CN107110978B - 状态计算装置、状态计算方法及存储介质 - Google Patents

状态计算装置、状态计算方法及存储介质 Download PDF

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Abstract

课题在于，提供可得到高精度的状态计算值的小型的状态计算装置。解决手段在于，状态计算装置(10)具备天线(100A、100B、100C)、接收部(111A、111B、111C)、相位差计算部(12)以及运算部(13)。接收部(111A、111B、111C)计算由天线(100A、100B、100C)接收到的GNSS信号的载波相位测定值(PYA、PYB、PYC)。相位差计算部(12)将天线(100A、100B、100C)切换设定为主天线或从天线中的任一个。相位差计算部(12)按主天线和从天线的每个组合，使用载波相位测定值(PYA、PYB、PYC)计算多个天线间相位差(ΔζAB、ΔζBC、ΔζCA)。运算部(13)使用多个天线间相位差(ΔζAB、ΔζBC、ΔζCA)计算姿态角(AT)。

Description

状态计算装置、状态计算方法及存储介质
技术领域
本发明涉及计算船舶、飞行体、汽车等移动体中的姿态角、速度、位置等航行状态的状态计算装置、状态计算方法及状态计算程序。
背景技术
在非专利文献1中，记载了具备多个GPS(全球定位系统：Grobal PositioningSystem)天线、与多个GPS天线分别相连的多个GPS接收机、IMU传感器、以及综合处理部的结构。
多个GPS天线接收GPS卫星发送的GPS信号，并输出至GPS接收机。多个GPS天线由主GPS天线和多个从GPS天线构成。主GPS天线和多个从GPS天线以主GPS天线与从GPS天线的距离分别尽可能长的方式被配置于移动体。这是因为已知GPS天线间的距离(基线长)越长，则越能够高精度地检测移动体的状态计算值。在此，作为移动体的状态计算值，例如是移动体的姿态角。
GPS接收机计算所接收到的GPS信号的伪距、Δ范围、以及载波相位并进行输出。IMU传感器具备角速度传感器以及加速度传感器，对移动体的角速度以及加速度进行计测并进行输出。综合处理部基于来自IMU传感器的角速度以及加速度，计算移动体的速度、加速度、以及姿态角。此时，综合处理部使用从多个GPS接收机得到的伪距、Δ范围、以及载波相位，对所计算的位置、速度、以及姿态角的误差进行校正。
此外，在非专利文献2中，记载了使用4台GNSS天线计算二重相位差，使用二重相位差来计算位置、速度、以及姿态角。在该结构中，将4台GNSS天线之中的1台GNSS天线设定为基准天线，设定了基线矢量。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：A Low Cost GPS/INS Sensorfor Small UAVs Augmented withMultiple GPS Antennas；Rui Hirokawa,RyusukeOhata,Takuji Ebinuma,TaroSuzuki；IONGNSS 20th International TechnicalMeeting of the Satellite Division,25-28,September 2007,Fort Worth,TX
非专利文献2：Low-cost Real-time Tightly-CoupledGNSS/INS NavigationSystem Based on Carrier-phase Double-differences for UAVApplications；LopezCasariego,E.,E.Perez,G.Falco,M.Campo-Cossio Gutierrez,F.Zacchello,andS.Bories；ION GNSS+,September 2014
发明内容
发明要解决的课题
但是，在使用了上述的非专利文献1中记载的结构的情况下，需要加长GPS天线间的距离，所以状态计算装置的整体形状变大。因此，例如，在GPS天线的设置位置受限的情况下，产生不能设置GPS天线、或不能取得高精度的状态计算值的问题。
此外，在上述的非专利文献2中记载的结构中，所配置的多个GNSS天线的1台被设定为基准天线，因此根据GNSS天线的个数，能够形成的基线的数目受限。因此，若想要提高精度而使基线的根数增加，则天线的个数必须至少增加基线的根数个，阻碍小型化。
从而，本发明的目的在于，提供可得到高精度的状态计算值的小型的状态计算装置。
用于解决课题的手段
本发明的状态计算装置具备接收GNSS信号的第一、第二、第三GNSS天线、第一、第二、第三GNSS接收部、相位差计算部、以及运算部。第一GNSS接收部计算由第一GNSS天线接收到的GNSS信号的载波相位。第二GNSS接收部计算由第二GNSS天线接收到的GNSS信号的载波相位。第三GNSS接收部计算由第三GNSS天线接收到的GNSS信号的载波相位。相位差计算部选择第一GNSS天线、第二GNSS天线、以及第三GNSS天线之中的两个，决定主天线至少一个不同的由主天线与从天线构成的三个以上的组合，使用组合中使用的GNSS天线的载波相位，按每个组合计算天线间相位差。运算部使用按每个组合计算出的多个天线间相位差来计算姿态角。
在该结构中，能够增多在姿态角的推定运算中利用的天线间相位差的数目。由此，能够提高姿态角的推定精度。
此外，本发明的状态计算装置的运算部具备误差计算部和综合处理部。误差计算部使用根据天线间相位差而得到的几何距离差和基于综合处理部计算出的过去的姿态角的几何距离差，推定姿态角的计算误差。综合处理部使用惯性传感器所计测的角速度或加速度、以及姿态角的计算误差，计算姿态角。
在该结构中，还能够使用惯性传感器的测定值，因此能够稳定输出姿态角。进而，能够根据使用了上述的GNSS信号的高精度的姿态角，推定姿态角的计算误差，所以能够输出更高精度的姿态角。
此外，本发明的状态计算装置的运算部具备误差计算部和综合处理部。误差计算部使用几何距离差和基于综合处理部计算出的过去的姿态角的几何距离差，推定姿态角的计算误差。此时，误差计算部不仅推定姿态角的计算误差，而且还推定位置的计算误差以及速度的计算误差。综合处理部使用惯性传感器计测出的角速度或加速度、以及姿态角的计算误差、位置的计算误差及速度的计算误差，计算姿态角、位置、以及速度。并且，状态计算装置还具备位置计算部、以及速度计算部。位置计算部使用由第一GNSS接收部计算出的第一GNSS天线的位置、由第二GNSS接收部计算出的第二GNSS天线的位置、以及由第三GNSS接收部计算出的第三GNSS天线的位置，计算特定点的位置。速度计算部使用由第一GNSS接收部计算出的第一GNSS天线的速度、由第二GNSS接收部计算出的第二GNSS天线的速度、以及由第三GNSS接收部计算出的第三GNSS天线的速度，计算特定点的速度。误差推定部推定使用了特定点的位置和综合处理部计算出的特定点的过去的位置时的位置的计算误差、或使用了特定点的速度和综合处理部计算出的特定点的过去的速度时的速度的计算误差。
在该结构中，通过将在与误差推定处理不同的处理中计算出的特定位置以及特定速度用于误差推定处理，能够减轻误差推定处理的处理负荷。
此外，在本发明的状态计算装置中，姿态角为偏航(yaw)角。在该结构中，能够高精度地计算移动体朝向的方位。
发明效果
根据本发明，不会被装置的配置环境等影响，可高精度地得到姿态角等的状态计算值。
附图说明
图1是表示本发明的第一实施方式所涉及的状态计算装置的结构的框图。
图2是表示本发明的第一实施方式所涉及的状态计算装置所使用的天线的位置关系的图。
图3是本发明的第一实施方式所涉及的状态计算方法的流程图。
图4是表示图3的步骤S106的具体的处理的流程图。
图5是本发明的第一实施方式所涉及的状态计算方法的流程图。
图6是表示图5的步骤S206的具体的处理的流程图。
图7是本发明的第二实施方式所涉及的状态计算装置的框图。
图8是本发明的第二实施方式所涉及的状态计算方法的流程图。
图9是本发明的第三实施方式所涉及的状态计算装置的框图。
图10是本发明的第三实施方式所涉及的状态计算方法的流程图。
图11是表示在天线为4台的情况下的天线的位置关系的图。
具体实施方式
参照附图说明本发明的第一实施方式所涉及的状态计算装置、状态计算方法、以及状态计算程序。在本实施方式中，将移动体设为船舶而说明计算该船舶的航行状态的装置，但在计算其他海上移动体、海中移动体、汽车等陆上移动体、飞机等空中移动体的移动状态的情况下，也能够应用以下的结构。
图1是表示本发明的第一实施方式所涉及的状态计算装置的结构的框图。图2是表示本发明的第一实施方式所涉及的状态计算装置所使用的天线的位置关系的图。
如图1所示，状态计算装置10具备天线部100、接收部11A、11B、11C、相位差计算部12、以及运算部13。
天线部100具备第一天线100A、第二天线100B、以及第三天线100C。天线部100被配置于船体中的敞开了上空的位置。第一天线100A相当于第一GNSS天线，第二天线100B相当于第二GNSS天线，第三天线100C相当于第三GNSS天线。
如图2所示，第一天线100A、第二天线100B、以及第三天线100C的配置模式(pattern)具有二维分布。作为具体的配置方式的一例，如图2所示，第一天线100A和第三天线100C以连结这些天线的基线与连结船首和船尾的方向(船首-船尾方向)成为平行的方式配置。第二天线100B被配置在与连结第一天线100A和第三天线100C的基线上以及延长了该基线的直线上不同的位置。在图2的例子中，第二天线100B在船首-船尾方向上被配置在第一天线100A和第三天线100C之间。第二天线100B在相对于连结第一天线100A和第三天线100C的基线正交的方向上，与该基线隔开距离而配置。在图2的例子中，第二天线100B被配置相对于第一天线100A和第三天线100C等距离的位置。
第一天线100A与第二天线100B的距离、第二天线100B与第三天线100C的距离、以及第三天线100C与第一天线100A的距离短。由此，能够提高天线部100的配置的自由度。此外，能够使得整数值偏差(bias)的决定变得容易。进而，优选这些天线间的距离小于GPS信号的波长λ的长度，更优选为λ的1/2(即λ/2)左右。通过将天线间的距离设为λ/2左右，从而能够使得整数值偏差的决定变得更容易。
另外，该配置为一例，3台以上的天线被配置为具有二维分布即可。
第一、第二、第三天线100A、100B、100C接收GPS(全球定位系统：GrobalPositioning System)卫星发送的GPS信号并进行输出。另外，在本实施方式中例示GPS，但对GNSS(全球导航卫星系统：Global Navigation Satellite System)的其他系统，也能够应用本实施方式的结构。
接收部11A相当于第一GNSS接收部，与第一天线100A连接。接收部11A捕捉、追踪GPS信号，按每个GPS信号(每个GPS卫星)计算伪距。接收部11A根据伪距，使用单独定位法，计算第一天线100A的位置POA。接收部11A将第一天线100A的位置POA输出至运算部13。接收部11A按每个GPS信号(每个GPS卫星)计算载波相位测定值PYA。接收部11A将载波相位测定值PYA输出至相位差计算部12。
接收部11B相当于第二GNSS接收部，与第二天线100B连接。接收部11B捕捉、追踪GPS信号，按每个GPS信号(每个GPS卫星)计算伪距。接收部11B根据伪距，使用单独定位法，计算第二天线100B的位置POB。接收部11B将第二天线100B的位置POB输出至运算部13。接收部11B按每个GPS信号(每个GPS卫星)计算载波相位测定值PYB。接收部11B将载波相位测定值PYB输出至相位差计算部12。
接收部11C相当于第三GNSS接收部，与第三天线100C连接。接收部11C捕捉、追踪GPS信号，按每个GPS信号(每个GPS卫星)计算伪距。接收部11C根据伪距，使用单独定位法，计算第三天线100C的位置POC。接收部11C将第三天线100C的位置POC输出至运算部13。接收部11C按每个GPS信号(每个GPS卫星)计算载波相位测定值PYC。接收部11C将载波相位测定值PYC输出至相位差计算部12。
接收部11A、11B、11C被同步。例如，向接收部11A、11B、11C输入公共的时钟信号，接收部11A、11B、11C与该时钟信号同步，进行GPS信号的捕捉/追踪。
相位差计算部12将第一、第二、第三天线100A、100B、100C之中的2台组合，按每个组合计算天线间相位差。此时，相位差计算部12根据组合，将1台天线设定为主天线或从天线中的某一个，计算天线间相位差。另外，组合既可以以排列(P：permitation)来决定，也可以以组合(C：combination)来决定。具体而言，相位差计算部12执行如下处理。
相位差计算部12将第一天线100A设定为主天线，将第二天线100B设定为从天线，来作为第一组合。相位差计算部12计算载波相位测定值PYA与载波相位测定值PYB的差分值，计算天线间相位差ΔζAB(＝PYB-PYA)。
相位差计算部12将第二天线100B设定为主天线，将第三天线100C设定为从天线，来作为第二组合。相位差计算部12计算载波相位测定值PYB与载波相位测定值PYC的差分值，计算天线间相位差ΔζBC(＝PYC-PYB)。
相位差计算部12将第三天线100C设定为主天线，将第一天线100A设定为从天线，来作为第三组合。相位差计算部12计算载波相位测定值PYC与载波相位测定值PYA的差分值，计算天线间相位差ΔζCA(＝PYA-PYC)。
通过进行这样的处理，与以往的固定主天线的方式相比，能够在预先决定的天线数中，计算更多的天线间相位差。相反，为了得到预先决定的天线间相位差，能够设为更少的天线数。
相位差计算部12将天线间相位差ΔζAB、ΔζBC、ΔζCA输出至运算部13。
运算部13对在GPS信号上重叠的导航电文进行分析，取得卫星位置。运算部13至少取得作为由接收部11A、11B、11C接收的GPS信号的发送源的GPS卫星的位置即可。
运算部13使用卫星位置和第一、第二、第三天线位置POA、POB、POC，计算每个天线间相位差ΔζAB、ΔζBC、ΔζCA的方向余弦。具体而言，运算部13使用第一、第二天线位置POA、POB、及作为由第一天线100A和第二天线100B这双方接收到的GPS信号的发送源的GPS卫星的卫星位置，计算与天线间相位差ΔζAB对应的方向余弦。运算部13使用第二、第三天线位置POB、POC、及作为由第二天线100B和第三天线100C这双方接收到的GPS信号的发送源的GPS卫星的卫星位置，计算与天线间相位差ΔζBC对应的方向余弦。运算部13使用第三、第一天线位置POC、POA、及作为由第三天线100C和第一天线100A这双方接收到的GPS信号的发送源的GPS卫星的卫星位置，计算与天线间相位差ΔζCA对应的方向余弦。运算部13使用各方向余弦来设定方向余弦矩阵。
运算部13使用天线间相位差ΔζAB、ΔζBC、ΔζCA和方向余弦矩阵，计算姿态角AT。姿态角AT由横滚角
Figure GDA0001327570400000071
俯仰角θ、以及偏航角ψ构成。另外，作为姿态角AT，至少计算偏航角ψ即可。
更具体而言，运算部13使用LAMDA法等已知的方法，按每个天线间相位差ΔζAB、ΔζBC、ΔζCA推定并决定整数值偏差。运算部13使用天线间相位差ΔζAB、ΔζBC、ΔζCA和整数值偏差，计算与各天线间相位差ΔζAB、ΔζBC、ΔζCA对应的几何距离差。
运算部13使用几何距离差和方向余弦矩阵，应用最小二乘法等，从而计算姿态角AT。
通过使用这样的结构以及处理，即使天线的台数少，也能够大量计算天线间相位差，能够高精度地计算姿态角。并且，能够多计算天线间相位差，从而即使第一、第二、第三天线100A、100B、100C间的距离短，也能够高精度地计算姿态角。此外，即使在第一、第二、第三天线100A、100B、100C之中的任一台没有接收到GPS信号，也能够继续姿态角的计算，因此能够提高鲁棒性。
进而，通过缩短第一、第二、第三天线100A、100B、100C间的距离，能够将天线部100小型化。由此，不容易被设置空间限制。从而，能够实现省空间且能够高精度地计算姿态角的状态计算装置10。
另外，在图1中，示出了将相位差计算部12和运算部13设为不同的功能部的方式。但是，也可以将相位差计算部12和运算部13形成于一个信息处理装置。进而，也可以将接收部11A、11B、11C、相位差计算部12、以及运算部13形成于一个信息处理装置。在该情况下，预先存储实现如下示出的状态计算方法的程序，信息处理装置读出该程序并执行即可。
图3是本发明的第一实施方式所涉及的状态计算方法的流程图。图4是表示图3的步骤S106的具体的处理的流程图。图3、图4表示使用1重相位差的情况。
信息处理装置捕捉、追踪由第一、第二、第三天线100A、100B、100C接收到的GPS信号。信息处理装置计算第一、第二、第三天线100A、100B、100C的位置POA、POB、POC和载波相位测定值PYA、PYB、PYC(S101)。
信息处理装置对第一、第二、第三天线100A、100B、100C设定主天线和从天线从而组合，设定天线的多种组合(S102)。此时，信息处理装置将各天线既设为主天线，也设为从天线。由此，能够实现1台天线被设定为主天线的组合和被设定为从天线的组合。
信息处理装置在各天线的组合中，使用载波相位测定值PYA、PYB、PYC，计算作为天线间的1重相位差的天线间相位差ΔζAB、ΔζBC、ΔζCA(S103)。天线间的1重相位差是在2台天线接收到来自公共的GPS卫星的GPS信号时各天线接收到的GPS信号的相位差。
信息处理装置对在所追踪的GPS信号上重叠的导航电文进行分析，取得卫星位置(S104)。
信息处理装置按天线的每个组合，根据第一、第二、第三天线100A、100B、100C的位置POA、POB、POC和卫星位置计算方向余弦，设定方向余弦矩阵(S105)。
信息处理装置使用天线间相位差ΔζAB、ΔζBC、ΔζCA和方向余弦矩阵，应用最小二乘法等从而计算姿态角AT(S106)。
更具体而言，如图4所示，信息处理装置计算与天线间相位差ΔζAB、ΔζBC、ΔζCA的各个对应的整数值偏差(S161)。此时，如上述那样，通过缩短第一、第二、第三天线100A、100B、100C之间的距离，能够高速且可靠地计算整数值偏差。特别是，通过将第一、第二、第三天线100A、100B、100C之间的距离设为GPS信号的波长的1/2左右，从而能够更高速且准确地计算整数值偏差。
信息处理装置根据天线间相位差ΔζAB、ΔζBC、ΔζCA和整数值偏差，计算几何距离差(S162)。几何距离差是，接收公共的GPS信号的2台天线中，一方的天线和GPS卫星的几何距离与另一方的天线和GPS卫星的几何距离之差。
信息处理装置使用几何距离差和方向余弦矩阵，应用最小二乘法等，从而计算姿态角(S163)。
另外，示出了在上述的处理中，使用天线间的1重相位差的例子，但也可以使用2重相位差。图5是本发明的第一实施方式所涉及的状态计算方法的流程图。图6是表示图5的步骤S206的具体的处理的流程图。图5、图6表示使用2重相位差的情况。
信息处理装置捕捉/追踪由第一、第二、第三天线100A、100B、100C接收到的GPS信号。信息处理装置计算第一、第二、第三天线100A、100B、100C的位置POA、POB、POC和载波相位测定值PYA、PYB、PYC(S201)。
信息处理装置对第一、第二、第三天线100A、100B、100C设定主天线和从天线从而组合，设定天线的多种组合(S202)。此时，信息处理装置将各天线既设定为主天线，也设定为从天线。由此，能够实现1台天线被设定为主天线的组合和被设定为从天线的组合。
信息处理装置在各天线的组合中，使用载波相位测定值PYA、PYB、PYC，计算2重相位差(S103)。2重相位差是2台天线接收到来自公共的2台GPS卫星的GPS信号时的相位差。具体而言，是对应于一方的GPS卫星的2台天线的相位差与对应于另一方的GPS卫星的2台天线的相位差之差。
信息处理装置对在所追踪的GPS信号上重叠的导航电文进行分析，取得卫星位置(S204)。
信息处理装置按天线的每个组合，根据第一、第二、第三天线100A、100B、100C的位置POA、POB、POC和卫星位置计算方向余弦，设定方向余弦矩阵(S205)。
信息处理装置使用2重相位差和方向余弦矩阵设定卡尔曼滤波器，推定姿态角AT(S206)。
更具体而言，如图6所示，信息处理装置计算与2重相位差的各个对应的整数值偏差(S261)。此时，如上述那样，通过缩短第一、第二、第三天线100A、100B、100C之间的距离，能够高速且可靠地计算整数值偏差。特别是，通过将第一、第二、第三天线100A、100B、100C之间的距离设为GPS信号的波长的1/2左右，从而能够进一步高速且准确地计算整数值偏差。
信息处理装置根据2重相位差和整数值偏差，计算几何距离的2重差(几何距离差之差)(S262)。
信息处理装置使用几何距离的2重差和方向余弦矩阵，应用最小二乘法等，从而计算姿态角(S263)。
接着，参照附图说明第二实施方式所涉及的状态计算装置、状态计算方法、以及状态计算程序。图7是本发明的第二实施方式所涉及的状态计算装置的框图。
第一实施方式所涉及的状态计算装置10是仅通过GPS信号推定姿态角的方式，但本实施方式所涉及的状态计算装置10A还具备惯性传感器20，还使用惯性传感器20输出的角速度ωIMU和加速度aIMU来计算姿态角。进而，本实施方式所涉及的状态计算装置10A使用基于GPS信号的观测值、角速度ωIMU、加速度aIMU，计算姿态角、位置以及速度。
本实施方式所涉及的状态计算装置10A相对于第一实施方式所涉及的状态计算装置10，运算部13A的结构不同，其他部分的基本的结构与第一实施方式所涉及的状态计算装置10相同。
状态计算装置10A与惯性传感器20连接。另外，也可以将惯性传感器20包含于状态计算装置10A。惯性传感器20具备加速度传感器21以及角速度传感器22。加速度传感器21计测移动体的加速度aIMU。角速度传感器22计测移动体的角速度ωIMU。
运算部13A具备误差推定部131A、综合处理部132A、GNSS速度计算部133A、以及GNSS位置计算部134A。
接收部11A计算第一天线100A的位置POA、速度PVA以及载波相位PYA。接收部11A将第一天线100A的位置POA输出至GNSS位置计算部134A。接收部11A将第一天线100A的速度PVA输出至GNSS速度计算部133A。接收部11A将第一天线100A中的载波相位测定值PYA输出至相位差计算部12。
接收部11B计算第二天线100B的位置POB、速度PVB以及载波相位PYB。接收部11B将第二天线100B的位置POB输出至GNSS位置计算部134A。接收部11B将第二天线100B的速度PVB输出至GNSS速度计算部133A。接收部11B将第二天线100B中的载波相位测定值PYB输出至相位差计算部12。
接收部11C计算第三天线100C的位置POC、速度PVC以及载波相位PYC。接收部11C将第三天线100C的位置POC输出至GNSS位置计算部134A。接收部11C将第三天线100C的速度PVC输出至GNSS速度计算部133A。接收部11C将第三天线100C中的载波相位测定值PYC输出至相位差计算部12。
相位差运算部12将使用载波相位测定值PYA、PYB、PYC计算出的天线间相位差ΔζAB、ΔζBC、ΔζCA输出至误差推定部131A。
GNSS速度计算部133A使用速度PVA、PVB、PVC，计算安装有第一、第二、第三天线100A、100B、100C的移动体的特定位置的速度PVO。特定位置例如图2所示，是俯视天线部100时第一、第二、第三天线100A、100B、100C的中心位置O。特定位置的速度PVO例如使用特定位置与第一、第二、第三天线100A、100B、100C之间的距离，对第一、第二、第三天线100A、100B、100C的速度PVA、PVB、PVC进行加权平均处理来计算。GNSS速度计算部133A将特定位置的速度PVO输出至误差推定部131A。
GNSS位置计算部134A使用位置POA、POB、POC，计算安装有第一、第二、第三天线100A、100B、100C的移动体的特定位置的位置(坐标)POO。特定位置的位置POO例如使用特定位置与第一、第二、第三天线100A、100B、100C之间的距离，对第一、第二、第三天线100A、100B、100C的位置POA、POB、POC进行加权平均处理来计算。GNSS位置计算部134A将特定位置的位置POO和第一、第二、第三天线100A、100B、100C的位置POA、POB、POC输出至误差推定部131A。
误差推定部131A使用特定位置的位置POO、速度PVO、以及天线间相位差ΔζAB、ΔζBC、ΔζCA、综合处理部132A计算出的上次的综合位置PUN、综合速度VUN、以及综合姿态角ATUN，推定位置的计算误差εP、速度的计算误差εV、以及姿态角的计算误差εAT。
具体而言，误差推定部131A对在GPS信号上重叠的导航电文进行分析，取得卫星位置。
误差推定部131A使用卫星位置和第一、第二、第三天线位置POA、POB、POC，计算每个天线间相位差ΔζAB、ΔζBC、ΔζCA的方向余弦。误差推定部131A使用各方向余弦设定方向余弦矩阵。
误差推定部131A计算特定位置的位置POO和在上次的运算中得到的综合位置PUN之差ΔPO。误差推定部131A计算特定位置的速度PVO和在上次的运算中得到的综合速度VUN之差ΔVO。
误差推定部131A使用在上次的运算中得到的综合姿态角ATUN，计算基于综合运算结果的天线间相位差。误差推定部131A对基于GPS信号的天线间相位差ΔζAB、ΔζBC、ΔζCA、和基于综合运算结果的天线间相位差进行差分运算，计算天线间相位差的差ΔΔζAB、ΔΔζBC、ΔΔζCA。
误差推定部131A将位置的差ΔPO、速度的差ΔVO、以及天线间相位差的差ΔΔζAB、ΔΔζBC、ΔΔζCA设定为观测值(观测矢量)。误差推定部131A将位置的计算误差εP、速度的计算误差εV、以及姿态角的计算误差εAT设定为推定值(状态矢量)。误差推定部131A使用这些观测值、推定值、方向余弦矩阵，设定卡尔曼滤波器。误差推定部131A使用该卡尔曼滤波器，推定位置的计算误差εP、速度的计算误差εV、以及姿态角的计算误差εAT。
误差推定部131A将位置的计算误差εP、速度的计算误差εV、以及姿态角的计算误差εAT输出至综合处理部132A。
综合处理部132A使用从惯性传感器20输出的加速度aIMU以及角速度ωIMU，计算综合位置PUN、综合速度VUN、以及综合姿态角ATUN。此时，综合处理部132A基于位置的计算误差εP、速度的计算误差εV、以及姿态角的计算误差εAT进行校正。
通过使用这样的结构以及处理，能够高精度地计算移动体的位置、速度、以及姿态角。此外，在该结构中，如上述那样使用小型的天线部100，因此能够实现省空间且能够高精度地计算位置、速度以及姿态角的状态计算装置10A。此外，通过使用惯性传感器20的计测值，能够稳定计算位置、速度以及姿态角。
另外，在上述的误差推定部131A中，还能够推定加速度传感器21的传感器误差εa以及角速度传感器22的传感器误差εω。在该情况下，在误差推定部131A的观测值中追加加速度aIMU以及角速度ωIMU。
综合处理部132A还使用传感器误差εa、εω，计算综合位置PUN、综合速度VUN、以及综合姿态角ATUN。由此，能够更高精度地计算综合位置PUN、综合速度VUN、以及综合姿态角ATUN。
此外，本实施方式所涉及的状态计算装置10A对误差推定部131A的卡尔曼滤波器的观测值，使用在与卡尔曼滤波器不同的处理中计算出的位置POO以及速度PVO。由此，与后述的第三实施方式所涉及的状态计算装置10B(使用伪距、载波相位变化量以及卫星位置变化量的方式)相比，能够减轻卡尔曼滤波器的处理负荷，高精度地计算姿态角。
另外，在图7中，示出了将相位差计算部12、误差推定部131A、综合处理部132A、GNSS速度计算部133A、以及GNSS位置计算部134A分别设为不同的功能部的方式。但是，也可以将这些功能部形成于一个信息处理装置。进而，接收部11A、11B、11C也可以包含于该一个信息处理装置而形成。在该情况下，预先存储实现如下示出的状态计算方法的程序，信息处理装置读出并执行该程序即可。
图8是本发明的第二实施方式所涉及的状态计算方法的流程图。另外，在本实施方式中，说明使用1重相位差的情况，但与第一实施方式同样，还能够使用2重相位差。
信息处理装置捕捉/追踪由第一、第二、第三天线100A、100B、100C接收到的GPS信号。信息处理装置计算第一、第二、第三天线100A、100B、100C的位置POA、POB、POC、速度PVA、PVB、PVC和载波相位测定值PYA、PYB、PYC(S401)。
信息处理装置使用第一、第二、第三天线100A、100B、100C的位置POA、POB、POC计算特定位置的位置POO，使用第一、第二、第三天线100A、100B、100C的速度PVA、PVB、PVC计算特定位置的速度PVO(S402)。
信息处理装置从惯性传感器20取得加速度aIMU以及角速度ωIMU(S403)。
信息处理装置对第一、第二、第三天线100A、100B、100C设定主天线和从天线从而组合，设定天线的多种组合。此时，信息处理装置将各天线既设定为主天线，也设定为从天线。信息处理装置在各天线的组合中，使用载波相位测定值PYA、PYB、PYC，计算天线间的1重相位差即天线间相位差ΔζAB、ΔζBC、ΔζCA(S404)。
信息处理装置使用特定位置的位置POO、速度PVO、天线间相位差ΔζAB、ΔζBC、ΔζCA、和在上次的运算中得到的综合位置PUN、综合速度VUN、综合姿态角ATUN，推定位置的计算误差εP、速度的计算误差εV、以及姿态角的计算误差εAT(S405)。此时，信息处理装置使用卡尔曼滤波器等。另外，预先适当设定综合位置PUN、综合速度VUN、以及综合姿态角ATUN即可，通过继续基于卡尔曼滤波器进行综合位置PUN、综合速度VUN、以及综合姿态角ATUN的误差推定，并进行以该误差来校正的运算，从而综合位置PUN、综合速度VUN、以及综合姿态角ATUN接近真值。
信息处理装置使用加速度aIMU、角速度ωIMU、位置的计算误差εP、速度的计算误差εV、以及姿态角的计算误差εAT，计算综合位置PUN、综合速度VUN、以及综合姿态角ATUN(S406)。
接着，参照附图说明第三实施方式所涉及的状态计算装置、状态计算方法、以及状态计算程序。图9是本发明的第三实施方式所涉及的状态计算装置的框图。
本实施方式所涉及的状态计算装置10B中，运算部13B的结构与第二实施方式所涉及的状态计算装置10A不同。此外，接收部11A、11B、11C的处理与第二实施方式所涉及的状态计算装置10A不同。
接收部11A在GPS信号的追踪处理中取得伪距ρA、载波相位变化量ΔPYA、以及卫星位置变化量ΔPsatA。载波相位变化量是规定的时间间隔中的载波相位的变化量。卫星位置变化量是规定的时间间隔中的卫星位置的变化量。卫星位置的变化量通过对导航电文进行分析来得到。
接收部11B在GPS信号的追踪处理中取得伪距ρB、载波相位变化量ΔPYB、以及卫星位置变化量ΔPsatB。
接收部11C在GPS信号的追踪处理中取得伪距ρC、载波相位变化量ΔPYC、以及卫星位置变化量ΔPsatC。
运算部13B具备误差推定部131B、以及综合处理部132B。
向误差推定部131B输入伪距ρA、ρB、ρC、载波相位变化量ΔPYA、ΔPYB、ΔPYC、卫星位置变化量ΔPsatA、ΔPsatB、ΔPsatC、天线间相位差ΔζAB、ΔζBC、ΔζCA。此外，向误差推定部131B输入上次的综合位置PUN、综合速度VUN、以及综合姿态角ATUN。
误差推定部131B根据这些输入值设定观测值，设定将位置的计算误差εP、速度的计算误差εV、以及姿态角的计算误差εAT设为推定值的卡尔曼滤波器。误差推定部131B对该卡尔曼滤波器进行运算处理，从而推定位置的计算误差εP、速度的计算误差εV、以及姿态角的计算误差εAT，输出至综合处理部132B。
综合处理部132B使用加速度aIMU以及角速度ωIMU，计算综合位置PUN、综合速度VUN、以及综合姿态角ATUN。此时，综合处理部132B基于位置的计算误差εP、速度的计算误差εV、以及姿态角的计算误差εAT进行校正。
使用这样的结构，与第二实施方式同样，也能够高精度地计算姿态角。进而，在本实施方式的结构中，还能够高精度地计算位置以及速度。
另外，在图9中，示出了将相位差计算部12、误差推定部131B、以及综合处理部132B分别设为不同的功能部的方式。但是，也可以将这些功能部作为一个信息处理装置。进而，也可以将接收部11A、11B、11C也包含于该一个信息处理装置而形成。在该情况下，预先存储实现如下示出的状态计算方法的程序，信息处理装置读出并执行该程序即可。
图10是本发明的第三实施方式所涉及的状态计算方法的流程图。本实施方式所涉及的状态计算方法中，卡尔曼滤波器的观测值不同，根据该观测值的变化而卡尔曼滤波器的设定不同，但基本的处理与第二实施方式所涉及的状态计算方法相同。另外，在本实施方式中，说明使用1重相位差的情况，但与第一、第二实施方式同样，还能够使用2重相位差。
信息处理装置捕捉/追踪由第一、第二、第三天线100A、100B、100C接收到的GPS信号。信息处理装置计算伪距ρA、ρB、ρC、载波相位测定值PYA、PYB、PYC、载波相位变化量ΔPYA、ΔPYB、ΔPYC、以及卫星位置变化量ΔPsatA、ΔPsatB、ΔPsatC(S501)。
信息处理装置从惯性传感器20取得加速度aIMU以及角速度ωIMU(S502)。
信息处理装置对第一、第二、第三天线100A、100B、100C设定主天线和从天线从而组合，设定天线的多种组合。此时，信息处理装置将各天线既设为主天线，也设为从天线。信息处理装置在各天线的组合中，使用载波相位测定值PYA、PYB、PYC，计算天线间的1重相位差即天线间相位差ΔζAB、ΔζBC、ΔζCA(S503)。
信息处理装置使用伪距ρA、ρB、ρC、载波相位变化量ΔPYA、ΔPYB、ΔPYC、以及卫星位置变化量ΔPsatA、ΔPsatB、ΔPsatC、以及天线间相位差ΔζAB、ΔζBC、ΔζCA、和在上次的运算中得到的综合位置PUN、综合速度VUN、综合姿态角ATUN，推定位置的计算误差εP、速度的计算误差εV、以及姿态角的计算误差εAT(S504)。此时，信息处理装置使用卡尔曼滤波器等。
信息处理装置使用加速度aIMU、角速度ωIMU、位置的计算误差εP、速度的计算误差εV、以及姿态角的计算误差εAT，计算综合位置PUN、综合速度VUN、以及综合姿态角ATUN(S505)。
另外，在上述的说明中，示出了使用3台天线的方式，但也可以为4台以上。图11是表示天线为4台的情况下的天线的位置关系的图。
天线部10具备第一天线100A、第二天线100B、第三天线100C、以及第四天线100D。
如图11所示，第一天线100A和第二天线100B以连结这些天线的基线与连结船首和船尾的方向(船首-船尾方向)成为平行的方式被配置。第三天线100C和第四天线100D以连结这些天线的基线与船首-船尾方向成为平行的方式被配置。
第一天线100A和第四天线100D以连结这些天线的基线与连结右舷和左舷的方向(与船首-船尾方向正交的方向)成为平行的方式被配置。第二天线100B和第三天线100C以连结这些天线的基线与和船首-船尾方向正交的方向成为平行的方式被配置。
在该结构中，第一天线100A、第二天线100B、第三天线100C、以及第四天线100D中的任1台对应于本发明的第一GNSS天线，其他天线之中的2台对应于本发明的第二GNSS天线、第三GNSS天线。
并且，使用该结构，也能够得到上述的各实施方式所示的作用效果。
另外，优选以连结3台以上的天线之中的2台天线的基线与船首-船尾方向成为平行的方式配置天线。通过使用这样的配置，能够更易于计算偏航角ψ。
标记说明：
10、10A、10B：状态计算装置
11A、11B、11C：接收部
12：相位差计算部
13：运算部
20：惯性传感器
21：加速度传感器
22：角速度传感器
100：天线部
100A、100B、100C、100D：天线
131A、131B：误差推定部
132A、132B：综合处理部
133A：GNSS速度计算部
134A：GNSS位置计算部

Claims (16)

1.一种状态计算装置，具备：
第一GNSS天线、第二GNSS天线及第三GNSS天线，接收GNSS信号；
第一GNSS接收部，计算由所述第一GNSS天线接收到的GNSS信号的载波相位；
第二GNSS接收部，计算由所述第二GNSS天线接收到的GNSS信号的载波相位；
第三GNSS接收部，计算由所述第三GNSS天线接收到的GNSS信号的载波相位；
相位差计算部，选择所述第一GNSS天线、所述第二GNSS天线以及所述第三GNSS天线之中的两个，决定三个以上的由主天线与从天线组成的组合，使用组合中使用的GNSS天线的载波相位，按每个组合计算天线间相位差，在所述三个以上的组合中的主天线之中，至少一个组合中的主天线与其他组合中的主天线不同；以及
运算部，使用按每个所述组合计算出的多个天线间相位差计算姿态角。
2.如权利要求1所述的状态计算装置，
所述运算部根据所述多个天线间相位差计算天线间的几何距离差，
所述运算部根据所述几何距离差计算所述姿态角。
3.如权利要求2所述的状态计算装置，
所述运算部具备误差推定部和综合处理部，
所述误差推定部使用所述几何距离差、以及基于由综合处理部计算出的过去的姿态角的几何距离差，推定姿态角的计算误差，
所述综合处理部使用惯性传感器所计测的角速度或加速度、以及所述姿态角的计算误差，计算姿态角。
4.如权利要求3所述的状态计算装置，
所述误差推定部使用根据由多个GNSS天线接收到的所述GNSS信号计算出的位置、以及由所述综合处理部计算出的过去的位置，推定所述位置的计算误差，
所述误差推定部使用根据由所述多个GNSS天线接收到的所述GNSS信号计算出的速度、以及由所述综合处理部计算出的过去的速度，推定所述速度的计算误差，
所述误差推定部将所述位置的计算误差和所述速度的计算误差输出至所述综合处理部，
所述综合处理部使用所述惯性传感器所计测的角速度或加速度、以及所述位置的计算误差及所述速度的计算误差，计算位置以及速度。
5.如权利要求4所述的状态计算装置，还具备：
位置计算部，使用由所述第一GNSS接收部计算出的所述第一GNSS天线的位置、由所述第二GNSS接收部计算出的所述第二GNSS天线的位置、以及由所述第三GNSS接收部计算出的所述第三GNSS天线的位置，计算特定点的位置；以及
速度计算部，使用由所述第一GNSS接收部计算出的所述第一GNSS天线的速度、由所述第二GNSS接收部计算出的所述第二GNSS天线的速度、以及由所述第三GNSS接收部计算出的所述第三GNSS天线的速度，计算特定点的速度，
所述误差推定部推定在使用了所述特定点的位置和由所述综合处理部计算出的所述特定点的过去的位置时的所述位置的计算误差、或者在使用了所述特定点的速度和由所述综合处理部计算出的所述特定点的过去的速度时的所述速度的计算误差。
6.如权利要求1至权利要求5的任一项所述的状态计算装置，
所述姿态角为偏航角。
7.一种状态计算方法，具有如下步骤：
计算由第一GNSS天线接收到的GNSS信号的载波相位；
计算由第二GNSS天线接收到的GNSS信号的载波相位；
计算由第三GNSS天线接收到的GNSS信号的载波相位；
选择所述第一GNSS天线、所述第二GNSS天线以及所述第三GNSS天线之中的两个，决定三个以上的由主天线与从天线组成的组合，在该三个以上的组合中所述主天线有至少一个不同，使用组合中使用的GNSS天线的载波相位，按每个组合计算天线间相位差；以及
使用按每个所述组合计算出的多个天线间相位差计算姿态角。
8.如权利要求7所述的状态计算方法，
在计算所述姿态角的步骤中，
根据所述多个天线间相位差计算天线间的几何距离差，
根据所述几何距离差计算所述姿态角。
9.如权利要求8所述的状态计算方法，
计算所述姿态角的步骤具有误差推定步骤和综合处理步骤，
所述误差推定步骤使用所述几何距离差、以及基于在综合处理步骤中计算出的过去的姿态角的几何距离差，推定姿态角的计算误差，
所述综合处理步骤使用惯性传感器所计测出的角速度或加速度、以及所述姿态角的计算误差，计算姿态角。
10.如权利要求9所述的状态计算方法，
计算所述姿态角、位置以及速度，
在所述误差推定步骤中，
使用根据由多个GNSS天线接收到的所述GNSS信号计算出的位置、以及在所述综合处理步骤中计算出的过去的位置，推定所述位置的计算误差，
使用根据由所述多个GNSS天线接收到的所述GNSS信号计算出的速度、以及在所述综合处理步骤中计算出的过去的速度，推定所述速度的计算误差，
将所述位置的计算误差和所述速度的计算误差输出至所述综合处理步骤，
所述综合处理步骤使用所述惯性传感器所计测出的角速度或加速度、以及所述位置的计算误差及所述速度的计算误差，计算所述位置以及所述速度。
11.如权利要求10所述的状态计算方法，还具有：
位置计算步骤，使用计算出的所述第一GNSS天线的位置、计算出的所述第二GNSS天线的位置、以及计算出的所述第三GNSS天线的位置，计算特定点的位置；以及
速度计算步骤，使用计算出的所述第一GNSS天线的速度、计算出的所述第二GNSS天线的速度、以及计算出的所述第三GNSS天线的速度，计算特定点的速度，
在计算所述姿态角、位置以及速度的步骤中，
推定使用了所述特定点的位置和由综合处理步骤计算出的所述特定点的过去的位置时的所述位置的计算误差、或使用了所述特定点的速度和由所述综合处理部计算出的所述特定点的过去的速度时的所述速度的计算误差。
12.一种存储状态计算程序的存储介质，该状态计算程序使信息处理装置执行接收GNSS信号并计算移动体的姿态角的处理，
所述信息处理装置执行以下处理：
计算由第一GNSS天线接收到的GNSS信号的载波相位；
计算由第二GNSS天线接收到的GNSS信号的载波相位；
计算由第三GNSS天线接收到的GNSS信号的载波相位；
选择所述第一GNSS天线、所述第二GNSS天线以及所述第三GNSS天线之中的两个，决定三个以上的由主天线与从天线组成的组合，在该三个以上的组合中所述主天线有至少一个不同，使用组合中使用的GNSS天线的载波相位，按每个组合计算天线间相位差；以及
使用按每个所述组合计算出的多个天线间相位差，计算姿态角。
13.如权利要求12所述的存储介质，
在计算所述姿态角的处理中，
所述信息处理装置根据所述多个天线间相位差计算天线间的几何距离差，
所述信息处理装置根据所述几何距离差计算所述姿态角。
14.如权利要求13所述的存储介质，
在计算所述姿态角的处理中包含误差推定处理和综合处理，
在所述误差推定处理中，所述信息处理装置使用所述几何距离差、以及基于在综合处理中计算出的过去的姿态角的几何距离差，推定姿态角的计算误差，
在所述综合处理中，所述信息处理装置使用惯性传感器所计测出的角速度或加速度、以及所述姿态角的计算误差，计算姿态角。
15.如权利要求14所述的存储介质，
所述信息处理装置计算所述姿态角、位置以及速度，
在所述误差推定处理中，
所述信息处理装置使用根据由多个GNSS天线接收到的所述GNSS信号计算出的位置、以及在所述综合处理中计算出的过去的位置，推定所述位置的计算误差，
所述信息处理装置使用根据由所述多个GNSS天线接收到的所述GNSS信号计算出的速度、以及在所述综合处理中计算出的过去的速度，推定所述速度的计算误差，
所述信息处理装置将所述位置的计算误差和所述速度的计算误差输出至所述综合处理，
在所述综合处理中，所述信息处理装置使用所述惯性传感器所计测出的角速度或加速度、以及所述位置的计算误差及所述速度的计算误差，计算所述位置以及所述速度。
16.如权利要求15所述的存储介质，
所述信息处理装置还执行以下处理：
位置计算处理，使用计算出的所述第一GNSS天线的位置、计算出的所述第二GNSS天线的位置、以及计算出的所述第三GNSS天线的位置，计算特定点的位置；以及
速度计算处理，使用计算出的所述第一GNSS天线的速度、计算出的所述第二GNSS天线的速度、以及计算出的所述第三GNSS天线的速度，计算特定点的速度，
在计算所述姿态角、位置以及速度的处理中，
推定使用了所述特定点的位置和在综合处理中计算出的所述特定点的过去的位置时的所述位置的计算误差、或使用了所述特定点的速度和在所述综合处理中计算出的所述特定点的过去的速度时的所述速度的计算误差。
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