(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
航空機の姿勢、特に、姿勢（θ）と傾斜（φ）を決定する装置であって、
航空機に対して固定された座標系において航空機の時刻毎の回転を表すベクトル（Ω）の成分を求める少なくとも３つのジャイロメータを具備する懸垂ジャイロと、
ジャイロによる測定に基づいて、当該地域の地理的な座標系に対する航空機の向きを規定する、航空機に対して固定された座標系における鉛直方向のベクトルＵｇを含む姿勢マトリックス（ｂ１、ｂ２、ｂ３）を計算する手段と、
航空機が加速度を伴なわない直線的な飛行を行っているときに、航空機に対して固定された座標系において鉛直方向を示すベクトル成分Ｕａを示す、ジャイロと一体となった加速度計と、
加速度計から計算された鉛直方向ベクトルＵｇとジャイロから計算された鉛直方向ベクトルＵａとを比較して、これらの方向の偏差に関する誤差信号を得ることを特徴とする装置。
【請求項２】
ジャイロから供給されるベクトルＵａの成分は、少なくとも姿勢マトリックスの最終列（ｂ３）であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
鉛直方向のベクトルは単位長さを有することを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の装置。
【請求項４】
前記比較手段は、２つの鉛直方向ベクトルのベクトル積（ε）を計算することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の装置。
【請求項５】
比例型の修正ループを具備することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の装置。
【請求項６】
前記比例型の修正ループは予め設定された最大値（６４，６６）に制限されたゲインを有することを特徴とする請求項５に記載の装置。
【請求項７】
ドリフト修正のために積分器（２２）を有する修正ループを具備することを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の装置。
【請求項８】
鉛直方向の修正を行う手段を具備することを特徴とする請求項４に記載の装置。
【請求項９】
鉛直方向の修正手段は、ジャイロから供給される時刻毎の回転ベクトル（Ω）の鉛直方向への投影を計算する手段を具備し、当該投影を計算する鉛直方向はジャイロに基づく鉛直方向であり、時刻毎の回転ベクトルは修正ループによって修正されたものであることを特徴とする請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
鉛直方向のベクトルは、加速度計とアネモネトリック手段によって与えられた航空機の速度とから得られるものであることを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の装置。
【請求項１１】
鉛直方向は次の式から計算されることを特徴とする請求項１０に記載の装置：
【数１】
0004447791.tif 000010
ここで、Ｆｄは重力による鉛直方向の力、Ｖはアネモメトリック手段から得られた航空機の速度ベクトル、Ωはジャイロから得られた当該時刻の回転ベクトル、Ｆｃは加速度計から得られた接触力の結果、ｍは航空機の質量である。
【請求項１２】
ジャイロへディングを磁気的なヘディングに合わせる手段を具備することを特徴とする請求項１ないし１１のいずれかに記載の装置。
【請求項１３】
ヘディングの修正は以下の関係を満足する修正ベクトル（ε）に基づいて決定することを特徴とする請求項４または１２に記載の装置：
【数２】
0004447791.tif 000011
ここで、Ｕｍは地球の磁界の方向を表す、好ましくは単位の大きさを有するベクトル、ベクトルｂ１、ｂ２、ｂ３はそれぞれ座標軸がジャイロの姿勢マトリックスの列によって定められる３つのベクトルである。
【請求項１４】
比較手段から供給される修正信号によって姿勢を修正するクローズドループと、航空機が直線的な定速飛行状態以外にあるときに少なくとも１つのループを起動する手段とを具備することを特徴とする請求項１ないし１３のいずれかに記載の装置。
【請求項１５】
ジャイロに基づく鉛直方向ベクトルと加速度計に基づく鉛直方向ベクトルの偏差が予め設定した値（εｘｃ）を越えた時に修正ループを起動することを特徴とする請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
旋回時にはロール修正ループが作動し、当該旋回時にはピッチ修正ループが閉じていることを特徴とする請求項１４または１５に記載の装置。
【請求項１７】
直線的な飛行状態とそれ以外の飛行状態を識別するために旋回率を用い、前記旋回率の絶対値が所定の閾値よりも小さければロール修正ループが作動しないことを特徴とする請求項１４ないし１６のいずれかに記載の装置。
【請求項１８】
ジャイロによる鉛直方向の測定を修正する修正ループを具備し、当該修正ループはドリフト修正のためのループと共通の積分器（２２）を使用することを特徴とする請求項７又は８に記載の装置。
【請求項１９】
前記積分器（２２）は、出力信号の傾斜の平均値を制限することのできる手段（１０８）と、それぞれの時刻において、出力信号の所定の傾斜を有する直線的に変化する信号との偏差が所定の閾値よりも小さくなるようにする手段（１００）とを具備することを特徴とする請求項１８に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、航空機の姿勢決定のための装置に関するものである。
【０００２】
航空機の飛行のためには、その姿勢を知ることが必須である。
姿勢は、その定義に拠れば、当該航空機に対して固定されたリファレンス座標系の当該地域の地理的なリファレンス座標系に対する方向を表す、オイラー座標軸周りの３つの角度ψ、θ、φ、あるいは、それぞれ、ヘディング、アティテュード、および、インクリネーションによって規定される。当該地域の地理的なリファレンス座標系（あるいは、トライヘドロン）は、１つの軸が当該地域の鉛直（下向き）であり、他の２つの軸が当該地域の北と東を指す、直交トライヘドロンである。航空機に固定されたリファレンス座標軸は、Ｘ軸又はロール軸が航空機の胴体と平行で、Ｙ軸又はピッチ軸が対称面と直交し、Ｚ軸またはヨー軸が対称面内にある直交トライヘドロンである。
【０００３】
姿勢決定は、航空器の構造体と一体に設けられた少なくとも３つの相互に組み合わせられたジャイロメータを具備する、いわゆる吊り下げ式ジャイロによって行われている。各ジャイロメータは、航空機の座標系に対する、当該軸周りの時刻毎の回転ベクトルΩを与える。この装置によれば、航空機に対して固定された参照座標系Ｘ、Ｙ、Ｚにおける３つの成分Ωの測定が可能である。これらの成分は、それぞれ、Ｘ軸周りのロールｐ、Ｙ軸周りのピッチｑ、および、Ｚ軸周りのヨーｒである。
【０００４】
これらの成分は例えばいわゆる四元数法を用いて積分される。この加算と、航空機の初期の方向とから姿勢の四元数が得られ、さらに、オイラー座標系における姿勢マトリックスを得ることができる。
【０００５】
ジャイロメータから得られた測定信号は、ドリフトと称する誤差を含む。３つの信号を積分するので、姿勢に含まれる誤差は時間と共に増大する。そのために、従来は、姿勢決定のために、ジャイロメータに加えて、ジャイロメータからの信号の積分結果を修正するために加速度計を使用していた。この修正は、修正ループによって行っていた。
【０００６】
吊り下げ式ジャイロに組み込まれた加速度計は、重力を基準として、航空機の姿勢と傾斜を求めるものであるが、当該装置によって得られる信号は誤差を含んでおり、そのままでは使用することが困難である。しかしながら、修正ループでジャイロメータと加速度計からの信号を組み合わせることによって、時間的には短いノイズが少ない測定結果が得られるという利点を生かしながら、ジャイロメータのドリフトを補償することができる。
【０００７】
従来の装置では、加速度計の信号を積分して速度を求め、これをリファレンスと比較し、当該比較によってジャイロの修正値を決定するするので、ジャイロメータと加速度計の信号との比較は複雑な処理となる。積分によってジャイロに基づいて姿勢が求められる。
【０００８】
本発明は、簡単で信頼性の高い方法で修正を行う装置を提供するものである。
【０００９】
本発明に拠る装置は、ジャイロから求められた鉛直方向のベクトルと、加速度計から求められた鉛直方向のベクトルを比較することが特徴である。これら２つのベクトルのベクトル積を算出することで比較を行うことが望ましい。
【００１０】
加速度計から求められた鉛直方向のベクトルは、加速度の無い直線的飛行中は、重力加速度と平行である。したがって、過速度信号を積分する必要は無い。さらに、ジャイロでは、当該装置に拠って得られた姿勢マトリックスの最後の列に相当する。さらに、これら２つの鉛直方向のベクトルは、航空機に対して固定された同じリファレンス座標系で表現することができる。
【００１１】
姿勢マトリックスは、第１列が航空機のＸＹＺ座標における北の方向を表し、第２列と第３列は、同様にＸＹＺ座標における東と鉛直方向を表す３ｘ３のマトリックスであることを想起されたい。
【００１２】
ベクトル積は等方性を有し、座標とは独立の値であることに留意する必要がある。
【００１３】
ベクトル積を用いると、ベクトル積のモジュラスが、ジャイロが示す鉛直方向を加速度計が示す鉛直方向と一致させるために必要な回転角の正弦に比例するので、修正もまた大幅に単純化される。さらに、ベクトル積の方向がこの回転の軸を表す。
【００１４】
比較をベクトル積の演算によって行うなら、さらに別の操作を行うことが必要になる。具体的には、ベクトル積は定義に拠れば、ベクトル積を演算するそれぞれのベクトルに対して直交するので、鉛直方向の成分はゼロであり、ジャイロのドリフトの鉛直方向成分を推定するためには、さらに別のデータを使用する必要がある。
【００１５】
本発明の１つの実施例においては、ジャイロのドリフトの鉛直方向成分を推定するために、ジャイロメータから得られたベクトルΩの各成分ｐ、ｑ、ｒについて（上述の修正的手法で）ドリフト補償を行った後で、ジャイロから得られた鉛直方向に対する直角投影を算出する。
【００１６】
上記の投影を算出するためには、ジャイロに基づく鉛直方向単位ベクトルＵｇにベクトルΩを掛けてスカラー積を求めるだけである。この投影されたベクトルは、組み込まれた修正回路において、街路スコープから得られたベクトルΩに含まれるドリフトの鉛直成分を補償するために使用することができる。
【００１７】
スカラー積Ω・Ｕｇは、航空機が直線的な飛行を行っている場合にのみ、つまり鉛直軸の回りの回転を行っていない場合にのみ、ジャイロのドリフトの鉛直方向成分を与えるものである。したがって、１つの実施例では、旋回を検出して旋回を行っているときには（装置のドリフトの鉛直成分を補償することができる）ヨー修正ループが起動する。
【００１８】
同様に、加速度計は加速度の無い直線的な飛行においてのみ重力加速度を表示する。したがって、旋回、および／または、加速状態では、ジャイロのために何らかの修正ループを起動することが望ましい。加速度を伴なう旋回では、ピッチループを起動させずにロールループを起動するのが望ましい。
【００１９】
１つの変形例では、ジャイロのドリフトの鉛直成分を推定するために、ヨーに関する修正ループを使用する代わりに、ヘッディングに関する修正回路、つまり、ジャイロが示す航空機のリファレンス座標系において北を表す方向を、マグネットメータのような外部センサが示す磁北を基準に修正する。
【００２０】
ヘッディングの偏差は、ジャイロに基づく鉛直方向と定義によれば直交する上述のベクトルと干渉しないように、ジャイロの鉛直方向と一致する方向のベクトルによって表すのが望ましい。したがって、（マグネトメータから得られた）磁北を表すベクトルＵｍと、ジャイロから得られた姿勢マトリックスの第１列で表される北の方角を表すベクトルＢ１とのベクトル積を使用することができる。次に、このベクトル積のジャイロが与える鉛直方向ｂ３への投影を求める。
【００２１】
本発明は、このようにして姿勢決定装置、特に、航空機の姿勢と傾斜を与える装置であって、
航空機に固定された座標系において航空機の当該時刻における回転ベクトル成分を与える懸垂型ジャイロと、
幾何的な測定結果に基づいて、当該位置における地理的なリファレンス座標系における航空機の方向を規定する姿勢マトリックスを計算する手段と、
ジャイロと一体となった加速度計と、
加速度計から算出したデータと、ジャイロから計算したデータとを比較して、ジャイロの誤差又はドリフトを補償するための修正値を求める手段と、を有する装置であって、
ジャイロから求められた鉛直方向のベクトルＵｇと加速度計が供給する鉛直方向のベクトルＵａとを比較することを特徴とする装置を提供する。
【００２２】
１つの実施態様によれば、当該装置は、加速度計による測定結果から航空機に固定された座標系における鉛直方向を計算する手段を有する。鉛直方向のベクトルは、例えば、航空機に固定された座標系にしたがって定義される。
【００２３】
ジャイロから得られた鉛直方向のベクトルは、姿勢マトリックスの最後の列から得ることもできる。
【００２４】
鉛直方向のベクトルは単位長さを有するものであることが望ましい。
【００２５】
１つの実施態様によれば、前記比較手段は、２つの鉛直方向のベクトルのベクトル積を計算する。
【００２６】
当該装置は、好ましくはゲインが予め定められた所定の最大値によって制限された比例型の修正ループを具備する。
【００２７】
１つの実施態様では、装置はドリフトを修正するための積分機を備えた修正ループを具備する。
【００２８】
２つの鉛直方向のベクトルのベクトル積を計算する際は、当該装置は、鉛直方向に関する修正を行う手段を具備していることが望ましい。この場合には、前記手段は、例えば、ジャイロが供給する当該時刻に置ける回転ベクトルの鉛直方向への投影を計算するための手段を具備する。ここで、鉛直方向はジャイロが供給するもので、時刻毎の回転ベクトルは修正ループによって修正されたものである。
【００２９】
１つの実施態様によれば、鉛直方向のベクトルは、一方では加速度計によって得られ、他方では例えばアネモメトリック（anemometric）手段によって得られる。
【００３０】
後者の場合には、鉛直方向は以下の関係式を用いて求められる。
【数３】
0004447791.tif 000002
ここで、Ｆｄは重力による鉛直方向の力、Ｖはアネモメトリック手段から得られた航空機の速度ベクトル、Ωはジャイロから得られた当該時刻の回転ベクトル、Ｆｃは加速度計から得られた接触力の結果、ｍは航空機の質量である。
【００３１】
１つの実施態様によれば、当該装置は、ジャイロによって得られたヘディングを磁石によるヘディングに修正させる手段を具備する。
【００３２】
後者においては、鉛直方向のベクトルのベクトル積を計算する時は、以下に記載する式によって規定される修正ベクトルによってヘディングの修正項を計算する。
【数４】
0004447791.tif 000003
ここで、Ｕｍは地球の磁界の方向を表す、好ましくは単位の大きさを有するベクトル、ベクトルｂ１、ｂ２、ｂ３はそれぞれ座標軸がジャイロの姿勢マトリックスの列によって定められる３つのベクトルである。
【００３３】
１つの実施態様によれば、比較手段から得られた修正信号によって姿勢を修正するクローズドループと、航空機が直線的な一定速度の飛行で無いときに少なくとも１つのループを起動する手段を具備する。
【００３４】
後者については、ジャイロから得られた鉛直方向ベクトルと加速度計から得られた鉛直方向ベクトルの偏差が、予め設定された値を超えたときに修正ループが起動されるものであっても良い。例えば、旋回時には、ロール修正ループは起動されているが、ピッチ修正ループは起動されないままである。
【００３５】
直線的な飛行状態とそれと異なる飛行状態とを区別するために、旋回率を使用することができ、旋回率の絶対値が所定の閾値よりも小さいときにはロール修正ループを起動させないでいることができる。
【００３６】
ドリフトを補償するためのループがある場合、ジャイロによる鉛直方向の測定値を修正するための修正ループを設けることができ、この修正ループはドリフト補償のためのループと共通の積分機を具備するのが好ましい。
【００３７】
後者に関する１つの実施態様では、積分機は、出力信号の平均傾斜を制限する手段と、出力信号が所定の傾斜を有する線形に変化する信号に対する時刻毎の偏差を所定の値よりも小さくする手段とを具備する。
【００３８】
本発明の上記以外の特徴と利点は、添付の図面と実施態様に関する記載を通じて明らかにする。
【００３９】
図を参照して記載する本発明の実施態様の例は航空機の姿勢を決定するための装置であって、航空機に対して位置が固定されたパーツを有する少なくとも３つのジャイロメータ（図示しない）を具備する。このようなジャイロは、「懸垂型」と称する。換言すれば、ジャイロメータは、その軸が航空機の座標軸に対して明瞭に規定されたセンサである。
【００４０】
装置はさらに、ジャイロメータの誤差又はドリフトを修正するための（図示しない）加速度計を具備する。ジャイロメータから得られるデータ（航空機の姿勢）は、ノイズは少ないが時間と共に増大するドリフト又はバイアスを有することが知られている。
【００４１】
ドリフトを補償するために、航空機に作用する接触力の結果に対応する航空機の加速度の成分を与える加速度計が使用されている。ここで「接触力」と言う用語は、推進力と流体力学的な力（抵抗と揚力）を意味する。加速度計から得られるこれらの成分に基づいて、重力加速度、つまり鉛直方向の加速度を演繹することができる。
【００４２】
具体的には、力学に関する一般式は以下のようになる
【数５】
0004447791.tif 000004
【００４３】
上述の式において、Ｆｄは航空機に作用する「遠隔」力、つまり、引力と慣性力の合計、Ｆｃは上述の接触力の合計、γｃは航空機の力学的な加速度、ｍは航空機の質量である。慣性力とは、ここでは無視することができるコリオリの力である。
【００４４】
一定速度の直線的な飛行の場合には、γｃ＝０である。この場合には加速度計は重力による加速度ｇを与える。ｇの成分は、加速度計を構成するセンサの軸に対して決定される。センサは航空機に対して固定されているので、航空機の座標軸に対してｇの成分を決定することは容易である。加速度計は、したがって航空機の方向を与える。
【００４５】
さらに、加速度計は、航空機の等速度直線飛行状態においてのみベクトルｇの成分を与えることが分かる。別な状態では、以下に示すように、別のデータが得られれば鉛直方向を知ることが可能になる。
【００４６】
図示した例の場合には、装置の箱１０の軸に対して平行な３つの直交軸を有するトライヘドロンに基づいて３つのジャイロメータが設けられている（図１）。したがって、ｘ軸に沿って１つのジャイロメータが、ｙ軸に沿って１つのジャイロメータが、ｚ軸に沿って１つのジャイロメータが設けられている。
【００４７】
反対に、ｘ軸に沿って１つの加速度計、ｙ軸に沿って１つの加速度計、合計２つの加速度計が設けられている。これは、ベクトルｇのノルムｇが分かっているので、このノルムと成分γｘとγｙから以下に記載する式によってＺ軸に沿った成分γｚを求めることができるので、重力ベクトルｇによる加速度の方向を決定するにはベクトルγ＝ｇの２成分が分かれば十分だからである：
【数６】
0004447791.tif 000005
【００４８】
既知の装置では、加速度計から得られたデータによってジャイロのデータを修正するために、ジャイロメータからのベクトルΩを積分して姿勢を求める修正ループが使用されている。加速度をジャイロメータによる姿勢を使用して積分して、座標軸の変化を投影し、このようにして得られた速度をリファレンスと比較することで、クローズドループによってジャイロメータのデータを修正するための修正値を演繹する。
【００４９】
加速度計からのデータを積分する従来の装置とは異なり、本発明は、加速度計から得られた鉛直方向のベクトルをジャイロから得られた姿勢マトリックスに基づく鉛直方向のベクトルと直接比較する。
【００５０】
本発明の好ましい実施態様によれば、この比較は、２つの鉛直方向の単位ベクトルＵａ（加速度計が指示した鉛直方向）とＵｇ（ジャイロが指示した鉛直方向）とのベクトル積ε、つまり、
【数７】
0004447791.tif 000006
を演算することによって行われる。
【００５１】
本発明に基づく装置は、加速度計のデータを積分する必要が無く、さらに、ベクトルＵａとＵｇは共にセンサ、つまり箱１０、の座標系を参照しているので、極めて単純である。
【００５２】
さらに、εのノルムはｓｉｎａ、ここでａはベクトルＵｇとベクトルＵａとのなす角、なので、εを修正のために使用することができる。修正は、ベクトルＵｇをベクトルＵａの方向と同一になるように角度ａだけ回転させることに帰結する。このベクトルεは、ＵｇをＵａに収束させる修正ループで使用される。この収束は、ベクトルεのノルムと等しい回転の割合で、したがって（角ａが小さければ）ベクトルＵｇとＵａとの偏角に比例して行われる。
【００５３】
さらに、修正は当方性を有する、つまり、使用している座標系に依存しない。しかし、修正計算はセンサの座標系において行う。
【００５４】
ベクトルＵｇはジャイロの姿勢マトリックスの最終列によって与えられる。
【００５５】
図２を参照して、本発明に基づく装置の修正回路について説明する。
【００５６】
この修正回路は、姿勢の四元数を与える積分手段又は積分器１２と、四元数から姿勢マトリックスＢを抽出する手段１４と、マトリックスＢからベクトルＵｇを表す最終列、つまり、箱１０のＸＹＺ座標系における鉛直方向の単位ベクトル、を抽出するブロック１６とを具備する。
【００５７】
ブロック１６が与えるベクトルＵｇは、第２の入力部には加速度計に基づく鉛直向きの単位ベクトルＵａが入力されるベクトル積ブロック１８の第１入力部に与えられる。このようにして、ブロック１８は出力部からはベクトルεが出力される。
【００５８】
ベクトルＵｇをＵａに収束させるために、係数ｋ１を有するアンプ（またはアテニュエータ）を具備する、第１の比例修正ループが設けられている。
【００５９】
この比例修正は、ジャイロのドリフトを推定して補償することができる積分器２２による修正によって補足される。したがって、係数ｋ２を有するアンプ２４（またはアテニュエータ）を有する第２ループが設けられている。
【００６０】
第１のループからの信号は、減算器２６の第１の入力部−（マイナス）部に入力され、減算機の出力は積分器１２の入力部に接続され、減算機は＋（プラス）入力部２８を具備して、３つのジャイロメータからのベクトルΩｇを受け、アンプ２４と直列に接続された積分器２２の出力に接続された第２の入力３０を有する。
【００６１】
修正ループには、それぞれ、アンプ２０と２４と直列に、それぞれインタラプタ３２と３４とが設けられており、これらは飛行が動的な時は開の状態である。動的状態の間は、加速度計は重力加速度の成分を提供しない。しかし、修正ループが起動されているこれらの状態に置いては、積分器２２からの出力を用いてジャイロメータのドリフトが連続的に補償される。
【００６２】
図２に示したものはベクトル表現であることに注意されたい。各矢印は３次元のベクトルを表している。実際には、各成分に対応して１つづつ合計３つの修正ループが存在する。最も好適な座標系は、航空機に対して固定された座標系（Ｘ，Ｙ、Ｚ）である。
【００６３】
修正ループを起動しなければならない動的な状態を検出するために、ベクトルεの成分を閾値と比較する。これらの値が閾値を超えていれば、ループが開かれる。後に説明するように、１つの方向に関するループを開いて、他の方向のループを閉じていることもできる。修正を誤作動させないためには、これを起動する時点を注意深く選ぶ必要があることは当然である。
【００６４】
ループが開いているときにベクトルＵｇの過剰なドリフトを抑制することもまた必要である。適切に選択した時刻において修正ループを開くことができるようにする手段については、ループを開いている間にベクトルＵｇの発散を回避する安全策と共に後に説明する。
【００６５】
図２に示した修正回路と同様な回路を有し、さらに、ドリフトの鉛直方向成分ｄΩｇの補償が可能な別の修正ループを、図３を参照して説明する。
【００６６】
ベクトルεは、定義によればベクトルＵｇに直交するので、その鉛直方向性分はゼロである。もし航空機の姿勢が変化していなければ、このベクトル積によっては、ドリフトｄΩｇの鉛直成分を推定することはできない。
【００６７】
この修正は、時刻毎の回転Ωの３つの成分を正確に取得するためには必要である。さらに、本発明の１つの側面によれば、旋回速度を構成する時刻毎の鉛直軸周りの回転成分は、特定の修正ループを正しく選択した時刻に起動するための、直進状態と旋回状態との区別のために使用される。
【００６８】
図３に示した実施態様では、ベクトルΩｃ、つまりドリフトの推定値によって補償を行った時刻毎の回転ベクトルを、方向Ｕｇに対して鉛直に投影する。このために、スカラー積Ωｃ・Ｕｇを計算し、ベクトル（Ωｃ・Ｕｇ）・Ｕｇをヨー修正のために使用する。
【００６９】
混乱を避けるために、修正を行っていない回転ベクトルをΩｇで表し、修正した回転ベクトルをΩｃで表す。
【００７０】
図３では、図２に示したエレメントに対応するエレメントには同じ参照番号を振った。
【００７１】
この実施態様の場合には、ベクトルΩｇは減算器４０の＋入力に与えられ、減算器の出力は別の減算器４２の＋入力部に接続され、その−入力部は、アンプ２０（ｋ１）の出力を受ける。さらに、減算器４０の−入力部は、積分器２２を介して加算器４４の出力部に接続されている。
【００７２】
加算器４４の第１の入力部はアンプ２４（ｋ２）の出力部に接続され、加算器の第２の入力部は、ヨー修正ループ内にある、ゲインがｋ３であるアンプ４６の出力部に接続されている。さらに、減算器４０の−入力部は、加算器４４の出力部に、積分器２２を介して接続されている。
【００７３】
加算器４４の第１の入力部は、アンプ２４（ｋ２）の出力部に接続され、加算器の第２の入力部は、ヨー修正ループ内の、ゲインがｋ３であるアンプ４６の出力部に接続されている。
【００７４】
このヨー修正ループは、ベクトル（Ωｃ・Ｕｇ）・Ｕｇの成分を計算するブロック４８を具備する。このために、ブロック４８はベクトルΩｃ（アンプ２４と積分器２２を有する修正ループによってドリフト補償がなされたΩｇ）を受ける入力部５０と、ベクトルＵｇをブロック１６の出力部から受ける第２の入力部５２とを具備する。ブロック４８の出力部は、インタラプタ５４を介してアンプ４６の入力部に接続されている。
【００７５】
アンプ４６を具備した修正ループは、ドリフトの修正を行わなければならないので、積分器を具備しており、その積分器はアンプ２４を含むループの一部を構成する積分器２２である。
【００７６】
スカラー積Ωｃ・Ｕｇは航空機が鉛直軸の周りに回転していないことを条件に、ジャイロのドリフトの鉛直成分を表す。これが、インタラプタ５４が栓開示に起動される理由である。
【００７７】
修正回路（あるいはそれらの内の幾つか）が正常に作動しない可能性がある過渡的な状態における修正回路のインタラプタ３２，３４と５４の起動を正しく制御することができる装置について、図４乃至６を参照して以下に説明する。
【００７８】
比例型の修正回路のインタラプタ３２（図２と３）についてまず説明する。
【００７９】
このインタラプタ３２は、加速および船回の時に開とならなければならないが、この状態に置いては、加速度計から得られるベクトルＵａは鉛直方向の加速度を正しく表していない。これらの状態を検知するために、ベクトルε＝Ｕａ∧Ｕｇの成分で表される、ＵｇとＵａベクトルの偏差を検出する。
【００８０】
インタラプタ３２の起動を制限するために、アンプ２０はサチュレーション特性を有する。当該特性は、１つの成分に対して（たとえばｘ成分）、アンプ２０の修正値ｃの変化を縦軸に、横軸に対応するベクトルεの成分εｘの関数として図４に示した。この変化は、原点を通る直線状のセグメント６２によって表される方向きＫ１の線形領域と、横軸に平行な直線状のセグメント６４と６６で表現された飽和領域と、横軸の値がεｘｃと−εｘｃを超えるカットオフ領域からなる、線６０によって表されている。偏差εｘの絶対値がεｘｃを超えると、インタラプタ３２が開となる。
【００８１】
飽和によって減算器４２の−入力部に与えられる信号が制限される。信号のこの制限値は、ドリフトの最大補償値に対応する。このような特性は、比例修正と開放ループの間の妥協である。この飽和特性は、修正をカットオフせずに行うことができるεの誤差がＵｇに与える影響を減衰させる。
【００８２】
インタラプタ３４の解放を制御するために、εとΩｃのノルムを式１と比較して、旋回又は加速状態に入ろうとする航空機の動きを検出する。
【００８３】
インタラプタ５４は、旋回率が閾値を越えたときに開となる。この旋回率は、スカラー積Ωｃ・Ｕｇによって表される。
【００８４】
旋回状態におけるインタラプタ３２ｘの開放時の発散の危険性を抑制するための構成を図５と６とを参照して説明する。
【００８５】
図示した構成は、εｙの値に関わらず、インタラプタ３２ｘが開放されたときからインタラプタ３２ｙを閉じておき、この場合には、図４に示したアンプ２０ｙの特性を、図５に示したものと交換する、つまり、閾値を有しない、小さくて連続的な傾斜を有するものと交換することが無いようである。
【００８６】
別な表現をすれば、旋回中は、アンプ２０ｙのゲインｋ１ｙが小さい。図５に示したように、ベクトルεの成分εｙを横軸に示し、アンプ２０ｙの出力信号ｒｙを縦軸に示した。破線で表した線６０ｙは図４における線６０に対応するものである。εｙの関数としてのｒｙのこの変化は、加速の無い直線的な飛行状態において発生し、このときロール修正ループのインタラプタ３２ｘは閉じている。逆に、旋回状態では、インタラプタ３２ｘが開となっており、インタラプタ３２ｙは閉じられている。しかし、線７２ｙが示しているように、アンプ２０ｙの特性は、この状態では、直線部７２ｙの傾斜は直線６２ｙの傾斜よりも小さくなるように修正されている。
【００８７】
この構成によれば、航空機が鉛直軸の周りに旋回する時は、ピッチングとローリングに関する誤差は、航空機の速度が一定であれば、図６に示したように渦巻を描いてゼロに収束する。
【００８８】
したがって、定常状態では、ピッチとロールの誤差はゼロである。
【００８９】
図６に示したチャートでは、誤差δφ（ロール）を縦軸に、誤差δφ（ピッチ）を横軸に示している。渦巻状の曲線７４は、φ（ロール）とθ（ピッチ）の誤差ゼロに収束する。
【００９０】
旋回の場合には、長さ方向（ｘ軸）の加速又は減速が発生していれば、加速度計が与える鉛直方向のリファレンスＵａはピッチに関しても正確では無くなる。ピッチの誤差Δθの鉛直方向のベクトルＵａはロールの誤差θとして現れる。定常状態では、この誤差はΔθ、Ｋ１、および１／Ωに比例する。ここでΩは、θに関する誤差が無い時の旋回率である。アンプのゲインを減少させることによって、装置を前後方向の加速度に関する誤差の修正に関して感度を低くすることができる。
【００９１】
直線的飛行状態と旋回状態を区別して、直線的な飛行状態ではインタラプタ３２ｘが閉じているようにする信頼性を改善する構成について次に説明する。
【００９２】
インタラプタ３２の開閉はεの各成分を閾値と比較することで行われることについてはすでに述べた。さらに、直線状の飛行状態と旋回状態とを識別することは、旋回率を表すスカラー積Ωｃ・Ｕｇを使用して行うことができることについて述べた。本発明によれば、εｘがカットオフ閾値を超えた時の３２ｘの開放を、計算した旋回率が旋回が行われていないことを示すときには阻止する。この場合には、アンプ２０ｙの特性は図４に示したように、図５に示したような直線７２によって置き換える。しかし、直線の傾斜は直線６２の傾斜よりも大きい。このような方法で、旋回が終了するときに、εｘが、開放ループの下での発散と、それに続いて、範囲（図４に置いては−εｃと＋εｃの範囲）からの逸脱が生じた場合に、ジャイロの鉛直方向を加速度計が与える真の鉛直方向Ｕａと一致させる。
【００９３】
ドリフト推定に使用する積分器２２の実施態様について図７と８とを参照して説明する。
【００９４】
積分器２２はループの開放中、つまり、修正が起動されていないときにドリフトを補償することができなければならない点を思い出していただきたい。
【００９５】
積分器２２は、ジャイロのドリフトの特性を考慮に入れる。特に、時間の関数としてのドリフトの動きがジャイロメータの最大傾斜特性に基づく限界を有するので、積分器２２の出力の傾斜にもまた限界がある。
【００９６】
図７は、周期ｄｔでサンプリングしたシステムを表すものである。各ブロックＺ−１は遅延であり、このことは、入力に対して出力は一周期分の遅延を有していることを示している。
【００９７】
図７に示した例の場合には、積分器２２は、２つのステージ９０と９２を有する。第１のステージは、遅延器９４を具備しており、遅延器の入力部は加算器９６の出力に接続され、加算器の出力部の１つ９６１は積分器２２の入力部を構成し、積分器の出力部２２２に接続されている。
【００９８】
遅延器９４の出力部は減算器９８の＋入力部に接続され、減算器の出力部は信号を符号の異なる２つの値＋Ｅｍａｘと−Ｅｍａｘとの間に規制する偏差サチュレータ１００の入力部に接続されている。サチュレータ１００の出力部は、加算器１０２の入力部に接続されており、加算器の出力部は積分器２２の出力部２２２に接続されている。
【００９９】
第２ステージ９２もまた遅延器１０４を具備し、遅延器の出力部は加算器１０２の第２の入力部に接続され、加算器の入力部は加算器１０６の出力部に接続され、加算器１０６の入力部１０６１は傾斜サチュレータ１０８の出力部に接続され、サチュレータ１０８の入力部は、偏差サチュレータ１００の上流に位置する減算器９８の出力部に接続されている。
【０１００】
遅延器１０４の出力部は同様に減算器９８の−入力部と加算器１０６の第２の入力部に接続されている。
【０１０１】
傾斜サチュレータ１０８は、第２ステージ９２の傾斜を、符合が異なる２つの最大傾斜Ｐｍａｘと−Ｐｍａｘとの範囲に規制することができる。
【０１０２】
第１ステージ９０は入力信号を直接積分する。その出力は、サチュレータ１００によって、その中央が第２ステージ９２からの出力信号である固定された幅からなる領域に制限される。
【０１０３】
第２ステージからの出力信号は、サチュレータ１０８によって規定された傾斜に関する２つの符号が反対の最大値Ｐｍａｘと−Ｐｍａｘとに応じて変化する。
【０１０４】
第２ステージ９２は、積分器２２の出力は第１ステージによって提供されて、積分された信号の平均傾斜を制限する。
【０１０５】
出力信号の変化を図８に示す。出力信号１０５が、セグメントが互いに平行な２つの破線１０７と１０９の範囲に入っていることが分かる。破線１０７と１０９のそれぞれのセグメントの傾斜は、Ｐｍａｘと−Ｐｍａｘである。２つのステージ９０と９２からの出力が最大偏差２Ｅｍａｘ（曲線１０５の１１０，１１２等の部分）よりも小さければ、推定装置は線形に作動する、つまり単純な積分器として作動する。このようにして、ゼロ値近傍の修正に関する動的な特性が維持される。反対に、偏差サチュレータ１００が設定する最大偏差を超えると、推定器の出力は「クランプ」され、信号は許容最大傾斜Ｐｍａｘを超えては変化しない。このクランピングは、図８に置いてはセグメント１１１，１１３等で表されている。
【０１０６】
総合すれば、図７に示した積分器２２は推定信号の変化の平均値を制限し、この推定信号の時刻毎の変化率を制限はしない。この特性によって、多くの旋回を繰り返し、したがって修正ループが頻繁に開となる飛行時の問題を解消することができる。
【０１０７】
上述の例ではいずれも、直線的でない、および／または、加速を伴なう状態では加速度計による修正を行うことができないので、これらの状態では予め注意が必要であると述べられていた。これは、旋回や加速する飛行状態では、加速度計の測定値は重力に関する真の鉛直方向を与えず、航空機の不要に関連する見かけ上の鉛直方向を与えるからである。しかし、前出の式（１）において、力学的な加速度ベクトルγｃは速度Ｖと、時刻毎の回転Ωを用いて、以下の式によって与えられる：
【数８】
0004447791.tif 000007
上述の式では、ベクトルＶとΩおよび加速度ｄＶ／ｄｔは航空機の座標系で考えるものとする。
【０１０８】
したがって、Ωはジャイロメータによって与えられるので、航空機の座標系におけるベクトルＶが知られていれば、γｃを決定することができることが分かる。換言すれば、ベクトルＶを決定することができれば、旋回又は加速中においても、クローズドループでジャイロのデータを修正することができる。
【０１０９】
航空機の速度Ｖはアネモメータで決定することができる。したがって、航空機がアタック角がゼロ又は小さいサイドスリップなしで飛行している時は、航空機の座標系に置ける速度は、（サイドスリップが無くアタック角がゼロであれば）成分Ｖｘがアネモメータが与える速度であり、成分ＶｙとＶｚはゼロであるベクトルＶである。
【０１１０】
このように、修正ループを閉じているため、又は修正ループが開となる時間を制限するためにアネモメータを使用することができる。
【０１１１】
アネモメータから得られる速度を使用してジャイロメータの誤差とドリフトを修正する構成について、特に図９を参照して以下に説明する。
【０１１２】
この構成は、直線的な飛行状態では、鉛直方向のリファレンスはベクトルΩの誤差、つまり、ドリフト推定の誤差に非常に敏感である、という発見に基づくものである。換言すれば、鉛直方向のベクトルの精度はベクトルΩの誤差に大きく依存する。さらに、この精度は速度が増大するほど悪くなる。図３に図示したヨードリフトの推定値の精度はこの精度の劣化を補償するには不十分である。
【０１１３】
したがって、本発明の別の実施態様では、ヨー修正を、ジャイロによるヘディングを磁石から得られた磁石によるへディングによって置き換える。この修正は、姿勢修正に類似であるが、旋回時にも修正ループを開く必要が無い。ヘディングに関するこの修正は、ヘディングに関する誤差を制限してヨードリフトの推定値を改善することは明らかである。式（４）に置ける真の鉛直方向の計算精度は、アネモメータによる速度を用いることで改善される。飛行の直進状態を検出する精度を改善することも同様に可能である。最後に、ヨージャイロメータの品質的な制約が軽減され、経済的なヨージャイロメータを使用することが可能になる。
【０１１４】
本発明の１つの実施態様によれば、水平面内にある上述のベクトルεが提供する修正と相反しないような、鉛直方向のヘディング修正ベクトルεｃを得ることができる（ジャイロから得られる鉛直方向と加速度計から得られる鉛直方向のベクトル積）。
【０１１５】
地球による磁界Ｂの成分を与えるマグネトメータ又は同様の装置によってヘディングの偏差を得ることができる。これを条件として、ヘディングの偏差を以下の式によって計算することができる：
【数９】
0004447791.tif 000008
【０１１６】
上述の式では、ベクトルＵｍは磁気的な北を向いた単位長さのベクトルであり、ｂ１、ｂ２、ｂ３は姿勢マトリックスＢのそれぞれの列によって与えられる３つのベクトルである：
【数１０】
0004447791.tif 000009
【０１１７】
この場合、ベクトルｂ１は北向きの姿勢ベクトル、ベクトルｂ２は東向きの姿勢ベクトル、ベクトルｂ３は鉛直方向を向いた姿勢ベクトルである。
【０１１８】
式（５）はＵｍとｂ１のベクトル積を行えば、得られるベクトルはｂ３で表される鉛直ベクトルへの投影であることを意味している。
【０１１９】
図９は、ヘディングを修正するこの実施態様で使用する修正ループを単純化して示したものである。図９は、図３に類似のものである。しかし、すでに述べたように、ヨー修正は、ヘディング修正によって置き換えられている。積分器２は姿勢とヘディング修正ループで共通していることが理解されるはずである。ブロック１２０は（ジャイロから得られた鉛直方向ベクトルと加速度計から得られた鉛直方向ベクトルのベクトル積から得られた）姿勢偏差ベクトルεｃとヘディング偏差ベクトルεｃとを決定することが容易であることを示している。このベクトルεｃは姿勢マトリックスと地球の磁界ベクトルＢとから得られる。
【０１２０】
ヘディング修正では、ゲインがａである比例型の修正（アンプ１２２）と、ゲインがβである積分型の修正（アンプ１２４）が用いられており、後者の修正はゲインｋ２の姿勢修正と同じ積分器２２を使用する。
【０１２１】
実施例に関わらず、装置は、従来と同様に、「ケージング」と称する再イニシャライゼーション手段を有する。この再イニシャライゼーションは、ジャイロが与える鉛直方向が真の鉛直方向に速やかに収束するように姿勢修正を行なうために、パイロットが手動で起動することができるものである。この機能は、アネモメータ又は同種の装置から得られるデータと加速度計のデータを組み合わせることができれば一定速度の直線的な飛行又はどのような状態の飛行で有れ使用することができる。
【０１２２】
本発明の１つの実施態様に基づくこの再イニシャライゼーション機能を確実にするために、比例修正ループのアンプのゲインは、例えば３分のような所定の時間にわたって３軸に対して固定されており、この時間内は、修正ループは閉じた状態でサチュレーションが禁止される。積分器がクランプされて、サーボ制御ループによって、姿勢誤差を速やかに収束させて、修正可能範囲内に入れることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に基づく装置の箱と座標軸を示す図である。
【図２】  本発明に基づく装置の修正ループを示すダイアグラムである。
【図３】  変形例に関する図２と同様の図面である。
【図４】  図２又は図３に示した修正回路の作動を示す図である。
【図５】  図２又は図３に示した修正回路の作動を示す図である。
【図６】  図２又は図３に示した修正回路の作動を示す図である。
【図７】  図２又は図３に示した実施態様の積分機の実施例を示す図である。
【図８】  図７に示した積分機の作動を例示した図である。
【図９】  図３に示した変形例に対応した図である。
【図１】
0004447791.tif 000012
【図２】
0004447791.tif 000013
【図３】
0004447791.tif 000014
【図４】
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【図５】
0004447791.tif 000016
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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