DE3131111C2

DE3131111C2 - Kreiselgerät zur Bestimmung der Nordrichtung

Info

Publication number: DE3131111C2
Application number: DE19813131111
Authority: DE
Inventors: H. Uwe 7770 Überlingen-Nußdorf Krogmann
Original assignee: Bodenseewerk Geratetechnik GmbH
Current assignee: Bodenseewerk Geratetechnik GmbH
Priority date: 1981-08-06
Filing date: 1981-08-06
Publication date: 1984-05-17
Also published as: DE3131111A1; GB2103364A; FR2511145B1; FR2511145A1; GB2103364B

Abstract

Bei einem bandaufgehängten Meridiankreisel wird die Auslenkung α ↓A der Kreiseldrallachse gegenüber einer Gehäusereferenz durch einen Abgriff abgegriffen und das Abgriffsignal über einen hochverstärkenden Verstärker auf einen Drehmomenterzeuger gegeben. Dieser wirkt um die Hochachse auf den Meridiankreisel und fesselt diesen an die Gehäusereferenz. Es ist ein Kalman-Filter (52) vorgesehen, welches das System des gefesselten Meridiankreisels nachbildet. Auf das Kalman-Filter (52) wird als Filtereingangssignal die Differenz des auf den Drehmomenterzeuger aufgeschalteten Signals Mg und eines von dem Kalman-Filter (52) gelieferten Schätz wertes M g dieses Signals aufgeschaltet.

Description

wert Mg des auf den Drehmomenterzeuger (24) geschalteten Signals,
(m) Die in dem sechsten Summierpunkt (84) gebildete Summe wird durch Integrationsmittel (96) integriert, wodurch der besagte Schätzwert Mg des auf den Drehmomenterzeuger (24) geschalteten Signals (Mg) erhalten wird.

4. Kreiselgerät nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß

(n) in den zweiten Summierpunkt (58) zusätzlich das fiiit einem zcitHuiiangigen ι an.tor λ₂ι rnuitiplizierte zweite Filtereingangssigna' addiert wird,

(o) in dem vierten Summierpunkt (70) zusätzlich das mit einem zeitabhängigen Faktor X_n multiplizierte zweite Filtereingangssignal addiert wird,

(p) durch die Integrationsmittel (80), die einen Schätzwert &₀ des Winkels zwischen Gerätereferenz O) und Nord liefern, zusätzlich das mit einem zeitabhängigen Faktor AT₃₁ multiplizierte zweite Filtereingangssignal integriert wird und

(q) im sechsten Summierpunkt (84) zusätzlich das mit einem zeitabhängigen Faktor K₄₁ multiplizierte zweite Filtereingangssignal addiert wird.

5. Kreiselgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß

(r) zur Bildung des ersten Filtereingangssignals in einem achten Summierpunkt (106) ai". Summe gebildet wird von

(r,) dem auf den Drehmomenterzeuger (24) tatsächlich aufgeschalteten Signal Mg,

(T₂) mit negativem Vorzeichen, dem von dem Kaiman-Filter (52) gelieferten Schätzwert Mg dieses auf den Drehmomenterzeuger (24) aufgeschalteten Signals und

(r₃) einem Signai, das die Varianz des Meß-Rauschprozesses des auf den Drehmomenterzeuger (24) aufgeschalteten Signals darstellt, und
(s) zur Bildung des zweiten Filtereingangssignals in einem siebten Summierpunkt (108) die Summe gebildet wird von

(51) dem von dem Abgriff(20) gelieferten, die Abweichung des Meridiankreisels (12) von der Gehäusereferenz (y) darstellenden Signal a_A,

(5₂) mit negativem Vorzeichen, dem von dem Kaiman-Filter (52) gelieferten Schätzwert a_A dieses die Abweichung des Meridiankreisels (12) von der Gehäusereferer;z (y) darstellenden Signals und

(5₃) einem Signal, das die Varianz des Meß- und Rausc'uyrozesses der Abweichung des Meridiankreisels (12) von der GehäuDie Erfindung betrifft ein Kreiselgerät zur Bestimmung der Nordrichtung enthaltend

(a) einen in einem Gehäuse pendelnd aufgehängten ίο Meridiankreisel,

(b) einen Abgriff, der auf die Auslenkung des Meridiankreisels gegenüber einer Gehäusereferenz anspricht,

(c) einen Drehmomenterzeuger, der

(C₁) um die Hochachse auf den Meridiankreisel

wirkt und

(C₂) von dem Signal des Abgriffs im Sinne einer Fesselung des Meridiankreiseis an die Gehäusereferenz beaufschlagt ist, und
(d) eine Signalauswerterschaltung, v'o

(d 1) von dem auf der. Drehmomenterzeuger aufgeschalteten Signal beaufschlagt ist,
(d₂) ein Filter zur Unterdrückung von Störungen

enthält und

(d₃) ein gefiltertes Signa! liefert, welches die

Abweichung der Gehäusereferenz von Nord darstellt.

Durch die DE-PS 19 41 808 ist ein Kreiselgerät zur Bestimmung der Nordrichtung mit einem an einem Band in einem Gehäuse aufgehängten Meridiankreisel bekannt, bei welchem ein Abgriff zur Erzeugung eines Signals nach Maßgabe der Azimut-Auslenkung des Kreisels gegenüber einer durch die Bandnullage gege-

J5 benen Gehäusereferenz vorgesehen ist. Auf den Meridiankreisel wirkt ein Drehmomenterzeuger, der von dem Signal des Abgriffs über einen hochverstärkenden Verstärker beaufschlagt ist. Dieser Drehmomenterzeuger übt auf den Meridiankreisel ein Drehmoment um die Azimutachse aus, das dem Kreiselrichtmoment, d. h. jem durch die Erddrehung hervorgerufenen, die Kreiseldrallachse nach Nord ausrichtenden Drehmoment entgegenwirkt. Der Meridiankreisel schwingt dann nicht mit seiner Kreiseldrallachse in. die Nordrich-5 tung ein, was eine langwierige Prozedur wäre, da der an einem Band aufgehängte Meridiankreisel ein praktisch ungedämpftes Schwingungssystem mit langer Schwingungsperiode darstellt. Vielmehr wird der Meridiankreisel elektrisch an die Gehäusereferenz, d. h. die

><> Bandnullage, gefesselt. Das dazu auf den Meridiankreisel auszuübende Drehmoment ist proportional dem Kreiselrichtmoment und damit bei kleinen Winkeln zwischr'i Kreiseldrallachse und Nord proportional diesem Winkel. Wenn man bei hinreichend hoher Verstärkung des von dem Abgriff gelieferten Signalb auch den Winkel zwischen Kreiseldrallachse und Gehäusereferenz vernachlässigen kann, ist das Drehmoment des Drehmomenterzeugers proportional dem Winkel zwischen Gehäusereferenz und Nord. Kann man voraussetzen, daß der Drehmomenterzeuger linear arbeitet, so liefert das verstärkte Signal des Abgriffs, das auC den Drehmomenterzeuger aufgeschaltet wird, tin Maß für diesen Winkel zwischen Gehäusereferenz und Nord. Dieses Signal kann zur Anzeige der Nordrichtung (DE-AS 20 08 702) oder zu Navigationszwecken (DE-AS 25 45 025) benutzt werden.

Durch die elektrische Fesselung des Meridiankreisels wird die SchwinEunesoeriode des Svstems wesentlich

verkürzt. Es kann dann in einer verglichen mit vorbekannten, sich frei einstellenden bandaufgehängten Meridiankreiseln kurzen Zeit die Nordabweichung, d. h. der Winkel zwischen Gerätereferenz und Nord bestimmt werden. Trotzdem dauert es noch unerwünscht lange, bis sich tatsächlich ein stationärer Wert für die Nordabweichung eingestellt hat. Auch wird die Messung durch äußere Störungen beeinträchtigt.

Um den Einfluß solcher äußerer Störungen zu eliminieren, ist es bekannt, das auf den Drehmomenterzeuger aufgeschaltete, als Maß für die Nordabweichung dienende Signal auf einen Analog-Digital-Wandler zu geben, der ein diesem Signal entsprechendes Digitalsignal liefert. Dieses Digitalsignal ist auf einen Rechner aufgeschaltet, der zur rekursiven Mittelwertbildung aus den in vorgegebenen Zeitabständen abgetasteten Digitalsignalen eingerichtet ist. Durch die Mittelwertbildung wird der Einfluß von Störungen unterdrückt. Dadurch, daß die Mittelwertbildung rekursiv erfolgt, ist jedoch sichergestellt, daß ein Meßwert relativ schnell zur Verfügung steht (DE-OS 25 45 026 und DE-OS 26 18 868 sowie US-PS 40 75 764). Wenn der Meßwert auch zunächst unter Umständen mit einem Fehler behaftet ist, so wird er jedoch verbessert in dem Maße, wie die Mittelwertbildung erfolgt. Dem Analog-Digital-Wandler ist üblicherweise noch ein Tiefpaßfilter vorgeschaltet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Kreiselgerät der eingangs definierten Art, die Zeit innerhalb welcher ein Meßwert mit einer gewünschten Genauigkeit erhalten wird, weiterzu verkürzen und den Einfluß von mechanischen Störungen auf die Messung zu unterdrücken.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß

(e) das Filter zur Unterdrückung von Störungen ein Kaiman-Filter ist,

(e,) welches das System des gefesselten Meridiankreisels nachbildet,

(e₂) auf welches als erstes Filtereingangssignal die Differenz des auf den Drehmomenterzeuger aufgeschalteten Signals (Mg) und eines von dem Kaiman-Filter gelieferten Schätzwert (Mg) dieses Signals aufgeschaltet ist, und

(0 dieser Schätzwert (Mg) als schnell in einen wahren Wert einlaufendes, von Störungen weitgehend freies Maß für die Abweichung einer Gerätereferenz von Nord ausgegeben wird.

Bei einem Kaiman-Filter wird das Meßgrößen liefernde System durch ein Modell nachgebildet. Ein sich aus einem solchen Modell ergebender Schätzwert für eine der Meßgrößen wird mit dem tatsächlich in dem System gemessenen Wert der Meßgröße verglichen und aus der Differenz ein Filtereingangssignal gebildet. Diese Filiereingangssignale werden multipliziert mit geeigneten zeitabhängigen Funktionen auf Integrationsmittel gegeben und verändern Parameter des Modells solange, bis die Filtereingangssignale verschwinden. Dann entspricht das Modell der Realität, und an dem so erhaltenen Modell können Schätzwerte für Meßgrößen des Systems, z. B. wie im vorliegenden Fall für den Winkel Ct₀ zwischen Gerätereferenz und Nord gewonnen werden.

Es hat sich gezeigt, daß durch Anwendung eines solchen Kaiman-Filters zur Bestimmung eines Schätzwertes Zt₀ für den Winkel zwischen Gerätereferenz und Nord bei einem Kreiselgerät der vorliegenden Art gegenüber dem geschilderten bekannten Gerät eine erhebliche Verbesserung sowohl hinsichtlich der Einstellzeit als auch hinsichtlich der Unterdrückung von mechanischen Störungen erzielt werden kann.

Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert:

Fig. 1 ist eine schematisch-perspektivische Darstellung des mechanischen Aufbaus des Kreiselgeräts;
Fig. 2 zeigt als Blockdiagramm die Verknüpfung der verschiedenen Meßgrößen des Kreiselgeräts und des Kaiman-Filter für die Signalverarbeitung;

Fig. 3 veranschaulicht den Einstellvorgang bei einem bekannten Kreiselgerät und bei einem Kreiselgerät mit einem Kaiman-Filter;

Fig. 4 veranschaulicht die Beeinflussung des Einstellvorgangs durch Störungen bei einem bekannten Kreiselgerät und dem Kreiselgerät mit Kaiman-Filter. Das Kreiselgerät enthält ein Gehäuse 10, in welchem ein Meridiankreisel 12 mit einem Mast 14 mittels eines Bandes 16 aufgehängt ist. Das Gehäuse 10 definiert ein Koordinatensystem mit der vertikalen Achse ζ und den dazu uiiJ zueinander senkrechten Achsen .vundj·. Die Achse y stellt dabei eine Gerätereferenz dar. Wenn der Meridiankreisel 12 mit seiner Kreiseldrallachse 18 in

jn der durch die y- und die z-Achse bestimmten Ebene liegt, ist das Band 16 entspann!.. Diese Stellung wird daher als Bandnullage bezeichnet. Die Auslenkung des Meridiankreisels 12 gegenüber der Gerätereferenz y wird mittels eines hier als Potentiometer angedeuteten Abgriffs 20 erfaßt. Das Signal des Abgriffs ist über einen hochverstärkenden Verstärker 22 auf einen Drehmomenterzeuger 24 geschaltet. Die Kreiseldrallachse ist mit 26 bezeichnet.
Es werden im folgenden die nachstehenden Bezeichnungen benutzt, die auch aus Fig. 1 ersichtlich sind:

a = Azimutwinkel zwischen Kreiseldrallachse 26

und Nord,

a₀ = Azimutwinkel zwischen Gehäusereferenz y und Nord,

a_A = Auslenkung der Kreiseldrallachse 26 gegenüber der Gehäusereferenz,

β = Elevationswinkel der Kreiseldrallachse 26,

c_a = Drehfederkonstante der Bandaufhängung, m = Masse des von dem Meridiankreisel i2 gebildeten Kreiselpendels,
r = Länge des Kreiselpendels,

g = Erdbeschleunigung,

I_x = Trägheitsmoment des Kreiselpendels um die

x-Achse,

/. = Trägheitsmoment des Kreiselpendels um die

?-Achse,

H = Kreiseldrall,

a>_r = Winkelgeschwindigkeit der Erddrehung,
ψ = geographische Breite,

Mg = das dem Drehmomenterzeuger 24 vom Verstärker 22 zugeführte Signal,
My = Hω, sin φ, M_n — Hfj>_t cos e>,
V = Verstärkungsgrad des Verstärkers,

= γ a£ = Übertragungsfunktion des Ver-

^{1 +} T\ ^s stärkers,

s - Variable der Laplace-Transformierten,

K,k (ι, k- 1, 2, 3, 4) = zeitabhängige Funktionen,

V_Sh - die Varianz des Meß-Rauschprozesses des auf der. Drehmomenterzeuger aufgeschalteten Signals,

V_aA = die Varianz des Meß-Rauschprozesses der Abweichung der Kreiseldrallachse 26 von der Gehäusereferenz,

M_a -■= Störmoment um Hochachse Z,

M_ß = Störmoment um ,v-Achse

Wy.W. = Leistungsschichten der Systerarauscheingänge.

Im oberen Teil von Fig. 2 ist das Kreiselgerät, das generell mit 28 bezeichnet ist, als Blockdiagramm dargestellt.

Die Momentengleichung für die Momente um die Hochachse ζ (Fig. 1) lautet

I₁O = Μ_α-Ηω, cos φ sin α -Hß-[ VF_R(s) + C„] a_A.

Es ist also La gleich der Summe der um die Hochachse ζ wirkenden Momente, nämlich der Störmomente M_n, des Kreiselrichtmoments infolge der Horizontalkomponente der Erddrehung H <u, cos ρ sin α, des Kreiselmoments infolge einer Drehgeschwindigkeit um die .v-Achse Hβ sowie des von dem Drehmomenterzeuger 24 und dem Band 16 auf den Meridiankreisel 12 ausgeübten Drehmoments. Dieses letztere Drehmoment ist proportional dem Winkel a_A, um den die Kreiseldrallachse 26 gegen die Gehäusereferenz ausgelenkt ist. Der Proportionalitätsfaktor enthält einmal den Verstärkungsgrad des Verstärkers 22 (in den der Einfachheit halber der Faktor des Drehmomenterzeugers 24 mit eingerechnet ist). Der Verstärkungsgrad des Verstärkers 22 besitzt ein Zeitverhalten F_K (j) mit einer Übertragungsfunktion, das in Gleichung (1) (mathematisch nicht ganz korrekt) als Faktor angedeutet ist.

Als Momentengleichung um die x-Achse ergibt sich

I_xß = Mß+H ω, sin φ+ Ha - mrg sin β. (2)

/Jjistwieder gleich der Summe der um die x-Achse wirkenden Momente, nämlich der Störmomente Mß infolge äußerer Einwirkungen, des Kreiselmoments H ω, sin φ, das auf die Vertikalkomponente der Erddrehung zurückzuführen ist, eines Kreiselmoments Ha infolge von Drehgeschwindigkeiten α um die Hochachse ζ sowie mit umgekehrtem Vorzeichen eines Pendelmoments P= mrgsinß, das bei einer Auslenkung des Meridiankreisels 12 mit dem Mast 14 aus der Lotrichtung und damit bei einer Auslenkung der Kreiseldrallachse 26 aus der Horizontalebene auftritt. Da es sich um einen schweren Kreisel handelt, können α und ß, d. h.die Nutation, vernachlässigt werden. Im Fall der Feinausrichtung, wenn also die Kreiseldrallachse 26 schon im wesentlichen nach Nord ausgerichtet und 05 klein ist, können sin α durch α und sinjS durch β ersetzt werden. Aus den Gleichungen (1) und (2) ergeben sich dann die folgenden linearisierten Modellgleichungen

Hß = -M_Na-M_g+W_z

mit dem Kompensationsmoment bzw. dem auf den Drehmomenterzeuger 24 aufgeschalteten Signal

Dabei ist die Drehfederkonstante C„ vernachlässigbar, da der Verstärkungsgrad V in der Praxis um drei Zehnerpotenzen größer ist als C₁₁. Die Störmomente Mß und M_a sind in den Gleichungen (3) und (4) als stochastische Signale mit W, und W. bezeichnet.

Diese Modellgleichungen (3) und (4) sind in dem Blockdiagramm im oberen Teil von Fig. 2 dargestellt.

ίο Ein Summierpunkt 30 repräsentiert Gleichung (4). Die Abweichung α der Kreiseldrallachse 26 von Nord, die, wie noch ersichtlich wird, im Punkt 32 des Blockdiagramms erscheint, wird multipliziert mit M_s = H ω, cos φ, wie durch den Block 34 dargestellt ist. Dieses Produkt erscheint mit negativem Vorzeichen an dem Summierpunkt. Ein weiterer Summand im Summierpunkt ist das von dem Drehmomenterzeuger 24 gelieferte Drehmoment M_r das proportional der Abweichung a_A der Kreiseldrallachse 26 (mit dem Azimutwinkel a) von der Gehäuserefsrenz (mit dem Azimutwinkel ^₀) ist und im Punkt 36 des Blockdiagramms erscheint. Diese Abweichung a₀, die von dem Abgriff 20 erhalten wird, wird mit dem Verstärkungsfaktor des Verstärkers 22 multipliziert, wie durch Block 37 dargestellt ist, und erscheint ebenfalls mit negativem Vorzeichen am Summierpunkt 30. Der dritte Summand, der am Summierpunkt wirksam wird, ist die das Störmoment um die z-Achse repräsentierende Größe W₁. Nach Gleichung (4) ergibt der Summierpunkt 30 als Summe Hß. Die

jo Abweichung der Kreiseldrallachse von Nord im Azimut, d. h. um die z-Achse bewirkt somit eine Winkelgeschwindigkeit^ um die x-Achse (F i g. 1). Diese Winkelgeschwindigkeit ergibt sich aus dem Summensignal am Summierpunkt 30 durch Division durch H, was durch einen Block36 dargestellt ist. Der Auslenkungswinkel^Ö um die x-Achse ergibt sich daraus durch Integration, dargestellt durch einen Block 38. Die Kreiseldrallachse 26 sucht also bei einem Winkel α im Azimut gegenüber Nord ihren Elevationswinkel β zu ändern. Der Elevationswinkel β bewirkt jedoch gemäß Gleichung (3) durch das Pendelmoment P= m ■ τ ■ g eine Winkelgeschwindigkeit α um die Azimutachse z.

Ein Summierpunkt 40 in Fig. 2 repräsentiert Gleichung (3).

Der ElevationswinkelA der sich aus der durch Block 38 symbolisierten (durch das System erfolgenden) Integration ergibt, wird mit P = mrg multipliziert. Dieses Produkt wird mit positivem Vorzeichen an dem Summierpunkt 40 wirksam. Mit negativem Vorzeichen wird

so weiterhin My = Hm, sin φ und die das Störmoment darstellende Größe My wirksam. An dem Summierpunkt 40 srgibt sich dann nach Gleichung (3) Ha. Die Winkelgeschwindigkeit α um die Azimutachse ζ ergibt sich durch Division durch H, was durch den Block 44 dargestellt ist. Durch Integration der Winkelgeschwindigkeit a, dargestellt durch Block 44, ergibt sich α im Punkt 32. Ein Summierpunkt 48 repräsentiert den Abgriff 2Θ, wo die Differenz des Winkels O₀ zwischen Gehäusereferenz und Nord und des Winkels α zwischen Kreiseldrallachse 26 und Nord gebildet wird und den Winkel a_A liefert Eine Größe W^ (i) = ß₀ stellt stochastische Störungen von βο dar, die integriert, wie durch Block 5β dargestellt, den Winkel O₀ ergeben. Als Anfangswert der Integration ist O₀ (Ό) vorgegeben.

Dieses Blockdiagramm stellt somit in linearisierter Form das in Fig. i gezeigte Kreiselgerät 28 dar.

Eine Signalauswerterschaltung enthält ein Kaiman-Filter 52, das im unteren Teil von F i g. 2 dargestellt ist.

Dieses Kaiman-Filter 52 bildet das durch das Blockdiagramm dargestellte Modell des Kreiselgeräts 28 nach. Es liefert Schätzwerte fur die verschiedenen Größen, die durch ein Dach (") gekennzeichnet sind. Mg ist beispielsweise ein Schätzwert für das von dem Drehmomenterzeuger 24 auf den Meridiankreisel ausgeübte Drehmoment bzw. das auf den Drehmomenterzeuger aufgeschaltete Signal. Als erste Filtereingangsgröße dient die Differenz des Signals Mg und des von dem Kaiman-Filter 52 gelieferten Schätzwerts Λ/gdieses Signals.

Fakultativ kann auf das Kaiman-Filter 52 zusätzlich als zweites Filtereingangssignal die Differenz eines die Abweichung a_A des Meridiankreisels 12 von der Gehäusereferenz y darstellenden Signals und eines von dem Kaiman-Filter 52 gelieferten Schätzwerts a_A dieses Signals aufgeschaltet sein. Das ist in Fig. 2 gestrichelt angedeutet.

Die FiliCTcingärigsiigriäic werden mit zeitabhängigen Faktoren multipliziert und integriert, wobei durch die Integrale die Parameter des Modells verändert werden, bis die Filtereingangssignale verschwinden. Es kann dann davon ausgegangen werden, daß das so modifizierte Modell dem realen System entspricht, so daß die an dem Modell abgegriffenen Schätzwerte die im System auftretenden realen Größen wiedergeben.

Bei dem bevorzugten Ausfuhrungsbeispiel besitzt das Kaiman-Filter 52 folgende Struktur:

In einem ersten Summierpunkt 54 wird die Differenz gebildet eines ersten Signals, das einen Schätzwert Mg für das auf den Drehmomenterzeuger 24 geschaltete Signal darstellt, und eines zweiten Signals, das den mit H ω, cos φ multiplizierten Schätzwert a des Winkels zwischen Kreiseldrallachse 26 und Nord darstellt, wobei, wie gesagt, H der Kreisdrall, ω, die Winkelgeschwindigkeit der Erddrehung und φ die geographische Breite ist. Die erhaltene Differenz wird durch den Kreiseldrall H dividiert, wie durch Block 56 angedeutet ist. In einem zweiten Summierpunkt 58 wird die Summe gebildet der durch den Kreiseldrall //dividierten Differenz von dem ersten Summierpunkt 54 und des mit einem zeitabhängigen Faktor Af₂₂ multiplizierten ersten Filtereingangssignals, wobei die Multiplikation durch den Block 60 dargestellt ist. Und die in dem zweiten .Summierpunkt 58 gebildete Summe wird durch Integrationsmittel 62 integriert. Das so erhaltene Signal, das einen Schätzwert β für den Elevationswinkel der Kreiseldrallachse 26 darstellt, wird mit einem Faktor P = mrg multipliziert, wie durch Block 64 dargestellt ist, wobei m die Masse des Meridiankreisels 12, rdie Länge des Kreiselpendels (Fig. 1) undgdie Erdbeschleunigung ist. In einem dritten Summierpunkt 66 wird die Summe gebildet von dem mit /"multiplizierten Integral von den Integrationsmitteln 62 und einem Signal M_v = Hm, sin φ.

Die in dem dritten Summierpunkt 66 gebildete Summe wird durch den Kreiseldrall H dividiert, wie durch Block 68 angedeutet ist. In einem vierten Summierpunkt 70 wird die Summe gebildet von der durch den Kreiseldrall H dividierten Summe von dem dritten Summierpunkt 66 und dem mit einem zeitabhängigen Faktor K_n multiplizierten ersten Filtereingangssignal, wobei der Faktor AT₁₂ durch Block 72 dargestellt ist. Die in dem vierten Summierpunkt 70 gebildete Summe wird durch Integrationsmittel 74 integriert, wobei das so erhaltene Signal den besagten Schätzwert a des Winkels zwischen Kreiseldrallachse und Nord darstellt, der, multipliziert mit dem durch Block 76 dargestellten Faktor M_K = H o_e cos φ in dem ersten Summierpunkt 54 subtrahiert wird. Das erste Filtereingangssignal wird mit einem zeitaöhängigen Faktor AT₃₂, dargestellt durch Block 78, multipliziert und dann durch Integrationsmittel 80 integriert, wobei ein Signal erhalten wird, das den Schätzwert ä₀ für den Winkel zwischen Gerätereferenz>» und Nord darstellt. In einem fünften Summierpunkt 82 wird die Differenz gebildet von der integrierten Summe von dem vierten Summierpunkt 70 und dem mit dem Faktor AT₃₂ multiplizierten und integrierten ersten Filtereingangssignal, wobei ein Signal erhalten wird,

ίο das einen Schätzwert α_λ für die Auslenkung des Meridiankreisels 12 gegen die Gehäusereferenz.y darstellt. In einem sechsten Summierpunkt 84 wird die Summe

VT₀
gebildet von dem mit einem Faktor ~zr multiplizierten

Signal, das im Punkt 86 durch die Division der Sumrr.evom dritten Summierpunkt 66 durch den Kreiseldrall H

erhalten wurde, der mit einem Faktor^-multiplizierten

t\

Differenz von dem fünften Summierpunkt 82, dem mit einem zeitabhängigen Faktor Ä'₄₂ multiplizierten Filtereingangssignal sowie, mit negativem Vorzeichen,

dem mit einem Faktor—multiplizierten Schätzwert Mg des auf den Drehmomenterzeuger 24 geschalteten Signals. Dabei ist der Faktor -^ durch Block 88, der

'ι

Faktor —durch Block 90, der Faktor AT₄₂ durch Block 92

^Ά 1

und der Faktor γ durch Block 94 symbolisiert. Die in dem sechsten Summierpunkt gebildete Summe wird durch Integrationsmittel 96 integriert, wodurch der besagte Schätzwert Mg des auf den Drehmomenterzeuger 24 geschalteten Signals erhalten wird.

Fakultativ kann in den zweiten Summierpunkt 58 zusätzlich das mit einem zeitabhängigen Faktor AT_2!, dargestellt durch den gestrichelten Block 98, multiplizierte zweite Filtereingangssignal addiert werden, welches, wie gesagt, die Differenz eines die Abweichung des Meridiankreisels 12 von der Gehäuse« ^ferenz,y darstellenden Signals und eines von dem Kaiman-Filter 52 gelieferten Schätzwerts a_A dieses Signals ist. In dem vierten Summierpunkt 70 würde dann zusätzlich das mit einem zeitabhängigen Faktor K_n, dargestellt durch den gestrichelten Block 100, multiplizierte zweite Filtereingangssignal addiert. Durch die Integrationsmittel 80, die einen Schätzwert S₀ des Winkels zwischen Gerätereferenz.)' und Nord liefern, würde zusätzlich das mit einem zeitabhängigen Faktor AT₃₁ multiplizierte zweite

so Filtereingangssignal integriert. Der Faktor AT₃, ist durch Block 102 symbolisiert. Schließlich würde im sechsten Summierpunkt 84 zusätzlich das mit einem zeitabhängigen Faktor AT₄₁, dargestellt durch Block 104, multiplizierte zweite Filtereingangssignal addiert.

Zur Bildung des ersten Filtereingangssignals wird in einem achten Summierpunkt 106 die Summe gebildet von dem auf den Drehmomenterzeuger 24 tatsächlich aufgeschalteten Signal Mg, mit negativem Vorzeichen dem von dem Kaiman-Filter 52 gelieferten Schätzwert Mg dieses auf den Drehmomenterzeuger 24 aufgeschalteten Signals und einem Signal V_Up das die Varianz des Meß-Rauschprozesses des auf den Drehmomenterzeuger 24 aufgeschalteten Signals Mg darstellt Zur Bildung des zweiten Filtereingangssignals wird in einem siebten Summierpunkt 108 die Summe gebildet von dem von dem Abgriff 20 gelieferten, die Abweichung des Meridiankreisels 12 von der Gehäusereferenz y darstellenden Signal a_A, mit negativem Vorzeichen dem von dem

H

Kalma-ii-Filter 52 gelieferten Schätzwert a_A dieses die Abweichung des Meridiankreisels M von der Gehäusereferenz y darstellenden Signals und einem Signal V_aA, das die Varianz des Meß-Rauschprozesses der Abweichung des Meridiankreisels von der Gehäuserefevenz darstellt.

Wie man sieht, bildet das Kaiman-Filter 52 das linearisierte System des Kreiselgeräts 28 nach. Die Blöcke 88, 90, 94 mit dem Integrator 96 sind eine Nachbildung des Verstärkers 22, dessen Übertragungsfunktion mit

(6)

1 + T\ s

angenommen v/ird. Dieses Modell wird durch die FiI-tereingangssignale von den Summierpunkten 106 und 108 mit zeitabhängigen Faktoren, dargestellt durch die Blöcke 60, 98, 72,100,102, 78, 92 und 104, die auf die Eingänge von Integrationsmitteln 62, 74, 80 und 96 gegeben werde»., solange variiert, bis die Filtereingangssignale verschwinden und das Modell rter Realität angepaßt ist.

Die F i g. 3 und 4 veranschaulichen die durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Signalverarbeitungsmittel gegenüber dem Stand der Technik erzielten Vorteile.

In Fig. 3 stellt die Linie 110 den realen Wert des Winkels ar₀ zwischen Gerätereferenz und Nord dar. Kurve 112 zeigt, wie die Anzeige eines Geräts etwa nach DE-OS 19 41 808 in diesen Wert a₀ einläuft, wenn das auf den Drehmomenterzeuger 24 geschaltete Signal Mg zur Signalverarbeitung lediglich über einen Tiefpaß geleitet wird. Kurve 114 zeigt das Einlaufen des Meßwerts, wenn zusätzlich zu dem Tiefpaß noch ein Mittelwertfilter nach Art der US-PS 40 75 764 vorgesehen ist. Kurve 116 schließlich zeigt das Einlaufen der Anzeige in den realen Wert bei Verwendung des beschriebenen KaI-man-Fiiters 52. Es zeigt sich, daß die beschriebene Signalverarbeitung etwa dreimal so schnell ist wie die Signalverarbeitung nach dem Stand der Technik. Die beschriebene Signalverarbeitung gestattet die Schätzung des Winkels a₀ auf 1~ genau nach ungefähr 20 Sekunden, während sich bei der bekannten Anordnung noch nach 60 Sekunden nur eine Genauigkeit von etwa 3" ergibt.

Fig.4 zeigt das Verhalten hinsichtlich der Unterdrückung äußerer Störungen wieder im Vergleich zu den vorbekannten Lösungen.

Linie 118 zeigt den realen Wert des Winkels ao- Kurve 120 zeigt den Verlauf des Schätzwerts a₀ bei Auftreten so von Störungen, wenn das Signal Mg lediglich über ein Tiefpaßfilter geleitet wird. Kurve 122 zeigt den Verlauf des Schätzwerts bei den gleichen Störungen unter Verwendung eines Tiefpasses mit einem Mittelwertfilter nach der US-PS 40 75 764. Kurve 124 schließlich zeigt den zeitlichen Verlauf des Schätzwertes, wenn ein Kaiman-Filter 52 der beschriebenen Art verwendet wird.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Kreiselgerät zur Bestimmung der Nordrichtung enthaltend

(a) einen in einem Gehäuse (10) pendelnd aufgehängten Meridiankreisel (12),

(b) einen Abgriff (20), der auf die Auslenkung (a_A) des Meridiankreisels gegenüber einer Gehäusereferenz (y) anspricht,

(c) einen Drehmomenterzeuger (24), der

(C₁) um die Hochachse (z) auf den Meridiankreisel (12) wirkt und

(C₂) von dem Signal des Abgriffs (20) im Sinne einer Fesselung des Meridiankreisels (12) an die Gehäusereferenz (y) beaufschlagt ist, und

(d) eint Signalauswerterschaltung, die

(d,) von dem auf den Drehmomenterzeuger aufgeschalteten Signal (Mg) beaufschlagt ist,

(d₂) ein Filter zur Unterdrückung von Störungen enthält und

(d₃) ein gefiltertes Signal liefert, welches die Abweichung (σ₀) der Gehäusereferenz (y) von Nord darstellt,
dadurch gekennzeichnet, daß

(e) das Plier zur Unterdrückung von Störungen ein Kaiman-Filter (52) ist, M (e,) welches das System des gefesselten Meri-

diankreiseh, (M) nachbildet,
(e₂) auf welches als e. jtes Filtereingangssignal die Differenz des auf den Drehmomenterzeuger aufgeschalteten Signals (Mg) und eines von dem Kaiman-Filter (52) gelieferten Schätzwerts (Mg) dieses Signals aufgeschaltet ist, und
(0 dieser Schätzwert (Mg) als schnell in einen wahren Wert einlaufendes, von Störungen weitgehend freies Maß für die Abweichung einer Gerätereferenz von Nord ausgegeben wird.

3. Kreiselgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Kaiman-Filter zusätzlich als zweites Filtereingangssignal die Differenz eines die Abweichung des Meridiankreisels (12) von der Gehäusereferenz darstellenden Signals (a_A) un<i eines von dem Kaiman-Filter (52) gelieferten Schätzwerts (a_A) dieses Signals aufgeschaltet ist.

3. Kreiselgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kaiman-Filter (52) folgende Struktur besitzt:

(a) In einem ersten Summierpunkt (54) wird die Differenz gebildet

(a,) eines ersten Signals, das einen Schätzwert Mg für das auf den Drehmomenterzeuger (24) geschaltete Signal darstellt, und fee

(a₂) eines zweiten Signals, das den mit Ηω, cos φ multiplizierten Schätzwert a des Winkels zwischen Kreiseldrallachse (26) und Nord darstellt, wobei
H der Kreiseldrall b5

ω, die Winkelgeschwindigkeit der Erddrehung und
Φ die geographische Breite ist.

(b) Die erhaltene Differenz wird durch den Kreiseldrall H dividiert.

(c) In einem zweiten Summierpunkt (58) wird die Summe gebildet

(cj) der durch den Kreiseldrall H dividierten Differenz von dem ersten Summierpunkt (54) und

(C₂) des mit einem zeitabhängigen Faktor K_n multiplizierten ersten Filtereingangssignals.

(d) Die in dem zweiten Summierpunkt (58) gebildete Summe wird durch Integrationsmittel (62) integriert,

(e) das so erhaltene Signal, das einen Schätzwert jj für den Elevationswinkel der Kreiseldrallachse darstellt, wird mit einem Faktor P = m ■ τ-g multipliziert, wobei

m die Masse des Meridiankreisels,
r die Länge des Kreiselpendels und
g die Erdbeschleunigung ist.
(0 In einem dritten Summierpunkt (66) wird die Summe gebildet von
(fj) dem mit P multiplizierten Integral von

den Integrationsmitteln (62) und
(f₂) einem Signal M, = Ha, sin φ.
(g) Die in dem dritten Summierpunkt (66) gebildete Summe wird durch den Kreiseldrall H dividiert.

(h) In einem vierten Summierpunkt (70) wird die Summe gebildet von

(hi) der durch den Kreiseldrall H dividierten Summe von dem dritten Summierpunkt (66) und

(h₂) dem mit einem zeitabhängigen Faktor K_n multiplizierten ersten Filtereingangssignal.

(i) Die in dem vierten Summierpunkt (70) gebildete Summe witu durch Integrationsmittel (74) integriert, wobei das so erhaltene Signal den besagten Schätzwert a des Winkels zwischen Kreiseldrallachse (26) und Nord darstellt,
(j) Das erste Filtereingangssignal wird

(j,) mit einem zeitabhängigen Faktor K₃₂

multipliziert und dann

U₂) durch Integrationsmittel (80) integriert, webei ein Signal erhalten wird, das den Schätzwert a₀ für den Winkel zwischen Gerätereferenz (y) und Nord darstellt,
(k) In einem fünften Summierpunkt (82) wird die Differenz gebildet von
(k,) der integrierten Summe von dem vierten

Summierpunkt (70) und
(k₂) dem mit dem Faktor K_n multiplizierten und integrierten ersten Filtereingangssignal, wodurch ein Signal erhalten wird, das einen Schätzwert a_A für die Auslenkung des Meridiankreisels (12) gegen die Gehäusereferenz (y) darstellt,
(I) In einem sechsten Summierpunkt (84) wird die Summe gebildet von

(1₁) dem mit einem Faktor \~~f~) multiplizierten Signal, das durch die Division der Summe vom dritten Summierpunkt (66) durch den Kreiseldrall //erhalten wurde,

(1₂) der mit einem Faktorf-—!multiplizierten

Differenz vom fünften Summierpunkt (82),

(1₃) dem mit einem zeitabhängigen Faktor K₄₂ multiplizierten Filtereingangssignal sowie,

(1₄) mit negativem Vorzeichen, dem mit

einem Faktor hpi multiplizierten Schätzsereferenz 00 darstellt.