慣性航法システム

1961年2月、NASAはアポロ計画の誘導・航法システムの予備設計研究の契約をMITに授与した。MITとゼネラルモーターズ社のデルコ・エレクトロニクス部門は、司令船と月着陸船のアポロ誘導・航法システムの設計と製造の共同契約を獲得した。デルコはこれらのシステムのIMU（慣性計測装置）を製造し、コルズマン・インストゥルメント社は光学システムを製造し、アポロ誘導コンピュータはレイセオンが下請けで製造した。 ^{[ 20 ] [ 21 ]}

スペースシャトルでは、打ち上げから固体ロケットブースター（SRB）分離までシャトルを誘導するためにオープンループ誘導が使用されました。SRB分離後のスペースシャトルの主要な誘導はPEG（Powered Explicit Guidance）と呼ばれます。PEGは、Qシステムと、元の「デルタ」システムの予測子・修正子属性の両方を考慮に入れています（PEG誘導）。過去30年間でシャトルの航法システムに多くの更新が行われましたが（例：OI-22ビルドでのGPS）、シャトルGN&Cシステムの誘導コアはほとんど進化していません。有人システムでは、誘導システムに人間インターフェースが必要です。宇宙飛行士はシステムの顧客であるため、GN&Cは機体を「操縦」するための主要なインターフェースであるため、GN&Cに関わる多くの新しいチームが編成されました。

商用航空機で広く使われていた慣性航法装置（INS）の一例として、デルコ・カルーセルが挙げられる。これは、完全な飛行管理システムが普及する以前の時代に、航法の部分的な自動化を実現した。カルーセルでは、パイロットは一度に9つのウェイポイントを入力でき、INSを使って航空機の位置と速度を判定することで、ウェイポイント間を航空機を誘導することができた。ボーイング社は、ゼネラルモーターズのデルコ・エレクトロニクス部門に、747型機の初期モデル（-100、-200、-300）向けに最初の量産型カルーセル・システムの設計と製造を委託した。747型機は、信頼性を高めるために3つのカルーセル・システムを連携させて使用していた。カルーセル・システムとその派生型は、その後、他の多くの商用機や軍用機にも採用された。 USAFのC-141は、デュアルシステム構成でカルーセルを使用した最初の軍用機であり、続いて747と同様のトリプルINS構成を使用したC-5Aが登場した。KC-135A機体には、スタンドアロンINSとして動作することも、AN/APN-81またはAN/APN-218ドップラーレーダーで補助することもできるシングルカルーセルIV-Eシステムが搭載されていた。C-135の特殊任務用派生型には、デュアルカルーセルIV-E INSが搭載されていた。ARINC特性704は、商用航空輸送で使用されるINSを定義している。

システムによっては、リニア加速度計をジンバル式ジャイロ安定化プラットフォームに搭載するものもあります。ジンバルは3つのリングからなり、各リングには当初直角に配置された一対のベアリングが備わっています。これにより、プラットフォームは任意の回転軸を中心に回転できます（正確には、車両がプラットフォームの周りを回転しても、プラットフォームの向きは変わりません）。プラットフォームには（通常） 2つのジャイロスコープが搭載されています。

ジャイロスコープの歳差運動、すなわち入力トルクに対して直角方向にねじれる傾向を打ち消すために、2つのジャイロスコープが使用されます。同じ回転慣性モーメントを持ち、同じ速度で逆方向に回転する一対のジャイロスコープを直角に配置することで、歳差運動が打ち消され、プラットフォームのねじれが抑制されます。

このシステムでは、車両のロール角、ピッチ角、ヨー角をジンバルのベアリングで直接測定できます。線形加速度計の方向は変化しないため、比較的シンプルな電子回路で線形加速度を合計できます。

この方式の大きな欠点は、高価な精密機械部品を多数使用することです。また、摩耗したり詰まったりする可能性のある可動部品があり、ジンバルロックが発生しやすいという問題もあります。アポロ宇宙船の主誘導システムは、 3軸ジャイロ安定化プラットフォームを使用し、アポロ誘導コンピュータにデータを送信していました。ジンバルロックを回避するために、操縦は慎重に計画する必要がありました。

ジンバルロックは操縦性を制限するため、ジンバルのスリップリングとベアリングをなくすことが有益です。そのため、一部のシステムでは、流体ベアリングまたは浮力チャンバーを使用してジャイロ安定化プラットフォームを取り付けています。これらのシステムは非常に高い精度を実現できます（例：Advanced Inertial Reference Sphere）。すべてのジャイロ安定化プラットフォームと同様に、このシステムも比較的低速で低電力のコンピュータで良好に動作します。

流体軸受は、加圧された不活性ガス（ヘリウムなど）またはオイルがプラットフォームの球殻に押し付けられる穴の開いたパッドです。流体軸受は非常に滑りやすく、球状のプラットフォームは自由に回転できます。通常、プラットフォームを支えるために、4つの軸受パッドが四面体状に配置されています。

高性能システムでは、角度センサーは通常、フレキシブルプリント基板上に帯状に成形された特殊なトランスコイルです。複数のコイルストリップが、ジャイロ安定化プラットフォームの球殻の周囲に大円状に配置されています。プラットフォーム外部の電子機器は、同様の帯状トランスを使用して、球状プラットフォームの周囲に巻き付けられたトランスによって生成される変動磁場を読み取ります。磁場の形状が変化したり移動したりすると、外部トランスストリップ上のコイルのワイヤが切断されます。この切断によって外部の帯状コイルに電流が発生し、電子機器はその電流を測定することで角度を算出します。

安価なシステムでは、バーコードを使って向きを検知し、太陽電池や単一の変圧器でプラットフォームに電力を供給することがある。小型ミサイルの中には、窓からの光や光ファイバーを通してモーターに電力を供給するものもある。排気ガスの圧力でプラットフォームを浮遊させるという研究テーマもある。データは変圧器、あるいは外部フォトダイオードと通信するLEDを介して外部に送信される。

軽量デジタルコンピュータにより、ジンバルを不要にすることができ、ストラップダウンシステムと呼ばれる方式が実現します。これは、センサーを車両にストラップで固定するだけのシンプルな方式です。これにより、コスト削減、ジンバルロックの解消、一部のキャリブレーションの不要化、可動部品の削減による信頼性の向上が図られます。レートジャイロと呼ばれる角速度センサーは、車両の角速度を測定します。

ストラップダウンシステムは、ジンバルシステムに比べて数百倍もの動的計測範囲を必要とします。つまり、ピッチ、ロール、ヨーといった車両の姿勢変化だけでなく、全体的な動きも統合する必要があるのです。ジンバルシステムは通常、50～ 60Hzの更新レートで十分ですが、ストラップダウンシステムは通常約2000Hzの更新レートを 必要とします。この高いレートは、ナビゲーションシステムが角速度を姿勢に正確に統合するために必要です。

関係するデータ更新アルゴリズム（方向余弦または四元数）は複雑すぎて、デジタル電子機器以外では正確に実行できない。しかし、デジタルコンピュータは現在では非常に安価で高速であるため、レートジャイロシステムを実用的に使用し、大量生産することが可能になっている。アポロ月着陸船は、バックアップの緊急脱出誘導システム（AGS）にストラップダウンシステムを採用していた。

ストラップダウンシステムは現在、商用および軍事用途（航空機、船舶、ROV、ミサイルなど）で広く使用されています。最先端のストラップダウンシステムは、リングレーザージャイロスコープ、光ファイバージャイロスコープ、または半球共振器ジャイロスコープをベースとしています。これらのシステムは、デジタル電子回路とカルマンフィルターなどの高度なデジタルフィルタリング技術を使用しています。

ジャイロスコープシステムの向きは、位置情報の履歴（例えばGPS）から簡単に推測できる場合もある。これは特に航空機や自動車の場合に当てはまり、速度ベクトルは通常、車両本体の向きを示している。

例えば、ハネウェルのAlign in Motion ^{[ 23 ]}は、航空機が空中または地上で移動中に初期化を行う初期化プロセスです。これはGPSと慣性妥当性テストを使用して行われ、商用データ整合性要件を満たすことができます。このプロセスは、最大18時間の民間飛行時間において、静止アライメント手順と同等の純粋なINS性能を回復できることがFAAによって認証されています。これにより、航空機にジャイロスコープのバッテリーを搭載する必要がなくなります。

自動車向けに設計された低価格のナビゲーションシステムでは、振動構造ジャイロスコープを用いて方位の変化を検出し、オドメーターピックアップを用いて車両の走行距離を測定する場合があります。このタイプのシステムは、ハイエンドの慣性航法システム（INS）に比べて精度ははるかに劣りますが、GPSが主要なナビゲーションシステムであり、建物や地形が衛星信号を遮った場合にGPSの受信範囲の空白を埋めるために推測航法が必要となる、一般的な自動車用途には十分です。

半球状の共振構造に定在波を誘起し、その共振構造を回転させると、コリオリ力によって球面調和定在波は水晶共振器構造とは異なる角度だけ回転します。定在波パターンに対する外側ケースの動きは全回転角に比例し、適切な電子回路で検出できます。システムの共振器は、優れた機械的特性を持つ溶融水晶から機械加工されています。定在波を駆動および検出する電極は、共振器を囲む個別の水晶構造に直接堆積されます。これらのジャイロは、全角度モード（ほぼ無制限の速度制御が可能）または、定在波をジャイロハウジングに対して固定された向きに保持する力再平衡モード（精度が大幅に向上）のいずれかで動作できます。

このシステムは可動部品がほとんどなく、非常に高精度です。しかし、精密に研磨された中空石英半球のコストがかかるため、依然として比較的高価です。ノースロップ・グラマンは現在、HRGを使用する宇宙船用のIMU（慣性計測装置）を製造しています。これらのIMUは、1996年の最初の使用以来、非常に高い信頼性を実証しています。^{[ 24 ]}サフランは、幅広い用途に特化したHRGベースの慣性航法システムを多数製造しています。 ^{[ 25 ]}

これらの製品には「音叉型ジャイロ」が含まれます。ここでいうジャイロは、電子駆動式の音叉として設計されており、多くの場合、単一の水晶またはシリコンから製造されます。このようなジャイロは、並進運動する物体に角度変化が加わるとコリオリ力が発生するという動力学理論に基づいて動作します。

このシステムは通常、シリコンチップ上に集積されています。質量バランスの取れた2つの水晶音叉が、力が相殺されるように「柄と柄を向かい合わせ」に配置されています。音叉と下地のチップ上に蒸着されたアルミニウム電極が、音叉の動きを駆動し、同時に感知します。このシステムは製造が容易で、しかも安価です。水晶は寸法安定性に優れているため、高い精度を実現できます。

フォークがハンドルの軸を中心に回転すると、フォークの歯の振動は同じ運動平面内で継続する傾向があります。この動きは、歯の下にある電極からの静電気力によって抑制される必要があります。フォークの2つの歯の間の静電容量の差を測定することで、システムは角運動の速度を決定できます。

最新の非軍事技術（2005年時点）)は、人間の体の動きを測定できる小型の固体センサーを製造できます。これらのデバイスには可動部品がなく、重さは約50グラム（2オンス）です。

同じ物理原理を用いた固体素子は、小型カメラやビデオカメラの画像安定化に使用されています。これらは非常に小さく、約5ミリメートル（0.20インチ）程度で、マイクロ電気機械システム（MEMS）技術で製造されています。^{[ 26 ]}

磁気流体力学の原理に基づいたセンサーは、角速度を測定するために使用できる。

MEMSジャイロスコープは通常、コリオリ効果を利用して角速度を測定します。シリコンに取り付けられた共振する慣性質量で構成されています。ジャイロスコープは、加速度計とは異なり、アクティブセンサーです。慣性質量は駆動コームによって前後に押されます。ジャイロスコープの回転により、質量に作用するコリオリ力が発生し、異なる方向への動きが生じます。この方向への動きは電極によって測定され、回転速度を表します。^{[ 27 ]}

リングレーザージャイロ（RLG）は、温度安定性の高いセルビットガラス製の三角形ブロックの周囲にある閉じた円形の光路内の狭いトンネルを通して、レーザー光線を反対方向に2つのビームに分割します。各角には反射鏡が配置されています。ジャイロが一定の角速度で回転すると、各ビームが進む距離が異なり、短い方の経路は回転方向とは逆になります。2つのビーム間の位相差は干渉計で測定でき、回転速度に比例します（サニャック効果）。

実際には、低回転速度では、後方散乱によってビームが同期し、ロックされるため、出力周波数がゼロになることがあります。これはロックイン、またはレーザーロックと呼ばれます。その結果、干渉パターンに変化がなく、したがって測定値にも変化がありません。

逆回転する光ビームを分離するために、レーザージャイロは2つの方向に対して独立した光路を備えているか（通常は光ファイバージャイロの場合）、またはレーザージャイロが圧電ディザモーターに取り付けられており、ロックイン領域でレーザーリングを入力軸を中心に高速で往復振動させて光波を分離します。

シェーカー式ジャイロスコープは、両方の光線が全く同じ経路を通るため、最も精度が高い。したがって、レーザー式ジャイロスコープは可動部品を備えているものの、移動距離はそれほど長くない。

光ジャイロスコープのより新しいバリエーションである光ファイバージャイロスコープ（FOG）は、外部レーザーと、数キロメートルにも及ぶ長い光ファイバーフィラメントのスプール内を互いに逆方向に伝搬する（対向伝搬する）2つのビームを使用し、ファイバースプールを通過した後の2つのビームの位相差を比較します。

基本的なメカニズム、すなわち単色レーザー光が反対方向に伝搬することとサニャック効果は、FOGとRLGで同じですが、FOGのエンジニアリングの詳細は、従来のレーザージャイロとは大きく異なります。

光ファイバーコイルの精密な巻き付けは、光が反対方向に伝わる経路が可能な限り類似するようにするために必要です。FOGはレーザーリングジャイロよりも複雑なキャリブレーションを必要とするため、FOGの開発と製造はRLGよりも技術的に困難です。しかし、FOGは低速時にレーザーロックの影響を受けず、可動部品も必要としないため、同等のRLGと比較して、FOGの最大精度と寿命が向上します。

基本的な開ループ型加速度計は、ばねに取り付けられた質量体で構成されています。質量体はばねに沿ってのみ動くように拘束されています。加速度によって質量体がたわみ、その変位距離が測定されます。加速度は、たわみ距離、質量、およびばね定数の値から算出されます。振動を避けるために、システムは減衰させる必要もあります。閉ループ型加速度計は、フィードバックループを使用してたわみを相殺し、質量体をほぼ静止状態に保つことで、より高い性能を実現します。質量体がたわむたびに、フィードバックループによって電気コイルが質量体に同じ大きさの負の力を加え、動きを相殺します。加速度は、加えられた負の力の量から算出されます。質量体がほとんど動かないため、ばねと減衰システムの非線形性の影響が大幅に軽減されます。さらに、この加速度計は、センシング素子の固有振動数を超える帯域幅を提供します。

どちらのタイプの加速度計も、シリコンチップ上に集積されたマイクロマシンとして製造されている。

DARPAのマイクロシステム技術局（MTO）部門は、GPS支援ナビゲーションなしで単一チップ上で絶対位置追跡を行うタイミング＆慣性計測ユニット（TIMU）チップを設計するためのマイクロPNT（位置、ナビゲーション、タイミングのためのマイクロテクノロジー）プログラムに取り組んでいます。^{[ 28 ] [ 29 ] [ 30 ]}

Micro-PNTは、IMU（慣性計測ユニット）チップに高精度マスタータイミングクロック^{[ 31 ]}を統合し、タイミング＆慣性計測ユニットチップにしています。TIMUチップは、3軸ジャイロスコープ、3軸加速度計、3軸磁力計を高精度マスタータイミングクロックと統合し、追跡された動きを同時に測定し、同期クロックからのタイミングと組み合わせることができます。^{[ 28 ] [ 29 ]}