JP2013253928A - Attitude information calculation device, and attitude information calculation method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、主としてGPSコンパスに関する。詳細には、GPSコンパスが備えるGPSアンテナの受信状態を維持するための構成に関する。 The present invention mainly relates to a GPS compass. In detail, it is related with the structure for maintaining the reception state of the GPS antenna with which a GPS compass is provided.
従来、船舶等において方位を検出するためのセンサとしては、ジャイロコンパス等が利用されていた。しかし近年、GPS(Global Positioning System:全地球測位システム)に代表されるGNSS(Global Navigation Satellite Systems:全地球航法衛星システム)を利用した方位センサ(いわゆるGPSコンパス)が普及しつつある。このGPSコンパスは、複数のGPSアンテナによってGPS衛星からの信号を受信し、これに基づいて方位を高精度に測定するものである。このようなGPSコンパスは、例えば特許文献1に記載されているように、複数のアンテナで受信された信号のキャリア位相差に基づいて、基準アンテナに対するほかのアンテナの相対位置を測定することにより実現できる。GPSコンパスは、ジャイロコンパスに比べて静定時間が早く、また必要衛星数からのGPS信号を受信できればアンテナ動揺時であっても方位精度が変わらないという特徴を持つ。 Conventionally, a gyro compass or the like has been used as a sensor for detecting a direction in a ship or the like. However, in recent years, an orientation sensor (so-called GPS compass) using a GNSS (Global Navigation Satellite System) represented by GPS (Global Positioning System) is becoming popular. This GPS compass receives signals from GPS satellites by a plurality of GPS antennas, and measures the direction with high accuracy based on the signals. Such a GPS compass is realized by measuring the relative position of another antenna with respect to a reference antenna based on the carrier phase difference of signals received by a plurality of antennas, as described in Patent Document 1, for example. it can. The GPS compass has characteristics that the settling time is earlier than that of the gyrocompass, and that the azimuth accuracy does not change even when the antenna is shaken if GPS signals from the required number of satellites can be received.
GPS信号のキャリア位相の情報を利用するためには、GPS衛星からの直接波を受信する必要がある。このため、GPSコンパスにおいては、各GPSアンテナに反射波(マルチパス)が受信されることを防止するための構成が必要となる。そこで、GPSアンテナは、低仰角で入射する電波や水平面より下方から入射する電波をカットするための構成を備えている。例えば特許文献2及び特許文献3には、金属板からなるグランドプレーン(接地導体)を誘電体の背面側に備えたアンテナが記載されている。
In order to use the carrier phase information of the GPS signal, it is necessary to receive a direct wave from a GPS satellite. For this reason, the GPS compass requires a configuration for preventing each GPS antenna from receiving a reflected wave (multipath). Therefore, the GPS antenna has a configuration for cutting radio waves incident at a low elevation angle and radio waves incident from below the horizontal plane. For example,
ところで、GPS衛星からの信号に基づく方位測定結果は、数十ミリ秒〜数秒の間隔で間欠的に出力される。このため、GPS衛星からの信号のみに基づいて方位を取得するGPSコンパスは、従来のジャイロコンパスのような連続的な方位測定結果を得ることはできない。この欠点を補うため、船舶用のGPSコンパスは、GPSアンテナに加えて、船体の姿勢の変動を検出する角速度センサや加速度センサ等の慣性センサを備えた構成とされる。GPS衛星からの信号に基づいて取得される間欠的な情報を、慣性センサの検出値に基づいて補間することにより、ほぼ連続的に方位測定結果を得ることができる。一般に、GPSアンテナと慣性センサは、同じフレーム(支持部材)に固定される。これにより、GPSアンテナと慣性センサが相対移動しないので、INS/GPS演算を行うことができる。これはストラップダウン方式のINS/GPSシステムと呼ばれている。 By the way, the direction measurement result based on the signal from the GPS satellite is intermittently output at intervals of several tens of milliseconds to several seconds. For this reason, a GPS compass that obtains an azimuth based only on signals from GPS satellites cannot obtain a continuous azimuth measurement result like a conventional gyrocompass. In order to compensate for this drawback, a marine GPS compass includes an inertial sensor such as an angular velocity sensor or an acceleration sensor that detects a change in the attitude of the hull in addition to a GPS antenna. By interpolating intermittent information acquired based on signals from GPS satellites based on detection values of inertial sensors, it is possible to obtain azimuth measurement results almost continuously. In general, the GPS antenna and the inertial sensor are fixed to the same frame (support member). Thereby, since a GPS antenna and an inertial sensor do not move relatively, INS / GPS calculation can be performed. This is called a strap-down INS / GPS system.
上記のように、GPSアンテナにはグランドプレーン等が設けられており、アンテナの背面からの電波をカットするように構成されている。ところで、このGPSアンテナはフレームに固定されており、このフレームは船体に固定される。従って、船体が傾くと、GPSアンテナも傾くことになる。船体の傾きが小さければ、アンテナは水平に近い状態であるから、上空のGPS衛星からの電波を良好に受信できる。しかし、船体の傾斜角度が20°を超えた状態を維持するセイルヨットなどでは、GPSアンテナが大きく傾いた状態となるので、GPS衛星からの電波がグランドプレーンによって遮られてしまう場合がある。このため、セイルヨットなどにはGPSコンパスを利用できない。 As described above, the GPS antenna is provided with a ground plane and the like, and is configured to cut radio waves from the back surface of the antenna. By the way, this GPS antenna is fixed to a frame, and this frame is fixed to the hull. Therefore, when the hull is tilted, the GPS antenna is also tilted. If the inclination of the hull is small, the antenna is in a state of being almost horizontal, so that radio waves from the GPS satellites in the sky can be received well. However, in a sail yacht or the like that maintains a state in which the inclination angle of the hull exceeds 20 °, the GPS antenna is greatly inclined, so that radio waves from GPS satellites may be blocked by the ground plane. For this reason, a GPS compass cannot be used for a sail yacht or the like.
この点、特許文献4は、GPSアンテナを水平に保つための水平保持装置を備えた構成を開示している。しかし、特許文献4はGPSコンパスに関するものではないため、当該特許文献4の構成をそのままGPSコンパスに採用することはできない。
In this regard,
本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、その主要な目的は、船体が大きく傾いた状態でも利用できるGPSコンパスを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and a main object thereof is to provide a GPS compass that can be used even when the hull is largely inclined.
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段とその効果を説明する。 The problems to be solved by the present invention are as described above. Next, means for solving the problems and the effects thereof will be described.
本発明の観点によれば、以下の構成の姿勢情報算出装置が提供される。即ち、この姿勢情報算出装置は、GNSSアンテナと、保持機構と、慣性センサと、演算部と、を備えている。前記保持機構は、前記GNSSアンテナの鉛直方向に対する姿勢を維持する。前記慣性センサは、前記移動体の座標系に固定され、前記移動体の姿勢変動を検出する。前記演算部は、前記GNSSアンテナで得た情報と、前記慣性センサが検出した情報と、に基づいて、前記移動体の姿勢情報を算出する。 According to an aspect of the present invention, an attitude information calculation device having the following configuration is provided. That is, the posture information calculation device includes a GNSS antenna, a holding mechanism, an inertial sensor, and a calculation unit. The holding mechanism maintains the posture of the GNSS antenna with respect to the vertical direction. The inertial sensor is fixed to the coordinate system of the moving body and detects a change in posture of the moving body. The calculation unit calculates posture information of the moving body based on information obtained by the GNSS antenna and information detected by the inertial sensor.
このように、保持機構によってGNSSアンテナの姿勢を維持することで、移動体が傾斜している場合であっても上空のGNSS衛星からの電波を常に適切に受信できる。一方、慣性センサは移動体に対して固定されているので、当該移動体の姿勢変動を適切に検出できる。従って、GNSSアンテナで取得した情報と、慣性センサが検出した情報と、に基づいて、移動体の姿勢を精度良く算出できる。 Thus, by maintaining the attitude of the GNSS antenna by the holding mechanism, radio waves from the GNSS satellite in the sky can always be properly received even when the moving body is inclined. On the other hand, since the inertial sensor is fixed with respect to the moving body, it is possible to appropriately detect the posture change of the moving body. Therefore, the posture of the moving body can be calculated with high accuracy based on the information acquired by the GNSS antenna and the information detected by the inertial sensor.
上記の姿勢情報算出装置は、以下のように構成されることが好ましい。即ち、この姿勢情報算出装置は、前記GNSSアンテナを複数備える。前記保持機構は、前記GNSSアンテナ間の距離を一定に保ちつつ、各GNSSアンテナの鉛直方向に対する姿勢を維持する。 The posture information calculation device is preferably configured as follows. That is, this attitude information calculation device includes a plurality of the GNSS antennas. The holding mechanism maintains the posture of each GNSS antenna in the vertical direction while keeping the distance between the GNSS antennas constant.
このようにGNSSアンテナ同士の位置関係を一定に保つことで、基準アンテナに対する他のアンテナの相対位置を精度よく求めることができる。 In this way, by keeping the positional relationship between the GNSS antennas constant, the relative position of other antennas with respect to the reference antenna can be obtained with high accuracy.
上記の姿勢情報算出装置は、前記GNSSアンテナに対する下方からの電波を遮断する接地導体を備えることが好ましい。 Preferably, the attitude information calculation device includes a ground conductor that blocks radio waves from below with respect to the GNSS antenna.
これにより、下方からの反射波(マルチパス)がGNSSアンテナに受信されることを防止できる。 Thereby, it is possible to prevent the reflected wave (multipath) from below from being received by the GNSS antenna.
上記の姿勢情報算出装置において、前記保持機構は、前記GNSSアンテナ及び前記接地導体の鉛直方向に対する姿勢を維持することが好ましい。 In the above posture information calculation device, it is preferable that the holding mechanism maintains the posture of the GNSS antenna and the ground conductor in the vertical direction.
これにより、移動体が大きく傾いたとしても、GNSSアンテナと接地導体の姿勢は保たれるので、GNSS衛星からの電波が接地導体(グランドプレーン等)によって遮られることを防止できる。 As a result, even if the mobile body is greatly inclined, the posture of the GNSS antenna and the ground conductor is maintained, so that radio waves from the GNSS satellite can be prevented from being blocked by the ground conductor (such as a ground plane).
上記の姿勢情報算出装置において、前記保持機構は、前記GNSSアンテナに浮力を作用させることが好ましい。 In the posture information calculation device, it is preferable that the holding mechanism causes buoyancy to act on the GNSS antenna.
このようにGNSSアンテナに浮力を作用させることにより、複雑な機械的構成を利用することなく、GNSSアンテナの鉛直方向に対する姿勢を維持できる。 By applying buoyancy to the GNSS antenna in this way, it is possible to maintain the attitude of the GNSS antenna with respect to the vertical direction without using a complicated mechanical configuration.
上記の姿勢情報算出装置において、前記移動体は船体であり、前記保持機構は、前記船体がロール方向で揺動したときに前記GNSSアンテナの鉛直方向に対する姿勢を維持することが好ましい。 In the attitude information calculation apparatus, it is preferable that the moving body is a hull, and the holding mechanism maintains the attitude of the GNSS antenna in the vertical direction when the hull swings in the roll direction.
即ち、船体はロール方向に大きく揺動し易いので、ロール方向に揺動したときにGNSSアンテナが傾かないようにすることが特に有効である。 That is, since the hull easily swings greatly in the roll direction, it is particularly effective to prevent the GNSS antenna from tilting when swinging in the roll direction.
上記の姿勢情報算出装置において、前記移動体は車又は飛行機の機体であり、前記保持機構は、前記機体がピッチ方向で揺動したときに前記GNSSアンテナの鉛直方向に対する姿勢を維持することが好ましい。 In the above attitude information calculation device, it is preferable that the moving body is a car or airplane body, and the holding mechanism maintains the attitude of the GNSS antenna in the vertical direction when the body swings in the pitch direction. .
即ち、車体や飛行機の機体はピッチ方向に大きく揺動し易いので、ピッチ方向に揺動したときにGNSSアンテナが傾かないようにすることが特に有効である。 That is, since the body of a vehicle body or an airplane is likely to swing greatly in the pitch direction, it is particularly effective to prevent the GNSS antenna from tilting when swinging in the pitch direction.
本発明の別の観点によれば、移動体の姿勢情報を算出する以下の姿勢情報算出方法が提供される。即ち、この姿勢情報算出方法は、GNSS受信工程と、保持工程と、姿勢変動検出工程と、演算工程と、を含む。前記GNSS受信工程では、GNSS衛星からの信号をGNSSアンテナで受信する。前記保持工程では、前記GNSSアンテナの鉛直方向に対する姿勢を維持する。前記姿勢変動検出工程では、前記移動体の座標系に固定された慣性センサによって当該移動体の姿勢変動を検出する。前記演算工程では、前記GNSSアンテナで得た情報と、前記慣性センサが検出した情報と、に基づいて、前記移動体の姿勢情報を算出する。 According to another aspect of the present invention, the following posture information calculation method for calculating posture information of a moving body is provided. That is, this attitude information calculation method includes a GNSS reception process, a holding process, an attitude variation detection process, and a calculation process. In the GNSS receiving step, a signal from a GNSS satellite is received by a GNSS antenna. In the holding step, the posture of the GNSS antenna with respect to the vertical direction is maintained. In the posture variation detection step, the posture variation of the moving body is detected by an inertial sensor fixed to the coordinate system of the moving body. In the calculation step, posture information of the moving body is calculated based on information obtained by the GNSS antenna and information detected by the inertial sensor.
次に、図面を参照して本発明の第1実施形態を説明する。図1は本実施形態に係るGPSコンパス(姿勢情報算出装置)1の概略的な構成を示すブロック図である。 Next, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a GPS compass (attitude information calculation device) 1 according to the present embodiment.
本実施形態のGPSコンパス1は、船体(移動体)に備え付けられる船舶用のコンパス(方位センサ)であり、船体の船首が向く方向(船首方位)を検出するように構成されている。GPSコンパス1は、複数のGPSアンテナ(GNSSアンテナ)2と、グランドプレーン(接地導体)3と、慣性センサ4と、ボディーフレーム(支持部材)5と、水平保持機構(保持機構)7と、演算部6と、を備えている。
The GPS compass 1 of the present embodiment is a ship compass (direction sensor) provided in a hull (moving body), and is configured to detect a direction (heading) in which the bow of the hull faces. The GPS compass 1 includes a plurality of GPS antennas (GNSS antennas) 2, a ground plane (grounding conductor) 3, an
GPSアンテナ2は例えばマイクロストリップアンテナなどの平面アンテナとして構成されており、GPS衛星から送信される1.5GHz帯の電波を受信できるように構成されている。GPSアンテナ2は、その受信面が略水平となるように配置されており、上方から到来するGPS衛星からの電波を受信できるようになっている。
The
複数のGPSアンテナ2は、互いに適宜の間隔を空けて配置されている。本実施形態のGPSコンパス1は2つのGPSアンテナ2を備えているが、3つ以上のGPSアンテナ2を備えていても良い。
The plurality of
グランドプレーン3は金属板であり、各GPSアンテナ2の下方に配置されている。グランドプレーン3は、GPSアンテナ2の底面積より広く、かつGPSアンテナ2に平行になるように配置されている。このグランドプレーン3は、GPSアンテナ2に対して下方から入射する電波を遮断するためのものである。これにより、下方から到来する反射波(マルチパス)がGPSアンテナ2に受信されることを防止し、GPS衛星からの直接波のみをGPSアンテナ2で受信することができる。
The
ボディーフレーム5は、GPSコンパス1の各構成を保持するための部材であり、船体に固定的に設置される。このように、GPSコンパス1の各構成をボディーフレーム5に保持させることで、GPSアンテナ2と慣性センサ4の位置関係を一定に保つことができる。また、これによりGPSコンパス1の各構成を一体的に取り扱うことができるので、船体に対するGPSコンパス1の取り付けを容易に行うことができる。
The
慣性センサ4は、例えば角速度センサ、加速度センサなどであり、GPS衛星からの電波に依存することなく姿勢の変動を検出できるものである。慣性センサ4は、前述のようにボディーフレーム5に固定的に設けられているので、船体の座標系(ローカル座標系)に固定されているといえる。以上により、慣性センサ4によって船体の姿勢の変動を検出できる。
The
水平保持機構7は、ボディーフレーム5とGPSアンテナ2の間に配置されており、GPSアンテナ2を支持している。この水平保持機構7は、GPSアンテナ2の鉛直方向に対する姿勢を維持するためのものである。具体的には、水平保持機構7は、GPSアンテナ2が常に水平となる(GPSアンテナの受信面が常に天頂方向を指向する)ように、当該GPSアンテナ2を保持するように構成されている。これにより、船体の姿勢にかかわらず、GPSアンテナ2によってGPS衛星からの電波を良好に受信できる。また本実施形態の水平保持機構7は、グランドプレーン3の鉛直方向に対する姿勢も維持するように構成されている。これにより、船体が大きく傾いた場合であっても、グランドプレーン3は常に水平となるので、GPS衛星からの直接波が当該グランドプレーン3によって遮られてしまうことを防止できる。これにより、本実施形態のGPSコンパス1は、船体を大きく傾けて走行するセイルヨットなどにも利用できる。
The
水平保持機構の具体的な構成は特に限定されず、GPSアンテナ2(及びグランドプレーン3)を水平に保つことができればどのようなものであっても良い。例えば、GPSアンテナ2が防水構造であれば、水平保持機構7は、図2に示すように構成できる。即ち、図2に示した水平保持機構7は、容器9内に液体10を密封し、GPSアンテナ2が形成されている誘電体基板8を液面に浮かせた構成である。このように、GPSアンテナ2(の誘電体基板8)に浮力を作用させることにより、GPSアンテナ2の水平を維持できる。また、図2の例では、誘電体基板8の背面側(GPSアンテナ2の反対側)にグランドプレーン3が設けられた構成となっており、当該グランドプレーン3は誘電体基板8と一体となって液面に浮いている。従って、図2の構成によれば、GPSアンテナ2に加えて、グランドプレーン3の水平を維持することができる。
The specific configuration of the horizontal holding mechanism is not particularly limited, and any configuration may be used as long as the GPS antenna 2 (and the ground plane 3) can be kept horizontal. For example, if the
図2に示すように、本実施形態のGPSコンパス1が備える2つのGPSアンテナ2は、同一の誘電体基板8上に形成されているので、2つのGPSアンテナ2間の距離は固定されており、変動することがない。従って、図2の水平保持機構7は、2つのGPSアンテナ2間の距離を保ちつつ、各GPSアンテナ2の水平を維持できる。なお、ここでいう「GPSアンテナ2間の距離」とは、各GPSアンテナ2の物理的な中心同士の距離と、各GPSアンテナ2の特性的な中心同士の距離の両方を意味している。
As shown in FIG. 2, the two
演算部6は、各種演算を行うプロセッサと、電源部とを備えている。各GPSアンテナ2が受信した信号と、慣性センサ4の出力は、この演算部6に入力される。演算部6は、各GPSアンテナ2が受信した信号のキャリア位相差にもとづいて、一方のGPSアンテナ2(基準アンテナ)に対する他方のGPSアンテナ2の相対位置をGPS座標系で算出する。続いて演算部6は、GPS座標系で得られたGPSアンテナ2の相対位置を船体のローカル座標系に変換し、これにもとづいて船首方位を算出する。
The
なお、演算部6において、GPS衛星からの信号に基づく船首方位は、所定の測位周期(例えば数十ミリ秒〜数秒間隔)で間欠的に算出される。このため、GPS衛星からの信号のみに基づいて船首方位を算出した場合は、測位周期よりも短い周期で船首方位の情報を得ることができない。一方、慣性センサ4は、前記測位周期よりも短い周期(例えば数ミリ秒間隔)で検出結果を得ることができるように構成されている。
In the
そこで演算部6は、GPS衛星からの信号に基づいて算出した船首方位を、慣性センサ4の出力に基づいて補間するように構成されている。これにより、前記測位周期よりも短い間隔で船首方位の情報を取得できるので、ほぼリアルタイムに船首方位の情報を取得できる。なお、GPSで得られた姿勢情報(本実施形態では船首方位の情報)と、慣性センサで検出された姿勢変動に関する情報と、に基づいて移動体の姿勢を算出する手法は、INS/GPS演算として知られているので、詳細な説明は省略する。本実施形態のGPSコンパス1では、慣性センサ4は船体に対して固定されているので、いわゆるストラップダウン方式のINS/GPS演算を行うことになる。これにより、精度の良い補正が可能である。
Accordingly, the
ところで、仮にGPSアンテナ2が図2の容器9内で完全に自由に動いてしまうと、GPSアンテナ2と慣性センサ4との位置関係が不明になるので、演算部6においてINS/GPS演算を行うことができなくなってしまう。そこで本実施形態の水平保持機構7は、以下のように構成されている。即ち、液体10を封入した容器9は、中空状の略球形に形成されている。一方、誘電体基板8は円形に形成されている。そして、円形の誘電体基板8の直径と、球形の容器9の内径と、が略一致している。更に、2つのGPSアンテナ2間の中間位置と、球形の容器9の中心と、が略一致するように構成されている。これによれば、誘電体基板8上のGPSアンテナ2は、球形の容器9の内部において、当該容器9の中心を揺動中心として揺動することになる。そして、前記容器9は、ボディーフレーム5に対して固定されているので、GPSアンテナ2の揺動中心と、慣性センサ4と、の位置関係は固定される。以上のように、GPSアンテナ2の揺動中心と、慣性センサ4と、の位置関係が固定されているので、演算部6において上記のINS/GPS演算を行うことが可能となる。
By the way, if the
以上で説明したように、本実施形態のGPSコンパス1は、GPSアンテナ2と、水平保持機構7と、慣性センサ4と、演算部6と、を備えている。水平保持機構7は、GPSアンテナ2の鉛直方向に対する姿勢を維持する。慣性センサ4は、船体の座標系に固定され、船体の姿勢変動を検出する。演算部6は、GPSアンテナ2で得た情報と、慣性センサ4が検出した情報と、に基づいて、船首方位を算出する。
As described above, the GPS compass 1 of this embodiment includes the
従って、本実施形態のGPSコンパス1による船首方位算出方法(姿勢情報算出方法)は、以下のようにして行うことになる。 Therefore, the bow direction calculation method (posture information calculation method) by the GPS compass 1 of the present embodiment is performed as follows.
この船首方位算出方法は、GPS受信工程と、保持工程と、姿勢変動検出工程と、演算工程と、を含んでいる。GPS受信工程では、GPS衛星からの信号をGPSアンテナ2で受信する。保持工程では、GPSアンテナ2の鉛直方向に対する姿勢を維持する。姿勢変動検出工程では、船体の座標系に固定された慣性センサ4によって当該船体の姿勢変動を検出する。演算工程では、GPSアンテナで得た情報と、慣性センサ4が検出した情報と、に基づいて、船首方位を算出する。
This bow direction calculation method includes a GPS reception process, a holding process, an attitude variation detection process, and a calculation process. In the GPS reception process, a signal from a GPS satellite is received by the
このように、水平保持機構7によってGPSアンテナ2の姿勢を維持することで、船体が傾斜している場合であっても上空のGPS衛星からの電波を常に適切に受信できる。一方、慣性センサ4は船体に対して固定されているので、当該船体の姿勢変動を適切に検出できる。従って、GPSアンテナ2で取得した情報と、慣性センサ4が検出した情報と、に基づいて、船体の姿勢を精度良く算出できる。
Thus, by maintaining the attitude of the
次に、本発明の第2実施形態について説明する。なお、本実施形態の説明においては、前述の実施形態と同一又は類似の部材には図面に同一の符号を付し、説明を省略する場合がある。 Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the description of the present embodiment, the same or similar members as those of the above-described embodiment may be denoted by the same reference numerals in the drawings, and description thereof may be omitted.
上記第1実施形態の水平保持機構7は、GPSアンテナ2(の誘電体基板8)に対して、液体10によって浮力を作用させることにより、GPSアンテナ2の水平を維持する構成とした。しかし、GPSアンテナ2が防水でない場合、上記の構成を採用することは難しくなる。
The
そこで図3に示す第2実施形態の水平保持機構17は、GPSアンテナ2が防水ではない場合でも適用できるように、誘電体基板8を揺動軸11で揺動自在に支持する構成としたものである。誘電体基板8の下方には、当該誘電体基板8と一体的に揺動する適宜のウェイト(重り)12が設けられている。これによれば、重力の作用によって、GPSアンテナ2、誘電体基板8、及びグランドプレーン3の水平を維持することができる。またこの構成によれば、第1実施形態のような液体を封入した容器9が不要となるので、水平保持機構17を軽量に構成することができる。
Therefore, the
揺動軸11の軸中心は、2つのGPSアンテナ2間の中間位置に配置すれば好適である。また、揺動軸11は、ボディーフレーム5(図3では図示を省略)に対して固定的に設ける。慣性センサ4(図3には図示を省略)は、第1実施形態と同じくボディーフレーム5に対して固定的に設けられる。これにより、GPSアンテナ2の揺動中心(揺動軸11)と、慣性センサ4と、の位置関係が固定されるので、演算部6において上記のINS/GPS演算を行うことが可能となる。
It is preferable that the axis center of the
第2実施形態の水平保持機構17は、誘電体基板8を1軸で支持する構成であるから、誘電体基板8(及びGPSアンテナ2とグランドプレーン3)が揺動する方向は平面内に限られる。例えば本第2実施形態では、揺動軸11は船体の前後方向に沿って設けられている。揺動軸11をこのように配置した場合、GPSアンテナ2及びグランドプレーン3は、船体の左右方向を含む平面内で揺動する。この構成の水平保持機構17は、船体のロール方向での揺動(左右の揺れ)に対して、GPSアンテナ2及びグランドプレーン3の水平を維持するように働く。従って、第2実施形態の水平保持機構17によれば、船体が左右に大きく傾いても、GPS衛星からの電波をGPSアンテナ2で良好に受信できる。
Since the
なお、この第2実施形態の構成の場合、船体のピッチ方向の揺動(前後の揺れ)に対してはGPSアンテナ2の水平を維持することができない。しかし、船体の場合はピッチ方向に比べてロール方向での揺れが格段に大きく、ピッチ方向での搖れはGPSアンテナ2の受信感度には大きな影響がない。従って、ピッチ方向での搖れに対応できない上記の構成であっても、GPS衛星からの電波を適切に受信できるようにGPSアンテナ2の姿勢を維持する、という水平保持機構17の目的を十分に果たすことができる。
In the case of the configuration of the second embodiment, the horizontal position of the
以上の第2実施形態のように、GPSアンテナ2を1軸で揺動可能に支持して、当該GPSアンテナの水平を維持する構成とすれば、船体のように傾斜の軸が明確にわかっている移動体において、GPS衛星からの電波の受信中断を改善し、精度と信頼性を改善できる。
As in the second embodiment described above, if the
以上に本発明の好適な実施の形態を説明したが、上記の構成は例えば以下のように変更することができる。 The preferred embodiment of the present invention has been described above, but the above configuration can be modified as follows, for example.
GPSアンテナの数は、2つに限らず、3つ以上あっても良い。また、GPSアンテナは1つであっても良い。GPSアンテナが1つの場合であっても、GPSアンテナの水平を維持することによりGPSアンテナの受信状態を改善するという本願発明の効果を得ることができる。 The number of GPS antennas is not limited to two and may be three or more. Further, there may be one GPS antenna. Even if there is only one GPS antenna, it is possible to obtain the effect of the present invention that the reception state of the GPS antenna is improved by maintaining the level of the GPS antenna.
上記実施形態では、2つのGPSアンテナ2を1つの誘電体基板8上に形成し、この誘電体基板8の水平を水平保持機構7によって保つ構成とした。つまり、上記実施形態は、複数のGPSアンテナ2の水平を、共通の水平保持機構7で維持する構成である。しかし、これに限らず、複数のGPSアンテナ2それぞれに水平保持機構を設け、各GPSアンテナの水平をそれぞれの水平保持機構によって個別に保つように構成しても良い。例えば図4に示すように、複数のGPSアンテナ2,2をそれぞれ別の誘電体基板8,8上に形成する。そして、各誘電体基板8,8を、別々の揺動軸11,11によって揺動自在に支持する。これによれば、各GPSアンテナ2,2の鉛直方向に対する姿勢を、個別に維持することができる。
In the above embodiment, two
上記第2実施形態では、GPSアンテナ2の水平を維持するためにウェイト12を設ける構成とした。しかし、GPSアンテナ2、誘電体基板8、及びグランドプレーン3をあわせた重心が揺動軸11の軸線よりも下方に位置しており、これらの自重によってGPSアンテナ2の水平を良好に維持できるのであれば、例えば図4に示すようにウェイト12を省略しても良い。特に、誘電体基板8の下方にグランドプレーン3が一体的に設けられている場合、当該グランドプレーン3がウェイトとしての役割を果たすことができる。
In the second embodiment, the weight 12 is provided in order to keep the
上記実施形態では、誘電体基板8の背面側にグランドプレーン3を一体的に設けた構成としているが、これに限らず、例えば図4に示すように、グランドプレーン3を誘電体基板8から離間して設けても良い。
In the above embodiment, the
上記実施形態の水平保持機構は、グランドプレーン3を誘電体基板8と一体的に揺動させることで、当該グランドプレーン3の鉛直方向に対する姿勢を維持するように構成されている。しかしこれに限らず、水平保持機構は、必ずしもグランドプレーン3の水平を維持しなくても良い。例えば、グランドプレーン3を誘電体基板8から離間して設け、当該グランドプレーン3をボディーフレーム5側に固定的に配置しても良い。この場合であっても、水平保持機構によってGPSアンテナ2の水平を維持することはできるので、当該GPSアンテナ2の受信状態を良好に保つことができる。
The horizontal holding mechanism of the above embodiment is configured to maintain the posture of the
上記第1実施形態では、GPSアンテナ2を液体10の浮力で浮かせる構成としたが、浮力を作用させる構成としてはこれに限らない。例えば、磁力によってGPSアンテナ2を浮かせるように構成しても良い。この他にも、例えば気体によってGPSアンテナ2を浮かせるように構成しても良い。
In the said 1st Embodiment, although it was set as the structure which floats the
上記第2実施形態において、水平保持機構17は、船体のロール(左右の揺れ)方向での揺動に対して、GPSアンテナ2の水平を維持するように働くものとした。しかし、飛行機や車などの他の種類の移動体の場合は、ロール方向よりもピッチ方向の揺れが大きくなりがちである。そこで、飛行機や車等の移動体に上記第2実施形態の水平保持機構17を適用する場合は、揺動軸11を、移動体の左右方向に沿って設ければ好適である。この場合、水平保持機構17は、移動体のピッチ方向での揺動に対して、GPSアンテナ2の水平を維持するように働く。
In the second embodiment, the
なお、上記第2実施形態の水平保持機構17では、GPSアンテナ2等を1軸で支持する構成としているが、2軸以上で支持する構成としても良い。この構成によれば、ピッチ方向とロール方向の両方の揺れに対応できる。
In addition, in the
上記実施形態では、姿勢情報算出装置をGPSコンパス1として構成し、移動体の姿勢情報として船首方位を算出している。しかしこれに限らず、地球に対する移動体の姿勢に関する情報であれば、本発明の姿勢情報算出装置によって算出可能である。例えば第2実施形態(図3)の姿勢情報算出装置は、船体のピッチ方向の揺動(前後の揺れ)に対してはGPSアンテナ2の水平を維持することができない構成であるが、これは逆に言うと、GPSアンテナ2が船体とともにピッチ方向で揺動する構成であるから、GPSアンテナ2が受信した信号に基づいて、移動体(上記実施形態の場合は船体)のピッチ角を算出することが可能である。これ以外にも、本発明の姿勢情報算出装置によって、例えば移動体のロール角を検出するように構成することができる。
In the above embodiment, the attitude information calculation device is configured as the GPS compass 1, and the heading is calculated as the attitude information of the moving body. However, the present invention is not limited to this, and any information relating to the posture of the moving body with respect to the earth can be calculated by the posture information calculation device of the present invention. For example, the attitude information calculation device of the second embodiment (FIG. 3) is configured such that the horizontal position of the
1 GPSコンパス(姿勢情報算出装置)
2 GPSアンテナ(GNSSアンテナ)
3 グランドプレーン(設置導体)
4 慣性センサ
6 演算部
7 水平保持機構(保持機構)
1 GPS compass (attitude information calculation device)
2 GPS antenna (GNSS antenna)
3 Ground plane (installed conductor)
4
Claims (8)
GNSSアンテナと、
前記GNSSアンテナの鉛直方向に対する姿勢を維持する保持機構と、
前記移動体の座標系に固定され、前記移動体の姿勢変動を検出する慣性センサと、
前記GNSSアンテナで得た情報と、前記慣性センサが検出した情報と、に基づいて、前記移動体の姿勢情報を算出する演算部と、
を備えることを特徴とする姿勢情報算出装置。 A posture information calculation device for calculating posture information of a moving body,
A GNSS antenna,
A holding mechanism for maintaining a posture of the GNSS antenna in a vertical direction;
An inertial sensor that is fixed to the coordinate system of the moving body and detects a change in posture of the moving body;
An arithmetic unit that calculates posture information of the moving body based on information obtained by the GNSS antenna and information detected by the inertial sensor;
A posture information calculation apparatus comprising:
前記GNSSアンテナを複数備え、
前記保持機構は、前記GNSSアンテナ間の距離を一定に保ちつつ、各GNSSアンテナの鉛直方向に対する姿勢を維持することを特徴とする姿勢情報算出装置。 The posture information calculation apparatus according to claim 1,
A plurality of the GNSS antennas;
The attitude information calculation apparatus, wherein the holding mechanism maintains an attitude of each GNSS antenna with respect to a vertical direction while keeping a distance between the GNSS antennas constant.
前記GNSSアンテナに対する下方からの電波を遮断する接地導体を備えることを特徴とする姿勢情報算出装置。 The posture information calculation device according to claim 1 or 2,
An attitude information calculation apparatus comprising a ground conductor for blocking radio waves from below to the GNSS antenna.
前記保持機構は、前記GNSSアンテナ及び前記接地導体の鉛直方向に対する姿勢を維持することを特徴とする姿勢情報算出装置。 The posture information calculation apparatus according to claim 3,
The posture information calculation apparatus, wherein the holding mechanism maintains a posture of the GNSS antenna and the ground conductor in a vertical direction.
前記保持機構は、前記GNSSアンテナに浮力を作用させることを特徴とする姿勢情報算出装置。 The posture information calculation apparatus according to any one of claims 1 to 4,
The posture information calculation device, wherein the holding mechanism causes buoyancy to act on the GNSS antenna.
前記移動体は船体であり、
前記保持機構は、前記船体がロール方向で揺動したときに前記GNSSアンテナの鉛直方向に対する姿勢を維持することを特徴とする姿勢情報算出装置。 The posture information calculation device according to any one of claims 1 to 5,
The moving body is a hull;
The attitude information calculation apparatus, wherein the holding mechanism maintains an attitude of the GNSS antenna with respect to a vertical direction when the hull swings in a roll direction.
前記移動体は車又は飛行機の機体であり、
前記保持機構は、前記機体がピッチ方向で揺動したときに前記GNSSアンテナの鉛直方向に対する姿勢を維持することを特徴とする姿勢情報算出装置。 The posture information calculation device according to any one of claims 1 to 5,
The moving body is a car or an airplane body,
The posture information calculation device, wherein the holding mechanism maintains a posture of the GNSS antenna with respect to a vertical direction when the airframe swings in a pitch direction.
GNSS衛星からの信号をGNSSアンテナで受信するGNSS受信工程と、
前記GNSSアンテナの鉛直方向に対する姿勢を維持する保持工程と、
前記移動体の座標系に固定された慣性センサによって当該移動体の姿勢変動を検出する姿勢変動検出工程と、
前記GNSSアンテナで得た情報と、前記慣性センサが検出した情報と、に基づいて、前記移動体の姿勢情報を算出する演算工程と、
を含むことを特徴とする姿勢情報算出方法。 A posture information calculation method for calculating posture information of a moving body,
A GNSS reception step of receiving a signal from a GNSS satellite by a GNSS antenna;
A holding step for maintaining a posture of the GNSS antenna with respect to a vertical direction;
A posture variation detection step of detecting a posture variation of the movable body by an inertial sensor fixed to the coordinate system of the movable body;
A calculation step of calculating posture information of the moving body based on information obtained by the GNSS antenna and information detected by the inertial sensor;
A posture information calculation method comprising:
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