JPS6351245B2 - - Google Patents

Description

記修正された方位を得る加算手段１８ とを具備する方位基準装置。

【発明の詳細な説明】

この発明は航空機、船舶、自動車などの移動体
に取付けられ、その方位を検出する方位基準装置
に関する。

従来の方位基準装置は移動体に方位ジヤイロを
取付け、これを常に真北に向けておき、一方この
移動体に取付けられたプラツトフオームに１軸の
地磁気検出器が取付けられる。例えば、水銀溜の
水銀の表面が重力に対して常に水平になる性質を
利用して、プラツトフオームを制御し、地磁気検
出器が常に水平を保たれるようにして地磁気の東
西方向の水平分力だけを検出する。従来はその検
出出力がゼロになるように方位ジヤイロの向きを
修正している。

このように従来の方位基準装置はプラツトフオ
ームを用いるものであり、プラツトフオームは複
雑であり、かつ水平に保持するための制御を必要
とし、大型になり、重量も大となり電力消費も多
い。更にその制御系としてモータなどが用いら
れ、つまりプラツトフオームには磁性体が用いら
れ、その上に地磁気検出装置が配されているた
め、検出地磁気がプラツトフオームにより乱さ
れ、正確な検出ができないおそれがあつた。

この発明の目的はプラツトフオームを用いるこ
となく、従つて小型軽量に構成でき、かつ消費電
力も少なく、演算も比較的簡単な方位基準装置を
提供することにある。

この発明によれば移動体にその姿勢と相対的な
姿勢に固定されて地磁気の３軸方向の成分を検出
する磁気検出器が取付けられる。その磁気検出器
より検出された地磁気の成分はローカルバーテイ
カル座標系、即ち局地水平座標系の成分に変換さ
れる。この地磁気の水平分力の内東西方向の水平
分力はゼロになる。一方、方位ジヤイロの出力か
ら計算された方位を用いて東西方向の水平分力を
演算し、これと先の地磁気の水平分力の東西方向
の水平分力との差より誤差を検出し、その出力に
より方位ジヤイロの検出方位を修正する。

このようにしてプラツトフオームを用いること
なく正確に方位基準を得ることができる。

次に図面を参照してこの発明を航空機の方位基
準装置に適用した場合を説明しよう。航空機の姿
勢は一般にオイラー角Ψ，θ，φであらわされ
る。即ち第１図に示すように地球に固定された直
交座標（X_E、Y_E、Z_E）と航空機に固定した直交
座標（ｘ、ｙ、ｚ）との関係は次のようになる。
鉛直下方の軸Z_E回りの回転により方位角Ψを取
り、次に航空機の左右方向となる軸ON回りの回
転によりピツチθを取り、最後に航空機の前後方
向となる軸OX回りにロール角φを取る。航空機
の方位基準はΨである。

第２図はこの発明による方位基準装置の一例を
示す。この発明の構成によれば、移動体に固定さ
れた直角座標系のＹ軸回りの角速度ｒ及びＺ軸回
りの角速度ｑをジヤイロ１１で検出すると共に、
移動体の正確な姿勢を表すピツチ角θ及びロール
角φ情報が機体姿勢検出部１３から出力される。
ジヤイロ１１の角速度出力ｒ，ｑと移動体の正確
なピツチ角θ及びロール角φの三角関数値とは座
標変換部１５に供給され、座標変換部１５からロ
ーカルバーテイカル座標系での角速度Ψに変換し
て出力される。

一方、この発明の方位基準装置では、磁気検出
器１２は移動体の姿勢と相対的姿勢に固定して取
付けられる。この磁気検出器１２により移動座標
系での地磁気の３軸方向の成分Mx，My，Mzを
検出し、座標変換部２１では正確な移動体の姿勢
情報、つまりピツチθ及びロールφを用いてその
地磁気信号Mx，My，Mzをローカルバーテイカ
ル座標系での水平分力Mxl，Mylに変換する。

更にこの発明では、この座標変換された地磁気
の水平分力Mxl，Mylを地磁気信号の東西方向成
分への分解部２２に供給し、修正された方位Ψ^の
三角関数値cosΨ^，sinΨ^を用いて修正された方位
Ψ^に応じた磁気信号成分M_Eを演算する。演算し
た方位Ψ^が実際の方位Ψと一致していれば、分解
部２２から出力される磁気信号成分M_Eはゼロで
あるが、誤差がある場合にはゼロでない有意信号
が演算して出力されるように構成される。

つまり、この発明では、方位誤差に対応する磁
気信号成分M_Eの高周波成分を高周波濾波器２３
で濾波し、その低周波信号ΔΨを演算方位Ψ^に内
在する誤差に対する修正信号とする。この修正信
号ΔΨは、座標変換部１５で座標変換された角速
度Ψを加算器１６で修正する。この修正された角
速度は積分器１７で積分され、また、初期値Ψ₀
が加算されることにより修正された方位Ψ^が得ら
れる。

即ち、この発明の構成では、機体座標系で地磁
気の３方向成分を検出し、その機体座標系と局地
水平座標系との相対関係から局地水平座標系での
地磁気の東西方向の水平分力を求める。一方、ジ
ヤイロの出力から演算で求められた方位に応じた
地磁気の東西方向の水平分力が演算され、これら
２つの方途で得られる水平分力が比較される。つ
まり、局地水平座標系とジヤイロの出力から演算
された方位とのズレ量に応じた信号によりジヤイ
ロの演算方位を修正する。そのための構成とし
て、航空機の機体にジヤイロ１１及び磁気検出器
１２がそれぞれ機体との相対位置が固定されて取
付けられる。このジヤイロ１１より機体座標系の
ｙ軸回りの角速度ｑ及びＺ軸回りの角速度ｒがそ
れぞれ検出され、これら角速度から方位Ψが検出
される。即ち機体姿勢検出部１３から機体の姿
勢、つまりピツチθ、ロールφが検出され、これ
らは三角関数発生器１４に供給されてsinθ、
cosθ、sinφ、cosφが発生され、これら三角関数
値は座標変換部１５へ供給される。座標変換部１
５はジヤイロ１１からの角速度ｑ，ｒを機体座標
系からローカルパーテイカル座標系での角速度Ψ
に次式にもとずいて変換演算する。

この角速度Ψは後述の加算器１６を通じて積分
器１７へ供給されて積分される。その積分出力は
加算器１８で初期値Ψ（ｏ）と加算される。この
ようにしてジヤイロ１１を用いて方位Ψ^が求めら
れる。この方位Ψ^は短時間での精度は高いが、長
時間使用すると、自己のドリフト及び地球自転、
位置の変化による見かけのドリフトが大きくな
る。

そこでこの発明では短時間安定度は余り良くな
いが、長時間安定度に優れた磁気方位により、前
記ジヤイロにより得られる方位をゆつくり修正す
る。このため磁気検出器１２が機体に取付けられ
る。磁気検出器１２は機体軸座標系での３軸方向
の地磁気MxMyMzを検出する。これら地磁気
MxMyMzは次式により座標変換部２１によりロ
ーカルバーテイカル座標系における機首方位基準
の地磁気水平分力M_xl，M_ylに変換される。

M_xl＝M_xcosθ＋M_ysinθsinφ＋M_zsinθcosφ (2) M_yl＝M_ycosφ−M_zsinφ (3) これはプラツトフオームにより水平に保持した
地磁気検出器よりの検出出力、つまり姿勢の影響
を無くしたものに相当する。この(2)(3)式は機首方
位基準であるが、これをジヤイロ１１の出力の演
算により得られた計算方位Ψ^により東西方向成分
M_E及び南北方向成分M_Nにそれぞれ分解すること
を次式により分解部２２で行う。即ち、加算器１
８が出力する方位Ψ^は三角関数発生器１９に与え
られ、三角関数発生器１９からsinΨ^及びcosΨ^を
示す値が分解部２２に供給され、次の演算が行わ
れる。

M_N＝M_xlcosΨ^−M_ylsinΨ^ (4) M_E＝M_xlsinΨ^＋M_ylcosΨ^ (5) 一方、真の磁気方位をΨとすると次式が成立す
る。

tanΨ＝−M_yl／M_xl (6) (5)式を次式のように変形する。

M_E＝√（_xl）²＋（_yl）²sin（Ψ^＋α） (7) α＝tan^-1M_yl／M_xl (8) (6)式及び(8)式を比較するとα＝−Ψとなる。従
つて(7)式は M_E＝Msin（Ψ^−Ψ） (9) と書ける。(9)式中のΨ^−Ψは実際の方位とジヤイ
ロ１１の出力より演算した方位Ψ^との差である。
この差が小さければ近似的に次式が得られる。

M_E≒Ｍ（Ψ^−Ψ） (10) この(10)式はM_Eがジヤイロ１１の出力より演算
した方位Ψ^と磁気検出器１２より得られる磁気方
位Ψ^との差、つまり方位誤差に比例することを示
している。分解部２２では地磁気の水平成分の東
西方向成分M_Eのみを演算すればその出力は前記
方位誤差となり、これは高周波波器２３により
高周波分が波されると共に適当な利得が与えら
れる。波器２３の出力は加算器１６に導びかれ
る。

説明の便宜上Ψ〓＝０としてジヤイロの出力から
得られた方位Ψ^が、磁気検出器の出力から得られ
る方位によつてどのように修正されるかを述べ
る。こゝでは離散値系で説明する。ｎサンプリン
グ目のM_E、Ψ^をそれぞれM_E、Ψ_oとする。Ψは航
空機が方位を変化させないと仮定しているので一
定になる。

M_Eo＝ｋ（Ψ^_o-1−Ψ） (11) ｋは波器２３で決る定数。

積分器１７の出力は次式となる。

Ψ^_o＝Ψ^_o-1＋M_Eo (12) Ψ^＝（１＋ｋ）Ψ^_o-1−kΨ （13） （13）式は次の（14）式の条件で収束し、
Ψ^_o→_∞＝Ψになる。

（１＋ｋ）＜１ （14） ｌｉｍｎ→∞Ψ^_o＝Ψ （15） つまりジヤイロ１１の出力で演算された方位が
磁気検出器１２で検出された磁気方位にゆつくり
修正される。また利得ｋは（14）式を満足するよ
うに選ばれ、修正速度を任意に選ぶことができ
る。

なお機体姿勢検出部１３としては測定又は演算
により従来より用いられている手法により行えば
よい。つまりこの発明は、磁気検出器１２から得
られる長時間安定度の良い磁気方位出力と姿勢検
出部１３から得られるピツチθ及びロールφとを
利用して方位Ψの時間と共に増大しようとする誤
差を修正するのであり、θ、φは従来の手法によ
り測定或いは演算により実用上の精度を有して求
められる。例えば、姿勢検出部１３は機体座標系
に固定されたジヤイロや姿勢演算部などで構成さ
れ（いずれも図示せず）、ジヤイロの角加速度出
力を姿勢演算部で局地水平座標系に座標変換し更
に積分することにより、刻々変化するθ及びφを
求めることができる。但し、ジヤイロの出力は時
間と共にドリフトしてゆくので、図には示さない
が、例えば機体座標系に固定された加速度計を用
いて機体に加わる加速度を計測し、離着陸以外の
巡行中のように重力以外の加速度がゼロの場合に
はθ及びφ軸方向の加速度成分、つまり水平方向
の加速度成分が検出されない筈なのに、巡行中の
ような場合にもθ及びφ軸方向に加速度成分が検
出されるならば、この検出出力をジヤイロの出力
からピツチθ、ロールφを演算する際の補正信号
として姿勢演算部に負帰還するように構成すれ
ば、簡単で且つ安価でありながら比較的正確なθ
及びφを得ることができる。このように構成され
る姿勢検出部は前述したように従来から用いられ
るものである。

従つて、この発明の構成によれば、方位Ψは、
姿勢検出部１３から供給されるθ、φの正確度に
応じて、長時間安定度の高い磁気方位の周りに修
正されるので、方位Ψの誤差だけがθ、φの誤差
に比べて著しく増大してゆく恐れはなく、方位Ψ
はθ、φと共に実用上で十分な精度内にあるよう
に修正される。また上述ではジヤイロ１１として
レイトジヤイロを用い角速度を検出し、演算によ
り方位Ψ^を求めたが、第２図においてジヤイロ１
１、姿勢検出部１３、三角関数発生部１４、座標
変換部１５、積分器１７、加算器１８により方位
Ψ^を演算する部分の代りに、方位ジヤイロを用い
てもよい。その場合は方位ジヤイロの出力に波
器２３の出力を加算修正して基準方位を得、その
出力の三角関数値を分解部２２へ与えて誤差を得
るようにしてもよい。第２図の各部を独立に構成
するのみならず共通の計算機により演算してもよ
い。また航空機の方位基準のみならず、船舶、自
動車、その他の移動体の方位基準を得る場合にも
この発明は適用できる。

以上述べたようにこの発明の方位基準装置によ
れば、磁気検出器１２を水平に保つためのプラツ
トフオームが不用であり、小型、軽量、低消費電
力化することができ、しかも地磁気が乱されるこ
となく、正確に検出できるため正確な方位基準が
得られる。(6)式を演算しても方位Ψを求めること
ができるが、その演算が複雑になる。この発明で
は磁気検出器の出力を座標変換し、その結果が磁
気地位Ψとジヤイロよりの方位Ψ^との差になるこ
とを利用しているため演算が簡単である。

【図面の簡単な説明】

第１図は機体座標系とローカルパーテイカル座
標系との関係を示す図、第２図はこの発明による
方位基準装置の一例を示すブロツク図である。 １１：ジヤイロ、１２：磁気検出器、１３：姿
勢検出部、１４，１９：三角関数発生器、１５，
２１：座標変換部、１６：方位修正用の加算器、
１７：積分器、２２：地磁気の東西方向の成分を
求める分解部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 移動体に設けられ、その移動体に固定された
   座標系のＹ軸回りの角速度及びＺ軸回りの角速度
   を検出するジヤイロ１１と、 移動体に設けられ、移動体のピツチ（Ｙ軸回り
   の角度）及びロール（Ｘ軸回りの角度）情報を検
   出する機体姿勢検出部１３と、 上記ジヤイロの上記出力から、上記ピツチ及び
   ロール情報に基ずきローカルバーテイカル座標系
   での方位の角速度を求める座標変換部１５と、 上記移動体と相対的な姿勢で保持されて取付け
   られ、上記移動体に固定された直交座標系での地
   磁気の３軸方向の成分を検出する磁気検出器１２
   と、 その磁気検出器で検出した地磁気を上記移動体
   のピツチ及びロール情報に基ずきローカルバーテ
   イカル座標系での地磁気の水平分力に変換する座
   標変換手段２１と、 その座標変換された出力について、修正された
   方位の三角関数値を用いてその方位を基準とする
   ローカルバーテイカル座標系での地磁気信号の東
   西方向の成分を求める分解部２２と、 その求められた地磁気の東西方向の成分により
   上記求められた方位の角速度を修正して修正され
   た方位の角速度を得る修正手段２３，１６と、 上記修正された方位の角速度を積分する積分手
   段１７と、 その積分器の積分出力と初期値とを加算して上