JPH04307325A - True north gauge - Google Patents

Abstract

PURPOSE:To set a true north gauge in a moving body and to detect the true north at real time. CONSTITUTION:This true north gauge is provided with an optical fiber gyro unit 20 having an optical fiber coil 5 for propagating at least the light from a light source 1 which is split half in a clockwise direction and in a counterclockwise direction, a driving means for rotating the optical fiber gyro unit 20, and an encoder 12 for detecting the rotating angle of the unit 20, a synchronous wave detecting means 8, and an operating/processing means 9. The operating/processing means 9 rotates the optical fiber unit 20 for one cycle by the driving means 11, and detects the direction of the true north from the outputs of the synchronous wave detecting means 8 and the encoder 12, and thereafter controls and feeds back the driving means so that the gyro output from the synchronous detecting means is always zero. Accordingly, whether the true north gauge itself moves or rotates, the coil face of the optical fiber coil is directed to the true north at all times.

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

【０００１】0001

【産業上の利用分野】本発明は、真北計に関し、特に動
体に設置してリアルタイムで真北測定が可能な真北計に
関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a true north meter, and more particularly to a true north meter that can be installed on a moving object and measure true north in real time.

【０００２】0002

【従来の技術】真北計とは、光ファイバジャイロにより
地球自転の角速度を測定し、この角速度の値に基づき真
北検出を行なう装置である。図２は、従来の真北計に用
いられている光ファイバジャイロの概略の構成を示す。 同図の光ファイバジャイロは、光源１から出射された光
をカプラ２を介しかつ偏光子４により一方向の偏光成分
のみを透過させた後、カプラ３により２分し光ファイバ
コイル５を時計回りと反時計回りの両方向に伝播させる
。光ファイバコイル５の一端には位相変調器６が設けら
れ、前記両回り光に時間をずらした位相変調を加える。 光ファイバコイル５の両回り光はカプラ３で再び重ね合
わせられて干渉し、この干渉光をカプラ２により受光器
７へと分岐し干渉強度の測定を行なう。受光器７の出力
は同期検波器（ＬＩＡ）８により基本波成分Ｓ１を検出
しこれがジャイロ出力となる。2. Description of the Related Art A true north meter is a device that measures the angular velocity of the earth's rotation using an optical fiber gyro and detects true north based on the value of this angular velocity. FIG. 2 shows a schematic configuration of an optical fiber gyro used in a conventional true north meter. The optical fiber gyro shown in the figure passes the light emitted from a light source 1 through a coupler 2 and a polarizer 4 to transmit only the polarized component in one direction, and then divides the light into two by a coupler 3 and rotates the optical fiber coil 5 clockwise. and counterclockwise. A phase modulator 6 is provided at one end of the optical fiber coil 5, and applies time-shifted phase modulation to the two-way light. The lights from both directions of the optical fiber coil 5 are superimposed again by the coupler 3 and interfere with each other, and this interference light is branched by the coupler 2 to a light receiver 7 to measure the interference intensity. A fundamental wave component S1 of the output of the light receiver 7 is detected by a synchronous detector (LIA) 8, and this becomes the gyro output.

【０００３】上記動作において、光ファイバコイル５の
中を時計回りと反時計回りに伝播する光の間に生ずる位
相差φは光ファイバコイル５に加えられる角速度に比例
し（サニアック効果）、従って、前記両回り光の干渉強
度から角速度を測定することができる。同期検波器８か
ら検出されるジャイロ出力（基本波成分Ｓ１）は前記位
相変調器６の変調周波数での同期検波により検出され、
概略的には次式により表される。 　　　　　　　　Ｓ１＝Ｐ・Ｊ１（ｚ）・ｓｉｎφ　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（
１）式（１）において、Ｐは光ファイバ中を伝播する光
の光量、Ｊ１（ｚ）は第１種ベッセル関数、ｚは位相変
調に関するパラメータで位相変調器６の変調量の関数で
ある。In the above operation, the phase difference φ occurring between the light propagating clockwise and counterclockwise in the optical fiber coil 5 is proportional to the angular velocity applied to the optical fiber coil 5 (Saniac effect), and therefore, The angular velocity can be measured from the interference intensity of the two-way light. The gyro output (fundamental wave component S1) detected from the synchronous detector 8 is detected by synchronous detection at the modulation frequency of the phase modulator 6,
It is roughly expressed by the following formula. S1=P・J1(z)・sinφ
(
1) In equation (1), P is the amount of light propagating in the optical fiber, J1(z) is the Bessel function of the first kind, and z is a parameter related to phase modulation and is a function of the amount of modulation of the phase modulator 6.

【０００４】真北計は以上のような光ファイバジャイロ
を用いて地球自転の角速度の測定を行なう。すなわち、
図３に示すように、光ファイバジャイロの光ファイバコ
イルを地面に対し垂直に設置し、垂直軸の周りに回転さ
せると、ジャイロ出力は図４に示すように変化する。す
なわち、ジャイロ出力はコイル水平面が東西方向の場合
にジャイロ出力が極大または極小となり、これに対しコ
イル水平面が南北方向でゼロとなる正弦波状の信号とな
る。従って、光ファイバコイルの回転と同時にエンコー
ダを用いて光ファイバコイルの回転角を測定しながら、
前記ジャイロ出力がゼロとなる点を求めれば真北方向が
検出できる。[0004] The true north meter measures the angular velocity of the earth's rotation using the above-described optical fiber gyro. That is,
As shown in FIG. 3, when the optical fiber coil of the optical fiber gyro is installed perpendicular to the ground and rotated around the vertical axis, the gyro output changes as shown in FIG. 4. That is, the gyro output becomes a maximum or minimum when the horizontal plane of the coil is in the east-west direction, and is a sinusoidal signal that becomes zero when the horizontal plane of the coil is in the north-south direction. Therefore, while measuring the rotation angle of the optical fiber coil using an encoder at the same time as the optical fiber coil rotates,
By finding the point where the gyro output becomes zero, the true north direction can be detected.

【０００５】このようにして真北測定が行なわれるが、
実際には、光ファイバジャイロの光ファイバコイルを完
全に垂直に設置することはほとんど不可能である。この
ため、光ファイバコイルに前述のような回転を加えた場
合、ジャイロ出力には光ファイバコイル自体の回転によ
る成分が重畳され、真北の検出精度も劣化することにな
る。このため、一般的には、光ファイバコイルを一定角
度回転させた後、停止状態として地球自転の角速度およ
び光ファイバコイルの回転角度の測定を行ない、再び一
定角度回転させた後、測定を繰り返すという方法をとっ
ている。このようにして光ファイバコイルを一周期回転
させて測定したデータから真北を検出している。True north measurement is performed in this way, but
In reality, it is almost impossible to install the fiber optic coil of a fiber optic gyro completely vertically. Therefore, when the above-described rotation is applied to the optical fiber coil, a component due to the rotation of the optical fiber coil itself is superimposed on the gyro output, and the accuracy of true north detection also deteriorates. For this reason, generally, after rotating the optical fiber coil by a certain angle, the angular velocity of the earth's rotation and the rotation angle of the optical fiber coil are measured while in a stopped state, and after rotating the optical fiber coil by a certain angle again, the measurements are repeated. method. In this way, true north is detected from data measured by rotating the optical fiber coil once.

【０００６】[0006]

【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
従来の光ファイバジャイロを用いた真北計では、前述し
たように、真北の測定に際して光ファイバコイルを間欠
的に一周期回転させる必要があるため、リアルタイムで
の真北測定はほとんど不可能であり、また、光ファイバ
ジャイロの設置場所も静止体に限定されていた。[Problems to be Solved by the Invention] However, as mentioned above, in a true north meter using such a conventional optical fiber gyro, it is necessary to intermittently rotate the optical fiber coil for one cycle when measuring true north. Therefore, it is almost impossible to measure true north in real time, and the installation location of optical fiber gyros is also limited to stationary objects.

【０００７】本発明の目的は、このような従来例の装置
における問題点に鑑み、リアルタイムでの真北測定が可
能でありかつ動体への設置ができる真北計を提供するこ
とにある。SUMMARY OF THE INVENTION In view of the problems with conventional devices, it is an object of the present invention to provide a true north meter that can measure true north in real time and can be installed on a moving object.

【０００８】[0008]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
、本発明に係わる真北計は、少なくとも光源からの２分
された出射光をそれぞれ時計回りと反時計回りに伝播さ
せる光ファイバコイル、該光ファイバコイルを伝播する
光の位相を変調する位相変調器、および前記両回り光の
干渉強度を検出する受光器を備えた光ファイバジャイロ
ユニットと、前記光ファイバジャイロユニットを回転さ
せる駆動手段と、前記光ファイバジャイロユニットの回
転角を検出するためのエンコーダと、前記受光器の出力
からジャイロ出力となる基本波信号成分を検出する同期
検波手段と、前記駆動手段により前記光ファイバジャイ
ロユニットを回転させかつ前記同期検波手段および前記
エンコーダの出力を用いて真北方向を検出した後、前記
ジャイロ出力が常にゼロとなるよう前記駆動手段に負帰
還制御を行なうための演算処理手段とを具備することを
特徴とする。[Means for Solving the Problems] In order to achieve the above object, the true north meter according to the present invention includes at least an optical fiber coil that propagates the emitted light divided into two parts from a light source clockwise and counterclockwise, respectively; an optical fiber gyro unit including a phase modulator that modulates the phase of light propagating through the optical fiber coil; and a light receiver that detects the interference intensity of the two-way light; and a drive means that rotates the optical fiber gyro unit. , an encoder for detecting a rotation angle of the optical fiber gyro unit, a synchronous detection means for detecting a fundamental wave signal component serving as a gyro output from the output of the light receiver, and rotating the optical fiber gyro unit by the driving means. and arithmetic processing means for performing negative feedback control on the driving means so that the gyro output is always zero after detecting the true north direction using the output of the synchronous detection means and the encoder. It is characterized by

【０００９】[0009]

【作用】上記構成においては、前記演算処理手段の制御
により初めに従来方法と同様に光ファイバジャイロユニ
ットを一周期回転させてジャイロ出力のゼロ点を求める
ことにより真北方向を検出する。その後、前記同期検波
手段の出力を順次検出し、この出力すなわちジャイロ出
力がゼロとなるよう前記駆動手段に加える電圧を制御す
る。すなわち、前記駆動手段に負帰還制御を行なうこと
によってジャイロ出力のゼロ点追尾を行なう。この方法
によれば、従来の真北計のように測定のたび毎に光ファ
イバコイルを一周期回転させてジャイロ出力のゼロ点を
求める必要がなく、一旦真北が検出された後は、前記ジ
ャイロ出力がゼロとなるよう前記駆動手段に加える電圧
を調整するのみでよい。このため、リアルタイムで真北
測定を行なうことが可能となり、また動体への設置が可
能となる。In the above configuration, the true north direction is detected by first rotating the optical fiber gyro unit one cycle under the control of the arithmetic processing means to find the zero point of the gyro output, as in the conventional method. Thereafter, the output of the synchronous detection means is sequentially detected, and the voltage applied to the drive means is controlled so that this output, that is, the gyro output, becomes zero. That is, zero point tracking of the gyro output is performed by performing negative feedback control on the driving means. According to this method, there is no need to rotate the optical fiber coil one cycle for each measurement to find the zero point of the gyro output, as is the case with conventional true north meters. It is only necessary to adjust the voltage applied to the driving means so that the gyro output becomes zero. Therefore, it becomes possible to measure true north in real time, and it also becomes possible to install it on a moving object.

【００１０】0010

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例につき
説明する。図１は本発明の１実施例に係わる真北計の構
成を示す。同図の装置は、例えばスーパールミネッセン
トダイオードのような光源１と、該光源１の出力に光フ
ァイバによって結合されたカプラ（光方向性分岐器）２
と、該カプラ２の一方の出力に結合された単一偏波型フ
ァイバで構成された偏光子４と、偏光子４の出力に光フ
ァイバによって結合された他のカプラ３と、該カプラ３
の２つの出力の間に結合された光ファイバコイル５と、
該光ファイバコイル５の一端に設けらた位相変調器６と
、カプラ２の１つの分岐路に結合され光電変換を行なう
受光器７を含む光ファイバジャイロユニット２０を備え
ている。Embodiments Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows the configuration of a true north meter according to an embodiment of the present invention. The device shown in the figure includes a light source 1, such as a superluminescent diode, and a coupler (optical directional splitter) 2 coupled to the output of the light source 1 by an optical fiber.
, a polarizer 4 composed of a single polarization type fiber coupled to one output of the coupler 2, another coupler 3 coupled to the output of the polarizer 4 by an optical fiber, and the coupler 3
an optical fiber coil 5 coupled between the two outputs of the
The optical fiber gyro unit 20 includes a phase modulator 6 provided at one end of the optical fiber coil 5, and a light receiver 7 coupled to one branch of the coupler 2 to perform photoelectric conversion.

【００１１】図１の装置はまた、受光器７の出力を受け
る同期検波器（ＬＩＡ）８と、演算処理部９と、ドライ
バ１０と、前記光ジャイロユニット２０を回転させるモ
ータ１１と、前記光ファイバジャイロユニット２０の回
転角を検出するためのエンコーダ１２とを備えている。 モータ１１は演算処理部９からの制御信号に基づき動作
するドライバ１０によって駆動される。また、エンコー
ダ１２の出力は演算処理部９に入力され後述のように真
北方向の測定および追尾を行なうために使用される。The device of FIG. 1 also includes a synchronous detector (LIA) 8 that receives the output of the optical receiver 7, an arithmetic processing section 9, a driver 10, a motor 11 that rotates the optical gyro unit 20, and a motor 11 that rotates the optical gyro unit 20. An encoder 12 for detecting the rotation angle of the fiber gyro unit 20 is provided. The motor 11 is driven by a driver 10 that operates based on a control signal from the arithmetic processing section 9 . Further, the output of the encoder 12 is input to the arithmetic processing section 9 and used for measuring and tracking in the true north direction as described later.

【００１２】図１の装置においては、光源１から出射さ
れた光はカプラ２を通り、偏光子４により一方向の偏光
成分のみが通過してカプラ３に入る。カプラ３に入射し
た光は、２分されて光ファイバコイル５を時計方向およ
び反時計方向にそれぞれ伝播する。この時、光ファイバ
コイル５の一端に設けられた位相変調器６により、両回
り光に時間をずらした位相変調が加えられる。両回り光
はカプラ３で再び重ね合わせられて干渉し、この干渉に
より生ずる干渉光が偏光子４、カプラ２を介し受光器７
に入力され、干渉強度に対応する電気信号が出力される
。In the apparatus shown in FIG. 1, light emitted from a light source 1 passes through a coupler 2, and only a polarized component in one direction passes through a polarizer 4, and enters a coupler 3. The light incident on the coupler 3 is split into two and propagated through the optical fiber coil 5 clockwise and counterclockwise, respectively. At this time, a phase modulator 6 provided at one end of the optical fiber coil 5 applies time-shifted phase modulation to both directions of light. The two-way lights are superimposed again at the coupler 3 and interfere with each other, and the interference light generated by this interference is transmitted to the light receiver 7 via the polarizer 4 and the coupler 2.
and outputs an electrical signal corresponding to the interference strength.

【００１３】同期検波器８は、受光器７から出力される
前記電気信号の内、位相変調器６に加えられた変調周波
数に対応する基本波成分Ｓ１を同期検波により検出し、
この基本波成分Ｓ１がジャイロ出力となる。The synchronous detector 8 detects, by synchronous detection, the fundamental wave component S1 corresponding to the modulation frequency applied to the phase modulator 6, out of the electrical signal outputted from the optical receiver 7,
This fundamental wave component S1 becomes the gyro output.

【００１４】光ファイバジャイロユニット２０は前述の
ように演算処理部９によって制御されるドライバ１０を
介して駆動されるモータ１１により回転される。また、
エンコーダ１２の出力が演算処理部９に入力され真北方
向が検出されるとともに、後に詳細に説明するように同
期検波器８から出力されるジャイロ出力が常にゼロとな
るようにモータ１１に負帰還が加えられる。The optical fiber gyro unit 20 is rotated by the motor 11 driven via the driver 10 controlled by the arithmetic processing section 9 as described above. Also,
The output of the encoder 12 is input to the arithmetic processing unit 9 to detect the true north direction, and negative feedback is provided to the motor 11 so that the gyro output output from the synchronous detector 8 is always zero, as will be explained in detail later. is added.

【００１５】図１の装置においては、最初に初期測定と
して従来方法と同様に例えば静止状態で真北の測定を行
なう。すなわち、光ファイバジャイロユニットを間欠回
転させながら、各停止状態において同期検波器８の出力
、すなわち地球自転の角速度およびエンコーダ１２の出
力、すなわち回転角、を演算処理部９に取込む。光ファ
イバジャイロユニット２０の各角度位置においてこのよ
うな測定を繰返し、一周期分のデータを測定すると、前
記図４のように回転角に対して正弦波状のジャイロ出力
が得られる。従って、演算処理部９はこのようなジャイ
ロ出力のゼロクロス点における回転角を直線近似または
最小自乗法などを用いて算出し、かつ前記ゼロクロス点
の前後のジャイロ出力の極性から真北方向を検出する。In the apparatus shown in FIG. 1, first, as an initial measurement, true north is measured in a stationary state, for example, as in the conventional method. That is, while the optical fiber gyro unit is intermittently rotated, the output of the synchronous detector 8, that is, the angular velocity of the earth's rotation, and the output of the encoder 12, that is, the rotation angle, are taken into the arithmetic processing unit 9 in each stopped state. When such measurements are repeated at each angular position of the optical fiber gyro unit 20 and data for one cycle is measured, a gyro output having a sinusoidal waveform with respect to the rotation angle is obtained as shown in FIG. 4. Therefore, the arithmetic processing unit 9 calculates the rotation angle at the zero-crossing point of the gyro output using linear approximation or the least squares method, and detects the true north direction from the polarity of the gyro output before and after the zero-crossing point. .

【００１６】次に、リアルタイム測定に移るために、演
算処理部９はドライバ１０を介してモータ１１を回転さ
せ、光ファイバコイル面が上述のようにして測定された
真北方向に向くように光ファイバジャイロユニット２０
の角度を調整する。そして、その後例えば所定の時間間
隔で同期検波器８から出力されるジャイロ出力を監視し
、該ジャイロ出力がゼロでなければ、ドライバ１０を介
してモータ１１を回転させ前記ジャイロ出力が常にゼロ
になるよう負帰還制御する。これにより、真北計本体が
回転しても負帰還によるゼロ点追尾により光ファイバコ
イル５は常に真北を差すことになり、真北方向をリアル
タイムで検出測定できる。Next, in order to move on to real-time measurement, the arithmetic processing section 9 rotates the motor 11 via the driver 10, and turns the light so that the optical fiber coil surface faces the true north direction measured as described above. Fiber gyro unit 20
Adjust the angle. Then, for example, the gyro output output from the synchronous detector 8 is monitored at predetermined time intervals, and if the gyro output is not zero, the motor 11 is rotated via the driver 10 so that the gyro output is always zero. so as to control negative feedback. As a result, even if the true north meter body rotates, the optical fiber coil 5 always points to true north due to zero point tracking by negative feedback, and the true north direction can be detected and measured in real time.

【００１７】なお、光ファイバコイル５の回転軸が完全
に垂直とならない場合には、真北計本体の回転による出
力が地球自転による出力に重畳されるが、これら両出力
の極性を一致させておくことにより、両出力に前述の負
帰還が加わり、真北計の本体の回転による出力を打ち消
すような逆回転が光ファイバコイルに加えられ、真北指
示が保たれることになる。Note that if the rotation axis of the optical fiber coil 5 is not completely vertical, the output due to the rotation of the true north meter body will be superimposed on the output due to the earth's rotation, but the polarity of these two outputs must be made to match. By doing so, the above-mentioned negative feedback is added to both outputs, and a reverse rotation is applied to the optical fiber coil that cancels out the output due to the rotation of the true north meter body, thereby maintaining the true north indication.

【００１８】[0018]

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、初
めに光ファイバコイルを一周期回転させて真北方向を検
出した後は、光ファイバコイルの回転駆動系に負帰還を
加えてジャイロ出力のゼロ点追尾を行なうのみでよく、
各測定毎に光ファイバコイルを一周期回転させる必要が
なくなる。このため、真北計を動体に設置しかつリアル
タイムで真北測定を迅速に行なうことが可能になる。[Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, after first rotating the optical fiber coil one cycle to detect the true north direction, negative feedback is applied to the rotation drive system of the optical fiber coil. All you need to do is track the zero point of the gyro output.
There is no need to rotate the optical fiber coil one cycle for each measurement. Therefore, it becomes possible to install a true north meter on a moving object and quickly measure true north in real time.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

【図１】本発明の１実施例に係わる真北計の概略的な構
成を示すブロック図である。FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a true north meter according to an embodiment of the present invention.

【図２】従来の真北計に用いられている光ファイバジャ
イロ装置の概略の構成を示すブロック図である。FIG. 2 is a block diagram showing a schematic configuration of an optical fiber gyro device used in a conventional true north meter.

【図３】光ファイバジャイロによる真北の測定原理を示
す説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram showing the principle of measuring true north using an optical fiber gyro.

【図４】光ファイバジャイロの出力と光ファイバコイル
の回転角との関係を示すグラフである。FIG. 4 is a graph showing the relationship between the output of the optical fiber gyro and the rotation angle of the optical fiber coil.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

１　　光源 ２，３　　カプラ ４　　偏光子 ５　　光ファイバコイル ６　　位相変調器 ７　　受光器 ８　　同期検波器（ＬＩＡ） ９　　演算処理部 １０　　ドライバ １１　　モータ １２　　エンコーダ ２０　　光ファイバジャイロユニット 1. Light source 2,3 Coupler 4 Polarizer 5 Optical fiber coil 6 Phase modulator 7 Photo receiver 8 Synchronous detector (LIA) 9 Arithmetic processing unit 10 Driver 11 Motor 12 Encoder 20 Optical fiber gyro unit

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項１】　　少なくとも、光源からの２分された出
射光をそれぞれ時計回りと反時計回りに伝播させる光フ
ァイバコイル、該光ファイバコイルを伝播する光の位相
を変調する位相変調器、および前記両回り光の干渉強度
を検出する受光器を備えた光ファイバジャイロユニット
と、前記光ファイバジャイロユニットを回転させる駆動
手段と、前記光ファイバジャイロユニットの回転角を検
出するためのエンコーダと、前記受光器の出力からジャ
イロ出力となる基本波信号成分を検出する同期検波手段
と、前記駆動手段により前記光ファイバジャイロユニッ
トを回転させかつ前記同期検波手段および前記エンコー
ダの出力を用いて初めに真北方向を検出した後、前記ジ
ャイロ出力が常にゼロとなるよう前記駆動手段に負帰還
制御を行なうための演算処理手段と、を具備することを
特徴とする真北計。1. At least an optical fiber coil that propagates the emitted light divided into two from a light source clockwise and counterclockwise, a phase modulator that modulates the phase of the light propagating through the optical fiber coil, and a phase modulator that modulates the phase of the light propagating through the optical fiber coil, and an optical fiber gyro unit including a light receiver for detecting the interference intensity of the light in both directions; a driving means for rotating the optical fiber gyro unit; an encoder for detecting a rotation angle of the optical fiber gyro unit; and the light receiving unit. a synchronous detection means for detecting a fundamental wave signal component which becomes a gyro output from the output of the gyro detector; and a synchronous detection means for rotating the optical fiber gyro unit by the driving means, and using the outputs of the synchronous detection means and the encoder to first detect the true north direction. A true north meter comprising: arithmetic processing means for performing negative feedback control on the driving means so that the gyro output is always zero after detecting the gyro. 【請求項２】　　前記ジャイロ出力の検出は前記光ファ
イバジャイロユニットを間欠的に回転させて行なう請求
項１に記載の真北計。2. The true north meter according to claim 1, wherein the detection of the gyro output is performed by intermittently rotating the optical fiber gyro unit.