(57)【要約】      （修正有）【課題】乗物の機首方位基準システムにおける軟鉄磁気擾乱を補償するためのシステムと方法を提供する。【解決手段】機首方位基準システムと方法は、所定の測定期間中、磁北と関連するジャイロ機首方位と磁力計との間の検出値の差が、その期間の間の予期されるジャイロドリフトに基づくもののように、所定の許容できる変化の閾値を越えているとき、機首方位補正信号を検出し、この信号を誤差が起こる傾向がある機首方位基準システムに、提供する。機首方位補正信号を受信すると、ジャイロ機首方位は、真の磁北と関連する正確な機首方位を維持するように調整される。もしこの閾値を越えていないならば、磁力計の読みは、機首方位値のために使用される。この方法は、正確な機首方位を継続的に維持するために周期的に繰り返されて、各機首方位測定軸のために使用可能である。【選択図】図３
2018049000.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
乗物の機首方位基準システムにおける軟鉄磁気擾乱を補償するシステムであって、
前記システムは：
第１の磁力計と；
前記第１の磁力計とは異なる乗物の位置に配置された第２の磁力計と；
前記第１の磁力計と対になっている第１の機首方位ジャイロと；
前記第２の磁力計と対になっている第２の機首方位ジャイロと；
プロセッサとを備え、
前記プロセッサが：
前記第１の磁力計から磁力計データを受信し；
前記第２の磁力計から磁力計データを受信し；
前記第１の磁力計と前記第２の磁力計から受信した磁力計データと、磁力計の誤差の閾値とを使用して、前記第１の磁力計または前記第２の磁力計のうちの１つが、潜在的に軟鉄擾乱状態にあるか否かを判断し；
前記第１の磁力計または前記第２の磁力計のうちの１つが、潜在的に軟鉄擾乱状態にあるという判断に対応して、前記第１の機首方位ジャイロおよび前記第２の機首方位ジャイロと、前記第１の機首方位ジャイロの予期されるドリフトに基づく第１の閾値と、前記第２の機首方位ジャイロの予期されるドリフトに基づく第２の閾値とを用いて、前記第１の磁力計または前記第２の磁力計のどちらが、潜在的に軟鉄擾乱状態にあるかを判断するように構成されていることを特徴とするシステム。
【請求項２】
前記磁力計の誤差の閾値が、地球の磁界のモデルから得られた理論的な磁界値に基づいている請求項１のシステム。
【請求項３】
前記第１の磁力計または前記第２の磁力計のうちの１つが、潜在的に軟鉄擾乱状態にあるかを判断するために、
前記プロセッサは、
前記第１の磁力計と前記第２の磁力計からそれぞれ受信されたデータに基づき、検出期間中に、磁界の変化を示している第１の値および第２の値を生成し、
前記第１の磁力計に基づく前記第１の値と前記第２の磁力計に基づく前記第２の値との間の磁界の変化の差を判断し、
前記磁界の変化の差の大きさが、前記磁力計の誤差閾値を越えていることを判断するように構成されている請求項１のシステム。
【請求項４】
前記第１の磁力計または前記第２の磁力計のうちのどちらも、潜在的に軟鉄擾乱状態にないという判断に応答して、
前記プロセッサは、
前記第１の機首方位ジャイロを較正するための第１の機首方位値を提供するように、前記第１の磁力計から受信した磁力計データを使用し、
前記第２の機首方位ジャイロを較正するための第２の機首方位値を提供するように、前記第２の磁力計から受信した磁力計データを使用するように構成されている請求項１のシステム。
【請求項５】
前記第１の磁力計または前記第２の磁力計のうちのどちらが、潜在的に軟鉄擾乱状態にあるかを判断するために、
前記プロセッサは、
前記第１の磁力計と前記第１の機首方位ジャイロを利用する第１の１対の機首方位値を生成し、
前記第２の磁力計と前記第２の機首方位ジャイロを利用する第２の１対の機首方位値を生成し、
前記第１の１対の機首方位値に基づき、第１の機首方位誤差値を生成し、
前記第２の１対の機首方位値に基づき、第２の機首方位誤差値を生成し、
前記第１の機首方位誤差値と前記第１の閾値とを比較し、
前記第２の機首方位誤差値と前記第２の閾値とを比較するように構成されている請求項１のシステム。
【請求項６】
前記第１の機首方位誤差値が、前記第１の閾値を越えているという判断に応答して、前記プロセッサは、前記第１の磁力計を較正するために、前記第１の機首方位ジャイロからのジャイロの読みを使用するように構成され；及び
前記第２の機首方位誤差値が、前記第２の閾値を越えているという判断に応答して、前記プロセッサは、前記第２の磁力計を較正するために、前記第２の機首方位ジャイロからのジャイロの読みを使用するように構成されている請求項５のシステム。
【請求項７】
前記第１の機首方位誤差値が、前記第１の閾値を越えていないという判断に応答して、前記プロセッサは、前記第１の機首方位ジャイロを較正するために、前記第１の機首方位値を提供するための前記第１の磁力計から受信した磁力計データを使用するように構成され；および
前記第２の機首方位誤差値が、前記第２の閾値を越えていないという判断に応答して、前記プロセッサは、前記第２の機首方位ジャイロを較正するために、前記第２の機首方位値を提供するための前記第２の磁力計から受信した磁力計データを使用するように構成されている請求項５のシステム。
【請求項８】
前記第１の磁力計と前記第２の磁力計が、３軸の磁力計であり、前記第１の機首方位ジャイロと前記第２の機首方位ジャイロが、３軸のジャイロスコープである請求項１のシステム。
【請求項９】
前記機首方位基準システムが、航空機の機首方位基準システムである請求項１のシステム。
【請求項１０】
前記機首方位基準システムが、一体形スタンバイユニットである請求項１のシステム。
【請求項１１】
前記機首方位基準システムが、姿勢方位基準システムである請求項１のシステム。
【請求項１２】
前記機首方位基準システムが、慣性ナビゲーションシステムである請求項１のシステム。
【請求項１３】
第１の磁力計と第１の機首方位ジャイロとが、第１機首方位基準システムに含まれ、
第２の磁力計と第２の機首方位ジャイロとが、第２機首方位基準システムに含まれている請求項１のシステム。
【請求項１４】
乗物の機首方位基準システムにおける軟鉄磁気擾乱を補償する方法であって、
前記方法は：
第１の磁力計から磁力計データを受信し；
第２の磁力計から磁力計データを受信し；
前記第２の磁力計は、前記第１の磁力計とは異なる乗物の位置に配置されており；
前記第１の磁力計と前記第２の磁力計から受信した磁力計データと磁力計の誤差閾値とを使用して、前記第１の磁力計または前記第２の磁力計のうちの１つが、潜在的に軟鉄擾乱状態にあるか否かを判断し；
前記第１の磁力計または前記第２の磁力計のうちの１つが、潜在的に軟鉄擾乱状態にあるという判断に応答して、前記第１の磁力計と関連した第１の機首方位ジャイロおよび前記第２の磁力計と関連した第２の機首方位ジャイロと、前記第１の機首方位ジャイロの予期されるドリフトに基づく第１の閾値と、前記第２の機首方位ジャイロの予期されるドリフトに基づく第２の閾値とを用いて、前記第１の磁力計または前記第２の磁力計のどちらが、潜在的に軟鉄擾乱状態にあるかを判断することからなる軟鉄磁気擾乱を補償することを特徴とする方法。
【請求項１５】
前記磁力計の誤差閾値が、地球の磁界のモデルから得られた理論的な磁界値に基づいている請求項１４の方法。
【請求項１６】
前記第１の磁力計または前記第２の磁力計のうちの１つが、潜在的に軟鉄擾乱状態にあるかを判断することが、
前記第１の磁力計と前記第２の磁力計からそれぞれ受信されたデータに基づき、検出期間中に、磁界の変化を示している第１の値および第２の値を生成し、
前記第１の磁力計に基づく前記第１の値と前記第２の磁力計に基づく前記第２の値との間の磁界の変化の差を判断し、
前記磁界の変化の差の大きさが、前記磁力計の誤差閾値を越えていることを判断することからなる請求項１４の方法。
【請求項１７】
前記第１の磁力計または前記第２の磁力計のうちのどちらも、潜在的に軟鉄擾乱状態にないという判断に応答して、
前記第１の磁力計と関連した前記第１の機首方位ジャイロを較正するための第１の機首方位値を提供するように、前記第１の磁力計から受信した磁力計データを使用し、
前記第２の磁力計と関連した前記第２の機首方位ジャイロを較正するための第２の機首方位値を提供するように、前記第２の磁力計から受信した磁力計データを使用することを、
さらに含む請求項１４の方法。
【請求項１８】
前記第１の磁力計または前記第２の磁力計のうちのどちらが、潜在的に軟鉄擾乱状態にあるかを判断することが、
前記第１の磁力計と前記第１の機首方位ジャイロを利用する第１の１対の機首方位値を生成し、
前記第２の磁力計と前記第２の機首方位ジャイロを利用する第２の１対の機首方位値を生成し、
前記第１の１対の機首方位値に基づき、第１の機首方位誤差値を生成し、
前記第２の１対の機首方位値に基づき、第２の機首方位誤差値を生成し、
前記第１の機首方位誤差値と前記第１の閾値とを比較し、
前記第２の機首方位誤差値と前記第２の閾値とを比較することを、
さらに含む請求項１４の方法。
【請求項１９】
前記第１の機首方位誤差値が、前記第１の閾値を越えているという判断に応答して、前記第１の機首方位ジャイロと関連した前記第１の磁力計を較正するために、前記第１の機首方位ジャイロからのジャイロの読みを使用すること；及び
前記第２の機首方位誤差値が、前記第２の閾値を越えているという判断に応答して、前記第２の機首方位ジャイロと関連した前記第２の磁力計を較正するために、前記第２の機首方位ジャイロからのジャイロの読みを使用することを、
さらに含む請求項１８の方法。
【請求項２０】
前記第１の機首方位誤差値が、前記第１の閾値を越えていないという判断に応答して、前記第１の磁力計と関連した前記第１の機首方位ジャイロを較正するために、前記第１の機首方位値を提供するための前記第１の磁力計から受信した磁力計データを使用すること；及び
前記第２の機首方位誤差値が、前記第２の閾値を越えていないという判断に応答して、前記第２の磁力計と関連した前記第２の機首方位ジャイロを較正するために、前記第２の機首方位値を提供するための前記第２の磁力計から受信した磁力計データを使用することを、
さらに含む請求項１８の方法。
【請求項２１】
第１の機首方位ジャイロと対になっている第１の磁力計を含む第１の機首方位基準システムと、第２の機首方位ジャイロと対になっている第２の磁力計を含む第２の機首方位基準システムとを備える乗物における軟鉄磁気擾乱を補償する方法であって、
前記第１の磁力計と前記第２の磁力計とが、乗物内の異なる位置に取り付けられており、
前記方法が、以下のことからなることを特徴とする方法：
前記第１の磁力計と前記第２の磁力計から磁力計データを受信すること；
検出期間中に、前記第１の磁力計と前記第２の磁力計に基づいて、それぞれ、磁界の変化を示す第１の値と第２の値を生成すること；
前記第１の磁力計に基づく前記第１の値と、前記第２の磁力計に基づく前記第２の値との間の磁界の変化の差を判断すること；
前記磁界の変化の差が閾値を越えているという判断に応答して、
前記第１の磁力計と前記第１の機首方位ジャイロを利用する第１の１対の機首方位値と、前記第２の磁力計と前記第２の機首方位ジャイロを利用する第２の１対の機首方位値を生成すること；
前記第１の１対の機首方位値に基づいて第１の機首方位誤差値を生成し、第２の１対の機首方位値に基づいて第２の機首方位誤差値を生成すること；
前記第１の機首方位基準システムと関連した前記第１の機首方位誤差値および前記第２の機首方位基準システムと関連した前記第２の機首方位誤差値と、誤差閾値と比較すること；および
前記第１の機首方位誤差値または前記第２の機首方位誤差値のどちらかが、誤差閾値を越えていると判断したとき、前記第１の機首方位基準システムと関連した前記第１の磁力計あるいは前記第２の機首方位基準システムと関連した前記第２の磁力計を較正するために、前記第１の機首方位ジャイロまたは前記第２の機首方位ジャイロからのジャイロ機首方位値を利用すること。
【請求項２２】
前記第１の磁力計または前記第２の磁力計のどちらかから受信した磁力計データを使って、前記第１の機首方位ジャイロまたは前記第２の機首方位ジャイロを周期的に修正することからなる請求項２１の方法。
【請求項２３】
前記第１の機首方位基準システムと前記第２の機首方位基準システムが、航空機の機首方位基準システムからなる請求項２１の方法。
【請求項２４】
前記第１の機首方位基準システムと前記第２の機首方位基準システムが、一体形スタンバイユニットからなる請求項２１の方法。
【請求項２５】
前記第１の機首方位基準システムと前記第２の機首方位基準システムが、乗物の慣性ユニットからなる請求項２１の方法。
【請求項２６】
さらに、前記第１の機首方位ジャイロまたは前記第２の機首方位ジャイロの方位値を、前記第１の磁力計から受信した磁力計データまたは前記第２の磁力計から受信した磁力計データと混合することからなり、誤差閾値がジャイロの誤差共分散からなる請求項２１の方法。
【請求項２７】
前記第１の機首方位ジャイロまたは前記第２の機首方位ジャイロの機首方位値を、前記第１の磁力計からのデータまたは前記第２の磁力計からのデータと混合することが、カルマンフィルタを使うことをさらに含む請求項２６の方法。
【請求項２８】
前記第１の機首方位基準システムと前記第２の機首方位基準システムが、主要な姿勢方位基準システムと補助的な姿勢方位基準システムとからなる請求項２１の方法。
【請求項２９】
前記第１の機首方位基準システムと前記第２の機首方位基準システムが、主要な空中姿勢方位基準システムと補助的な空中姿勢方位基準システムとからなる請求項２１の方法。
【請求項３０】
前記第１の機首方位基準システムと前記第２の機首方位基準システムが、主要な慣性ナビゲーションシステムと補助的な慣性ナビゲーションシステムとからなる請求項２１の方法。
【請求項３１】
第１の機首方位ジャイロと対になっている第１の磁力計を含む第１の機首方位基準システムと、第２の機首方位ジャイロと対になっている第２の磁力計を含む第２の機首方位基準システムとを備える乗物における軟鉄磁気擾乱を補償する方法であって、前記第１の磁力計と前記第２の磁力計とが、乗物内の異なる位置に取り付けられており、
前記方法は：
真の磁北に対応する出力方位値を制御し、かつ、所定の許容閾値を超える軟鉄磁気擾乱を補償する反復制御ループから、前記第１の機首方位基準システムまたは前記第２の機首方位基準システムのどちらかに、補償された出力方位参照値を提供するための反復制御ループを提供することからなり；
前記反復制御ループは、以下のステップを実行するように構成されている方法：
以前の読みからのデータの変化を提供するために、前記第１の磁力計と前記第１の機首方位ジャイロからのデータを読み取り、処理すること；
以前の読みからのデータの変化を提供するために、前記第２の磁力計と前記第２の機首方位ジャイロからのデータを読み取り、処理すること；
前記第１の磁力計の値の変化と、前記第２の磁力計の値の変化とを比較すること；
比較された値のどの差も、ある期間の間中に、閾値を超えるか否かを判断すること；
前記差が、ある期間の間中に、閾値を超えることが判断されたときは；
前記第１の磁力計と前記第１の機首方位ジャイロを利用する第１の１対の機首方位値、および、前記第２の磁力計と前記第２の機首方位ジャイロを利用する第２の１対の機首方位値を生成し；
前記第１の１対の機首方位値に基づいて、第１の機首方位誤差値を、および、前記第２の１対の機首方位値に基づいて、第２の機首方位誤差値を生成し；
前記第１の機首方位基準システムと関連した第１の機首方位誤差値および前記第２の機首方位基準システムと関連した第２の機首方位誤差値と、誤差閾値とを比較し；
前記第１の機首方位誤差値または前記第２の機首方位誤差値のどちらかが、前記誤差閾値を超えていると判断されたときは、前記第１の機首方位基準システムまたは前記第２の機首方位基準システムのどちらかと関連した前記磁力計を較正するために、ジャイロの機首方位値を利用し；および
軟鉄磁気擾乱にもかかわらず正確な機首方位を維持するために、補償された出力方位を生成するための補正された磁力計データと、前記第１の機首方位ジャイロまたは前記第２の機首方位ジャイロの機首方位値を利用すること。
【請求項３２】
前記反復制御ループは、前記第１の機首方位誤差値と前記第２の機首方位誤差値が、ジャイロドリフトに関連した前記誤差閾値を越えていない時に、前記第１の磁力計または前記第２の磁力計のどちらかから提供されたデータを用いて、前記第１の機首方位ジャイロまたは前記第２の機首方位ジャイロを周期的に補正することをさらに含む請求項３１の方法。
【請求項３３】
前記第１の磁力計および前記第２の磁力計が、３軸の磁力計からなる請求項３１の方法。
【請求項３４】
前記第１の機首方位基準システムと前記第２の機首方位基準システムが、航空機の機首方位基準システムからなる請求項３１の方法。
【請求項３５】
前記第１の航空機の機首方位基準システムと前記第２の航空機の機首方位基準システムのそれぞれが、一体形スタンバイユニットからなる請求項３４の方法。
【請求項３６】
前記第１の機首方位基準システムと前記第２の機首方位基準システムのそれぞれが、乗物の慣性ユニットからなる請求項３１の方法。
【請求項３７】
前記第１の機首方位基準システムと前記第２の機首方位基準システムが、主要な姿勢方位基準システムと補助的な姿勢方位基準システムとからなる請求項３１の方法。
【請求項３８】
前記第１の機首方位基準システムと前記第２の機首方位基準システムが、主要な空中姿勢方位基準システムと補助的な空中姿勢方位基準システムとからなる請求項３１の方法。
【請求項３９】
前記第１の機首方位基準システムと前記第２の機首方位基準システムが、主要な慣性ナビゲーションシステムと補助的な慣性ナビゲーションシステムとからなる請求項３１の方法。
【請求項４０】
乗物における軟鉄磁気擾乱を補償し、磁北に関連する正確な機首方位を提供するためのシステムであって、
前記システムは：
乗物の第１の位置に取り付けられた第１の機首方位基準システムと関連した第１の機首方位ジャイロと対になっている第１の磁力計と；
乗物の第２の位置に取り付けられた第２の機首方位基準システムと関連した第２の機首方位ジャイロと対になっている第２の磁力計と；および
前記第１の機首方位基準システムと前記第２の機首方位基準システムに結合された少なくとも１つのマイクロプロセッサーとを備え、
前記マイクロプロセッサーは、以下のことを実行するように構成されていることを特徴とするシステム：
前記第１の磁力計と前記第２の磁力計から、磁力計データを受信し；
検出期間中に、前記第１の磁力計から受信した磁力計データに基づいて、磁界の変化を示す第１の値、および、前記第２の磁力計から受信した磁力計データに基づいて、磁界の変化を示す第２の値を生成し；
前記第１の磁力計に基づく前記第１の値と、前記第２の磁力計に基づく前記第２の値との間の磁界の変化の差を判断し；
前記磁界の変化の差が、閾値を越えているという判断に応答して；
前記第１の磁力計と前記第１の機首方位ジャイロを利用する第１の１対の機首方位値、および、前記第２の磁力計と前記第２の機首方位ジャイロを利用する第２の１対の機首方位値を生成し；
前記第１の１対の機首方位値に基づいて、第１の機首方位誤差値、および、前記第２の１対の機首方位値に基づいて、第２の機首方位誤差値を生成し；
前記第１の機首方位基準システムと関連した前記第１の機首方位誤差値、および、前記第２の機首方位基準システムと関連した前記第２の機首方位誤差値と、誤差閾値とを比較し；
前記第１の機首方位誤差値または前記第２の機首方位誤差値のどちらかが、前記誤差閾値を越えていると判断されたとき、軟鉄磁気擾乱にもかかわらず正確な機首方位を維持するために、前記第１の機首方位基準システムまたは前記第２の機首方位基準システムのどちらかと関連した前記磁力計を較正し、補償された出力機首方位を生成するように、前記第１のジャイロ機首方位値または前記第２のジャイロ機首方位値を利用すること。
【請求項４１】
前記誤差閾値が越えられないときに、前記磁力計データが、前記第１の機首方位ジャイロまたは前記第２の機首方位ジャイロを較正するのに用いられる請求項４０のシステム。
【請求項４２】
前記補償された出力機首方位の生成が、周期的に生じる請求項４０のシステム。
【請求項４３】
前記第１の機首方位基準システムと前記第２の機首方位基準システムのそれぞれが、航空機の機首方位基準システムからなる請求項４０のシステム。
【請求項４４】
前記第１の航空機の機首方位基準システムと前記第２の航空機の機首方位基準システムのそれぞれが、一体形スタンバイユニットからなる請求項４３のシステム。 
【請求項４５】
前記第１の磁力計、前記第２の磁力計、前記第１のジャイロスコープ、および前記第２のジャイロスコープが、それぞれ、３軸の磁力計および３軸のジャイロスコープからなる請求項４０のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
この出願は、2016年7月29日に出願された米国特許出願No.15/223,953の権益を主張し、かつ米国特許出願No.15/223,953の出願の継続出願であり、その出願は2015年10月30日に出願された米国特許出願No.14/928,715の一部継続出願であり、その出願は2012年6月21日に出願された米国特許出願No.13/529,894（現在は、米国特許No.9,207,079）の分割出願である。
上記の各出願の内容は、本願にその内容が完全に記述されたように、その全内容が参照として組み込まれている。
発明の分野
【０００２】
この発明は、機首方位基準システム（heading reference systems）に関し、特に、局所的な軟鉄の存在による磁気擾乱（magnetic disturbances）が、磁北に対する機首方位の提供に影響し磁気方位の決定において誤差を生じさせるようなシステムに関する。
【背景技術】
【０００３】
発明の背景
伝統的に、磁北に関係する方位を提供するために使われる機首方位基準システム、たとえば、姿勢方位基準システム（Attitude and Heading Reference Systems）、空中データと姿勢方位基準システム（Air Data and Attitude Heading Reference Systems）、慣性航行システム（Inertial Navigation Systems）、あるいは、航空機で慣例的に使用されたタイプの一体型スタンバイシステム（Integrated Standby Systems）では、方位ジャイロは、磁北と関連する機首方位を提供するために、地球の磁界に依存している外部の磁力計からのデータを用いて、周期的に修正される。
しかし、そのような読み（readings）の精度は、たとえば、航空機に搭載された局所的な電気回路からのような局所的な軟鉄の存在により、著しく影響されるものであり、真の磁北に関連する磁気的な方位の算出と最終的な表示とにおいて、重要な誤りを結果として生じさせる。
これは、たとえば、その指定された飛行径路に沿って航空機を適切に案内することについて、重大な問題を結果として生じさせる。
経済的で効率的な解決策ための要望だけでなく、この問題の重要性のために、種々の試みがこれらの影響を避けるために行われたが、それらは有益であるが、目的を完全に達成するわけではなかった。
これらの望ましくない磁気擾乱（磁気妨害）を与える軟鉄の局所的な存在の影響を避けるための先行技術の１つの試みは、外部の磁力計を、最小の局所的な磁気擾乱がある航空機エリアに慎重に配置することであった。
しかし、この取り組みは、そのような軟鉄の磁気擾乱を起こすかもしれない他の電気機器から離して、磁力計を航空機の翼の上に置くことを含むので、十分に経済的であり、効率的であるとはいえなかった。
そのような取り組みは、取り付け費用がかさむことや追加の装置の費用が高くつくなどの要因が存在するために、相当な費用を必要とする。
【０００４】
さらに、乗物の異なる位置に設置された複数の基準システムを使用すると、補足的に機首方位の測定を得るための能力で冗長性を提供することによって、軟鉄の影響のうちのいくつかを軽減できるかもしれないが、それは設置とメンテナンスに関して、非常に高価な解決策であることは残る問題である。
さらに、そのような複数の基準システムは、一般的には独立して動作し、また、残りのシステムの測定を考慮することによって補償するかわりに、磁気擾乱のために誤った測定を示しているユニットの動作を、普通、停止させる。
【０００５】
磁北に対する正しい機首方位の提供に影響を与える軟鉄磁気擾乱のこの問題は、航空機の誘導に関して重要であるが、この問題は、航空機の計器に限定されず、機首方位基準システムを誘導に利用する他の乗物の誘導においても、同様に重要である。
従って、同じ問題が、どのような乗物や、局所的な電界／磁界の変化の結果として変動にさらされうる機首方位の源を通常必要とするどのような慣性システムでも起こりうる。
その結果、本発明は、局所的な軟鉄の擾乱が、磁気方位の決定に誤差をもたらし得る
磁気方位指示システムにも適用可能であると思われる。
【０００６】
そのような問題を解決する従来技術の試みは、出願人の見解では、本願発明と同じ程度まで、効率的ではなく、または経済性が高くなく、従って、その問題を十分に解決していなかった。
他のそのような従来技術の試みの例は、出願人は、その問題を満足ゆくように解決していないと信じるが、「磁気方位の決定における磁気擾乱を補償するための方法と、この方法を実行するための装置」という表題が付けられた米国特許No.4,414,753；「自動較正付き乗物コンパスシステム」という表題が付けられた米国特許No.5,737,226；および、「可変分解能を有する乗物コンパスシステム」という表題が付けられた米国特許No.5,878,370という例に、記載されている。
磁力計の測定における誤差を補償する他の従来技術の試みの例は、出願人がここに示した問題を満足ゆくように解決していないと信じるが、「磁力計の測定における誤差の同時認識と修正のための方法と装置」という表題が付けられた米国特許No. 5,682,335；
「自動磁気補償のための方法と装置」という表題が付けられた米国特許No. 7,146,740；
「自動磁気補償のための方法と装置」という表題が付けられた米国特許No. 6,860,023；
「磁気勾配を決定するために修正要因を使用する方法」という表題が付けられた米国特許No. 5,990,679；
「地球の重力界と磁界を測定する方法を用いて乗物上の装置を調和させる方法と時給式システム」という表題が付けられた米国特許No. 5,321,631；
「コンパスの方位を較正する方法」という表題が付けられた米国特許No. 4,843,865；
「電子コンパスを備えた自動車における干渉磁界を決定する方法」という表題が付けられた米国特許No. 4,733,179；
「位相ずれの修正付き磁力計」という表題が付けられた米国特許No. 4,005,358；
という例に記載されている。
【０００７】
従って、適正な誘導のためにそのようなシステムを採用している航空機または他のいかなる乗物でも、磁気方位基準システムでの磁気方位算出に対する局所的な軟鉄の影響を避けるために、効率的で経済性が高い解決策が必要であることが考えられる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
発明の詳細な実施形態の要約
本発明は、正確で信頼できる方位情報を得るために、方位基準システムでの磁気方位計算に関する局所的な軟鉄擾乱の影響を補償するシステムと方法に向けられている。
乗物のナビゲーションは、磁北と関連する方位情報の正確で一貫性のある計算を必要とする。
これは、一般的に、1つ以上の方位基準システムの一部として乗物に設置される磁力計、ジャイロスコープ、加速度計などのセンサー機器を使って実行される。
いくつかの実施例では、センサー機器は、各測定軸のための測定値を得ることができる（例えば、３軸のセンサー）。
さらに、これらの機器は、本質的に誤差（例えば、ジャイロドリフト、磁力計における硬化鉄および／または軟鉄の擾乱）に影響されやすく、従って、方位補正信号を計算することによって補正された方位測定値を提供するために、周期的に較正される。
いくつかの実施形態によれば、そのような較正は、検出期間中の内部の磁力計の変化と単一の姿勢方位基準システムのジャイロの読み（示度）とを検出し、その変化がセンサーと関連した所定の閾値を越えているかどうか（例えば、ジャイロドリフト）を決定することによって実行される。
いくつかの実施形態において、乗物の種々の位置に設置された複数の方位基準システムは、補正方位を可能とする乗物におけるその特定の位置で、軟鉄擾乱による誤った磁力計の読みを検出し、決定するために使用される。
いくつかの実施形態において、乗物における特定の位置に設置された磁力計とジャイロスコープを較正することによって補正された方位の測定値を提供することは、検出期間中、方位の測定値の変化を検出することと、その変化がセンサーと関連した一定の閾値を越えているかどうか（例えば、ジャイロドリフト）を決定することによって実行される。
【０００９】
いくつかの実施形態において、本発明は、検出期間中、軟鉄磁気擾乱の存在による磁力計の読みと磁北に関連するジャイロの方位との両方の変化を検出することにより、その後、所定の許容閾値に対するこれらの検出された変化の差が、所定の許容閾値を越えているかどうかを決定するために、所定の許容閾値に対するこれらの検出された変化の差を比較することによって、方位基準システムにおける軟鉄磁気擾乱を補償するためのシステムと方法を提供する。
もしこの差が、所定の許容閾値を越えているならば、その時は、検出された軟鉄磁気擾乱にもかかわらず真の北を維持するために、方位補正信号が出力され、ジャイロ方位の調整を可能にする。
もしこの差が、所定の許容閾値を越えていないならば、その時は、
磁力計の読みは、機首方位値のために用いられる。
所定の許容閾値は、測定期間にわたり、予期されるジャイロドリフトに基づくものであり、直近の読み出し以降、この差が、測定期間にわたりずっと、予期されるジャイロドリフトを越えているかどうかに基づいて、検出された値の差が比較される。
これらのステップは、軟鉄磁気擾乱にもかかわらず真の北を維持し続けるために、その後の測定期間にわたって反復して繰り返される。
【００１０】
この発明によれば、様々なシステムに対して、様々な補償アルゴリズムが、磁力計により測定された磁気方位の変化と速度センサーにより測定された方位の変化とを周期的に比較する比較的単純なアルゴリズムから、各軸用の磁力計と速度センサーの変化速度が比較されるさらに複雑な取り組みまで、採用可能である。
この発明によれば、一般的に、もし、変化が速度センサーの予期されるドリフト誤差より大きい場合、磁力計は磁界の局所的な変化により影響をうけており、速度センサーのデータが、局所的な磁界の変化の影響を補償するために使用されることが仮定される。
【００１１】
いくつかの実施形態において、本発明は、複数の機首方位基準システムを採用している乗物の中の局所化された軟鉄擾乱を識別し補正するシステムと方法を提供する。
特に、機首方位基準システムの内部の磁力計の精度に強い影響を与える軟鉄の影響は、乗物の中の局所的な電気回路の存在の結果であり、従って、設置場所に依存する。  
いくつかの実施形態において、2つ以上の機首方位基準システムを、乗物内の異なる位置に取り付けることができる。
例えば、１つの機首方位基準システムは、操縦士に情報を提供する航空機内の位置に取り付けられ、他の機首方位基準システムは、副操縦士による乗物の操作を容易にする異なる位置に取り付けることができる。
そのような場合、軟鉄の影響のための磁力計の周期的な較正を提供し、また本来のジャイロドリフトを補償することによってジャイロスコープの補正を可能にする技術が使用される。
【００１２】
そのような較正は、乗物内の異なる位置に取り付けられた2以上の機首方位基準システムの磁力計から磁界の測定値を周期的に得て、その後、異なる位置にわたってもそれらが均一であるかどうかを決定するために、変化を比較することによって、達成される。
もし、乗物の異なる位置にわたっても、測定された磁界の変化が一致しているならば、そのときは、磁力計は少しの軟鉄擾乱も示しておらず、それらの読みは、正確な方位測定値を提供し、また本来のジャイロドリフトを説明するために各ジャイロスコープを周期的に較正するのに使用できる。
しかし、もし機首方位基準システムのうちの一つの磁力計からの読みが、他のシステムの読みとかなり違っている場合、少なくとも１つの機首方位基準システムの内部の磁力計が、軟鉄擾乱の影響を受けているかもしれないことを示すインジケーターとして役立つ。
【００１３】
いくつかの実施形態において、不正確な測定値を提供し、その内部の磁力計が軟鉄擾乱にさらされて、較正が必要である機首方位基準システムを識別するために、更なる測定が、なされうる。
そのような測定は、内部の磁力計とジャイロスコープから、予期される機首方位を計算することによって達成でき、もし、方位の測定値が所定の閾値以上に異なる場合、内部の磁力計により計算された方位の測定値は、軟鉄擾乱によって影響を受けており、内部の磁力計は、ジャイロスコープ測定値を使って較正することができる。
しかし、もし、得られた方位測定値が、所定の閾値を越えていないならば、磁力計は、正確な測定値を提供するものと決定されて、ジャイロスコープを較正し、ジャイロドリフトの存在を説明するために使用できる。
さらに、初期のインジケータは、乗物内の一時的な信号についての情報を提供するか、または、局所的な磁界に影響を与えることができるどのような可能な環境要因でも識別できる（例えば天候）。
【００１４】
いくつかの実施形態において、もし、２以上の方位基準システムの間で、検出期間中に、磁力計の読みの変化の差が、所定の閾値よりも大きく、さらに、同じ検出期間中に、磁力計の読みの変化が、それぞれ、方位基準システムのそれぞれにおけるジャイロスコープで予期されるジャイロドリフトよりも大きい場合、磁力計の読みは、ジャイロ測定値を使って更新され、正確な方位測定値を得るために、更新された測定値を使って較正される。
【００１５】
本発明の上記の方法とシステムは、方位基準システムを使用する一体化されたスタンバイユニットや他の航空機システムにおいて、または局所的な電界／磁界の変化の結果として著しい変化にさらされるかもしれない方位源を必要とするすべての乗物又は慣性のシステムにおいて、磁気方位の決定に誤差をもたらし得る軟鉄擾乱の存在に対し、どんな磁気指示方位基準システムの補償であっても改善するために採用される。
そのようなシステムは、第１のシステムあるいは第2のシステムとして採用することができ、必要に応じて、ジャイロ測定値と磁力計測定値とを組み合わせ、ジャイロの誤差の共分散に依存している許容差とともに、カルマン（Kalman）フィルタを利用できる。
【００１６】
本発明の様々な利点と特徴は、添付図面に関連して検討される以下の詳細な説明から明らかになる。
しかしながら、それらの図面は、単に、図解の目的だけのために描かれたものであって、この発明の限定を定義するものではない。その定義には、添付の特許請求の範囲を参照することを、理解するべきである。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
図面の簡単な説明
この発明のさらなる特徴や、その本質、および様々な利点は、添付図面に関連して行われる実施形態の次の詳細な説明から、より明白となるであろう：
【００１８】
【図１】図1は、軟鉄磁気擾乱を受けている機首方位基準システムにおいて実行されるこの発明の方法によるフローチャートである。
【００１９】
【図２】図２は、図１において説明された本発明の方法を実施している機首方位基準システムを採用している改良一体形スタンバイシステムのような、典型的な機首方位基準システムのブロック図である。
【００２０】
【図３】図３は、図１と類似した、この発明の方法によるフローチャートであり、図２の機首方位基準システムにおいて代わりに実行され、また図４の機首方位システムにおいて代わりに実行されるフローチャートである。
【００２１】
【図４】図４は、本発明のいくつかの実施形態において、各機首方位基準システムを採用している2つの一体形スタンバイシステムを含む乗物ナビゲーションシステムのブロック図である。
【００２２】
【図５】図５は、本発明のいくつかの実施形態において、図４の機首方位基準システムの２重の設置を与える磁力計における軟鉄の影響を補正するためのプロセスを説明しているフローチャートである。
【００２３】
【図６】図６は、本発明のいくつかの実施形態において、図４の機首方位基準システムの２重の設置を与える磁力計における軟鉄の影響を補正し、磁力計を較正するためのプロセスを説明しているフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
発明の実施形態の詳細な説明
乗物のナビゲーション動作は、磁北と他のナビゲーションパラメータについて、機首方位を得るために、機首方位基準システムの使用を必要とする。
これらのシステムは、一般に、ジャイロスコープ、加速度計、および磁力計を含み、リアルタイムの位置確認（orientation）と方向情報を提供することができる3軸のセンサーシステムであるとみなされる。
その結果として、これらのシステムは、信頼でき、正確であることが必要である。
しかし、一般的に、機首方位基準システムに使用されたセンサーは、種々のタイプの誤差に影響され易い。
例えば、加速度計は乗物の突然の動きのため悪影響を受けるが、一方、ジャイロスコープは、主にセンサーの初期化に起因すると考えられるジャイロドリフトの存在により、許容できる短期間の安定性と、その後の測定値の一体化を提供するだけであり、従って、信頼できない測定値を結果として生じ、乗物の動作には潜在的に危険であることを証明することができるだけである。
さらに、磁力計もまた、局所的な磁気擾乱のため、誤った磁気測定値の影響を受けやすい。
例えば、鉄の材料（例えば、自然な磁石）の存在は、磁力計の読み取り中、主要因となる一定の硬化鉄の擾乱を起こすかもしれない。
さらに、乗物内の静止した電気回路および／または携帯できる電気回路の存在は、その電気回路の近傍に取り付けられた磁力計の測定に、軟鉄擾乱として反映される電磁界の局所的な変化を引き起こす。
そのような軟鉄擾乱は、動的に変化するかもしれず、非線形的な性質を有する。
その結果として、磁力計は、軟鉄擾乱の存在のために、周期的に監視され、かつ評価される必要があり、その後、正確な機首方位測定を提供するためには、較正される必要がある。
【００２５】
従って、本願のシステムと方法は、検出期間中に、軟鉄磁気擾乱の存在による磁力計の読みと、磁北に対するジャイロ方位の両方における変化を検出することによって、機首方位基準システムでの磁気方位の計算に関する局所的な軟鉄の影響を周期的に補正するために、提供される。
もし、その変化が、予期されるジャイロドリフトと関連した所定の閾値を越えている場合、磁力計は、ジャイロ測定値に基づいて較正される。
【００２６】
さらに、この提供されたシステムと方法は、検出期間中に、磁界の変化を測定し、その後、誤った測定値を示すこととその内部の磁力計を較正することについて責任がある機首方位基準システムを検出することによって、局所的な軟鉄擾乱を識別するように、乗物内の異なる位置にある機首方位基準システムの複数の装置（例えば2つ以上）において使用できる。
【００２７】
以下に、添付図面を参照して、この発明の実施形態を、詳細に説明する。
例えば、以下の説明は、図１−３を参照して、ジャイロドリフトと関連する磁気方位の差に基づいて、磁力計における軟鉄の影響を補正するために、単一の機首方位基準システムを使用する技術を記載している。
その後、その説明は、図３−６を参照して、ジャイロドリフトと関連する差を使うことができる磁力計における局所的な軟鉄擾乱を識別し、かつ、補正するために、機首方位基準システムの２重の設置を使用する技術を記載している。
【００２８】
さて、詳細に図面を参照すると、初めに図１を参照すれば、図１は、図２に示したシステム１００のような機首方位基準システムにおける軟鉄磁気擾乱の影響を最小化するための、この発明の現在好ましい補償方法を示すフローチャートである。
以下により詳細に説明するように、この発明の現在好ましい補償方法は、図２に示す一体形のスタンバイ（standby）ユニット２００のような装置の機首方位基準システム１００に収容されたファームウェアまたはソフトウェアにおいて実行可能である。
ひとたび、この発明の現在好ましい補償方法が、以下のこの方法の説明を参照して理解されるならば、ファームウェアまたはソフトウェアにおいてこの発明の補償方法を実施することは、当業者によって容易に達成可能である。
【００２９】
次に示すように、好ましくは、図１は、たとえば機首方位基準システム１００に隣接する局所的な電気回路から生じる軟鉄磁気擾乱による、機首方位システム１００の精度におけるどのような定義された著しい変化に対しても繰り返し補償するために反復制御ループ１０として表される、この発明の現在の好ましい補償方法によるフローチャートを、図表で示したものである。
これは、好ましくは、以下にもっと詳しく説明するように、機首方位基準システム１００に関連して図２に３軸の磁力計１０２として示される磁力計１０２の読みの変化と、前の読み取り以来の測定期間にわたる予期されるジャイロドリフトに対する、図２の３軸のジャイロコンパス１０４として示される機首方位基準システムのジャイロの読みとの比較から、実施されることが好ましい。
【００３０】
図１に示すように、この発明の現在の好ましい補償方法を繰り返し実行することに含まれるステップは、次の通りである。
磁力計１０２とジャイロ１０４の両方からの出力データが読み取られて処理され、磁力計１０２の読みの数値とジャイロ１０４の読みの数値のすべての変化にも対応する信号を提供する。
このステップは、図１のブロック１２に示されている。
その後、これらの信号は、比較され、前の読み取り以降において、互いに対抗するこれらの数値の実際の変化を決定する。
このステップは、図１のブロック１４に示されている。
次に、以前の読みからの検出された数値の差が、所定の許容閾値を越えているかどうかが決定され、所定の許容閾値とは、本発明によれば、以前の読み取り以降の期間にわたり、予期されるジャイロドリフトと定義されることが、好ましい。
このステップは、図１のブロック１６に示されている。
もしこの比較の結果として、その差が、予期されるジャイロドリフト、つまり許容閾値を越えている場合、この発明の現在の好ましい補償方法により、最近の機首方位を加えた実際のジャイロの変化に対応する補正された機首方位信号が提供され、この補正された機首方位信号が、機首方位基準システム１００に出力され、精度を維持するために、ジャイロ機首方位を調整する。
これらのステップは、図１のブロック１８と２０に示されている。
一方、もしこの検出された差が、所定の許容閾値を越えていない場合、言いかえれば、それが、この期間にわたって予期されたジャイロドリフトよりも大きくない場合は、検出された磁力計１０２の読みが、ジャイロ１０４の方位値を提供するために使用される。
これらのステップは、図１のブロック２２と２０に示されている。
前述のように、また、図１のフローチャートに示すように、これらのステップは、周期的に反復して繰り返すことを継続し、機首方位基準システム１００の動作中ずっと、著しい軟鉄磁気擾乱にもかかわらず、機首方位基準システム１００に対して正確な方位を維持し続ける。
【００３１】
上記した図１に示されたフローチャートは、以下のアルゴリズムによって表すことができる。
ここで、
kは、期間Δtにわたって、予期されたジャイロドリフトから抽出された正の定数とする；
ΔMHは、期間Δtにわたって、抽出された磁力計の方位の変化とする；
ΔGHは、期間Δtにわたって、抽出されたジャイロの方位の変化とする；
GHは、特定の時間において、ジャイロから抽出された方位とする；
MHは、特定の時間において、磁力計から抽出された方位とする；
ΔH = |ΔMH-ΔGH|;
ΔH≦kのとき、機首方位（Heading） = fn(GH, MH)
ΔH＞kのとき、機首方位（Heading） = GH and MH=MH+ ΔH
上述のように、このアルゴリズムは、慣例的にCでプログラムされ、フリースケール（Freescale）のマイクロプロセッサーのような機首方位基準システム１００のマイクロプロセッサー１２０に使用されるファームウェアまたはソフトウェアにおいて、容易に、実行可能である。
上述のように、このアルゴリズムは、最近の補正をジャイロコンパス１０４に対して施して以降の期間にわたって、磁力計１０２の読みとジャイロ１０４の測定値との間の差が、予期されたジャイロドリフトと同程度である場合のみ、方位ジャイロ１０４の周期的な補正に依存する。
【００３２】
上記補償方法を要約すれば、好ましくは、磁力計データは、各軸について読み出され、ジャイロデータも各軸について読み出される。
ジャイロデータは、本体（body）から慣性座標に変換される。
磁力計の読み取り値に基づく機首方位の経時的な変化速度が決定される。
方位の変化速度は、ジャイロからの機首揺れ（yaw）の変化の慣性座標の速度と比較される。
次に、この発明の方法によれば、アルゴリズムは、もし、この変化速度の差が所定の閾値よりも大きければ、その変化速度における差を記録し、磁力計における軟鉄の衝撃を補正するバイアスとしてその差を用いる。
一方、もし、この差が所定の閾値よりも大きくない場合、アルゴリズムは、実際の磁力計の数値を用いて、ジャイロドリフトを補正する。
【００３３】
この発明の現在の好ましい補償方法によれば、従来の拡張されたカルマンフィルタ（図示しない）も採用され、ジャイロ１０４の測定値と磁力計１０２の測定値とが混合され、磁力計１０２とジャイロ１０４の前述の差は、ジャイロの誤差の共分散となる。
【００３４】
上記の方法は、局所的な軟鉄の存在に起因する擾乱が、磁気方位の算出に誤差を生じ得るどのような磁気方位指示システムにおいても採用可能である。
そのような場合には、機首方位測定軸にジャイロを置き、ジャイロの変化に対する磁力計の変化の大きさを比較することによって、局所的な磁界変化による磁力計の出力のどのような著しい変化であっても、検出して補正できる。
従って、この発明の補償方法は、図２に示す一体形スタンバイユニット２００におけるような、以下に詳述する航空機の機首方位基準システムにおいて採用されるだけでなく、第１または第２の姿勢及び機首方位基準システム、空中データ及び姿勢機首方位基準システム、又は慣性飛行システムのような他の航空機装置においても、また、局所的な電界変化の結果として変動を受けることのある方位源を必要とする乗物や慣性システムのような非航空機システムにおいても、同様に採用される。
【００３５】
図２を参照すると、この発明の前述の補償方法を実行することによって性能が高められ改良された現在の好ましい一体形スタンバイユニット２００の例を示す。
好ましくは、図２に示すように、一体形スタンバイユニット２００は、慣性測定ユニット２１０を含み、慣性測定ユニット２１０は、３軸の従来の加速度計２１２とジャイロコンパス１０４と磁力計１０２とを含み、この発明の補償方法は、上記したように、ジャイロコンパス１０４と磁力計１０２によって利用される。
好ましくは、示されたように、一体形スタンバイユニット２００は、また、大気速度と高度の従来の測定用の全体空中データ測定モジュール２３８を含む。
一体形スタンバイユニット２００は、また、好ましくは、図示されたように、ピトー管（pitot）２１８と静的ポート（静圧口）２２０により情報が供給される従来の差動圧力変換器（トランスデューサ）２１４と従来の絶対圧力変換器（トランスデューサ）２１６とを含む。
さらに、スタンバイユニット２００は、好ましくは、従来のLCDディスプレイ２２２、バックライト２２４、光センサー２２６、内部温度センサー２２８、ベゼル（bezel）コントロール（制御装置）２３０も含む。
図２にさらに示されるように、好ましくは、マイクロプロセッサー１２０は、外部設定モジュール２３２と静的気温プローブ２３４から、外部入力を受け入れる。
【００３６】
このように、図２に示す上記の一体形スタンバイユニット２００は、一連の温度、圧力、磁気、加速度、および速度のセンサーを備え、これらは、フリースケール（Freescale） IMXシリーズのマイクロプロセッサーのようなマイクロプロセッサーにより制御され、かつ、液晶（LCD）ディスプレイに示される。
そのように、一体形スタンバイユニット２００は、指示された真の大気速度、マッハ、静的気温、高度、ピッチ、ロール、滑り角、および磁気方位を含む飛行に重要な情報の測定、計算、および表示を提供する。
必要ならば、一体形スタンバイユニット２００は、さらに、GPSや他のナビゲーションセンサーをさらに増設して、進路や風、および他の航行情報の表示を提供することもできる。
【００３７】
図２に示すシステム２００において、初期の姿勢と機首方位の情報は、3軸加速度計２１２と3軸磁力計１０２によって決定される。
初期設定時には、乗物または航空機は、ゼロ加速度状態にあると仮定されるので、加速度計２１２と磁力計１０２の共同作業によって、航空機のピッチ、ロール、および機首方位の正確な初期状態が提供される。
【００３８】
一体形スタンバイユニット２００の作動段階においては、３軸速度センサーは、初期状態からの変化を監視して補償することによって、航空機の現在の飛行姿勢および機首方位を決定するために利用されることが好ましい。
速度センサーのデータに基づいて算出される角度は、通常は、一般的に千鳥足歩き（random walk）と呼ばれるランダムなドリフトを被る。
このドリフトは、通常は、信号帯域にあるノイズの統合によるものであり、従来の信号調整アルゴリズムによっては容易に取り除けない。
この発明の方法においては、このドリフトを補償するために、ジャイロの出力が、磁力計と加速度計のデータに対して周期的に再較正される。
拡張されたカルマンフィルタの変形が、対応する誤差の共分散に基づくすべてのセンサーのデータを混合すると共に、速度センサーのドリフトを周期的に補正するために使用されることが好ましい。
これらの混合および補償アルゴリズムは、航空機の飛行姿勢および機首方位の正確な推定値を提供する。
そのような混合アルゴリズムの例は、以下のように与えられる：
【数１】
2018049000.tif 000003
上記のアルゴリズムの変形は、以下に示すように、カルマンフィルタの変形を利用して姿勢の推定値をアップデート（更新）するために使用することができる：
【数２】
2018049000.tif 000004
【００３９】
よく知られているように、通常の航空機のパネル装置においてスタンバイユニット２００を取り囲む局所的な磁気環境は、すぐ近くの装置に対する電源のスイッチングの磁気的影響のような変化にさらされる。
据え付け時において、スタンバイユニット２００は、その場所の環境の影響を補償するために、意図された環境において較正されることが好ましい。
しかしながら、通常のフライトの間において、種々の装置は、通常、電源のオン、オフが行われ、内部の磁力計によって測定される磁気方位に誤差が生じる。
この発明の方法は、所定の閾値を超える誤差の発生を検出して補償するΔH＞kのアルゴリズムを用いて、システムがこれらの誤差を補償することができるようにする。
【００４０】
多くの補償アルゴリズムが、この発明の精神と範囲を逸脱することなしに、種々のシステムに使用可能であることが、当業者であれば認識される。
従って、補償アルゴリズムは、磁力計によって測定される磁気方位の変化を、図１に示され、かつ、以前に列挙した式
機首方位（Heading） = fn(GH, MH)   但しΔH=<k
機首方位（Heading） = GH および MH=MH+ ΔH   但し ΔH>k
で表されるような速度センサーによって測定される方位の変化に対して周期的に比較する比較的単純なアルゴリズムから、図３のフローチャートと以下の式によって示されるように、磁力計および各軸の速度センサーの変化速度が比較されるより複雑なまたは精巧な計画（scheme）に変化できる：
以下の場合において、
XGI, YGI, ZGIは、慣性基準においてジャイロから抽出されたようなX、Y、Z軸における角度の変化を表し、XM, YM, ZMは、X、Y、Zの磁力計の読みを表し、XKI, YKI, ZKIは、慣性基準における最大の予期されるジャイロの角速度ドリフトを表わしている：
ΔX=|XGIの変化速度 - XMの変化速度|
ΔY=|YGIの変化速度- YMの変化速度|
ΔZ=|ZGIの変化速度- ZMの変化速度|
ピッチ = fn(YGI, 加速度計のデータ, 磁力計のデータ) 
ロール = fn(XGI, 加速度計のデータ, 磁力計のデータ) 
機首方位 = fn(ZGI, 磁力計のデータ)
ΔX>XKIのとき, XM=XM+ ΔXΔt 
ΔY>YKIのとき, YM=YM+ ΔYΔt
通常、この発明の方法によれば、その変化が、速度センサーの予期されたドリフト誤差、つまり所定の閾値よりも大きい場合には、磁力計は磁界の局所的変化により影響され、速度センサーのデータは局所的な磁界の変化の影響を補償するために用いられることが仮定される 。
【００４１】
図３を参照すると、図３は、図１に類似し、この発明の補償方法による別のフローチャートを示し、上記アルゴリズムによって表される複雑な計画（scheme）を利用する上述の方法を実現するフローチャートを示している。
図３に示す方法のステップが、この発明の精神と範囲を逸脱することなく、異なる順序で実行可能であることは、当業者には明らかなことである。
図１に示したフローチャートと同様に、図３のフローチャートは、軟鉄の磁気擾乱による機首方位システムの精度における著しいいかなる変化も繰り返し補償するための反復制御ループ３００を示している。
この補償方法の実行において、そのステップは、磁力計の読みの現在の値を保存すること；以前に格納された磁力計の値から、磁力計の読みの現在の値を減算すること；磁力計の読みの差を、変化の速度を得るための時間で除算すること；時間に対する平均の速度センサーの変化から、決定された磁力計の変化速度を減算すること；そして、もし、その差が、速度センサーの最大の予期されたドリフトよりも小さいかあるいはそのドリフトに等しい場合は、速度センサーのドリフトを補償するために磁力計データを使用することを含むことができる。
しかしながら、そうでない場合は、速度センサーのデータは、磁力計における軟鉄の影響を補償するために用いられる。
【００４２】
また、上記のように、さらに精巧な計画が利用可能であり、その計画では、３軸ジャイロ１０４、３軸磁力計１０２、および３軸加速度計２１２を採用している図２に示すシステム２００のように、磁力計の変化速度と各軸の速度センサーの変化速度とが比較される。
例えば、この発明の補償方法は、
各軸に対する磁力計のデータを読むこと；
各軸のジャイロデータを読むこと；
ジャイロデータを本体から慣性座標に変換すること；
磁力計の読みに基づいて、時間に対する各磁気軸の変化速度を決定すること；
各磁気軸の変化速度と、同じ軸に対するジャイロの変化の慣性座標速度とを比較すること；そして
変化速度の差が所定値よりも大きい場合には、
その差を記録し、磁力計の各軸上の軟鉄衝撃を補正するためのバイアスとしてその差を使用することを含むことができる。
しかし、そうでない場合には、磁力計の値は、以下に述べられるカルマンフィルタのアルゴリズムのようなアルゴリズムにおいて用いられる：
予測（Predict）
【数３】
2018049000.tif 000005
更新（Update）
【数４】
2018049000.tif 000006
上記の各式は、ジャイロのドリフトを補正する場合である。
あるいは、加速度計のデータが、このアルゴリズムで用いられ、乗物の加速されない直進および水平運動のように非加速モードの期間、あるいは乗物の静止時に、磁力計のデータを増大させる。
【００４３】
上記の状況において、この発明の補償方法が、図２のシステム２００におけるように、各軸に関連して採用され、この補償方法が、磁力計の各々における軟鉄の影響を比較して補償する場合に、各磁力計の予期される磁気の読み（示度）の内部モデルであって、ジャイロおよび加速度計によって決定される航空機の評価された機首方位、ピッチ、およびロールに基づいて、各磁力計の予期された値を評価するモデルが開発されている。
このモデルは、磁力計の読みを考慮することによって周期的に更新され、評価された磁力計の読みの変化は、好ましくは、各軸に対する実際の磁力計の読みの変化と比較されて、各磁力計に対する軟鉄の影響を補償するためか、あるいは、各ジャイロのドリフトを補正するために使用される。
【００４４】
図３に示すように、この発明の補償方法を繰り返し実行することに含まれるステップは、磁力計１０２、加速度計２１２、およびジャイロ１０４のデータを読み出して処理し、磁力計の値とジャイロの値におけるすべての変化にも対応する信号を提供することを含むことができる。
このステップは、図３のブロック３１２に示される。
その後、これらの信号は、互いに比較され、以前の読み取り以降の実際の変化のすべてを決定する。
このステップは、図３のブロック３１４に示される。
以前の読みからの値における検出された差が、以前の読み取り以降の期間にわたって予期されたジャイロドリフトより大きい場合に、判断が行われる。
このステップは、図３のブロック３１６に示される。
この比較の結果として、その差が予期されたジャイロドリフトを越える場合には、図３に示す補償方法により、最近の磁力計の読みを加えたジャイロの変化が、磁力計の値のために用いられるが、これは図３のブロック３１８に示され、磁力計の較正値はその差を用いて更新（アップデート）されるが、これは図３のブロック３２０に示される。
その後、補正されたジャイロと磁力計の値が、出力されるが、これは図３のブロック３２２に示される。そして、姿勢と機首方位の最良の評価（見積り）が算出されるが、これは図３のブロック３２４に示される。このステップは、図３に示すように、反復して周期的に繰り返される。
一方、検出された差が、前の読み取り以降の期間にわたって予期されたジャイロドリフトよりも小さい場合には、ジャイロの較正値は、磁力計と加速度計のデータを用いて更新される。
このステップは、図３のブロック３２６に示され、その後、ブロック３２２に示すように、補正されたジャイロと磁力計の値は出力され、ブロック３２４に示すように、姿勢と機首方位の最良の評価が算出され、このプロセスは、反復して周期的に繰り返される。
【００４５】
図４を参照すれば、2重の機首方位基準システムの設置における軟鉄擾乱の影響を補正するためのシステム４００の例が、示されている。
システム４００は、以前図２を参照して図示して説明したように、乗物内の種々の位置に取り付けられた一体形スタンバイユニット２００のような２つの機首方位基準システムを含んでいる。
各機首方位基準システム２００は、磁気方位と乗物のナビゲーションのために必要な他のパラメータを測定するために利用される３組のセンサー（例えば、従来の加速度計２１２、ジャイロ１０４および磁力計１０２）を備える。
いくつかの実施形態において、機首方位基準システムは、姿勢方位基準装置、一体形スタンバイユニット、第１のおよび／または第2の乗物慣性ユニット、および／または、乗物の内外に置くことができ、ナビゲーションパラメータを測定することができるすべての携帯できるシステムのように、３組のセンサーを含む適当なナビゲーションシステムである。
【００４６】
システム４００は、２つ以上の一体形スタンバイユニット２００を含み、好ましくは、それらのユニットのそれぞれが、大気速度と高度の従来の測定用の従来の差動圧力トランスデューサ２１４および従来の絶対圧力トランスデューサ２１６を含む。
さらに、スタンバイユニット２００は、好ましくは、従来のLCDディスプレイ２２２、バックライト２２４、光センサー２２６、内部温度センサー２２８、および、ベゼルコントロール（制御装置）２３０も含む。
図４においてさらに示されるように、一体形スタンバイユニットのそれぞれは、外部設定モジュール２３２と静的気温プローブ２３４からの外部入力を受け入れるマイクロコントローラ１２０を含む。
【００４７】
従って、図４において示す上記の一体形スタンバイユニット２００のそれぞれは、一連の温度、圧力、磁気、加速度および速度のセンサーを備え、これらはフリースケール（Freescale） IMXシリーズのマイクロプロセッサーのようなマイクロプロセッサーにより制御され、かつ液晶（LCD）ディスプレイに示される。
そのように、一体形スタンバイユニット２００は、指示された真の大気速度、マッハ、静的気温、高度、ピッチ、ロール、滑り角、および磁気方位を含む飛行の重要な情報の測定、計算、および表示を提供する。
必要ならば、一体形スタンバイユニット２００は、さらに、GPSや他のナビゲーションセンサーをさらに増設して、進路、風、および他の航行情報の表示も提供することができる。
さらに、システム４００は、１つの慣性ナビゲーションユニット、２つの慣性ナビゲーションユニット、および／または、それらの適当な組み合わせと、組み合わされたスタンバイユニット２００のような機首方位基準ユニットのどのような組み合わせを含んでもよい。
【００４８】
図４に示すシステム４００において、初期の姿勢と方位の情報は、２つの一体形スタンバイユニット２００における3軸加速度計２１２と3軸磁力計１０２によって決定される。
初期設定時に、乗物または航空機は、ゼロ加速度状態にあると仮定されるので、加速度計２１２と磁力計１０２の組合せは、航空機のピッチ、ロール、および機首方位の正確な初期状態を提供する。
【００４９】
各一体形スタンバイユニット２００の作動段階において、３軸速度センサーは、初期状態からの変化を監視して補償することによって、航空機の現在の飛行姿勢および機首方位を決定するために利用されることが好ましい。
速度センサーのデータに基づいて算出される角度は、通常は、一般的に千鳥足歩き（random walk）と呼ばれるランダムなドリフトを被る。
このドリフトは、通常は、信号帯域にあるノイズの統合によるものであり、従来の信号調整アルゴリズムによっては容易に取り除けない。
このドリフトを補償するために、ジャイロの出力が、磁力計と加速度計のデータに対して、周期的に再較正される。
拡張されたカルマンフィルタの変形が、対応する誤差の共分散に基づくすべてのセンサーのデータを混合すると共に速度センサーのドリフトを周期的に補正するために、使用されることが好ましい。
これらの混合および補償アルゴリズムは、航空機の飛行姿勢および機首方位の正確な推定値を提供し、
図２を参照して以前に説明した。
【００５０】
さらに、各スタンバイユニット２００の内部の磁力計もまた、結果として信頼できない測定を生じさせる擾乱を被る。
特に、航空機内の種々の位置に取り付けられているスタンバイユニット２００のそれぞれを取り囲む局所的な磁気環境は、近くの機器および／または乗物の中にあるかもしれない外部の電子回路（例えば、スマートフォン、コンピュータなど）の存在に対する電源のスイッチングの磁気的影響のような変化にさらされている。
磁力計に影響するこれらのタイプの軟鉄擾乱は、最初、取り付け時に補償され、それによって、スタンバイユニット２００のそれぞれは、局所的な環境の影響を補償するために較正される。
その後、内部の磁力計により測定された磁気方位に誤差を生じる様々な機器が、普通、電源のオン、オフが行われるので、通常の飛行の間に、周期的な較正が必要である。
【００５１】
システム４００の２重の機首方位基準システムの取り付けに関しては、多数の補償テクニックを、さまざまなシステムのために使用できることが、この発明の精神と範囲を逸脱することなしに、当業者であれば認識される。
特に、システム４００は、また、各スタンバイユニット２００の磁力計によって測定されるような局所的な磁界の変化を比較することにより、局在する軟鉄擾乱の存在の初期からの検出を可能にする。
結果として、ナビゲーションパラメータの周期的な計算と、その後のセンサーの較正に関連するコンピュータの要件とストレージの要件は、図１と図３に示した技術と類似する較正プロセスを、いつ実行するかを動的に決めることによって最小化できる。
【００５２】
図５を参照すると、図４において参照されたものと類似した２重のAHRS設備において、軟鉄擾乱を繰り返し補正する方法５００を示すフローチャートが提供される。
特に、５０２において、１つおよび／または両方のスタンバイユニット２００が、乗物内の種々の設置場所で測定されるような、磁力計１０２と加速度計２１２とジャイロ１０４の各センサーデータを交換する。
５０４において、内部の磁力計１０２とジャイロ１０４に関連したセンサーデータは、読み取られ、検出期間Δtに基づいて、直前に得られた読みから、磁力計の読みのどのような変化にでも対応する信号を提供するように処理される。
【００５３】
各スタンバイユニット２００から得られた磁力計の変化信号は、検出期間中、内部の磁力計によって測定されるように磁界の強度と方向のどのような偏差でも反映している。
５０６において、各スタンバイユニット２００からの磁力計の変化信号がお互いに一致しているかどうかを確認するための判断がなされる。
このことは、変化信号の差を算出することによって達成され、もし、その差が、所定閾値を越えていない場合（例えば、５０６において「YES」）、局所的な軟鉄磁気擾乱の徴候は、各スタンバイユニット２００の内部の磁力計で検出されていなかったことになる。
その結果として、５１２において、スタンバイユニット２００の内部の磁力計は、ジャイロドリフトを更新し、その後、更新されたジャイロドリフトを使ってジャイロセンサーを較正することによって、ジャイロの測定値を補正するために使用できる。
例えば、そのような較正は、機首方位の値を提供する磁力計の読みを使用することによって達成でき、この磁力計の読みは、検出期間中、ジャイロドリフトを更新し、その後ジャイロの測定値により減算されるために使用される。
従って、新しい機首方位は、較正されたジャイロの測定値と磁力計を使って、５１４で、計算できる。
【００５４】
さらに、機首方位基準システムの２つ以上の装置における軟鉄磁気擾乱の徴候を検出することが、以下のアルゴリズムによって表すことができる。：
thは、局所的な磁界の予期される磁気の値から抽出された許容できる正の定数である；
ΔM1は、検出期間Δt中に、第１の機首方位基準システムと関連した磁力計の読みの変化である；
ΔM2は、検出期間Δt中に、第２の機首方位基準システムと関連した磁力計の読みの変化である；
｜ΔM1−ΔM2｜＞thの場合、軟鉄擾乱の徴候が検出される。
【００５５】
いくつかの実施例において、許容閾値は、地球の磁界のモデルから得られる理論的な磁界の値を使用して決定できる。
例えば、そのような情報は、ウェブサイトまたはどのような他の適切な情報源および／または地球の磁界と関連する情報を提供するデータベースからでも得ることができる。
いくつかの実施例では、理論的な磁界の値は、スタンバイユニット２００のマイクロプロセッサー１２０に含められたメモリー要素に記憶され、検出期間中アクセスでき、ここで示された補償技術を識別し実行する。
【００５６】
しかし、もし、各スタンバイユニット２００からの磁力計の変化信号の差が、所定閾値を越えていて、２つの機首方位基準システムの間の内部の磁力計の測定値の変化が一致しないことを示している場合（たとえば、５０６において“NO”）、もしかしたら軟鉄磁気擾乱にさらされている機首方位基準システムを検出し、乗物内のその位置を識別するために、５０８において、その後の判断が必要となる。
そのような判断は、各スタンバイユニット２００のために、それらの各内部の磁力計とジャイロを使用して1対の予期された方位値を計算し、各スタンバイユニット２００のために、磁力計によって測定されるような予期される機首方位と、ジャイロによって測定されるような予期される機首方位との間の差（例えば、変化信号）を計算することによって達成される。
もし差が、所定閾値を越えていない場合、従って磁力計とジャイロによって測定されるような予期される機首方位の変化が、スタンバイユニット２００のすべてで、一致していることを示している場合（例えば、508において“YES”）、方法５００は、５１２に進み、ジャイロの測定値を補正するために、スタンバイユニット２００の内部磁力計を使う。そのために、ジャイロドリフトを更新し、その後更新されたジャイロドリフトを使ってジャイロセンサーを較正する。
その後、５１４において、新しい機首方位が、較正されたジャイロの測定値と磁力計を使って、計算できる。
【００５７】
しかし、もし、差が、所定閾値を越えている場合、従って磁力計とジャイロによって測定されるような予期される機首方位の変化が、スタンバイユニット２００のすべてで、一致していないことを示している場合（例えば、508において“YES”）、所定閾値からの最も大きい偏差を表しているスタンバイユニットは、軟鉄擾乱に影響され易いと認定され、このため磁力計の較正を必要とする。
このことは、５１０において、ジャイロスコープにより得られた機首方位測定値を使って、磁力計のデータを較正することによって達成できる。
いくつかの実施例において、磁力計の較正値は、磁力計から得られた直前の機首方位測定値とジャイロから計算された現在の機首方位との差を使って、計算できる。
いくつかの実施例において、計算されたジャイロ機首方位は、スタンバイユニットのどちらか一方から得ることができ、および／または、両方のスタンバイユニットの組み合わせ（例えば平均）により、得ることができる。
【００５８】
いくつかの実施例において、図２を参照して、上記に説明したように、従来の拡張されたカルマンフィルタは、５０８において計算されジャイロ誤差共分散に依存する磁力計１０２とジャイロ１０４の間の前記した差を用いて、ジャイロ１０４の測定値を磁力１０２の測定値と混合するためにも、また使用できる。
【００５９】
図６は、図１と図５を参照して以前に説明したように、予期されるジャイロドリフトと関連したデータを使って、図４に示したような２重の機首方位基準システムにおける磁力計の軟鉄擾乱を繰り返し補正する方法６００のフローチャートを示している。
特に、６０２において、１つおよび／またはそれ以上のスタンバイユニット２００は、乗物内の種々の設置場所で測定された磁力計１０２、加速度計２１２、およびジャイロ１０４のセンサーデータを、交換し／受け取る。
６０４においては、内部の磁力計１０２とジャイロ１０４に関連するセンサーデータが、読み取られ、検出期間Δt中、直前に得られた読みから、磁力計の読みのどのような変化にも対応する信号を提供するために、処理される。
磁力計の読みは、磁界の強度と方向を提供し、検出期間中のそれらの計算された差は、局所的な磁界のどのような偏差でも反映する。
【００６０】
６０６において、２つのスタンバイユニット２００から得られた磁力計の変化信号が、たとえば、変化信号の差を計算することによって、一致しているかどうかを確認する判断がされ、もしその差が、所定閾値を越えていないならば（たとえば、６０６において“YES”）、局所的な軟鉄磁気擾乱は、スタンバイユニット２００のそれぞれの内部の磁力計では検出されなかった。
その結果として、612において、両方のスタンバイユニット２００の内部の磁力計は、ジャイロ測定値を補正するために使用でき、ジャイロドリフトを更新し、その後、更新されたジャイロドリフトを使ってジャイロセンサーを較正する。
いくつかの実施例において、そのような較正は、機首方位の値を提供する磁力計の読みを使用することによって達成でき、この磁力計の読みは、検出期間中、ジャイロドリフトを更新し、その後ジャイロの測定値から減算されるために使用される。
従って、６１６において、新しい機首方位が、較正されたジャイロ測定値と磁力計を使って、計算できる。
【００６１】
しかし、もし、各スタンバイユニット２００の磁力計の変化信号の差が、所定閾値を越えており、２つの機首方位基準システムの間の内部の磁力計の測定値の変化が一致していないことを示している場合（たとえば、６０６において“NO”）、１つまたは両方の機首方位基準システムのために、軟鉄磁気擾乱の結果と考えられる偏差のレベルを検出するために、６０８において、その後の判断が必要である。
そのような判断は、以前の読みからの値の差が、各スタンバイユニット２００のための最後の読み以来、期間中予期されるジャイロドリフトと定義される所定の許容閾値を越えているかどうかを検出することによって、達成される。
もし、すべてのスタンバイユニット２００で、検出期間中に、その差が、予期されるジャイロドリフトを越えていない場合（例えば、６０８において“YES”）、方法６００は、６１２に進み、ジャイロドリフトを更新し、その後、更新されたジャイロドリフトを使ってジャイロセンサーを較正することによって、ジャイロの測定値を補正するために、両方のスタンバイユニット２００の内部の磁力計を使用する。
その後、新しい機首方位は、較正されたジャイロの測定値と磁力計を使って、６１４において、計算できる。
【００６２】
しかし、もし、その差が、1または両方のスタンバイユニット２００の予期されるジャイロドリフトを越えているならば（例えば、６０８において“YES”）、予期されるジャイロドリフトからの最も大きい偏差を表しているスタンバイユニットは、軟鉄擾乱に影響され易いと認定され、磁力計の較正を必要とする。
いくつかの実施例において、両方のスタンバイユニット２００は、軟鉄擾乱から影響されると考えられ、従って、並行して（例えば、同時に較正）および／または連続的に達成できる較正を必要とする。
このことは、６１０において、磁力計の値のために、最後の磁力計の読みを加えたジャイロの変化を使用し、及び、６１４において、その差を用いて磁力計のための較正値を更新することによって、達成できる。
その後、補正されたジャイロと磁力計の値は、６１６において、姿勢と機首方位の最善の評価を計算するために、用いられて、これらのステップは、反復して、周期的に繰り返される。
そのような補償技術は、以前に図１−２を参照して説明したように、簡単なものから複雑なものまで及ぶ。
【００６３】
いくつかの実施例において、図２を参照して、上記で説明したような従来の拡張されたカルマンフィルタは、また、ジャイロ誤差共分散に依存して５０８で計算される磁力計１０２とジャイロ１０４の上記した差を用いて、ジャイロ１０４の測定値を磁力計１０２の測定値と混合するために、使用してもよい。
【００６４】
特定の実施例に適用されるように、この発明の種々の新しい特徴を示し、説明してきたが、説明し図示したシステムと方法の形式と詳細の種々の省略と、代用と、変更は、発明の精神と範囲を逸脱せずに、当業者によってなし得るということが理解されるであろう。
当業者は、上記した開示と、それから発明の教えの理解に基づいて、この発明により提供され、かつ組み込まれた一般的な構造と機能性が、発明の異なる実施形態により変化することも可能であることを、理解するであろう。
従って、図１から図６において示した特定のシステムおよび方法は、単に図示の目的のためのものであり、システムと方法の実施例において実現されるように、発明の特定の実施例の様々な局面と機能性の十分かつ完全な理解と認識を容易にするためである。
当業者は、この発明が、記載された実施例以外でも、実施されうることを認識し、その実施例は単に説明の目的のために提示されたものであり、かつ制限のために提示されたものではなく、また、この発明は、添付の請求項によってのみ、制限されることを認識するであろう 。
【符号の説明】
【００６５】
１００  機首方位基準システム（heading reference system）
１０２  ３軸磁力計（Triaxial Magnetometer）
１０４  ３軸ジャイロ（Triaxial Gyro）
１２０  マイクロコントローラと電気回路、拡張カルマンフィルター（Microcontroller and Circuitry Extended Kalman Filter）
２００  一体形スタンバイユニット（integrated standby unit）
２１０  慣性測定ユニット（inertial measurement unit）
２１２  ３軸加速度計（Triaxial Accelerometer）
２１４  差動圧力変換器（Differential Pressure Transducer）
２１６  絶対圧力変換器（Absolute Pressure Transducer）
２１８  ピトー管（Pitot）
２２０  静的ポート（静圧口）（Static Port）
２２２  LCD
２２４  バックライト（Backlight）
２２６  光センサー（Light Sensor）
２２８  内部温度センサー（Internal Temperature Sensor）
２３０  ベゼルコントロール（制御装置）（Bezel Controls）
２３２  外部設定モジュール（External Configuration Module）
２３４  静的大気温度プローブ（Static Air Temperature Probe）
２３８  大気データ測定モジュール（air data measurement module）
４００  機首方位基準システム（heading reference system）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【外国語明細書】
2018049000000001.pdf