(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
重力計と、該重力計を支持するプラットフォームと、該プラットフォームを水平に支持するジンバル機構を有する水平安定台と、該水平安定台と同一面内に装着され上記水平安定台に姿勢角信号を供給するジャイロコンパスと、を有し、航行体に搭載される重力測定装置において、
上記プラットフォームには水平方向の加速度を検出するための加速度計が装着され、
ＤＧＰＳによる搬送波位相測位用の移動局と該移動局からの位置情報及び時刻情報を記録するための第１の記録演算装置が設けられ、
ＤＧＰＳによるコード位相測位用の移動局と該移動局からの位置情報及び時刻情報を記録するための第２の記録演算装置が設けられ、
上記第２の記録演算装置は上記重力計の出力信号と上記加速度計の出力信号と上記ジャイロコンパスの出力信号を記録し、
上記搬送波位相測位用の移動局からの位置信号によって東西方向加速度及び南北方向加速度を演算し、該東西方向加速度及び南北方向加速度と上記ジャイロコンパスからの方位角信号によってロール方向加速度及びピッチ方向加速度を演算し、上記加速度計からの水平加速度信号によって上記プラットフォームのロール角誤差及びピッチ角誤差をフィルタ演算し、それによって上記重力計の出力を補正するように構成されていることを特徴とする重力測定装置。
【請求項２】
請求項１記載の重力測定装置を用いて、上記航行体の上記プラットフォームに装着された重力計により重力を測定する重力測定方法であって、
ＤＧＰＳによる上記搬送波位相測位用の移動局からの位置情報によって東西方向加速度及び南北方向加速度を演算することと、
該東西方向加速度及び南北方向加速度と上記ジャイロコンパスからの方位角信号によってロール方向加速度及びピッチ方向加速度を演算することと、
上記加速度計からの水平加速度信号によって上記プラットフォームのロール角誤差及びピッチ角誤差を演算することと、
上記ロール角誤差及びピッチ角誤差によって上記重力計の出力を補正することと、
を含む重力測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は地球表面における重力を検出するための重力測定装置及び方法に関し、特に、航行体に搭載される重力測定装置及びそれを使用する重力測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
地球表面における重力の値は、地下の岩石の密度構造、地心距離の変化等の理由により、測定地によって僅かに変動する。重力の測定値と標準重力の差は重力異常と呼ばれる。重力の測定は、この重力異常の測定に外ならない。重力を測定する場合、平地では携帯型の重力測定装置が用いられるが、極地方、砂漠地帯、山岳地帯、海洋等では車両、航空機等の航行体又は移動体に搭載した重力測定装置が使用される。
【０００３】
航行体又は移動体に搭載した重力測定装置によって重力を測定する場合、測定点の位置を精密に測定するために、ＤＧＰＳ（differential  global  positioning   system）が使用される。
【０００４】
ＤＧＰＳはＧＰＳの測定精度を改善するために開発されたものである。ＧＰＳでは移動局（利用者）のみによって測地されるのに対して、ＤＧＰＳでは移動局（利用者）と基準局（固定局）によって測地される。ＤＧＰＳでは、予め正確な位置が測定されている基準局において、ＧＰＳ衛星からの擬似距離、時刻情報及び軌道データより補正値を演算し、それを移動局に送信する。移動局は、基準局からの補正値を用いてＧＰＳ衛星からの信号の補正を行う。
【０００５】
ＤＧＰＳにはコード位相測位法と搬送波位相測位法の２つの方法がある。コード位相測位法は測定値としてコード位相を用い、リアルタイム測位のために使用される。精度は１〜１０ｍ程度である。搬送波位相測位法は測定値として搬送波位相を用い、高精度の位置測定に使用する。精度はｍｍ〜ｃｍ程度である。
【０００６】
図４を参照して従来の重力測定装置及び方法の例を説明する。重力測定装置２０はヘリコプタ等の航行体１０に搭載される。ＤＧＰＳは、少なくとも４つのＧＰＳ衛星（図４では２つのＧＰＳ衛星１２、１３のみ図示）と航行体１０に搭載された２つの移動局（利用者）１４、１５と地上の２つの基準局（固定局）１６、１７を使用する。
【０００７】
第１の移動局（利用者）１４及び基準局（固定局）１６は搬送波位相測位用の受信装置であり、第２の移動局（利用者）１５及び基準局（固定局）１７はコード位相測位用の受信装置である。
【０００８】
図５を参照して従来の重力測定装置の構成及び動作を説明する。重力測定装置２０は航行体１０の基台１０Ａに装着されたジャイロコンパス２１と重力計２２とを有する。ジャイロコンパス２１は鉛直ジャイロであってよい。重力計２２は基台１０Ａに装着された水平安定台２３上に装着されている。水平安定台２３は重力計２２の入力軸を鉛直方向に保持するように構成され、その構造は後に説明する。重力測定装置２０は更に移動局１４、１５からの信号を入力する記録演算装置３１、３２を有する。
【０００９】
図６を参照して従来の水平安定台２３の構造を説明する。水平安定台は、プラットフォーム１０１とプラットフォーム１０１を水平に保持するためのジンバル装置を有する。プラットフォーム１０１上には重力計２２が配置されている。ジンバル装置は、プラットフォーム１０１の両端に装着されたロール軸１０３Ａ、１０３Ｂとロール軸の外端に設けられたロール軸トルカ１０５Ａ、１０５Ｂとロール軸１０３Ａ、１０３Ｂ及びロール軸トルカ１０５Ａ、１０５Ｂを支持するジンバル環１０７とジンバル環１０７の両端に装着されたピッチ軸１０９Ａ、１０９Ｂとピッチ軸の外端に設けられたピッチ軸トルカ１１１Ａ、１１１Ｂとピッチ軸１０９Ａ、１０９Ｂ及びピッチ軸トルカ１１１Ａ、１１１Ｂを支持する支持部材１１３Ａ、１１３Ｂとを有する。
【００１０】
ロール軸１０３Ａ、１０３Ｂとピッチ軸１０９Ａ、１０９Ｂは互いに直交するように装着される。ロール軸１０３Ａ、１０３Ｂとピッチ軸１０９Ａ、１０９Ｂは図示しない軸受けによって支持されている。支持部材１１３Ａ、１１３Ｂは航行体１０の基台１０Ａに装着される。水平安定台２３は、ロール軸１０３Ａ、１０３Ｂが航行体１０の首尾線に沿って配置されるように、航行体１０の基台１０Ａに装着される。
【００１１】
再び図５を参照して説明する。コード位相測地用の移動局１５からの速度信号はジャイロコンパス２１に供給される。ジャイロコンパス２１はこの速度信号を速度ログとして姿勢角（ロール角及びピッチ角）を正確に演算する。
【００１２】
ジャイロコンパス２１からの姿勢角（ロール角及びピッチ角）はロール軸トルカ１０５Ａ、１０５Ｂ及びピッチ軸トルカ１１１Ａ、１１１Ｂに供給される。それによってプラットフォーム１０１は水平に保持され、重力計２２の入力軸は鉛直方向に保持される。
【００１３】
搬送波位相測地用の移動局１４からは高精度の位置信号及び時刻信号が出力され、第１の記録演算装置３１に記録される。コード位相測地用の移動局１５からは時刻信号が出力され、第２の記録演算装置３２に記録される。重力計２２からは重力信号Ｇｔが出力され、リアルタイムにて第２の記録演算装置３２に記録される。重力計２２の出力は次の式によって表される。
【００１４】
【数１】
Ｇｔ＝ΔＧ＋Ａ＋Ｃ＋Ｚ＋Ｅ
【００１５】
Ｇｔは重力計２２の出力、ΔＧは重力異常、Ａは基準楕円体重力、Ｃはフリーエア補正、Ｚは鉛直加速度、Ｅはエトベス効果である。重力異常ΔＧは測定地の重力値と標準重力の偏差であり、１〜２００ｍＧａｌ程度である。重力測定装置２０はこの重力異常ΔＧを測定する。
【００１６】
基準楕円体重力Ａは測定点の緯度によって決まり、例えば緯度３５度では９７９．７Ｇａｌである。フリーエア補正Ｃは高度によって変化し、−０．３ｍＧａｌ／ｍである。鉛直加速度Ｚは航行体の上下運動による鉛直方向加速度である。これは航行体の位置を精密に測定し、その２階微分より求められる。その値は１〜１０Ｇａｌ程度である。エトベス効果Ｅは航行体の速度及び高度、基準楕円体の形状の影響によるコリオリ力、遠心力等によって変化し、０．１〜０．５Ｇａｌ程度である。
【００１７】
記録演算装置３１、３２は、先ず、入力信号に対して、航行体１０の振動等の雑音を除去するためのフィルタ処理をする。次に、数１の式の右辺の第２〜５項を演算し、それを重力計の出力より減算し、重力異常ΔＧを求める。記録演算装置３１、３２における演算はオフラインにてなされる。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
従来の重力測定では、数１の式に示されているように、重力計に作用する鉛直方向の加速度Ｚのみが考慮されていた。これは重力計を支持するプラットフォームが水平であると仮定している。しかしながら、実際には、プラットフォームは必ずしも正確に水平に保持されているとは限らない。重力異常ΔＧの精度が１ｍＧａｌ以下の場合、プラットフォームの許容傾斜角Δθは次のようになる。
【００１９】
【数２】
Δθ＝ｃｏｓ−１（１−１／９８００００）＝０．０８２［度］＝４．９［分］
【００２０】
プラットフォームが傾斜していると、重力計の出力には重力加速度の鉛直方向成分ばかりでなく水平加速度の鉛直方向成分が含まれる。この鉛直方向成分は誤差である。従って重力異常ΔＧを正確に測定することができない。
【００２１】
従って本発明は、航行体に搭載した重力測定装置によって重力を測定する場合、重力計を支持するプラットフォームが傾斜していても、正確に重力を測定することができることを目的とする。
【００２２】
本発明は、航行体に搭載した重力測定装置によって重力を測定する場合、航行体の加速度が大きい場合でも、正確に重力を測定することができることを目的とする。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
本発明の重力測定装置は、重力計と、該重力計を支持するプラットフォームと、該プラットフォームを水平に支持するジンバル機構を有する水平安定台と、該水平安定台と同一面内に装着され上記水平安定台に姿勢角信号を供給するジャイロコンパスと、を有し、航行体に搭載される重力測定装置において、
上記プラットフォームには水平方向の加速度を検出するための加速度計が装着され、ＤＧＰＳによる搬送波位相測位用の移動局と該移動局からの位置情報及び時刻情報を記録するための第１の記録演算装置が設けられ、ＤＧＰＳによるコード位相測位用の移動局と該移動局からの位置情報及び時刻情報を記録するための第２の記録演算装置が設けられ、上記第２の記録演算装置は上記重力計の出力信号と上記加速度計の出力信号と上記ジャイロコンパスの出力信号を記録し、上記搬送波位相測位用の移動局からの位置信号によって東西方向加速度及び南北方向加速度を演算し、該東西方向加速度及び南北方向加速度と上記ジャイロコンパスからの方位角信号によってロール方向加速度及びピッチ方向加速度を演算し、上記加速度計からの水平加速度信号によって上記プラットフォームのロール角誤差及びピッチ角誤差をフィルタ演算し、それによって上記重力計の出力を補正するように構成されていることを特徴とする。
【００２４】
従って、航行体に搭載した重力測定装置によって重力を測定する場合、重力測定装置を支持するプラットフォームが傾斜しても、正確に重力異常を測定することができる。
【００２６】
従って、航行体に搭載した重力測定装置によって重力（重力異常）を測定する場合、オフライン処理によって重力異常を演算することができる。
【００２８】
本発明の重力測定方法は、重力測定装置を用いて、上記航行体の上記プラットフォームに装着された重力計により重力を測定する重力測定方法であって、ＤＧＰＳによる上記搬送波位相測位用の移動局からの位置情報によって東西方向加速度及び南北方向加速度を演算することと、該東西方向加速度及び南北方向加速度と上記ジャイロコンパスからの方位角信号によってロール方向加速度及びピッチ方向加速度を演算することと、上記加速度計からの水平加速度信号によって上記プラットフォームのロール角誤差及びピッチ角誤差を演算することと、上記ロール角誤差及びピッチ角誤差によって上記重力計の出力を補正することと、を含む。
【００２９】
【発明の実施の形態】
図１及び図２を参照して本発明の重力測定装置の例を説明する。本例の重力測定装置は航行体１０の基台１０Ａに装着されたジャイロコンパス２１と重力計２２と加速度計２４、２５とを有する。
【００３０】
図２に示すように、重力計２２及び加速度計２４、２５は基台１０Ａに装着された水平安定台２３のプラットフォーム１０１上に装着されている。重力測定装置２０は更に移動局１４、１５からの信号を入力する記録演算装置３１、３２を有する。記録演算装置３１、３２は図示のように別個に設けてもよいが、１個の記録演算装置であってよい。
【００３１】
本例の重力測定装置は図５に示した従来の重力測定装置と比較して、加速度計２４、２５が付加的に装着されている点が異なり、それ以外の構成は同様であってよい。
【００３２】
第１の加速度計２４は、ロール方向の加速度を検出し、第２の加速度計２５は、ピッチ方向の加速度を検出する。
【００３３】
図３を参照して本例の重力測定装置及び方法における信号の流れ及び処理を説明する。搬送波位相測地用の移動局１４によって航行体１０の東西加速度αＥ及び南北加速度αＮが検出され、第１の記録演算装置３１に記録される。ジャイロコンパス２１によって航行体１０の方位角φが検出され、第２の記録演算装置３２に記録される。これらの信号より、次の式によって、航行体のロール方向加速度α１及びピッチ方向加速度α２が求められる。
【００３４】
【数３】
α１＝αＥｃｏｓφ−αＮｓｉｎφ
α２＝αＥｓｉｎφ＋αＮｃｏｓφ
【００３５】
尚、図３の右下の絵に示すように、ロール方向加速度は航行体のピッチ軸線方向に沿った加速度であり、ピッチ方向加速度は航行体のロール軸線方向に沿った加速度である。
【００３６】
重力計２２の出力Ｇｔは第２の記録演算装置３２に記録される。ここで、重力計２２の出力は、数１の式の代わりに次の式によって表される。
【００３７】
【数４】
0004316777.tif 000002
【００３８】
ここに、Ｈはプラットフォームの傾斜に起因した誤差である。それ以外の項ΔＧ、Ａ、Ｃ、Ｚ、Ｅは数１の式の項と同様である。Ｇ0 をここでは重力方向加速度と称する。
【００３９】
加速度計２４、２５の出力β１、β２は第２の記録演算装置３２に記録される。加速度計２４、２５の出力β１、β２は、次の式によって表される。
【００４０】
【数５】
β１＝α１’＋Ｇｔ・ｓｉｎθ１
β２＝α２’＋Ｇｔ・ｓｉｎθ２
【００４１】
数５の式の右辺の第１項α１’、α２’は航行体の運動に起因したプラットフォームのロール方向加速度及びピッチ方向加速度である。その大きさは５０Ｇａｌ程度であり、周期は２〜３分程度である。数５の式の右辺の第２項はプラットフォームの傾斜に起因した誤差である。その大きさは１Ｇａｌ程度であり、かなり長い周期を有する。
【００４２】
ロール角誤差及びピッチ誤差θ１、θ２は、それぞれプラットフォームのロール軸線周りの傾斜角及びピッチ軸線周りの傾斜角である。従って、プラットフォームが水平であるときには、この第２項は、ゼロとなる。以下に、加速度計２４、２５の出力β１、β２よりロール角誤差及びピッチ誤差θ１、θ２を求める手順を説明する。
【００４３】
数５の式の右辺の第１項と第２項では、その周期及びスペクトラムが異なるから適当なフィルタ処理によって両者を容易に分離することができる。従って、数５の式の右辺の第２項のみを取り出すことができる。
【００４４】
一方、数４の式の右辺において、プラットフォーム傾斜誤差Ｈは重力方向加速度Ｇ0 に比べて十分小さいとして無視する。更に、重力方向加速度Ｇ0 において、重力異常ΔＧ、フリーエア補正Ｃ、鉛直加速度Ｚ及びエトベス効果Ｅは、基準楕円体重力Ａに比べて十分小さいため、ここではそれらを無視する。従って次の式が成り立つ。
【００４５】
【数６】
Ｇｔ≒Ｇ0 ≒Ａ
【００４６】
数５の式の右辺の第２項を、それぞれγ１、γ２とすると、次のように表される。
【００４７】
【数７】
γ１＝Ｇｔ・ｓｉｎθ１≒Ｇ0 ・ｓｉｎθ１≒Ａ・ｓｉｎθ１
γ２＝Ｇｔ・ｓｉｎθ２≒Ｇ0 ・ｓｉｎθ２≒Ａ・ｓｉｎθ２
【００４８】
基準楕円体重力Ａは予め求められているから、ロール角誤差及びピッチ誤差θ１、θ２が求まる。ロール角誤差及びピッチ誤差θ１、θ２が求められると、プラットフォーム傾斜誤差Ｈは次の式によって演算される。
【００４９】
【数８】
Ｈ＝α１ｓｉｎθ１＋α２ｓｉｎθ２
【００５０】
基準楕円体重力Ａ、フリーエア補正Ｃ、鉛直加速度Ｚ、エトベス効果Ｅは予め求められている。従って、プラットフォーム傾斜誤差Ｈが求められると、数４の式より、重力異常ΔＧが求められる。尚、数４の式の右辺の鉛直加速度Ｚは、搬送波位相測地用の移動局１４によって検出される航行体の位置情報及び時刻情報より、積分演算によって求められる。
【００５１】
図３に示すように、搬送波位相測地用の移動局１４からの東西加速度αＥ及び南北加速度αＮ、ジャイロコンパス２１からの方位角φ、加速度計２４、２５の出力β１、β２、重力計２２からの出力Ｇｔは、航行体１０上にて、測定点の位置情報及び時刻情報と共にリアルタイムにて、得られる。
【００５２】
航行体のロール方向加速度α１及びピッチ方向加速度α２、ロール角誤差θ１及びピッチ角誤差θ２、プラットフォーム傾斜誤差Ｈ及び重力異常ΔＧはオフラインにて地上にて求められる。重力計２２の出力Ｇｔに含まれる各種の変数及び定数Ａ、Ｃ、Ｚ、Ｅ等はオフラインにて地上にて求められる。
【００５３】
以上本発明の例について説明したが、本発明は上述の例に限定されることなく特許請求の範囲に記載された本発明の範囲にて様々な変更が可能であることは当業者にとって容易に理解されよう。
【００５４】
【発明の効果】
本発明によると、航行体に搭載した重力測定装置によって重力を測定する場合、重力測定装置を支持するプラットフォームが傾斜しても、正確に重力異常を測定することができる利点を有する。
【００５５】
本発明によると、航行体に搭載した重力測定装置によって重力を測定する場合、オフライン処理によって重力異常を演算することができる利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による重力測定装置の主要部を示す図である。
【図２】本発明による重力測定装置の水平安定台の構造を示す図である。
【図３】本発明による重力測定装置における演算の手順を示す図である。
【図４】従来の重力測定装置及び方法の概略を示す図である。
【図５】従来の重力測定装置の主要部を示す図である。
【図６】従来の重力測定装置の水平安定台の構造を示す図である。
【符号の説明】
１０・・・ 航行体、  １０Ａ・・・ 基台、  １２，１３・・・ ＧＰＳ衛星、  １４，１５・・・ 移動局、  １６，１７・・・ 基準局、  ２０・・・ 重力測定装置、  ２１・・・ ジャイロコンパス、  ２２・・・ 重力計、  ２３・・・ 水平安定台、  ２４，２５・・・ 加速度計、  ３１，３２・・・ 記録演算装置
【図１】
0004316777.tif 000003
【図２】
0004316777.tif 000004
【図３】
0004316777.tif 000005
【図４】
0004316777.tif 000006
【図５】
0004316777.tif 000007
【図６】
0004316777.tif 000008