JP2012198068A

JP2012198068A - 方位測定装置

Info

Publication number: JP2012198068A
Application number: JP2011061397A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Kumagai; 仁熊谷
Original assignee: Yokogawa Denshikiki Co Ltd
Current assignee: Yokogawa Denshikiki Co Ltd
Priority date: 2011-03-18
Filing date: 2011-03-18
Publication date: 2012-10-18

Abstract

【課題】高緯度における方位誤差を従来よりも低減する。
【解決手段】慣性センサの検出量に基づいて航走体の第１の方位角を測定するマスタコンパスと、一定間隔を隔てて配置された２つに受信アンテナを備え、各受信アンテナで間欠的に受信した測位用電波に基づいて各受信アンテナの位置を演算し、当該各受信アンテナの位置に基づいて航走体の基準方位角を測定する基準方位角測定手段と、該基準方位角測定手段から間欠的に入力される基準方位角に基づいて当該基準方位角よりも細かい間隔のバックアップ方位角を出力するバックアップ方位角演算部と、緯度が所定の基準緯度を超えない状態では第１の方位角を外部に出力し、緯度が所定の基準緯度を超えた状態ではバックアップ方位角を外部に出力する出力方位角切替部とを具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、航走体の方位角を測定する方位測定装置に関する。

例えば振り子式ジャイロコンパスをマスタコンパスとするような比較的安価なジャイロコンパスでは、例えば管制ユニットのような外部ユニットにおいて、マスタコンパスの方位出力（方位角）に速度誤差修正演算を施すことにより精度を補償している。例えば下記特許文献１には、ＧＰＳ（Grobal Positioning System）受信機から得られる速度データに基づいて速度誤差修正演算を行うことが開示され、また下記特許文献２には、船舶の対水速度を検出する電磁ログの計測値（電磁ログ速度）や対地速度を検出する音波ログの計測値（音波ログ速度）等に基づいて速度誤差修正演算を行うことが開示されている。

特開平１０−１７６９３２号公報特開２０００−１４２５８１号公報

ところで、ジャイロコンパスには、上記振り子式ジャイロコンパスのような高速回転体に加えられた重力トルクによるプリセッションを利用した機械式ジャイロコンパスの他に、光のサニャック効果を利用した光学式ジャイロコンパス等、種々の方式のものがある。しかしながら、いずれの方式のジャイロコンパスも、一般に航走体が高緯度に行く程、方位誤差が大きくなることが知られており、このような方位誤差は上記速度誤差修正演算では補償し切れない。また、上記振り子式ジャイロコンパスにおいては、北緯あるいは南緯６０度以上の高緯度において必要なトルキング量が大きくなるので、方位誤差が大きくなり過ぎて使用できないことが知られている。

本発明は、高緯度における方位誤差を従来よりも低減することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明では、第１の解決手段として、慣性センサの検出量に基づいて航走体の第１の方位角を測定するマスタコンパスと、一定間隔を隔てて配置された２つに受信アンテナを備え、各受信アンテナで間欠的に受信した測位用電波に基づいて各受信アンテナの位置を演算し、当該各受信アンテナの位置に基づいて航走体の基準方位角を測定する基準方位角測定手段と、該基準方位角測定手段から間欠的に入力される基準方位角に基づいて当該基準方位角よりも細かい間隔のバックアップ方位角を出力するバックアップ方位角演算部と、緯度が所定の基準緯度を超えない状態では第１の方位角を外部に出力し、緯度が所定の基準緯度を超えた状態ではバックアップ方位角を外部に出力する出力方位角切替部とを具備する、という手段を採用する。

第２の解決手段として、上記第１の手段において、鉛直軸周りの角速度を検出するレートジャイロと、該レートジャイロから出力される角速度を積分して補間用角度を出力する積分器と、をさらに備え、バックアップ方位角演算部は、基準方位角測定手段から間欠的に入力される基準方位角を積分器から入力される補間用角度で補間することによりバックアップ方位角を出力する、という手段を採用する。

第３の解決手段として、上記第１または第２の手段において、基準方位角測定手段は、位置が既知の基準局が発信する電波を利用することによりＧＰＳ（Grobal Positioning System）に基づいて測定した各受信アンテナの位置を補正し、当該補正位置に基づいて基準方位角を算出するＤＧＰＳ（Differential Grobal Positioning System）受信機である、という手段を採用する。

本発明によれば、緯度が所定の基準緯度を超えない状態では第１の方位角を外部に出力し、緯度が所定の基準緯度を超えた状態ではバックアップ方位角を外部に出力するので、高緯度における方位誤差を従来よりも低減することが可能である。

本発明の一実施形態に係る方位測定装置の機能構成を示すブロック図である。本発明の一実施形態に係る方位測定装置の要部構成を示す模式図である。本発明の一実施形態に係る方位測定装置の動作を示す模式図である。

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。
本実施形態に係る方位測定装置は、図１に示すように、マスタコンパス１、電磁ログ２、第１ＧＰＳ受信機３、第２ＧＰＳ受信機４及び演算装置５から構成されている。上記マスタコンパス１は、内部に付加的な構成要素としてレートジャイロ１ａを備え、また上記演算装置５は、速度誤差修正部５ａ、積分器５ｂ、基準方位角演算部５ｃ、バックアップ方位角演算部５ｄ及び出力方位角切替部５ｅから構成されている。なお、第１ＧＰＳ受信機３及び第２ＧＰＳ受信機４は、基準方位角演算部５ｃとともに基準方位角測定手段を構成する。

このような方位測定装置は、航走体の一種である船舶、例えば艦艇程に高精度な測定精度が要求されない民間船舶に搭載されて方位角を測定するものである。なお、この図１では、本発明の本質に直接関係しないので省略しているが、上記マスタコンパス１、電磁ログ２、第１ＧＰＳ受信機３及び第２ＧＰＳ受信機４は、例えばＲＳ-４２２等の汎用通信規格に準拠したインタフェース回路によって演算装置５と相互接続されている。

マスタコンパス１は、例えば民間船舶用に用いられている振り子式ジャイロコンパスであり、自らが測定した船舶の方位角を第１の方位角として速度誤差修正部５ａに出力する。すなわち、このマスタコンパス１は、重心が回転中心よりも下方にある高速回転体に加えられる重力トルクによるプリセッションにて北を検出する振り子式ジャイロを慣性センサとして備えるものであり、当該慣性センサの検出量（角速度）に基づいて船舶の進行方向を方位角として測定する。

レートジャイロ１ａは、鉛直軸周りにおける船舶の角速度、つまり水平方向における船舶の旋回速度を検出して積分器５ｂに出力する一種の角速度計である。このようなレートジャイロ１ａは、角速度を検出量とするものであるが、振り子式ジャイロよりも低精度かつ安価なものである。電磁ログ２は、船舶の船底部に水中に露出する状態で設けられており、水に対する船舶の速度（対水速度）を検出し、当該対水速度を基準速度として速度誤差修正部５ａに出力する。

第１ＧＰＳ受信機３は、図２に示すように、船舶の船尾中央に第１受信アンテナ３ａが設置されたＧＰＳ（Grobal Positioning System）受信機である。この第１ＧＰＳ受信機３は、第１受信アンテナ３ａが受信した測位用電波に基づいて当該第１受信アンテナ３ａの位置（緯度及び経度）を第１の位置として測定して基準方位角演算部５ｃに出力する。

ここで、ＧＰＳは、位置（緯度及び経度）が既知の基準局が発信する電波（ＦＭ波）を測位用電波の１つとし、また複数のＧＰＳ（Grobal Positioning System）衛星が発信するＧＰＳ波を他の測位用電波として航走体の位置（緯度及び経度）を測定する測位システムとして広く知られている。すなわち、ＧＰＳは、複数のＧＰＳ波から得られた航走体の位置（緯度及び経度）を基準局の位置に基づいて補正することにより高精度化する測位システムである。

第１ＧＰＳ受信機３は、このようなＧＰＳに基づいて得られた高精度な第１受信アンテナ３ａの位置（緯度及び経度）を第１の位置として基準方位角演算部５ｃに出力する。また、第２ＧＰＳ受信機４は、上記第１ＧＰＳ受信機３と同様にＧＰＳに準拠したものである。この第２ＧＰＳ受信機４は、図２に示すように、船舶の船首中央に第２受信アンテナ４ａが設置されたＧＰＳ受信機であり、上記第２受信アンテナ４ａの位置（緯度及び経度）を第２の位置として測定して基準方位角演算部５ｃに出力する。

また、上記ＧＰＳ衛星は、１秒あるいは２秒間隔でＧＰＳ波を発信するので、第１ＧＰＳ受信機３及び第２ＧＰＳ受信機４は、第１の位置及び第２の位置を約１秒あるいは２秒間隔で間欠的に測定して基準方位角演算部５ｃに出力する。このような第１の位置及び第２の位置の測定間隔は、船舶用の方位測定装置の仕様として許容されるものではないので、出力方位角切替部５ｅ等を介してそのまま外部に出力することができない。

演算装置５は、所定の演算プログラムに基づいて動作するコンピュータであり、上記第１の方位角、角速度、基準速度、第１の位置及び第２の位置に上記演算プログラムに基づく演算処理（測位処理）を施すことにより、演算結果である出力方位角を外部に出力する。このような演算装置５において、速度誤差修正部５ａは、基準速度と第１の方位角とに基づいて当該第１の方位角に船舶の速度（基準速度）に起因する速度誤差修正演算を施すものである。このような速度誤差修正部５ａは、上記速度誤差修正演算によって得られた修正方位角を出力方位角切替部５ｅに出力する。

周知のように、船舶が東西方向以外の方向に航行する場合に地球の自転速度に起因する方位誤差が発生する。すなわち、船舶の方位角は、船速（基準速度）と自転速度との合成速度となる。ジャイロコンパスは、このような合成速度に直角な水平方向を方位角として示すので、自転速度の影響によって真北に対して誤差（速度誤差）を含むものとなる。このような速度誤差は、船速の絶対値及びジャイロコンパスが示す方位角によって一義的に求められるものである。

上記速度誤差修正部５ａは、例えば船速の絶対値及びジャイロコンパスが示す方位角に応じて予め求められた速度誤差角の一覧表（速度誤差テーブル）を記憶しており、マスタコンパス１から入力される第１の方位角及び電磁ログ２から入力される基準速度に基づいて速度誤差テーブルを検索することにより速度誤差角を特定し、当該速度誤差角と第１の方位角との差分を修正方位角として求める。

積分器５ｂは、レートジャイロ１ａから入力される水平方向における船舶の旋回角速度を一定の積分区間毎に積分演算することにより所定時間間隔毎の旋回角を求める。このような積分器５ｂは、上記旋回角を補間用角度としてバックアップ方位角演算部５ｄに出力する。補間用角度の測定間隔は、上記積分区間に支配されるが、数〜数十マイクロ秒程度であり、上述した第１の位置及び第２の位置の測定間隔よりも格段に細かい。このような補間用角度の測定間隔は、船舶用の方位測定装置の仕様として許容されるものである。

基準方位角演算部５ｃは、第１の位置及び第２の位置に基づいて基準方位角Ψ_Ｒを求め、この基準方位角Ψ_Ｒをバックアップ方位角演算部５ｄに出力する。このような基準方位角Ψ_Ｒは、以下に説明するように、船舶の緯度による誤差を含まない高精度な方位角である。すなわち、図２に示すように、地理座標系（局地水平座標系）における第１の位置Ｐ1の座標を（ｘ1，ｙ1）とし、同じく第２の位置Ｐ2の座標を（ｘ2，ｙ2）とすると、基準方位角Ψ_Ｒは緯度ＬＡＴを変数として含む式（１）によって表わされる。また、各軸方向の距離Ｌｘ，Ｌｙは式（２）、（３）によって表わされる。

そして、これら式（２）、（３）を式（１）に代入すると、基準方位角Ψ_Ｒは、式（４）のように表わされる。この式（４）は、緯度ＬＡＴを変数として含むものではなく、各軸方向の距離Ｌｘ，Ｌｙのみを変数とする形態の式なので、よって基準方位角Ψ_Ｒは船舶の緯度ＬＡＴによる誤差を含まない高精度な方位角である。

このような基準方位角Ψ_Ｒは、約１秒あるいは２秒間隔を測定間隔とする第１の位置及び第２の位置から演算されるものであり、よって約１秒あるいは２秒の間隔で生成されてバックアップ方位角演算部５ｄに出力される。また、基準方位角演算部５ｃは、第１の位置及び第２の位置に基づいて船舶の緯度を求め、この緯度を切替信号として出力方位角切替部５ｅに出力する。この基準方位角演算部５ｃは、例えば第１の位置及び第２の位置の中間位置を示す緯度を切替信号として求めて出力方位角切替部５ｅに出力する。

バックアップ方位角演算部５ｄは、上記基準方位角及び補間用角度に基づいて船舶用の方位測定装置の仕様として許容される時間間隔のバックアップ方位角を演算する。すなわち、バックアップ方位角演算部５ｄは、約１秒あるいは２秒の時間間隔で基準方位角演算部５ｃから入力される基準方位角Ψ_Ｒを、当該基準方位角Ψ_Ｒの測定間隔よりも細かい測定間隔の補間用角度を用いて補間することにより、船舶用の方位測定装置の仕様として許容される時間間隔のバックアップ方位角を求める。

出力方位角切替部５ｅは、上記基準方位角演算部５ｃから入力される切替信号に基づいて修正方位角あるいはバックアップ方位角の何れか一方を択一的に出力する。すなわち、出力方位角切替部５ｅは、図３に示すように、切替信号が示す船舶の緯度が所定の基準緯度、例えば６０度を超えない状態では修正方位角を外部に出力し、一方、切替信号が示す船舶の緯度が６０度以上になると、上記修正方位角に代えてバックアップ方位角を外部に出力する。

続いて、このように構成された方位測定装置の時系列的な動作について詳しく説明する。

本方位測定装置が稼動すると、電磁ログ２は基準速度を測定して速度誤差修正部５ａに順次出力する。また、マスタコンパス１は、第１の方位角を測定して速度誤差修正部５ａに順次出力する。また、レートジャイロ１ａは、角速度を積分器５ｂに順次出力し、この結果、積分器５ｂは、補間用角度情報をバックアップ方位角演算部５ｄに順次出力する。一方、第１ＧＰＳ受信機３及び第２ＧＰＳ受信機４は、第１の位置及び第２の位置を基準方位角演算部５ｃに順次出力する。

ここで、速度誤差修正部５ａが電磁ログ２から取得する基準速度の取得間隔は、上述したインタフェース回路のサンプリング間隔に支配されるものであり十分に高速である。また、速度誤差修正部５ａがマスタコンパス１から取得する第１の方位角の取得間隔は、マスタコンパス１における第１の方位角の測定間隔に支配されるものであり、船舶用の方位測定装置の仕様として許容される時間間隔である。また、バックアップ方位角演算部５ｄが積分器５ｂから取得する補間用角度の時間間隔は、レートジャイロ１ａの測定間隔に支配されるものであり、船舶用の方位測定装置の仕様として許容される時間間隔である。一方、基準方位角演算部５ｃが第１ＧＰＳ受信機３から取得する第１の位置及び第２ＧＰＳ受信機４から取得する第２の位置は、船舶用の方位測定装置の仕様として許容されない時間間隔（約１秒あるいは２秒間隔）である。

速度誤差修正部５ａは、このような基準速度と第１の方位角とに基づいて船舶用の方位測定装置の仕様として許容される時間間隔の修正方位角を出力方位角切替部５ｅに順次出力する。一方、基準方位角演算部５ｃは、船舶用の方位測定装置の仕様として許容されない基準方位角Ψ_Ｒをバックアップ方位角演算部５ｄに順次出力するが、バックアップ方位角演算部５ｄは、このような基準方位角Ψ_Ｒを補間用角度で補間することにより、船舶用の方位測定装置の仕様として許容される時間間隔のバックアップ方位角を出力方位角切替部５ｅに順次出力する。

そして、出力方位角切替部５ｅは、修正方位角の測定精度が許容値を満足する基準緯度内、例えば図３に示すように６０度を超えない緯度範囲においては、修正方位角を外部に出力し、一方、修正方位角の測定精度が許容値を満足しなくなる基準緯度以上、例えば６０度以上の緯度範囲においては、上記修正方位角に代えてバックアップ方位角を外部に出力する。

ここで、上記補間用角度は、レートジャイロ１ａが測定する比較的低精度な角速度を積分器５ｂで積分することによって得られた角度情報である。また、基準方位角Ψ_Ｒは、船舶用の方位測定装置の仕様として許容される時間間隔を満足しないものの、ＧＰＳに基づいて測定されたものなので高精度な方位情報である。このような基準方位角Ψ_Ｒ及び角速度の積分値によって生成されるバックアップ方位角は、時系列的に先行する高精度な基準方位角Ψ_Ｒを初期値として時系列的に隣り合う２つの基準方位角Ψ_Ｒの間に角速度の積分値を内挿して生成されるので、船舶用の方位測定装置として十分な精度を有する方位情報である。

また、このバックアップ方位角は、ＧＰＳに基づく第１の位置及び第２の位置から演算された基準方位角Ψ_Ｒを初期値として生成されたものなので、マスタコンパス１が測定する第１の方位角のように、緯度が高くなるに従って精度が低下するという欠点を有しないものである。すなわち、出力方位角切替部５ｅから外部に出力される出力方位角は、基準緯度以上において修正方位角からバックアップ方位角に切り替わるので、高緯度における方位誤差を従来よりも低減したものである。

このような本実施形態によれば、従来技術の問題点を解決すること、つまり高緯度における方位誤差を従来よりも低減することが可能である。また、基準方位角Ψ_Ｒの補間に比較的安価なレートジャイロ１ａを用いるので、高緯度における方位誤差を低減するために必要な装置コストの上昇を最小限に抑えることが可能である。

なお、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。
（１）上記実施形態では、基準方位角の補間に比較的安価なレートジャイロ１ａを用いたが、本発明はこれに限定されない。例えば時系列的に複数得られる基準方位角Ψ_Ｒに統計処理を施すことにより、基準方位角Ψ_Ｒよりも時間間隔の細かい方位角推定値を取得し、当該方位角推定値を用いて基準方位角Ψ_Ｒを補間しても良い。
また、上記実施形態では、速度誤差修正部５ａを設けることによって修正方位角を出力方位角切替部５ｅに入力するようにしたが、これに代えたより簡単な構成として、速度誤差修正部５ａを削除して第１の方位角を出力方位角切替部５ｅに入力するようにしてもよい。

（２）上記実施形態では、第１の位置が示す第１受信アンテナ３ａの位置と第２の位置が示す第２受信アンテナ４ａの位置とを結ぶ直線が船舶の基準方位角となるように、第１受信アンテナ３ａを船舶の船首中央に、かつ、第２受信アンテナ４ａを船舶の船尾中央に設けたが、本発明はこれに限定されない。例えば、船舶の形状と第１受信アンテナ３ａの位置及び第２受信アンテナ４ａの位置との関係を示すアンテナ配置データを基準方位角演算部５ｃに記憶させ、このアンテナ配置データ、第１受信アンテナ３ａの位置及び第２受信アンテナ４ａの位置から基準方位角を求めるようにしてもよい。

（３）上記実施形態では、マスタコンパス１として振り子式ジャイロコンパスを採用したが、本発明はこれに限定されない。マスタコンパス１は、どのような方式のジャイロコンパスであってもよく、例えばスタビライズド方式あるいはストラップダウン方式であってもよい。方式の如何に関わらずジャイロコンパスは緯度が高くなるに従って精度が低下する。

（４）上記実施形態では、基準方位角測定手段を第１ＧＰＳ受信機３及び第２ＧＰＳ受信機４を用いて構成したが、本発明はこれに限定されない。すなわち、基準方位角測定手段は、ＧＰＳに基づく測位システムに限定されず、ＧＲＯＮＡＳＳ（Global Navigation Satellite System）あるいはＧａｌｉｌｅｏ（Galileo Positioning System）等、他の測位システムであってもよい。

（５）上記実施形態では、緯度を示す切替信号を基準方位角演算部５ｃから出力方位角切替部５ｅに供給することにより修正方位角とバックアップ方位角とを自動切換えするように構成したが、本発明はこれに限定されない。例えば、操船者による手動切替によって修正方位角とバックアップ方位角とを切り替えるように出力方位角切替部５ｅを構成してもよい。

（６）上記実施形態では、船舶用の方位測定装置について説明したが、本発明はこれに限定されない。本発明は、船舶以外の航走体、例えば航空機や車両にも適用可能である。

１…マスタコンパス、１ａ…レートジャイロ、２…電磁ログ、３…第１ＧＰＳ受信機、４…第２ＧＰＳ受信機、５…演算装置、５ａ…速度誤差修正部、５ｂ…積分器、５ｃ…基準方位角演算部、５ｄ…バックアップ方位角演算部、５ｅ…出力方位角切替部

Claims

慣性センサの検出量に基づいて航走体の第１の方位角を測定するマスタコンパスと、
一定間隔を隔てて配置された２つに受信アンテナを備え、各受信アンテナで間欠的に受信した測位用電波に基づいて各受信アンテナの位置を演算し、当該各受信アンテナの位置に基づいて航走体の基準方位角を測定する基準方位角測定手段と、
該基準方位角測定手段から間欠的に入力される基準方位角に基づいて当該基準方位角よりも細かい間隔のバックアップ方位角を出力するバックアップ方位角演算部と、
緯度が所定の基準緯度を超えない状態では第１の方位角を外部に出力し、緯度が所定の基準緯度以上の状態ではバックアップ方位角を外部に出力する出力方位角切替部と
を具備することを特徴とする方位測定装置。
鉛直軸周りの角速度を検出するレートジャイロと、
該レートジャイロから出力される角速度を積分して補間用角度を出力する積分器と、をさらに備え、
バックアップ方位角演算部は、基準方位角測定手段から間欠的に入力される基準方位角を積分器から入力される補間用角度で補間することによりバックアップ方位角を出力することを特徴とする請求項１記載の方位測定装置。
基準方位角測定手段は、位置が既知の基準局が発信する電波を利用することによりＧＰＳ（Grobal Positioning System）に基づいて測定した各受信アンテナの位置を補正し、当該補正位置に基づいて基準方位角を算出するＤＧＰＳ（Differential Grobal Positioning System）受信機であることを特徴とする請求項１または２記載の方位測定装置。