JPH0354282B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、ジヤイロコンパス特に、直立軸のま
わりで回転するジンバルに取付けられたジヤイロ
及び北方位を決定する方法に関するものである。

（従来技術） 方位角方向に回転するジンバルにジヤイロコン
パスを取付けて使用することはよく知られてい
る。これらの装置では主として、方位角ジンバル
の外側に２つのジンバルを取付けて、方位角ジン
バル軸を垂直に保たせている。この軸が傾くと、
地球の回転の垂直成分が水平成分とまざるため
に、誤差が生ずる。従来のジヤイロコンパスで
は、ジヤイロスコープのスピン軸と交差する出力
軸のまわりで自由度１をもたせて、ジヤイロケー
スに対し回転できるようにジヤイロスコープが取
付けられている。これらの従来のジヤイロスコー
プは、ジヤイロスコープのスピン軸および出力軸
の両者に対して直交する地球の回転成分が出力軸
のまわりにトルクを作りだすという事実に依存し
ている。このトルクを計測して北方位を決定する
のに用いている。

ジヤイロコンパスおよび方向装置の両者に単一
のジヤイロスコープを使用することも知られてい
る。この公知の双機能型ジヤイロスコープは、最
初に地球の回転水平成分を感知するため入力軸を
水平にする。ついで入力軸は垂直方向に90゜回転
され、この状態でジヤイロスコープはジヤイロス
コープを支持している車の方向（方位角回転）を
決定する。

（発明が解決しようとする課題） 前述のジヤイロスコープ装置のある種のものが
有する短所は、比較的複雑であるうえに多くのジ
ンバルが必要であることである。それ故本発明の
目的は、簡単でしかも精度のすぐれた改良型ジヤ
イロコンパス及び北方位決定方法を提供すること
である。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明の特徴と長所とを示す図解実施例によれ
ば、ジヤイロコンパスには、直立軸のまわりで回
転するジンバルとジヤイロが組込まれる。ジヤイ
ロは、直立軸と交差する内側軸のまわりで回転で
きるようにジンバルに取付けられている。さら
に、レベル感知装置がジンバルで支持されて組込
まれ、直立軸の垂直方向からの傾きを示すレベル
ジグナルを送り出す。このレベル感知装置には制
御装置が接続されていて、この制御装置にはレベ
ルシグナルに応答する装置があり、レベルシグナ
ルが所定の値になる位置までジンバルを回転させ
る。

本発明を実施する方法では、内側軸のまわりに
ジヤイロスコープを回転できるように支持するジ
ンバルに取付けられたレベル感知装置が使用され
る。この方法は、レベル感知装置によつて内側軸
が水平であることが示されるまで、ジンバルを回
転させる過程を含んでいる。もうひとつの過程は
地球の水平方向の回転成分によつてジヤイロスコ
ープに加えられたトルクを、内側軸のまわりで水
平位置で回転されるジヤイロスコープのスピン軸
で計測する過程である。この方法はさらに、ジン
バルを180゜回転させ、地球の水平方向の回転成分
によつてジヤイロスコープに加えられたトルク
を、内側軸のまわりで水平位置で回転するジヤイ
ロスコープのスピン軸で再計測するという過程を
含んでいる。

前記の装置および方法を採用することによつ
て、改良型ジヤイロコンパスが提供され、単に方
位角回転軸を垂直に保つ目的には、方位角回転し
うるジンバルは外側ジンバルを有する必要がなく
なる。好ましい実施例ではレベル感知装置がジン
バルに取付けられており、このジンバルによつて
ジヤイロスコープケースが支えられ、ジンバル自
身の回転軸と交差する軸のまわりでケースが回転
できるようにしている。レベル感知装置は、ジン
バルの回転軸の傾きを感知する。最初ジンバル
は、ジヤイロスコープの内側軸と、できれば入力
軸とが同一傾斜面で入力軸が水平になるまで回転
するように回転される。この時には、ジヤイロコ
ンパスの読みは、地球自転の水平成分の直接計測
値となる。次に、ジヤイロスコープの入力軸が再
び水平になるように、ジンバルは180゜回転され、
もう１つの読みがとられる。これらの２つの読み
を式に当てはめ、北方位の概略位置を得ることが
できる。次に、ジンバルを再び回転させ、前記の
計測値の不確定部分を解決する。この第３の位置
から得られるジヤイロスコープの読みを式に適用
し、北方位に対する方位を合理的精度で決定す
る。

この実施例では、ジヤイロスコープケースにレ
ベル感知装置が組込まれていて、ジンバル内のケ
ース回転を表示すると共に制御し、ジヤイロスコ
ープのスピン軸を水平に保つようにしている。さ
らにこの実施例では、ジンバルおよびジヤイロス
コープはマイクロプロセツサによつて制御され、
このプロセツサによつて、ジヤイロスコープの動
きが順序付けされると共に、それによつてえられ
た資料を所定の公式に適用するようにしている。

この実施例では、附加的ジヤイロスコープがジ
ンバルに取付けられて、前記のジヤイロスコープ
と共に動くようにしている。この附加されたジヤ
イロスコープは主として、方向感知動作に使用さ
れ、それ故垂直入力軸を有している。しかし、他
の実施例では、ジヤイロスコープは２つの様式で
動作する。ジヤイロコンパスは、その入力軸が
90゜回転することができるようにし、そして最初
はジヤイロコンパスとして動作し次に方向ジヤイ
ロとして動作できるようにしている。

さらに他の実施例では、自由度２の単一ジヤイ
ロを使用し、別々のジヤイロを使用しなければ得
られない２種の動作モードを行うようにしてい
る。

（実施例） 第１図にはジヤイロ１０を用いたジヤイロコン
パスを示した。この実施例では、ジヤイロ１０は
単一自由度のジヤイロスコープで、スピン軸SA
１を有している。

ジヤイロスコープ１０には出力変換器が組込ま
れていて、この変換器によつて出力軸OA１のま
わりのスピン軸の回転が感知されると同時に、ラ
インOA１によつて示されている同一直線の導線
に信号が発生される。ジヤイロスコープ１０には
さらにトルク装置１２が設けられ、これによつ
て、ジヤイロスコープ１０内でスピンニング要素
にトルクを与え、スピン軸SA１を出力軸OA１
のまわりで回転させている。よく知られた理由か
ら、ジヤイロ１０は、スピン軸SA１および出力
軸OA１の両者に直交するベクトルIA１で示す入
力軸を有している。ジヤイロスコープ１０は、内
側軸１６にそつてジンバル１８に回転可能に取付
けられているプラツトフオーム１４上に略式図解
されている。実際の実施例では、ジンバル・プラ
ツトフオームは、これとは異つた形で組立てられ
る。内部トルク装置はここでは、トルク装置２０
として表示されており、このトルク装置によつて
ジンバル１８に対して、内側軸１６のまわりにプ
ラツトフオーム１４及びジヤイロスコープ１０に
回転を与えることができる。ジンバル１８は、枢
軸２２として示された直立軸のまわりで回転する
ことができる。また、モータ２４として示された
ジンバルトルク装置を用いて、ジンバル１８を枢
軸２２のまわりで回転させることもできる。モー
タ２４は大形キヤリア２６内に取付けられる。ジ
ンバル１８もまた、上部同期発信機２８によつて
枢軸的に支持され、この上部同期発信機によつ
て、枢軸２２の直立軸のまわりのジンバル１８の
回転角度を表示する信号を発生することができ
る。

１対のレベル変換器３０および３２として表示
されているレベル感知装置が、ジンバル１８に取
付けられ、枢軸２２の直立軸が垂直位置から傾斜
している過程を表示する。変換器３０および３２
は、一方は内側軸１６に平行な、他方はそれに垂
直な２つの直交軸方向に対してジンバル１８の直
立軸の傾斜程度にそれぞれ応答する。

さらに、プラツトフオーム１４には、必要に応
じての方位ジヤイロとしてのジヤイロスコープ３
４が取付けられ、このジヤイロスコープ３４は、
内側軸１６と平行に出力軸OA２を、スピン軸
SA１と平行にスピン軸SA２を有している。ジヤ
イロスコープ３４の入力軸IA２は、枢軸２２の
直立軸と平行で、その結果、ジヤイロスコープ３
４は方位ジヤイロとして動作することができる。

枢軸２２は、通常上方に延在すると云う意味か
ら直立軸を有すると理解してよい。しかし、ここ
で対象とする直立軸は、完全には垂直でなくても
よく、正確な垂直方向と鋭角をなしていてもよ
い。

図面上でプラツトフオーム１４に取付けられて
表示されているレベルセンサー３６によつて、内
側軸１６についてのスピン軸SA１およびSA２の
水平方向からの振れ、（さらに軸OA１およびOA
２の傾き）が表示される。レベルセンサ３６は、
復調器／条件回路３８に接続される。この回路３
８はジヤイロ１０のトルク装置１２に出力が接続
されているスケール増幅器４０を駆動させる。さ
らにジヤイロスコープ３４には出力変換器OA２
（出力軸と同じ数字で識別する）が取付けられ、
この変換器OA２によつて、その出力でジンバル
モータ２４を駆動するスケール増幅器４２が駆動
される。同様に、ジヤイロスコープ１０の出力変
換器OA１によつてスケール増幅器４４が駆動さ
れ、その結果、トルク装置２０が駆動されて、内
側軸のまわりでプラツトフオーム１４は回転す
る。

レベル感知装置３２は、水平方向からの内側軸
１６の傾きを感知し、復調器／条件回路４６を駆
動する。その出力側は、増幅器４８の一つの入力
側に接続されている切換接点Ｋ１に接続される。

制御装置としては、マイクロプロセツサーおよ
び記憶装置５０を採用している。装置５０は、バ
ス５２によつてデイジタル−アナログ変換装置５
４と接続され、マルチプレクサ５６に信号を送
る。マルチプレクサ５６は、アナログ出力信号を
シグナル・コンデシヨナ回路５８に与えるが、こ
の回路５８の出力側は、増幅器４８の他方の入力
側へ接続されている切換接点Ｋ２に接続されてい
る。増幅器４８の出力側は、ジヤイロスコープ３
４のトルク装置６５（トルク装置１２と類似して
いる）に接続されている。接点Ｋ１およびＫ２
は、手動で動作させられるが、できうればマイク
ロコンピユータ５０で動作させるのが望ましい。
さらにマルチプレクサ５６は、サンプルおよび保
持回路６０に出力を供給する。この回路６０の出
力は、変調器６２を駆動し、この機器を搭載して
いる乗り物の方向を表示する機首方位指示器（図
示されていない）に情報を与える。マイクロプロ
セツサ５０からの附加的出力データは、マルチプ
レクサ５６によりサンプルおよび保持回路６４へ
送られて、第１図の装置の各種動作パラメータの
状態を表示する。

デイジタル変換装置６６への同期は、同期発信
機２８から入力データを受取り、このデータをバ
ス５２に伝達し、その結果、マイクロコンピユー
タ５０は、枢軸２２の直立軸のまわりのジンバル
１８の回転角度を表示するデータを受取る。さら
にマルチプレクサ６８の出力側もバス５２に接続
される。マルチプレクサ６８の入力は、復調器お
よび条件回路７０および４６、フイルタ７２等か
ら送られる信号であり、フイルタ７２は増幅器４
０により駆動される。回路７０は、レベル感知装
置３０の出力により駆動される。すなわち、マル
チプレクサ６８へはプラツトホーム１４及びジン
バル１８のレベルセンサ３０，３２，３６で示さ
れる矢印方向への傾斜情報を入力とする。

第１図の装置の動作を説明する前に、枢軸２２
の直立軸のまわりの回転が、増幅器４８から送ら
れた信号によつて如何にして行われるかを説明し
ておこう。この目的で、第２図で図解されたフイ
ードバツク流れ図は、前記の同期発信機２８が、
デイジタル変換器６６へその信号をマイクロコン
ピユータ５０へ転送することを示している。図に
はプログラム制御下で内部的に作られる位置指令
機能（５０Ａ）を有するマイクロコンピユータ５
０が示されている。デイジタル指令を処理するハ
ードウエアは、前記シグナルコンデイシヨナー回
路（フイルタ）５８および接点Ｋ２を介して出力
信号を与えるブロツク５０Ｂとして表示されてい
る。前記のレベル感知装置３２は、機械的入力部
を備え、さらにラプラス領域の伝達関数KG（Ｓ）
を備えている。感知装置３２は前記の復調器／条
件回路（フイルタ）４６を駆動し、フイルタ４６
は、レベル感知装置３２を介してループ・ゲイン
を設定する。さらに、回路４６の出力側を、接点
Ｋ１によつて増幅器４８の入力側と接続すること
ができる。

上記は増幅器４８から信号を作り出すための第
１図の接続を再掲したものである。第２図に示さ
れた装置のバランスは、ジヤイロスコープ３４
（第１図）に関連した伝達関数およびそれらの関
数がジンバル１８の回転にどのように影響するか
に関係している。ジンバル１８の回転角度は、点
線で示した機械的機能と関連した角度φとして定
義される。そこで増幅器４８により、伝達関数
KTG／Ｈを有するブロツク７６が駆動される。
ここでKTGは、方位ジヤイロ３４（第１図）の
出力軸OA２上のトルク装置６５に対するスケー
ル因子であり、Ｈは、上記ジヤイロスコープ内の
スピンニング要素のモーメントである。ブロツク
７６の出力が、差分交点７８の一つの入力であ
り、この交点７８の出力は、伝達関数Ｈ／IoSを
有するブロツク８０を径由して伝達される。こゝ
でIoは、出力軸OA２のまわりのスピニング要素
の慣性モーメントで、Ｓは、よく知られているラ
プラス変数である。ブロツク８０の出力は２つの
フオワードバスに送られ、その一方のバスは、ジ
ヤイロスコープ３４のモーメントＨに応じて信号
のスケールを決めるブロツク８２をそなえてお
り、他方のバスには、ラプラス伝達関数Ksg／ｓ
を有するブロツク８４を含んでいる。Ksgは、ラ
インOA２を駆動して出力軸のまわりの回転を表
示するジヤイロスコープ３４（第１図）内のシグ
ナル発生器のスケール因子である。前記の増幅器
４２によつて動作されるブロツク８４によつて、
伝達関数Gc（Ｓ）を有するブロツク８６が駆動さ
れ、Gc（Ｓ）は通常、ラプラス領域の伝達関数を
示す。ブロツク８６によつて出力増幅器８８およ
びモータ２４が駆動される。このブロツクは前記
モータに関連してモータに電力を加えるパワーブ
ースチング、モータの出力を変形するスケーリン
グおよび機械変換等を表示している。モータ２４
およびブロツク８２の出力は接続部９２で加算さ
れ、伝達関数が１／Jsであるブロツク９４を駆動
する。こゝでＪは、直立軸（第１図の枢軸２２）
のまわりの慣性モーメントを示す。ブロツク９４
の出力は、最初の時間微分φ〓として示されると同
時に、この信号は差分交点７８の別個の入力側に
送り返されたうえ、積分ブロツク９６に送られ、
この積分ブロツクによつて、機械的効果即ち、直
立軸（第１図の枢軸２２）のまわりの角回転φが
作り出される。

以上、ジンバルの数学的モデルおよび、増幅器
４８からの信号に応答して、ジンバルが直立軸
（第１図の枢軸２２）のまわりでどのように回転
するかを説明した。このモデルでは、ジヤイロス
コープの直立軸および出力軸のまわりの慣性モー
メントを考慮している。さらにジヤイロスコープ
の角運動量も考慮されている。システム応答は前
記のように複雑であるが、一般に、加算増幅器４
８からの出力信号は、最後には積分装置９６の入
力側へ与えられる。従つて、増幅器４８で作られ
た信号によつて、ジンバル１８が回転され、その
結果角度φが変化される。接点Ｋ２が閉められる
と、プロセツサ５０によつて、前記のジンバル回
転φが左右されるうえに、同期装置２８の位置調
整も変化され、そのために変換器６６を介したフ
イードバツクが変化して、ジンバル応答のプロセ
ツサ５０に警報を出すことになる。同様に、接点
Ｋ１を閉じることで、直立軸を表示するレベル感
知装置３２からの垂直軸（第１図の軸２２）が垂
直でないことを示す差信号が、ジンバルの回転φ
を生じさせる。この実施例では、接点Ｋ１または
Ｋ２のいずれかが閉じられるが、両者が同時に閉
じられることはない。

従つて、プロセツサ５０によつてジンバルの回
転φが始められ、回転指令を中断する以前に、ジ
ンバルが希望位置に到達するまでプロセツサ５０
は待機する。プロセツサ５０によつて、いかなる
希望位置へでもジンベル１８（第１図）を効果的
に向けることができる。そのうえ、レベル感知装
置３２は閉じられたフイードバツクループの一部
であり、実際には、レベル感知装置３２によつて
ジンバル１８（第１図）は、レベル感知装置がゼ
ロになるまで回転させられる。このゼロになるこ
とは、内側軸１６（第１図）が水平になつたこと
に対応しておこり、この時点では、要素４８およ
び９４の出力はゼロである。前記のフイードバツ
クループはジヤイロスコープによつて、長期基準
で管理されるだけでなく（レベル感知装置３２ま
たはプロセツサ５０のいずれかによる）、短期基
準で安定化される。ジヤイロスコープ３４は、直
立軸（第１図の枢軸２２）にほぼ平行なそれ自身
の入力軸をもつているので、このジヤイロスコー
プは、ジヤイロスコープおよびそのジンバル１８
を偏向させやすい高速過渡現象に速かに対応でき
る。

前記の装置の原理を理解しやすくするために、
ここで装置の動作を簡単に説明することとする。
ジンバル１８（第１図）は最初、任意の方向へ向
いていて、北方位と一致していない。接点Ｋ１を
閉じ、接点Ｋ２を開いておくと、マイクロコンピ
ユータ５０が動作を開始する。その結果、レベル
感知装置３２、条件回路４６および方位ジヤイロ
３４等を径由してモータ２４（第１図および第２
図）まで達するフイードバツクパスができる。そ
れ故に、第２図と関連して説明したように、レベ
ル感知装置３２によつて、ジンバル１８はモータ
２４によつて回転させられる。この回転は、レベ
ル感知装置３２がゼロになるまで継続し、この時
点で内側軸１６は水平になる。内側軸１６がこの
レベル位置に達すると、モータ２４はジンバル１
８を回転させることを中止する。この最初の位置
で停止すると、プラツトフオーム１４（第１図）
は、レベル感知装置３６によつて水平に保たれ、
その結果、スピン軸SA１も水平になる。プラツ
トフオーム１４が傾くと、レベル感知装置３６
は、回路３８および４０を介して差信号をトルク
装置１２に与えてトルクをジヤイロ１０に加え
る。次にジヤイロ１０は増幅器４４およびトルク
装置２０へのラインOA１に修正用信号を送る。
このフイードバツクによつて、プラツトフオーム
１４はレベル位置まで押し進められる。ジヤイロ
１０がこのフイードバツクループ内にあつて、内
側軸１６と名目上平行なジヤイロ自身の入力軸を
もつているので、プラツトフオーム１４を平らで
なくする傾向がある高速過渡現象に対して、ジヤ
イロで安定化される。そこで、ジンバル１８およ
びプラツトフオーム１４はジヤイロ１０のスピン
軸SA１および入力軸IA１が両者とも水平になる
ように、自ら位置を設定する。この結果、ジヤイ
ロ１０の出力軸は垂直になる。

これらの状況のもとで、ジヤイロ１０のトルク
は平衡状態となり、地球の自転の水平成分を測定
するためのレート感知装置としてジヤイロ１０を
動作させることができる。スピン軸１８およびプ
ラツトフオーム１４が適正に位置されてしまう
と、ゼロまたは中立位置でジヤイロ１０内のフロ
ートを保つようにしなければならないので、トル
ク装置１２からの余剰トルクは入力軸IA１に沿
う地球の回転の水平成分に比例するシグナルであ
る。このシグナルは、トルク１２および増幅器４
０の接続部にあらわれる。

前記の過程もまた、始動過程１００で開始され
て、入力データが読みとられる過程１０２へと進
められるマイクロコンピユータ過程を示す第４図
の流れ図で図表に作られている。マイクロコンピ
ユータ５０がレベル感知装置３２がゼロとなる位
置までジンバル１８（第１図）を回転させる前の
最初に読みとられた数量値Ay０，Ax０およびφ
（０）等は、それぞれレベル変換器３２，３０お
よび同期発信機２８の読みである。過程１０４
で、内側軸１６が水平になり、レベル感知装置３
２がゼロになるまでジンバル１８を回転させる。
過程１０６で、ジンバル１８の最初の角度位置を
同期発信機２８による再度の計測で読み、これを
φ(1)とする。さらにこの過程１０６では、トルク
装置１２の入力が読みＲ１として計測される。

この場合に関連する物理的プロセスは、第１図
の機器が取付けられる車輌の縦軸の方向が、ベク
トルLAで表示されている第３図を参照すればさ
らに良く理解されよう。ジヤイロスコープ１０の
スピン軸がその最初の水平位置になるように回転
された後では、このスピン軸の方位は、ベクトル
SP１として図示されているが、このベクトルは、
縦軸LAに関して角度Ａ１をなしている。勿論、
ジヤイロスコープ１０の入力軸は、スピン軸と直
角をなしていて、ラインIN１にそつているこの
最初の位置について表示されている。

北方位は、縦軸LAと角度AnをなすベクトルＮ
によつて表示される。この最初の位置でジヤイロ
スコープ１０のトルク装置１２からＲ１として読
まれるレートは、下記の方程式によつて計算され
うることが、前記の説明で明らかになる。

R1＝−Whsin（An−A1）＋Ｂ (1) ここで、Whは地球の回転の水平成分で、Ｂは
ジヤイロスコープの固有バイアス項である。ジン
バル１８の枢軸２２を通る直立軸が垂直でない場
合には、同期発信機２８で計測された角度φは、
全く同じようには方位角度Ａ１と対応しない。従
つて、実際の角度A1は、下記の公式によつて表
わすことができる。

A1＝φ(1)＋Ｃ(1) (2) ここで、角度φ(1)は、シンクロ発信機２８で最
初の位置で計測された角度で、Ｃ(1)項は、衆知の
フツクの法則にしたがつて導き出された修正係数
である。その係数の一つの単純化された表現は下
記の通りである。

Ｃ（ｎ）＝〔1/2sinφ（ｎ）cosφ（ｎ）〕〔α²−
β²〕 ＋αβcos²φ（ｎ） (3) ここで角度αおよびβはそれぞれ、縦軸LA（第
３図）のまわりの車両の横“ゆれ”および縦“ゆ
れ”である。（第３図）、挿入変数ｎは、Ｃ(1)のよ
うな項が計算される連続的位置を表示しているに
すぎない。

第４図の流れ図にブロツク１０８で表示されて
いるように、次の過程は、ジンバル１８を180゜だ
け回転させることである。第３図についていえ
ば、この回転は、ベクトルSP２にそつてスピン
軸を再位置設定することとして表示され、その結
果、ジヤイロスコープ１０の入力軸は、ライン
IN２にそつて再位置設定される。従つて、第２
番目のレートの読みＲ２は、下記のように表わす
ことができる。

R2＝−Whsin（An−A2）＋Ｂ (4) ここで、角度Ａ２は、第２番目の位置にある縦
軸LAおよびスピン軸SP２との間の角度間隔とし
て、第３図に図解されている。方程式２と同様
に、角度Ａ２もまた、第２番目の位置のシンクロ
角度φ(2)とそれに対応するフツクの法則による修
正項Ｃ(2)の数値との合計値として表わすことがで
きる。角度Ａ２は、角度Ａ１とπδ１との合計値
であるから（ここでδ１は±１であるが、回転方
向によつて左右される）、方程式４は、次のよう
に角度Ａ１の項で表現することができる。

R2＝Whsin（An−A1）＋Ｂ (5) 方程式１および５を組合せると、下記の表現が
えられる。

Ｂ＝R1＋R2／２ (6) 同様に、方程式１および５の超越整関数の数値
は、次のようにして求めることができる。

Ｆ＝sin（An−A1）＝R2−R1／2W (7) 関数Ｆは、超越整関数を識別するのに使用され
る。上記の方程式は、超越整関数の独立変数とし
て、直接に解いてもよいが、バイアスＢの数値
（方程式６および７）を代入して再配置して、下
記の方程式がえられればさらに都合がよい。

ΔA＝An−A1＝arccos〔R2−Ｂ／Wh〕 (8) しかし、三角法による正弦関数は、大きさが規
定されさえすれば、多様な角度数値を有するの
で、“あいまいさ”がある。どんな場合でも、前
記のプロセスは、トルク値Ｒ２の読みおよび同期
発信機の読みφ(2)を表示する第４図の手順１１０
によつて表示される。さらに手順１１０では、バ
イアスＢ、三角法による数量sinΔAおよび不明確
な角度差ΔA等の計算が行われる。

実質的なレートの読みがえられ、しかもすでに
論義された不明確性が解消されうるように、スピ
ン軸を北方位と一致していない第３番目の位置ま
で回転させることが望ましい。この実施例ではジ
ンバル１８は角度π／ｎによつて回転される。こ
こでｎは６または２のいずれかである。北方位と
一致させないｎの選択数値は、下記のとおりであ
る。

ｎ＝｛6π／３｜ΔA｜2π／３ 2π／３＞｜ΔA｜＞2π／３ (9) ここで、｜ΔA｜πという比較は、論理的分
岐点１１２として第４図に示されるが、交替指令
１１４および１１６がこれにつづく。この結果、
第３番目のレートの読みＲ３、レベルシグナル
Ay3および同期発信器の読みφ(3)等が、手順１１
８に示されたようにえられる。他の角度の回転
が、シンバル１８のこの第３番目の位置において
生ずることがあることを、前記の説明で理解した
と思うが、前記のことが、便宜上選択される。前
記の回転によつてジンバル１８の第３番目の位置
では、ジヤイロスコープ１０のスピン軸は少くと
も30゜だけ北方位から確実に移動されることにな
る。この選択された第３番目の位置で、ピボツト
２２（第１図）を通る直立軸は垂直方向から傾く
ことがあることを考慮して、第３番目のレートの
読みＲ３は次のように表現できる。

R3＝−Whsin（An−A3）cos（arcsinAy3） ＋Ｂ＋Ｔ (10) 第３図の例では、第３番目の角度Ａ３は、ΔA
が60゜より大きく120゜より小さいので、マイナス
変位π／６として図解されている。このマイナス
変位π／６として図解されている。このマイナス
方向は任意である。上記のcosine項では、地球自
転速度の水平成分が、ジヤイロスコープ１０の入
力軸に充分に投射されていない恐れもあることを
考慮しなければならない。この不完全な方向設定
は、直立軸（第１図の枢軸２２）および入力軸
IA１の傾きが原因で発生し、レベル変換器３２
で測定され傾斜シグナルAy３を作り出す。第４
図の手順１２０として示された修正項Ｔには、ジ
ヤイロスコープの出力軸が正確には垂直でない場
合に、ジヤイロスコープ１０内の質量不均衡によ
つて作り出される外見上のトルクと共に、ジヤイ
ロスコープ１０の入力軸へ地球の回転速度の垂直
成分を投射することによつて大きな誤差が生ずる
ことを考慮しなければならない。これらの修正は
下記のように表わすことができる。

Ｔ＝Ay3（Wv＋MU） (11) ここで、Wvは地球の局部的垂直回転速度で、
MUはジヤイロスコープ１０の質量不均衡をあら
わす項である。第２番目と第３番目との位置の間
の変位が判明しているので、その一方を他の用語
で表示することができる。フツクの法則による修
正、枢軸２２の直立軸が垂直でない場合の重要な
考慮事項等も、第２番目と第３番目との位置の間
の一般的角度関連性を明示するために、含めるこ
とができる。従つて、スピン軸の実角度Ａ３は次
のように表現できる。

A3＝A2−Ｃ(2)＋π／ｎδ2＋Ｃ(3) (12) ここで、Ｃ(2)項およびＣ(3)項は、方程式３によ
るフツクの法則による修正であり、δ２は±１で
あつて、ジンバル１８が回転して第３番目の位置
に達する方向により再び左右される。角度Ａ２が
角度Ａ１よりπδ1だけ大きくなるので、角度Ａ３
は次のように表わすことができる。

A3＝A1＋πδ1＋π／ｎδ2＋Ｃ(3)−Ｃ(1) （13） 角度Ａ３に関する上記の表現を方程式10に置換
して、読みＲ３を決定する完全な方程式を作り出
すことができる。しかし、±3゜をこえない横“ゆ
れ”および縦“ゆれ”（分節１２２および手順１
２４，１２６等の決定事項）に対しては、修正項
Ｃ(3)およびＣ(1)とレベル感知装置出力Ay３等は
ゼロに設定して、下記の概略的表現を採用しても
よい。

R3＝Wh〔sin（An−A1）cosπ／ｎ −cos（An−A1）sinπ／ｎ〕＋Ｂ＋Ｔ（14） 三角法関数の独立変数に差角度を分解するため
に既によく知られた恒等式を使用して、上記のこ
とが導かれている。方程式（14）はさらに次のよ
うに書換えることができる。

Ｇ＝cos（An−A1）＝−R3＋Whsin（An−A1）cos
π／ｎ＋Ｂ＋Ｔ／Whsinπ／６（15） ここで、関数Ｇは上記の三角法関数の数値を表
示している。そこで、関数Ｇは、方程式７の既に
確認済関数Ｆに分割することができ、方程式２を
使用して、求める角度を決定するために下記の表
現を採用することができる。

An＝φ(1)＋Ｃ(1)＋arctan（Ｆ／Ｇ） （16） 後者の動作は、計算に関する過程１２８とし
て、第４図の流れ図に示されている。上記の事情
が完了されてから、マイクロプロセツサ５０（第
１図）によつて、北方位を良好な精度で表示する
ことができる。従つて、第４図の過程１３０によ
つて表示されたように、コンピユータ５０は、指
向性モードへと移行して、接点Ｋ１が開いて接点
Ｋ２が閉じる。この指向性モードでは、コンピユ
ータ５０は、接点Ｋ２を径由して補正処理に使用
さるが、主要な効果は、方位角シフトを送り出し
増幅器４２によつて信号を作り出すジヤイロスコ
ープ３４によつて発生される。それ故に、ジンバ
ル１８は、その方位角を同一に保つような方向
に、モータ２４によつて回転されることになる。
第１図の装置を搭載している走行車輌（図示され
ていない）は、横方向および縦方向にゆれるの
で、ジヤイロ３４の入力軸IA２が誤つた読みを
作り出す恐れがある。

これにかわる実施例が第５図に図示されてい
る。この実施例では、直立軸２２２に取付けられ
たうえに、内側軸２１６上に内側ジンバルまたは
プラツトフオーム２１４を有するジンバル２１８
が含まれている。内側ジンバル２１４によつて二
重の機能ジヤイロスコープ２１０が支持されてい
て、ジヤイロスコープ２１０のスピン軸SAと名
目上平行な車軸２２６上にジヤイロスコープ２１
０が支持されているのが示されている。ジヤイロ
スコープ２１０の出力軸は内側軸２１６に平行
で、入力軸IAはスピン軸SAおよび出力軸OAと
直交する。レベル感知装置２３６はジヤイロスコ
ープ２１０上に取付けられ、プラツトフオーム２
１４が垂直方向からそれている程度を表示してい
る。レベル感知装置２３６の出力が、ライン２３
８として図解されている。さらに、ジヤイロスコ
ープ２１０には、ライン２４０にそつてジヤイロ
スコープ２１０の内側にあるトルク装置にまで加
えられる入力がある。同様に、ジヤイロスコープ
２１０からの出力ライン２４１によつて、中立位
置からそのラインえの流れの“かたより”が示さ
れている。さらに内側軸２１６上で動作するトル
ク装置２２０によつて、ライン２４２にそつたシ
グナルに応答したジンバル２１８に関して、プラ
ツトフオーム２１４の相対的回転を発生させるこ
とができる。１対の直交するレベル感知装置２３
０および２３２が、ジンバル２１８に取付けられ
る。直立軸２２２を駆動するジンバルモータ２２
４によつて、ジンバル２１８を回転することがで
き、この回転は、変換器２２８からのライン２５
０で感知される。

上記の事項は、第１図に示されたジンバル装置
およびジヤイロコンパスと類似している。実際に
は、構成要素２１０，２１８，２２０，２２４，
２２８，２３０，２３２，２３６等は、第１図の
構成要素１０，１８，２０，２２，２４，２８，
３０，３２，３６等に対応する。しかし、著しい
相違点は、第５図ではただ１つのジヤイロスコー
プがあるだけであるという点である。しかし、こ
の実施例では、ジヤイロスコープ２１０は、車軸
２２６のまわりで90゜だけ回転して、ジヤイロス
コープ２１０の入力軸を図示された垂直位置から
水平位置へ移すことができる。勿論、入力軸が垂
直ならば、ジヤイロスコープ２１０は、方位ジヤ
イロとして働くことができ、入力軸が水平なら
ば、ジヤイロコンパスとして働くことができる。

このようにして、ジヤイロコンパスから方位モ
ードへの移り変りが、ジヤイロスコープ２１０が
90゜だけ回転することで表示される以外は、第５
図の装置は、第１図に関連して既に説明された方
式と類似した方式で動作させることができる。

前述の実施例に関して、各種の変更が可能であ
ることは云うまでもない。例えば、各種の同期発
信機およびトルク装置の位置は、物理的要求に応
じて置き換えられることができる。さらに、二段
ジヤイロスコープの実施例では、２個のジヤイロ
の相対的位置が変つてもよいし、第１図の概略図
は単純化されており、実際の実施例はこれと相違
して、さらに複雑になる。さらに、ある実施例で
は、２個の単一自由度のジヤイロ（または第５図
の二位回転型ジヤイロ）を、１個の自由度２のジ
ヤイロと置き換えてもよい。このジヤイロには第
１図および第５図のジヤイロで与えられる機能を
与えることができる直交型入力軸が組込まれるこ
とになる。ある実施例では、各種のレベル感知装
置が取付けられる位置を、バランスに関する余裕
および効果に応じて変更することができる。さら
に、各種のフイルタ、復調器およびシグナル調整
装置および増幅器等が図示されているけれども、
ある実施例では、それらの機能はマイクロプロセ
ツサ５０によつて行つてもよい。さらにまた、各
種プロセツサ過程の実行順序は、使用目的に応じ
て再整理することができる。そのうえに、各種の
計算が行われる時期は、情報の緊急度に応じて、
早めたり遅らせたりすることもできる。特別な方
程式が今までに示されてきたが、これらは、装置
の要求された精度および速度等に従つて、単純化
または再整備することができる。さらに、各種の
構成部品の使用材料および形状は、要求される重
量、速さ、精密度、バランス、動力要求、強度等
に応じて変更することができる。そのうえに、各
種のプロセツサが組込まれている各種の回路およ
び、デジタルおよびアナログ回路素子の各種の組
合せは、要求された速さ、精密度、温度、安定度
等に応じて指示されたものの代りに使用すること
ができる。

上記の技術的な変更を考慮すれば、本発明をい
ろいろと部分的または広範囲にわたつて変更でき
ることは明らかである。

〔発明の効果〕

本発明はジヤイロスコープのスピン軸が水平に
なつたときジヤイロスコープに加えられるトルク
を測定し、またジヤイロスコープを180゜回転させ
て同様にトルクを測定するので、より正確に北方
位を決定することができる。

また本発明は直立軸を中心に回転できるジンバ
ルにジヤイロを配置し、その直立軸の傾きを検出
するレベル感知装置を設け、最初に水平位置にな
るように自動的にジンバルを回転させる構造とし
たので、構造を簡単にすることができ、かつ精度
の優れたものとすることができた。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理にもとづくジヤイロコン
パスを示す概略図、第２図は第１図の装置のフイ
ードバツク制御の方式を示す概略図、第３図は、
第１図の装置に関連するベクトル線図、第４図は
第１図の装置の制御順序を示す流れ図、第５図は
第１図に示したジヤイロコンパスを代替するジヤ
イロコンパスを示す概略図である。 １０……ジヤイロ、１６……内側軸、１８……
ジンバル、２２……直立軸、３０，３２……レベ
ル感知装置、５０……制御装置、SP１……最初
の位置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 内側軸１６，２１６の周囲にジヤイロスコー
   プ１０，２１０を回動可能に支持しているジンバ
   ル上に装着されたレベル感知装置３０，３２，２
   ３０，２３２によつて北方位を決定する方法であ
   つて、この方法はレベル感知装置３０，３２，２
   ３０，２３２が内側軸１６，２１６の水平を指示
   するまで、ジンバル１８，２１８を回転させる過
   程と；内側軸１６，２１６の回りで回転されるジ
   ヤイロスコープの該スピン軸SA１，SAが水平位
   置に入つたとき、地球の水平方向の回転成分によ
   つてジヤイロスコープ１０，２１０に加えられた
   トルクを計測する過程と；ジンバル１８，２１８
   を180゜回転させる過程と；内側軸１６，２１６の
   まわりで回転されるジヤイロスコープ１０，２１
   ０のスピン軸SA１，SAが水平位置になつたとき
   に、地球の水平方向の回転成分によつてジヤイロ
   スコープ１０，２１０に加えられたトルクを再計
   測する過程とからなることを特徴とする北方位Ｎ
   決定方法。