(57)【要約】【課題】慣性測定を得るための方法を提供すること。【解決手段】この方法は、従来の慣性センサから、ある一定の期間中の複数の連続する高いサンプルレート読み取り値を得るステップを含む。蓄積された運動の不連続な低いサンプルレート読み取り値も、原子慣性センサから、この期間にわたって得られる。従来の慣性センサに対して、１つまたは複数の観測可能な誤差が、低いサンプルレート読み取り値と前記複数の高いサンプルレート読み取り値の比較に基づいて推定される。この１つまたは複数の観測可能な誤差の推定に基づいて高いサンプルレート読み取り値に１つまたは複数の観測可能な誤差を補償することによって、補償された混合読み取り値が決定される。【選択図】図２
2013171037.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
慣性測定を得るための方法であって、
従来の慣性センサから、ある一定の期間中の複数の連続する高いサンプルレート読み取り値を得るステップと、
原子慣性センサから、前記期間にわたって蓄積された運動の不連続な低いサンプルレート読み取り値を得るステップと、
前記低いサンプルレート読み取り値と前記複数の高いサンプルレート読み取り値の比較に基づいて、前記従来の慣性センサの１つまたは複数の観測可能な誤差を推定するステップと、
前記１つまたは複数の観測可能な誤差の前記推定ステップに基づいて前記高いサンプルレート読み取り値に前記１つまたは複数の観測可能な誤差を補償することによって、補償された混合読み取り値を決定するステップと
を含む方法。
【請求項２】
前記１つまたは複数の観測可能な誤差が、バイアス、スケールファクタ、スケールファクタの非直線性、および入力軸合わせのうちの１つまたは複数を含み、
前記推定するステップが、前記１つまたは複数の観測可能な誤差を推定するために、かつ補償された混合読み取り値を決定するために、カルマンフィルタを使用するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記期間が、前記原子慣性センサの分離された原子雲が位相差の波長を蓄積する期間より長く、
前記従来の慣性センサからの前記読み取り値により前記第２の読み取り値の前記位相差の不確定性を解消する、請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子慣性センサを用いた従来の慣性センサの誤差の推定に関する。
関連出願の相互参照
[0001]本出願は、参照により本明細書に組み込まれている、２０１２年２月１７日に出願した米国仮特許出願第６１／６００，２９０号の利益を主張するものである。
連邦政府による資金提供を受けた研究開発の記載
[0002]本発明は、空軍研究所によって与えられたＦＡ９４５３−０５−Ｃ−０２４１に基づき政府の援助によってなされた。合衆国政府は、本発明に一定の権利を有する。
【背景技術】
【０００２】
[0003]原子慣性センサ（たとえば、冷却原子加速度計および冷却原子ジャイロスコープ）は、非常に正確な高分解能センシングをもたらす可能性があるが、束縛および分割されたボーズアインシュタイン凝縮体または他の適切に調製された原子団の冷却サイクルおよび測定サイクルを含む通常の動作モードで短期間にわたって蓄積された運動のサンプリングされた破壊読み出しにより課せられる制限を有する。これは、一般的には、非常に限られた帯域幅および範囲を有する重力測定用途またはｇの非常に低い用途での使用に対する制約ではなく、原子冷却が行われる間の帯域幅およびサンプル間の間隔が狭いことにより、弾道ナビゲーションおよび航空機航法の用途でのその有用性を制限する。
【０００３】
[0004]振動構造ジャイロスコープ、光ファイバジャイロスコープ、または共振ビーム加速度計などの従来の慣性センサは、より高い帯域幅で動作できるが、バイアス、スケールファクタ、または経時的に大きく変化しうる他の誤差の影響を受けやすく、環境の変化により、測定読み取り値が大幅にドリフトする。
【０００４】
[0005]冷却原子加速度計と従来の加速度計の両方を一緒に使用するという提唱がなされている。このような提唱の１つは、冷却原子加速度計の理論的有用性が、周波数／帯域幅領域重み付けフィルタリングスキームにより従来の加速度計からの測定を改良するための精度基準を提供することであると認めるものであった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、原子慣性センサを用いた従来の慣性センサの誤差の推定を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
[0006]本明細書で説明する実施形態は、慣性測定を得るための方法を提供する。この方法は、従来の慣性センサから、ある一定の期間中の複数の連続する高いサンプルレート読み取り値を得るステップを含む。蓄積された運動の不連続な低いサンプルレート読み取り値も、原子慣性センサから、この期間にわたって得られる。従来の慣性センサに対して、１つまたは複数の観測可能な誤差が、低いサンプルレート読み取り値と複数の高いサンプルレート読み取り値の比較に基づいて推定される。この１つまたは複数の観測可能な誤差の推定に基づいて高いサンプルレート読み取り値に１つまたは複数の観測可能な誤差を補償することによって、補償された混合読み取り値（ｈｙｂｒｉｄ ｒｅａｄｉｎｇ）が決定される。
【０００７】
[0007]図面は、例示的な実施形態を示すに過ぎず、したがって範囲を限定するものとしてみなすべきではないという了解の下で、例示的な実施形態について、添付の図面を使用してその他の特異性および詳細と共に説明する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】[0008]従来の慣性センサからの測定と原子慣性センサからの測定を併用する例示的な慣性計測ユニット（ＩＭＵ）のブロック図である。
【図２】[0009]図１のＩＭＵの動作中の例示的な読み取り実装形態を示すグラフである。
【図３】[0010]複数の従来の慣性センサからの測定と複数の原子慣性センサからの測定を併用する例示的な慣性計測ユニットのブロック図である。
【図４】[0011]図１の例示的な誤差推定量および測定ソリューションユニット（ｅｒｒｏｒ  ｅｓｔｉｍａｔｏｒ  ａｎｄ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  ｓｏｌｕｔｉｏｎ  ｕｎｉｔ）のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
[0012]慣例に従って、種々の説明する特徴は、一定の縮尺で描かれず、例示的な実施形態に関係する特定の特徴を強調するように描かれる。
[0013]本明細書で開示される実施形態は、適切な従来の慣性センサに結合された原子慣性センサが、間隔のない測定の読み取り性能、誤差原因の継続的な再較正、および拡張された動作範囲を可能にすることによって、両方のセンサの動作を改良するシステムおよび方法を提供し、それによって、既存の従来の技術より優れた著しく改善された精度で相乗効果的な測定システムを作製する。特に、本明細書で開示される実施形態は、原子センサからの読み取り値を使用して従来の慣性センサの観測可能なセンサ誤差を推定および／または補償するための手段を提供する。以前に提唱された原子センサおよび従来のセンサの併用では、このような推定または補償を行わなかった。
【００１０】
[0014]図１は、慣性センサ対を形成する従来の慣性センサ１０２と原子慣性センサ１０４とを含む例示的な慣性計測ユニット１００のブロック図である。従来の慣性センサ１０２は、機械構造の運動または経路の周辺での光のタイミングを検知してデバイスの加速または回転のどちらかを認識する統合されたデバイスである。対照的に、原子慣性センサ１０４は、ある一定の期間にわたって蓄積された原子雲の運動を分析して、加速または回転のどちらかを認識するデバイスである。従来の慣性センサ１０２および原子慣性センサ１０４は、加速度計またはジャイロスコープのどちらかを備えることができる。しかし、従来の慣性センサ１０２および原子慣性センサ１０４は、補完的な測定値を提供するために、互いと同じタイプの運動（加速または回転）を検知しなければならない。同じタイプの運動の検知の他に、従来の慣性センサ１０２および原子慣性センサ１０４は、同じ運動を一次まで（ｔｏ  ｆｉｒｓｔ  ｏｒｄｅｒ）検知するように構成される。たとえば、従来の慣性センサ１０２および原子慣性センサ１０４は、名目上同一の軸（すなわち、加速軸または回転軸）に対する運動を検知するような向きにされる。
【００１１】
[0015]従来の慣性センサの例としては、振動構造ジャイロスコープ（たとえば、半球形、ワイングラス形、またはコリオリの力の影響を受ける他の形状を有するプルーフマス）、光ファイバジャイロスコープ（たとえば、干渉型光ファイバジャイロスコープまたは共振器光ファイバジャイロスコープ）、共振ビーム加速度計（たとえば、音叉共振器）、回転質量ジャイロスコープおよびリングレーザジャイロスコープ、および振り子式力平衡加速度計（ｐｅｎｄｕｌｏｕｓ  ｆｏｒｃｅ  ｒｅｂａｌａｎｃｅ  ａｃｃｅｌｅｒｏｍｅｔｅｒ）がある。多くの場合、従来の慣性センサ１０２は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）である。原子慣性センサ１０４の例としては、冷却原子加速度計および冷却原子ジャイロスコープがある。
【００１２】
[0016]従来の慣性センサ１０２は、運動に対応する読み取り値を得て、誤差推定量および測定ソリューションユニット１０６に読み取り値を提供する。誤差推定量および測定ソリューションユニット１０６はまた、原子慣性センサ１０４から読み取り値を受け取る。誤差推定量および測定ソリューションユニット１０６は、従来の慣性センサ１０２と原子慣性センサ１０４からの読み取り値を比較することによって、従来の慣性センサ１０２の観測可能な誤差を推定し、また、従来の慣性センサ１０２からの連続する高帯域幅測定に、推定された観測可能な誤差を補償することによって、測定ソリューション（本明細書では、補償された混合読み取り値とも呼ぶ）を決定することができる。誤差推定量および測定ソリューションユニット１０６は、連続する補償された高帯域幅測定ソリューションを出力する。
【００１３】
[0017]従来の慣性センサ１０２は、原子慣性センサ１０４（本明細書では、その読み取り値を、不連続な低帯域幅読み取り値とも呼ぶ）より高い帯域幅で読み取り値（本明細書では、その読み取り値を、高帯域幅読み取り値とも呼ぶ）を得るように構成される。一例では、０．０１秒の測定期間にわたって、従来の慣性センサ１０２は、約５００Ｈｚ（０．００２秒間）のレートで読み取り値を得るように構成され、原子慣性センサ１０４は、約０．１Ｈｚ（１０秒間）のレートで読み取り値を得るように構成され、両方のセンサのサンプルレートおよび測定期間は、たとえば共通クロック信号によって同期される。他の例示的な帯域幅も使用することができる。いずれの場合にも、原子慣性センサ１０４によって取得される読み取り値は、本明細書では測定期間と呼ぶある一定の期間にわたって蓄積された運動に対応する。原子慣性センサ１０４の測定期間は、原子雲が解放された（ｒｅｌｅａｓｅｄ）（縮小された（ｄｒｏｐｐｅｄ））ときから原子雲の運動の兆候（ｉｎｄｉｃａｔｉｏｎ）を得るために原子雲がサンプリングされるまでの期間である。原子慣性センサ１０４からの単一の読み取り値は、測定期間にわたって蓄積された運動に対応する。その同じ測定期間中に、従来の慣性センサ１０２から複数の読み取り値を取得することができる。サンプリング周期（サンプルレートの逆数）は、原子慣性センサ１０４が、測定用途で原子雲を冷却または調整し、測定を行うのにかかる時間である。一例では、従来の慣性センサ１０２は、０．０１秒の測定期間中に少なくとも３つ（たとえば５つ）の周期的読み取り値を、および０．１秒のサンプリング周期にわたって５０の周期読み取り値を得るように構成される。原子慣性センサ１０４は、予想される入力範囲および所望のサンプルレートに対して最適化され得る。
【００１４】
[0018]原子慣性センサ１０４からの読み取り値を従来の慣性センサ１０４からの読み取り値と正確に比較するために、誤差推定量および測定ソリューションユニット１０６は、原子慣性センサ１０４からの読み取り値に対応する測定期間中に得られた従来の慣性センサ１０２からの読み取り値を選択する。従来の慣性センサ１０２からのこれらの選択された読み取り値を使用することによって、従来の慣性センサ１０２と原子慣性センサ１０４からの読み取り値は、同じ運動に対応して同期され、したがって正確に比較可能である。
【００１５】
[0019]一例では、原子慣性センサ１０４からの読み取り値の測定期間に対応する従来の慣性センサ１０２からの選択された読み取り値は正規化され、次に、その測定期間の従来の蓄積された運動測定値を決定するために積分される。測定期間の従来の蓄積された運動測定値は、原子慣性センサ１０４からの読み取り値と比較される。原子慣性センサ１０４からの読み取り値と従来の蓄積された運動測定値の差は、従来の慣性センサ１０２の観測可能な誤差を推定するために使用される。加速度計の一例では、原子慣性センサ１０４からの読み取り値および従来の慣性センサ１０２からの蓄積運動測定値は、次に、速度領域における差を計算することができる。原子慣性センサ１０４の測定忠実度および分解能は、従来の慣性センサ１０２の測定忠実度および分解能をはるかに上回るので、原子慣性センサ１０４からの読み取り値は、真の速度として使用することができる。
【００１６】
[0020]誤差推定量および測定ソリューションユニット１０６は、従来の慣性センサ１０２のすべての観測可能な既知の誤差原因を補正することができる。一例では、誤差推定量および測定ソリューションユニット１０６は、次いで、対になった（すなわち、同じ測定軸を有する）原子慣性センサ１０４からの読み取り値（サンプル）に基づいて、従来の慣性センサ１０２のスケールファクタ誤差およびバイアス誤差を推定することができる。誤差推定量および測定ソリューションユニット１０６は、変化するスケールファクタ誤差およびバイアス誤差を考慮して従来の慣性センサ１０２の読み取り値を補償でき、さらなる処理（たとえば、システム航法カルマンフィルタ）を行うために補償された読み取り値を提供することができる。誤差推定量および測定ソリューションユニット１０６は、スケールファクタ、バイアスなどを更新する推定スキームを用いることができる。補償読み取り値は、次に、航法に使用され得る。誤差推定量および測定ソリューションユニット１０６は、従来の慣性センサ１０２と原子慣性センサ１０４の各対に対して、このプロセスを実行することができる。
【００１７】
[0021]図２は、慣性計測ユニット１００の動作中の例示的な読み取り実装形態のグラフ２００である。曲線２０２は、従来の慣性センサ１０２からの読み取り値に対応し、点２０４は、測定期間中の原子慣性センサ１０４内の原子雲の蓄積された運動に対応する。グラフ２００は、従来の慣性センサ１０２および原子慣性センサ１０４が加速度計である例に対応し、したがって、速度を示す。動作に際して、従来の慣性センサ１０２は、所定のレートで読み取り値を得ることができる。
【００１８】
[0022]原子慣性センサ１０４は、原子雲に解放の準備をさせるサンプル準備間隔２０６を経る。これは、原子雲の準備（冷却）を含む。原子雲が適切に準備される所定の間隔の後で、原子慣性センサ１０４は、測定プロセスのために１つの雲を２つの雲に分割する（本明細書では、原子雲を「解放する」または「縮小する」とも呼ぶ）ことができる。原子雲を解放すると、測定期間２０８が開始し、原子雲は、この期間を通じて、蓄積された運動（たとえば、速度）の影響を受ける。測定期間２０８は、測定期間２０８中の蓄積された運動に対応する読み取り値を得るために原子雲がサンプリングされるときに終了する。加速度計である原子慣性センサ１０４では、量子波動関数を有する単一の擬似粒子としてそれぞれに作用する力の存在下で２つの原子雲を離し、離れた状態で保持する際に位置エネルギーの差が存在するので、原子慣性センサ１０４は、２つの原子雲の間の波長（位相）差として速度を測定する。次に、波動関数が全化学エネルギーおよび全位置エネルギーによって決定され、次いで、２つの雲の間の位相差は、２つの雲が分離されている間の測定期間２０８にわたって印加された加速度の積分（速度）に比例する。原子慣性センサ１０４の測定期間２０８の終了時に、２つの雲を再結合させ、レーザ干渉計は、干渉縞ピーク分離からの相対的な位相差を測定する。
【００１９】
[0023]原子雲をサンプリングした後、原子慣性センサ１０４は、別の原子雲に解放準備をさせるために別のサンプル準備間隔に入る。第２の測定期間を開始すると、第２の原子雲は解放される。原子雲の準備、解放、およびサンプリングのサイクルは継続することができる。サンプル準備間隔２０６および測定期間２０８中に、従来の慣性センサ１０２は、読み取り値を引き続き得る。これらの読み取り値は、誤差推定量および測定ソリューションユニット１０６に提供され、誤差推定量および測定ソリューションユニット１０６は、読み取り値に基づいて測定ソリューションを決定することができる。この測定ソリューションは、従来の慣性センサ１０２および原子慣性センサ１０４によって検知される慣性運動（たとえば、加速または回転）に対応する。
【００２０】
[0024]上述のように、誤差推定量および測定ソリューションユニット１０６は、測定期間２０８に対応する従来の慣性センサ１０２からの読み取り値を、測定期間２０８に対する原子慣性センサ１０４からの読み取り値と比較する。従来の慣性センサ１０２からの読み取り値と原子センサ１０４の読み取り値の蓄積された運動の差は、従来の慣性センサ１０２の観測可能なセンサ誤差を推定するために使用される。
【００２１】
[0025]一例では、原子慣性センサ１０４の測定期間は、原子慣性センサの分離された原子雲がサンプリングの前に位相差の１つの波長を蓄積する期間より長くなるように選択される。これにより、原子慣性センサ１０４からのさらに正確な読み取り値が実現される。しかし、整数波長（ｉｎｔｅｇｅｒ  ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ）を超えると、原子慣性センサ１０４の蓄積された全速度は、不確定になり、位相の整数倍とすることができる。一例では、誤差推定量および測定ソリューションユニット１０６は、測定期間に対応する従来の慣性センサ１０２からの読み取り値を使用して、原子慣性センサ１０４からの読み取り値の位相不確定性を解消する。従来の慣性センサ１０２は、選択された測定期間にわたって入力された予測される最大加速度で原子慣性センサ１０４内の雲対の干渉縞の２分の１未満を解消するために、速度領域分解能と、読み取り値のノイズを含む蓄積された誤差とを有するように選択される。次に、従来の慣性センサ１０２からの読み取り値は、原子慣性センサ１０４からの読み取り値の位相不確定性を解消するために使用され得る。
【００２２】
[0026]たとえば、誤差推定量および測定ソリューションユニット１０６は、従来の慣性センサ１０２からの読み取り値に基づいて、従来の蓄積された運動測定値を原子慣性センサ１０４の読み取り値と比較することができる。２つの間に速度差の１を超える波長がある場合、整数波長が、従来の蓄積された運動測定値からの２分の１波長より小さくなるまで、原子慣性センサ１０４の読み取り値に加算（または、これから減算）される。使用可能な測定期間をこのように効果的に延長することは、相変わらず原子雲のコヒーレンス時間によって制限されるが、サンプリング周期が、高いｇレベルにおいて、最大１つの予想される干渉波長に至るまで積分するのに必要な周期より短い必要があることのみによって決定される延長より著しく長くすることができる。
【００２３】
[0027]このことにより、原子慣性センサ１０４の有用なｇレベルを延長し、従来の慣性センサ１０２の読み取り値ノイズの影響を減少させることができる。これにより、原子慣性センサ１０４は、ｇが高く、非常に動的な環境において、その正確度の大部分を従来の慣性センサ１０２に付与するために効果的に利用できるが、分解能を失う。多くの用途では、適切な時間領域フィルタリングは、さらなる分解能を回復できるが、長期の期間にわたる多くの航法用途では、読み取り値ノイズまたは量子化誤差よりも低周波数加速度計誤差によって駆動される方が多い。
【００２４】
[0028]誤差推定量および測定ソリューションユニット１０６が、測定指数の観測可能な誤差を推定すると、その後の従来の慣性センサ１０２からの読み取り値の観測可能な誤差は、推定された観測可能な誤差をそれから減算することによって補償され得る。たとえば、測定期間２０８に対応する読み取り値の観測可能な誤差が推定されると、次のサンプリング準備間隔中などの、測定期間２０８の後で得られた読み取り値から、推定された観測可能な誤差を減算して、誤差推定量および測定ソリューションユニット１０６によって出力される補償された測定ソリューションを生じさせることができる。次に、推定された観測可能な誤差は、原子慣性センサ１０４の次の測定期間中の従来の慣性センサ１０２からの読み取り値の比較に基づいて更新され得る。理解されるべきであるように、観測可能な誤差を推定および補償する、より複雑な方法は、従来の慣性センサ１０２と原子慣性センサ１０４からの読み取り値の経時的な比較に基づいて使用され得る。従来の慣性センサ１０２および原子慣性センサ１０４からの読み取り値が得られると、誤差推定量および測定ソリューションユニット１０６は、経時的に観測可能なセンサ誤差を引き続き推定および補償することができる。
【００２５】
[0029]一例では、推定される観測可能な誤差は、バイアス、スケールファクタ、スケールファクタの非直線性、および従来の慣性センサ１０２の入力軸合わせのうちの１つまたは複数を含む。他の例では、他の観測可能な誤差が推定可能である。一例では、誤差推定および測定ソリューションユニット１０６は、カルマンフィルタにより実施される。
【００２６】
[0030]図３は、複数の慣性センサ３０１を含む例示的な慣性計測ユニット（ＩＭＵ）３００のブロック図である。各慣性センサ対３０１は、図１および図２に関して上述したものと同じ軸に関する同じ運動を検知するように構成された、従来の加速度計３０９と原子加速度計３０３、または従来のジャイロスコープ３０５と原子ジャイロスコープ３０７とを含む慣性センサ対を備える。一例では、ＩＭＵ３００は、６つの慣性センサ対３０１を含む。各対は、３つの直交軸（Ｘ、Ｙ、Ｚ）のうちの１つに関して加速運動または回転運動のどちらかを検知するように構成される。したがって、三次元運動測定が得られうる。一代替例では、たとえば、冗長性を提供するまたは正確度を向上させるために、１２の慣性センサ対などの他の数の慣性センサ対が含まれる。このような冗長な慣性センサの例では、冗長な測定は、適切な冗長性管理アルゴリズムに従って重み付けされ得る。
【００２７】
[0031]各従来の慣性センサ３０９、３０５、および原子慣性センサ３０３、３０７は、それぞれの加速度計３０９、３０５、およびジャイロスコープ３０３、３０７からの読み取り値を提供する関連する読み出しエレクトロニクス３０２、３０４、３０６、３０８を有する。一例では、単一のクロック３１０は、関連する読み出しエレクトロニクス３０２、３０４、３０６、３０８のすべてにクロック信号を提供するように構成される。単一のクロック３１０は、従来の慣性センサ３０９、３０５のサンプリング時間を駆動し、原子慣性センサ３０３、３０７のサンプリング準備時間および測定期間を決定するために使用され得る。すべてのセンサ３０９、３０３、３０５、３０７に対して単一のクロック３１０を使用することにより、それぞれのセンサ３０９、３０３、３０５、３０７からの読み取り値が、同じ期間（測定期間）にわたって確実に得られる。
【００２８】
[0032]ＩＭＵ３００は、誤差推定量および測定ソリューションユニット３１２が６つの慣性センサ対３０１からの信号を処理することを除いて、上述の誤差推定量および測定ソリューションユニット１０６のように実行する、誤差推定量および測定ソリューションユニット３１２も含む。誤差推定量および測定ソリューションユニット３１２は、各センサ３０９、３０３、３０５、３０７に関連する読み出しエレクトロニクス３０２、３０４、３０６、３０８からの読み取り値を受け取るように構成される。一例では、誤差推定量および測定ソリューションユニット３１２は、原子慣性センサ３０３、３０７からの読み取り値に基づいて、従来の慣性センサ３０９、３０５に対するスケールファクタおよびバイアスの補償を決定することができる。誤差推定量および測定ソリューションユニット３１２は、従来の慣性センサ３０９、３０５の所望の誤差状態を、所望の入出力レートおよび精度で決定することができる。
【００２９】
[0033]一例では、スケールファクタおよびバイアスの補償は、従来の慣性センサ３０９、３０５からの読み取り値に適用でき、補償された読み取り値は、航法ソリューション（ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ  ｓｏｌｕｔｉｏｎ）を提供するためにカルマンフィルタ３１４に提供され得る。一例では、誤差推定量および測定ソリューションユニット３１２は、航法ソリューションを決定する同じカルマンフィルタ３１４により実施されるが、他の推定量が、誤差推定量および測定ソリューションユニット３１２に使用されてもよい。
【００３０】
[0034]誤差推定量および測定ソリューションユニット３１２は、従来の慣性センサ３０９、３０５の誤差項の既知の不安定度を推定および補償することができる。加速度計の例では、誤差推定量および測定ソリューションユニット３１２は、原子慣性センサ３０３、３０７からの個別の速度測定を使用して、従来の慣性センサ３０９、３０５の、パラメータの遷移または傾向によって経時的にもたらされるスケールファクタおよびバイアスの誤差などの観測可能な誤差を連続的に更新することができる。
【００３１】
[0035]図４は、例示的な誤差推定量および測定ユニット１０６、３１２のブロック図である。誤差推定量および測定ユニット１０６、３１２は、命令４１０、４１２を実行するための１つまたは複数の処理デバイス４０２を含むことができる。１つまたは複数の処理デバイス４０２は、汎用プロセッサまたは専用プロセッサ（たとえば、デジタル信号プロセッサ）を含むことができる。命令４１０、４１２は、命令が処理デバイス（複数可）４０２により実行されるために処理デバイス（複数可）４０２によって読み取り可能である１つまたは複数の適切な記憶媒体４０６（フラッシュメモリまたは他の不揮発性メモリなど）上またはその内部に保存される（または、実施される）。誤差推定量および測定ユニット１０６、３１２は、処理デバイス（複数可）４０２による実行中に命令（および関連データ）を保存するために、処理デバイス（複数可）４０２に結合されたメモリ４０８も含む。一実装形態では、メモリ４０８は、ダイナミックランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）などの、現在知られているまたは後に開発される任意の適切な形態のランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）を含む。他の実装形態では、他のタイプのメモリが使用される。
【００３２】
[0036]誤差推定量および測定ユニット１０６、３１２に関する命令は、誤差の推定、補償、および測定ソリューション命令４１０を含む。いくつかの例では、命令は、航法ソリューション命令４１２も含む。誤差の推定、補償、および測定ソリューション命令４１０は、処理デバイス（複数可）４０２に、上述の誤差推定量および測定ユニット１０６、３１２の機能を実施させるように構成される。航法ソリューション命令４１２は、処理デバイス（複数可）４０２に、上述の航法ソリューションユニット３１４の機能を実施させるように構成される。いくつかの例では、誤差の推定、補償、および測定ソリューション命令４１０および航法ソリューション命令４１２は、同じ命令モジュールで実施される。
例示的な実施形態
[0037]例１は、慣性測定得るための方法を含み、この方法は、従来の慣性センサから、ある一定の期間中の複数の連続する高いサンプルレート読み取り値を得るステップと、原子慣性センサから、この期間にわたって蓄積された運動の不連続な低いサンプルレート読み取り値を得るステップと、この低いサンプルレート読み取り値と複数の高いサンプルレート読み取り値の比較に基づいて、従来の慣性センサの１つまたは複数の観測可能な誤差を推定するステップと、この１つまたは複数の観測可能な誤差の推定ステップに基づいて高いサンプルレート読み取り値に１つまたは複数の観測可能な誤差を補償することによって、補償された混合読み取り値を決定するステップとを含む。
【００３３】
[0038]例２は、１つまたは複数の観測可能な誤差が、バイアス、スケールファクタ、スケールファクタの非直線性、および入力軸合わせのうちの１つまたは複数を含む、例１の方法を含む。
【００３４】
[0039]例３は、推定ステップが、１つまたは複数の観測可能な誤差を推定するために、かつ補償された混合読み取り値を決定するために、カルマンフィルタを使用するステップを含む、例１または２のいずれかの方法を含む。
【００３５】
[0040]例４は、期間が、原子慣性センサの分離された原子雲が位相差の波長を蓄積する期間より長く、従来の慣性センサからの読み取り値により第２の読み取り値の位相差の不確定性を解消する、例１から３のいずれかの方法を含む。
【００３６】
[0041]例５は、従来の慣性センサが、振動構造ジャイロスコープ、干渉型光ファイバジャイロスコープ（ＩＦＯＧ）、共振器光ファイバジャイロスコープ（ＲＦＯＧ）、共振ビーム加速度計、回転質量ジャイロスコープ、リングレーザジャイロスコープ、または振り子式力平衡加速度計のうちの１つを含む、例１から４のいずれかの方法を含む。
【００３７】
[0042]例６は、原子慣性センサが、冷却原子ジャイロスコープまたは冷却原子加速度計のうちの１つを含む、例１から５のいずれかの方法を含む。
[0043]例７は、複数の高帯域幅読み取り値を得るステップが、期間中に少なくとも３つの周期的読み取り値を得るステップを含む、例１から６のいずれかの方法を含む。
【００３８】
[0044]例８は、従来の慣性センサと、原子慣性センサと、１つまたは複数の従来の慣性センサおよび１つまたは複数の原子慣性センサに結合された１つまたは複数の処理デバイスと、１つまたは複数の原子慣性センサに結合された１つまたは複数の記憶媒体であって、１つまたは複数の処理デバイスによって実行されるとき、１つまたは複数の処理デバイスに、従来の慣性センサから、ある一定の期間中の蓄積された運動の複数の高帯域幅読み取り値を取得させ、原子慣性センサから、その期間にわたって蓄積された運動の低帯域幅読み取り値を取得させ、低帯域幅読み取り値と複数の高帯域幅読み取り値の比較に基づいて従来の慣性センサの１つまたは複数の観測可能な誤差を推定させ、１つまたは複数の観測可能な誤差の推定に基づいて１つまたは複数の観測可能な誤差の高帯域幅読み取り値を補償することによって混合読み取り値を決定させる命令を含む、１つまたは複数の記憶媒体とを備える慣性計測ユニットを含む。
【００３９】
[0045]例９は、１つまたは複数の観測可能な誤差が、バイアス、スケールファクタ、スケールファクタの非直線性、および入力軸合わせのうちの１つまたは複数を含む、例８の慣性計測ユニットを含む。
【００４０】
[0046]例１０は、推定が、１つまたは複数の観測可能な誤差を推定するために、かつ混合読み取り値を決定するために、カルマンフィルタを使用するステップを含む、例９の慣性計測ユニットを含む。
【００４１】
[0047]例１１は、期間が、原子慣性センサの分離された原子雲が位相差の波長を蓄積する期間より長く、命令が、１つまたは複数の処理デバイスに、従来の慣性センサからの読み取り値により第２の読み取り値の位相差の不確定性を解消させる、例９または１０のいずれかの慣性計測ユニットを含む。
【００４２】
[0048]例１２は、従来の慣性センサが、振動構造ジャイロスコープ、干渉型光ファイバジャイロスコープ（ＩＦＯＧ）、共振器光ファイバジャイロスコープ（ＲＦＯＧ）、共振ビーム加速度計、回転質量ジャイロスコープ、リングレーザジャイロスコープ、または振り子式力平衡加速度計のうちの１つを含む、例９から１１の慣性計測ユニットを含む。
【００４３】
[0049]例１３は、原子慣性センサが、冷却原子ジャイロスコープまたは冷却原子加速度計のうちの１つを含む、例９から１２の慣性計測ユニットを含む。
[0050]例１４は、複数の高帯域幅読み取り値を得るステップが、期間中に少なくとも３つの周期的読み取り値を得るステップを含む、例９から１３の慣性計測ユニットを含む。
【００４４】
[0051]例１５は、第１の軸に関する運動を検知するようにそれぞれ配向された、従来の慣性センサと原子慣性センサとを含む第１の慣性センサ対と、第１の軸に直交する第２の軸に関する運動を検知するようにそれぞれ配向された、従来の慣性センサと原子慣性センサとを含む第２の慣性センサ対と、第１の軸および第２の軸に直交する第３の軸に関する運動を検知するようにそれぞれ配向された、従来の慣性センサと原子慣性センサとを含む第３の慣性センサ対と、第１の慣性センサ対、第２の慣性センサ対、および第３の慣性センサ対に結合された１つまたは複数の処理デバイスと、１つまたは複数の処理デバイスに結合された１つまたは複数の記憶媒体であって、この１つまたは複数の処理デバイスによって実行されるとき、この１つまたは複数の処理デバイスに、第１の慣性センサ対、第２の慣性センサ対、および第３の慣性センサ対それぞれに対して、それぞれの期間中に、それぞれの慣性センサ対の従来の慣性センサから、期間中の複数の高帯域幅読み取り値を取得させ、それぞれの慣性センサ対の原子慣性センサから、その期間にわたって蓄積された運動の低帯域幅読み取り値を取得させ、低帯域幅読み取り値と複数の高帯域幅読み取り値の比較に基づいてそれぞれの慣性センサ対の従来の慣性センサの１つまたは複数の観測可能な誤差を推定させる命令を含む、１つまたは複数の記憶媒体とを備え、その命令が、１つまたは複数の処理デバイスに、第１のセンサ対、第２のセンサ対、および第３のセンサ対からの読み取り値に基づいて三次元航法ソリューションを決定させ、三次元航法ソリューションの決定が、従来の慣性センサの１つまたは複数の観測可能な誤差の推定に基づいて第１のセンサ対、第２のセンサ対、および第３の慣性センサ対それぞれのその従来の慣性センサの観測可能な誤差の補償を含む、慣性計測ユニットを含む。
【００４５】
[0052]例１６は、第１の慣性センサ対、第２の慣性センサ対、および第３の慣性センサ対のそれぞれの従来の慣性センサおよび原子慣性センサが加速度計を備える、例１５の慣性計測ユニットを含む。
【００４６】
[0053]例１７は、ジャイロスコープのセットが、第４の軸に関する回転を検知するようにそれぞれ配向された、従来のジャイロスコープと原子ジャイロスコープとを含む第１のジャイロスコープ対と、第４の軸に直交する第４の軸に関する回転を検知するようにそれぞれ配向された、従来のジャイロスコープと原子ジャイロスコープとを含む第２のジャイロスコープ対と、第４の軸および第５の軸に直交する第６の軸に関する回転を検知するようにそれぞれ配向された、従来のジャイロスコープと原子ジャイロスコープとを含む第３のジャイロスコープ対とを備え、命令が、１つまたは複数の処理デバイスに、第１のジャイロスコープ対、第２のジャイロスコープ対、および第３のジャイロスコープ対それぞれに対して、それぞれの期間中に、それぞれのジャイロスコープ対の従来のジャイロスコープから、期間中の蓄積された運動の複数の高帯域幅読み取り値を取得させ、それぞれのジャイロスコープ対の原子ジャイロスコープから、期間にわたって蓄積された運動の低帯域幅読み取り値を取得させ、低帯域幅読み取り値と複数の高帯域幅読み取り値の比較に基づいてそれぞれのジャイロスコープ対の従来のジャイロスコープの１つまたは複数の観測可能な誤差を推定させ、三次元航法ソリューションが、従来のジャイロスコープの１つまたは複数の観測可能な誤差の推定に基づいて、第１のジャイロスコープ対、第２ジャイロスコープ対、および第３のジャイロスコープ対それぞれのその従来のジャイロスコープの観測可能な誤差を補償することによって、回転読み取り値に基づいて決定される、例１６の慣性計測ユニットを含む。
【００４７】
[0054]例１８は、信頼性または正確度を向上させるために運動の冗長な読み取り値を提供するための冗長な慣性センサ対を備える、例１７の慣性計測ユニットを含む。
[0055]例１９は、１つまたは複数の観測可能な誤差が、バイアス、スケールファクタ、スケールファクタの非直線性、および入力軸合わせのうちの１つまたは複数を含む、例１５から１８の慣性計測ユニットを含む。
【００４８】
[0056]例２０は、期間が、原子慣性センサの分離された原子雲が位相差の波長を蓄積する期間より長く、命令が、１つまたは複数の処理デバイスに、第１のセンサ対、第２のセンサ対、および第３のセンサ対それぞれに対して、従来の慣性センサからの読み取り値により第２の読み取り値の位相差の不確定性を解消させる、例１５から１９の慣性計測ユニットを含む。
【符号の説明】
【００４９】
１００  慣性計測ユニット
１０２  従来の慣性センサ
１０４  原子慣性センサ
１０６  誤差推定量および測定ソリューションユニット
２００  グラフ
２０２  曲線
２０４  点
２０６  サンプル準備間隔
２０８  測定期間
３００  慣性計測ユニット
３０１  慣性センサ、慣性センサ対
３０２  読み出しエレクトロニクス
３０３  原子加速度計、原子慣性センサ、ジャイロスコープ
３０４  読み出しエレクトロニクス
３０５  従来のジャイロスコープ、従来の慣性センサ
３０６  読み出しエレクトロニクス
３０７  原子ジャイロスコープ、原子慣性センサ
３０８  読み出しエレクトロニクス
３０９  従来の加速度計、従来の慣性センサ
３１０  クロック
３１２  誤差推定量および測定ソリューションユニット
３１４  カルマンフィルタ、航法ソリューションユニット
４０２  処理デバイス
４０６  記憶媒体
４０８  メモリ
４１０  誤差の推定、補償、および測定ソリューション命令
４１２  航法ソリューション命令
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2013171037.tif 000006
【外国語明細書】
2013171037000001.pdf