ジャイロスコープ

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ジャイロスコープは、慣性系に対する回転速度を測定するセンサーです。したがって、回転した際の姿勢の変化を漏らさず捉えます。さらに、地球の座標系自体が回転しているため、地面に置かれたジャイロスコープでも、1時間あたり約15°という地球の自転速度が検出されます。ジャイロスコープの出力は、通常、度毎秒（°/s）またはラジアン毎秒（rad/s）で表現されます。

仕組みはどのようなものですか？

実用的なアプリケーションでは、システムは高周波数で回転角速度を統合し、センサーの姿勢を非常に高精度で決定します。したがって、この原理は、垂直ジャイロスコープ、姿勢方位基準システム (AHRS)、モーションリファレンスユニット (MRU)、および慣性航法システム (INS) を含む、すべての慣性センサーの基礎を形成します。

さらに、これらはINSの枠組みにおいて位置と速度を決定する上で重要な役割を果たします。加えて、最高性能のジャイロスコープ（通常、クローズドループ光ファイバージャイロスコープ (FOG)）は、バイアス推定を必要とせずに地球の自転を直接測定します。その結果、これらのセンサーは外部参照に依存することなく方位を決定でき、これはジャイロコンパス機能として知られています。しかし、方位を決定するための代替技術も存在し、これによりこの技術への厳しい制約が緩和されます。

ジャイロスコープにおけるコリオリ効果とサニャック効果

SBG Systemsのジャイロスコープは、その動作原理として、コリオリの力とサニャック効果という2つの主要な物理効果を利用して回転を測定します。具体的には、MEMSジャイロスコープにはコリオリの力が利用されています。プルーフマス（慣性質量）がX方向に振動しているとき、垂直なZ軸回りの回転が発生すると、Y方向への動きを引き起こす力が生じます。

そのため、複数のMEMSアーキテクチャがこの原理を採用しており、一般的には振動ビームやリングが使用されています。特筆すべきことに、これらのジャイロスコープの実際の性能は、MEMS素子のサイズと品質、センサーのパッケージング、機械的・信号処理技術などの要因によって変動します。

FOG（光ファイバジャイロ）などの光学式ジャイロスコープは、サニャック効果を利用して回転を測定します。この方法では、2つの光源が時計回りと反時計回りの互いに逆方向に周回します。回転がない場合、光波は同時に到着しますが、回転時には一方の光路が長くなり、もう一方が短くなります。その結果、干渉が発生し、これを測定することで角速度を算出することができます。

慣性航法におけるジャイロスコープの用途

これらの原則が相まって、ジャイロスコープは幅広い用途において、正確かつ信頼性の高い動作データを提供することが可能となっています。

航空

航空分野において、これらは航空機の航法および安定性にとって極めて重要です。これらは以下のシステムで使用されています：

• 姿勢指示器：これらの計器は、地平線に対する航空機の姿勢を表示し、パイロットが適切なピッチ角およびロール角を維持できるよう支援する。
• オートパイロットシステム：ジャイロスコープはオートパイロットシステムにフィードバックを提供し、航空機の方位、高度、および航路の自動制御を可能にします。
• 慣性航法システム（INS）：INSはジャイロスコープを使用して航空機の動きと方位を追跡し、GPS信号が利用できない場合でも正確な測位情報を提供します。

海上航行

海上航行に関しては、ジャイロスコープは船舶や潜水艦の安定性と進路の維持に役立っています：

• ジャイロコンパス: ジャイロコンパスは、地球の磁場に影響されることなく正確な方位情報を提供し、航海士が安定した航路を維持するのに役立ちます。
• 安定化システムは、これらのセンサーを利用して横揺れや縦揺れを抑制し、乗客の快適性を高め、安全を確保します。

スペース

宇宙船や人工衛星において、ジャイロスコープは姿勢制御に不可欠です：

• 姿勢制御システム：ジャイロスコープは、回転運動を精密に測定することで宇宙機の姿勢制御を支援し、ドッキング、位置決め、機動といった作業に不可欠な役割を果たしています。
• 慣性計測装置（IMU）：ジャイロスコープを含むIMUは、宇宙空間における正確な位置決めと制御を確実にするため、ナビゲーションと安定化を提供します。