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Gerät zur Ortsbestimmung für Fahrzeuge (Luft-, Wasserfahrzeuge u.
dgl.). Es ist bereits eine Einrichtung zum Steuern einer Kreiselanordnung unter
ihrer Eigengewichtswirkung mittels Flüssigkeitswaagen bekannt, bei der die wiederherstellende
oder dämpfende Drehkraft im Verhältnis zu der beim Kippbestreben des Kreisels unter
der Eigengewichtswirkung eintretenden Drehkraft wesentlich gesteigert wird, bei
der sich das Verfahren derartig ausführen läßt, daß nur die ersterwähnte und- nicht
die zuletztgenannte Drehkraft auf die Kreiselanordnung einwirkt, und bei der zu
j eder Zeit die auf den Kreisel einwirkende Drehkraft bestimmbar ist. Bei mittels
der Kreiselanordnung vorzunehmenden Meß.arbeiten ist es neu, einen Prehkraftanzeiger
zu benutzen. Die
Erfindung gibt an, wie mittels eines solchen Anzeigers
ein Gerät herzustellen ist, um die Lotrechte, die Fahrzeuggeschwindigkeit sowie
die Richtung oder die geographische Breite bestimmen zu können.
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Der Erfindungsgegenstand bestellt in einem Kreiselgerät für Luft-,
Wasserfahrzeuge o. dgl., welches eine Ei.gengewichtssteuerung (Flüssigkeitswaagen
o. dgl.) hat, die Drehkräfte erzeugt, tini eine Abweichung der Kreiselanordnung
aus ihrer Ruhelage aufzuleben, und welches mit einer Vorrichtung zum Messen und
Anzeigen dieser Drehkräfte versehen ist. Eine weitere, erfindungsgemäß an dem Kreiselgerät
angeordnete Vorrichtung dient dazu, diese Messung für Navigationszwecke nutzbar
zti machen. Das Kreiselgerät zeigt hierbei einerseits die genaue Lotrechte unter
Ausgleich der Ablenkung des Kreisels lind andererseits die Winkelgeschwindigkeit
rler Lotrechten im Rauine sowie irgendwelche Veränderungen derselben an, die sich
zufolge Änderungen des Kurses oder der Geschwindigkeit ergeben. Es wird mithin der
Kurs oder die Geschwindigkeit des Fahrzeuges angezeigt. Diese verschiedenen Zwecke
werden erreicht durch eine entsprechende Anzahl und Stärke der Eigengev-ichtssteuerung
und durch Ablenkung einer Beobachtungslinie oder eines Lichtpunktes oder eines ähnlichen
Anzeigemittels finit Beziehung zum Kreisel mittels der Eigengewichtssteuerung oder
mittels der Vorrichtung zum Messen der Drehkraft. Zweckmäßig wird für die Eigengewichtssteuerung
eine gelenkige Flüssigkeitswaage oder deren mehrere benutzt. Die am Kreisel wirkenden
Drehkräfte werden hierbei durch Kippen dieser Waage festgestellt. Obgleich indessen
die :Messung der Drehkraft am Kreisel und die Anwendung dieser Messtang für Fahrtzwecke
durchweg neu ist, soll sich die Erfindung dennoch nicht auf dieses besondere Verfahren
der Messungen beschränken. Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus Folgendem.
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Die Zeichnung zeigt Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung,
und zwar: Abb. i lind 2 Ansichten in rechtwinklig zueinanderliegenden Ebenen einer
Ausführungsform des Kreiselgeräts zur Angabe des wahren Senkrechten, bei dein die
tage eines Luftfahrzeuges durch :liessen der Sonnenhöhe oder der Höhe eines Sternes
bestimmt oder der Senkungswinkel der Richtung nach einem unterhalb des Luftfahrzeuges
liegenden Gegenstand (Depressionswinkel) gemessen wird, Abb. 3 und .4 das neue Gerät
in einer Allsicht und in einem Grundriß, Ahb. 5 im Schnitt eine Luftdüse und den
dazugehörigen Trichter, Abb. 6 in Ansicht einen Richtungsanzeiger, Abb.7 und 9 eine
abgeänderte Ausführungsform eines Kreiselgeräts zum Bestimmen der wahren Senkrechten
auf einem Flugzeug in einer Ansicht und im Grundriß, Abb.8 und 12 eine abgeänderte
Ausrührungsform eines Fahrt- oder Richtun-`anzeigers in Ansicht und Draufsicht dar,
Abb. io und i i in Seitenansicht und Draufsicht die Luftführungsdüsen, Abb. 13 ein
Kreiselgerät zum Bestimmen der Eigengeschwindigkeit oder der geographischen Breite.
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Bei der in Abb. i und 2 dargestellten Ausführungsform trägt das Kreiselgehätl.se
i einen Kreisel, der um eine senkrechte Achse drehbar und so aufgehängt ist, daß
er gewöhnlich ilii neutralen Gleichgewicht auf Zapfen 2 und 3 gehalten wird, die
ihrerseits von einem wagerechten Ringe getragen werden. Dieser Ring ist in der Zeichnung
nicht dargestellt und bildet einen der Führtuigsringe, die gewöhnlich für Steuerkoinp<is-;e
t-enven(let werden. Die Schwerkraft wirkt mittels der beiden Flüssigkeitswaagen
d., 5, die rechtwinklig übereinander, und zwar die eine über, die andere unter dein
Kreisel angeordnet sind. Eine jede Waage bestellt aus zwei senkrechten Rohren oder
Schalen-[, 5 und a', 5', die durch -1,"erbindun"-srohre 6, 7 und 6', 7' miteinander
und je mit einem Bügel 8 und 8' verbunden und um eine Achse des Armes io oder io'
schwingbar sind, der seinerseits fest an dein Kreiselgehäuse i sitzt. Eine viskose
Flüssigkeit füllt zur Hälfte die Schalen d., 5 und .4', 5' lind die Verbindungsrohre
7 lind 7'. Ein jede Flüssigkeitswaage wird finit Bezug auf den Kreisel durch zwei
Federn i i, i i' und 12, 12' beeinflußt. Die dämpfenden oder wiederherstellenden
Kräfte all dein Kreisel werden durch vier Luftstrahlen eingeführt, die radial aus
dein Kreiselgehäuse durch die vier Düsen 13, 14, 13', i-l' austreten. Die obere
Flüssigkeitswaage trägt die beiden Rohre 15, 16, deren untere Enden um einen gewissen
Betrag die beiden Luftdüsen 13 und 1.1. überlappen, Entsprechende Rohre 15', 16'
sind all der unteren Flüssigkeitswaage angebracht. Die durch die Rohre 15, 16 oder
15', 16' gelangte Luft wird an den anderen Enden zli einer anderen Flüssigkeitswaage
geführt und rechtwinklig zu den Luftdüsen. Die Reaktionswirkung der Luftströme.
die die Rohre verlassen, erzeugt Kräftepaare, welche die Kreiselachse wieder in
die Senkrechte einstellen. Es ist einleuchtend, daß diese Kräftepaare sich mit der
Kippbewegung der Flüssigkeitswaage mit Bezlig auf die Kreiselachse ändern, d. h.
mit der Kippbewegung der Kreiselachse von der Senkrechten. Sie können auch mit Bezug
zt:r letzteren proportional gemacht werden. Eine
obere Zielvorrichtung,
die aus einer Linse 17
und einer Einstellmarke, z. B. einem wa.-erechten Meßfaden
18, in ihrem Brennpunkt besteht, ist starr an dem Kreiselgehäuse befestigt. Die
untere Zielvorrichtung i7', r8' ist an der unteren Flüssigkeitswaage, z. B. an dem
Rohr 6' angebracht. Liegt das Kreiselgehäuse z. B. parallel zu den Flüssigkeitsi@-aagen
.4, 5 und d.,' 5', so wird die Ziellinie an der oberen Zielvorrichtung durch doppelte
Spiegelung in den beiden Spiegeln 2o und 2 r und in der unteren Zielvorrichtung
durch e"r_ fache Spiegelung in dein am Kreiselgehäuse r angebrachten Spiegel 22
je um go° al)geler-ii;t. Die Anordnung der unteren Zielvorrichr@rig ist einfacher
und für beide vorzuziehen. Die beiden Spiegel 21 und 22 sind senkrecht übereinander
angeordnet und beide halb versilbert. Der Beobachter, welcher durch die beiden Spiegel
nach unten blickt, sieht den Erdboden zusammen mit den Bildern der beiden Meßfäden
18 und i8', die ein Kreuz bilden. Der Schnittpunkt dieser Fäden wird somit unter
gewissen Bedingungen einen genau senkrecht unter dem Beobachter liegenden Punkt
an7eigen. Die Bedingungen, die hierbei erfüllt sein müssen, bestehen darin, daß
der Kreise: läuft, und daß die Federn auf die beiden Waagen so wirken, daß, wenn
der Kreisel um den Winkel a kippt, die obere Waage mit Bezug auf den Kreisel um
`-` und die unteren Winkel um den Winkel a. kippt.
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Durch Verwendung eines Winkelmeßi;erä ts von der Art eines Sextanten
kann zurr@e:,sen. der Sonnenhöhe von dem Schnittpunkt der erwähnten Drähte die Sonnenhöhe
bestimmt und die geographische Breite gefolgert %@ erden. Die Ouerfäden können ferner
in ähnlicher Weise dazu benutzt werden, uni den Richtungswinkel (Depressionswinkel)
nach einem Gegenstande, der unterhalb des G°räts liegt, zu bestimmen. Hierzu wird
das Gerät mit einer doppelten Spiegelanordnung verbunden, die unter dem Spiegel
22 angeordnet und auf dem Luftfahrzeug angebracht ist. Der Winkel zwischen den Spiegeln
der doppelten Spiegelanordnung ist ein Maß für den Depressionswinkel. Hierzu verwendet
man zweckmäßig ein Gerät mit einem wenig vergrößernden Fernrohr (Ab. 6 und 7).
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Die Abb.3 bis 6 veranschaulichen einen Fahrtanzeiger und eine -Meßvorrichtung
für die Eigengeschwindigkeit. Das Kreiselgehäuse wird von Zapfen 2, 3 in einem wagerechten
Führungsring 23 getragen, der in der Abb. 6 im Schnitt dargestellt ist. Dieser Führungsring
sitzt auf zwei Zapfen 2q. und 25, so daß der Kreisel um seine Achse in jeder Richtung
frei drehbar ist. Der Kreisel ist ferner auf seinen Lagerachsen im neutralen Gleichgewicht.
Die Schwerkraftsteuerung erfolgt durch die beiden Flüssigl:eits-@waagend., 5 und
d.', 5'. Die Waage.l, 5 wird von einem Drahtbügel 26 getragen, der um die beiden
Zapfen a7, 28 des Kreiselgehäuses schwingbar ist. Die Waage 4', 5' ist ebenfalls
um die beiden Zapfen 29, 30 schwingbar gelagert. Die beiden Achsen der Waagen
gehen durch den Aufhängungsmittelpunkt des Kreisels, und wenn die Waagen wagerecht
sind, ist eine jede auf ihrem Zapfen im neutralen Gleichgewicht. Auf diese Weise
ist die Schwerkraftsteuerung für die Waage nur eine Folge des Durchflusses der Flüssigkeit
von der einen nach der anderen Seite, und die Waage ist somit auf ihren Zapfen im
unstabilen Gleichgewicht. Die Waage 4, 5 wird mit Bezug .auf den Kreisel durch einen
Luftstrahl beeinflußt, der aus einer Düse 3 r des Kreiselgehäuses ausströmt. Der
Luftstrahl geht durch einen Trichter 32, der an einem Behälter d. der Waage angebracht
ist. Ein Schnitt durch diesen Trichter ist in der Abb. 5 dargestellt, aus der zu
ersehen ist, daß der aus der Düse 31 austretende Luftstrahl durch den Trichter 32
strömt und alsdann sich an dein dreieckigen Leitanschlag 33 teilt. Wenn sich der
Trichter mit Bezug auf die Düse 3 i auf oder ab bewegt, wird mehr Luft nach oben
oder unten abgelenkt, und die auf den Trichter wirkende Kraft ist bestrebt, ihn
in gleicher Achsrichtung mit dem Luftstrom zu halten. Aus Abb. d ist zu erkennen,
daß der Trichter 32 nicht in der Mittellinie liegt, so daß die senkrechten Kräfte
aus dem Trichter infolge des Luftstrahles ungleiche senkrechte Kräfte auf die Zapfen
27, 28 ausüben und somit ein Kräftepaar erzeugen, welches auf den Kreisel wirkt,
und welches als wiederherstellende Kraft bezeichnet werden soll. Wenn der Kreisel
kippt, so daß die Flüssigkeitswaage d., 5 schräg zur Wagerechten liegt, fließt die
Flüssigkeit nach der einen Seite hin, beispielsweise nach der Seite d.. Das Übergewicht
auf dieser Seite q. verändert die Lage des Trichters 32 zur Düse 3r. Es erzeugt
auf den Kreisel nur eine wiederherstellende Kraft, die die Kreiselachse wieder in
die Senkrechte zurückverschiebt. Die zweite Waage wird in ähnlicher Weise durch
einen Luftstrahl gesteuert, der aus der Düse 34 (Abb. .4) ausströmt und durch den
Trichter 35 hindurchgeht. Wenn die Kreiselachse aus der Senkrechten gekippt wird,
verschiebt sie sich also hierdurch in die Senkrechte zurück. Wenn nun die Senkrechte
sich in ihrer Lage im Raume ändert, wie dies stets infolge der Umdrehung der Erde
der Fall ist, wird die Kreiselachse niemals die Senkrechte erreichen, sondern bleibt
um einen Betrag hinter ihr, der proportional zu dem Winkel der Geschwindigkeit
der
Senkrechten firn Raunie ist, d. 1i. um w # cos y, wenn «., der Geschwindigkeitswinkel
der Erde und ^,, die geographische Breite ist. Die Kreiselachse kippt demzufolge
stets uni einen Betrag nach Westen, der proportional dein Kosinus der Breite ist,
\venn nicht zusätz1icheEinrichtungen vorhanden sind, uni die Achse in die Senkrechte
zu führen.
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Diese Kippbewegung der Kreiselachse wird zweckmäßig durch VergrUertuig
mittels optischer Einrichtungen gemessen. Ein geeignetes Verfahren ist in den Abb.
3, 1 und 6 dargestellt. Eine Blende 36 hat ein kleines Loch in der Mitte und wird
durch einen Arm 37 von dein lZalinien 26 getragen, der seinerseits die Waage d,
5 trägt, so rlaß die Blende sich finit der Waage verschiebt. Eine Linse von kurzer
Brennweite in einer Fassung 38 wird in :ähnlicher Weise durch einen Arm 39 von der
@@";iage 4.', 5' getragen. Das Kreiselgeliätise i trägt ein Prisma .Io mit doppelter
Spiegelung mittels einer Sättle.Li. Die Blende 36 wir(1 durch eine kleine, finit
einem Schirm d.2 versehene Lampe beleuchtet. Die Lampe wird durch einen Arin 43
von dein Ständer d.1 getragen und durch einen elektrischen Strom von derselben Stroin(luelle
gespeist, die den Kreisel antreibt. An clpni Kreiselgehäuse sitzt an einem Zapfen
4.5 eine Kompaßrose 44, die von Hand aus rund tun diesen Zapfen gedreht «-erden
kann. An dein Kreiselgehäuse ist ferner ein Steuerstrich 46 angebracht. Das Bild
des durch die Blende 36 erzeugten Lichtliti11ktes 36 wird durch die Linse 36 auf
der Konipaßrose d4 erzeugt. Die Lage des Lichtfleckes auf dieser Rose und seine
Entfernung von dein Rosenmittelpunkt geben die Richtung und den Betrag der Kippbewegung
der Kreiselachse an.
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Findet keine fortschreitende Bewegung des Kreisels mit Bezug auf die
Erde statt, so wird der Lichtfleck stets westlich vorn Mittelpunkt der Rose liegen.
Dreht man die KoinpaßrOse 41 derart, (laß der Lichtfleck in Linie finit der Westmarke
liegt, so geben die Koinpaßspitzen die Himmelsrichtungen an. Der Abstand des Lichtfleckes
von dein Mittelpunkt der Karte oder Rose ist, alsdann proportional dein Kosinus
der Breite, und die Ost-West-Linie kann .in Grade der geographischen Breite für
eine bestimmte Motorgeschwindigkeit eingestellt werden.
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Das neue Gerät kann als Kompaß an Bord von Schiffen oder Luftfahrzeugen
verwendet werden, indem nian die Kompaßrose 44 dreht, bis der Steuerstrich 4.6 sich
an einer Stolle des Kompasses befindet, die der einzuschlagenden Richtung entspricht.
Das Schift ot;er Luftfahrzeug wird alsdann so gesteuert, etaß der Lichtfleck stets
auf dem Westpunkte vcrhleibt. Die Abb.7 und 9 veranschaulichen eine Kreiselanordnung,
deren Flüssigkeitswaagen durch Luftstrahlen ebenso wie bei der Au@-fiihrungsforin
nach der Abb. 3 und .4 gesteuert werden. Das Objektiv des Fernrohres hat kurze Brennweite
und befindet sich in einer Fassung 50, welche an dein Kreiselgeliät::;e durch einen
Arni 51 befestigt ist. Das rechtwinklig brechende Doppelreflexionsprisma 52 ist
starr an (lern Rahmen 26 angebracht, der die Flüssigkeitswaage d, 5 tragt.
Das Fadenkreuz 53 des Fernrohres wird von einem Arm getragen, der an der Flüssigkeitswaage
angebracht ist. Wenn somit die eine Waage kippt, verschiebt sich das Prisma, und
wenn die andere Waage kippt, verschiebt sich das Fadenkreuz, wobei diese Bewegungen
rechtwinklig zueinander sind. Ein Bild der Barunterliegenden Erdoberfläche wird
durch die Linse 5o auf dein Fadenkreuz 53 durch doppelte Reflexionen in (lein Prisma
52 erzeugt. Das Rohr des Fernrohr es isst in zwei Teile geteilt. Der Teil der an
dein Kreiselgehäuse durch einen Ständer 57 fest angebracht ist, enthält ein £-"eflexionsprismia
53 und eine Linse 56, bei der die aus der Linse 56 heraustretenden Lichtstrahlen,
parallel sind. Der Teil 58 enthält ein Reflexionsprisma 59 und die übrigen Linsen
des Fernrohres. Das Rohr 58 ist auf dem Zapfen 6o in getrennten Führungsringen schwingbar
gelagert, die an dein Luftfahrzeug angebracht sind. Der Kreisel kann auf seinem
Führungsringe durch den Beobachter so verschoben werden, daß die aus der Linse 56
austretenden Lichtstrahlen von dem Prisma 59 aufgefangen werden. Da diese Lichtstrahlen
parallel verlaufen, ist ein gewisser Spielratini für die Einstellung der beiden
Rc,hre vorhanden, durch den die Beobachtung nicht beeinträchtigt wird.
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Die die Flüssigkeitswaage steuernden Luftstrahlen haben eine derart
eingestellte Stärke, daß die Kippbewegung der Waage mit Bezug auf den Kreisel gleich
der Kippbewegung der Kreiselachse zur Senkrechten ist. Ist diese Bedingung erfüllt,
so wird (las Bild in der Mitte (fies Fadenkreuzes stets ein Punkt (fier Erdoberfläche
sein, die senkrecht unter Jen, Kreisel liegt, gleichgültig, ob die Kreiselachse
senkrecht verläuft oder nicht.
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Bei der Ausführungsform nach den Abb.8 und 12 kommt nur eine einzige
Flüssigkeitswaage zur Anwendung. Die Schalen 4. und 5 sind durch ein ringförmiges
Rohr 7 miieiaander verbunden. Dieses Rohr ist an den beiden Armen 62, 63 befestigt,
die uni zwei kleine, an einem U-förmigen Rahmen 61 sitzende Zapfen 64 und 65 schwingbar
sind. Der Rahmen 61 ist an einer Muffe 67 angebracht, die auf Kugellagern an einer
hohlen
Spindel 66 schwingbar ist, welche fest an dein Kreiselgehäuse
sitzt und koachsial zum Kreiselrotor verläuft. Die Waage kann sich somit um die
senkrechte Spindel 66 frei drehen. Ein Luftstrahl tritt ,aus der Spindel 66 aus,
deren oberes Ende durch ein in dem Kreiselgeh<<use angeordnetes Rohr mit der
Innenseite des Gehäuses nahe dem Umfang des Kreisels verbunden ist. Dieser Luftstrahl
steuert die Waagen, indem er durch einen trichterförmigen Kanal 68 strömt, der an
der Flüssigkeitswaage mittels des Drahtrahmens 69 angebracht ist. Nach Austritt
aus dem Kanal 68 wird der Luftstrahl von neuem durch den einen oder anderen
von zwei gebogenen Kanälen 70, 71 aufgefangen (Abb. io und ii). Die diese Kanäle
verlassende Luft tritt nach rechts aus, und zwar parallel zu dem Rahmen 61, da diese
Kanäle mit dem Arm 61 und der Muffe 67 durch die Drahtrahmen 72 und 73 fest verbunden
sind. Die Kanäle werden sich somit mit der Waage und dem Zapfen 66 drehen können.
Der durch den Kanal 68 strömende Luftstrahl steuert die Waage und wird hierbei
so abgelenkt, daß er auf die beiden Kanäle 70, 71 verteilt wird. Die in dem - einen
der genannten Kanäle vorhandene überschüssige Luft erzeugt eine Kraft auf den Kreisel,
mit der Wirkung, daß dieser vorrückt und die Kippbewegung des Kreisels ausgeglichen
wird. Da sich die Waage um die Spindel 66 dreht, so liegen die Schalen in der Richtung
der Kippbewegung der Kreiselachse, vorausgesetzt, daß diese Kippbewegung genügend
groß ist. Da der Kreisel infolge der Uiridrehung der Erde nach Westen kippt, liegt
die Flüssigkeitswaage in der Ost-West-Linie, wenn der Kreisel keine fortschreitende
L'ewegung mit Bezug auf die Erde hat. Eine Kompaßrose kann an dem Rohr oder an dem
oberen Teile der Schalen 4 und 5 angebracht «-erden, um die Lage der Himmelsrichtungen
anzugeben. Bei einem Kreiselkompaß, dessen Kreiselachse wagerecht verläuft, können
mit der Flüssigkeitswaagensteuerung ,gemäß der Erfindung wertvolle Aufschlüsse über
eine zufällige Abweichung des Kompasses auf See von den genauen Messungen der Änderung
der Kippbewegung der Waage mit Bezug auf den Kreisel abgeleitet werden. Wenn diese
Kippbewegung regelmäßig ist, so gibt ihre Größe die Breite .an, wenn die Geschwindigkeitskomponente
längs des Meridians bekannt ist. Ist andererseits die geographische Breite bekannt,
so gibt die Kippbewegung die Gesclizvindigkeit längs des Meridians an.
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Abb. 13 veranschaulicht eine optische Einrichtung, um diese Kippbewegung
genau messen zu können. Hierzu ist ein Spiegel 74 an der Waage d, 5 angebracht,
die um die Zapfen 27 der Ansätze 76 des Kreiselgehäuses i schwingbar ist. Ein anderer
.Spiegel 75 sitzt an einer Verlängerung einer der Ansätze 76. Man verwendet hierbei
einen Kollimator 77 und ein Fernrohr 78. Der Kollimator hat in der Fokalebene eine
Teilung, und man liest alsdann die Lage des Querfadens des Fernrohres auf dem Bild
der Einteilung ab, welches durch doppelte Reflexionen. in den Spiegeln 74 und 75
erzeugt wird. Fernrohr und Kollimator sind in geeigneter Weise an einem Rahmen 79
befestigt, der an einer zentralen Achse schwingbar gelagert .ist und so verläuft,
daß das Fernrohr der Bewegung des Kompasses in der Seitenrichtung (Azimuth) mit
Bezug auf das Schiff folgen kann.