JPS5947243B2 - 自動探北装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は角速度センサと加速度センサの出力を新規な方
法で処理して基準方位（北）を求める用途の広い自動探
北装置に関するものである。

従来化を求める装置としてはプラットホーム型慣性装置
、ストラップダウン型慣性装置、探北装置がある。

プラットホーム型慣性装置は直交する３軸上に角速度セ
ンサ及び加速度センサ６１個を固定したプラントホーム
を３又は４個のジンバルで支えセンサの出力を相互に使
用してジンバルを回転制御しプラントホームを水平にし
、その一軸を北に向けて静定させ、プラントホームを基
準として装置本体（その軸が機体の基準軸と合致させて
アル）の姿勢角をジンバルに設けた角度センサで読みと
っている。

本来航法に使用するもので水平としたプラントホーム上
の東西、南北及び上下に向いた軸上の加速度センサの出
力から、その方向ノ速度を求めこれによってプラントホ
ームを水平及び北に制御している。

従って制御精度は高いが機構及び演算制御回路が複雑で
高価であり、かつ角度を読み取ろうとすればその精度に
は限界があった。

次にストランプダウン型慣性装置は直交する３軸上に角
速度センサ及び加速度センサ６１個を固定した装置でそ
の装置の軸を機体の基準軸に合致させて機体に装着固定
し、これらのセンサの出力を相互に使用して水平面上の
東西、及び南北並びに垂直各軸を計算して求めて記憶μ
加速度センサのこれら垂直、水平各軸上の分力からその
軸上の速度を求め、これによって姿勢角を常に補正する
ように制御している。

この装置はジンバルがなく回転部分がないので構造は簡
単であるが。

上述の姿勢角を求めるのは総て計算によるため計算は極
めて複雑である。

制御精度は高く姿勢角は電気出力で得られるので指示器
を使用して比較的高い精度で読みとれる。

この慣性装置は本来航法装置でありその目的を達成する
ため直交３軸にそれぞれ角速度センサ及び加速度センサ
を配し、これらの出力を相互に使用するので、その回路
ま極めて複雑で高価であった。

探北装置として直交２軸上に加速度センサを、また何れ
か一軸上に角速度センサを固定した装置がある。

この場合はセンサ出力を使用して水平面上の２軸又は１
軸に対する角速度を求めそれによって北を求めている。

この方法は単に出力をオイラ角変換しているだけで制御
系を含まないので振動がある状態で使用する場合に誤差
が増大する欠点があった。

本発明の目的はこれらの欠点を除き、構成が簡単で、か
つ簡単な補正系を持たせる新規な発想に基づき振動のあ
る状態においても高い精度で、かつ外部からの操作を必
要とせず自動的に北を求めることができる安価な装置を
提供することにある。

すなわち、本発明に係る自動深化装置は、同一軸上に入
力軸を有する組の角速度センサ及び加速度センサをほぼ
水平面上に直交する２軸のそれぞれに前記入力軸を一致
させて２組を固定した構成物と、角速度センサが地球自
転の角速度を検出した分力角速度から同−組の加速度セ
ンサが重力の加速度を検出して得られる傾斜角に相当す
る地球自転の角速度の垂直成分の分力角速度による誤差
を補正し、その結果を時間積分して角度出力を求め、そ
の角度出力から他の組の加速度センサが重力の加速度を
検出して得られる傾斜角を補正する回路とを具備するこ
とを特徴とするものである。

以下本発明に係る実施例について、図面を参照しながら
詳細に説明する。

第１図は実施例の構成を示すブロック図で、センサユニ
ット１は互に直交するＹ軸及びＹ軸上にそれぞれその入
力軸を一致させて固定した角速度センサＩＩＸ、１ｉＹ
及び加速度センサ１２Ｘ、１２Ｙを有し、そのＹ軸を本
装置を搭載する機体の基準軸、一般には機体の進行方向
に伸びる軸に合致させている。

角速度センサ１１Ｘ、１１Ｙは１軸ジヤイロを用いる場
合を示し２個としたが、２軸ジヤイロ１個を用い２つの
出力を使用することもできる。

加速度センサ１２Ｘｊ１２Ｙは一般に１軸加速度計２個
を用いるが多軸加速度計を用いてもよい。

センサユニット１０角速度センサ１１Ｘｔ１１Ｙは地球
自転の角速度の分力を検出してＸ軸角速度ωｘ ”ｙ
Ｙ軸角速度ωＹを加速度センサ１２Ｘｊ１２Ｙはその位
置における水平からの傾斜角に応じた地球重力の加速度
の分力を検出してＸ軸力醐度ａ Ｘ 、 Ｙ勅諭速度ａ
ｙを出力し、それらをデータ処理部２において演算処理
しＹ軸の方位角Ｗを出力する。

すなわち本装置のＹ軸が地球の基準方位北から何度の方
位角に向いているかが連続して方位角１として出力され
る。

その詳細は第４図を用いて後述する。電源ユニット３は
センサユニット１及び演算処理部２に必要な電源を外部
電源３１から作りそれぞれ供給スる。

さて本装置のセンナユニット１はそのＹ軸、Ｙ軸のなす
面が水平であることが測定精度を高める上で望ましいが
、一般に多少の傾斜角を持つと考えなげればならない。

今第２図に示すように水平面上で地球の北Ｎと方位角Ｗ
をなしてＸｏＹｏ 座標が置かれているとし、更に第３
図に示すようにＹ軸が水平面上のＸ。

軸と傾斜角θをなしまたＹ軸がＹｏ軸と傾斜角φをなし
て傾いているとすると、角速度センサー１Ｘの出力ωえ
は地球自転の水平分力Ω、の分力ΩＮＣ０９Ｖ／ＣＯＳ
θ と垂直分力ΩＶの分力Ωｖｓｊｎθを含みωＸ＝Ω
ＮＣ０５ＦＣＯＳθ＋Ωｖｓｉｎθで表わされる。

一般に本装置を使用する場合においてＸＹ座標はほぼ水
平であってθ≦３°である。

従ってｃＯ８θ”：”１ｊｓｌｌｌθキθとしωＸキΩ
Ｎ ＣＯ３Ｆ＋ΩＶθとして略算しても方位角１に大き
な誤差の原因となることはない。

Ｙ軸の角速度センサーｌｙに対するＹ軸の水平面からの
傾斜角φについても同様に略算すればωＹキΩＮ５ｉＨ
Ｆ＋ΩＶφとなる。

さて第４図においてＸ勅諭速度センサー２ｘの出力ａＸ
を乗算器２１において重力の加速度ｇで除して傾斜角θ
を求め地球自転の角速度Ωの垂直分力ΩＶθを求める。

Ｘ軸角速度センサー１Ｘの出力ωＸは地球自転の角速度
ΩのＸ軸方向の分力ωＸで前述のとおり略算してωＸキ
ΩＮＣＯ５”十ΩＶθ であるから加算器２２でωＸか
らΩ■θを減算した結果はΩＮｃｏｓｖとなり第３図に
示すＸｏ輪軸上角速度ω。

＝Ωｖ ｃｏｓ ｖを求めたことになる。

これを積分器２３により時間積分咋）とすると角度Ａ
＝ΩＮＣ０８Ｆ−ｔが得られる。

これはＸＹ座標系が静止した状態であるが、通常ＸＹ座
標系には振動があり、Ｙ軸、Ｙ軸廻りに回転運動が入っ
ている。

Ｙ軸について述べると、Ｘ軸角速度センサー１ｘはこの
振動回転による角速度ωＸＳをも検出するが、 これが
積分器２３で時間積分（ト）された結果は丁度Ｙ勅願速
度センサー２ＹがＹ軸の振動回転による出力ａｙｓを乗
算器２４により重力の加速度ｇ℃余して得られる傾斜角
φＳと時々刻々等しくなるので、これを加算器２５にお
いて補正すれば振動による誤差は除かれる。

ここが本発明における要点である。

しかしＹ勅願速度計１２Ｙの出力ａｙは初期のＹ軸の水
平面からの傾斜角φに相当する出力ａｙｏをも含みａＹ
＝ａＹｏ＋ａｙｓであるから乗算器２４において出力ａ
ｙｏは重力の加速度ｇで除してφとなり加算器２５で補
正されるので加算器３０の出力ＡはＡ＝ΩＮＣＯ５”・
ｔ＋φとなる。

同様にしてＹ軸について加算器２５の出力ＢはＢ＝−Ω
Ｎ５石１・ｔ＋θとなる。

Ａ及びＢは時間により変化する頃と一定項とよりなり、
例えば１秒毎の増加分はＡの増加分二〇ＮＣＯ３” ｊ
Ｂの増加分＝−ΩＮ５ｉｎ’ｌ’である。

従ってとして求められる。

演算部２の計算器３１によってＡ及びＢの増加分を例え
ば１秒ごとに求めて演算しＷを出力させれば１秒ごとの
１の値が連続して求められる。

以上は実施例を原理的に述べたが高精度で演算するため
具体的には、 センサー１Ｘ、１１Ｙ、１２Ｘ、１２Ｙの出力を■乍変
換器などでデジタル化して行なう、この場合センサー１
Ｘｔ１１７のデジタル出力は角度のディメンション、セ
ンサー２Ｘ、１２Ｙのデジタル出力は速度のディメンシ
ョンであり上述のように回路２Ｌ２２，２３，２４，２
５及び２６゜２７．２Ｂ、２９．３０において同じディ
メンションに合せて処理するとその結果は加算器２５゜
■ ３０の出力としてそれぞれ予ΩＮＣ０３Ｆ ｔ＋ｋｌ
ｔ及び−ヲΩＮ５ｉ１１Ｆｔ２＋に２ｔを得る。

ここにに１゜ｋ２は時間に比例して増加する項の係数で
ある。

この結果を計算器３１で最小自乗法を用いて積分１ 時間ｔの２乗の項の係数−〇ＮＣＯ５”及び−ΣΩＮ５
ｉＴＩＦ を抽出し、これを前述のようにＡの増加分
。

Ｂの増加分として用い１を求める。

なおＡ及びＢの増加分から地球自転の垂直角速度分力Ω
ＶはここにｔはＡ、Ｂの増加分を求める単位時間、とし
て求められる。

加算器２１．２６に用いたΩＶは測定地点の緯度が既知
として求めているが、上記のΩＶが求められることを利
用して緯度が不明の場合に棚略の緯度を仮定して加算器
２１．２６にΩＶを与え求められたΩＶを繰返し入れて
ΩＶを求めることにより正しいΩＶを求め、逆に緯度を
求めることも可能である。

第４図の加算器２５゜３０において行なう補正の符号が
Ｙ軸では加算。

Ｙ軸が減算となっているのは加速度センサ１２Ｘ。

１２Ｙの傾斜方向によって出力を正、負として処理して
いるためで、加速度センサ１２Ｘ、１２Ｙの軸への取り
付は方法によっては逆になることもある。

以上の説明から明らかなように本発明によれば従来例の
慣性装置のような複雑な構成でなく簡単な構成の安価な
装置で、新規な信号処理を簡単な補正系で行ない、振動
のある状態において誤差を相殺することができ高い精度
で自動的に連続的に北を求めることができる等実用上の
利点と効果は極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図から第４図までは本発明に係る実施例の説明図で
、第１図は構成を示すブロック図、第２図、第３図は装
置の座標軸と地球上の水平座標軸との関係の説明図、第
４図はセンサの出力信号の処理を示すブロック図である
。 Ｘ、Ｙ・・・・・・装置の直交座標軸（直交２軸）、Ω
・・・・・・地球自転の角速度、Ω、・・・・・・同じ
く北方向の水平角速度分力、ΩＶ・・・・・・同じく垂
直角速度分力、ｇ・・・・・・重力の加速度、１１Ｘ、
１１Ｙ・・・・・・角速度センサ、１２Ｘ、１２Ｙ・・
・・・・加速度センサ、２１゜２４．２６，２９・・・
・・・乗算器、２２，２５，２７゜３０・・・・・・加
算器、２３，２８・・・・・・積分器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 同一軸上に入力軸を有する組の角速度センサ及び加
   速度センサをほぼ水平面上にて直交する２軸のそれぞれ
   に前記入力軸を一致させて２組を固定した構成物と、前
   記角速度センサが地球自転の角速度を検出した分力角速
   度から同−組の前記加速度センサが重力の加速度を検出
   して得られる傾斜角に相当する地球自転の角速度の垂直
   成分の分力角速度による誤差を補正し、その結果を時間
   積分して角度出力を求め、その角度出力から他の組の前
   記加速度センサが重力の加速度を検出して得られる傾斜
   角を補正する回路とを具備することを特徴とする自動探
   北装置。