JP2007171071A - Azimuth measuring device and signal processing method - Google Patents
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Description
本発明は、方位測定装置及び信号処理方法に関する。 The present invention relates to an azimuth measuring apparatus and a signal processing method.
例えば、方位測定装置の1つとしてジャイロコンパスが知られている。周知のように、機械式のジャイロコンパスとは、3軸の自由度を有する高速回転体(ジャイロ)の方向保持性と、地球の自転運動及び重力とを利用して真北を指し示すものである。このようなジャイロコンパスは、主に船舶の船首方位測定装置として用いられ、オートパイロット等の船舶の航行機能に対して船首方位情報を伝達するという重要な役割を担っている(例えば下記非特許文献1参照)。 For example, a gyrocompass is known as one of the orientation measuring devices. As is well known, a mechanical gyro compass indicates true north by utilizing the direction-retaining property of a high-speed rotating body (gyro) having three degrees of freedom and the rotation and gravity of the earth. . Such a gyrocompass is mainly used as a ship heading measurement device, and plays an important role of transmitting heading information to a navigation function of a ship such as an autopilot (for example, the following non-patent document). 1).
ところで、上記のようにジャイロを用いる機械式のジャイロコンパスの場合、起動後に安定して真北を指し示すまでの時間(静定時間)が数時間必要であり、その間正確な船首方位情報を得られないという問題がある。そのため、スペリー式のジャイロコンパスの場合、ジャイロに直接トルクを加えることにより、真北に近い方位まで強制的にジャイロコンパスを指北させ、静定時間を短縮する方法が採用されている。 By the way, in the case of a mechanical gyrocompass using a gyro as described above, it takes several hours to stabilize and point to true north after starting (settling time), during which accurate heading information can be obtained. There is no problem. Therefore, in the case of the Sperry type gyrocompass, a method is adopted in which the gyrocompass is forcibly pointed to a direction close to true north by directly applying torque to the gyro to shorten the settling time.
また、アンシューツ/ツェー・プラーツ式のジャイロコンパスの場合、ジャイロを含む転輪球が支持液と呼ばれる液体中に浮いている構造を採っていることから、上記のようにジャイロに直接トルクを加えることが困難なため、短時間静定器と呼ばれる装置を備えることにより静定時間の短縮を図っている。この短時間静定器は、ジャイロの回転速度を遅くすれば不衰滅振揺の周期が短くなり、不衰滅振揺の俯仰角が小さくなることを利用したものである。つまり、ジャイロコンパスの起動時において、短時間静定器によって、まずジャイロへ供給するAC電源の周波数を60Hzに設定することでジャイロの回転速度を遅くし、短時間で真北付近の方位にて不衰滅振揺を発生させる。その後、AC電源の周波数を333Hzに切り替えて、通常の運転状態に移行することにより、短時間静定を実現する。 In the case of the gyro compass of the Anschutz / Tse-Platz type, since the rolling ball including the gyro is floating in the liquid called the supporting liquid, the torque is directly applied to the gyro as described above. Therefore, the stabilization time is shortened by providing a device called a short-time static determinator. This short-term static device uses the fact that if the rotational speed of the gyro is slowed, the cycle of the non-extinguishing shake becomes short and the elevation angle of the non-extinguishing shake becomes small. In other words, when the gyrocompass is started, the frequency of the AC power supplied to the gyro is first set to 60 Hz by a short-term stat, so that the gyro rotation speed is slowed down, and in the direction near true north in a short time. Indestructible shaking is generated. After that, the frequency of the AC power source is switched to 333 Hz, and a normal operation state is shifted to realize a short time stabilization.
さらに、近年では、ジャイロコンパスを事前に起動させておき、使用時には静定動作が完了し所望の性能が得られるよう、タイマによる事前静定機能を備えるジャイロコンパスも実用化されている。
しかしながら、上記のようにジャイロに直接トルクを加える機能や短時間静定器を備えるジャイロコンパスの場合、部品点数が増えることにより、コストの増加や装置の大型化を招くという問題があった。また、タイマによる事前静定機能を備えるジャイロコンパスの場合、ユーザによるタイマの入れ忘れがあると使用時までに静定動作が完了しないという問題があった。
さらに、これらの短時間静定機能を採用した場合であっても、静定動作中にジャイロコンパスから出力される船首方位情報には大きな誤差が含まれているため、静定動作中は船首方位情報を使用することができなかった。
However, in the case of a gyrocompass equipped with a function for directly applying torque to the gyro and a short-term static adjuster as described above, there is a problem that the number of parts increases, resulting in an increase in cost and an increase in the size of the apparatus. In addition, in the case of a gyrocompass having a pre-settling function using a timer, there is a problem that if the user forgets to put in the timer, the settling operation is not completed before use.
Furthermore, even when these short-term stabilization functions are used, the heading information output from the gyrocompass during the stabilization operation contains large errors, so the heading during the stabilization operation The information could not be used.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、ジャイロコンパスが静定動作中であっても正確な方位情報を得ることを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to obtain accurate azimuth information even when the gyrocompass is in a static operation.
上記課題を解決するために、本発明では、方位測定装置に係る第1の解決手段として、起動時から静定動作完了までに長周期の誤差成分を含む一方、短時間的には安定した方位を示す第1の方位信号を出力するジャイロコンパスと、起動時から短周期の誤差成分を含む一方、長時間的には平均的に安定した方位を示す第2の方位信号を出力する方位検出手段と、前記第1の方位信号及び第2の方位信号に基づいて真の方位を示す真方位信号を生成する信号処理手段とを具備する、という手段を採用する。 In order to solve the above-mentioned problem, in the present invention, as a first solution means for an azimuth measuring apparatus, a long-cycle error component is included from the time of start-up until the completion of the static stabilization operation, but stable in a short time. A gyro compass that outputs a first azimuth signal indicating azimuth, and an azimuth detecting means that outputs a second azimuth signal indicating an average stable azimuth over a long period of time while including an error component of a short period from the time of startup And a signal processing means for generating a true azimuth signal indicating a true azimuth based on the first azimuth signal and the second azimuth signal.
また、本発明では、方位測定装置に係る第2の解決手段として、上記第1の解決手段において、前記信号処理手段は、前記第1の方位信号と第2の方位信号との差分を算出し、差分信号を出力する第1の差分手段と、前記差分信号に含まれる高周波の誤差成分を低減し、ジャイロコンパス誤差信号を出力するフィルタと、前記第1の方位信号と前記ジャイロコンパス誤差信号との差分を算出し、真方位信号を生成する第2の差分手段とを備えることを特徴とする。 In the present invention, as the second solving means relating to the bearing measuring device, in the first solving means, the signal processing means calculates a difference between the first bearing signal and the second bearing signal. A first difference means for outputting a difference signal, a filter for reducing a high frequency error component included in the difference signal and outputting a gyrocompass error signal, the first azimuth signal and the gyrocompass error signal, And a second difference means for generating a true azimuth signal.
また、本発明では、方位測定装置に係る第3の解決手段として、上記第1または2の解決手段において、前記信号処理手段は、前記第1の方位信号に含まれる速度誤差を算出する速度誤差算出手段と、前記第1の方位信号から前記速度誤差を減算する減算手段とを備え、所定の速度で東または西以外に向かって移動しつつ方位を測定する場合において、速度誤差減算後の第1の方位信号を使用して信号処理を行うことを特徴とする。 In the present invention, as a third solving means relating to the azimuth measuring apparatus, in the first or the second solving means, the signal processing means calculates a speed error for calculating a speed error included in the first azimuth signal. A calculating means; and a subtracting means for subtracting the speed error from the first azimuth signal, and when measuring the azimuth while moving toward a place other than east or west at a predetermined speed, Signal processing is performed using one azimuth signal.
また、本発明では、方位測定装置に係る第4の解決手段として、上記第1〜3のいずれかの解決手段において、前記方位検出手段は、THD(Transmitting Heading Devices:船首方位伝達装置)であることを特徴とする。 In the present invention, as a fourth solving means relating to the bearing measuring device, in any one of the first to third solving means, the bearing detection means is a THD (Transmitting Heading Devices). It is characterized by that.
さらに、本発明では、信号処理方法に係る第1の解決手段として、長周期の誤差成分を含む一方、短時間的には安定して所定のパラメータに関する値を示す第1の信号と、短周期の誤差成分を含む一方、長時間的には平均的に安定して前記パラメータに関する値を示す第2の信号とに基づいて前記パラメータに関する真の値を判定する、という手段を採用する。 Furthermore, in the present invention, as a first solving means related to the signal processing method, a first signal that includes a long-cycle error component and stably shows a value related to a predetermined parameter in a short time, and a short cycle The true value related to the parameter is determined based on the second signal indicating the value related to the parameter that is stable on average over a long period of time.
また、本発明では、信号処理方法に係る第2の解決手段として、上記第1の解決手段において、前記第1の信号と第2の信号との差分を算出し、差分信号を生成するステップと、前記差分信号に含まれる高周波の誤差成分を低減し、誤差信号を生成するステップと、前記第1の信号と前記誤差信号との差分を算出し、当該差分に基づいて前記パラメータに関する真の値を判定するステップとを有することを特徴とする。 In the present invention, as a second solving means related to the signal processing method, a step of calculating a difference between the first signal and the second signal in the first solving means to generate a difference signal; Reducing a high-frequency error component included in the difference signal, generating an error signal, calculating a difference between the first signal and the error signal, and calculating a true value related to the parameter based on the difference And a step of determining.
本発明によれば、起動時から静定動作完了までに長周期の誤差成分を含む一方、短時間的にみれば安定した方位を示すジャイロコンパスの出力信号と、起動時から短周期の誤差成分を含む一方、長時間的にみれば平均的に安定した方位を示す方位検出手段(例えばGPSコンパス)の出力信号との2つの信号を用いて互いの弱点を補完し合うことにより、ジャイロコンパスが静定動作中であっても正確な方位情報を得ることが可能である。 According to the present invention, a gyrocompass output signal indicating a stable orientation in a short time while including a long-cycle error component from the start to the completion of the static stabilization operation and a short-cycle error component from the start On the other hand, by complementing each other's weak points using two signals with the output signal of the direction detection means (for example, GPS compass) that shows an average stable direction over a long period of time, the gyro compass It is possible to obtain accurate azimuth information even during a static operation.
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
図1は、本発明の実施形態に係る船首方位測定装置(方位測定装置)を備えた船舶の構成ブロック図である。なお、図1では船舶の操舵機能構成のみを示し、スクリューの駆動機能等、他の機能構成については省略している。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a configuration block diagram of a ship provided with a bow direction measuring device (direction measuring device) according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1, only the steering function configuration of the ship is shown, and other functional configurations such as a screw drive function are omitted.
この図に示すように、本船首方位測定装置Dは、ジャイロコンパス1、GPS(Global Positioning System)コンパス2、航行速度測定部3、速度誤差算出部4、第1の減算器5、第2の減算器6、LPF(Low Pass Filter)7及び第3の減算器8から構成されている。
As shown in this figure, the heading measurement apparatus D includes a
ジャイロコンパス1は、例えばスペリー式またはアンシューツ/ツェー・プラーツ式等の機械式のジャイロコンパスであり、3軸の自由度を有する高速回転体(ジャイロ)の方向保持性と、地球の自転運動及び重力とを利用して船舶の船首方位を測定し、当該船首方位を示すジャイロコンパス方位信号φGYROを第1の減算器5に出力する。GPSコンパス2は、THD(Transmitting Heading Devices:船首方位伝達装置)の1つであり、全地球測位システム(Global Positioning System)を利用して船首方位を測定し、当該船首方位を示すGPSコンパス方位信号φGPSを速度誤差算出部4及び第2の減算器6に出力する。また、このGPSコンパス2は、船舶の緯度を測定し、当該緯度を示す緯度信号s1を速度誤差算出部4に出力する。
The
航行速度測定部3は、例えば電磁ログであり、船舶の航行速度を測定し、当該航行速度を示す航行速度信号s2を速度誤差算出部4に出力する。速度誤差算出部4は、上記GPSコンパス2から入力されるGPSコンパス方位信号φGPS及び緯度信号s1と、航行速度測定部3から入力される航行速度信号s2とに基づいて、船舶が東または西以外の針路を航行している場合にジャイロコンパス1のジャイロコンパス方位信号φGYROに生じる速度誤差εVELを算出し、当該速度誤差εVELを示す速度誤差信号s3を第1の減算器5に出力する。なお、この速度誤差εVELの算出方法についての詳細は後述する。
The navigation
第1の減算器5は、上記ジャイロコンパス1から入力されるジャイロコンパス方位信号φGYROと、速度誤差算出部4から入力される速度誤差信号s3との差分を算出し、当該差分を示す第1の差分方位信号φG1を第2の減算器6及び第3の減算器8に出力する。第2の減算器6は、上記第1の減算器5から入力される第1の差分方位信号φG1と、GPSコンパス2から入力されるGPSコンパス方位信号φGPSとの差分を算出し、当該差分を示す第2の差分方位信号φG2をLPF7に出力する。
The
LPF7は、上記第2の減算器6から入力される第2の差分方位信号φG2の高周波成分(具体的には数秒単位の周期を有する成分)を減衰すると共に、低周波成分(具体的には数十分単位の周期を有する成分)を通過させ、ジャイロコンパス誤差信号s4として第3の減算器8に出力する。第3の減算器8は、上記第1の減算器5から入力される第1の差分方位信号φG1と、LPF7から入力されるジャイロコンパス誤差信号s4との差分を算出する。これら第1の差分方位信号φG1とジャイロコンパス誤差信号s4との差分が船首方位の真値を示すものである。つまり第3の減算器8は、船首方位の真値を示す船首方位信号φG3を操舵部9に出力する。
LPF7, said with (specifically, components having a period of a few seconds) a second second differential azimuth signal phi G2 of the high-frequency component inputted from the
操舵部9は、オートパイロット機能を有し、上記船首方位測定装置Dにおける第3の減算器8から入力される船首方位信号φG3を基に、舵11の舵角を制御するための舵角制御信号を舵駆動部10に出力する。舵駆動部10は、上記舵角制御信号に基づいて舵11を駆動する。舵11は、上記舵駆動部10によって駆動され、操舵部9によって指示された舵角によって船舶の針路を規定するものである。
The
なお、本船首方位測定装置Dから得られる船首方位信号φG3を、操舵部9だけでなく、レピータコンパスやその他の航海機器に使用しても良い。また、操舵部9は、オートパイロット機能だけでなく、操縦者の手動操作に基づいて舵11の舵角を制御する機能も有していても良い。
Note that the heading signal phi G3 obtained from the heading measuring device D, as well as
次に、このように構成された本船首方位測定装置Dの動作について説明する。 Next, the operation of the heading measurement apparatus D configured as described above will be described.
[船舶が静止している場合]
まず、船舶が静止している場合の本船首方位測定装置Dの動作について説明する。
図2は、ジャイロコンパス1から出力されるジャイロコンパス方位信号φGYROの時間的変動を示すものである。この図において、横軸はジャイロコンパス1が起動してからの経過時間、縦軸は船舶の方位、つまり方位角を示している。なお、縦軸において、方位角0°の場合が真北を示している。図2からわかるように、静定動作中において、ジャイロコンパス方位信号φGYROは、真北の方位角を中心として周期約84(min)の正弦波状に変動しており、この変動は時間経過とともに減衰していく。このような変動がなくなり、完全に真北の方位角を示すと静定完了となる。
このように、静定動作中において、ジャイロコンパス1から出力されるジャイロコンパス方位信号φGYROは長時間に亘って変動している、つまり誤差を含んでいるため、正確な船首方位情報として使用することはできない。
[If the ship is stationary]
First, the operation of the heading measurement apparatus D when the ship is stationary will be described.
FIG. 2 shows the temporal variation of the gyrocompass heading signal φGYRO output from the
As described above, the gyrocompass heading signal φ GYRO output from the
また、GPSコンパス2から出力されるGPSコンパス方位信号φGPSの時間的変動を図3に示す。この図において、横軸はGPSコンパス2が起動してからの経過時間、縦軸は船舶の方位角を示している。なお、縦軸において、方位角0°の場合が真北を示している。図3からわかるように、GPSコンパス方位信号φGPSは、起動直後から長時間に亘って平均的にはほぼ真の方位角を指し示しているが、短時間的には高周波成分を多く含んでいる。つまり、GPSコンパス2を用いると静定時間はほぼ無視できるが、短時間的には高周波の誤差を多く含んでいるため、正確な船首方位情報として使用することはできない。一方、ジャイロコンパス方位信号φGYROは、図2からわかるように、長時間的には大きな誤差を含んでいるが、数十秒程度の短時間的にはほぼ一定の方位角を示している。
上記のような特性を示すジャイロコンパス方位信号φGYROと、GPSコンパス方位信号φGPSとを用いて以下に述べる信号処理を施すことにより、短時間に正確な船首方位情報を得ることが可能である。
Further, FIG. 3 shows temporal changes in the GPS compass direction signal φ GPS output from the
By performing the signal processing described below using the gyrocompass direction signal φ GYRO and the GPS compass direction signal φ GPS exhibiting the above characteristics, it is possible to obtain accurate bow direction information in a short time. .
ここで、静止時の真の方位角をφs、ジャイロコンパス1の固有の誤差をεGYROとすると、ジャイロコンパス方位信号φGYROは下記関係式(1)で表される。ジャイロコンパス1は、下記関係式(1)で表されるジャイロコンパス方位信号φGYROを第1の減算器5に出力する。
Here, the true azimuth angle at rest .phi.s, the inherent error of the
また、GPSコンパス2の固有の誤差をεGPSとすると、GPSコンパス方位信号φGPSは下記関係式(2)で表される。GPSコンパス2は、下記関係式(2)で表されるGPSコンパス方位信号φGPSを速度誤差算出部4及び第2の減算器6に出力する。
Further, assuming that the inherent error of the
船舶が静止している場合、ジャイロコンパス方位信号φGYROに含まれる速度誤差成分εVELを算出する必要がないため、速度誤差算出部4は動作せず、速度誤差信号s3は出力されない。この場合、第1の減算器5は、第1の差分方位信号φG1として、ジャイロコンパス方位信号φGYROを第2の減算器6及び第3の減算器8に出力する。
When the ship is stationary, it is not necessary to calculate the speed error component ε VEL included in the gyro compass heading signal φ GYRO , so the speed
第2の減算器6は、ジャイロコンパス方位信号φGYROとGPSコンパス方位信号φGPSとの差分を算出し、当該差分を示す第2の差分方位信号φG2をLPF7に出力する。つまり、第2の差分方位信号φG2は下記関係式(3)で表される。
The
このような第2の差分方位信号φG2を図4に示す。この図からわかるように、第2の差分方位信号φG2は、長時間的には正弦波状の減衰曲線となっているが、数十秒程度の短時間的には単純区間移動平均または1次式近似を行うことにより平滑化が可能である。 It shows such a second differential bearing signals phi G2 in FIG. As can be seen from this figure, the second differential azimuth signal phi G2, although a sinusoidal decay curve for long, the simple interval moving average or primary short time basis in the order of tens of seconds Smoothing is possible by formula approximation.
LPF7は、第2の差分方位信号φG2の高周波成分(つまりGPSコンパス2固有の誤差εGPS)を減衰すると共に、低周波成分(つまりジャイロコンパス1固有の誤差εGYRO)を通過させ、ジャイロコンパス誤差信号s4として第3の減算器8に出力する。図5に、LPF7の時定数を10(s)に設定した場合の、ジャイロコンパス誤差信号s4を示す。この図からわかるように、高周波成分(つまりGPSコンパス2固有の誤差εGPS)はほぼ除去されており、ジャイロコンパス誤差信号s4はジャイロコンパス1固有の誤差εGYROのみを示す信号となる。
LPF7 is configured to attenuate the second differential azimuth signal phi G2 of the high frequency component (i.e. GPS compass 2-specific error epsilon GPS), is passed through a low-frequency component (i.e. gyrocompass 1-specific error epsilon GYRO), gyrocompass The error signal s4 is output to the
第3の減算器8は、第1の差分方位信号φG1としてのジャイロコンパス方位信号φGYROと、ジャイロコンパス誤差信号s4との差分を算出して船首方位信号φG3を操舵部9に出力する。つまり、船首方位信号φG3は下記関係式(4)で表される。
このように、船首方位信号φG3は静止時の真の方位角φsを示す信号となる。図6に船首方位信号φG3を示す。この図からわかるように、船首方位信号φG3は、長時間でみられる低周波の誤差成分と、短時間でみられる高周波の誤差成分とがほぼ除去された信号となっており、起動時からの経過時間に関わらず、ほぼ一定の方位角φsを得ることができる。 Thus, heading signal phi G3 is a signal indicating a true azimuth angle φs at rest. FIG. 6 shows the heading signal φ G3 . As can be seen from this figure, the heading signal φ G3 is a signal from which a low frequency error component seen in a long time and a high frequency error component seen in a short time are substantially eliminated. Regardless of the elapsed time, a substantially constant azimuth angle φs can be obtained.
[船舶が航行及び旋回している場合]
次に、船舶が所定の航行速度で航行及び旋回している場合の本船首方位測定装置Dの動作について説明する。
図7は、ジャイロコンパス1の起動時から約2時間後に、船舶を0°から5°の方位角に旋回させた場合のジャイロコンパス方位信号φGYROの時間的変動を示すものである。この図に示すように、旋回時においてジャイロコンパス方位信号φGYROは大きく変化することがわかる。また、図8は、GPSコンパス2の起動時から約2時間後に、船舶を0°から5°の方位角に旋回させた場合のGPSコンパス方位信号φGPSの時間的変動を示すものである。この図からわかるように、図7と同様、旋回時においてGPSコンパス方位信号φGPSは大きく変化する。
[If the ship is navigating and turning]
Next, the operation of the heading measurement apparatus D when the ship is navigating and turning at a predetermined navigation speed will be described.
FIG. 7 shows the temporal fluctuation of the gyrocompass bearing signal φGYRO when the ship is turned from 0 ° to 5 ° after about 2 hours from the start of the
図7からわかるように、旋回時においてジャイロコンパス方位信号φGYROには旋回成分φSHIPが含まれる。さらに、船舶が東または西以外の針路を航行している場合、ジャイロコンパス方位信号φGYROには速度誤差と呼ばれる誤差が含まれる。この速度誤差は、地球自転を基準として構成されるジャイロコンパス1には必ず発生する誤差であり、一方GPSコンパス2等の地球自転を基準としないコンパスには発生しないものである。よって、旋回時の真の方位角をφs、ジャイロコンパス1の固有の誤差をεGYRO、速度誤差をεVELとすると、旋回時のジャイロコンパス方位信号φGYROは下記関係式(5)で表される。旋回時においてジャイロコンパス1は、下記関係式(5)で表されるジャイロコンパス方位信号φGYROを第1の減算器5に出力する。
As can be seen from FIG. 7, the turning component φ SHIP is included in the gyro compass direction signal φ GYRO during turning. Furthermore, when the ship is navigating a course other than east or west, the gyrocompass heading signal φGYRO includes an error called a speed error. This speed error is an error that always occurs in the
また、同様に旋回時においてGPSコンパス方位信号φGPSにも旋回成分φSHIPが含まれる。よって、GPSコンパス2の固有の誤差をεGPSとすると、旋回時のGPSコンパス方位信号φGPSは下記関係式(6)で表される。旋回時においてGPSコンパス2は、下記関係式(6)で表されるGPSコンパス方位信号φGPSを速度誤差算出部4及び第2の減算器6に出力する。また、このGPSコンパス2は、船舶の緯度を測定し、当該緯度を示す緯度信号s1を速度誤差算出部4に出力する。
Similarly, during turning, the GPS compass bearing signal φ GPS also includes a turning component φ SHIP . Therefore, if the inherent error of the
航行速度測定部3は、船舶の航行速度Vを測定し、当該航行速度を示す航行速度信号s2を速度誤差算出部4に出力する。
The navigation
速度誤差算出部4は、航行速度V(m/s)、コンパス針路θ(deg)、地球の赤道半径R(m)、地球自転の角速度ω(rad/s)、緯度λ(deg)からなる下記関係式(7)に基づいて速度誤差εVEL(rad)算出し、当該速度誤差εVELを示す速度誤差信号s3を第1の減算器5に出力する。下記関係式(7)において、航行速度Vとしては航行速度信号s2を使用し、コンパス針路θとしてはGPSコンパス方位信号φGPSを使用し、また緯度λとしては緯度信号s1を使用する。
The speed
そして、第1の減算器5は、ジャイロコンパス方位信号φGYROと速度誤差信号s3との差分を算出し、当該差分を示す第1の差分方位信号φG1を第2の減算器6及び第3の減算器8に出力する。つまり、第1の差分方位信号φG1は下記関係式(8)で表される。
このように、第1の減算器5においてジャイロコンパス方位信号φGYROから速度誤差εVELが除去される。
Then, the
Thus, the
第2の減算器6は、第1の差分方位信号φG1とGPSコンパス方位信号φGPSとの差分を算出し、当該差分を示す第2の差分方位信号φG2をLPF7に出力する。つまり、第2の差分方位信号φG2は下記関係式(9)で表される。
The
このような第2の差分方位信号φG2を図9に示す。この図に示すように、第1の差分方位信号φG1とGPSコンパス方位信号φGPSとの差分をとることにより、旋回成分φSHIPを除去することができる。従って、LPF7のフィルタリング処理によって得られるジャイロコンパス誤差信号s4は、上述した静止時の場合と同様にジャイロコンパス1固有の誤差εGYROのみを示す信号となり、正確なジャイロコンパス1固有の誤差εGYROを推定することができる。このようなジャイロコンパス誤差信号s4を図10に示す。
It shows such a second differential bearing signals phi G2 in FIG. As shown in the figure, the turning component φ SHIP can be removed by taking the difference between the first differential bearing signal φ G1 and the GPS compass bearing signal φ GPS . Therefore, the gyrocompass error signal s4 obtained by the filtering process of the
第3の減算器8は、第1の差分方位信号φG1と、ジャイロコンパス誤差信号s4との差分を算出して船首方位信号φG3を操舵部9に出力する。つまり、船首方位信号φG3は下記関係式(10)で表される。図11に船首方位信号φG3を示す。この図に示すように、船首方位信号φG3は、静止時と同様に、長時間でみられる低周波の誤差成分と、短時間でみられる高周波の誤差成分とがほぼ除去された信号となっており、ジャイロコンパス1の起動時からの経過時間に関わらず、旋回成分も含めた正確な船首方位情報を得ることができる。
The
以上のように、本実施形態によれば、長時間的には大きな誤差を含んでいるが、数十秒程度の短時間的にはほぼ一定の方位角を示すという特性を有するジャイロコンパス1の出力信号と、静定時間を無視でき長時間的にはほぼ一定の方位角を示すが、短時間的には高周波の誤差を多く含んでいるという特性を有するGPSコンパス2の出力信号との2つの信号を用いて互いの弱点を補完し合うことにより、ジャイロコンパス1が静定動作中であっても正確な船首方位情報を得ることが可能である。
As described above, according to the present embodiment, the
また、従来のようにジャイロに直接トルクを加える機能や短時間静定器を備える必要がないので、コストの増加や装置の大型化を防ぐことができ、また、タイマ機能を備える必要がないため、タイマの入れ忘れ等の人為的ミスが発生することもない。 In addition, since it is not necessary to provide a function for directly applying torque to the gyro or a short-term static adjuster as in the past, it is possible to prevent an increase in cost and size of the apparatus, and it is not necessary to provide a timer function. There is no human error such as forgetting to put the timer.
なお、上記実施形態において、ジャイロコンパス1の静定動作が完了した後は、ジャイロコンパス1から出力されるジャイロコンパス方位信号φGYROのみを船首方位情報として用いることが望ましい。
In the above-described embodiment, it is desirable to use only the gyrocompass direction signal φ GYRO output from the
また、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。 Further, the present invention is not limited to the above embodiment, and for example, the following modifications can be considered.
(1)上記実施形態では、船舶の方位を測定する船首方位測定装置Dを例示して説明したが、これに限らず、ジャイロコンパスを使用して方位を測定する機能を備えるものであれば、他の機器にも適用可能である。 (1) In the above embodiment, the bow heading measuring device D that measures the heading of the ship has been described as an example. However, the present invention is not limited thereto, and any device that has a function of measuring heading using a gyrocompass may be used. It can be applied to other devices.
(2)上記実施形態では、方位検出手段としてGPSコンパスを使用したが、これに限らず、起動時から高周波の誤差成分を含む一方長時間的にみれば平均的に安定した方位を示す方位信号を出力するものであれば他のTHD(例えば電子磁気コンパス等)を用いても良い。 (2) In the above-described embodiment, the GPS compass is used as the direction detection means. However, the present invention is not limited to this, and the direction signal includes a high-frequency error component from the start-up and shows an average stable direction when viewed over a long period of time. Any other THD (for example, an electronic magnetic compass) may be used.
(3)上記実施形態では、速度誤差算出部4によって速度誤差εVELを算出し、ジャイロコンパス方位信号φGYROから上記速度誤差εVELを除去することにより正確な船首方位情報を得ていた。しかし、必ずしもこのような速度誤差εVELを算出する必要はなく、ある程度船首方位情報の精度は低下するが、速度誤差算出部4及び航行速度測定部3は必須の構成要素ではない。ただし、船首方位情報の精度を確保することを重視するならば、これら速度誤差算出部4及び航行速度測定部3を備えることが望ましい。
また、航行速度測定部3は船首方位測定装置Dの内部に備えても良いし、元々船舶に備えられている航行速度測定器から航行速度情報を得るように構成しても良い。さらに、航行速度や緯度を手動で入力するような構成にしても良い。
(3) In the above embodiment, calculates the speed error epsilon VEL by the
Further, the navigation
(4)上記実施形態では、長周期の誤差成分を含む一方短時間的にみれば安定した方位を示すジャイロコンパスの出力信号と、起動時から高周波の誤差成分を含む一方長時間的にみれば平均的に安定した方位を示す方位検出手段の出力信号との2つの信号を用いて互いの弱点を補完し合うことにより、真の方位情報を得ていた。このように方位だけでなく、他のパラメータに関する値の真値を求める場合でも同様な信号処理を適用することができる。つまり、長周期の誤差成分を含む一方短時間的にみれば安定して所定のパラメータに関する値を示す第1の信号と、高周波の誤差成分を含む一方長時間的にみれば平均的に安定して上記パラメータに関する値を示す第2の信号との2つの信号が得られる場合、これら2つの信号を用いて互いの弱点を補完し合うことにより、所定のパラメータに関する真の値を判定することが可能である。 (4) In the above embodiment, the output signal of the gyrocompass that shows a stable orientation when viewed in a short time including a long-cycle error component and the high-frequency error component from the time of startup while viewed in a long time True direction information was obtained by complementing each other's weak points using two signals, the output signal of the direction detection means showing an average stable direction. In this way, similar signal processing can be applied even when the true value of the value related to other parameters is obtained in addition to the orientation. That is, the first signal including a long-cycle error component and stable in a short time and showing a value related to a predetermined parameter, and the average signal stable in a long time including a high-frequency error component. Thus, when two signals with the second signal indicating the value relating to the parameter are obtained, the true value relating to the predetermined parameter can be determined by complementing each other's weak points using the two signals. Is possible.
具体的には、上記第1の信号と第2の信号との差分を算出して差分信号を生成し、当該差分信号に含まれる高周波の誤差成分を低減するようにフィルタリングを行う。そして、フィルタリング後の信号と第1の信号との差分を算出することにより所定のパラメータに関する真の値を求めることができる。 Specifically, a difference signal is generated by calculating a difference between the first signal and the second signal, and filtering is performed so as to reduce a high-frequency error component included in the difference signal. And the true value regarding a predetermined parameter can be calculated | required by calculating the difference of the signal after filtering, and a 1st signal.
D…船首方位測定装置、1…ジャイロコンパス、2…GPS(Global Positioning System)コンパス、3…航行速度測定部、4…速度誤差算出部、5…第1の減算器、6…第2の減算器、7…LPF(Low Pass Filter)、8…第3の減算器、9…操舵部、10…舵駆動部、11…舵
DESCRIPTION OF SYMBOLS D ... Heading measuring apparatus, 1 ... Gyrocompass, 2 ... GPS (Global Positioning System) compass, 3 ... Navigation speed measurement part, 4 ... Speed error calculation part, 5 ... 1st subtractor, 6 ...
Claims (6)
起動時から短周期の誤差成分を含む一方、長時間的には平均的に安定した方位を示す第2の方位信号を出力する方位検出手段と、
前記第1の方位信号及び第2の方位信号に基づいて真の方位を示す真方位信号を生成する信号処理手段と
を具備することを特徴とする方位測定装置。 A gyro compass that outputs a first azimuth signal indicating a stable azimuth in a short time while including an error component of a long period from the start to the completion of the static operation;
An azimuth detecting means for outputting a second azimuth signal indicating an azimuth which is stable on the average for a long time while including an error component of a short period from the time of startup;
And a signal processing unit that generates a true azimuth signal indicating a true azimuth based on the first azimuth signal and the second azimuth signal.
前記第1の方位信号と第2の方位信号との差分を算出し、差分信号を出力する第1の差分手段と、
前記差分信号に含まれる高周波の誤差成分を低減し、ジャイロコンパス誤差信号を出力するフィルタと、
前記第1の方位信号と前記ジャイロコンパス誤差信号との差分を算出し、真方位信号を生成する第2の差分手段と
を備えることを特徴とする請求項1記載の方位測定装置。 The signal processing means includes
First difference means for calculating a difference between the first azimuth signal and the second azimuth signal and outputting the difference signal;
A filter that reduces a high-frequency error component included in the differential signal and outputs a gyrocompass error signal;
The azimuth measuring apparatus according to claim 1, further comprising: second difference means for calculating a difference between the first azimuth signal and the gyrocompass error signal and generating a true azimuth signal.
前記第1の方位信号に含まれる速度誤差を算出する速度誤差算出手段と、
前記第1の方位信号から前記速度誤差を減算する減算手段とを備え、
所定の速度で東または西以外に向かって移動しつつ方位を測定する場合において、速度誤差減算後の第1の方位信号を使用して信号処理を行うことを特徴とする請求項1または2に記載の方位測定装置。 The signal processing means includes
Speed error calculating means for calculating a speed error included in the first azimuth signal;
Subtracting means for subtracting the speed error from the first azimuth signal,
The signal processing is performed using the first azimuth signal after subtracting the speed error when measuring the azimuth while moving toward a place other than east or west at a predetermined speed. The azimuth measuring device described.
前記差分信号に含まれる高周波の誤差成分を低減し、誤差信号を生成するステップと、
前記第1の信号と前記誤差信号との差分を算出し、当該差分に基づいて前記パラメータに関する真の値を判定するステップと
を有することを特徴とする請求項5記載の信号処理方法。
Calculating a difference between the first signal and the second signal, and generating a difference signal;
Reducing a high-frequency error component included in the differential signal and generating an error signal;
The signal processing method according to claim 5, further comprising: calculating a difference between the first signal and the error signal, and determining a true value related to the parameter based on the difference.
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