自己較正型ジャイロスコープ・システム
【課題】ジャイロスコープ・システムにおいて、倍率誤差及びバイアス誤差を最少に抑える。
【解決手段】相互に非平行配列の検知軸130a〜130dを有する複数のジャイロスコープ110a〜110dを用いる。ジャイロスコープの数は、ナビゲーションに必要な軸の数よりも少なくとも1つ多い。プロセッサが、モード逆転技法を用いて、選択したジャイロスコープについてのバイアス誤差の推定値を得、ランダム閉ループ倍率技法を用いて、選択したジャイロスコープについて倍率誤差の推定値を得る。モード逆転技法では、各ジャイロスコープは較正のために一時的にオフラインとし、その後通常動作に戻す。少なくとも1つの冗長なジャイロスコープが設けられているので、選択したジャイロスコープがオフラインになっているとき、残りの動作中のジャイロスコープからの速度情報を用いれば、オフラインのジャイロスコープの軸を中心とする基準速度を導き出すことができる。
【解決手段】相互に非平行配列の検知軸130a〜130dを有する複数のジャイロスコープ110a〜110dを用いる。ジャイロスコープの数は、ナビゲーションに必要な軸の数よりも少なくとも1つ多い。プロセッサが、モード逆転技法を用いて、選択したジャイロスコープについてのバイアス誤差の推定値を得、ランダム閉ループ倍率技法を用いて、選択したジャイロスコープについて倍率誤差の推定値を得る。モード逆転技法では、各ジャイロスコープは較正のために一時的にオフラインとし、その後通常動作に戻す。少なくとも1つの冗長なジャイロスコープが設けられているので、選択したジャイロスコープがオフラインになっているとき、残りの動作中のジャイロスコープからの速度情報を用いれば、オフラインのジャイロスコープの軸を中心とする基準速度を導き出すことができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、一般的には、ジャイロスコープ・システムに関し、更に特定すれば、複数のジャイロスコープ・デバイスを有し、これらが冗長な配列において協同的に動作し、自己較正のための利便性を備えているジャイロスコープ・システムに関する。
【従来技術】
【0002】
半球共振ジャイロスコープ(HRG:hemispherical resonator gyroscope)は、半球形状の共振器(回転輪に対してではなく)を用いて角度変位を検知する形式のジャイロスコープである。HRGは、コリオリ振動ジャイロスコープ群の1種であり、特に「クラスII」コリオリ振動ジャイロスコープであり、その部材は幾何学的にその検知軸即ち入力軸を中心として対称であり、主要弾性軸に沿った振動に関して変性した(degenerate)共振周波数、又はほぼ同一の共振周波数を有する。
【0003】
HGRは、通常、入力軸即ち検知軸を中心として対称的な半球共振器を備えている。共振器には支持幹が一体的に形成されていることがあり、支持幹は一般に検知軸と同一直線上にある。共振器は、通例、共振器の共振周波数に近い周波数の発振強制信号を印加することによって、振動させられる。この信号は、電気信号とするとよく、静電的に共振器に結合することができる。強制信号は、定在波変曲パターン(flex pattern)をセットアップする。これは、入力軸を中心とする角速度が0のときはほぼ静止状態であるが、入力軸を中心とする角速度が0でないと回転し易くなる。
【0004】
ジャイロスコープの入力軸に対する角変位、即ち、その角速度は、変曲パターンを観察することによって検知することができる。変曲パターンは、最少振動振幅の節(node)と、最大振動振幅の波腹(anti-node)とを明示する。HRGは、開ループ・モード又は閉ループ・モードで動作することができる。開ループ・モードでは、変曲パターンを回転させることができ、その位置又は回転速度を、角変位又は角速度の尺度として検知する。閉ループ・モードでは、制御システムが強制信号を調節して、ジャイロスコープの角変位に拘わらず、共振器に対して選択した方位に変曲パターンを位置合わせした状態で維持する。角速度を測定するには、変曲パターンに選択した整列(alignment)を維持するために必要な強制信号(forcing signal)を安定な基準信号と比較する。角度変位は、速度信号を積分することによって得ることができる。閉ループ・モードでは、制御システムが、変曲パターンがずれる原因となるはずの角度変位又は角速度が存在する中で、選択した方位に変曲パターンを整列させる又は「再均衡させる」力を供給する。したがって、閉ループ・モードは「再均衡強制」(force-to-rebalance)モードと呼ばれる場合もある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
HRGは、一般に申し分なく作動すると考えられるが、その性能は、様々な誤差を補正しないと、これらの誤差によって低下してしまう。第1の誤差は、変曲パターンが、HRG装置の幾何学的形状によって規定されるドリフト軸に向かってドリフトする傾向に関する。ドリフト傾向は、共振器の半球形状の不完全、電極、変換器、又はその他の信号結合デバイスの存在、及びその他の異常によって生ずる可能性がある。ドリフト傾向は、制御システムによって角速度として解釈され、したがってバイアス誤差を構成する。第2の誤差は、ジャイロスコープを制御しジャイロスコープから速度信号を供給するために用いられる速度測定信号処理システムの有効利得の欠陥に関係する。センサ利得、増幅器利得などのばらつき等の、この信号処理の有効利得に少しでも不一致があると、倍率誤差が生ずる。これらの不一致又はばらつきは、デバイスの経年変化、温度変動、放射線露出、及びその他の要因によって発生する。
【0006】
前述の倍率誤差は、ジャイロスコープ制御システム、並びに付随する強制及び測定信号処理システムに関係する。共振器自体は、異なる「幾何学的」倍率を有し、これは共振器の幾何学的形状、即ち、半球形状のみに依存する。幾何学的倍率は、共振器の温度、サイズ、直径、厚さ、及び弾性係数の変化に対して、ほぼ不変のままである。
【0007】
用途の中には、製造、検査、又はその後の較正工程においてジャイロスコープ・システムを較正することによって、ジャイロスコープ・システムの倍率誤差及びバイアス誤差を手動で補正できる場合もある。しかしながら、別の用途では、このような較正が実現可能でない場合もある。例えば、宇宙船の用途では、打ち上げ後には、ビヒクル(車両)に到達することはできない。別の用途では、任務時間が非常に短かったり、誤差を生ずる要因が非常に素早く変動するために、いずれの初期較正も直ぐに古くなり、手動の再較正が実現不可能である場合もある。また、手動の再較正は費用がかかり過ぎることもあり得る。
【0008】
このため、少なくとも倍率誤差及びバイアス誤差を最少に抑えるために、ジャイロスコープ・システムと共に用いて自己較正を可能にする装置及び方法が求められている。
【課題を解決するための手段】
【0009】
自己較正ジャイロスコープ・システムは、冗長次元構成とした複数のジャイロスコープ・ユニットと、ジャイロスコープを制御し、ある種の較正機能を実行し、対象の軸についてジャイロスコープから補償済み速度推定値を生成するシステムとを備えている。一般に、三次元で速度推定値を得るためには、ジャイロスコープの1つが速度推定値を提供することができない場合でも、三次元の速度推定値が入手できるように、最少でも4つの非同軸ジャイロスコープが必要となる。制御システムは、バイアス誤差を推定するためにモード逆転技法を用いるバイアス誤差決定ユニットと、倍率誤差を推定するためにランダム閉ループ倍率推定技法を用いる倍率決定ユニットとを備えている。更に、制御システムは、速度制御ループ及び誤差補償ユニットを備えている。速度制御ループ及び誤差補償ユニットは、対象のジャイロスコープから速度推定値を受け取り、対応する誤差決定ユニットからバイアス誤差及び倍率推定値を受け取り、それらに応じて対象のジャイロスコープの速度推定値を補償する。また、速度制御及び誤差補償ユニットは、共振器の変曲パターンの位置を制御するためにフォーサ・フィードバック信号(forcer feedback signal)を供給する。
【0010】
モード逆転バイアス誤差決定ユニットは、バイアス誤差を測定する際、ジャイロスコープを第1モードで動作させる。このモードでは、共振器の変曲パターンを、共振器のドリフト軸から変位した第1制御軸と整列するように強制する。このモードにおいて、ジャイロスコープ速度推定値を記録する。次いで、ジャイロスコープの第2モードで動作させる。このモードでは、共振器の変曲パターンを、共振器のドリフト軸から同様に変位した第2制御軸と整列するように強制する。このモードにおいて、ジャイロスコープ速度推定値を再度記録する。各モードにおけるバイアス誤差は、ほぼ同じ大きさを呈するが、符号が逆である。したがって、バイアス誤差は算術的プロセスによって抽出される。
【0011】
ランダム閉ループ倍率(RCLSF)決定ユニットは、ジャイロスコープの移動との相関を解消した、本質的にランダムなやり方で、共振器変曲パターンの意図する位置を定める制御軸の位置をずらすことによって、倍率誤差を測定する。制御軸の移動と合わせて変曲パターンを移動させるように、フォーサに命令する。倍率誤差は、共振器変曲パターンの測定位置とその意図する軌道との間の不一致として明示される。次元的に冗長なジャイロスコープが設けられる場合、倍率決定ユニットは、他のジャイロスコープの速度推定値から導き出される、対象のジャイロスコープの軸について速度推定値も用いて倍率誤差を測定することができる。「ランダム」という用語を用いるが、制御軸をずらす実際のパターンは、所望の特性を有するように抑制された疑似ランダム・シーケンスであることが好ましく、予め計算しておいてもよい。
【0012】
動作において、ジャイロスコープ・システムと共に用いる方法によれば、較正のためにジャイロスコープを順に選択する。選択したジャイロスコープは、オフラインに置かれる。他の動作するジャイロスコープからの速度推定値に基づいて、ナビゲーションを継続する。モード逆転バイアス決定ユニットは、選択したジャイロスコープについてのバイアス誤差の推定値を得る。モード逆転プロセスは、ジャイロスコープの動作を短時間中断するので、この較正ステップの間、速度推定値を生成するために用いることができない。RCLSF較正プロセスは、ジャイロスコープの動作とは干渉しないので、連続的に実行することができ、あるいはジャイロ毎に順に選択した較正間隔の間に実行することができる。
本発明の実施態様例の特徴は、説明、特許請求の範囲、及び添付図面から明らかとなるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】本発明の一態様にしたがって構成したジャイロスコープ・システム100の一例の全体的ブロック図である。
【図2】図1のジャイロスコープ・システムと共に用いるジャイロスコープ・ユニットの構成例を簡略化した斜視図である。
【図3】図2のジャイロスコープ・ユニットの構成例の幾何学的形状を示す図である。
【図4】図2及び図3に示すジャイロスコープ・ユニットの構成例の2つのユニットの幾何学的形状の更に別の特徴を示す図である。
【図5】共振器の対称軸と同一線上にある平面に沿った、半球状共振ジャイロスコープの一部の簡略断面図であり、図1〜図4のジャイロスコープ・システム100及びジャイロスコープと共に用いる、共振器を示す図である。
【図6】共振器の対称軸に対して垂直な面に沿った、半球状共振ジャイロスコープの一部の簡略断面図であり、図1〜図5のジャイロスコープ・システム100及びジャイロスコープと共に用いる共振器及びその付属エレメントを示す図である。
【図7】図1のジャイロスコープ・システム100と共に用いるジャイロスコープ制御システム200の一例のブロック図である。
【図8】図1のジャイロスコープ・システム100を較正する際に、制御システム200と共に用いる方法例のフロー図である。
【図9】基準軸と図1から図4の個々のジャイロスコープの軸との間で速度情報を変換するために用いる数学的関係を示す図である。
【図10】モード逆転技法を用いて倍率決定を実行する際に、制御システム200と共に用いる方法例のフロー図である。
【図11】ランダム閉ループ倍率(RCLSF)推定器を備えている装置の一実施態様の図である。
【図12】非均一速度変調信号及び対応する復調角度信号の実施態様の図である。
【図13】非均一速度変調信号及び対応する復調角度信号の実施態様の図である。
【図14】非均一速度変調信号及び対応する復調角度信号の実施態様の図である。
【図15】非均一速度信号及び対応する復調角度信号の一実施態様の図であり、角度の大きな移動を示している。
【図16】非均一速度信号及び対応する復調角度信号の一実施態様の図であり、反復速度値を示している。
【図17】方形波CLSF変調を利用した、先行技術の速度制御ループ・プロセッサの図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
図1は、本発明の一態様にしたがって構成したジャイロスコープ・システム100の実施形態例の全体的ブロック図である。ジャイロスコープ・システム100は、例えば、半球状共振ジャイロスコープの集合体、及び適した制御システムを用いて実現することができる。
【0015】
半球状共振ジャイロスコープ(HRG)は、角度変位を検知するために(回転輪ではなく)半球状共振器を用いる形式のジャイロスコープである。HRGは、コリオリ振動ジャイロスコープ群の1種であり、特に「クラスII」コリオリ振動ジャイロスコープであり、その部材は幾何学的にその検知軸即ち入力軸を中心として対称であり、主要弾性軸に沿った振動に対して更生した共振周波数又はほぼ同一の共振周波数を有する。本明細書において記載する較正技法及びジャイロスコープ・システムを較正し動作させる総合的な方法は、HRGに限定されるのではなく、いずれのクラスIIコリオリ振動ジャイロスコープにでも一般に応用することができ、当業者の理解の範囲内での修正により、他のジャイロスコープ形式にも応用することができる。
【0016】
本明細書において記載するジャイロスコープ・システム100、装置、制御システム、及び関連する方法は、限定ではなく一例として、多数のジャイロスコープ及び適した制御システムを用いるジャイロスコープ・システムの応用環境において図示されており、ジャイロスコープのシステムを較正する際に直面した課題をどのようにすれば克服できるかを示す。しかしながら、制御システムは、HRGジャイロスコープの集合体には限定されない環境において、本発明の技術的思想に沿って、修正せずに又は他当業者の理解の範囲の修正により、他のジャイロスコープの用途、更に一般的には他のジャイロスコープ形式にも応用できる利点があることは、当業者には明らかであろう。
【0017】
本願は、ジャイロスコープ及びそのための制御システムに関し、種々の電子及び光学技術を用いて実現することができる。これらの技術には、限定ではなく、アナログ電子システム、ディジタル電子システム、マイクロプロセッサ及びその他の処理エレメント、ならびにこのようなシステム及び処理エレメントと共に方法、プロセス、又は方針を実現するためのソフトウェア及びそれ以外の方法で具体化したステップ、命令等の収集体が含まれる。尚、ジャイロスコープ及び制御システムの技術では、種々の信号リード、バス、データ経路、データ構造、チャネル、バッファ、メッセージ受け渡しインターフェース、自由空間光経路、光ファイバ経路、及びその他の通信経路を用いて、情報又は信号を伝達するための設備、構造、又は方法を実現することができ、多くの場合機能的に同等であることは明白であろう。したがって、特に注記しない限り、信号又は情報を伝達するための装置又はデータ構造を引用する場合、全ての機能的に同等な装置及びデータ構造を総合的に指すこととする。
【0018】
図1に最良に示すように、一例のジャイロスコープ・システム100は、複数のジャイロスコープ110a〜110dと、信号経路114a〜114dを通じてジャイロスコープ110a〜110dにそれぞれ接続されている複数のジャイロスコープ・コントローラ112a〜112dと、信号経路116a〜116dを通じてジャイロスコープ・コントローラ112a〜112dにそれぞれ接続されているジャイロスコープ・システム・プロセッサ120とを備えている。システム・プロセッサ120は、とりわけ、ナビゲーション、位置報告、又は同様の機能に有用な速度推定値を、信号経路122を通じて消費デバイスに供給する。例えば、限定ではないが宇宙船を含むビヒクルの用途では、消費デバイスは、ビヒクル・ナビゲーション及び推進制御部124とするとよい。速度推定値は、個々のジャイロスコープ110a〜110dの軸に関して提供することができ、あるいは標準的な直交軸(例えば、X、Y、及びZ)に関して提供することもできる。後者の速度は、「ボックス・レート」と呼ばれることもある。また、システム・プロセッサ120は、慣性センサ(図示せず)を含む他のセンサからの信号も処理して、角速度の他にも情報を消費デバイスに供給することもできる。
【0019】
図1における複数の別個のジャイロスコープ・コントローラ112a〜112d及び別個のシステム・プロセッサ120は、当技術分野における伝統的な慣例を反映しており、選択した制御点又は制御軸と整列するようにジャイロスコープ共振器の変曲パターンを駆動することを含むことができる下位制御機能は、ジャイロスコープ毎のコントローラによって実行し、一方、速度推定値の較正又は補償、及び速度推定値の1つの座標系から別の座標系への変換を含む上位機能は、上位システム・プロセッサによって実行する。しかしながら、この特定的なエレメントの編成、又はこのようなエレメントに対する機能の特定的な分散を採用することは必須ではない。したがって、ジャイロスコープ・システム100の制御機能は、以後、総合的にジャイロスコープ制御システム200(図7)によって実行するように説明し、このような機能を実現することができる物理的ユニットを特定するものではない。更に、制御システム200は、適した制御技術であればいずれを用いても実現することができ、適した技術には、限定ではないが、コンピュータ、マイクロプロセッサ、ディジタル信号プロセッサ、同期ディジタル・ロジック、非同期ディジタル・ロジック、並びにアナログ処理、制御及び計算の内いずれの1つ以上でもが含まれる。
【0020】
図2は、図1のジャイロスコープ・システム100と共に用いるジャイロスコープ・ユニットの配列又は集合体の一例の簡略化した斜視図である。ジャイロスコープ110a〜110dは、ジャイロスコープ・クラスタ・ブロック、固定具、プラットフォーム、又は基板126に、機械的に固着されている。ジャイロスコープ110a〜110dの各々は、対応する入力軸即ち検知軸130a〜130dを有し、それを中心として角度変位又はその速度を検知する。固定具126は、ジャイロスコープ110a〜110dを調節可能な位置に固着させて、ジャイロスコープ軸130a〜130d間に好ましい角度関係を実現できるようにすることが好ましい。通常では、三次元ナビゲーションに必要とされる3本の軸を中心とした速度を得るためには、3つの相互に非平行なジャイロスコープで十分であるが、本発明の一態様によれば、いずれか1つのジャイロスコープがナビゲーションに利用できない場合に、三非同軸速度推定値(three-non-coaxial rate estiamtes)を供給することができるように、少なくとも1つの冗長ジャイロスコープを設ける。これは、本発明の一態様にしたがってジャイロスコープが較正を受けているときに、生ずる可能性がある。したがって、ジャイロスコープ・システム100は、ここでは4つのジャイロスコープ110a〜110dを有するように図示されているが、任務の要件に応じて、別の数のジャイロスコープを用いることもできる。本明細書では、「較正」(calibration)という用語をその種々の形態で用いて、補正可能な誤差の影響を低減することによって、ジャイロスコープ・システムの出力を高精度化した結果に向けて調節することを意味する。標準的な直交軸X、Y、及びZが原点128から延びていることを示している。ジャイロスコープ110a〜110dの軸は必ずしも標準軸と一直線状でも平行でもないが、ジャイロスコープ軸を中心とする速度推定値は、標準軸(又はその他の相互に非平行な軸の集合)を中心とする速度推定値に変換することができる。これは、当技術分野では周知である。
【0021】
図3は、図2のジャイロスコープ・ユニットの配列例の幾何学的形状を示す図である。図3において最良に示すように、ジャイロスコープは、それらの軸130a〜130dが八面体四素組(octahedral tetrad)を形成するように配列されている。八面体四素組配列は、4本のジャイロスコープ軸130a〜130dの各々が原点132から延び、定められているZ軸に対して54.7356度の角度134を形成し、4本のジャイロスコープ軸130a〜130dをZ軸に垂直な平面(例えば、X−Y平面)上に投射すると、隣接する軸130a〜130dの投影が互いに垂直となることを特徴とする。これは、90度の角度136によって示す通りである。
【0022】
冗長ジャイロスコープのいずれの相互非平行配列でも、論理的には用いることができる。何故なら、このような配列の軸に関する速度推定値は、数学的に、他のいずれの軸集合に関する速度推定値にも変換できるからである。しかしながら、図2及び図3の八面体四素組配置が、種々の時点において3つ又は4つのジャイロスコープを利用可能にすることができるシステムには最適であると確信する。この特定的な配列によって、4つのジャイロスコープ全て又はいずれか3つのジャイロスコープからの速度推定値を、標準軸を中心とする速度推定値又は1つの利用できないジャイロスコープに対応するいずれかの軸を中心とする速度推定値に容易に変換することが可能となり、他の可能な配列と比較して、変換誤差は小さいと確信する。しかしながら、他の配列を用いることも可能である。
【0023】
図4は、図2及び図3に示したジャイロスコープ・ユニットの配列例の内2つのユニットの幾何学的形状138の更に別の特徴を示す図である。該図には、第1及び第2ジャイロスコープ110a及び110bが示されている。第3及び第4ジャイロスコープ110c及び110dは、明確化のために省略した。
【0024】
図5は、共振器の対称軸130と同一直線上にある平面に沿った半球状共振ジャイロスコープの一部の簡略断面図であり、図1〜図4のジャイロスコープ・システム100及びジャイロスコープ110a〜110dと共に用いる共振器を示す。図6は、共振器の対称軸130に対して垂直な平面に沿った半球状共振ジャイロスコープの一部の簡略断面図であり、図1〜図5のジャイロスコープ・システム100及びジャイロスコープと共に用いる共振器及びその付属エレメントを示す。
【0025】
HGRは、一般に、入力軸又は検知軸130を中心として対称的な半球状共振器144を備えている。共振器144には、概略的に検知軸と同一直線上にある支持幹142を一体的に形成することができる。共振器144は、ジャイロスコープ筐体及び支持構造140の中に収容することができる。共振器は、通例、当該共振器の共振周波数に近い周波数の発振強制信号を印加することによって振動させられる。この信号は電気信号として、158及び160のような1つ以上の電極又は変換器を用いて共振器に静電的に結合することができる。
【0026】
共振器144の遠端部の振動即ち変曲パターンの一例を図6に示す。振動の振幅は、大きく誇張されている。共振器の振動は、当該共振器の共振周波数に非常に近い周波数において、電極又は変換器158及び160の1つ以上によって励起される。共振器144の振動は、定在波振動パターンを形成する。これは、入力軸130を中心とする角速度が0であり、印加されるいずれの励起即ち強制信号も変位を強制しないのであれば、静止状態のままでいる。入力軸を中心とする角速度が0でない場合、振動パターンは回転し易くなる。
【0027】
最少振動振幅の点を「節点」と呼ぶ。例えば、156であり、これと節点軸152の位置が揃う。最大振動振幅の点を「波腹」と呼ぶ。例えば、154であり、これと波腹軸150の位置が揃う。変換器160が節点156に隣接し、変換器158は波腹154に隣接する。共振器144の幾何学的形状によって確立される振動モード、並びに変換器158及び160によって印加されるあらゆる励起信号の周波数に応じて、節点及び波腹は各々、図6に示す4つよりも多くても少なくともよい。
【0028】
節点及び波腹は、変換器160及び158とそれぞれ位置が揃っているように図示されているが、振動パターンは、当然のことながら、ジャイロ検知軸に沿ったジャイロ・ケースの回転に応答して、これらの点から離れるように回転する。つまり、軸130を中心とする角速度が非ゼロである場合、振動パターンは回転し易くなると言えるが、所望の位置に停留するように強制することもできる。これを遂行するには、ジャイロ共振器の変曲パターンに対して適正な位相で、節点強制電極に電圧を印加することによって可能となる。角速度は、振動パターンを所望の点に維持するために必要な信号の大きさから推論することもできる。このような様式で動作するジャイロスコープを、「閉ループ」モードで動作していると言う。
【0029】
図7は、図1〜図6のジャイロスコープ・システム100と共に用いるための、本発明の一態様にしたがって構成したジャイロスコープ制御システム例200のブロック図である。図7は、ジャイロスコープ110a〜110dの内の1つ110dを制御するために必要な、制御システム200のエレメントを示す。ボックス210の内容は、ジャイロスコープ110dについては一般に制御システム200の外部にあると見なされるエレメントを表しており、ジャイロスコープ・システム100の残りのエレメント、又は更に一般的に、慣性参照システムの残りのエレメントであると見なすことができる。しかしながら、ボックス210内にあるエレメント、及び信号又は情報ボックス210は、制御システム200が適正に又は最適に動作するためには必要となる場合もある。本明細書では、制御システム200は、ジャイロスコープの内の1つ110dを制御する環境において説明するが、残りのジャイロスコープも、制御システム200の設備を複製することによって制御することができる。あるいは、制御システム200の設備は、些細な修正によって、数個のジャイロスコープ110間で共有することもできる。
【0030】
全体像では、制御システム200は、更に、モード逆転バイアス決定ユニット214、ランダム閉ループ倍率(RCSLF)誤差決定ユニット220、標準速度制御ループ及び誤差補償ユニット216、並びにジャイロスコープ・モデル218を備えている。モード逆転ユニット214及びRCSLFユニット220はそれぞれ、バイアス誤差及び倍率誤差の推定値を生成し、これらを速度制御及び誤差補償ユニット216に供給する。ジャイロスコープ・モデル218は、実際の物理的ジャイロスコープを表し、生速度情報を速度制御及び誤差補償ユニット216に供給する。このユニットは、ジャイロスコープを制御するために用いられるフィードバック信号を生成し、これから、未補償ジャイロスコープ速度出力信号を導き出す。加えて、ユニット216は、モード逆転ユニット214及びRCSLFユニット220からそれぞれ受け取ったバイアス誤差信号及び倍率誤差信号を用いて、補償済み(又は較正済み)速度推定値272を生成し、ナビゲーション及び推進制御部124(図1)のような、コンシューマ(consumer)装置に配信する。本明細書では、「較正」(calibration)という用語をその種々の形態で用いて、補正可能な誤差の影響を低減することによって、ジャイロスコープ・システムの出力を高精度化した結果に向けて調節することを意味する。
【0031】
制御システム200の主要な機能エレメントの各々について、個別に更に詳細に説明する。
ボックス210は、補償済み出力信号260a〜260cを変換ユニット224に供給する、残りのジャイロスコープ110a〜110cを備えている。補償及び変換ユニット224は、他のジャイロスコープからの速度情報を用いて、制御対象のジャイロスコープ110dの軸を中心とした角回転速度を表す速度基準信号226を生成する。ジャイロスコープ110dが動作している場合(即ち、較正のためにオフラインになっていたり、故障のため稼動していないのではない)、ジャイロスコープ110dからの速度推定値は補償及び変換ユニット224が提供する、そのジャイロスコープについての速度基準情報と密接に一致するはずである。更に、ボックス210は「実慣性速度」(actual inertial rate)と称する項目222も示している。厳密に言うと、これは信号ではなく、ジャイロスコープ110a〜110dの各々が体験する実際の物理的慣性/角速度であり、ジャイロスコープ110a〜110dの出力に影響を及ぼす「入力」の中に含まれる。ジャイロスコープ110dも慣性/角速度を受けるので、速度222はジャイロスコープ110dのモデル218への入力としても示されている。「他の」ジャイロスコープ226からの速度基準信号は、モード逆転ユニット214に供給される。
【0032】
モード逆転バイアス決定ユニット214は、加算器228、モード逆転バイアス誤差抽出エレメント230、及びモード・シーケンシング・ロジック(mode sequencing logic)234を備えている。加算器228は、ボックス210から速度基準信号226を受け取り、速度制御及び誤差補償ユニット216から補償済み速度推定値信号272を受け取り、信号272から信号226を減算して推定速度誤差信号264を導き出す。
【0033】
モード・シーケンシング・ロジック234は、モード制御信号234を供給する。これは、ジャイロスコープ110dに供給され、ジャイロスコープ110d及びバイアス誤差抽出器230の第1及び第2モード動作間で選択を行う。第1モードでは、ジャイロスコープ110dの共振器変曲パターンを、共振器のドリフト軸から変位した第1制御軸と位置合わせさせ、バイアス誤差抽出器230は、バイアス誤差に基準速度260及び倍率推定値294の積を加算した値と等価な推定速度誤差信号を受け取る。第2モードでは、ジャイロスコープ110dの共振器変曲パターンを、共振器のドリフト軸から変位した第2制御軸と位置合わせさせ、バイアス誤差抽出器230は、バイアス誤差から基準速度260及び倍率推定値294の積を減算した値と等価な推定速度誤差信号を受け取る。バイアス誤差抽出器230は、共振器モードを逆転するために必要な短い間隔の異なる時点においてこれらの信号を取り込んで、これらを用いてモード逆転バイアス誤差補正信号270を生成する。モード・シーケンシング・ロジックがジャイロをモード0からモード1に移行させると、フォーサ(forcer)は、パターンを固定したまま保持する信号を供給する代わりに、変曲パターンが、一方の電極に沿って最大振幅を有することろから、他方の電極に沿ってそれを有するところまで移動するように、適正なシーケンス信号を印加する。第1の位置にあるとき、ジャイロからの速度出力は266において示すようになり、加算器228の出力がモード0入力266に伝わり、バイアス誤差抽出器230によって用いられる。切換によりモード1に変化すると、加算器228の出力はバイアス抽出器230のモード1入力268に移動する。ジャイロの物理的性質のために、モード0における加算器228の出力は、値dB+dSF×入力速度となり、dBはバイアスの推定値の誤差であり、dSFは倍率の推定値の誤差である。同様に、モード1にあるとき、加算器228の出力は、値dB−dSF×入力速度となる。モード逆転ユニット214と共に用いる方法350について、図10と関連付けて説明する。モード逆転ユニット214及び関連する方法は、更に、文書番号第2007/0039386号の下で公開された米国特許出願第11/499,957号、及び米国特許第7,103,477号"self-calibration for an inertial instrument based on real time bias estimator"(リアル・タイム・バイアス推定器に基づく慣性計器の自己較正)に開示されているように実現することもできる。その内容は、ここで引用したことにより、本願にも含まれるものとする。
【0034】
ランダム閉ループ倍率(RCSLF)誤差決定ユニット220は、ランダム信号発生器252、積分器254、及びRCLSF倍率誤差推定エレメント256を備えている。ランダム信号発生器252は、速度変調信号290を加算器248に生成し、ジャイロスコープ110dにおける共振器の変曲パターンの位置をランダムにずらすために用いられる。ここではランダムという用語を用いるが、信号及び変曲パターンをずらすやり方は、実際にはランダムである必要はなく、実際、疑似ランダム信号の方が好ましい場合もある。パターン・シフト(pattern shift)を制御するためにランダム信号又は疑似ランダム信号を用いる意図は、ジャイロスコープ110dが検知しようとするあらゆる物理的又は環境的入力から、パターン・シフトとの相関を解消することである。以下で更に詳しく説明するが、疑似ランダム信号は、ある種の制約を満たすように設計することができる。制約には、比較的短い複数の期間にわたるゼロの平均、優勢周波数内容がないこと、連続重複値の数の制限、及び信号の積分が後続の処理エレメントのダイナミック・レンジを超えてはならないことが含まれる。ランダム信号発生器252は、これらの制約を満たす値を予め計算して収容した参照表を用いて実現することができ、この表からの値を、しかるべき手段を用いて出力すればよい。
【0035】
速度変調信号290は、積分器254にも供給され、積分器254は速度を積分して角度変調信号292を生成する。積分器254は、事実上、変曲パターンの位置に関してジャイロスコープ110dに指令された挙動をモデル化する。つまり、角度変調信号292を加算器242に供給し、ジャイロスコープ出力信号260からこれを減算する。したがって、加算器242からのヌル角度誤差信号282は、ジャイロスコープ110dに指令された挙動とその実際の挙動との間の差を特徴付け、その差は少なくとも部分的に倍率誤差の結果である。角度変調信号292及びヌル角度誤差信号282を倍率誤差推定器256に供給し、倍率誤差推定器256は、推定倍率誤差を決定し、RCLSF倍率補正信号294を生成する。RCLSF倍率補正信号294は、ジャイロスコープ110dを駆動する増幅器に供給され、更に速度制御及び誤差補償ユニット216の速度誤差補償器240に供給される。RCSLFユニット220の動作については、以下で図11〜図16と関連付けて更に詳しく説明する。
【0036】
増幅器及び加算器の連鎖が、多数の信号をジャイロスコープ110dに供給する。RCSLFユニット220からの速度変調信号290、及び速度制御及び誤差補償ユニット216からのフォーサ・フィードバック速度信号276が加算器248に供給される。加算器248は、変調フォーサ・フィードバック信号288を生成し、フォーサ・フィードバック増幅器250に供給する。RCSLFユニット220からの倍率補正信号294は、増幅器250の利得入力に供給される。つまり、倍率補正信号294は、増幅器250の利得を調節し、したがって変調フォーサ・フィードバック信号288のスケーリング(scaling)を調節する。増幅器250の出力は、倍率を調節したフォーサ・フィードバック信号280であり、ジャイロスコープ・モデル218に供給される。
【0037】
ジャイロスコープ・モデル218は、ジャイロスコープ110dの動作モデルを示し、ジャイロスコープ110dがどのように制御信号、物理的/環境的入力、及び誤差源に応答することを期待できるか理解する際の補助となる。図示のように、ジャイロスコープ・モデル218は、加算器246及びジャイロスコープ110dを含む。勿論、加算器246は実際には存在しない。ジャイロスコープ・モデル218におけるその外観は、ジャイロスコープ110dが倍率調節フィードバック信号280を直接受け取り、ジャイロスコープの応答はその信号、ジャイロスコープ110dが示す実際のバイアス誤差244、及びジャイロスコープが受ける実際の慣性速度222に線形に依存することを意味する。
【0038】
ジャイロスコープ110dは、モード制御信号234を受け取り、更に、実際の倍率誤差238による作用も受ける。ジャイロスコープ110dは、出力260を生成し、加算器242に供給する。加算器242は、ヌル角度誤差信号282を生成し、RCSLFユニット220並びに速度制御及び誤差補償ユニット216に供給する。角度変調信号292を速度制御ループ236への信号から除去することによって、速度制御ループ出力276に対するRCLSF変調によって誘発されるノイズを最小限に抑える。この結果、ジャイロ272から消費デバイスへの出力の信号対ノイズ比が向上する。
【0039】
速度制御及び誤差補償ユニット216は、速度制御ループ236及び速度誤差補償エレメント240を備えている。速度制御ループ236は、ヌル角度誤差信号282を受け取り、それに応答してフォーサ・フィードバック速度信号276を生成し、加算器248及び速度誤差補償器240の双方に供給する。速度誤差補償器240は、フォーサ・フィードバック速度信号276、バイアス誤差補正信号270、及び倍率補正信号294を受け取り、補償済み速度推定値信号272を生成する。補償済み速度推定値信号272は、モード逆転ユニット214に供給され、更にナビゲーション及び推進制御部124のような消費デバイスにも、ジャイロスコープ軸130dを中心とする速度推定値として供給される。バイアス誤差及びSF誤差は双方ともゆっくりと変動するプロセスであり、主にジャイロ及び/又は電子回路における温度変動によって変化する。バイアス及びSF誤差推定アルゴリズム双方の設計は、これを利用することができ、10分台から数時間の範囲の非常に長い時定数の変化に対する応答の更新を用いる。これら長い時定数により、推定器は、個々の測定値の重みを軽くすることによって、観察したデータにおける短期の収差を無視することが可能になる。これは、統計的に、短期誤差の影響を最小限に抑え、推定ルーチンが真のジャイロ誤差のみを追跡することを可能にする。RCLSFアルゴリズムの帯域幅は、フォーサ更新率及びプロセッサ計算処理能力の制約の範囲内で実用上できるだけ高い方がよい。これによって、できるだけ広い周波数帯域全域にわたってヌル更新のスペクトル・エネルギを拡散させて、実際のビヒクル運動入力との相互作用を最小限に抑える。例えば、1kHzの率でジャイロ・データを取り込み、その率でフォーサ・コマンドも更新すると、ヌル位置も1kHzの率で更新されることになる。しかしながら、システム上の限界により、フォーサ・コマンドを5回の測定毎でないと送れない場合、200Hzの更新率が用いられる。
【0040】
更に、自己較正性能は、推定器を適応的とし、温度変化及び/又はジャイロ速度入力の測定値に基づいて時定数を変化させることによって高めることができる。例えば、温度が変化しているとき、バイアス推定器の時定数を減少させることができ、あるいは有意なジャイロ入力速度を測定するときSF推定器の時定数を増大させるとよい。これは、最初の場合ではカルマン・フィルタのプラント・ノイズ(plant noise)を増大させることにより、2番目の場合ではフィルタ測定ノイズを増大させることにより、容易に行うことができる。状況によっては、その状況が変化するまでその時点における現在の誤差推定値を凍結することによって、バイアス又はSF推定の更新を完全に禁止してもよい。バイアス推定では、ジャイロ入力速度が閾値レベル(例えば、1゜/秒よりも高い)に達したときに、更新を禁止する。この推定値の凍結により、基準ジャイロ倍率の誤差又は検知軸位置ずれ誤差がバイアス値を変転させるのを妨げることができる。同様に、高速度入力の間、そして安定化したビヒクルが、ヌル位置変調によって、速度信号に注入される短期ノイズの減少の効果を受けることができるときには、RCLSF推定器をオフにしてもよい。具体的な用途によって、ヌル位置のランダム化によって容認できないノイズが生じた場合、バイアス・モード逆転の間、それが完了する前又は後においてジャイロをオフラインにしている間だけ、SF推定器をオンにすることができる。
【0041】
自己較正メカニズムに更に別の改良を加えるには、ジャイロが運動がないことを検知するときにはバイアス及びSF推定双方を可能にし、ビヒクルが移動するときには不活性化するロジックを使用する。精密戦略的ミサイル用途では、ビヒクルが休止中の間も補償器を連続的にオンにして、必要なときに、最大精度の速度推定値を供給することができる。動作中に活性化及び不活性化することができるようにRCLSF推定器を自動化する場合、ヌル転位(null shifting)を不活性化する点が肝要となる。停止するとき、パターン変調の積分はゼロでなければならず、そうでないと、ヌル・オフセットによってジャイロの出力に誤差が生じたままとなる。
【0042】
本発明の更に別の態様によれば、図8は、図1のジャイロスコープ・システム100を較正する際に、制御システム200と共に用いる方法例300のフロー図である。この方法は、図1〜図7の装置とでも用いることができるが、本発明の主旨から逸脱することなく、他の装置や他のジャイロスコープ・システムと用いることも可能であることは、当業者には明らかであろう。したがって、主要ステップの一部は、図1〜図7の特定の装置を拠り所としなくてもよい一般的な形態で提案している。尚、ある種のステップやサブステップの説明では、このようなステップが図1〜図7の装置の具体的なエレメントによって実行可能であることを注記しておく。ステップ及び装置の連携は、限定ではなく一例として行われるのであり、これらのステップは他の装置によっても実行可能であることは言うまでもない。更に、任意のサブステップは、省略してもよく、あるいは主要ステップの機能を実現又は具体化する他の特定的な方法ステップと置換してもよい。離散的なステップについて述べるが、実施形態によっては、当該ステップにおいて定められる機能は連続プロセスとして実行してもよいことは、当業者には言うまでもないであろう。
【0043】
ステップ310において、少なくともN+1個のオンライン・ジャイロスコープ(Nは、ナビゲーションのために角速度が必要となる軸の本数である)を用いてシステムを動作させる。ジャイロスコープ軸毎に、速度推定値を得て、倍率、バイアス、及び入力軸整列の以前に較正した誤差パラメータを補償する。ステップ310の活動(activities)は、例えば、図7の制御システム200、図1のジャイロスコープ・コントローラ112a〜112d、及び図1のシステム・プロセッサ120の内の1つ以上によって実行することができる。
【0044】
ステップ312において、再較正のために1つのジャイロスコープを選択する。ステップ314において、選択したジャイロスコープをオフラインにする。残りのオンライン・ジャイロスコープは、ビヒクルのナビゲーションに使用可能な動作速度推定値を供給し、選択したジャイロスコープの軸を中心とする基準速度を決定するために用いられる。ジャイロスコープが「オフライン」であるというとき、これが意味するのは、そのジャイロスコープからのいずれの速度推定値もナビゲーションのため又は他の殆どの目的のために用いられないということである。ジャイロスコープが「オンライン」であるというとき、これが意味するのは、そのジャイロスコープからの速度推定値をナビゲーションに利用可能であるということである。ステップ312〜314における動作は、例えば、図7の制御システム200、図1のジャイロスコープ・コントローラ112a〜112d、及び図1のシステム・プロセッサ120の内の1つ以上によって実行することができる。
【0045】
ステップ316において、モード逆転を適用して、バイアス誤差の推定値を改良して生成する。
ステップ318において、ランダム閉ループ倍率技法を適用して、倍率推定を更に改良する。更新した倍率及びバイアス係数をジャイロスコープ補償アルゴリズムに転送することによって、改良した倍率及びバイアスをシステム・プロセッサのジャイロスコープ補償モデルの中に組み入れる。ステップ316の活動は、例えば、図7のモード逆転ユニット214、ランダム閉ループ倍率(RCSLF)誤差決定ユニット220、及び制御システム200の付属エレメントの内の1つ以上によって実行することができる。
【0046】
ステップ302において、選択したジャイロスコープを通常動作に戻す。新たな再較正したジャイロスコープが生成した速度情報は、システム速度推定値に含まれる。任意に、別のジャイロスコープを較正のために選択してもよく、実行はステップ314にて継続することができる。
ここに記載するステップ又は動作は、一例に過ぎない。本発明の主旨から逸脱せずに、これらのステップ又は動作には多くの変形がある。例えば、ステップを異なる順序で実行してもよく、あるいはステップを追加、削除、又は修正してもよい。
【0047】
図9は、基準軸と図1〜図4の個々のジャイロスコープの軸との間で速度情報を変換する際に用いる数学的関係を示している。式330a〜330dは、基準(ボックス)軸(XR,YR,ZR)から個々のジャイロスコープの軸(XGi,YGi,ZGi,i=A,B,C,D)へのそれぞれの変換行列(CRGi)を表す。これらの計算にはジャイロの検知軸への入力のみが必要なので、基準軸から4つのジャイロスコープの各々の検知軸への1つの変換行列を用いることができる。この行列を、式332a〜332bに示す。「ボックス・フレーム」において既知の速度を返還式332a及び332bと乗算することによって、その結果、各ジャイロの検知軸に沿った慣性加速度が分かる。
【数1】
で表される変換行列332cを逆に用いて、「ボックス・フレーム」の座標における各ジャイロの検知軸に沿った既知の加速度を変換する。
【0048】
図8は、本発明の更に別の態様による、ジャイロスコープに影響を及ぼすバイアス誤差及び倍率誤差の推定値を改良するために選択したジャイロスコープを較正する際に制御システム200と共に用いるための方法例350[300]の自己較正システム全体を示すフロー図である。
この方法は、図1〜図7の装置と共に用いるとよいが、本発明の主旨から逸脱することなく他の装置や他のジャイロスコープ・システムと共に用いることもできることは、当業者には認められるであろう。したがって、主要なステップの一部は、図1〜図7の特定的な装置を拠り所としなくてもよい、一般化した形態で提案する。尚、ある種のステップ及びサブステップの説明においては、このようなステップは図1〜図7の装置の具体的なエレメントによって実行するとよいこととする。ステップ及び装置の連携は、限定ではなく一例として行われ、これらのステップは別の装置によっても実行可能であることは言うまでもない。更に、任意のサブステップを省略することや、主要ステップの機能を実現又は具体化する別の具体的な方法ステップで置換してもよい。別々のステップについて述べるが、実施形態によっては、そのステップにおいて定められる機能は連続プロセスとして実行してもよいことは、当業者には言うまでもないであろう。
【0049】
図10は、本発明の更に別の態様による、選択したジャイロスコープを較正する際に制御システム200と共に用いる方法350を示している。該方法350は、方法200のステップ316の拡張であり、ジャイロスコープに影響を及ぼすバイアス誤差の推定値を改良するためのバイアス・モード逆転技法について説明する。ステップ360において、選択したジャイロスコープを第1モードAで動作させる。第1モードAでは、最大振動振幅を第1軸に沿って整列し、ジャイロスコープ速度無効制御エネルギを第2軸に沿って提供する。
【0050】
ステップ362において、選択したジャイロスコープからのモードA速度測定値、及びその他の動作中のジャイロスコープから得られた、選択したジャイロスコープ軸についての基準速度を記録する。
ステップ364において、選択したジャイロスコープを第2モードBで動作させる。第2モードBでは、最大振動振幅を第2軸に沿って整列し、ジャイロスコープ速度無効制御エネルギを第1軸に沿って供給する。
ステップ366において、選択したジャイロスコープからのモードB速度測定値、及びその他の動作中のジャイロスコープから得られた、選択したジャイロスコープ軸についての基準速度を記録する。
ステップ368において、モードA測定値及びモードB測定値を用いて、バイアス誤差の推定値を決定する。ステップ360〜368の活動は、例えば、図7のモード逆転ユニット214によって、そして制御システム200の別の付属エレメントによって実行することができる。
【0051】
ここに記載するステップ又は動作は、単なる例に過ぎない。本発明の主旨から逸脱せずに、これらのステップ又は動作には多くの変形が可能である。例えば、ステップを異なる順序で実行してもよく、あるいはステップを追加、削除、又は修正してもよい。
【0052】
図17に移ると、先行技術の速度制御ループ・プロセッサ1700の一実施態様は、閉ループ倍率方法を実行する。速度制御ループ・プロセッサ1700は、125Hz速度方形波変調信号を強制再均衡(FTR:force to rebalance)ループ・コマンドに加算する。速度変調周波数は速度制御ループの帯域幅よりも高いので、ジャイロの変曲パターンを、CLSF速度変調の積分と等価の角度だけ、通常FTRヌル位置から離れるように回転させる。回転した変曲パターンの位置は、節点(ND)及び波腹(AN)ピックオフ信号比率、例えば、節点電圧の比率のアークタンジェントを波腹電圧で除算した値によって決定する。測定した変曲角度を速度変調信号の積分と比較することによって、FRT SFの誤差を推定することができる。
【0053】
図11は、装置400の一実施態様を示しており、この実施形態では、ランダム又は疑似ランダム変調信号又はシーケンスを用いるように構成された閉ループ倍率(RCLSF)推定器、例えば、RCLSF推定器402を備えている。RCLSF推定器402は、一例では、半球状共振ジャイロスコープ(HRG)に強制再均衡(FTR)倍率を推定するように構成されている。HRGは、強制再均衡(FTR)モード又は全角度(WA)モードのいずれかで動作させることができる。FTRモードは、電気的な力でHRGを再均衡させることによって、HRGの共振定在波を抑制するように構成されている。これは、当業者であればよく理解できよう。RCLSF推定器402は、ランダム又は疑似ランダム変調信号又はシーケンスを、例えば、図17の装置1700における125Hz変調信号の代わりに用いるように構成されている。「ランダム」変調信号は、環境入力から相関を解消され、これによって帯域幅を高めた動作を可能にする。
【0054】
RCLSF推定器402は、一実施態様では、信号源404、積分器406、速度制御補償器408、ランダム変調相関器410、RCLSF利得コントローラ412、ループ利得モデラ414、並びにミキサ416、418、420、及び422を備えている。信号源404は、変調信号Ωr-modをミキサ418に供給する。変調信号Ωr-modは、非均一速度信号から成る。ミキサ418は、変調信号Ωr-modを、速度制御補償器408からの強制再均衡(FTR)速度信号と組み合わせて、フィードバック速度信号を得る。ミキサ422は、フィードバック速度信号を利得調節値と混合して、フォーサ・コマンド信号を得、このフォーサ・コマンド信号をジャイロスコープのフォーサ電子回路に供給する。
【0055】
アナログ/ディジタル変換及び復調の後、波腹電圧Vanti-nodeに対する節点電圧Vnodeのアークタンジェントによって、変曲角Θflexを決定する。積分器406は、角度Θr-mod、変調信号Ωr-modの積分をミキサ416に供給する。ミキサ416は、Θr-mod信号をΘflex信号から減算し、角度差信号δΘを速度制御補償器408に受け渡す。速度制御補償器408は、角度差信号δΘからFTRフィードバック・コマンドを決定する。
【0056】
ミキサ422に対する利得調節は、閉ループ倍率及び開ループ利得補正信号の和から、ミキサ420によって決定する。RCLSF利得コントローラ412は、閉ループ倍率補正値を供給し、ループ利得モデラ414は開ループ利得補正信号を供給する。RCLSF利得コントローラ412は、ランダム変調相関器410からの角度差信号δΘ及び角度Θmodの補正推定値に基づいて、閉ループ倍率(RCLSF)補正値を決定する。RCLSF利得コントローラ412は、追加のパラメータを用いて、閉ループ倍率、例えば、プロセス及び測定ノイズ・パラメータを決定することもできる。RCLSF利得コントローラ412は、一例では、ジャイロスコープの安定性及びジャイロスコープ測定値のノイズに基づいて、プロセス及び測定ノイズ・パラメータを動的に調節する。倍率レベル又は安定性にずれを生じさせる事象が発生した場合、RCLSF利得コントローラ412は、より速い復元を可能にするために、フィルタ利得を開放することができる。別の例では、RCLSF利得コントローラ412は、ジャイロスコープが安定な環境で動作しているときには、プロセス利得を締め付けることもできる。これによって、倍率推定値を、推定値の安定性がセンサの物理的特性の安定性に近づくレベルまで改善することが可能になる。センサの物理特性の安定性は、1ppm未満であることが示されている。復調した速度データからのFTR倍率補正値の推定は、種々の様式で実現することができる。一実施態様では、カルマン・フィルタを備え、SF補正値をその積分ランダム速度変調信号に対する相関によって推定する。
【0057】
信号源404は、1つ以上の所望の特性を非均一速度信号に供給するように構成されている。一例では、信号源404は、疑似ランダム信号を非均一速度信号として供給し、慣性速度入力の非均一速度信号との相関を低下させる役割を果たす。相関が低下すると、HRG信号の応答帯域幅を一層高くすることが可能になる。非均一速度信号は、一例では、信号源404によって予め発生する。別の例では、信号源404からの信号は、非均一速度信号が所定の持続時間、例えば、10秒よりも短い場合、使用不可能として拒絶される。一例では、信号源404は変調角度信号もランダム変調相関器410及びミキサ416に供給する。これによって、積分器406を取り除くことができる。一例では、信号源404は非均一速度信号及び/又は変調角度信号を参照表に格納する。更に別の例では、信号源404は、非均一速度信号及び/又は変調角度信号を、記録可能データ記憶媒体424のような、メモリ・ユニットに格納する。これについては、当業者にはよく理解できるであろう。
【0058】
一例では、信号源404からの非均一速度信号が1つ以上の制約に準拠することを確認するために、この信号を格納の前に評価する。第1の制約は、非均一速度信号がゼロの平均を有することである。これによって、非均一速度信号の積分の値が、所定の繰り返し期間においてゼロであることを確保し、バイアス誤差が速度制御補償器408に追加されるのを防止する役割を果たす。非均一速度信号の長期評価は「ランダム」に見えるかもしれないが、非均一速度信号のシーケンスを切り捨てると、HRGの性能と干渉する可能性がある周波数内容を含む可能性がある。したがって、第2の制約は、非均一速度信号が優勢周波数内容を含まないことである。第3の制約は、非均一速度信号が、所定数よりも多い値を含まないことであり、一例では、この制約は、3よりも多い連続ステップに対して反復する値がないことである。第4の制約は、非均一速度信号の積分の最大移動(excursion)が、HRGからの高利得節点信号の電圧範囲内に納まることである。例えば、アナログ/ディジタル変換器の信号対ノイズ比は、サーボのヌル点にアナログ高利得段を用いることにより改善される。非均一速度信号は、速度制御補償器408の事実上の無効点を「ランダム・ウオーク」(random walk)風に移動させる。この「ウオーキング」の最大値は、信号アナログ電子回路及びアナログ/ディジタル変換器の電圧範囲内に確実に納まらなければならない。これは、当業者であればよく理解できるであろう。
【0059】
RCLSF推定器402が有用である用途の別の例に、放射線環境への露出後でも高い性能で動作し続けなければならない戦略的ナビゲーション・システムがある。この状況では、未補正の倍率は、電圧基準及び/又は増幅器利得の劣化により非常に大きな段差を要することになる。放射線環境による劣化の時間は正確に分かるので、RCLSF推定器402のカルマン・フィルタを開放して新たな値に素早く収束させ、次いで残りの任務の間中、カルマン利得を引き締めることによって精緻化する。倍率が要求精度まで収束する時間は所望よりも長くなる場合もあるが、RCLSF推定器402のシステム・プロセッサは、推定値が収束したならば、従来の未補正倍率誘発誤差を補正することができるはずである。これは、当業者であればよく理解できるであろう。
【0060】
別の用途では、RCLSF推定器402は、事前飛行モード(pre-flight mode)で用いて、更に高い精度の推定値を得ることもできる。何故なら、その時点では、ビヒクルは殆ど又は全く正味の運動を有していないことが分かっているからである。これによって、任務の重大性からその飛行中の使用が禁止されていても、RCLSF推定器402は、大幅に改良した倍率補償パラメータを供給することが可能となる。
【0061】
図12〜図16は、非均一速度変調信号及び対応する復調角度信号の実施態様を表す。非均一速度信号及び対応する復調角度信号の例を、プロット502、602、702、802、及び902として示す。プロット502、602、及び702は、RCLSF推定器402に対する所望のプロットの例を示し、角度は上下するが反復値は殆どない。プロット802は、角度の大きな移動の一例を示し、余り望ましいとは言えない。プロット902は、非均一速度信号における一連の反復値の一例を示し、これも余り望ましいとは言えない。
【0062】
装置400は、一例では、1つ以上の電子コンポーネント、ハードウェア・コンポーネント、及びコンピュータ・ソフトウェア・コンポーネントのような複数のコンポーネントを備えている。多数のこのようなコンポーネントは、装置400において組み合わせること又は分割することができる。装置400のコンポーネント例は、多数のプログラミング言語のいずれかで記述された又は実装された1組及び/又は一連のコンピュータ命令を用いる及び/又は備えている。これは、当業者であればよく理解できるであろう。
【0063】
装置400は、一例では、1つ以上のコンピュータ読み取り可能信号支持媒体を用いる。コンピュータ読み取り可能信号支持媒体は、本発明の1以上の実施態様の1以上の部分を実行するソフトウェア、ファームウェア、及び/又はアセンブリ言語を格納する。装置400に合ったコンピュータ読み取り可能信号支持媒体の例には、信号源404の記録可能データ記憶媒体424が含まれる。一例では、装置400のコンピュータ読み取り可能信号支持媒体は、磁気、電気、光学、生物、及び原子データ記憶媒体の内1つ以上を含む。例えば、コンピュータ読み取り可能信号支持媒体は、フロッピ・ディスク、磁気テープ、CD−ROM、DVD−ROM、ハード・ディスク・ドライブ、ランダム・アクセス電子メモリ(RAM)、又はリード・オンリ電子メモリ(ROM)を含む。
【0064】
以上、倍率誤差及びバイアス誤差の改良した推定値を供給し、更にその補償又は較正を行う自己較正ジャイロスコープ・システムについて説明した。このジャイロスコープ・システムは、相互に非平行な配列とした検知軸即ち入力軸を有する複数のジャイロスコープ・ユニットを用いる。ジャイロスコープ・ユニットの数は、好ましくは、速度推定値を必要とする軸の数よりも少なくとも1つ多い。モード逆転技法を用いて、選択したジャイロについてのバイアス誤差の推定値を得る。ランダム閉ループ倍率技法を用いて、選択したジャイロについて倍率誤差の推定値を得る。モード逆転技法は一時的に、影響を受けるジャイロスコープの動作を中断するので、各又はジャイロスコープは、較正のために、一時的に順番にオフラインとし、その後通常動作に戻すとよい。少なくとも1つの冗長なジャイロスコープが設けられているので、選択したジャイロスコープがオフラインになっているとき、残りの動作中のジャイロスコープからの速度情報を用いれば、オフラインのジャイロスコープの軸を中心とする基準速度を導き出すことができる。
【0065】
以上、本発明について、半球状共振ジャイロスコープの集合体に適用することができるものとして説明したが、これらは本発明を適用可能な方法の一例に過ぎない。本発明は、これらの例には限定されず、多くの他の環境に適用することができる。
本明細書において記載した実施形態は一例である。つまり、実施形態は、具体的な技術に関して説明したが、本発明の主旨を踏まえつつ、システムを実現するために別の同等な技術も用いることができることは認められよう。
以上、本発明の実施態様例について詳しく図示し説明したが、本発明の主旨から逸脱することなく、種々の修正、追加、交換等を行うことができることは当業者には明白であり、したがってこれらは、以下の特許請求の範囲に定める本発明の範囲に該当するものとする。
【技術分野】
【0001】
本発明は、一般的には、ジャイロスコープ・システムに関し、更に特定すれば、複数のジャイロスコープ・デバイスを有し、これらが冗長な配列において協同的に動作し、自己較正のための利便性を備えているジャイロスコープ・システムに関する。
【従来技術】
【0002】
半球共振ジャイロスコープ(HRG:hemispherical resonator gyroscope)は、半球形状の共振器(回転輪に対してではなく)を用いて角度変位を検知する形式のジャイロスコープである。HRGは、コリオリ振動ジャイロスコープ群の1種であり、特に「クラスII」コリオリ振動ジャイロスコープであり、その部材は幾何学的にその検知軸即ち入力軸を中心として対称であり、主要弾性軸に沿った振動に関して変性した(degenerate)共振周波数、又はほぼ同一の共振周波数を有する。
【0003】
HGRは、通常、入力軸即ち検知軸を中心として対称的な半球共振器を備えている。共振器には支持幹が一体的に形成されていることがあり、支持幹は一般に検知軸と同一直線上にある。共振器は、通例、共振器の共振周波数に近い周波数の発振強制信号を印加することによって、振動させられる。この信号は、電気信号とするとよく、静電的に共振器に結合することができる。強制信号は、定在波変曲パターン(flex pattern)をセットアップする。これは、入力軸を中心とする角速度が0のときはほぼ静止状態であるが、入力軸を中心とする角速度が0でないと回転し易くなる。
【0004】
ジャイロスコープの入力軸に対する角変位、即ち、その角速度は、変曲パターンを観察することによって検知することができる。変曲パターンは、最少振動振幅の節(node)と、最大振動振幅の波腹(anti-node)とを明示する。HRGは、開ループ・モード又は閉ループ・モードで動作することができる。開ループ・モードでは、変曲パターンを回転させることができ、その位置又は回転速度を、角変位又は角速度の尺度として検知する。閉ループ・モードでは、制御システムが強制信号を調節して、ジャイロスコープの角変位に拘わらず、共振器に対して選択した方位に変曲パターンを位置合わせした状態で維持する。角速度を測定するには、変曲パターンに選択した整列(alignment)を維持するために必要な強制信号(forcing signal)を安定な基準信号と比較する。角度変位は、速度信号を積分することによって得ることができる。閉ループ・モードでは、制御システムが、変曲パターンがずれる原因となるはずの角度変位又は角速度が存在する中で、選択した方位に変曲パターンを整列させる又は「再均衡させる」力を供給する。したがって、閉ループ・モードは「再均衡強制」(force-to-rebalance)モードと呼ばれる場合もある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
HRGは、一般に申し分なく作動すると考えられるが、その性能は、様々な誤差を補正しないと、これらの誤差によって低下してしまう。第1の誤差は、変曲パターンが、HRG装置の幾何学的形状によって規定されるドリフト軸に向かってドリフトする傾向に関する。ドリフト傾向は、共振器の半球形状の不完全、電極、変換器、又はその他の信号結合デバイスの存在、及びその他の異常によって生ずる可能性がある。ドリフト傾向は、制御システムによって角速度として解釈され、したがってバイアス誤差を構成する。第2の誤差は、ジャイロスコープを制御しジャイロスコープから速度信号を供給するために用いられる速度測定信号処理システムの有効利得の欠陥に関係する。センサ利得、増幅器利得などのばらつき等の、この信号処理の有効利得に少しでも不一致があると、倍率誤差が生ずる。これらの不一致又はばらつきは、デバイスの経年変化、温度変動、放射線露出、及びその他の要因によって発生する。
【0006】
前述の倍率誤差は、ジャイロスコープ制御システム、並びに付随する強制及び測定信号処理システムに関係する。共振器自体は、異なる「幾何学的」倍率を有し、これは共振器の幾何学的形状、即ち、半球形状のみに依存する。幾何学的倍率は、共振器の温度、サイズ、直径、厚さ、及び弾性係数の変化に対して、ほぼ不変のままである。
【0007】
用途の中には、製造、検査、又はその後の較正工程においてジャイロスコープ・システムを較正することによって、ジャイロスコープ・システムの倍率誤差及びバイアス誤差を手動で補正できる場合もある。しかしながら、別の用途では、このような較正が実現可能でない場合もある。例えば、宇宙船の用途では、打ち上げ後には、ビヒクル(車両)に到達することはできない。別の用途では、任務時間が非常に短かったり、誤差を生ずる要因が非常に素早く変動するために、いずれの初期較正も直ぐに古くなり、手動の再較正が実現不可能である場合もある。また、手動の再較正は費用がかかり過ぎることもあり得る。
【0008】
このため、少なくとも倍率誤差及びバイアス誤差を最少に抑えるために、ジャイロスコープ・システムと共に用いて自己較正を可能にする装置及び方法が求められている。
【課題を解決するための手段】
【0009】
自己較正ジャイロスコープ・システムは、冗長次元構成とした複数のジャイロスコープ・ユニットと、ジャイロスコープを制御し、ある種の較正機能を実行し、対象の軸についてジャイロスコープから補償済み速度推定値を生成するシステムとを備えている。一般に、三次元で速度推定値を得るためには、ジャイロスコープの1つが速度推定値を提供することができない場合でも、三次元の速度推定値が入手できるように、最少でも4つの非同軸ジャイロスコープが必要となる。制御システムは、バイアス誤差を推定するためにモード逆転技法を用いるバイアス誤差決定ユニットと、倍率誤差を推定するためにランダム閉ループ倍率推定技法を用いる倍率決定ユニットとを備えている。更に、制御システムは、速度制御ループ及び誤差補償ユニットを備えている。速度制御ループ及び誤差補償ユニットは、対象のジャイロスコープから速度推定値を受け取り、対応する誤差決定ユニットからバイアス誤差及び倍率推定値を受け取り、それらに応じて対象のジャイロスコープの速度推定値を補償する。また、速度制御及び誤差補償ユニットは、共振器の変曲パターンの位置を制御するためにフォーサ・フィードバック信号(forcer feedback signal)を供給する。
【0010】
モード逆転バイアス誤差決定ユニットは、バイアス誤差を測定する際、ジャイロスコープを第1モードで動作させる。このモードでは、共振器の変曲パターンを、共振器のドリフト軸から変位した第1制御軸と整列するように強制する。このモードにおいて、ジャイロスコープ速度推定値を記録する。次いで、ジャイロスコープの第2モードで動作させる。このモードでは、共振器の変曲パターンを、共振器のドリフト軸から同様に変位した第2制御軸と整列するように強制する。このモードにおいて、ジャイロスコープ速度推定値を再度記録する。各モードにおけるバイアス誤差は、ほぼ同じ大きさを呈するが、符号が逆である。したがって、バイアス誤差は算術的プロセスによって抽出される。
【0011】
ランダム閉ループ倍率(RCLSF)決定ユニットは、ジャイロスコープの移動との相関を解消した、本質的にランダムなやり方で、共振器変曲パターンの意図する位置を定める制御軸の位置をずらすことによって、倍率誤差を測定する。制御軸の移動と合わせて変曲パターンを移動させるように、フォーサに命令する。倍率誤差は、共振器変曲パターンの測定位置とその意図する軌道との間の不一致として明示される。次元的に冗長なジャイロスコープが設けられる場合、倍率決定ユニットは、他のジャイロスコープの速度推定値から導き出される、対象のジャイロスコープの軸について速度推定値も用いて倍率誤差を測定することができる。「ランダム」という用語を用いるが、制御軸をずらす実際のパターンは、所望の特性を有するように抑制された疑似ランダム・シーケンスであることが好ましく、予め計算しておいてもよい。
【0012】
動作において、ジャイロスコープ・システムと共に用いる方法によれば、較正のためにジャイロスコープを順に選択する。選択したジャイロスコープは、オフラインに置かれる。他の動作するジャイロスコープからの速度推定値に基づいて、ナビゲーションを継続する。モード逆転バイアス決定ユニットは、選択したジャイロスコープについてのバイアス誤差の推定値を得る。モード逆転プロセスは、ジャイロスコープの動作を短時間中断するので、この較正ステップの間、速度推定値を生成するために用いることができない。RCLSF較正プロセスは、ジャイロスコープの動作とは干渉しないので、連続的に実行することができ、あるいはジャイロ毎に順に選択した較正間隔の間に実行することができる。
本発明の実施態様例の特徴は、説明、特許請求の範囲、及び添付図面から明らかとなるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】本発明の一態様にしたがって構成したジャイロスコープ・システム100の一例の全体的ブロック図である。
【図2】図1のジャイロスコープ・システムと共に用いるジャイロスコープ・ユニットの構成例を簡略化した斜視図である。
【図3】図2のジャイロスコープ・ユニットの構成例の幾何学的形状を示す図である。
【図4】図2及び図3に示すジャイロスコープ・ユニットの構成例の2つのユニットの幾何学的形状の更に別の特徴を示す図である。
【図5】共振器の対称軸と同一線上にある平面に沿った、半球状共振ジャイロスコープの一部の簡略断面図であり、図1〜図4のジャイロスコープ・システム100及びジャイロスコープと共に用いる、共振器を示す図である。
【図6】共振器の対称軸に対して垂直な面に沿った、半球状共振ジャイロスコープの一部の簡略断面図であり、図1〜図5のジャイロスコープ・システム100及びジャイロスコープと共に用いる共振器及びその付属エレメントを示す図である。
【図7】図1のジャイロスコープ・システム100と共に用いるジャイロスコープ制御システム200の一例のブロック図である。
【図8】図1のジャイロスコープ・システム100を較正する際に、制御システム200と共に用いる方法例のフロー図である。
【図9】基準軸と図1から図4の個々のジャイロスコープの軸との間で速度情報を変換するために用いる数学的関係を示す図である。
【図10】モード逆転技法を用いて倍率決定を実行する際に、制御システム200と共に用いる方法例のフロー図である。
【図11】ランダム閉ループ倍率(RCLSF)推定器を備えている装置の一実施態様の図である。
【図12】非均一速度変調信号及び対応する復調角度信号の実施態様の図である。
【図13】非均一速度変調信号及び対応する復調角度信号の実施態様の図である。
【図14】非均一速度変調信号及び対応する復調角度信号の実施態様の図である。
【図15】非均一速度信号及び対応する復調角度信号の一実施態様の図であり、角度の大きな移動を示している。
【図16】非均一速度信号及び対応する復調角度信号の一実施態様の図であり、反復速度値を示している。
【図17】方形波CLSF変調を利用した、先行技術の速度制御ループ・プロセッサの図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
図1は、本発明の一態様にしたがって構成したジャイロスコープ・システム100の実施形態例の全体的ブロック図である。ジャイロスコープ・システム100は、例えば、半球状共振ジャイロスコープの集合体、及び適した制御システムを用いて実現することができる。
【0015】
半球状共振ジャイロスコープ(HRG)は、角度変位を検知するために(回転輪ではなく)半球状共振器を用いる形式のジャイロスコープである。HRGは、コリオリ振動ジャイロスコープ群の1種であり、特に「クラスII」コリオリ振動ジャイロスコープであり、その部材は幾何学的にその検知軸即ち入力軸を中心として対称であり、主要弾性軸に沿った振動に対して更生した共振周波数又はほぼ同一の共振周波数を有する。本明細書において記載する較正技法及びジャイロスコープ・システムを較正し動作させる総合的な方法は、HRGに限定されるのではなく、いずれのクラスIIコリオリ振動ジャイロスコープにでも一般に応用することができ、当業者の理解の範囲内での修正により、他のジャイロスコープ形式にも応用することができる。
【0016】
本明細書において記載するジャイロスコープ・システム100、装置、制御システム、及び関連する方法は、限定ではなく一例として、多数のジャイロスコープ及び適した制御システムを用いるジャイロスコープ・システムの応用環境において図示されており、ジャイロスコープのシステムを較正する際に直面した課題をどのようにすれば克服できるかを示す。しかしながら、制御システムは、HRGジャイロスコープの集合体には限定されない環境において、本発明の技術的思想に沿って、修正せずに又は他当業者の理解の範囲の修正により、他のジャイロスコープの用途、更に一般的には他のジャイロスコープ形式にも応用できる利点があることは、当業者には明らかであろう。
【0017】
本願は、ジャイロスコープ及びそのための制御システムに関し、種々の電子及び光学技術を用いて実現することができる。これらの技術には、限定ではなく、アナログ電子システム、ディジタル電子システム、マイクロプロセッサ及びその他の処理エレメント、ならびにこのようなシステム及び処理エレメントと共に方法、プロセス、又は方針を実現するためのソフトウェア及びそれ以外の方法で具体化したステップ、命令等の収集体が含まれる。尚、ジャイロスコープ及び制御システムの技術では、種々の信号リード、バス、データ経路、データ構造、チャネル、バッファ、メッセージ受け渡しインターフェース、自由空間光経路、光ファイバ経路、及びその他の通信経路を用いて、情報又は信号を伝達するための設備、構造、又は方法を実現することができ、多くの場合機能的に同等であることは明白であろう。したがって、特に注記しない限り、信号又は情報を伝達するための装置又はデータ構造を引用する場合、全ての機能的に同等な装置及びデータ構造を総合的に指すこととする。
【0018】
図1に最良に示すように、一例のジャイロスコープ・システム100は、複数のジャイロスコープ110a〜110dと、信号経路114a〜114dを通じてジャイロスコープ110a〜110dにそれぞれ接続されている複数のジャイロスコープ・コントローラ112a〜112dと、信号経路116a〜116dを通じてジャイロスコープ・コントローラ112a〜112dにそれぞれ接続されているジャイロスコープ・システム・プロセッサ120とを備えている。システム・プロセッサ120は、とりわけ、ナビゲーション、位置報告、又は同様の機能に有用な速度推定値を、信号経路122を通じて消費デバイスに供給する。例えば、限定ではないが宇宙船を含むビヒクルの用途では、消費デバイスは、ビヒクル・ナビゲーション及び推進制御部124とするとよい。速度推定値は、個々のジャイロスコープ110a〜110dの軸に関して提供することができ、あるいは標準的な直交軸(例えば、X、Y、及びZ)に関して提供することもできる。後者の速度は、「ボックス・レート」と呼ばれることもある。また、システム・プロセッサ120は、慣性センサ(図示せず)を含む他のセンサからの信号も処理して、角速度の他にも情報を消費デバイスに供給することもできる。
【0019】
図1における複数の別個のジャイロスコープ・コントローラ112a〜112d及び別個のシステム・プロセッサ120は、当技術分野における伝統的な慣例を反映しており、選択した制御点又は制御軸と整列するようにジャイロスコープ共振器の変曲パターンを駆動することを含むことができる下位制御機能は、ジャイロスコープ毎のコントローラによって実行し、一方、速度推定値の較正又は補償、及び速度推定値の1つの座標系から別の座標系への変換を含む上位機能は、上位システム・プロセッサによって実行する。しかしながら、この特定的なエレメントの編成、又はこのようなエレメントに対する機能の特定的な分散を採用することは必須ではない。したがって、ジャイロスコープ・システム100の制御機能は、以後、総合的にジャイロスコープ制御システム200(図7)によって実行するように説明し、このような機能を実現することができる物理的ユニットを特定するものではない。更に、制御システム200は、適した制御技術であればいずれを用いても実現することができ、適した技術には、限定ではないが、コンピュータ、マイクロプロセッサ、ディジタル信号プロセッサ、同期ディジタル・ロジック、非同期ディジタル・ロジック、並びにアナログ処理、制御及び計算の内いずれの1つ以上でもが含まれる。
【0020】
図2は、図1のジャイロスコープ・システム100と共に用いるジャイロスコープ・ユニットの配列又は集合体の一例の簡略化した斜視図である。ジャイロスコープ110a〜110dは、ジャイロスコープ・クラスタ・ブロック、固定具、プラットフォーム、又は基板126に、機械的に固着されている。ジャイロスコープ110a〜110dの各々は、対応する入力軸即ち検知軸130a〜130dを有し、それを中心として角度変位又はその速度を検知する。固定具126は、ジャイロスコープ110a〜110dを調節可能な位置に固着させて、ジャイロスコープ軸130a〜130d間に好ましい角度関係を実現できるようにすることが好ましい。通常では、三次元ナビゲーションに必要とされる3本の軸を中心とした速度を得るためには、3つの相互に非平行なジャイロスコープで十分であるが、本発明の一態様によれば、いずれか1つのジャイロスコープがナビゲーションに利用できない場合に、三非同軸速度推定値(three-non-coaxial rate estiamtes)を供給することができるように、少なくとも1つの冗長ジャイロスコープを設ける。これは、本発明の一態様にしたがってジャイロスコープが較正を受けているときに、生ずる可能性がある。したがって、ジャイロスコープ・システム100は、ここでは4つのジャイロスコープ110a〜110dを有するように図示されているが、任務の要件に応じて、別の数のジャイロスコープを用いることもできる。本明細書では、「較正」(calibration)という用語をその種々の形態で用いて、補正可能な誤差の影響を低減することによって、ジャイロスコープ・システムの出力を高精度化した結果に向けて調節することを意味する。標準的な直交軸X、Y、及びZが原点128から延びていることを示している。ジャイロスコープ110a〜110dの軸は必ずしも標準軸と一直線状でも平行でもないが、ジャイロスコープ軸を中心とする速度推定値は、標準軸(又はその他の相互に非平行な軸の集合)を中心とする速度推定値に変換することができる。これは、当技術分野では周知である。
【0021】
図3は、図2のジャイロスコープ・ユニットの配列例の幾何学的形状を示す図である。図3において最良に示すように、ジャイロスコープは、それらの軸130a〜130dが八面体四素組(octahedral tetrad)を形成するように配列されている。八面体四素組配列は、4本のジャイロスコープ軸130a〜130dの各々が原点132から延び、定められているZ軸に対して54.7356度の角度134を形成し、4本のジャイロスコープ軸130a〜130dをZ軸に垂直な平面(例えば、X−Y平面)上に投射すると、隣接する軸130a〜130dの投影が互いに垂直となることを特徴とする。これは、90度の角度136によって示す通りである。
【0022】
冗長ジャイロスコープのいずれの相互非平行配列でも、論理的には用いることができる。何故なら、このような配列の軸に関する速度推定値は、数学的に、他のいずれの軸集合に関する速度推定値にも変換できるからである。しかしながら、図2及び図3の八面体四素組配置が、種々の時点において3つ又は4つのジャイロスコープを利用可能にすることができるシステムには最適であると確信する。この特定的な配列によって、4つのジャイロスコープ全て又はいずれか3つのジャイロスコープからの速度推定値を、標準軸を中心とする速度推定値又は1つの利用できないジャイロスコープに対応するいずれかの軸を中心とする速度推定値に容易に変換することが可能となり、他の可能な配列と比較して、変換誤差は小さいと確信する。しかしながら、他の配列を用いることも可能である。
【0023】
図4は、図2及び図3に示したジャイロスコープ・ユニットの配列例の内2つのユニットの幾何学的形状138の更に別の特徴を示す図である。該図には、第1及び第2ジャイロスコープ110a及び110bが示されている。第3及び第4ジャイロスコープ110c及び110dは、明確化のために省略した。
【0024】
図5は、共振器の対称軸130と同一直線上にある平面に沿った半球状共振ジャイロスコープの一部の簡略断面図であり、図1〜図4のジャイロスコープ・システム100及びジャイロスコープ110a〜110dと共に用いる共振器を示す。図6は、共振器の対称軸130に対して垂直な平面に沿った半球状共振ジャイロスコープの一部の簡略断面図であり、図1〜図5のジャイロスコープ・システム100及びジャイロスコープと共に用いる共振器及びその付属エレメントを示す。
【0025】
HGRは、一般に、入力軸又は検知軸130を中心として対称的な半球状共振器144を備えている。共振器144には、概略的に検知軸と同一直線上にある支持幹142を一体的に形成することができる。共振器144は、ジャイロスコープ筐体及び支持構造140の中に収容することができる。共振器は、通例、当該共振器の共振周波数に近い周波数の発振強制信号を印加することによって振動させられる。この信号は電気信号として、158及び160のような1つ以上の電極又は変換器を用いて共振器に静電的に結合することができる。
【0026】
共振器144の遠端部の振動即ち変曲パターンの一例を図6に示す。振動の振幅は、大きく誇張されている。共振器の振動は、当該共振器の共振周波数に非常に近い周波数において、電極又は変換器158及び160の1つ以上によって励起される。共振器144の振動は、定在波振動パターンを形成する。これは、入力軸130を中心とする角速度が0であり、印加されるいずれの励起即ち強制信号も変位を強制しないのであれば、静止状態のままでいる。入力軸を中心とする角速度が0でない場合、振動パターンは回転し易くなる。
【0027】
最少振動振幅の点を「節点」と呼ぶ。例えば、156であり、これと節点軸152の位置が揃う。最大振動振幅の点を「波腹」と呼ぶ。例えば、154であり、これと波腹軸150の位置が揃う。変換器160が節点156に隣接し、変換器158は波腹154に隣接する。共振器144の幾何学的形状によって確立される振動モード、並びに変換器158及び160によって印加されるあらゆる励起信号の周波数に応じて、節点及び波腹は各々、図6に示す4つよりも多くても少なくともよい。
【0028】
節点及び波腹は、変換器160及び158とそれぞれ位置が揃っているように図示されているが、振動パターンは、当然のことながら、ジャイロ検知軸に沿ったジャイロ・ケースの回転に応答して、これらの点から離れるように回転する。つまり、軸130を中心とする角速度が非ゼロである場合、振動パターンは回転し易くなると言えるが、所望の位置に停留するように強制することもできる。これを遂行するには、ジャイロ共振器の変曲パターンに対して適正な位相で、節点強制電極に電圧を印加することによって可能となる。角速度は、振動パターンを所望の点に維持するために必要な信号の大きさから推論することもできる。このような様式で動作するジャイロスコープを、「閉ループ」モードで動作していると言う。
【0029】
図7は、図1〜図6のジャイロスコープ・システム100と共に用いるための、本発明の一態様にしたがって構成したジャイロスコープ制御システム例200のブロック図である。図7は、ジャイロスコープ110a〜110dの内の1つ110dを制御するために必要な、制御システム200のエレメントを示す。ボックス210の内容は、ジャイロスコープ110dについては一般に制御システム200の外部にあると見なされるエレメントを表しており、ジャイロスコープ・システム100の残りのエレメント、又は更に一般的に、慣性参照システムの残りのエレメントであると見なすことができる。しかしながら、ボックス210内にあるエレメント、及び信号又は情報ボックス210は、制御システム200が適正に又は最適に動作するためには必要となる場合もある。本明細書では、制御システム200は、ジャイロスコープの内の1つ110dを制御する環境において説明するが、残りのジャイロスコープも、制御システム200の設備を複製することによって制御することができる。あるいは、制御システム200の設備は、些細な修正によって、数個のジャイロスコープ110間で共有することもできる。
【0030】
全体像では、制御システム200は、更に、モード逆転バイアス決定ユニット214、ランダム閉ループ倍率(RCSLF)誤差決定ユニット220、標準速度制御ループ及び誤差補償ユニット216、並びにジャイロスコープ・モデル218を備えている。モード逆転ユニット214及びRCSLFユニット220はそれぞれ、バイアス誤差及び倍率誤差の推定値を生成し、これらを速度制御及び誤差補償ユニット216に供給する。ジャイロスコープ・モデル218は、実際の物理的ジャイロスコープを表し、生速度情報を速度制御及び誤差補償ユニット216に供給する。このユニットは、ジャイロスコープを制御するために用いられるフィードバック信号を生成し、これから、未補償ジャイロスコープ速度出力信号を導き出す。加えて、ユニット216は、モード逆転ユニット214及びRCSLFユニット220からそれぞれ受け取ったバイアス誤差信号及び倍率誤差信号を用いて、補償済み(又は較正済み)速度推定値272を生成し、ナビゲーション及び推進制御部124(図1)のような、コンシューマ(consumer)装置に配信する。本明細書では、「較正」(calibration)という用語をその種々の形態で用いて、補正可能な誤差の影響を低減することによって、ジャイロスコープ・システムの出力を高精度化した結果に向けて調節することを意味する。
【0031】
制御システム200の主要な機能エレメントの各々について、個別に更に詳細に説明する。
ボックス210は、補償済み出力信号260a〜260cを変換ユニット224に供給する、残りのジャイロスコープ110a〜110cを備えている。補償及び変換ユニット224は、他のジャイロスコープからの速度情報を用いて、制御対象のジャイロスコープ110dの軸を中心とした角回転速度を表す速度基準信号226を生成する。ジャイロスコープ110dが動作している場合(即ち、較正のためにオフラインになっていたり、故障のため稼動していないのではない)、ジャイロスコープ110dからの速度推定値は補償及び変換ユニット224が提供する、そのジャイロスコープについての速度基準情報と密接に一致するはずである。更に、ボックス210は「実慣性速度」(actual inertial rate)と称する項目222も示している。厳密に言うと、これは信号ではなく、ジャイロスコープ110a〜110dの各々が体験する実際の物理的慣性/角速度であり、ジャイロスコープ110a〜110dの出力に影響を及ぼす「入力」の中に含まれる。ジャイロスコープ110dも慣性/角速度を受けるので、速度222はジャイロスコープ110dのモデル218への入力としても示されている。「他の」ジャイロスコープ226からの速度基準信号は、モード逆転ユニット214に供給される。
【0032】
モード逆転バイアス決定ユニット214は、加算器228、モード逆転バイアス誤差抽出エレメント230、及びモード・シーケンシング・ロジック(mode sequencing logic)234を備えている。加算器228は、ボックス210から速度基準信号226を受け取り、速度制御及び誤差補償ユニット216から補償済み速度推定値信号272を受け取り、信号272から信号226を減算して推定速度誤差信号264を導き出す。
【0033】
モード・シーケンシング・ロジック234は、モード制御信号234を供給する。これは、ジャイロスコープ110dに供給され、ジャイロスコープ110d及びバイアス誤差抽出器230の第1及び第2モード動作間で選択を行う。第1モードでは、ジャイロスコープ110dの共振器変曲パターンを、共振器のドリフト軸から変位した第1制御軸と位置合わせさせ、バイアス誤差抽出器230は、バイアス誤差に基準速度260及び倍率推定値294の積を加算した値と等価な推定速度誤差信号を受け取る。第2モードでは、ジャイロスコープ110dの共振器変曲パターンを、共振器のドリフト軸から変位した第2制御軸と位置合わせさせ、バイアス誤差抽出器230は、バイアス誤差から基準速度260及び倍率推定値294の積を減算した値と等価な推定速度誤差信号を受け取る。バイアス誤差抽出器230は、共振器モードを逆転するために必要な短い間隔の異なる時点においてこれらの信号を取り込んで、これらを用いてモード逆転バイアス誤差補正信号270を生成する。モード・シーケンシング・ロジックがジャイロをモード0からモード1に移行させると、フォーサ(forcer)は、パターンを固定したまま保持する信号を供給する代わりに、変曲パターンが、一方の電極に沿って最大振幅を有することろから、他方の電極に沿ってそれを有するところまで移動するように、適正なシーケンス信号を印加する。第1の位置にあるとき、ジャイロからの速度出力は266において示すようになり、加算器228の出力がモード0入力266に伝わり、バイアス誤差抽出器230によって用いられる。切換によりモード1に変化すると、加算器228の出力はバイアス抽出器230のモード1入力268に移動する。ジャイロの物理的性質のために、モード0における加算器228の出力は、値dB+dSF×入力速度となり、dBはバイアスの推定値の誤差であり、dSFは倍率の推定値の誤差である。同様に、モード1にあるとき、加算器228の出力は、値dB−dSF×入力速度となる。モード逆転ユニット214と共に用いる方法350について、図10と関連付けて説明する。モード逆転ユニット214及び関連する方法は、更に、文書番号第2007/0039386号の下で公開された米国特許出願第11/499,957号、及び米国特許第7,103,477号"self-calibration for an inertial instrument based on real time bias estimator"(リアル・タイム・バイアス推定器に基づく慣性計器の自己較正)に開示されているように実現することもできる。その内容は、ここで引用したことにより、本願にも含まれるものとする。
【0034】
ランダム閉ループ倍率(RCSLF)誤差決定ユニット220は、ランダム信号発生器252、積分器254、及びRCLSF倍率誤差推定エレメント256を備えている。ランダム信号発生器252は、速度変調信号290を加算器248に生成し、ジャイロスコープ110dにおける共振器の変曲パターンの位置をランダムにずらすために用いられる。ここではランダムという用語を用いるが、信号及び変曲パターンをずらすやり方は、実際にはランダムである必要はなく、実際、疑似ランダム信号の方が好ましい場合もある。パターン・シフト(pattern shift)を制御するためにランダム信号又は疑似ランダム信号を用いる意図は、ジャイロスコープ110dが検知しようとするあらゆる物理的又は環境的入力から、パターン・シフトとの相関を解消することである。以下で更に詳しく説明するが、疑似ランダム信号は、ある種の制約を満たすように設計することができる。制約には、比較的短い複数の期間にわたるゼロの平均、優勢周波数内容がないこと、連続重複値の数の制限、及び信号の積分が後続の処理エレメントのダイナミック・レンジを超えてはならないことが含まれる。ランダム信号発生器252は、これらの制約を満たす値を予め計算して収容した参照表を用いて実現することができ、この表からの値を、しかるべき手段を用いて出力すればよい。
【0035】
速度変調信号290は、積分器254にも供給され、積分器254は速度を積分して角度変調信号292を生成する。積分器254は、事実上、変曲パターンの位置に関してジャイロスコープ110dに指令された挙動をモデル化する。つまり、角度変調信号292を加算器242に供給し、ジャイロスコープ出力信号260からこれを減算する。したがって、加算器242からのヌル角度誤差信号282は、ジャイロスコープ110dに指令された挙動とその実際の挙動との間の差を特徴付け、その差は少なくとも部分的に倍率誤差の結果である。角度変調信号292及びヌル角度誤差信号282を倍率誤差推定器256に供給し、倍率誤差推定器256は、推定倍率誤差を決定し、RCLSF倍率補正信号294を生成する。RCLSF倍率補正信号294は、ジャイロスコープ110dを駆動する増幅器に供給され、更に速度制御及び誤差補償ユニット216の速度誤差補償器240に供給される。RCSLFユニット220の動作については、以下で図11〜図16と関連付けて更に詳しく説明する。
【0036】
増幅器及び加算器の連鎖が、多数の信号をジャイロスコープ110dに供給する。RCSLFユニット220からの速度変調信号290、及び速度制御及び誤差補償ユニット216からのフォーサ・フィードバック速度信号276が加算器248に供給される。加算器248は、変調フォーサ・フィードバック信号288を生成し、フォーサ・フィードバック増幅器250に供給する。RCSLFユニット220からの倍率補正信号294は、増幅器250の利得入力に供給される。つまり、倍率補正信号294は、増幅器250の利得を調節し、したがって変調フォーサ・フィードバック信号288のスケーリング(scaling)を調節する。増幅器250の出力は、倍率を調節したフォーサ・フィードバック信号280であり、ジャイロスコープ・モデル218に供給される。
【0037】
ジャイロスコープ・モデル218は、ジャイロスコープ110dの動作モデルを示し、ジャイロスコープ110dがどのように制御信号、物理的/環境的入力、及び誤差源に応答することを期待できるか理解する際の補助となる。図示のように、ジャイロスコープ・モデル218は、加算器246及びジャイロスコープ110dを含む。勿論、加算器246は実際には存在しない。ジャイロスコープ・モデル218におけるその外観は、ジャイロスコープ110dが倍率調節フィードバック信号280を直接受け取り、ジャイロスコープの応答はその信号、ジャイロスコープ110dが示す実際のバイアス誤差244、及びジャイロスコープが受ける実際の慣性速度222に線形に依存することを意味する。
【0038】
ジャイロスコープ110dは、モード制御信号234を受け取り、更に、実際の倍率誤差238による作用も受ける。ジャイロスコープ110dは、出力260を生成し、加算器242に供給する。加算器242は、ヌル角度誤差信号282を生成し、RCSLFユニット220並びに速度制御及び誤差補償ユニット216に供給する。角度変調信号292を速度制御ループ236への信号から除去することによって、速度制御ループ出力276に対するRCLSF変調によって誘発されるノイズを最小限に抑える。この結果、ジャイロ272から消費デバイスへの出力の信号対ノイズ比が向上する。
【0039】
速度制御及び誤差補償ユニット216は、速度制御ループ236及び速度誤差補償エレメント240を備えている。速度制御ループ236は、ヌル角度誤差信号282を受け取り、それに応答してフォーサ・フィードバック速度信号276を生成し、加算器248及び速度誤差補償器240の双方に供給する。速度誤差補償器240は、フォーサ・フィードバック速度信号276、バイアス誤差補正信号270、及び倍率補正信号294を受け取り、補償済み速度推定値信号272を生成する。補償済み速度推定値信号272は、モード逆転ユニット214に供給され、更にナビゲーション及び推進制御部124のような消費デバイスにも、ジャイロスコープ軸130dを中心とする速度推定値として供給される。バイアス誤差及びSF誤差は双方ともゆっくりと変動するプロセスであり、主にジャイロ及び/又は電子回路における温度変動によって変化する。バイアス及びSF誤差推定アルゴリズム双方の設計は、これを利用することができ、10分台から数時間の範囲の非常に長い時定数の変化に対する応答の更新を用いる。これら長い時定数により、推定器は、個々の測定値の重みを軽くすることによって、観察したデータにおける短期の収差を無視することが可能になる。これは、統計的に、短期誤差の影響を最小限に抑え、推定ルーチンが真のジャイロ誤差のみを追跡することを可能にする。RCLSFアルゴリズムの帯域幅は、フォーサ更新率及びプロセッサ計算処理能力の制約の範囲内で実用上できるだけ高い方がよい。これによって、できるだけ広い周波数帯域全域にわたってヌル更新のスペクトル・エネルギを拡散させて、実際のビヒクル運動入力との相互作用を最小限に抑える。例えば、1kHzの率でジャイロ・データを取り込み、その率でフォーサ・コマンドも更新すると、ヌル位置も1kHzの率で更新されることになる。しかしながら、システム上の限界により、フォーサ・コマンドを5回の測定毎でないと送れない場合、200Hzの更新率が用いられる。
【0040】
更に、自己較正性能は、推定器を適応的とし、温度変化及び/又はジャイロ速度入力の測定値に基づいて時定数を変化させることによって高めることができる。例えば、温度が変化しているとき、バイアス推定器の時定数を減少させることができ、あるいは有意なジャイロ入力速度を測定するときSF推定器の時定数を増大させるとよい。これは、最初の場合ではカルマン・フィルタのプラント・ノイズ(plant noise)を増大させることにより、2番目の場合ではフィルタ測定ノイズを増大させることにより、容易に行うことができる。状況によっては、その状況が変化するまでその時点における現在の誤差推定値を凍結することによって、バイアス又はSF推定の更新を完全に禁止してもよい。バイアス推定では、ジャイロ入力速度が閾値レベル(例えば、1゜/秒よりも高い)に達したときに、更新を禁止する。この推定値の凍結により、基準ジャイロ倍率の誤差又は検知軸位置ずれ誤差がバイアス値を変転させるのを妨げることができる。同様に、高速度入力の間、そして安定化したビヒクルが、ヌル位置変調によって、速度信号に注入される短期ノイズの減少の効果を受けることができるときには、RCLSF推定器をオフにしてもよい。具体的な用途によって、ヌル位置のランダム化によって容認できないノイズが生じた場合、バイアス・モード逆転の間、それが完了する前又は後においてジャイロをオフラインにしている間だけ、SF推定器をオンにすることができる。
【0041】
自己較正メカニズムに更に別の改良を加えるには、ジャイロが運動がないことを検知するときにはバイアス及びSF推定双方を可能にし、ビヒクルが移動するときには不活性化するロジックを使用する。精密戦略的ミサイル用途では、ビヒクルが休止中の間も補償器を連続的にオンにして、必要なときに、最大精度の速度推定値を供給することができる。動作中に活性化及び不活性化することができるようにRCLSF推定器を自動化する場合、ヌル転位(null shifting)を不活性化する点が肝要となる。停止するとき、パターン変調の積分はゼロでなければならず、そうでないと、ヌル・オフセットによってジャイロの出力に誤差が生じたままとなる。
【0042】
本発明の更に別の態様によれば、図8は、図1のジャイロスコープ・システム100を較正する際に、制御システム200と共に用いる方法例300のフロー図である。この方法は、図1〜図7の装置とでも用いることができるが、本発明の主旨から逸脱することなく、他の装置や他のジャイロスコープ・システムと用いることも可能であることは、当業者には明らかであろう。したがって、主要ステップの一部は、図1〜図7の特定の装置を拠り所としなくてもよい一般的な形態で提案している。尚、ある種のステップやサブステップの説明では、このようなステップが図1〜図7の装置の具体的なエレメントによって実行可能であることを注記しておく。ステップ及び装置の連携は、限定ではなく一例として行われるのであり、これらのステップは他の装置によっても実行可能であることは言うまでもない。更に、任意のサブステップは、省略してもよく、あるいは主要ステップの機能を実現又は具体化する他の特定的な方法ステップと置換してもよい。離散的なステップについて述べるが、実施形態によっては、当該ステップにおいて定められる機能は連続プロセスとして実行してもよいことは、当業者には言うまでもないであろう。
【0043】
ステップ310において、少なくともN+1個のオンライン・ジャイロスコープ(Nは、ナビゲーションのために角速度が必要となる軸の本数である)を用いてシステムを動作させる。ジャイロスコープ軸毎に、速度推定値を得て、倍率、バイアス、及び入力軸整列の以前に較正した誤差パラメータを補償する。ステップ310の活動(activities)は、例えば、図7の制御システム200、図1のジャイロスコープ・コントローラ112a〜112d、及び図1のシステム・プロセッサ120の内の1つ以上によって実行することができる。
【0044】
ステップ312において、再較正のために1つのジャイロスコープを選択する。ステップ314において、選択したジャイロスコープをオフラインにする。残りのオンライン・ジャイロスコープは、ビヒクルのナビゲーションに使用可能な動作速度推定値を供給し、選択したジャイロスコープの軸を中心とする基準速度を決定するために用いられる。ジャイロスコープが「オフライン」であるというとき、これが意味するのは、そのジャイロスコープからのいずれの速度推定値もナビゲーションのため又は他の殆どの目的のために用いられないということである。ジャイロスコープが「オンライン」であるというとき、これが意味するのは、そのジャイロスコープからの速度推定値をナビゲーションに利用可能であるということである。ステップ312〜314における動作は、例えば、図7の制御システム200、図1のジャイロスコープ・コントローラ112a〜112d、及び図1のシステム・プロセッサ120の内の1つ以上によって実行することができる。
【0045】
ステップ316において、モード逆転を適用して、バイアス誤差の推定値を改良して生成する。
ステップ318において、ランダム閉ループ倍率技法を適用して、倍率推定を更に改良する。更新した倍率及びバイアス係数をジャイロスコープ補償アルゴリズムに転送することによって、改良した倍率及びバイアスをシステム・プロセッサのジャイロスコープ補償モデルの中に組み入れる。ステップ316の活動は、例えば、図7のモード逆転ユニット214、ランダム閉ループ倍率(RCSLF)誤差決定ユニット220、及び制御システム200の付属エレメントの内の1つ以上によって実行することができる。
【0046】
ステップ302において、選択したジャイロスコープを通常動作に戻す。新たな再較正したジャイロスコープが生成した速度情報は、システム速度推定値に含まれる。任意に、別のジャイロスコープを較正のために選択してもよく、実行はステップ314にて継続することができる。
ここに記載するステップ又は動作は、一例に過ぎない。本発明の主旨から逸脱せずに、これらのステップ又は動作には多くの変形がある。例えば、ステップを異なる順序で実行してもよく、あるいはステップを追加、削除、又は修正してもよい。
【0047】
図9は、基準軸と図1〜図4の個々のジャイロスコープの軸との間で速度情報を変換する際に用いる数学的関係を示している。式330a〜330dは、基準(ボックス)軸(XR,YR,ZR)から個々のジャイロスコープの軸(XGi,YGi,ZGi,i=A,B,C,D)へのそれぞれの変換行列(CRGi)を表す。これらの計算にはジャイロの検知軸への入力のみが必要なので、基準軸から4つのジャイロスコープの各々の検知軸への1つの変換行列を用いることができる。この行列を、式332a〜332bに示す。「ボックス・フレーム」において既知の速度を返還式332a及び332bと乗算することによって、その結果、各ジャイロの検知軸に沿った慣性加速度が分かる。
【数1】
で表される変換行列332cを逆に用いて、「ボックス・フレーム」の座標における各ジャイロの検知軸に沿った既知の加速度を変換する。
【0048】
図8は、本発明の更に別の態様による、ジャイロスコープに影響を及ぼすバイアス誤差及び倍率誤差の推定値を改良するために選択したジャイロスコープを較正する際に制御システム200と共に用いるための方法例350[300]の自己較正システム全体を示すフロー図である。
この方法は、図1〜図7の装置と共に用いるとよいが、本発明の主旨から逸脱することなく他の装置や他のジャイロスコープ・システムと共に用いることもできることは、当業者には認められるであろう。したがって、主要なステップの一部は、図1〜図7の特定的な装置を拠り所としなくてもよい、一般化した形態で提案する。尚、ある種のステップ及びサブステップの説明においては、このようなステップは図1〜図7の装置の具体的なエレメントによって実行するとよいこととする。ステップ及び装置の連携は、限定ではなく一例として行われ、これらのステップは別の装置によっても実行可能であることは言うまでもない。更に、任意のサブステップを省略することや、主要ステップの機能を実現又は具体化する別の具体的な方法ステップで置換してもよい。別々のステップについて述べるが、実施形態によっては、そのステップにおいて定められる機能は連続プロセスとして実行してもよいことは、当業者には言うまでもないであろう。
【0049】
図10は、本発明の更に別の態様による、選択したジャイロスコープを較正する際に制御システム200と共に用いる方法350を示している。該方法350は、方法200のステップ316の拡張であり、ジャイロスコープに影響を及ぼすバイアス誤差の推定値を改良するためのバイアス・モード逆転技法について説明する。ステップ360において、選択したジャイロスコープを第1モードAで動作させる。第1モードAでは、最大振動振幅を第1軸に沿って整列し、ジャイロスコープ速度無効制御エネルギを第2軸に沿って提供する。
【0050】
ステップ362において、選択したジャイロスコープからのモードA速度測定値、及びその他の動作中のジャイロスコープから得られた、選択したジャイロスコープ軸についての基準速度を記録する。
ステップ364において、選択したジャイロスコープを第2モードBで動作させる。第2モードBでは、最大振動振幅を第2軸に沿って整列し、ジャイロスコープ速度無効制御エネルギを第1軸に沿って供給する。
ステップ366において、選択したジャイロスコープからのモードB速度測定値、及びその他の動作中のジャイロスコープから得られた、選択したジャイロスコープ軸についての基準速度を記録する。
ステップ368において、モードA測定値及びモードB測定値を用いて、バイアス誤差の推定値を決定する。ステップ360〜368の活動は、例えば、図7のモード逆転ユニット214によって、そして制御システム200の別の付属エレメントによって実行することができる。
【0051】
ここに記載するステップ又は動作は、単なる例に過ぎない。本発明の主旨から逸脱せずに、これらのステップ又は動作には多くの変形が可能である。例えば、ステップを異なる順序で実行してもよく、あるいはステップを追加、削除、又は修正してもよい。
【0052】
図17に移ると、先行技術の速度制御ループ・プロセッサ1700の一実施態様は、閉ループ倍率方法を実行する。速度制御ループ・プロセッサ1700は、125Hz速度方形波変調信号を強制再均衡(FTR:force to rebalance)ループ・コマンドに加算する。速度変調周波数は速度制御ループの帯域幅よりも高いので、ジャイロの変曲パターンを、CLSF速度変調の積分と等価の角度だけ、通常FTRヌル位置から離れるように回転させる。回転した変曲パターンの位置は、節点(ND)及び波腹(AN)ピックオフ信号比率、例えば、節点電圧の比率のアークタンジェントを波腹電圧で除算した値によって決定する。測定した変曲角度を速度変調信号の積分と比較することによって、FRT SFの誤差を推定することができる。
【0053】
図11は、装置400の一実施態様を示しており、この実施形態では、ランダム又は疑似ランダム変調信号又はシーケンスを用いるように構成された閉ループ倍率(RCLSF)推定器、例えば、RCLSF推定器402を備えている。RCLSF推定器402は、一例では、半球状共振ジャイロスコープ(HRG)に強制再均衡(FTR)倍率を推定するように構成されている。HRGは、強制再均衡(FTR)モード又は全角度(WA)モードのいずれかで動作させることができる。FTRモードは、電気的な力でHRGを再均衡させることによって、HRGの共振定在波を抑制するように構成されている。これは、当業者であればよく理解できよう。RCLSF推定器402は、ランダム又は疑似ランダム変調信号又はシーケンスを、例えば、図17の装置1700における125Hz変調信号の代わりに用いるように構成されている。「ランダム」変調信号は、環境入力から相関を解消され、これによって帯域幅を高めた動作を可能にする。
【0054】
RCLSF推定器402は、一実施態様では、信号源404、積分器406、速度制御補償器408、ランダム変調相関器410、RCLSF利得コントローラ412、ループ利得モデラ414、並びにミキサ416、418、420、及び422を備えている。信号源404は、変調信号Ωr-modをミキサ418に供給する。変調信号Ωr-modは、非均一速度信号から成る。ミキサ418は、変調信号Ωr-modを、速度制御補償器408からの強制再均衡(FTR)速度信号と組み合わせて、フィードバック速度信号を得る。ミキサ422は、フィードバック速度信号を利得調節値と混合して、フォーサ・コマンド信号を得、このフォーサ・コマンド信号をジャイロスコープのフォーサ電子回路に供給する。
【0055】
アナログ/ディジタル変換及び復調の後、波腹電圧Vanti-nodeに対する節点電圧Vnodeのアークタンジェントによって、変曲角Θflexを決定する。積分器406は、角度Θr-mod、変調信号Ωr-modの積分をミキサ416に供給する。ミキサ416は、Θr-mod信号をΘflex信号から減算し、角度差信号δΘを速度制御補償器408に受け渡す。速度制御補償器408は、角度差信号δΘからFTRフィードバック・コマンドを決定する。
【0056】
ミキサ422に対する利得調節は、閉ループ倍率及び開ループ利得補正信号の和から、ミキサ420によって決定する。RCLSF利得コントローラ412は、閉ループ倍率補正値を供給し、ループ利得モデラ414は開ループ利得補正信号を供給する。RCLSF利得コントローラ412は、ランダム変調相関器410からの角度差信号δΘ及び角度Θmodの補正推定値に基づいて、閉ループ倍率(RCLSF)補正値を決定する。RCLSF利得コントローラ412は、追加のパラメータを用いて、閉ループ倍率、例えば、プロセス及び測定ノイズ・パラメータを決定することもできる。RCLSF利得コントローラ412は、一例では、ジャイロスコープの安定性及びジャイロスコープ測定値のノイズに基づいて、プロセス及び測定ノイズ・パラメータを動的に調節する。倍率レベル又は安定性にずれを生じさせる事象が発生した場合、RCLSF利得コントローラ412は、より速い復元を可能にするために、フィルタ利得を開放することができる。別の例では、RCLSF利得コントローラ412は、ジャイロスコープが安定な環境で動作しているときには、プロセス利得を締め付けることもできる。これによって、倍率推定値を、推定値の安定性がセンサの物理的特性の安定性に近づくレベルまで改善することが可能になる。センサの物理特性の安定性は、1ppm未満であることが示されている。復調した速度データからのFTR倍率補正値の推定は、種々の様式で実現することができる。一実施態様では、カルマン・フィルタを備え、SF補正値をその積分ランダム速度変調信号に対する相関によって推定する。
【0057】
信号源404は、1つ以上の所望の特性を非均一速度信号に供給するように構成されている。一例では、信号源404は、疑似ランダム信号を非均一速度信号として供給し、慣性速度入力の非均一速度信号との相関を低下させる役割を果たす。相関が低下すると、HRG信号の応答帯域幅を一層高くすることが可能になる。非均一速度信号は、一例では、信号源404によって予め発生する。別の例では、信号源404からの信号は、非均一速度信号が所定の持続時間、例えば、10秒よりも短い場合、使用不可能として拒絶される。一例では、信号源404は変調角度信号もランダム変調相関器410及びミキサ416に供給する。これによって、積分器406を取り除くことができる。一例では、信号源404は非均一速度信号及び/又は変調角度信号を参照表に格納する。更に別の例では、信号源404は、非均一速度信号及び/又は変調角度信号を、記録可能データ記憶媒体424のような、メモリ・ユニットに格納する。これについては、当業者にはよく理解できるであろう。
【0058】
一例では、信号源404からの非均一速度信号が1つ以上の制約に準拠することを確認するために、この信号を格納の前に評価する。第1の制約は、非均一速度信号がゼロの平均を有することである。これによって、非均一速度信号の積分の値が、所定の繰り返し期間においてゼロであることを確保し、バイアス誤差が速度制御補償器408に追加されるのを防止する役割を果たす。非均一速度信号の長期評価は「ランダム」に見えるかもしれないが、非均一速度信号のシーケンスを切り捨てると、HRGの性能と干渉する可能性がある周波数内容を含む可能性がある。したがって、第2の制約は、非均一速度信号が優勢周波数内容を含まないことである。第3の制約は、非均一速度信号が、所定数よりも多い値を含まないことであり、一例では、この制約は、3よりも多い連続ステップに対して反復する値がないことである。第4の制約は、非均一速度信号の積分の最大移動(excursion)が、HRGからの高利得節点信号の電圧範囲内に納まることである。例えば、アナログ/ディジタル変換器の信号対ノイズ比は、サーボのヌル点にアナログ高利得段を用いることにより改善される。非均一速度信号は、速度制御補償器408の事実上の無効点を「ランダム・ウオーク」(random walk)風に移動させる。この「ウオーキング」の最大値は、信号アナログ電子回路及びアナログ/ディジタル変換器の電圧範囲内に確実に納まらなければならない。これは、当業者であればよく理解できるであろう。
【0059】
RCLSF推定器402が有用である用途の別の例に、放射線環境への露出後でも高い性能で動作し続けなければならない戦略的ナビゲーション・システムがある。この状況では、未補正の倍率は、電圧基準及び/又は増幅器利得の劣化により非常に大きな段差を要することになる。放射線環境による劣化の時間は正確に分かるので、RCLSF推定器402のカルマン・フィルタを開放して新たな値に素早く収束させ、次いで残りの任務の間中、カルマン利得を引き締めることによって精緻化する。倍率が要求精度まで収束する時間は所望よりも長くなる場合もあるが、RCLSF推定器402のシステム・プロセッサは、推定値が収束したならば、従来の未補正倍率誘発誤差を補正することができるはずである。これは、当業者であればよく理解できるであろう。
【0060】
別の用途では、RCLSF推定器402は、事前飛行モード(pre-flight mode)で用いて、更に高い精度の推定値を得ることもできる。何故なら、その時点では、ビヒクルは殆ど又は全く正味の運動を有していないことが分かっているからである。これによって、任務の重大性からその飛行中の使用が禁止されていても、RCLSF推定器402は、大幅に改良した倍率補償パラメータを供給することが可能となる。
【0061】
図12〜図16は、非均一速度変調信号及び対応する復調角度信号の実施態様を表す。非均一速度信号及び対応する復調角度信号の例を、プロット502、602、702、802、及び902として示す。プロット502、602、及び702は、RCLSF推定器402に対する所望のプロットの例を示し、角度は上下するが反復値は殆どない。プロット802は、角度の大きな移動の一例を示し、余り望ましいとは言えない。プロット902は、非均一速度信号における一連の反復値の一例を示し、これも余り望ましいとは言えない。
【0062】
装置400は、一例では、1つ以上の電子コンポーネント、ハードウェア・コンポーネント、及びコンピュータ・ソフトウェア・コンポーネントのような複数のコンポーネントを備えている。多数のこのようなコンポーネントは、装置400において組み合わせること又は分割することができる。装置400のコンポーネント例は、多数のプログラミング言語のいずれかで記述された又は実装された1組及び/又は一連のコンピュータ命令を用いる及び/又は備えている。これは、当業者であればよく理解できるであろう。
【0063】
装置400は、一例では、1つ以上のコンピュータ読み取り可能信号支持媒体を用いる。コンピュータ読み取り可能信号支持媒体は、本発明の1以上の実施態様の1以上の部分を実行するソフトウェア、ファームウェア、及び/又はアセンブリ言語を格納する。装置400に合ったコンピュータ読み取り可能信号支持媒体の例には、信号源404の記録可能データ記憶媒体424が含まれる。一例では、装置400のコンピュータ読み取り可能信号支持媒体は、磁気、電気、光学、生物、及び原子データ記憶媒体の内1つ以上を含む。例えば、コンピュータ読み取り可能信号支持媒体は、フロッピ・ディスク、磁気テープ、CD−ROM、DVD−ROM、ハード・ディスク・ドライブ、ランダム・アクセス電子メモリ(RAM)、又はリード・オンリ電子メモリ(ROM)を含む。
【0064】
以上、倍率誤差及びバイアス誤差の改良した推定値を供給し、更にその補償又は較正を行う自己較正ジャイロスコープ・システムについて説明した。このジャイロスコープ・システムは、相互に非平行な配列とした検知軸即ち入力軸を有する複数のジャイロスコープ・ユニットを用いる。ジャイロスコープ・ユニットの数は、好ましくは、速度推定値を必要とする軸の数よりも少なくとも1つ多い。モード逆転技法を用いて、選択したジャイロについてのバイアス誤差の推定値を得る。ランダム閉ループ倍率技法を用いて、選択したジャイロについて倍率誤差の推定値を得る。モード逆転技法は一時的に、影響を受けるジャイロスコープの動作を中断するので、各又はジャイロスコープは、較正のために、一時的に順番にオフラインとし、その後通常動作に戻すとよい。少なくとも1つの冗長なジャイロスコープが設けられているので、選択したジャイロスコープがオフラインになっているとき、残りの動作中のジャイロスコープからの速度情報を用いれば、オフラインのジャイロスコープの軸を中心とする基準速度を導き出すことができる。
【0065】
以上、本発明について、半球状共振ジャイロスコープの集合体に適用することができるものとして説明したが、これらは本発明を適用可能な方法の一例に過ぎない。本発明は、これらの例には限定されず、多くの他の環境に適用することができる。
本明細書において記載した実施形態は一例である。つまり、実施形態は、具体的な技術に関して説明したが、本発明の主旨を踏まえつつ、システムを実現するために別の同等な技術も用いることができることは認められよう。
以上、本発明の実施態様例について詳しく図示し説明したが、本発明の主旨から逸脱することなく、種々の修正、追加、交換等を行うことができることは当業者には明白であり、したがってこれらは、以下の特許請求の範囲に定める本発明の範囲に該当するものとする。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ジャイロスコープ・システムであって、
各々が自身の検知軸を中心とする速度を検知するように構成され、前記検知した速度の各々がバイアス誤差及び倍率誤差を呈する、複数のジャイロスコープと、
前記ジャイロスコープの少なくとも1つに結合され、該結合されたジャイロスコープの倍率誤差の推定値を生成する倍率誤差推定器と、
前記結合されたジャイロスコープに結合され、該結合されたジャイロスコープのバイアス誤差の推定値を生成するバイアス誤差推定器と、
前記結合されたジャイロスコープの検知した速度、前記バイアス誤差推定値、及び前記倍率推定値に応答し、該結合されたジャイロスコープについて速度出力を生成する補償器であって、該結合されたジャイロスコープによって検知した対応の速度のバイアス誤差及び倍率誤差と比較して、バイアス誤差及び倍率誤差が低減している前記速度出力を生成する補償器と
を備えていることを特徴とするジャイロスコープ・システム。
【請求項2】
請求項1記載のシステムにおいて、前記ジャイロスコープそれぞれの前記検知軸は相互に非平行であることを特徴とするシステム。
【請求項3】
請求項1記載のシステムにおいて、前記ジャイロスコープそれぞれの前記検知軸は、八面体四素組を形成することを特徴とするシステム。
【請求項4】
請求項1記載のシステムにおいて、前記ジャイロスコープそれぞれの前記検知軸の配列が基準軸を規定し、前記検知軸の各々が前記基準軸に対して約54.7度の角度をなすことを特徴とするシステム。
【請求項5】
請求項1記載のシステムにおいて、前記バイアス誤差推定器は、モード逆転バイアス推定器であることを特徴とするシステム。
【請求項6】
請求項1記載のシステムにおいて、前記倍率誤差推定器は、ランダム閉ループ倍率誤差推定器であることを特徴とするシステム。
【請求項7】
請求項1記載のシステムにおいて、該システムは更に、前記ジャイロスコープに対する前記速度出力の選択を、ナビゲーションに十分な数の座標軸を中心とする速度出力に変換するように構成されており、前記ジャイロスコープの数は、前記座標軸の数よりも少なくとも1つ多いことを特徴とするシステム。
【請求項8】
請求項1記載のシステムにおいて、該システムは更に、
バイアス誤差較正のために前記ジャイロスコープの各々を順に選択し、前記選択の間に、
前記選択したジャイロスコープをオフラインに置き、
前記モード逆転バイアス誤差推定器を用いて、前記選択したジャイロスコープを較正し、
前記選択したジャイロスコープをオンラインに戻す
ように構成されていることを特徴とするシステム。
【請求項9】
請求項8記載のシステムにおいて、該システムは更に、前記選択したジャイロスコープがオフラインになっている間、前記選択したジャイロスコープ以外のジャイロスコープの軸を中心として検知した速度推定値に応答して、前記選択したジャイロスコープの検知軸を中心とする基準速度推定値を計算するように構成されていることを特徴とするシステム。
【請求項10】
ジャイロスコープ・システムであって、
複数のジャイロスコープと、
前記複数のジャイロスコープに結合されているコントローラであって、
前記複数のジャイロスコープの少なくとも1つに結合されている速度コントローラであって、前記複数のジャイロスコープの前記少なくとも1つから、該ジャイロスコープの速度情報を含んだ信号を受け取り、それに応答して、未補償ジャイロスコープ速度信号を生成する、速度コントローラと、
少なくとも前記未補償ジャイロスコープ速度信号に応答して、補償済みジャイロスコープ速度信号を生成する速度誤差補償器と
を備えているコントローラと
を備えていることを特徴とするジャイロスコープ・システム。
【請求項11】
請求項10記載のシステムにおいて、前記ジャイロスコープの各々は検知軸を有し、該検知軸は八面体四素組を形成するように配列されていることを特徴とするシステム。
【請求項12】
請求項10記載のシステムにおいて、所定数の次元において速度情報を必要とするビヒクル・ナビゲーションに前記システムを用い、前記複数のジャイロスコープは、前記次元の数よりも少なくとも1つ多いことを特徴とするシステム。
【請求項13】
請求項10記載のシステムにおいて、所定数の軸を中心とする速度情報を必要とするビヒクル・ナビゲーションに前記システムを用い、前記複数のジャイロスコープは、前記軸の数よりも少なくとも1つ多いことを特徴とするシステム。
【請求項14】
請求項10記載のシステムにおいて、前記速度誤差補償器は更に、前記ジャイロスコープの倍率誤差を表す信号に応答することを特徴とするシステム。
【請求項15】
請求項14記載のシステムにおいて、前記ジャイロスコープは、方位を有する定在波のパターンを呈する共振器を有し、該システムは更に、
前記定在波のパターンを前記信号の値に対応する位置に変位させるように、前記ジャイロスコープに指令する信号を生成するように構成されている信号発生器を有する倍率誤差決定部と、
前記命令信号を積分し、それに応答して前記パターンの期待位置を記述する信号を生成するように構成されている積分器と、
前記パターンの期待位置を記述する前記信号と、前記パターンの測定位置とに応答して、前記ジャイロスコープの倍率誤差を判定する倍率推定器と
を備えていることを特徴とするシステム。
【請求項16】
請求項10記載のシステムにおいて、前記速度誤差補償器は更に、前記ジャイロスコープのバイアス誤差を表す信号に応答することを特徴とするシステム。
【請求項17】
請求項16記載のシステムにおいて、前記ジャイロスコープは定在波パターンを呈する共振器を有し、該システムは更にバイアス誤差決定部を備えており、該バイアス誤差決定部は、
バイアス誤差抽出器と、
時間的に交互に第1モード及び第2モードを表す信号を生成するように構成されているモード・シーケンシング・ロジックであって、前記第1モードにあるとき、前記信号が前記ジャイロスコープに前記定在波のパターンを前記共振器の第1軸に沿って整列させるように指令し、前記第2モードにあるとき、前記信号が前記ジャイロスコープに前記定在波のパターンを、前記第1軸とは異なる、前記ジャイロスコープの第2軸に沿って整列させるように指令する、モード・シーケンシング・ロジックと
を備え、
前記バイアス誤差抽出器は、前記第1モード及び前記第2モードにあるときの前記ジャイロスコープからの速度推定信号の比較に応答して、前記ジャイロスコープのバイアス誤差を表す前記信号を生成するよう構成されている
ことを特徴とするシステム。
【請求項18】
複数のジャイロスコープを有するジャイロスコープ・システムの動作方法であって、
ビヒクルのナビゲーションに必要な速度推定軸の数よりも少なくとも1つ多い数のジャイロスコープを有する前記ジャイロスコープ・システムを動作させるステップと、
較正のために1つのジャイロスコープを選択するステップと、
前記選択したジャイロスコープをオフラインに置くステップと、
前記選択したジャイロスコープのバイアス誤差の推定値を決定するステップと、
前記バイアス誤差推定値を用いて前記選択したジャイロスコープの速度推定値を補償する際に用いられるバイアス誤差補償パラメータを更新するステップと、
前記選択したジャイロスコープをオンラインに戻すステップと
からなることを特徴とする方法。
【請求項19】
請求項18記載の方法において、前記選択するステップは更に、前記複数のジャイロスコープの各々を、較正のために順に選択するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項20】
請求項18記載の方法において、該システムは更に、
前記ジャイロスコープの共振器の最大振動振幅をその第1軸に沿って整列するように、第1モードで前記選択したジャイロスコープを動作させるステップと、
前記選択したジャイロスコープからの第1モード速度推定値を記録するステップと、
前記ジャイロスコープの共振器の最大振動振幅をその第2軸に沿って整列するように、第2モードで前記選択したジャイロスコープを動作させるステップと、
前記選択したジャイロスコープからの第2モード速度推定値を記録するステップと、
前記第1モード速度推定値を前記第2モード速度推定値と比較して、前記選択したジャイロスコープに影響を及ぼすバイアス誤差の推定値を決定するステップと
を備えていることを特徴とする方法。
【請求項21】
請求項18記載の方法において、該方法は更に、前記選択したジャイロスコープの倍率誤差の推定値を決定するステップを備えていることを特徴とする方法。
【請求項22】
請求項20記載の方法において、該方法は更に、
前記ジャイロスコープの共振器を駆動してその最大振動振幅が、指令信号に応答する位置を有する制御軸と整列するように、前記ジャイロスコープを動作させるステップと、
前記制御軸の位置を変更するように、時々、指令信号を生成するステップと、
前記指令信号によって規定される前記制御軸の命令位置を、前記共振器の最大振動振幅の実際の位置の前記ジャイロスコープからの情報と比較して、前記ジャイロスコープの倍率誤差の前記推定値を生成するステップと
を備えていることを特徴とする方法。
【請求項23】
請求項22記載の方法において、前記指令信号により、実質的にランダムに前記共振器の最大振動振幅の位置の移動が指令されることを特徴とする方法。
【請求項24】
請求項22記載の方法において、前記指令信号により、疑似ランダム・シーケンスにしたがって前記共振器の最大振動振幅の位置の移動が指令されることを特徴とする方法。
【請求項1】
ジャイロスコープ・システムであって、
各々が自身の検知軸を中心とする速度を検知するように構成され、前記検知した速度の各々がバイアス誤差及び倍率誤差を呈する、複数のジャイロスコープと、
前記ジャイロスコープの少なくとも1つに結合され、該結合されたジャイロスコープの倍率誤差の推定値を生成する倍率誤差推定器と、
前記結合されたジャイロスコープに結合され、該結合されたジャイロスコープのバイアス誤差の推定値を生成するバイアス誤差推定器と、
前記結合されたジャイロスコープの検知した速度、前記バイアス誤差推定値、及び前記倍率推定値に応答し、該結合されたジャイロスコープについて速度出力を生成する補償器であって、該結合されたジャイロスコープによって検知した対応の速度のバイアス誤差及び倍率誤差と比較して、バイアス誤差及び倍率誤差が低減している前記速度出力を生成する補償器と
を備えていることを特徴とするジャイロスコープ・システム。
【請求項2】
請求項1記載のシステムにおいて、前記ジャイロスコープそれぞれの前記検知軸は相互に非平行であることを特徴とするシステム。
【請求項3】
請求項1記載のシステムにおいて、前記ジャイロスコープそれぞれの前記検知軸は、八面体四素組を形成することを特徴とするシステム。
【請求項4】
請求項1記載のシステムにおいて、前記ジャイロスコープそれぞれの前記検知軸の配列が基準軸を規定し、前記検知軸の各々が前記基準軸に対して約54.7度の角度をなすことを特徴とするシステム。
【請求項5】
請求項1記載のシステムにおいて、前記バイアス誤差推定器は、モード逆転バイアス推定器であることを特徴とするシステム。
【請求項6】
請求項1記載のシステムにおいて、前記倍率誤差推定器は、ランダム閉ループ倍率誤差推定器であることを特徴とするシステム。
【請求項7】
請求項1記載のシステムにおいて、該システムは更に、前記ジャイロスコープに対する前記速度出力の選択を、ナビゲーションに十分な数の座標軸を中心とする速度出力に変換するように構成されており、前記ジャイロスコープの数は、前記座標軸の数よりも少なくとも1つ多いことを特徴とするシステム。
【請求項8】
請求項1記載のシステムにおいて、該システムは更に、
バイアス誤差較正のために前記ジャイロスコープの各々を順に選択し、前記選択の間に、
前記選択したジャイロスコープをオフラインに置き、
前記モード逆転バイアス誤差推定器を用いて、前記選択したジャイロスコープを較正し、
前記選択したジャイロスコープをオンラインに戻す
ように構成されていることを特徴とするシステム。
【請求項9】
請求項8記載のシステムにおいて、該システムは更に、前記選択したジャイロスコープがオフラインになっている間、前記選択したジャイロスコープ以外のジャイロスコープの軸を中心として検知した速度推定値に応答して、前記選択したジャイロスコープの検知軸を中心とする基準速度推定値を計算するように構成されていることを特徴とするシステム。
【請求項10】
ジャイロスコープ・システムであって、
複数のジャイロスコープと、
前記複数のジャイロスコープに結合されているコントローラであって、
前記複数のジャイロスコープの少なくとも1つに結合されている速度コントローラであって、前記複数のジャイロスコープの前記少なくとも1つから、該ジャイロスコープの速度情報を含んだ信号を受け取り、それに応答して、未補償ジャイロスコープ速度信号を生成する、速度コントローラと、
少なくとも前記未補償ジャイロスコープ速度信号に応答して、補償済みジャイロスコープ速度信号を生成する速度誤差補償器と
を備えているコントローラと
を備えていることを特徴とするジャイロスコープ・システム。
【請求項11】
請求項10記載のシステムにおいて、前記ジャイロスコープの各々は検知軸を有し、該検知軸は八面体四素組を形成するように配列されていることを特徴とするシステム。
【請求項12】
請求項10記載のシステムにおいて、所定数の次元において速度情報を必要とするビヒクル・ナビゲーションに前記システムを用い、前記複数のジャイロスコープは、前記次元の数よりも少なくとも1つ多いことを特徴とするシステム。
【請求項13】
請求項10記載のシステムにおいて、所定数の軸を中心とする速度情報を必要とするビヒクル・ナビゲーションに前記システムを用い、前記複数のジャイロスコープは、前記軸の数よりも少なくとも1つ多いことを特徴とするシステム。
【請求項14】
請求項10記載のシステムにおいて、前記速度誤差補償器は更に、前記ジャイロスコープの倍率誤差を表す信号に応答することを特徴とするシステム。
【請求項15】
請求項14記載のシステムにおいて、前記ジャイロスコープは、方位を有する定在波のパターンを呈する共振器を有し、該システムは更に、
前記定在波のパターンを前記信号の値に対応する位置に変位させるように、前記ジャイロスコープに指令する信号を生成するように構成されている信号発生器を有する倍率誤差決定部と、
前記命令信号を積分し、それに応答して前記パターンの期待位置を記述する信号を生成するように構成されている積分器と、
前記パターンの期待位置を記述する前記信号と、前記パターンの測定位置とに応答して、前記ジャイロスコープの倍率誤差を判定する倍率推定器と
を備えていることを特徴とするシステム。
【請求項16】
請求項10記載のシステムにおいて、前記速度誤差補償器は更に、前記ジャイロスコープのバイアス誤差を表す信号に応答することを特徴とするシステム。
【請求項17】
請求項16記載のシステムにおいて、前記ジャイロスコープは定在波パターンを呈する共振器を有し、該システムは更にバイアス誤差決定部を備えており、該バイアス誤差決定部は、
バイアス誤差抽出器と、
時間的に交互に第1モード及び第2モードを表す信号を生成するように構成されているモード・シーケンシング・ロジックであって、前記第1モードにあるとき、前記信号が前記ジャイロスコープに前記定在波のパターンを前記共振器の第1軸に沿って整列させるように指令し、前記第2モードにあるとき、前記信号が前記ジャイロスコープに前記定在波のパターンを、前記第1軸とは異なる、前記ジャイロスコープの第2軸に沿って整列させるように指令する、モード・シーケンシング・ロジックと
を備え、
前記バイアス誤差抽出器は、前記第1モード及び前記第2モードにあるときの前記ジャイロスコープからの速度推定信号の比較に応答して、前記ジャイロスコープのバイアス誤差を表す前記信号を生成するよう構成されている
ことを特徴とするシステム。
【請求項18】
複数のジャイロスコープを有するジャイロスコープ・システムの動作方法であって、
ビヒクルのナビゲーションに必要な速度推定軸の数よりも少なくとも1つ多い数のジャイロスコープを有する前記ジャイロスコープ・システムを動作させるステップと、
較正のために1つのジャイロスコープを選択するステップと、
前記選択したジャイロスコープをオフラインに置くステップと、
前記選択したジャイロスコープのバイアス誤差の推定値を決定するステップと、
前記バイアス誤差推定値を用いて前記選択したジャイロスコープの速度推定値を補償する際に用いられるバイアス誤差補償パラメータを更新するステップと、
前記選択したジャイロスコープをオンラインに戻すステップと
からなることを特徴とする方法。
【請求項19】
請求項18記載の方法において、前記選択するステップは更に、前記複数のジャイロスコープの各々を、較正のために順に選択するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項20】
請求項18記載の方法において、該システムは更に、
前記ジャイロスコープの共振器の最大振動振幅をその第1軸に沿って整列するように、第1モードで前記選択したジャイロスコープを動作させるステップと、
前記選択したジャイロスコープからの第1モード速度推定値を記録するステップと、
前記ジャイロスコープの共振器の最大振動振幅をその第2軸に沿って整列するように、第2モードで前記選択したジャイロスコープを動作させるステップと、
前記選択したジャイロスコープからの第2モード速度推定値を記録するステップと、
前記第1モード速度推定値を前記第2モード速度推定値と比較して、前記選択したジャイロスコープに影響を及ぼすバイアス誤差の推定値を決定するステップと
を備えていることを特徴とする方法。
【請求項21】
請求項18記載の方法において、該方法は更に、前記選択したジャイロスコープの倍率誤差の推定値を決定するステップを備えていることを特徴とする方法。
【請求項22】
請求項20記載の方法において、該方法は更に、
前記ジャイロスコープの共振器を駆動してその最大振動振幅が、指令信号に応答する位置を有する制御軸と整列するように、前記ジャイロスコープを動作させるステップと、
前記制御軸の位置を変更するように、時々、指令信号を生成するステップと、
前記指令信号によって規定される前記制御軸の命令位置を、前記共振器の最大振動振幅の実際の位置の前記ジャイロスコープからの情報と比較して、前記ジャイロスコープの倍率誤差の前記推定値を生成するステップと
を備えていることを特徴とする方法。
【請求項23】
請求項22記載の方法において、前記指令信号により、実質的にランダムに前記共振器の最大振動振幅の位置の移動が指令されることを特徴とする方法。
【請求項24】
請求項22記載の方法において、前記指令信号により、疑似ランダム・シーケンスにしたがって前記共振器の最大振動振幅の位置の移動が指令されることを特徴とする方法。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【公開番号】特開2010−66254(P2010−66254A)
【公開日】平成22年3月25日(2010.3.25)
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願2009−190698(P2009−190698)
【出願日】平成21年8月20日(2009.8.20)
【出願人】(501021232)ノースロップ・グラマン・ガイダンス・アンド・エレクトロニクス・カンパニー・インコーポレーテッド (7)
【住所又は居所原語表記】21240 Burbank Boulevard Woodland Hills,California 91367−6675 United States of America
【Fターム(参考)】
【公開日】平成22年3月25日(2010.3.25)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2009−190698(P2009−190698)
【出願日】平成21年8月20日(2009.8.20)
【出願人】(501021232)ノースロップ・グラマン・ガイダンス・アンド・エレクトロニクス・カンパニー・インコーポレーテッド (7)
【住所又は居所原語表記】21240 Burbank Boulevard Woodland Hills,California 91367−6675 United States of America
【Fターム(参考)】
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