慣性航法システム
【課題】 簡単な構造で、姿勢がほぼ安定して長時間・長距離航行する移動体に用いる場合のジャイロ及び加速時計のドリフト・バイアス誤差を低減する慣性航法システムを提供する。
【解決手段】 慣性航法システム座標系の直交する三軸周りの角速度を検出する少なくとも３個のジャイロスコープ１と、慣性航法システム座標系の直交する三軸方向の加速度を検出する少なくとも３個の加速度計２とを有する慣性測定部Ｓを備えた慣性航法システムＩにおいて、慣性測定部Ｓを上面に配置し、上面と直交する慣性航法システム座標系の一軸周りに回転をする回転台３と、回転台３の回転角を検出する回転角検出手段４とを有する回転台部Ｒと、慣性測定部Ｓと回転台部Ｒからの出力により姿勢情報及び位置情報を計算する演算部Ｃとを備えたことを特徴とする。
【解決手段】 慣性航法システム座標系の直交する三軸周りの角速度を検出する少なくとも３個のジャイロスコープ１と、慣性航法システム座標系の直交する三軸方向の加速度を検出する少なくとも３個の加速度計２とを有する慣性測定部Ｓを備えた慣性航法システムＩにおいて、慣性測定部Ｓを上面に配置し、上面と直交する慣性航法システム座標系の一軸周りに回転をする回転台３と、回転台３の回転角を検出する回転角検出手段４とを有する回転台部Ｒと、慣性測定部Ｓと回転台部Ｒからの出力により姿勢情報及び位置情報を計算する演算部Ｃとを備えたことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、船舶、海中探査機、長距離トンネル掘削（シールド工法）等において、外界からの情報伝達が困難な移動体プラットフォームに固定設置し、長時間運動する移動体の位置及び方位検出として使用されるストラップダウン方式の慣性航法システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
慣性航法装置は、移動体が運動する際に生じる慣性力を検知し、物理計算及び幾何学計算を行うことにより、移動体の基準座標系における絶対位置（緯度と経度）を導出する装置である。そして、ジャイロスコープ及び加速度計が移動体に固定されて取り付けられている慣性航法装置の方式をストラップダウン方式慣性航法装置という。
【０００３】
従来から、慣性航法装置ではジャイロスコープ及び加速度計がランダムな誤差（バイアス・ドリフト誤差）を持っており、該慣性航法装置が出力する位置情報系の精度が劣化するという問題点があり、このため長時間・長距離の慣性航法が困難となっていた。
【０００４】
そこで、該問題点を解決するために、移動体の位置検出における慣性航法装置の性能改善として船舶においてはＧＰＳ、海中探査機においては支援母船又はトランスポンダ等の外部データを用いて内部演算ゲインを補正する手法がある。しかし、外部データを取得することが困難な海中、地中では前記の手法は適用不可能である。また、支援母船の随行やトランスポンダの事前設置は運航体制を大規模化にするため、運航経費の増大や監視体制の強化等の問題点がある。
【０００５】
海中探査機においてはドップラ速度計等の他のセンサを用いたハイブリットにより慣性情報の精度を上げる手法が適用されている。この手法では、他の外界センサを必要とすることから、機構が複雑になると共に費用も増大し、また、ドップラ速度計の精度が劣化する場合、慣性測定ユニットとなるジャイロスコープや加速度計の姿勢系情報や位置系情報のみに依存しなければならない。しかし、これらセンサは、ドリフトやバイアス等のランダムな誤差を有しているため、長時間・長距離の移動、航行を余儀無くする船舶、海中探査機やシールド掘進機が要求するような精度が補償されない。
【０００６】
また、慣性航法装置の性能は主要センサであるジャイロスコープ、加速度計の精度に強く依存するので、これらセンサの性能を個々に上げることが考えられるが、現在、これらセンサの開発は既に高い完成度をもっており、更なる性能改善をはかるには、この分野における技術革新的な展開と、多大なる時間及び費用が必要となる。
【０００７】
そこで、慣性航法装置単体での性能改善の手法として、回転台を用いた手法を開示しているものがある（特許文献１）。特許文献１の第１実施形態の装置は、慣性測定ユニットを２つの回転軸において回転自在となるように支持した姿勢設定部によって、慣性測定ユニットの１つの検出軸が垂直状態に姿勢設定された時に検出された当該検出軸方向の加速度を予め記憶された重力加速度データと比較することにより当該検出軸方向の加速度を検出する加速度センサのバイアス誤差を検出すると共に、前記１つの検出軸が垂直状態に姿勢設定された時に検出された当該検出軸に直交する他の２軸周りの各角速度を予め記憶された前記角速度と地球の自転速度と航走体の緯度の各データから算出された前記他の２軸周りの各角速度と比較することにより当該２軸周りの各角速度を検出する各ジャイロのバイアス誤差を検出し、前記加速度センサのバイアス誤差及び各ジャイロのバイアス誤差によって位置系情報を補正するものである。また、特許文献１の第２実施形態の装置は、慣性測定ユニットを回転テーブル上に直接固定し、１秒間に数回転から数十回転の回転速度で常時一定回転させるものである。
【特許文献１】特開２００１−１４１５０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記特許文献１の第１実施形態の装置は、ジンバル機構を備えているため構造が複雑となる。また、上記特許文献１の第２実施形態の装置は、姿勢設定部が設けられておらず、Ｘ軸とＹ軸とが水平状態に設定されていないため、回転速度を船体の揺動周期よりも速い速度に設定する必要がある。したがって、回転軸に配置されるジャイロのスケールファクタ誤差により検出する方位角誤差が積算されてしまうことになる。さらに、加速度計の取付位置が回転台の回転中心と完全に一致しないと、高速回転する際に加速度計に大きな遠心加速度が入力され、別の誤差要因となる。
【０００９】
本発明は、上記課題を解決するものであって、簡単な構造で、姿勢がほぼ安定して長時間・長距離航行する移動体に用いる場合のジャイロ及び加速度計のドリフト・バイアス誤差を低減する慣性航法システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
そのために本発明は、慣性航法システム座標系の直交する三軸周りの角速度を検出する少なくとも３個のジャイロスコープと、前記慣性航法システム座標系の直交する三軸方向の加速度を検出する少なくとも３個の加速度計とを有する慣性測定部を備えた移動体の慣性航法システムにおいて、前記慣性測定部を上面に配置し、該上面と直交する慣性航法システム座標系の一軸周りに低速回転をする回転台と、前記回転台の回転角を検出する回転角検出手段とを有する回転台部と、前記慣性測定部と前記回転台部からの出力により前記移動体の姿勢情報及び位置情報を計算する演算部とを備えたことを特徴とする。
【００１１】
また、前記演算部は、前記ジャイロスコープが出力する角速度信号から慣性航法システム座標系と基準座標系との姿勢関係を記述する第一座標変換行列を計算する第一座標変換行列計算手段と、前記回転角検出手段の出力する角度信号から慣性航法システム座標系と移動体座標系との姿勢関係を記述する第二座標変換行列を計算する第二座標変換行列計算手段と、前記第一座標変換行列計算手段の出力と前記第二座標変換行列計算手段の出力とから前記基準座標系において前記移動体の向いている方位・ロール・ピッチを出力するための姿勢角計算手段とを有することを特徴とする。
【００１２】
また、前記演算部は、前記第一座標変換行列計算手段で計算された第一座標変換行列を入力し、前記回転台の基準座標系に対する角度及び角速度を出力する角度・角速度計算手段を有し、前記回転台部は、前記角度・角速度計算手段の出力から、前記移動体の旋回に関わらず前記慣性測定部の方位が常に基準座標系に対しほぼ一定の回転速度となるように前記回転台を制御する回転台制御手段を有することを特徴とする。
【００１３】
また、前記回転台は、アライメント中及び計測中に回転することを特徴とする。
【００１４】
また、前記回転台は、前記移動体の旋回に関わらず前記慣性測定部の方位が常に基準座標系に対し一回転するごとに回転方向を逆転することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
それによって、本発明は、慣性航法システム座標系の直交する三軸周りの角速度を検出する少なくとも３個のジャイロスコープと、前記慣性航法システム座標系の直交する三軸方向の加速度を検出する少なくとも３個の加速度計とを有する慣性測定部を備えた移動体の慣性航法システムにおいて、前記慣性測定部を上面に配置し、該上面と直交する慣性航法システム座標系の一軸周りに低速回転をする回転台と、前記回転台の回転角を検出する回転角検出手段とを有する回転台部と、前記慣性測定部と前記回転台部からの出力により前記移動体の姿勢情報及び位置情報を計算する演算部とを備えたので、従来の慣性航法装置が有していたジャイロスコープ、加速度計のドリフト・バイアス誤差が回転台から与えられる回転運動により平均化され、位置系情報の精度を向上させつつ、回転運動による遠心加速度的な誤差要因を補償し、移動体の位置情報だけでなく、姿勢系情報を算出することができる。また、従来の慣性航法装置に簡便な回転台部を付加することのみで性能向上をはかることができるため、新規開発と比較して開発費用が抑えられ、製造メーカ、機体種別に関係なく適用できる手法であるので、既存の装置を流用することが可能である。
【００１６】
また、前記演算部は、前記ジャイロスコープが出力する角速度信号から慣性航法システム座標系と基準座標系との姿勢関係を記述する第一座標変換行列を計算する第一座標変換行列計算手段と、前記回転角検出手段の出力する角度信号から慣性航法システム座標系と移動体座標系との姿勢関係を記述する第二座標変換行列を計算する第二座標変換行列計算手段と、前記第一座標変換行列計算手段の出力と前記第二座標変換行列計算手段の出力とから前記基準座標系において前記移動体の向いている方位・ロール・ピッチを出力するための姿勢角計算手段とを有するので、方位・ロール・ピッチの姿勢系情報を正確に算出することができる。
【００１７】
また、前記演算部は、前記第一座標変換行列計算手段で計算された第一座標変換行列を入力し、前記回転台の基準座標系に対する角度及び角速度を出力する角度・角速度計算手段を有し、前記回転台部は、前記角度・角速度計算手段の出力から、前記移動体の旋回に関わらず前記慣性測定部の方位が常に基準座標系に対しほぼ一定の回転速度となるように前記回転台を制御する回転台制御手段を有するので、方位・ロール・ピッチの姿勢系情報をさらに正確に算出することができる。
【００１８】
また、前記回転台は、アライメント中及び計測中に回転するので、アライメント時においてもセンサの検出値の誤差を軽減することができる。
【００１９】
また、前記回転台は、前記移動体の旋回に関わらず前記慣性測定部の方位が常に基準座標系に対し一回転するごとに回転方向を逆転するので、ジャイロスコープ及び加速度計がもつアシンメトリによるスケールファクタ誤差の蓄積を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は本実施形態の慣性航法システムの概略図、を示す。図１において、Ｉは慣性航法システム、Ｓは慣性測定部、Ｒは回転台部、Ｃは演算部、１はジャイロスコープ、２は加速度計、３は回転台、４は回転角検出手段、５は回転台制御手段、６は第一座標変換行列計算手段、７は座標変換手段、８は第二座標変換行列計算手段、９は姿勢角計算手段、１０は加算手段、１１は第１積分手段、１２は第２積分手段、１３は補正手段、１４は角度・角速度計算手段である。
【００２１】
慣性航法システムＩは、慣性測定部Ｓ、回転台部Ｒ及び演算部Ｃを備えており、姿勢がほぼ一定に安定している移動体Ｍに搭載され、移動体Ｍの位置情報、姿勢系情報を算出する。
【００２２】
慣性測定部Ｓは、ジャイロスコープ１及び加速度計２を有し、ジャイロスコープ１及び加速度計２で測定された角速度及び加速度を慣性情報として演算部Ｃに出力する。ジャイロスコープ１は、慣性航法システム（ＩＮＳ）座標系（ＸI軸、ＹI軸、ＺI軸）の三軸周りの角速度を検出するもので、慣性測定部Ｓの各軸に３個配置されている。加速度計２は、慣性航法システム座標系の三軸方向の加速度を検出するもので、慣性測定部Ｓの各軸に３個配置されている。なお、ジャイロスコープ１及び加速度計２はそれぞれ３個以上配置してもよい。図２は慣性測定部Ｓの概略図である。
【００２３】
回転台部Ｒは回転台３、回転角検出手段４及び回転台制御手段５を有し、回転台制御手段５により回転台３を回転させ、回転角検出手段４で検出した回転台３の回転角を演算部Ｃに出力する。回転台３は、慣性測定部Ｓを台上に配置し、図示しない駆動部により慣性航法システム座標系の一軸（ＺI軸）周りで駆動され、慣性測定部Ｓを回転させる台であり、移動体Ｍに支持されている。回転角検出手段４は、回転台３の回転角を検出し、演算部Ｃに出力する。回転台制御手段５は、ジャイロスコープ１が検出した角速度から演算部Ｃの第一座標変換行列計算手段６で第一座標変換行列を計算し、該第一座標変換行列から角度・角速度計算手段１４で求めた基準座標系に対する回転台３の角度及び角速度の信号を入力することにより、慣性測定部Ｓの方位が常に基準座標系（ＸB軸、ＹB軸、ＺB軸）に対しほぼ一定の回転速度となるよう回転台３を制御する。例えば、回転台３を基準座標系に対し定速＝＋１°／ｓで回転させることを考える場合、仮に移動体Ｍが基準座標系に対し＋２°／ｓで旋回しているならば、回転台３を基準座標系に対し−１°／ｓで回転させることで、回転台３上の慣性計測部Ｓのジャイロスコープ１の出力が基準座標系に対し＋１°／ｓとなるように制御し、仮に移動体Ｍが基準座標系に対し−２°／ｓで旋回しているならば、回転台３を基準座標系に対し＋３°／ｓで回転させることで、回転台３上の慣性計測部Ｓのジャイロスコープ１の出力が基準座標系に対し＋１°／ｓとなるように制御する。
【００２４】
演算部Ｃは、高速動作する一種のコンピュータであり、第一座標変換行列計算手段６、座標変換手段７、第二座標変換行列計算手段８、姿勢角計算手段９、加算手段１０，積分手段１１及び１２、補正手段１３、角度・角速度計算手段１４を有し、ジャイロスコープ１及び加速度計２で測定された角速度及び加速度並びに回転角検出器４で検出した回転台３の回転角を入力し、演算することで、基準座標系に対する移動体Ｍの方位・ロール・ピッチ情報、速度情報及び位置情報並びに基準座標系に対する回転台３の角度・角速度のそれぞれの情報を出力する。
【００２５】
第一座標変換行列計算手段６は、ジャイロスコープ１が出力する角速度信号から慣性航法システム座標系（ＸI軸、ＹI軸、ＺI軸）と基準座標系（ＸB軸、ＹB軸、ＺB軸）との姿勢関係を記述する第一座標変換行列を計算する手段であり、該第一座標変換行列計算手段６で計算された第一座標変換行列は座標変換手段７、姿勢角計算手段９及び角度・角速度計算手段１４に出力される。
【００２６】
座標変換手段７は、加速度計２が出力する加速度信号を、第一座標変換行列計算手段６で計算された第一座標変換行列により基準座標系における加速度信号に変換する手段であり、該第一座標変換手段６で求められた基準座標系における加速度信号を加算手段１０に出力する。
【００２７】
第二座標変換行列計算手段８は、回転角検出手段４が出力する回転角度信号から慣性航法システム座標系（ＸI軸、ＹI軸、ＺI軸）と移動体座標系（ＸM軸、ＹM軸、ＺM軸）との姿勢関係を記述する第二座標変換行列を計算する手段であり、該第二座標変換行列計算手段８で計算された第二座標変換行列は姿勢角計算手段９に出力される。
【００２８】
姿勢角計算手段９は、第一座標変換行列計算手段６で計算された第一座標変換行列と該第二座標変換行列計算手段８で計算された第二座標変換行列を入力し、基準座標系において移動体Ｍの向いている方位・ロール・ピッチを出力するための手段である。
【００２９】
加算手段１０は、座標変換手段７で座標変換した加速度信号と、後述する重力加速度及びコリオリ力の影響を補正する補正手段１３の出力とを加算する手段で、第１積分手段１１に出力するための手段である。
【００３０】
第１積分手段１１は、加速度信号と補正手段１３の出力とを加算手段１０で加算した信号を積分し、基準座標系における速度信号を出力するための手段であり、第２積分手段１２は、速度信号をさらに積分し、基準座標系における位置信号を出力するための手段である。
【００３１】
補正手段１３は、第１積分手段１１から出力された速度信号と、第２積分手段１２から出力された位置信号とを、重力加速度及びコリオリ力等の影響を考慮して補正し、座標変換手段７の出力する加速度信号にフィードバックする手段である。
【００３２】
角度・角速度計算手段１４は、第一座標変換行列計算手段６で計算された第一座標変換行列を入力し、回転台制御手段５に出力するための手段である。
【００３３】
ここで、図３を参照して本システムの座標系について説明する。図３は基準座標系、慣性航法システム座標系及び移動体座標系を示す図である。図３（ａ）は基準座標系（ＸB，ＹB，ＺB）、図３（ｂ）は移動体座標系（ＸM，ＹM，ＺM）、図３（ｃ）は慣性航法システム座標系（ＸI，ＹI，ＺI）、を示している。
【００３４】
図３（ａ）で示した基準座標系（ＸB，ＹB，ＺB）とは、地球表面からみて北極方向をＸB、東方向をＹB、中心方向をＺBとした座標系である。図３（ｂ）で示した移動体座標系（ＸM，ＹM，ＺM）とは、移動体Ｍの前方向をＸM、図３（ｂ）においてＸMに対して側方に向かう直角方向をＹM、図３（ｂ）においてＸM及びＹMに対して直交し下方に向かう方向をＺMとした座標系である。図３（ｃ）で示した慣性航法システム座標系（ＸI，ＹI，ＺI）とは、慣性航法システムＩの長手方向をＸI、図３（ｃ）においてＸIに対して側面に向かう直角方向をＹI、図３（ｃ）においてＸI及びＹIに対して直交し下面に向かう方向をＺIとした座標系である。
【００３５】
また、図４を用いて、回転によって慣性測定部Ｓの誤差を軽減する概念を説明する。ストラップダウン方式の慣性測定部Ｓにおいて、Ｙ軸上に配置したジャイロスコープ１の角速度出力にδωのドリフト誤差がある場合（図４ａ）、ほぼ水平状態を保持する移動体Ｍにおいて、慣性測定部Ｓを回転台に設置し一定の角速度で１８０度回転を与えると、Ｙ軸の位相が逆転して同じドリフト誤差が−δωとなって表れる（図４ｂ）。したがって、一回転すると該ドリフト誤差は平均的に０に近づき、影響が軽減される。加速度計２の主要誤差であるバイアス誤差の影響も同様にして軽減される。このようにして、ジャイロスコープ１及び加速度計２に起因する速度誤差及び位置誤差の低減をはかることができる。
【００３６】
次に、アライメントについて説明する。本発明のストラップダウン方式の慣性航法システムでは、３個の加速度計２の出力が０となる方向を見つけることにより、慣性航法システム座標系のＸ軸及びＹ軸における平面と水平面との関係が記述されるレベリング処理と、続いて水平面に射影されたジャイロスコープ１の出力が０となる方向を定めることにより水平面上での基準座標系のＮ軸を定める探北処理とを行い、基準座標系と慣性航法システム座標系との関係を計測し、座標変換行列を求める。このレベリング処理と探北処理とをアライメントという。
【００３７】
次に、このように構成された慣性航法システムＩによる移動体Ｍの方位・ロール・ピッチ、速度及び位置の計算について説明する。回転台３が回転動作を続けている間に、慣性航法システムＩの慣性測定部Ｓに配置したジャイロスコープ１で計測された移動体Ｍの角速度を入力することにより第一座標変換行列計算手段６で計算された第一座標変換行列と、回転角検出手段４で計測された回転角を入力することにより第二座標変換行列計算手段８で計算された第二座標変換行列とから、姿勢角計算手段９で移動体Ｍの向いている方位・ロール・ピッチを計算する。
【００３８】
また、回転台３が回転動作を続けている間に慣性航法システムＩの慣性測定部Ｓに配置した加速度計２で計測された加速度を第一座標変換手段６で座標変換し、補正手段１３からの信号を加算手段１０で加算した後、第１積分手段１１により積分して移動体Ｍの速度を計算し、さらに該速度を第２積分手段１２により積分して移動体Ｍの位置を計算する。これにより、位置情報系の精度を向上し、全ての姿勢情報系を計算することができる。
【００３９】
次に、このように構成された慣性航法システムＩの回転台３の作動について説明する。まず、慣性航法システムＩの慣性測定部Ｓを回転台部Ｒの回転台３の上に回転軸と慣性航法システム座標系（ＸI，ＹI，ＺI）のＺI軸を合わせて配置する。回転台３は、アライメント時及び位置等の計測時に一定の角速度で回転し、台上の慣性測定部Ｓに回転を与える。この際の回転速度は１秒間に０度より大きく１０度以下の低速で、常時一定回転させるものである。続いて、移動体Ｍの旋回に関わらず基準座標系（ＸB，ＹB，ＺB）において一回転（３６０度）した時点で、回転方向を逆向きに変更し、同様の角速度で回転させる。回転台３はアライメント時及び計測時にこの回転動作を続ける。
【００４０】
なお、上記回転速度は一例として述べたのであって、回転速度は遠心加速度的な誤差要因の少ない範囲で１秒間に多少１０度以上となっても良く、同様に上記回転方向は二回転や三回転した時点で回転方向を逆向きに変更しても良い。
【００４１】
図５は、航空機に搭載されている慣性航法装置の一例と、海中探査機に搭載されている慣性航法装置の一例と、本発明の慣性航法システムＩの性能評価の一例を比較した図である。
【００４２】
航空機に搭載されている慣性航法装置の一例及び海中探査機に搭載されている慣性航法装置の一例の評価方法は、まず、アライメントを実施し、慣性航法モードで約９０分間作動させる作業を１０回繰り返すものである。
【００４３】
次に、本発明の慣性航法システムＩの評価方法を説明する。まず、慣性測定部Ｓを回転台３に載せ、アライメントを実施し、開始約１０分後から１度／ｓの角速度で回転台３を回転させる。アライメントが終了した後、引き続き一定の角速度で回転台３を回転し、慣性航法モードで約９０分間作動させる。この作業を１０回繰り返す。
【００４４】
それぞれで得られたデータから位置誤差のＲＭＳ（二乗平均値）を求める。ここで、ＲＭＳとは平均線から測定曲線までの偏差の二乗を平均した値の平方根である。さらに、位置誤差のＲＭＳから５０％ＣＥＰ５０％（Circular Error Probability）を次の式によりもとめる。
【００４５】
（数１)
CEP50%(NM/H)＝1.177/√2×RMS(m)／1.5(H)／1852(m/NM)
ここで、ＣＥＰ５０％とは、ある出力値において、その出力値の半数がある半径の円の中に収まる場合の円の半径を表す。また、単位（ＮＭ）はNautical Mileを示す。
【００４６】
性能評価を比較した結果、航空機に搭載されている慣性航法装置の一例の誤差は２ＮＭ、海中探査機に搭載されている慣性航法装置の一例の誤差は０．２ＮＭなのに対し、本発明の慣性航法システムＩの誤差は０．０７ＮＭとなり、航法性能が向上しているのがわかる。
【００４７】
したがって、本発明の慣性航法システムＩを適用することにより、従来の慣性航法装置が有していたジャイロスコープ、加速度計のドリフト・バイアス誤差が回転台から与えられる回転運動により平均化され、位置系情報の精度を向上させることができる。
【００４８】
また、アライメント時に回転台３を回転させることにより、アライメント時においても慣性測定部Ｓの検出値の誤差を軽減することができる。
【００４９】
さらに、回転台３は、移動体Ｍの旋回に関わらず慣性測定部Ｓの方位が常に基準座標系に対して一定の回転速度となるように低速で回転させるので、ジャイロスコープ１及び加速度計２の誤差を軽減させつつ、回転運動による遠心加速度的な誤差要因を補償することができる。
【００５０】
また、移動体Ｍの旋回に関わらず慣性測定部Ｓの方位が基準座標系に対し１回転又は数回転した時点で、回転方向を逆向きに変更し、同様に基準座標系に対し一定回転速度となるように回転させるので、ジャイロスコープ１のスケールファクタ誤差による方位角誤差の蓄積を抑制することができる。
【００５１】
さらに、回転角検出手段４が回転台３の回転角度を検出することにより、移動体Ｍの位置情報だけでなく、姿勢系情報を算出することができる。
【００５２】
また、従来の慣性航法装置に簡便な回転台部Ｒを付加することのみで性能向上をはかることができるため、新規開発と比較して開発費用が抑えられる。さらに、ストラップダウン方式の慣性航法装置ならば製造メーカ、機体種別に関係なく適用できる手法であるので、既存の装置を流用することが可能である。
【００５３】
この慣性航法システムＩを、海中探査機へ適用した場合には、ミッション中の支援母船の随行及びトランスポンダの設置をする必要がなくなり、船舶へ適用した場合には、ＧＰＳ航行のバックアップができるとともに、精度の高い姿勢系情報も取得できる。他にも、ＧＰＳ電波の届かない環境であるシールド工法によるトンネル掘削でもシールド掘進機を長時間・長距離に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の慣性航法システムを示す図
【図２】本発明の慣性測定部を示す図
【図３】本発明の座標系を示す図
【図４】本発明の概念を示す図
【図５】本発明の性能評価を示す図
【符号の説明】
【００５５】
Ｉ…慣性航法システム、Ｓ…慣性測定部、Ｒ…回転台部、Ｃ…演算部、１…ジャイロスコープ、２…加速度計、３…回転台、４…回転角検出手段、５…回転台制御手段、６…第一座標変換行列計算手段、７…座標変換手段、８…第二座標変換行列計算手段、９…姿勢角計算手段、１０…加算手段、１１…第１積分手段、１２…第２積分手段、１３…補正手段、１４…角度・角速度計算手段
【技術分野】
【０００１】
本発明は、船舶、海中探査機、長距離トンネル掘削（シールド工法）等において、外界からの情報伝達が困難な移動体プラットフォームに固定設置し、長時間運動する移動体の位置及び方位検出として使用されるストラップダウン方式の慣性航法システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
慣性航法装置は、移動体が運動する際に生じる慣性力を検知し、物理計算及び幾何学計算を行うことにより、移動体の基準座標系における絶対位置（緯度と経度）を導出する装置である。そして、ジャイロスコープ及び加速度計が移動体に固定されて取り付けられている慣性航法装置の方式をストラップダウン方式慣性航法装置という。
【０００３】
従来から、慣性航法装置ではジャイロスコープ及び加速度計がランダムな誤差（バイアス・ドリフト誤差）を持っており、該慣性航法装置が出力する位置情報系の精度が劣化するという問題点があり、このため長時間・長距離の慣性航法が困難となっていた。
【０００４】
そこで、該問題点を解決するために、移動体の位置検出における慣性航法装置の性能改善として船舶においてはＧＰＳ、海中探査機においては支援母船又はトランスポンダ等の外部データを用いて内部演算ゲインを補正する手法がある。しかし、外部データを取得することが困難な海中、地中では前記の手法は適用不可能である。また、支援母船の随行やトランスポンダの事前設置は運航体制を大規模化にするため、運航経費の増大や監視体制の強化等の問題点がある。
【０００５】
海中探査機においてはドップラ速度計等の他のセンサを用いたハイブリットにより慣性情報の精度を上げる手法が適用されている。この手法では、他の外界センサを必要とすることから、機構が複雑になると共に費用も増大し、また、ドップラ速度計の精度が劣化する場合、慣性測定ユニットとなるジャイロスコープや加速度計の姿勢系情報や位置系情報のみに依存しなければならない。しかし、これらセンサは、ドリフトやバイアス等のランダムな誤差を有しているため、長時間・長距離の移動、航行を余儀無くする船舶、海中探査機やシールド掘進機が要求するような精度が補償されない。
【０００６】
また、慣性航法装置の性能は主要センサであるジャイロスコープ、加速度計の精度に強く依存するので、これらセンサの性能を個々に上げることが考えられるが、現在、これらセンサの開発は既に高い完成度をもっており、更なる性能改善をはかるには、この分野における技術革新的な展開と、多大なる時間及び費用が必要となる。
【０００７】
そこで、慣性航法装置単体での性能改善の手法として、回転台を用いた手法を開示しているものがある（特許文献１）。特許文献１の第１実施形態の装置は、慣性測定ユニットを２つの回転軸において回転自在となるように支持した姿勢設定部によって、慣性測定ユニットの１つの検出軸が垂直状態に姿勢設定された時に検出された当該検出軸方向の加速度を予め記憶された重力加速度データと比較することにより当該検出軸方向の加速度を検出する加速度センサのバイアス誤差を検出すると共に、前記１つの検出軸が垂直状態に姿勢設定された時に検出された当該検出軸に直交する他の２軸周りの各角速度を予め記憶された前記角速度と地球の自転速度と航走体の緯度の各データから算出された前記他の２軸周りの各角速度と比較することにより当該２軸周りの各角速度を検出する各ジャイロのバイアス誤差を検出し、前記加速度センサのバイアス誤差及び各ジャイロのバイアス誤差によって位置系情報を補正するものである。また、特許文献１の第２実施形態の装置は、慣性測定ユニットを回転テーブル上に直接固定し、１秒間に数回転から数十回転の回転速度で常時一定回転させるものである。
【特許文献１】特開２００１−１４１５０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記特許文献１の第１実施形態の装置は、ジンバル機構を備えているため構造が複雑となる。また、上記特許文献１の第２実施形態の装置は、姿勢設定部が設けられておらず、Ｘ軸とＹ軸とが水平状態に設定されていないため、回転速度を船体の揺動周期よりも速い速度に設定する必要がある。したがって、回転軸に配置されるジャイロのスケールファクタ誤差により検出する方位角誤差が積算されてしまうことになる。さらに、加速度計の取付位置が回転台の回転中心と完全に一致しないと、高速回転する際に加速度計に大きな遠心加速度が入力され、別の誤差要因となる。
【０００９】
本発明は、上記課題を解決するものであって、簡単な構造で、姿勢がほぼ安定して長時間・長距離航行する移動体に用いる場合のジャイロ及び加速度計のドリフト・バイアス誤差を低減する慣性航法システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
そのために本発明は、慣性航法システム座標系の直交する三軸周りの角速度を検出する少なくとも３個のジャイロスコープと、前記慣性航法システム座標系の直交する三軸方向の加速度を検出する少なくとも３個の加速度計とを有する慣性測定部を備えた移動体の慣性航法システムにおいて、前記慣性測定部を上面に配置し、該上面と直交する慣性航法システム座標系の一軸周りに低速回転をする回転台と、前記回転台の回転角を検出する回転角検出手段とを有する回転台部と、前記慣性測定部と前記回転台部からの出力により前記移動体の姿勢情報及び位置情報を計算する演算部とを備えたことを特徴とする。
【００１１】
また、前記演算部は、前記ジャイロスコープが出力する角速度信号から慣性航法システム座標系と基準座標系との姿勢関係を記述する第一座標変換行列を計算する第一座標変換行列計算手段と、前記回転角検出手段の出力する角度信号から慣性航法システム座標系と移動体座標系との姿勢関係を記述する第二座標変換行列を計算する第二座標変換行列計算手段と、前記第一座標変換行列計算手段の出力と前記第二座標変換行列計算手段の出力とから前記基準座標系において前記移動体の向いている方位・ロール・ピッチを出力するための姿勢角計算手段とを有することを特徴とする。
【００１２】
また、前記演算部は、前記第一座標変換行列計算手段で計算された第一座標変換行列を入力し、前記回転台の基準座標系に対する角度及び角速度を出力する角度・角速度計算手段を有し、前記回転台部は、前記角度・角速度計算手段の出力から、前記移動体の旋回に関わらず前記慣性測定部の方位が常に基準座標系に対しほぼ一定の回転速度となるように前記回転台を制御する回転台制御手段を有することを特徴とする。
【００１３】
また、前記回転台は、アライメント中及び計測中に回転することを特徴とする。
【００１４】
また、前記回転台は、前記移動体の旋回に関わらず前記慣性測定部の方位が常に基準座標系に対し一回転するごとに回転方向を逆転することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
それによって、本発明は、慣性航法システム座標系の直交する三軸周りの角速度を検出する少なくとも３個のジャイロスコープと、前記慣性航法システム座標系の直交する三軸方向の加速度を検出する少なくとも３個の加速度計とを有する慣性測定部を備えた移動体の慣性航法システムにおいて、前記慣性測定部を上面に配置し、該上面と直交する慣性航法システム座標系の一軸周りに低速回転をする回転台と、前記回転台の回転角を検出する回転角検出手段とを有する回転台部と、前記慣性測定部と前記回転台部からの出力により前記移動体の姿勢情報及び位置情報を計算する演算部とを備えたので、従来の慣性航法装置が有していたジャイロスコープ、加速度計のドリフト・バイアス誤差が回転台から与えられる回転運動により平均化され、位置系情報の精度を向上させつつ、回転運動による遠心加速度的な誤差要因を補償し、移動体の位置情報だけでなく、姿勢系情報を算出することができる。また、従来の慣性航法装置に簡便な回転台部を付加することのみで性能向上をはかることができるため、新規開発と比較して開発費用が抑えられ、製造メーカ、機体種別に関係なく適用できる手法であるので、既存の装置を流用することが可能である。
【００１６】
また、前記演算部は、前記ジャイロスコープが出力する角速度信号から慣性航法システム座標系と基準座標系との姿勢関係を記述する第一座標変換行列を計算する第一座標変換行列計算手段と、前記回転角検出手段の出力する角度信号から慣性航法システム座標系と移動体座標系との姿勢関係を記述する第二座標変換行列を計算する第二座標変換行列計算手段と、前記第一座標変換行列計算手段の出力と前記第二座標変換行列計算手段の出力とから前記基準座標系において前記移動体の向いている方位・ロール・ピッチを出力するための姿勢角計算手段とを有するので、方位・ロール・ピッチの姿勢系情報を正確に算出することができる。
【００１７】
また、前記演算部は、前記第一座標変換行列計算手段で計算された第一座標変換行列を入力し、前記回転台の基準座標系に対する角度及び角速度を出力する角度・角速度計算手段を有し、前記回転台部は、前記角度・角速度計算手段の出力から、前記移動体の旋回に関わらず前記慣性測定部の方位が常に基準座標系に対しほぼ一定の回転速度となるように前記回転台を制御する回転台制御手段を有するので、方位・ロール・ピッチの姿勢系情報をさらに正確に算出することができる。
【００１８】
また、前記回転台は、アライメント中及び計測中に回転するので、アライメント時においてもセンサの検出値の誤差を軽減することができる。
【００１９】
また、前記回転台は、前記移動体の旋回に関わらず前記慣性測定部の方位が常に基準座標系に対し一回転するごとに回転方向を逆転するので、ジャイロスコープ及び加速度計がもつアシンメトリによるスケールファクタ誤差の蓄積を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は本実施形態の慣性航法システムの概略図、を示す。図１において、Ｉは慣性航法システム、Ｓは慣性測定部、Ｒは回転台部、Ｃは演算部、１はジャイロスコープ、２は加速度計、３は回転台、４は回転角検出手段、５は回転台制御手段、６は第一座標変換行列計算手段、７は座標変換手段、８は第二座標変換行列計算手段、９は姿勢角計算手段、１０は加算手段、１１は第１積分手段、１２は第２積分手段、１３は補正手段、１４は角度・角速度計算手段である。
【００２１】
慣性航法システムＩは、慣性測定部Ｓ、回転台部Ｒ及び演算部Ｃを備えており、姿勢がほぼ一定に安定している移動体Ｍに搭載され、移動体Ｍの位置情報、姿勢系情報を算出する。
【００２２】
慣性測定部Ｓは、ジャイロスコープ１及び加速度計２を有し、ジャイロスコープ１及び加速度計２で測定された角速度及び加速度を慣性情報として演算部Ｃに出力する。ジャイロスコープ１は、慣性航法システム（ＩＮＳ）座標系（ＸI軸、ＹI軸、ＺI軸）の三軸周りの角速度を検出するもので、慣性測定部Ｓの各軸に３個配置されている。加速度計２は、慣性航法システム座標系の三軸方向の加速度を検出するもので、慣性測定部Ｓの各軸に３個配置されている。なお、ジャイロスコープ１及び加速度計２はそれぞれ３個以上配置してもよい。図２は慣性測定部Ｓの概略図である。
【００２３】
回転台部Ｒは回転台３、回転角検出手段４及び回転台制御手段５を有し、回転台制御手段５により回転台３を回転させ、回転角検出手段４で検出した回転台３の回転角を演算部Ｃに出力する。回転台３は、慣性測定部Ｓを台上に配置し、図示しない駆動部により慣性航法システム座標系の一軸（ＺI軸）周りで駆動され、慣性測定部Ｓを回転させる台であり、移動体Ｍに支持されている。回転角検出手段４は、回転台３の回転角を検出し、演算部Ｃに出力する。回転台制御手段５は、ジャイロスコープ１が検出した角速度から演算部Ｃの第一座標変換行列計算手段６で第一座標変換行列を計算し、該第一座標変換行列から角度・角速度計算手段１４で求めた基準座標系に対する回転台３の角度及び角速度の信号を入力することにより、慣性測定部Ｓの方位が常に基準座標系（ＸB軸、ＹB軸、ＺB軸）に対しほぼ一定の回転速度となるよう回転台３を制御する。例えば、回転台３を基準座標系に対し定速＝＋１°／ｓで回転させることを考える場合、仮に移動体Ｍが基準座標系に対し＋２°／ｓで旋回しているならば、回転台３を基準座標系に対し−１°／ｓで回転させることで、回転台３上の慣性計測部Ｓのジャイロスコープ１の出力が基準座標系に対し＋１°／ｓとなるように制御し、仮に移動体Ｍが基準座標系に対し−２°／ｓで旋回しているならば、回転台３を基準座標系に対し＋３°／ｓで回転させることで、回転台３上の慣性計測部Ｓのジャイロスコープ１の出力が基準座標系に対し＋１°／ｓとなるように制御する。
【００２４】
演算部Ｃは、高速動作する一種のコンピュータであり、第一座標変換行列計算手段６、座標変換手段７、第二座標変換行列計算手段８、姿勢角計算手段９、加算手段１０，積分手段１１及び１２、補正手段１３、角度・角速度計算手段１４を有し、ジャイロスコープ１及び加速度計２で測定された角速度及び加速度並びに回転角検出器４で検出した回転台３の回転角を入力し、演算することで、基準座標系に対する移動体Ｍの方位・ロール・ピッチ情報、速度情報及び位置情報並びに基準座標系に対する回転台３の角度・角速度のそれぞれの情報を出力する。
【００２５】
第一座標変換行列計算手段６は、ジャイロスコープ１が出力する角速度信号から慣性航法システム座標系（ＸI軸、ＹI軸、ＺI軸）と基準座標系（ＸB軸、ＹB軸、ＺB軸）との姿勢関係を記述する第一座標変換行列を計算する手段であり、該第一座標変換行列計算手段６で計算された第一座標変換行列は座標変換手段７、姿勢角計算手段９及び角度・角速度計算手段１４に出力される。
【００２６】
座標変換手段７は、加速度計２が出力する加速度信号を、第一座標変換行列計算手段６で計算された第一座標変換行列により基準座標系における加速度信号に変換する手段であり、該第一座標変換手段６で求められた基準座標系における加速度信号を加算手段１０に出力する。
【００２７】
第二座標変換行列計算手段８は、回転角検出手段４が出力する回転角度信号から慣性航法システム座標系（ＸI軸、ＹI軸、ＺI軸）と移動体座標系（ＸM軸、ＹM軸、ＺM軸）との姿勢関係を記述する第二座標変換行列を計算する手段であり、該第二座標変換行列計算手段８で計算された第二座標変換行列は姿勢角計算手段９に出力される。
【００２８】
姿勢角計算手段９は、第一座標変換行列計算手段６で計算された第一座標変換行列と該第二座標変換行列計算手段８で計算された第二座標変換行列を入力し、基準座標系において移動体Ｍの向いている方位・ロール・ピッチを出力するための手段である。
【００２９】
加算手段１０は、座標変換手段７で座標変換した加速度信号と、後述する重力加速度及びコリオリ力の影響を補正する補正手段１３の出力とを加算する手段で、第１積分手段１１に出力するための手段である。
【００３０】
第１積分手段１１は、加速度信号と補正手段１３の出力とを加算手段１０で加算した信号を積分し、基準座標系における速度信号を出力するための手段であり、第２積分手段１２は、速度信号をさらに積分し、基準座標系における位置信号を出力するための手段である。
【００３１】
補正手段１３は、第１積分手段１１から出力された速度信号と、第２積分手段１２から出力された位置信号とを、重力加速度及びコリオリ力等の影響を考慮して補正し、座標変換手段７の出力する加速度信号にフィードバックする手段である。
【００３２】
角度・角速度計算手段１４は、第一座標変換行列計算手段６で計算された第一座標変換行列を入力し、回転台制御手段５に出力するための手段である。
【００３３】
ここで、図３を参照して本システムの座標系について説明する。図３は基準座標系、慣性航法システム座標系及び移動体座標系を示す図である。図３（ａ）は基準座標系（ＸB，ＹB，ＺB）、図３（ｂ）は移動体座標系（ＸM，ＹM，ＺM）、図３（ｃ）は慣性航法システム座標系（ＸI，ＹI，ＺI）、を示している。
【００３４】
図３（ａ）で示した基準座標系（ＸB，ＹB，ＺB）とは、地球表面からみて北極方向をＸB、東方向をＹB、中心方向をＺBとした座標系である。図３（ｂ）で示した移動体座標系（ＸM，ＹM，ＺM）とは、移動体Ｍの前方向をＸM、図３（ｂ）においてＸMに対して側方に向かう直角方向をＹM、図３（ｂ）においてＸM及びＹMに対して直交し下方に向かう方向をＺMとした座標系である。図３（ｃ）で示した慣性航法システム座標系（ＸI，ＹI，ＺI）とは、慣性航法システムＩの長手方向をＸI、図３（ｃ）においてＸIに対して側面に向かう直角方向をＹI、図３（ｃ）においてＸI及びＹIに対して直交し下面に向かう方向をＺIとした座標系である。
【００３５】
また、図４を用いて、回転によって慣性測定部Ｓの誤差を軽減する概念を説明する。ストラップダウン方式の慣性測定部Ｓにおいて、Ｙ軸上に配置したジャイロスコープ１の角速度出力にδωのドリフト誤差がある場合（図４ａ）、ほぼ水平状態を保持する移動体Ｍにおいて、慣性測定部Ｓを回転台に設置し一定の角速度で１８０度回転を与えると、Ｙ軸の位相が逆転して同じドリフト誤差が−δωとなって表れる（図４ｂ）。したがって、一回転すると該ドリフト誤差は平均的に０に近づき、影響が軽減される。加速度計２の主要誤差であるバイアス誤差の影響も同様にして軽減される。このようにして、ジャイロスコープ１及び加速度計２に起因する速度誤差及び位置誤差の低減をはかることができる。
【００３６】
次に、アライメントについて説明する。本発明のストラップダウン方式の慣性航法システムでは、３個の加速度計２の出力が０となる方向を見つけることにより、慣性航法システム座標系のＸ軸及びＹ軸における平面と水平面との関係が記述されるレベリング処理と、続いて水平面に射影されたジャイロスコープ１の出力が０となる方向を定めることにより水平面上での基準座標系のＮ軸を定める探北処理とを行い、基準座標系と慣性航法システム座標系との関係を計測し、座標変換行列を求める。このレベリング処理と探北処理とをアライメントという。
【００３７】
次に、このように構成された慣性航法システムＩによる移動体Ｍの方位・ロール・ピッチ、速度及び位置の計算について説明する。回転台３が回転動作を続けている間に、慣性航法システムＩの慣性測定部Ｓに配置したジャイロスコープ１で計測された移動体Ｍの角速度を入力することにより第一座標変換行列計算手段６で計算された第一座標変換行列と、回転角検出手段４で計測された回転角を入力することにより第二座標変換行列計算手段８で計算された第二座標変換行列とから、姿勢角計算手段９で移動体Ｍの向いている方位・ロール・ピッチを計算する。
【００３８】
また、回転台３が回転動作を続けている間に慣性航法システムＩの慣性測定部Ｓに配置した加速度計２で計測された加速度を第一座標変換手段６で座標変換し、補正手段１３からの信号を加算手段１０で加算した後、第１積分手段１１により積分して移動体Ｍの速度を計算し、さらに該速度を第２積分手段１２により積分して移動体Ｍの位置を計算する。これにより、位置情報系の精度を向上し、全ての姿勢情報系を計算することができる。
【００３９】
次に、このように構成された慣性航法システムＩの回転台３の作動について説明する。まず、慣性航法システムＩの慣性測定部Ｓを回転台部Ｒの回転台３の上に回転軸と慣性航法システム座標系（ＸI，ＹI，ＺI）のＺI軸を合わせて配置する。回転台３は、アライメント時及び位置等の計測時に一定の角速度で回転し、台上の慣性測定部Ｓに回転を与える。この際の回転速度は１秒間に０度より大きく１０度以下の低速で、常時一定回転させるものである。続いて、移動体Ｍの旋回に関わらず基準座標系（ＸB，ＹB，ＺB）において一回転（３６０度）した時点で、回転方向を逆向きに変更し、同様の角速度で回転させる。回転台３はアライメント時及び計測時にこの回転動作を続ける。
【００４０】
なお、上記回転速度は一例として述べたのであって、回転速度は遠心加速度的な誤差要因の少ない範囲で１秒間に多少１０度以上となっても良く、同様に上記回転方向は二回転や三回転した時点で回転方向を逆向きに変更しても良い。
【００４１】
図５は、航空機に搭載されている慣性航法装置の一例と、海中探査機に搭載されている慣性航法装置の一例と、本発明の慣性航法システムＩの性能評価の一例を比較した図である。
【００４２】
航空機に搭載されている慣性航法装置の一例及び海中探査機に搭載されている慣性航法装置の一例の評価方法は、まず、アライメントを実施し、慣性航法モードで約９０分間作動させる作業を１０回繰り返すものである。
【００４３】
次に、本発明の慣性航法システムＩの評価方法を説明する。まず、慣性測定部Ｓを回転台３に載せ、アライメントを実施し、開始約１０分後から１度／ｓの角速度で回転台３を回転させる。アライメントが終了した後、引き続き一定の角速度で回転台３を回転し、慣性航法モードで約９０分間作動させる。この作業を１０回繰り返す。
【００４４】
それぞれで得られたデータから位置誤差のＲＭＳ（二乗平均値）を求める。ここで、ＲＭＳとは平均線から測定曲線までの偏差の二乗を平均した値の平方根である。さらに、位置誤差のＲＭＳから５０％ＣＥＰ５０％（Circular Error Probability）を次の式によりもとめる。
【００４５】
（数１)
CEP50%(NM/H)＝1.177/√2×RMS(m)／1.5(H)／1852(m/NM)
ここで、ＣＥＰ５０％とは、ある出力値において、その出力値の半数がある半径の円の中に収まる場合の円の半径を表す。また、単位（ＮＭ）はNautical Mileを示す。
【００４６】
性能評価を比較した結果、航空機に搭載されている慣性航法装置の一例の誤差は２ＮＭ、海中探査機に搭載されている慣性航法装置の一例の誤差は０．２ＮＭなのに対し、本発明の慣性航法システムＩの誤差は０．０７ＮＭとなり、航法性能が向上しているのがわかる。
【００４７】
したがって、本発明の慣性航法システムＩを適用することにより、従来の慣性航法装置が有していたジャイロスコープ、加速度計のドリフト・バイアス誤差が回転台から与えられる回転運動により平均化され、位置系情報の精度を向上させることができる。
【００４８】
また、アライメント時に回転台３を回転させることにより、アライメント時においても慣性測定部Ｓの検出値の誤差を軽減することができる。
【００４９】
さらに、回転台３は、移動体Ｍの旋回に関わらず慣性測定部Ｓの方位が常に基準座標系に対して一定の回転速度となるように低速で回転させるので、ジャイロスコープ１及び加速度計２の誤差を軽減させつつ、回転運動による遠心加速度的な誤差要因を補償することができる。
【００５０】
また、移動体Ｍの旋回に関わらず慣性測定部Ｓの方位が基準座標系に対し１回転又は数回転した時点で、回転方向を逆向きに変更し、同様に基準座標系に対し一定回転速度となるように回転させるので、ジャイロスコープ１のスケールファクタ誤差による方位角誤差の蓄積を抑制することができる。
【００５１】
さらに、回転角検出手段４が回転台３の回転角度を検出することにより、移動体Ｍの位置情報だけでなく、姿勢系情報を算出することができる。
【００５２】
また、従来の慣性航法装置に簡便な回転台部Ｒを付加することのみで性能向上をはかることができるため、新規開発と比較して開発費用が抑えられる。さらに、ストラップダウン方式の慣性航法装置ならば製造メーカ、機体種別に関係なく適用できる手法であるので、既存の装置を流用することが可能である。
【００５３】
この慣性航法システムＩを、海中探査機へ適用した場合には、ミッション中の支援母船の随行及びトランスポンダの設置をする必要がなくなり、船舶へ適用した場合には、ＧＰＳ航行のバックアップができるとともに、精度の高い姿勢系情報も取得できる。他にも、ＧＰＳ電波の届かない環境であるシールド工法によるトンネル掘削でもシールド掘進機を長時間・長距離に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の慣性航法システムを示す図
【図２】本発明の慣性測定部を示す図
【図３】本発明の座標系を示す図
【図４】本発明の概念を示す図
【図５】本発明の性能評価を示す図
【符号の説明】
【００５５】
Ｉ…慣性航法システム、Ｓ…慣性測定部、Ｒ…回転台部、Ｃ…演算部、１…ジャイロスコープ、２…加速度計、３…回転台、４…回転角検出手段、５…回転台制御手段、６…第一座標変換行列計算手段、７…座標変換手段、８…第二座標変換行列計算手段、９…姿勢角計算手段、１０…加算手段、１１…第１積分手段、１２…第２積分手段、１３…補正手段、１４…角度・角速度計算手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
慣性航法システム座標系の直交する三軸周りの角速度を検出する少なくとも３個のジャイロスコープと、前記慣性航法システム座標系の直交する三軸方向の加速度を検出する少なくとも３個の加速度計とを有する慣性測定部を備えた移動体の慣性航法システムにおいて、前記慣性測定部を上面に配置し、該上面と直交する慣性航法システム座標系の一軸周りに低速回転をする回転台と、前記回転台の回転角を検出する回転角検出手段とを有する回転台部と、前記慣性測定部と前記回転台部からの出力により前記移動体の姿勢情報及び位置情報を計算する演算部とを備えたことを特徴とする慣性航法システム。
【請求項２】
前記演算部は、前記ジャイロスコープが出力する角速度信号から慣性航法システム座標系と基準座標系との姿勢関係を記述する第一座標変換行列を計算する第一座標変換行列計算手段と、前記回転角検出手段の出力する角度信号から慣性航法システム座標系と移動体座標系との姿勢関係を記述する第二座標変換行列を計算する第二座標変換行列計算手段と、前記第一座標変換行列計算手段の出力と前記第二座標変換行列計算手段の出力とから前記基準座標系において前記移動体の向いている方位・ロール・ピッチを出力するための姿勢角計算手段とを有することを特徴とする請求項１に記載の慣性航法システム。
【請求項３】
前記演算部は、前記第一座標変換行列計算手段で計算された第一座標変換行列を入力し、前記回転台の基準座標系に対する角度及び角速度を出力する角度・角速度計算手段を有し、前記回転台部は、前記角度・角速度計算手段の出力から、前記移動体の旋回に関わらず前記慣性測定部の方位が常に基準座標系に対しほぼ一定の回転速度となるように前記回転台を制御する回転台制御手段を有することを特徴とする請求項２に記載の慣性航法システム。
【請求項４】
前記回転台は、アライメント中及び計測中に回転することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の慣性航法システム。
【請求項５】
前記回転台は、前記移動体の旋回に関わらず前記慣性測定部の方位が常に基準座標系に対し一回転するごとに回転方向を逆転することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の慣性航法システム。
【請求項１】
慣性航法システム座標系の直交する三軸周りの角速度を検出する少なくとも３個のジャイロスコープと、前記慣性航法システム座標系の直交する三軸方向の加速度を検出する少なくとも３個の加速度計とを有する慣性測定部を備えた移動体の慣性航法システムにおいて、前記慣性測定部を上面に配置し、該上面と直交する慣性航法システム座標系の一軸周りに低速回転をする回転台と、前記回転台の回転角を検出する回転角検出手段とを有する回転台部と、前記慣性測定部と前記回転台部からの出力により前記移動体の姿勢情報及び位置情報を計算する演算部とを備えたことを特徴とする慣性航法システム。
【請求項２】
前記演算部は、前記ジャイロスコープが出力する角速度信号から慣性航法システム座標系と基準座標系との姿勢関係を記述する第一座標変換行列を計算する第一座標変換行列計算手段と、前記回転角検出手段の出力する角度信号から慣性航法システム座標系と移動体座標系との姿勢関係を記述する第二座標変換行列を計算する第二座標変換行列計算手段と、前記第一座標変換行列計算手段の出力と前記第二座標変換行列計算手段の出力とから前記基準座標系において前記移動体の向いている方位・ロール・ピッチを出力するための姿勢角計算手段とを有することを特徴とする請求項１に記載の慣性航法システム。
【請求項３】
前記演算部は、前記第一座標変換行列計算手段で計算された第一座標変換行列を入力し、前記回転台の基準座標系に対する角度及び角速度を出力する角度・角速度計算手段を有し、前記回転台部は、前記角度・角速度計算手段の出力から、前記移動体の旋回に関わらず前記慣性測定部の方位が常に基準座標系に対しほぼ一定の回転速度となるように前記回転台を制御する回転台制御手段を有することを特徴とする請求項２に記載の慣性航法システム。
【請求項４】
前記回転台は、アライメント中及び計測中に回転することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の慣性航法システム。
【請求項５】
前記回転台は、前記移動体の旋回に関わらず前記慣性測定部の方位が常に基準座標系に対し一回転するごとに回転方向を逆転することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の慣性航法システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００７−１５５５８４（Ｐ２００７−１５５５８４Ａ）
【公開日】平成１９年６月２１日（２００７．６．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３５３３１６（Ｐ２００５−３５３３１６）
【出願日】平成１７年１２月７日（２００５．１２．７）
【出願人】（５０４１９４８７８）独立行政法人海洋研究開発機構 (110)
【出願人】（０００２３１０７３）日本航空電子工業株式会社 (1,081)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年６月２１日（２００７．６．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１２月７日（２００５．１２．７）
【出願人】（５０４１９４８７８）独立行政法人海洋研究開発機構 (110)
【出願人】（０００２３１０７３）日本航空電子工業株式会社 (1,081)
【Ｆターム（参考）】
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