JP2004525348A - 電子コンパスの精度の監視 - Google Patents

Abstract

３軸物理モデルを使用して、任意の向きで動作する電子コンパスでの測定磁界値中の誤差を数値的に補償する。この補償方法は、垂直面内の地球の磁界を特徴付けるある量を生成する。これらの量を使用して、較正手順の間に得られた値、または履歴平均から得られた値とこれらの現在値を比較することにより、正常動作中に電子コンパスの精度を監視する。較正値または履歴平均からの有意な偏移は、コンパスの精度が失われた可能性のあることを示し、ユーザはそのように警報を受ける。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は電子コンパスに関する。より詳細には、本発明は、磁気誤差に対して電子コンパスの補償に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子コンパスは当技術分野で周知である。そのような装置は通常、磁束を測定し、地球の磁界に対する向きを決定するために、磁束ゲートまたは他のセンサを使用している。しかし、針またはカードベースのコンパスの場合と同じく、電子コンパスを鉄金属や関連する摂動界の環境で使用するとき、磁力計センサで感知する磁界は不正確であり、地球の磁界やコンパスの方位の読取り値に誤差が生じる。
【０００３】
正確な読取り値を得るには、この磁気摂動を補償することが必要である。針またはカードベースのコンパスを補償するには、棒磁石および／または軟鉄塊を使用して、摂動磁界を物理的に中性化し、打ち消す必要がある。既存の摂動を打ち消し、かつ偏差誤差を例えば３〜５°まで低減するように、これらの磁石および軟鉄塊を注意深く配置しなければならない。しかしこの低減の後であっても、ユーザが方位値を訂正することができるように、残留偏差誤差を真の方位に対してプロットしなければならない。
【０００４】
磁力計センサから受け取ったデータを処理するのにマイクロプロセッサを使用する電子コンパスは、数値的方法を用いて補償することができる。数値的方法を使用した補償の１つの特定の例は、レベルコンパスに対する伝統的な５項補償公式である。この公式では、コンパスで測定される真の向首方向からの方位の偏移が、真の磁気方位２の関数として度数単位で以下のように表される。
【０００５】
偏差＝Ａ＋Ｂ・ｓｉｎ（θ）＋Ｃ・ｃｏｓ（θ）＋Ｄ・ｓｉｎ（２θ）＋Ｅ・ｃｏｓ（２θ）
上式で、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、およびＥは、ある較正手順によってその値が求められる係数である。この補償技法はある制限を示す。例えば、上記の公式は近似式でしかなく、偏移が小さく、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、およびＥの値が小さい場合にしか有効ではない。したがってこの技法は、偏差誤差を低減するための物理的補償、例えば磁石および／または軟鉄塊の追加による物理的補償の後にのみ用いられる。加えてこの公式は、レベルコンパスに対してのみ有効であり、したがって、傾いた船など、３次元空間内でコンパスの向きが非常に広範囲に変動する環境での使用には適さない。緯度の変化も補償の品質に影響を及ぼす可能性がある。この補償技法を航空機のフラックスゲートコンパスでも使用することは妥当であるが、係数が傾斜姿勢および磁気緯度に依存するので、この補償技法は、振子フラックスゲートコンパスに対する近似でしかない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ある従来型補償技法が実施されているが、多くは２軸コンパスに限定され、３次元空間内のコンパスの任意の様々な向きに対しては適切な結果が得られない。ある従来型補償技法が３軸コンパスに応用されている。しかしそのような従来型技法は対象係数行列に依拠するので、あるタイプの誤差を適切に補償することができない。
【０００７】
電子コンパスを補償した後でも、ある条件によりコンパスの精度が失われる可能性がある。例えば、コンパスまたはその設備の変化、例えば車両または装置に対するコンパスの取付けの変化、磁気材料の一部のシフト、または車両材料の磁化の変化により、内部摂動磁界が変化し、磁気補償が不正確になる可能性がある。加えて、磁気地層構造あるいは人工構造、例えば建物または車両などの、環境内の外部磁気異常により、磁界が磁北からずれる可能性がある。この場合、コンパスの較正が依然として有効であってもコンパスは正確ではない。
【０００８】
したがって、電子コンパスを補償した後であっても、内部状態と外部状態の両方により、電子コンパスの精度が失われる可能性がある。この状態を検出し、その結果ユーザがコンパスを再較正することができ、または少なくともそのコンパスの読取り値が正確でない可能性があることをユーザに気付かせることが引き続き求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
磁気誤差状態を訂正するために、測定した磁力計信号を磁気異常に関して数学的に訂正する補償技法を使用する。この技法また、補償公式では使用しないが、電子コンパスの精度を監視するのに使用する、ある磁界値を生成する。
【００１０】
一実施形態によれば、本発明は、電子コンパスの精度を監視する方法に関する。電子コンパスの較正中に、地球の磁界を特徴付けるある磁界値も較正中に生成する技法を用いて数値補償係数を計算する。その後で、電子コンパスの正常動作中に、補償した磁界値を使用してコンパスの磁気方位を計算する。地球の磁界を特徴付ける類似の値も、正常動作中にこの計算から生成される。これらの値は、較正中に得られた値と比較される。
【００１１】
別の実施形態では、正常動作中に得られたこれらの特性値が、較正中に得られた値ではなく履歴平均と比較される。これにより、較正中に得られた値についての情報がなくても精度を監視することが可能となる。
【００１２】
本発明の上記の概要は、本発明の例示した各実施形態、または本発明のあらゆる実装を説明するものではない。以下の図と詳細な説明では、これらの実施形態をより具体的に例示する。
【００１３】
本発明の上記その他の態様および利点は、図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むことによって明らかとなるであろう。
本発明は、様々な修正形態や代替形態に変更することができる。その詳細を図面に例示的に示し、詳細に説明する。しかしそのことは、説明する特定の実施形態に本発明を限定するものではないことを理解されたい。むしろ、頭記の特許請求の範囲で定義される本発明の精神および範囲に包含されるすべての修正形態、均等物、および代替方法を包含するものとする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明は電子コンパスに適用可能である。本発明は、電子コンパスの精度を潜在的に失わせる可能性のある環境状態の影響を受けやすい電子コンパスで使用することが特に有利である。そのような環境で動作する様々な応用例の議論を通して、本発明の様々な態様を理解されよう。
【００１５】
本発明の１つの例示的実施形態では、電子コンパスは、電子コンパスを設置する車両または他の装置に固定された３軸電子磁力計に基づく。３軸加速度計または傾斜センサが、コンパスの方位また向首方向を求める地方水平面を計算するために重力の方向を測定する。コンピュータマイクロプロセッサが、測定磁界および測定重力方向に対して得られた数値を使用して、コンパスの向きの如何に関わらずコンパスの軸の磁気方位を計算する。その結果、コンパスはどんな向きでも動作することができ、水平を保持する必要がない。
【００１６】
基礎原理
先に論じたように、測定磁界は、例えば動作環境内の鉄金属によって引き起こされる誤差の影響を受けやすい。この誤差は、方位偏差誤差を引き起こす追加の磁気摂動に起因する。この摂動のために、測定磁界Ｈ_ＭＥＡＳは、地球の磁界Ｈ_{ＥＡＲＴＨ}とは以下のように異なる。
【００１７】
【数１】

【００１８】
上式で、Ｈ_{ＩＮＤＥＣＥＤ}は誘導磁界摂動を表し、Ｈ_ＰＥＲＭは永久磁界摂動を表す。
測定磁界に対する摂動の効果は、図１〜２から理解することができる。図１は、レベルコンパスと３６０度のコンパススイングを仮定した、摂動のない地球の磁界の軌跡を示す。図１からわかるように、軌跡は円であり、方位は磁北から時計回りに定義される。Ｈ_{ＥＡＲＴＨ}は、コンパススイングと共に時計回りに回転し、垂直磁界成分Ｈ_ｚは一定である。
【００１９】
図２は、軌跡をそれぞれ偏心させ、楕円形にするＨ_ＰＥＲＭおよびＨ_{ＩＮＤＵＣＥＤ}の合成効果を示す。したがって軌跡は、任意の向きを有することができる偏心した楕円である。さらに、各点を楕円に沿って回転させることができる。Ｈ_ＰＥＲＭがＨ_{ＥＡＲＴＨ}よりも大きい場合、Ｈ_{ＥＡＲＴＨ}はフルスイングを行わず、ある点で１８０度の誤差が生じる。加えて、Ｈ_{ＩＮＤＵＣＥＣＤ}摂動により、Ｈ_ＭＥＡＳが全方位で一定の偏差誤差によって特徴付けられる可能性があり、すべての向きで不正確となる可能性がある。
【００２０】
永久場摂動Ｈ_ＰＥＲＭは、コンパスおよびその設備の任意の部分の永久磁化およびＤＣ電流の結果として生じる。その結果、コンパスケース内では、コンパスおよび設備に対してＨ_ＰＥＲＭが固定され、一定となる。Ｈ_{ＥＡＲＴＨ}は向きと共に変化するので、Ｈ_{ＥＡＲＴＨ}に対するＨ_ＰＥＲＭの向きは、コンパスの向きと共に変化する。Ｈ_ＰＥＲＭは、すべての３つの軸に対して、方位偏差誤差の元となる測定磁界のゼロオフセットを生じる。これらの誤差は、方位および傾斜方位に伴って変化する。
【００２１】
誘導場摂動Ｈ_{ＩＮＤＵＣＥＣＤ}は、コンパスが動作する環境内の軟鉄材料に起因する。Ｈ_{ＩＮＤＵＣＥＣＤ}は、大きさと方向が共に可変であり、Ｈ_{ＥＡＲＴＨ}に比例し、以下のように書くことができる。
【００２２】
【数２】

【００２３】
誘導磁界摂動ベクトルＨ_{ＩＮＤＵＣＥＣＤ}は、以下のように常に３つの線形的に独立した寄与に分解することができる。
【００２４】
【数３】

【００２５】
上式でＫは、Ｈ_{ＩＮＤＵＣＥＤ}をＨ_{ＥＡＲＴＨ}の関数として特徴付ける３×３磁化率行列である。センサでの３つの磁界の寄与であるＨ_１、Ｈ_２、Ｈ_３の向きは固定であり、互いに直交し、地球の磁界Ｈ_{ＥＡＲＴＨ}の方向に依存しない。Ｈ_{ＥＡＲＴＨ}の向きの変化に伴ってこれらの寄与のいずれかが最大の正または負の値に達したとき、他の２つの寄与はゼロである。
【００２６】
磁界Ｈ_{ＥＡＲＴＨ}の向き自体は、ｅ_１、ｅ_２、およびｅ_３と表す、特定の直交する３つの方向を有し、それらの方向に対して、それぞれの寄与は正方向または負方向のどちらかで最大の大きさに達する。これらの最大の大きさは、ｋ_１、ｋ_２、ｋ_３と表す別個の値を有することになる。Ｈ_{ＩＮＤＵＣＥＤ}およびＨ_{ＥＡＲＴＨ}に対応する、この２つの直交する３つ組は互いに独立である。この３つ組と最大の大きさはどちらも、磁化率行列Ｋを使用して、特異値分解、すなわちＳＶＤとして知られる技法を用いて導出することができる。
【００２７】
【数４】

【００２８】
Ｋは以下のように３つのＳＶＤ行列因子に分解することができる。
ただし、ｈ_１、ｈ_２、ｈ_３は、センサでの誘導磁界の方向に対応する単位列ベクトルであり、ｋ_１、ｋ_２、ｋ_３は各寄与のピーク値であり、ｅ_１、ｅ_２、ｅ_３は、地球の磁界Ｈ_{ＥＡＲＴＨ}に直交する方向に対応する単位ベクトルである。Ｈ_{ＥＡＲＴＨ}の左側に作用するＫの３項ディアディック表現は、列ベクトルｈ＞および行ベクトル＜ｅから得られる３つの行列の和として導出することができる。
【００２９】
【数５】

【００３０】
ＫがＨ_{ＥＡＲＴＨ}に作用するとき、上記の関係は以下のようになる。
【００３１】
【数６】

【００３２】
上式で、ｈ_１＞ｋ_１＜ｅ_１・Ｈ_{ＥＡＲＴＨ}＞＝Ｈ_１（Ｈ_{ＥＡＲＴＨ}）、ｈ_２＞ｋ_２＜ｅ_２・Ｈ_{ＥＡＲＴＨ}＞＝Ｈ_２（Ｈ_{ＥＡＲＴＨ}）、およびｈ_３＞ｋ_３＜ｅ_３・Ｈ_{ＥＡＲＴＨ}＞＝Ｈ_３（Ｈ_{ＥＡＲＴＨ}）である。任意の値のＫについて、Ｋの数値特異値分解によりこれらの表現についての数値が得られ、Ｈ_{ＩＮＤＵＣＥＤ}およびＨ_{ＥＡＲＴＨ}に対する別々の幾何学的寄与が得られる。行列Ｋは通常、比較的小さい。
【００３３】
測定磁界Ｈ_ＭＥＡＳの式では、Ｈ_{ＥＡＲＴＨ}および
【００３４】
【数７】

【００３５】
が常に追加されるように見えるので、透磁率行列Ｍを使用して計算を単純にすることができる。ただしＭは、以下のようにＫと関係付けられる。
【００３６】
【数８】

【００３７】
したがって、
【００３８】
【数９】

【００３９】
誘導磁界摂動と永久磁界摂動を共に考慮して、磁力計で測定される磁界Ｈ_ＭＥＡＳは、以下の公式を使用して表すことができる。
【００４０】
【数１０】

【００４１】
上式でＭは、先に論じたように透磁率行列である。行列ＭとベクトルＨ_ＰＥＲＭの値を求めることによってどんな未補償のコンパスも完全に特徴付けることができる。この関係は、熱やヒステリシスの問題、負荷のシフト、および装置誤差などのパラメータの不安定性に関係する因子を除いて、コンパスに関連するほぼすべての形態の磁気誤差を補償する。
例示的実施形態
測定磁界Ｈ_ＭＥＡＳから地球の磁界Ｈ_{ＥＡＲＴＨ}を求めるために、様々な数値的方法のいずれかを使用して磁気誤差を補償することができる。ある特定の特に有利な方法が、 日出願の、本譲受人に譲渡されている同時係属の米国特許出願第 号（代理人整理番号２５６．０４１ｕｓ１）に詳細に記載されている。この米国出願を参照により本明細書に完全に組み込む。この方法は、測定磁力計信号を磁気誤差に関して数学的に補正する補償公式を使用し、その後にコンパス方位は正確に計算される。較正プロセスでは、補償公式で使用するある数値係数を求める。本発明の一実施形態では、較正プロセスは、補償公式では使用しないが、電子コンパスの精度を監視するのに用いる、ある追加の数値係数も生成する。
【００４２】
図３は、本発明の特定の実施形態による例示的な補償電子コンパス３００を示すブロック図である。コンパス３００は、コンパスを設置する車両または他の装置に固定された３軸磁力計３０２を含む。磁力計３０２は、図４に示す３軸内部座標系に関して磁界を測定する。図４では、コンパスの内部座標系が、ｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸によって表され、重力ベクトルＧに垂直な地球基準面に対して示されている。必ずしもそうではないが通常は、内部座標系のｚ軸は、コンパスを取り付ける装置に対して下向きである。ｙ軸はｚ軸に対して垂直で右側に延び、ｘ軸はｙに垂直であり、ｚ軸は一般に、コンパスおよび装置に対して「前方」方向として定義される。ｘ軸は特に注目される。方位を定義するのに、地球の磁北に対するｘ軸の向きを使用する。具体的には、北方向からｘ軸方向まで測定される角度により方位が定義される。この角度は水平水準面内にある。コンパスが水平でなく、かなりのピッチ角および／またはロール角がある場合、方位は、ｘ軸を水平基準面に投影することによって定義される。したがって、注目の磁気方位は、地球の磁界の水平成分からコンパスのｘ軸の水平成分まで測定した角度である。この角度は、北方向から時計回りに測定したとき正である。
【００４３】
磁力計３０２は、すべての計算を実行するマイクロプロセッサ３０４に磁気センサデータを供給する。マイクロプロセッサ３０４は、生成する補償データをメモリ３０６に格納する。マイクロプロセッサ３０４は、その後で測定される磁力計データの磁気誤差を補償するのに使用する目的で、メモリ３０６からデータを取り出す。重力センサ３０８は、電子コンパス３００の向きに関する情報をマイクロプロセッサ３０４に供給する。この向きデータを磁力計データと共に使用して、電子コンパス３００を較正する。重力センサ３０８は、例えば３軸加速度計または傾斜センサを使用して実装することができる。代替方法として、外部情報を使用して向きデータを得ることもできる。例えば、コンパス３００が航空機に取り付けられる場合、航空機の操縦またはナビゲーションシステムを使用して、オリエンテーションデータを提供することができ、したがって専用の重力センサが不要となる。電子コンパス３００を較正した後、補償データを使用して磁気誤差に関して磁力計データを補償し、それによって磁気方位の正確な計算が可能となる。
【００４４】
図５に、図３でより概略的に示した電子コンパス３００の特定の実装を示す。磁気抵抗（ＭＲ）ブリッジによって形成された磁気センサ５０２は、図４に示す座標系のような内部座標系の３つの各座標に関して磁界測定値を得る。ＭＲブリッジはサイズが小さく、電力要件が低いので、磁気センサ５０２を実装するのに特に適している。磁気センサ５０２は、電子コンパス３００を装着する車両または装置に固定される。測定値はセンサエレクトロニクスモジュール５０４に供給される。センサ電子モジュール５０４は、例えば当技術分野で周知である他の従来型センサエレクトロニクスを使用して実装することもできる。センサエレクトロニクスモジュール５０４の出力は、マルチプレクサ５０８に供給され、マルチプレクサ５０８は各出力をサンプリングする。
【００４５】
図５に示す特定の実装では、マルチプレクサ５０８は、加速度計から加速度情報も受け取る。この加速度計５１４は、電子コンパスの内部座標系の３つの各座標に沿って加速度および重力を測定する。
【００４６】
マルチプレクサ５０８は、磁気センサ信号および加速度計信号をアナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換器５１８に供給し、Ａ／Ｄ変換器５１８は、信号をデジタルデータに変換して、マイクロプロセッサ５２２およびメモリ５２３を有するマイクロプロセッサ装置５２０に、変換後のデータを供給する。マイクロプロセッサ装置５２０は、この情報を使用して方位を計算する。しかし磁気誤差のため、補償しない場合には方位は通常は正確ではない。
【００４７】
測定磁界を補正するために、マイクロプロセッサ５２２は、マイクロプロセッサ５２２に関連するメモリ５２３にロードされたソフトウェア５２４によって指示される方式でデータを処理する。このソフトウェア５２４は、電子コンパス３００を較正し、磁気コンパス３００を較正した後に磁気補償を実施し、かつ磁気補償を実施した後に磁気方位を計算するルーチンを実装する。補償プロセスの結果として、マイクロプロセッサ５２２は方位を計算し、方位は、例えば従来のＲＳ−２３２データインターフェースを介してユーザに出力される。
【００４８】
前述のように、同時係属の米国特許出願第 号（代理人整理番号２５６．０４１ｕｓ１）に記載されている特定の方法は、測定磁力計信号を磁気摂動に関して数学的に補正する補償公式を使用し、その後、コンパス方位は正確に計算される。較正プロセスは、補償公式で使用するある数値係数を求める。この較正プロセスはまた、補償公式で使用しない追加のある値、すなわち地球の磁界の垂直成分および水平成分についての値も生成する。本発明の実施形態によれば、これらの値を使用して、電子コンパスの精度が監視される。
【００４９】
これらの値を使用すると、既知の方位の地点または他の外部情報なしに電子コンパスの方位精度を監視することができる。それによって現在の方位値が不正確であり、信頼できないと決定された場合、警告がユーザに発される。コンパスの再較正を必要とする内部磁気摂動磁界の変化など、不正確さのいくつかの異なる理由を検出することができる。動作環境の外部磁気異常も検出することができる。この場合、コンパスの方位は正確ではないが、コンパス較正は依然として有効である。一実装によれば、ユーザは、コンパス精度が望まれるが、コンパスを再較正する必要がない場合に、領域から離れるように警告を受ける。
【００５０】
図６Ａおよび６Ｂに、本発明の別の実施形態による、電子コンパス３００の精度を監視する例示的方法を示す。図６Ａは、電子コンパス３００の正常動作中に実施されるプロセス６００を示す。補償は、電子コンパスの正常動作中に実施される。まずブロック６０２から開始して、３軸磁界ベクトルＨ_ＭＥＡＳを測定する。次にブロック６０４で、補償公式
【００５１】
【数１１】

【００５２】
を、図６Ｂと共に以下で説明する較正手順の間に決定される行列係数Ｌ_Ｅおよびベクトル係数Ｈ_ＰＥの値を使用して適用する。補償公式を適用することにより磁力計データが磁気誤差に関して補償される。次いで、補正後の磁力計データに基づいて、磁気方位をブロック６０６で計算する。この計算はまた、以下で図７と共により完全に説明する２つの磁界値の組も生成し、その２つの磁界値の組があいまって、本発明による、電子コンパス３００の精度を監視するのに使用するベクトルＨ_{ＶｅｒｔＵｓｅ}を形成する。ブロック６０８では、電子コンパス３００に関連するメモリにベクトルＨ_{ＶｅｒｔＵｓｅ}を格納する。
【００５３】
次にブロック６１０では、ベクトルＨ_{ＶｅｒｔＵｓｅ}の成分を、図６Ｂと共に以下で説明するように電子コンパス３００の較正と共に計算する類似のベクトルＨ_{ＶｅｒｔＣａｌ}の成分と比較する。判定ブロック６１２では、ベクトルＨ_{ＶｅｒｔＵｓｅ}とＨ_{ＶｅｒｔＣａｌ}の差が閾値を超過しているかどうかを決定する。閾値を超過していない場合、フローはブロック６０２に戻り、プロセスを反復する。しかし、閾値条件を超過している場合、ブロック６１４でユーザは警報を受ける。次いでユーザは、別の位置に移動して電子コンパスを再較正し、または単に警報を無視する。いずれにしても、ユーザが警報を処理した後、ブロック６０２で通常の動作を再開する。
【００５４】
電子コンパス３００を補償する前に、電子コンパス３００を較正しなければならない。較正は、補償公式
【００５５】
【数１２】

【００５６】
に当てはめるべき行列係数Ｌ_Ｅおよびベクトル係数Ｈ_ＰＥの値を求めることを含み、通常は不定期にしか実施されない。図６Ｂに、不定期に、例えば方位が正確でないという警報をユーザが受け取ったときに実施される較正手順６５０を示す。まずブロック６５２では、同時係属の米国特許出願第 号（代理人整理番号２５６．０４１ｕｓ１）に記載されている、傾斜の配向と方位のいくつかの組合せのそれぞれで、３軸磁界ベクトルＨ_ＭＥＡＳおよび３軸重力ベクトルＧ_ＭＥＡＳを測定することによって電子コンパス３００を較正する。
【００５７】
次に、そのようにして得られた１６個の測定値の組、すなわちピッチ角とロール角の１６個の組合せのそれぞれについての３元ベクトルＨ_ＭＥＡＳおよび３元ベクトルＧ_ＭＥＡＳを使用して、ブロック６５４に示すように、１組の式を定式化し、それを解いて、Ｌ_ＥおよびＨ_ＰＥを求める。Ｌ_ＥおよびＨ_ＰＥを求める特定の方法は、同時係属の米国特許出願第 号（整理番号２５６．０４１ｕｓ１）により完全に論じられている。このプロセスは、Ｌ_ＥおよびＨ_ＰＥに加えて、較正手順を実施した場所と時間における垂直平面内の地球の磁界を表す他の２つの値を生成する。これらの値があいまって、以下の２元磁気ベクトル量を形成する。
【００５８】
【数１３】

【００５９】
この磁気ベクトルは、重力方向すなわち垂直方向の磁界成分と、水平方向すなわち北方向の磁界成分を含む。Ｈ_ＧおよびＨ_ＰＥについての値は、Ｌ_ＥおよびＨ_ＰＥを求めることに関係する計算の一部として得られ、その値は、通常は補償公式で使用しなくてもメモリに格納される。Ｈ_ＧおよびＨ_Ｌは、他の補償係数よりもさらに正確に求められることが観測されている。
【００６０】
より具体的には、コンパスの磁気方位を計算するために、以下でより完全に論じるように、訂正された地球の磁界ベクトルＨ_{ＥＡＲＴＨ}を、コンパス磁気方位の計算中に基準の地球レベルフレーム内に回転させる。地球の磁界の局所垂直および水平成分についての値は、この操作の自然な結果であり、本発明の特定の実施形態によれば、この値を使用してコンパスの精度が監視される。
【００６１】
３×３回転行列Ｃを使用して、補正後地球の磁界ベクトルＨ_{ＥＡＲＴＨ}をその大地フレーム成分内に回転させる。この行列は、加速度計または傾斜センサによってコンパスの座標系で測定される重力ベクトルＧ_ＭＥＡＳに基づいて計算される。訂正された地球磁界ベクトルＨ_{ＥＡＲＴＨ}の成分の１つ、すなわちＨ_Ｇは、重力の方向と垂直である。別の成分Ｈ_Ｘは水平であり、コンパスの「前方」方向にある。３番目の成分Ｈ_ｙも水平であり、Ｈ_ＧおよびＨ_Ｘと垂直である。これらの３つの値は、大地に対して固定した方向に沿う地球の磁界を表す。コンパスはどの方向を向くこともできるので、この３つのベクトル成分はコンパスの各軸に沿う成分ではない。具体的には、Ｈ_ＸおよびＨ_Ｙは、コンパスケースのｘ軸およびｙ軸に一致しない。電子コンパスの順方向軸を上方または下方に傾けるまたは傾斜させることができるが、コンパスの方位は、水平面に対するコンパスのｘ軸の投影によって定義され、ロール傾斜角は無関係であることに留意されたい。
【００６２】
コンパス磁気方位は、２つの水平成分Ｈ_ＸおよびＨ_Ｙから計算される。加えて、地球の磁界の水平成分Ｈ_Ｌの大きさは、以下のように計算される。
【００６３】
【数１４】

【００６４】
上式は、方位に応じてＨ_ＸとＨ_Ｙをどのように区分するかに関わらず、水平成分の大きさである。
通常のコンパス動作中、コンパス方位およびＨ_Ｌの大きさは連続的に計算されるので、地球の磁界の局所垂直および水平成分Ｈ_ＧおよびＨ_Ｌも連続的に計算され、利用可能である。これら２つの値は、コンパスの向きの如何に関わらず利用可能であり、コンパスを較正したときと地球の磁界が同じかどうかに関わらず、コンパスを使用しているときの地球の磁界を表す。Ｈ_ＧとＨ_Ｌの値はコンパス磁気方位の計算の副産物であり、追加の計算を必要としないので、Ｈ_ＧとＨ_Ｌの計算を別々のプロセスとしては示していない。
【００６５】
値Ｈ_ＧとＨ_Ｌがあいまって、垂直面内のベクトルＨ_Ｖｅｒｔ＝［Ｈ_Ｇ，Ｈ_Ｌ］の現在値を形成する。図７に、垂直平面とベクトルＨ_Ｖｅｒｔ＝［Ｈ_Ｇ，Ｈ_Ｌ］の幾何形状を示す。図７では、値Ｈ_{ＶｅｒｔＣａｌ}＝Ｈ_{ＥＡＲＴＨ}は、較正計算の一部として計算され、格納されるＨ_Ｖｅｒｔの値である。図６Ｂのブロック６５６では、電子コンパスに関連するメモリにＨ_{ＶｅｒｔＣａｌ}を格納する。
【００６６】
加えて、電子コンパスの通常の動作中、磁力計信号が連続的に補償され、磁力計信号は、任意の方位のコンパスの内部座標系で表される地球の磁界Ｈ_{ＥＡＲＴＨ}についての正確な値を与える。補償プロセスの間、地球の磁界の局所垂直および水平成分Ｈ_ＧおよびＨ_Ｌが連続的に計算され、利用可能となる。値Ｈ_ＧおよびＨ_Ｌは、垂直平面内のベクトルＨ_Ｖｅｒｔ＝［Ｈ_Ｇ，Ｈ_Ｌ］の現在値を形成する。このベクトルをベクトルＨ_{ＶｅｒｔＣａｌ}と区別するため、別個の名称Ｈ_{ＶｅｒｔＵｓｅ}を使用する。図７では、Ｈ_{ＶｅｒｔＵｓｅ}＝Ｈ_{ＥＡＲＴＨ}は、コンパスが使用中のときに連続的に計算される値である。図６Ａと共に上記で論じたように、Ｈ_{ＶｅｒｔＵｓｅ}の成分は、ブロック６０８でメモリに格納される。
【００６７】
本発明の一態様によれば、図６Ａのブロック６１０でＨ_Ｖｅｒｔの現在値を最新の較正によって格納された値と比較することによって、すなわち、Ｈ_{ＶｅｒｔＵｓｅ}をＨ_{ＶｅｒｔＣａｌ}と比較することによって、コンパスの精度が、使用中に監視される。理想的には、これら２つの値は等しくなるべきである。Ｈ_Ｖｅｒｔの現在値と格納された値が著しく相違していると、コンパスの方位が不正確となったことが疑われる。図７に示すシナリオでは、ベクトルＱは、Ｈ_{ＶｅｒｔＣａｌ}とＨ_{ＶｅｒｔＵｓｅ}の差を表し、何らかの理由によるコンパス誤差の可能性の尺度である。ベクトルＱは、補償の精度を推定するのに使用される。
【００６８】
以下でより完全に論じるように、不正確さは様々な理由に起因する可能性がある。本発明は、理由の如何に関わらず、不正確な方位読取り値を検出する方法を提供し、不正確さの潜在的な程度の、Ｑを介した定量的尺度も提供する。
【００６９】
本発明のこの態様によれば、コンパスの精度の定量的尺度が得るのに、Ｈ_{ＶｅｒｔＵｓｅ}とＨ_{ＶｅｒｔＣａｌ}を、様々な基準のいずれを使用しても比較することができる。２つの成分の値は各測定値、すなわちＨ_ＧおよびＨ_Ｌに関連するので、Ｈ_{ＶｅｒｔＵｓｅ}とＨ_{ＶｅｒｔＣａｌ}を個々に、またはベクトルとして比較することができる。この開示を通して、スカラ量Ｑ（ボールド体として現れる図７のベクトルＱとは区別される）は、精度の特定の尺度での、添字「Ｃａｌ」または「Ｕｓｅ」でそれぞれ表される較正値と現在使用中の値との差を表す。したがって、１つの例示的実施形態では、精度は、垂直値Ｈ_Ｇの差
Ｑ_Ｇ＝Ｈ_ＧＣａｌ−Ｈ_ＧＵｓｅ
によって測定することができる。
【００７０】
Ｑ_Ｌ＝Ｈ_ＬＣａｌ−Ｈ_ＬＵｓｅ
同様に、精度は、水平値Ｈ_Ｌの差によって測定することができる。
Ｑ_Ｈ＝｜Ｈ_{ＶｅｒｔＣａｌ}｜−｜Ｈ_{ＶｅｒｔＵｓｅ}｜
Ｈ_{ＶｅｒｔＵｓｅ}とＨ_{ＶｅｒｔＣａｌ}の大きさを比較することによっても精度を示すことができる。
あるいは、精度は、Ｈ_{ＶｅｒｔＵｓｅ}とＨ_{ＶｅｒｔＣａｌ}のベクトル差の大きさとして表すこともできる。
【００７１】
【数１５】

【００７２】
Ｈ_{ＶｅｒｔＵｓｅ}とＨ_{ＶｅｒｔＣａｌ}の間の角を、方位精度の指標として使用することもできる。
これらの差の比較のいずれかまたはすべてを使用することができ、この差の大きさは、使用中のコンパス読取り値の品質の定量的尺度として働く。
【００７３】
もちろん、Ｑ_Ｖｅｒｔ尺度は、磁気異常または較正の変化が様々な形でＨ_{ＶｅｒｔＵｓｅ}に影響を及ぼす可能性のある環境でコンパス精度を監視するのに特に適している。磁気異常または較正の変化は、この尺度を使用して検出することができるＨ_{ＶｅｒｔＵｓｅ}とＨ_{ＶｅｒｔＣａｌ}の差
Ｑ_Ｖｅｒｔ＝｜Ｈ_{ＶｅｒｔＣａｌ}−Ｈ_{ＶｅｒｔＵｓｅ}｜
を生成する。
【００７４】
一方、他の尺度は、ある場合には潜在的な不正確さを検出しない可能性がある。例えば、ある変化により、Ｈ_{ＶｅｒｔＵｓｅ}とＨ_{ＶｅｒｔＣａｌ}の大きさの差が生成されるが、角度の差は生成されない可能性がある。別の変化では、角度の差が生成されるが、大きさの差は生成されない可能性がある。さらに別の変化では、例えば垂直成分の差は生成されずに、水平成分の差が生成される可能性がある。Ｈ_{ＶｅｒｔＵｓｅ}とＨ_{ＶｅｒｔＣａｌ}のうち１つまたは複数の特性の差が生成されるが、他の特性の差は生成されないこれらのタイプの変化は、一部の不正確さの尺度では検出されない可能性がある。しかしＱ_Ｖｅｒｔを使用すると、可能性のあるすべてのＨ_{ＶｅｒｔＵｓｅ}とＨ_{ＶｅｒｔＣａｌ}の差が包含される。したがって、コンパス精度に影響を及ぼすどんな変化も、検出および監視することができる。
【００７５】
どのコンパス精度の尺度を使用するかに関わらず、潜在的な不正確さをユーザに警告するのに、１つまたは複数のＱの閾値が使用される。特定の実施形態では、複数の閾値、例えば閾値が３つの場合、０＜Ｑ１＜Ｑ２＜Ｑ３が使用される。この実施形態では、Ｑの値が０とＱ１の間にあると、示されているように方位が正確であることを示す。ＱがＱ１とＱ２の間にあるとき、方位はかなり正確であり、依然として使用可能である。Ｑの値がＱ２とＱ３の間にあると、恐らく正確さが不十分であり、示される方位を使用することは危険である可能性があることを示す。ＱがＱ３より大きい場合、方位は使用不能であるとみなされる。
【００７６】
別の特定の実施形態によれば、これらの閾値は、コンパスを内蔵するシステム、例えば航空機ナビゲーションシステムで使用される。ユーザに警告を発行するのではなく、システムはＱの数値を解釈し、それに応じて、例えば必要に応じてコンパスを再較正することによって応答する。
【００７７】
コンパス精度の尺度Ｑは、前述の技法に加えて、他の技法を使用して解析することができる。例えば、Ｑの値は、短期平均、長期平均、またはその両方を使用して、経時的に平均化することができる。コンパスの不正確さの、可能性のある理由を判定するために、使用時間値Ｈ_{ＶｅｒｔＵｓｅ}を比較的長期間にわたって平均化し、そのようにして得られた平均値を、較正時間記憶値Ｈ_{ＶｅｒｔＣａｌ}と比較することができる。
【００７８】
Ｈ_{ＶｅｒｔＵｓｅ}とＨ_{ＶｅｒｔＣａｌ}を比較することによって、コンパスの不正確さのいくつかの異なる理由を検出することができる。例えば、内部摂動磁界の変化は、補償係数を不正確にする可能性があり、それによってコンパスを再較正することが必要となる。コンパスを取り付ける装置が再磁化し、または物理的にシフトした場合、内部摂動磁界は変化する可能性がある。コンパスを取り付ける装置に対するコンパスの取付け位置／向きの変化によっても、内部摂動磁界が変化する可能性がある。これらの変化は通常、半永久的であるので、コンパスの再較正が特に重要となる。したがって、これらの変化を検出することも極めて重要である。
【００７９】
Ｈ_{ＶｅｒｔＣａｌ}とＨ_{ＶｅｒｔＵｓｅ}を比較することによって検出することができるコンパスの不正確さの別の理由は、外部磁気異常の領域に進入することによって導入される磁気摂動である。そのような領域に進入したとき、コンパスが感知する全磁界は、コンパスを較正したときに感知する全磁界とは異なる。外部磁気異常の領域への進入を検出することが非常に望ましいが、方位の不正確な状態はしばしば一時的であるので再較正は恐らく不要である。具体的には、ユーザが異常から離れる場合、方位読取り値は再び信頼できるようになり、精度監視プロセスはそのように指示する。
【００８０】
地球の磁界の大きさおよび方向を変化させる磁気緯度の変化も検出することができる。前述のＱの尺度のいずれかは、緯度の変化を検出するが、補償および方位は依然として正確となる。このタイプの警告は、補償および方位が依然として正確であるという点で偽警告である可能性があるが、それでもユーザは、状態が変化したことについて警告を受ける。磁気緯度の変化と局所一時磁気異常の変化を区別することは難しい。しかし、近傍の各位置の範囲にわたって比較を行って、新しい磁界状態が領域全体にわたって一様かどうか、局所一時磁気異常ではなく緯度の変化を示唆しているかどうかを判定することができる。
【００８１】
検出することのできるさらに別の不正確さの発生源は、コンパスの保持の不安定性、または他の横加速度である。コンパスの横加速度は、手で持っていても他の装置上に取り付けられていても、重力ベクトルについて不正確な値を生成し、したがって、水平面内の磁気方位の計算が不正確になる。不正確な重力ベクトルから求められた水平面は真の水平面とは異なるので、磁気方位は不正確に計算される。したがって、コンパスの横加速度を検出することが非常に望ましい。補償は重力ベクトルに依存しないので、補償は横加速度の存在下でも正確となる。しかし、横加速度による重力ベクトルの値が不正確であると、地方水平面および垂直方向の解釈が不正確となり、Ｈ_{ＶｅｒｔＵｓｅ}および方位についての値が不正確となる。前述のＱの尺度のうちいずれも、横加速度を検出する。
【００８２】
本発明の別の実施形態によれば、Ｈ_{ＶｅｒｔＣａｌ}についての情報がなくてもコンパスの精度を監視することができる。このようにしてコンパス精度を監視することは、通常のコンパスの使用中に、通常のＨ_Ｖｅｒｔについての情報を得ること、例えば経時的なＨ_{ＶｅｒｔＵｓｅ}の平均値を求めることに関係する。
【００８３】
図８に、本発明のこの実施形態による、電子コンパスの精度を監視する例示的方法８００を示す。ブロック８０２では、コンパスの正常動作中に、コンパスの磁気方位を計算する。この値Ｈ_ＧおよびＨ_Ｌ、ならびにベクトルＨ_Ｖｅｒｔは、図６のブロック６０６と共に上記で説明したのと同様に得られる。
【００８４】
次に、ブロック８０４では、これらの量の履歴平均を維持する。コンパス補償が正確である場合、これらの平均は、コンパスを使用している領域内の地球の磁界の一定値を表すので、コンパスのすべての向きにわたって安定であるべきである。コンパスの向きが変化するにつれて、重力ベクトルＧおよび地球の磁界ベクトルＨ_{ＥＡＲＴＨ}は共に変化するので、それらの平均値はほとんど因果関係を有さない。しかし、ＧとＨ_{ＥＡＲＴＨ}の間の関係は一定であるべきである。この関係は、Ｈ_{ＥＡＲＴＨ}を地方水平面座標内に回転することによって得られるＨ_Ｖｅｒｔの値に完全に包含される。
【００８５】
以下の量のいずれも、Ｈ_{ＶｅｒｔＣａｌ}についての情報なしに方位精度を監視するのに使用することができる。
【００８６】
【数１６】

【００８７】
これらの平均値は、経時的に、例えば数分間または数時間にわたって計算される。ある条件下、またはあるタイプの監視下で、特定の平均化期間が特に有利であることがある。例えば、局所環境で動作する測量またはナビゲーティングビークルは恐らく、数時間または１日にわたる平均化のみを使用する。一方、高速ミサイルシステムは数分にわたる平均化を使用する可能性がある。
【００８８】
上記で定義した平均値のいずれも、先に論じたＱの値を計算する際の対応する較正値の代わりに使用することができる。例えば、Ｈ_Ｇの較正値であるＨ_ＧＣａｌが未知である場合、現在値と平均値との垂直値の差
【００８９】
【数１７】

【００９０】
によって精度を測定することができる。
【００９１】
【数１８】

【００９２】
同様に、水平値の平均値ＡｖｇＨ_Ｌを使用して精度を測定することができる。
【００９３】
【数１９】

【００９４】
Ｈ_{ＶｅｒＵｓｅ}の大きさとＡｖｇＨ_Ｖｅｒｔの大きさを比較することによっても精度を定義することができる。
あるいは、Ｈ_{ＶｅｒｔＵｓｅ}とＡｖｇＨ_Ｖｅｒｔのベクトル差の大きさ
【００９５】
【数２０】

【００９６】
として精度を表現することもできる。
Ｈ_{ＶｅｒｔＵｓｅ}とＡｖｇＨ_Ｖｅｒｔの間の角度も方位精度の指標として使用することができる。
【００９７】
【数２１】

【００９８】
ブロック８０６では、比較のための上記の基準のいずれかを使用して、Ｈ_ｖｅｒｔの現在値、すなわちＨ_{ＶｅｒｔＵｓｅ}を履歴値と比較する。判定ブロック８０８で閾値条件を超過している場合、ブロック８１０でユーザは、コンパスの可能性のある不正確さに対して警報を受ける。次いでユーザは任意選択で、コンパスを再較正し、または領域から離れるなどの他の行動を取る。閾値条件を超過していない場合、またはユーザが適切な行動を取った後、フローはブロック８０２に戻り、ブロック８０２で現磁気方位を反復的に計算する。
【００９９】
平均値および較正値を独立に使用することができ、または組み合わせて使用することができる。あるタイプを別のタイプの代わりに使用することは、ある環境下では有利である。例えば、平均値を使用すると、平均値が最終的に新しい緯度を反映するように適応し、較正時に固定された値との比較に精度監視が限定されないので、磁気緯度の変化が可能となる。
【０１００】
上記の様々な実施形態は単に例として与えたものであり、本発明を限定するように解釈すべきではない。本明細書で図示し、説明した例示的実施形態および応用例に厳密に従わずに、かつ頭記の特許請求の範囲に記載の本発明の真の精神および範囲から逸脱することなく、これらの実施形態に対して行うことのできる様々な修正および変更を当業者は容易に理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】摂動のない測定地球の磁界の軌跡を示す図である。
【図２】磁力計で測定した磁界の軌跡に対する永久場磁気摂動と誘導場磁気摂動の合成効果を示す図である。
【図３】本発明の特定の実施形態による例示的補償電子コンパスを示すブロック図である。
【図４】図３のコンパスに関連する座標系を示す図である。
【図５】本発明の別の実施形態による、図３の電子コンパスの特定の実施形態を示すブロック図である。
【図６．Ａ】図６Ａは、本発明のさらに別の実施形態による、電子コンパスの精度を監視する例示的方法を示す図である。
【図６．Ｂ】図６Ｂは、本発明のさらに別の実施形態による、電子コンパスの精度を監視する例示的方法を示す図である。
【図７】電子コンパスの精度を監視するのに使用する磁気ベクトルを概念的に示す図である。
【図８】本発明の特定の実施形態による、電子コンパスの精度を監視する例示的方法を示す図である。

Claims (22)

1. 電子コンパスの較正動作中に、該較正動作中に地球の磁界を特徴付ける２つの磁界値の第１の組をまた生成する技法を用いて複数の補償係数値を計算するステップと、
   電子コンパスの正常動作中に、該正常動作中に地球の磁界を特徴付ける２つの磁界値の第２の組を生成する、後続のコンパス磁気方位値を計算するステップと、
   第１の磁界値のうち少なくとも１つを、第２の磁界値のうち少なくとも１つと比較するステップと、
   を含む電子コンパスの精度を監視する方法。
2. ２つの磁界値の前記第１の組と２つの磁界値の前記第２の組が共に、垂直平面内の地球の磁界を特徴付ける、請求項１に記載の方法。
3. 前記較正動作中に計算された地球の磁界の垂直成分を、前記正常動作中に計算された地球の磁界の垂直成分と比較するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記較正動作中に計算された地球の磁界の水平成分を、前記正常動作中に計算された地球の磁界の水平成分と比較するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記第１の磁界値から導出された第１のベクトルを、前記第２の磁界値から導出された第２のベクトルと比較するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
6. 前記第１のベクトルの大きさを、前記第２のベクトルの大きさと比較するステップをさらに含む、請求項５に記載の方法。
7. 前記第１のベクトルと前記第２のベクトルのベクトル差の大きさを、閾値の大きさと比較するステップをさらに含む、請求項５に記載の方法。
8. 前記第１のベクトルの角度を前記第２のベクトルの角度と比較するステップをさらに含む、請求項５に記載の方法。
9. 複数の閾値を参照して、前記第１の磁界値のうち少なくとも１つを、前記第２の磁界値のうち少なくとも１つと比較するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
10. 前記閾値のうち１つを超過する、比較した各磁界値間の差に応答して、電子コンパスのユーザに警報するステップをさらに含む、請求項９に記載の方法。
11. 複数の閾値のうちのどれが比較した各磁界値間の差を超過うるファンクションとして、ユーザに搬送すべき警報を選択するステップをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
12. 電子コンパスの動作中に、該コンパス動作中に地球の磁界を特徴付ける複数の磁界値をまた生成する技法を用いてコンパス磁気方位を計算するステップと、
    前記磁界値の履歴平均を維持するステップと、
    前記磁界値のうち少なくとも１つを前記履歴平均と比較するステップと、
    を含む電子コンパスの精度を監視する方法。
13. 前記複数の磁界値は、垂直平面内の地球の磁界を特徴付ける、請求項１２に記載の方法。
14. 前記電子コンパスの動作中に計算された地球の磁界の垂直成分を、正常動作中に維持された地球の磁界の垂直成分の履歴平均と比較するステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
15. 前記電子コンパスの動作中に計算された地球の磁界の水平成分を、正常動作中に維持された地球の磁界の水平成分の履歴平均と比較するステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
16. 前記磁界値から導出された第１のベクトルを、前記履歴平均から導出された第２のベクトルと比較するステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
17. 前記第１のベクトルの大きさを、前記第２のベクトルの大きさと比較するステップをさらに含む請求項１６に記載の方法。
18. 前記第１のベクトルと前記第２のベクトルのベクトル差の大きさを、閾値の大きさと比較するステップをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
19. 前記第１のベクトルの角度を前記第２のベクトルの角度と比較するステップをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
20. 複数の閾値を参照して、前記磁界値のうち少なくとも１つを、前記履歴平均と比較するステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
21. 前記閾値のうち１つを超過する、前記比較した各磁界値と前記履歴平均の差に応答して電子コンパスのユーザに警報するステップをさらに含む、請求項２０に記載の方法。
22. 複数の閾値のうちのどれが前記比較した各磁界値と前記履歴平均の差を超過したかのファンクションとして、ユーザに搬送すべき警報を選択するステップをさらに含む、請求項２１に記載の方法。

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