(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心軸線を有する円筒状のケーシングと、該ケーシング内に配置された基台と、該基台に装着されＸＹＺジャイロ、ＸＹＺ加速度計及び方位発信器を含むセンサ部と、コンパスモードでは上記センサ部から出力された信号を地球表面座標系の信号に変換する演算部と、測量モードでは上記センサ部から出力された信号より上記基台の方位、ジャイロのドリフト及び加速度のバイアスを演算するドリフト・バイアス演算部と、を有し、上記基台は上記中心軸線に沿って配置された複数の回転台と該複数の回転台を同期的に回転させるための駆動装置とを有し、上記センサ部はその入力軸線又は測定軸線が上記中心軸線に整合するように上記回転台に装着されていることを特徴とするジャイロコンパス装置。
【請求項２】
上記ＸＹＺジャイロはＴＤＧ（チューンドドライジャイロ）より構成されていることを特徴とする請求項１記載のジャイロコンパス装置。
【請求項３】
上記演算部は上記基台に設けられた座標系より地球表面座標系に変換する座標変換マトリックスを演算する座標変換マトリックス演算部と該座標変換マトリックスを使用して地球表面座標系の加速度を演算するローカル加速度演算部と地球表面座標系の方位及び姿勢を演算するローカル方位姿勢演算部とを有することを特徴とする請求項１記載のジャイロコンパス装置。
【請求項４】
上記ドリフト・バイアス演算部は、上記回転台の回転を制御する回転制御部と上記回転台の方位角をパラメータとして上記ＸＹＺジャイロ及びＸＹＺ加速度計の出力を記憶するデータ計測記憶部と該データ計測記憶部からの出力より上記ＸＹＺジャイロ及びＸＹＺ加速度計の出力のドリフト及びバイアスを演算する演算部と上記基台の方位を演算する方位演算部とを有し、上記回転台の複数の回転角における上記センサ部の出力より上記センサ部のバイアス及びドリフトを検出するように構成されていることを特徴とする請求項１記載のジャイロコンパス装置。
【請求項５】
上記円筒状のケーシングの外径は８０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１記載のジャイロコンパス装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地下又は水中の物体のように人が接近することが困難な物体又は移動体の位置を検出するのためのジャイロコンパス装置に関し、特に、下水道管等の比較的小さな径の管を推進工法によって敷設する場合に使用して好適なジャイロコンパス装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
下水管等の比較的小さな径の管を地下に敷設する場合、地中を掘り進みながら同時に管を配置する推進工法が知られている。この工法では、配管の始点と終点で地面に縦穴を掘削するが、配管に沿って地面を掘り起こす必要がないため、交通を妨害しない等の利点がある。
【０００３】
図９を参照して、推進工法及びそれに使用される掘削装置の例を説明する。この掘削装置は、先端に掘削刃２０１を有する先導管２０２と、先導管２０２の後端に装着された案内部材２０３と、多数の連接したヒューム管２１０Ａ、２１０Ｂ、２１０Ｃ、２１０Ｄと、元押し装置２２０とを有する。元押し装置２２０は配管の始点の縦穴に配置される。ヒューム管内には、作泥材供給管２０５、土砂排出管２０６及び土砂排出ポンプ２０７が配置されている。
【０００４】
掘削刃によって横穴を掘削するとき、掘削刃２０１の先端には作泥材供給管２０５より作泥材、例えば水が噴出される。掘削された土砂は、止水性土砂と流動性土砂（スラリー）に分離し、流動性土砂は、土砂排出ポンプ２０７によって汲み上げられ、土砂排出管２０６を経由して外部に排出される。
【０００５】
図９Ａは所定の位置まで掘り進み、先導管２０２の背後にヒューム管列２１０Ａ、２１０Ｂ、２１０Ｃ、２１０Ｄが配置された状態を示す。尚、掘削の開始時には、元押し装置２２０には先導管２０２のみが配置される。図９Ｂは、この状態より、１個のヒューム管の長さに相当する寸法だけ掘り進んだ状態を示す。元押し装置２２０によってヒューム管列２１０Ａ、２１０Ｂ、２１０Ｃ、２１０Ｄを前方に押しながら、掘削刃２０１によって掘削する。それによって、先導管及びヒューム管列全体が前進する。次に、図９Ｃに示すように、元押し装置２２０のピストンを後退させ、最後端のヒューム管２１０Ｄの後端に次のヒューム管２１０Ｅを配置する。
【０００６】
これを繰返し、終点の縦穴に先導管２０２が到着すると、先導管２０２、作泥材供給管２０５、土砂排出管２０６及び排出ポンプ２０７を回収する。それによって、始点から終点までヒューム管によって形成された配管が完成する。
【０００７】
先導管にはジャイロコンパス装置が設けられ、常に、現在位置が検出される。現在位置が予定の位置より偏倚すると、進行方向の修正がなされる。掘削方向を変化させることによって、先導管の進行方向を調節することができる。こうして、先導管の進行方向を調節しながら掘削することによって、始点から終点まで正確な配管が敷設される。
【０００８】
近年、推進工法によって比較的長い距離に亘って配管を敷設する場合が多い。このような場合、進行方向の僅かな誤差でも、終点における誤差が大きくなる。例えば、先導管の進行方向が予定進路より１度ずれた状態で、１００ｍ掘り進むと、終点では予定進路より約１．７４ｍずれる。通常、誤差は数ｃｍ以内であることが望ましい。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
掘削装置の先導管のような地下又は水中の物体の位置を検出するために、ジャイロコンパス装置が使用される。ジャイロコンパス装置には、電磁波方式、ジャイロ等の様々な形式のものが使用されるが、小型且つ小口径で、精度が高く且つ価格が安いものがなかった。特に、振動、高温、高湿度の環境にて使用可能な小型且つ小口径のジャイロコンパス装置は価格が高い欠点があった。
【００１０】
本発明は、小型且つ小口径で、測定精度が高く且つ価格が安いジャイロコンパス装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明によると、ジャイロコンパス装置は、中心軸線を有する円筒状のケーシングと、該ケーシング内に配置された基台と、該基台に装着されＸＹＺジャイロ、ＸＹＺ加速度計及び方位発信器を含むセンサ部と、コンパスモードでは上記センサ部から出力された信号を地球表面座標系の信号に変換する演算部と、測量モードでは上記センサ部から出力された信号より上記基台の方位、ジャイロのドリフト及び加速度のバイアスを演算するドリフト・バイアス演算部と、を有し、上記基台は上記中心軸線に沿って配置された複数の回転台と該複数の回転台を同期的に回転させるための駆動装置とを有し、上記センサ部はその入力軸線又は測定軸線が上記中心軸線に整合するように上記回転台に装着されている。
【００１２】
本発明によると、上記ＸＹＺジャイロはＴＤＧ（チューンドドライジャイロ）より構成されている。
【００１３】
本発明によると、上記演算部は上記基台に設けられた座標系より地球表面座標系に変換する座標変換マトリックスを演算する座標変換マトリックス演算部と該座標変換マトリックスを使用して地球表面座標系の加速度を演算するローカル加速度演算部と地球表面座標系の方位及び姿勢を演算するローカル方位姿勢演算部とを有する。
【００１４】
本発明によると、上記ドリフト・バイアス演算部は、上記回転台の回転を制御する回転制御部と上記回転台の方位角をパラメータとして上記ＸＹＺジャイロ及びＸＹＺ加速度計の出力を記憶するデータ計測記憶部と該データ計測記憶部からの出力より上記ＸＹＺジャイロ及びＸＹＺ加速度計の出力のドリフト及びバイアスを演算する演算部と上記基台の方位を演算する方位演算部とを有し、上記回転台の複数の回転角における上記センサ部の出力より上記センサ部のバイアス及びドリフトを検出するように構成されている。
【００１５】
本発明によると、上記円筒状のケーシングの外径は８０ｍｍ以下である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１及び図２を参照して本発明のジャイロコンパス装置の例を説明する。本例のジャイロコンパス装置は、ケーシング５０とケーシング内に収容された基台１０と有する。ケーシング５０は円筒部５１と両端の円板部５２を含む。本例によると、円筒部５１の外径は少なくとも８０ｍｍ以下、好ましくは６０ｍｍ以下である。
【００１７】
ケーシング５０又は基台１０に座標系を設定する。ケーシングの円筒部の中心軸線に沿ってｘ軸、基台１０に平行にｙ軸、基台１０に垂直にｚ軸をとる。このように設定した座標は、ジャイロコンパス装置を装着した移動体に設定した座標とみなすことができるから、これを以下に移動体座標と称する。基台１０の基準方位、即ち、移動体の方位はｘ軸の正の方向である。一方、地球表面の設けた座標をローカル座標又は局地座標と称する。ローカル座標とは、地球表面上の点を原点とし、水平面に沿って子午線方向にｘ軸、緯度方向にｙ軸、鉛直上方にｚ軸とする座標系である。
【００１８】
本例のジャイロコンパス装置は更に、基台１０に装着されたＸ加速度計１１Ａ、Ｙ加速度計１２Ａ及びＺ加速度計１３Ａと、Ｘジャイロ１１Ｇ、Ｙジャイロ１２Ｇ及びＺジャイロ１３Ｇと、方位発信器１３Ｙとを有し、これらはジャイロコンパス装置のセンサ部を構成している。各センサに付された矢印は入力軸線又は測定軸線の方向を示す。
【００１９】
ジャイロとしてＴＤＧ（チューンドドライジャイロ）を使用してよい。ＴＤＧは互いに直交する２つの入力軸線を有するジャイロからなる。従って、ＴＤＧを用いる場合、ＸＹジャイロからなる第１のジャイロとＹＺジャイロからなる第２のジャイロを用いる。Ｘジャイロとして第１のジャイロを使用し、Ｚジャイロとして第２のジャイロを使用する。Ｙジャイロとして、第１のジャイロを使用しても第２のジャイロを使用してもよいが、ここでは第１のジャイロを使用する。
【００２０】
基台１０には複数の回転台が設けられている。図１の例では２つの回転台２０Ａ、２０Ｂが設けられ、第１のジャイロ、即ち、ＸＹジャイロは第１の回転台２０Ａ上に装着され、Ｘ加速度計及びＹ加速度計は第２の回転台２０Ｂ上に装着されている。図２の例では３つの回転台２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅが設けられ、第１のジャイロ、即ち、ＸＹジャイロは第１の回転台２０Ｃ上に装着され、Ｘ加速度計は第２の回転台２０Ｄ上に装着され、Ｙ加速度計は第３の回転台２０Ｅ上に装着されている。方位発信器１３Ｙ（図１のみ図示、図２では省略されている。）は複数の回転台の少なくとも一つに装着されている。
【００２１】
複数の回転台を回転させるために方位サーボモータが設けられ、方位サーボモータの回転を複数の回転台に伝達するために、適当な伝動装置、例えばバックラッシュレス歯車伝動装置又はバックラッシュレスベルト伝動装置が使用される。全ての回転台は同期的に回転する、即ち、互いに同一の相対角にて同一方向に且つ同一回転速度にて回転する。従って、回転台の回転角を検出するために、上述のように、方位発信器１３Ｙは、ただ１つの回転台に配置すればよく、全ての回転台に装着する必要はない。
【００２２】
本例によると、回転台は一定の回転速度、例えば、１０°／秒にて、±１８０°の回転角にて回転する。回転台の回転角が±１８０°に限定されているため、回転台に装着されたジャイロ、加速度計及び方位発信器からのケーブル又はワイヤが縺れることがない。図２に示すように基台には演算部２、３を構成する回路基板が装着されている。
【００２３】
本例によると、ジャイロコンパス装置のセンサ部を構成しているＸ、Ｙ及びＺ加速度計１１Ａ、１２Ａ、１３Ａ、Ｘ、Ｙ及びＺジャイロ１１Ｇ、１２Ｇ、１３Ｇ及び方位発信器１３Ｙは、ケーシング５０の中心軸線上に即ちｘ軸上に又はｘ軸に整合して配置されている。回転台２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅの回転軸線はｘ軸上に配置されている。
【００２４】
図３を参照して本例のジャイロコンパス装置の概要を説明する。ジャイロコンパス装置は、センサ部１と演算部２とドリフト・バイアス演算部３とを有する。センサ部１の構成は図１及び図２を参照して説明した。ここでは、各センサの入力軸線又は測定軸線（矢印）について説明する。Ｘ加速度計１１Ａ及びＸジャイロ１１Ｇは、その入力軸線が移動体座標系のｘ軸の正の方向に整合するように、配置され、Ｙ加速度計１２Ａ及びＹジャイロ１２Ｇは、その入力軸線が移動体座標系のｙ軸の正の方向に整合するように、配置される。Ｚ加速度計１３Ａ、Ｚジャイロ１３Ｇ及び方位発信器１３Ｙは、その入力軸線が移動体座標系のｚ軸の負の方向に整合するように配置される。
【００２５】
Ｘ加速度計１１Ａは移動体座標系のｘ軸方向の加速度を検出し、Ｘジャイロは移動体座標系のｘ軸周りの角速度ωX を検出する。Ｙ加速度計１２Ａは移動体座標系のｙ軸方向の加速度を検出し、Ｙジャイロ１２Ｇは移動体座標系のｙ軸周りの角速度ωY を検出する。Ｚ加速度計１３Ａは移動体座標系のｚ軸方向の加速度を検出し、Ｚジャイロ１３Ｇは移動体座標系のｚ軸周りの角速度ωZ を検出する。方位発信器１３Ｙは移動体の方位（ｘ軸）に対する回転台２０の回転角φを検出する。
【００２６】
上述のように、第１及び第２のジャイロとしてＴＤＧを使用する場合、Ｘジャイロ及びＹジャイロは第１のジャイロに含まれ、Ｙジャイロ及びＺジャイロは第２のジャイロに含まれるが、ここでは、別個のジャイロとして図示した。
【００２７】
本例のジャイロコンパス装置は、移動体が移動している場合には、ストラップダウン方式のジャイロコンパスとして機能し、移動体が静止している場合には、測量コンパスとして機能する。即ち、本例のジャイロコンパス装置は、コンパスモードと測量モードの２つのモードにて作動することができる。
【００２８】
本例のジャイロコンパス装置のセンサ部は、位置を測定すべき移動体に直接装着される。移動体は、例えば、掘削装置の先導体であってよい。ジャイロコンパス装置のセンサ部は、移動体の運動と共に運動し、移動体の方位及び姿勢と同一の方位及び姿勢をとる。このような構造は一般にストラップダウン方式と称される。
【００２９】
本例のジャイロコンパス装置がストラップダウン方式のコンパスモードとして使用される場合には、演算部２はセンサ部１からの移動体座標系の出力信号を入力し、ローカル座標系の方位及び姿勢角を演算する。コンパスモードでは、回転台をコンパス周期と比べて十分短い時間で、±１８０°のローテーションをかけるため、ジャイロ及び加速度計の誤差成分が除去された方位角及び姿勢角が得られる。従って、センサの温度及び経年変化による方位誤差を低減させることができる。尚、方位角及び姿勢角の演算に、ドリフト・バイアス演算部３より得られるジャイロのドリフト及び加速度計のバイアスを使用してもよい。
【００３０】
本例のジャイロコンパス装置が静止状態にて測量モードとして使用される場合には、ドリフト・バイアス演算部３はジャイロのドリフト及び加速度計のバイアスを演算し、更に移動体の方位角及び姿勢角を演算し出力する。
【００３１】
図４を参照して演算部２の構成及びストラップダウン方式のコンパスモードの動作を説明する。演算部２は座標変換マトリックス演算部（ＣＴＭ演算部）２０１とローカル方位姿勢演算部２０２とローカル加速度演算部２０３とコンパス・修正演算部２０４を含む。ＣＴＭ演算部２０１は、Ｘ、Ｙ及びＺジャイロから出力された移動体座標系の角速度を入力して座標変換マトリックス（ＣＴＭ）を演算し出力する。上述のように、回転台の±１８０°のローテーションによって、Ｘ及びＹジャイロの出力の誤差は除去されている。
【００３２】
座標変換マトリックス（ＣＴＭ）は、移動体座標をローカル（局地）座標に変換するための３×３行列である。ＣＴＭは既知でありここでは説明しない。詳細は例えば本願出願と同一の出願人によって平成５年１月６日に出願された特願平５−７７９号を参照されたい。
【００３３】
ローカル加速度演算部２０３は、Ｘ、Ｙ及びＺ加速度計１１Ａ、１２Ａ、１３Ａから出力された移動体座標系の加速度と座標変換マトリックス（ＣＴＭ）演算部２０１から出力された座標変換マトリックス（ＣＴＭ）と方位発信器１３Ｙから出力された回転台の回転角信号を入力して、ローカル座標系の加速度を演算する。
【００３４】
コンパス修正演算部２０４はローカル加速度演算部２０３から出力されたローカル座標系加速度と方位発信器１３Ｙから出力された回転台の回転角信号を入力してコンパスの制御演算及び方位角の修正演算をし、制御信号であるトルキング信号を生成し、それを座標変換マトリックス（ＣＴＭ）演算部２０１へ出力する。
【００３５】
ローカル方位姿勢演算部２０２は、座標変換マトリックス（ＣＴＭ）演算部２０１から出力された演算結果よりローカル座標系の方位角と姿勢角（ロール角及びピッチ角）を演算する。こうして演算されたローカル座標系の方位角と姿勢角は、回転台の±１８０°のローテーションによってＸＹジャイロ及びＸＹ加速度計の誤差が除去されている。
【００３６】
図５、図６及び図７を参照して測量モードの動作を説明する。図５に示すように、地球の北半球における緯度λの地点Ｐを考える。地球の中心をＯとし、地点Ｐを通る子午線が赤道面と交わる点をＰO とし、地球の自転軸線をＯＰN とする。地点Ｐの緯度λは∠ＰＯＰO である。地点Ｐにおける水平面Ｈは地球面に対する接平面である。
【００３７】
地球の自転角速度ベクトルΩE は図示のように自転軸線ＯＰN 方向を向いている。地球の自転角速度ベクトルΩE は、水平面Ｈ上で真北方向（矢印Ｎ）の水平成分ＨＥＲ（Horizontal  Earth   Rate）、即ち、ΩE ｃｏｓλと、垂直成分(Vertical   Earth   Rate) 、即ち、ΩE ｓｉｎλとに分解することができる。
【００３８】
図６に示すように、地点Ｐの水平面Ｈ上にジャイロコンパス装置、即ち、移動体が配置されていると仮定する。移動体の方位は上述のようにｘ軸に整合している。移動体の方位角∠ＮＰｘをΦとする。Ｘジャイロの入力軸線をＰＸGS、Ｙジャイロの入力軸線をＰＹGS、Ｚジャイロの入力軸線をＰＺGSとする。
【００３９】
移動体の方位Ｐｘに対するＸジャイロの入力軸線の回転角をφとする。回転台の回転角は、Ｘジャイロの入力軸線の回転角φに等しいと仮定する。Ｘジャイロの入力軸線の方位角∠ＮＰＸGSはΦ＋φである。Ｙジャイロの入力軸線の方位角∠ＮＰＹGSはΦ＋φ＋９０°である。
【００４０】
Ｘジャイロは地球の自転角速度ベクトルΩE の入力軸線ＰＸGS方向の成分を検出し、Ｙジャイロは地球の自転角速度ベクトルΩE の入力軸線ＰＹGS方向の成分を検出し、Ｚジャイロは地球の自転角速度ベクトルΩE の入力軸線ＰＺGS方向の成分を検出する。従って、Ｘ、Ｙ、Ｚジャイロの出力ωX 、ωY 、ωz は次のように表わされる。
【００４１】
【数１】
ωX ＝ΩE cos λ cos( Φ＋φ) ＋ＵX
ωY ＝−ΩE cos λ sin( Φ＋φ) ＋ＵY
ωZ ＝−ΩE sin λ＋ＵZ
【００４２】
ここに、ΩE は地球の自転角速度、λは緯度である。Φは移動体の方位、即ち、ｘ軸の子午線に対する回転角、φは移動体の方位に対するＸジャイロの回転角、ＵX 、ＵY 、ＵZ はそれぞれジャイロのドリフトである。Ｚジャイロの出力ωz に負号が付いているのは、入力軸線の方向がｚ軸の負の方向を向くように、Ｚジャイロを装着したからである。尚、本例では、ｙ軸周りの回転角速度及びｘ軸周りの回転角速度はゼロ、即ち、ｄθ／ｄｔ＝０、ｄσ／ｄｔ＝０とする。
【００４３】
上述の例はジャイロコンパス装置、即ち、移動体が水平面Ｈ上に配置されている場合であるが、移動体が傾斜した場合を考察する。移動体がＸジャイロの入力軸線ＰＸGS周りに回転角σだけ回転偏倚した場合を考察する。
【００４４】
図７を参照して説明する。図７はＸジャイロの入力軸線ＰＸGS及びＹジャイロの入力軸線ＰＹGSによって形成される面を示す。Ｘ、Ｙ、Ｚジャイロの出力ωX 、ωY 、ωZ は次のように表わされる。
【００４５】
【数２】
ωX ＝ΩE cos λ cos( Φ＋φ) ＋ＵX
ωY ＝−ΩE sin λ sinσ−ΩE cos λ sin( Φ＋φ)cosσ＋ｍｇ sinσ＋ｑｇ cosσ＋ＵY
ωZ ＝−ΩE sin λ cosσ−ΩE cos λ sin( Φ＋φ)sinσ−ｍｇ cosσ＋ｑｇ sinσ＋ＵZ
【００４６】
ここに、σは水平面Ｈに対する移動体の入力軸線ＰＸGS周りの傾斜角である。傾斜角σはＹ加速度計によって検出される。ｍｇはジャイロロータの重心の偏倚に起因するマスアンバランス、ｑｇは相手軸の入力角速度変化に起因するクロストーク量である。これらはＴＤＧ特有の誤差である。Ｘ、Ｙ、Ｚジャイロの出力ωX 、ωY 、ωZ より移動体の方位角Φを求めるためには、ジャイロのドリフトＵX 、ＵY 、ＵZ を求める必要がある。以下に、ジャイロのドリフトＵX 、ＵY 、ＵZ を求める方法を説明する。
【００４７】
回転台を一定の回転角度Δφ＝２π／ｎ毎に（例えば、ｎ＝６として６０°毎に）回転させては停止し、３つのジャイロの出力信号ωX 、ωY 、ωZ 及びＹ加速度計の出力信号σを測定する。回転台を１回転させることによってｎ組の測定値ωXi、ωYi、ωZi、σi （ｉ＝１〜ｎ）が得られたものとする。これらの測定値のなかで、回転角φが互いに１８０°異なるデータに注目する。例えば、回転角φの場合のＸ、Ｙ、Ｚジャイロの出力信号をωX1、ωY1、ωZ1、回転角φ＋πの場合のＸ、Ｙ、Ｚジャイロの出力信号をωX2、ωY2、ωZ2をとすると、これらは次のように表される。
【００４８】
【数３】
ωX1＝ΩE cos λ cos (Φ＋φ) ＋ＵX 
ωX2＝ΩE cos λ cos (Φ＋φ＋π) ＋ＵX 
【００４９】
ωY1＝−ΩE sin λ sinσ1 −ΩE cos λ sin (Φ＋φ)cosσ1＋ｍｇ sinσ1 ＋ｑｇ cosσ1 ＋ＵY
ωY2＝−ΩE sin λ sinσ2 −ΩE cos λ sin (Φ＋φ＋π)cosσ2＋ｍｇ sinσ2 ＋ｑｇ cosσ2 ＋ＵY
【００５０】
ωZ1＝−ΩE sin λ cosσ1 −ΩE cos λ sin( Φ＋φ)sinσ1 
−ｍｇ cosσ1 ＋ｑｇ sinσ1 ＋ＵZ 
ωZ2＝−ΩE sin λ cosσ2 −ΩE cos λ sin( Φ＋φ)sinσ2 
−ｍｇ cosσ2 ＋ｑｇ sinσ2 ＋ＵZ 
【００５１】
ここにσ1 、σ2 はそれぞれ回転台の回転角がφとφ＋πの場合における、水平面Ｈに対する移動体又は基台１０のＸジャイロの入力軸線周りの傾斜角である。この２つの傾斜角σ1 、σ2 の間には、幾何学的に次のような関係がある。
【００５２】
【数４】
σ1 ＝−σ2 
【００５３】
これを数３の式に代入して変形すると次の関係が得られる。
【００５４】
【数５】
ωX1＝ΩE cos λ cos( Φ＋φ) ＋ＵX 
ωX2＝−ΩE cos λ cos( Φ＋φ) ＋ＵX 
【００５５】
ωY1＝−ΩE sin λ sinσ1 −ΩE cos λ sin( Φ＋φ) cos σ1＋ｍｇ sinσ1 ＋ｑｇ cosσ1 ＋ＵY
ωY2＝ΩE sin λ sinσ1 ＋ΩE cos λ sin( Φ＋φ) cos σ1−ｍｇ sinσ1 ＋ｑｇ cosσ1 ＋ＵY
【００５６】
ωZ1＝−ΩE sin λ cosσ1 −ΩE cos λ sin( Φ＋φ) sin σ1 
−ｍｇ cosσ1 ＋ｑｇ sinσ1 ＋ＵZ 
ωZ2＝−ΩE sin λ cosσ1 ＋ΩE cos λ sin( Φ＋φ) sin σ1 
−ｍｇ cosσ1 −ｑｇ sinσ1 ＋ＵZ 
【００５７】
これらの６個の式より、６個の未知数ＵX 、ＵY 、ＵZ 、ｍｇ、ｑｇ、Φを求めることができる。先ず、これらの式より次の関係式が求められる。
【００５８】
【数６】
ωX1＋ωX2＝２ＵX
ωX1−ωX2＝２ΩE cos λ cos( Φ＋φ)
ωY1＋ωY2＝２ＵY ＋２ｑｇ cosσ1
ωY1−ωY2＝２ΩE 〔−sin λ sinσ1 −cos λ sin( Φ＋φ) cos σ1 〕＋２ｍｇ sinσ1
ωZ1＋ωZ2＝−２ΩE sin λ cosσ1 −２ｍｇ cosσ1 ＋２ＵZ
ωZ1−ωZ2＝−２ΩE cos λ sin( Φ＋φ) sin σ1 ＋２ｑｇ sinσ1 ＋２ＵZ
【００５９】
次にこれらの６個の式より、６個の未知数ＵX 、ＵY 、ＵZ 、ｍｇ、ｑｇ、Φを求めることができる。
【００６０】
【数７】
ＵX ＝（ωX1＋ωX2）／２
ＵY ＝（ωY1＋ωY2）／２−ｑｇ cosσ1 
ＵZ ＝（ωZ1＋ωZ2）／２＋ΩE sin λ cosσ1 ＋ｍｇ cosσ1 
Φ＝ cos-1〔（１／２ΩE ）（ωX1−ωX2）〕／(cosλ) 〕−φ
ｑｇ＝〔（ωY1＋ωY2）／２−ＵY 〕／cos σ1 
ｍｇ＝（ΩE ／sin σ1 ）〔−sin λ sinσ1 ＋cos λ sin( Φ＋φ) cos σ1 〕−（ωY1−ωY2）／２sin σ1 
【００６１】
移動体の方位角ΦはＸジャイロの出力ωX （数６の式の第２式）より求めた。本例のように、Ｘジャイロの入力軸線の傾斜がゼロの場合にはそれでよい。しかしながら、Ｘジャイロの入力軸線の傾斜がゼロでない場合には、Ｙジャイロの出力ωY （数６の式の第４式）より求める。
【００６２】
【数８】
Φ＝ sin-1〔−［｛（ωY1−ωY2）−２ｍｇ sinσ1 ｝／２ΩE ＋sin
λ sinσ1 ］／cos λ cosσ1 〕−φ
【００６３】
ここで、簡略化のため、マスアンバランスｍｇ及びクロストーク量ｑｇを既知として無視すると次の関係が求められる。
【００６４】
【数９】
ＵX ＝（ωX1＋ωX2）／２
ＵY ＝（ωY1＋ωY2）／２
ＵZ ＝（ωZ1＋ωZ2）／２＋ΩE sin λ cosσ1
Φ＝ sin-1〔−｛（１／２ΩE ）（ωY1−ωY2）＋sin λ sinσ1 ｝／(cosλcosσ1)〕−φ
【００６５】
次にＹ加速度計の出力信号σに含まれるバイアスΔσを検出し、真のｘ軸周りの傾斜角σを検出する方法を説明する。同様に、回転台を一定の回転角度Δφ＝２π／ｎ毎に（例えば、ｎ＝６として６０°毎に）回転させては停止し、Ｙ加速度計の出力信号σM を測定する。回転台を１回転させることによってｎ組の測定値σMi（ｉ＝１〜ｎ）が得られたものとする。これらの測定値のなかで、回転角φが互いに１８０°異なるデータに注目する。例えば、回転角φの場合のＹ加速度計の出力信号をσM1、回転角φ＋πの場合のＹ加速度計の出力信号をσM2とすると次のように表される。
【００６６】
【数１０】
σM1＝σ1 ＋Δσ
σM2＝σ2 ＋Δσ
【００６７】
ここに、σ1 、σ2 は上述のように、バイアスΔσがゼロの場合に、回転角がφの場合とφ＋πの場合の回転台１０のｘ軸周りの傾斜角である。この２つのｘ軸周りの傾斜角σ1 、σ2 の間には数４の式の関係がある。従って、数９の式より次の関係が得られる。
【００６８】
【数１１】
σM1−σM2＝σ1 −σ2 ＝２σ1 
σM1＋σM2＝σ1 ＋σ2 ＋２Δσ＝２Δσ
【００６９】
従って、回転台の回転角がφのとき真のｘ軸周りの傾斜角σ1 及びＹ加速度計のバイアスΔσは次の式によって表される。
【００７０】
【数１２】
σ1 ＝（σM1−σM2）／２
Δσ＝（σM1＋σM2）／２
【００７１】
回転台の回転角がφのとき真のｙ軸周りの傾斜角θ1 及びＸ加速度計のバイアスΔθは同様な方法によって求められ、数１２と同様な式によって与えられるがここでは詳細に説明しない。
【００７２】
本例によると、回転台を１回転させることによってｎ組の測定値ωXi、ωYi、ωZi、σi 、θi （ｉ＝１〜ｎ）が得られる。従って、回転台の回転角φが互いに１８０°異なる測定値はｎ／２組である。ｎ／２組の測定値からｎ／２組のデータΦ、ＵX 、ＵY 、ＵZ 、σ1 、Δσ、Δθが得られる。従ってこれらの平均値又は最小二乗近似値を求めることによってより正確なΦ、ＵX 、ＵY 、ＵZ 、σ1 、Δσ、θ1 、Δθの値が得られる。
【００７３】
図８を参照してドリフト・バイアス演算部３の構成及び動作を説明する。ドリフト・バイアス演算部３は回転制御部７１とシークエンサ部７２とデータ計測記憶部７３と方位演算部７４と演算部７５とを有する。
【００７４】
回転制御部７１は回転台の回転角φが設定回転角φS に等しくなるように機能する。回転制御部７１はシークエンサ部７２によって生成された設定回転角φS を方位サーボモータ２２に供給する。方位サーボモータ２２が作動して回転台が回転軸線周りに回転する。方位発信器１３Ｙは回転台の回転角φを検出しそれを回転制御部７１に出力する。方位発信器１３Ｙの出力信号φが設定回転角φS に等しくなると、データ計測記憶部７３は回転台のデータを計測して記憶する。
【００７５】
データ計測記憶部７３は、Ｘ、Ｙ、Ｚジャイロの出力信号ωX 、ωY 、ωZ 、設定回転角φS ＝φ及びＸＹ加速度計より出力された傾斜角θ、σ（時計方向を＋とする。）を入力する。次にシークエンサ部７２は新たな設定回転角φS ＝φS ＋Δφを生成して回転制御部７１に供給する。回転制御部７１は方位発信器１３Ｙの出力信号φが新たな設定回転角φS に等しくなるように、方位サーボモータを作動する。
【００７６】
こうして、方位発信器１３Ｙの出力信号φが新たな設定回転角φS に等しくなると、データ計測記憶部７３はジャイロのデータを計測して記憶する。従って、データ計測記憶部７３は設定回転角φS 毎のデータを記憶する。
【００７７】
データ計測記憶部７３は、設定方位角φS ＝φi 毎にデータωXi、ωYi、ωZ i 、σi 、θi （ｉ＝１〜ｎ）を順次記憶する。データ計測記憶部７３に記憶された多数のデータφi 、ωXi、ωYi、ωZi、σi 、θi （ｉ＝１〜ｎ）は順次、方位演算部７４及び演算部７５に供給される。数７〜数１２の式によって、演算部７５はジャイロドリフトＵX 、ＵY 、ＵZ 及び加速度計バイアスΔσ、Δθと姿勢角σ、θを演算し、方位演算部７４は回転台の方位Φを演算する。
【００７８】
再び図１及び図２を参照して本発明の第２の例を説明する。上述の例はストラップダウン方式のジャイロコンパス装置であったが、以下に説明する例はセミストラップダウン方式のジャイロコンパス装置である。
【００７９】
基台１０の両端にはロール軸５３が装着されている。このロール軸５３はケーシングの円板５２に回転可能に装着されている。基台１０をロール軸５３周りに回転させるために無接点ＤＳＴ（ダイレクト・サーボ・トルカ）が使用されてよい。また、回転台に装着されたセンサへの電源供給及び信号の送受信にはロータリトランスが使用されてよい。更に、ジャイロコンパス装置には、基台１０をロール軸５３周りに制御する機構が設けられ、それによって基台１０は常に所定のロール位置（水平位置）に保持される。従って、ジャイロコンパス装置のセンサ部は、所定のロール位置に保持された状態にて、移動体の運動と共に運動し、移動体の姿勢と同一の姿勢をとる。これを、ここではセミストラップダウン方式と称するものとする。
【００８０】
セミストラップダウン方式では、基台及びジャイロコンパス装置がＸジャイロの入力軸線ＰＸGS周りに常に所定の回転位置にある。従って、上述の議論において、回転角σ＝０とすればよい。
【００８１】
以上本発明の例を説明したが、本発明は特許請求の範囲に記載された発明の範囲にて様々な変形例が可能であることは当業者によって理解されよう。
【００８２】
【発明の効果】
本発明によると、地下又は水中の物体の位置を測定するための小型且つ小口径の精度が高く且つ価格が安いジャイロコンパス装置を提供することができる利点がある。
【００８３】
本発明によると、下水管のように、地下又は水中の比較的小径の管の位置を正確に且つ地面を掘り起こすことなく測定することができる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のジャイロコンパス装置の主要部の例を示す図である。
【図２】本発明のジャイロコンパス装置の他の例の主要部の例を示す図である。
【図３】本発明のジャイロコンパス装置の全体の構成例を示す図である。
【図４】本発明のジャイロコンパス装置の演算部の構成例を示す図である。
【図５】地球の自転角速度ベクトルを説明するための説明図である。
【図６】ＸＹＺジャイロによって検出する地球の自転角速度ベクトルの成分を説明するための説明図である。
【図７】ジャイロコンパス装置が傾斜した場合のＸＹＺジャイロによって検出する地球の自転角速度ベクトルの成分を説明するための説明図である。
【図８】本発明のジャイロコンパス装置のドリフト・バイアス演算部の構成例を示す図である。
【図９】従来の掘削装置の例を説明するための説明図である。
【符号の説明】
１０・・・ 基台、  １１Ａ、１２Ａ、１３Ａ・・・ 加速度計、  １１Ｇ、１２Ｇ、１３Ｇ・・・ ジャイロ、  １３Ｙ・・・ 方位発信器、  ２０・・・ 回転台、  ５０・・・ ケーシング、  ５１・・・ 円筒部  、５２・・・ 円板部、  ５３・・・ ロール軸、  ２０１・・・ 掘削刃、  ２０２・・・ 先導管、  ２０３・・・ 案内部材、  ２１０Ａ，２１０Ｂ，２１０Ｃ，２１０Ｄ，２１０Ｅ・・・ ヒューム管、  ２２０・・・ 元押し管、２０５・・・ 供給管、  ２０６・・・ 排出管、  ２０７・・・ ポンプ
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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