NORTH-INDICATING APPARATUS USED AS A COURSE OR ATTITUDE REFERENCE FOR VEHICLES

Abstract: The apparatus has three rotational speed sensors for three vehicle axes which are perpendicular to one another. In order to be able to dispense with a vertical sensor or acceleration meter and to achieve a reduction in the dynamic range necessary, the three rotational speed sensors (1; 2,3; 4) are arranged on a common pendulum (5) which represents the vertical and which can oscillate around any desired axis within the horizontal plane, one of the three measuring axes of the three rotational speed sensors coinciding with the longitudinal axis of the pendulum (5) and being parallel to the latter, and the two measurement axes (2, 3) of the two other rotational speed sensors being perpendicular to the first measuring axis (5) and to each other. <IMAGE>

Description: Nordermittelndes Kurs- und Lage-Referenzgerät für Fahrzeuge Die Erfindung bezieht sich auf ein nordermittelndes Kurs- und Lage-Referenzgerät für Fahrzeuge gemäss dem Oberbegriff des Anspruches 1. Derartige Geräte werden in Luft-, Land- und insbesondere Wasserfahrzeugen, d.h. im wesentlichen Schiffen, eingesetzt, häufig in Zusammenhang mit einem Kreiselkompass. Sie dienen der Feststellung der Nordrichtung und der Lage des Fahrzeuges. Ein ähnliches Referenzgerät, das nur die Nordrichtung ermittelt, ist in der deutschen Patentschrift 2922412 beschrieben. Hier ist ein zweiachsiger Wendekreisel um eine Eingangsachse drehbar angeordnet. Zusätzlich ist wenigstens ein Beschleunigungsmesser vorgesehen. Der Messbereich der verwendeten Drehgeschwindig keitssensoren muss im gesamten Dynamikbereich eine ausreichend hohe Genauigkeit haben, oder das Gerat darf nur bei stehendem Fahrzeug benutzt werden. Sämtliche auftretenden Frequenzen müssen abgedeckt werden, sowohl hochfrequente Störfrequenzen als auch niederfrequente, von Fahrzeugbewegungen um unter schiedliche Achsen herrührende Frequenzen müssen eleminiert werden können, um eine genaue Anzeige zu bewirken. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Rçfer.enzierÅaJ gemäss dem Oberbegriff des Anspruches 1 so auszubilden, dass die Nachteile des Standes der Technik vermieden werden, dass auf Lotfühler oder Beschleunigungsmesser verzichtet werden kann, und dass eine Reduzierung des erforderlichen Dynamikbereiches möglich ist. Die Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale des Kennzeichens des Anspruches 1 gelöst. Weitere Ausbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargestellt. Die Grundidee besteht darin, dass als Sensoren für die Ermittlung der Nordrichtung und des Horizontes bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ein mit zwei Messachsen ausgestatteter freier Kreisel und ein weiterer Drehgeschwindigkeitssensor bzw. integrierender Drehgeschwindigkeitssensor, vorzugsweise in Form eines Wendekreisels oder eines integrierenden Wendekreisels vorgesehen sind, die beide an einem gemeinsamen Pendel so angeordnet sind, dass sie einen integrierten Bestandteil desselben darstellen. Das Pendel ist so gelagert, dass es um alle Achsen parallel zur Horizontebene Winkelbewegungen ausführen kann. In einer stationären Anwendung eines derartigen Referenzgerätes stellt die Pendellängsachse bis auf unvermeidliche Störeinflüsse, die durch Lagerreibung und dergleichen hervorgerufen werden, die wahre Lotrichtung dar, wahrend die Pendellangsachse in einem sich bewegenden Fahrzeug oszillierende Winkelbewegungen entsprechend der Fahrzeugdynamik durchfuhrt . Diese Winkelbewegungen können durch eine geeignete Dämpfung minimiert werden. Im zeitlichen Mittel sind diese Bewegungen null und stellen somit keine Beeinträchtigung der erfindungsgemäss vorgeWhlagenen Lösung dar. Nach einem Ausführungsbeispiel wird das Pendel kardanisch aufgehängt. Ordnet man in den Kardanachsen der Pendelaufhängung Winkelmesselemente an, so lässt sich die Lage eines Fahrzeuges zum Horizont ermitteln. Verknüpft man die so gewonnenen Signale in geaignetcr Weise mit den vom freien Kreisel herrührenden Signalen, so lässt sich auch bei einem bewegten Fahrzeug seine Lage zum Horizont ermitteln. Die Realisierung einer Kompassfunktion durch ein derartiges Nordermittelndes Kurs- und Lage-Referenzgerät für Fahrzeuge lässt sich durch drei unterschiedliche Massnahmen erreichen: A Durch eine Anordnung (nach Fig. 1), bei der man die zur Fesselung des freien Kreisels benötigten Momente in elektrische Signale umformt und durch deren Vergleich die Nordrichtung bestimmt (Gerät fest). B Durch eine Anordnung (nach Fig. 3), bei der das gesamte Gerät oder nur der freie Kreisel drehbar gelagert ist. Wird bei dieser Anordnung das Gerät oder der Kreisel solange gedreht, bis in einer der Messachsen das zur Fesselung benötigte Moment ein Maximum und das Fesselmoment in der zweiten Messachse ein Minimum erreicht, so entspricht die Lage der zuerst genannten Messachse der Nord-Südrichtung (Gerät auf bestimmte Stellen gedreht). C Durch eine Anordnung (nach Fig. 3), bei der das gesamte Gerät oder nur der freie Kreisel kontinuierlich mit konstanter Geschwindigkeit gedreht wird. Der Verlauf der zur Fesselung des freien Kreisels benötigten Momente entspricht einer Sinusfunktion, wobei die aus diesen Momenten gewonnenen Signale aus den beiden Messachsen um 90" phasenver schoben sind und zur Ermittlung der Nordrichtung herangezogen werden können. Die Anordnung nach A entspricht im wesentlichen strap-down Plattformen, wie sie in Land-, Luft- und Wasserfahrzeugen angewendet werden. Als Sensoren werden bei diesen Systemen drei Drehgeschwindigkeitssensoren und drei Beschleunigungsmesser be nötigt. Der Messbereich dieser Sensoren muss im gesamten Dynamikbereich eine ausreichend hohe Genauigkeit bieten. Aufgrund der gewählten Pendel anordnung des vorgeschlagenen Systemes kann auf alle drei Beschleunigungsmesser verzichtet werden. Die Pendel aufhängung in Verbindung mit einer geeigneten Dämpfung führt zu einer Reduzierung des Dynamikbereiches der Drehgeschwindi gkeitssensoren. Dies führt zu einer kostengünstigen Lösung. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Es zeigt: Figur 1 in perspektivischer Darstellung ein erstes Ausfuhrungsbei- spiel der Erfindung, Figur 2 ein weiteres Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung, wobei auf Winkelmesselemente in den Kardanachsen verzichtet wurde, Figur 3 ein drittes Ausführungsbeispiel mit drehbarer Lagerung des gesamten Referenzgerätes, Figur 4 die Darstellung der Messachsen der Kreisel zum Navi= gationsrahmen durch sog. Eulerwinkel, Figur 5 die schematische Schaltungsanordnung zur Ermittlung des Kurswinkels nach einem Ausführungsbeispiel, Figur 6 die Frequenzgänge des Referenzgerätes, Figur 7 und Figur 8 stellen eine Verknüpfung der aus dem gefesselten Kreisel gewonnenen Drehgeschwindigkeitssignale und den Signalen der Winkelmesselemente in den Kardanachsen für die Ermittlung der Roll- und Stampfwinkel dar. Figur 9 zeigt die Tangens- und Cotangensfunktionen von 0 bis 2t, d.h. innerhalb eines Vollkreises, mit den acht zwischen +1 und -1 gebildeten Achtelsegmenten, Figur 10 zeigt die Einteilung des Vollkreises in acht Achtel segmente sowie die für jedes dieser Achtelsegmente geltenden Auswertebedingungen hinsichtlich der Fesselsignale Q und aJ ys zs Figur 11 zeigt die schematische Schaltungsanordnung zur Ermittlung der Hubgeschwindigkeit und des Hubweges. 1.) Beschreibung der Fig. 1 - 3 Ein freier Kreisel 1, ausgestattet mit zwei Messachsen 2 und 3, ist zusammen mit einem Drehgeschwindigkeitssensor 4 so angeordnet, dass beide Bestandteil einer mechanischen Bau gruppe sind, die innerhalb eines Kardanrahmens 15 um eine erste Kardanachse 10 und zusammen mit diesen um eine zwei te Sardan2chse11 Winkelbewegungen ausüben kann. Da der Schwerpunkt dieser Baugruppe unterhalb-des Schnitt punktes der beiden Kardanachsen 10 und 11 liegt, stellt die se ein Pendel dar, dessen Längsachse 5 in einer stationären Umgebung das Lot darstellt. Die Anordnung des freien Kreisels 1 ist so gewählt, dass seine Drallachse identisch mit der Pendellängsachse 5 ist und seine Messachsen 2 und 3 somit senkrecht in einer Ebene auf dieser stehen. Die beiden Messachsen werden dargestellt durch je ein Abgriff element 6 und 7. Sie stehen, in einer Ebene liegende, senk recht aufeinander und sind in der Lage, die Stellung des Kreiselrotors, bezogen auf seine Drallachst, abzutasten. Über ebenfalls in den Messachsen angeordnete Führmotoren 6' und 7' ist es möglich, Momente auf den Kreiselrotor auszu üben und ihn z. B. in seiner Nullage zu fesseln. Wobei die Nullage dann gegeben ist, wenn die Figurenachse des Kreisels mit der Drallachse übereinstimmt. Der Drehgeschwindigkeitssensor 4,z. B. ein Wendekreisel bekannter Bauart, ist am unteren Ende des Pendels angeordnet. Seine Messachse fällt mit der Pendellängsachse zusammen oder ist parallel zu dieser. Er ist somit in der Lage, Drehbewegungen um die Pendellängsachse zu sensieren. Ebenfalls am unteren Ende des Pendels ist, über drei Speichen 8, 8' und 8" befestigt, eine Kugelschale 9 angeordnet, deren geometrischer Mittelpunkt mit dem Schnittpunkt der beiden Kardanachsen 10 und 11 zusammenfällt. Zusammen mit einem auf dem fahrzeugfesten-Teil-12 des Gerätes- angeordneten Magnet 13 ergibt die Kugelschale eine Wirbelstromdämpfung, die die Bewegungen des Pendels um die Kardanachsen 10 und 11 dämpft. In den Kardanachsen sind Winkelmesselemente 17 und 18 angeordnet, die eine Verdrehung der inneren Kardnnachse 10 gegenüber dem Kardanrahmen und eine Verdrehung des Kardanrahmens 15 gegenüber dem fahrzeugfesten Teil 12 messen. Wird das Gerät auf einem Fahrzeug so angeordnet, dass die Fahrzeuglängsachse 14 zur äusseren oder inneren Kardanachse 11 parallel liegt, so kann mit diesen Winkelmesselementen eine Neigung des Fahrzeuges um seine Längs- und Querachse im Stillstand ermittelt werden. Fig. 2 zeigt eine Anordnung, bei der auf die Winkelmesselemen te in den Kardanachsen 10 und 11 verzichtet wurde. Dies ist dann möglich, wenn das Gerät nur als Kompass verwendet wird. Der übrige Geräteaufbau ist identisch mit dem in Fig. 1 beschriebenen, wobei gleiche Teile mit gleichen Bezugs zeichen versehen sind. Fig. 3 zeigt eine Anordnung, bei der das Gerät durch einen Motor 19 und ein Lager 20 um eine zur Aufstellfläche 21 senkrechte Achse verdreht werden kann. Dies ist dann nötig, wenn eines der beiden unter B) oder C) beschriebenen Verfah ren zur Nordsuche, oder eines der im folgenden beschrieben en Verfahren zur Kompensation der Drift des freien Kreisels angewendet wird. Auch hier sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Ist eines der unter B) oder C) beschriebenen Verfahren zur Nordsuche in Verbindung mit einer Horizontreferenz nach dem beschriebenen Verfahren vorgesehen, so ist es sinnvoll, nur den freien Kreisel drehbar zu lagern, damit die Zuordnung der Kardanachsen zur Fahrzeuglängs- bzw.-querachse erhalten bleibt. 2.) Funktionsbeschreibung anhand der Fig. 4 - 10 Auf einem bewegten Fahrzeug können die Messachsen der Krei sel zum Navigationsrahmen (Lot, Ost, Nord) durch die Euler winkel beschrieben werden (Fig. 4). Die in den Kreiselachsen gemessenen Winkeldrehgeschwindig keiten enthalten die Komponenten der Erddrehgeschwindigkeit 4 > E , der Drehgeschwindigkeit erzeugt durch die Fahrzeugbe wegung auf der Erdoberfläche V/R, und der Fahrzeugdrehge schwindigkeit #F. Durch die gewählte Pendelanordnung sind die Winkel G und klein und können somit vernachlässigt werden. Wenn sich das Fahrzeug nicht bewegt, können die in den beiden Mess achsen des freien Kreisels gemessenen Winkeldrehgeschwin digkeiten wie folgt beschrieben werden EMI7.1 Woraus der Winkel zwischen Nord und der Fahzeuglängsachse (Kurs) errechnet werden kann. EMI8.1 Für ein sich mit der Geschwindigkeit V bewegendes Fahrzeug werden von dem freien Kreisel folgende Winkeldrehgeschwindigkeiten gemessen: EMI8.2 Die in den Gleichungen (4) und (5) auftretenden Termen V/Rcos (27alpha;) und den Jbeinhalten den augenblicklichen b P Wert vonC , der jedoch nicht'bekannt ist. Bei einer entsprechend hohen Taktrate kann man deshalb statt des augenblicklichen Wertes OC den Wert &alpha;i-1 mit ausreichender Genauigkeit verwenden. Somit ergibt sich: EMI8.3 daraus lässt sich &alpha;i errechnen. EMI8.4 Damit kann o6 kontinuierlich errechnet werden. Die Winkel drehgeschwindigkeiten gemessen in den Messachsen des freien Kreisels können nur über eine entsprechend lange Mitteilungszeit ermittelt werden. Dies gilt auch für Für höhere Winkeldrehgeschwindigkeiten ist dies nicht akzeptabel, so dass ein weiteres Sensorsignal benötigt wird, das in der Lage ist, in diesem Zeitraum eine ausreichend genaue Änderung des kurzes #&alpha; zu ermitteln. Hierfür ist ein weiterer Drehgeschwindigkeitssensor, wie z. B. ein Wendekreisel1 erforderlich. Das integrierte Signal dieses Sensors wird genutzt, um die Kursänderung im Zeitintervall jt zu ermitteln. EMI9.1 Der Drehratensensor misst ausser dem gewünschten 4F die vertikale Komponenete der Erdrate und die Fahrtkomponente des Fahrzeuges. Diese Grössen sind mathematisch darstellbar und somit kompensierbar. ergibt somit den jeweils augenblicklichen Kurswert des Fahrzeuges. EMI9.2 Fig. 5 zeigt schematisch eine Möglichkeit, aus den beiden Krei selsignalen den KurswinkelC zu ermitteln. Ein freier Kreisel, z. B. ein dynamisch abgestimmter Kreisel (DAK), dessen Drallachse vertikal angeordnet ist, wird über eine Fesselelektronik 23 in beiden Messachsen in der Nullposi tion gehalten. Der Kreisel wird somit gezwungen, der Horizont tal-Komponente der Erdrotation zu folgen. Die hierzu benötigten Momente sind proportional zu JY5und ##s' Aus diesen beiden Werten wird od; durch einen Rechner 25 er rechnet. Dieses physikalische Prinzip ist bekannt und gehört zu den Grundlagen der Inertial-Navigation. Die Signale #ys und #zs sind aufgrund der Fahrzeugbewegun gen-mit höherfrequenten Signalen-überlagert, dLe sich für die Berechnung des Kurswinkels störend auswirken. Aus diesem Grun de ist ein Filter 26 vorgesehen. Diese Anordnung eignet sich nur für stationäre Anwendungen,- da dieses Prinzip nicht in der Lage ist, Drehgeschwindigkeiten, wie sie bei bewegten Fahrzeugen auftreten, zu sensieren. Um dies zu realisieren, wird ein weiterer Drehgeschwindigkeits sensor 24 vorgesehen, der verzögerungsfrei diese Winkelbewegun gen erfassen kann. Wie in -Fig. 5 dargestellt, wird die Fahrzeugdrehgeschwindigkeit durch einen Drehratensensor 24 gemessen und ein der Drehgeschwindigkeit proportionales Signal #F mit einer Eckfrequenz K1 zur Verfügung gestellt. Dieses Signal wird in dargestellter Weise dem -Signaloc; zuaddiert und ergibt mitC; den augenblicklichen Kurswiniel. Hierbei ist K1 so zu wählen, dass die benötigten Winkelwerte ausreichend schnell angeboten werden können. Fig. 6 zeigt die Frequenzgänge des vorgeschlagenen Systems a: Zeigt den Frequenzgang des I < urssignals, ermittelt aus den Fesselmomenten des DAK b: Zeigt den Frequenzgang des Drehgeschwindigkeitssignals, erzeugt durch den Drehgeschwindigkeitssensor, c: Zeigt den Frequenzgang des Kurssignals zur Fahrzeugdreh geschwindigkeit. d: Zeigt die Kennlinie des Kurssignals zur integrierten Dreh geschwindigkeit des Fahrzeuges, e: Zeigt den Frequenzgang der Summe der aus beiden Sensoren ermittelten Signale. Ermittlung des Horizontes Das erfindungsgemäss vorgeschlagene System ist mit zusätzlichen Winkelmesselementen in den Kardanachsen der Pendellagerung (Fig. 1) in der Lage, neben dem Kurswinkel N auch Winkelbewegungen um die Fahrzeuglängs- und -querachse zu ermitteln. Diese Winkelmesselemente 17, 18 ermitteln den Winkel e . und ?zwischen Fahrzeug und Pendel. Dieser Wert, entsprechend gefiltert, stellt den Horizontwinkel in der jeweiligen Fahrzeugachse dar. Die Güte dieser Information ist abhängig von der Genauigkeit der Pendellagerungen und der Winkelmesselemente. Wegen der benötigten Zeitkonstanten der Filternetzwerke stellt dieses Signal nicht den jeweiligen augenblicklichen Winkelwert dar. Um diesen zu erhalten, ist eine Verknüpfung mit den aus dem gefesselten Kreisel gewonnenen Drehgeschwindigkeitssigna- len erforderlich ( siehe Fig 7 und 8). Die aus den Winkelmesselementen 17 und 18 der Kardanmessachsen des Pendels gewonnenen Signale #K und werden über eine Schleife, bestehend aus K4 und 1/S, gefiltert. Wie schon bei der Ermittlung des Kurses beschrieben, wird ein aus den Messachsen des DAK's (freier Kreisel) gewonnenes gefiltertes Drehgeschwindigkeitssignal tv und o eingespeist. Es ergeben sich die gleichen Frequenzgänge wie bei der Kursermittlung (Fig. 6). Zur Fehlerkompensation Um für das vorgeschlagene System kostengünstige freie Kreisel (z. B. DAK) anwenden zu können, ist die Korrektur der Kreiseldrift erforderlich. Dies kann wie folgt durchgeführt werden: Bei Messungen der Fesselmomente in zwei um 180 verschwenkten Azimutlagen lässt sich die Kreiseldrift ermitteln. Dieses Verfahren ist bekannt und wird zur Prüfung von Kreiselgeräten benutzt. Wie in Fig. 3 dargestellt, ist eine Einrichtung vorgesehen, die es gestattet, den Kompass um 1800 zu verdrehen, um die o. a. Prüfmethode anzuwenden. Dieses kann manuell oder automatisch sowohl stationär als auch auf einem sich bewegenden Fahrzeug durchgeführt werden. In diesem Falle muss die Drehung mit einer bekannten Geschwindigkeit durchgeführt werden und kann somit rechnerisch kombi pensiert werden. Wenn das Fahrzeug linear beschleunigt, so geht die pendelnd aufgehcngte Anordnung in das Scheinlot. Bei kleinem Winkel gilt die Beziehung EMI13.1 Die bei Kreisfahrten auftretende Zentrifugalbeschleunigung bewirkt eine Auslenkung um die andere Achse. EMI13.2 Über die Fahrtmessanlage wird die Vortriebsgeschwindigkeit er mittelt, aus der die lineare Beschleunigung # errechnet wer den kann. Die Drehgeschwindigkeit p wird durch den Wendekreisel des vor geschlagenen Systems gemessen. Damit können beide Grössen nach den Gleichungen (12 und 13) errechnet und durch geeignete Massnahmen kompensiert werden. Der durch die Eigenfahrt des Fahrzeuges verursachte Fahrtfehler der bei Kreiselkompassen physikalisch bedingt ist, wird durch Fahrtgeschwindigkeit, der geographischen Breite und dem Kurs bestimmt und lässt sich somit ebenfalls errechnen und kompensieren. Wie in Fig. 9 dargestellt, zeigt die Tangensfunktion in den 2# Bereichen bei #/2 und Unstetigkeiten. 2 Entsprechendes gilt für die cot - Funktion bei &alpha; = # und &alpha; = #. Da die Gleichung (8) die Tangens-Funktion beinhaltet, treten bei begrenzter Auflösung rechnerische Fehler auf. Um dies zu vermeiden, wird der gesamte Bereich O #&alpha;# 2# in acht Segmente aufgeteilt (Fig.10), Die Bereichsgrenzen liegen für tanks und cotCC bei | 1. Damit braucht &alpha; nur in den Bereichen von # 45 aus dem Tangens bzw. Cotangens errechnet zu werden. Die Segmente sind angeordnet wie in Fig.10 gezeigt und durch Vergleich von W ys und W definiert. Ermittlung der Vertikalbewegung Bei Anwendungen auf Schiffen ist neben der Ermittlung der Kurs-, Roll- und Stampfwinkel ebenfalls die Hubbewegung von Wichtigkeit (z. B. Hubschrauberlandungen). Für diese Anwendung wird der Erfindungsgegenstand mit einem Beschleunigungsmesser 29 (Fig. 3) bestückt, dessen Messachse (30) mit der Pendel achse 5 zusammenfällt oder parallel angeordnet ist. Gemäss Figur 11 wird die Hubbeschleunigung b Hub in einer Auswerteelektronik (31) innerhalb eines begrenzten Frequenzbereiches zweimal integriert und so die Hubgeschwindigkeit V Hub und der Hubweg Weg Hub ermittelt. Bedingt durch die einstellbare Pendeldampfung und eine Aufstellung der Anlage in der Nähe des Schiffsdrehpunktes kann die Beeinflussung durch das Scheinlot vernachlässigt werden. Symbol Verzeichnis #@ = Erddrehgeschwindigkeit R = Erdradius # = Geografische Breite V = Geschwindigkeit des Fahrzeugs H = Kreiseldrall &alpha; = Azimuth Winkel@) Diese drei eulerischen Winkel transformieren den # = Stampf ) Navigationsrahmen (mit XN = Lot oben, YN= Ost und @N - @@@@@ zu den e@@sp@echenden = Roll " ) Sensorrahmen X Y Z . sss @ = Winkelgeschwindigkeit g = Erdbeschleunigung #F = = Fahrzeugdrehgeschwindigkeit um die Azimuthachse #k = Winkel gemessen durch Abgriff zwischen innerer Kardanachse und Kardanrahmen &gamma;k = = Winkel gemessen durch Abgriff zwischen Kardanrahmen und Fahrzeug &alpha; = Mittelwert (gefilterter Wert) von &alpha; = Schätzwert von &alpha; # &alpha; = Differenz zwischen &alpha; und &alpha; ; @ = Index Suffix S = Sensorrahmen N = Navigationsrahmen RG = Drehgeschwindigkeitssensor EMI16.1 <tb> b <SEP> = <SEP> Hubbeschleunigung <tb> v <SEP> = <SEP> Hubbeschwindigkeit <SEP> # <SEP> <SEP> vertikal <SEP> wirkend <tb> Weg <SEP> = <SEP> Hubweg <tb>

Claims: A north-seeking course and position reference system for vehicles, comprising rotating speed sensors in form of gyros for three vehicle axes which are respectively normal to each other, corresponding to the three vehicle axes normal to each other, wherein a) said gyros (1, 4) are parts of a common mechanical construction which is a pendulum which is capable of swinging about any desired axis within the plane of the horizon, and the longitudinal axis (5) of which represents the perpendicular in a stationary environment, b) one (30) of the three measuring axes of said gyros (1, 4) either coincides with or is parallel to the longitudinal axis (5) of the pendulum, and the two other measuring axes (2, 3) are orthogonal to the first measuring axis (30) and to one another. A reference system as claimed in claim 1, wherein for two of said three measuring axes (2, 3) a single free gyro (1) is used which is captive in its zero position, and wherein for the third measuring axis (30) either a two- degree of freedom gyro (4) or an integrating two- degree of freedom gyro or an optical rotating speed sensor is used. A reference system as claimed in claim 2, wherein the spin axis of the free gyro (1) either coincides with or is parallel to the longitudinal axis (5) of the pendulum such that the two measuring axes (2, 3) of the free gyro are perpendicular to the longitudinal axis (5) of the pendulum in one plane, and wherein the third measuring axis of the two- degree of freedom gyro (4) or the integrating two- degree of freedom gyro or the optical rotating speed sensor likewise coincides with the longitudinal axis (5) of the pendulum. A reference system as claimed in any of the claims 1 to 3, wherein the pendulum is mounted on gimbals, and wherein angle measuring elements (17, 18) such as potentiometers, synchros including resolvers, digital angle measuring elements and the like, are provided in the cardanic axes (10, 11). A reference system as claimed in claim 4, wherein the angle measuring elements (17, 18) are designed as multi-stage coarse- fine generators whereby accuracy is improved. A reference system as claimed in claim 5, wherein the pendulum is mounted in a spherical universal ball joint bearing. A reference system as claimed in any or several of the claims 1 to 6, wherein the point of intersection of the two measuring axes (2, 3) of the free gyro (1) coincides with the point of intersection of the two relatively orthogonal cardanic axes (10, 11) of the pendulum mounting or, respectively, the centre of sphere of the universal ball joint bearing. A reference system as claimed in any one or several of the claims 1 to 7, wherein at the bottom end of the pendulum a damping means in the form of a spherical shell (9) of electrically conductive material is provided whose geometrical centre coincides with the point of intersection of the cardanic axes (10, 11), and wherein below the spherical shell (9) a permanent magnet or an electromagnet (13) is mounted on the part (12) fixed to the vehicle, said magnet together with the electrically conductive spherical shell (9) effecting damping of turbulences. A reference system as claimed in any of the claims 1 to 7, wherein at the lower end of the pendulum a permanent magnet or an electromagnet is provided which cooperates with a spherical shell that is disposed therebeneath and is joined to the part (12) fixed to the vehicle, thereby effecting turbulence damping of the pendulum. A reference system as claimed in any of the claims 1 to 9, wherein for compensation of the drift of the free gyro (1) said system is arranged by means of a rotary mounting (20) (Fig. 3) supported on the casing (21) to be rotatable either manually or through a motor about 180 degrees relative to the longitudinal axis (5) of the pendulum. A reference system as claimed in any one or several of the claims 1 to 9, wherein for compensation of the drift of the free gyro (1) the latter is rotatable at predetermined time intervals about one of its measuring axes (2, 3) by 180° by a means (19, 20, Fig. 3), wherein the direction of rotation thereof is variable at predetermined time intervals. A reference system as claimed in any of the claims 1 to 11, wherein for improving the static accuracy of the course and position information in special cases of use, vertical sensors such as accelerometers, electrolytic levels and the like are fixedly integrated in the pendulum, the measuring axes thereof being perpendicular to the longitudinal axis (5) of the pendulum. Reference system as claimed in any of the claims 1 to 12, wherein two substantially identical free gyros are used. A reference system as claimed in any of the claims 2 to 13, wherein a circuit arrangement is provided which from the capture moments required for making the free gyro (1) captive in the two measuring axes (2, 3) thereof provides two corresponding capture signals ( ω ys , ω zs ), evaluates the same as to absolute value, value ratio and sign, and from the evaluation result determines north by calculation. A reference system as claimed in claim 14, wherein the circuit arrangement performs initially, on the basis of the evaluation of the capture signals, a coarse angular allocation of the vehicle course to an octant segment of the 360°- circle, and supplies within said octant segment the arcus tangent from the quotient of the two capture signals ( ω ys , ω zs ) which arcus tangent corresponds to the exact course within said octant segment. A reference system as claimed in claim 14 or claim 15, wherein in addition to a filter network (26, Fig. 5) for eliminating higher- frequency signals superposed on the vehicle movements, an additional gyro (24) for sensing the vehicle speed about the azimuth axis (ω F ) is provided following the signal ( α i ) determined in an arithmetic unit (25) for the exact angle of course relative to north, said rotating speed sensor (24) sensing the vehicle movements without delay and supplying to the output of the first filter network (26) via a second filter network (27) a signal ( ω and F ) which corresponds to the estimated vehicle speed about the azimuth axis from which signal the estimated value of north ( α i ) is determined by integration (28). A reference system as claimed in any of the claims 1 to 13, wherein either the entire reference system or merely the free gyro (1) is rotatably mounted (19, 20) relative to the vehicle (21), the relatively perpendicular measuring axes (2, 3) thereof being disposed in a plane orthogonal to the longitudinal axis of the pendulum, and wherein a circuit arrangement is provided which upon rotation of either the entire reference system or the free gyro (1) in one of said measuring axes (2, 3) detects a maximum and in the other measuring axis (3, 2) detects a minimum of the moment required for capture, the position of the first- mentioned measuring axis corresponding to the north- south direction (arrangement of Fig. 3). A reference system as claimed in any of the claims 1 to 13, wherein either the entire reference system or merely the free gyro (1) whose relatively orthogonal measuring axes (2, 3) are disposed in one plane is rotatably mounted (19, 20, 21), and wherein either the entire reference system or the free gyro is continuously rotatably driven, and wherein a circuit arrangement is provided which from the i.e. sinusoidal characteristic of the two moments required for capturing the free gyro in the two measuring axes obtains signals which are out of phase by 90 ° and evaluates said signals for determining north. A reference system as claimed in claim 4 or claim 5, wherein the signals (ϑ K , γ K ) from the angle measuring elements (17, 18) are combined in an electronic circuit with the gyros (1, 4) such that the angles ( ϑ and γ) are determined. A reference system as claimed in any of the claims 1 to 19, wherein an additional accelerometer (29, Fig. 3) having its measuring axis (30) parallel to the axis (5) of the pendulum and an electronic evaluating circuit are provided which in accordance with known techniques by means of single and double- integration of the acceleration in a limited frequency range determines the speed and the linear motion along the axis (5) of the pendulum.

Inventors: RIX, RUDOLF, VEPA, NARAYANA MURTI, DR. ING., WEIDEL, ROLF-DIETER, ING. GRAD., WERBLINSKI, DIETER
Applicants: ANSCHUETZ & CO. G.M.B.H.
Application year: 1984
Main classification: G01C19
IPC codes: G01C21, G01C19