JP5421693B2 - 自己較正型ジャイロスコープ・システム - Google Patents

Description

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

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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（Ｘ^Ｒ，Ｙ^Ｒ，Ｚ^Ｒ）から個々のジャイロスコープの軸（Ｘ^Ｇｉ，Ｙ^Ｇｉ，Ｚ^Ｇｉ，ｉ＝Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）へのそれぞれの変換行列（Ｃ_Ｒ ^Ｇｉ）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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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Ω_r-modをミキサ４１８に供給する。変調信号Ω_r-modは、非均一速度信号から成る。ミキサ４１８は、変調信号Ω_r-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。

アナログ／ディジタル変換及び復調の後、波腹電圧Ｖ_anti-nodeに対する節点電圧Ｖ_nodeのアークタンジェントによって、変曲角Θ_flexを決定する。積分器４０６は、角度Θ_r-mod、変調信号Ω_r-modの積分をミキサ４１６に供給する。ミキサ４１６は、Θ_r-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。

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Θ_mod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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

Claims (21)

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であって、それぞれが方位を有する定在波のパターンを呈する共振器を備えている複数のジャイロスコープ（１１０ａ〜１１０ｄ）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（２２０）であって、前記定在波の前記パターンの期待位置及び測定位置により、前記結合されたジャイロスコープの倍率誤差の推定値を決定する、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モード逆転バイアス誤差推定器（２１４）と、
   前記結合されたジャイロスコープの検知した速度、前記バイアス誤差の推定値、及び前記倍率誤差の推定値に応答し、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（２１６）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。
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。
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。
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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 請求項７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。
9. ジャイロスコープ・システムであって、
   それぞれが方位を有する定在波のパターンを呈する共振器を備えている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、該結合されているジャイロスコープから、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及び前記結合されているジャイロスコープの倍率誤差を表す信号に応答して、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であって、前記結合されているジャイロスコープの倍率誤差が、前記定在波のパターンの予期位置及び測定位置により、決定され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。
10. 請求項９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。
11. 請求項９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。
12. 請求項９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。
13. 請求項９記載のシステムにおいて、該システムは更に、
    前記結合されているジャイロスコープに指令する命令信号であって、前記定在波のパターンを該命令信号の値に対応する位置に変位させるようにするための命令信号を生成するよう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。
14. 請求項９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。
15. 請求項１４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。
16. 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であって、各々が、バイアス誤差及び倍率誤差を呈する感知軸の周りの速度を感知し、かつ、方位を有する定在波のパターンを呈する共振器を含んでいる複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、
    定在波パターンの期待位置と測定位置を用いて、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と、
    前記バイアス誤差の推定値及び前記倍率誤差の推定値を用いて、前記選択したジャイロスコープの速度出力を補償するステップと、
    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。
17. 請求項１６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。
18. 請求項１６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がその第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がその第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。
19. 請求項１８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、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。
20. 請求項１９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。
21. 請求項１９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。

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