JPS595845B2 - 真北基準装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は自動的に水平を維持しているジャイロスコープ
の真北基準装置に関する。

当業者には多くの形式の採乳ジャイロコンパスが知られ
ている。

その１つの形式の採乳ジャイロコンパスはそのスピン軸
が水平方向にある懸垂形ジャイロスコープである。

この形式のジャイロスコープは地球の回転の下で歳差運
動をしそのスピン軸が真北を向くようになる。

このような機構において、ジャイロスコープは南北子午
線を横切って前後に振動することが可能にされている。

しかし、このようにして得られる真北方向の精度は、た
とえばジャイロスコープの懸垂手段の摩擦のごとき誤差
トルクによって制限を受ける。

このようなトルクはジャイロスコープを垂直軸のまわり
で回転させて北方向からずらせてしまう。

このトルクの大きさは簡単には求まらないが、多くの実
用例では一定値であると仮定されている。

またこのような機構では真北の方向のまわりで振動する
性質があるために、真北の方向を１の指示が得られるの
に要する最小時間は少（とも振動の一周期となる。

またこの周期はスピン軸を真北に設定したときの初期誤
差にも依存する。

他の形式の採乳ジャイロコンパス・システムが米国特許
第３，２２２，７９５号に示されている。

この方式による装置は３つのジャイロスコープを持つ慣
性系の台を含んでいる。

台はサーボ機構によって局地的水平方向に保たれている
。

さらに１つのジャイロコンパスの検出軸は、最初コンパ
ス等を用いてはゾ東−西方向に設定されていなければな
らない。

慣性系台にジャイロスコープ、サーボ機構及び付随する
電子回路を設けねばならないこと、及び外部的なコンパ
スを用意する必要があることにより、この装置のコスト
とサイズが大きなものになってしまっている。

本発明によるジャイロコンパスは、揺動装置としての浮
き機構上に懸架された状態で動作するジャイロスコープ
を提供することによって従来技術における上記及び他の
欠点を除去している。

浮き機構は任意の水平軸のまわりで回転は自由にできる
が、垂直軸のまわりでの回転は禁止されている。

ジャイロスコープは浮き機構上に、そのスピン軸が実質
的に垂直となるよう固定されている。

方位における浮きの回転を禁することによってジャイロ
スコープとそれが浮いているケース（ハウジング）との
間の正確な方位関係が維持される。

水平軸のまわりで自由に回転できるために、ジャイロス
コープのスピン軸は垂直を維持することができ、水平軸
のまわりの有害な力がジャイロには伝えられない。

ジャイロスコープの方位基準線と真北との間の角度は、
地球の回転角速度の水平成分によって水平検出軸のまわ
りでジャイロスコープに生じる歳差運動を阻止するのに
必要なトルクの大きさを測定することによって得られる
。

この阻止トルクは局地的垂直軸のまわりで既知の角度だ
け異なる２つの方向のジャイロスコープの水平検出軸の
各々について測定される。

ジャイロスコープは自由度２のものが望ましく、相互に
直交する２つの水平検出軸において阻止トルクが同時に
測定される。

方位に対して回転できない浮きの上に取りつけられたジ
ャイロスコープは、三脚又は他の台の上で動作されると
きにジャイロコンパスのケースが受ける水平軸のまわり
の回転の影響は受けない。

浮揚液体の表面に応じて動く浮き機構にジャイロスコー
プをとりつけることは、相互に直交する２つの検出軸に
ついて地球の回転角速度の水平成分に対し最大の感度を
もたらす。

なぜならば浮き機構によってジャイロスコープのスピン
軸が局地的重力ベクトルと平行に維持されるためである
。

従ってジャイロコンパスのケースが数度水平からずれて
いてもジャイロコンパスの充分な性能が得られる。

本発明において、歳差運動を阻止するのに必要なトルク
が相互に直交する２つの検出軸に関しある単位時間にわ
たって印加される。

次に浮き機構の方位がケースに対して正確に１８０°回
転される。

それから２つの検出軸に対する阻止トルクの２回目の測
定が行われる。

最初の方向に対して地球の回転角速度の水平成分を測定
し、次にその直後にこれと１８０°違った方向の成分を
測定する。

これらの測定値は、ジャイロスコープの検出軸の方向と
真北との間の角度を求めるため結合される。

２つの方向の測定値のこのような結合は、地球の回転角
速度の水平成分については２倍されるか、バイマス・ド
リフトやジャイロスコープの検出軸と重力ベクトルとの
非直交性などのジャイロスコープについての相互に関連
し合っている誤差については相殺する。

このよう誤差が相殺されるため、短時間の安定性のみを
持ったジャイロスコープを用いることができる。

本発明は以下に示した実施例の説明と図面とによってよ
り良く理解されるであろう。

第１図は本発明の装置に関連する原理を説明している。

真北に対して、点Ａから点Ｐへの方位を見い出す必要が
あるものと仮定する。

軸０１は点Ａからの真北の方向である。

軸＋Ｙは水平面上でジャイロコンパスによって設定され
る基準方向である。

軸＋Ｙは任意の水平方向に選ぶことができる。

角αは軸＋Ｙと真北との間の角度であり、本装置によっ
て測定される。

方向線ＡＰは点Ａから点Ｐを見た視線である。

角βは軸Ｙと方向線ＡＰとの間の角度である。

角βは経緯儀のごとき外部装置によって測定される。

角度θ は真北に関し点Ａから点Ｐへの方向の方位角で
ある。

この時次式が成立する。

角αは角速度検出装置の検出軸のまわりの点Ａにおける
地球の回転角速度の水平成分を測定することによって得
られる。

この角速度検出装置は、局地的垂直軸のまわりの検出軸
の回転を防止するようにされているジャイロスコープで
ある。

地軸のまわりの地球回転角速度は、北極から地軸の方向
へのベクトルであり、地球表面のそれぞれの緯度線にお
いて異なって経験されるものである。

地球の任意の点における地球角速度ベクトル（地球回転
ベクトル）は、水平及び垂直成分に分けることができる
。

本明細書では地球（回転）角速度ベクトルの水平成分を
「水平地球（回転）角速度ベクトル」そして垂直成分を
「垂直地球（回転）角速度ベクトル」と称する。

水平地球角速度ベクトルの大きさは緯度の余弦関数とし
て赤道から極までの間で変化する。

真北に関して軸Ｙの方向を決定するべく本発明に従って
測定されるのは水平地球角速度ベクトルである。

水平地球角速度ベクトルは真北の方向を向いている。

水平地球角速度は互いに直交した２軸上に沿った成分と
して測定される。

本明細書では水平地球（回転）角速度の２つの交わる軸
上において測定された各々を、「水平地球（回転）角速
度の成分」と称する。

この２軸の任意の１つと北すなわち水平地球角速度ベク
トルの方向との間の角度は、これらの成分から求められ
る。

第２図において、これらの成分は直角三角形の直角をは
さむ２辺を成し、水平地球角速度ベクトルは斜辺を成し
ている。

測定された成分の１つと北との間の角度は、逆正接が逆
余接の関係から求められる。

水平地球角速度ベクトルの各成分は同時に、あるいは１
つづつ測定することができる。

図示した実施例においては、水平方向に置かれ互いに直
角な検出軸に関して、自由度２のジャイロスコープの角
変位を阻止するに要するトルクの大きさを測定すること
によって、各成分は同時に求められる。

もし地球角速度の効果が相殺されていない場合は、ジャ
イロスコープは検出軸のまわりで歳差運動を起す。

以上述べた原理を数式の形で表わすと次の通りである。

ここで、ΩＨ−水平地球角速度 α−真北と基準軸Ｙとの間の角度 Ｃ’ＸｊＱｙ−角速度測定装置によって 測定されるＸ軸及びＹ軸のまわりの角 速度（水平地球角速度の各成分） あるいは 本発明による装置を地球表面上の地点の緯度を決定する
ためにも使用することができる。

式（２）及び（３）から こ〜でαは、式（５）から得られる。

ゼロで割り算を行うことを避けるため、水平地球角速度
は次のように表わすものとする。

こ〜でα〉４５゜ こへでα＜４５゜ 地球表面上の地点の緯度は地球角速度ベクトルΩとその
水平成分ΩＨとの間に次のような関係を持っている。

こ又でΩ＝地球角速度ベクトルの振幅 ΩＨはΩの水平成分 λ−地球の表面上の地点Ａの緯度 式（５）及び（６）はＸ及びＹ検出軸が互いに直交して
いる特別な例において成立する。

しかし、本発明の原理は、水平面内で互いに直交せず互
いにある角度γを成す２本の検出軸について水平地球角
速度ベクトルの各成分を測定する場合にも、同様に適用
できる。

第３図により一般的な場合について図示する。

第３図において、角αは真北とＹ測定軸との間の角度で
ある。

水平地球角速度ベクトルの２つの成分ら及び公、と角α
との関係から、以下の式（１０）から（１５）までが導
かれる。

第４図に検出装置８の一実施例の断面図を示す。

外枠１０は、ボールベアリング１４上で回転できる内枠
１２を支持している。

内枠１２はつまみ車１６によって少くとも１８０°回転
できる。

内枠１２はシールドされており、密閉されていることが
望ましい。

環状体の形をした浮き１８は浮揚流体２０によって内枠
１２の内部に維持されている。

液体２０は水あるいは水銀あるいはその他の適当な液体
でよい。

橋状素子すなわちふた２２は角速度検出装置２４を支え
るために、浮き１８の上部に固定されている。

浮き１８の直径は、選択した液体中で十分な回復モーメ
ントすなわち振り予力を生ずるように設定される。

この浮き１８とふた２２で揺動装置を構成している。

角速度検出器２４は回転内部車輪を持つジャイロスコー
プが望ましいが、他の形の角速度検出装置、すなわち、
各々米国特許第３，４３３，５６８号及び第３，１０３
，６２３号に見られるようなリング・レーザー・ジャイ
ロスコープあるいは核磁気共鳴ジャイロスコープのよう
な装置を使用することもできる。

ジャイロコンパスは、現在使用できる最も小さい角速度
検出器であることと、希望する性能を持つことから優れ
ている。

角速度検出装置２４がジャイロスコープである実施例に
おいては、第４図のようにジャイロスコープはそのスピ
ン軸２５が実質的に垂直方向になるように設定される。

内枠１２と外枠１０が水平軸のまわりに小さな角度変位
を生じてもスピン軸の方向に影響しない。

液体は水平面を維持するから橋状素子２２も水面内に常
にあり、その素子２２に関して常に直角を保っているジ
ャイロスコープのスピン軸２５は垂角力向に維持される
。

ジャイロスコープは、検出軸２７のまわりの角速度を検
出するピックオフセンサ（図示していない）と、検出軸
２９のまわりの角速度を検出する他のピックオフセンサ
（図示していない）とを含んでいる。

軸２５，２７及び２９は互いに直交している。

さらにジャイロスコープは、検出軸２９と２７の夫々の
まわりでジャイロスコープに歳差運動を与えるための第
１のトルク発生器（図示していない）と第２のトルク発
生器（図示していない）を含んでいる。

各ピックオフセンサは、慣性車輪の軸とジャイロスコー
プのケースとの角度のずれを検出し、このずれに比例し
た電気信号を発生する。

このピックオフセンサは、ジャイロスコ−プ内の機械運
動を関連の外部回路を駆動するのに適した電気信号に変
換し、そして非常に小さな角度のずれ及び明確に特定さ
れ（り返し可能な零状態とを検出できる分解能を持つ。

各トルク発生器の機能は、電気信号に比例した機械的ト
ルクを発生することである。

このトルクはジャイロスコープのスピン軸の方向をきめ
るのに用いられる。

ジャイロスコープの方向の定常状態は、ピックオフから
の電気信号がゼロとなるようにジャイロスコープにトル
クを加えることにより保たれる。

このようなジャイロコンパスの動作の特徴について以下
に詳しく述べる。

角速度検出器２４への電気的接続はリード３４によって
行われる。

抑止手段としてのダイヤフラム３６が橋状素子２２と内
枠１２の内部壁面との間に接続され、角速度検出器２４
がその垂直軸のまありに回転するのを防いている。

このように、角速度検出器２４は、水平軸のまわりには
小さな角度だけ回転できるが、垂直軸のまわりには回転
できない。

鏡３８は、検出軸２Ｔ又は２９のいずれかに関し基準水
平方位を設定するための手段として設けられている。

第４図では、検出軸２７が鏡３８の表面と直交している
。

よって、検出軸２７の基準方位は経緯儀のような外部光
学手段を用い、自動照準又は自動反射技術によって決め
ることができる。

自動照準の場合、外部の経緯儀（図示していない）から
光ビームが鏡に当てられる。

経緯儀は、反射された光ビームが経緯儀の十字線のとこ
ろで観測される位置に置かれる。

この方法において、検出軸２７の方向が経緯儀に基準方
位角を与える。

検出軸２７のこの基準方位角に対する他の方位角は経緯
儀を回転させることによって得られる。

式（１）の解が真北、に対する方位角の測定値を与える
。

第５図で、バネ状の素子４０はもどり止め４２と止めピ
ン４４とを有し、内枠１２と外枠１０との間で必要な方
位関係を維持するための手段になっている。

この装置を操作する時には、内枠１２は初期方位角に対
して９０°、１８０°及び２７０°だけ回転される。

複数個の止めピン４４が内枠１２のまわりにはシ一定の
間隔で設けられ、内枠１２を外枠１０の素子４０の方位
に対して既知の角度に設定することができる。

内枠１２は、つまみ車１６によって回転させることがで
き、このとき止メピン４４は素子４０上をすべる。

止めピン４４がもどり止め４２の位置に来ると、素子４
０のバネ動作によってピンはもどり止めに入る。

表面４６は水平面であり、この計測器を三脚又は他の台
に固定できるものである。

外枠１０は表面４６にネジ穴４８を有し、これで三脚に
固定することができる。

表面５０は、別の読み取り器として経緯儀をこの表面の
上に固定することができる水平面である。

ネジ５２及び５４はこれを行うものである。

第４図及び第６図に示したように、浮き１８上のピン５
５は、腕木５６の穴に通されて、ジャイロコンパスが使
われていない時に軸２５のまわりの動き及び横方向の移
動を制限している保護用係止部材である。

第７図は、別の浮き装置の構成の平面図を示すもので、
これを浮き１８及びダイアフラム３６の代りに用いるこ
とができる。

第７図の浮き５８は拘束バー６０及び６２によって腕木
５６に接続されている。

拘束バー６０及び６２は、浮きが垂直軸のまわりに回転
することを防止しているが、水平軸のまわりの回転は可
能ｔこしている。

第８図は、真北と測定器の基準方向との間の角度を計算
するための回路のブロック図である。

図の実施例では、基準方向はジャイロスコープの２つの
検出軸の一方の方向である。

いずれの検出軸でも基準方向として用いることができる
。

ジャイロスコープとその制御装置６４は、自由度２のジ
ャイロスコープ６６、Ｙトルク用バランス・ループ６８
、Ｘトルク再バランス・ループ７０及びスピン電源７２
を含んでいる。

ジャイロスコープ６６は米国特許第３，６７８，７６４
号又は第３，９４３，７７８号で述べられているような
同調回転子ジャイロスコープが使える。

本発明の実施例のために最適なジャイロスコープの性質
としては、サイズが小さいこと、電力消費が少いこと、
短時間安定性が良いこと、温度特性が良いこと、及び低
価格であることである。

ジャイロスコープ６６のスピン軸は内枠１２内の浮き１
８によって実質的に垂直に維持されているため、ジャイ
ロスコープの重力による影響は余り問題とならない。

また、同調回転子ジャイロスコープでは、スピン軸に沿
って加速に対する質量不平衡の影響も無い。

このような同調回転子ジャイロスコープの特性は、特に
本発明の実施例に適している。

同調回転子ジャイロスコープは、そのスピン軸と直交す
る方向の加速度のみの影響を受ける。

本発明の実施例では、そのような加速は受けないため、
質量不平衡のための微調整や温度特性のための制御は必
要としない。

ジャイロスコープを選ぶ時に最適化すべき他の性質とし
ては、パルス状にトルクを力■えるトルク発生器のスケ
ールファクタ、低温度特性、及び運搬される場合の遠視
に耐えうる構造的ながん丈さである。

Ｘ及びＹトルク再バランス・ループ６８及び７０は同じ
回路であり、ジャイロスコープ６６の外枠１０の検出軸
２７及び２９のまわりでの角度変位を相殺するためのも
のである。

トルク再バランスループは米国特許第３，０６２，０５
９号に示されている。

測定器を停止した位置で動作させるために三脚に固定し
たとき、ジャイロスコープによって検出される外部角速
度は地球の回転によるもののみである。

水平で相互に直交している検出軸の各々は、水平地球角
速度ベクトルの各成分の方向となる。

ジャイロスコープは、水平地球角速度ベクトルの軸２７
及び２９に沿った２つの成分の大きさの関数として、そ
の検出軸のまわりに歳差を起こそうと試みるが、真北に
対する軸２１及び２９の方向とは無関係にこれを行う。

ピックオフセンサの出力電圧はジャイロスコープのピン
クオフ・コイルの一次側印加される。

ジャイロスコープのケースが慣性車輪に対して回転する
と、ピックオフ信号が生ずる。

このピックオフ信号は、対応するトルク再バランス・ル
ープに印加され、そこでパルス・トルク信号が作られる
。

このパルストルク信号はジャイロスコープの対応するト
ルク発生器に印加され、それによってジャイロスコープ
、すなわち慣性車輪に対し特定の検出軸のまわりでの地
球角速度成分の方向と同じ方向に歳差運動を生せしめる
。

この結果、ジャイロスコープの慣性車輪はジャイロスコ
ープのケースの固定座標に関し検出軸のまわりでの動き
をしないようにしている。

ピンクオフ信号がゼロとなり、水平地球角速度のある成
分による歳差運動に逆らうのに必要なトルク信号におけ
る単位時間当りのデジタルパルス数が水平地球角速度の
その成分の大きさの測定値となる。

水平地球角速度のその成分の大きさは、地球角速度の全
水平成分の大きさに対して既知の三角関数として変化す
ることが知られており、また水平地球角速度は真北の方
向を向いているから、上記のパルス数によって検出軸と
真北との間の角度を計算することができる。

計算回路７４は可逆カウンタ７６、集積回路計算装置７
８、アンプ８０、アルファ角ディスプレイ８２、緯度デ
ィスプレイ８６、カウンタ逆転スイッチ８８、カウンタ
９０及びタイミングパルス発生器９２を含んでいる。

図の実施例の動作について考えるとき、軸２５は実質的
に垂直であり、軸２７はジャイロスコープ６６のＹ軸で
あり、軸２９はジャイロスコープ２４すなわち第８図の
６６のＹ軸である。

第２図に示したように、Ｙ軸２１及びＸ軸２９は任意の
水平方向に向けることができる。

角速度検出器の検出軸と真北との間の角度αは、水平の
停止している検出軸のまわりの角速度を測り、次にこの
検出軸と直交している水平の停止した検出軸のまわりの
角速度を測定することによって得られる。

測定器は１ケの検出軸のみを持ち測定ごとにその方向を
変えることもできるし、また相互に直交する２つの検出
軸を持つこともできる。

後者の場合には同時に測定可能である。

こめ装置によって検出される角速度は、地球の地軸のま
わりにおける回転角速度の水平成分即ち水平地球角速度
の２つの検出軸方向の成分であり、これらは△ 式（２）及び（３）で定義される。

測定された成分ω、及△ び吟から、検出軸と真北との間の角度αを計算すること
ができ、このことは式（５）及び（６）に示されている
。

本発明の実施例においてこれらの測定を行う場合の数式
はより複雑であり、誤差を除去できるように拡張されて
いる。

第９，１０及び１１図は、検出軸と真北との間の角度を
計算する時に混入される主な語差の原因を示している。

第９，１０及び１１図は、第１図及び第２図で定義され
た。

水平地球角速度ΩＨ１角α、Ｘ及びＹ検出軸を示してい
る。

第１０図及び１１図は地球の回転角速度の垂直成分即ち
垂直地球角速度をΩＶとして示している。

第９図はＹ軸とＹ軸との間に直角からのずれδが生じた
場合を示している。

図に示した軸角度の誤差は説明のために大きく書いであ
る。

第１０図は、スピン軸２５がＹ方向に垂直から傾斜した
ことによって生じたその傾斜角ξを示している。

第１１図はスピン軸２５のＸ方向への垂直からの傾斜角
γを示している。

これらの角度も説明のために大きく書いてあり、通常こ
れらの角度は小さいが、角度αの計算の精度には重要な
影響を与える。

他の起り得る誤差の原因としては、ジャイロスコープに
固有の偏りがある。

すなわち、検出軸のまわりでドリフトするジャイロスコ
ープの個有の傾向は、水平地球角速度により生じる歳差
運動からピックオフ信号によって区別され得ない。

このようなドリフトも上述したようなトルク信号を印加
することによって相殺されることになる。

従って、このようなジャイロスコープのドリフトが補償
されていないと、トルク信号はジャイロスコープのドリ
フトの大きさの関数である誤差を含むことになる。

ジャイロスコープのドリフトの影響を補償するためには
、式（２）及び（３）で定義された水平地球角速度ΩＨ
の各成分を、まず第１の水平方向において検出軸Ｘ及び
Ｙについて測定し、次にＸ及びＹ軸を１８０°反転させ
た方向について測定すればよい。

しかし、この軸を逆転させた２回目の測定を行なわない
で（５）又は（６）式に従って動作する装置も本発明の
範囲内にある。

次に示す式（１６）乃至（２８）は、拡張された測定手
順がいかにして起り得る最も重要な誤差を除去している
かを示している。

式（１６）乃至（２８）で使われている記号は次の表１
に定義されている。

表１ α：北（ΩＨ）とＸトルク発生器軸との角度δ：ＹとＸ
トルク発生器軸の間の角度について直角からのずれ ξニスピン軸のＹ方向への傾斜角 γニスピン軸のＸ向上への傾斜角 εｘ：Ｘ軸のまわりのジャイロスコープの偏りドリフト
率 ε、：Ｙ軸のまわりのジャイロスコープの偏りドリフト
率 （ε、及びε は時間Δｔに較べると大きな相関時間を
持った任意のドリフト率を表わす。

）ＳｆＸ、Ｓｆｙ：トルク発生器のパルスのスケール・
ファクタ 膏 、す：時間Δを内で累積されるパルス数 ｙ Δｔ：各位置（０°及び１８０°）におけるパルス累積
時間 ΩＨ：水平地球回転角速度 ΩＶ：垂直地球回転角速度 ζ：１８０°回転させる時に行き過ぎる角度装置は最初
三脚（図示していない）に固定され、さらに経緯儀が表
面５０上に置かれる。

経緯儀の方位は、ジャイロスコープ２４の検出軸２７及
び２９すなわちＹ軸、Ｙ軸と既知の関係なある。

表面５０は実質的に水平面になっている。

浮き１８はジャイロスコープ２４の検出軸２７及び２９
を水平にする。

次に、慣性系に対してジャイロスコープの検出軸を固定
した変化のない関係に維持するために必要なトルクにつ
いて同時的であるが個別な測定がなされる。

すでに述べたように、水平地球回転角速度の成分ジャイ
ロスコープ個有なドリフトとの両方が、その検出軸の一
方又は両方のまわりについて検出される。

図の実施例では、両方の検出軸のまわりのジャイロスコ
ープの歳差運動が、デジタル形式で印加された逆トルク
によって阻止される。

いうまでもなく、このトルクはアナログ形式で印加する
ことも可能である。

Ｘ郁よびＹ軸のまわりで検出される回転角速度は、単位
時間当りのトルク・パルス数を計数することによって得
られる。

図の実施例では、第８図のカウンタ９０がパルス発生器
９２からのパルスを計数し７て、正確な計測周期を与え
ている。

可逆カウンタ７６は、３０秒間に、Ｘトルク発生器に印
加されるパルス数及びＸトルク発生器に印加されるパル
ス数を計数する。

しかし、この計数時間は３０秒より長くとも、また短く
とも良い。

０°位置におけるＹ軸を有するジャイロスコープに印加
されるパルス数は、式（１６）に示す水平地球角速度に
関連している。

この０°位置は、検出軸２７及び２８が＋Ｙ及び＋Ｘ方
向にある位置として定義される。

たゾし第１０及び１１図に示した誤差は含まれている。

各パルスはある角度ジャイロスコープに歳差運動を与え
ジャイロスコープの歳差をその角度だけ相殺する。

このトルクの方向はパルスの極性によって決まる。

臼型的なスケールファクタは１パルス当りはＷｏ、０４
秒（１／３６００度）である。

いいかえれは、１つのパルスは０．０４秒の角度だけそ
れが印加される軸のまわりでジャイロスコープに歳転ス
イッチ８８はＯ。

位置においてセットされる。

この位置では、可逆カウンタは正のパルスによって加算
され、負のパルスによって減算される。

０°位置で正のハルスカ歳差を相殺するものと比定する
。

式（１６）は式（２）に基づいているが、簡単な式には
含まれていなかった誤差項を含んでいる。

たとえば、式（２）の項ΩＨｃｏｓ（ωは、スピン軸が
Ｙ方向に傾斜角を持つと、角ξの余弦を含むことになる
。

このような傾斜角は装置をキャリプレートする際に見つ
けることができる。

もしこのような傾斜角があると、垂直地球角速度の成分
Ωｙ ＳｉｎξがＹ軸に現れる。

ε はＹ軸のまわりのジャイロスコープの固有の偏りと
他の誤差との和を表わす。

式（１６）の第１項及び第３項の例は第１０図に示され
ている。

同じ３０秒の計測周期△ｔにおいて、Ｙ軸のまわりの回
転角速度成分がその周期の間にＸトルク発生器に印加さ
れるパルス数を計数することによって得られる。

Ｙ軸のまわりで検出された回転角速度と、地球角速度の
水平成分Ω との関係が（１７）式に示されている。

式（１７）は式（３）に基づいているが、やはり誤差項
を含んでいる。

角度（α−δ）は、Ｙ及びＹ軸の間が直角からずれｒて
いる分だけαと異っている。

また、Ｙ軸に沿って検出される角速度は、Ｙ方向におけ
るスピン軸の傾斜角γの余弦関数になる。

垂直地球角速度成分は、スピン軸のＸ方向への傾斜角の
正弦関数として検出される。

項ε、はＹ軸のまわりにおけるジャイロスコープ固有の
偏り及び他の誤差を表わしている。

式（１７）の第１項及び第３項の例が第１１図に示され
ている。

次にジャイロスコープ、浮き及び内枠１２はつまみ車１
６を回すことによって１８０°回転される。

この後数秒たつと、ジャイロスコープは安定して。

測定可能になる。

次に、このようにＸ、Ｙ軸を１８０°回転させた状態で
、同じ３０秒周期について前と同じ測定が行われる。

すなわち、１８０°位置では、軸２７及び２９は第９図
の方向とは逆になっている。

いいかえれば軸２７及び２９は−Ｙ及び−Ｘの方向にあ
る。

たゾし第１０図及び第１１図に示した誤差は含まれてい
る。

カウンタ逆転スイッチは１８０゜位置に切り換えられる
。

この状態では、カウンタはアップ・カウントではなくダ
ウン・カウントする。

すなわち、１８０°位置のＹ軸のまわりの角速度の測定
値がＯ°位置におけるＹ軸のまわりの測定１値から減算
され、１８０°位置におけるＹ軸の測定値が、０°位置
のＹ軸の測定値から減算される。

式（１８）及び（１９）は、Ｘ及びＹ検出軸のまわりで
ジャイロスコープにトルクを与えるパルスの数とこれら
の軸で検出される水平地球角速度の成分の関係を示して
いる。

０°位置ではＸ及びＹ検出軸の両方のまわりにトルクを
与えるため正のパルスが発生されるものと仮定している
。

１８０°位置では、水平地球角速度ベクトルの成分の方
向は逆になっているためこれらの成分を相殺するよう負
のパルスが発生されている。

可逆カウンタ７６は０°位置では正のパルスに応動して
アップカウントし、１８０°位置では負のパルスによっ
てアップカウンタし続ける。

１８０°位置ではカウンタの方向を逆にすることにより
、０°位置の２つの３０秒周期の第１番目で計算された
パルス数から１８０°位置の２つの３０秒周期の第２番
目で計数されたパルス数が計算される。

式（２０）及び（２１）はそれぞれ式（１６）から式（
１８）を引いたもの、及び式（１７）から式（１９）を
引いたものを示している。

誤差項のいくつかは０°及び１８０°位置において同じ
極性すなわち方向を持つため、相殺されてしまう。

すなわち偏りの項と、地球の回転角速度の垂直成分の関
数である項は消去される。

本装置の動作に関連して数式を示したが、本装置によっ
て実行される数学的操作は可逆カウンタによって２つの
パルス列を計数するのみであり、２つの３０秒周期の第
２番目の終了時に最終的なデジタル計数値かえられる。

２つの３０秒周期の間にＸとＹ軸のまわりでジャイロス
コープにトルクを与えるパルスの数のこの最終的計数値
は、夫夫式（２２）及び（２３）が示すように検出され
た水平地球角速度ベクトルの各成分に関連する。

水平地球角速度ベクトルの検出された成分とＹ軸と真北
との間の角度αとの関係は式（４）に示されている。

角αについて解くには、式（’２１）を式（２０）で割
れば良い。

式（２４）はその結果を示している。

Δを及び緯度の関数であるΩＨとは、この割算で消去さ
れていることに注意されたい。

次に、この式に一次近似を施す。

角度γ、ξ。δ、ζはすべて１よりはるかに小さい。

式（２４）はそのまＮでαについて解くこともできるが
、実用的には重要でない項は落とすことができる。

式（２４）を簡単にすると式（２５）になる。

式（２４）はｔａｎαについて解かれる。

計算を簡単にするために、集積回路７８は、Ｙ軸のまわ
りトルクを与えるパルスの最終的な数をＹ軸のまわりト
ルクを与えるパルスの最終的な数で割算する。

よって、角度αは（２７）式の逆正接として得られる。

式（２８）は集積回路７８によって解かれる。

集積回路７８はＹ軸に対するパルス数をＹ軸に対するパ
ルス数で割ることにより式（２６）の等号の左側に示さ
れている比を得る。

角度δは固定誤差であり、装置をキャリプレートする際
に求めらえる。

角度ζは、キャリプレートする時に得ることもできるし
、あるいは正確な１８０°回転を与えるよう調圧可能な
止め金を用いることもできる。

いうまでもなく、角度αは逆余接の形で与えることもで
きる。

集積回路７８はアンプ８０を介して角度ディスプレイ８
２を駆動する。

角度ディスプレイ８２は発光ダイオードから成り、計算
された角度αを読みとることができる。

集積回路７８は、地球表面上の測定地点の緯度を表わす
λについて式（９）を解くよう構成することもできる。

角度αは式（２８）を解くことによって得られ、地球角
速度ベクトルΩは既知であり、Ｙ軸のまわりで検出され
る地球角速度ベクトルの成分Δω は式（２０）及び（
２３）から得られ、それはΔＮｙに比例している。

時間Δを及びトルクスケールファクタＳｆ、は既知のも
のである。

角度が小さいという近似を前と同様に用いると、式（２
０）は次のように書ける。

角度λの大きさは式（９）のように、逆余弦をとること
によって得られる。

ディスプレイ８６は発光ダイオードを含み、λの値も表
示する。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第３図はジャイロコンパスによって測定され
る物理量とジャイロコンパスの基準方向との関係を示す
ベクトル図であり、第４図は検出器の一実施例の断面図
であり、第５図及び第６図は第４図の実施例の一部を詳
細に示す図であり、第７図は第４図の実施例に使用でき
る別の浮き機構の平面図であり、第８図はジャイロコン
パスの実施例のために計算回路を含む機能ブロック図で
あり、および第９図乃至第１１図は検出器の基準軸に生
じうる誤差を示すベクトル図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 枠（例えば１２）、該粋に対し水平軸のまわりで回
   転自由にされた揺動装置であって該揺動装置の所定の軸
   （例えば２５）を垂直方向に維持している揺動装置（例
   えば１８．２２）、及び該揺動装置が該粋に対し垂直軸
   のまわりでの回転をしないよう該粋に対し該揺動装置を
   接続している抑止手段とからなる支持構造、該揺動装置
   に固定され、水平な第１の方向に延在する第１の検出軸
   のまわりの水平地球回転角速度の第１の成分を測定し及
   び該第１の方向から既知の角度だけ異なる水平な第２の
   方向に延在する第２の検出軸のまわりの水平地球回転角
   速度の第２の成分を少なくとも測定するための角速度検
   出装置（例えば２４）、及び 該測定された第１と第２の成分の関数から前記第１と第
   ２の方向のいずれか一方に対する真北の方向を計算する
   手段とからなることを特徴とする真北基準装置。 ２、特許請求の範囲第１項に記載の真北基準装置におい
   て、 該計算手段は、該第１と第２の方向のいずれか一方に対
   する真北の方向の角度αを次式により決定している。 。いてＱ、、Ｑ、−該測定された第１と第２の成分 子＝該２つの検出軸の間の角度 ごとを特徴とする真北基準装置。 ３ 特許請求の範囲第１項に記載の真北基準装置におい
   て、 該角速度検出装置は、そのスピン軸が実質的に垂直にな
   るように該揺動装置に取り付けられた２自由度ジャイロ
   スコープであり、 該ジャイロスコープは、慣性車輪、該第１と第２の検出
   軸のまわりの水平地球回転角速度からもたらされる該揺
   動装置に対する該慣性車輪の角変位を検出する手段、該
   第１の検出軸のまわりで該慣性車輪が歳差運動して該第
   １の検出軸のまわりでの該慣性車輪と該揺動装置との間
   の角変位を相殺するよう該スピン軸と該第１の検出軸と
   に垂直な軸のまわりで該慣性車輪にトルクを印加する第
   １の手段、及び該第２の検出軸のまわりで該慣性車輪歳
   差運動して該第２の検出軸のまわりでの該慣性車輪と該
   揺動装置との間の角変位を相殺するよう該スピン軸と該
   第２の検出軸とに垂直な軸のまわりで該慣性車輪にトル
   クを印加する第２の手段とからなり、 該計算手段は、該第１と第２の検出軸のまわりの角変位
   をそれぞれ相殺するに必要とされたトルクを表わす測定
   値の比の関数から該第１と第２の方向のいずれか一方に
   対する真北の方向を計算していることを特徴とする真北
   基準装置。 ４ 特許請求の範囲第１項に記載の真北基準装置におい
   て、 該角速度検出装置は、それぞれ該揺動装置に取り付けら
   れた該第１の方向に配向された検出軸を有する１自由度
   の第１のジャイロスコープと該第２の方向に配向された
   検出軸を有する１自由度の第２のジャイロスコープであ
   り、 該第１のジャイロスコープは慣性車輪、水平地球回転角
   速度からもたらされる該検出軸のまわりの角変位を検出
   する手段、及び該検出軸のまわりで該慣性車輪が歳差運
   動して該角変位を相殺するよう該スピン軸と該検出軸と
   に垂直な軸のまわりで該慣性車輪にトルクを印加する手
   段とからなり、該第２のジャイロスコープは慣性車輪、
   水平地球回転角速度からもたらされる該検出軸のまわり
   の角変位を検出する手段、及び該検出軸のまわりで該慣
   性車輪が歳差運動をして該角変位を相殺するよう該スピ
   ン軸と該検出軸とに垂直な軸のまわりで該慣性車輪にト
   ルクを印加する手段とからなり、 該計算手段は該第１と第２のジャイロスコープにおいて
   角変位の相殺に必要とされたトルクを表わす測定値の比
   の関数から該第１と第２の方向のいずれか一方に対する
   真北の方向を計算していることを特徴とする真北基準装
   置。 ５ 特許請求の範囲第１項に記載の真北基準装置におい
   て、 該揺動装置は、該粋に収容された液体に浮かべられた浮
   き機構からなり、 該抑止手段は該浮き機構と該枠との間に接続された少な
   くとも１つのダイアフラムからなり、全ての水平な軸の
   まわりで高いコンプライアンスを提供し且つ該垂直軸の
   まわりに剛性を提供しているものであることを特徴とす
   る真北基準装置。 ６ 特許請求の範囲第１項に記載の真北基準装置におい
   て、 該角速度検出装置によって経験された水平地球回転角速
   度成分と地球の回転角速度の比の関数から地球上の該角
   速度検出装置位置の緯を計算する手段を更に含むことを
   特徴とする真北基準装置。 ７ 枠（例えば１２）、該粋に対し水平軸のまわりで回
   転自由にされた揺動装置であって該揺動装置の所定の軸
   （例えば２５）を垂直方向に維持している揺動装置（例
   えば１８，２２）、及び該揺動装置が該粋に対し垂直軸
   のまわりでの回転をしないよう該粋に対し該揺動装置を
   接続している抑止手段とからなる支持構造、該揺動装置
   に固定され、水平な第１の方向に延在する第１の検出軸
   のまわりの水平地球回転角速度の第１の成分を測定し及
   び該第１の方向から既知の角度だけ異なる水平な第２の
   方向に延在する第２の検出軸のまわりの水平地球回転角
   速度の第２の成分を少なくとも測定するための角速度検
   出装置（例えば２４）、及び 該測定された第１と第２の成分の関数から前記第１と第
   ２の方向のいずれか一方に対する真北の方向を計算する
   手段とからなる真北基準装置を用いて真北を求める方法
   において； 該角速度検出装置は、そのスピン軸が実質的に垂直にな
   るよう該揺動装置に取り付けられた２自由度ジャイロス
   コープでアリ、 該ジャイロスコープは、慣性車輪、該第１と第２の検出
   軸のまわりの水平地球回転角速度からもたらされる該揺
   動装置に対する該慣性車輪の角変位を検出する手段、該
   第１の検出軸のまわりで該慣性車輪が歳差運動して該第
   １の検出軸のまわりでの該慣性車輪と該揺動装置との間
   の角変位を相殺するよう該スピン軸と該第１の検出軸と
   に垂直な軸のまわりで該慣性車輪にトルクを印加する第
   １の手段、及び該第２の検出軸のまわりで該慣性車輪歳
   差運動して該第２の検出軸のまわりでの該慣性車輪と該
   揺動装置との間の角変位を相殺するよう該スピン軸と該
   第２の検出軸とに垂直な軸のまわりで該慣性車輪にトル
   クを印加する第２の手段とからなり、 該計算手段は、該第１と第２の検出軸のまわりの角変位
   をそれぞれ相殺するに必要とされたトルクを表わす測定
   値の比の関数から該第１と第２の方向のいずれか一方に
   対する真北の方向を計算しており、 該第１の検出軸を該第１の方向にそして該第２の検出軸
   を該第２の方向に延在するよう該ジャイロスコープを設
   置し、 該第１と第２の方向に延在する該第１と第２の検出軸の
   まわりの水平地球回転角速度からもたらされた角変位を
   相殺するためのトルクをそれぞれ測定し、 該ジャイロスコープを垂直軸のまわりに所定の角度だけ
   回転させて、該第１の検出軸が該第１の方向から該所定
   の角度だけ異なる実質的に水平な第３の方向に延在しそ
   して該第２の検出軸が該第２の方向から該所定の角度だ
   け異なる実質的に水平な第４の方向に延在するようにし
   、 該第３と第４の方向に延在する該第１と第２の検出軸の
   まわりの水平地球回転角速度成分からもたらされた該揺
   動装置に対する該慣性車輪の角変位を相殺するためのト
   ルクをそれぞれ測定し、そして 該第１と第３の方向に延在する該第１の検出軸のまわり
   の該ジャイロスコープに印加された相殺トルクと該第２
   と第４の方向に延在する該第２の検出軸のまわりの該ジ
   ャイロスコープに印加された相殺トルクとを算術的に処
   理して真北の方向を求めており、 それにより真北の方向の角度αを計算する時に混入され
   る誤差を打ち消していることを特徴とする方法。 ８ 特許請求の範囲第７項に記載の真北を求める方法に
   おいて、 該所定の角度は９０’、１８０’又は２７００のいずれ
   かである方法。 ９ 枠（例えば１２）、該粋に対し水平軸のまわりで回
   転自由にされた揺動装置であって該揺動装置の所定の軸
   （例えば２５）を垂直方向に維持している揺動装置（例
   えば１８．２２）、及び該揺動装置が該粋に対し垂直軸
   のまわりでの回転をしないよう該粋に対し該揺動装置を
   接続している抑止手段とからなる支持構造、該揺動装置
   に固定され、水平な第１の方向に延在する第１の検出軸
   のまわりの水平地球回転角速度の第１の成分を測定し及
   び該第１の方向から既知の角度だけ異なる水平な第２の
   方向に延在する第２の検出軸のまわりの水平地球回転角
   速度の第２の成分を少なくとも測定するための角速度検
   出装置（例えば２４）、及び 該測定された第１と第２の成分の関数から前記第１と第
   ２の方向のいずれか一方に対する真北の方向を計算する
   手段とからなる真北基準装置を用いて真北を求める方法
   において、 該角速度検出装置は、それぞれ該揺動装置に取り付けら
   れた該第１の方向に配向された検出軸を有する１自由度
   の第１のジャイロスコープト該第２の方向に配向された
   検出軸を有する１自由度の第２のジャイロスコープであ
   り、 該第１のジャイロスコープは慣性車輪、水平地球回転角
   速度からもたらされる該検出軸のまわりの角変位を検出
   する手段、及び該検出軸のまわりで該慣性車輪が歳差運
   動して該角変位を相殺するよう該スピン軸と該検出軸と
   に垂直な軸のまわりで該慣性車輪にトルクを印加する手
   段とからなり、該第２のジャイロスコープは慣性車輪、
   水平地球回転角速度からもたらされる該検出軸のまわり
   の角変位を検出する手段、及び該検出軸のまわりで該慣
   性車輪が歳差運動をして該角変位を相殺するよう該スピ
   ン軸と該検出軸とに垂直な軸のまわりで該慣性車輪にト
   ルクを印加する手段とからなり、 該計算手段は該第１と第２のジャイロスコープにおいて
   角変位の相殺に必要とされたトルクを表わす測定値の比
   の関数から第１と第２の方向のいずれか一方に対する真
   北の方向を計算しており、該第１のジャイロスコープの
   検出軸を該第１の方向にそして該第２のジャイロスコー
   プの検出軸を該第２の方向に延在するよう該２つのジャ
   イロスコープを設置し、 該第１と第２の方向に延在する該検出軸のまわりの水平
   地球回転角速度からもたらされた角変位を相殺するため
   のトルクをそれぞれ測定呟該２つのジャイロスコープを
   垂直軸のまわりに所定の角度だけ回転させて、該第１の
   ジャイロスコープの検出軸が該第１の方向から該所定の
   角度だけ異なる実質的に水平な第３の方向に延在しそし
   て該第２のジャイロスコープの検出軸が該第２の方向か
   ら該所定の角度だけ異なる実質的に水平な第４の方向に
   延在するようにし、 該第３と第４の方向に延在する該検出軸のまわりの水平
   地球回転角速度からもたらされた角変位を相殺するため
   のトルクをそれぞれ測定しそして該第１と第３の方向に
   延在する検出軸のまわりの該ジャイロスコープの一方に
   おいて印加された相殺トルクと該第２と第４の方向に延
   在する該検出軸のまわりの該ジャイロスコープの他方に
   おいて印加された相殺トルクとを算術的に処理して真北
   の方向を求めており、 それにより真北の方向を計算する時に混入される誤差を
   打ち消していることを特徴とする方法。 １０特許請求の範囲第９項に記載の真北を求める方法に
   おいて、 該所定の角度は９０°、１８０°又は２７０°のいずれ
   かである方法。