CN112292578A - 大地水准面测量方法、大地水准面测量装置、大地水准面估计装置、大地水准面计算用数据采集装置 - Google Patents

大地水准面测量方法、大地水准面测量装置、大地水准面估计装置、大地水准面计算用数据采集装置 Download PDF

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Abstract

容易地测量大地水准面高度的变化。本发明的大地水准面测量方法执行惯性计测数据获取步骤、对比数据获取步骤、状态变量估计步骤、大地水准面计算步骤。在惯性计测数据获取步骤中，基于被安装于移动体的具有3轴陀螺仪和3轴加速度仪的惯性计测单元的输出，获取与速度、位置、姿态角度有关的数据作为惯性由来数据。在对比数据获取步骤中，从惯性计测单元以外获取与速度有关的数据作为对比数据。在状态变量估计步骤中，通过使用所述惯性由来数据和所述对比数据，实施将铅垂线偏差包含在状态变量中的卡尔曼滤波，从而估计包含了铅垂线偏差的状态变量。在大地水准面计算步骤中，基于估计出的铅垂线偏差，求得进行了该估计的位置处的大地水准面高度的变化。

Description

大地水准面测量方法、大地水准面测量装置、大地水准面估计 装置、大地水准面计算用数据采集装置
技术领域
本发明涉及用于使用具有3轴陀螺仪和3轴加速度仪的惯性计测单元来求得大地水准面(Geoid)高度的变化或大地水准面高度的大地水准面测量方法、大地水准面测量装置、大地水准面估计装置、大地水准面计算用数据采集装置。
背景技术
作为基于由其他传感器等得到的数据而校正根据3轴陀螺仪和3轴加速度仪的输出求得的与位置、速度、以及姿态角度有关的数据的技术，已知专利文献1、非专利文献1等中所示的技术。作为由其他传感器等得到的数据，大多利用GPS(全球定位系统(GlobalPositioning System))的数据，但如非专利文献1所示，也存在与GPS以外的组合。图1是表示非专利文献1的图4所示的“GPS混合导航框图(宽松杯(loose cup)方式)”的图。
非专利文献2是说明了大地测量领域中的可能性的文献，表示了与海拔、椭球体高度、大地水准面高度有关的说明和课题、使用光格子钟时的可能性。在非专利文献2中，海拔被说明为“根据水准测量决定从平均海面(大地水准面)至地表的高度”。椭球体高度被说明为“根据GNSS测量决定从地球椭球体表面至地表的高度”。大地水准面高度被说明为“从地球椭球体表面至平均海面的高度、是重力等潜在面之一、具有反映了地球内部质量分布的不均匀性的凹凸”。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开昭63－302317号公报
非专利文献
非专利文献1：山田雅喜,竹内竜太郎,奥山貴之,“慣性装置におけるGPSハイブリッド技術とその応用製品”,航空電子技報,No.33,pp1～10,2010年3月,[平成30年6月12日検索]、インターネット<https://www.jae.com/jp/gihou/gihou33/pdf/g_05.pdf>.
非专利文献2：矢萩智裕,“光格子時計の測地分野での利用可能性”,科学技術·学術審議会先端研究基盤部会,量子科学技術委員会(第3回),pp1～14,2016年5月10日,[平成30年6月12日検索]、インターネット<http://www.mext.go.jp/b_menu/shingi/gijyutu/gijyutu17/010/shiryo/__icsFiles/afieldfile/2016/06/23/1372759_6.pdf>.
发明内容
发明要解决的课题
在非专利文献2中，表示了在基于水准测量的海拔决定中需要较多的时间和费用。而且，表示了光格子钟在水准点的海拔决定中的可能性。
如上述，大地水准面高度为重要的测量对象。然而，并没有容易地测量大地水准面高度的方法。因此，在本发明中，目的在于，提供用于容易地测量大地水准面高度的变化的大地水准面测量方法、大地水准面测量装置、大地水准面估计装置、大地水准面计算用数据采集装置。
用于解决课题的方案
本发明的大地水准面测量方法执行惯性计测数据获取步骤、对比数据获取步骤、状态变量估计步骤、大地水准面计算步骤。在惯性计测数据获取步骤中，基于被安装于移动体的具有3轴陀螺仪和3轴加速度仪的惯性计测单元的输出，获取与速度、位置、姿态角度有关的数据作为惯性由来数据。在对比数据获取步骤中，从惯性计测单元以外获取与速度有关的数据作为对比数据。在状态变量估计步骤中，通过使用惯性由来数据和对比数据，实施将铅垂线偏差包含在状态变量中的卡尔曼滤波，从而估计包含了铅垂线偏差的状态变量。在大地水准面计算步骤中，基于估计出的铅垂线偏差，求得进行了该估计的位置处的大地水准面高度的变化。
本发明的大地水准面测量装置包括惯性计测数据获取单元、对比数据获取单元、状态变量估计单元、大地水准面计算单元。惯性计测数据获取单元具备被安装于移动体的具有3轴陀螺仪和3轴加速度仪的惯性计测单元，获取与速度、位置、姿态角度有关的数据作为惯性由来数据。对比数据获取单元从惯性计测单元以外获取与速度有关的数据作为对比数据。状态变量估计单元通过使用惯性由来数据和对比数据，实施将铅垂线偏差包含在状态变量中的卡尔曼滤波，从而估计包含了铅垂线偏差的状态变量。大地水准面计算单元基于估计出的铅垂线偏差，求得进行了该估计的位置处的大地水准面高度的变化。
本发明的大地水准面估计装置包括记录单元、状态变量估计单元、大地水准面计算单元。记录单元将基于被安装于移动体的具有3轴陀螺仪和3轴加速度仪的惯性计测单元的输出而获取的与速度、位置、姿态角度有关的数据即惯性由来数据、以及从惯性计测单元以外获取的与速度有关的数据即对比数据建立关联并记录。状态变量估计单元通过使用惯性由来数据和对比数据，实施将铅垂线偏差包含在状态变量中的卡尔曼滤波，从而估计包含了铅垂线偏差的状态变量。大地水准面计算单元基于估计出的铅垂线偏差，求得进行了该估计的位置处的大地水准面高度的变化。
本发明的大地水准面计算用数据采集装置包括惯性计测数据获取单元、对比数据获取单元、记录单元。惯性计测数据获取单元基于被安装于移动体的具有3轴陀螺仪和3轴加速度仪的惯性计测单元的输出，获取与速度、位置、姿态角度有关的数据作为惯性由来数据。对比数据获取单元从惯性计测单元以外获取与速度有关的数据作为对比数据。记录单元将惯性由来数据和对比数据建立关联并记录。此外，惯性计测单元的特征在于，具有在预先确定的程度内能够辨别起因于铅垂线偏差的误差的零偏(bias)稳定性。
发明效果
根据本发明的大地水准面测量方法、大地水准面测量装置、大地水准面估计装置，能够通过计算求得大地水准面高度的变化。根据大地水准面计算用数据采集装置，能够采集为了通过计算求得大地水准面高度的变化所需要的数据。
附图说明
图1是表示非专利文献1的图4所示的“GPS混合导航框图(宽松杯方式)”的图。
图2是表示大地水准面测量装置、大地水准面计算用数据采集装置、大地水准面估计装置的功能结构例子的图。
图3是表示大地水准面计算用数据采集装置的处理流程的例子的图。
图4是表示大地水准面估计装置的处理流程的例子的图。
图5是表示大地水准面测量装置的处理流程的例子的图。
图6是表示将具备了具有与现有同等级别的精度的环形激光陀螺仪的惯性计测单元搭载在车上，获取位置、速度、角度的数据，而没有获取对比数据的情况下的图。
图7是表示将具备了具有与现有同等级别的精度的环形激光陀螺仪的惯性计测单元搭载在车上，使用卫星定位的数据作为对比数据，设为与本发明的大地水准面测量装置相同的结构，对于1次行驶中得到的数据，实施将铅垂线偏差和重力异常包含在状态变量中的卡尔曼滤波，从而估计包含了铅垂线偏差和重力异常的状态变量的例子的图。
图8是表示基于在图7所示的例子中估计出的铅垂线偏差，测量大地水准面高度的例子的图。
图9是表示以与图6相同的结构在相当于10次的行驶中得到的数据的图。
图10是表示以与图8相同的结构，使用在相当于10次的行驶中得到的数据来测量大地水准面高度的例子的图。
图11是表示以与图8相同的结构，对于用100台车获取的数据的平均，实施将铅垂线偏差和重力异常包含在状态变量中的卡尔曼滤波，从而估计包含了铅垂线偏差和重力异常的状态变量，基于估计出的铅垂线偏差，估计大地水准面高度的例子的图。
图12中表示，将艾伦(allan)方差与现有相比提高了1个数量级的惯性计测单元搭载在车上，使用卫星定位的数据作为对比数据，设为与本发明的大地水准面测量装置相同的结构，使用1次行驶中得到的数据来测量大地水准面高度的例子的图。
具体实施方式
以下，详细地说明本发明的实施方式。另外，对具有相同功能的结构单元标注相同的标号，省略重复说明。
实施例1
＜装置结构和处理流程＞
图2中表示大地水准面测量装置、大地水准面计算用数据采集装置、大地水准面估计装置的功能结构例子。图3表示了大地水准面计算用数据采集装置的处理流程的例子，图4表示了大地水准面估计装置的处理流程的例子，图5表示了大地水准面测量装置的处理流程的例子。大地水准面计算用数据采集装置100包括惯性计测数据获取单元120、对比数据获取单元130、记录单元300。大地水准面估计装置200包括记录单元300、状态变量估计单元210、大地水准面计算单元220。大地水准面测量装置10是包含了大地水准面计算用数据采集装置100和大地水准面估计装置200两者的结构，包括惯性计测数据获取单元120、对比数据获取单元130、状态变量估计单元210、大地水准面计算单元220、记录单元300。此外，大地水准面计算用数据采集装置100和大地水准面估计装置200也可以分开设置。另外，通过执行被配置(install)在计算机等的处理电路中的程序，也可以实现大地水准面测量装置10、大地水准面计算用数据采集装置100、大地水准面估计装置200。
惯性计测数据获取单元120也可以包含惯性计测单元110，惯性计测单元110也可以位于惯性计测数据获取单元120的外部，并仅收发数据。惯性计测单元110被安装于移动体，具有3轴陀螺仪和3轴加速度仪。移动体是指汽车、火车、船、飞机等。在惯性计测单元110内，也可以配备将来自3轴陀螺仪和3轴加速度仪的输出转换为速度、位置、姿态角度的功能，转换的功能也可以被配备在惯性计测单元110的外部且惯性计测数据获取单元120的内部。惯性计测数据获取单元120基于被安装于移动体的具有3轴陀螺仪和3轴加速度仪的惯性计测单元的输出，获取与速度、位置、姿态角度有关的数据作为惯性由来数据(S110、S120)。“与速度有关的数据”不仅是速度的数据，也可以是位置的数据或加速度的数据。“与位置有关的数据”可以是相对于预先确定的固定的点的相对位置，也可以是相对于上一次测量出的位置(每次改变的点)的相对位置，也可以是如纬度、经度、高度那样的绝对位置。这样，“有关的数据”也可以是速度、位置、姿态角度本身，如果是唯一地求得它们的数据，也可以不是其本身。
惯性计测单元110的特征在于，具有在预先确定的程度内能够辨别起因于铅垂线偏差的误差的零偏(bias)稳定性。“铅垂线偏差”是，地球上的实际铅垂线的方向(放下铅坠并使其静止的线的方向)与地球椭球体表面的法线方向之差。例如，存在南北方向的铅垂线偏差和东西方向的铅垂线偏差。在提交本申请时，由于在通常被用于飞机的陀螺仪的情况下，以零偏稳定性为起因的误差较大，因此起因于铅垂线偏差的误差被忽略。例如，即使在非专利文献1中所示的惯性装置的混合技术中，也未考虑南北方向的铅垂线偏差、东西方向的铅垂线偏差。此外，也未考虑重力异常。“重力异常”是重力的实测值和标准重力之差。但是，尽管处于研究阶段，但如果使用了原子波或离子的陀螺仪被实用，则精度会数量级地提高。此外，即使是已经处于实用阶段的环形激光陀螺仪(RLG)，如果直径增大10倍，则理论上精度也能够达到100倍。而且，如果搭载在汽车或火车上，则即使环形激光陀螺仪的直径增大10倍也能够搭载。此外，如果使用在相同路径中反复测量了N次而得到的数据，则精度能够成为N1/2。因此，能够对零偏稳定性进行设定，以使在预先确定的程度内能够辨别起因于南北方向的铅垂线偏差和东西方向的铅垂线偏差的误差。另外，“在预先确定的程度内”用于决定通过计算求得的大地水准面高度的精度，根据被要求的精度适当确定即可。
对比数据获取单元130从惯性计测单元110以外获取与速度有关的数据作为对比数据(S130)。对比数据获取单元130例如可以获取GPS(全球定位系统(Global PositioningSystem))等卫星定位的数据，也可以获取速度仪等惯性计测单元110以外的数据。“与速度有关的数据”意味着不仅可以是速度本身的数据，还可以是如位置的数据或加速度的数据那样地能够唯一地求得速度的数据。例如，在对比数据获取单元130捕获从人造卫星发送的电波的情况下，对比数据为纬度、经度、椭球体高度的数据。纬度、经度、椭球体高度的数据虽然是位置的数据，但如果要求得时间变化，则能够唯一地转换为速度的数据。因此，纬度、经度、椭球体高度的数据也被包含在“与速度有关的数据”中。
在大地水准面计算用数据采集装置100的情况下，记录单元300将惯性由来数据和对比数据建立关联并记录(S300)。在大地水准面测量装置10的情况下，可以一次记录在记录单元300中，也可以将惯性由来数据和对比数据建立关联并输入至状态变量估计单元210。在被记录于记录单元300的情况下，记录单元300成为如下的状态：将基于被安装于移动体的具有3轴陀螺仪和3轴加速度仪的惯性计测单元110的输出而获取的与速度、位置、姿态角度有关的数据即惯性由来数据、以及从惯性计测单元110以外获取的与速度有关的数据即对比数据建立关联并记录了的状态。另外，记录在大地水准面计算用数据采集装置100的记录单元300中的数据可以通过使记录单元300自身移动而嵌入到大地水准面估计装置200中，也可以经由网络发送到大地水准面估计装置200的记录单元300中。
状态变量估计单元210通过使用惯性由来数据和对比数据，实施将铅垂线偏差包含在状态变量中的卡尔曼滤波(卡尔曼滤波器(kalman filter))，从而估计包含了铅垂线偏差的状态变量(S210)。卡尔曼滤波至少将铅垂线偏差、速度、位置、姿态角度包含在状态变量中。作为铅垂线偏差，也可以将南北方向的铅垂线偏差和东西方向的铅垂线偏差的分量包含在状态变量中。因此，能够估计惯性由来数据的误差和铅垂线偏差。另外，卡尔曼滤波也可以在状态变量中包含重力异常的分量。在大地水准面测量装置10的情况下，也可以将基于估计出的状态变量而求得的惯性由来数据的误差反馈给惯性计测数据获取单元120或惯性计测单元110。如果这样反馈，则能够如专利文献1、非专利文献1那样利用混合技术。因此，能够使用估计出的状态变量校正惯性计测数据获取单元120所获取的与速度、位置、姿态角度有关的数据，因此能够一边校正状态一边测量大地水准面高度的变化。
大地水准面计算单元220基于估计出的铅垂线偏差，求得进行了该估计的位置处的大地水准面高度的变化(S220)。作为“铅垂线偏差”，也可以估计南北方向的铅垂线偏差和东西方向的铅垂线偏差。另外，记录单元300也可以预先记录对于预先规定的基准位置的大地水准面高度的信息。例如，水准点的大地水准面高度等。在这种情况下，大地水准面计算单元220也可以基于规定的基准位置的大地水准面高度的信息，求得每个进行了估计的位置的大地水准面高度。例如，如果移动体在包含1个水准点的路径上移动，则可知路径中的1点的大地水准面高度。在路径上的其他的点处，根据与已知大地水准面高度的点的差求得该点的大地水准面高度即可。特别地，在利用汽车或火车作为移动体，通过GPS得到来自惯性计测单元110以外的位置信息的情况下，能够获取纬度、经度、椭球体高度作为对比数据。而且，由于还知道大地水准面高度，因此还能够求得相对于纬度、经度的海拔。
根据大地水准面计算用数据采集装置100，惯性计测单元110具有在预先确定的程度内能够辨别起因于南北方向的铅垂线偏差和东西方向的铅垂线偏差的误差的零偏稳定性，因此能够采集为了通过计算求得大地水准面高度的变化所需要的数据。根据本发明的大地水准面测量方法、大地水准面测量装置10、大地水准面估计装置200，通过使用惯性由来数据和对比数据，实施将铅垂线偏差包含在状态变量中的卡尔曼滤波，从而估计包含了铅垂线偏差的状态变量，因此能够求得大地水准面高度的变化。另外，即使不知道大地水准面高度，但如果知道大地水准面高度的变化，也能够将本发明的大地水准面测量方法、大地水准面测量装置10、大地水准面估计装置200、大地水准面计算用数据采集装置100用于资源搜索等用途。
＜理论性的说明和仿真(simulation)＞
航空坐标系中的速度方程式如下给出。
【数1】
Figure BDA0002827815480000081
上标和下标中n表示导航坐标系、e表示地球固定系、b表示机体坐标系。若用分量表示，则得到下式。
【数2】
Figure BDA0002827815480000082
其中，vN、vE、vD分别对应于北方向速度、东方向速度、下方向速度。Cb n是决定机体坐标系相对于导航坐标系的姿态的方向余弦矩阵。fibx b、fiby b、fibz b表示3个加速度仪所测量的力。λ、h表示机体的纬度和高度，R0、Ω表示地球的半径和自转角速度。若计算式中的外积，进而将南北方向、东西方向的铅垂线偏差用ξ、η表示，则得到下式。在该式中，忽略铅垂方向的重力变化(与g的偏移)。
【数3】
Figure BDA0002827815480000091
此外，若将重力异常以δ表示，则得到下式。
【数4】
Figure BDA0002827815480000092
另外，虽然重力异常是为求得大地水准面高度的变化而没有利用的状态变量，但在提高惯性计测单元的精度的情况下，被认为将重力异常也包含在状态变量中的情况能够准确地求得铅垂线偏差。
除上述的速度以外，对于姿态角度和位置也存在同样的微分方程式，但铅垂线偏差所影响的是与速度有关的微分方程式。在本发明中，通过在将至少2个分量的铅垂线偏差包含于系统的状态变量后实施卡尔曼滤波，使得能够进行包含了铅垂线偏差的状态变量的估计。此外，如果还考虑重力异常，则存在更准确地估计铅垂线偏差的可能性。
图6～图12中表示与大地水准面高度的测量有关的仿真结果。在图6中，表示将具备了具有与现有同等级别的精度的环形激光陀螺仪(RLG)的惯性计测单元搭载在车上，获取位置、速度、角度的数据，而没有获取对比数据的情况。在图6所示的方法的情况下，由于没有获取对比数据，因此无法实施卡尔曼滤波。因此，不仅没有考虑铅垂线偏差和重力异常，也没有进行基于卡尔曼滤波的状态变量的估计。位置、速度、角度表示由惯性计测单元获取到的数据。在图7中，表示将具备了具有与现有同等级别的精度的环形激光陀螺仪的惯性计测单元搭载在车上，通过使用卫星定位的数据作为对比数据，设为与本发明的大地水准面测量装置相同的结构，对于1次行驶中得到的数据，实施将铅垂线偏差和重力异常包含在状态变量中的卡尔曼滤波，从而估计包含铅垂线偏差和重力异常的状态变量的例子。在图8中，表示基于在图7所示的例中估计出的铅垂线偏差，测量大地水准面高度的例子。在图9中，表示以与图6相同的结构在相当于10次的行驶中得到的数据。在图10中，表示以与图8相同的结构，使用在相当于10次的行驶中得到的数据测量大地水准面高度的例子。在图11中，表示以与图8相同的结构，对于通过100台车获取的数据的平均，实施将铅垂线偏差和重力异常包含在状态变量中的卡尔曼滤波，从而估计包含了铅垂线偏差和重力异常的状态变量，基于估计出的铅垂线偏差，估计大地水准面高度的例子。在图12中，表示将艾伦方差与现有相比提高了1个数量级的惯性计测单元搭载在车上，使用卫星定位的数据作为对比数据，设为与本发明的大地水准面测量装置相同的结构，使用1次行驶中得到的数据测量大地水准面高度的例子。无论在哪个仿真中，都使车在南北方向上以50km时速行驶80分钟。此外，在进行大地水准面高度的测量的例子中，一部分路径的大地水准面高度是已知的。若汇总图6～图12的仿真的条件，则如下所示。
图6：车以50km时速行驶80分钟，使用RLG型惯性导航装置，仅使用惯性由来数据。
图7：车以50km时速行驶80分钟，使用RLG型惯性导航装置和卫星定位，每10秒进行卫星定位，实施卡尔曼滤波，估计状态变量。
图8：车以50km时速行驶80分钟，使用RLG型惯性导航装置和卫星定位，每10秒进行卫星定位，实施卡尔曼滤波，估计状态变量，计算大地水准面高度。
图9：车以50km时速行驶80分钟，使用RLG型惯性导航装置，仅使用惯性由来数据，使用相当于10次的数据。
图10：车以50km时速行驶80分钟，使用RLG型惯性导航装置和卫星定位，每10秒进行卫星定位，实施卡尔曼滤波，估计状态变量，计算大地水准面高度，使用相当于10次的数据。
图11：车以50km时速行驶80分钟，使用RLG型惯性导航装置和卫星定位，每10秒进行卫星定位，实施卡尔曼滤波，估计状态变量，计算大地水准面高度，是100台车的数据的平均。
图12：车以50km时速行驶80分钟，使用将艾伦方差提高了1个数量级的惯性计测单元和卫星定位，每10秒进行卫星定位，实施卡尔曼滤波，估计状态变量，计算大地水准面高度，测量为1次。
在图6～图12的各图中，横轴表示移动距离(km)。就纵轴而言，(A1)表示行进方向的位置的偏移(m)，(B1)表示横向位置的偏移(m)，(C1)表示上下方向的位置的偏移(m)，(A2)表示行进方向的速度的偏移(km/h)，(B2)表示横向的速度的偏移(km/h)，(C2)表示上下方向的速度的偏移(km/h)，(A3)～(C3)表示姿态角度的偏移(度)，(A4)表示南北方向的铅垂线偏差ξ(角秒(SOA：second of arc))，(B4)表示东西方向的铅垂线偏差η(SOA)，(C4)表示重力异常(g)，(D)表示大地水准面高度的变化或大地水准面高度(m)。另外，(A3)表示欧拉角度
Figure BDA0002827815480000111
(B3)表示欧拉角度θ，(C3)表示欧拉角度ψ。图6的(A4)、(B4)的标注[1]的线表示在仿真中设定的实际值(在能够准确地进行了仿真的情况下是一致的铅垂线偏差)。图7～图12中也被记载了同样的线，但在难以标注[1]时省略。图7的(A4)、(B4)的标注[2]的线表示估计出的铅垂线偏差。图8也是同样。在图6、图9所示的仿真中没有估计铅垂线偏差。在图10的(A4)、(B4)中，没有标注[1]的线是估计出的铅垂线偏差。在图11、图12中，由于实际值和估计出的铅垂线偏差大致一致，因此省略[1]和[2]。图8的(D)的标注[3]的线表示在仿真中设定的实际的大地水准面高度。标注[4]的线表示求得的大地水准面高度。在图10的(D)中，没有标注[3]的线是求得的大地水准面高度。在图11、图12中，由于实际的大地水准面高度和求得的大地水准面高度大致一致，因此省略[3]和[4]。大地水准面高度能够通过估计出的铅垂线偏差的路径积分而求得。在仿真中，由于车向南北行驶，因此由南北的铅垂线偏差ξ的路径积分求得大地水准面高度。
在图6所示的仿真中，由于没有估计状态变量，因此惯性由来数据的误差、铅垂线偏差和重力异常都无法估计。因此，南北方向的铅垂线偏差、东西方向的铅垂线偏差、重力异常为“0”。在图7所示的仿真中，估计包含了铅垂线偏差和重力异常的状态变量。因此，能够估计惯性由来数据的误差、铅垂线偏差和重力异常。此外，使用估计出的状态变量对惯性由来数据进行校正。但是，由于惯性由来数据的精度较低，因此根据图7的(A4)、(B4)可知，南北方向的铅垂线偏差和东西方向的铅垂线偏差与表示实际值的标注[1]的线不同。图8是基于图7所示的估计出的铅垂线偏差，测量大地水准面高度的例子。由于惯性由来数据的精度较低，因此如图8(D)所示，求得的大地水准面高度与实际的大地水准面高度完全不同。在图9所示的仿真中，表示以与图6相同的结构测量出的、相当于10次的数据。根据图9(A1)～(A3)、(B1)～(B3)、(C1)～(C3)可知，尽管以相同的结构测量相同的路径，但测量数据的偏差较大。图10表示在将与图8同样的处理进行了10次时的数据。根据图10(A4)、(B4)、(D)可知，南北方向的铅垂线偏差、东西方向的铅垂线偏差和大地水准面高度的偏差都非常大。图11使用了100台车的数据的平均。由于使用了100次反复测量的数据的平均，因此惯性由来数据的精度提高了10倍。根据图11(A4)、(B4)、(D)可知，求得的南北方向的铅垂线偏差、东西方向的铅垂线偏差和大地水准面高度与实际几乎一致。即，可知如果使惯性由来数据的精度相比以往提高1个数量级，则能够测量与实际的大地水准面高度的变化同样的大地水准面高度的变化。在图12中，由于惯性计测单元的精度提高1个数量级，因此通过1次行驶中得到的数据而成为与图11同样的结果。
在使用本申请提交时被产品化的通常的陀螺仪的情况下，能够通过反复测量而减轻误差来实施本发明的大地水准面测量方法、大地水准面测量装置、大地水准面估计装置、大地水准面计算用数据采集装置。此外，如果进行将环形激光陀螺仪的直径增大等应对，则即使不进行反复测量也能够实施。
例如，如果将具有使精度提高的惯性计测单元的本发明的大地水准面测量装置搭载在汽车上，并行驶在2个水准点之间，则能够容易地测量连续的大地水准面高度。而且，如果还利用GPS的信息，则还容易地知道连续的海拔。此外，如果将具有使精度提高的惯性计测单元的本发明的大地水准面测量装置搭载在汽车上，并定期地使其行驶，则能够定期地测量大地水准面高度的变化。因此，存在能够观测地壳和地基的移动的可能性。
标号说明
10 大地水准面测量装置
100 大地水准面计算用数据采集装置
110 惯性计测单元
120 惯性计测数据获取单元
130 对比数据获取单元
200 大地水准面估计装置
210 状态变量估计单元
220 大地水准面计算单元
300 记录单元

Claims (13)

1.一种大地水准面测量方法，执行以下步骤：
惯性计测数据获取步骤，基于被安装于移动体的具有3轴陀螺仪和3轴加速度仪的惯性计测单元的输出，获取与速度、位置、姿态角度有关的数据作为惯性由来数据；
对比数据获取步骤，从所述惯性计测单元以外获取与速度有关的数据作为对比数据；
状态变量估计步骤，通过使用所述惯性由来数据和所述对比数据，实施将铅垂线偏差包含在状态变量中的卡尔曼滤波，从而估计包含了铅垂线偏差的状态变量；以及
大地水准面计算步骤，基于估计出的所述铅垂线偏差，求得进行了该估计的位置处的大地水准面高度的变化。
2.如权利要求1所述的大地水准面测量方法，其特征在于，
所述惯性计测数据获取步骤中获取的与速度、位置、姿态角度有关的数据是使用估计出的所述状态变量校正过的数据。
3.如权利要求1或2所述的大地水准面测量方法，其特征在于，
在所述大地水准面计算步骤中，基于预先获取的基准位置的大地水准面高度的信息，求得每个进行了所述估计的位置的大地水准面高度。
4.一种大地水准面测量装置，包括：
惯性计测数据获取单元，具备被安装于移动体的具有3轴陀螺仪和3轴加速度仪的惯性计测单元，获取与速度、位置、姿态角度有关的数据作为惯性由来数据；
对比数据获取单元，从所述惯性计测单元以外获取与速度有关的数据，作为对比数据；
状态变量估计单元，通过使用所述惯性由来数据和所述对比数据，实施将铅垂线偏差包含在状态变量中的卡尔曼滤波，从而估计包含了铅垂线偏差的状态变量；以及
大地水准面计算单元，基于估计出的所述铅垂线偏差，求得进行了该估计的位置处的大地水准面高度的变化。
5.如权利要求4所述的大地水准面测量装置，其特征在于，
所述惯性计测数据获取单元获取的与速度、位置、姿态角度有关的数据是使用估计出的所述状态变量校正过的数据。
6.如权利要求4或5所述的大地水准面测量装置，其特征在于，还包括：
记录单元，记录了相对于预先规定的基准位置的大地水准面高度的信息，
所述大地水准面计算单元基于所述大地水准面高度的信息，求得每个进行了所述估计的位置的大地水准面高度。
7.如权利要求4至6的任意一项所述的大地水准面测量装置，其特征在于，
所述对比数据获取单元捕获从人造卫星发送的电波。
8.如权利要求4至6的任意一项所述的大地水准面测量装置，其特征在于，
所述对比数据获取单元具有速度仪。
9.如权利要求4至8的任意一项所述的大地水准面测量装置，其特征在于，
所述陀螺仪是使用了原子波或离子的陀螺仪。
10.一种大地水准面估计装置，包括：
记录单元，将基于被安装于移动体的具有3轴陀螺仪和3轴加速度仪的惯性计测单元的输出而获取的与速度、位置、姿态角度有关的数据即惯性由来数据、以及从所述惯性计测单元以外获取的与速度有关的数据即对比数据建立关联并记录；
状态变量估计单元，通过使用所述惯性由来数据和所述对比数据，实施将铅垂线偏差包含在状态变量中的卡尔曼滤波，从而估计包含了铅垂线偏差的状态变量；以及
大地水准面计算单元，基于估计出的所述铅垂线偏差，求得进行了该估计的位置处的大地水准面高度的变化。
11.如权利要求10所述的大地水准面估计装置，其特征在于，
所述记录单元还记录了相对于预先规定的基准位置的大地水准面高度的信息，
所述大地水准面计算单元基于所述大地水准面高度的信息，求得每个进行了所述估计的位置的大地水准面高度。
12.一种大地水准面计算用数据采集装置，其特征在于，包括：
惯性计测数据获取单元，基于被安装于移动体的具有3轴陀螺仪和3轴加速度仪的惯性计测单元的输出，获取与速度、位置、姿态角度有关的数据作为惯性由来数据；
对比数据获取单元，从所述惯性计测单元以外获取与速度有关的数据作为对比数据；以及
记录单元，将所述惯性由来数据和所述对比数据建立关联并记录，
所述惯性计测单元具有在预先确定的程度内能够辨别起因于铅垂线偏差的误差的零偏稳定性。
13.一种大地水准面计算用数据采集装置，其特征在于，包括：
惯性计测数据获取单元，具备被安装于移动体的具有3轴陀螺仪和3轴加速度仪的惯性计测单元，获取与速度、位置、姿态角度有关的数据作为惯性由来数据；
对比数据获取单元，从所述惯性计测单元以外获取与速度有关的数据作为对比数据；以及
记录单元，将所述惯性由来数据和所述对比数据建立关联并记录，
所述惯性计测单元具有在预先确定的程度内能够辨别起因于铅垂线偏差的误差的零偏稳定性。
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