JP2945756B2 - 直流位置測定装置 - Google Patents

直流位置測定装置

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JP2945756B2 JP2508467A JP50846790A JP2945756B2 JP 2945756 B2 JP2945756 B2 JP 2945756B2 JP 2508467 A JP2508467 A JP 2508467A JP 50846790 A JP50846790 A JP 50846790A JP 2945756 B2 JP2945756 B2 JP 2945756B2
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、直流信号を使って、送信アンテナに対する
受信アンテナの位置を測定する装置に関するものであ
る。特にといっても、占有的ではないが、本装置は６自
由度における位置、即ち、３つの座標方向への平行移動
（ローケション）及び３つの座標軸を中心とした回転運
動（オリエンテーション）を測定するものである。ロケ
ーションは、通常、互いに直角である３方向を示すＸ、
Ｙ及びＺ軸直線座標によって定義される。オリエンテー
ションは、通常、互いに直角である３方向に一致してい
る互いに直角である３つの軸のまわりのピッチ、ロール
及び方位角座標（azimuth angular coordinates）に通
常、定義される。
ここで用いる「位置」はロケーション及び／又はオリ
エンテーションロケーションを意味する。
位置（ロケーション及びオリエンテーション）を測定
する電磁カップリングの付いた送信及び受信部品を使う
という概念は、特に、受信機部品を射撃手のヘルメット
に設け、送信機部品を近くの非導電性構造に取り付ける
兵器照準システムに関して周知である。射撃手がヘルメ
ットに取り付けられた照準のための十字線によって標的
に照準した場合、ヘルメットい設けられた受信機は、送
信機が発生した信号を捕らえる。これらの信号は、その
後、ヘルメットのロケーション及びオリエンテーション
を決め、同時にヘルメントの取り付けらけた照準具と同
方向に兵器を向けるために、コンピュータによって処理
される。従来技術の交流（AC）磁界位置測定システム
は、本発明の発明者に周知であり最も関係のあるAC位置
測定システムを開示している下記の引例特許に代表され
る。
米国特許番号3,868,565（クイパース）、米国特許番
号4,054,881（ラーブ）、米国特許番号4,287,809（エグ
リ等）、米国特許番号4,314,251（ラーブ）及び米国特
許番号4,396,885（コンスタント）において、AC信号
は、章動する磁界を生じさせるために付与されるか、又
は時間区分又は周波数区分形式で、AC受信機が測定する
AC電磁界を発生させる二、三の直交するコイルから成る
送信機により計測される。AC受信機は、送信機と同様に
三、二の直交するコイルから成る。これらの検知された
信号は、その後、送信形式に適合すう方法で濾過及び増
幅され、デジタル形式に変換され、その後、コンピュー
タに読み込まれる。コンピュータにおいて、適合できる
電磁界方程式によって位置情報を求めるために様々な数
学的方法が頼りにされる。
上述したような送信されたAC信号を用いる電流システ
ムは、送信機又は受信機のいずれかの近くに導電物が設
けられていない時のみ正確に作動する。なぜならば、送
信されたAC信号はいかなるものも一定不要にこれらと導
電物に渦電流を誘導し、これによって導電物は送信磁
界、そして、もちろん最終的に出力されたロケーション
及びオリエンテーションデータを歪ませるAC電磁界を発
生させる。これらのロケーション及びオリエンテーショ
ン測定システムを使う必要のある戦闘機又はヘリコプタ
には、建造物に使用されるアルミニウム、チタニウム、
マグネシウム、ステンレススチール、及び銅のような多
くの導電性の高い物質が存在する。補償方法が米国特許
番号4,287,809及び4,394,831（エグリ等）に指揮されて
いる。4,287,809は、送信機に対して動かないコックピ
ット金属による磁界の歪みから結果として生じる誤差を
補償する方法を示唆している。ここに提案された補償方
法は、このような歪みの量を求めるために、コックピッ
トの隅から隅まで測定し、絹糸された信号を訂正するた
めに、このデータを使用することから成る。同様に、4,
394,831は、金属に誘導された渦電流が原因となる誤
差、つまりパイロットのヘルメットに設けられらディス
プレイ上で発見されるような誤差の補償達成方法を示唆
している。この補償方法は、必要な訂正を行うために、
このような歪みの初期の実験測定値を再び必要とする。
又、ヘルメット上の金属の量が単一のロケーションに集
中し、ヘルメントがコックピット内で大きな角度の好転
又は平行移動しない場合にのみ正確に適度な改良を提供
する。これらの型の補償方法はACシステムを正確に作動
させるために必要であるが、作動に時間がかかり高価で
あり、又、送信機、又は受信機装置の近くにあまり多く
の導電物質がない環境で役にたつにすぎない。例えば、
多くのヘリコプタでACシステムは全く利用できない。な
ぜならば、生じた歪みが単に大きすぎて、このようなマ
ッピングによってしか訂正できないからである。
従来技術の永久磁石位置測定システムは、本発明の発
明者に周知であり最も関係のあるDC磁界位置測定システ
ムを開示している下記の引例特許に代表される。
米国特許番号4,197,885（レーウィン）は、患者の歯
または顎に２つの永久磁石を取り付け、１列の磁束検出
機を患者の口の前に吊り下げることによって、患者の頭
に対する歯または顎のローケション及び姿勢を測定する
システムを開示している。4.197,885において、 （１）磁束発生機は、信号の強さの変化が位置およびオ
リエンテーションの変化として解釈できるように、不規
則な磁界を作るために使用される２つの永久磁石から構
成されている。
（２）磁束検出機は、患者の口の前に吊り下げられた３
枚の直航する平面のグリッド板上に配置された数十ダー
スの単軸より成る列状の検出機である。
（３）本装置は、わずかな変位（１インチ未満）及びわ
ずかな回転（２、３度）しか正確に測定できない。そし
て、 （４）基準フレーム、この場合、患者の頭は、測定中動
くことができない。なぜならば、磁束検出機は、歯／顎
の動きによる磁束変化と地磁界における検出機の回転に
よる磁束変化との区別ができないからである。
米国特許番号4,303,077（レーウィン）は、下記の改
良点を除いて、上述した米国特許番号4,197,885に開示
された装置と同じである。
（１）磁束検出機の数を数十ダースから６個へ減らし、
これらの検出機をキャリアに設けることによって、患者
の口に接近しやすくなった。
（２）磁束集信機を各々の検出機に組み込むことによっ
て、磁束検出機の感度が改良された。
（３）必要な場合、信号を多重送信することによってエ
レクトロニクスが減少された。
米国特許番号4,622,644（ハンセン）は、永久磁石の
ロケーション及びオリエンテーションを測定するシステ
ムを開示している。特許4,622,644において （１）磁束発生機は、そこからロケーション及びオリエ
ンテーションを測定できる対称的な磁界を作るために使
用される１個の永久磁石から構成されている。
（２）磁束検出機は、ロケーション及びオリエンテーシ
ョン測定が必要である空間に配置された列状の３、３軸
のアンテナである。
（３）磁束発生機が単一の対称的な磁界しか発生しない
場合、ロールが測定できないので、ロケーション及びオ
リエンテーション測定が５度の自由度に限られる。
（４）測定基準フレームは測定中、動くことができな
い。なぜならば磁束検出機は、永久磁石の動き／回転に
よる磁束変化と地磁界における基準フレームの回転によ
る磁束変化との区別ができないからである。
下記の点も注意すべきである。
「電磁誘導による浅く埋めた物体の深さの決定」とい
う題名の論文である。ヨガディシュ ダス（Yogadhish
Das）、ジョン イー．マックフィー（John E.McFe
e）、及びロバートエッチ．チェズニー（Robert H.Ches
ney）の著で、地球科学及び遠隔検知に関するアイイー
イーイー（IEEE）会報に承認された。1985年１月No.1ジ
ーイー（GE）−23巻。この論文は、３本の同軸コイル状
の電線から成る従来の金属検出機を記載した。このうち
１本のコイルは、埋め込まれた未発砲弾に渦電流を誘導
するパルス磁界を送信するためのものであり、あとの２
本は、結果として生じる渦電流の減衰を検知するための
ものである。探りコイル下の砲弾の埋め込み深さは、２
本の検出機コイルの誘導電圧比を深さの関数として測定
すること及び砲弾ケーシング内の金属の型によって決定
される。この論文は、磁界によって金属にパルスが発生
する時、渦電流は減衰すると立証した。
米国特許番号3,027,951（ナップ）は、直流磁界を使
用するが定量的にローケションを測定できない２次元的
な定性測定装置を開示しているが、オリエンテーション
の測定については全く述べていない。ナップは、相対位
置データを得るために、単一の直流発電機を使用してい
る。実際上は、このデータは、水面下の油井の開口部と
二次元的に穴あけ工具を配列する場合の助けとして使用
される。この装置は、１つの物体が別の物体の左または
右に位置し、お互い、いずれの方向にもそれほど離れて
いないことを大まかに示す比較的、無感度であるゼロ位
置探索装置であるにすぎない。ナップは、制限条件下に
おいて、複数の単一軸検出機間のゼロ軌跡を最終的に検
知し、それによって、発生した磁界の軸に沿って直角に
配列するための、位置の定性的な検知のみを提案してい
る。さらに、ナップは、１つの物体の別の物体に対する
空間における測定、即ちオリエンテーションの測定を提
示していない。
この本装置は、このような送信及び受信位置及びオリ
エンテーション装置に関する従来技術のすべてからかけ
離れた発明であり、全面的に、AC信号を頼りにすること
を避け、代わりにDC信号を頼りにしている。このような
DC信号への依存により、補償および推測的な較正作業
は、完全に不要となり、この型の装置の有用性は非常に
拡大された。
本発明の目的は、ACシステムのAC磁界により導電性物
質に誘導された渦電流に関連した上述のACシステムの障
害なしに、送信アンテナに対する受信アンテナの位置を
定量的に測定する装置を提供することである。
さらに詳細に言えば、本発明の目的は、AC磁界システ
ムに関連する上述した補償及び較正を不要とし、どの型
の反磁性または常磁性の金属材が現在使われているかに
関係なく実行できるような装置を提供することである。
さらに、本発明の目的は、DCパルス磁界を使って６自
由度の測定が可能である装置を提供することである。
さらに、本発明の目的は、地磁界の影響を補償するよ
うな装置を提供することである。
さらに、本発明の目的は、導電性物質が存在すること
から結果として生じる歪みが大きすぎてAC磁界システム
が使えないヘリコプタ及びその他の環境で使用できる装
置を提供することである。
本発明のもう一つの目的は、効果的な３次元「マウ
ス」を備えたコンピュータグラフィックスを提供するこ
とである。例えば、グラフィックスプロセッサーでは、
一方の手で「マウス」を制御して長さ及び幅の描図をコ
ンピュータのスクリーン上で行い、もう一方の手でノブ
を回しこのスクリーン上の画像に深さをつける必要がな
い。この装置では、一方の手で、画像の回転を含め画像
の描図に関してこのスクリーン上の３次元をすべて制御
できる。他方の手は空くので、記録、製図等の他の設計
業務を行うことができる。
本発明の装置は、DCパルス電流で駆動され、上述の作
動された送信機から発生し送信されたDC磁界を検知する
３軸又は２軸の受信機に連結される２軸または３軸の送
信機から成る。さらに、受けた信号を処理する方法と共
に実行することによって位置及びオリエンテーションデ
ータを作成するために、受信機を制御し、その出力をデ
ジタルコンピュータによる処理に適する形式に変換する
受信機信号処理エレクトロニクスが設けられている。
本発明によって、送信機アンテナに対する受信機アン
テナの位置を定量的に測定するための装置が設けられて
いる。この装置は、少なくとも２つのDC磁気ベクトルを
発生させるための少なくとも２本の平行でないアンテナ
から構成される送信機アンテナ、及び上記のDC磁気ベク
トルを発生させるため上記の平行でないアンテナにDCパ
ルスを継続的に供給するための駆動手段から成る。さら
に本装置は、上記のDC磁気ベクトルを検出するための少
なくとも２本の平行でないアンテナから構成される受信
機アンテナから成る。送信機アンテナの数に受信機アン
テナの数を掛けると、送信機アンテナに対する受信機ア
ンテナの定量的な位置測定の自由度の度数に少なくとも
等しくなる。さらに、本発明は、本装置の作動に対する
地磁界の影響を補償するための手段と、検出されたDC磁
気ベクトルの大きさを確認し、上記の受けたDC磁気ベク
トルから上記の相対位置を定量的に計算するための信号
処理手段とから成る。
本発明の信号処理手段は、送信アンテナに対して固定
されている金属の存在下、使用可能な上記DCパルスの供
給率を増加させるために、送信機アンテナに対する受信
機アンテナの既知のローケションで、DCパルスの波頭に
よって誘導された渦電流の減衰した後、DCパルスの間
に、検出されたDC磁気ベクトルを測定し、既知のローケ
ションで、DCパルスの上記目標供給率で、検知された磁
気ベクトルを測定し、該目標率で行われた測定において
渦電流により誘導された歪みを計算し、この計算された
歪みの情報を記憶させ、この歪みの情報を使って渦電流
により流動される歪みがない姿勢データを計算するため
に、検知されたDC磁気ベクトルの測定を訂正する。
以下、本発明を例えば添付の図面によって説明する。
図面において、 第１図は、開示された本発明の構成図である。
第２図は、送信機の駆動エレクトロニクスの構成図で
ある。このエレクトロニクスは、開示された本発明の主
要な部分を構成する。
第３図は、この本発明の送信機部品の構造を示す。
第４図は、開示された本発明の主要な部分を構成する
受信機信号処理エレクトロニクスの構成図である。
第５図は、開示された本発明の使用中、発生する送信
及び受信信号の関係を示すタイミング図である。
第６図は、本装置のコンピュータ部品によって行われ
る一連の電算及び制御作業の図である。
第７図は、周期的な雑音の周期の半分に等しい時間に
よって分割された測定を連続して行うことにより雑音を
減少させる手順を示す。測定は、雑音へのゼロ交差に必
ずしも同期していない。
第８図は、受信機測定に悪影響を与える低周波の周期
的な雑音へのゼロ交差を決定する多くのソフトフェア方
法を示す。
第９図は、周期的な雑音の周期に等しい時間によって
分割された測定の連続して行うことにより雑音を減少さ
せる手順を示す。測定は、雑音へのゼロ交差に必ずしも
同期していない。
第10図は、本発明の送信機アンテナの同時に起こる２
軸励磁の間に発生する送信及び受信信号の関係を示すタ
イミング図である。
第11図は、近くに金属が存在する場合、送信機が発生
するDC磁気パルスの立上り及び立下り区画の磁束変化に
よってもたらされた渦電流の、受信パルスに対する影響
を示す。
第12図は、受信信号の指数適合によって渦電流の誤差
を減少させる方法を示す。
第13図は、渦電流による誤差を減少させる速い／遅い
測定方法を示す。
第14/1及び14/2図は、共に、地磁界が受信機に関して
急速に変化している場合、補間方法を用いて、受信機デ
ータを訂正する方法を示す。
第１図は、開示された本発明の主要な要素を表してい
る。送信機２の２又は３軸にそれぞれ、１度に１軸、制
御された量のDC電流を供給するための送信機駆動回路１
から成る磁気位置（ロケーション及びオリエンテーショ
ン）測定システムである。駆動装置１によって送信機軸
へ供給されるDC電流の量は、コンピュータ５によって制
御される。送信機２は、通常、航空機またはヘリコプタ
のコックピット構造に取り付けられ、軍事に適用される
場合は、パイロットの頭から２、３フィートの距離内に
設けられる。又、コンピュータグラフィックスに適用さ
れる場合は、送信機２は、コンピュータグラフィックス
の使用者が作業するテーブルの上または下に設けられ
る。送信機２は、受信機３によって捕らえられる多数の
DC磁界を発生する同軸に配列された２又は３本の個々の
アンテナから成る。受信機が取り付けられている物体の
位置及びオリエンテーションを最終的に測定できるよう
に、受信機３は、送信機２によって発生される磁界だけ
でなく、地磁界も測定する。軍事に適用する場合、この
物体は通常、パイロットのヘルメットである。コンピュ
ータグラフィックスに適用する場合、受信機３は通常、
手で持つ。受信機３は、DC磁界を検知する検出回路を備
える３軸または２軸から成る。受信機３からのDC信号出
力は、信号処理エレクトロニクス４へ伝達される。信号
処理エレクトロニクス４は、条件を制御し、アナログ受
信機信号９コンピュータ５が読み取れるデジタル形式に
変換する。コンピュータ５は、下記に第６図で詳述する
ようなアルゴリズムによって、受信機３の送信機２に対
する位置及びオリエンテーションを計算する。コンピュ
ータ５は、それから、この情報を航空機の兵器制御コン
ピュータに出力する。又、コンピュータグラフィックス
に適用する場合は、グラフィック画像制御装置に出旅す
る。
第２図は、送信機駆動エレクトロニクス１を詳細に表
す。送信機駆動エレクトロニクス１の目的は、DC電流パ
ルスを１度に１本の送信機２のアンテナに各々、供給す
ることである。所定の送信機２のアンテナに電流が供給
されている間、受信機３のアンテナからデータを読み取
る。３本のアンテナ（Ｘ、Ｙ、及びＺ軸アンテナ）から
構成されている送信機２及び同じく３本のアンテナ
（Ｘ、Ｙ、及びＺ軸アンテナ）から構成されている受信
機３に関しては、送信信号の度数は９度であろう。送信
機２は、最初は停止されており、受信機３は地磁界の
Ｘ、Ｙ、及びＺ成分を測定する。送信機DC駆動エレクト
ロニクスの作動に関しては、コンピュータ５は、デジタ
ル−アナログ（D/A）変換器７に、選択された送信アン
テナに送られる電流パルスの振幅を表すデジタル数字を
送る。このD/A変換器７は、この振幅のデジタル表示を
アナログ制御電圧に変換する。この制御電圧は、マルチ
プレクサ（MUX）８に伝えられる。MUXは、Ｘ、Ｙ、又は
Ｚ送信機軸上に伝達する必要がある場合、コンピュータ
５に指示された通り、電流源９、10、又は11のいずれか
への制御電圧を接続又は転換する。電流源９、10及び11
は全く同じものである。これらの目的は、DC電流を１度
に１本の送信機２のアンテナへ供給することである。こ
のように供給された電流の振幅は、D/A7によって発生さ
れた入力制御電圧に比例する。上記のDC電流源の構造の
詳細は、当業者に周知であるので、ここでは記述しな
い。代わりの設備としては、１つの電流源を備え、電流
源とアンテナとの間にマルチプレクサを備える送信機駆
動装置を設けてもよい。
第３図に示すように、送信機２は、巻心（コア）より
成り、この回りにＸ、Ｙ、及び／又はＺアンテナが巻か
れる。この巻心は空気で構成することもできるが、通
常、磁束をアンテナの周りの任意のロケーションに集中
させる電磁的な透磁性を持つフェライトから構成され
る。フェライトは、高価な材料で、非常にこわれやすく
形成しにくいが、AC信号形式を使うシステムの巻心に使
わなければならない。なぜならば、その渦電流の損失率
は非常に低いからである。ここで開示されている送信機
２に関しては、定常状態の信号においてAC信号成分がな
いので、巻心を安価な鉄またはスチールで構成できる、
そして従来、構成されてきた。この巻心によって、より
高価なフェライトと同じように磁束集中が達成される。
送信機２のアンテナ巻線は、複数の巻数の標準的な磁気
ワイヤから成る。ワイヤのサイズ、巻数、及びアンテナ
巻線の密閉面積は、アンテナを設計する当業者に周知の
方法で決定される。送信機２は、約1/R3（Ｒは期間内の
あらゆる瞬間における送信機２と受信機３との距離に等
しい）の近接磁界信号の強度変化を発生する。
受信機３は、検出回路の設けられた、お互いにほぼ直
交する３又は２本のアンテナから成る。各々のアンテナ
は、DC磁界を測定できる。DC受信機３として使用できる
多くのテクノロジーがある。受信機３の代表的な実施例
は、米国特許番号3,800,213（ローデン）に詳述された
３軸の環状体の磁束磁気計であろう。他の代表的な実施
例は、受信機３にも使うことのできるその他のDC磁界検
知テクノロジーであろう。これは、米国特許番号3,942,
258（スタッキ等）に詳述される薄いフィルム状の磁気
計、又は磁気学に関するIEEE会誌、1983年９月、No.5、
エムエージー（MAG）−19巻におけるケー．モーリ等
（K.Mohri et al.）著の「２つの非晶質の巻心マルチバ
イブレータブリッジを使用した磁気計」に詳述された磁
気歪みがゼロの非晶質のリボン状磁気計、又は応用物理
学会誌1982年11月53（11）におけるピー．ダニイル（P.
Daniil）及びイー．コーヘン（E.Cohen）著の「低磁界
ホール効果磁気測定」に詳述されているホール効果ベー
スのDCセンサ、又はエレクトロニクスレターズ（Electr
onic Letters）（1987年７月）No.14、20巻におけるエ
ー．ディー．カーシー等（A.D.Kersey,et al.）著の
「位相ずれのないDC磁界の繊維光学磁気計」に詳述され
た繊維光学の磁気計、又は物理学会誌、E:科学計器（19
81年）14巻におけるエス．ミドルヘク（S.Middlehoek）
及びデイー．ジェイ．ダブリュ．ノーラグ（D.J.W.Noor
lag）著の「シリコンマイクロトランスデューサ」に記
述された半導体ベースの磁界センサ及びトランジスタ、
又は物理学会誌、E:科学計器（1986年７月）、No.7、19
巻におけるダブリュ．クィアトクシ（W.Kwiatowksi）及
びエス．ツマンスキ（S.Tumaski）著の「パーマロイの
磁気抵抗力のあるセンサ−属性及び適用」に記載された
パーマロイベースの磁気抵抗力のあるセンサ、又はアー
ル．ピットマン（R.Pittmann）の特許である「圧電水晶
を使用して磁界の強さ及び方向を測定するための装置」
（米国特許番号3,564,402）に記載されている圧電水晶
受信機を含む。公開されている文献に詳述されたDCセン
サの変形体は多く、当業者に周知である方法も他に多く
ある。地磁界の最上部に伝えられ重ねられた磁界を測定
しようとする方法に関し、米国特許番号2,485,847に示
唆された設備によると、地磁界を、ちょうど受信機３の
アンテナのところで相殺できるので、送信磁界と地磁界
との偏差をより感度よく測定できる。受信機３からの出
力は、信号処理エレクトロニクス４に伝達される。上記
のテクノロジーは周知であるので、ここでは受信機３の
図面を提出しない。
第４図に詳細に示すように、マルチプレクサ（MUX）1
2を含む信号処理エレクトロニクス４は、コンピュータ
５からの指令に従って、Ｘ、Ｙ、又はＺの検知された望
ましいアンテナ信号を１度に１つ、差動増幅器（DIFF）
13に送信する。差動増幅器13は、このアンテナ信号か
ら、あらかじめ測定された地磁界の成分を減じ、送信磁
界が原因で受信された受信信号のその部分のみを出力す
る。前の地磁界成分測定サイクルの間に、この地磁界の
成分は、あらかじめコンピュータ５に記載され、デジタ
ル−アナログ変換器（D/A）14を経て差動増幅器13へ送
られた。差動増幅器13からの出力は、雑音を除去するた
め、フィルタ15によって濾過され、増幅器16によって増
幅される。受信機３の信号がアナログ−デジタル変換器
（A/D）17の制限を越えないように、コンピュータ５は
増幅器16の利得を可能な最高値に設定する。それから、
アナログ−デジタル変換器（A/D）17は、受けたDC信号
をコンピュータ５が読めるデジタル形式に変換する。
第５図は、送信機駆動装置１によって送信機２に供給
される電流パルスと受信機３が受ける信号とのタイミン
グの関係を示す。図示されているように、送信及び受信
シーケンスは、送信機２のアンテナ３本がすべて停止し
ている状態で、時間T0から始まる。時間T0からT1の間
は、地磁界のＸ、Ｙ、及びＺ成分が受信機３によって測
定され、コンピュータ５に読み込まれる。コンピュータ
５は、これらの地磁界値を信号処理エレクトロニクス４
に出力し、エレクトロニクス４いのいて地磁界値は、送
信機２のＸ、Ｙ、及びＺアンテナが作動された時発生し
た９つの測定値から減算される。T1で電流パルスは、送
信機２のＸアンテナにのみ供給される。渦電流が消滅す
るのに充分な時間が経過すると、渦電流による歪みのな
い送信機２のＸアンテナの周りに、DC磁界が生じる。第
５図に示すように、受信機３のＸ、Ｙ、及びＺアンテナ
は、この送られた磁界及び値磁界のＸ、Ｙ、及びＺ成分
を、T1からT2の時間で測定する。測定された信号の振幅
は、受信機３のアンテナの送信機２のＸアンテナに対す
るロケーション及びオリエンテーション、及び受信機３
の地表面上のロケーション及びオリエンテーションの関
数となる。T1からT2の時間で、地磁界は、受信機３の
Ｘ、Ｙ、及びＺ信号から減算され、結果として生じたア
ナログ信号は、調整され、受信機信号処理エレクトロニ
クス４によってデジタル形式に変換され、コンピュータ
５に読み込まれる。その後、送信機２のＸアンテナが停
止される。T2で、電流パルスが送信機２のＹアンテナに
付与され、T2からT3の時間で、再び受信機３のＸ、Ｙ、
及びＺアンテナの値がコンピュータ５に読み込まれる。
時間T3から同じ処置が送信機２のＺアンテナに繰り返さ
れる。この時間の終わりになると、受信機の12個の値が
コンピュータ５に読み込まれる。即ち、３つの地磁界成
分と、３本の送信機アンテナ各々についての３つの受信
機の値である。送信機のＸ、Ｙ、及びＺアンテナを作動
させるシーケンス全体が上述のように繰り返され、測定
が必要な間は継続される。
第６図は、ハードウェア要素７、８、12、14、及び16
を制御し、受けたデータをロケーション及びオリエンテ
ーション出力に変換する際、コンピュータ５が行う電算
及び制御作業シーケンスの概要を示す。
このシステムによって測定される12個のデータ項目
は、下記のマトリックスによって表すことができる。
上記のマトリックスにおいて、各行の要素は、受信機
３のＸ、Ｙ、及びＺ軸によって測定された値を表し、列
の要素は各々、所定の送信機２の軸の条件の下、測定さ
れた受信機データを表す。即ち、最初の列の要素は、送
信機２の３つの軸が停止された時に測定した地磁界の成
分を表すのに対し、残りの３列は、送信機２のＸ、Ｙ、
及びＺ軸が１度に１軸ずつ作動した時、受信機が測定し
たデータから地磁界を減算した値を表す。例えば、Ｍ
（2,2）は、送信機のＸ軸が作動した時、測定された受
信機のＹ軸の値から、地磁界のＹ成分［Ｅ（2,1）］を
減算した値を表す。
最後の３つの列の要素は、地磁界が存在しない場合、
送信機２から測定する信号を表しているので、送信機に
対する受信機３のロケーション及びオリエンテーション
は、当業者に周知の多くのアルゴリズムのうちどれでも
１つを使用すれことによって、これらの９つの要素から
求められる。例えば、米国特許番号4,287,809又は米国
特許番号4,314,251に詳述されているアルゴリズムは、
望ましいロケーション及びオリエンテーションの情報を
作る。下記に述べるアルゴリズムは、計器及び測定に関
するIEEE会誌1980年12月、No.4、アイエム（IM）−29巻
におけるジャック ビー．キパース（Jack B.Kuipers）
著の「エスピーエーエスワイエヌ（SPASYN）−電磁的な
相対位置及びオリエンテーションのトラッキングシステ
ム」に詳述されているアルゴリズムに従う。表記は、補
足説明をしている場合以外、キパースに従う。
最初に下記の式でＸ、Ｙ、及びＺ位置を計算する。
Ｕ＝StS 航空宇宙学及び電子工学システムに関するIEEE会誌の
1979年９月、No.5エイイーエス（AES）−15巻における
エフ．エイチ．ラーブ（F.H.Raab）、イー．ビー．ブラ
ッド（E.B.Blood）、ティ．オー．スタイナ（T.O.Stein
er）、及びエイチ．アール．ジョーンズ（H.R.Jones）
著の「磁気の位置及びオリエンテーションのトラッキン
グシステム」に詳述されているように、上式においてＳ
は、地磁界を減算し、送信機及び受信機の欠点を訂正し
た受信機信号の３×３マトリックスを表す。StはＳの転
置マトリックスである。Ｕは対称マトリックスであり、
トラッキング角度（キパース表記）のみの関数である。
もし、Ｕを下記のように表すと、 トラッキング角度アルファ（ａ）及びベース（ｂ）に関
して、Ｕマトリックスの要素は下記の通りになる。
U11＝３＊COS2（ａ）＊COS2（ｂ）＋１ U21＝U12＝３＊SIN（ａ）＊COS（ａ）＊COS2（ｂ） U31＝U13＝−３＊COS（ａ）＊SIN（ａ）＊COS（ｂ） U22＝３＊SIN2（ａ）＊COS2（ｂ）＋１ U32＝U23＝−３＊SIN（ａ）＊SIN（ｂ）＊COS（ｂ） U33＝２＊SIN2（ｂ）−COS2（ｂ）＋１ 又、デカルト座標Ｘ、Ｙ、Ｚに関して、 X/R＝COS（ａ）＊COS（ｂ） Y/R＝SIN（ａ）＊COS（ｂ） Z/R＝−SIN（ｂ） 上式においてＲは、送信機から受信機の範囲（レン
ジ）である。
代入することにより、下記が得られる。
上式からX/R、Y/R、Z/Rが求められる。
Ｓの全ベクトルは、比例因数が送信された信号の強さ
及び受信機の感度及び利得の関数であるところの1/R3に
比例することを知って、ＲがＳから計算できる。Ｒがわ
かるのでＸ、Ｙ、Ｚ受信機ロケーションを解くことがで
きる。
受信機の姿勢のマトリックス（Ａ）は下記から解くこ
とができる。
Ａ＝（Ｕ−２＊１）-1＊Ｓ 上式においてはＩは、単位マトリックスを表す。
Ａが正規化されていると、その要素は、下記のような
標準方向コサイン回転マトリックスを表す。
低周波の雑音の除去 地磁界及び送信されたDC信号を測定するDCシステムに
関して、その電子回路内の信号フィルタは、ゼロヘルツ
から、測定サイクル率の約５倍の範囲までの帯域幅を持
っていなければならない。この場合、測定の１サイクル
は、地磁界を読むために送信機が停止し、その後Ｘ、
Ｙ、Ｚ軸の送信された信号から結果として生じる信号を
読むために送信機が作動する時間の合計である。従っ
て、もしこのシステムが１秒に５回の測定をするように
デザインされていれば、フィルタの帯幅域は０から25Hz
の範囲に及ぶ必要がある。従って、１秒に100回の測定
をするためには、帯幅域は０から約500Hzの範囲に及ぶ
必要がある。
あらゆる型の受信機に関して、もし周波数が使用した
帯幅域以内で、かつ振幅が測定しきい値以上である別の
信号が大気中にあれば、受信機は、目標信号に加えて、
この信号を測定するので干渉を起こす。この干渉は、雑
音を伴い不正確な位置及びオリエンテーションの測定と
して現れる。DCシステムが解決しなければならない主要
な干渉信号は、近接する電子装置からの電力線及び電力
変圧器から出たものである。この干渉は、例えば米国、
ヨーロッパ又は軍事用車両で使われる電力線の50Hz、60
Hz、400Hzの周波数の形をとる。
この干渉問題を解決するために従来の手法は、受信機
エレクトロニクスにノッチ又は低域フィルタを加えるこ
とである。これは、不要な信号を取り除くための最も簡
単で有効な手法である。しかしながら、この低域フィル
タは、干渉信号が目標信号を通過させるために必要な帯
域幅の範囲外である場合に使うことができるだけであ
る。又、ノッチは、複雑な回路形状及び／又は受信機通
信路を選択する時間と比較して長い整定時間を必要とす
る。従って、パルスDCシステムに関していえば、干渉し
ている60Hzの電力線信号を10の因子によって低減するた
めには、測定率の上限値は１秒に約10回の測定であるこ
とを意味する。400Hzの電力線信号を低減するための測
定率の上限値は、１秒に約66回の測定である。
より速く測定をするためには、電子フィルタ以外の手
法を使わなければならない。現在のパルスDCシステムに
使われている手法は、干渉信号が正弦波を描き、周知の
周波数を持つという事実を利用している。もし正弦波が
目標信号（ｓ）の最上部にのっている雑音（Ｎ）である
とみなされる。測定が正弦波の周波数の２倍で行われる
場合、最初の測定は、Ｓ＋Ｎから成り、２回目の測定
は、Ｓ−Ｎから成る。従って、この２回の測定値を合計
すれば、雑音は消滅し、目標信号が残る。第７図は、干
渉する60Hzの雑音源に対するこの方法の論理シーケンス
を示す。これは、電力線の周波数の２倍の奇数倍数で、
繰り返される限り、パルスDCシステムのサイクル時間が
いくつかの計数値（ディスクリート値）のいずれかに調
節できることを意味する。即ち、60Hzの雑音を除去する
ための秒単位の周期時間は、1/（１＊.00833）、1/（３
＊.00833）、1/（５＊.00833）等、そしてこれに相当す
る測定率は、１秒に120回、40回、24回等であることが
可能である。50Hzの除去のために実行できるサイクル時
間のいくつかは、1/（１＊.01）、1/（３＊.01）、1/
（５＊.01）であり、これに相当する測定率は、１秒に1
00回、33回、及び20回である。400Hzの除去のために実
行できるサイクル時間のいくつかは、1/（７＊.0012
5）、1/（９＊.00125）、1/（11＊.00125）であり、こ
れに相当する測定率は、１秒に114回、89回、及び73回
である。電力線周波数がより高い場合、400Hzを除去す
るために、サンプル間に.00125秒あけて複数回のサンプ
リングも実行できる。例えば、Ｘ送信機軸を作動した場
合、Ｘ、Ｙ及びＺ受信機軸を読み、開始から.00125秒経
過するのを待ってＸ、Ｙ、及びＺサンプリングを行い、
もう１セットのＸ、Ｙ、Ｚ受信機の読み取りを行い、40
0Hzを除去するために、この２つのセットを合計する。
もしAC雑音源がDC信号の最上部に位置する場合、ACゼ
ロ交差は雑音干渉が最小であるので、このAC雑音のゼロ
交差で、又はその近くでDC測定を行うほうがよいという
胃実を利用することによって、低周波のAC雑音をさらに
低減することができる。さらに、もし連続するサイクル
の読み取りが上述するようにAC雑音の奇数箇所のゼロ交
差で行われる場合、これらの連続するサイクルを合計す
ると、さらに雑音は低減される。ゼロ交差は、ハードウ
ェア又はソフトウェアの手段によって決定できる。多く
の方法が文献に示唆されている。例えば、ハードウェア
においては、Ｘ受信機軸をAC結合し、送信機が停止して
いる時、交差検知機を使ってこの軸を監視することがで
きる。ソフトウェアによる検知は、振幅及び位相、従っ
て雑音のゼロ交差のタイミングを決定するための正弦曲
線に曲線をあてはめを行った多重の信号サンプルを使っ
て実行できる。第８図は、周期的な雑音のゼロ交差を決
定するソフトウェア方法の論理シーケンスを示す。
正弦波雑音（Ｎ）から受信機信号の測定値（Ｓ）を求
めるために使うことができる別の手法は、雑音の周波数
に等しい率で順番に励磁されている時に、各々の送信機
軸（停止、Ｘ、Ｙ、Ｚ）に対する受信機軸の測定を行う
ことである。この場合、雑音は、地ベクトル（Ｅ）の一
部であるかのように処理され、正規の信号処理の一部と
して信号から減算される。例えば、400Hzの正弦を描く
雑音源に関して、送信機を最初に停止させ、地ベクトル
を測定する場合、本システムはＥ＋Ｍを測定する。送信
機が停止された周期の最初から.0025秒（400Hzの周期）
後、Ｘ送信機軸を作動させると、受信機はＳ＋Ｎ＋Ｅを
測定する。従って現在Ｅ＋Ｎから成る地ベクトルを送信
信号から減算すると、目標信号だけが残る。Ｓ＝（Ｓ＋
Ｎ＋Ｅ）−（Ｎ＋Ｅ）。第９図は、この方法の論理シー
ケンスを示す。
最上部にAC干渉信号がのっているDC信号を求めるため
の別の手法は、ソフトウェア又はハードウェア手段を使
って信号を積分し、干渉信号の１以上の整数の周期を求
めるという原則を使う。この積分の結果、望ましいDCレ
ベルが求められる。ソフトウェア及びハードウェアの積
分方法は、当業者に周知である。
DCシステムは、電力線からの信号のような低周波信号
から干渉を受けやすいので、設計者は、送信信号を雑音
比にまで最大化しようとしなければならない。このため
の方法は、もちろん、送信機アンテナが１度に１本作動
する際、その送信機アンテナに流れる電流の量を単に増
加させることである。所定のコイル内に流すことのでき
る電流の量は、コイルワイヤのサイズ及び送信機がより
高い電流レベルに整定するために必要な時間の増加量に
よって制限される。
ワイヤのサイズ、又は所定の送信機軸内の電流レベル
を増加させる要求を低減し、雑音に対する増加信号を得
るための新しい有用な方法は、同時に２本の送信機アン
テナに電流を供給することである。各アンテナの所定の
電流レベルについて、２本のアンテナによる手法は、結
果として１本のアンテナによる手法よりも40％多い出力
信号となる。
さらに、１本のアンテナを使うことに比べ、１度に２
本のアンテナを使うことは、受信機での所定の信号の強
度に対して、各送信機アンテナにおいて必要とする電流
が30％少ないという利点がある。このように低減された
電流レベルは、所定の送信機アンテナを作動させ、必要
な電流レベルに安定させるための時間が約30％低減され
たことを意味する。さらに、電流の励振器に使用されて
いる商品の定格電流も低減でき、部品の費用及び部品に
よる放熱の削減ができることも意味する。
６自由度の解決を得るためには、少なくとも６回測定
する必要があるので、Ｘ、Ｙ、Ｚ送信機アンテナの２又
は３個の組み合せで１度に２本のアンテナを作動させな
ければならない。例えば、受信機で３つの送信ベクトル
を発生させる場合、Ｘ及びＹアンテナを同時に作動さ
せ、次にＹ及びＺアンテナを同時に作動させ、そして次
にＺ及びＸアンテナを同時に作動させる。
１度に１本の代わりに２本の送信機軸を作動させるた
めに必要な転換を行う場合にのみ、ハードウェアの必要
条件が変わる。
１度に２軸が作動する場合の位置及びオリエンテーシ
ョンを求めるためには新しいアルゴリズムが必要であ
る。このようなアルゴリズムは、当業者がすぐに推論で
きるので、ここでは詳述しない。
第10図は、送信機駆動装置１から送信機２に供給され
る電流パルスと受信機３が受けた信号とのタイミングの
関係を示す。第10図に示すように、３本の送信機アンテ
ナすべてが停止した状態で、送信及び受信シーケンスが
時間T0で始まる。時間T0からT1の間に地磁界のＸ、Ｙ、
及びＺ成分は、受信機３によって測定されコンピュータ
５に読み込まれる。コンピュータ５は、これらの地磁界
の値を信号処理エレクトロニクス４へ出力する。エレク
トロニクス４において、地磁界の値は、送信機のＸ、
Ｙ、及びＺアンテナが作動する時発生する９つの測定値
から減算される。時間T1から始まって時間T0まで継続し
て、送信機軸は、繰り返されないシーケンスにおいて１
度に２軸、作動する。下記に可能なシーケンスを述べ
る。時間T1で電流パルスがＸ及びＹ送信機アンテナの両
方に供給される。渦電流が消滅するまで充分に時間が経
過した後、これらの渦電流が原因である歪みのない送信
機のＸ及びＹ軸の周りに、DC磁界が生じる。第10図に示
すように、受信機のＸ、Ｙ、及びＺアンテナは、この送
信磁界及び地磁界のＸ、Ｙ、及びＺ成分を、T1からT2の
時間で測定する。測定信号の振幅は、受信機のアンテナ
の送信機のＸ及びＹアンテナに対する位置及びオリエン
テーション、及び受信機の地表面上のロケーション及び
オリエンテーションの関数となる。T1からT2の時間で、
地磁界は、受信機のＸ、Ｙ、及びＺ信号から減算され、
結果として生じたアナログ信号は、調整され、受信機信
号処理エレクトロニクス４によってデジタル形式に変換
され、コンピュータ５に読み込まれる。その後、Ｘ送信
機アンテナが停止され、Ｙ送信機は作動状態のままであ
る。T2で、電流パルスが送信機のＺアンテナに付与さ
れ、その結果送信機Ｙ及びＺアンテナの周りに磁界が生
じる。T2からT3の時間で、再び受信機のＸ、Ｙ、及びＺ
アンテナの値がコンピュータ５に読み込まれる。時間T3
から送信機Ｙアンテナが停止し、Ｘアンテナが作動し、
その結果送信機のＺ及びＸアンテナの周りに磁界が生じ
る。そして再び受信機のＸ、Ｙ、及びＺアンテナの値が
コンピュータに読み込まれる。この時間の終わりになる
と、受信機の12個の値がコンピュータに読み込まれる。
即ち、３つの地磁界成分と、２本の送信機アンテナの３
つの組み合せの各々についての３つの受信機の値であ
る。送信機Ｘ、Ｙ及びＹ、Ｚ及びＺ、Ｘアンテナを作動
させるシーケンス全体が上述のように繰り返され、測定
が必要な間は継続する。
金属が存在する場合の測定率の増加 DC電流パルスを送信機アンテナに付与する時、結果と
して生じる磁界パルスの立上り及び立下りによって、近
接する金属内に渦電流が誘導される。立上りと立下りと
の間では、磁束が変化していないので、追加の渦電流が
発生しない。このことを例証するため、第11図は理想化
した波形をいくつか示している。最初の波形は、送信機
が作動及び停止した場合の時間の関数としての結果とし
て生じる磁束パルスである。２番目の波形は、送信機に
パルスが発生し、近くに金属がない場合、受信機軸の１
つに誘導される電圧の理想的な表示波形である。３番目
の波形は、近くに金属がある場合の受信機出力を示す。
この場合、受信機は、送信磁束及び渦電流から結果とし
て生じる磁束の両方を測定している。波形が示すよう
に、最初に渦電流が突然起こった後、受信信号には渦電
流がない。最後の波形は、受信信号の渦電流の部分のみ
示している。これは、もし受信機がAC信号のみ感応すれ
ば、測定される。
1982年９月にブリティッシュコロンビア大学の応用化
学修士論文においてアール．エイチ．チェズニ（R.H.Ch
esney）が著した「電磁気に対する感度の分類によって
埋め込み金属の回転楕円面の区別をすることの実行可能
性」で説明されているように、誘導された渦電流の最初
の振幅は、SIZE/（CONDUCTIVITY＊Dtm 3＊Dmr 3）に比例
する。この式において、SIZEは送信機が測定する物体の
サイズ（面積）であり、CONDUCTIVITYは渦電流を発生す
る金属の電気的な特性であり、Dtm 3は送信機から金属へ
の距離であり、Dmr 3は金属から受信機への距離である。
パルスが定常状態の値に達すると、渦電流は誘導されな
くなり、現存する渦電流は速度を増して減衰し始める。
この場合、この減衰の時間の定数は1/（SIZE＊CONDUCTI
VITY＊PERMEABILITY）に比例する。この式においてPERM
EABILITYは渦電流を発生する金属の磁気的な特性であ
る。本発明のパルスDCシステムでは、誤差のない測定値
を得るために渦電流が消滅するまで充分な時間待ってか
ら、送信磁束を測定する。又は、渦電流から結果として
生じる誤差がまだ許容できる時点で信号を測定する。
ここに開示されている改良は、渦電流が消滅する前に
送信信号を測定する必要のある時、渦電流によって生じ
た誤差を減少させる方法を扱う。２つの方法が論じられ
ている。最初の方法は渦電流の減衰特性を利用し、２番
目の手法は渦電流の影響分と振幅を測定する。
最初の手法において、受信信号は、渦電流が消滅する
につれて数回、測定される。このデータは、減衰の指数
関数を確認するために数学的な減衰の指数関数に当ては
めた曲線である。この関数は、関数の傾斜のゼロ点に到
達して渦電流が消滅したことが示されるまであらかじめ
補外するか、又は応用のために許容されうる誤差レベル
に依存して、より少ない量で補外されるかのいずれかで
ある。理想的には、この数学関数は次のような指数関数
である:M＝Ａ＋Ｂ＊ｅ−ｃ・ｔ又は、計算しやすいよう
にＭ＝Ａ＋B/（ｔ−ｃ）の形でもよい。この式において
Ａ、Ｂ、Ｃは、データを関数形式に適合させる処置によ
って決められた定数であり、ｔは時間を表す。関数形式
の選択、曲線のはめ合い及び補外は、当業者に周知であ
るので詳述しない。第12図は、この最初の方法の論理手
段を説明している。
送信機に対して動かない金属から結果として生じる渦
電流を補償する２番目の手法は、次の２つの原則に基づ
いている:1）Ｘ、Ｙ、Ｚ送信機アンテナによって形状を
定められた基準フレーム内で測定された渦電流のＸ、
Ｙ、Ｚ成分は、測定している受信機のオリエンテーショ
ンではなく、測定している受信機の送信機に対するロケ
ーションのみに依存する。２）導電性金属の環境につい
ていえば、もし送信機パルスが充分長く持続すると渦電
流のない受信機測定を行うことができる。補償処置は次
の手段を伴う:1）受信機のロケーションが固定されてい
るか又は、ゆっくりと変化している時、送信パルスが出
ていて渦電流がなくなるまでの時間の量を増加させるこ
とによって、システムはスローダウンする。その後、す
べての受信機軸からの誤差のない測定が行われ
（Mslow）、Mslowを使って、受信機の姿勢（Aslow）及
びロケーションの誤差のない計算が行われる。速い測定
は渦電流による歪みを含んではいるが、必要に応じてこ
の望ましい速い測定（Mfast）が行えるように送信機の
パルスの長さを短縮する。２）受信機の基準フレーム内
で測定される渦電流量は、Meddy rec＝Mfast−Mslowに
よって計算される。３）送信機の基準フレーム内で受信
機の姿勢によって変化しない渦電流ベクトルはMeddy
xmtr＝At slow＊Meddy recを使って計算する。この式に
おいてAt slowは、測定された遅い姿勢の転置マトリック
スを表す。４）これは任意であるが、受信機がこのロケ
ーションの近くの位置に戻った場合、再び訂正できるよ
うにMeddy xmtrを受信機XYZロケーションの関数として
コンピュータのメモリに記憶させる。５）受信機の姿勢
が変化しても本システムで速い測定を行うので、Ｍ＝M
fast−Afast＊Meddy xmtrから、渦電流について訂正さ
れた測定マトリックス（Ｍ）を計算する。６）別のより
正確なAfastを計算するためにＭを使うことができる。
５）及び６）で例示された手段をAfastが変化しなくな
るまで繰り返す。第13図は、この２番目の方法の論理シ
ーケンスを説明する。
地磁界ベクトルが受信機に対して変化する場合のシステ
ム操作 米国特許番号4,197,855又は4,303,077又は4,622,644
に記述されている従来技術のDCシステムは、磁束測定受
信機によって地磁界磁束が変化しない環境でのみ実施で
きる。これらの装置は、地磁界の測定データに対する影
響を取り除くために、適切な較正を必要とする。磁束測
定受信機を回転させるか、又は地磁界を回転させるか、
振幅を変化させた場合、もし使用者がこの状態を発見せ
ず、システムの再較正を行わないと、測定には誤差が生
じるだろう。これらのシステムは、受信機による地磁界
ベクトルの変化を自動的に検出及び訂正できないので、
移動している車両内では使用できない。又、机の引出し
を開けたり、金属の椅子を移動させるような鉄金属が移
動するロケーションでは使うことができない。
本発明は、受信機が、受信機に対する地磁界ベクトル
を測定でき、このため送信機が作動している時、測定デ
ータを訂正できるように、作動及び停止できる磁束送信
機を備え、送信機を停止した状態で各測定サイクルを始
めることによって、この問題を解決できる。送信機が停
止した状態で測定サイクルを開始する時、地磁界のXYZ
成分はEXEYEZと測定される。送信機が作動する時、結果
として生じる信号は、送信機信号及び地磁界ベクトルの
合計である。送信信号及び地磁界ベクトルの合計から成
る信号から、望ましい送信信号を求めるために、前もっ
て測定されたEXEYEZを使う。送信信号の抽出は、数個の
方法でしか求められない。開示された本実施例において
は、増幅が行われる前に電気的に信号を減じることによ
って、地磁界を減じる。大量の信号増幅が必要でない場
合に使用できる他の方法は、ソフトウェアにおける単な
る減法であるか、又は、目標信号に加えて地磁界を相殺
する信号を得るために送信機電流レベルを調節できる。
地磁界と区別するために送信信号の極性を相互にするよ
うな他の相殺方法は、当業者にとって明白である。この
場合、送信機を停止させる必要はない。
地磁界ベクトルが受信機の測定率によって非常に急速
に変化している場合（例えば、受信機が航空機のパイロ
ットのヘルメットに設けられ、航空機が１秒に180度、
急横転するか又は、パイロットが左から右へ１秒に180
度、頭を回転させる時）地磁界が測定された後、送信信
号の受信機による測定が即時に行われない。従って測定
された信号は、単なる減法では正確に除去されない地磁
界成分を含む。正確に除去するためには、各送信機軸が
作動している場合、受信機軸の測定時は常に、地磁界成
分の値がわかっていなければならない。
各々の送信信号の測定時に、地磁界成分の値を得るた
めに使用できる方法がいくつかある。そのうちの２つの
方法を説明する。その他の方法は当業者には明白であろ
う。（１）地ベクトクの値は各測定サイクルの開始時、
測定されるので、測定サイクル中の地ベクトルの変化率
に基づいて補外を行うことができる。この補外された地
ベクトルを使うことによって追のいずれかが可能である
（ａ）上述したハードウェア手段によって送信信号から
地磁界ベクトルを減算するために、送信信号の測定時に
リアルタイムでこの補外された地ベクトルを使うことが
できる。又は（ｂ）データが収集された後、ソフトウェ
ア手段で補外された地ベクトルを減算できる。（ａ）の
利点は、多くの受信機信号増幅が必要な場合、増幅され
るのは、送信信号だけであり、地信号と送信信号との組
み合せではないということである。地信号は送信信号と
比べて一般に大きいので、測定回路の信号振幅の制限を
越えずに、地信号の１部分に多くの増幅を行うことはで
きない。（２）送信信号の測定時に地ベクトルの値を決
めるもう１つの方法は、測定サイクルの開始及び終了時
に、連続する２つのサイクルの地測定値に等しい値ベク
トルを使って、測定時に地値を得るために、２つの地ベ
クトクの補間を行うことである。この測定値は、補間さ
れた地値を減ずることによってソフトウェアで収集され
る。地ベクトルの変化率が一定でない場合は、方法
（２）は（１）よりも有利である。このような場合、補
間は補外よりも常によい結果をもたらす。
例えば、計算の１サイクルは、地磁界及びＸ、Ｙ、Ｚ
送信機アンテナが作動している４つの等しい測定時間に
よって大抵は、構成されているので、受信機データは、
下記に従って比率補助される。動的効果を最小にするた
め、 Ｘ送信機データは1/4＊（減算された地磁界のデル
タ）、 Ｙ送信機データは1/2＊（減算された地磁界のデル
タ）、 Ｚ送信機データは3/4＊（減算された地磁界のデル
タ）を持つ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−38301（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−137003（ＪＰ，Ａ) 特表 平１−500931（ＪＰ，Ａ) 欧州公開21906（ＥＰ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G01B 7/00 - 7/34

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】送信機アンテナに対する受信機アンテナの
    位置を定量的に測定するための装置であって、 少なくとも２つのDC磁気ベクトルを発生させるための少
    なくとも２本の平行でないアンテナを有する送信機アン
    テナと、 上記DC磁気ベクトルを発生させるため上記平行でないア
    ンテナにDCパルスを継続的に供給するための駆動手段
    と、 上記DC磁気ベクトルを検出するための少なくとも２本の
    平行でないアンテナを有する受信機アンテナとを備え、 上記送信機アンテナの数と上記受信機アンテナの数との
    積は、上記送信機アンテナに対する上記受信機アンテナ
    の相対位置の定量的な測定の自由度に少なくとも等し
    く、更に 本装置の作動に対する地磁界の影響を補償するための手
    段と、 検出されたDC磁気ベクトルの大きさを確認し、上記の受
    信されたDC磁気ベクトルから上記の相対位置を定量的に
    計算するための信号処理手段とを備え、 上記信号処理手段は、上記送信アンテナに対して固定さ
    れている金属の存在下、使用可能な上記DCパルスの供給
    率を増加させるために、上記送信機アンテナに対する上
    記受信機アンテナの既知のロケーションで、上記DCパル
    スの波頭によって誘導された渦電流の減衰した後、上記
    DCパルスの間に、検出されたDC磁気ベクトルを測定し、
    上記既知のロケーションで、上記DCパルスの上記目標供
    給率で、検知された磁気ベクトルを測定し、該目標率で
    行われた測定において渦電流により誘導された歪みを計
    算し、この計算された歪みの情報を記憶させ、この歪み
    の情報を使って渦電流により誘導される歪みがない姿勢
    データを計算するために、上記既知のロケーションで上
    記の目標率で引き続き行われる、検知されたDC磁気ベク
    トルの測定を訂正することを特徴とする、装置。
  2. 【請求項２】上記地磁界を補償するための手段は、上記
    送信機アンテナが送信していない間に地磁界の成分を検
    出するために上記受信機アンテナを使い、上記信号処理
    手段に検知された地磁界の上記成分の振幅を確認させ、
    上記送信機アンテナがDC磁気ベクトルを送信していると
    き、上記受信機アンテナにより地磁界の検出を補償する
    ため、この確認された情報を用い、 ここにおいて、上記送信機アンテナが送信していないと
    きに雑音の周波数に等しい率で各送信機ベクトル及び地
    磁界を順次測定して、検出されたDC磁気ベクトルに対す
    るAC雑音干渉が、上記受信アンテナを使って相殺される
    ようにされ、このことにより雑音を地磁界の一部である
    かのように処理することができ、上記信号処理手段に、
    検出された地磁界及び雑音の成分を確認させるととも
    に、送信機アンテナがDC磁気ベクトルを送信していると
    き、受信機による地磁界及び雑音の検知の補償に、この
    ように確認された情報を使い 上記信号処理手段は、上記送信機アンテナが送信してい
    ないとき、連続的な検出の間に地磁界の成分を計算し、
    上記送信機アンテナが上記連続的な検出の間に送信を行
    っているとき、上記受信機アンテナによって検出された
    地磁界を補償するために、これらの計算された成分を使
    うか、または、上記送信機アンテナが送信していないと
    き、連続的な検出の間に地磁界の成分を推定し、次に続
    く連続的な上記検出の間に上記送信機アンテナが送信し
    ているとき、上記受信機アンテナによる地磁界の検出を
    補償するために、これらの推定された成分を使うことを
    特徴とする、請求項１記載の装置。
  3. 【請求項３】検出されたDC磁気ベクトルに重畳する低周
    波のAC雑音の干渉は、上記信号処理において、最初にＳ
    ＋Ｎである最初の測定値Ｍ（ｔ）を得るために干渉Ｎを
    伴う目標信号Ｓを測定し、次に最初の測定の後に、Ｓ−
    Ｎである２番目の測定値Ｍ（ｔ＋n/f）を得るために
    （ここではｎは奇数,fは雑音の周波数を表す）干渉Ｎを
    伴う目標信号Ｓを低周波の雑音干渉の半分の周期で奇数
    回数測定し、そして干渉Ｎのない目標信号を得るために
    最初と２番目の測定値を合計することによって相殺され
    る、請求項１記載の装置。
  4. 【請求項４】金属の存在下、使用可能な上記DCパルスの
    供給率を増加させるために、上記信号処理手段は、各DC
    パルスの波頭によって誘導された干渉渦電流の減衰の間
    に、検出されたDC磁気ベクトルの測定を複数回行い、こ
    れらの測定値を適切な指数関数にあてはめ、上記減衰の
    終了後、検出されたDC磁気ベクトルの定常状態を測定値
    を推定し、上記位置を計算するために、これらの推定さ
    れた定常状態の測定値を使う、請求項１記載の装置。
  5. 【請求項５】上記地磁界の影響を補償するための手段
    が、地磁界と区別するために、送信されたDC磁気ベクト
    ルの極性を交互に変える、請求項１記載の装置。
  6. 【請求項６】上記信号処理手段がAC雑音のゼロ交差点を
    確認し、検出された磁気ベクトルの大きさを上記ゼロ交
    差点で確認することによって、検出されたDC磁気ベクト
    ルに重畳する低周波のAC雑音干渉を最小限にし、 上記の大きさの連続的な測定がゼロ交差点で低周波AC雑
    音干渉の半分の周期で奇数回行われ、目標信号から残り
    の干渉を除去するために、これらの測定値が合計され
    る、請求項１記載の装置。
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