JP2006023167A

JP2006023167A - ３次元配置型ｇｐｓ受信機、それを用いた姿勢測定方法及びシステム

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Publication number: JP2006023167A
Application number: JP2004200781A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Minowa; 正蓑輪
Original assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Current assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2004-07-07
Filing date: 2004-07-07
Publication date: 2006-01-26
Anticipated expiration: 2024-07-07
Also published as: JP4461223B2

Abstract

【課題】姿勢が大きく変動しても高精度に姿勢を測定する技術を提供すること。
【解決手段】４個のＧＰＳアンテナ４０〜４３を多面体の頂点位置に立体的に配置した３次元配置型ＧＰＳ受信機を用い、いずれかの仮想面を構成する基線ベクトルから３次元配置型ＧＰＳ受信機の姿勢を測定する姿勢測定方法を提供する。各ＧＰＳアンテナにおいて少なくとも４基の衛星からのＧＰＳ搬送波の位相情報を得て、いずれか３個のＧＰＳアンテナにおいて受信した４基の衛星からのＧＰＳ搬送波の位相情報から２重位相差を求め、ＧＰＳアンテナ間の３つ以上の基線ベクトルを算出すると共に、そのうち２つの基線ベクトル値を該３次元配置型ＧＰＳ受信機の姿勢値として得る。
【選択図】図５

Description

本発明は３次元配置型ＧＰＳ受信機と、それを用いた姿勢測定方法及びシステムに関するものであり、特にＧＰＳ搬送波の位相情報からＧＰＳアンテナ間の位置関係を得て姿勢を測定する技術に係るものである。

近年、ヘリコプタの機動性を利用し災害・防災のための情報を人工衛星を介して伝送するための、ヘリコプタ衛星ディジタル通信システムが広域災害時の通信技術として注目されている。
伝送される情報は主に被災地の位置情報と状況映像であり、ヘリコプタに搭載された撮影位置特定装置(ＧＰＳコンパス)とカメラによりそれぞれ取り込まれ、災害対策関連機関に向けて伝送、そして受信される。

その受信された情報が地理情報システム（ＧＩＳ）により災害対策関連機関の大画面に表示されることで、位置情報と災害状況に応じて適切な対処をとることが可能となる。しかし、位置情報の精度はＧＰＳコンパスの精度に強く依存しているため、ヘリコプタの飛行状況次第では安定な位置検出は保証されない。
このような状況で、姿勢変動の激しいヘリコプタ等において安定した追従性能を有するＧＰＳ姿勢決定方式が求められている。

公知のＧＰＳ姿勢決定方式としては、特許文献１に開示される正確に位置を決定するためのシステムと方法が知られている。本技術では、地上にＧＰＳ参照システムと、可動型の位置受信システムを備え、両システムとで同様に搬送波要素の位相測定を行い、それに応じて、位置受信機は受信された信号の未知整数の分解を表す初期化値を発生させる。初期化期間の後に、初期化値と両方の受信機によって行われた位相測定に応じて、位置受信機は正確な位置を実際の位置から数センチメートル以内の精度で計算する。

特表平９−５０２５１５号公報

特許文献２には物体に設けた複数のアンテナで複数の測位用衛星からの電波を受信して、アンテナの相対位置を求めることによって物体の方位および姿勢角を検出する装置が開示されており、キャリア位相差の整数バイアスの再決定を短時間で確実に行う技術を提供している。
また、特許文献３には、キャリア位相相対測位装置が開示されている。

特開２００２−０５４９４６号公報特開２００３−１８５７２８号公報

特許文献２及び３や、非特許文献４に開示されるように、姿勢決定は、ある２次元平面を決定することと等価であり、そのためには３つのＧＰＳアンテナによるＧＰＳ搬送波位相の測定が必要である。
すなわち、１つのＧＰＳアンテナを基準として、他の２つのＧＰＳアンテナへの２つの基線ベクトルを算出することで、２次元平面を決定しうる。

E.Kaplan, "Understanding GPS: Principles and Applications"

この原理を用いて、図１４のように、３個のＧＰＳアンテナ（２００）（２００）（２００）を３角形の頂点に配置した平面ＧＰＳコンパス（２０１）をヘリコプター（２０２）等に搭載し、姿勢を計測することが行われている。
本方式では、随時絶対的な姿勢の測定が可能となるため、前記した災害現場の撮影と連動した姿勢測定などにおいて有効に作用する。

しかし、このようなＧＰＳコンパス（２０１）は、船舶や大型旅客機など、姿勢が水平方向から大きく変化しない機体に搭載する場合にはＧＰＳ衛星からの信号を受信しやすいが、ヘリコプターや小型飛行機などでは姿勢が大きく変わると信号を十分に受信できず、測定精度の低下や、測定自体が不可能になる場合がある。それは、３個のＧＰＳアンテナで形成される平面が衛星信号方向と平行に近づくにつれて、信号の受信が困難になることに起因している。

また、一般的な姿勢の決定方式としては、その他に３次元ジャイロスコープ（慣性測定装置）を用いた方法が知られているが、ジャイロスコープは測定開始時からの微少な姿勢変動を積分していくために、累積誤差を回避できず、相対的な姿勢情報しか得られない問題がある。また、高い測定精度を維持することは難しい。

本発明は、上記従来技術の有する問題点に鑑みて創出されたものであり、姿勢が大きく変動しても高精度に姿勢を測定する技術を提供することを目的とする。

本発明は、上記の課題を解決するために、次のような電磁波のスラブ導波路を提供する。
すなわち、請求項１に記載の発明は、少なくとも４個のＧＰＳアンテナを仮想多面体の頂点位置に立体的に配置した３次元配置型ＧＰＳ受信機を用い、該仮想多面体のいずれかの仮想面を構成する基線ベクトルから該３次元配置型ＧＰＳ受信機の姿勢を測定する姿勢測定方法を提供する。
本発明の姿勢測定方法は、各ＧＰＳアンテナにおいて少なくとも４基の衛星からのＧＰＳ搬送波の位相情報を得る搬送波位相計測ステップ、基線ベクトル算出手段が、いずれか３個のＧＰＳアンテナにおいて受信した４基の衛星からのＧＰＳ搬送波の位相情報から２重位相差を求め、該２重位相差から該ＧＰＳアンテナ間の基線ベクトルを算出する基線ベクトル算出ステップを少なくとも有することにより、３つ以上の基線ベクトルを得ると共に、そのうち２つの基線ベクトル値を該３次元配置型ＧＰＳ受信機の姿勢値として得ることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、少なくとも４個のＧＰＳアンテナを仮想多面体の頂点位置に立体的に配置した３次元配置型ＧＰＳ受信機を用い、該仮想多面体のいずれかの仮想面の法線ベクトルを求めて該３次元配置型ＧＰＳ受信機の姿勢を測定する姿勢測定方法を提供する。
本方法では、各ＧＰＳアンテナにおいて少なくとも４基の衛星からのＧＰＳ搬送波の位相情報を得る搬送波位相計測ステップ、基線ベクトル算出手段が、いずれか３個のＧＰＳアンテナにおいて受信した４基の衛星からのＧＰＳ搬送波の位相情報から２重位相差を求め、該２重位相差から該ＧＰＳアンテナ間の基線ベクトルを算出する基線ベクトル算出ステップ、法線ベクトル算出手段が、仮想多面体の各仮想面を決定する２つの基線ベクトルから、該各仮想面の法線ベクトルを算出する法線ベクトル算出ステップの各処理を行う。
続いて、最尤法線ベクトル算出手段が、各法線ベクトルを当該仮想面と所定の基準面との傾斜角情報を用いて、該基準面の法線ベクトルからの変位量ベクトルに変換した上で、該各変位量ベクトルに重み付けを行い、最尤法線ベクトルを算出する最尤法線ベクトル算出ステップ、算出された最尤法線ベクトルを出力する姿勢値出力ステップの各ステップを少なくとも有することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項２の最尤法線ベクトル算出ステップにおいて、最尤法線ベクトル算出手段が、前記重み付けを各変位量ベクトルに対して同一することにより、各変位量ベクトルの平均値を最尤法線ベクトルとする構成を提供する。

請求項４に記載の発明は、請求項２の最尤法線ベクトル算出ステップにおいて、最尤法線ベクトル算出手段が、前記重み付けを各変位量ベクトルのうち、いずれか１つの変位量ベクトル（最適変位量ベクトルと呼ぶ）を除く他の全ての重み付けを０とすることにより、該最適変位量ベクトルを最尤法線ベクトルとする構成を提供する。

請求項５に記載の発明は、請求項４の最尤法線ベクトル算出ステップにおいて、最尤法線ベクトル算出手段が、２重位相差を求めるのに用いた４基の衛星の仰角方向ベクトルの平均値に最も近い法線ベクトルの変位量ベクトルを最適変位量ベクトルとして重み付けする構成を提供する。

請求項６に記載の発明は、請求項４の最尤法線ベクトル算出ステップにおいて、最尤法線ベクトル算出手段が、２重位相差を求めるのに用いた４基の衛星を４角形の頂点とし、該４角形の中心点に向けた仰角方向ベクトルに最も近い法線ベクトルの変位量ベクトルを最適変位量ベクトルとして重み付けする構成を提供する。

請求項７に記載の発明は、請求項４の最尤法線ベクトル算出ステップにおいて、最尤法線ベクトル算出手段が、天頂方向ベクトルに最も近い法線ベクトルの変位量ベクトルを最適変位量ベクトルとして重み付けする構成を提供する。

また、本発明は、請求項８に記載するとおり、３次元配置型ＧＰＳ受信機を備えた姿勢測定システムを提供することもできる。
該システムには、少なくとも４個のＧＰＳアンテナを仮想多面体の頂点位置に立体的に配置した３次元配置型ＧＰＳ受信機を備え、該仮想多面体のいずれかの仮想面の法線ベクトルを求めて該３次元配置型ＧＰＳ受信機の姿勢を測定する姿勢測定システムである。
そして、各ＧＰＳアンテナにおいて少なくとも４基の衛星からのＧＰＳ搬送波の位相情報を得る３次元配置型ＧＰＳ受信機と、いずれか３個のＧＰＳアンテナにおいて受信した４基の衛星からのＧＰＳ搬送波の位相情報から２重位相差を求め、該２重位相差から該ＧＰＳアンテナ間の基線ベクトルを算出する基線ベクトル算出手段と、仮想多面体の各仮想面を決定する２つの基線ベクトルから、該各仮想面の法線ベクトルを算出する法線ベクトル算出手段と、各法線ベクトルを当該仮想面と所定の基準面との傾斜角情報を用いて、該基準面の法線ベクトルからの変位量ベクトルに変換した上で、該各変位量ベクトルに重み付けを行い、最尤法線ベクトルを算出する最尤法線ベクトル算出手段と、算出された最尤法線ベクトルを出力する姿勢値出力手段とを少なくとも配設したことを特徴とする。

請求項９に記載の発明は、請求項８に記載した姿勢測定システムの最尤法線ベクトル算出手段が、重み付けを各変位量ベクトルに対して同一することにより、各変位量ベクトルの平均値を最尤法線ベクトルとすることを特徴とする。

請求項１０に記載の発明は、請求項８に記載した姿勢測定システムの最尤法線ベクトル算出手段が、重み付けを各変位量ベクトルのうち、いずれか１つの変位量ベクトル（最適変位量ベクトルと呼ぶ）を除く他の全ての重み付けを０とすることにより、該最適変位量ベクトルを最尤法線ベクトルとすることを特徴とする。

さらに請求項１１に記載の発明は、請求項１０の姿勢測定システムにおける最尤法線ベクトル算出手段が、２重位相差を求めるのに用いた４基の衛星の仰角方向ベクトルの平均値に最も近い法線ベクトルの変位量ベクトルを最適変位量ベクトルとして重み付けする構成を提供する。

請求項１２に記載の発明は、請求項１０の姿勢測定システムにおける最尤法線ベクトル算出手段が、２重位相差を求めるのに用いた４基の衛星を４角形の頂点とし、該４角形の中心点に向けた仰角方向ベクトルに最も近い法線ベクトルの変位量ベクトルを最適変位量ベクトルとして重み付けすることを特徴とする。

請求項１３に記載の発明は、請求項１０の姿勢測定システムにおける最尤法線ベクトル算出手段が、天頂方向ベクトルに最も近い法線ベクトルの変位量ベクトルを最適変位量ベクトルとして重み付けする構成を提供する。

本発明は、上記の姿勢計測方法又はシステムで用いる３次元配置型ＧＰＳ受信機を提供することもできる。すなわち、少なくとも４個のＧＰＳアンテナを仮想多面体の頂点位置に立体的に配置した３次元配置型ＧＰＳ受信機であって、
各ＧＰＳアンテナにおいて少なくとも４基の衛星からのＧＰＳ搬送波の位相情報を得、該位相情報から２重位相差を求め、該２重位相差から該ＧＰＳアンテナ間の基線ベクトルを算出することにより姿勢値を得る姿勢測定に用いることを特徴とするものである。

請求項１ないし７に記載の発明によれば、ＧＰＳアンテナを立体的に配置することにより、複数の方向に向く仮想平面が形成できるため、その中で最も高精度にＧＰＳ搬送波を計測できる平面を選択できる。ＧＰＳ受信機の姿勢が大きく変動しても、いずれかの平面によって高精度な姿勢の測定が可能となる。
特に、請求項２ないし７に記載の発明では、法線ベクトルを用いるため、最適な平面の選択が容易に行え、高速かつ高精度な姿勢測定に寄与する。

また、請求項８ないし１３に記載の発明では、上記の姿勢測定方法を実現する３次元配置型ＧＰＳ受信機を備えた姿勢測定システムを提供することができる。さらに、請求項１４に記載の発明では、３次元に配置された新しい形状のＧＰＳ受信機を提供することができる。

以下、本発明の実施形態を、図面に示す実施例を基に説明する。なお、実施形態は下記に限定されるものではない。
まず、本発明に係る相対測位方法の概要について説述する。本方法は、上記特許文献２および３、非特許文献４などにおいて詳述されており、周知の事項であって、本発明ではその原理に基づく公知の手法を適宜用いることができる。

ＧＰＳ（Global Positioning System：全地球測位システム）は、米国により開発された人工衛星による電波測位システムである。ＧＰＳによる測位は、上空約２万kmにあるＧＰＳ衛星から送信されてくる電波を利用して行なわれる。ＧＰＳを構成する２４機の衛星は、軌道傾斜角度５５度の６つの軌道面にそれぞれ４衛星ずつ配置されている。
周回の周期は１１時間５８分２秒で、恒星時に同期している。すべての衛星は測定のため信号としてプライマリ（Ｌ１）帯とセカンダリ（Ｌ２）帯の2周期の搬送波を2相位相変調して送信している。

測距信号にはC/Aコードと呼ばれるものがあり、一般にＧＰＳに用いられるものはC/AコードでＬ１帯に載せられて送信されている。C/Aコードは基準発振周波数の１／１０の1.023MHzをクロック周波数とする１０段のフィードバックシフトレジスタで構成される擬似ランダム符合発生器で個々の衛星に固有のコードが割り当てられている。
このコードで搬送波を位相変調するので、全衛星が同一の搬送周波数で混信することなく送信することが出来ようになっている。

図１５に示すような単独測位システムでは、ある地点にＧＰＳ受信機（２１０）を設置し、その上空に存在する複数の人工衛星（２１１〜２１４）からコードに乗せられた電波の送信された時刻情報を受信して、その情報と衛星の軌道データにより衛星と受信機との距離を求める。さらに、３点間の距離から、ＧＰＳ受信機（２１０）の位置を求めるものである。

これに対して、本発明の相対測位システムは図１に示すように、任意の２地点にそれぞれＧＰＳ受信機（１）（２）を配置し、上空の複数の人工衛星（３）〜（６）からの電波を受信する。そして、ＧＰＳ受信機（１）からＧＰＳ受信機（２）に向かうベクトル、すなわち基線ベクトル（７）を求めるものである。
このとき、単独測位システムと異なるのは、衛星のコード情報ではなく、搬送波の位相情報を用いる点であり、図２に示す原理により１重位相差Δφは定義できる。

すなわち、あるＧＰＳ衛星（１０）からのＧＰＳ搬送波を２点のアンテナ（１１）（１２）で受信するとき、ＧＰＳ衛星（１０）の方向ベクトルＳ、基線ベクトルをｒ、ＧＰＳ搬送波の波長λとすると、１重位相差Δφ（１３）は数１により表される。ここで、τはＧＰＳアンテナ間の時間差である。なお、λは約１９ｃｍである。
（数１） Δφ＝（ｒ・ｓ）／λ＋τ

これを拡張して、図３のように、２つのＧＰＳ衛星（２０）（２１）と２つのＧＰＳアンテナ（２２）（２３）を用いることで、２重位相差Δ²φ₂が定義される。
すなわち、ＧＰＳ衛星１（２０）の方向ベクトルＳ₁、ＧＰＳ衛星２（２１）の方向ベクトルＳ₂とすると、上記と同様にそれぞれの衛星について、

がそれぞれ成り立ち、２重位相差は、数４で定義される。

以上のことから、２重位相差は、２個の衛星と２個のＧＰＳアンテナから定義されることが分かるが、本発明のように姿勢を測定する場合には１個のＧＰＳアンテナから異なる２つのＧＰＳアンテナに向けた２つの基線ベクトルを得て、両基線ベクトルの存在する平面を得る必要がある。
そのためには２つの基線ベクトルｒ₁、ｒ₂として、２重位相差によって消去される共通誤差を無視すると、図４におけるＧＰＳ衛星１（３０）と任意のＧＰＳ衛星ｊとの間で定義される２重位相差は、数５で定義される。

ここで、数５より、２つの基線ベクトル（３４）（３５）を決定するためには３つの２重位相差の式を連立すればよいことがわかる。従って４個の衛星（３０）〜（３３）からのＧＰＳ搬送波を受信すれば、３つの連立式が成り立ち、平面を決定する２つの基線ベクトルが確定する。

本発明は、以上の原理に基づいて姿勢を測定するものであり、３個のＧＰＳアンテナにおいて、４個のＧＰＳ搬送波の位相情報を計測することを基本とする。しかし、前述したように、３個のＧＰＳアンテナだけを平面的に配置する従来の構成では、該平面が天頂方向などを向いてＧＰＳ搬送波が受信しやすい状況になければならず、姿勢変動の激しい飛翔体などへの搭載は難しい。そこで、次の実施例のようにＧＰＳアンテナを立体的に配置する構成を創出した。

本発明では、図５に示すように仮想的な正４面体の各頂点上にＧＰＳアンテナ（４０）〜（４３）を４個配設し、上記と同様にＧＰＳ搬送波の位相情報を計測する。実際のＧＰＳアンテナの配設には図中の点線部に樹脂製、アルミニウム等の金属製のフレームを設けて各頂点部に設置してもよいし、立体中央から各頂点に放射状のフレームを設けてその先端にＧＰＳアンテナを付設するようにしてもよい。
このとき、一般にＧＰＳ衛星は仰角１５度以上に８〜１２個が観測できるが、公知の手法、例えば強い信号強度を選択する方法などによって、いずれか４個のＧＰＳ衛星を選択し、各ＧＰＳアンテナ（４０）〜（４３）で同一の４個ＧＰＳ衛星からの電波を計測する。

このように４個のＧＰＳアンテナを配設した場合、アンテナ１（４０）とアンテナ２（４１）、アンテナ３（４２）で構成する平面（４４）は基線ベクトル（４５）（４６）により決定され、同様に平面（４７）は基線ベクトル（４６）（４８）により、平面（４９）は基線ベクトル（４５）（４８）により決定される。
さらに、平面（５０）は、例えばアンテナ２（４１）と、アンテナ３（４２）、アンテナ４（４３）をそれぞれ結ぶ基線ベクトル（５１）（５２）により決定される。

具体的な装置構成は、図６に示す通りであり、４個のＧＰＳアンテナ（４０）〜（４３）の受信波を搬送波位相計測部（６０）で計測する。
そして、基線ベクトル算出部（６１）では、３個のＧＰＳアンテナの組み合わせから複数の基線ベクトルを数５に従って算出する。このような演算処理はコンピュータにより容易に実施可能であり、公知の手法を用いればよい。

３個のＧＰＳアンテナの組み合わせはすべての組み合わせを選んでもよいが、予め定めておいてもよい。例えば、上記の例ではアンテナ１，２，３の組み合わせ、アンテナ１，３，４、アンテナ１，２，４、アンテナ２，３，４の４種類の組み合わせで４つの５種の基線ベクトルを算出する。

そして、この中から最も高精度に姿勢測定が行える平面を構成する基線ベクトルの組み合わせを選択（６２）し、その結果を姿勢値として出力する。
基線ベクトルの選択においては、次のように考えることができる。すなわち、姿勢値として最も高精度になるのは、各ＧＰＳアンテナと、４個の衛星によって囲まれる体積が最大となる場合であり、そのためには３個のＧＰＳアンテナが衛星方向に対して最大の面積を有していればよい。

本発明では言うまでもなく各頂点の絶対座標は分かっていないが、例えば別のセンサ手段や、目視などにより、最大の面積となる条件が容易に判断出来る場合には、それをセンサ手段からの入力により、又は手動で選択することができる。
本構成によれば、同時に複数の基線ベクトルを算出するため、簡単な選択操作を行うだけで、最も高精度な基線ベクトルを得ることができる。

出力された基線ベクトルは、任意に利用することができるが、例えば次のように変換を行い、水平面との誤差を求めるようにしてもよい。この処理を図７に示す。
従来の３個のＧＰＳアンテナの場合には基準となる平面が１面であるため、その平面との誤差を考えれば、絶対的な姿勢情報を得ることができるが、本発明では平面が４面あるため、選択された基線ベクトルに応じて、基準面が異なり、対応する基準面との誤差を求めなければ絶対的な姿勢情報を得ることはできない。

そこで、図７に示す処理手順により、まず選択された基線ベクトルを入力（７０）すると、選択情報から、どのＧＰＳアンテナ間の基線ベクトルであるのかによって平面を特定（７１）する。そして、各平面の標準状態データ（７２）を記憶媒体等にあらかじめ備えておき、特定された平面とその標準状態データ（７２）との誤差を算出する。
ここで、標準状態データとして、各面の水平面との変位情報を記憶させておけば、算出された誤差がすなわち水平面との誤差となり、姿勢情報として出力（７４）することができる。

なお、姿勢情報として出力する値は任意に設定することができるが、水平面等所定の平面との誤差や、公知のピッチ角、ロール角、ヘディング角に変換して出力することもできる。

例えば、図５の状態で、用いた基線ベクトルが（４５）（４６）であると、特定される平面は傾斜面（４４）となる。標準状態データが、水平面との変位情報であったとすると、６０度傾斜している情報が記憶されており、傾斜面（４４）から平面（５０）の位置に回転することにより変換することができる。そしてＧＰＳ受信機が傾斜した状態で該標準状態データとの誤差を算出すれば、その情報は水平面からの誤差として出力することができる。

実施例１では基線ベクトルを姿勢情報として出力する態様を説述したが、本発明は、次のように２つの基線ベクトルからその構成する平面の法線ベクトルを算出し、法線ベクトルを姿勢情報として出力することもできる。
図８に本実施例における姿勢計測システムの構成を示す。まず、上記と同様に立体的に配置された３次元配置型ＧＰＳ受信機を用いて、各ＧＰＳアンテナで受信したＧＰＳ搬送波位相を計測する。計測は、搬送波位相計測部（８０）により処理する。

そして、実施例１と同様に、基線ベクトル算出部（８１）で複数の各基線ベクトルを算出する。これにより、４つの平面が決定できる。
さらに、各平面を構成する２つの基線ベクトルと直交する法線ベクトルを法線ベクトル算出部（８２）で算出する。該法線ベクトルは各平面に垂直なベクトルであり、このような演算は周知の方法によって処理することができる。

４つの法線ベクトルは、様々な方向を向いた平面の法線ベクトルであるから、必ずしも全ての精度が高いのではなく、その中から最も精度が高いと考えられる最尤法線ベクトルを、最尤法線ベクトル算出部（８３）において算出し、出力（８４）する。

最尤法線ベクトルの算出は、図９のように行う。すなわち、図１０のように基線ベクトル（１００）（１０１）からは法線ベクトル（１０２）が算出され、同様に各基線ベクトルから各法線ベクトル（１０３）（１０４）（１０５）が得られる。
そして、法線ベクトル（１０２）の平面（１０８）は底面（１０７）から正４角形の性質上６０度傾斜しているため、法線ベクトル（１０２）に該６０度に対応する回転行列（傾斜角情報）（９０）を乗算（９１）することにより、常に基準面の法線ベクトルからの変位量を測ることのできるベクトルに変換される。

例えば水平面を基準面として、ＧＰＳ受信機（１０６）の底面（１０７）が水平の場合には、基準面の法線ベクトルは法線ベクトル（１０５）と等しいベクトルであり、法線ベクトル（１０２）は回転により法線ベクトル（１０５）に重なる。そして、ＧＰＳ受信機（１０６）が傾斜した場合でも、同様に回転を行うことで、基準面の法線ベクトルからの変位を知ることができる。

変位量ベクトル（９２）には、それぞれに重み付け（重みを乗ずる）（９３）を行うことにより、最も高精度と考えられる最尤法線ベクトル（９４）を得ることができる。
ここで１つの方法は全ての重みを等しくすると、各法線ベクトルの平均をとることができ、全てのＧＰＳアンテナによる測定を平均化することで測定精度を高めることができる。

この方法は、ＧＰＳ受信機（１０６）の姿勢が大きく変動し、しかも後述のような方法を用いずに精度をある程度高めることが出来る点で好適であるが、人工衛星に向いていない平面の情報も加味する点で精度に限界がある。
そこで、重みとして人工衛星に広く向く平面については大きくし、それ以外を小さくすることで、高精度化を図ることが出来る。

例えば、法線ベクトルの中で最も人工衛星側に向いた法線ベクトルの変位量ベクトル（最適変位量ベクトル）に対する重みを１として、それ以外を０とすることにより、１つの法線ベクトルだけを選択してもよい。

この場合、いずれの法線ベクトルを選択するのか、その方法は任意であるが、比較的簡便な手法として次の３つの方法を用いることもできる。
まず第１に、図１１に示すように、４個のＧＰＳ衛星について、予め分かっている位置情報を用い、地表から仰ぎ見たときの仰角方向ベクトル（１１０）〜（１１３）を求める。そして、その平均値を示す単位ベクトル（１１４）と、法線ベクトル算出部（８２）で得た各ベクトル値（単位ベクトル）との差を求めてその差が最小となる法線ベクトルの変位量ベクトルを最適変位量ベクトルとし、最尤法線ベクトルとして出力する。

あるいは、このときの差が所定の閾値よりも低い法線ベクトルの変位量ベクトルには均等な重みをつけると共に、閾値よりも大きな法線ベクトルの変位量ベクトルには重みを０とする方法がある。これによると、信頼性の高い法線ベクトルの中で平均をとることができるので、高精度化に寄与する。

第２には、４個のＧＰＳ衛星について、予め分かっている位置情報から、４角形を計算上形成して、その中心点に向けた仰角方向ベクトル（単位ベクトル）と、法線ベクトル算出部（８２）で得た各ベクトル値（単位ベクトル）との差を求めてその差が最小となる法線の変位量ベクトルを最適変位量ベクトルとし、最尤法線ベクトルとして出力する。このとき、中心点としては、例えば対角線の交点とすればよい。

第３には、得られた法線ベクトルから、最も天頂方向に向いている法線ベクトルの変位量ベクトルを最適変位量ベクトルとし、最尤法線ベクトルとして出力する。この場合、ＧＰＳ衛星が必ずしも天頂付近に集中していないこともあり得るが、本方法は最も計算量が少なく、簡便な手法である。
その他、相互の基線ベクトルの値から、各ＧＰＳアンテナの高さを推定し、最も高いＧＰＳアンテナを除く３つのＧＰＳアンテナで形成される平面の法線ベクトルの変位量ベクトルを最適変位量ベクトルとし、最尤法線ベクトルとして出力する、など最尤法線ベクトル選択部（８３）の処理は様々に実施することができる。

以上の実施例では、正４面体を例示したが、本発明の実施においては任意の仮想的な多面体の頂点位置にＧＰＳアンテナを複数配置した３次元配置型ＧＰＳ受信機を用いることができる。例えば、正６面体、正１２面体や、平面を正３角形とする場合には、図１２に示す正８面体、図１３に示す正２０面体が考えられる。
これらの形状はオイラーの定理により、表１のようになっており、ここで面の数が多いほど、より最適な基線ベクトル又は法線ベクトルが選択できるため、高精度な姿勢測定に寄与するが、一方で計算量は増加する。

表１において、辺の数は基線ベクトル数（方向は問わない）に相当し、面数が正２０面体以上の場合には実効的な効果が期待しにくいことから、本発明の実施においては概ね４面体ないし２０面体が好適である。

なお、例えば正８面体や正２０面体など、頂点の数が多くなると、内部にも３角形が形成される。図１３のように、内部に形成される三角形（１２０）は、上面の三角形（１２１）よりも面積が大きく、高精度な測定に寄与する。また、３角形の取り方により、より多くの傾斜角度の平面を利用することができる。

以上説述した構成は、ＧＰＳ受信機を用いて姿勢の測定を行っているが、公知のようにＧＰＳによる姿勢測定とジャイロスコープによる姿勢測定を併用することが知られており、本発明でもこれらをハイブリッドで用いることも可能である。
特に、ジャイロスコープによって予備的に姿勢を測定し、その情報に基づいて最適な平面を特定することもできる。

本発明に係る相対測位システムの説明図である。本発明にかかる１重位相差の原理を説明する説明図である。本発明にかかる２重位相差の原理を説明する説明図である。２つの基線ベクトルを連立して算出する方法の説明図である。本発明の第１、第２実施例に係る３次元配置型ＧＰＳ受信機の構造を示す斜視図である。本発明の第１実施例における姿勢測定システムの構成図である。本発明の第１実施例における姿勢情報の変換処理図である。本発明の第２実施例における姿勢測定システムの構成図である。法線ベクトルから最尤法線ベクトルを算出する処理図である。最尤法線ベクトルの算出に係る説明図である。本発明の第２実施例における最尤法線ベクトル選択部の処理方法の説明図である。本発明の別実施形態である正８面体にＧＰＳアンテナを配置する構成の説明図である。本発明の別実施形態である正２０面体にＧＰＳアンテナを配置する構成の説明図である。従来の平面ＧＰＳコンパスの構成を示す説明図である。ＧＰＳによる単独測位システムの説明図である。

符号の説明

４０ＧＰＳアンテナ１
４１ＧＰＳアンテナ２
４２ＧＰＳアンテナ３
４３ＧＰＳアンテナ４
４４平面
４５基線ベクトル
４６基線ベクトル
４７平面
４８基線ベクトル
４９平面
５０平面
５１基線ベクトル
５２基線ベクトル

Claims

少なくとも４個のＧＰＳアンテナを仮想多面体の頂点位置に立体的に配置した３次元配置型ＧＰＳ受信機を用い、該仮想多面体のいずれかの仮想面を構成する基線ベクトルから該３次元配置型ＧＰＳ受信機の姿勢を測定する姿勢測定方法であって、
各ＧＰＳアンテナにおいて少なくとも４基の衛星からのＧＰＳ搬送波の位相情報を得る搬送波位相計測ステップ、
基線ベクトル算出手段が、いずれか３個のＧＰＳアンテナにおいて受信した４基の衛星からのＧＰＳ搬送波の位相情報から２重位相差を求め、該２重位相差から該ＧＰＳアンテナ間の基線ベクトルを算出する基線ベクトル算出ステップ
を少なくとも有することにより、３つ以上の基線ベクトルを得ると共に、
そのうち２つの基線ベクトル値を該３次元配置型ＧＰＳ受信機の姿勢値として得る
ことを特徴とする３次元配置型ＧＰＳ受信機による姿勢測定方法。
少なくとも４個のＧＰＳアンテナを仮想多面体の頂点位置に立体的に配置した３次元配置型ＧＰＳ受信機を用い、該仮想多面体のいずれかの仮想面の法線ベクトルを求めて該３次元配置型ＧＰＳ受信機の姿勢を測定する姿勢測定方法であって、
各ＧＰＳアンテナにおいて少なくとも４基の衛星からのＧＰＳ搬送波の位相情報を得る搬送波位相計測ステップ、
基線ベクトル算出手段が、いずれか３個のＧＰＳアンテナにおいて受信した４基の衛星からのＧＰＳ搬送波の位相情報から２重位相差を求め、該２重位相差から該ＧＰＳアンテナ間の基線ベクトルを算出する基線ベクトル算出ステップ、
法線ベクトル算出手段が、仮想多面体の各仮想面を決定する２つの基線ベクトルから、該各仮想面の法線ベクトルを算出する法線ベクトル算出ステップ、
最尤法線ベクトル算出手段が、各法線ベクトルを当該仮想面と所定の基準面との傾斜角情報を用いて、該基準面の法線ベクトルからの変位量ベクトルに変換した上で、該各変位量ベクトルに重み付けを行い、最尤法線ベクトルを算出する最尤法線ベクトル算出ステップ、
算出された最尤法線ベクトルを出力する姿勢値出力ステップ
の各ステップを少なくとも有することを特徴とする３次元配置型ＧＰＳ受信機による姿勢測定方法。
前記最尤法線ベクトル算出ステップにおいて、最尤法線ベクトル算出手段が、
前記重み付けを各変位量ベクトルに対して同一することにより、各変位量ベクトルの平均値を最尤法線ベクトルとする
請求項２に記載の３次元配置型ＧＰＳ受信機による姿勢測定方法。
前記最尤法線ベクトル算出ステップにおいて、最尤法線ベクトル算出手段が、
前記重み付けを各変位量ベクトルのうち、いずれか１つの変位量ベクトル（最適変位量ベクトルと呼ぶ）を除く他の全ての重み付けを０とすることにより、該最適変位量ベクトルを最尤法線ベクトルとする
請求項２に記載の３次元配置型ＧＰＳ受信機による姿勢測定方法。
前記最尤法線ベクトル算出ステップにおいて、最尤法線ベクトル算出手段が、
２重位相差を求めるのに用いた４基の衛星の仰角方向ベクトルの平均値に最も近い法線ベクトルの変位量ベクトルを最適変位量ベクトルとして重み付けする
請求項４に記載の３次元配置型ＧＰＳ受信機による姿勢測定方法。
前記最尤法線ベクトル算出ステップにおいて、最尤法線ベクトル算出手段が、
２重位相差を求めるのに用いた４基の衛星を４角形の頂点とし、該４角形の中心点に向けた仰角方向ベクトルに最も近い法線ベクトルの変位量ベクトルを最適変位量ベクトルとして重み付けする
請求項４に記載の３次元配置型ＧＰＳ受信機による姿勢測定方法。
前記最尤法線ベクトル算出ステップにおいて、最尤法線ベクトル算出手段が、
天頂方向ベクトルに最も近い法線ベクトルの変位量ベクトルを最適変位量ベクトルとして重み付けする
請求項４に記載の３次元配置型ＧＰＳ受信機による姿勢測定方法。
少なくとも４個のＧＰＳアンテナを仮想多面体の頂点位置に立体的に配置した３次元配置型ＧＰＳ受信機を備え、該仮想多面体のいずれかの仮想面の法線ベクトルを求めて該３次元配置型ＧＰＳ受信機の姿勢を測定する姿勢測定システムであって、
各ＧＰＳアンテナにおいて少なくとも４基の衛星からのＧＰＳ搬送波の位相情報を得る３次元配置型ＧＰＳ受信機と、
いずれか３個のＧＰＳアンテナにおいて受信した４基の衛星からのＧＰＳ搬送波の位相情報から２重位相差を求め、該２重位相差から該ＧＰＳアンテナ間の基線ベクトルを算出する基線ベクトル算出手段と、
仮想多面体の各仮想面を決定する２つの基線ベクトルから、該各仮想面の法線ベクトルを算出する法線ベクトル算出手段と、
各法線ベクトルを当該仮想面と所定の基準面との傾斜角情報を用いて、該基準面の法線ベクトルからの変位量ベクトルに変換した上で、該各変位量ベクトルに重み付けを行い、最尤法線ベクトルを算出する最尤法線ベクトル算出手段と、
選択された最尤法線ベクトルを出力する姿勢値出力手段と
を少なくとも配設したことを特徴とする３次元配置型ＧＰＳ受信機を備えた姿勢測定システム。
前記最尤法線ベクトル算出手段が、
前記重み付けを各変位量ベクトルに対して同一することにより、各変位量ベクトルの平均値を最尤法線ベクトルとする
請求項８に記載の３次元配置型ＧＰＳ受信機による姿勢測定システム。
前記最尤法線ベクトル算出手段が、
前記重み付けを各変位量ベクトルのうち、いずれか１つの変位量ベクトル（最適変位量ベクトルと呼ぶ）を除く他の全ての重み付けを０とすることにより、該最適変位量ベクトルを最尤法線ベクトルとする
請求項８に記載の３次元配置型ＧＰＳ受信機による姿勢測定システム。
前記最尤法線ベクトル算出手段が、
２重位相差を求めるのに用いた４基の衛星の仰角方向ベクトルの平均値に最も近い法線ベクトルの変位量ベクトルを最適変位量ベクトルとして重み付けする
請求項１０に記載の３次元配置型ＧＰＳ受信機を備えた姿勢測定システム。
前記最尤法線ベクトル算出手段が、
２重位相差を求めるのに用いた４基の衛星を４角形の頂点とし、該４角形の中心点に向けた仰角方向ベクトルに最も近い法線ベクトルの変位量ベクトルを最適変位量ベクトルとして重み付けする
請求項１０に記載の３次元配置型ＧＰＳ受信機を備えた姿勢測定システム。
前記最尤法線ベクトル算出手段が、
天頂方向ベクトルに最も近い法線ベクトルの変位量ベクトルを最適変位量ベクトルとして重み付けする
請求項１０に記載の３次元配置型ＧＰＳ受信機を備えた姿勢測定システム。
少なくとも４個のＧＰＳアンテナを仮想多面体の頂点位置に立体的に配置した３次元配置型ＧＰＳ受信機であって、
各ＧＰＳアンテナにおいて少なくとも４基の衛星からのＧＰＳ搬送波の位相情報を得、該位相情報から２重位相差を求め、該２重位相差から該ＧＰＳアンテナ間の基線ベクトルを算出することにより姿勢値を得る姿勢測定に用いる
３次元配置型ＧＰＳ受信機。