JPS62261010A - ジヤイロコンパス装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明はジャイロコンパス装置、特にセンサーであるジ
ャイロ及び加速度針を艦船等の航行体に直列取り付ける
、いわゆるストラップダウン方式のジャイロコンパス装
置にする。

【従来の技術〕

第４図を参照して、従来のストラップダウン方式の艦船
等の航行体のジャイロコンパス装置の一例を説明する。

この例では、艦船等の航行体に直接取り付けた３個のジ
ャイロ（Ｘ−ジャイロ、Ｙ−ジャイロ及びＺ−ジャイロ
）を有するジャイロ部（１ａ）及びその出力をディジタ
ル量に変換するディジタル変換回路（１ｂ）からなる角
速度検出部（１）と、同じように航行体に直接取り付け
た３個の加速度計（Ｘ−加速度針、Ｙ−加速度計及び２
−加速度針）を有する加速度計部（２ａ）及びその出力
をディジタル量に変換するディジタル変換回路（２ｂ）
からなる加速度検出部（２）とが、慣性信号検出部（３
）を構成し、これが地球及び航行体の運動を検出し、角
速度信号及び加速度信号を夫々出力する。上記角速度検
出部（１）及び加速度検出部（２）の出力信号は、ジャ
イロコンパス演算部（４）に入力される。

ジャイロコンパス演算部（４）においては、角速度検出
部（１）からの角速度信号は、自転修正及びコンパス演
算部（６）の出力信号を第２の座標変換演算部（１０）
を通して得た修正トルキング信号と共に、方向余弦演算
部（５）に入力される。この方向余弦演算部（５）は、
航行体の座標軸（ロール軸、ピンチ軸、ヨー軸）と地球
座標軸（航行体の位置する地点における南北軸、東西軸
、鉛直軸）との間の方向余弦信号を出力する。この方向
余弦信号を、加速度検出部（２）からの加速度信号と共
に、第１の座標変換演算部（７）に供給する。これは、
上記航行体座標軸方向の加速度を地球座標系の軸方向、
即ち南北及び東西の各軸方向の加速度成分ａＨ，ａＦ、
に変換し、出力する。

一方、航行体の速度計（１１）より変換回路（１２）を
介して得られるログ信号を、方向余弦信号が入力されて
いるジンバル角演算部（１３）からの方位角信号と共に
、速度分力演算部（１５）に入力し、南北及び東西方向
のログ成分ｖ　′Ｎ、　ｖ　′Ｈに分解する。このログ
成分ｖ　Ｉ、、　、　ｖ　Ｉ、−を推測位置演算部（１
６）へ供給し、そこで積分等の演算を行って、それより
、航行体の推測位置を出力する。

さらに、ログ出力成分ｖ　Ｑ　、　　ｖ　ｌ、−と、上
記加速度成分ａＮ＋ａＥとを、加速度修正演算部（１７
）に於て、修正比較し、夫々の差、□即ち、傾斜誤差θ
Ｎ、θＥを得、これ等と、既知の自転角速度と、推測位
置演算部（１６）よりの推測位置信号とを、上記自転修
正及びコンパス演算部（６）へ入力し、演算部として考
えている地球座標系と実際の航行体の地球座標系との角
度偏差を、ジャイロコンパスループによって、ゼロに成
膜させる。これ等の傾斜誤差θＮ、θヒの中で、地球座
標系、叩ち航行体の位置における接平面に対して、演算
部として考えている地球座標系の接平面が東西軸まわり
に傾斜している場合が傾斜誤差θＮ、又は南北軸まわり
に傾斜している場合が傾斜誤差θＥに対応している。よ
って、傾斜誤差θＮ、θＥに対応して、上記、演算部と
して考えている地球座標系を鉛直軸まわりに回転して、
実際の航行体の地球座標系に近づけようとするループが
、ジャイロコンパスにおける指北ループに、東西軸まわ
りに近づけようとするループがジャイロコンパスにおけ
るダンピングループに、又、南北軸のまわりに近づけよ
うとするループが東西レベル系に夫々対応する。

この内、傾斜誤差θ８に対応する２つのループ、部ち指
北ループと、ダンピングループとよりなる系を、ジャイ
ロコンパッシング（Ｇ　Ｃ）と呼ぶ。

上記各軸まわりの回転命令を、実際のジャイロ軸が存在
する航行体のロール、ピッチ、ヨーの各軸まわりの成分
に変換するのが、第２の座標変換演算部（１０）の役割
である。

一方、方向余弦演算部（５）よりの方向余弦信号は、ジ
ンバル角演算部（１３）において、航行体の方位角、ピ
ッチ角、ロール角等の姿勢角信号に変換され、外部の所
要部著に出力される。

上記のジャイロコンパスループは、本来垂直軸、南北軸
及び東西軸の３軸相互干渉する非線形系であるが、扱う
数値が微小なので、近似すると、３軸相互干渉がない線
形系となり、ジャイロコンパ・ノシング（ＧＣ）と東西
レベル系とは分離される。

ここで、東西レベル系の説明は、本発明に無関係なので
省略する。このジャイロコンパッシング（Ｇ　Ｃ）を等
価なブロック線図に書きなおしたものが第５図である。

次に、第５図を参照してジャイロコンパッシング（Ｇ　
Ｃ”）を説明する。ストランプダウン式でのジャイロコ
ンパッシング（ＱＣ）の構成は、指北拘束の局地水平系
に対する仮想のジンバル系で扱うので、ジャイロ及び加
速度計は仮想な要素となる。

今、垂直軸まわりの誤差（方位誤差）があるときは、東
西軸ジャイロ（２１）に水平方向自転成分Ωｃｏｓλ　
（λは航行体の現在位置の緯度、Ωは地球の自転角速度
）を介した角速度が入力され、仮想のジンバルを傾斜さ
せる。この傾斜誤差を南北軸加速度計（２２）が検出す
る。この際、南北軸加速度針（２２）は、航行体の南北
軸方向の運動加速度も加算して検出する。この値が、加
速度修正演算部（１７）でログ信号の南北方向成分Ｖ′
Ｎにより、修正され傾斜誤差θＮのみが出力される。こ
の傾斜誤差θＮは、周知の如く、緯度修正された後、指
北ゲイン（２３）及び指北積分器（２４）を介して、垂
直軸ジャイロ（２５）にフィードバックされて、東西軸
ジャイロ（２１）が水平自転成分を感じなくなるまで、
垂直軸ジャイロ（２５）を回転させる。

これが指北ループである。このループだけでは、割振作
用がないので、傾斜誤差θＮをダンピングゲイン（２６
）を介して、東西軸ジャイロ（２１）にフィードバック
することで、東西軸ジャイロ（２１）を制振させる。こ
れがダンピングループである。

このようにし、ジャイロコンパッシング（Ｇ　Ｃ）は、
指北ループとダンピングループとにより、指北及び局地
水平系に対して、方位誤差及びレベル誤差をゼロにする
ことができる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記方位角、ロール角及びピンチ角等は、上述の如き計
算の過程で、ジャイロコンパス演算部（４）の中に組み
立てられたコンパス地球座標系、例えば真北拘束の局地
水平系に対する仮想のジンバルの相対角として出力され
る。この場合、ジャイロのドリフトによって、上記地球
座標系が真北及び局地水平に対して誤差を生ずる。この
ジャイロドリフトは、航行体の座標系から真北及び局地
水平系に変換する行列（３行３列）、すなわち、方向余
弦演算部（５）での方向余弦よりなる行列により変換さ
れ、真北及び局地水平系での南北軸、東西軸及び垂辺軸
の各ジャイロドリフト成分になる。

いま、Ｘ及びＹジャイロドリフトは、何んらかの方法で
、補正され、無視できるものとする。従って、残るＺジ
ャイロドリフトが、変換されて、各軸のジャイロドリフ
ト成分になる。この内、第５図のジャイロコンパッシン
グ（ＱＣ）において、方向余弦行列の要素１及び２によ
り航行体が南北軸まわりに傾斜していると、Ｚジャイロ
ドリフトは東西軸及び垂直軸ジャイロドリフト成分に変
換される。ジャイロコンパッシング（Ｇ　Ｃ’）に、東
西軸及び垂直軸ジャイロドリフト成分が作用する場合、
垂直軸ジャイロドリフト成分は、指北ループの指北積分
器（２４）の保持値が垂直軸ジャイロドリフト成分の値
となるから、見かけ上相段されるので、誤差を生じさせ
ない、一方、東西軸ジャイロドリフト成分は、ジャイロ
コンパッシング（ＧＣ）では補正できないので、垂直軸
まわりの誤差、すなわち方位誤差を生じさせる。従って
、従来のジャイロコンパッシング（ＧＣ）では、航行体
が南北軸まわりに傾斜していると、Ｚジャイロドリフト
の存在により、方位誤差が生ずるという欠点がある。

〔問題点を解決するための手段〕

従って、本発明は、Ｚジャイロドリフトがジャイロコン
パスループ又はジャイ゛ロバソシングＣＧＣ）に作用し
なくなるようなジャイロコンパス装置を提供せんとする
もので、これは、従来のジャイロコンパス装置に推定器
（３１）を併設する。この推定器（３１）に、ジャイロ
コンパス装置から傾斜誤差θＮ、推測位置の緯度情報及
びＺジャイロドリフトを地球座標系、例えば指北及び局
地水平系の東西軸及び垂直軸ジャイロドリフト成分に変
換する方向余弦行列の要素を供給し、これより推定器（
３１）はＺジャイロドリフトの推定値を出力する。

次に、この２ジヤイロドリフトの推定値を、Ｚジャイロ
の出力角速度信号から差し引くことで、Ｚジャイロドリ
フトは相殺され、ジャイロコンパスに方位誤差が生じな
くなる。

〔作用〕

ジャイロコンパス装置に併設された推定器（３１）は、
ジャイロコンパス演算部（４）から、傾斜誤差θＮ、推
測位置の緯度情報及びＺジャイロドリフトを指北及び局
地水平系の東西軸及び垂直軸ジャイロドリフト成分に変
換する方向余弦行列の２要素を入力として、Ｚジャイロ
ドリフトの推定値を出力する。次に、このＺジャイロド
リフトの推定値を、２ジヤイロの出力角速度信号から差
し引くことにより、Ｚジャイロドリフトを相殺し、方位
誤差の発生を阻止する。

〔実施例〕

第１図を用いて、本発明のジャイロコンパス装置の一例
を説明する。本発明に於いては、第４図で説明した従来
のジャイロコンパス装置をそのまま使用するものである
から、これについては、同一符号を付して示し、その説
明は省略する。

本発明に於いては、従来のジャイロコンパス装置に、推
定器（３１）を併設する。この推定器（３１）は、ジャ
イロコンパス演算部（４）から、傾斜誤差θＮ、推測位
置の緯度情報及びＺジャイロドリフトを指北及び局地水
平系の東西軸及び垂直軸ジャイロドリフト成分に変換す
る方向余弦行列の２要素を入力として、Ｚジャイロドリ
フトの推定値を出力する。このＺジャイロドリフトの推
定値を、Ｚジャイロの出力角速度信号から減算器（３２
）で差し引くことで、Ｚジャイロドリフトは相殺され、
ジャイロコンパスには作用しなくなり、方位誤差は生じ
なくなる。

ジャイロコンパスループのジャイロコンパッシング（Ｑ
Ｃ）を、等価なブロック線図で書きなおした第５図のジ
ャイロコンパッシング（Ｇ　Ｃ）を動的システムとして
扱うと、制御工学で用いられる入出力の状態方程式に書
き直すことができる。

第２図に示す、このシステム（４０）の内部状態を表わ
す状、１１　Ｅｔには、Ｚジャイロドリフト、方位系Ｍ
（垂直軸まわりの誤差）及びピッチ誤差（東西軸まわり
の誤差）等が含まれ、これらの状態量は未知である。こ
のジャイロパッシングシステム（４０）への入力ｕ　（
ｔ）は、推定５（３１）よりのＺジャイロドリフトの推
定値のフィードバック信号である。同じくこのシステム
（４０）の出力ｙ　（ｔ）は、傾斜誤差θＮとなる。

従って、ジャイロコンパッシング（Ｇ　Ｃ”）を動的シ
ステムとして扱うと、次のように表わすことができる。

状態量と入力との間には、 ｄｘ（ｔ） ＝Ａ（ｔｌｘ（ｔ）＋Ｂ（ｔ）ｕ（ｔ）　　　・・・・
・−ｆｌ）ｔ のような関係が、状態量と出力との間には、ｙ　（ｔ）
　−Ｃｘ　（ｔ）　　　　　　　　・・・・・・・・・
・（２）のような関係ができる。

ここで、ｘ　（ｔ）は状態量のｎ次のベクトル量。

ｕ　（ｔ）は入力のスカラー量で、Ｚジャイロドリフト
の推定値のフィードバック 信号に相当する。

ｙ　（ｔ）は出力のスカラー量で、傾斜誤差θＮに相当
する。

Ａ　（ｔｌはｎｘｎ行列で、ジャイロコンパッシング（
ＧＣ）の各パラメータより 成る。

Ｂ　（ｔｌはｎＸ１行列で、方向余弦行列の要素１及び
２のパラメータが含まれる。

ＣはＩＸｎの検出行列である。

ｎは状態量の数である。

ジャイロコンパッシング（Ｃ；　Ｃ）の方向余弦行列の
要素１及び２と緯度とは、航行体の運動に伴い、時間と
共に変化する。従って、方向余弦行列の要素１及び２と
緯度に対応したＡ　（ｔ）及びＢ　（ｔ）のパラメータ
とは、時間と共に変化するので、ジャイロコンパッシン
グシステム（４０）　ハｌｌ！変システムとなる。

ジャイロコンパッシング（Ｇ　Ｃ）の谷状６１は未知で
あるが、Ａ（ｔ）、　Ｂ（ｔ）の時変パラメータの「時
々刻々」の値は、ジャイロコンパス演Ｋ　部（４１の中
の方向余弦演算部（５）及び推測位面演算部（１６）で
計算され出力されるので、既知であり、他のＡ（ｔ）、
　Ｂ（ｔ）の時不変パラメータもまた既知である。

従って、すべてのＡ　（ｔｌ、　Ｂ　（ｔ）、　　Ｃの
パラメータが既知であるので、本発明の推定器（３１）
が構成できる。

推定器（３１）は、ジャイロコンパッシングシステム（
４０）の（１１式及び（２）式に基づいて構成され、「
時々刻々」での出力（傾斜誤差θＮ）及び時変パラメー
タとを入力として、推定Ｄ　（３１）の状態量はジャイ
ロコンパッシングシステムの状態量ｘ　（ｔｌに時間と
共に漸近するような状態方程式を有するシステムである
。

次に、推定器（３１）の構成を、第３図を参照して説明
する。推定値（３１）は３つの部分、即ちパラメータフ
ィルタ（３１ａ　）　、オブザーバ（３１ｂ　）及び推
定値フィルタ（３１ｃ　）より成る。パラメータフィル
タ（３１ａ）は、時定数Ｔ１のローパスフィルタをｎ１
段で構成したもので、時変パラメータの内で方向余弦行
列の２つの要素の値を信号とみなして、フィルタする。

従って、図示せずも、同じパラメータフィルタが夫々の
要素１及び２に対応して設けられている。この信号は、
航行体の姿勢角に対応しているので、時間変化が大きい
ために、この信号をパラメータフィルタ（３１ａ）を通
過させることで、信号の変化を平均化する。

オブザーバ（３１ｂ）は、「時々刻々」でのジャイロコ
ンパッシングシステム（４０）のＡ、　［３，Ｃに基づ
いて、状態量Ｘ（１）を推定する状態方程式を構成して
いる。このジャイロコンパッシングのＡ（ｔ）、　Ｂ（
ｔ）の内で、方向余弦行列の要ｓ１及び２に対応するパ
ラメータは、パラメータフィルタ（３１ａ）を通過した
出力に置き換えられている。

また、Ａ　（ｔ）の内で、時変パラメータの緯度も推測
位置演算部（１６）で計算した緯度に置き換える（これ
は上述のＡに相当する）。オブザーバ（３１ｂ）の入力
は、３つあり、パラメータフィルタ（３１ａ）の出力を
含んだ時変パラメータ情報、ジャイロコンパッシング（
Ｃ，Ｃ）からの傾斜誤差θＮの出力及びＺジャイロドリ
フトの推定値出力である。

これらのオブザーバ（３１ｂ　）への入力によって、ジ
ャイロコンパッシングシステム（４０）の状態量を時間
と共に推定する。この推定した状態量とジャイロコンパ
ッシング（ＧＣ）の状態量とが一致するまでの時間は、
任意に設定することができる。

オブザーバ（３１ｂ）は、推定した状態量の内で、Ｚジ
ャイロドリフトに相当する推定値を出力する。

推定値フィルタ（３１ｃ）は、時定数Ｔ２のローパスフ
ィルタをｎ２段で構成したもので、オブザーバ（３１ｂ
　）の出力である推定したＺジャイロドリフトのリップ
ル分を減衰させる働きがある。もし、Ｚジャイロドリフ
トのす７プル分が問題とならなければ、推定値フィルタ
（３１ｃ　）は必要ない。

〔発明の効果〕

上述の如く、本発明のジャイロコンパス装置によれば、
推定器（３１）によりＺジャイロドリフトを推定して、
このＺジャイロドリフトの推定値を、Ｚジャイロの出力
角速度信号から減算することで、Ｚジャイロドリフトを
相殺し、誤差のない方位を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一例の系統的ブロック線図、第２図は
その一部のブロック図、第３図は本発明の要部のブロッ
ク図、第４図は従来のジャイロコンパス装置のブロック
図、第５図は第４図のジャイロコンパッシングのブロッ
ク図である。 図に於て、（３）は慣性信号検出部、（４）はジャイロ
コンパス演算部、（１２）は変換回路、（３１）は推定
器、（３１ａ）はパラメータフィルタ、（３１ｂ）はオ
ブザーバ、（３１ｃ　）は推定値フィルタを夫々示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 慣性信号検出部と、ログ信号発生部と、それ等の出力を
   演算処理して傾斜誤差、方向余弦行列の要素及び推測位
   置信号を出力するジャイロコンパス演算部とを有するジ
   ャイロコンパス装置に於て、推定器を設け、該推定器は
   、上記傾斜誤差、方向余弦行列の要素及び推測位置信号
   が供給され、これ等信号に基づいてＺジャイロドリフト
   の推定値を発生し、該Ｚジャイロドリフトの推定値を上
   記慣性信号検出部よりのＺジャイロの角速度信号より減
   算器で減算し、Ｚジャイロドリフトを相殺するようにな
   したことを特徴とするジャイロコンパス装置。