JPS61502339A - ボアホ−ル慣性誘導装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ボアホール慣性誘導装置 関連出願の相互参照 この特許出願は、１９８３年２月２２日に出願された米国特許出願筒４６８，７ ２５号の一部継続出願である。

技術的分野 この発明はボアホール探査機の分野に関するものであり、特に、加速度および角 変位センサを使用したボアホール探査機に関するものである。

発明の背景 多くの先行技術°のボアホール探査機においては、磁力計のような方位角または 方向決定機器と共働する加速度または伏角計測機器を含むプローブが使用されて いる。米国特許第３．８６２，４９９号および同第４ｊ６２，０５４号において 開示されているこのような装置の例としては、方位角の決定のための３軸磁力計 とともにボアホールの垂直からの偏差を計測するための３個の加速度計を含む伏 角計を使用するボアホール探査機がある。

このような装置は、ボアホールが通過する物質の性質に起因する地球磁場の変動 に含まれている多くのファクタによるエラーを生じるものである。また、方向ま たは回転を感知するための磁力計に代えてジンバル式または吊下げ式の機械ジャ イロを用いて多くの装置もあった。しかしながら、衝撃および振動に対する感度 のために、機械ジャイロスコープは、ボアホール装置に対する所望の正確性およ び信頼性を与えるものではない。さらに、機械ジャイロはドリフトおよび歳差エ ラーを生じるものであり、また、安定化のために相当な設定期間を必要とする。

これらの機器は機械的に複雑化し、高価なものになる。

ボアホール内のプローブの位置について慣性による計測をするときに固有のエラ ーを減少させるためのアプローチとしては、カルマン・フィルタリングを使用す ることがあった。しかしながら、現在までのとこへこのカルマン・フィルタリン グの使用はボアホール内で停止されているときのプローブの整列に限定されてお り、動的な意味において、プローブがボアホール内で移動しているときになされ る計測におけるエラーの減少のために使用されるものではなかった。

発明の概要 したがって、この発明の目的はボアホール探査装置を提供することであって、こ れには次のものが含まれている。ボアホール内に挿入するために適当なプローブ ；ボアホール内のプローブの動きを表わす信号を発生させるための機構；および 、６個のプローブ軸に関してプローブの加速度成分を表わす３個の加速度信号を 発生させるための、プローブ内の加速度計測機器、ならびに、回転についての２ 個のプローブ軸に関してプローブの回転軸を表わす２個の回転信号を発生させる ための回転角計測手段。この装置にさらに含まれているものは、プローブが動い ているときに第３のプローブ軸の周囲のプローブの回転角を表わす第１の総合的 な回転角信号を発生させるた、めの第１の回路、および、プローブが動いていな いときに第６のプローブ軸の周囲のプローブの回転角を表わす第２の総合的な回 転角信号を発生させるための、回転角信号に応答する回路である。この発明にさ らに含まれているものは、回転信号および総合的な回転信号に応答して、ボアホ ール内のプローブの動きを表わす信号を地球に対する基準座標に変換するための 回路、および、変換回路および加速度計測回路に接続されて、加速度信号を地球 の基準座標系におけるプローブの速度および位置を表わす第１の組の速度信号お よび第１の組の位置信号に変換するための計算回路である。

この発明によれば、プローブが停止しているときおよびプローブが動いていると きの双方において、カルマン・フィルタリングが使用される。このことに関して 、プローブが動いているときには、速度および位置信号を発生させるために使用 される加速度、回転角および整列データのエラーに対する補償をするケーブル速 度とともにボアホールに対して正常な動きゼロの動的な拘束のためにカルマン・ フィルタリングが用いられる。周期的な整列処理のためにプローブが停止されて いるときには、カルマン・フィルタリングがレベル設定のために再構成されて、 この発明によって達成されたボアホール探査処理において使用される地球の基準 座標系の方位角を発見するようにされる。

ル探査装置とともに使用されるプローブを示している、この発明を具体化する装 置の例示図である。

第２図は、ボアホール内のプローブの位置を計算するための論理を例示する論理 回路図である。

第３図は、プローブがボアホール内で周期的に停止されている間に実行される整 列処理のために使用される論理を例示する論理回路図である。

発明の詳細な説明 第１図には、この発明の好適な実施例のための代表的な状況が例示されている。

地面１０から下方に伸長しているものは、１２で一般的に指示されているボアホ ールであり、これは複数個のボアホール・ケーシング１４および１６と整列され ている。ボアホール１２にはプローブ１８が挿入されており、これは、地上プー リ２４を介して走行するケーブル２２によってケーブル・リール２０に接続され ている。ケーブル２２は、ボアホール１２を通してプローブ１８を降下させる役 目を果し、これに加えて、プローブ１８から地上の信号プロセッサ２６に対して データを伝送するための伝送媒体にされている。別異の信号伝送ライン２８は、 ケーブル２２から信号プロセッサ２６に向けてのデータと同様に、ボアホール１ ２内にくり出される大量のケーブル２２に指示を与えるために使用される。この 発明においては、第１図に例示されているように、ケーブル２２によってプロー ブ１８に対し、また、プローブ１８からデータが伝送されるけれども、圧力パル スによるディジタル・データの伝送のような別異の公知のやり方で、泥土を貫通 させてデータを上層部に伝送させることができる。所望により、データはプロー ブ１８内のメモリに蓄積され、後から読出されることができる。

第１ａ図に示されているように、プローブ１８内に固定されているものは、３個 の加速度計３２．３４および３６を含む３軸加速度計のパッケージである。加速 度計３２．５４および３６は、３８で示された座標によって指示されているよう なプローブ本体に対応する感度軸に関して方位づけがなされている。プローブ本 体の座標系において、ｘｌで指示されたＸ軸はボアホールに沿って伸長し、ｙｂ で指示されたｙ軸およびｚｂで指示されたＸ軸はｚｂ軸に関して直交している。

プローブ１８には、また、２個のレーザ・ジャイロ４２および４４を有するレー ザ・ジャイロ組立体４゜も含まれている。第１のレーザ・ジャイロ４２は、ｙｂ 軸の周囲でプローブの回転角を計測するようにプローブ内で方位っけがなされて おり、このようにして計測される回転角はωア　で示されている。同様にして、 第２のレーザ・ジャイロ４４は゛プローブ１８内に固定されて、ｚｂ軸の周囲の プローブをω：によって示されているように計測するようにされる。プローブ１ ８の直径は比較的小さいものであることから、ｘｂ軸の周囲の回転を効果的に計 測するレーザ・ジャイロを備えるために充分な空間がない。

また、プローブ１８の好適な実施例には、メモリ４８を有するマイクロプロセッ サ４６も含まれている。加速度計３２．３４および３６からマイクロプロセッサ ４６に接続されているものはライン５０．５２および５４であり、これらのライ ンは、夫々に、ｘｂ、ｙｂおよび２軸に沿ったプローブの加速度を表わす加速度 信号ａｘ、ａアおよびＲ２を伝送する役目を果すものである。同様な態様で、マ イクロプロセソ１す４６はライン５６および５８によってレーザ・ジャイロ組立 体４０に接続されており、これらのラインは、ｙ軸ジャイロ４２からの回転角信 号ωアおよび２軸ジヤイロ４４からの回転角信号ω２を伝送する役目を果すもの である。

第１ａ図に示されているこの発明の実施例において、速度信号ｖＰが、ライン６ ０によってマイクロプロセッサ４６に伝送されているようにして指示されている 。

第１図に示されているように、この信号は、通常、ボアホール１２内のプローブ １８の速度の決定としてケ・−プルがプーリ２４から巻戻される速度を計測する ことによって発生される。しかしながら、下方のパイプ区分１４および１６をカ ウントするような別異の態様で■２信号がより有利に発生されるときの状況があ り得る。

プローブの位置、したがって、言うまでもなくこの発明の究極の目的であるボア ホールの位置または経路を決定するために、本体の座標系３８において発生され た諸種のセンサからの信号を、地球に対する基準にされる座標に変換することが 必要である。このような座標系は、第１図において、一般的に６２で示されてお り、こ＼に、Ｘ軸（ベクトルＸで示されている）は重力ベクトルｇに並行してお り、そして、残りの軸ｙおよび２はＸ軸と直交し、また、地面と並行している。

この座標系６２は、通常、北および東のような方向を表わす２およびｙ軸に関す るレベル座標系として参照される。

第２図に示されているものは、ライン５０，５２および５４上の加速度信号、ラ イン５６および５８上の角速度信号、およびライン６０上の速度信号をマイクロ プロセッサ４６によって変換させる論理である。しかしながら、この処理の中の あるものは上層部に配されているコンピュータ２６において達成できることが理 解されるべきである。前述されたように、地球の座標Ｌ 系ｘ、ｙおよび２に関してプローブ１８の位置を表わす信号を発生させるときの 重要な問題のひとつは、プローブ１８の方位角および動きを表わす信号を、本体 の座標系ｘ、ｙおよび２のものからレベルまたは地球の座標系のものに正確に変 換させることである。第１図に示されている論理の主要な目的のひとつは、諸種 の信号源に固有のエラーを補償するために、カルマン・フィルタリングを使用し 、て座標変換をできるだけ正確に実行することである。

第２図において使用されている諸種の記号の定義は、下記のテーブル１において 与えられる。

テーブル！ 吋＝プローブ本体からレベルへの座標変換マトリクス ＣＥ　−パイプからプローブ本体への座標変換ａｙ　一本体の“ｙ″軸に沿って の加速度ａＦ　一本体の“２“軸に沿っての加速度ａｏｌ＝第１の時点における プローブ本体の座標内の加速度ベクトル 〜１−第２の時点におけるプローブ本体の座標内の加速度ベクトル ωア　−プローブ本体の”ｙ″軸周囲の回転角ω２　＝プローブ本体の″２″軸 周囲の回転角ｖＰ＝パイプに沿ったプローブの速度 叱＝レベル座標において計測されたときのプローブの速度 Ｖ？＝レベル座標において慣性的に導出されたプローブの速度 Ω　＝地球の回転角 ΩＮ　＝地球の回転角（北向きの成分）ΩＤ　＝地球の回転角（下向きの成分） ρ　＝地球に関するレベル座標系での角速度ω１．＝　＝１５．０４°／ｈｒ。

Ｒ＝下記の６個の成分を有する位置ベクトルＲＮ＝＋北方位置座標 Ｒ，＝＝東方位置座標 ＲＤ＝＝下方位置座標 λ　＝緯度 Ｗ　＝２個のレベル成分および１個の方位角成分を含むレベル変換ｃＬに対する ボディにおけるエラーξ　＝パイプ内のプローブ本体の不整列Ｋ　＝副次的に任 意選択されるカルマン・ゲイン係数１　＝同定マトリクス Ｒ＝ボアホール内のプローブのＲ６−深さＲｅ　−地球の半径 δい＝レベル座標における速度エラー ε１　；加速度計エラー ６ｇ　；ジャイロ・エラー μ３−ジャイロ自バイアスのエラー ν　；白色計測ノイズ ｑ、＝”ｙ”ジャイロの白色ノイズ・パワー・スペクトル密度；　（ｄｅｇｒｅ ｅ／ｒｏｏｔ　ｈｏｕｒ）　単位ｑ２　＝”２″ジヤイロの白色ノイズ・パワー ・スペクトル密度；　（ｄｅｇｒｅｅ／ｒｏｏｔ　ｈｏｕｒゾ単位ｑ５　＝プロ ーブが動いているときの、ボアボールに沿ったプローブのねじれ（ころがりω＝ ）の不確定性 Ｑ　＝レベル座標におけるジャイロのランダム・ウオークの変動マトリクス Ｘｏ＝エラー状態 交。＝個別の計測間の動的エラー φ　ラエラ一式のためのタイム・マツピングＦ　＝動的エラーのモデル・マトリ クスＨ＝速度計測マトリクス Ｐ　＝エラー状態の共分散 Ｒ，＝＝白色計測ノイズの共分散 τ　＝本体経路の不整列の時定数 （・）　＝包囲ベクトルを表わすスキュ一対称マトリクス表示を示すもの 座標変換マｌ−ＩＪクスｃＦを更新するための論理は、第２図のボックス６４内 に示されている。この論理に対する入力には、ライン５６および５８上の回転角 信号ω嬰およびω８が含まれてＣする。Ｘ、軸の周囲のプローブの回転を表わす 信号ω＝をボックス６４内の変換論理に更新させることが必要であることから、 総合的なω工の信号を発生させることが必要である。このことは、プローブ１８ がボアホール１２内に停止されているときに、ボックス６６内の論理によって実 行されるが、この論理は地球の回転を表わす信号Ωについて学作されるものであ る。信号Ωの起点はボックス６８内で指示されており、こ＼に示されているよう に、この信号Ωは、夫々に北向きおよび下向きの方向の周囲での地球の回転を表 わすΩＮおよびΩＤを含む６個のベクトルからなっている。また、ボックス６８ 内で示されているように、Ωの値はプローブ１８の緯度λにも依存している。プ ローブのマイクロプロセッサ４６において第２図の論理の操作を実施するために 、ボアホールの緯度緯がメモリ４８に蓄積され、ライン６９によってボックス６ ８に伝送されるようにすることができる。この信号は、次いで、ライン７０を介 して論理６６に伝送され、この論理６６はライン７２上に第１の総合的な信号ω １ｏ工を発生させる。ボックス６６に示されているように、該第１の総合的な信 号は、ωｆｆ１ｅｘ　＝８Ｅ＋　ＩΩＨ＋”Ｅ＋ｓΩ１、の形式のものであり、 こ＼に、”Ｅｔ＋および痴４．はレベル変換マトリクス（靴）に対するプローブ 本体の要素の時間平均値（すなわち、フィルタ処理をされたり別異の処理が施さ れたりした値）を表わしており、これらは前記マトリクスの第１列および第１、 第３行に関係されている。このような時間平均またはフィルタ処理によれば、後 述されるような、ボックス６６内に示されている論理の操作を通して係数（マト リクス要素）が更新されたときに生じるＣ？、の値の微少な変動は、著しく減少 され、または除去される。

プローブが停止されている間に加速度計のエラーは較正され、重力による加速度 がリセットされて、感知された加速度と等しく、かつ逆極性にされる。

プローブがボアホール１２を通して動いているときに、ボックス７８に示されて いる論理により、第２の総合的な信号ω工がライン８０上に発生される。第２図 に示されているように、本体の加速度を表わすライン５０．５２および５４上の 加速度信号ａ（こ＼に、ａ＝ａｘ＋ａｙ十ａ２）は、バス８２を介して論理７８ およびディレィ回路８４に伝送される。バス８２を介して論理７８に入る第１の 入力はａｌ、）とされており、これはプローブ本体の座標系のｙおよび２軸に関 して第１の時点においてプローブ１８の本体の加速度を表わしている。ディレィ 回路８４はバス８６を介して論理７８に第２の本体加速度信号へ）を供給するが 、このディレィ回路８４のために受入れられる時間遅れは一秒である。第２図の 論理７８によって指示されているように、第２の総合的な信号ω：は、ωＰ＝Δ θ／４Ｉｔ、の形式のものであり、こ＼にΔｔはディレィ回路８４の時間遅れで あり、また、Δθ＝　（−ａｙＱｌ　’ｚｔｌｌ　＋　ａｙ　ｎ＋　ａ、ｚ＋） ／（ａｙ　ｎ＋　ａ７Ｃ２１＋　ａｚ−＋ｕａｚ　Ｃａ１　）であって、これは 、１ドツト”によって除されたａｏおよびａＣｌｌの交差積またはそれらのスカ ラ積に等しい。当業者によって注意されるべきことは、ａｘおよびａｙがゼロに 近づく（プローブは垂直）につれて、Δθを表わす分子および分母の双方の値が ゼロに近づくということである。このような条件の下に、ω工の理論値は有限的 な小さい値に近づくけれども、装置のエラーやノイズは相当なものになる。かく して、ある種の状況においては、第２図の配列をスイッチや別異のこのようなデ バイス（第２図には示されていない）で増強して、プローブ１８が垂直の近傍に あるとき（例えば、プローブ１８が垂直かりＴまたは１度以内にあるとき）に、 論理７８によって供給される信号を中断させることが有利である。

続けて第２図を参照すると、（ライン７８および８２を介して）論理７８および ６６によって供給される第１および第２の総合的な信号（ω２およびω稈）は、 加算接続部７３において組合されて、ω１＝耐十ω−０工、なる形式の総合的な 信号が形成され、これはライン７４によって論理６４に結合される。また、ライ ンＺｏ上の信号Ω、および、ボックス９２によって指示されているように地球に 関するプローブの角速度を表わしているライン９０上の信号も、論理９０に結合 される。

バス９４に供給される論理６４の出力ａＦは、加速度信号ａおよび回転角信号ω ５の結果として生じるレベル座標変換に対するプローブ本体の時間変化比率を表 わしている。この信号は、次いで、９６において示されているように積分され、 これによって信号叶をバス９８上に生成させるが、これは、本体の座標系３８に 発生された信号をレベル座標系６２のものに変換させるために必要とされる変換 マ）　ＩＪクスを表わしている。座標変換マトリクスを表わすライン９８上の信 号Ｃヒは加算接続点１００において修正され、次いでバス１０２に伝送されて、 第２図によって表わされている信号処理シーケンスのくり返しの間に、論理６４ および１０４によって使用される。

加速度ａｂ（ａ＝、ａす、ａト）は、バス１０２を介して更新された座標変換マ トリクス吋を受入れる論理１０４によって、本体座標のものからレベル座標のも のに変換される。バス１０６上の結果としての出力はレベル座標におけるプロー ブ１８の加速度を表わしており、これは加算接続点１０８に伝送される。加算接 続点１０８において減じられたものはライン１１０上の信号ｇであり、これは、 レベル座標におけるプローブ１８の加速度片を表わすバス１１２上の信号を生じ させる重力による加速度を表わしている。ボックス１１３によって指示されてい るように、ｇはプローブ１８の深さＲＤの関数である。この信号は、次いで、１ １４で指示されているよう（こして積分されて、レベル座標におけるプローブの 速度ｖ１を表わすバス１１６上の信号を生成させる。

結果としての速度信号ｖＦはバス１１８によって論理１２０にフィード・バック され、次いで、コリオリカに対する修正を表わす信号をバス１２２上ｌこ発生さ せる。

結果としてのバス１２２上の信号は、次いで、加算接続部１０８において加速度 信号ａから減じられる。この結果として、バス１１２上で生じる信号は、地球の 回転によって発生される重力および加速度を考えに入れたときの、ボアホール内 のプローブ１８の加速度ｖＦを表わしている。

前述されたような慣性力手段によって発生される速度信号に加えて、速度信号は 、また、ボアホール内のプローブ１８の動きを実際に計測することによっても生 成される。前述されたように、ライン６０上の信号ｖＰはボアホール内のプロー ブのワイア・ライン速度を表わすごとが可能であり、または、別異の既知の手段 によって生成させることができる。この信号は、ボックス１２４に示されている 論理によって、本体の座標におけるプローブの速度ｖｂを表わすバス１２６上の 速度信号に変換される。ボックス１２４において指示されているよ・うに、変換 マトリクスＣＰは、マトリクス加算の処理を通じて同定マトリクスｙをマトリク スξと組合せることによって形成されるものであり、こ＼に、ξはボアホール・ ケーシング１４および１６内のプローブ１８の不整列を表わしている。バス１２ ６上で生じた速度信号ｖｂは、次いで、１２８で示されている変換マトリクスＣ ｂによって変換されて、レベル座標系における速度信号鱈がバス１６０上に生じ るようにされる。これらの速度信号は、次いで、加算接続点１３２を通して伝送 されて、計測される速度信号鱈がバス１３４に生じるようにされる。信号鱈は１ ３６で示されているように積分されて、レベル座標６２において表わされている ような北向き、東向きおよび下向きに関するプローブの位置座標Ｒを表わす信号 がバス１６８上に発生される。

予期されているように、実際のワイア・ライン計測から生じたバス１６４上の速 度信号および慣性的な信号源から生じたバス１１６上の速度信号は雑多なエラー 源の影響を受ける。バス１１６（！：１３４との間の速度信号の相対的なエラー を表わす信号δ■１を生成させるために、バス１１６および１３４上の信号が加 算接続部１４０Ｉこ加えられて、レベル座標における速度エラー信号δ■がバス １４１上に生じる。速度信号、したがって位置信号の発生において存在する諸種 のエラー源に対する補償をするために、カルマン・フィルタリングが使用されて 、エラー訂正信号を評価するようにされる。

減少された次元のカルマン・フィルタを使用する主要な目的のひとつは、損失ま たは劣化した慣性データの補償をすることである。ボアホール内の相当な距離に わたって、等価な速度情報に変換されるボアホール軸に追従するようにプローブ １８が制限され、これによってボアホール探査の正確度が向上されるという事実 が、この技術において利用される。この性質の動的な限定を使用することで、先 行技術において開示された装置をこえて著るしい利点がもたらされる。カルマン ・フィルタリングの操作における計算の負担は、最も重大なエラー状態だけをモ デル化することによって軽減される。

カルマス・フィルタの処理は、バス１４１を介して速度エラー信号δいを入力と して受入れる論理ブロック１４２によって示されている。論理ブロック１４２に おいて示されているように、カルマン・ゲイン係数には速度エラー信号δｖＬに よって乗ぜられて、δＲ１δい。

Ｆおよびξについての現在の、すなわち更新された値を規定するようにされる。

これらのエラー信号についての現在の、すなわち更新された値は、次いで、エラ ー補償を行なうために、第２図に示されている諸種の論理部分に供給される。例 えば、位置信号Ｒに対するエラー補償項目δＲは、バス１４８によって加算接続 点１５０に印加されて、１５２で示されているような更新された位置座標を得る ようにされる。同様にして、計測された、および、慣性的に決定された速度信号 鱈および鱈に対するエラー補償を行なうためζこ、速度エラー項目δｖＬがバス １５４を介して加算接続点１３２に印加される。レベル変換マトリクスｃＥに楠 する本体のためのエラー項目１の３個の成分はバス１５８上で加算接続点１００ に供給され、また、変換論理１２４における不整列ξを訂正するためにエラー項 目がライン１６０を介して印加される。

処理の効率を向上させるために、カルマン係数には、ボックス１６２で示されて いるように下方孔部で計算されるよりも、プローブ内のメモリ４８に蓄積されて いても良い。カルマン係数Ｋをメモリ４８に配することにより、プローブがボア ホール１２内にある間に、変換処理はプローブ１８内で動的に訂正できるように される。

線形的な個別のカルマン・フィルタにおいて、共分散レベルでの計算でカルマン ・ゲイン係数Ｋが最終的に得られて、エラー状態ｘ８の予期値の計算において使 用される。これらのエラー状態には、以下に表わされているような１１個の基本 的な要素が含まれている。

装置モデルにおいて、エラー状態は、エラ一式のためのタイム・マツピングであ るΦの関数である。項目Φは次式に等しいものである。

Φ−工十ＦΔｔ　式（２） こ＼に、Ｆマトリクスは個別の計測の間の動的エラ一式（３）は詳細には下記の とおりである。

δＲ＝（ＶＬＩ　Ｆ　＋　ＣＢ　（”ｌ　ｅ　＋　Ｏｂ　ｖ”　式（４）Ｖ＝− Ωグ十ＯＦ　、ｇ　式（６） 物理的な状態を表わすためにＷおよびτが選択される。

計測モデルは下記のように表現される。

７ｂ＝＝　ＨＸ、＋ν　式（８） こ＼に、Ｈは速度計測マ）　ＩＪクスを表わす。

ｙｂ＝　（ＩＥ　ＪＶ−ＯＥ　（ＶＬ）Ｆ＋（Ｖｂ）ξ−シ１　式（９）カルマ ン・ゲイン係数には下記のように表現される。

Ｋ＝Ｐ　（−）Ｈ（ＩＦＣ−）　ＴＴ＋Ｒ）−’　式ａｎこ＼に、エラー共分散 の更新は下記のとおりである。

Ｐ（＋）＝〔ニーＫＨ）Ｐ（−）　弐〇〇ジャイロ処理ノイズの共分散マトリク スは、下記のとおりに規定される。

損失したω工なるジャイロの非直線的な再構成に基づく変動ｑ３およびジャイロ ・バイアスμ３は下記のように与こ＼にｓ　ｑ＝ｑ１　””１２はジャイロのラ ンダム・ウオークの変動である。動きの間に、ｑ３はブロック７８の論理に関連 した変動になる。

上記されたことから認められるように、第１図において、プローブ１８がパイプ −ケーシング１４および１６に直交する動きが実質的にゼロであるボアホール探 査装置に固有の限定は、エラーの評価および訂正を行なうために使用される。例 えば、エラー信号が発生され、ライン５２および５４上で感知された加速度ａｙ およびａ２について本体のｙおよびｚ軸で予期された加速度信号の差をとること によってプローブのころがりの態様を修正するようにされる。これに加えて、エ ラー信号がある時間をこえて処理されるにつれて、経路の不整列に対する本体の 評価が改善される。

蓄積された重力モデル１１３は、下記の関係を使用して感知された加速度ａｘ　 ＋　ａｙおよびａ２をキャンセルするためにリセットされる。

上記された技術は、多くの別異のボアホールの適用において使用することができ る。例えば、掘進しながら計測をする状況においては、上記された探査方法は、 データを地表面まで伝送する必要なしに、掘進の誘導のために使用することがで きる。この場合において、プローブ１８の態様は、レベル設定、方位角およびツ ール面の情報を与えるために、６６で例示されている論理を用いて決定される。

他方、良好な探査においては、ブロック６６内の論理によって与えられるように プローブが停止しているときに発生される態様データとともに、ブロック７８内 の論理によって与えられるようにプローブ１８が動いている間に生成される態様 データを使用することができる。

当業者によって知られているように、この発明の実施において使用される形式の 慣性誘導は、プローブ１８を周期的に停止させることによって助長または増強が なされる。プロ・−ブ１８が停止されているとき、装置によって指示され、また は計算された速度で、カルマン・フィルタリングによって処理できるエラー信号 が与えられて、装置の真の状態についての評価および諸種の装置のエラー・パラ メータが得られる。この発明の実施において、このような周期的な助長または増 強は、プローブ１８がボアホール内で停止している間に、前述されたカルマン・ フィルタリングの処理を再構成することによって行なわれ、これによって北方の 決定がなされる。

特に、第６図を参照すると、下方孔部での整列または逸脱角機構のためにプロー ブ１８が停止しているとき、論理６６および７８は第２図に関して説明された態 様で動作して、第１および第２の総合的な信号（ω□。８およびω：）を生成さ せる。加算接続部７６によって祖述される整列フィルタ１７０によって供給され るものである。第６図の論理６４において印加された信号は、第２図に関して説 明された態様で処理されて信号Ｃヒを生成するようにされるが、この信号は、レ ベル座標変換マドＩＪクスに対するプローブ本体の評価の変化の時間比率を表わ している。プローブ１８が停止していることから、論理６４の出力が実質的にゼ ロになるようにする信号δが後述される信号処理手順によって生成されたときに 、正確な整列が行なわれる。

第３図に示されているように、論理６４によって生じた信号はブロック９６て積 分されて、変換評価の更処理のくり返しの間に論理６４によって使用され、また 、レベル座標系６２の水平軸に関連しているそれらの中の２列は第３図の論理１ ７２に供給される。論理１７２は第２図の論理１０４と同様な動作をして、加速 度信号ａｘ、　ａｙおよびａ２（これらは、ライン５０，５２および５４を介し て供給されるものであり、第３図においては集合的に記号ａで示されている）は 、レベル座標系においてプローブ１８の加速度の水平成分を表わす信号に変換さ せる。論理１７２によって供給された信号令泊ま加算接続器１７４によって積分 器１７６に大り 結合されるものであり、この加算接続器１７４は、ガを整列フィルタ１７０によ って供給されるフィードバック信号と組合せる。積分器１７６によって生成され 、プローブ１８の速度の水平成分（加速度計３２．３４および３６によって生成 された出力信号に基づく）の評価を表わす信号ｖ’は、加算接続部１８０によっ て速度じよう乱フィルタ１７８にさらに加えられる。速度じよう乱フィルタ１７ ８の伝達関数はこの発明の特定の実施例の特性にしたがって設定されて、積分器 １７６によって供給された信号の突発的な変移を除去するようにされる。

続けて第３図を参照すると、速度じよう乱フィルタ１７８によって生じた信号は （第３図のベロツク１８４および１８２において）Ｋ７およびＫｖｆで表わされ るゲイン定数を示すフィード・バック経路を介して加算接続部１７４および１８ ０に加えられる。当業者によって理解されるように、ゲイン定数ＫｖおよびＫｖ ｆは速度じょう乱フィルタ１７８に、よってなされる信号処理に寄与するもので ある。フィードバックを施すことに加えて、速度じよう乱フィルタ１７８によっ て生じた信号はブロック１８６において示されているマトリクスによって変換さ れて、次に続く信号処理が簡単になるようにされる。このことに関して、ブロッ ク１８６によってなされる変換で、必要とされる信号６が、４個の信号経路では なく２個の信号経路によって論理６４に供給されることが許容される。第１図に 示されているように、第１の信号経路においては、ブロック１８６によって供給 された信号は（ブロック１８８で）１組のスケール・ゲイン・ファクタＫｙによ って乗算されて、加算接続部１９０の一方の入力に加えられる。第２の信号経路 においては、ブロック１８６で生じた信号は（ブロック１９２で）１組のゲイン ・ファクタに０によって乗算され；ブロック１９４で積分され；そして、加算接 続部１９６を介して加算接続部１９０の第２の入力に加えられる。加算接続部１ ９６においては、積分器１９４によって生じた信号（ωＩＥ）Ｈを、地球の回転 速度の垂直成分を表わし、Ωｓｉｎλに等しい信号（ωＩＥ）Ｒと組合せる。こ ＼に、λは、ボアホール、したがってプローブ１８の緯度である。

各々の周期的な下方孔部の整列処理において、積分器９６が初期化され、論理６ ４がレベル座標変換マトリクスＣＢに対するプローブの本体を使用するようにさ れるが、これは、次に最近の整列処理の間にプローブ１８が整列されたときに得 られたレベル座標変換マトリクスに対応するものである。このことに関して、当 業者によって知られているように、加速度計およびジャイロスコープを含むボア ホール探査装置を使用する第１のステップは、ジャイロスコープの信号からの初 期姿勢基準（北向きの方向、これは第１図のレベル座標系６２における縦座標ｚ Ｌである）を装置が決定することを許容するためにプローブを地球の表面におい て不動に保持すること、および、加速度計によって供給された信号から垂直性（ すなわち、第１図におけるレベル座標系６２のＸおよびｙ軸）を決定することで ある。この発明においては、その初期的な、または、上層部側の較正処理は、プ ローブの本体１８の長手方向に沿って伸長する軸Ｘに対する回転角信号は、ジャ イロスコープによって発生されるというよりも、前述された態様で総合化される という点て先行技術とは相違している。回転角信号源の間の相違は、基本的な整 列処理を変更させるものではない。かくして、第１の下方孔部の整列インタバル の間は、地上での整列の間に得られたレベル変換マ）　ＩＪクスに対するプロー ブの本△Ｌ 体はＣＢの初期的な評価として使用され、次の整列処理の間は、ＣＢの地下の第 １の値が初期的な評価として使用され、以下同様である。

各々の下方孔部の整列処理の間に前述された態様で積分器９６を初期化すること に加えて、積分器１７６はゼロで初期化される。第３図に示され、また上述され ている信号処理は、次いで、前述されたカルマ・ン・フィルタリングを許容する 回数のくり返しく時間周期）だけ実行され、第１図の加速度計３２．３４および ３６０によって生じた回転角信号、および、論理６６および７８によって供給さ れた総合的な回転信号を処理して、レベル座標変換マトリクスｃヒに対するプロ ーブの本体の最小のエラー評価をするようにされる。上述されたように、この処 理によれば、レベル座標系を再設定することによりこの発明のボアホール探査装 置を助長して、延長された非中断のボアホール操縦または探査の間に、そうでな ければ生じるエラーを防止するようにされる。

ｎＮ書（内容に変更なし） 力　９ｆＩ。

２２〃 Ａり 、４ Ｚｔ＜　／６ ｖＸ″ １、事件の表示 ＰＣＴ／ＴＪＳ　８５１０１０３０ ２、発明の名称 ボアホール慣性誘導装置 ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 名　称　サンドストランド・データ・コントロール・イン住所　東京都千代田区 丸の内二丁目４番１号丸の内ビルディング４階 （１）特許法第１８４条の５第１項の規定による書面の特許出願人の代表台の欄 国際調査報告

Claims (30)

【特許請求の範囲】
1. １．ボアホール探査装置であって： ボアホール内に挿入するためのボアホールのプローブ； ボアホール内で前記プローブの動きを制御するための制御手段； 地球の回転角を表わす信号を発生するための手段；３個の軸に関して前記プロー ブの加速度成分を表わす３個の加速度信号を発生させるために前記プローブ内に 固定されている加速度手段； ２個の回転軸に関して前記プローブの回転角を表わす２個の回転信号を発生させ るために前記プローブ内に固定されている第１の角度手段； 前記プローブが動いているとき、前記２個の回転軸とは異なる第３の回転軸の周 囲での前記プローブの回転角を表わす第１の総合的な回転角信号を発生させるた めに、前記加速度信号に応答する手段；前記プローブが動いていないとき、前記 第３の回転軸の周囲での前記プローブの回転角を表わす第２の総合的な回転角信 号を発生させるために、前記地球の回転角を表わす信号に応答する手段； 前記回転信号および前記第１および第２の総合的な回転信号の少なくともひとつ に応答する変換手段であって、プローブの基準座標系におけるプローブの動きを 表わす信号を地球の基準座標系におけるものに変換するための変換信号を供給す る手段が含まれている前記変換手段；および 前記加速度信号を前記プローブの速度を表わす第１の組の速度信号に変換するた めに、前記変換手段および加速度手段に対して動作可能に接続されている第１の 計算手段； が含まれているボアホール探査装置。
2. ２．前記プローブの動きを表わす信号を発生させるために、前記制御手段および 前記プローブに対して動作可能に接続されている手段；および 前記移動信号を前記プローブの速度を表わす第２の組の速度信号および前記地球 の基準座標系におけるプローブの位置を表わす１組の位置信号に変換するために 、前記変換手段に対して動作可能に接続されている第２の計算手段； がさらに含まれている請求の範囲第１項記載の装置。
3. ３．前記第１の組の速度信号を前記第２の組の速度信号と比較してエラー信号を 発生させるために、前記第１および第２の計算手段に対して動作可能に接続され ている手段が、さらに含まれている請求の範囲第２項記載の装置。
4. ４．前記変換手段および前記第１の組の速度信号を前記第２の組の速度信号と比 較して前記速度信号を訂正するための手段に対して動作可能に接続されているカ ルマン・フィルタ手段が、さらに含まれている請求の範囲第３項記載の装置。
5. ５．前記プローブには、前記カルマン・フィルタ手段に対するカルマン・ゲイン 係数を蓄積するメモリ手段が含まれている請求の範囲第４項記載の装置。
6. ６．前記プローブには、前記カルマン・フィルタ手段に対するカルマン・ゲイン 係数の計算手段が含まれている請求の範囲第４項記載の装置。
7. ７．前記変換信号はレベル座標変換マトリクスに対するプローブの本体のものと 等価であり、また、前記第２の総合的な信号を発生させるための前記手段には、 前記地球の回転角を表わす信号を前記変換信号と組合せるための手段が含まれて いる請求の範囲第１項記載の装置。
8. ８．前記地球の回転を表わす前記信号を前記変換信号と組合せるための前記手段 は、▲数式、化学式、表等があります▼なる表現にしたがって前記信号を組合せ るように構成され、配列されており、こゝに、▲数式、化学式、表等があります ▼は前記第２の総合的な信号を表わし、▲数式、化学式、表等があります▼およ び▲数式、化学式、表等があります▼はレベル座標変換マトリックスに対する前 記プローブの本体の第１列と第１および第３行とにおける要素を表わし、そして 、ΩＮおよびΩＤは前記地球の基準座標系の２個の軸に関する前記地球の回転角 を表わす信号の要素を表わしている請求の範囲第７項記載の装置。
9. ９．前記変換手段には、前記地球の回転角を表わす信号を、前記第１および第２ の総合的な回転信号を表わす信号および前記回転信号と組合せて、前記変換信号 をくり返して更新させるための手段が含まれている請求の範囲第１項記載の装置 。
10. １０．前記第１および第２の総合的な回転信号を加算して、前記第１および第２ の信号を表わす前記信号を形成するための手段がさらに含まれている請求の範囲 第９項記載の装置。
11. １１．前記プローブの動きを表わす信号を発生させるために、前記制御手段およ び前記プローブに対して動作可能に接続されている手段；および 前記移動信号を、前記プローブの速度を表わす第２の組の速度信号および前記地 球の基準座標系におけるプローブの位置を表わす第２の組の位置信号に変換する ために、前記変換手段に対して動作可能に接続されている第２の計算手段； がさらに含まれている請求の範囲第１０項記載の装置。
12. １２．前記第１の組の速度信号を前記第２の組の速度信号と比較してエラー信号 を発生させるための手段が、前記第１および第２の計算手段に対して動作可能に 接続されている請求の範囲第１１項記載の装置。
13. １３．カルマン・フィルタ手段が、前記変換手段、および、前記第１の組の速度 信号を前記第２の組の速度信号と比較して前記速度信号を訂正するための手段に 対して動作可能に接続されている請求の範囲第１２項記載の装置。
14. １４．前記プローブには、前記カルマン・フィルタ手段に対するカルマン・ゲイ ン係数を蓄積するメモリ手段が含まれている請求の範囲第１３項記載の装置。
15. １５．前記プローブには、前記カルマン・フィルタ手段に対するカルマン・ゲイ ン係数の計算手段が含まれている請求の範囲第１３項記載の装置。
16. １６．地球に対する前記プローブの角速度を表わす信号を供給するための手段お よび前記信号を前記変換手段に供給するための手段を含み、前記変換手段は、前 記地球に対する角速度を表わす信号を前記第１および第２の総合的な信号を表わ す信号と前記回転信号とに組合せて前記変換信号を供給するための手段を含んで いる請求の範囲第１項記載の装置。
17. １７．前記変換手段には、地球の回転角を表わす信号を、前記第１および第２の 回転信号を表わす前記信号、前記回転信号、および、地球に対する前記プローブ の角速度を表わす前記信号と組合せて前記変換信号を発生させるための手段が含 まれている請求の範囲第１６項記載の装置。
18. １８．前記変換手段は信号積分手段を含み、前記変換信号は実質的に▲数式、化 学式、表等があります▼に等しく、こゝに、▲数式、化学式、表等があります▼ はプローブの本体についての地球座標変換マトリクスであり、▲数式、化学式、 表等があります▼は前記第１、第２および第３の回転軸の周囲での回転角を表わ すマトリクスであり、ρは前記地球の基準座標系に対する前記第１、第２および 第３の回転軸からなる座標系の角速度を表わすマトリクスであり、また、Ωは前 記地球の基準系における地球の回転角を表わすマトリクスである請求の範囲第１ ７項記載の装置。
19. １９．前記第１および第２の総合的な回転信号を加算して、前記第１および第２ の信号を表わす前記信号を形成するための手段がさらに含まれている請求の範囲 第１８項記載の装置。
20. ２０．前記プローブの動きを表わす信号を発生させるために、前記制御手段およ び前記プローブに対して動作可能に接続されている手段；および 前記移動信号を、前記プローブの速度を表わす第２の組の速度信号および前記地 球の基準座標系におけるプローブの位置を表わす第２の組の位置信号に変換する ために、前記変換手段に対して動作可能に接続されている第２の計算手段； がさらに含まれている請求の範囲第１９項記載の装置。
21. ２１．前記第１の組の速度信号を前記第２の組の速度信号と比較してエラー信号 を発生させるための手段が、前記第１および第２の計算手段に対して動作可能に 接続されている請求の範囲第２０項記載の装置。
22. ２２．カルマン・フィルタ手段が、前記変換手段、および、前記第１の組の速度 信号を前記第２の組の速度信号と比較して前記速度信号を訂正するための手段に 対して動作可能に接続されている請求の範囲第２１項記載の装置。
23. ２３．前記プローブには、前記カルマン・フィルタ手段に対するカルマン・ゲイ ン係数を蓄積するメモリ手段が含まれている請求の範囲第２２項記載の装置。
24. ２４．前記プローブには、前記カルマン・フィルタ手段に対するカルマン・ゲイ ン係数の計算手段が含まれている請求の範囲第２２項記載の装置。
25. ２５．前記２個の回転信号によって表わされている前記２個の軸に関連する前記 ３個の加速度信号の中の第１および第２のものに応答する時間ディレイ手段であ って、各印加された加速度信号を遅らせるための前記時間ディレイ手段；および 前記時間ディレイ手段によって供給された時間遅れのある加速度信号を、前記第 １の総合的な回転角信号を発生させる前記手段に供給するための手段；を含んで おり、 前記第１の総合的な回転角信号を供給するための手段は▲数式、化学式、表等が あります▼で表わされる信号を供給するための手段を含み、こゝに、ａｙ（１） ，ａｚ（１）は前記２個の加速度信号を表わし、また、ａｙ（２）およびａｚ（ ２）は前記２個の加速度信号の時間遅れのものを表わしており；前記第１の総合 的な回転角信号を発生させるための前記手段には、さらに、前記第１の総合的な 回転角信号としてΔ▲数式、化学式、表等があります▼／Δｔで表わされる信号 を供給するための手段を含み、こゝに、Δｔは前記時間ディレイ手段によって生 じる時間遅れを示している請求の範囲第１項記載の装置。
26. ２６．前記変換信号はレベル座標変換マトリクスに対するプローブの本体のもの と等価であり、また、前記第２の総合的な信号を発生させるための前記手段には 、前記地球の回転角を表わす信号を前記変換信号と組合せるための手段が含まれ ている請求の範囲第２５項記載の装置。
27. ２７．前記地球の回転を表わす前記信号を前記変換信号と組合せるための前記手 段は、▲数式、化学式、表等があります▼なる表現にしたがって前記信号を組合 せるように構成され、配列されており、こゝに、▲数式、化学式、表等がありま す▼は前記第２の総合的な信号を表わし、▲数式、化学式、表等があります▼お よび▲数式、化学式、表等があります▼はレベル座標変換マトリクスに対する前 記プローブの本体の第１列と第１および第３行とにおける要素を表わし、そして 、ΩＮおよびΩＤは前記地球の基準座標系の２個の軸に関する前記地球の回転角 を表わす信号の要素を表わしている請求の範囲第２６項記載の装置。
28. ２８．地球に対する前記プローブの角速度を表わす信号を供給するための手段お よび前記信号を前記変換手段に供給するための手段を含み、前記変換手段は、前 記地球に対する角速度を表わす信号を前記第１および第２の総合的な信号を表わ す信号と前記回転信号とに組合せて、前記プローブの基準座標系におけるプロー ブの動きを前記地球の基準座標系におけるプローブの動きに変換するための前記 信号を供給する手段を含んでいる請求の範囲第２７項記載の装置。
29. ２９．前記変換手段には、地球の回転角を表わす信号を、前記第１および第２の 回転信号を表わす前記信号、前記回転信号、および、地球に対する前記プローブ の角速度を表わす前記信号と組合せて前記変換信号を発生させるための手段が含 まれている請求の範囲第２８項記載の装置。
30. ３０．前記変換手段は信号積分手段を含み、前記変換信号は実質的に▲数式、化 学式、表等があります▼に等しく、こゝに、▲数式、化学式、表等があります▼ はプローブの本体についての地球座標変換マトリクスであり、▲数式、化学式、 表等があります▼は前記第１、第２および第３の回転軸の周囲での回転角を表わ すマトリクスであり、ρは前記地球の基準座標系に対する前記第１、第２および 第３の回転軸からなる座標系の角速度を表わすマトリクスであり、また、Ωは前 記地球の基準系における地球の回転角を表わすマトリクスである請求の範囲第２ ９項記載の装置。