunigungen des Flugzeugs nimmt die Wicklung 12 des Induktors ebenfalls eine Komponente der senkrechten Komponente des Erdfeldes wahr. Dieser Fehler wird in den Ausgangsspannungen des Induktors dadurch kompensiert, daß eine der Luftgeschwindigkeit proportionale Gleichspannung von zwei miteinander gekuppelten linearen Potentiometern 45 (Fig. 7B) geliefert wird und die an deren Schleifarmen auftretende Ausgangsspannung über den Umkehrschalter 65 ein Breitenpotentiometer speist. Die Wicklung dieses Potentiometers ist nach einer Sinusfunktion gewickelt, so daß es eine Spannung liefert, die proportional der Größe des Vektors (HE)k ist. Der Schleifarm des Potentiometers 46 wird in Abhängigkeit von der geographischen Breite des Flugzeugs mit Hilfe der Breiteneinstellvorrichtung 43 eingestellt. Die am Schleifarm des Potentiometers 46 auftretende Spannung wird an die Wicklungen zweier miteinander gekuppelter linearer Potentiometer 47 angelegt, deren Schleifarme in Abhängigkeit von der Ausgangsgröße eines Längsbeschleunigungsmessers 48 eingestellt werden. Das Ausgangsglied dieses Beschleunigungsmessers verstellt die Schleifarme der Potentiometer in der einen oder anderen Richtung bei Beschleunigungen im einen oder anderen Sinne. Die der Wicklung 12 des Induktors zugeführte Kompensationsspannung ist daher proportional der Größe der senkrechten Komponente des Erdfeldes und der Längsbeschleunigung des Flugzeugs. Diese Spannung erzeugt ein Feld, welches die Wirkung der wahrgenommenen senkrechten Komponente des Erdfeldes zu Null macht und die Ausgangsspannungen des Induktors für Längsbeschleunigung kompensiert. Getrennte Gleichstromquellen für die Beschleunigungskompensatoren werden bevorzugt, da die von den Quer- und Längsbeschleunigungen hervorgerufenen Fehler im allgemeinen wesentlich größer sind als die Flugzeugfeld-, Coriolis- und Lagefehler und daher stärkere Kompensationsströme erfordern. Ferner werden durch getrennte Gleichstromquellen die bei der Trennung der einzelnen Stromkreise voneinander auftretenden Probleme vereinfacht. Selbstverständlich könnte eine getrennte Wicklung am Speise- transformator der Stromquelle 50 (F i g. 1) zusammen mit einem getrennten Gleichrichter und Regler verwendet werden. Patentansprüche:

1. Korrektureinrichtung für einen zur Messung der Richtung der Horizontalkomponente des Erdmagnetfeldes bestimmten dreischenkligen Erdinduktor, dessen auf ferromagnetischen Schenkeln angebrachte, im Stern oder Dreieck geschaltete Induktionswicklungen, in welchen in Abhängigkeit von einer Wechselstromerregung der Schenkel Wechselströme induziert werden, mit einem Anzeige- oder Steuergerät verbunden sind; bestehend aus einer ebenfalls an die Wicklungen angeschlossenen einstellbaren Stromquelle, die nach Maßgabe von in der Meßebene des Erdinduktors auftretenden Feldabweichungen Kompensationsströme zuführt, dadurch gekennzeichnet, daß die einstellbare Stromquelle eine Gleichstromquelle ist, die so bemessen ist, daß die durch die Gleichströme in den Wicklungen (12, 13, 14) erzeugten Felder die Feldabweichungen nach Größe und Richtung kompensieren.

2. Korrektureinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationsgleichströme über die Verbindungsleitungen (16, 17, 18 in F i g. 1) zwischen dem Erdinduktor (1) und dem Anzeige- bzw. Steuergerät (2, 3) an Stellen (A', B', C) zugeführt werden, die gegen das Steuer- bzw. Anzeigegerät (2) gleichstrommäßig getrennt sind (19).

3. Korrektureinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die drei in einer Ebene angeordneten Schenkel {A, B, C in Fig. 2) des Erdfeldinduktors in gleichen Winkelabständen gegeneinander versetzt sind, daß der Erdfeldinduktor (1) an dem Fahrzeugrahmen um die Fahrzeuglängs- und -querachse drehbar kardanisch (bei 20, 20 a, 20 b) so gelagert ist, daß ein erster (A) seiner Schenkel mit der darauf befindlichen Induktionswicklung (12) in einer die Fahrzeuglängsachse enthaltenden Ebene liegt, und daß die durch die drei Schenkel (A, B, C) definierte Ansprechebene des Erdfeldinduktors durch pendelnde Aufhängung (M) unabhängig von den Fahrzeugbewegungen im wesentlichen waagerecht gehalten wird.

4. Korrektureinrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation des vom Fahrzeug herrührenden Störfeldes der ersten Wicklung (12) ein Korrekturstrom von vorgegebener Größe (21 in Fig. 1) und den beiden anderen Wicklungen (13,14) unter sich gleich große, entgegengesetzt gerichtete Korrekturströme von vorgegebener Größe (bei 25, 26) zugeführt werden.

5. Korrektureinrichtungnach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Korrektur der bei Längs- und Querneigungen des Fahrzeugs in der Ansprechebene des Erdfeldinduktors wirksam werdenden Störfeldkomponenten der ersten Wicklung (12) ein dem Längsneigungswinkel proportionaler Korrekturstrom (bei 55, 58' in Fig. 1) und den beiden anderen Wicklungen (13, 14) untereinander entgegengesetzt gleiche Korrektur-