高速スピンレート条件下における慣性センサのバイアス誤差のリアルタイム補償方法
【課題】高速スピン条件下で飛行中の飛行体のためのバイアス誤差を高精度で推定する。
【解決手段】飛行体１００の処理部１３０は、カナード１５２の展開前の時間１及び時間２それぞれにおいて、ジャイロスコープ１１２、Ｘ、Ｙ及びＺ方向の加速度計１１４から一連のデータを収集する。そして、２つの時点で収集したデータに基づき、Ｙ方向加速度計の推定加速度計バイアスbYを、bY＝(AY2ω12−AY1ω22)／（ω12−ω22）によって計算する。ω１及びω２は、ジャイロスコープから得られた時間１及び２でのロールレート、AY1及びAY2は、Ｙ方向加速度計によって測定された時間１及び時間２での加速度である。Ｚ方向加速度計についても同様に計算する。
【解決手段】飛行体１００の処理部１３０は、カナード１５２の展開前の時間１及び時間２それぞれにおいて、ジャイロスコープ１１２、Ｘ、Ｙ及びＺ方向の加速度計１１４から一連のデータを収集する。そして、２つの時点で収集したデータに基づき、Ｙ方向加速度計の推定加速度計バイアスbYを、bY＝(AY2ω12−AY1ω22)／（ω12−ω22）によって計算する。ω１及びω２は、ジャイロスコープから得られた時間１及び２でのロールレート、AY1及びAY2は、Ｙ方向加速度計によって測定された時間１及び時間２での加速度である。Ｚ方向加速度計についても同様に計算する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高速スピンレート条件下における慣性センサのバイアス誤差のリアルタイム補償方法に関する。
なお、米政府は、レイセオンミサイルシステムズ及び米陸軍との契約番号DAAB07-03-D-B013に基づいた所定の権利を本発明に対して有している。
【背景技術】
【０００２】
慣性計測装置（IMU）は、航空機、車両、誘導ミサイル、及び誘導弾又は兵器等のデバイスで用いられる慣性誘導システムの一部である。IMUは、運動を正確に感知するために、加速度計及びジャイロスコープを使用している。IMUによって収集されたデータは、飛行制御のため、あるいはIMUが内蔵されているデバイスを操縦するために使用される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
IMUの機能における１ファクタは、その慣性データの精密性及び正確性である。しかしながら、IMUは多くの潜在的誤差の影響を受けてしまい、この誤差を補正すなわち補償する必要がある。特に、高速スピンレートを有するIMUアプリケーション（例えば、ライフル銃から高速で発射される弾）は、ミスアラインメント、非中心スピン軸誤差、及び該デバイス又はIMU自身のメカニカルな搭載バリエーションに起因して、速度及び加速度の推定で誤差を生じてしまう場合がある。このような誤差のリアルタイム補償をすることにより、誘導推定並びにレート及び加速度の値に対する、機体又は発射体の形状における誤差及びばらつきの影響を軽減し、且つ、速度及び加速度における誤差を生じさせる、周期運動（歳差運動等）時に明らかになる飛行誤差を低減することが望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、一実施形態では、高速スピン条件下で飛行中の飛行体に関するバイアス誤差を推定する方法を提供する。該方法は、第１時間における第１の一連データサンプルを収集するステップ、及び、第２時間における第２の一連データサンプルを収集するステップを含む。第１時間及び第２時間は、飛行体の展開後でカナード(canard)ショックの前に発生する。第１及び第２の一連データサンプルは、少なくとも第１ジャイロスコープからのロールレートデータ、及び少なくとも第１加速度計からの加速度データを備えている。該方法はさらに、第１及び第２のデータサンプルから少なくとも第１の推定加速度計バイアスを算出するステップを備えている。
【０００５】
別の実施形態では、加速度バイアス誤差のリアルタイム推定をするよう動作する飛行体を提供し、該飛行体は、機体、慣性測定装置（IMU）、カナードの展開を制御する誘導システム、及び処理部を備えている。IMUは、第１ジャイロスコープ、並びに少なくとも第１及び第２加速度計を備えている。処理部は、飛行体の展開後でカナードショックの前に、第１加速度計からのデータに基づいて生成された算出された第１の加速度計バイアスを用いて、第１加速度計の出力を補償し、飛行体の展開後でカナードショックの前に、第２加速度計からのデータに基づき生成された算出された第２の加速度計バイアスを用いて第２加速度計の出力を補償し、そして、第１及び第２加速度計の補償された出力に基づいて、飛行体を誘導するよう構成されている。
【０００６】
さらに別の実施形態では、飛行体の慣性測定装置（IMU）におけるバイアス誤差を決定するためのプログラム製品を提供し、該プログラム製品は、プログラムインストラクションが記憶されているプロセッサ可読媒体を含んでいる。プログラムインストラクションは、飛行体に含まれる少なくとも１つのプログラム可能プロセッサによって実行される時に動作し、飛行体の誘導システムに、第１時間における第１の一連データサンプルを収集させ、第２時間における第２の一連データサンプルを収集させる。ここにおいて第１及び第２時間は、飛行体の展開後である。第１及び第２のデータサンプルは、第１ジャイロスコープからのロールレートデータ、少なくとも第１及び第２加速度計からの加速度データを備えている。プログラムインストラクションもまた、誘導システムに少なくとも第１及び第２の推定加速度バイアスを算出させるよう動作する。
【０００７】
請求項に係る本発明の多様な実施形態の詳細は、添付の図面及び以下の記述で説明される。別の特徴及び利点は、以下の記述、図面、及び請求項で明らかとなるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】バイアス補正ルーティンを実行するよう構成された飛行体の一実施形態を説明するブロック図である。
【図２】飛行体と通信するよう構成されたホスト機体制御システムの一実施形態のブロック図である。
【図３】飛行体の形状の一実施形態を示すブロック図である。
【図４】高速スピン条件下の飛行体のリアルタイムバイアス誤差を推定するための方法の一実施形態を示すフロー図である。
【図５】Ａ〜Ｃはそれぞれ、飛行体の１飛行例に対応するIMUデータのグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１は、バイアス補正ルーチン１４４を実行するよう構成された飛行体１００の一実施形態を示すブロック図である。飛行体１００は、発射体、ミサイル、弾丸等である。飛行体１００は、胴体又は機体等のボディ１０２（図２参照）を備えている。飛行体１００は、慣性計測装置（IMU）１１０及びグローバルポジショニングシステム（GPS）受信機１２０を用いて、自身の位置を決定するよう構成される。飛行体１００はさらに、GPS情報が無くてもIMU１１０を用いて航行するよう構成される。IMU１１０は、飛行体１００に関する加速度及び高度データを提供する。図１に示される実施形態の一例では、IMU１１０は、所与の軸に沿った速度における線形変化（すなわち、加速度）を感知するための加速度計１１４、及び、回転速度における変化を感知するためのジャイロスコープ１１２（すなわち、回転速度又は角度位置を決定するために用いられる）を備えている。ジャイロスコープ１１２は、飛行体１００の運動の方向に、入力軸を有する第１ジャイロスコープを少なくとも備えている。加速度計１１４は、加速度を測定するための第１及び第２加速度計を、相互に直交する方向に、且つ、機体のスピンレートを感知するジャイロスコープに対して直交する方向に備えている。GPS受信機１２０は、GPS利用可能時に、飛行体１００に対して位置情報を提供する。他の実施形態では、GPS受信機１２０を備えていない場合もある。
【００１０】
飛行体１００は、誘導システム１５０の誘導の下で標的に向かって飛行する。飛行体１００は、はじめは高速スピンレート状態にある。例えば、ライフル銃からの発射又は操縦翼面（フィン）によって回転されることにより、飛行体１００は最初は高速スピンレート状態におかれる。誘導システム１５０はカナード１５２を配備している。カナード１５２は発射後に展開される小さな翼であり、飛行中の飛行体１００を誘導するために用いられる。誘導システム１５０は、通常、カナード１５２を展開するために飛行中に爆発する１又は複数のパイロテクニックデバイスを備えている。カナード１５２を展開することは、カナードショックと称される。本明細書では、カナード１５２が展開される前の時間を弾道ステージと称し、カナード１５２が展開された後をカナードショック後と称する。カナード１５２は、飛行体１００の回転を遅延又は停止するために、また、飛行体１００を反対方向にスピンさせるためにも使用することができる。一実施形態では、誘導システム１５０はさらに、誘導システム１５０の別のコンポーネントを制御するための、処理部を備えている。
【００１１】
IMU１１０の精度は、飛行体１００の標的への飛行に影響を与える。飛行の早い段階（弾道ステージ）でIMU１１０の誤差を低減することにより、飛行体１００をより正確に誘導することができる。誤差のいくつかが補償されると、飛行体１００の航路は、決定された誤差の補償に基づいて再計算される。カナードショックの前に発生する、飛行体１００及びそのコンポーネントのミスアラインメント、非中心スピン軸誤差、又は非対称による速度及び加速度推定における誤差（又はオフセット）は、飛行体１００が指定の標的をはずす原因となる。これらのバイアス誤差を推定する従来の方法は、カナード１５２が展開された後にのみ実行されるものであり、カルマンフィルタを適用して、主としてIMUの測定値を外部補助ソース（GPS等）と比較することにより、行われていた。バイアス補正ルーティン１４４は、これらの誤差を補正し、且つ、ミッションのはるかに早い段階すなわち弾道ステージで適用されるものである。バイアス補正ルーチン１４４は、リアルタイムの推定ルーチンであり、ロールレート、時間、飛行体１００の形状及び方向を関数として、ジャイロスコープ及び加速度計の誤差モデルを推定する。弾道ステージ中に実行される誤差推定は、早い段階での誤差推定が行われない場合よりも、飛行体１００の航行及び制御をより向上させる。
【００１２】
観測されたジャイロスコープ及び加速度計のオフセット（主として弾道ステージにおいて見られる）に対して、主に２通りの説明が可能である。第１の説明は、IMU１１０がミスアラインメントしており、且つ、飛行体１００が、自身のセンタラインの周囲をかなり正確にスピンしている場合である。第２の説明は、IMU１１０は良好なアラインメント状態にあるが、飛行体１００が、ある角度で歳差運動をしている場合である。歳差運動及びミスアラインメントは、同一の飛行体１００で発生する可能性がある。飛行体１００が歳差運動をしている場合である第２の説明が、図３Ａ〜３Ｃに示されている。
【００１３】
飛行体１００は、バイアス補正ルーチン１４４を実行するために用いられる処理部１３０を備えている。バイアス補正ルーチン１４４は、高速スピンレートの条件下で（すなわち、飛行体１００がスピンしているとき）、且つ、飛行体１００が主に弾道（ballistic）飛行を経験している時（カナード展開の前）に、ジャイロスコープ及び加速度計の誤差を補正する。図１に示される実施形態では、バイアス補正ルーチン１４４は、処理部１３０で実行されるソフトウェア１４２により実現される。ソフトウェア１４２は、適宜の記憶デバイス又は媒体１４０に記憶されたプログラムインストラクションを含んでいる。処理部１３０によって実行されるソフトウェア１４２の一部、及び実行時にソフトウェア１４２によって用いられる１又は複数のデータ構造は、メモリ１４６に記憶される。飛行体１００はまた、ホスト機体制御システム等の、飛行体１００の外部にあるシステムと通信するために、トランシーバ１６０を備えている。飛行体１００のコンポーネントは、適切なインターフェース及び配線を用いて、必要に応じて相互に通信可能に接続されている。
【００１４】
代替的な実施形態では、処理部１３０、メモリ１４６、又は記憶媒体１４０は、例えばホスト機体制御システム２１０の内等の、IMU１１０から離間（物理的、電気的、又はその両方）して位置している。図２は、飛行体１００と通信するよう構成された、ホスト機体制御システム２１０の一実施形態のブロック図である。バイアス補正ルーチン１４４は、処理部２３０によって実行されるソフトウェア２２２に実装される。ソフトウェア２２２は、適切な記憶デバイス又は媒体２２０に記憶されるプログラムインストラクションで構成される。処理部２３０によって実行されるソフトウェア２２２の一部、及び実行時にソフトウェア２２２によって用いられる１又は複数のデータ構造は、メモリ２４０に記憶される。したがって、バイアス補正ルーティン１４４は、飛行体１００、又はホスト機体制御システム２１０（飛行体１００の外部に位置する）にあるホスト機体制御システム２２０のいずれにおいても、実行可能である。
【００１５】
ホスト機体制御システム２１０は、トランシーバ２５０を介して飛行体１００と通信するよう構成される。ホスト機体制御システム２１０のトランシーバ２５０は、飛行体１００のトランシーバ１６０と通信する。IMU１１０によって取得されるデータサンプルはホスト期待制御システム２１０に送信され、該システムにおいて加速度計のバイアス誤差を算出する。誤差が算出されると、ホスト機体制御システム２１０は、飛行体１００に対して補正又は更新された飛行誘導情報を送信する。この情報は、飛行体１００を誘導するための誘導システム１５０に提供される。ホスト機体制御システム２１０のコンポーネントは、適切なインターフェース及び配線を用いて、必要に応じて互いに通信可能に接続されている。
【００１６】
図３Ａ〜図３Ｃは、飛行体１００の形状の一実施形態に関するブロック図である。図３Ａは、中心軸３００に沿って飛行し、回転の軸３０２の周りで歳差運動する飛行体１００を示す。飛行体１００のボディは、Ｘ軸３００（本明細書では航行の中心（ＣＯＮ）とも称される）の方向に沿っている。回転の軸３０２及びＸ軸３００の間の偏倚は、飛行体１００が歳差運動をする原因となり、歳差運動の角度であるθPを規定する。歳差運動の角度は通常は小さく、例えば約０．５度である。歳差運動は、飛行体１００の質量の中心が、正確に機体の中心軸３００上に位置していないという不完全性に起因している可能性が高い。
【００１７】
図３Ｂは、飛行体１００におけるIMU１１０の加速度計モーメントアームの形状の一実施形態に関するブロック図である。IMU１１０は、３つの加速度計（図３参照）を備えており、それぞれが直交方向（Ｘ、Ｙ、Ｚ方向）の加速度を測定する。Ｘ方向は、飛行体１００の運動の方向とは若干異なる中心軸３００に沿っている。Ｘ軸はさらに、飛行体１００のロールに対応している。Ｙ軸３０４及びＺ軸３０６はそれぞれ、飛行体１００のピッチ及びヨーに対応している。
【００１８】
図３Ａに示されるように、飛行体１００は、中心軸３００とは異なる軸３０２の周りを回転している。歳差運動により、Ｙ軸及びＺ軸の加速度計に対するレバーアームはオフセット状態にある。本明細書では、加速度計のレバーアームは、加速度計が測定するよう設定されている方向における、加速度計及び航行の中心軸（ＣＯＮ）３００間の距離である。
【００１９】
図３Ｃは、運動の方向、すなわち、図面と直交する方向（Ｘ軸方向）にある飛行体１００を示す。IMU１１０は、３つの直交方向を測定するための３つの加速度計３１０−Ｘ、３１０−Ｙ、３１０−Ｚを備えている。点３００は、中心軸に対応しており、また点３０２は、実際の回転の軸（飛行体１００はこの点３０２の周りをスピンしている）に対応する。Ｙ方向用の加速度計３１０−Ｙに対するレバーアーム誤差はdlev_y(320-Y)である。Ｚ方向用の加速度計３１０−Ｚに対するレバーアーム誤差は、dlev_z(320-Z)である。これらdlev_y(320-Y)及びdlev_z(320-Z)の長さは、回転軸３０２が中心軸３００からずれている程度によって異なる。飛行体１００が自身のセンタラインの周りをスピンしていない場合と、飛行体１００がセンタラインの周りをスピンしている場合とでは、レバーアームが異なるので、測定された加速度は明らかにバイアス誤差を含んでいる。これらのバイアス誤差を決定することで、誤差を補償することが可能になり、これらの誤差が消失して加速度推定が向上することにより、飛行体１００の誘導を改善することができる。
【００２０】
ラジアル加速度バイアスモデルは、加速度出力（A）＝固定バイアス（ｂ）＋サイズエフェクトデルタ（δ）＋ミスアラインメント＋SF非線形性＋横力、の形式で表されると仮定することができる。この式は、カナード展開以前の弾道飛行と関連している。このような条件下で、初めの２つの項（固定バイアス及びサイズエフェクトデルタ）が、最も重要である。他の項は無視できるほど小さいため、ゼロと仮定することができる。これらを消去すると、加速度出力Aは、以下のように表すことができる。
A＝ｂ+δ
サイズエフェクトデルタδは、
δ＝ω2dlev
で求められる。ここでdlevはレバーアーム誤差（デルタレバーアーム）である。レバーアーム誤差は、IMU１１０CON３００及びそれに関連する所定のレバーアームについての回転ではなく、回転軸３０２についての回転から生じる。ωは、運動の方向におけるロールレート（回転速度）である。従って、Ｙ軸方向加速度(AY)及びＺ軸方向加速度(AZ)は、以下のように求めることができる。
AY＝bY +ω2dlev_y
AZ＝bZ＋ω2dlev_z
AY及びAZを、異なる時間に異なるスピンレート（回転速度）ωで少なくとも２回測定することにより、bY、bZ、dlev_y、dlev_zは、これらの連立式を解くことによって算出することができる。
【００２１】
図４は、高速スピンレートでの条件下の飛行体１００のリアルタイムのバイアス誤差を推定するための方法４００の一実施形態を示すフロー図である。データは、弾道すなわちカナード前飛行中の第１時間及び第２時間の飛行体１００に関するIMUデータストリームから抽出される。一連の第１データサンプルが、第１時間の測定で収集される（ステップ４１０）。一連の第２データサンプルが、第２時間の測定で収集される（ステップ４２０）。IMUデータは、飛行体１００内（メモリ１４６内等）に又はIMU１１０内に記憶されるか、あるいは、遠隔システム（ホスト機体制御システム２１０等）へ送信され記憶される。一連のデータサンプルは、Ｘ軸方向のスピンレート（ω）、Ｙ軸方向の加速度（AY）、及びＺ軸方向の加速度（AZ）を含む。
【００２２】
データが抽出される（少なくとも）２つの時間は、弾道飛行ステージ、すなわち飛行体１００がまだスピンしており、かつ操縦翼面が展開されていない状態での時間である。説明のために、２つの時間について論述する。２つの時間は、サブスクリプト１及び２で示される。図５Ａ〜図５Ｃは、飛行体の一飛行例に対応するIMUデータのグラフである。データサンプルは、１００Hzデータレートで取得された。
【００２３】
図５Ａは、ジャイロスコープＸ（Ｘ軸用ジャイロスコープ）に関するIMUデータの一実施形態のグラフである。線５１０は、角度／秒（°／s又はd／s）で表された、飛行体１００の回転速度ωである。ポイント５３０は、カナードショック（すなわち、カナード１５２の展開）の状態を示している。カナード１５２が展開されると、飛行体１００は、自身のスピンを減少し、また反対方向にスピンされることもある。ポイント５４０では、飛行体１００は、ポイント５３０以前の回転方向とは反対方向に、自身の最大速度でスピンしている。２０秒以降の時間では、飛行体１００は、スピンしていない（又はゆっくりスピンしている）。
【００２４】
測定の時間１及び２は、スピンレートω１及びω２が異なっている時間が選択される。ω１及びω２の相違が大きい程、より正確にバイアスを推定できる。一実施形態では、時間１は、ω１が最低値を超えた時間として選択される。その実施形態において、飛行開始から３秒間でのω１の最低値は1500°／sである。図５Ａでは、ω１は時間５２０−１（時間１）で測定され、ω２は時間５２０−２（時間２）で測定される。実施形態では、異なるクライテリアを用いて、ω２を測定するための時間２を選択しており、例えば、ω２が閾値（2500°／s等）を超える場合、最大値（つまり、特定の飛行に関する最大スピン）を超える場合、又はω１のある割合を超える場合（ω２＞Kω１である場合、ここでKは1.25等の定数）であるが、これに限定するものではない。
【００２５】
図５Ｂは、Ｙ軸用の加速度計３１０−Ｙに関するIMUデータのグラフであり、飛行時間（秒）に対して、重力単位（ｇ）の加速度がプロットされている。ポイント５５０−１及び５５０−２は、スピンレートωが測定された時間５２０−１及び５２０−２に対応している。時間１（ポイント５５０−１）で、Ｙ軸加速度計３１０−Ｙの第１データサンプル（加速度）AY1が測定される。時間２（ポイント５５０−２）で、Ｙ軸加速度計３１０−Ｙの加速度の第２データサンプル（加速度）AY２が測定される。同様に、図５Ｃは飛行航路中にＺ軸加速度計３１０−Ｚが検出した加速度を示す。時間１（ポイント５６０−１）で、Ｚ軸加速度計の第１加速度AZ１が測定され、時間２（ポイント５６０−２）で、Ｚ軸加速度計の第２加速度AZ２が測定される。一例では、ω１、AY1、及びAZ１は発射後４〜５秒の間に収集され、且つω２、AY２、及びAZ２は発射後１２〜１３秒の間に収集される。実際には、測定値は、これらの１秒間の間に収集された１００Ｈｚのデータの平均値となる。一実施形態では、時間１で、一連の第１のデータサンプルの全ての測定値が収集され、また時間２で、一連の第２のデータサンプルの全ての測定値が収集される。別の実施形態では、データセット内でデータサンプルが収集される正確な時間に関しては、別の時間としてもよい。
【００２６】
代替的な実施形態では、データサンプルが飛行中に継続的に収集される。この実施形態では、ウィンドウ（０．５秒等）内のデータサンプルのみが用いられる。ウィンドウは、例えば最低及び最高スピンレート（回転速度）、又はスピンレートの割合に基づいて、又はある経過時間の後に、事前に決定される。これらのウィンドウ内のデータは、時間１及び時間２のための平均値を得るために平均化される。
【００２７】
別の実施形態では、データ品質メトリック（ＤＱ）が、計算される。このデータ品質メトリックは、データサンプルのランニングアベレージの標準偏差が所定レベルを下回っていることを確認するためのものである。複数のデータサンプルを平均化することによって、AY1、AZ１、AY２、及びAZ２が算出される一実施形態では、標準偏差が所定の閾値以上ではないことを保証するために、平均化されるデータサンプルの標準偏差がチェックされる。これによってノイズ及びデータスパイクの影響が低減されるため、その結果として平均値がより信頼に値することが保証される。バイアスの平均推定になるデータの標準偏差が低いほど、その結果として生じるバイアス推定bＹ及びbZの不確実性も低くなる。
【００２８】
一実施形態では、推定品質のインジケータ（本明細書では品質の推定インジケータとも称される）が、処理部１３０に提供される。処理部１３０は、品質の推定インジケータに基づいた加速度計バイアス推定を使用するかを決定する。一実施形態では、第１の推定加速度計バイアスの品質が閾値を下回っていることを示す警告が出力される。警告は、処理部又はユーザに対して（ディスプレイ、スピーカ、ソフトウェアデータ商品又は同様のもの等を介して）出力することができる。推定の品質が所定の閾値を下回っていれば、処理部１３０は、加速度計バイアス推定を用いて飛行体１００のフライトソリューションを補正することはない。推定の品質が閾値を上回っていれば、加速度計バイアス推定が、飛行体１００のフライトソリューションを補正するために使用される。別の実施形態では、推定の品質インジケータは、ホスト機体制御システム２１０に出力され、そこで加速度計バイアス誤差を飛行体１００の飛行制御に使用するかが決定される。
【００２９】
別の実施形態では、バイアス推定の品質が閾値を超えていて（つまり、推定が正確である）、バイアス誤差推定値が所定の閾値を超えている場合（許容不可能に大きなバイアス誤差を示している場合）は、警告が誘導システム１５０に発せられ、誘導の禁止、カナード１５２の展開の禁止、又は機体ミッションの停止を表示する。このように、算出された推定加速度計バイアスは、許容可能な加速度計バイアス誤差の閾値に基づいて、誘導システムに対して、第１の加速度計バイアス推定が大きすぎて適切な航行ができないという警告メッセージを生成するために用いられる。
【００３０】
同様にして、推定が無効であることを示すテスト出力（例えば、「推定無効」のテスト出力）が処理部１３０に出力され、該処理部はエンドユーザに推定を使用すべきでないことを表示する。推定が無効である場合の例は、推定値AY1、AZ１、AY２、及びAZ２を得るためのデータの標準偏差が所定の閾値を超える場合、誤差推定の不確実性が、カナードショック後に補正が可能な誤差量を超える場合、又は、従前のノミナル飛行特性からみて補正可能な誤差量を超えている場合が含まれる。第１及び第２の回転軸の回転速度（ローレイト）推定値の差（ω２−ω１）の大きさが充分でない場合もまた、推定は無効となる。ω２−ω１が所定値以下である場合、bY又はbZは無効とされる。
【００３１】
全てのデータサンプルが収集されると、方法４００は、加速度計バイアス補正bY及びbZを算出する（ステップ４３０）。加速度計バイアス補正bY及びbZは、残りの飛行のために、リアルタイムのロー(raw)加速度計出力AＹ及びAＺに追加される。Ｙ軸加速度計３１０−Ｙに対する加速度計バイアス補正bYは、
bY＝(AY2ω12−AY1ω22)／（ω12−ω22）
によって求められる。
また、Ｚ軸加速度計３１０−Ｚに対する加速度計バイアス補正bZは、
bZ＝(AZ2ω12−AZ1ω22)／（ω12−ω22）
によって求められる。
【００３２】
レバーアームデルタ（レバーアーム誤差）dlev_y及びdlev_zもまた算出される（ステップ４４０）。Ｙ軸及びＺ軸に対するレバーアームデルタdlev_y及びdlev_zは、以下の式で求められる。
dlev_y＝(AY1−AY2)／（ω12−ω22）
dlev_z＝(AZ1−AZ2)／（ω12−ω22）
レバーアームデルタは、飛行体のミスアラインメントを算出するのに用いられる。Ｙ軸及びＺ軸加速度計のミスアラインメントδY及びδZは、以下の式で求められる。
δY＝ω２dlev_y
δZ＝ω２dlev_z
【００３３】
追加的には、ラウンドレベル(round-level)のミスアラインメントは、飛行体１００がスピンしている間にジャイロスコープから算出できる。ラウンドレベルのミスアラインメントは、
ωY／ωX、及びωY／ωX
で与えられる。ラウンドレベルのミスアラインメントは、観測されたジャイロスコープ及び加速度計の測定値に対する補正をするために用いられる。
処理部１３０は、入力（すなわち、デルタサンプル）の異なるレベルの帯域幅制御をバイアス補正ルーチン１４４に提供する。帯域幅制御のパラメータは、AY1、AZ１、AY２、及びAZ２を平均化するためにデルタサンプルが取得された期間、並びにこれらの期間の時間間隔を含む。
【００３４】
メモリ１４６（メモリ２４０も同様）は、汎用又は専用のコンピュータ又はプロセッサ、あるいは任意のプログラム可能論理回路によってアクセス可能な任意の利用できる媒体として実現される。適切な記憶デバイス又は媒体１４０（媒体２２０も同様）は、例えば不揮発性メモリの形態を含み、例としては、半導体メモリデバイス（消去可能プログラム可能読み取り専用メモリ（EPROM）、電気的消去可能プログラム可能読み取り専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、及びフラッシュメモリデバイス等）、磁気ディスク（ローカルハードディスク、及びリムーバブルディスク等）、及び光ディスク（コンパクトディスク−読み取り専用メモリ（ＣＤ−ＲＯＭ）ディスク等）が含まれる。さらに、記憶デバイスすなわち媒体１４０は、飛行体１００に搭載する必要はない。処理部１３０によって実行されるソフトウェア１４２の一部、及び実行中にソフトウェア１４２によって使用される１又は複数のデータ構造は、メモリ１４６に記憶される。メモリ１４６は、既知の又は今後開発される任意の適宜の形状のランダムアクセスメモリ(RAM)、例えばダイナミックランダムアクセスメモリ（DRAM）である。別の実施形態では、別のタイプのメモリが用いられる。
【００３５】
上述の種々の実施形態は、誘導兵器のアプリケーションに使用するための、高速スピンレート時のバイアス推定技術を提供するものである。バイアス補正ルーチン１４４を実行することにより、飛行体１００は不所望に大きい加速度計バイアスを除去することができ、それによって標的への航行を改善することができ、また追加的な機能が、飛行体１００の飛行中のテストに応用される。加速度計バイアス及びジャイロスコープのミスアラインメントは、IMUデータから算出される。補正ステップすなわちバイアス誤差及びミスアラインメントの補償ステップは、発射後（例えば発砲後）のIMU測定値の精度を向上させる。いくつかの実施形態の利点は、レート及び加速度の誘導推定が、飛行体１００の機体又は発射体の形状の不精密さ及びばらつきにあまり反応しないようにすること、並びに、レート及び加速度において明らかな誤差を発生する回転飛行誤差を、周期運動（歳差運動等）で明らかにすることを含む。
【００３６】
以下の請求項で規定される本発明についての多くの実施形態が記載された。しかしながら、上述の実施形態に対して、本請求項に係る発明の精神及び範囲を逸脱すことなく、多様な変形が可能であることが理解されよう。さらに、記載された任意の特定の実施形態の様態は、それが別の実施形態には記載されていない場合であっても、別の実施形態と組み合わせてもよい。したがって、別の実施形態も、以下に記載の請求項の範囲に含まれる。代替的な実施形態は、GPS受信機１２０を使用しない、又は備えていない。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高速スピンレート条件下における慣性センサのバイアス誤差のリアルタイム補償方法に関する。
なお、米政府は、レイセオンミサイルシステムズ及び米陸軍との契約番号DAAB07-03-D-B013に基づいた所定の権利を本発明に対して有している。
【背景技術】
【０００２】
慣性計測装置（IMU）は、航空機、車両、誘導ミサイル、及び誘導弾又は兵器等のデバイスで用いられる慣性誘導システムの一部である。IMUは、運動を正確に感知するために、加速度計及びジャイロスコープを使用している。IMUによって収集されたデータは、飛行制御のため、あるいはIMUが内蔵されているデバイスを操縦するために使用される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
IMUの機能における１ファクタは、その慣性データの精密性及び正確性である。しかしながら、IMUは多くの潜在的誤差の影響を受けてしまい、この誤差を補正すなわち補償する必要がある。特に、高速スピンレートを有するIMUアプリケーション（例えば、ライフル銃から高速で発射される弾）は、ミスアラインメント、非中心スピン軸誤差、及び該デバイス又はIMU自身のメカニカルな搭載バリエーションに起因して、速度及び加速度の推定で誤差を生じてしまう場合がある。このような誤差のリアルタイム補償をすることにより、誘導推定並びにレート及び加速度の値に対する、機体又は発射体の形状における誤差及びばらつきの影響を軽減し、且つ、速度及び加速度における誤差を生じさせる、周期運動（歳差運動等）時に明らかになる飛行誤差を低減することが望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、一実施形態では、高速スピン条件下で飛行中の飛行体に関するバイアス誤差を推定する方法を提供する。該方法は、第１時間における第１の一連データサンプルを収集するステップ、及び、第２時間における第２の一連データサンプルを収集するステップを含む。第１時間及び第２時間は、飛行体の展開後でカナード(canard)ショックの前に発生する。第１及び第２の一連データサンプルは、少なくとも第１ジャイロスコープからのロールレートデータ、及び少なくとも第１加速度計からの加速度データを備えている。該方法はさらに、第１及び第２のデータサンプルから少なくとも第１の推定加速度計バイアスを算出するステップを備えている。
【０００５】
別の実施形態では、加速度バイアス誤差のリアルタイム推定をするよう動作する飛行体を提供し、該飛行体は、機体、慣性測定装置（IMU）、カナードの展開を制御する誘導システム、及び処理部を備えている。IMUは、第１ジャイロスコープ、並びに少なくとも第１及び第２加速度計を備えている。処理部は、飛行体の展開後でカナードショックの前に、第１加速度計からのデータに基づいて生成された算出された第１の加速度計バイアスを用いて、第１加速度計の出力を補償し、飛行体の展開後でカナードショックの前に、第２加速度計からのデータに基づき生成された算出された第２の加速度計バイアスを用いて第２加速度計の出力を補償し、そして、第１及び第２加速度計の補償された出力に基づいて、飛行体を誘導するよう構成されている。
【０００６】
さらに別の実施形態では、飛行体の慣性測定装置（IMU）におけるバイアス誤差を決定するためのプログラム製品を提供し、該プログラム製品は、プログラムインストラクションが記憶されているプロセッサ可読媒体を含んでいる。プログラムインストラクションは、飛行体に含まれる少なくとも１つのプログラム可能プロセッサによって実行される時に動作し、飛行体の誘導システムに、第１時間における第１の一連データサンプルを収集させ、第２時間における第２の一連データサンプルを収集させる。ここにおいて第１及び第２時間は、飛行体の展開後である。第１及び第２のデータサンプルは、第１ジャイロスコープからのロールレートデータ、少なくとも第１及び第２加速度計からの加速度データを備えている。プログラムインストラクションもまた、誘導システムに少なくとも第１及び第２の推定加速度バイアスを算出させるよう動作する。
【０００７】
請求項に係る本発明の多様な実施形態の詳細は、添付の図面及び以下の記述で説明される。別の特徴及び利点は、以下の記述、図面、及び請求項で明らかとなるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】バイアス補正ルーティンを実行するよう構成された飛行体の一実施形態を説明するブロック図である。
【図２】飛行体と通信するよう構成されたホスト機体制御システムの一実施形態のブロック図である。
【図３】飛行体の形状の一実施形態を示すブロック図である。
【図４】高速スピン条件下の飛行体のリアルタイムバイアス誤差を推定するための方法の一実施形態を示すフロー図である。
【図５】Ａ〜Ｃはそれぞれ、飛行体の１飛行例に対応するIMUデータのグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１は、バイアス補正ルーチン１４４を実行するよう構成された飛行体１００の一実施形態を示すブロック図である。飛行体１００は、発射体、ミサイル、弾丸等である。飛行体１００は、胴体又は機体等のボディ１０２（図２参照）を備えている。飛行体１００は、慣性計測装置（IMU）１１０及びグローバルポジショニングシステム（GPS）受信機１２０を用いて、自身の位置を決定するよう構成される。飛行体１００はさらに、GPS情報が無くてもIMU１１０を用いて航行するよう構成される。IMU１１０は、飛行体１００に関する加速度及び高度データを提供する。図１に示される実施形態の一例では、IMU１１０は、所与の軸に沿った速度における線形変化（すなわち、加速度）を感知するための加速度計１１４、及び、回転速度における変化を感知するためのジャイロスコープ１１２（すなわち、回転速度又は角度位置を決定するために用いられる）を備えている。ジャイロスコープ１１２は、飛行体１００の運動の方向に、入力軸を有する第１ジャイロスコープを少なくとも備えている。加速度計１１４は、加速度を測定するための第１及び第２加速度計を、相互に直交する方向に、且つ、機体のスピンレートを感知するジャイロスコープに対して直交する方向に備えている。GPS受信機１２０は、GPS利用可能時に、飛行体１００に対して位置情報を提供する。他の実施形態では、GPS受信機１２０を備えていない場合もある。
【００１０】
飛行体１００は、誘導システム１５０の誘導の下で標的に向かって飛行する。飛行体１００は、はじめは高速スピンレート状態にある。例えば、ライフル銃からの発射又は操縦翼面（フィン）によって回転されることにより、飛行体１００は最初は高速スピンレート状態におかれる。誘導システム１５０はカナード１５２を配備している。カナード１５２は発射後に展開される小さな翼であり、飛行中の飛行体１００を誘導するために用いられる。誘導システム１５０は、通常、カナード１５２を展開するために飛行中に爆発する１又は複数のパイロテクニックデバイスを備えている。カナード１５２を展開することは、カナードショックと称される。本明細書では、カナード１５２が展開される前の時間を弾道ステージと称し、カナード１５２が展開された後をカナードショック後と称する。カナード１５２は、飛行体１００の回転を遅延又は停止するために、また、飛行体１００を反対方向にスピンさせるためにも使用することができる。一実施形態では、誘導システム１５０はさらに、誘導システム１５０の別のコンポーネントを制御するための、処理部を備えている。
【００１１】
IMU１１０の精度は、飛行体１００の標的への飛行に影響を与える。飛行の早い段階（弾道ステージ）でIMU１１０の誤差を低減することにより、飛行体１００をより正確に誘導することができる。誤差のいくつかが補償されると、飛行体１００の航路は、決定された誤差の補償に基づいて再計算される。カナードショックの前に発生する、飛行体１００及びそのコンポーネントのミスアラインメント、非中心スピン軸誤差、又は非対称による速度及び加速度推定における誤差（又はオフセット）は、飛行体１００が指定の標的をはずす原因となる。これらのバイアス誤差を推定する従来の方法は、カナード１５２が展開された後にのみ実行されるものであり、カルマンフィルタを適用して、主としてIMUの測定値を外部補助ソース（GPS等）と比較することにより、行われていた。バイアス補正ルーティン１４４は、これらの誤差を補正し、且つ、ミッションのはるかに早い段階すなわち弾道ステージで適用されるものである。バイアス補正ルーチン１４４は、リアルタイムの推定ルーチンであり、ロールレート、時間、飛行体１００の形状及び方向を関数として、ジャイロスコープ及び加速度計の誤差モデルを推定する。弾道ステージ中に実行される誤差推定は、早い段階での誤差推定が行われない場合よりも、飛行体１００の航行及び制御をより向上させる。
【００１２】
観測されたジャイロスコープ及び加速度計のオフセット（主として弾道ステージにおいて見られる）に対して、主に２通りの説明が可能である。第１の説明は、IMU１１０がミスアラインメントしており、且つ、飛行体１００が、自身のセンタラインの周囲をかなり正確にスピンしている場合である。第２の説明は、IMU１１０は良好なアラインメント状態にあるが、飛行体１００が、ある角度で歳差運動をしている場合である。歳差運動及びミスアラインメントは、同一の飛行体１００で発生する可能性がある。飛行体１００が歳差運動をしている場合である第２の説明が、図３Ａ〜３Ｃに示されている。
【００１３】
飛行体１００は、バイアス補正ルーチン１４４を実行するために用いられる処理部１３０を備えている。バイアス補正ルーチン１４４は、高速スピンレートの条件下で（すなわち、飛行体１００がスピンしているとき）、且つ、飛行体１００が主に弾道（ballistic）飛行を経験している時（カナード展開の前）に、ジャイロスコープ及び加速度計の誤差を補正する。図１に示される実施形態では、バイアス補正ルーチン１４４は、処理部１３０で実行されるソフトウェア１４２により実現される。ソフトウェア１４２は、適宜の記憶デバイス又は媒体１４０に記憶されたプログラムインストラクションを含んでいる。処理部１３０によって実行されるソフトウェア１４２の一部、及び実行時にソフトウェア１４２によって用いられる１又は複数のデータ構造は、メモリ１４６に記憶される。飛行体１００はまた、ホスト機体制御システム等の、飛行体１００の外部にあるシステムと通信するために、トランシーバ１６０を備えている。飛行体１００のコンポーネントは、適切なインターフェース及び配線を用いて、必要に応じて相互に通信可能に接続されている。
【００１４】
代替的な実施形態では、処理部１３０、メモリ１４６、又は記憶媒体１４０は、例えばホスト機体制御システム２１０の内等の、IMU１１０から離間（物理的、電気的、又はその両方）して位置している。図２は、飛行体１００と通信するよう構成された、ホスト機体制御システム２１０の一実施形態のブロック図である。バイアス補正ルーチン１４４は、処理部２３０によって実行されるソフトウェア２２２に実装される。ソフトウェア２２２は、適切な記憶デバイス又は媒体２２０に記憶されるプログラムインストラクションで構成される。処理部２３０によって実行されるソフトウェア２２２の一部、及び実行時にソフトウェア２２２によって用いられる１又は複数のデータ構造は、メモリ２４０に記憶される。したがって、バイアス補正ルーティン１４４は、飛行体１００、又はホスト機体制御システム２１０（飛行体１００の外部に位置する）にあるホスト機体制御システム２２０のいずれにおいても、実行可能である。
【００１５】
ホスト機体制御システム２１０は、トランシーバ２５０を介して飛行体１００と通信するよう構成される。ホスト機体制御システム２１０のトランシーバ２５０は、飛行体１００のトランシーバ１６０と通信する。IMU１１０によって取得されるデータサンプルはホスト期待制御システム２１０に送信され、該システムにおいて加速度計のバイアス誤差を算出する。誤差が算出されると、ホスト機体制御システム２１０は、飛行体１００に対して補正又は更新された飛行誘導情報を送信する。この情報は、飛行体１００を誘導するための誘導システム１５０に提供される。ホスト機体制御システム２１０のコンポーネントは、適切なインターフェース及び配線を用いて、必要に応じて互いに通信可能に接続されている。
【００１６】
図３Ａ〜図３Ｃは、飛行体１００の形状の一実施形態に関するブロック図である。図３Ａは、中心軸３００に沿って飛行し、回転の軸３０２の周りで歳差運動する飛行体１００を示す。飛行体１００のボディは、Ｘ軸３００（本明細書では航行の中心（ＣＯＮ）とも称される）の方向に沿っている。回転の軸３０２及びＸ軸３００の間の偏倚は、飛行体１００が歳差運動をする原因となり、歳差運動の角度であるθPを規定する。歳差運動の角度は通常は小さく、例えば約０．５度である。歳差運動は、飛行体１００の質量の中心が、正確に機体の中心軸３００上に位置していないという不完全性に起因している可能性が高い。
【００１７】
図３Ｂは、飛行体１００におけるIMU１１０の加速度計モーメントアームの形状の一実施形態に関するブロック図である。IMU１１０は、３つの加速度計（図３参照）を備えており、それぞれが直交方向（Ｘ、Ｙ、Ｚ方向）の加速度を測定する。Ｘ方向は、飛行体１００の運動の方向とは若干異なる中心軸３００に沿っている。Ｘ軸はさらに、飛行体１００のロールに対応している。Ｙ軸３０４及びＺ軸３０６はそれぞれ、飛行体１００のピッチ及びヨーに対応している。
【００１８】
図３Ａに示されるように、飛行体１００は、中心軸３００とは異なる軸３０２の周りを回転している。歳差運動により、Ｙ軸及びＺ軸の加速度計に対するレバーアームはオフセット状態にある。本明細書では、加速度計のレバーアームは、加速度計が測定するよう設定されている方向における、加速度計及び航行の中心軸（ＣＯＮ）３００間の距離である。
【００１９】
図３Ｃは、運動の方向、すなわち、図面と直交する方向（Ｘ軸方向）にある飛行体１００を示す。IMU１１０は、３つの直交方向を測定するための３つの加速度計３１０−Ｘ、３１０−Ｙ、３１０−Ｚを備えている。点３００は、中心軸に対応しており、また点３０２は、実際の回転の軸（飛行体１００はこの点３０２の周りをスピンしている）に対応する。Ｙ方向用の加速度計３１０−Ｙに対するレバーアーム誤差はdlev_y(320-Y)である。Ｚ方向用の加速度計３１０−Ｚに対するレバーアーム誤差は、dlev_z(320-Z)である。これらdlev_y(320-Y)及びdlev_z(320-Z)の長さは、回転軸３０２が中心軸３００からずれている程度によって異なる。飛行体１００が自身のセンタラインの周りをスピンしていない場合と、飛行体１００がセンタラインの周りをスピンしている場合とでは、レバーアームが異なるので、測定された加速度は明らかにバイアス誤差を含んでいる。これらのバイアス誤差を決定することで、誤差を補償することが可能になり、これらの誤差が消失して加速度推定が向上することにより、飛行体１００の誘導を改善することができる。
【００２０】
ラジアル加速度バイアスモデルは、加速度出力（A）＝固定バイアス（ｂ）＋サイズエフェクトデルタ（δ）＋ミスアラインメント＋SF非線形性＋横力、の形式で表されると仮定することができる。この式は、カナード展開以前の弾道飛行と関連している。このような条件下で、初めの２つの項（固定バイアス及びサイズエフェクトデルタ）が、最も重要である。他の項は無視できるほど小さいため、ゼロと仮定することができる。これらを消去すると、加速度出力Aは、以下のように表すことができる。
A＝ｂ+δ
サイズエフェクトデルタδは、
δ＝ω2dlev
で求められる。ここでdlevはレバーアーム誤差（デルタレバーアーム）である。レバーアーム誤差は、IMU１１０CON３００及びそれに関連する所定のレバーアームについての回転ではなく、回転軸３０２についての回転から生じる。ωは、運動の方向におけるロールレート（回転速度）である。従って、Ｙ軸方向加速度(AY)及びＺ軸方向加速度(AZ)は、以下のように求めることができる。
AY＝bY +ω2dlev_y
AZ＝bZ＋ω2dlev_z
AY及びAZを、異なる時間に異なるスピンレート（回転速度）ωで少なくとも２回測定することにより、bY、bZ、dlev_y、dlev_zは、これらの連立式を解くことによって算出することができる。
【００２１】
図４は、高速スピンレートでの条件下の飛行体１００のリアルタイムのバイアス誤差を推定するための方法４００の一実施形態を示すフロー図である。データは、弾道すなわちカナード前飛行中の第１時間及び第２時間の飛行体１００に関するIMUデータストリームから抽出される。一連の第１データサンプルが、第１時間の測定で収集される（ステップ４１０）。一連の第２データサンプルが、第２時間の測定で収集される（ステップ４２０）。IMUデータは、飛行体１００内（メモリ１４６内等）に又はIMU１１０内に記憶されるか、あるいは、遠隔システム（ホスト機体制御システム２１０等）へ送信され記憶される。一連のデータサンプルは、Ｘ軸方向のスピンレート（ω）、Ｙ軸方向の加速度（AY）、及びＺ軸方向の加速度（AZ）を含む。
【００２２】
データが抽出される（少なくとも）２つの時間は、弾道飛行ステージ、すなわち飛行体１００がまだスピンしており、かつ操縦翼面が展開されていない状態での時間である。説明のために、２つの時間について論述する。２つの時間は、サブスクリプト１及び２で示される。図５Ａ〜図５Ｃは、飛行体の一飛行例に対応するIMUデータのグラフである。データサンプルは、１００Hzデータレートで取得された。
【００２３】
図５Ａは、ジャイロスコープＸ（Ｘ軸用ジャイロスコープ）に関するIMUデータの一実施形態のグラフである。線５１０は、角度／秒（°／s又はd／s）で表された、飛行体１００の回転速度ωである。ポイント５３０は、カナードショック（すなわち、カナード１５２の展開）の状態を示している。カナード１５２が展開されると、飛行体１００は、自身のスピンを減少し、また反対方向にスピンされることもある。ポイント５４０では、飛行体１００は、ポイント５３０以前の回転方向とは反対方向に、自身の最大速度でスピンしている。２０秒以降の時間では、飛行体１００は、スピンしていない（又はゆっくりスピンしている）。
【００２４】
測定の時間１及び２は、スピンレートω１及びω２が異なっている時間が選択される。ω１及びω２の相違が大きい程、より正確にバイアスを推定できる。一実施形態では、時間１は、ω１が最低値を超えた時間として選択される。その実施形態において、飛行開始から３秒間でのω１の最低値は1500°／sである。図５Ａでは、ω１は時間５２０−１（時間１）で測定され、ω２は時間５２０−２（時間２）で測定される。実施形態では、異なるクライテリアを用いて、ω２を測定するための時間２を選択しており、例えば、ω２が閾値（2500°／s等）を超える場合、最大値（つまり、特定の飛行に関する最大スピン）を超える場合、又はω１のある割合を超える場合（ω２＞Kω１である場合、ここでKは1.25等の定数）であるが、これに限定するものではない。
【００２５】
図５Ｂは、Ｙ軸用の加速度計３１０−Ｙに関するIMUデータのグラフであり、飛行時間（秒）に対して、重力単位（ｇ）の加速度がプロットされている。ポイント５５０−１及び５５０−２は、スピンレートωが測定された時間５２０−１及び５２０−２に対応している。時間１（ポイント５５０−１）で、Ｙ軸加速度計３１０−Ｙの第１データサンプル（加速度）AY1が測定される。時間２（ポイント５５０−２）で、Ｙ軸加速度計３１０−Ｙの加速度の第２データサンプル（加速度）AY２が測定される。同様に、図５Ｃは飛行航路中にＺ軸加速度計３１０−Ｚが検出した加速度を示す。時間１（ポイント５６０−１）で、Ｚ軸加速度計の第１加速度AZ１が測定され、時間２（ポイント５６０−２）で、Ｚ軸加速度計の第２加速度AZ２が測定される。一例では、ω１、AY1、及びAZ１は発射後４〜５秒の間に収集され、且つω２、AY２、及びAZ２は発射後１２〜１３秒の間に収集される。実際には、測定値は、これらの１秒間の間に収集された１００Ｈｚのデータの平均値となる。一実施形態では、時間１で、一連の第１のデータサンプルの全ての測定値が収集され、また時間２で、一連の第２のデータサンプルの全ての測定値が収集される。別の実施形態では、データセット内でデータサンプルが収集される正確な時間に関しては、別の時間としてもよい。
【００２６】
代替的な実施形態では、データサンプルが飛行中に継続的に収集される。この実施形態では、ウィンドウ（０．５秒等）内のデータサンプルのみが用いられる。ウィンドウは、例えば最低及び最高スピンレート（回転速度）、又はスピンレートの割合に基づいて、又はある経過時間の後に、事前に決定される。これらのウィンドウ内のデータは、時間１及び時間２のための平均値を得るために平均化される。
【００２７】
別の実施形態では、データ品質メトリック（ＤＱ）が、計算される。このデータ品質メトリックは、データサンプルのランニングアベレージの標準偏差が所定レベルを下回っていることを確認するためのものである。複数のデータサンプルを平均化することによって、AY1、AZ１、AY２、及びAZ２が算出される一実施形態では、標準偏差が所定の閾値以上ではないことを保証するために、平均化されるデータサンプルの標準偏差がチェックされる。これによってノイズ及びデータスパイクの影響が低減されるため、その結果として平均値がより信頼に値することが保証される。バイアスの平均推定になるデータの標準偏差が低いほど、その結果として生じるバイアス推定bＹ及びbZの不確実性も低くなる。
【００２８】
一実施形態では、推定品質のインジケータ（本明細書では品質の推定インジケータとも称される）が、処理部１３０に提供される。処理部１３０は、品質の推定インジケータに基づいた加速度計バイアス推定を使用するかを決定する。一実施形態では、第１の推定加速度計バイアスの品質が閾値を下回っていることを示す警告が出力される。警告は、処理部又はユーザに対して（ディスプレイ、スピーカ、ソフトウェアデータ商品又は同様のもの等を介して）出力することができる。推定の品質が所定の閾値を下回っていれば、処理部１３０は、加速度計バイアス推定を用いて飛行体１００のフライトソリューションを補正することはない。推定の品質が閾値を上回っていれば、加速度計バイアス推定が、飛行体１００のフライトソリューションを補正するために使用される。別の実施形態では、推定の品質インジケータは、ホスト機体制御システム２１０に出力され、そこで加速度計バイアス誤差を飛行体１００の飛行制御に使用するかが決定される。
【００２９】
別の実施形態では、バイアス推定の品質が閾値を超えていて（つまり、推定が正確である）、バイアス誤差推定値が所定の閾値を超えている場合（許容不可能に大きなバイアス誤差を示している場合）は、警告が誘導システム１５０に発せられ、誘導の禁止、カナード１５２の展開の禁止、又は機体ミッションの停止を表示する。このように、算出された推定加速度計バイアスは、許容可能な加速度計バイアス誤差の閾値に基づいて、誘導システムに対して、第１の加速度計バイアス推定が大きすぎて適切な航行ができないという警告メッセージを生成するために用いられる。
【００３０】
同様にして、推定が無効であることを示すテスト出力（例えば、「推定無効」のテスト出力）が処理部１３０に出力され、該処理部はエンドユーザに推定を使用すべきでないことを表示する。推定が無効である場合の例は、推定値AY1、AZ１、AY２、及びAZ２を得るためのデータの標準偏差が所定の閾値を超える場合、誤差推定の不確実性が、カナードショック後に補正が可能な誤差量を超える場合、又は、従前のノミナル飛行特性からみて補正可能な誤差量を超えている場合が含まれる。第１及び第２の回転軸の回転速度（ローレイト）推定値の差（ω２−ω１）の大きさが充分でない場合もまた、推定は無効となる。ω２−ω１が所定値以下である場合、bY又はbZは無効とされる。
【００３１】
全てのデータサンプルが収集されると、方法４００は、加速度計バイアス補正bY及びbZを算出する（ステップ４３０）。加速度計バイアス補正bY及びbZは、残りの飛行のために、リアルタイムのロー(raw)加速度計出力AＹ及びAＺに追加される。Ｙ軸加速度計３１０−Ｙに対する加速度計バイアス補正bYは、
bY＝(AY2ω12−AY1ω22)／（ω12−ω22）
によって求められる。
また、Ｚ軸加速度計３１０−Ｚに対する加速度計バイアス補正bZは、
bZ＝(AZ2ω12−AZ1ω22)／（ω12−ω22）
によって求められる。
【００３２】
レバーアームデルタ（レバーアーム誤差）dlev_y及びdlev_zもまた算出される（ステップ４４０）。Ｙ軸及びＺ軸に対するレバーアームデルタdlev_y及びdlev_zは、以下の式で求められる。
dlev_y＝(AY1−AY2)／（ω12−ω22）
dlev_z＝(AZ1−AZ2)／（ω12−ω22）
レバーアームデルタは、飛行体のミスアラインメントを算出するのに用いられる。Ｙ軸及びＺ軸加速度計のミスアラインメントδY及びδZは、以下の式で求められる。
δY＝ω２dlev_y
δZ＝ω２dlev_z
【００３３】
追加的には、ラウンドレベル(round-level)のミスアラインメントは、飛行体１００がスピンしている間にジャイロスコープから算出できる。ラウンドレベルのミスアラインメントは、
ωY／ωX、及びωY／ωX
で与えられる。ラウンドレベルのミスアラインメントは、観測されたジャイロスコープ及び加速度計の測定値に対する補正をするために用いられる。
処理部１３０は、入力（すなわち、デルタサンプル）の異なるレベルの帯域幅制御をバイアス補正ルーチン１４４に提供する。帯域幅制御のパラメータは、AY1、AZ１、AY２、及びAZ２を平均化するためにデルタサンプルが取得された期間、並びにこれらの期間の時間間隔を含む。
【００３４】
メモリ１４６（メモリ２４０も同様）は、汎用又は専用のコンピュータ又はプロセッサ、あるいは任意のプログラム可能論理回路によってアクセス可能な任意の利用できる媒体として実現される。適切な記憶デバイス又は媒体１４０（媒体２２０も同様）は、例えば不揮発性メモリの形態を含み、例としては、半導体メモリデバイス（消去可能プログラム可能読み取り専用メモリ（EPROM）、電気的消去可能プログラム可能読み取り専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、及びフラッシュメモリデバイス等）、磁気ディスク（ローカルハードディスク、及びリムーバブルディスク等）、及び光ディスク（コンパクトディスク−読み取り専用メモリ（ＣＤ−ＲＯＭ）ディスク等）が含まれる。さらに、記憶デバイスすなわち媒体１４０は、飛行体１００に搭載する必要はない。処理部１３０によって実行されるソフトウェア１４２の一部、及び実行中にソフトウェア１４２によって使用される１又は複数のデータ構造は、メモリ１４６に記憶される。メモリ１４６は、既知の又は今後開発される任意の適宜の形状のランダムアクセスメモリ(RAM)、例えばダイナミックランダムアクセスメモリ（DRAM）である。別の実施形態では、別のタイプのメモリが用いられる。
【００３５】
上述の種々の実施形態は、誘導兵器のアプリケーションに使用するための、高速スピンレート時のバイアス推定技術を提供するものである。バイアス補正ルーチン１４４を実行することにより、飛行体１００は不所望に大きい加速度計バイアスを除去することができ、それによって標的への航行を改善することができ、また追加的な機能が、飛行体１００の飛行中のテストに応用される。加速度計バイアス及びジャイロスコープのミスアラインメントは、IMUデータから算出される。補正ステップすなわちバイアス誤差及びミスアラインメントの補償ステップは、発射後（例えば発砲後）のIMU測定値の精度を向上させる。いくつかの実施形態の利点は、レート及び加速度の誘導推定が、飛行体１００の機体又は発射体の形状の不精密さ及びばらつきにあまり反応しないようにすること、並びに、レート及び加速度において明らかな誤差を発生する回転飛行誤差を、周期運動（歳差運動等）で明らかにすることを含む。
【００３６】
以下の請求項で規定される本発明についての多くの実施形態が記載された。しかしながら、上述の実施形態に対して、本請求項に係る発明の精神及び範囲を逸脱すことなく、多様な変形が可能であることが理解されよう。さらに、記載された任意の特定の実施形態の様態は、それが別の実施形態には記載されていない場合であっても、別の実施形態と組み合わせてもよい。したがって、別の実施形態も、以下に記載の請求項の範囲に含まれる。代替的な実施形態は、GPS受信機１２０を使用しない、又は備えていない。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高速スピン状態（５１０）で飛行中の飛行体（１００）に対するバイアス誤差を推定する方法であって、
第１時間において一連の第１のデータサンプルを収集するステップ（４１０）と、
第２時間において一連の第２のデータサンプルを収集するステップ（４２０）と、
第１及び第２のデータサンプルから、少なくとも第１の推定される加速度計のバイアスを算出するステップ（４３０）と
を含み、
第１時間（５２０−１）及び第２時間（５２０−２）は、飛行体の展開後でカナードショック（５３０）前であり、
第１及び第２のデータサンプルは、少なくとも第１のジャイロスコープ（１１２）からのロールレートデータ、少なくとも第１の加速度計（３１０−Ｙ）からの加速度データ、及び該第１の加速度計が測定する加速度方向に対して直交する方向の加速度を測定する第２の加速度計（３１０−Ｚ）からの加速度データを含んでいる
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法において、少なくとも第１の推定加速度計バイアスを算出するステップは、
第１の加速度計に対する推定加速度計バイアスbYを、
bY＝(AY2ω12−AY1ω22)／（ω12−ω22）
ただし、ω１：第１のジャイロスコープからの第１時間のロールレート
ω２：第１のジャイロスコープからの第２時間のロールレート
AY1：第１の加速度計によって測定された第１時間の加速度
AY2：第１の加速度計によって測定された第２時間の加速度
によって計算するステップと、
第２の加速度計に対する推定加速度計バイアスbZを、
bZ＝(AZ2ω12−AZ1ω22)／（ω12−ω22）
ただし、AZ1：第２の加速度計によって測定された第１時間の加速度
AZ2：第２の加速度計によって測定された第２時間の加速度
によって計算するステップと
を含んでいることを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項２記載の方法において、第１の推定加速度計バイアスを算出するステップは、
第１の加速度計に関するレベルアームバイアス誤差dlev_yを、
dlev_y＝(AY1−AY2)／（ω12−ω22）
により計算するステップと、
第２の加速度計に関するレベルアームバイアス誤差dlev_zを、
dlev_z＝(AZ1−AZ2)／（ω12−ω22）
により計算するステップと、
Ｙ軸加速度計のミスアライメント誤差δYを、δY＝ω２dlev_yにより計算するステップと、
Ｚ軸加速度計のミスアライメント誤差δZを、δZ＝ω２dlev_zにより計算するステップと
を含んでいることを特徴とする方法。
【請求項１】
高速スピン状態（５１０）で飛行中の飛行体（１００）に対するバイアス誤差を推定する方法であって、
第１時間において一連の第１のデータサンプルを収集するステップ（４１０）と、
第２時間において一連の第２のデータサンプルを収集するステップ（４２０）と、
第１及び第２のデータサンプルから、少なくとも第１の推定される加速度計のバイアスを算出するステップ（４３０）と
を含み、
第１時間（５２０−１）及び第２時間（５２０−２）は、飛行体の展開後でカナードショック（５３０）前であり、
第１及び第２のデータサンプルは、少なくとも第１のジャイロスコープ（１１２）からのロールレートデータ、少なくとも第１の加速度計（３１０−Ｙ）からの加速度データ、及び該第１の加速度計が測定する加速度方向に対して直交する方向の加速度を測定する第２の加速度計（３１０−Ｚ）からの加速度データを含んでいる
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法において、少なくとも第１の推定加速度計バイアスを算出するステップは、
第１の加速度計に対する推定加速度計バイアスbYを、
bY＝(AY2ω12−AY1ω22)／（ω12−ω22）
ただし、ω１：第１のジャイロスコープからの第１時間のロールレート
ω２：第１のジャイロスコープからの第２時間のロールレート
AY1：第１の加速度計によって測定された第１時間の加速度
AY2：第１の加速度計によって測定された第２時間の加速度
によって計算するステップと、
第２の加速度計に対する推定加速度計バイアスbZを、
bZ＝(AZ2ω12−AZ1ω22)／（ω12−ω22）
ただし、AZ1：第２の加速度計によって測定された第１時間の加速度
AZ2：第２の加速度計によって測定された第２時間の加速度
によって計算するステップと
を含んでいることを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項２記載の方法において、第１の推定加速度計バイアスを算出するステップは、
第１の加速度計に関するレベルアームバイアス誤差dlev_yを、
dlev_y＝(AY1−AY2)／（ω12−ω22）
により計算するステップと、
第２の加速度計に関するレベルアームバイアス誤差dlev_zを、
dlev_z＝(AZ1−AZ2)／（ω12−ω22）
により計算するステップと、
Ｙ軸加速度計のミスアライメント誤差δYを、δY＝ω２dlev_yにより計算するステップと、
Ｚ軸加速度計のミスアライメント誤差δZを、δZ＝ω２dlev_zにより計算するステップと
を含んでいることを特徴とする方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１０−２７１３０１（Ｐ２０１０−２７１３０１Ａ）
【公開日】平成２２年１２月２日（２０１０．１２．２）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１０−３８４６１（Ｐ２０１０−３８４６１）
【出願日】平成２２年２月２４日（２０１０．２．２４）
【出願人】（５００５７５８２４）ハネウェル・インターナショナル・インコーポレーテッド (1,504)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１２月２日（２０１０．１２．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−３８４６１（Ｐ２０１０−３８４６１）
【出願日】平成２２年２月２４日（２０１０．２．２４）
【出願人】（５００５７５８２４）ハネウェル・インターナショナル・インコーポレーテッド (1,504)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]