JPS62106385A - 乗物の運行角度を計算するためのドップラ慣性ループ - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は航空機のドツプラ慣性誘導装置に関するもので
あり、更に詳しくいえば加速度計およびレートジャイロ
からのデータをドツプラレーダからの速度データと組合
わせて用いて乗物のピッチおよびロールを計算し、それ
らのピッチおよびロールを用いて乗物の進行方位を正確
に計算するドツプラ慣性誘導装置に関するものである。

（従来の技術および発明が解決しようとする問題点） 多くの航空機は正確で、安価な自立航行装置を必要とし
ている。ドツプラレーダは正確な速度データを与えるこ
とができるが、全航行ソリューション（ｔｏｔａｌ　ｎ
ａｖｉｇａｔｉｏｎ　５ｏｌｕｔ１ｏｎ　）は正確な進
行方位も要する。磁気コンパスはその進行方位を指示で
きるが、現在利用できる磁気コンパス装置は大型で、重
く、高価である。任意の磁針路センサの基本的な面は水
平面内での進行方位のみを測定する必要性である。傾斜
（ピッチまたはロール）誤差によりひき起される、地球
の垂直磁場の一部′により導入されるこの測定値のいか
なる精度低下でも大きい進行方位誤差が生ずることにな
る。第１図は傾斜誤差に対する磁針路の感度を磁気ディ
ップ角度の関数として示すものである。そのディップ角
度は地磁気の垂直成分と水平成分の比の逆正接である。

従来の磁気コンパスは航空機において進行方位を求める
ためにいくつかの技術を用いている。１つの技術は流体
中に振子のようにして吊下げられる磁針路センサを用い
ることである。振子の作用は、加速されていない飛行中
は磁気検出素子を水平面内に保持させることであるから
、進行方位は適性に測定される。しかし、乗物の加速度
は振子を垂直からずらさせて磁気センサから大きな進行
方位誤差を生じさせる。別のやり方はボデーに取付けら
れた３個１組の磁気センサを用い、それらのセンサの出
力を、垂直センサまたは垂直ジャイロからのピッチおよ
びロールを用いて水平面に変換することである。典型的
な垂直ジャイロは、簡単な加速度計または液体水準器さ
えも用いて局部垂直に整列すなわち従属させられる。こ
の技術では加速されない飛行中は満足できるピッチ角度
およびロール角度が得られるが、加速中はピッチ角度お
よびロール角度は低下する。

正確なピッチおよびロールは慣性装置、すなわち、２つ
のシューラー同調ループ（Ｓｃｈｕｌｅｒｔｕｎｅｄ　
１ｏｏｐ）として動作するように構成された加速度計と
ジャイロスコープの組合わせによりえらことができる。

それらのループは、離陸前に正しく初期化されると、厳
しい飛行動作中でもピッチおよびロールについての知識
を保持する。そのような慣性装置の大きい欠点は構成が
複雑で、高価なことである。

（問題点を解決するための手段） 「帯で吊るされた（Ｓｔｒａｐｄｏｖｎ　）すなわちボ
デーに取付けられた三輪磁場センサを用いることにより
、低価格の正確な磁針路装置を得ることができる。その
磁場センサの直交する３つの成分がピッチ角度およびロ
ール角度を介して変換される。

本発明は、一定の高度をまっすぐ飛行している時′ばか
りでなく、従来のピッチセンサおよびロールセンサが大
きい誤差を生ずるような激しい作戦行動もピッチおよび
ロールを正確に測定する簡単で安価な技術を提供するも
のである。

本発明°は、乗物のピッチとロールを計算するために安
価な加速度計および安価なレートジャイロからのデータ
と、ドツプラレーダからの速度データを用い、計算した
ピッチとロールを用いて前記「帯で吊るされた」磁場セ
ンサからの直交磁場成分を変換し、水平進行方位データ
を生ずるものである。加速度計は乗物の加速度と、入力
軸に沿う重力成分とを測定する。その重力成分は（たと
えば、帯で吊るされた加速度計の場合には）ピッチおよ
びロールの関数である。加速度計の出力に対する乗物の
加速度の影響は、その加速度からドツプラ速度の時間微
分を差し引（ことにより無くすことができる。そうする
と残りの信号はピッチおよびロールの関数である。２つ
の垂直な加速度計がピッチおよびロールを決定するため
に十分な情報を与える。別のやり方は加速度計の出力を
積分しくそれにより速度が得られる）、ドツプラ速度を
差し引くことである。それにより得られた信号はピッチ
およびロールの時間積分に比例する。両方の場合におい
て、雑音を動的に除去し、正確なピッチデータおよびロ
ールデータを瞬時に得ることができるようにするために
、上記計算過程を助けるようにレートジャイロのデータ
が用いられる。

本発明の目的は、従来の慣性誘導装置に及ぼす地球の重
力場の影響の結果として、加速度計、レートジャイロお
よびドツプラレーダから得たデータを補償しながら、乗
物のピッチおよびロールを計算するために、現在利用で
きる安価な加速度計、レートジャイロ、およびドツプラ
レーダから利用できる速度データを用いることである。

（実施例） 以下、図面を参照して本発明の詳細な説明する。

本発明の１つの用途は慣性誘導装置が真の磁針路を発生
できるようにすることである。磁針路センサの基本的な
面は水平面内のみの進行方位を測定する必要である。傾
斜（ピッチおよびロール）−誤差により引き起される、
地球の垂直磁場の一部によるその測定値がどのように悪
影響を受けても大きい進行方位が生ずることになる。本
発明は、重力によりデータが悪影響を受けることなしに
、水平面内のピッチおよびロールを正確に計算する技術
を提供するものである。

第２図は地磁気の２つの成分ＢＨ，ＢｖをＸ。

Ｙ、　　Ｚの機体座標系で表したものを示す。第２図は
進行方位Ｈにおける水平飛行の条件を描いたものである
。航空機の磁針路は次式で計算される。

Ｈ−ｊａｎ−ＩＨＹ ＢＨｘ ここに、ＢＨＹはＹ軸に沿う地磁気の成分、ＢＨｘはＸ
軸に沿う地磁気の成分である。

ピッチおよびロールの測定に誤差が生ずると、地磁気の
垂直成分がＸ、Ｙ軸に結合され、進行方位が不正確に計
算される。それらの条件の下においては、進行方位は誤
差εＨで次式から計算される。

ｖ ｓｉｎ　Ｈ＋　−（εＲ） ｖ ｃｏｓ　Ｈ＋　−（εＰ） Ｈ ここに、εＲとεＰはそれぞれロール量の誤差である。

進行方位が零または１８０度に近いとすると、計算され
た進行方位誤差はほぼ次式で与えられる。

Ｖ εＨ−（εＲ） Ｈ 進行方位が９０度または２７０度に近いとすると、計算
された進行方位誤差はほぼ次式で与えられる。

ｙ εＨ−（εＰ） Ｈ したがって、進行方位誤差は進行方位と、ピッチ誤差の
大きさと、ロール誤差の大きさと、地磁気の垂直成分の
水平成分の比との関数である。

第１図はロール誤差の関数としての進行方位誤差（北へ
向かって飛行していると仮定して）とディップ角度の関
係を示すグラフである。

（ｊａｎ’［Ｂ　　／Ｂ　　］） Ｈ 第１図はディップ角度の種々の範囲に関連する地球の地
理学的領域も示す。通常は、ディップ角度を７０度はど
高くできる領域における動作を考えねばならない。その
場合には、第１図は、進行方位誤差を１度にしたい時に
は、垂直角度を０．２５度にしなければならない。

第３図はピッチ角度を計算するためのドツプラ慣性ルー
プ１０を示す。ロール角度を計算するためにほこのドツ
プラ慣性ループ１０と同じループをもう１つ設けること
を理解すべきである。

通常の多重センサがＸ軸加速度計の出力Ａｘを線１２を
介して減算回路１４の第１の入力端子へ与える。その出
力Ａは（１）希望の直線加速度成分と、（２）悪影響を
与える重力成分との２つの成分を含む。重力成分だけが
ループ１０により計算され、減算回路１４の出力がその
減算回路への２つの入力の差であるように、その重力成
分は減算回路１４の第２に入力端子へ与えられる。その
結果として線１６に希望の直線加速度が与えられる。そ
の希望の直線加速度は減算回路２２の第１の入力端子へ
与えられる。その減算回路２２の第２の入力端子には誤
差信号が与えられる。これについては後で説明する。減
算回路２２の出力は直線加速度の修正された値である。

その出力は積分器２４で積分されて慣性速度の正しい値
を生ずる。

理想的な状況においては、その正しい慣性速度はドツプ
ラレーダ３２により発生された速度に等しくなければな
らない。ドツプラ速度は地面に対する標準速度すなわち
基準速度として用いられる。

出力線３３が、線２６を伝わる慣性速度と線３０を伝わ
るドツプラ速度の間の誤差信号を伝える。

その誤差信号は増幅器５０の入力端子４８へ与えられ、
その増幅器で増幅されてから線５２を介して加算回路４
６の第１の入力端子へ与えられる。

増幅器５０の利得αがこのループによる処理速度成分を
高くする。加算回路４６の第２の入力端子−へは増幅器
５０を含む経路に平行な経路を通って与えられる。更に
詳しくいえば、積分器４２の入力端子４０に減算回路２
８から誤差信号が与えられる。この積分器はそれに与え
られた誤差信号を積分し、かつそれに定数βを乗ずる。

積分器はレートジャイロのドリフトを格納し、したがっ
て図示のループはその誤差を補償される。線４４と５２
からの組合わされた誤差信号が加算回路４６において加
え合わされ、その和の信号が線５４を介して加算回路５
６の第１の入力端子へ与えられる。慣性速度が積分器２
４から平行な出力路５８を通って加算回路５６の第２の
入力端子へ与えられる。加算回路５６の出力６０は乗算
回路６２へ与えられ、そこで地球の半径に逆比例する換
算係数を乗ぜられて、地球の周囲の乗物の角速度に対応
する出力となる。その出力は出力線６４を介して加算回
路６８へ与えられ、そこで地球の角速度に加え合わされ
る。地球の周囲の乗物の動きの動的な影響と地球の回転
の影響を考慮に入れることかできる。加算回路６８の出
力は線７０を介して減算回路７４の第１の入力端子へ与
えられる。餌回路７４の第２の入力端子は多重センサ（
第４図）のＸ軸し−トセンサの出力端子が接続される。

そのＸ軸し−トセンサは乗物の角速度ω　を発生する。

指示された減算を実行することにより、減算回路７４の
出力は地球に対する乗物の関連するデータであって、線
７６を介して積分器７６へ与えられて積分される。積分
器７８は更新されたピッチ角度を計算して、そのピッチ
角度を線８０を介して回路８２へ与える。この回路にお
いてピッチ角度の正弦を計算し、その正弦値を線８４を
介して回路８６へ与える。その回路８６において重力の
加速度がその正弦値に乗ぜられる。ピッチ角度の正弦値
と重力の加速度の積すなわち乗物の加速度の重力成分が
線１８を介して減算回路１４へ与えられる。初めに述べ
たように、乗物の全加速度Ａ　から重力成分を差し引く
ことにより、直線加速度成分を得ることができる。直線
加速度成分の決定における精度を高くするためにコリオ
リ効果の値を減算回路１４において差し引くことができ
−る。コリオリ効果は緯度と、乗物の速度と、地球の速
度との関数であり、実際にはコリオリ効果の値をＲＯＭ
のルックアップテーブルに容易に格納できる。

以上説明したように、加速度の積分値は、重力による悪
影響を補償した後は、第３図に示されているループで計
算される地球の周囲を動く乗物の運動を修正する。減算
回路２８においては、ドツプラ速度が慣性速度と比較さ
れ、相互接続線３３゜３４と、減衰帰還項γを線３８を
介して減算回路２２の減算入力端子へ与える回路３６と
を含むガンマループを介して主ループの振動を減衰させ
るために用いられる。

第３図に示されているドツプラ慣性ループにおいて行わ
れる処理はアナログコンピュータ、デジタルコンピュー
タまたはハイブリッドコンピュータで実現できる。第３
図に示されている発明の技術的思想が与えられると、そ
の技術的思想のコンピュータにおけるスフトウエアによ
る実現は当業者には容易である。第３図に示されている
ループはピッチ角度の処理だけについてのものであるか
ら、以上説明したループをロール角度を計算するために
設けられなければならない。

本発明の詳細な説明するために、本発明を利用する航行
装置のブロック図が示されている第４図を参照する。第
３図のループと、ロール角度を発生するための別に設け
たループとに関連して説明した計算はデジタルドツプラ
航行装置コンピュータ８８により行うことができる。乗
物の先端部と最後部を結ぶ実とそれに直交する軸とによ
り形成される平管内に含まれる２本の加速度軸が用いら
れる。第３図を参照して説明した本発明の説明に従うよ
うにしてピッチとロールを計算するために２本のレート
ジャイロ軸（Ｘ軸とＹ軸）が用いられる。磁力計により
得た進行方位を滑かにするためにＺ方向の第３の軸が用
いられる。図示のＡ／Ｄ変換器８９がアナログセンサ９
１〜９６からの出力をコンピュータ８８が利用できるデ
ジタル形式に変換し、それをコンピュータ８８へ与える
。第４図に示されている三軸磁力計９１の出力−を水平
座標フレームに変換するために、第３図のドツプラ慣性
ループにより得られたピッチとロールが用いられる。実
際の変換はこの分野において知られているアルゴリズム
に従ってドツプラ航行装置コンピュータにおいて行うこ
とができる。三輪磁力計からの出力は機体成分中の地磁
気の３つの成分であるＭ　　、Ｍ　　、Ｍ　　を含む。

それらのｘ　　　　ｙ　　　　ｚ 成分は、航行中の乗物の磁針を決定できるように、本発
明を用いることにより、ピッチ角度とロール角度を通じ
て水平成分と垂直成分に変換せねばならない。これは第
４のコンピュータ８８の出力端子におけるデータ出力Ｈ
Ｍにより示されている。

希望のｘ、　ｙ、　　ｚ成分で利用できる他のデータに
は速度項Ｖ　　、Ｖ　　、Ｖ　　と３本の軸に沿う角速
ｘ　　　　　ｙ　　　　ｚ 度項ω　、ω　、ω　が含まれる。第４図のコンｘ　　
　　　ｙ　　　　　ｚ ピユータ８８の出力端子の所にまた示されているように
、ピッチ（Ｐ）とロール（Ｒ）に対するデータは航行コ
ンピュータ９７が利用することもできる。それからその
航行コンピュータ９７はオートパイロット９８のための
計算された全てのデータも利用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は進行方位誤差をディップ角度および垂直誤差の
関数として示すグラフ、第２図は水平Ｘ。 Ｙ、　Ｚ座標系における地磁気成分を示すベクトル図、
第３図は本発明のドツプラ慣性ループのブロック図、第
４図は本発明を用いる航行装置の基本的なブロック図で
ある。 １０・・・ドツプラ慣性ループ、１４，２２，２８゜７
４・・・減算回路、２４．４２．７８・・・積分器、３
２．９０・・・ドツプラレーダ、４６．５６・・・加算
回路、５０・・・増幅器、６２・・・乗算回路、８８・
・・ドツプラ航行装置コンピュータ、８９・・・Ａ／Ｄ
変換器、９１・・・磁力計、９２．９３・・・加速度計
、９４．９５．９６・・・レートセンサ、９７・・・航
行コンピュータ、９８・・・オートパイロット。 出願人代理人　　佐　　藤　　−雄 雪駄り囃怖峨

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、乗物の直線加速度を計算する過程と、 その加速度を積分して乗物の慣性速度を得る過程と、 その慣性速度とドップラ検出された速度を比較して両者
   間の誤差値を形成する過程と、 誤差値と慣性速度の和を地球の周囲の乗物の角速度に変
   換する過程と、 地球の回転速度を乗物の角速度に重畳して、地球の回転
   に対する地球の周囲を動く乗物の動的効果を得る過程と
   、 乗物の測定された角速度を動的効果計算から差し引いて
   、地面に対する乗物の角速度の正確な測定値を得る過程
   と、 得た角速度を積分してそれぞれロール角度またはピッチ
   角度の最新の測定値を形成する過程と、角度の正弦を計
   算する過程と、 角度の正弦に重力の加速度を乗ずる過程と、乗ぜられた
   量を、直線成分および重力成分を含む測定された全乗物
   加速度から差し引くことにより、直線加速度成分のみを
   正確に計算する過程と、を備えることを特徴とする慣性
   信号およびドップラ信号から乗物のロール角度およびピ
   ッチ角度を計算する方法。 ２、特許請求の範囲第１項記載の方法であって、直線加
   速度の計算された値をコリオリ効果により調整する過程
   を含むことを特徴とする方法。 ３、所定の軸に沿う直線部分および重力成分を含む全加
   速度信号が接続される第１の入力端子と、重力成分のみ
   に関連する信号が接続される第２の入力端子と、希望の
   直線加速度信号に対応する信号を発生する出力端子とを
   有する第１の減算手段と、 この減算手段の出力端子に接続され、所定の軸に沿う慣
   性速度に対応する信号を発生する第１の積分手段と、 所定の軸に対する所定の速度信号を発生するドップラ手
   段と、 慣性速度とドップラ速度信号がそれぞれ接続される入力
   端子を有し、誤差信号を発生する第２の減算手段と、 誤差信号と慣性速度の和を地面に対する乗物の角速度に
   変換する手段と、 この変換手段に接続され、それぞれのロール角度および
   ピッチ角度を示す信号を発生する手段と、この発生手段
   の出力端子に接続され、それぞれロール角度またはピッ
   チ角度の正弦を示す信号を発生する手段と、 この正弦発生手段の出力端子に接続され、角度の正弦に
   、重力に対応する量を乗じて全加速度の重力成分を得る
   手段と、 この乗算手段の出力端子を第１の減算手段の第２の入力
   端子に接続し、第１の減算手段の出力端子に正確な直線
   加速度信号を発生する手段と、を備えることを特徴とす
   る乗物のロール角度およびピッチ角度をそれぞれ計算す
   るドップラ慣性ループ。 ４、特許請求の範囲第３項記載のループであって、第１
   の減算手段の出力端子に接続される第１の入力端子と、
   第１の積分手段の入力端子に接続される出力端子とを有
   する第３の減算手段と、第２の減算手段の出力端子と第
   ３の減算手段の第２の入力端子の間に接続され、第１の
   減算手段と第１の積分手段の間の帰還を減衰させる帰還
   手段と、 を備えることを特徴とするループ。 ５、特許請求の範囲第３項記載のループであって、誤差
   信号と慣性速度の和を地面に対する乗物の角速度に変換
   する手段は、 誤差信号と慣性速度の和を地球の半径の逆関数として換
   算して、地球の周囲の乗物の角速度を得る手段と、 この換算手段の出力端子に接続される第１の入力端子と
   、地球の角速度が与えられる第２の入力端子とを有し、
   地球の周囲を動く乗物の動的な効果と、地球の回転の効
   果との和に対応する信号を出力端子に発生する加算手段
   と、 この加算手段の出力端子に接続される第１の入力端子と
   、ループとは独立に得た角速度信号が接続される第２の
   入力端子と、地面に対する乗物の角速度に対応する変換
   された誤差信号を発生する出力端子とを有する第４の減
   算手段と、 を備えることを特徴とするループ。 ６、特許請求の範囲第３項記載のループであって、それ
   ぞれロール角度の信号とピッチ角度の信号を角速度から
   発生する手段は、第４の減算手段の出力を積分する手段
   を含むことを特徴とするループ。 ７、特許請求の範囲第３項記載のループであって、第１
   の減算手段の入力端子に接続されて、コリオリ効果に対
   応する信号を差し引く手段を含むことを特徴とするルー
   プ。 ８、特許請求の範囲第３項記載のループであって、誤差
   信号と慣性速度の和を地面に対する乗物の角速度に変換
   する手段は、 誤差信号と慣性速度の和を半径の逆関数として換算して
   、地球の周囲の乗物の角速度を得る手段と、 この換算手段の出力端子に接続される第１の入力端子と
   、地球の角速度が与えられる第２の入力端子とを有し、
   地球の周囲を動く乗物の動的な効果と、地球の回転の効
   果との和に対応する信号を出力端子に発生する加算手段
   と、 この加算手段の出力端子に接続される第１の入力端子と
   、ループとは独立に得た角速度信号が接続される第２の
   入力端子と、地面に対する乗物の角速度に対応する変換
   された誤差信号と慣性速度の和を発生する出力端子とを
   有する第４の減算手段と、 を備えることを特徴とするループ。 ９、特許請求の範囲第８項記載のループであって、それ
   ぞれロール角度の信号とピッチ角度の信号を角速度から
   発生する手段は、第４の減算手段の出力を積分する手段
   を含むことを特徴とするループ。 １０、特許請求の範囲第９項記載のループであって、第
   １の減算手段の入力端子に接続されて、コロオリ効果に
   対応する信号を差し引く手段を含むことを特徴とするル
   ープ。