DE2928817C2

DE2928817C2 - Kurs-Lagereferenz- und Trägheitsnavigationssystem basierend auf Kreiselpendeln

Info

Publication number: DE2928817C2
Application number: DE2928817A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dr.-Ing. 3300 Braunschweig Stieler
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1979-07-17
Filing date: 1979-07-17
Publication date: 1983-08-11
Also published as: JPS5619406A; FR2461926B1; GB2056062B; FR2461926A1; DE2928817A1; GB2056062A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Kurs-Lagereferenz- und Trägheitsnavigationssystem, bei dem als Sensoren zwei Kreiselpendel mit aufwärts- und abwärtsweisendem Drallvektor vorgesehen sind, beste- » hend aus jeweils einem kardanisch aufgehängten Lagekreisel sowie mit diesem mechanisch fest verbunden zwei Beschleunigungsmessern, die in den beiden Kreiseleingangsachsen wirksam sind und deren Ausgangssignale über eine Verstärkung F direkt auf die orthogonal dazu stehenden Kreiseltorquer geschaltet sind, sowie mit einem Rechner zur Bestimmung der Übergrundgeschwindigkeit, Position und Nordrichtung.

Bei Verwendung eines Kreiselpendels auf einem bewegten Fahrzeug muß das Pendel abgestimmt sein, ti> d. h. die Verstärkung Fmuß zum Kreiseldrall Win einem bestimmten Verhältnis stehen.

Bei einem bekannten Navigationssystem (DE-OS 22 24 535) wird in üblicher Weise für die Kreiselpendel die Richtung der Fallbeschleunigung, das ist die Lotrichtung bei sich drehender Erde als Nullstellung gewählt. Dabei muß die Abstimmung folgender Beziehung genügen:

-γ Vf

VgR V iVgR

tan

(mit V/ = Ost-Westgeschwindigkeit plus örtliche Erdumfangsgeschwindigkeit, der geographischen Breite φ und + für aufwärts- bzw. abwärtsweisenden Drallvektor).

!n der vorstehenden Formel sind die Ost-Westgeschwindigkeit plus örtlicher Erdumfangsgeschwindigkeit sowie die geographische Breite Parameter, die sich während der Bewegung des Fahrzeuges ständig ändern. Das bedeutet aber, daß der Faktor F geteilt durch H ständig neu bestimmt werden muß mit dem damit verbundenen Aufwand an Rechnerleistung.

Aufgabe der Erfindung ist es, für die Kreiselpende! eine konstante, d.h. vom Flugzustand unabhängige Schuler-Abstimmung zu finden und so die ständige Neubestimmung des Faktors F/H und den damit verbundenen Aufwand an Rechnerleistung zu vermeiden.

Diese Aufgabt wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Kreiselpendel in ihrer Nullstellung auf die Richtung der Massenanziehung G der Erde — entsprechend der Lotrichtung bei stillstehender Erde — ausgerichtet sind.

Die Richtung der Massenanziehung G der Erde ist gegenüber der Richtung der Fallbeschleunigung g um den Winkel γ mit positivem Drehsinn in Ostrichtung geneigt.

Die Größe dieses Winkels γ ergibt sich aus der Formel:

Y =

RQ¹

2g

sin 2 φ < 6 min

(mit Ω - Erdrate, R = Erdradius, g = Betrag der Fallbeschleunigung, φ = geographische Breite).

Dadurch wird erreicht, daß die Abstimmbedingung folgender einfacher Beziehung genügt:

F/H = XlVgR = l/K,

wobei K=Skalenfaktor.

In dem hier beschriebenen Kurs-Lagereferenz- und Trägheitsnavigationssystem kann gemäß der Erfindung weiter aus den Kardanwinkeln der Kreiselpendel und der Übergrundgeschwindigkeit in fahrzeugfesten Koordinaten die Nordrichtung dadurch bestimmt werden, daß die Signaldifferenz korrespondierender Kardanwinkel gebildet wird, die proportional der inertialen Fahrzeuggeschwindigkeit ist, und daß aus der Differenz dieser inertialen Fahrzeuggeschwindigkeit und der extern oder intern bestimmten Übergrundgeschwindigkeit die ErdumfangsgesQhwindigkeit in fahrzeugfesten Koordinaten ermittelt wird, womit nach Division durch den an jedem Ort bekannten Betrag der Erdumfangsgeschwindigkeit die Nordrichtung festgestellt wird.

Bei einem derartigen System kann weiter die Übergrundgeschwindigkeit inertial bestimmt werden, indem das arithmetische Mittel korrespondierender Beschleunigungssignale gebildet wird und dieses mit

Hilfe der berechneten Nordrichtung in Nord- und Ost-Komponente zerlegt wird, zur Obergrundgeschwindigkeit in geographischen Koordinaten aufintegriert wird und zur horizontalen Obergrundgeschwindigkeit in fahrzeugfesten Koordinaten wiederum mit der berechneten Nordrichtung transformiert wird.

Die Erfindung ist in verschiedenen Schaubildern dargestellt und im nachstehenden unter Bezug auf diese Schaubilder beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 in Gegenüberstellung die Nullstellung z„ der Kreiselpendel, die zu einer geschwindigkeits- und ortsabhängigen Abstimmbedingung führt, und die Nullstellung Z₃, die gemäß der Erfindung zu einer konstanten Abstimmbedingung führt.

Fig.2 im Blockschaltbild die Verwendung eines Kreiselpendels als Lagereferenz.

Fig.3 ein Blockschaltbild der Koppelnavigation, Lage- und Kursbestimmung basierend auf extern gemessener Geschwindigkeit sowie den Kardanwinkeln zweier Kreiselpendel.

Fig.4 ein Blockschaltbild der Trägheitsnavigation, Lage- und Kursbestimmung basierend auf den Signalen der Beschleunigungsmesser und der Kaidanwinkel zweier Kreiselpendel.

F i g. 5 das Blockschaltbild einer weiteren Version der Trägheitsnavigation, Lage- und Kursbestimmung basierend auf den Signalen der Beschleunigungsmesser und den Kardanwinkeln zweier Kreiselpendel.

F i g. 6 eine Prinzipdarstellung der Ermittlung der Fluglage und der Geschwindigkeit gegenüber dem Interialraum.

Das erfindungsgemäße Trägheitsnavigations- und Koppelnavigationssystem baut auf zwei Kreiselpendeln auf, deren Drallvektoren aufwärts und abwärts weisen, und aus jeweils einem kardanisch aufgehängten Lagekreisel bestehen sowie damit mechanisch fest verbunden zwei Beschleunigungsmessern, die in den beiden Kreiseleingangsachsen wirksam sind, und deren Ausgangssignale über eine Verstärkung Fdirekt auf die orthogonal dazu stehenden Kreiseltorquer geschaltet sind.

Bei der Trägheitsnavigation sind die beiden Kreiselpendel die einzigen Sensoren für Kurs, Lage und die Navigation. Bei der Koppelnavigation dienen sie als Kurs- und Lagereferenz für einen externen Geschwindigkeitssensor, wie Dopplerradar, Doppler-Sonar und Log.

Die Darstellung in Fig. 1 zeigt die bekannte Nullstellung eines Kreiselpendels, bei der die Draiiachse in Richtung des Lotes bei sich drehender Erde — das ist in Richtung der Fallbeschleunigung g — verläuft. Bei dieser Anordnung ist die Abstimmung des Kreiselpendels abhängig von der Erdrate plus der Transportrate. Damit ist die Abstimmung F/H ebenso wie die Periode der Eigenbewegung abhängig von der geographischen Breite und der Ost-West-Geschwindigkeit wie oben beschrieben. Die Ausrichtung der Nullstellung des Kreiselpendels in Richtung des Lotes bei stillstehender Erde — das ist in Richtung der Massenanziehung G — führt dagegen zu einem konstanten Verhältnis F/H für die Abstimmbedingung zu einer Vereinfachung für die Weiterverarbeitung des Meßsignals.

Die Ausrichtung der Nullstellung in Richtung der Massenanziehung G der Erde wird durch leichte Neigung um die Ost-West-Achse erreicht, die kleiner als 6 min ist. Sie stellt skh beim Betrieb des abgestimmten Kreiselpendels ein. wenn die gemessene Beschleunidirekt, d. h. ohne /Compensation der Coriolisbeschleunigung über die Verstärkung F auf die Kreiseltorquer geschaltet wird.

Auf einem ruhenden und einem bewegten Fahrzeug zeigt das abgestimmte Kreiselpendel in der Neigung a_x ν um die horizontale x- und y- Achse die Geschwindigkeit Kindes Fahrzeugs gegenüber dem Inertialraum an:

--V..V - _κ .„>

_mit V·" = Übergrundgeschwindigkeit + Erdumfangsgeschwindigkeit sowie + für aufwärts bzw. abwärts weisenden Drallvektor.

Die Winkel <x*._y sowie Roll- und Nickwinkel Φ, θ sind

π im Fahrzeug den Kardanwinkeln eines Kreiselpendels überlagert. Wie aus Fig.6 ersichtlich erfolgt die Trennung der Roll- und Nickwinkel sowie des Neigungswinkels durch Summen- utjd Differenzbildung der Kardanwinkel zweier Kreiselpendel mit aufwärts und abwärts weisendem Drallvektor bzw. entgegengesetzten Drallvektoren, im nachstehenden kurz als gegenläufige Kreiselpende! bezeichne:.

Ein Kreiselpendel ist als Lagereferenzsystem verwendbar, wenn, wie in F i g. 2 angedeutet, eine externe

2-, Geschwindigkeitsreferenz V* (z. B. Staurohr, Log, Dopplerradar, Doppler-Sonar) und eine Kursreferenz φ* (ζ. B. Magnetkompaß) zur Verfügung stehen. Mit der in weiten Bereichen als konstant anzusetzenden Erdumfangsgeschwindigkeit kann dann an den Kardan-

ii) winkeln des Kreiselpendels der o.a. Winkel α nach Betrag und Richtung kompensiert werden. Der RoIl- und Nickwinkel ist dann mit hoher Präzision bestimmbar.

Nach F i g. 3 werden zwei gegenläufige Kreiselpende!

Γ> als Kurs- und Lagereferenz verwendet, wobei wie oben angegeben, die Summe korrespondierender Kardanwinkel den Roll- und Nickwinkel liefert. Zur Kursbestimmung wird an den Winkeln Ci_x, _y der Anteil infolge der extern gemessenen Übergrundgesrhwirdigkeit kompensiert. Es steht dann ein Signal proportional der Erdumfangsgeschwindigkeit Vjf* n2ch Betrag und Richtung zur Verfügung, das zur Bestimmung der Nordrichtung und der geographischen Breite ausgewertet wird.

Die Trägheitsnavigation ermöglicht eine autonome Ermittlung der Übergrundgeschwindigkeit, und die Bestimmung des Kurses kann auch autonom erfolgen unter Einbeziehung der Beschleunigungsmessersignale der beiden gegenläufigen Kreisclpendel. Ein entspre-

'.Ii chendes System ist im Blockschaltbild nach Fig.4 angegeben.

Um den Einfluß der Vertikalbeschleunigung auf die geneigten Kreiselpendel zu kompensieren, wird jeweils das anähmetische Mittel korrespondierender Beschleu-

ϊ3 nigungsmessersignale der gegenläufigen Kreiselpendel gebildet und zur Navigation weiterverar'jeitet. Nach F i g. 4 wird mit einem Navigationsrechner gearbeitet, der so programmiert ist, daß der Vektor der Übergrundgeschwindigkeit V_n* des Fahrzeuges in geographischen Koordinaten direkt berechnet wird. In Fig.4 stellt der mittlere Zweig die richtungs- und betragsmäßige Berechnung der Erdumfangsgsschwindigkeit zur Bestimmung der Nordrichiung und zur redundanten Bestimmung der geographischen Breite

ή dar. Zur Berechnung der Übergrundgeschwindigkeit wird das gemittelte Besciileunigungsmessersignal mit der bekannten Nordrichtung — Transformationsmatrix CnAw*) — ^m das geographische Koordinatensystem

transformiert. Nach Korrektur der .Scheinbeschleunigung erfolgt die Integration zur Nord- und Ostgeschwindigkeit. Die horizontale Übergrundgeschwindigkc-ii Vj* in fahrzeugfesten Achsen wird erhalten durch neuerliche Drehung mit der Transponierten von · C_nJ(rp·).

Das Blockschaltbild nach Fig. 5 unterscheidet sich von dem nach Fig. 4 durch eine andere Art der Trägheitsnavigation. Während nach F i g. 4 zunächst die Übergrundgeschwindigkeit V_n* ermittelt wird, wird "> nach Fig. 5 zunächst der Zuwachs der inertialen Geschwindigkeit AV;"* ermittelt, der zur Kursbestimmung im mittleren Zweig herangezogen wird. Danach wird die Richtung der Erdumfangsgeschwindigkeit am Startort zur Bestimmung der Nordrichtung benutzt. Die ι > Signalaufbereitung nach F i g. 5 ist vorteilhaft für Fahrzeuge, die starke Vertikalmanöver ausführen, da hierbei das aus der Geschwindigkeit in bekannter Weise irrprhnete Signal c.'* zur Kompensation der Scheinbeschleunigung keine Anteile proportional der Vertikalge- -'" schwindigkeit zu enthalten braucht.

Bei den beiden Systemen nach F i g. 4 und 5 führt der rückgekoppelte und vermaschte Signalfluß zu dynamischen Eigenschaften, die denjenigen eines konventionellen Trägheitsnavigationssystems entsprechen. r>

Besondere Vorteile der Erfindung sind darin zu sehen, daß die Kreiselpendel ohne die Nachführung durch einen Rechner funktionieren. Bei Rechnerausfall können die beiden Kreiselpendel noch als Kurs- und Lagereferenzsystem für einen externen Geschwindig- jo keitssensor eingesetzt werden. Bei Ausfall eines der beiden Kreiselpendel kann das andere noch als hochgenaue Lagereferenz verwendet werden.

Bezeichnungen _J5

a [m/s²] Beschleunigung

c [m/s²] Corioiisbeschleunigung

c'[m/s²] Corioiisbeschleunigung abzüglich des

Anteils infolge Vertikalgeschwindigkeit

Cjn.Q„{'P) Matrix zur Vektortransformation vom

"~ ~ geographischen in das Azimutachsen-

Koordinatensystem (Definition s. Indices)

F[Nm/(m/s²)] Verstärkung [

Fallbeschleunigung Massenanziehung der Erde Kreiseldrall Skalenfaktor K Erdradius

|km/h/sec|

g [m/s-¹] G [m/s²] W [N ms] A.' [m/s/rad] /?[m]

V[m/s] λ [rad]

/»[rad] Krad]

θ [rad] λ[rad] CP [radl Φ [rad] ψ [rad] Ω [rad/s]

Indices

Hochgestellte Indices bezeichnen Bewegungsrichtungen, z. B. /e bedeutet Erde gegenüber Inertialraum. Tiefgestellte Indices bezeichnen Bezugskoordinatensysteme.

Geschwindigkeit

Neigung eines Kreiselpendels in bezug

auf C(s. Fig. 2)

Kardanwinkel eines Kreiselpendels (s.

Fig. 2)

Winkel zwischen guna C(s. Fig. I)

Zuwachs einer Größe, z. B. J V

Flugzeug-Nickwinkel

geographische Länge

geographische Breite

Flugzeug-Rollwinkel

Flugzeug-Gierwinkel

Drehgeschwindigkeit der Erde, Erdrate

a	Azimutachsensystem = Projektion des
	flugzeugfesten Koordinatensystems auf
	die Horizontalebtne
e	erdfestes Koordinatensystem
E	Ostrichtung
η	geographisches Koordinatensystem
N	Nordrichtung
g	kreiselpendelfestes Koordinatensystem
I.!!	Kreiselpende!! oder Il
Zeichen
	berechnete oder gemessene Größe
_	Vektor
₌	Matrix

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kurs-Lagereferenz- und Trägheitsnavigationssystem, bei dem als Sensoren zwei Kreiselpendel mit ί aufwärts- und abwärtsweisendem Drallvektor vorgesehen sind, bestehend aus jeweils einem kardanisch aufgehängten Lagekreisel sowie mit diesem mechanisch fest verbunden zwei Beschleunigungsmessern, die in den beiden Kreiseieingangsachsen ι ο wirksam sind und deren Ausgangssignale über eine Verstärkung F direkt auf die orthogonal dazu stehenden Kreiseltorquer geschaltet sind, sowie mit einem Rechner zur Bestimmung der Obergrundgeschwindigkeit, Position und Nordrichtung, da- \\ durch gekennzeichnet, daß die Kreiselpendel in ihrer Nullstellung auf die Richtung der Massenanziehung G der Erde — entsprechend der Lotrichtung bei stillstehender Erde — ausgerichtet sind.

2. Kurs-Lagereferenz- und Trägheitsnavigationssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Kardanwinkeln der Kreiselpendel und der Übergrundgeschwindigkeit in fahrzeugfesten Koordinaten die Nordrichtung bestimmt wird, indem die Signal-Diflerenz korrespondierender Kardanwinkel gebildet wird, die proportional der inertialen Fahrzeuggeschwindigkeit ist und daß aus der Differenz dieser inertialen Fahrzeuggeschwindigkeit und der extern oder intern bestimmten Übergrundgeschwindigkeit die Erdumfangsgeschwindigk.it in fahrzeugfesten Koordinaten ermittelt wird, womit nach Divir-on durch den an jedem Ort bekannten Betrag der Erdumfangsgeschwindigkeit die Nordrichtung feitgesKllt wird.

3. Kurs-Lagereferenz- und TYägheitsnavigationssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergrundgeschwindigkeit inertial bestimmt wird, indem das arithmetische Mittel korrespondierender Beschleunigungssignale gebil- -ίο det wird und dieses mit Hilfe der berechneten Nordrichtung in Nord- und Ost-Komponente zerlegt wird, zur Übergrundgeschwindigkeit in geographischen Koordinaten aufintegriert wird und zur horizontalen Übergrundgeschwindigkeit in fahrzeugfesten Koordinaten wiederum mit der berechneten Nordrichtung transformiert wird.

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