JPH058966B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は航空機のドツプラ慣性誘導装置に関す
るものであり、更に詳しくいえば加速度計および
レートジヤイロからのデータをドツプラレーダか
らの速度データと組合わせて用いて乗物のピツチ
およびロールを計算し、それらのピツチおよびロ
ールを用いて乗物の進行方位を正確に計算するド
ツプラ慣性誘導装置に関するものである。

（従来の技術および発明が解決しようとする問題
点） 多くの航空機は正確で、安価な自立航行装置を
必要としている。ドツプラレーダは正確な速度デ
ータを与えることができるが、全航行ソリユーシ
ヨン（total navigation solution）は正確な進行
方位を要する。磁気コンパスはその進行方位を指
示できるが、現在利用できる磁気コンパス装置は
大型で、重く、高価である。任意の磁針路センサ
の基本的な面は水平面内での進行方位のみを測定
する必要性である。傾斜（ピツチまたはロール）
誤差によりひき起される、地球の垂直磁場の一部
により導入されるこの測定値のいかなる精度低下
でも大きい進行方位誤差が生ずることになる。第
１図は傾斜誤差に対する磁針路の感度を磁気デイ
ツプ角度の関数として示すものである。そのデイ
ツプ角度は地磁気の垂直成分と水平成分の比の逆
正接である。

従来の磁気コンパスは航空機において進行方位
を求めるためにいくつかの技術を用いている。１
つの技術は流体中に振子のようにして吊下げられ
る磁針路センサを用いることである。振子の作用
は、加速されていない飛行中は磁気検出素子を水
平面内に保持させることであるから、進行方位は
適性に測定される。しかし、乗物の加速度は振子
を垂直からずらさせて磁気センサから大きな進行
方位誤差を生じさせる。別のやり方はボデーに取
付けられた３個１組の磁気センサを用い、それら
のセンサの出力を、垂直センサまたは垂直ジヤイ
ロからのピツチおよびロールを用いて水平面に変
換することである。典型的な垂直ジヤイロは、簡
単な加速度計または液体水準器さえも用いて局部
垂直に整列すなわち従属させられる。この技術で
は加速されない飛行中は満足できるピツチ角度お
よびロール角度が得られるが、加速中はピツチ角
度およびロール角度は低下する。

正確なピツチおよびロールは慣性装置、すなわ
ち、２つのシユーラー同調ループ（Schuler
tuned loop）として動作するように構成された
加速度計とジヤイロスコープの組合わせによりえ
らことができる。それらのループは、離陸前に正
しく初期化されると、厳しい飛行動作中でもピツ
チおよびロールについての知識ほ保持する。その
ような慣性装置の大きい欠点は構成が複雑で、高
価なことである。

（問題点を解決するための手段） 「帯で吊るされた（Strapdown）すなわちボ
デーに取付けられた三軸磁場センサを用いること
により、低価格の正確な磁針路装置を得ることが
できる。その磁場センサの直交する３つの成分が
ピツチ角度およびロール角度を介して変換され
る。本発明は、一定の高度をまつすぐ飛行してい
る時ばかりでなく、従来のピツチセンサおよびロ
ールセンサが大きい誤差を生ずるような激しい作
戦行動もピツチおよびロールを正確に測定する簡
単で安価な技術を提供するものである。

本発明は、乗物のピツチとロールを計算するた
めに安価な加速度計および安価なレートジヤイロ
からのデータと、ドツプラレーダがらの速度デー
タを用い、計算したピツチとロールを用いて前記
「帯で吊るされた」磁場センサからの直交磁場成
分を変換し、水平進行方位データを生ずるもので
ある。加速度計は乗物の加速度と、入力軸に沿う
合重力成分とを測定する。その重力成分は（たと
えば、帯で吊るされた加速度計の場合には）ピツ
チおよびロールの関数である。加速度計の出力に
対する乗物の加速度の影響は、その加速度からド
ツプラ速度の時間微分を差し引くことにより無く
すことができる。そうすると残りの信号はピツチ
およびロールの関数である。２つの垂直な加速度
計がピツチおよびロールを決定するために十分な
情報を与える。別のやり方は加速度計の出力を積
分し（それにより速度が得られる）、ドツプラ速
度を差し引くことである。それにより得られた信
号はピツチおよびロールの時間積分に比例する。
両方の場合において、雑音を動的に除去し、正確
なピツチデータおよびロールデータを瞬時に得る
ことができるようにするために、上記計算過程を
助けるようにレートジヤイロのデータが用いられ
る。

本発明の目的は、従来の慣性誘導装置に及ぼす
地球の重力場の影響の結果として、加速度計、レ
ートジヤイロおよびドツプラレーダから得たデー
タを補償しながら、乗物のピツチおよびロールを
計算するために、現在利用できる安価な加速度
計、レートジヤイロ、およびドツプラレーダから
利用できる速度データを用いることである。

（実施例） 以下、図面を参照して本発明を詳しく説明す
る。

本発明の１つの用途は慣性誘導装置が真の磁針
路を発生できるようにすることである。磁針路セ
ンサの基本的な面は水平面内のみの進行方位を測
定する必要である。傾斜（ピツチおよびロール）
誤差により引き起される、地球の垂直磁場の一部
によるその測定値がどのように悪影響を受けても
大きい進行方位が生ずることになる。本発明は、
重力によりデータが悪影響を受けることなしに、
水平面内のピツチおよびロールを正確に計算する
技術を提供するものである。

第２図は地磁気の２つの成分B_H、B_VをＸ、Ｙ、
Ｚの機体座標系で表したものを示す。第２図は進
行方位Ｈにおける水平飛行の条件を描いたもので
ある。航空機の磁針路は次式で計算される。

Ｈ＝tan^-1B_HY／B_HX ここに、B_HYはＹ軸に沿う地磁気の成分、B_HX
はＸ軸に沿う地磁気の成分である。

ピツチおよびロールの測定に誤差が生ずると、
地磁気の垂直成分がＸ、Ｙ軸に結合され、進行方
位が不正確に計算される。それらの条件の下にお
いては、進行方位は誤差εHで次式から計算され
る。

tan（Ｈ＋εH）＝sinH＋B_V／B_H（εR）／cosH＋B_V／B_H
（εP） ここに、εRとεPはそれぞれロール量の誤差で
ある。進行方位が零または180度に近いとすると、
計算された進行方位誤差はほぼ次式で与えられ
る。

εHB_V／B_H（εR） 進行方位が90度または270度に近いとすると、
計算された進行方位誤差はほぼ次式で与えられ
る。

εHB_V／B_H（εP） したがつて、進行方位誤差は進行方位と、ピツ
チ誤差の大きさと、ロール誤差の大きさと、地磁
気の垂直成分の水平成分の比との関数である。

第１図はロール誤差の関数としての進行方位誤
差（北へ向かつて飛行していると仮定して）とデ
イツプ角度の関係を示すグラフである。

（tan^-1［B_V／B_H］） 第１図はデイツプ角度の種々の範囲に関連する
地球の地理学的領域も示す。通常は、デイツプ角
度を70度ほど高くできる領域における動作を考え
ねばならない。その場合には、第１図は、進行方
位誤差を１度にしたい時には、垂直角度を0.25度
にしなければならない。

第３図はピツチ角度を計算するためのドツプラ
慣性ループ１０を示す。ロール角度を計算するた
めにはこのドツプラ慣性ループ１０と同じループ
をもう１つ設けることを理解すべきである。

通常の多重センサがＸ軸加速度計の出力A_Xを
線１２を介して減算回路１４の第１の入力端子へ
与える。その出力Ａは(1)希望の直線加速度成分
と、(2)悪影響を与える重力成分との２つの成分を
含む。重力成分だけがループ１０により計算さ
れ、減算回路１４の出力がその減算回路への２つ
の入力の差であるように、その重力成分は減算回
路１４の第２に入力端子へ与えられる。その結果
として線１６に希望の直線加速度が与えられる。
その希望の直線加速度は減算回路２２の第１の入
力端子へ与えられる。その減算回路２２の第２の
入力端子には誤差信号が与えられる。これについ
ては後で説明する。減算回路２２の出力は直線加
速度の修正された値である。その出力は積分器２
４で積分されて慣性速度の正しい値を生ずる。理
想的な状況においては、その正しい慣性速度はド
ツプラレーダ３２により発生された速度に等しく
なければならない。ドツプラ速度は地面に対する
標準速度すなわち基準速度として用いられる。出
力線３３が、線２６を伝わる慣性速度と線３０を
伝わるドツプラ速度の間の誤差信号を伝える。そ
の誤差信号は増幅器５０の入力端子４８へ与えら
れ、その増幅器で増幅されてから線５２を介して
加算回路４６の第１の入力端子へ与えられる。増
幅器５０の利得αがこのループによる処理速度成
分を高くする。加算回路４６の第２の入力端子へ
は増幅器５０を含む経路に平行な経路を通つて与
えられる。更に詳しくいえば、積分器４２の入力
端子４０に減算回路２８から誤差信号が与えられ
る。この積分器はそれに与えられた誤差信号を積
分し、かつそれに定数βを乗ずる。積分器はレー
トジヤイロのドリフトを格納し、したがつて図示
のループはその誤差を補償される。線４４と５２
からの組合わされた誤差信号が加算回路４６にお
いて加え合わされ、その和の信号が線５４を介し
て加算回路５６の第１の入力端子へ与えられる。
慣性速度が積分器２４から平行な出力路５８を通
つて加算回路５６の第２の入力端子へ与えられ
る。加算回路５６の出力６０は乗物回路６２へ与
えられ、そこで地球の半径に逆比例する換算係数
を乗ぜられて、地球の周囲の乗物の角速度に対応
する出力となる。その出力は出力線６４を介して
加算回路６８へ与えられ、そこで地球の角速度に
加え合わされる。地球の周囲の乗物の動きの動的
な影響と地球の回転の影響を考慮に入れることが
できる。加算回路６８の出力は線７０を介して減
算回路７４の第１の入力端子へ与えられる。餌回
路７４の第２の入力端子は多重センサ（第４図）
のＸ軸レートセンサの出力端子が接続される。そ
のＸ軸レートセンサは乗物の角速度ω_xを発生す
る。指示された減算を実行することにより、減算
回路７４の出力は地球に対する乗物の関連するデ
ータであつて、線７６を介して積分器７６へ与え
られて積分される。積分器７８は更新されたピツ
チ角度を計算して、そのピツチ角度を線８０を介
して回路８２へ与える。この回路においてピツチ
角度の正弦を計算し、その正弦値を線８４を介し
て回路８６へ与える。その回路８６において重力
の加速度がその正弦値に乗ぜられる。ピツチ角度
の正弦値と重力の加速度の積すなわち乗物の加速
度の重力成分が線１８を介して減算回路１４へ与
えられる。初めに述べたように、乗物の全加速度
A_xから重力成分を差し引くことにより、直線加
速度成分を得ることができる。直線加速度成分の
決定における精度を高くするためにコリオリ効果
の値を減算回路１４において差し引くことができ
る。コリオリ効果は緯度と、乗物の速度と、地球
の速度との関数であり、実際にはコリオリ効果の
値をROMのルツクアツプテーブルに容易に格納
できる。

以上説明したように、加速度の積分値は、重力
による悪影響を補償した後は、第３図に示されて
いるループで計算される地球の周囲を動く乗物の
運動を修正する。減算回路２８においては、ドツ
プラ速度が慣性速度と比較され、相互接続線３
３，３４と減衰帰還項γを線３８を介して減算回
路２２の減算入力端子へ与える回路３６とを含む
ガンマループを介して主ループの振動を減衰させ
るために用いられる。

第３図に示されているドツプラ慣性ループにお
いて行われる処理はアナログコンピユータ、デジ
タルコンピユータまたはハイブリツドコンピユー
タで実現できる。第３図に示されている発明の技
術的思想が与えられると、その技術的思想のコン
ピユータにおけるスフトウエアによる実現は当業
者には容易である。第３図に示されているループ
はピツチ角度の処理だけについてのものであるか
ら、以上説明したループをロール角度を計算する
ために設けられなければならない。

本発明の用途を説明するために、本発明を利用
する航行装置のブロツク図が示されている第４図
を参照する。第３図のループと、ロール角度を発
生するための別に設けたループとに関連して説明
した計算はデジタルドツプラ航行装置コンピユー
タ８８により行うことができる。乗物の先端部と
最後部を結ぶ実とそれに直交する軸とにより形成
される平面内に含まれる２本の加速度軸が用いら
れる。第３図を参照して説明した本発明の説明に
従うようにしてピツチとロールを計算するために
２本のレートジヤイロ軸（Ｘ軸とＹ軸）が用いら
れる。磁力計により得た進行方位を滑かにするた
めにＺ方向の第３の軸が用いられる。図示のＡ／
Ｄ変換器８９がアナログセンサ９１〜９６からの
出力をコンピユータ８８が利用できるデジタル形
式に変換し、それをコンピユータ８８へ与える。
第４図に示されている三軸磁力計９１の出力を水
平座標フレームに変換するために、第３図のドツ
プラ慣性ループにより得られたピツチとロールが
用いられる。実際の変換はこの分野において知ら
れているアルゴリズムに従つてドツプラ航行装置
コンピユータにおいて行うことができる。三軸磁
力計からの出力は機体成分中の地磁気の３つの成
分であるM_x、M_y、M_zを含む。それらの成分は、
航行中の乗物の磁針を決定できるように、本発明
を用いることにより、ピツチ角度とロール角度を
通じて水平成分と垂直成分に変換せねばならな
い。これは第４のコンピユータ８８の出力端子に
おけるデータ出力H_Mにより示されている。希望
のＸ、Ｙ、Ｚ成分で利用できる他のデータには速
度項V_x、V_y、V_zと３本の軸に沿う角速度項ω_x、
ω_y、ω_zが含まれる。第４図のコンピユータ８８
の出力端子の所にまた示されているように、ピツ
チ(P)とロール(R)に対するデータは航行コンピユー
タ９７が利用することもできる。それからその航
行コンピユータ９７はオートパイロツト９８のた
めの計算された全てのデータも利用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は進行方位誤差をデイツプ角度および垂
直誤差の関数として示すグラフ、第２図は水平
Ｘ、Ｙ、Ｚ座標系における地磁気成分を示すベク
トル図、第３図は本発明のドツプラ慣性ループの
ブロツク図、第４図は本発明を用いる航行装置を
基本的なブロツク図である。 １０……ドツプラ慣性ループ、１４，２２，２
８，７４……減算回路、２４，４２，７８……積
分器、３２，９０……ドツプラレーダ、４６，５
６……加算回路、５０……増幅器、６２……乗算
回路、８８……ドツプラ航行装置コンピユータ、
８９……Ａ／Ｄ変換器、９１……磁力計、９２，
９３……加速度計、９４，９５，９６……レート
センサ、９７……航行コンピユータ、９８……オ
ートパイロツト。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 所定の軸に沿う直線成分および重力成分を含
   む全加速度信号が接続される第１の入力端子を有
   する第１の減算手段と、 重力成分のみに関連する信号が接続される前記
   第１の減算手段の第２の入力端子と、 希望の直線加速度信号に対応する信号を発生す
   る前記第１の減算手段の出力端子と、 前記減算手段の前記出力端子に接続され、所定
   の軸に沿う慣性速度に対応する信号を発生する第
   １の積分手段と、 前記所定の軸に対する独立の速度信号を発生す
   るドツプラ手段と、 慣性速度とドツプラ速度信号がそれぞれ接続さ
   れる入力端子を有し、誤差信号を発生する第２の
   減算手段と、 誤差信号と慣性速度の和を地面に対する乗物の
   角速度に変換する手段と、 この変換手段に接続され、角速度から運行角度
   に対応する信号を発生する手段と、 この信号発生手段の出力端子に接続され、運行
   角度の正弦を示す信号を発生する手段と、 この正弦発生手段の出力端子に接続され、角度
   の正弦に、重力に対応する量を乗じて全加速度の
   重力成分を得る手段と、 この乗算手段の出力端子を前記第１の減算手段
   の前記第２の入力端子に接続し、前記第１の減算
   手段の出力端子に正確な直線加速度信号を発生す
   る手段と、 前記第１の減算手段の前記出力端子に接続され
   る第１の入力端子と、前記第１の積分手段の入力
   端子に接続される出力端子とを有する第３の減算
   手段と、 第２の減算手段の出力端子と第３の減算手段の
   第２の入力端子の間に接続され、第１の減算手段
   と第１の積分手段の間の帰還を減衰させる帰還手
   段とを備え、 前記誤差信号と慣性速度の和を地面に対する乗
   物の角速度に変換する手段は、 誤差信号と慣性速度の和を地球の半径の逆関数
   として換算して、地球の周囲の乗物の角速度を得
   る手段と、 この換算手段の出力端子に接続される第１の入
   力端子と、地球の角速度が与えられる第２の入力
   端子とを有し、地球の周囲を動く乗物の動的な効
   果と、地球の回転の効果との和に対応する信号を
   出力端子に発生する加算手段と、 この加算手段の出力端子に接続される第１の入
   力端子と、ループとは独立に得た角速度信号が接
   続される第２の入力端子と、地面に対する乗物の
   角速度に対応する変換された誤差信号を発生する
   出力端子とを有する第４の減算手段と、 を備えることを特徴とする乗物の運行角度を計算
   するためのドツプラ慣性ループ。 ２ 特許請求の範囲第１項記載のループであつ
   て、それぞれロール角度の信号とピツチ角度の信
   号を角速度から発生する手段は、第４の減算手段
   の出力を積分する手段を含むことを特徴とするド
   ツプラ慣性ループ。 ３ 特許請求の範囲第２項記載のループであつ
   て、第１の減算手段の入力端子に接続されて、コ
   ロオリ効果に対応する信号を差し引く手段を含む
   ことを特徴とするドツプラ慣性ループ。