(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに異なる複数の方位φに対するジャイロドリフトの南北方向の成分Ｕｎを求め最小２乗法によってジャイロドリフトのロール軸周りの成分Ｕｘ及びピッチ軸周りの成分Ｕｙを演算し、該ジャイロドリフトのロール軸周りの成分Ｕｘ及びピッチ軸周りの成分Ｕｙによってロール軸周りの角速度を検出するＸジャイロの出力とピッチ軸周りの角速度を検出するＹジャイロの出力を補正するように構成された慣性航法装置。
【請求項２】
請求項１記載の慣性航法装置において、上記複数の方位φに対するジャイロドリフトの南北方向の成分Ｕｎは、異なる港に入港する度に収集されたデータであることを特徴とする慣性航法装置。
【請求項３】
請求項１記載の慣性航法装置において、上記複数の方位φに対するジャイロドリフトの南北方向の成分Ｕｎは、船舶の航行中に異なる方位になったときにＧＰＳを使用して得られたデータであることを特徴とする慣性航法装置。
【請求項４】
請求項１記載の慣性航法装置において、上記複数の方位φに対するジャイロドリフトの南北方向の成分Ｕｎは、船舶の停泊中に該慣性航法装置の取り付け台を回転させ慣性航法装置が異なる方位になったときに得られたデータであることを特徴とする慣性航法装置。
【請求項５】
船舶のロール軸周りの角速度を検出するＸジャイロとピッチ軸周りの角速度を検出するＹジャイロとアラインメントモードのときにカルマンフィルタによってジャイロドリフトの南北方向の成分Ｕｎ及び垂直方向の成分Ｕｄを推定演算するアラインメント部とを有する慣性航法装置において、
上記アラインメント部は、互いに異なる複数の方位φに対するジャイロドリフトの南北方向の成分Ｕｎを求め最小２乗法によってジャイロドリフトのロール軸周りの成分Ｕｘ及びピッチ軸周りの成分Ｕｙを演算し、それによって上記Ｘジャイロの出力と上記Ｙジャイロ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慣性航法装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は艦船等の船舶に装備するための慣性航法装置に関し、より詳細には、アラインメントモードにおいてカルマンフィルタによって誤差を推定するように構成された慣性航法装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
慣性航法装置の精度は、その慣性航法装置に使用されているジャイロの精度によって支配される。ジャイロの精度を表現するのに、しばしばジャイロドリフトが使用される。ジャイロドリフトは通常、１時間に何度の誤差が発生するのかとして表され、単位として〔°／ｈ〕が用いられる。
【０００３】
慣性航法装置には通常、互いに直交する３軸方向の入力軸を有するジャイロが装填され、３軸周りの角速度が出力される。従って、ジャイロドリフトは互いに直交する３軸方向の成分として表される。尚、角速度及びジャイロドリフトはベクトルによって表されるので、ある軸周りの角速度及びジャイロドリフトは、以下に、単にある軸方向の角速度及びジャイロドリフトと称する。
【０００４】
ジャイロドリフトを船体座標系によって表現すると、船体の首尾線方向、即ち、ロール軸方向の成分、船体の幅方向、即ち、ピッチ軸方向の成分、甲板に垂直な方向、即ち、方位軸方向がある。局地地球座標系によって表現すると、南北方向の成分Ｕｎ、東西方向の成分Ｕｅ及び垂直方向の成分Ｕｄがある。これらの関係については後に説明する。
【０００５】
慣性航法装置には、プラットホーム型とストラップダウン型がある。プラットホーム型は、ジャイロ等のセンサをプラットホームに取り付け、このプラットホームを水平に且つ南北方向に指向させる機構を有する。ストラップダウン型は、ジャイロ等のセンサを船体に直接取り付け、プラットホームを水平に且つ南北方向に指向させる動作はコンピュータ上にてなされる。
【０００６】
艦船等の船舶に搭載された慣性航法装置では、先ず初期化又はアラインメントがなされる。これは慣性航法装置の水平及び方位誤差及びジャイロ誤差等を予め求め、その補正を演算することであり、出航前に、停泊中になされる。従って慣性航法装置は先ず、このアラインメントモードにて作動され、アラインメントが終了した後に通常の運行のための慣性航法モードに切り換えられる。
【０００７】
アラインメントモードでは、カルマンフィルタを用いてジャイロドリフト及びそれに起因した誤差が推定される。カルマンフィルタでは、慣性航法装置の位置は既知であり、速度は略ゼロであると仮定し、位置及び速度を観測値として慣性航法の誤差モデルが用いられる。
【０００８】
図３を参照して従来のストラップダウン型慣性航法装置の例を説明する。慣性航法装置は図示のように方位及び姿勢（ロール及びピッチ）を演算する方位姿勢系と位置（緯度及び経度）及び速度を演算する位置速度系とを有する。方位姿勢系は３つのジャイロ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃと座標変換マトリックス演算部１３と自転修正部１５と速度修正部１７と方位姿勢演算部１９と有し、位置速度系は３つの加速度計２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃと座標変換部２３と切り換え部２４とアラインメント部２５と補正データ記憶部２６と慣性航法演算部２７とコリオリ力修正部２８と有する。
【０００９】
船体の首尾線方向、即ち、ロール軸方向にＸ軸、船体の幅方向、即ち、ピッチ軸方向にＹ軸、甲板に垂直な方向、即ち、方位軸方向に、Ｚ軸をとる。
【００１０】
３つのジャイロ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃは互いに直交する３軸、即ち、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向の入力軸を有し、Ｘジャイロ１１ＡはＸ軸周りの角速度ωX を出力し、Ｙジャイロ１１ＢはＹ軸周りの角速度ωY を出力し、Ｚジャイロ１１ＣはＺ軸周りの角速度ωZ を出力する。
【００１１】
自転修正部１５は地球の自転角速度ΩE を演算する。船舶の現在地Ｐの緯度をλとする。局地水平面は地点Ｐにおける地球面に対する接平面である。地球の自転角速度ΩE のベクトルは地球の自転軸線方向に沿っている。従って、地球の自転角速度ΩE のベクトルは、地点Ｐにおける局地水平面に対して傾斜角λにて傾斜している。地球の自転角速度ΩE のベクトルを、局地水平面に沿った真北方向の成分ΩE ｃｏｓλと局地水平面に垂直な方向の成分ΩE ｓｉｎλに分解することができる。自転修正部１５はこれらの値を演算する。
【００１２】
速度修正部１７は地球上にて艦船が航行することによって生ずる角速度を演算する。自転修正部１５及び速度修正部１７の出力は座標変換マトリックス演算部１３に供給される。
【００１３】
座標変換マトリックス演算部１３は、３つのジャイロ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃより出力された角速度ωX 、ωY 、ωZ を局地水平面上の局地水平座標系に変換し、それを時々刻々積分する。また、自転修正部１５及び速度修正部１７の出力によって演算値を修正する。座標変換マトリックス演算部１３の出力は方位姿勢演算部１９に供給される。方位姿勢演算部１９は座標変換マトリックス演算部１３から出力された積分値より、艦船の方位及び姿勢（ロール及びピッチ）を演算する。
【００１４】
３つの加速度計２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃは互いに直交する３軸、即ち、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向の入力軸を有し、Ｘ加速度計２１ＡはＸ軸方向の加速度ＡX を出力し、Ｙ加速度計２１ＢはＹ軸方向の加速度ＡY を出力し、Ｚ加速度計２１ＣはＺ軸方向の加速度ＡZ を出力する。これらの加速度ＡX 、ＡY 、ＡZ は、座標変換部２３に供給される。
【００１５】
座標変換部２３は座標変換マトリックス演算部１３から供給された座標変換マトリックスを用いて、３つの加速度計２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃの出力を局地水平面上の局地地球座標系に変換し、加速度の東西方向成分Ａｅ及び南北方向成分Ａｎを求める。
【００１６】
座標変換部２３の出力Ａｅ及びＡｎは切り換え部２４を経由してアラインメント部２５又は慣性航法演算部２７に供給される。アラインメントモードでは座標変換部２３の出力Ａｅ及びＡｎは切り換え部２４を経由してアラインメント部２５に供給され、アラインメントモードが終了し慣性航法モードになると、座標変換部２３の出力Ａｅ及びＡｎは切り換え部２４を経由して慣性航法演算部２７に供給される。
【００１７】
図４を参照してアラインメント部２５の動作を説明する。加速度の南北方向成分Ａｎ及び東西方向成分Ａｅは、初期値をゼロとして、それぞれ積分器２５１Ａ、２５１Ｂによって積分される。それによって速度の南北方向成分Ｖｎ及び東西方向成分Ｖｅが求められる。速度の南北方向成分Ｖｎ及び東西方向成分Ｖｅはそれぞれ加算器２５２Ａ、２５２Ｂを経由して係数器２５３Ａ、２５３Ｂに供給され、そこで係数１／Ｒ及び１／（Ｒｃｏｓλ）が乗算される。Ｒは地球の半径、λは緯度である。それによって緯度及び経度の次元に変換される。
【００１８】
係数器２５３Ａ、２５３Ｂの出力は、停泊中の船舶の緯度及び経度を初期値としてそれぞれ積分器２５４Ａ、２５４Ｂによって積分され、加算器２５５Ａ、２５５Ｂを経由して、緯度及び経度が求められる。尚、この演算中、加算器２５２Ａ、２５２Ｂにおいて、積分器２５１Ａ、２５１Ｂの出力はカルマンフィルタによって推定された南北速度誤差及び東西速度誤差の推定値Ｕｎ、Ｕｅによってそれぞれ修正され、加算器２５５Ａ、２５５Ｂにおいて、積分器２５４Ａ、２５４Ｂの出力はカルマンフィルタによって推定された緯度誤差及び経度誤差の推定値によって修正される。
【００１９】
図５を参照して、アラインメント部２５において、カルマンフィルタによって推定演算される誤差を説明する。尚、カルマンフィルタについては周知であるので、詳細な説明は省略する。観測値として、緯度出力と緯度の初期値の偏差、経度出力と経度の初期値の偏差、南北速度と南北速度の初期値の偏差、東西速度と東西速度の初期値の偏差、が用いられる。
【００２０】
緯度出力及び経度出力は図４を参照して説明したようにアラインメント部２５にて求められる。南北速度Ｖｎ及び東西速度Ｖｅの初期値はゼロである。カルマンフィルタによる推定演算の結果得られるのは、緯度誤差、経度誤差、南北速度誤差、東西速度誤差、南北傾斜誤差、東西傾斜誤差、方位誤差、ジャイロドリフトの南北方向成分Ｕｎ及び垂直方向成分Ｕｄである。
【００２１】
即ち、アラインメント部２５では、ジャイロドリフトの３つの成分Ｕｎ、Ｕｅ、Ｕｄのうち南北方向成分Ｕｎ及び垂直方向成分Ｕｄは推定されるが、東西方向成分Ｕｅは推定されない。カルマンフィルタによる推定演算では、方位誤差とドリフトの東西方向成分Ｕｅを分離することができないからである。従って、東西方向成分Ｕｅの補正の代わりに方位誤差の補正がなされる。
【００２２】
再び図３を参照する。アラインメント部２５によって演算された誤差及びジャイロドリフトの南北方向成分Ｕｎ及び垂直方向成分Ｕｄは補正データ記憶部２６に記憶される。これらの値は座標変換マトリックス演算部１３に供給され、演算値が補正される。
【００２３】
ジャイロドリフトの南北方向成分Ｕｎ、東西方向成分Ｕｅ及び垂直方向成分ＵｄとジャイロドリフトのＸ、Ｙ、Ｚ軸方向の成分Ｕｘ、Ｕｙ、Ｕｚの関係は次のように方位φを含む関係によって表される。但し、船舶は水平であると仮定する。
【００２４】
【数１】
Ｕｎ＝Ｕｘｃｏｓφ−Ｕｙｓｉｎφ
Ｕｅ＝Ｕｘｓｉｎφ＋Ｕｙｃｏｓφ
Ｕｄ＝Ｕｚ
【００２５】
アラインメントモードが終了すると慣性航法モードに切り換えられる。慣性航法モードでは、座標変換部２３の出力Ａｅ及びＡｎは切り換え部２４を経由して慣性航法演算部２７に供給される。
【００２６】
慣性航法演算部２７は座標変換部２３の出力とコリオリ修正部２８の出力を入力する。コリオリ修正部２８は自転する地球上にて船舶が航行することに起因して生ずるコリオリ加速度を演算する。慣性航法演算部２７は座標変換部２３より出力された加速度Ａｅ及びＡｎをコリオリ加速度によって補正し順次積分して、位置（緯度及び経度）と速度を演算する。
【００２７】
【発明が解決しようとする課題】
ジャイロドリフトは通常、ジャイロを工場より出荷するときに既に補正されている。従って、数１の式のジャイロドリフトはゼロである。しかしながら、経年変化等によってジャイロドリフトが出荷時より変化した場合には、それを補正しなければならない。従来、ジャイロドリフトを補正する場合、ジャイロを製造工場に返却し、専用の試験装置によってジャイロドリフトを正確に再測定しなければならない欠点があった。
【００２８】
数１の式より、ジャイロドリフトの垂直方向成分Ｕｄは変針によって変化しないが、南北方向成分Ｕｎ及び東西方向成分Ｕｅは変針、即ち、方位φの変化によって変化する。従って、アラインメントが終了し、出航後に、通常の慣性航法モードにて航行するとき、変針によって方位がアラインメント時より変化することがある。それによって、ドリフトの南北方向成分Ｕｎ及び東西方向成分Ｕｅが実際には変化し、位置及び速度に誤差が生ずる欠点があった。
【００２９】
本発明は、斯かる点に鑑み、慣性航法装置において、ジャイロドリフトの補正を、ジャイロを慣性航法装置より取り外して専用の試験装置によって再測定する代わりに船舶の慣性航法装置に装着したままで、行うようにすることを目的とする。
【００３０】
本発明は、斯かる点に鑑み、変針によってドリフトの南北方向成分Ｕｎ及び東西方向成分Ｕｅが変化し、位置及び速度に誤差が生ずることを防止することを目的とするものである。
【００３１】
【課題を解決するための手段】
本発明の慣性航法装置は、互いに異なる複数の方位φに対するジャイロドリフトの南北方向の成分Ｕｎを求め最小２乗法によってジャイロドリフトのロール軸周りの成分Ｕｘ及びピッチ軸周りの成分Ｕｙを演算し、該ジャイロドリフトのロール軸周りの成分Ｕｘ及びピッチ軸周りの成分Ｕｙによってロール軸周りの角速度を検出するＸジャイロの出力とピッチ軸周りの角速度を検出するＹジャイロの出力を補正するように構成されている。
【００３２】
従って、ジャイロドリフトが経年変化によって設置時より変化した場合に、ジャイロを慣性航法装置より取り外すことなく、ジャイロドリフトの現在値を求め、それによってジャイロの出力を修正することができる。
【００３３】
尚、複数の方位φに対するジャイロドリフトの南北方向の成分Ｕｎは、異なる港に入港する度に収集されたデータであってもよく、船舶の航行中に異なる方位になったときにＧＰＳを使用して得られたデータであってもよく、船舶の停泊中に該慣性航法装置の取り付け台を回転させ慣性航法装置が異なる方位になったときに得られたデータであってもよい。
【００３４】
【発明の実施の形態】
図１を参照して本発明の第一の例を説明する。本例の慣性航法装置は図３に示した従来の慣性航法装置と比較して、データ記憶部３１とデータ処理部３３を有する点が異なり、それ以外の構成は従来の慣性航法装置と同様であってよい。従って、以下にデータ記憶部３１とデータ処理部３３以外の説明は省略する。
【００３５】
本例によると、アラインメントモードにおいて、停泊中の様々な方位φ1 〜φN におけるジャイロドリフトの南北方向成分Ｕｎ1 〜ＵｎN が求められ、それらはデータ記憶部３１に記憶される。大きな艦船の場合、１つの停泊港にて、船舶を様々な方位に移動させるのは困難である。従って、このデータは、船舶が多数の異なる港に入港したときに収集する。
【００３６】
ジャイロドリフトの南北方向成分Ｕｎ1 〜ＵｎN の求め方は図３を参照して説明したように、アラインメント部２５においてカルマンフィルタを使用して得られる。このデータはアラインメント部２５から直接、データ記憶部３１に供給される。データ記憶部３１に多数のデータが収集されたら、データ処理部３３にてジャイロドリフトのＸ軸方向の成分及びＹ軸方向の成分Ｕｘ、Ｕｙが演算される。この演算は以下に説明するように、最小二乗法によってなされる。
【００３７】
ジャイロドリフトの南北方向成分Ｕｎ1 〜ＵｎN と方位φ1 〜φN の関係は数１の式の第１式によって表される。従って、Ｎ組のデータに対して次のようなＮ個の式が得られる。
【００３８】
【数２】
Ｕｎ1 ＝Ｕｘｃｏｓφ1 −Ｕｙｓｉｎφ1 
Ｕｎ2 ＝Ｕｘｃｏｓφ2 −Ｕｙｓｉｎφ2 
Ｕｎ3 ＝Ｕｘｃｏｓφ3 −Ｕｙｓｉｎφ3 
・
・
・
ＵｎN ＝ＵｘｃｏｓφN −ＵｙｓｉｎφN 
【００３９】
これらを行列式によって表現する。行列Ｚ、Ａ、Ｘをそれぞれ次のように定義する。
【００４０】
【数３】
0003834743.tif 000002
【００４１】
これらの行列Ｚ、Ａ、Ｘを用いて数２の式は次のように表される。
【００４２】
【数４】
Ｚ＝Ａ・Ｘ
【００４３】
この式より行列Ｘを最小二乗法によって求めると次のように表される。
【００４４】
【数５】
Ｘ＝［ＡT ・Ａ］-1・ＡT ・Ｚ
【００４５】
これらの演算はデータ処理部３３にてなされ、行列Ｘ、即ち、ジャイロドリフトのＸ軸方向及びＹ軸方向の成分Ｕｘ、Ｕｙが求められる。この２つの成分Ｕｘ、Ｕｙによって、Ｘジャイロ１１ＡとＹジャイロ１１Ｂの出力が修正される。図示のように、Ｘジャイロ１１ＡとＹジャイロ１１Ｂの出力側に、加算器３５Ａ、３５Ｂが設けられ、Ｘジャイロ１１ＡとＹジャイロ１１Ｂの出力は、データ処理部３３より出力されたジャイロドリフトのＸ方向及びＹ方向成分Ｕｘ、Ｕｙによって修正される。
【００４６】
ジャイロドリフトのＸ方向及びＹ方向成分Ｕｘ、Ｕｙを求めるために、ジャイロドリフトの南北方向成分Ｕｎ1 〜ＵｎN を使用した理由は、上述のようにアラインメント部２５では、３つのジャイロドリフトの成分Ｕｎ、Ｕｅ、Ｕｄのうち南北方向成分Ｕｎ及び垂直方向成分Ｕｄは推定されるが、東西方向成分Ｕｅは推定されないからである。
【００４７】
図２を参照して本発明の第２の例について説明する。第１の例では、アラインメント部２５は、停泊中に方位φ1 〜φN とジャイロドリフトの南北方向成分Ｕｎ1 〜ＵｎN のデータを求めた。この第１の例では、データの収集に困難を伴う場合がある。例えば、入港する港の数が少ない場合には、十分な数のデータが得られない。また、異なる港でも停泊する埠頭の位置によって方位が同一になる場合には、データが得られない。
【００４８】
本例によると、アラインメント部２５は、航行中に様々な方位φ1 〜φN におけるジャイロドリフトの南北方向成分Ｕｎ1 〜ＵｎN を求め、それをデータ記憶部３１に記憶する。即ち、航行中にアラインメントモードに切り換え、方位φ1 〜φN とジャイロドリフトの南北方向成分Ｕｎ1 〜ＵｎN の関係を求める。ジャイロドリフトの南北方向成分Ｕｎ1 〜ＵｎN はカルマンフィルタを使用して得られるが、観測値として必要なデータは、航行中にＧＰＳより求める。
【００４９】
本例によると、任意の方位φ1 〜φN を選択することができる。例えば、方位φ1 〜φN として、０°、９０°、１８０°、２７０°等、９０°毎の方位角が選択されてよい。これらのデータは、データ記憶部３１に記憶され、データ処理部３３によってジャイロドリフトのＸ軸方向及びＹ軸方向の成分Ｕｘ、Ｕｙが求められる。データ記憶部３１とデータ処理部３３の動作は第１の例と同様である。
【００５０】
ストラップダウン型の慣性航法装置は船体に直接装着されるが、本発明の他の例では、適当な回転可能な取り付け台上に装着される。従って、アラインメントモードにおいて、この取り付け台を回転させながらジャイロドリフトの南北方向の成分Ｕｎを求め、それをデータ記憶部３１に記憶してもよい。
【００５１】
以上本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明はこれら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発明の範囲にて様々な変更等が可能であることは当業者にとって理解されよう。
【００５２】
【発明の効果】
本発明によると、ジャイロドリフトが経年変化等によってジャイロの取り付け時より変化した場合でも、慣性航法装置を船舶に装着した状態にて、ジャイロドリフトの補正をすることができる利点がある。
【００５３】
本発明によると、ジャイロドリフトが経年変化等によって変化した場合でも、簡単な装置及び方法によって、ジャイロドリフトの補正をすることができる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による慣性航法装置の第１の例の構成例を示す図である。
【図２】本発明による慣性航法装置の第２の例の構成例を示す図である。
【図３】従来の慣性航法装置の構成例を示す図である。
【図４】従来の慣性航法装置のアラインメント部の動作を説明するための説明図である。
【図５】従来の慣性航法装置のアラインメント部におけるカルマンフィルタの推定値を説明するための説明図である。
【符号の説明】
１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ  ジャイロ
１３  座標変換マトリックス演算部
１５  自転修正部
１７  速度修正部
１９  方位姿勢演算部
２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ  加速度計
２３  座標変換部
２５  アラインメント部
２６  補正データ記憶部
２７  慣性航法演算部
２８  コリオリ修正部
３１  データ記憶部
３３  データ処理部
【図１】
0003834743.tif 000003
【図２】
0003834743.tif 000004
【図３】
0003834743.tif 000005
【図４】
0003834743.tif 000006
【図５】
0003834743.tif 000007