JP4989035B2 - 慣性ナビゲーションシステムの誤差補正 - Google Patents

Description

本発明は、一般的には慣性ナビゲーションシステムの誤差補正に関する。
・関連出願に関する相互参照
本出願は、２００４年３月２９日になされた仮出願：６０/５５７,０６５号の権利を享受し、当該仮出願はここでの参照によって全体が開示に含まれる。
・連邦政府によって後援された研究に関係する主張
米国政府は本発明の支払済み使用権を有し、限られた状況において、特許所有者が他者に対し使用権を与える場合は、合理的な条件において行うことを求める権利を有する。その合理的な条件とは、米国国防総省高等研究計画局（DARPA）が認める認可条件（terms of Grant）：Ｗ９１１ＮＦ-０４-１-００４７によって提供されるものである。

図１には、３つの直角座標フレームＦ_I、Ｆ_EおよびＦ_Nが規定されている。第１の座標フレーム（Ｆ_I）は慣性座標フレームと呼ばれ、これは、例えばステラー体（stellar body）によって表されるような慣性スペースに関して固定された軸［Ｘ_I，Ｙ_I，Ｚ_I］を備える。この座標フレームのＸ_I軸およびＺ_I軸は名目上、地球の赤道面にあたり、Ｙ_I軸は名目上、地球の極軸に一致する。

第２の座標フレームＦ_Eは地球固定座標フレームと呼ばれ、軸［Ｘ_E，Ｙ_E，Ｚ_E］を備える。この座標フレームのＸ_E軸およびＺ_E軸は名目上、地球の赤道面にあたり、Ｚ_E軸はグリニッジ子午線にあり、Ｙ_E軸は名目上、地球の極軸と一致する。Ｘ_E軸およびＺ_E軸は、地球がその極軸を中心に回転するにつれ、慣性座標フレームＦ_Iに対して回転する。
第３の座標フレームＦ_Nはナビゲーション座標フレームと呼ばれ、軸［Ｘ_N，Ｙ_N，Ｚ_N］を備える。軸Ｘ_Nおよび軸Ｙ_Nは名目上、地球の表面に対して移動中の乗り物の現在位置における局所レベルにあたり、Ｚ_N軸は乗り物の現在位置における局所垂直面（local vertical）と一致する。

図１および図２には、「ワンダ（wander）−方位」角αが図示されているが、これは、局所レベル面における軸Ｘ_Nおよび軸Ｙ_Nの、それぞれ局所的な東および北の測地軸に対する回転を示す。局所的な東、北、そして垂直面の軸は、一般性を失うことなしに、ナビゲーション座標フレームＦ_Nと考えることができ、その場合、ワンダ方位角αはゼロに等しくなる。

標準的な「ストラップダウン」慣性システム機械化において、慣性計器はジャイロスコープ（「ジャイロ」）および加速度計であって、乗り物に対して固定され、ナビゲーション座標フレームＦ_Nとは異なる向きを有することになるが、それは、乗り物の現在位置における局所レベル面に対する乗り物のピッチおよびロールと、北軸に対する乗り物の進行方向とによって規定される。この場合、慣性計器は直交の乗り物本体座標フレームＦ_Bの軸に沿った位置にある。そしてこれは、進行方向、ピッチ、そしてロールの角度によって、東軸、北軸そして垂直軸に対して回転させられる軸［Ｘ_B，Ｙ_B，Ｚ_B］を備える。

「ジンバル（gimbaled）」慣性システム機械化では、慣性計器は、ジャイロ測定値を用いて安定化を実現するジンバルのセットによって、乗り物角運動から隔てられる。
ジンバル慣性システム機械化のうち、東、北、そして垂直のナビゲーション座標フレームＦ_Nの軸に沿って、軸［Ｘ_A，Ｙ_A，Ｚ_A］を備えた計器座標フレームＦ_Aの軸を並べる、という特定のものは、「局所レベルの北従属（North Slaved）」のシステム機械化と呼ばれる。図３に示すように、計器座標フレームＦ_Aの軸は一般に、計器座標フレームＦ_Aの軸に沿ってジャイロが行う角速度の測定および加速度計が行う力の測定における誤差のために、ナビゲーション座標フレームＦ_Nの軸に対してわずかにずれている。東、北、そして垂直の軸に関する、乗り物の実際の現在位置における、ナビゲーション座標フレームＦ_Nへの機器座標フレームＦ_Aの、こうした小さな角度偏差は「傾斜」と呼ばれ、それぞれ３つの小さな角度［φ_E，φ_N，φ_Z］によって表される。

別のジンバル慣性システム機械化では、機器座標フレームＦ_Aは名目上、慣性座標フレームＦ_Iの軸に一致させられる。この特定のジンバルシステム機械化は「空間安定（space stable）」慣性システム機械化と呼ばれる。ここでも、機器座標フレームＦ_Aを慣性座標フレームＦ_Iの軸に一致させるにあたって小さな角度誤差が生じ、この誤差は、慣性機器によってなされる測定における誤差に起因する。これらの誤差は、計器座標フレームＦ_Aの軸を基準に、あるいは、東、北、または垂直のナビゲーション軸を基準に表すことができ、それには、計器座標フレームＦ_Aとナビゲーション座標フレームＦ_Nとの間で、変換マトリックス[_InstT_Nav]を用いる。

上で述べたストラップダウン機械化に対しても、慣性計器測定誤差のために、これらと同じ種類の角度誤差が生じる。ストラップダウンシステム機械化の場合、一般性を損なうことなしに、慣性計器フレームＦ_Aの方位が乗り物本体座標フレームＦ_Bと一致すると考えることができる。この場合、慣性計器フレームＦＡの方位は、慣性計器測定を使用してナビゲーション座標フレームＦ_Nと名目上一致するように回転させられるよりも、慣性機器測定を使用してナビゲーション座標フレームＦ_Nに対して算出される。

ストラップダウン式またはジンバル式のいずれの慣性計器機械化においても、ジャイロおよび加速度計による測定の誤差に起因して、小さな角度傾斜誤差［φ_E，φ_N，φ_Z］が存在することになる。ストラップダウン式機械化の場合、誤差は、計器座標フレームＦ_Aとナビゲーション座標フレームＦ_Nとの間の算出変換[_NavT_Instr]_Computedに存在することになる。算出変換[_NavT_Instr]_Computedと理想的な変換[_NavT_Instr]_Idealとの間の関係は、[_NavT_Instr]_Comp＝δ[_NavT_Instr] [_NavT_Instr]_Ideal＝［I + φ］ [_NavT_Instr]_Ideal となり、ここで、

となる。
ジンバルシステム機械化の場合については、計器座標フレームＦ_Aが回転させられてナビゲーション座標フレームＦ_Nと一致した際に、理想的な変換が行われる。上記の表記法の場合：[_NavT_Instr]_Ideal = ［I］。しかしながら、ジャイロおよび加速度計の測定における誤差のため、ジンバルの場合に関して理想的な状況を実現する際の誤差は、マトリックス［I + φ］によって表される。

従って、ストラップダウン式およびジンバル式のいずれの慣性ナビゲーションシステム機械化の場合も、東、北そして垂直の軸を基準とした３つの傾斜角[φ_E，φ_N，φ_Z]によって表される方向誤差を測定する手段が有益となる。
上で述べた、ストラップダウン式およびジンバル式の慣性ナビゲーションシステム機械化に関する誤差の性質に関する議論は、“Inertial Navigation System Error-Model Considerations in Kalman Filtering Applications”（筆者：James R. Huddle）（“Control and Dynamic Systems”の第２０巻（編集：C. T. Leondes, Academic Press, 1983年）の Pp. 293〜 339に記載）において詳細を得ることができる。なお、当該文献に関しては、ここでの参照により全体が開示に含まれる。これらのシステム機械化の実装に必要なナビゲーションシステム方程式に関する限り、ここでの参照は、ストラップダウン式およびジンバル式の慣性ナビゲーションシステム誤差モデルに関する誤差モデルの同等性を証明する。従って、ストラップダウン慣性ナビゲーションシステム機械化に関する文脈での説明は、そのまま他の慣性ナビゲーション装置に適用され、それぞれの種類の慣性ナビゲーション装置に関して個々に説明する必要はない。

図４は、ストラップダウン式ナビゲーションシステム機械化の場合の信号フローを表す。図４の左側、力［a+g］_Instrumentの測定は、図２の計器座標フレームＦ_Aにおける加速度計で実行される。力測定値［a+g］_Instrumentは、慣性スペースに関する乗り物／ナビゲーションシステムの加速の合計に加速度計の感知軸に沿った重力ベクトルの力を加えたものである。ナビゲーション解決法のためにこれら加速度計の測定値を用いるためには、先ずそれらを、図に示すような時間変化変換_NavT(t)_Instrを介して、ナビゲーション座標フレームＦ_Nに変換しなければならない。図４では、変換後の測定値は、[a+g]_Navigationと表されている。

力測定値をナビゲーション座標フレームＦ_Nで表せば、その後、局所垂直面に名目上沿った当該フレームの重力ベクトルg_Navを測定値から減ずることで、ナビゲーション座標フレームＦ_Nにおける慣性スペースに関する乗り物の加速a_Navを得ることができる。
地球に関するナビゲーション機能を実現するためには、ナビゲーション座標フレームＦ_Nにおける慣性スペースに関する乗り物の加速a_Navを処理して、ナビゲーション座標フレームＦ_Nに対して取られる地球に対する乗り物速度の時間導関数（time derivative）を得なければならない。この転換は、図面に示すように、コリオリ加速補正の使用によって実現される。

それに続いて、補正された測定値を取り入れることで、地球に関する乗り物速度が得られる。これは、図４に示すように、ナビゲーション座標フレームＦ_NではV_Vehicle/E(t)と表される。
地球に関する算出乗り物速度V_Vehicle/E(t)は、変化[_EarthT(t)_Nav]を介し、乗り物の現在位置についての情報（図１に示すような、緯度Φおよび経度λ）を用いて、地球固定座標フレームに変換することができ、そして、これを取り入れることで、地球に対する乗り物の位置の変化を緯度および経度で得ることができる。地球に対する乗り物の計算された緯度についての情報によって、地球回転ベクトルΩの構成成分Ω_NおよびΩ_Zの算出が可能となる。この場合、Ω_Nはナビゲーション座標フレームＦ_Nの北軸Ｘ_Nの周りを回る成分であり、Ω_Zはナビゲーション座標フレームＦ_Zの垂直軸Ｚ_Nの周りを回る成分である。

計器座標フレームＦ_Aからナビゲーション座標フレームＦ_Nへの、時間変化の変換[_NavT(t)_Instr]_Computedを算出するには、一方のフレームの他方のフレームに対する角速度の情報が必要となる。計器座標フレームＦ_Aにおけるジャイロは、図４ではω_Instrument(t)によって示される、慣性スペースに関する当該座標フレームの角速度を測定する。慣性スペースに関するナビゲーション座標フレームＦ_Nの角速度ω_Nav(t)は、慣性スペースに関する地球の角速度Ωと、地球に関するナビゲーション座標フレームＦ_Nの相対的角速度との合計である。地球に関するナビゲーション座標フレームＦ_Nの相対的な角速度ρ_Nav(t)は、地球に関する乗り物の速度を、乗り物の現在位置における地球の局所的曲率半径Ｒ（図４で示す地球の表面上の乗り物の高度ｈを加えて）によって除算することで算出される。これらの２つの角速度ベクトルの差［ω_Nav −ω_Instrument］は、計器座標フレームＦ_Aに関するナビゲーション座標フレームＦ_Nの角速度を提供し、これが、図４に示される必要な変換［_NavT(t)_Instr]_Computedの算出を可能にする。
「Inertial Navigation System Error-Model Considerations in Kalman Filtering Applications」James R. Huddle著 1983年 C.T.Leondes, Academic Press編 Control and Dynamic Systems Vol.20 PP.293-339

本発明の目的は、独立した測定の値と独立した測定の評価値（estimate）とから求められた差分を対象にしたカルマンフィルタリングを利用して、慣性ナビゲーションシステムにおけるモデル化された誤差を補正する方法および装置にある。独立した測定値とは、慣性座標フレームに関する評価値は、慣性ナビゲーションシステムを使って算出される。

典型的な実施の形態における本発明は、連続的なジャイロおよび加速度計の測定値を補正する方法であり、そのために、慣性座標系において、不連続で測定されたより高精度の測定値を二重積分して用いる。
別の典型的な実施の形態における本発明は、地球の重力場によって引き起こされる加速の要素を含まない第1の加速測定値と、地球の重力場によって引き起こされる加速の要素を含む第２の加速測定値とを用いて、乗り物の相対移動を決定する、乗り物慣性ナビゲーションシステムである。

更に別の典型的な実施の形態における本発明は、乗り物内に配置された慣性ナビゲーション装置における誤差を補正する方法であって、そのために、独立して測定された、慣性座標フレームに関する乗り物の位置における変化を用いるものである。

本発明は、上記の構成によって、慣性ナビゲーションシステムにおける誤差を補正する方法および装置を実現することができる。

本発明の正確な性質、ならびに、その目的および効果は、以下の詳細を添付図面と併せて考慮することで、容易に明らかになるであろう。なお、図面全部を通じて、類似の参照番号は類似の部品を指すものとする。
以下に本発明の最良の形態について説明するが、実施形態の例は添付の図面において図示されている。本発明は最良の形態との関連において説明するが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。逆に本発明は、添付の特許請求の範囲に定義される発明の趣旨と範囲に含まれる、代替例や変形例や等価物を包含することが意図されている。

以下の詳細な説明においては、本発明が完全に理解できるよう具体的な詳細例がいくつか述べられている。しかしながら、本発明はこのような具体的な詳細がなくても実施できるということは当業者であれば理解できる。例によっては、よく知られている方法や、手順や、部品や、回路などを詳細に説明していないこともあるが、それは本発明の重要な側面を不必要に曖昧にしないためである。

加速度計による力[a+g]_Instrumentの測定や、ジャイロによる角速度ω_Instrumentの測定における誤差によって、算出要素（_NavT(t)_Instr，V_Vehicle/E(t)，Ф，λ，h，ρ_Nav(t)，ω_Nav(t)，_EarthT(t) _Nav）からなるナビゲーション解決法の変数には誤差が生じる。これらの算出要素は前述の計算過程を通じて関連性を持っているため、これらの算出要素で発生する誤差を独立センサーによって検知すれば、すべての算出要素における誤差を修正することができる。

ジャイロと加速度計の測定値における重大な誤差や、これらの測定値誤差が慣性ナビゲーションシステム解決法の計算上引き起こす全ての誤差をモデルにしたカルマンフィルタを用いることにより、この補正過程を実現することができる。
そこで、前述のような、慣性ナビゲーションシステムにおける誤差補正方法では、慣性座標フレームF_Iの軸に沿った慣性空間における乗り物の位置の変化を独立して測定することが必要となる。この方法は、以下のような３つのステップによって実施することができる。

第１のステップは、ナビゲーション座標フレームF_Nの軸に沿った重力の力と慣性空間とに対する、加速度計を用いて測定した乗り物の加速[a+g]_Instrumentから重力の力を取り除くことである。これは図５において、a_Nav = [[_NavT_Instr]_Computed [a+g]_Instrument]-g_Navとして示されている。
第２のステップは、ナビゲーション座標フレームF_Nにおける慣性空間に対する乗り物の加速の測定値a_Navを慣性座標フレームF_Iへと変換することである。これは図５において、a_Inertial= [[_InertialT_Nav]_Computed [a_Nav]]で示されている。

第３のステップは、この変換した乗り物の加速測定値a_Inertialを慣性座標フレームF_Iにおける慣性空間に対して、二重積分することである。第１の積分によって、慣性空間に対する乗り物の速度変化が得られる。これは、[Velocity_Inertial]_Computed ＝∫a_Inertialdt で表される。第２の積分によって、慣性空間に対する乗り物の位置変化が得られる。これは、[D_Inertial]_Computed＝∫[Velocity_Inertial]_Computeddt で表される
重要なのは、この２つの算出される変数[Velocity_Inertial]_Computed と[D_Inertial]_Computedとが、地球に対する乗り物の速度と地球に対する乗り物の位置変化とは全く別のものだということである。この事実は図５において、この２つの異なる算出方法を別々に示した信号フローパスによって図示されている。

さらに図５に示されているとおり、慣性ナビゲーションシステム解決法に基づいた慣性座標フレームF_Iに相対的な乗り物の位置変化の推定値[D_Inertial]_Computedは、この変数の独立測定値[D_Inertial]_independentと比較される。推定値と独立測定値との違いは、測定値の誤差と独立センサー測定値の誤差によるもので、カルマンの可観測、Ｏと呼ばれる。

さらに、推定測定値[D_Inertial]_Computedの誤差は、加速度計による力の測定値の誤差と、ジャイロによる角速度の測定値の誤差と、慣性ナビゲーションシステムで算出した[_NavT_Instr]_Computed [_InertialT_Nav]_Computedの変換における誤差によるものである。ここに見られる誤差は、カルマンフィルタによって処理され、カルマンフィルタがモデルにしている独立センサーと慣性ナビゲーションシステムとにおけるすべての誤差を補正することができる。

変換[_InertialT_Nav]_Computedにおける誤差は、算出された緯度δФと、経度δλと、時間δtにおける誤差の関数で表される。緯度δФにおける誤差は東のナビゲーション軸に属するのに対し、経度δλと、時間δtの誤差は地球の極軸に属する。東軸を中心に反時計回りで規定される緯度の誤差に対して、算出された変換と理想的な変換との関係は、[_InertialT_Nav]_Computed = [I+δθ] [_InertialT_Nav]_Ideal で表される。ここにおいて

（ｂ）Λ= λ+Ωtは、Z_I慣性軸から赤道面における乗り物の現在位置までの、極軸を中心にした回転の角度であり、
（ｃ）δΛ= δλ+Ωδtは、算出された経度における誤差と認識上の時間における誤差による、この角度における誤差である。
慣性座標フレームF_Iに変換された加速度測定値における誤差を完全に表せば、δa_Inertial＝[δθ] [a_Inertial]＋[_InertialT_Nav] [ψ] [a_Nav]＋[_InertialT_Instr] [δa_Instr]＋[_InertialT_Navigation] ［δg_Nav］の式で表現することができる。ここにおいて、a_Inertial、[_InertialT_Nav]、 a_Nav、[_InertialT_Instr]の項は、示された変数の理想的な状態を表現したものである。[δθ]と[ψ]の項は、示された変換の誤差を表している。[δa_Instr]の項は、計器誤差源による加速度計測定値における誤差である。[δg_Nav]の項は、ナビゲーション座標フレームF_Nにおける認識上の重力における誤差である。

この分析から、上記のカルマンの可観測、Ｏにおける誤差の検知には明確な根拠があり、誤差が検知されると、慣性ナビゲーションシステムは誤差を補償して、乗り物の相対的な動きをより正確に出力することができる。
もう一つの実施形態においては、図６に示したとおり、ジャイロと加速度計の連続した測定値の補正方法は、慣性座標系において二重積分した、加速度計の精度の高い断続測定値によって補正を行うものである。図示したとおり、[ΔD_I]_Bと[Δd_I]_Bとの差を調べることにより、離散的な可観測Ｏが決定される。[ΔD_I]_Bは、移動座標フレームにおける加速度計の測定値[a+g]_Bを、変換マトリックス[_IT_B]を用いて慣性フレームへと変換することによって得られる。そして、変換された測定値は、時刻ｔ₀と時刻ｔ₁との間の離散的な時間間隔ｔにわたって二重積分される。時間間隔tの終点では、変換され二重積分された測定値は、[_IT_B ^T]を用いて移動座標フレームへと変換し戻され、[ΔD_I]_Bが得られる。[Δd_I]_Bは、同じ離散的な時間間隔ｔにわたって、加速度計測定値[a+g]_Iを二重積分することによって得られる。時間間隔tの終点では、二重積分された測定値は、[Δd_I]_Bを得るために、投影・変換マトリックス[_IP_B]を用いて、移動座標フレームへと投影される。[a+g]_I、[a+g] _B、[_IT_B]、[_IP_B]を測定する手段の差は、これらの測定値を相互の関係において得る際の誤差の可観測性につながる。

図６において、同期機構１１は、時間間隔と、[a+g]_Iおよび変換された[a+g] _Bノの二重積分を開始するために、時刻ｔ₀において、スイッチS_B0とS_I0を同時に閉じ、そして可観測Ｏを得るために二重積分の結果を比較できるよう時刻ｔ₁においてスイッチS_B1とS_I1を閉じるのに用いられる。好ましい実施形態においては、[a+g]_Iは時間間隔ｔにわたって周期的に測定されるが、慣性座標フレームにおいて直接測定される。[_IT_B] と[_IP_B]とは完全に互いから独立している。[_IT_B]は、最初に確立されたあとは、ジャイロの連続的な測定値を用いた時間の関数として維持される。[_IP_B]は、移動体フレーム座標に属する観測軸の方向によって実現される。

[a+g]_Iが時折にしか入手できない一方で、[a+g] _Bは、乗り物の慣性ナビゲーションシステムの慣性測定ユニット（IMU）によって与えられ、連続的に入手可能な場合もあるであろう。そのような場合は、[a+g]_Iが入手可能な各時間帯が時間間隔ｔを構成し、その時間間隔にわたって加速度測定値の２つの独立した組が比較のために積分される。また、もし[a+g]_Iが連続的に入手可能であれば、加速度／力の二重積分は任意の時刻ｔ₀に始め、任意の時刻ｔ₁に終えることができ、そのような時間間隔を得る頻度や長さは他の要因に基づいて決定することができる。

図７は上述の方法を組み入れることのできるシステムの概略図である。図７では、システム５１は乗り物５３と測定データの外部ソース５５を備えている。乗り物５３は、測定値受信部５７とIMU５９と比較部５８を備えている。比較部５８は、受信部５７を介してソース５５から得た、地球の重力界に起因する加速の要素を含まない第１の加速度測定値の組と、IMU５９から得た、地球の重力界に起因する加速の要素を含む第２の加速度測定値の組を用いて、乗り物５３の相対的な動きを決定する。

図８は上述の方法を組み入れることのできるもうひとつのシステムの概略図である。図８において、システム６１は、IMU６５とIMU６９を備えた乗り物６３を含み、IMU６５とIMU６９はそれぞれが別々の座標フレームにおいて動きを測定する。どちらのIMUも乗り物６３に搭載されているので、１つまたは２つの移動アセンブリ６４と６６を使用することにより、IMU６５とIMU６９との間における測定座標フレームを分けておくこととしてもよい。例えば、IMU６５とIMU６９の一方または両方をジンバルで支えることとしてもよい。ユニット６８は、アセンブリ６４に相対的に固定された第１の座標フレームに相対的なIMU６５から得た、第１の加速度測定値の組と、アセンブリ６６に対して固定された第２の座標フレームに相対的なIMU６９から得た、第２の加速度測定値の組を用いて、乗り物６３の相対的な動きを決定する。もし、１つの移動アセンブリしか使用しないのであれば、１つのIMUが乗り物６３の本体に対して固定された座標フレームに対する加速度を測定する。

ここに述べた方法と装置は、測位がなされる乗り物の種類にかかわらず、適用可能である。とりわけ、乗り物には、船、ボート、飛行機、ロケット、ミサイル、トラック、戦車をはじめとする地上乗り物、航空機、船舶などが含まれる。さらに、ここで用いられている「乗り物」という用語は、移動可能なコンテナや構造物を含む。よって、ここに述べた方法と装置は、とりわけ、可搬型および／またはハンドヘルド型の測位装置や、貨物コンテナにも適用可能である。

ここに述べた方法と装置は、測定値を得るのに用いられる手段にかかわらず適用可能である。よって、測定値は、とりわけ、加速度計とジャイロスコープや、独立した加速度計や、GPS（全地球測位システム）や、その他のプラットフォームからのセンサーなどを含むIMUから得ることとしてもよい。
ここに述べた方法と装置は、二重積分および／または座標系間の変換を行う手段にかかわらず適用可能である。よって、アナログ、デジタル、アナログとデジタルの組み合わせのどの方法を用いてもよい。

図３および図４に示した要素およびフローパス、ならびに図５および図６に示した構造は、例示の目的で図示しているに過ぎない。よって、本発明の実施形態は、変形を加えた要素やフローパスや構造のいずれかまたはすべて、および／または、別の追加的な要素やフローパスや構造を含むこともある。
上記の記載から、本発明の一例となる実施の形態は、慣性座標系において、第２の非連続に測定された、より正確な加速度計測定を二重積分した結果を用いて、第1の連続ジャイロ及び加速度計測定から決定される１以上の要素を補正する方法であることが明らかである。そのような実施の形態において、前記第1の連続ジャイロ及び加速度計測定は乗り物上で実行され、前記第２の加速度計測定は、前記乗り物の外部にあるグローバル・ポジショニング・システム（全地球測位システム）などの測定源から得ることができる。他の例として、前記第1及び第２の加速度計測定は、通常の乗り物上で実行することができる。さらに、前記１以上の要素は、以下の内、少なくとも１を含むことができるということが明らかである：(a)計器座標フレームとナビゲーション座標フレームとの変換に用いられる変換マトリクス、(b)地球固定座標フレームとナビゲーション座標フレームとの変換に用いられる変換マトリクス、(c)乗り物の地球に対する相対速度、(d)乗り物の緯度、経度及び／又は高さ、(e)ナビゲーション座標フレームの慣性座標フレームに対する回転の相対角速度、(f)地球固定座標フレームに対するナビゲーション座標フレームの回転の相対角速度。

本発明の他の例となる実施の形態は、地球の重力場によって引き起こされる加速の要素を含まない第1の加速測定と、地球の重力場によって引き起こされる加速の要素を含む第２の加速測定とを用いて、乗り物の相対移動を決定する、乗り物慣性ナビゲーションシステムであることが明らかである。そのような実施の形態では、前記第1の加速測定値は第1の直交座標フレームに対して相対的に、前記第２の加速測定値は第２の直交座標フレームに対して相対的に得ればよく、そこで、前記第1の直交座標フレームの起点と前記第２の直交座標フレームの起点とはコロケート（co-located）にならない。

さらに、そのような実施の形態において、以下の１以上を採用することができる：(a)前記乗り物が移動することで、前記第1の座標フレームと前記第２の座標フレームとの間に相対移動が引き起こされる、(b)カルマン（Kalman）フィルタを用いて、前記第1の加速測定値と前記第２の加速測定値とが結合される、(c)前記システムは、カルマン（Kalman）フィルタを用いて、前記第1の加速測定値と前記第２の加速測定値とを結合する前に、前記第２の加速測定値から重力要素を取り除く、(d)前記システムは、カルマンフィルタを用いて前記第1の加速測定値と前記第２の加速測定値とを結合する前に、前記第２の加速測定値を、前記第２の座標フレームから前記第１の座標フレームに変換する、 (e)前記システムは、カルマンフィルタを用いて前記第１の加速測定値と前記第２の加速測定値とを結合する前に、前記第１の座標フレームに対して、前記変換された第２の加速測定値を積分する、(f)前記システムは、カルマンフィルタを用いて前記第1の加速測定値と前記第２の加速測定値とを結合する前に、前記第１の座標フレームに対して、前記第１の加速測定値を積分する。

さらに、そのような実施の形態において、前記システムは、前記第1の加速測定値と前記第２の加速測定値との差分を用いて：(i)計器座標フレームとナビゲーション座標フレームとの変換に用いられる変換マトリクスを周期的に修正することができ、(ii)地球固定座標フレームとナビゲーション座標フレームとの変換に用いられる変換マトリクスを、前記第1の加速測定値と前記第２の加速測定値との差分を用いて周期的に修正することができ、(iii)前記システムが前記乗り物の地球に対する相対速度を決定する仕方を周期的に修正することができ、(iv)前記システムが乗り物の緯度、経度及び／又は高さを決定する仕方を周期的に修正することができ、 (v)前記システムが、ナビゲーション座標フレームの回転における慣性座標フレームに対する相対角速度を決定する仕方を周期的に修正することができ、(vi)前記システムが、ナビゲーション座標フレームの回転における地球固定座標フレームに対する相対角速度を決定する仕方を周期的に修正することができる。

上記の記載から、本発明の他の例となる実施の形態は、乗り物の位置の慣性座標フレームに対する相対変化の測定結果を用いて、前記乗り物内に配置された慣性ナビゲーションシステムによる誤差を補正する方法であることが明らかである。

３つの座標フレームの関係を示す図である。 図１のナビゲーション座標フレームの詳細図である。 ナビゲーション座標フレームと計器座標フレームとの関係を示す図である。 従来技術の慣性ナビゲーションシステムの部分的な信号フロー図である。 本発明の典型的な実施の形態による慣性ナビゲーションシステムの部分的な信号フロー図である。 本発明の典型的な実施の形態による別の慣性ナビゲーションシステムの部分的な信号フロー図である。 本発明の典型的な実施の形態による別のシステムの概略図である。 本発明の典型的な実施の形態による更に別のシステムを示す概略図である。

Claims (8)

1. 慣性ナビゲーションシステムにおける測定値の誤差を、別の測定システムによる測定値で補正する方法であって、
   移動座標フレームにおける、ジャイロ及び加速度計の、慣性計器の誤差と計算上のナビゲーション誤差を含む測定値を、第１の測定値として連続的に取得する第１のステップと、
   前記ジャイロと加速度計による第１の測定値を、前記連続的に得られるジャイロの測定値を用いて維持される座標変換行列[ _Ｉ Ｔ _Ｂ ]を用いて、慣性座標フレームに変換する第２のステップと、
   別の測定システムにより、慣性座標フレームにおける、前記ジャイロ及び加速度計による第1の測定値よりも正確な加速度の測定値を、当該測定値が取得可能な期間中において、第２の測定値として非連続的に取得する第３のステップと、
   前記取得可能な期間において、慣性座標フレームにおける、加速度の第１の測定値と、慣性座標フレームにおける加速度の第２の測定値とを同期させて同一の離散的な時間間隔にわたって二重積分し、それぞれ第１の位置測定値の変化と、第２の位置測定値の変化を取得する第４のステップと、
   第１の位置測定値の変化を、座標変換行列[ _Ｉ Ｔ _Ｂ ^Ｔ ]を用いて、慣性座標フレームから移動座標フレームへ変換する第５のステップと、
   第２の位置測定値の変化を、座標変換行列[ _Ｉ Ｔ _Ｂ ]から独立した座標変換行列[ _Ｉ Ｐ _Ｂ ]を用いて、慣性座標フレームから移動座標フレームへ変換する第６のステップと、
   移動座標フレームにおける第１の位置測定値の変化を、移動座標フレームにおける第２の位置測定値の変化と比較して、カルマン可観測を得る第７のステップと、
   前記カルマン可観測を用いて、第１の測定値におけるジャイロと加速度計の計器上の誤差および計算上のナビゲーション誤差を補正する第８のステップと
   を含むことを特徴とする補正方法。
2. 前記第２の測定値は、前記ジャイロ及び加速度計による連続的な第１の測定値の取得が実行される乗り物の外部にある別の測定システムから得られること、
   を特徴とする請求項１に記載の補正方法。
3. 前記別の測定システムは、全地球測位システム（ＧＰＳ）であること、
   を特徴とする請求項２に記載の補正方法。
4. 前記第1及び第２の測定値の取得は、共通の１台の乗り物上で実行されること、
   を特徴とする請求項１に記載の補正方法。
5. 計算上のナビゲーション誤差は、地球に対する位置、速度および方位のうちの少なくとも１つを示す変数における誤差を含むこと、
   を特徴とする請求項１に記載の補正方法。
6. 前記第８のステップは、カルマン可観測を用いて第２の測定値における誤差を、さらに、補正するステップを含む
   ことを特徴とする請求項１に記載の補正方法。
7. 前記第４のステップは、前記取得可能期間中の同一期間における第１と第２の測定値を同時に二重積分すること
   を特徴とする請求項１に記載の補正方法。
8. 前記第２の測定値は、ストラップダウン方式の加速度計により非連続的に取得される
   ことを特徴とする請求項１に記載の補正方法。

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