JP4316777B2 - 重力測定装置及び方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は地球表面における重力を検出するための重力測定装置及び方法に関し、特に、航行体に搭載される重力測定装置及びそれを使用する重力測定方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
地球表面における重力の値は、地下の岩石の密度構造、地心距離の変化等の理由により、測定地によって僅かに変動する。重力の測定値と標準重力の差は重力異常と呼ばれる。重力の測定は、この重力異常の測定に外ならない。重力を測定する場合、平地では携帯型の重力測定装置が用いられるが、極地方、砂漠地帯、山岳地帯、海洋等では車両、航空機等の航行体又は移動体に搭載した重力測定装置が使用される。
【0003】
航行体又は移動体に搭載した重力測定装置によって重力を測定する場合、測定点の位置を精密に測定するために、DGPS(differential global positioning system)が使用される。
【0004】
DGPSはGPSの測定精度を改善するために開発されたものである。GPSでは移動局(利用者)のみによって測地されるのに対して、DGPSでは移動局(利用者)と基準局(固定局)によって測地される。DGPSでは、予め正確な位置が測定されている基準局において、GPS衛星からの擬似距離、時刻情報及び軌道データより補正値を演算し、それを移動局に送信する。移動局は、基準局からの補正値を用いてGPS衛星からの信号の補正を行う。
【0005】
DGPSにはコード位相測位法と搬送波位相測位法の2つの方法がある。コード位相測位法は測定値としてコード位相を用い、リアルタイム測位のために使用される。精度は1〜10m程度である。搬送波位相測位法は測定値として搬送波位相を用い、高精度の位置測定に使用する。精度はmm〜cm程度である。
【0006】
図4を参照して従来の重力測定装置及び方法の例を説明する。重力測定装置20はヘリコプタ等の航行体10に搭載される。DGPSは、少なくとも4つのGPS衛星(図4では2つのGPS衛星12、13のみ図示)と航行体10に搭載された2つの移動局(利用者)14、15と地上の2つの基準局(固定局)16、17を使用する。
【0007】
第1の移動局(利用者)14及び基準局(固定局)16は搬送波位相測位用の受信装置であり、第2の移動局(利用者)15及び基準局(固定局)17はコード位相測位用の受信装置である。
【0008】
図5を参照して従来の重力測定装置の構成及び動作を説明する。重力測定装置20は航行体10の基台10Aに装着されたジャイロコンパス21と重力計22とを有する。ジャイロコンパス21は鉛直ジャイロであってよい。重力計22は基台10Aに装着された水平安定台23上に装着されている。水平安定台23は重力計22の入力軸を鉛直方向に保持するように構成され、その構造は後に説明する。重力測定装置20は更に移動局14、15からの信号を入力する記録演算装置31、32を有する。
【0009】
図6を参照して従来の水平安定台23の構造を説明する。水平安定台は、プラットフォーム101とプラットフォーム101を水平に保持するためのジンバル装置を有する。プラットフォーム101上には重力計22が配置されている。ジンバル装置は、プラットフォーム101の両端に装着されたロール軸103A、103Bとロール軸の外端に設けられたロール軸トルカ105A、105Bとロール軸103A、103B及びロール軸トルカ105A、105Bを支持するジンバル環107とジンバル環107の両端に装着されたピッチ軸109A、109Bとピッチ軸の外端に設けられたピッチ軸トルカ111A、111Bとピッチ軸109A、109B及びピッチ軸トルカ111A、111Bを支持する支持部材113A、113Bとを有する。
【0010】
ロール軸103A、103Bとピッチ軸109A、109Bは互いに直交するように装着される。ロール軸103A、103Bとピッチ軸109A、109Bは図示しない軸受けによって支持されている。支持部材113A、113Bは航行体10の基台10Aに装着される。水平安定台23は、ロール軸103A、103Bが航行体10の首尾線に沿って配置されるように、航行体10の基台10Aに装着される。
【0011】
再び図5を参照して説明する。コード位相測地用の移動局15からの速度信号はジャイロコンパス21に供給される。ジャイロコンパス21はこの速度信号を速度ログとして姿勢角(ロール角及びピッチ角)を正確に演算する。
【0012】
ジャイロコンパス21からの姿勢角(ロール角及びピッチ角)はロール軸トルカ105A、105B及びピッチ軸トルカ111A、111Bに供給される。それによってプラットフォーム101は水平に保持され、重力計22の入力軸は鉛直方向に保持される。
【0013】
搬送波位相測地用の移動局14からは高精度の位置信号及び時刻信号が出力され、第1の記録演算装置31に記録される。コード位相測地用の移動局15からは時刻信号が出力され、第2の記録演算装置32に記録される。重力計22からは重力信号Gtが出力され、リアルタイムにて第2の記録演算装置32に記録される。重力計22の出力は次の式によって表される。
【0014】
【数1】
Gt=ΔG+A+C+Z+E
【0015】
Gtは重力計22の出力、ΔGは重力異常、Aは基準楕円体重力、Cはフリーエア補正、Zは鉛直加速度、Eはエトベス効果である。重力異常ΔGは測定地の重力値と標準重力の偏差であり、1〜200mGal程度である。重力測定装置20はこの重力異常ΔGを測定する。
【0016】
基準楕円体重力Aは測定点の緯度によって決まり、例えば緯度35度では979.7Galである。フリーエア補正Cは高度によって変化し、−0.3mGal/mである。鉛直加速度Zは航行体の上下運動による鉛直方向加速度である。これは航行体の位置を精密に測定し、その2階微分より求められる。その値は1〜10Gal程度である。エトベス効果Eは航行体の速度及び高度、基準楕円体の形状の影響によるコリオリ力、遠心力等によって変化し、0.1〜0.5Gal程度である。
【0017】
記録演算装置31、32は、先ず、入力信号に対して、航行体10の振動等の雑音を除去するためのフィルタ処理をする。次に、数1の式の右辺の第2〜5項を演算し、それを重力計の出力より減算し、重力異常ΔGを求める。記録演算装置31、32における演算はオフラインにてなされる。
【0018】
【発明が解決しようとする課題】
従来の重力測定では、数1の式に示されているように、重力計に作用する鉛直方向の加速度Zのみが考慮されていた。これは重力計を支持するプラットフォームが水平であると仮定している。しかしながら、実際には、プラットフォームは必ずしも正確に水平に保持されているとは限らない。重力異常ΔGの精度が1mGal以下の場合、プラットフォームの許容傾斜角Δθは次のようになる。
【0019】
【数2】
Δθ=cos −1 (1−1/980000)=0.082[度]=4.9[分]
【0020】
プラットフォームが傾斜していると、重力計の出力には重力加速度の鉛直方向成分ばかりでなく水平加速度の鉛直方向成分が含まれる。この鉛直方向成分は誤差である。従って重力異常ΔGを正確に測定することができない。
【0021】
従って本発明は、航行体に搭載した重力測定装置によって重力を測定する場合、重力計を支持するプラットフォームが傾斜していても、正確に重力を測定することができることを目的とする。
【0022】
本発明は、航行体に搭載した重力測定装置によって重力を測定する場合、航行体の加速度が大きい場合でも、正確に重力を測定することができることを目的とする。
【0023】
【課題を解決するための手段】
本発明の重力測定装置は、重力計と、該重力計を支持するプラットフォームと、該プラットフォームを水平に支持するジンバル機構を有する水平安定台と、該水平安定台と同一面内に装着され上記水平安定台に姿勢角信号を供給するジャイロコンパスと、を有し、航行体に搭載される重力測定装置において、
上記プラットフォームには水平方向の加速度を検出するための加速度計が装着され、DGPSによる搬送波位相測位用の移動局と該移動局からの位置情報及び時刻情報を記録するための第1の記録演算装置が設けられ、DGPSによるコード位相測位用の移動局と該移動局からの位置情報及び時刻情報を記録するための第2の記録演算装置が設けられ、上記第2の記録演算装置は上記重力計の出力信号と上記加速度計の出力信号と上記ジャイロコンパスの出力信号を記録し、上記搬送波位相測位用の移動局からの位置信号によって東西方向加速度及び南北方向加速度を演算し、該東西方向加速度及び南北方向加速度と上記ジャイロコンパスからの方位角信号によってロール方向加速度及びピッチ方向加速度を演算し、上記加速度計からの水平加速度信号によって上記プラットフォームのロール角誤差及びピッチ角誤差をフィルタ演算し、それによって上記重力計の出力を補正するように構成されていることを特徴とする。
【0024】
従って、航行体に搭載した重力測定装置によって重力を測定する場合、重力測定装置を支持するプラットフォームが傾斜しても、正確に重力異常を測定することができる。
【0026】
従って、航行体に搭載した重力測定装置によって重力(重力異常)を測定する場合、オフライン処理によって重力異常を演算することができる。
【0028】
本発明の重力測定方法は、重力測定装置を用いて、上記航行体の上記プラットフォームに装着された重力計により重力を測定する重力測定方法であって、DGPSによる上記搬送波位相測位用の移動局からの位置情報によって東西方向加速度及び南北方向加速度を演算することと、該東西方向加速度及び南北方向加速度と上記ジャイロコンパスからの方位角信号によってロール方向加速度及びピッチ方向加速度を演算することと、上記加速度計からの水平加速度信号によって上記プラットフォームのロール角誤差及びピッチ角誤差を演算することと、上記ロール角誤差及びピッチ角誤差によって上記重力計の出力を補正することと、を含む。
【0029】
【発明の実施の形態】
図1及び図2を参照して本発明の重力測定装置の例を説明する。本例の重力測定装置は航行体10の基台10Aに装着されたジャイロコンパス21と重力計22と加速度計24、25とを有する。
【0030】
図2に示すように、重力計22及び加速度計24、25は基台10Aに装着された水平安定台23のプラットフォーム101上に装着されている。重力測定装置20は更に移動局14、15からの信号を入力する記録演算装置31、32を有する。記録演算装置31、32は図示のように別個に設けてもよいが、1個の記録演算装置であってよい。
【0031】
本例の重力測定装置は図5に示した従来の重力測定装置と比較して、加速度計24、25が付加的に装着されている点が異なり、それ以外の構成は同様であってよい。
【0032】
第1の加速度計24は、ロール方向の加速度を検出し、第2の加速度計25は、ピッチ方向の加速度を検出する。
【0033】
図3を参照して本例の重力測定装置及び方法における信号の流れ及び処理を説明する。搬送波位相測地用の移動局14によって航行体10の東西加速度αE及び南北加速度αNが検出され、第1の記録演算装置31に記録される。ジャイロコンパス21によって航行体10の方位角φが検出され、第2の記録演算装置32に記録される。これらの信号より、次の式によって、航行体のロール方向加速度α1及びピッチ方向加速度α2が求められる。
【0034】
【数3】
α1=αEcosφ−αNsinφ
α2=αEsinφ+αNcosφ
【0035】
尚、図3の右下の絵に示すように、ロール方向加速度は航行体のピッチ軸線方向に沿った加速度であり、ピッチ方向加速度は航行体のロール軸線方向に沿った加速度である。
【0036】
重力計22の出力Gtは第2の記録演算装置32に記録される。ここで、重力計22の出力は、数1の式の代わりに次の式によって表される。
【0037】
【数4】
【0038】
ここに、Hはプラットフォームの傾斜に起因した誤差である。それ以外の項ΔG、A、C、Z、Eは数1の式の項と同様である。G0 をここでは重力方向加速度と称する。
【0039】
加速度計24、25の出力β1、β2は第2の記録演算装置32に記録される。加速度計24、25の出力β1、β2は、次の式によって表される。
【0040】
【数5】
β1=α1’+Gt・sinθ1
β2=α2’+Gt・sinθ2
【0041】
数5の式の右辺の第1項α1’、α2’は航行体の運動に起因したプラットフォームのロール方向加速度及びピッチ方向加速度である。その大きさは50Gal程度であり、周期は2〜3分程度である。数5の式の右辺の第2項はプラットフォームの傾斜に起因した誤差である。その大きさは1Gal程度であり、かなり長い周期を有する。
【0042】
ロール角誤差及びピッチ誤差θ1、θ2は、それぞれプラットフォームのロール軸線周りの傾斜角及びピッチ軸線周りの傾斜角である。従って、プラットフォームが水平であるときには、この第2項は、ゼロとなる。以下に、加速度計24、25の出力β1、β2よりロール角誤差及びピッチ誤差θ1、θ2を求める手順を説明する。
【0043】
数5の式の右辺の第1項と第2項では、その周期及びスペクトラムが異なるから適当なフィルタ処理によって両者を容易に分離することができる。従って、数5の式の右辺の第2項のみを取り出すことができる。
【0044】
一方、数4の式の右辺において、プラットフォーム傾斜誤差Hは重力方向加速度G0 に比べて十分小さいとして無視する。更に、重力方向加速度G0 において、重力異常ΔG、フリーエア補正C、鉛直加速度Z及びエトベス効果Eは、基準楕円体重力Aに比べて十分小さいため、ここではそれらを無視する。従って次の式が成り立つ。
【0045】
【数6】
Gt≒G0 ≒A
【0046】
数5の式の右辺の第2項を、それぞれγ1、γ2とすると、次のように表される。
【0047】
【数7】
γ1=Gt・sinθ1≒G0 ・sinθ1≒A・sinθ1
γ2=Gt・sinθ2≒G0 ・sinθ2≒A・sinθ2
【0048】
基準楕円体重力Aは予め求められているから、ロール角誤差及びピッチ誤差θ1、θ2が求まる。ロール角誤差及びピッチ誤差θ1、θ2が求められると、プラットフォーム傾斜誤差Hは次の式によって演算される。
【0049】
【数8】
H=α1sinθ1+α2sinθ2
【0050】
基準楕円体重力A、フリーエア補正C、鉛直加速度Z、エトベス効果Eは予め求められている。従って、プラットフォーム傾斜誤差Hが求められると、数4の式より、重力異常ΔGが求められる。尚、数4の式の右辺の鉛直加速度Zは、搬送波位相測地用の移動局14によって検出される航行体の位置情報及び時刻情報より、積分演算によって求められる。
【0051】
図3に示すように、搬送波位相測地用の移動局14からの東西加速度αE及び南北加速度αN、ジャイロコンパス21からの方位角φ、加速度計24、25の出力β1、β2、重力計22からの出力Gtは、航行体10上にて、測定点の位置情報及び時刻情報と共にリアルタイムにて、得られる。
【0052】
航行体のロール方向加速度α1及びピッチ方向加速度α2、ロール角誤差θ1及びピッチ角誤差θ2、プラットフォーム傾斜誤差H及び重力異常ΔGはオフラインにて地上にて求められる。重力計22の出力Gtに含まれる各種の変数及び定数A、C、Z、E等はオフラインにて地上にて求められる。
【0053】
以上本発明の例について説明したが、本発明は上述の例に限定されることなく特許請求の範囲に記載された本発明の範囲にて様々な変更が可能であることは当業者にとって容易に理解されよう。
【0054】
【発明の効果】
本発明によると、航行体に搭載した重力測定装置によって重力を測定する場合、重力測定装置を支持するプラットフォームが傾斜しても、正確に重力異常を測定することができる利点を有する。
【0055】
本発明によると、航行体に搭載した重力測定装置によって重力を測定する場合、オフライン処理によって重力異常を演算することができる利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による重力測定装置の主要部を示す図である。
【図2】本発明による重力測定装置の水平安定台の構造を示す図である。
【図3】本発明による重力測定装置における演算の手順を示す図である。
【図4】従来の重力測定装置及び方法の概略を示す図である。
【図5】従来の重力測定装置の主要部を示す図である。
【図6】従来の重力測定装置の水平安定台の構造を示す図である。
【符号の説明】
10・・・ 航行体、 10A・・・ 基台、 12,13・・・ GPS衛星、 14,15・・・ 移動局、 16,17・・・ 基準局、 20・・・ 重力測定装置、 21・・・ ジャイロコンパス、 22・・・ 重力計、 23・・・ 水平安定台、 24,25・・・ 加速度計、 31,32・・・ 記録演算装置
Claims (2)
- 重力計と、該重力計を支持するプラットフォームと、該プラットフォームを水平に支持するジンバル機構を有する水平安定台と、該水平安定台と同一面内に装着され上記水平安定台に姿勢角信号を供給するジャイロコンパスと、を有し、航行体に搭載される重力測定装置において、
上記プラットフォームには水平方向の加速度を検出するための加速度計が装着され、
DGPSによる搬送波位相測位用の移動局と該移動局からの位置情報及び時刻情報を記録するための第1の記録演算装置が設けられ、
DGPSによるコード位相測位用の移動局と該移動局からの位置情報及び時刻情報を記録するための第2の記録演算装置が設けられ、
上記第2の記録演算装置は上記重力計の出力信号と上記加速度計の出力信号と上記ジャイロコンパスの出力信号を記録し、
上記搬送波位相測位用の移動局からの位置信号によって東西方向加速度及び南北方向加速度を演算し、該東西方向加速度及び南北方向加速度と上記ジャイロコンパスからの方位角信号によってロール方向加速度及びピッチ方向加速度を演算し、上記加速度計からの水平加速度信号によって上記プラットフォームのロール角誤差及びピッチ角誤差をフィルタ演算し、それによって上記重力計の出力を補正するように構成されていることを特徴とする重力測定装置。 - 請求項1記載の重力測定装置を用いて、上記航行体の上記プラットフォームに装着された重力計により重力を測定する重力測定方法であって、
DGPSによる上記搬送波位相測位用の移動局からの位置情報によって東西方向加速度及び南北方向加速度を演算することと、
該東西方向加速度及び南北方向加速度と上記ジャイロコンパスからの方位角信号によってロール方向加速度及びピッチ方向加速度を演算することと、
上記加速度計からの水平加速度信号によって上記プラットフォームのロール角誤差及びピッチ角誤差を演算することと、
上記ロール角誤差及びピッチ角誤差によって上記重力計の出力を補正することと、
を含む重力測定方法。
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