JP2010216822A - Device for measurement of attitude - Google Patents

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JP2010216822A
JP2010216822A JP2009060642A JP2009060642A JP2010216822A JP 2010216822 A JP2010216822 A JP 2010216822A JP 2009060642 A JP2009060642 A JP 2009060642A JP 2009060642 A JP2009060642 A JP 2009060642A JP 2010216822 A JP2010216822 A JP 2010216822A
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Taro Kashiwayagi
太郎 柏柳
Mikio Nakamura
幹男 中村
Koji Ogawa
浩治 小川
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve the accuracy of attitude measurement, even if an inter-antenna distance is shortened. <P>SOLUTION: In a data table 14, data are stored which are previously found on coupling errors and classified by incoming directions of signals in a movable-body coordinate system from respective satellites on each of antennas. Data on the coupling errors corresponding to the incoming directions are acquired from the data table 14 by an error acquisition unit 15. By an attitude calculation unit 17, the attitude of a vessel is calculated by using a single phase difference or a double phase difference with the coupling errors removed therefrom. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、移動体の姿勢を計測する姿勢計測装置に関する。   The present invention relates to an attitude measurement device that measures the attitude of a moving body.

このような移動体の姿勢を計測するための背景技術について順を追って説明する。   The background technology for measuring the posture of such a moving body will be described step by step.

(1)移動体における姿勢の定義
まず、2つの座標系、局所座標系と移動体座標系を次のように定義する。「局所座標系」は、移動体の位置において、x-y平面を水平面と平行させ、x軸を真北に向けた右手系直交座標系である。「移動体座標系」は、移動体に固定された右手系直交座標系である。
(1) Definition of posture in moving body First, two coordinate systems, a local coordinate system and a moving body coordinate system are defined as follows. The “local coordinate system” is a right-handed orthogonal coordinate system in which the xy plane is parallel to the horizontal plane and the x-axis is directed to true north at the position of the moving body. The “moving body coordinate system” is a right-handed orthogonal coordinate system fixed to the moving body.

このように定義したとき、船舶などの移動体の姿勢を示す、方位、ピッチ、ロールは、次のように表すことができる。   When defined in this way, the azimuth, pitch, and roll indicating the posture of a moving body such as a ship can be expressed as follows.

「方位」とは、局所座標系のx軸から移動体座標系のx軸の局所座標系のx-y平面への射影へのなす角である。   “Direction” is an angle formed from the x-axis of the local coordinate system to the projection onto the xy plane of the local coordinate system of the x-axis of the moving object coordinate system.

「ピッチ」とは、移動体座標系のx軸の局所座標系のx-y平面への射影からの移動体座標系のx軸へのなす角である。   “Pitch” is an angle formed by projection of the local coordinate system of the mobile object coordinate system on the xy plane to the x axis of the mobile object coordinate system.

「ロール」とは、移動体座標系のx軸を中心とした、移動体座標系のy軸の局所座標系の水平面からの回転角である。   The “roll” is a rotation angle from the horizontal plane of the local coordinate system of the y-axis of the moving object coordinate system around the x axis of the moving object coordinate system.

(2)移動体姿勢計測装置の装置構成例
次に、前述のように表される方位、ピッチ、ロールからなる移動体の姿勢を計測する移動体姿勢計測装置の装置構成例を、図1、図2を参照して説明する。
(2) Device Configuration Example of Moving Body Posture Measuring Device Next, FIG. 1 shows a device configuration example of a moving body posture measuring apparatus that measures the posture of a moving body composed of the azimuth, pitch, and roll expressed as described above. This will be described with reference to FIG.

この移動体姿勢計測装置1は、移動体の一例としての船舶Sに設置されている。移動体姿勢計測装置1は、アンテナ部2と処理部3とから構成される。   This moving body attitude | position measuring apparatus 1 is installed in the ship S as an example of a moving body. The moving body posture measuring apparatus 1 includes an antenna unit 2 and a processing unit 3.

アンテナ部2は、アンテナα,β,γとからなり、アンテナαは基準アンテナとなる。このアンテナα,β,γは船舶S上に設置されているものとする。図1に示すように、移動体座標系のx軸はアンテナαとβがなす第1基線bαβに一致するものとし、移動体座標系のx‐y平面はアンテナα,β,γが作る平面にあるものとする。 The antenna unit 2 includes antennas α, β, and γ, and the antenna α is a reference antenna. The antennas α, β, and γ are assumed to be installed on the ship S. As shown in FIG. 1, it is assumed that the x axis of the moving body coordinate system coincides with the first base line b αβ formed by the antennas α and β, and the xy plane of the moving body coordinate system is created by the antennas α, β, and γ. It is assumed to be in a plane.

処理部3は、3つの受信機4と姿勢算出処理機5とからなる。各受信機4は、それぞれ各アンテナα,β,γに接続されていて、各アンテナα,β,γで受信している衛星信号(GPS信号など)を受信する。これにより、各受信機4では、受信している衛星信号の搬送波位相と、衛星への局所座標系での視線方向ベクトル(衛星と船舶Sとの位置関係を示す)とが得られる。ここでは、アンテナα,β,γ間の距離は比較的短いもの(例えば1メートル程度)とし、そのことから衛星に対する各アンテナα,β,γからの視線方向ベクトルはすべて同じであるものとする。姿勢算出処理機5は、各受信機4から得られた情報に基づいてアンテナα,β,γの姿勢を算出する演算を行う。   The processing unit 3 includes three receivers 4 and an attitude calculation processor 5. Each receiver 4 is connected to each antenna α, β, γ, and receives satellite signals (such as GPS signals) received by each antenna α, β, γ. Thereby, in each receiver 4, the carrier wave phase of the received satellite signal and the line-of-sight direction vector (indicating the positional relationship between the satellite and the ship S) to the satellite in the local coordinate system are obtained. Here, the distance between the antennas α, β, and γ is relatively short (for example, about 1 meter), and therefore, the line-of-sight direction vectors from the antennas α, β, and γ with respect to the satellite are all the same. . The attitude calculation processor 5 performs an operation for calculating the attitudes of the antennas α, β, and γ based on the information obtained from each receiver 4.

(3)一般的な姿勢算出法
移動体姿勢計測装置1では、衛星航法システムを利用して各アンテナα,β,γ間の基線ベクトルを算出すれば、その算出値から船舶Sの姿勢を算出することができる。
(3) General attitude calculation method When the mobile body attitude measurement device 1 calculates a baseline vector between the antennas α, β, and γ using a satellite navigation system, the attitude of the ship S is calculated from the calculated value. can do.

図1に示すように、アンテナαからβへのとの第1基線をbαβ、アンテナαからγへの第2基線をbαγとすれば、この基線bαβ,bαγから、船舶Sの姿勢、すなわち、方位、ピッチ、ロールは、それぞれ、

Figure 2010216822
………(1)
と表すことができる。 As shown in FIG. 1, if the first base line from the antenna α to β is b αβ and the second base line from the antenna α to γ is b αγ , the base line b αβ , b αγ Attitude, ie, bearing, pitch, roll,
Figure 2010216822
……… (1)
It can be expressed as.

ここで、

Figure 2010216822
………(2)
である。なお、数1において、arg(・)は複素数の偏角を求める関数であり、添え字x,y,zは、ベクトルの座標系における各軸方向の成分を意味する。 here,
Figure 2010216822
……… (2)
It is. In Equation 1, arg (·) is a function for obtaining the argument of a complex number, and subscripts x, y, and z mean components in the respective axis directions in the vector coordinate system.

(4)基線ベクトルの算出
前述のとおり、基線ベクトルを求めることにより、船舶Sの姿勢を算出することができる。ここで、基線ベクトルを求めるには、次のようにする。
(4) Calculation of Baseline Vector As described above, the attitude of the ship S can be calculated by obtaining the baseline vector. Here, the base line vector is obtained as follows.

まず、受信機4から得られた搬送波位相から一重位相差、二重位相差を求める。ここで、「一重位相差」とは、基準アンテナ(アンテナα)及びユーザアンテナ(アンテナβ,γ)における、同一衛星からの信号の搬送波位相の差分であり、「二重位相差」とは、基準衛星に対する一重位相差と他の衛星の一重位相差の差分である。   First, a single phase difference and a double phase difference are obtained from the carrier phase obtained from the receiver 4. Here, the “single phase difference” is the difference in the carrier phase of the signal from the same satellite at the reference antenna (antenna α) and the user antenna (antennas β and γ), and the “double phase difference” It is the difference between the single phase difference for the reference satellite and the single phase difference for other satellites.

そして、このような一重位相差又は二重位相差と衛星への視線方向ベクトルとの関係から、最小二乗法をもちいて基線ベクトルを算出することができる。   From the relationship between the single phase difference or double phase difference and the line-of-sight direction vector to the satellite, the base line vector can be calculated using the least square method.

(5)基線と一重位相差又は二重位相差との関係
図3を参照して、一重位相差とは基準アンテナ101及びユーザアンテナ102における、同一衛星105からの信号の搬送波位相の差分である。この差分と基準アンテナ101(その信号は基準受信機103で受信する)及びユーザアンテナ102(その信号は基準受信機104で受信する)により構成される基線ベクトルの間には行路差から、
(5) Relationship between Baseline and Single Phase Difference or Double Phase Difference Referring to FIG. 3, the single phase difference is a difference between carrier phases of signals from the same satellite 105 in the reference antenna 101 and the user antenna 102. . Between this difference and the baseline vector constituted by the reference antenna 101 (the signal is received by the reference receiver 103) and the user antenna 102 (the signal is received by the reference receiver 104), there is a path difference.

Figure 2010216822
………(3)
が成り立つ。なお、yは位相差、hは衛星への単位方向ベクトル、bは基線ベクトル、aは整数の値、Δtは受信機の位相差の取得タイミングのズレを表す時計誤差、eは観測誤差、であり、これらのy,b,a,Δt,eの単位は波数とする。また、添え字sは一重位相差についての値であることを意味する。
Figure 2010216822
……… (3)
Holds. Here, y is a phase difference, h is a unit direction vector to the satellite, b is a base line vector, a is an integer value, Δt is a clock error indicating a deviation in the acquisition timing of the phase difference of the receiver, and e is an observation error. Yes, the unit of these y, b, a, Δt, and e is the wave number. The subscript s means a value for a single phase difference.

この式は、一重位相差と行路差h bとの間には、ある波長の整数倍とΔtとを足し合わせた分だけの差があることを示している。例えば、各アンテナで瞬時位相を観測したとき、その値の範囲は[−0.5:0.5]となる。このとき、一重位相差の値は[−1.0:1.0]でしか表されないため、行路差h bとの間には、ある波長の整数倍とΔtとを足し合わせた分だけの差があることになる。この整数値は整数値アンビギュイティと呼ばれ、(3)式中のaにあたる。 This equation indicates that there is a difference between the single phase difference and the path difference h T s b by the sum of an integral multiple of a certain wavelength and Δt. For example, when the instantaneous phase is observed with each antenna, the range of the value is [−0.5: 0.5]. At this time, since the value of the single phase difference is expressed only by [−1.0: 1.0], the difference between the integral multiple of a certain wavelength and Δt is added to the path difference h T s b. There will be only a difference. This integer value is called the integer ambiguity corresponds to a s in equation (3).

また、二重位相差とは、ある基線における基準衛星の一重位相差と基準衛星以外の一重位相差の差分である。基準衛星iと衛星kとにおける二重位相差と基線との関係は、

Figure 2010216822
………(4)
と表される。 The double phase difference is a difference between a single phase difference of a reference satellite and a single phase difference other than the reference satellite at a certain baseline. The relationship between the double phase difference and the baseline in the reference satellite i and satellite k is
Figure 2010216822
……… (4)
It is expressed.

ここで、

Figure 2010216822
………(5)
を意味する。なお、添え字dは二重位相差に関する値であることを表している。二重位相差を用いる利点は、時計誤差を打ち消すことができることである。 here,
Figure 2010216822
......... (5)
Means. Note that the subscript d represents a value related to the double phase difference. The advantage of using a double phase difference is that the clock error can be canceled out.

(6)基線の算出
複数の衛星を受信すれば、基線ベクトルbに関する連立方程式を立てることができ、この連立方程式を最小二乗法により解けば基線ベクトルbを算出できる。
(6) Calculation of Baseline If a plurality of satellites are received, simultaneous equations relating to the baseline vector b can be established, and the baseline vector b can be calculated by solving these simultaneous equations by the method of least squares.

一重位相差の場合、連立方程式は、

Figure 2010216822
………(6)
と表される。 For a single phase difference, the simultaneous equations are
Figure 2010216822
……… (6)
It is expressed.

ここで、

Figure 2010216822
………(7)
である。 here,
Figure 2010216822
......... (7)
It is.

整数値アンビギュイティが既知であるとすれば、基線と時計誤差は、最小二乗法を用いて、

Figure 2010216822
………(8)
と推定できる。 If the integer ambiguity is known, the baseline and clock error can be calculated using the least squares method,
Figure 2010216822
......... (8)
Can be estimated.

ここで、Qは重み行列であり、通常、

Figure 2010216822
………(9)
と設定するのが普通である。ここでσは規格化係数である。 Where Q is a weight matrix,
Figure 2010216822
......... (9)
It is normal to set. Here, σ 2 is a normalization coefficient.

二重位相差の場合も同様に解け、連立方程式は、

Figure 2010216822
………(10)
と表され、整数値アンビギュイティが既知であるとすれば、基線と時計誤差の推定値b(bにハット)は、
Figure 2010216822
………(11)
と求めることができる。 In the case of double phase difference, the same equation can be solved.
Figure 2010216822
……… (10)
If the integer ambiguity is known, the baseline and clock error estimate b (hat to b) is
Figure 2010216822
……… (11)
It can be asked.

整数値アンビギュイティは、周知のLAMBDA法や、特許文献1に示される手法を用いることで解くことができる。   The integer value ambiguity can be solved by using the well-known LAMBDA method or the method disclosed in Patent Document 1.

特開2008‐64555号公報JP 2008-64555 A

移動体の姿勢を測定する場合、測定した姿勢には誤差が含まれる。この誤差の原因は各アンテナの搬送波位相の測定値に混入する誤差である。この誤差eは、移動体座標系における衛星信号の到来方向に応じて決まった値をとる誤差(カップリング誤差など)eとその他の誤差eotherとに分けることができる。 When measuring the posture of the moving body, the measured posture includes an error. The cause of this error is an error mixed in the measured value of the carrier phase of each antenna. The error e can be divided into error takes a value determined in accordance with the direction of arrival of satellite signals (coupling error, etc.) and e c other and the error e other in the mobile coordinate system.

すなわち、

Figure 2010216822
………(12)
である。 That is,
Figure 2010216822
......... (12)
It is.

移動体座標系における衛星信号の到来方向に応じて決まる誤差の代表的なものとしては、アンテナ同士が相互に干渉しあうことにより発生する誤差(カップリング誤差)がある。   A typical error determined according to the arrival direction of the satellite signal in the moving object coordinate system is an error (coupling error) generated when the antennas interfere with each other.

そして、アンテナ間の距離が長く、よって基線の長さが長いときには、カップリング誤差eは十分に小さく、無視することができる。 The distance between the antennas is long, depending on when the longer length of the base line, coupling error e c is sufficiently small and can be neglected.

しかしながら、アンテナ間の距離が短く、基線の長さが短いときには、カップリング誤差eが大きくなってしまい、そのため、測定した姿勢に含まれる誤差も無視できないほど大きくなってしまうという不具合がある。 However, the distance between the antennas is short, when the short length of the base line, coupling error e c becomes large, therefore, there is a problem that errors contained in the measurement posture also becomes not negligible increase.

本発明の目的は、カップリング誤差などの移動体座標系における衛星信号の到来方向に応じて決まった値をとる誤差が発生する場合において、移動体の姿勢の測定精度を向上させることができるようにすることである。   It is an object of the present invention to improve the accuracy of measuring the attitude of a moving object when an error such as a coupling error that takes a value determined according to the arrival direction of a satellite signal in the moving object coordinate system occurs. Is to do.

(1)本発明は、移動体上に設けられる複数のアンテナと、前記アンテナの受信信号から各衛星の搬送波位相値を観測する搬送波位相観測手段と、前記アンテナの受信信号から移動体座標系における前記各衛星信号の到来方向を算出する信号到来方向算出手段と、前記各衛星について前記信号到来方向算出手段で算出した前記移動体座標系における信号の到来方向に応じた搬送波位相誤差を取得する位相誤差取得手段と、前記位相誤差取得手段で取得した前記搬送波位相誤差を前記搬送波位相観測手段で観測した搬送波位相観測値から差し引いた値を用いて前記アンテナの受信信号から前記移動体の姿勢を算出する姿勢算出手段と、を備えている姿勢算出装置である。   (1) The present invention relates to a plurality of antennas provided on a moving body, carrier phase observation means for observing a carrier phase value of each satellite from a received signal of the antenna, and a moving body coordinate system from the received signal of the antenna. A signal arrival direction calculating means for calculating the arrival direction of each satellite signal; and a phase for acquiring a carrier phase error corresponding to the arrival direction of the signal in the mobile coordinate system calculated by the signal arrival direction calculating means for each satellite. Calculate the attitude of the moving body from the received signal of the antenna using an error acquisition means and a value obtained by subtracting the carrier phase error acquired by the phase error acquisition means from the carrier phase observation value observed by the carrier phase observation means A posture calculation unit.

(2)別の局面から見た本発明は、移動体上に設けられる複数のアンテナと、前記アンテナの受信信号から各衛星の搬送波位相値を観測する搬送波位相観測手段と、前記アンテナの受信信号から移動体座標系における前記各衛星信号の到来方向を算出する信号到来方向算出手段と、前記各衛星について前記信号到来方向算出手段で算出した前記移動体座標系における信号の到来方向に応じた搬送波位相誤差を取得する位相誤差取得手段と、前記位相差誤差取得手段で取得した前記搬送波位相誤差の位相差誤差を前記搬送波位相観測手段で観測した搬送波位相観測値の位相差から差し引いた値を用いて前記アンテナの受信信号から前記移動体の姿勢を算出する姿勢算出手段と、を備えている姿勢算出装置である。   (2) Viewed from another aspect, the present invention provides a plurality of antennas provided on a moving body, carrier phase observation means for observing the carrier phase value of each satellite from the received signal of the antenna, and the received signal of the antenna Signal arrival direction calculation means for calculating the arrival direction of each satellite signal in the mobile coordinate system from the carrier, and a carrier wave corresponding to the arrival direction of the signal in the mobile coordinate system calculated by the signal arrival direction calculation means for each satellite Using a phase error acquisition unit that acquires a phase error, and a value obtained by subtracting the phase difference error of the carrier phase error acquired by the phase difference error acquisition unit from the phase difference of the carrier phase observation value observed by the carrier phase observation unit And an attitude calculation unit that calculates an attitude of the moving body from a reception signal of the antenna.

(3)この場合に、前記移動体の姿勢の概略の値を取得する概略姿勢取得手段をさらに備え、
前記信号到来方向算出手段は、前記概略の姿勢の値に基づいて前記移動体座標系における前記衛星信号の到来方向を算出する、ようにしてもよい。
(3) In this case, it further comprises a general posture acquisition means for acquiring a rough value of the posture of the moving body,
The signal arrival direction calculation means may calculate the arrival direction of the satellite signal in the mobile coordinate system based on the approximate attitude value.

(4)前記各衛星における衛星信号の各到来方向に応じた誤差を記憶している記憶手段をさらに備え、前記位相誤差取得手段は、前記各衛星について前記信号到来方向算出手段で算出した前記各到来方向に応じた前記搬送波位相誤差を前記記憶手段から取得する、ようにしてもよい。   (4) storage means for storing an error corresponding to each arrival direction of the satellite signal in each satellite, and the phase error acquisition means is configured to calculate each of the satellites calculated by the signal arrival direction calculation means. The carrier phase error corresponding to the direction of arrival may be acquired from the storage means.

本発明によれば、カップリング誤差などの移動体座標系における衛星信号の到来方向に応じて決まった値をとる誤差を補正して移動体の姿勢を正確に求めることができる。   According to the present invention, it is possible to correct an error that takes a value determined according to the arrival direction of a satellite signal in a moving object coordinate system, such as a coupling error, and accurately determine the attitude of the moving object.

本発明の一実施の形態である移動体姿勢計測装置を船体に配置した状態の概念図である。It is a conceptual diagram of the state which has arrange | positioned the mobile body attitude | position measuring apparatus which is one embodiment of this invention to the hull. 本発明の一実施の形態である移動体姿勢計測装置の処理部の構成を説明するブロック図である。It is a block diagram explaining the structure of the process part of the mobile body attitude | position measuring apparatus which is one embodiment of this invention. 一重位相差の説明図である。It is explanatory drawing of a single phase difference. 衛星信号の到来方向について説明する説明図である。It is explanatory drawing explaining the arrival direction of a satellite signal. 本発明の一実施の形態である移動体姿勢計測装置の姿勢算出処理機の機能ブロック図である。It is a functional block diagram of the attitude | position calculation processing machine of the mobile body attitude | position measuring apparatus which is one embodiment of this invention.

以下、本発明の一実施の形態について説明する。以下では、移動体座標系における衛星信号の到来方向に応じて決まった値をとる誤差としてカップリング誤差を例として説明する。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described. Hereinafter, a coupling error will be described as an example of an error that takes a value determined according to the arrival direction of the satellite signal in the moving body coordinate system.

ここでは、まず、カップリング誤差の特長について説明する。   Here, first, the feature of the coupling error will be described.

カップリング誤差eは、各アンテナについて移動体座標系における衛星信号の到来方向ごとに決まった値をとるという特徴を有している。すなわち、アンテナiについて移動体座標系おける衛星の信号の到来方向(方位角η、仰角ζ)におけるカップリング誤差をec-Ant(i)(η,ζ)という関数で表すことができる(図4参照)。 Coupling errors e c is characterized in that takes a value determined for each direction of arrival of satellite signals in the mobile coordinate system for each antenna. That is, a coupling error in the arrival direction (azimuth angle η, elevation angle ζ) of the satellite signal in the moving body coordinate system for the antenna i can be expressed by a function ec -Ant (i) (η, ζ) (see FIG. 4).

よって、アンテナiとjとで構成される基線kにおけるカップリング誤差による一重位相差の誤差は衛星信号の到来方向ごとに定まり、   Therefore, the error of the single phase difference due to the coupling error in the base line k composed of the antennas i and j is determined for each arrival direction of the satellite signal,

Figure 2010216822
………(13)
と表すことができる。すなわち、ec(s)-b(ij)(η,ζ)は基線kにおけるカップリング誤差による一重位相差の誤差である。
Figure 2010216822
……… (13)
It can be expressed as. That is, ec (s) −b (ij) (η, ζ) is a single phase difference error due to a coupling error at the base line k.

また、基線k、衛星到来方向が方位角η、仰角ζと方位角η、仰角ζの2衛星から算出される二重位相差の誤差は、

Figure 2010216822
………(14)
と表すことができる。すなわち、ec(d)-b(ij)(η,ζ,η,ζ)は、基線k、衛星到来方向が方位角η、仰角ζと方位角η、仰角ζの2衛星から算出される二重位相差の誤差である。 Further, the error of the double phase difference calculated from the two satellites of the base line k, the satellite arrival direction is the azimuth angle η A , the elevation angle ζ A and the azimuth angle η B , and the elevation angle ζ B is
Figure 2010216822
……… (14)
It can be expressed as. That is, ec (d) -b (ij)A , ζ A , η B , ζ B ) is the base line k, the satellite arrival direction is the azimuth angle η A , the elevation angle ζ A and the azimuth angle η B , and the elevation angle ζ This is an error of the double phase difference calculated from the two satellites B.

これらカップリング誤差ec-Ant(i)(η,ζ)や一重位相差の誤差ec(s)-b(ij)(η,ζ)といった値は、アンテナ特性の測定や解析などにより求めることができる。また、一重位相差の誤差ec(s)-b(ij)(η,ζ)は、カップリング誤差ec-Ant(i)(η,ζ)がわかれば、また、二重位相差の誤差ec(d)-b(ij)(η,ζ,φ,ζ)はカップリング誤差ec-Ant(i)(η,ζ)又は一重位相差の誤差ec(s)-b(ij)(η,ζ)がわかれば、それぞれ求めることができる。 The values such as the coupling error ec -Ant (i) (η, ζ) and the single phase difference error ec (s) -b (ij) (η, ζ) are obtained by measuring or analyzing antenna characteristics. be able to. Further, the error ec (s) -b (ij) (η, ζ) of the single phase difference can be calculated by calculating the double phase difference if the coupling error ec- Ant (i) (η, ζ) is known. The error ec (d) -b (ij)A , ζ A , φ B , ζ B ) is the coupling error ec -Ant (i) (η, ζ) or single phase difference error ec (s ) −b (ij) (η, ζ) can be obtained respectively.

次に、このようなカップリング誤差の特徴を利用した姿勢計測装置について説明する。   Next, an attitude measurement apparatus using such a coupling error feature will be described.

図1、図2は、本実施の形態の姿勢計測装置の説明図である。   1 and 2 are explanatory diagrams of the posture measuring apparatus according to the present embodiment.

この姿勢計測装置1は、移動体の一例としての船舶Sに設置されている。姿勢計測装置1は、アンテナ部2と処理部3とから構成される。   The posture measuring device 1 is installed on a ship S as an example of a moving body. The attitude measurement device 1 includes an antenna unit 2 and a processing unit 3.

アンテナ部2はアンテナα,β,γとからなり、アンテナαは基準アンテナとなる。このアンテナα,β,γは船舶S上に設置されているものとする。図1に示すように、移動体座標系のx軸はアンテナαとβがなす第1基線bαβに一致するものし、移動体座標系のx‐y平面はアンテナα,β,γが作る平面に一致するものとする。 The antenna unit 2 includes antennas α, β, and γ, and the antenna α is a reference antenna. The antennas α, β, and γ are assumed to be installed on the ship S. As shown in FIG. 1, the x axis of the moving body coordinate system coincides with the first base line b αβ formed by the antennas α and β, and the xy plane of the moving body coordinate system is created by the antennas α, β, and γ. It shall coincide with the plane.

処理部3は、3つの受信機4と姿勢算出処理機5とからなる。各受信機4は、それぞれ各アンテナα,β,γに接続されていて、各アンテナα,β,γで受信している衛星信号(GPS信号など)を受信する。これにより、各受信機4では、受信している衛星信号の搬送波位相と、衛星への局所座標系での視線方向ベクトル(衛星と船舶Sとの位置関係を示す)とが得られる。また、姿勢算出処理機5は、各受信機4から得られた情報に基づいてアンテナα,β,γの姿勢を算出する演算を行う。   The processing unit 3 includes three receivers 4 and an attitude calculation processor 5. Each receiver 4 is connected to each antenna α, β, γ, and receives satellite signals (such as GPS signals) received by each antenna α, β, γ. Thereby, in each receiver 4, the carrier wave phase of the received satellite signal and the line-of-sight direction vector (indicating the positional relationship between the satellite and the ship S) to the satellite in the local coordinate system are obtained. Further, the attitude calculation processor 5 performs an operation for calculating the attitudes of the antennas α, β, and γ based on information obtained from each receiver 4.

次に、姿勢算出処理機5が実行する処理について説明する。   Next, processing executed by the attitude calculation processor 5 will be described.

図5は、姿勢算出処理機5が実行する処理を説明する機能ブロック図である。   FIG. 5 is a functional block diagram illustrating processing executed by the attitude calculation processor 5.

姿勢算出処理機5が実行する処理は、マイクロコンピュータが所定のプログラムに基づいて実行する。   The processing executed by the attitude calculation processor 5 is executed by the microcomputer based on a predetermined program.

まず、衛星信号の到来方向を知るために、船舶Sの概略の姿勢を知る必要がある。この概略姿勢を(ψ´,θ´,φ´)とする。この概略の姿勢データとしては、(1)カップリング誤差を補正せずに算出した船舶Sの姿勢、(2)前回算出した姿勢(前回の算出から姿勢があまり変わっていないと考えられる場合)、(3)前回測定した姿勢を、振動ジャイロなどを用いて補完して予測された現在の姿勢、などの姿勢データを用いることが考えられる。   First, in order to know the arrival direction of the satellite signal, it is necessary to know the general attitude of the ship S. This general posture is defined as (ψ ′, θ ′, φ ′). The approximate attitude data includes (1) the attitude of the ship S calculated without correcting the coupling error, (2) the attitude calculated last time (when the attitude is considered to have not changed much from the previous calculation), (3) It is conceivable to use posture data such as the current posture predicted by complementing the posture measured last time using a vibration gyroscope or the like.

この例では、姿勢計測装置1の起動初期においては、概略姿勢算出部11でカップリング誤差を補正せずに算出した船舶Sの姿勢を用い、その後、後述する姿勢算出部17でカップリング誤差を補正して算出した船舶Sの姿勢のデータを算出するようになった場合は、その姿勢のデータを記憶部12に保持し、前回の姿勢算出部17で求めた姿勢のデータを用いるようにしている。姿勢算出部17では、受信機4の受信信号に基づき、前述した手段によりカップリング誤差を補正することなく船舶Sの姿勢のデータを算出する。   In this example, at the initial activation of the attitude measurement device 1, the attitude of the ship S calculated without correcting the coupling error by the approximate attitude calculation unit 11 is used, and then the coupling error is calculated by the attitude calculation unit 17 described later. When the corrected attitude data of the ship S is calculated, the attitude data is held in the storage unit 12 and the attitude data obtained by the previous attitude calculation unit 17 is used. Yes. The attitude calculation unit 17 calculates the attitude data of the ship S based on the reception signal of the receiver 4 without correcting the coupling error by the above-described means.

次に、衛星到来方向算出部13では、姿勢算出部17又は記憶部12から得られた概略姿勢(ψ´,θ´,φ´)に基づいて各衛星からの信号の移動体座標系における到来方向(方位角η、仰角ζ)を求める。   Next, the satellite arrival direction calculation unit 13 receives signals from the satellites in the moving body coordinate system based on the approximate postures (ψ ′, θ ′, φ ′) obtained from the posture calculation unit 17 or the storage unit 12. The direction (azimuth angle η, elevation angle ζ) is obtained.

これは、局所座標系における衛星への視線方向ベクトルhを姿勢(ψ´,θ´,φ´)のときの局所座標系から移動体座標系への座標変換行列T(ψ,θ,φ)を用いて求められた移動体座標系における衛星への視線方向ベクトルh´、

Figure 2010216822
………(15)
から、
Figure 2010216822
………(16)
Figure 2010216822
………(17)
と求められる。 This is a coordinate transformation matrix T (ψ, θ, φ) from the local coordinate system to the moving body coordinate system when the line-of-sight direction vector h to the satellite in the local coordinate system is the posture (ψ ′, θ ′, φ ′). The line-of-sight direction vector h ′ to the satellite in the moving body coordinate system obtained using
Figure 2010216822
……… (15)
From
Figure 2010216822
……… (16)
Figure 2010216822
……… (17)
Is required.

ここで、局所座標系から移動体座標系への座標変換行列T(ψ,θ,φ)は、

Figure 2010216822
とあらわされる。 Here, the coordinate transformation matrix T (ψ, θ, φ) from the local coordinate system to the moving body coordinate system is
Figure 2010216822
It is expressed.

データテーブル14には、予め求めておいた各アンテナについて各衛星からの信号の移動体座標系における到来方向(方位角η、仰角ζ)ごとのカップリング誤差のデータが格納されている。   The data table 14 stores coupling error data for each arrival direction (azimuth angle η, elevation angle ζ) in the moving body coordinate system of the signal from each satellite for each antenna obtained in advance.

誤差取得部15は、生成到来方向算出部13から得られた各衛星からの信号の移動体座標系における到来方向(方位角η、仰角ζ)に対応したカップリング誤差のデータをデータテーブル14から取得する。なお、カップリング誤差のデータの取得は予め定められた関数により計算で求めてもよい。   The error acquisition unit 15 receives, from the data table 14, coupling error data corresponding to the arrival direction (azimuth angle η, elevation angle ζ) in the moving object coordinate system of the signal from each satellite obtained from the generation arrival direction calculation unit 13. get. The acquisition of the coupling error data may be obtained by calculation using a predetermined function.

位相差算出部16では、誤差取得部15で得られたカップリング誤差により、前述のとおり一重位相差又は二重位相差を、カップリング誤差を除いた形で求める。   The phase difference calculation unit 16 obtains the single phase difference or the double phase difference from the coupling error obtained by the error acquisition unit 15 in a form excluding the coupling error as described above.

そして、姿勢算出部17は、このカップリング誤差を除いた一重位相差又は二重位相差と衛星信号を用いて船舶Sの姿勢を算出する。算出した姿勢データは外部に出力される他、次回の姿勢の算出に供するために記憶部12に記憶される。   Then, the attitude calculation unit 17 calculates the attitude of the ship S using the single phase difference or the double phase difference excluding the coupling error and the satellite signal. The calculated posture data is output to the outside and stored in the storage unit 12 for use in the calculation of the next posture.

以上説明した姿勢算出装置1によれば、カップリング誤差は、アンテナα,β,γを中心とした移動体座標系における信号の到来方向に対して決まった値をとることを利用して、予め求めておいた(あるいは予め定められた関数により計算で求めた)カップリング誤差を用い、その誤差分を差し引いて姿勢を計測することにより、たとえアンテナα,β,γ間の距離が短くなってもカップリング誤差のない正確な姿勢を算出することができる。   According to the attitude calculation device 1 described above, the coupling error is determined in advance by taking a predetermined value with respect to the arrival direction of the signal in the moving body coordinate system centered on the antennas α, β, and γ. Even if the distance between antennas α, β, and γ is shortened by using the coupling error that has been obtained (or calculated by a predetermined function) and measuring the posture by subtracting the error. It is possible to calculate an accurate posture without coupling error.

以上の説明では、カップリング誤差を例として説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、移動体座標系における衛星信号の到来方向に応じて決まった値をとる誤差であれば、前述と同様の処理によりこれを除去して、正確な移動体の姿勢を算出することができる。   In the above description, the coupling error has been described as an example, but the present invention is not limited to this, and an error that takes a value determined according to the arrival direction of the satellite signal in the mobile coordinate system, By removing this by the same process as described above, the accurate posture of the moving body can be calculated.

1 姿勢算出装置
11 概略姿勢算出部
12 記憶部
13 衛星到来方向算出部
14 データテーブル
15 誤差取得部
16 位相差算出部
17 姿勢算出部
S 船舶
α,β,γ アンテナ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Attitude calculation apparatus 11 Approximate attitude calculation part 12 Storage part 13 Satellite arrival direction calculation part 14 Data table 15 Error acquisition part 16 Phase difference calculation part 17 Attitude calculation part S Ship α, β, γ Antenna

Claims (4)

移動体上に設けられる複数のアンテナと、
前記アンテナの受信信号から各衛星の搬送波位相値を観測する搬送波位相観測手段と、
前記アンテナの受信信号から移動体座標系における前記各衛星信号の到来方向を算出する信号到来方向算出手段と、
前記各衛星について前記信号到来方向算出手段で算出した前記移動体座標系における信号の到来方向に応じた搬送波位相誤差を取得する位相誤差取得手段と、
前記位相誤差取得手段で取得した前記搬送波位相誤差を前記搬送波位相観測手段で観測した搬送波位相観測値から差し引いた値を用いて前記アンテナの受信信号から前記移動体の姿勢を算出する姿勢算出手段と、
を備えている姿勢算出装置。
A plurality of antennas provided on a moving body;
Carrier phase observation means for observing the carrier phase value of each satellite from the received signal of the antenna;
Signal arrival direction calculation means for calculating the arrival direction of each satellite signal in the moving body coordinate system from the received signal of the antenna;
Phase error acquisition means for acquiring a carrier phase error corresponding to the arrival direction of the signal in the mobile coordinate system calculated by the signal arrival direction calculation means for each satellite;
Attitude calculation means for calculating the attitude of the moving body from the received signal of the antenna using a value obtained by subtracting the carrier phase error acquired by the phase error acquisition means from the carrier phase observation value observed by the carrier phase observation means; ,
An attitude calculation device comprising:
移動体上に設けられる複数のアンテナと、
前記アンテナの受信信号から各衛星の搬送波位相値を観測する搬送波位相観測手段と、
前記アンテナの受信信号から移動体座標系における前記各衛星信号の到来方向を算出する信号到来方向算出手段と、
前記各衛星について前記信号到来方向算出手段で算出した前記移動体座標系における信号の到来方向に応じた搬送波位相誤差を取得する位相誤差取得手段と、
前記位相差誤差取得手段で取得した前記搬送波位相誤差の位相差誤差を前記搬送波位相観測手段で観測した搬送波位相観測値の位相差から差し引いた値を用いて前記アンテナの受信信号から前記移動体の姿勢を算出する姿勢算出手段と、
を備えている姿勢算出装置。
A plurality of antennas provided on a moving body;
Carrier phase observation means for observing the carrier phase value of each satellite from the received signal of the antenna;
Signal arrival direction calculation means for calculating the arrival direction of each satellite signal in the moving body coordinate system from the received signal of the antenna;
Phase error acquisition means for acquiring a carrier phase error corresponding to the arrival direction of the signal in the mobile coordinate system calculated by the signal arrival direction calculation means for each satellite;
Using the value obtained by subtracting the phase difference error of the carrier phase error acquired by the phase difference error acquisition unit from the phase difference of the carrier phase observation value observed by the carrier phase observation unit, the received signal from the antenna is used. Attitude calculating means for calculating the attitude;
An attitude calculation device comprising:
前記移動体の姿勢の概略の値を取得する概略姿勢取得手段をさらに備え、
前記信号到来方向算出手段は、前記概略の姿勢の値に基づいて前記移動体座標系における前記衛星信号の到来方向を算出する、
請求項1又は2に記載の姿勢算出装置。
A rough posture acquisition means for acquiring a rough value of the posture of the moving body;
The signal arrival direction calculation means calculates the arrival direction of the satellite signal in the mobile coordinate system based on the approximate attitude value.
The posture calculation apparatus according to claim 1 or 2.
前記各衛星における衛星信号の各到来方向に応じた誤差を記憶している記憶手段をさらに備え、
前記位相誤差取得手段は、前記各衛星について前記信号到来方向算出手段で算出した前記各到来方向に応じた前記搬送波位相誤差を前記記憶手段から取得する、
請求項3に記載の姿勢算出装置。
Storage means for storing an error corresponding to each arrival direction of the satellite signal in each satellite;
The phase error acquisition means acquires from the storage means the carrier phase error corresponding to each arrival direction calculated by the signal arrival direction calculation means for each satellite.
The posture calculation apparatus according to claim 3.
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