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Title:
CALCULATION OF THE GEOGRAPHICAL POSITION OF A MOVING BODY BY MEANS OF THE GYROSCOPIC SIGHT OF ITS ANGULAR SPEED WITH RESPECT TO THE EARTH ROTATION SPEED
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/1980/001717
Kind Code:
A1
Abstract:
The geographical position of a moving body in degrees of earth co-ordinates is obtained by measuring the precession of the gyroscope which the geographical latitude and of is in relation with the speed of the body.

Inventors:
DEILE M (CH)
Application Number:
PCT/CH1979/000023
Publication Date:
August 21, 1980
Filing Date:
February 12, 1979
Export Citation:
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Assignee:
DEILE M
International Classes:
G01C21/16; G05B1/00; (IPC1-7): G01C21/16
Foreign References:
FR355739A1905-11-10
US2046890A1936-07-07
US1891856A1932-12-20
US3293923A1966-12-27
Other References:
P. Savet: "Gyroscopes: Theory and Design" 1961, McGraw-Hill, New York (US) 'siehe Absatze 5,6; Seiten 81-84: "Effect of Earth's Rotation on Gyro".
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Claims:
Berechnung des geographischen Standortes eines mobilen Kör¬ pers mittels gyroskopischem Visieren seiner Winkelgeschwin¬ digkeitsdifferenz: im Vergleich zur ErdrotationPatentansprüche
1. Geographische Standortskenntnis durch gyroskopische Brei tengradsablesung und längenIntervallsBeStimmung an¬ hand trigonometrischer Auswertung des Winkelgrades der 1GradSphä endrift zweier, alternativ funktionierender, frei beweglicher Gyroskope, die pausenlos abgelöst wer¬ den. Während eines der beiden Gyroskope von der Refereήz ri.chtung abdriftet, wird das andere Gyroskop in die stän¬ dig angepasste Referenzrichtung zurückgeleitet. Als Refe**— renzriehtung dient die horizontale WestOstRichtung un¬ ter Bezugnahme auf künstlichen Horizont begleitet von Magnetkompass oder NordrichtungsGyroskop. Die Gyroskop¬ achsendrift wird im Verhältnis zur Zeitspanne.global ab¬ gelesen und trigonometrisch auf.
2. Dimensionen, auf die Horizontale und auf die Vertikale, umgelegt. Die von der 1 o Spitze einer mechanischen oder einer laserstrahlGyros kopachse beschriebene Drift beträgt 1 Winkelgrad der Gy¬ roskopsphäre, wobei die GyroskopStartstellung jedesmal der Polstellung der Gyroskopachse entspricht. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, als dass es fü jede Messphase die von dem mobilen Körper eingenommene,. ■" um die Erdachse rotierende Winkelgeschwindigkeit mit de ren eigener Rotationswinkelgeschwindigkeit in Bezug bringt, um aus der festgestellten Wihkelgeschwindigkeits dif erenz den neuen, geographischen Standort des mobilen Körpers zu errechnen. Bei der Berechnung kommen folgende Eormeln zur Anwendung: 1 .. „Geo 2 längenIntervall = Referenzbreite Messbreite ' Geographische Standortskenntnis wie im Patentanspruch 1, doch somit abgeändert, als dass das Verhältnis von Gyros kopsphärendrift und Referenzzeit anstat I°/240 s zu be¬ tragen ein Produkt oder einen Quotienten dieses Verhält¬ nisses beträgt, Geographische Standortskenntnis wie in den Patentansprü¬ chen 1 und 2, doch dadurch gekennzeichnet, als dass die exakte Richtungsgebung der horizontalen WestOstRefe¬ renz nicht von Bordinstrumenten übernommen wird, sondern dass die exakte Richtungsgebung von auf Erdsatelliten befindlichen Sendern übernommen wird. ' üREÄT OMPl Geographische Standortskenntnis wie in den Patentansprü¬ chen 13, doch dadurch gekennzeichnet, als dass anstatt des vorgeschriebenen Ableseradius der Gyroskopachsensphä rendrift und der freien Ablesezeit freie Gyroskopachsen sphärendrift und vorgeschriebene Ablesezeit..angewendet werden. Geographische Standortskenntnis wie in den Patentansprü¬ chen 14, doch dadurch unterschieden, dass an Stelle der westδstlichen Horizontalen als GyroskopachsenReferenz¬ richtung eine andere GyrpskopachsenReferenzrichtung an¬ gewendet wird. Geographische Standortskenntnis wie in den Patentansprü¬ chen 15, doch dadurch abgeändert, dass an Stelle von 2 Gyroskopen nur 1 Gyroskop oder eine beliebige Anzahl von Gyroskopen verwendet wird. Geographische Standortskenntnis wie in den Patentansprü¬ chen 16, doch dadurch abgeändert, dass an Stelle des Erdordinatensystems von Greenwich ein anderes Erdordina tensystem zu Grunde gelegt wird. Geographische Standortskenntnis wie in den Patentansprü¬ chen 17, doch dadurch unterschieden, dass an Stelle der Kreiseinteilung in 360° mit Unterteilung in Dezimalwerte ein anderes Kreiswinkelmass angewendet wird. FREÄIT O PI _ /•», WIPO .s Geographische Standortskenntnis wie in den Patentansprü¬ chen 18', doch dadurch unterschieden, dass an Stelle der astronomischen Zeitsekunde mit Unterteilung in Dezϊπal werte ein anderes Zeitmass angewendet wird.
Description:
Berechnung des geographischen Standortes eines mobilen Kör¬ pers mittels gyroskopischem Visieren seiner Winkelgeschwin¬ digkeitsdifferenz im Vergleich zur Erdrotation

Beschreibung

Das vorliegende Patentgesuch hat .zum Inhalt ein Verfahren zur automatischen, kartographischen Anzeige des geographi¬ schen Standortes für Fahrzeuge und Wanderer aller Art zu gründen. Die bereits bestehende, technische Perfektion des elektronischen Rechnens begleitet von der hohen Präzision der Zeitmessung, sowie das technische Niveau von Gyroskop und künstlichem Horizont Hessen die Verwirklichung dieses Projektes zu. Die durch Gyroskopdaten und Rechnung ermög¬ lichte Genauigkeit würde eine Erdordinaten-Einstellung in Werten von Winkelsekunden erlauben, doch steht die Frage ei¬ ner hiefür ausreichenden Einhaltung der beiden Referenzrich¬ tungen mit Hilfe von künstlichem Horizont τmά ΪTord ichtungs- gyroskop- noch offen. Es gäbe jedoch die Möglichkeit den Gy¬ roskopen die Referenzrichtungen von auf Erdsatelliten be¬ findlichen Sendern aus zu vermitteln.

Das Verfahren basiert auf folgender Tatsache: Infolge der Erd¬ rotation erleidet ein in Eigenbewegung befindlicher Körper proportionell zur Winkelgeschwindigkeit der Erdrotation CD eine Winkelgeschwindigkeitsveränderung. Er benötigt zur Zu¬ rücklegung eines bestimmten Erdrotationswinkels entweder mehr oder weniger Zeit als die Erde. Diese Winkelgeschwindigkeits¬ veränderung wird mit Hilfe der durch eine Gyroskopachse bei—

behaltenen Richtung des örtlich horizontalen, geographischen Breitegrades bestimmt.

Die Messung erfolgt jeweils am Ende einer Messphase. Gemessen wird die zur urchschreitung einer vorgeschriebenen Gyroskop¬ drift benötigte Zeit der östlichen Gyroskopspitze in Sekun¬ den gemäss astronomischer Zeit. Die Steift Ist kreisförmig be¬ grenzt auf den Radius von 1 Grad der Sphäre, welche die Ach¬ senspitze GS eines frei beweglichen Gyroskopes um ihr Ach¬ senzentrum beschriebt. GS kann eine mechanische Achsenspitze sein, deren Anschlag am 1-Grad-Begrenzungsring mechanisch registriert wird, oder die Achsenspitze GS kann durch einen Laserstrahl ersetzt werden, dessen Eintreffen photoelektrisch registriert wird. Die Pol- oder Ausgangsstellung der Gyrσs- kopachse ist die west-Östliche Ho-rizontale. Die Ablesung er¬ folgt frontal zur Ausgangsstellung mit Blick von Westen nach Osten. Um dem örientierungsuchenden laufend die neueste Standortsinformation geben zu können, sollten die Messphasen möglichst kurz sein. Im Fall einer 1-Grad-Radius-Drift würde die Phasenzeit für ein Fahrzeug von massiger Geschwindigkeit ungefähr 4 Minuten = 240 Sekunden betragen. Nach erfσlter Ab¬ lesung muss die Gyroskopachse wieder in ihre neue Polstellung gebracht werden, das heisst in die örtlich horizontale West- Ost-Richtung. Um die durch dieses Manöver^ntstehende Zeit¬ lücke zu überbrücken, werden 2 gleichartige Gyroskope einge¬ setzt, die sich gegenseitig ablösen.

Das Prinzip dieses Messverfahrens geht aus vom Verhalten der Gyroskopachsenspitze GS, ohne dass eine Eigenbewegung des mo¬ bilen Körpers E stattfindet. In diesem Fall würde GS an al¬ len Orten der Erde nach Durchlauf von 1 Grad Drift auf dem in der Zeichnung dargestellten Skalenkreis Kr den WinkelgracE der geographischen Breite C.****, anzeigen. Findet während der. Messphase eine Eigenbewegung des mobilen Körpers E statt, sα so ist in den abgelesenen Winkelgrad CK M..ess eine Winkeldiffe- renz - j j mit einbezogen, die E entspricht. Um den Winkel O - o f zu identifizieren, muss folgende Winkeldifferenzkorrek— tur vorgenommen werden: * <*X- e;f =

OL ef entspricht der erreichten, geographischen Breite Lat. Die Differenz zwischen C M und . C τ> e f entspricht dem zurück¬ gelegten geographischen längen-Intervall Int long in Winkel— graden.

Der Vorteil dieser Messmethode ist derjenige, dass mit Hilfe einer einzigen Gyroskopachse die Richtungsveränderungen auf 2 ' Ebenen, der West-Ost-Richtung und der Horizontalen, er- fasst werden können. Der Driftwinkel CX. der frei beweglichen Gyroskopachse wird als Resultante dieser beiden Richtungs¬ komponenten angesehen. Die West-Ost-Richtsungs-Komponente al¬ lein würde sich ohne E drehen im Verhältnis sin lat ' l /240 s. Die horizontale Rintungs-Komponente allein würde sich ohne E drehen im Verhältnis cos lat*l /240 s.

Die Gesamtrichtungsveränderung entspricht also der Winkel¬ halbierenden in der 3- Dimension, die jeweils die geographi-

OMPI < _ty__ WWIIPPOO , ^-Λ>,

sehe Breite darstellt. Die Kenntnis des geographischen Brei¬ tegrades erlaubt dem Orientierungssuchenden seine Ortsverän¬ derungsdistanz anhand von Int long und dem erreichten geogra¬ phischen Breitegrad in Kilometer umzurechnen.

Zeichnungserklärung

Die Figur zeigt den 1-Grad-Radius-Polk eis Kr der östlichen Gyroskopachsenspitze GS. Das Zentrum 0 dieses Kreises ver¬ körpert den freien Drehpunkt der Gyroskopachse und entspricht deren Startstellung, der horizontalen West-Ost-Richtung, in Prontalansicht von Westen nach Osten gesehen.

Die bogenförmige, 0-90° von der Mitte nach aussen betragende, Ableseskala, der sich auf der Figur links befindliehen, nörd¬ lichen Kreishälfte wird bei Betrieb des G e räts auf der süd¬ lichen Erd-Hemisphäre angesprochen, während die analoge Ab¬ leseskala der sich auf der Figur rechts befindlichen, süd¬ lichen Kreishälfte reziprok auf der nördlichen Erd-Hemis- phäre angesprochen wird. Der WinkelOC ist positiv auf der nördlichen Erd-Hemisphäre -+-< und negativ auf der südlichen Erd-Hemisphäre -OC«

Die in der Figur oben liege de, bei Einsatz des Gerätes der Erde abgewandte Kreishälfte wird für Eigenwinkelgeschwindig— keiten des mobilen Körpers E «= CD in Anspruch genommen,, während die in der Figur unten liegende, der Erde zugewandte Kreishälfte für Eigenwinkelgeschwindigkeiten des mobilen Körpers E * - U in Anspruch genommen wird. Die Punkte GS-*-, GS 2 tmd GS-z stellen beispielsweise angeführte Referenz-Able¬ sepunkte der östlichen Gyroskopachsenspitze GS dar. Die Ver¬ bindungsgeraden GS-,-0, GS p -O und GS- z -0 teilen den jeweiligen Winkel OC ab.

Die Figur bezieht sich ausschliesslich auf Referenzgrössen.

Erläuterung der Abkürzungen

Kr Kreisförmige 1-Grad-Radius-GyroskopSphären-Ablese skala

N Nord S Süd GS---J-GS, Beispielsweise "angeführte Referenz-Ablesepunkte d Gyroskopachsenspitze der Zeichnung

Beispielsweise angeführte ReferenzwinkelO der α i-° * 3 Zeichnung m Nördliche Erd-Hemisphäre Südliche Erd-Hemisphäre

+ Q Breitenwinkel auf der nördlichen Hemisphäre

- Breitenwihkel auf der südlichen Hemisphäre

E Eigenwinkelgeschwindigkeit des mobilen Körpers cυ Rotationswinkelgeschwindigkeit der Erde:

Cosinus Breitengrad ° - 240 Sekunden at Geographische Breite long = Geographische länge Int long= Geographischer längen-Intervall *

Mess Messzeit in Sekunden

^ef Referenzzeit in Sekunden

°^Mess Gyroskopischer Mess-B eitenwinkel

α Ref Gyroskopischer Referenz-Breitenwihkel S Start

Z Ziel

" BUREA

OMPI S - WIPO

Berechnungsformeln

Beim Start des mobilen Körpers genügt es dem Gerät die geo¬ graphische Start-länge long S mitzuteilen. Die geographische Breite lat sowie der geographische längen-Intervall Int long geht nach Beendigung der ersten Messphase und nach Beendi¬ gung jeder folgenden Messphase. aus der nachfolgend aufge¬ führten trigonometrischen Verarbeitung der Driftablesung her¬ vor. Die Ablesung der jeweiligen geographischen Breite lat be¬ zieht sich auf die Tatsache, dass deren Winkel< Ref ohne Ei¬ genbewegung des mobilen Körpers nach Ablauf der Re er_aιιzzeit t-r, f von 240 s der geographischen Breite lat entsprechen wür¬ de. Um (X τ> ψ aus der Messzeit t M entnehmen zu können, muss also jedesmal eine entsprechende Winkel-Dif erenz ^ Korrektur vorgenommen werden:

lat = tθL Ref = s£n ^Mess . t Ref

Mess Die Winkeldifferenz zwischen CX Me τind C τ? ef wird renz C - i - f benannt. Oi- n stellt den geographischen längen- Intervall Int long dar, und zwar ergibt:

^Ref " «Mess = <*Dif = Int long

- OCτ)if = ~^ ~ Ilrfc Lon S ~ östlich - CC- Q - f -— -Int long = westlich

Gemäss der geographischen längengradseinteilung von Greenwich wird die Ziel-Iänge long Z errechnet:

-- Int long

± long S

-

- 8 -

Rechenbeispiele ;

GS 1

^-Mess

GS,

* +-30 u

Mess *

Int long = X Dif

GS.

+ 45

0<M ess: t „ 239,68 s

Mess

,-v _ Hin * 5 ' 24 ° = 0,70805085 = 45,076548 lat = Ref - 239, öö ' -45.000000°'* rr +0,076548°

Int long = OC- Q if -

-OMPI Λ, WIPO