JP2001264106A - 慣性航法装置、慣性航法装置の初期化方法及び記録媒体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ある程度の動揺環境においてもイニシャルアラ
イメントの高精度・高速化を図り、航空体の運用上の制
約を小さくする慣性航法装置、慣性航法装置の初期化方
法及び記録媒体を提供すること。 【解決手段】イニシャルアライメント処理のファインア
ライメントにおいてカルマンフィルタの処理を行なう処
理手段（１２）と、この処理手段（１２）による処理の
際、前記カルマンフィルタの収束状況を監視し、前記カ
ルマンフィルタの収束速度が過度であるか否かを判断す
る監視手段（１２）と、この監視手段（１２）にて前記
収束速度が過度であると判断された場合、前記カルマン
フィルタにて推定された方位誤差を基に前記カルマンフ
ィルタの更新処理をする更新手段（１２）と、を具備
し、前記処理手段（１２）は、前記更新手段（１２）に
よる更新の後、再度、前記カルマンフィルタの処理を行
なう。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、慣性航法装置、慣
性航法装置の初期化方法及び記録媒体に関する。

【０００２】

【従来の技術】航空機等の飛翔体、船舶、車両などを含
めた航行体の航行時の位置、速度、姿勢、方位を計測す
るものとして慣性航法装置（以下「ＩＮＳ」と称する）
が多く用いられており、特に航空機等の飛翔体では、移
動速度が高く、航行距離が他に比較して大きいことか
ら、ほぼ必須の装置として使用されている。

【０００３】しかるに、航空機で使用されるＩＮＳで
は、飛行前の静止状態において航法計算座標の初期化を
行ない、航法計算のための基準座標を決定することとな
っている。

【０００４】この基準座標は、真北基準、すなわちＩＮ
Ｓの基準軸の真北方位角：ψと、水平基準、すなわちＩ
ＮＳの基準軸のピッチ角：θ及び同ロール角：φとによ
って定義されるもので、これらψ，θ，φを求める航法
計算座標の初期値処理をイニシャルアライメントと称す
る。

【０００５】このイニシャルアライメントを終了する
と、決定した航法計算座標上で実際に航空機の運動、す
なわち加速度や角速度などを検知して航法計算を開始す
ることができるようになる。このイニシャルアライメン
トの処理中（通常３．５分以上）は、機体を動かすこと
ができないため、航空機の運用の大きな制約となってい
る。

【０００６】図３に現在広く採用されているイニシャル
アライメントの処理の流れを示す。イニシャルアライメ
ントは、コースアライメントとファインアライメントの
２つのフェーズに大別することができるもので、まずコ
ースアライメントにおいてジャイロやアクセロメータか
らなるセンサからのデータを累積して平均化し、大まか
な真北・水平基準（ψ0 ，θ0 ，φ0 ）を求める。

【０００７】次いで、ファインアライメントで、カルマ
ンフィルタなどのデジタルフィルタ手法により前のフェ
ーズのコースアライメントで得た真北・水平基準（ψ0
，θ0 ，φ0 ）の方位誤差（ψ′，θ′，φ′）を推
定し、その差を求めることで精度の高い真北・水平基準
（ψ，θ，φ）、すなわち航法計算座標を決定する。

【０００８】高精度の航法計算座標を短時間で決定する
ためには、ファインアライメントにおける上述したカル
マンフィルタなどの推定手法の最適化が重要となる。

【０００９】カルマンフィルタでは、一般に推定するパ
ラメータの大きさを事前に見積もって初期条件として与
え、効率的な推定計算を行なうもので、結果的にイニシ
ャルアライメント全体の処理を効率的に行ない、短時間
のうちにカルマンフィルタの出力を安定して収束させる
ためにも、カルマンフィルタの推定値、すなわちコース
アライメントでの誤差の見積もりが重要となる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
コースアライメントの計算方法では、機体が静止してい
る場合には精度の良い解が得られるものの、実際の場面
においては解の精度、特に方位基準の精度は大きく劣化
する。機体は風や機内を歩く人の影響によって絶えず動
揺しているが、従来の地球時点レートの検知量から方位
基準を求める方式では、必要な検知量がノイズに埋没し
てしまうためである。

【００１１】以上のことから、カルマンフィルタが推定
すべきパラメータの大きさの見積は非常に困難であっ
た。例えば、従来のコースアライメントの手法では、動
揺環境下においてファインアライメント開始時点での真
北基準の誤差（推定すべきパラメータ）が１８０度（最
大）であるか数秒であるかの推定が困難である。推定す
べきパラメータを大きく見積もり過ぎた場合には、フィ
ルタのゲインは過大となって収束曲線は大きくオーバー
シュートし、収束に長い時間を要する。一方、推定すべ
きパラメータを小さく見積もり過ぎた場合には、フィル
タのゲインは過小となって、この場合も収束に長い時間
を要する。

【００１２】すなわち、イニシャルアライメントを短時
間で精度良く行なうための最大の問題点は、ファインア
ライメント開始時点での方位基準誤差の推定の困難さで
あった。

【００１３】本発明の目的は、ある程度の動揺環境にお
いてもイニシャルアライメントの高精度・高速化を図
り、航空体の運用上の制約を小さくする慣性航法装置、
慣性航法装置の初期化方法及び記録媒体を提供すること
にある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決し目的を
達成するために、本発明の慣性航法装置、慣性航法装置
の初期化方法及び記録媒体は以下の如く構成されてい
る。

【００１５】（１）本発明の慣性航法装置は、航行の開
始に先立ってイニシャルアライメント処理を含む初期化
を行なう慣性航法装置であって、前記イニシャルアライ
メント処理のファインアライメントにおいてカルマンフ
ィルタの処理を行なう処理手段と、この処理手段による
処理の際、前記カルマンフィルタの出力の収束状況を監
視し、前記カルマンフィルタの収束速度が過度であるか
否かを判断する監視手段と、この監視手段にて前記収束
速度が過度であると判断された場合、前記カルマンフィ
ルタにて推定された方位誤差を基に前記カルマンフィル
タの更新処理をする更新手段と、を備え、前記処理手段
は、前記更新手段による更新の後、再度、前記カルマン
フィルタの処理を行なう。

【００１６】（２）本発明の慣性航法装置は上記（１）
に記載の装置であり、かつ前記監視手段は、前記カルマ
ンフィルタによって推定される方位誤差の所定期間当た
りの変化量を基に、前記収束速度が過度であるか否かを
判断する。

【００１７】（３）本発明の慣性航法装置は上記（１）
または（２）に記載の装置であり、かつ前記更新手段
は、一定時間毎に更新処理を行なう。

【００１８】（４）本発明の慣性航法装置の初期化方法
は、航行前に慣性航法装置でイニシャルアライメント処
理を行なう初期化方法であって、前記イニシャルアライ
メント処理のファインアライメントにおいてカルマンフ
ィルタの処理を行ない、この処理の際、前記カルマンフ
ィルタの出力の収束状況を監視し、前記カルマンフィル
タの収束速度が過度であるか否かを判断し、前記収束速
度が過度であると判断された場合、前記カルマンフィル
タにて推定された方位誤差を基に前記カルマンフィルタ
の更新処理を行ない、この更新の後、前記カルマンフィ
ルタの処理を行なう。

【００１９】（５）本発明の記録媒体は、航行の開始に
先立ってイニシャルアライメント処理を含む初期化を行
なう慣性航法装置で使用される記録媒体であって、前記
イニシャルアライメント処理のファインアライメントに
おいてカルマンフィルタの処理を行なう処理工程と、こ
の処理工程による処理の際、前記カルマンフィルタの出
力の収束状況を監視し、前記カルマンフィルタの収束速
度が過度であるか否かを判断する監視工程と、この監視
工程にて前記収束速度が過度であると判断された場合、
前記カルマンフィルタにて推定された方位誤差を基に前
記カルマンフィルタの更新処理をする更新工程と、この
更新工程による更新の後、前記処理工程にて前記カルマ
ンフィルタの処理を行なう工程と、をコンピュータに実
行させる命令を含む制御プログラムを格納し、コンピュ
ータが読取り可能である。

【００２０】上記手段を講じた結果、それぞれ以下のよ
うな作用を奏する。

【００２１】（１）本発明の慣性航法装置によれば、フ
ァインアライメントにおけるカルマンフィルタの収束状
況を監視し、適切な補償処理を施すことによって、ある
程度の動揺環境においてもイニシャルアライメントの高
精度・高速化を図り、航空体の運用上の制約を小さくす
ることができる。

【００２２】（２）本発明の慣性航法装置によれば、変
化量を段階的に設けることで、収束速度が過度であるか
否かの判断を段階的に行なうことができる。

【００２３】（３）本発明の慣性航法装置によれば、カ
ルマンフィルタの収束曲線のオーバーシュートを防ぎ、
収束までの時間を短縮し、更に残留誤差を小さくするこ
とができる。

【００２４】（４）本発明の慣性航法装置の初期化方法
によれば、ファインアライメントにおけるカルマンフィ
ルタの収束状況を監視し、適切な補償処理を施すことに
よって、ある程度の動揺環境においてもイニシャルアラ
イメントの高精度・高速化を図り、航空体の運用上の制
約を小さくすることができる。

【００２５】（５）本発明の記録媒体によれば、ファイ
ンアライメントにおけるカルマンフィルタの収束状況を
監視し、適切な補償処理を施すことによって、ある程度
の動揺環境においてもイニシャルアライメントの高精度
・高速化を図り、航空体の運用上の制約を小さくするこ
とができる。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下本発明を航空機用のＩＮＳに
適用した場合の実施の一形態について図面を参照して説
明する。

【００２７】図１は同実施の形態に係るＩＮＳ１０の回
路構成を示すものである。同図で、１１はジャイロセン
サ及びアクセロメータ（加速度計）からなるセンサとそ
れらセンサで得られるセンサデータの出力処理を行なう
センサ部であり、このセンサ部１１が出力するセンサデ
ータが計算処理部１２に送られる。

【００２８】計算処理部１２は、ＣＰＵとその制御プロ
グラムを記憶したＲＯＭ、ワークエリアとして用いられ
るＲＡＭ等、小型のコンピュータシステムにより構成さ
れ、Ｉ／Ｏ部１３を介して入力される制御指示にしたが
ってセンサ部１１からのセンサデータを用いたイニシャ
ルアライメントや航法計算等の計算処理を行なうもの
で、その計算結果はＩ／Ｏ部１３へ出力される。

【００２９】Ｉ／Ｏ部１３は、モード制御器１４、制御
指示器１５、及びこのＩＮＳ１０の外部の機器と接続さ
れ、計算処理部１２で取り扱われる各種データ、制御指
示等の入出力処理を行なう。

【００３０】モード制御器１４は、制御指示器１５と共
にこのＩＮＳ１０のオペレータの近傍に設置されるもの
で、電源オン／オフ、イニシャルアライメント（ＡＬＩ
ＧＮ）モード、航法計算（ＮＡＶ）モードなどのモード
の選択切換えを行なう。

【００３１】制御指示器１５は、数値入力や計算情報の
確認のための表示及びイニシャルアライメントモード時
に航法計算モードへの移行可能な状態の表示（Ｒｅａｄ
ｙＮａｖ．）等を行なう。

【００３２】しかして、これらモード制御器１４及び制
御指示器１５を除く上記センサ部１１、計算処理部１
２、及びＩ／Ｏ部１３とこれらの各回路に動作電力を供
給する電源１６とが慣性航法部１７としてユニット化さ
れ、航空機内の所定位置に搭載、設置される。

【００３３】なお、上記計算処理部１２が実行する計算
処理手順は、例えば予め図示しない記録媒体によりイン
ストールした制御プログラムにしたがってなされるもの
とする。

【００３４】次に、本実施の形態の動作について説明す
る。

【００３５】図２は、上記ＩＮＳ１０により静止状態の
航空機で実行される、ファインアライメントの処理手順
を示すフローチャートである。まず計算処理部１２は、
ステップＳ１で、カルマンフィルタの前段処理を行な
い、ステップＳ２で、暫定的な初期パラメータによって
カルマンフィルタの初期化処理を行なう。

【００３６】次に計算処理部１２は、ステップＳ３で、
カルマンフィルタによる処理を開始する。そして計算処
理部１２は、ステップＳ４で、カルマンフィルタによっ
て推定される方位誤差の１秒（時間を示す）間の変化量
を表わすΔΨ’が８分（角度を示す）以上になった場合
に、“カルマンフィルタの収束速度が速すぎる”と判断
し、カルマンフィルタを一定時間後に更新処理するため
のルーチンへ入る。収束速度が速すぎる場合、カルマン
フィルタの出力の収束曲線は大きくオーバーシュートす
ることになり、このオーバーシュートによって収束まで
の時間が長くなり、更に残留誤差が大きくなるという問
題が生じるからである。

【００３７】ここで、“収束速度が速すぎる”という判
断は、ΔΨ’の変化が２０分（角度を示す）以上の場合
と８分以上２０分未満の場合との二つの段階に分ける。
計算処理部１２は、ステップＳ４で、ΔΨ’の変化が８
分以上であり、かつステップＳ５で、ΔΨ’の変化が２
０分以上の場合、ステップＳ６で、自身の‘Ｆｌａｇ６
０’に「ＯＮ」が記憶されているか否かを判断する。

【００３８】計算処理部１２は、ステップＳ６で「Ｏ
Ｎ」が記憶されていない場合は、ステップＳ７で、‘Ｆ
ｌａｇ ６０’に「ＯＮ」を記憶するとともに、カルマ
ンフィルタの更新処理を行なうまでの一定時間である６
０秒を示す「６０」を変数ｔＵＤに記憶する。そして計
算処理部１２は、ステップＳ８で、時間経過を計数する
ための変数ｔＭＴに０秒（時間を示す）を示す「０」を
記憶する。

【００３９】計算処理部１２は、ステップＳ８の後、あ
るいはステップＳ６で‘Ｆｌａｇ６０’に「ＯＮ」が記
憶されている場合、ステップＳ９でカルマンフィルタの
処理が終了しない限り、ステップＳ１０で、時間経過を
計数するための変数ｔＭＴに、１秒（時間を示す）を示
す「１」を加算する。そして計算処理部１２は、ステッ
プＳ１１で、ｔＭＴ≧ｔＵＤになるまで、ステップＳ３
以降の処理を行なう。

【００４０】また計算処理部１２は、ステップＳ５で、
ΔΨ’の変化が２０分未満の場合、ステップＳ１３で、
‘Ｆｌａｇ ６０’に「ＯＮ」が記憶されておらず、ス
テップＳ１４で、‘Ｆｌａｇ ３０’に「ＯＮ」が記憶
されていない場合は、ステップＳ１５で、‘Ｆｌａｇ
３０’に「ＯＮ」を記憶するとともに、カルマンフィル
タの更新処理を行なうまでの一定時間である３０秒を示
す「３０」を変数ｔＵＤに記憶する。そして計算処理部
１２は、ステップＳ８以降の処理を行なう。

【００４１】また計算処理部１２は、ステップＳ１３
で、‘Ｆｌａｇ ６０’に「ＯＮ」が記憶されている
か、またはステップＳ１４で、‘Ｆｌａｇ ３０’に
「ＯＮ」が記憶されている場合は、ステップＳ９以降の
処理を行なう。

【００４２】そしてステップＳ１１で、ｔＭＴ≧ｔＵＤ
になった場合、計算処理部１２は、ステップＳ１２でカ
ルマンフィルタの更新処理を行ない、ステップＳ２以降
の処理を行なう。

【００４３】以上のように本実施の形態におけるファイ
ンアライメントの処理では、“収束速度が速すぎる”と
いう判断は、ΔΨ’の変化が２０分以上の場合と８分以
上２０分未満の場合との二つの段階に分けて行なわれ、
２０分以上の場合には６０秒（時間を示す）後に、８分
以上２０分未満の場合には３０秒（時間を示す）後に、
カルマンフィルタの更新処理を行なう。

【００４４】“収束速度が速すぎる”という判断がなさ
れた場合に一定時間をおいて更新処理を行なうのは、こ
の判断がなされた時点では、通常はまだ収束の初期であ
り、依然として大きな誤差が残っているからである。す
なわち、この時点ですぐに更新処理を行なってしまう
と、何度も“収束速度が速すぎる”状態が続き、安定し
た収束までに長い時間を要してしまうからである。

【００４５】更新処理では、更新時のカルマンフィルタ
による推定量で一旦姿勢・方位誤差の補正を行なう。そ
して、この補正後の姿勢・方位の誤差に対して、改めて
カルマンフィルタによる誤差推定を行なうために、カル
マンフィルタの初期化処理を実行する。

【００４６】なお本実施の形態では、収束速度が速すぎ
るという判断を、ΔΨ’の変化が２０分以上の場合と８
分以上２０分未満の場合との二つの段階に分けたが、こ
れらは実験等により得た経験的に適切と思われる変化量
である。よって、これら変化量は８分と２０分に限ら
ず、適切な値を採用できる。また、更新処理を行なうま
での一定時間も、同様に３０秒と６０秒に限らず、適切
な時間を採用できる、以上のように本実施の形態によれ
ば、暫定的な初期パラメータによってカルマンフィルタ
処理を実行した後、収束状況をモニタし、収束速度が速
すぎる（推定対象の物理量の誤差が大きい）場合には、
一旦カルマンフィルタ処理を中断させて途中までの推定
値を反映させ、再度カルマンフィルタ処理を開始する。
このカルマンフィルタの初期設定の方式により、ある程
度の動揺環境下においても短時間（３．５分未満）で安
定した収束をする精度の高いイニシャルアライメントを
実現できる。

【００４７】その他、本発明はその要旨を逸脱しない範
囲内で種々変形して実施することが可能であるものとす
る。

【００４８】

【発明の効果】本発明によれば、ある程度の動揺環境に
おいてもイニシャルアライメントの高精度・高速化を図
り、航空体の運用上の制約を小さくする慣性航法装置、
慣性航法装置の初期化方法及び記録媒体を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の一形態に係るＩＮＳの回路構成
を示すブロック図。

【図２】同実施の形態に係るＩＮＳの運用上でのファイ
ンアライメントの処理手順を示すフローチャート。

【図３】一般的なイニシャルアライメントの処理の流れ
を示す図。

【符号の説明】

１０…慣性航法装置（ＩＮＳ） １１…センサ部 １２…計算処理部 １３…Ｉ／Ｏ部 １４…モード制御器 １５…制御指示器 １６…電源 １７…慣性航法部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０１Ｃ 19/00 Ｇ０１Ｃ 19/00 Ｚ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】航行の開始に先立ってイニシャルアライメ
   ント処理を含む初期化を行なう慣性航法装置であって、 前記イニシャルアライメント処理のファインアライメン
   トにおいてカルマンフィルタの処理を行なう処理手段
   と、 この処理手段による処理の際、前記カルマンフィルタの
   収束状況を監視し、前記カルマンフィルタの収束速度が
   過度であるか否かを判断する監視手段と、 この監視手段にて前記収束速度が過度であると判断され
   た場合、前記カルマンフィルタにて推定された方位誤差
   を基に前記カルマンフィルタの更新処理をする更新手段
   と、を具備し、 前記処理手段は、前記更新手段による更新の後、再度、
   前記カルマンフィルタの処理を行なうことを特徴とする
   慣性航法装置。
2. 【請求項２】前記監視手段は、前記カルマンフィルタに
   よって推定される方位誤差の所定期間当たりの変化量を
   基に、前記収束速度が過度であるか否かを判断すること
   を特徴とする請求項１に記載の慣性航法装置。
3. 【請求項３】前記更新手段は、一定時間毎に更新処理を
   行なうことを特徴とする請求項１または２に記載の慣性
   航法装置。
4. 【請求項４】航行前に慣性航法装置でイニシャルアライ
   メント処理を行なう初期化方法であって、 前記イニシャルアライメント処理のファインアライメン
   トにおいてカルマンフィルタの処理を行ない、 この処理の際、前記カルマンフィルタの収束状況を監視
   し、前記カルマンフィルタの収束速度が過度であるか否
   かを判断し、 前記収束速度が過度であると判断された場合、前記カル
   マンフィルタにて推定された方位誤差を基に前記カルマ
   ンフィルタの更新処理を行ない、 この更新の後、前記カルマンフィルタの処理を行なうこ
   とを特徴とする慣性航法装置の初期化方法。
5. 【請求項５】航行の開始に先立ってイニシャルアライメ
   ント処理を含む初期化を行なう慣性航法装置で使用され
   る記録媒体であって、 前記イニシャルアライメント処理のファインアライメン
   トにおいてカルマンフィルタの処理を行なう処理工程
   と、 この処理工程による処理の際、前記カルマンフィルタの
   収束状況を監視し、前記カルマンフィルタの収束速度が
   過度であるか否かを判断する監視工程と、 この監視工程にて前記収束速度が過度であると判断され
   た場合、前記カルマンフィルタにて推定された方位誤差
   を基に前記カルマンフィルタの更新処理をする更新工程
   と、 この更新工程による更新の後、前記処理工程にて前記カ
   ルマンフィルタの処理を行なう工程と、 をコンピュータに実行させる命令を含む制御プログラム
   を格納したことを特徴とする、コンピュータが読取り可
   能な記録媒体。