JP2004233185A - 高機能ｇｐｓとそれを用いた航法装置 - Google Patents

Abstract

【課題】気流あるいは潮流を演算する際に傾斜角の影響を考慮できないので、強い気流や潮流の中では正確で安全な航法を実現することが困難であったという課題を解決する。
【解決手段】３本のＧＰＳ受信アンテナを用い、ＧＰＳ衛星からの電波から得られるこれらの受信アンテナの位置から傾斜角・方位角を演算し、この傾斜角と方位角から対気速度センサまたは対水速度センサの出力を航法座標系に変換して、この変換した速度とＧＰＳから得られる対地速度から気流または潮流の速度と方向を演算するようにした。強い気流・潮流下でも正確で安全な航法を実現できる。
【選択図】 図２

Description

【発明の属する技術分野】
この発明は移動体の姿勢角を出力することができる高機能ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）およびそれを用いた航行装置に関するものである。
【０００１】
【従来の技術】
船舶や航空機などの移動体では、気流や潮流を測定するセンサとＧＰＳからの位置情報を参照して周囲の状況を把握して航行する。ＧＰＳによる位置情報は航法座標系で表されているのに対して、気流や潮流を測定するセンサは機体や船体などの移動体に固定された運動座標系で表現される。
【０００２】
図３に航法座標系と運動座標系の関係を示す。図３において、大文字のＸ、Ｙ、Ｚで表される座標は航法座標系であり、例えば北をＸ、東をＹ、鉛直方向をＺ軸に取る。それに対して運動座標系は小文字ｘ、ｙ、ｚで表した座標系であり、移動体１の船首あるいは機首方向をｘ、それと直角方向をｙ、鉛直方向をｚとする。
【０００３】
Ｖ_ｇはＧＰＳの位置情報から得られる対地速度、Ｖ_ｓは気流または潮流速度センサから得られた対気あるいは対水速度であり、これらの差が気流あるいは潮流速度Ｗになる。しかしながら対地速度Ｖ_ｇは航法座標で表されているのに対して対気あるいは対水速度Ｖ_ｓは運動座標で表されているので、気流／潮流速度Ｗを求めるためには座標変換が必要である。
【０００４】
図４に気流あるいは潮流の演算手順を示す。航空機での慣性航法装置あるいは船舶での推測航法装置では、対気速度センサ／対水速度センサ２の出力とＧＰＳ７の出力から気流または潮流の速度Ｗ_Ｘ、Ｗ_Ｙと方向αを演算する。これらの装置を装備していない航空機・船舶では、対気／対水速度センサ２，姿勢／方位センサやジャイロコンパス６、ＧＰＳ７の出力から潮流計で潮流情報を演算する。以下、潮流情報の演算方式について説明する。
【０００５】
航空機の場合、姿勢角／方位角はＩＲＳ（Ｉｎｅｒｔｉａｌ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｓｙｓｔｅｍ）あるいはＡＨＲＳ（Ａｔｔｉｔｕｄｅ Ｈｅａｄｉｎｇ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｓｙｓｔｅｍ）と呼ばれる姿勢／方位センサ、またはＩＮＳ（Ｉｎｅｒｔｉａｌ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ）と呼ばれる慣性航法装置の出力から、下記（１０）式によって演算される。
【数１０】

【０００６】
ここにおいて、ｑ_ｉ（ｉ＝１〜４）はクータニオンパラメータと呼ばれる４次元ベクトルである。また、Ｐ、Ｑ、Ｒは各機体軸でのロールレート、ピッチレート、ヨーレートであり、ジャイロの出力から地球の自転レートと航空機の地球曲面上の移動レートを差し引いた結果によって求めることができる量である。この移動レートは加速度計出力を積分した移動速度を地球半径で割ったものである。
【０００７】
前記（１０）式の解から、機体に固定された運動座標から航法座標への座標変換行列Ｃ_ｎｂは下記（１１）式に示すように、３行３列の行列になる。
【数１１】

ここにおいて、前記（１１）式の行列の各要素は下記（１２−１）〜（１２−９）式で表される。なお、ｑ_１〜ｑ_４は前記（１０）式のクータニオンパラメータである。
【数１２】

【０００８】
姿勢角／方位角のロール角φ、ピッチ角θ、方位角Ψは下記（１３−１）〜（１３−３）式で求めることができる。
【数１３】

【０００９】
この（１３−１）〜（１３−３）式からクータニオンパラメータｑ_１〜ｑ_４をφ、θ、Ψで表し、これを前記（１２−１）〜（１２−９）に代入してＣ_ｎｂ（１，１）〜Ｃ_ｎｂ（３，３）を求めると、下記（１４）式が得られる。
【数１４】

【００１０】
船の場合は、方位角は機械式のジャイロコンパスのアナログ出力として提供される場合が多い。軍用艦船では航空機と同様に前記（１０）〜（１３）式からロール角φ、ピッチ角θ、方位角Ψを演算する。しかしながら、民間船舶に搭載されているジャイロコンパスには、ロール角φ、ピッチ角θを出力する機能は通常装備されていない。
【００１１】
航空機の場合の気流、船の場合の潮流はＧＰＳから対地速度を得て、この対地速度と対気速度あるいは対水速度との差で求めることができる。しかしながら、対気速度センサ（あるいは対水速度センサ）は機体のロール軸（図３のｘ軸）に取り付けられているので運動座標で表現されているのに対して、対地速度は航法座標で表現されているので、単純に差を演算することはできない。
【００１２】
そのため、対気速度センサ（あるいは対水速度センサ）の出力を航法座標に変換してから演算しなければならない。センサから得た対気速度（対水速度）をＶ_ｓ、航法座標に変換した対気速度（対水速度）のＸ軸、Ｙ軸成分をそれぞれＶ_ｓＸ、Ｖ_ｓＹとすると、下記（１５−１）、（１５−２）式でこの変換を行うことができる。これらの式は前記（１１）式、（１４）式から導出することができる。
【数１５】

【００１３】
前記Ｖ_ｓＸ、Ｖ_ｓＹは航法座標表現なので、ＧＰＳの対地速度をＶ_ｇＸ、Ｖ_ｇＹとすると、気流あるいは潮流の早さＷ_Ｘ、Ｗ_Ｙは下記（１６−１）、（１６−２）式で求めることができる。
【数１６】

【００１４】
船の場合はピッチ角θ＝０として、２軸の対水速度センサの出力Ｖ_ｓＸ、Ｖ_ｓＹとジャイロコンパスの方位角出力Ψを用いて、下記（１７−１）、（１７−２）式で航法座標表現に変換することができる。
【数１７】

【００１５】
対水速度が１軸の場合は前記（１７−１）、（１７−２）式でＶ_ｓｘ＝Ｖ_ｓ、Ｖ_ｓｙ＝０と置けばよいが、近年は安全上の理由から、２軸の対水速度センサの装備が標準となっている。この（１７−１）、（１７−２）式を前記（１６−１）、（１６−２）式に代入すると、潮流の早さＷ_Ｘ、Ｗ_Ｙを求めることができる。この場合、気流あるいは潮流の向きである気流（潮流）方位角αは、下記（１８）式で与えられる。
【数１８】

【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような航行方法には次のような課題があった。
【００１７】
前記（１７−１）、（１７−２）式から明らかなように対水速度の航行座標への変換式には方位角Ψしか含まれていない。そのため、船体が風や波の影響で大きく傾斜する場合、傾斜角（ピッチ角θ）の影響を反映させることができず、不正確な変換になるという課題があった。前記（１７−１）、（１７−２）式の代わりに傾斜角を含んだ変換式を用いるとしても、そもそも民間船舶のジャイロコンパスには方位角Ψの出力機能しかなく、傾斜角を含んだ変換式を使用することができないという課題があった。
【００１８】
また、傾斜角の影響を反映させるためには非常に高価な慣性航法装置や、姿勢／方位センサ（航空機の場合）あるいは推測航法装置（船舶の場合）が必要であり、装備のためのコストが高くなってしまうという課題もあった。さらに、船舶の場合は推測航法装置に潮流情報（潮流の速度および向き）演算機能がない場合は潮流計が必要になるために、さらに装備コストが上昇してしまうという課題もあった。
【００１９】
従って本発明が解決しようとする課題は、ＧＰＳ衛星の電波のみで姿勢角および気流情報や潮流情報を出力することができる高機能ＧＰＳおよびそれを用いた航行装置を提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、移動体に固定され、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）衛星の電波を受信する少なくとも３本の受信アンテナと、受信した前記ＧＰＳ衛星の電波を解析する本体部とを有し、この本体部は前記受信した電波から前記受信アンテナの位置情報を求めて出力すると共に、この位置情報とから前記移動体の姿勢角を演算して出力するようにしたものである。姿勢角情報が得られる。
【００２１】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記受信アンテナ中第１の受信アンテナと前記移動体の船首または機首を結ぶ直線上に第２の受信アンテナを配置し、前記直線と直交しかつ前記第１の受信アンテナを通る直線上に第３の受信アンテナを配置するようにしたものである。演算が簡単になる。
【００２２】
請求項３記載の発明は、請求項２記載の発明において、下記（１９）式により、ピッチ角θを求めるようにしたものである。但し、ｒ１は前記第１の受信アンテナと前記第２の受信アンテナ間の距離、ｒ１_Ｘは前記第１の受信アンテナと前記第２の受信アンテナを結ぶ位置ベクトルの航法座標におけるＸ成分、ｒ１_Ｙは同Ｙ成分である。また、前記ｒ１_Ｙが正またはゼロのときは下記（１９）式の±のうち＋を取り、負のときは−を取るものとする。ピッチ角を求めることができる。
【数１９】

【００２３】
請求項４記載の発明は、請求項２記載または請求項３記載の発明において、下記（２０）式により、ロール角φを求めるようにしたものである。但し、ｒ１は前記第１の受信アンテナと前記第２の受信アンテナ間の距離、ｒ１_Ｘは前記第１の受信アンテナと前記第２の受信アンテナを結ぶ位置ベクトルの航法座標におけるＸ成分、ｒ１_Ｙは同Ｙ成分、ｒ２は前記第１の受信アンテナと前記第３の受信アンテナ間の距離、ｒ２_Ｘは前記第１の受信アンテナと前記第３の受信アンテナを結ぶ位置ベクトルの航法座標におけるＸ成分、ｒ２_Ｙは同Ｙ成分である。また、ｒ２_Ｚを前記第１の受信アンテナと前記第３の受信アンテナを結ぶ位置ベクトルの航法座標におけるＺ成分とし、このｒ２_Ｚが正またはゼロのときに下記（２０）式の±のうち＋を取り、負のときに−を取るものとする。ロール角φを求めることができる。
【数２０】

【００２４】
請求項５記載の発明は、請求項２ないし請求項４いずれかに記載の発明において、下記（２１）式により、方位角Ψを求めるようにしたものである。但し、ｒ１_Ｘは前記第１の受信アンテナと前記第２の受信アンテナを結ぶ位置ベクトルの航法座標におけるＸ成分、ｒ１_Ｙは同Ｙ成分である。方位角Ψを求めることができる。
【数２１】

【００２５】
請求項６記載の発明は、請求項１ないし請求項５いずれかに記載の発明において、対気速度または対水速度を検出する速度センサの出力が入力され、前記本体部は前記姿勢角および方位角を用いて前記速度センサの出力を航法座標表現に変換し、この変換した値および前記受信した衛星の電波から求めた対地速度を用いて気流または潮流の速度を求めるようにしたものである。気流または潮流の早さと向きを求めることができる。
【００２６】
請求項７記載の発明は、請求項６記載の発明において、下記（２２−１）式および（２２−２）式によって前記速度センサの出力を航法座標表現に変換し、下記（２２−３）式および（２２−４）式によって気流または潮流の速度を求めるようにしたものである。但し、Ｖ_ｓは前記速度センサの出力、Ｖ_ｓＸ、Ｖ_ｓＹは前記Ｖ_ｓを航法座標表現に変換した値のＸ、Ｙ成分、Ψは方位角、θはピッチ角、Ｖ_ｇＸ、Ｖ_ｇＹはＧＰＳ衛星からの受信電波から求めた対地速度のＸ、Ｙ成分、Ｗ_Ｘ、Ｗ_Ｙは気流または潮流速度のＸ、Ｙ成分である。気流または潮流の速度を求めることができる。
【数２２】

【００２７】
請求項８記載の発明は、請求項６記載の発明において、下記（２３−１）式および（２３−２）式によって前記速度センサの出力を航法座標表現に変換し、下記（２３−３）式および（２３−４）式によって気流または潮流の速度を求めるようにしたものである。但し、Ｖ_ｓｘ、Ｖ_ｓｙはそれぞれ前記速度センサの出力のｘ、ｙ成分、Ｖ_ｓＸ、Ｖ_ｓＹは前記Ｖ_ｓｘ、Ｖ_ｓｙを航法座標表現に変換した値のＸ、Ｙ成分、Ψは方位角、θはピッチ角、φはロール角、Ｖ_ｇＸ、Ｖ_ｇＹはＧＰＳ衛星からの受信電波から求めた対地速度のＸ、Ｙ成分、Ｗ_Ｘ、Ｗ_Ｙは気流または潮流速度のＸ、Ｙ成分である。気流または潮流の速度を求めることができる。
【数２３】

【００２８】
請求項９記載の発明は、請求項６ないし請求項８いずれかに記載の発明において、下記（２４）式によって前記気流または前記潮流の方向αを求めるようにしたものである。但し、Ｗ_Ｘ、Ｗ_Ｙは航法座標で表現した前記気流または前記潮流のＸ、Ｙ成分である。気流または潮流の方向を求めることができる。
【数２４】

【００２９】
請求項１０記載の発明は、請求項６ないし請求項９いずれかに記載の発明において、推定演算部を具備し、この推定演算部によって前記速度センサの出力誤差を推定して補正するようにしたものである。気流あるいは潮流の速度、方向の精度を高めることができる。
【００３０】
請求項１１記載の発明は、請求項１０記載の発明において、前記推定演算部はカルマンフィルタを用いるようにしたものである。気流あるいは潮流の速度、方向の精度を高めることができる。
【００３１】
請求項１２記載の発明は、移動体に固定され、ＧＰＳ衛星の電波を受信してこの受信した電波から前記移動体の対地速度および姿勢角を出力するＧＰＳと、前記移動体に設置され、この移動体の対気速度または対水速度を検出して出力する速度センサと、前記ＧＰＳおよび前記速度センサの出力が入力される演算部とを有し、この演算部は前記速度センサの出力を航法座標表現に変換し、この変換した速度および前記ＧＰＳが出力する対地速度とから気流または潮流の速度および方向を演算するようにしたものである。ＧＰＳと速度センサの情報だけから気流または潮流の速度と向きを求めることができる。
【００３２】
請求項１３記載の発明は、請求項１２記載の発明において、前記演算部は下記（２５−１）式および（２５−２）式によって前記速度センサの出力を航法座標表現に変換し、下記（２５−３）式および（２５−４）式によって気流または潮流の速度を求めるようにしたものである。但し、Ｖ_ｓは前記速度センサの出力、Ｖ_ｓＸ、Ｖ_ｓＹは前記Ｖ_ｓを航法座標表現に変換した値のＸ、Ｙ成分、Ψは方位角、θはピッチ角、Ｖ_ｇＸ、Ｖ_ｇＹは前記ＧＰＳが出力する対地速度のＸ、Ｙ成分、Ｗ_Ｘ、Ｗ_Ｙは気流または潮流速度のＸ、Ｙ成分である。ＧＰＳと速度センサの情報のみで気流または潮流の速度と向きを求めることができる。
【数２５】

【００３３】
請求項１４記載の発明は、請求項１２記載の発明において、前記演算部は下記（２６−１）式および（２６−２）式によって前記速度センサの出力を航法座標表現に変換し、下記（２６−３）式および（２６−４）式によって気流または潮流の速度を求めるようにしたものである。但し、Ｖ_ｓｘ、Ｖ_ｓｙはそれぞれ前記速度センサの出力のｘ、ｙ成分、Ｖ_ｓＸ、Ｖ_ｓＹは前記Ｖ_ｓｘ、Ｖ_ｓｙを航法座標表現に変換した値のＸ、Ｙ成分、Ψは方位角、θはピッチ角、φはロール角、Ｖ_ｇＸ、Ｖ_ｇＹは前記ＧＰＳが出力する対地速度のＸ、Ｙ成分、Ｗ_Ｘ、Ｗ_Ｙは気流または潮流速度のＸ、Ｙ成分である。ＧＰＳと速度センサの情報のみで気流または潮流の速度と向きを求めることができる。
【数２６】

【００３４】
請求項１５記載の発明は、請求項１２ないし請求項１４いずれかに記載の発明において、前記演算部は下記（２７）式によって前記気流または前記潮流の方向αを求めるようにしたものである。但し、Ｗ_Ｘ、Ｗ_Ｙは航法座標で表現した前記気流または前記潮流のＸ、Ｙ成分である。気流または潮流の向きを求めることができる。
【数２７】

【００３５】
請求項１６記載の発明は、請求項１２ないし請求項１５いずれかに記載の発明において、推定演算部を具備し、この推定演算部によって前記速度センサの出力誤差を推定して補正するようにしたものである。気流あるいは潮流の速度、方向の精度を高めることができる。
【００３６】
請求項１７記載の発明は、請求項１６記載の発明において、前記推定演算部はカルマンフィルタを用いるようにしたものである。気流あるいは潮流の速度、方向の精度を高めることができる。
【００３７】
【発明の実施の形態】
以下に、図に基づいて本発明を詳細に説明する。
図１は航法座標系と運動座標系との関係を表したものである。なお、図３と同じ要素には同一符号を付し、説明を省略する。図１において、１は航空機や船舶などの移動体である。運動座標系（ｘ、ｙ、ｚ）はこの移動体１に固定された運動座標系であり、そのｘ軸が移動体１の機首あるいは船首の方向と一致するようにされる。
【００３８】
白丸Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３はＧＰＳ衛星が発信する電波を受信する受信アンテナであり、それらの航法座標における位置をそれぞれ（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）、（Ｘ２，Ｙ２、Ｚ２）、（Ｘ３，Ｙ３，Ｚ３）とする。また、受信アンテナＰ２は運動座標系（ｘ、ｙ、ｚ）の原点に、同Ｐ１はｘ軸上に、同Ｐ３はｙ軸上に配置される。このようにすることにより、計算を大幅に簡略化することができる。
【００３９】
図２は本発明による高機能ＧＰＳの一実施例の構成図であり、２は対気あるいは対水速度Ｖ_ｓ（１軸の場合）またはＶ_ｓｘ、Ｖ_ｓｙ（２軸の場合）を検出する速度センサ、３はＧＰＳ、４は気流あるいは潮流の速度情報、５は姿勢角、方位角である。速度センサ２の出力はＧＰＳ３に入力される。ＧＰＳ３はＧＰＳ衛星が発信する電波を受信して、対地速度（Ｖ_ｇＸ、Ｖ_ｇＹ）および緯度、経度などの位置情報を演算する。
【００４０】
そして、この位置情報から姿勢角（ピッチ角θ、ロール角φ）と方位角Ψを演算し、これらの角度情報を用いて速度センサ２の出力を航法座標に変換し、この変換した値と前記対地速度（Ｖ_ｇＸ、Ｖ_ｇＹ）から気流または潮流情報４（速度Ｗ_Ｘ、Ｗ_Ｙ、方向α）を演算して出力する。
【００４１】
以下、航法座標系を大文字の（Ｘ、Ｙ、Ｚ）で、機体あるいは船体に固定された運動座標系を小文字の（ｘ、ｙ、ｚ）で表し、各変数の添え字も同じとする。ＧＰＳの３本の受信アンテナの位置をそれぞれＰ１（Ｘ、Ｙ、Ｚ）、Ｐ２（Ｘ、Ｙ、Ｚ）、Ｐ３（Ｘ、Ｙ、Ｚ）で表す。また、Ｐ１とＰ２の間の距離をｒ１，Ｐ２とＰ３の間の距離をｒ２とする。なお、運動座標系の取り方を調整して、ｒ１はｘ軸成分、ｒ２はｙ軸成分のみであるようにする。
【００４２】
前記Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の航法座標系における位置はＧＰＳの出力として得られるので、下記（２８−１）、（２８−２）式が成立する。
【数２８】

【００４３】
また、ｒ１，ｒ２の航法座標系におけるＸ軸成分をｒ１_Ｘ、ｒ２_Ｘ、Ｙ軸成分をｒ２_Ｙ、ｒ２_Ｙは下記（２９―１）〜（２９−４）式になる。
ｒ１_Ｘ＝Ｘ１−Ｘ２ ・・・・・・・・・・・・・・ （２９―１）
ｒ１_Ｙ＝Ｙ２−Ｙ１ ・・・・・・・・・・・・・・ （２９―２）
ｒ２_Ｘ＝Ｘ２−Ｘ３ ・・・・・・・・・・・・・・ （２９―３）
ｒ２_Ｙ＝Ｙ２−Ｙ３ ・・・・・・・・・・・・・・ （２９―４）
【００４４】
前記（１１）式のＣ_ｎｂは運動座標系から航法座標系への座標変換行列であるので、この（１１）式を使用すると航法座標系におけるｒ１とｒ２のＸ軸、Ｙ軸成分は下記（３０−１）〜（３０−４）式で求めることができる。なお、ｒ１は運動座標系でｘ軸成分のみ、ｒ２はｙ軸成分のみであることを利用している。
【数２９】

【００４５】
この（３０−１）〜（３０−４）式から、ロール角φ、ピッチ角θ、方位角Ψを求めることができる。前記（３０−１）式と（３０−２）式の両辺の比を取ると、
Ψ＝ｔａｎ^−１（ｒ１_Ｙ／ｒ１_Ｘ） ・・・・・・・・・・ （３１）
が得られる。また、前記（３０−１）式と（３０−２）式の両辺を２乗して加算すると方位角Ψの項が消えて下記（３２）式が得られ、ピッチ角θを求めることができる。
【数３０】

【００４６】
さらに、前記（３０―３）式、（３０―４）式の両辺を２乗して加算すると、右辺の方位角Ψの項が消える。次に前記（３２）式からｃｏｓ^２（θ）を求めてこの加算した式に代入するとピッチ角θの項が消えてロール角φのみになり、
【数３１】

が得られる。なお、ＧＰＳの鉛直成分の精度は他の成分に比べて悪いので、これらの計算では位置のＺ成分は用いない。
【００４７】
次に、気流（航空機）あるいは潮流（船舶）の速さと向きを求める。航空機の場合、対気速度センサは機体のロール角φに取り付けられているので、その出力は機体ロール角軸で表現されている。一方、ＧＰＳ出力の対地速度は航法座標（Ｘ、Ｙ）で表現されているので、気流の速さを求めるためには、対気速度センサの出力を航法座標に変換しなければならない。
【００４８】
対気速度センサの出力をＶ_Ｓ、航法座標に変換した速度を（Ｖ_ｓＸ、Ｖ_ｓＹ）とすると、前記（１１）式、（１４）式から下記（３４−１）、（３４−２）式が成立する。
【数３２】

【００４９】
上記（３４−１）、（３４−２）式は航法座標に変換した値なので、気流の速さＷ_Ｘ、Ｗ_Ｙは、
Ｗ_Ｘ＝Ｖ_ｇＸ−Ｖ_ｓＸ ・・・・・・・・・・・ （３５−１）
Ｗ_Ｙ＝Ｖ_ｇＹ−Ｖ_ｓＹ ・・・・・・・・・・・ （３５−２）
で計算することができる。ピッチ角θ、方位角Ψは前記（３１）、（３２）式から計算する。また、このＷ_Ｘ、Ｗ_Ｙを前記（２７）式に代入すると、気流の向きαを計算することができる。
【００５０】
船舶の場合は、２軸の対水速度センサを用いた場合、前記（１１）、（１４）式の座標変換より下記（３５−１）、（３５−２）式を用いて航法座標に変換した対水速度Ｖ_ｓＸ、Ｖ_ｓＹを計算することができる。
【数３３】

方位角Ψ、ピッチ角θ、ロール角φは前記（３１）〜（３３）式から求めることができる。この（３６−１）、（３６−２）式を前記（３５−１）、（３５−２）式に代入すると、潮流の速度を得ることが出来る。また、この潮流の速度Ｗ_Ｘ、Ｗ_Ｙを前記（２４）式に代入すると、潮流の向きαが得られる。
【００５１】
なお、この実施例ではＧＰＳが気流または潮流の速度、方向を演算して出力するようにしたが、ＧＰＳは姿勢角（ピッチ角θ、ロール角φ）および方位角Ψのみを出力し、このＧＰＳの出力が入力される航行装置で気流あるいは潮流の速度と方向を演算して出力するようにしてもよい。このようにすると、航行装置以外にも使用できるより汎用的なＧＰＳが得られる。
【００５２】
また、本実施例にカルマンフィルタのような推定演算機能を具備させ、対気あるいは対水速度センサの誤差を推定して補正するようにしてもよい。このようにすると、気流あるいは潮流の速度、方向の精度を向上させることができる。さらに、ジャイロコンパスから得られる方位角Ψ情報を用いるようにしてもよい。
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば、次の効果が期待できる。
請求項１記載の発明によれば、移動体に固定され、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）衛星の電波を受信する少なくとも３本の受信アンテナと、受信した前記ＧＰＳ衛星の電波を解析する本体部とを有し、この本体部は前記受信した電波から前記受信アンテナの位置情報を求めて出力すると共に、この位置情報とから前記移動体の姿勢角を演算して出力するようにした。
【００５３】
位置情報や対地速度だけでなく、移動体の姿勢角の情報により気流あるいは潮流の速度、方向の精度を高める効果がある。そのことにより、正確で安全な航法を実現できるという効果がある。また、高価な慣性航法装置や姿勢／方位角センサ、あるいは推測航法装置が不要になるので、安価な航行装置を実現することができるという効果もある。さらに、装備コストが削減できるので、２重化、３重化の装備を実現でき、信頼性の高い航法システムを実現できるという効果もある。
【００５４】
請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明において、前記受信アンテナ中第１の受信アンテナと前記移動体の船首または機首を結ぶ直線上に第２の受信アンテナを配置し、前記直線と直交しかつ前記第１の受信アンテナを通る直線上に第３の受信アンテナを配置するようにした。姿勢角を求めるための演算が大幅に簡略化されるという効果がある。
【００５５】
請求項３記載の発明によれば、請求項２記載の発明において、下記（３７）式により、ピッチ角θを求めるようにした。但し、ｒ１は前記第１の受信アンテナと前記第２の受信アンテナ間の距離、ｒ１_Ｘは前記第１の受信アンテナと前記第２の受信アンテナを結ぶ位置ベクトルの航法座標におけるＸ成分、ｒ１_Ｙは同Ｙ成分である。また、前記ｒ１_Ｙが正またはゼロのときは下記（３７）式の±のうち＋を取り、負のときは−を取るものとする。ピッチ角を正確かつ簡単に求めることができるという効果がある。
【数３４】

【００５６】
請求項４記載の発明によれば、請求項２記載または請求項３記載の発明において、下記（３８）式により、ロール角φを求めるようにした。但し、ｒ１は前記第１の受信アンテナと前記第２の受信アンテナ間の距離、ｒ１_Ｘは前記第１の受信アンテナと前記第２の受信アンテナを結ぶ位置ベクトルの航法座標におけるＸ成分、ｒ１_Ｙは同Ｙ成分、ｒ２は前記第１の受信アンテナと前記第３の受信アンテナ間の距離、ｒ２_Ｘは前記第１の受信アンテナと前記第３の受信アンテナを結ぶ位置ベクトルの航法座標におけるＸ成分、ｒ２_Ｙは同Ｙ成分である。また、ｒ２_Ｚを前記第１の受信アンテナと前記第３の受信アンテナを結ぶ位置ベクトルの航法座標におけるＺ成分とし、このｒ２_Ｚが正またはゼロのときに下記（３８）式の±のうち＋を取り、負のときに−を取るものとする。ロール角φを正確かつ簡単に求めることができるという効果がある。
【数３５】

【００５７】
請求項５記載の発明によれば、請求項２ないし請求項４いずれかに記載の発明において、下記（３９）式により、方位角Ψを求めるようにした。但し、ｒ１_Ｘは前記第１の受信アンテナと前記第２の受信アンテナを結ぶ位置ベクトルの航法座標におけるＸ成分、ｒ１_Ｙは同Ｙ成分である。
【数３６】

【００５８】
方位角Ψを正確かつ簡単に求めることができるという効果がある。また、ジャイロコンパスなどから得られる方位角と併せて使用することにより、信頼性を向上させることができるという効果もある。さらに、装備コストが削減できるので、２重化、３重化の装備を実現でき、信頼性の高い航法システムを実現できるという効果もある。
【００５９】
請求項６記載の発明によれば、請求項１ないし請求項５いずれかに記載の発明において、対気速度または対水速度を検出する速度センサの出力が入力され、前記本体部は前記姿勢角および方位角を用いて前記速度センサの出力を航法座標表現に変換し、この変換した値および前記受信した衛星の電波から求めた対地速度を用いて気流または潮流の速度を求めるようにした。
【００６０】
気流または潮流の正確な速度と方向を求めることができるという効果がある。そのため、強い気流や潮流下でも正確で安全な航法を実現することができるという効果もある。また、高価な慣性航行装置や姿勢／方位センサ、あるいは推測航法装置が不要になるという効果もある。
【００６１】
請求項７記載の発明によれば、請求項６記載の発明において、下記（４０−１）式および（４０−２）式によって前記速度センサの出力を航法座標表現に変換し、下記（４０−３）式および（４０−４）式によって気流または潮流の速度を求めるようにした。但し、Ｖ_ｓは前記速度センサの出力、Ｖ_ｓＸ、Ｖ_ｓＹは前記Ｖ_ｓを航法座標表現に変換した値のＸ、Ｙ成分、Ψは方位角、θはピッチ角、Ｖ_ｇＸ、Ｖ_ｇＹはＧＰＳ衛星からの受信電波から求めた対地速度のＸ、Ｙ成分、Ｗ_Ｘ、Ｗ_Ｙは気流または潮流速度のＸ、Ｙ成分である。
【数３７】

【００６２】
傾斜角の影響を考慮するので、気流または潮流の速度を正確かつ簡単に求めることができるという効果がある。そのため、強い気流や潮流下でも正確で安全な航法を実現することができるという効果もある。
【００６３】
請求項８記載の発明によれば、請求項６記載の発明において、下記（４１−１）式および（４１−２）式によって前記速度センサの出力を航法座標表現に変換し、下記（４１−３）式および（４１−４）式によって気流または潮流の速度を求めるようにした。但し、Ｖ_ｓｘ、Ｖ_ｓｙはそれぞれ前記速度センサの出力のｘ、ｙ成分、Ｖ_ｓＸ、Ｖ_ｓＹは前記Ｖ_ｓｘ、Ｖ_ｓｙを航法座標表現に変換した値のＸ、Ｙ成分、Ψは方位角、θはピッチ角、φはロール角、Ｖ_ｇＸ、Ｖ_ｇＹはＧＰＳ衛星からの受信電波から求めた対地速度のＸ、Ｙ成分、Ｗ_Ｘ、Ｗ_Ｙは気流または潮流速度のＸ、Ｙ成分である。
【数３８】

【００６４】
ロール角φの影響をも考慮するため、正確な気流または潮流速度を演算することができるという効果がある。強い気流や潮流下でも正確で安全な航法が実現できるという効果もある。
【００６５】
請求項９記載の発明によれば、請求項６ないし請求項８いずれかに記載の発明において、下記（４３）式によって前記気流または前記潮流の方向αを求めるようにした。但し、Ｗ_Ｘ、Ｗ_Ｙは航法座標で表現した前記気流または前記潮流のＸ、Ｙ成分である。気流または潮流の方向を正確に演算することができるという効果がある。
【数３９】

【００６６】
請求項１０記載の発明によれば、請求項６ないし請求項９いずれかに記載の発明において、推定演算部を具備し、この推定演算部によって前記速度センサの出力誤差を推定して補正するようにした。速度センサの出力誤差を補正することができるので、気流あるいは潮流の速度、方向の精度を高めることができるという効果がある。
【００６７】
請求項１１記載の発明によれば、請求項１０記載の発明において、前記推定演算部はカルマンフィルタを用いるようにした。既存の推定手段を用いることができるという効果がある。
【００６８】
請求項１２記載の発明によれば、移動体に固定され、ＧＰＳ衛星の電波を受信してこの受信した電波から前記移動体の対地速度および姿勢角を出力するＧＰＳと、前記移動体に設置され、この移動体の対気速度または対水速度を検出して出力する速度センサと、前記ＧＰＳおよび前記速度センサの出力が入力される演算部とを有し、この演算部は前記速度センサの出力を航法座標表現に変換し、この変換した速度および前記ＧＰＳが出力する対地速度とから気流または潮流の速度および方向を演算するようにした。
【００６９】
ＧＰＳと速度センサの情報だけから気流または潮流の速度と方向を正確に求めることができるので、強い気流や潮流下でも正確でかつ安全な航法を実現することができるという効果がある。また、慣性航法装置や姿勢／方位センサ、あるいは推測航法装置が不要になるので、航行装置が安価になるという効果もある。さらに、装備コストが削減できるので、２重化、３重化の装備を実現でき、信頼性の高い航法システムを実現できるという効果もある。
【００７０】
請求項１３記載の発明によれば、請求項１２記載の発明において、前記演算部は下記（４４−１）式および（４４−２）式によって前記速度センサの出力を航法座標表現に変換し、下記（４４−３）式および（４４−４）式によって気流または潮流の速さを求めるようにした。但し、Ｖ_ｓは前記速度センサの出力、Ｖ_ｓＸ、Ｖ_ｓＹは前記Ｖ_ｓを航法座標表現に変換した値のＸ、Ｙ成分、Ψは方位角、θはピッチ角、Ｖ_ｇＸ、Ｖ_ｇＹは前記ＧＰＳが出力する対地速度のＸ、Ｙ成分、Ｗ_Ｘ、Ｗ_Ｙは気流または潮流速度のＸ、Ｙ成分である。
【数４０】

【００７１】
気流あるいは潮流の速度を正確かつ簡単に演算することができるので、強い気流や潮流下でも正確でかつ安全な航法を実現することができるという効果がある。また、慣性航法装置や姿勢／方位センサ、あるいは推測航法装置が不要になるので、航行装置が安価になるという効果もある。
【００７２】
請求項１４記載の発明によれば、請求項１２記載の発明において、前記演算部は下記（４５−１）式および（４５−２）式によって前記速度センサの出力を航法座標表現に変換し、下記（４５−３）式および（４５−４）式によって気流または潮流の速さを求めるようにした。但し、Ｖ_ｓｘ、Ｖ_ｓｙはそれぞれ前記速度センサの出力のｘ、ｙ成分、Ｖ_ｓＸ、Ｖ_ｓＹは前記Ｖ_ｓｘ、Ｖ_ｓｙを航法座標表現に変換した値のＸ、Ｙ成分、Ψは方位角、θはピッチ角、φはロール角、Ｖ_ｇＸ、Ｖ_ｇＹは前記ＧＰＳが出力する対地速度のＸ、Ｙ成分、Ｗ_Ｘ、Ｗ_Ｙは気流または潮流速度のＸ、Ｙ成分である。
【数４１】

【００７３】
ロール角φの影響をも考慮するため、正確な気流または潮流速度を演算することができるので、強い気流や潮流下でも正確で安全な航法が実現できるという効果もある。また、慣性航法装置や姿勢／方位センサ、あるいは推測航法装置が不要になるので、航行装置が安価になるという効果もある。
【００７４】
請求項１５記載の発明によれば、請求項１２ないし請求項１４いずれかに記載の発明において、前記演算部は下記（４６）式によって前記気流または前記潮流の方向αを求めるようにした。但し、Ｗ_Ｘ、Ｗ_Ｙは航法座標で表現した前記気流または前記潮流のＸ、Ｙ成分である。気流または潮流の方向を正確かつ簡単に演算することができるので、強い気流や潮流下でも安全で正確な航法を実現できるという効果がある。
【数４２】

【００７５】
請求項１６記載の発明によれば、請求項１２ないし請求項１５いずれかに記載の発明において、推定演算部を具備し、この推定演算部によって前記速度センサの出力誤差を推定して補正するようにした。気流あるいは潮流の速度、方向の精度を高めることができるので、より安全かつ正確な航法を実現することができるという効果がある。
【００７６】
請求項１７記載の発明によれば、請求項１６記載の発明において、前記推定演算部はカルマンフィルタを用いるようにした。既存の推定手段を用いることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】航法座標系と運動座標系の関係を示す図である。
【図２】本発明の一実施例を示す構成図である。
【図３】航法座標系と運動座標系の関係を示す図である。
【図４】従来の気流または潮流の演算手段を説明するための図である。
【符号の説明】
１ 移動体
２ 対気速度センサ／対水速度センサ
３ ＧＰＳ
４ 気流または潮流情報出力
５ 姿勢角／方位角出力
Ｘ、Ｙ、Ｚ 航法座標系
ｘ、ｙ、ｚ 運動座標系
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３ 受信アンテナ
ｒ１ 受信アンテナＰ１とＰ２間の距離
ｒ２ 受信アンテナＰ２とＰ３間の距離

Claims (17)

1. 移動体に固定され、ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）衛星の電波を受信する少なくとも３本の受信アンテナと、受信した前記ＧＰＳ衛星の電波を解析する本体部とを有し、この本体部は前記受信した電波から前記受信アンテナの位置情報を求めて出力すると共に、この位置情報から前記移動体の姿勢角を演算して出力するようにしたことを特徴とする高機能ＧＰＳ。
2. 前記受信アンテナ中第１の受信アンテナと前記移動体の船首または機首を結ぶ直線上に第２の受信アンテナを配置し、前記直線と直交しかつ前記第１の受信アンテナを通る直線上に第３の受信アンテナを配置するようにしたことを特徴とする請求項１記載の高機能ＧＰＳ。
3. 下記（１）式により、ピッチ角θを求めるようにしたことを特徴とする請求項２記載の高機能ＧＰＳ。
   

   

   但し、ｒ１は前記第１の受信アンテナと前記第２の受信アンテナ間の距離、ｒ１_Ｘは前記第１の受信アンテナと前記第２の受信アンテナを結ぶ位置ベクトルの航法座標におけるＸ成分、ｒ１_Ｙは同Ｙ成分である。また、前記ｒ１_Ｙが正またはゼロのときは前記（１）式の±のうち＋を取り、負のときは−を取るものとする。
4. 下記（２）式により、ロール角φを求めるようにしたことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の高機能ＧＰＳ。
   

   

   但し、ｒ１は前記第１の受信アンテナと前記第２の受信アンテナ間の距離、ｒ１_Ｘは前記第１の受信アンテナと前記第２の受信アンテナを結ぶ位置ベクトルの航法座標におけるＸ成分、ｒ１_Ｙは同Ｙ成分、ｒ２は前記第１の受信アンテナと前記第３の受信アンテナ間の距離、ｒ２_Ｘは前記第１の受信アンテナと前記第３の受信アンテナを結ぶ位置ベクトルの航法座標におけるＸ成分、ｒ２_Ｙは同Ｙ成分である。また、ｒ２_Ｚを前記第１の受信アンテナと前記第３の受信アンテナを結ぶ位置ベクトルの航法座標におけるＺ成分とし、このｒ２_Ｚが正またはゼロのときに前記（２）式の±のうち＋を取り、負のときに−を取るものとする。
5. 下記（３）式により、方位角Ψを求めるようにしたことを特徴とする請求項２ないし請求項４いずれかに記載の高機能ＧＰＳ。
   

   

   但し、ｒ１_Ｘは前記第１の受信アンテナと前記第２の受信アンテナを結ぶ位置ベクトルの航法座標におけるＸ成分、ｒ１_Ｙは同Ｙ成分である。
6. 対気速度または対水速度を検出する速度センサの出力が入力され、前記本体部は前記姿勢角および方位角を用いて前記速度センサの出力を航法座標表現に変換し、この変換した値および前記受信した衛星の電波から求めた対地速度を用いて気流または潮流の速度を求めるようにしたことを特徴とする請求項１ないし請求項５いずれかに記載の高機能ＧＰＳ。
7. 下記（４−１）式および（４−２）式によって前記速度センサの出力を航法座標表現に変換し、下記（４−３）式および（４−４）式によって気流または潮流の速度を求めるようにしたことを特徴とする請求項６記載の高機能ＧＰＳ。
   

   

   但し、Ｖ_ｓは前記速度センサの出力、Ｖ_ｓＸ、Ｖ_ｓＹは前記Ｖ_ｓを航法座標表現に変換した値のＸ、Ｙ成分、Ψは方位角、θはピッチ角、Ｖ_ｇＸ、Ｖ_ｇＹはＧＰＳ衛星からの受信電波から求めた対地速度のＸ、Ｙ成分、Ｗ_Ｘ、Ｗ_Ｙは気流または潮流速度のＸ、Ｙ成分である。
8. 下記（５−１）式および（５−２）式によって前記速度センサの出力を航法座標表現に変換し、下記（５−３）式および（５−４）式によって気流または潮流の速度を求めるようにしたことを特徴とする請求項６記載の高機能ＧＰＳ。
   

   

   但し、Ｖ_ｓｘ、Ｖ_ｓｙはそれぞれ前記速度センサの出力のｘ、ｙ成分、Ｖ_ｓＸ、Ｖ_ｓＹは前記Ｖ_ｓｘ、Ｖ_ｓｙを航法座標表現に変換した値のＸ、Ｙ成分、Ψは方位角、θはピッチ角、φはロール角、Ｖ_ｇＸ、Ｖ_ｇＹはＧＰＳ衛星からの受信電波から求めた対地速度のＸ、Ｙ成分、Ｗ_Ｘ、Ｗ_Ｙは気流または潮流速度のＸ、Ｙ成分である。
9. 下記（６）式によって前記気流または前記潮流の方向αを求めるようにしたことを特徴とする請求項６ないし請求項８いずれかに記載の高機能ＧＰＳ。
   

   

   但し、Ｗ_Ｘ、Ｗ_Ｙは航法座標で表現した前記気流または前記潮流のＸ、Ｙ成分である。
10. 推定演算部を具備し、この推定演算部によって前記速度センサの出力誤差を推定して補正するようにしたことを特徴とする請求項６ないし請求項９いずれかに記載の高機能ＧＰＳ。
11. 前記推定演算部はカルマンフィルタを用いるようにしたことを特徴とする請求項１０記載の高機能ＧＰＳ。
12. 移動体に固定され、ＧＰＳ衛星の電波を受信してこの受信した電波から前記移動体の対地速度および姿勢角を出力するＧＰＳと、前記移動体に設置され、この移動体の対気速度または対水速度を検出して出力する速度センサと、前記ＧＰＳおよび前記速度センサの出力が入力される演算部とを有し、この演算部は前記速度センサの出力を航法座標表現に変換し、この変換した速度および前記ＧＰＳが出力する対地速度とから気流または潮流の速度を演算するようにしたことを特徴とする航行装置。
13. 前記演算部は下記（７−１）式および（７−２）式によって前記速度センサの出力を航法座標表現に変換し、下記（７−３）式および（７−４）式によって気流または潮流の速度を求めるようにしたことを特徴とする請求項１２記載の航行装置。
    

    

    但し、Ｖ_ｓは前記速度センサの出力、Ｖ_ｓＸ、Ｖ_ｓＹは前記Ｖ_ｓを航法座標表現に変換した値のＸ、Ｙ成分、Ψは方位角、θはピッチ角、Ｖ_ｇＸ、Ｖ_ｇＹは前記ＧＰＳが出力する対地速度のＸ、Ｙ成分、Ｗ_Ｘ、Ｗ_Ｙは気流または潮流速度のＸ、Ｙ成分である。
14. 前記演算部は下記（８−１）式および（８−２）式によって前記速度センサの出力を航法座標表現に変換し、下記（８−３）式および（８−４）式によって気流または潮流の速度を求めるようにしたことを特徴とする請求項１２記載の航行装置。
    

    

    但し、Ｖ_ｓｘ、Ｖ_ｓｙはそれぞれ前記速度センサの出力のｘ、ｙ成分、Ｖ_ｓＸ、Ｖ_ｓＹは前記Ｖ_ｓｘ、Ｖ_ｓｙを航法座標表現に変換した値のＸ、Ｙ成分、Ψは方位角、θはピッチ角、φはロール角、Ｖ_ｇＸ、Ｖ_ｇＹは前記ＧＰＳが出力する対地速度のＸ、Ｙ成分、Ｗ_Ｘ、Ｗ_Ｙは気流または潮流速度のＸ、Ｙ成分である。
15. 前記演算部は下記（９）式によって前記気流または前記潮流の方向αを求めるようにしたことを特徴とする請求項１２ないし請求項１４いずれかに記載の航行装置。
    

    

    但し、Ｗ_Ｘ、Ｗ_Ｙは航法座標で表現した前記気流または前記潮流のＸ、Ｙ成分である。
16. 推定演算部を具備し、この推定演算部によって前記速度センサの出力誤差を推定して補正するようにしたことを特徴とする請求項１２ないし請求項１５いずれかに記載の航行装置。
17. 前記推定演算部はカルマンフィルタを用いるようにしたことを特徴とする請求項１６記載の航行装置。

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