JP2004053312A - 方位計測装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】振動ジャイロのようなドリフトが問題となる自立型センサを用いることなく、移動体の進行方向や向きを高精度に求められるようにした方位計測装置を提供する。
【解決手段】受信点の移動による測位用信号のキャリア位相変化量に基づき、所定周期のエポック間での受信点の偏位量を求め、最新エポックE0 から所定距離分または所定時間分戻った、例えばエポックE−5までの積算偏位量を求め、この積算偏位量により、エポックE−5からエポックE0 への方位を求める。この方位を移動体の進行方向を表すデータとして出力する。
【選択図】 図6
【解決手段】受信点の移動による測位用信号のキャリア位相変化量に基づき、所定周期のエポック間での受信点の偏位量を求め、最新エポックE0 から所定距離分または所定時間分戻った、例えばエポックE−5までの積算偏位量を求め、この積算偏位量により、エポックE−5からエポックE0 への方位を求める。この方位を移動体の進行方向を表すデータとして出力する。
【選択図】 図6
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、GPS衛星などの測位用衛星から送信される電波を受信して移動体の進行方向や向きを求めるための方位計測装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、例えば田植え機やトラクタなどの農機を自動的に直進走行させるための装置として、予め定めた進行方向からの方位ずれが生じた場合に、そのずれを修正する方向に自動的にステアリング操作を行うようにした装置が開発されている。
【0003】
上記方位ずれを検出するセンサとしては振動ジャイロが用いられている。これは、レートジャイロと異なって、高速回転体を用いず、振動している音叉によって角速度を検出するものであり、振動している音叉の中心軸周りに角速度が加わると、音叉の振動方向に対して直角方向に入力角速度に比例した振動が生じるという力学現象を利用したものである。
【0004】
また、上記振動ジャイロのような自立型センサを用いないで、単独測位を行うGPS受信機を用いた装置も研究されている。すなわち、GPS受信機は受信点の移動速度情報を出力するので、それを利用してGPS受信機を搭載した移動体の移動方位を計測でき、これを移動体進行方向の自動制御に利用することができる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来の振動ジャイロを用いた装置では、振動ジャイロのドリフト調整が困難であり、移動体の進行方向を精度良く求められないという問題があった。
【0006】
また、単独測位を行うGPS受信機は、GPS衛星からの受信信号のドップラ成分を検出して受信点の三次元方向の移動速度を検出するものであるが、例えば田植え機などを直進させるための情報としてはその精度が不十分であった。
【0007】
この発明の目的は、上述の問題を解消して、移動体の進行方向や向きを高精度に求められるようにした方位計測装置を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
この発明の方位計測装置は、複数の測位用衛星からの測位用信号を受信し、受信点の移動による前記測位用信号のキャリア位相変化量に基づき、所定周期のエポック間での受信点の偏位量を求めるとともに、該偏位量を順次記憶する手段と、現在位置から所定距離分または所定時間分戻った参照位置までの積算偏位量を、前記エポック間の偏位量の積算によって求める手段と、前記積算偏位量により前記参照位置から現在位置への方位を求めるようにしたことを特徴としている。
【0009】
また、この発明の方位計測装置は、複数の測位用衛星からの測位用信号を受信し、受信点の移動による前記測位用信号のキャリア位相変化量に基づき、所定周期のエポック間での受信点の偏位量を求めるとともに、該偏位量を順次記憶する手段と、現在位置から所定距離分または所定時間分戻った参照位置までの各受信点の位置を前記偏位量の積算により求め、各受信点の位置を基に前記参照位置から現在位置への方位を求める手段とを備えたことを特徴としている。
【0010】
このように、各測位用衛星から送信された測位用信号のキャリア位相変化量に基づいて、受信点の偏位量を求め、現在位置から所定距離分または所定時間分戻った参照位置と現在位置との位置関係に基づいて、または、参照位置から現在位置までの各受信点位置に基づいて、参照位置から現在位置までの方位を求めるようにしたので、振動ジャイロなどの自立型センサを用いた場合のドリフト調整の問題はなく、また測位用信号のドップラ周波数から受信点の移動速度を求めるものに比べて、所定周期のエポック毎にエポック間の偏位を高精度に求めることができ、結果的に高精度な方位計測が可能となる。
【0011】
また、この発明の方位計測装置は、前記測位用信号を受けるアンテナを前記方位計測装置を搭載する移動体の基準方向に対して所定角度方向に移動させるアンテナ移動手段を設けたことを特徴としている。
【0012】
これにより、この方位計測装置を搭載する移動体が静止している状態でも、例えば移動体の前後方向にアンテナを移動させることによって、移動体の向きを求めることができるようになる。
【0013】
【発明の実施の形態】
この発明の第1の実施形態である方位計測装置の構成を各図を参照して説明する。
図1は装置全体の構成を示すブロック図である。図1において、1はGPSアンテナ、2はGPSアンテナ1からの信号を中間周波信号IFに変換するダウンコンバータ、3はこの中間周波信号を信号処理して、C/Aコード位相およびキャリア位相の情報を求める受信信号処理部である。また、4は受信信号処理部3の制御によって得た情報を基に受信点の偏位量を求める測位演算部である。
【0014】
ダウンコンバータ2は、基準周波数信号を発生する基準発振器21と、その基準周波数信号とのミキシングにより周波数変換し、さらに所定ビット数のディジタルデータに変換する、ミキサ、アンプ、フィルタおよびA/Dコンバータ等を含む回路22とから構成している。
【0015】
受信信号処理部3は、C/Aコード発生器、そのコード位相を数値制御するコードNCO、所定のコード位相のずれを有する3つのC/Aコードと入力信号とを乗算し、それらの値をそれぞれ積分することによって相関を求める相関器を備えている。測位演算処理部4は、これらの相関結果からC/Aコード位相を求めるとともに、その追尾を行う。また、受信信号処理部3は、位相が0°と90°のキャリア信号を発生するキャリアNCO、このキャリア信号と入力信号との乗算を行い、それぞれの結果を積分することによって相関を求める相関器を備えている。また、受信信号処理部3は、入力信号のキャリア位相の修正量(追尾量)を積算カウントする位相カウンタを備えていて、これによりキャリア位相を求めるとともに、その追尾を行う。
【0016】
測位演算部4は、CPU41、ROM42、RAM43、RTC(リアルタイムクロック)44、外部へデータを出力するためのインタフェース45、および受信信号処理部3に対してデータを入出力するためのインタフェース46を備えている。この測位演算部4は、受信信号処理部3で求められたコード位相に関する相関値からコードNCOの位相を制御し、キャリア位相に関する相関値からキャリアNCOの周波数を制御することによって、C/Aコード位相およびキャリア位相の追尾を行う。また、上記位相カウンタのカウント値を読み取って、観測周期における、波長の端数に相当する位相角を含めた波数の変化分(キャリア位相変化量DR)を求める。
【0017】
また、後述するように、受信点(GPSアンテナ1の中心)の3次元の偏位量を算出し、これを外部へ出力する。
【0018】
図2は測位演算部4の処理手順を示すフローチャートである。この処理は観測を行う所定エポック毎に繰り返し行われる。
まず、現在追尾中の複数の衛星についてのコード位相を基に単独測位を行う(n1)。この単独測位による受信点位置は、受信点から各衛星への方向余弦を求めるために用いる。次に、受信信号処理部3で求められたキャリア位相の修正量(追尾量)の積算カウント値を読み取り、前回の値との差をキャリア位相変化量DRとして求める(n2→n3)。続いて、前回のエポック時から今回のエポックまでのエポック周期における衛星の移動によって生じるキャリア位相の変化分DRaを算出する(n4)。具体的には、受信点の位置と前回エポックでの衛星の位置および今回エポックでの衛星の位置とから逆算する。また、各衛星が備える基準発振器のドリフトによるキャリア位相変化分DRbを航法メッセージ中のGPS時刻補正係数から算出する(n5)。そして上記キャリア位相変化量DRから、衛星移動によるキャリア位相変化分DRaと衛星の基準発振器のドリフトによるキャリア位相の変化分DRbとを差し引いて、受信点の移動に伴うキャリア位相の変化量DR′を求める(n6)。
【0019】
その後、4つ以上の各衛星について求めたキャリア位相変化量DR′と各衛星の現在位置とに基づいて、受信点から各衛星までの距離変化をそれぞれ求め、これらの距離変化と、受信点から各衛星への方向余弦とから方程式を立て、受信点の3次元方向の偏位量を求める。すなわち、方向余弦の逆行列と、受信点−衛星間の距離変化量の行列との積で求める。尚、この時、4つ目の未知数は受信機の基準発振器のドリフトとして求められる(n7)。
【0020】
このようにして求めたエポック間の偏位量を順次記憶する(n8)。
【0021】
その後はステップn1の処理へ戻り、以上の処理を所定のエポック毎に繰り返す。たとえば0.2秒ごとに繰り返すことによって、0.2秒周期でエポック間の偏位量を求め、順次記憶する。
【0022】
図3はそのエポック間の経度方向の偏位量の記憶例を示している。ここで横軸は経過時間、黒丸は0.2秒周期のエポックのタイミングをそれぞれ示している。E0 は最新のエポック、E−1はそれより0.2秒過去のエポック、E−2はそれより更に0.2秒過去のエポックである。このような各エポック間の偏位量を、所定距離分(所定の積算偏位量分)または所定時間に亘って、経度(東西)方向、緯度(南北)方向、高さ(上下)方向のそれぞれについてテーブルとして記憶する。
図3の例では、エポックE−1からE0 まで25cm偏位している。また例えばエポックE−5からE0 まで積算偏位量として101cm偏位している。
【0023】
このようにしてエポック毎にエポック間の偏位量を順次記憶したテーブルを基に、最新のエポックから所定距離分または所定時間分戻った時点に最も近いエポックの位置を参照位置として求め、その参照位置から最新のエポックにおける位置への方位を求める。
【0024】
例えば受信点が3.6km/h(=1m/s)で移動すれば、前述の方法で、約1度(±0.5度)の精度で方位計測が可能である。この精度は、図4に示すように1m進む毎に約2cm(±1cm)の誤差に相当し、田植え機などを直進させるためのセンサとしては十分な実用的価値がある。
【0025】
図5は方位計測装置の処理手順を示すフローチャートである。まず、最新エポックの位置から積算偏位量が所定長になるまで戻った時点に最も近いエポックを検出する(n1)。例えばこの所定長を1mとすれば、図3の例で、エポックE0 からE−5までの積算偏位量が101cmであるので、E−5を検出する。
【0026】
次に、そのエポックにおける位置から最新のエポックE0 における位置を向く方位を求める(n2)。すなわち、図3に示した例では、エポックE−5における位置から最新のエポックE0 における位置まで、経度方向の積算偏位量が101cmである。これと同様にして求めた緯度方向および高さ方向のエポックE−5における位置からE0 における位置までの積算偏位量に基づいて、エポックE−5における三次元位置からエポックE0 における三次元位置への三次元方位を求める。そして、例えば北を基準とした二次元の(水平面上の)方位データを求め、それを出力する(n3)。
【0027】
尚、図5のステップn1′に示すように、最新のエポックから所定時間分戻ったエポックにおける位置を参照位置としても良い。例えば最新エポックE0 からエポックの5周期分過去のE−5における位置を参照位置として定めても良い。
【0028】
図6はエポック毎に求められる方位計測結果の例を示している。ここで黒丸は各エポックでの受信点の二次元平面上の位置、矢印は各エポックで求められた参照位置から現在位置への方位を示している。この例では、最新エポックE0 から5つ戻ったエポックE−5における位置を参照位置としている。すなわち、D0 はエポックE0 で求めた最新の方位、D−1はエポックE−1で求めた方位、D−2はエポックE−2で求めた方位である。このようにエポック周期毎に方位データを求める。
【0029】
図7は参照位置を変化させた時に得られる方位計測結果の変化の例を示している。ここで、各黒丸は、それらに付したエポック(E0 ,E−1,E−2,・・・)における位置である。矢印は、参照位置から最新エポックE0 における位置への方位を示している。
【0030】
このように、最新エポックにおける位置からどれだけの距離分またはどれだけの時間分戻った位置を参照位置にするかによって、方位計測結果は異なったものとなる。この参照位置は、移動体の走行性能や圃場の状態などに応じて最適となるように定めればよい。例えば比較的短時間で進行方向が変動するような田植え機の場合には、短期的な方向変化による影響を抑制するために、比較的過去にまで戻った点を参照位置とすることが望ましいであろう。
【0031】
以上に示した方位計測装置から出力される方位データを基に、例えば田植え機の制御装置は、進行方向を保って直進するように制御する。例えば作業者が何らかのスイッチ操作を行った時点での方位データを記憶し、前述の方位計測装置から出力される方位データとのずれ(方位ずれ)を求め、そのずれが小さくなる方向にステアリングを操舵する。このことによって上記スイッチ操作を行った時点での進行方向へ田植え機をそのまま直進走行させることができる。
【0032】
ところで、移動体に設けたアンテナの位置(受信点)の所定周期のエポック間の偏位量から受信点の移動方位、すなわち移動体の進行方向を求めるので、移動体が静止していれば移動体の進行方向を求めることはできない。また、移動速度が低速になるほどエポック間の偏位量が小さくなるので、求められる方位計測精度が低下する。そこで、このような場合には、図1に示したGPSアンテナ1の位置を移動体の前後方向に往復運動可能なように設けておき、その手動操作やモータ駆動による往復運動によって受信点を偏位させる。例えばアンテナを1m程度の間隔で往復させるような機構を設けておき、それを2秒程度の周期で1往復させることによって、または繰り返し往復させることによって、1度の方位精度で移動体の向きを求めることができる。この運動方向は移動体の前後方向に限らず、移動体の向きに対して既定方向であれば、左右方向や斜め方向であってもよい。
【0033】
次に、第2の実施形態に係る方位計測装置の構成を図8を参照して説明する。
第1の実施形態では、参照位置と現在位置との2つの位置情報から方位を求めたが、この第2の実施形態では、参照位置から現在位置までの3つ以上の受信点位置の情報を基に方位を求める。
【0034】
図8は、各エポックでの受信点の位置と方位との関係を示している。ここで、各黒丸は、それらに付したエポック(E0 ,E−1,E−2,・・・)における位置である。今、参照位置をエポックE−5における受信点位置とすれば、この参照位置を原点とし、経度方向をx、緯度方向をyとする直角座標をとり、参照点から現在位置(エポックE0 における位置)までの各受信点位置の(x,y)座標から直線回帰式を求める。矢印D0 で示す直線は、その回帰直線である。この直線回帰式の傾きを最新エポックE0 における方位として求める。
【0035】
具体的には、上記傾きaは、最小二乗法により、
a={Σ(xi * yi ) − ( Σ xi * Σ yi ) / n }/ { Σ(xi 2) − (Σ xi )2 / n}
の演算によって求める。ここで、iは各受信点位置の序数を表す添え字である。対象データ数をnとすれば、それぞれの級数和演算子Σの初期値はi=1、終値はnである。
但し、上記傾きaは上記直角座標における値であるので、この値から例えば北を基準とする方位データに換算する。
【0036】
尚、第1・第2の実施形態では、最新エポックから所定距離分戻った時点に最も近いエポックでの位置を「参照位置」としたが、積算偏位量が所定長になるまで戻った時点が2つのエポックの間になる時、補間処理によってその参照位置から現在位置までの積算偏位量を求めるようにしても良い。
【0037】
また、第1・第2の実施形態では、エポック毎に方位を求めるようにしたが、エポック周期が比較的長い場合は、過去の各エポックでの受信点位置の変化履歴から現在位置を推測して、参照位置から現在位置への方位を、要求のあった任意の時点での方位として出力するようにしても良い。
【0038】
【発明の効果】
この発明によれば、各測位用衛星から送信された測位用信号のキャリア位相変化量に基づいて、受信点の偏位量を求め、現在から所定距離分または所定時間 分戻った参照位置までの偏位量によって、または、参照位置から現在位置までの各受信点位置に基づいて、参照位置から現在位置までの方位を求めるようにしたので、振動ジャイロなどの自立型センサを用いた場合のドリフトの問題はなく、また測位用信号のドップラ周波数から受信点の移動速度を求めるものに比べて、所定周期のエポック毎にエポック間の偏位を高精度に求めることができ、結果的に高精度な方位計測が可能となる。
【0039】
また、この発明の方位計測装置は、前記測位用信号を受けるアンテナを前記方位計測装置を搭載する移動体の基準方向に対して所定角度方向に移動させるアンテナ移動手段を設けたことにより、この方位計測装置を搭載する移動体が静止している状態でも、例えば移動体の前後方向にアンテナを移動させることによって、移動体の向きを求めることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】方位計測装置の構成を示すブロック図
【図2】同装置の測位演算部における処理手順を示すフローチャート
【図3】各エポック間の偏位量の例を示す図
【図4】方位計測精度の例を示す図
【図5】方位計測のための処理手順を示すフローチャート
【図6】移動体の移動に伴う進行方向の変化の例を示す図
【図7】参照位置を変化させた時の方位データの変化を示す図
【図8】直線回帰により方位を求める例を示す図
【符号の説明】
1−GPSアンテナ
E−エポック
D−方位
【発明の属する技術分野】
この発明は、GPS衛星などの測位用衛星から送信される電波を受信して移動体の進行方向や向きを求めるための方位計測装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、例えば田植え機やトラクタなどの農機を自動的に直進走行させるための装置として、予め定めた進行方向からの方位ずれが生じた場合に、そのずれを修正する方向に自動的にステアリング操作を行うようにした装置が開発されている。
【0003】
上記方位ずれを検出するセンサとしては振動ジャイロが用いられている。これは、レートジャイロと異なって、高速回転体を用いず、振動している音叉によって角速度を検出するものであり、振動している音叉の中心軸周りに角速度が加わると、音叉の振動方向に対して直角方向に入力角速度に比例した振動が生じるという力学現象を利用したものである。
【0004】
また、上記振動ジャイロのような自立型センサを用いないで、単独測位を行うGPS受信機を用いた装置も研究されている。すなわち、GPS受信機は受信点の移動速度情報を出力するので、それを利用してGPS受信機を搭載した移動体の移動方位を計測でき、これを移動体進行方向の自動制御に利用することができる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来の振動ジャイロを用いた装置では、振動ジャイロのドリフト調整が困難であり、移動体の進行方向を精度良く求められないという問題があった。
【0006】
また、単独測位を行うGPS受信機は、GPS衛星からの受信信号のドップラ成分を検出して受信点の三次元方向の移動速度を検出するものであるが、例えば田植え機などを直進させるための情報としてはその精度が不十分であった。
【0007】
この発明の目的は、上述の問題を解消して、移動体の進行方向や向きを高精度に求められるようにした方位計測装置を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
この発明の方位計測装置は、複数の測位用衛星からの測位用信号を受信し、受信点の移動による前記測位用信号のキャリア位相変化量に基づき、所定周期のエポック間での受信点の偏位量を求めるとともに、該偏位量を順次記憶する手段と、現在位置から所定距離分または所定時間分戻った参照位置までの積算偏位量を、前記エポック間の偏位量の積算によって求める手段と、前記積算偏位量により前記参照位置から現在位置への方位を求めるようにしたことを特徴としている。
【0009】
また、この発明の方位計測装置は、複数の測位用衛星からの測位用信号を受信し、受信点の移動による前記測位用信号のキャリア位相変化量に基づき、所定周期のエポック間での受信点の偏位量を求めるとともに、該偏位量を順次記憶する手段と、現在位置から所定距離分または所定時間分戻った参照位置までの各受信点の位置を前記偏位量の積算により求め、各受信点の位置を基に前記参照位置から現在位置への方位を求める手段とを備えたことを特徴としている。
【0010】
このように、各測位用衛星から送信された測位用信号のキャリア位相変化量に基づいて、受信点の偏位量を求め、現在位置から所定距離分または所定時間分戻った参照位置と現在位置との位置関係に基づいて、または、参照位置から現在位置までの各受信点位置に基づいて、参照位置から現在位置までの方位を求めるようにしたので、振動ジャイロなどの自立型センサを用いた場合のドリフト調整の問題はなく、また測位用信号のドップラ周波数から受信点の移動速度を求めるものに比べて、所定周期のエポック毎にエポック間の偏位を高精度に求めることができ、結果的に高精度な方位計測が可能となる。
【0011】
また、この発明の方位計測装置は、前記測位用信号を受けるアンテナを前記方位計測装置を搭載する移動体の基準方向に対して所定角度方向に移動させるアンテナ移動手段を設けたことを特徴としている。
【0012】
これにより、この方位計測装置を搭載する移動体が静止している状態でも、例えば移動体の前後方向にアンテナを移動させることによって、移動体の向きを求めることができるようになる。
【0013】
【発明の実施の形態】
この発明の第1の実施形態である方位計測装置の構成を各図を参照して説明する。
図1は装置全体の構成を示すブロック図である。図1において、1はGPSアンテナ、2はGPSアンテナ1からの信号を中間周波信号IFに変換するダウンコンバータ、3はこの中間周波信号を信号処理して、C/Aコード位相およびキャリア位相の情報を求める受信信号処理部である。また、4は受信信号処理部3の制御によって得た情報を基に受信点の偏位量を求める測位演算部である。
【0014】
ダウンコンバータ2は、基準周波数信号を発生する基準発振器21と、その基準周波数信号とのミキシングにより周波数変換し、さらに所定ビット数のディジタルデータに変換する、ミキサ、アンプ、フィルタおよびA/Dコンバータ等を含む回路22とから構成している。
【0015】
受信信号処理部3は、C/Aコード発生器、そのコード位相を数値制御するコードNCO、所定のコード位相のずれを有する3つのC/Aコードと入力信号とを乗算し、それらの値をそれぞれ積分することによって相関を求める相関器を備えている。測位演算処理部4は、これらの相関結果からC/Aコード位相を求めるとともに、その追尾を行う。また、受信信号処理部3は、位相が0°と90°のキャリア信号を発生するキャリアNCO、このキャリア信号と入力信号との乗算を行い、それぞれの結果を積分することによって相関を求める相関器を備えている。また、受信信号処理部3は、入力信号のキャリア位相の修正量(追尾量)を積算カウントする位相カウンタを備えていて、これによりキャリア位相を求めるとともに、その追尾を行う。
【0016】
測位演算部4は、CPU41、ROM42、RAM43、RTC(リアルタイムクロック)44、外部へデータを出力するためのインタフェース45、および受信信号処理部3に対してデータを入出力するためのインタフェース46を備えている。この測位演算部4は、受信信号処理部3で求められたコード位相に関する相関値からコードNCOの位相を制御し、キャリア位相に関する相関値からキャリアNCOの周波数を制御することによって、C/Aコード位相およびキャリア位相の追尾を行う。また、上記位相カウンタのカウント値を読み取って、観測周期における、波長の端数に相当する位相角を含めた波数の変化分(キャリア位相変化量DR)を求める。
【0017】
また、後述するように、受信点(GPSアンテナ1の中心)の3次元の偏位量を算出し、これを外部へ出力する。
【0018】
図2は測位演算部4の処理手順を示すフローチャートである。この処理は観測を行う所定エポック毎に繰り返し行われる。
まず、現在追尾中の複数の衛星についてのコード位相を基に単独測位を行う(n1)。この単独測位による受信点位置は、受信点から各衛星への方向余弦を求めるために用いる。次に、受信信号処理部3で求められたキャリア位相の修正量(追尾量)の積算カウント値を読み取り、前回の値との差をキャリア位相変化量DRとして求める(n2→n3)。続いて、前回のエポック時から今回のエポックまでのエポック周期における衛星の移動によって生じるキャリア位相の変化分DRaを算出する(n4)。具体的には、受信点の位置と前回エポックでの衛星の位置および今回エポックでの衛星の位置とから逆算する。また、各衛星が備える基準発振器のドリフトによるキャリア位相変化分DRbを航法メッセージ中のGPS時刻補正係数から算出する(n5)。そして上記キャリア位相変化量DRから、衛星移動によるキャリア位相変化分DRaと衛星の基準発振器のドリフトによるキャリア位相の変化分DRbとを差し引いて、受信点の移動に伴うキャリア位相の変化量DR′を求める(n6)。
【0019】
その後、4つ以上の各衛星について求めたキャリア位相変化量DR′と各衛星の現在位置とに基づいて、受信点から各衛星までの距離変化をそれぞれ求め、これらの距離変化と、受信点から各衛星への方向余弦とから方程式を立て、受信点の3次元方向の偏位量を求める。すなわち、方向余弦の逆行列と、受信点−衛星間の距離変化量の行列との積で求める。尚、この時、4つ目の未知数は受信機の基準発振器のドリフトとして求められる(n7)。
【0020】
このようにして求めたエポック間の偏位量を順次記憶する(n8)。
【0021】
その後はステップn1の処理へ戻り、以上の処理を所定のエポック毎に繰り返す。たとえば0.2秒ごとに繰り返すことによって、0.2秒周期でエポック間の偏位量を求め、順次記憶する。
【0022】
図3はそのエポック間の経度方向の偏位量の記憶例を示している。ここで横軸は経過時間、黒丸は0.2秒周期のエポックのタイミングをそれぞれ示している。E0 は最新のエポック、E−1はそれより0.2秒過去のエポック、E−2はそれより更に0.2秒過去のエポックである。このような各エポック間の偏位量を、所定距離分(所定の積算偏位量分)または所定時間に亘って、経度(東西)方向、緯度(南北)方向、高さ(上下)方向のそれぞれについてテーブルとして記憶する。
図3の例では、エポックE−1からE0 まで25cm偏位している。また例えばエポックE−5からE0 まで積算偏位量として101cm偏位している。
【0023】
このようにしてエポック毎にエポック間の偏位量を順次記憶したテーブルを基に、最新のエポックから所定距離分または所定時間分戻った時点に最も近いエポックの位置を参照位置として求め、その参照位置から最新のエポックにおける位置への方位を求める。
【0024】
例えば受信点が3.6km/h(=1m/s)で移動すれば、前述の方法で、約1度(±0.5度)の精度で方位計測が可能である。この精度は、図4に示すように1m進む毎に約2cm(±1cm)の誤差に相当し、田植え機などを直進させるためのセンサとしては十分な実用的価値がある。
【0025】
図5は方位計測装置の処理手順を示すフローチャートである。まず、最新エポックの位置から積算偏位量が所定長になるまで戻った時点に最も近いエポックを検出する(n1)。例えばこの所定長を1mとすれば、図3の例で、エポックE0 からE−5までの積算偏位量が101cmであるので、E−5を検出する。
【0026】
次に、そのエポックにおける位置から最新のエポックE0 における位置を向く方位を求める(n2)。すなわち、図3に示した例では、エポックE−5における位置から最新のエポックE0 における位置まで、経度方向の積算偏位量が101cmである。これと同様にして求めた緯度方向および高さ方向のエポックE−5における位置からE0 における位置までの積算偏位量に基づいて、エポックE−5における三次元位置からエポックE0 における三次元位置への三次元方位を求める。そして、例えば北を基準とした二次元の(水平面上の)方位データを求め、それを出力する(n3)。
【0027】
尚、図5のステップn1′に示すように、最新のエポックから所定時間分戻ったエポックにおける位置を参照位置としても良い。例えば最新エポックE0 からエポックの5周期分過去のE−5における位置を参照位置として定めても良い。
【0028】
図6はエポック毎に求められる方位計測結果の例を示している。ここで黒丸は各エポックでの受信点の二次元平面上の位置、矢印は各エポックで求められた参照位置から現在位置への方位を示している。この例では、最新エポックE0 から5つ戻ったエポックE−5における位置を参照位置としている。すなわち、D0 はエポックE0 で求めた最新の方位、D−1はエポックE−1で求めた方位、D−2はエポックE−2で求めた方位である。このようにエポック周期毎に方位データを求める。
【0029】
図7は参照位置を変化させた時に得られる方位計測結果の変化の例を示している。ここで、各黒丸は、それらに付したエポック(E0 ,E−1,E−2,・・・)における位置である。矢印は、参照位置から最新エポックE0 における位置への方位を示している。
【0030】
このように、最新エポックにおける位置からどれだけの距離分またはどれだけの時間分戻った位置を参照位置にするかによって、方位計測結果は異なったものとなる。この参照位置は、移動体の走行性能や圃場の状態などに応じて最適となるように定めればよい。例えば比較的短時間で進行方向が変動するような田植え機の場合には、短期的な方向変化による影響を抑制するために、比較的過去にまで戻った点を参照位置とすることが望ましいであろう。
【0031】
以上に示した方位計測装置から出力される方位データを基に、例えば田植え機の制御装置は、進行方向を保って直進するように制御する。例えば作業者が何らかのスイッチ操作を行った時点での方位データを記憶し、前述の方位計測装置から出力される方位データとのずれ(方位ずれ)を求め、そのずれが小さくなる方向にステアリングを操舵する。このことによって上記スイッチ操作を行った時点での進行方向へ田植え機をそのまま直進走行させることができる。
【0032】
ところで、移動体に設けたアンテナの位置(受信点)の所定周期のエポック間の偏位量から受信点の移動方位、すなわち移動体の進行方向を求めるので、移動体が静止していれば移動体の進行方向を求めることはできない。また、移動速度が低速になるほどエポック間の偏位量が小さくなるので、求められる方位計測精度が低下する。そこで、このような場合には、図1に示したGPSアンテナ1の位置を移動体の前後方向に往復運動可能なように設けておき、その手動操作やモータ駆動による往復運動によって受信点を偏位させる。例えばアンテナを1m程度の間隔で往復させるような機構を設けておき、それを2秒程度の周期で1往復させることによって、または繰り返し往復させることによって、1度の方位精度で移動体の向きを求めることができる。この運動方向は移動体の前後方向に限らず、移動体の向きに対して既定方向であれば、左右方向や斜め方向であってもよい。
【0033】
次に、第2の実施形態に係る方位計測装置の構成を図8を参照して説明する。
第1の実施形態では、参照位置と現在位置との2つの位置情報から方位を求めたが、この第2の実施形態では、参照位置から現在位置までの3つ以上の受信点位置の情報を基に方位を求める。
【0034】
図8は、各エポックでの受信点の位置と方位との関係を示している。ここで、各黒丸は、それらに付したエポック(E0 ,E−1,E−2,・・・)における位置である。今、参照位置をエポックE−5における受信点位置とすれば、この参照位置を原点とし、経度方向をx、緯度方向をyとする直角座標をとり、参照点から現在位置(エポックE0 における位置)までの各受信点位置の(x,y)座標から直線回帰式を求める。矢印D0 で示す直線は、その回帰直線である。この直線回帰式の傾きを最新エポックE0 における方位として求める。
【0035】
具体的には、上記傾きaは、最小二乗法により、
a={Σ(xi * yi ) − ( Σ xi * Σ yi ) / n }/ { Σ(xi 2) − (Σ xi )2 / n}
の演算によって求める。ここで、iは各受信点位置の序数を表す添え字である。対象データ数をnとすれば、それぞれの級数和演算子Σの初期値はi=1、終値はnである。
但し、上記傾きaは上記直角座標における値であるので、この値から例えば北を基準とする方位データに換算する。
【0036】
尚、第1・第2の実施形態では、最新エポックから所定距離分戻った時点に最も近いエポックでの位置を「参照位置」としたが、積算偏位量が所定長になるまで戻った時点が2つのエポックの間になる時、補間処理によってその参照位置から現在位置までの積算偏位量を求めるようにしても良い。
【0037】
また、第1・第2の実施形態では、エポック毎に方位を求めるようにしたが、エポック周期が比較的長い場合は、過去の各エポックでの受信点位置の変化履歴から現在位置を推測して、参照位置から現在位置への方位を、要求のあった任意の時点での方位として出力するようにしても良い。
【0038】
【発明の効果】
この発明によれば、各測位用衛星から送信された測位用信号のキャリア位相変化量に基づいて、受信点の偏位量を求め、現在から所定距離分または所定時間 分戻った参照位置までの偏位量によって、または、参照位置から現在位置までの各受信点位置に基づいて、参照位置から現在位置までの方位を求めるようにしたので、振動ジャイロなどの自立型センサを用いた場合のドリフトの問題はなく、また測位用信号のドップラ周波数から受信点の移動速度を求めるものに比べて、所定周期のエポック毎にエポック間の偏位を高精度に求めることができ、結果的に高精度な方位計測が可能となる。
【0039】
また、この発明の方位計測装置は、前記測位用信号を受けるアンテナを前記方位計測装置を搭載する移動体の基準方向に対して所定角度方向に移動させるアンテナ移動手段を設けたことにより、この方位計測装置を搭載する移動体が静止している状態でも、例えば移動体の前後方向にアンテナを移動させることによって、移動体の向きを求めることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】方位計測装置の構成を示すブロック図
【図2】同装置の測位演算部における処理手順を示すフローチャート
【図3】各エポック間の偏位量の例を示す図
【図4】方位計測精度の例を示す図
【図5】方位計測のための処理手順を示すフローチャート
【図6】移動体の移動に伴う進行方向の変化の例を示す図
【図7】参照位置を変化させた時の方位データの変化を示す図
【図8】直線回帰により方位を求める例を示す図
【符号の説明】
1−GPSアンテナ
E−エポック
D−方位
Claims (3)
- 複数の測位用衛星からの測位用信号を受信し、受信点の移動による前記測位用信号のキャリア位相変化量に基づき、所定周期のエポック間での受信点の偏位量を求めるとともに、該偏位量を順次記憶する手段と、
現在位置から所定距離分または所定時間分戻った参照位置までの積算偏位量を、前記エポック間の偏位量の積算によって求める手段と、
前記積算偏位量により前記参照位置から現在位置への方位を求める手段とを備えた方位計測装置。 - 複数の測位用衛星からの測位用信号を受信し、受信点の移動による前記測位用信号のキャリア位相変化量に基づき、所定周期のエポック間での受信点の偏位量を求めるとともに、該偏位量を順次記憶する手段と、
現在位置から所定距離分または所定時間分戻った参照位置までの各受信点の位置を前記偏位量の積算により求め、各受信点の位置を基に前記参照位置から現在位置への方位を求める手段とを備えた方位計測装置。 - 前記測位用信号を受けるアンテナを前記方位計測装置を搭載する移動体の基準方向に対して所定角度方向に移動させるアンテナ移動手段を設けた請求項1または2に記載の方位計測装置。
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JP2002208307A JP2004053312A (ja) | 2002-07-17 | 2002-07-17 | 方位計測装置 |
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Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006133142A (ja) * | 2004-11-08 | 2006-05-25 | Furuno Electric Co Ltd | 測位用受信装置 |
JP2007071869A (ja) * | 2005-09-08 | 2007-03-22 | Topcon Gps Llc | 衛星信号の搬送波位相測定値を使用した位置決定 |
JP2007536510A (ja) * | 2004-05-07 | 2007-12-13 | ナヴコム テクノロジー インコーポレイテッド | キャリア−位相測定値の連続差を用いたgpsナビゲーション |
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-
2002
- 2002-07-17 JP JP2002208307A patent/JP2004053312A/ja active Pending
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