JP2014145612A - 動揺周期推定装置、移動体角速度算出装置、移動体速度算出装置、移動体、動揺周期推定方法、移動体角速度算出方法、移動体速度算出方法、動揺周期推定プログラム、移動体角速度算出プログラム、および移動体速度算出プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】動揺によって相対位置変化が生じるような移動体上の位置にアンテナが設置されている場合に、動揺周期を算出する。
【解決手段】
アンテナでＧＮＳＳ信号を受信して、既知の方法から当該ＧＮＳＳ信号からアンテナ位置での姿勢角Φ_Ｂを算出する（Ｓ１０１）。この姿勢角Φ_Ｂの算出処理は、所定の時間間隔Δｔで順次行われる。また、この姿勢角Φ_Ｂの算出処理は、異なる時刻で少なくとも４回行われる。算出された姿勢角Φ_Ｂは、順次記憶される。このように算出して記憶した４回分の姿勢角Φ_Ｂと時間間隔Δｔを用いて、動揺によるアンテナの相対位置変化を三次関数近似した推定演算式から動揺周期Ｔを推定算出する（Ｓ１０２）。
【選択図】 図２

Description

本発明は、船舶等の水上を移動する移動体の動揺周期を推定する動揺周期推定装置、および推定された動揺周期を用いて移動体角速度や移動体速度を算出する装置に関する。

従来、船舶等の水上を移動する移動体の角速度や速度を算出する構成が各種考案されている。例えば、特許文献１では、ＧＰＳ（Ｇｒｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）信号を受信して位置や姿勢を算出し、これらの算出結果から角速度や速度を算出している。

このように、ＧＰＳ信号等のＧＮＳＳ（Ｇｒｏｂａｌ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｓｙｓｔｅｍｓ）衛星から放送されるＧＮＳＳ信号を用いて、角速度や速度を算出する場合、ＧＮＳＳ信号を受信できなければ位置や姿勢を算出することができない。したがって、ＧＮＳＳ信号を受信するアンテナは、移動体においてＧＮＳＳ信号の受信を妨げるものが極力無い場所に設置することが望ましい。このため、アンテナは、水上を移動する船舶等の場合であれば、例えば船体から上方に伸びるマストの先端等に設置されることが多い。

マストの先端にアンテナを設置した場合、アンテナ位置と移動体の重心（例えば、船体重心）の位置とが離れる。

図１は、船体重心とアンテナ位置とが離間した場合における船体の動揺状態を示す図である。図１は船首尾方向を中心軸として船体が揺動する場合を示している。

図１に示すように、船体９００の船体重心９０１に対してアンテナ１０１の位置が離間していると、船体９００が波や風等の外乱により動揺した場合に、船体重心９０１に対するアンテナ１０１の相対位置が変化する。

したがって、アンテナ位置で観測される速度や角速度は移動体（船体）の動揺の影響を受け、真の移動体の速度とは異なる値となってしまう。これを解決する方法として、特許文献２には、動揺による移動体速度への影響を抑圧する方法が記載されている。

特許文献２の方法では、移動体（船体）の傾斜角を何らかの方法で検出し、当該傾斜角を用いて、移動体の重心位置に対するアンテナ位置の相対速度を算出する。そして、このアンテナ位置の相対速度により、アンテナ位置で検出した速度を補正することにより、移動体速度を算出する。

特開２００４−２３３１８５号公報 特許第３８０７８４５号明細書

しかしながら、特許文献２に示す方法では、移動体速度を算出するために、移動体速度を算出する構成とは別に、傾斜角を検出する構成を備えなければならない。したがって、移動体速度の算出構成が大がかりなものになってしまう。

また、傾斜角は時々刻々変化するため、速度を検出するタイミング毎に傾斜角を参照しなければならず、速度算出処理が煩雑になってしまう。

したがって、本発明の目的は、動揺による相対位置変化が生じるような移動体上の位置にアンテナが設置されていても、簡素な構成で且つ煩雑な処理を行うことなく動揺周期を推定し、移動体の角速度や速度を高精度に算出することにある。

この発明の動揺周期推定装置は、姿勢角算出部と動揺周期算出部とを備える。姿勢角算出部は、アンテナで受信したＧＮＳＳ信号の捕捉追尾結果からアンテナ位置での姿勢角を算出する。動揺周期算出部は、アンテナ位置の姿勢角と該姿勢角の観測時刻間隔とを、動揺を周期関数で推定してテーラー展開して得られる観測方程式に代入することで、動揺周期を推定算出する。

この構成では、アンテナで受信したＧＮＳＳ信号のみから移動体の動揺周期が推定算出される。

また、この発明の動揺周期推定装置では、動揺周期推定算出部は、動揺を周期関数で推定して三次関数近似する。

この構成では、観測方程式のより具体的な設定方法を示している。三次関数近似までしておけば、十分に実用的な精度で動揺周期を推定算出することができる。また、三次関数近似に留めることで、更なる高次項を用いるよりも、演算負荷を軽減することができる。

また、この発明の動揺周期推定装置では、動揺周期推定算出部は、周期関数として三角関数を用いる。

この構成では、水上の移動体が受ける動揺が、主に波による動揺であるとして、周期関数に三角関数を用いる。これにより、主として波による動揺が生じる水上の移動体の動揺周期を高精度に設定できる。

また、この発明の移動体角速度算出装置は、動揺周期推定装置の各部、ＧＮＳＳ角速度算出部、動揺補正値算出部、および、角速度補正部を備える。ＧＮＳＳ角速度算出部は、アンテナ位置での姿勢角から当該アンテナ位置での角速度を算出する。動揺補正値算出部は、動揺周期から動揺補正値を算出する。角速度補正部は、ＧＮＳＳ角速度と動揺補正値とから補正角速度を算出する。

この構成では、上述のように推定された動揺周期を用いて移動体角速度が補正される。これにより、移動体角速度を高精度に算出することができる。

また、この発明の移動体速度算出装置は、移動体角速度算出装置の各部、ＧＮＳＳ速度算出部、および、速度補正部を備える。ＧＮＳＳ速度算出部は、アンテナ位置での速度を算出する。速度補正部は、移動体角速度算出装置の角速度補正部から出力される補正角速度で、アンテナ位置での速度を補正して、移動体速度を算出する。

この構成では、上述のように高精度に算出されたアンテナ位置での角速度を用いることで、移動体の速度を高精度に算出することができる。

また、この発明の移動体速度算出装置では、速度補正部は、補正角速度と、アンテナ位置と移動体の重心との位置関係に基づく値とから速度補正値を算出し、当該速度補正値によってアンテナ位置での速度を補正することで移動体速度を算出する。

この構成では、移動体速度のより具体的な算出方法を示している。アンテナ位置と移動体の重心との位置関係に基づく値を用いることで、所謂レバーアーム効果を考慮して、移動体の速度を高精度に算出することができる。

また、この発明の移動体は、上述の移動体速度算出装置と、移動体速度から航行支援情報を生成する航行支援情報生成部と、を備える。

この構成では、上述の移動体角速度および移動体速度の算出構成を備えていることにより、高精度な航行支援情報を生成することができる。

この発明によれば、動揺周期を略正確に推定でき、当該動揺周期を用いて、移動体の動揺の影響を抑圧し、移動体の角速度や速度を高精度に算出することができる。

船体重心とアンテナ位置とが離間した場合における船体の動揺状態を示す図である。 アンテナ位置の動揺周期Ｔの算出フローを示すフローチャートである。 船体の角速度の算出フローを示すフローチャートである。 船体速度の算出フローを示すフローチャートである。 推定した動揺周期Ｔによる動揺補正値ＳＦ_ｎを用いて角速度ω_ｎを補正した場合の最終的に出力される船体速度（船速）Ｖ_Ｎの誤差と、補正しない従来構成の場合の最終的に出力される船速Ｖ_Ｎの誤差の時間変化をシミュレーションしたグラフである。 動揺周期推定部１０の機能ブロック図である。 角速度算出部３０の機能ブロック図である。 船速算出部５０の機能ブロック図である。 本発明の実施形態に係る移動体速度検出装置を備える移動体のブロック図である。

本発明の実施形態に係る動揺周期推定方法、移動体角速度算出方法、移動体速度算出方法について説明する。なお、本実施形態では、船舶の動揺周期、角速度および速度を算出する方法について説明する。動揺周期は、船舶に備え付けられたアンテナ位置の動揺の周期である。船舶の角速度および速度とは、船体の所定位置（船体重心）の角速度や速度である。そして、本実施形態では、船体のマストの先端等のように、所定位置から所定距離離れた位置に配置されたアンテナで受信したＧＮＳＳ信号により、船体の動揺、船体の所定位置の角速度や速度を算出する場合を示す。また、以下の実施形態では、船体の所定位置を船体重心とする例を示す。

本実施形態の動揺周期算出方法の原理について説明する。

上述のように、アンテナ位置が船体重心から離間している場合、船体が波や風によって動揺すると、地球座標系で見た船体重心に対するアンテナ位置が変化する。具体的には、上述の図１に示すように、アンテナ位置は、船体重心等の振動位置を中心として円弧の軌跡上を往復するように変化する。すなわち、船体が動揺した場合、アンテナ位置は、振動中心に対して所定の角速度（周期）からなる振り子運動（単振動）のように変化する。

したがって、アンテナ位置の姿勢角は、正弦波として仮定することができる。ある観測時刻ｔ_ｎで観測したアンテナ位置の姿勢角をθ_ｎとし、動揺によるアンテナ位置の動揺周期（振動周期）をＴとすると、姿勢角θ_ｎは、次式で表すことができる。なお、ａ，ｃ，ｄは適宜設定した振動値の定数である。なお、ここでは、一軸方向（例えばロール方向）の姿勢角を例に説明するが、他の軸方向の姿勢角についても同様に推定算出が可能である。

この（式１）を、時刻ｔ_ｎでテーラー展開すると、次式が得られる。

（式２）を３次の項までで近似すると、次式が得られる。

ここで、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは次のように定義されている。

（式４）におけるＡ，Ｃから動揺周期Ｔは、次のように算出できる。

複数の時刻ｔでの姿勢角θを観測し、それぞれ上述の（式３）に代入すると次式が得られる。ここでは、４回の観測時刻を、ｔ_ｎ，ｔ_ｎ＋１，ｔ_ｎ＋２，ｔ_ｎ＋３とし、各観測時刻に観測された姿勢角を、θ_ｎ，θ_ｎ＋１，θ_ｎ＋２，θ_ｎ＋３とする。

観測時間の間隔とΔｔとし、ｔ_０＝（ｔ_ｎ＋１＋ｔ_ｎ＋２）／２＝ｔ_ｎ＋（３／２）Δｔとすると、（式６）は次式に変換することができる。

ここで、姿勢角θ_ｎ，θ_ｎ＋１，θ_ｎ＋２，θ_ｎ＋３、観測時刻間隔Δｔは既知数であるので、これらの既知数を式７に代入することにより、未知数Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを算出することができる。そして、Ａ，Ｃを算出することにより、式５から動揺周期Ｔを算出することができる。

このように、本実施形態の動揺を三次関数で近似した観測方程式を設定し、当該観測方程式に複数回の姿勢角の観測結果と観測時刻間隔を代入することで、動揺周期Ｔを推定算出することができる。そして、このような複数回の姿勢角は、アンテナで受信して捕捉追尾したＧＮＳＳ信号のみで検出できるので、アンテナで受信したＧＮＳＳ信号のみから動揺周期Ｔを推定算出することができる。

次に、上述のように推定された動揺周期Ｔを用いた移動体角速度算出方法および移動体速度算出方法の原理について説明する。

アンテナ位置の角速度ω_ｎは、姿勢角θ_ｎの微分であるので、上述の（式１）を時間微分することで得られ、次式で表すことができる。

なお、現実的な角速度ω_ｎｄとしては、姿勢角θ_ｎの取得時間差をΔｔとして、各時刻の姿勢角θ_ｎの差分を時間差Δｔで除算する値となる。

したがって、時刻ｔ_ｎでの角速度誤差Ｅｒｒ_ｎは、次式で表すことができる。

このように、角速度誤差Ｅｒｒ_ｎと角速度ω_ｎの周期は一致する。

このことを利用し、角速度誤差Ｅｒｒ_ｎを用いて角速度ω_ｎを補正することで、動揺による誤差を抑圧することが可能になる。

具体的には、角速度誤差Ｅｒｒ_ｎの絶対値ＡＢＳ（Ｅｒｒ_ｎ）を角速度ω_ｎの絶対値ＡＢＳ（ω_ｎ）で除算した値を動揺補正値ＳＦ_ｎとすると、動揺補正値ＳＦ_ｎは次式で表すことができる。なお、以下の式で、ＡＢＳ（ｆ（ｘ））は関数ｆ（ｘ）の絶対値を表す記号である。

そして、この動揺補正値ＳＦ_ｎで、角速度ω_ｎを補正することで、動揺による誤差を抑圧した補正角速度ω_ｃを算出することができる。

ここで、動揺補正値ＳＦ_ｎは、（式１１）にも示すように、動揺周期Ｔによって決まる。したがって、上述のように推定算出した動揺周期Ｔから動揺補正値ＳＦ_ｎを算出して、当該動揺補正値ＳＦ_ｎで角速度ω_ｎを補正することで、動揺による誤差を抑圧した補正角速度ω_Ｃを算出することができる。

そして、このように推定算出された動揺周期Ｔによる補正角速度ω_Ｃを用いて、後述するように、アンテナ位置での速度を補正することで、高精度に船速を算出することができる。

次に、本実施形態のアンテナ位置の動揺周期の算出フローについて、図を参照して説明する。図２は、アンテナ位置の動揺周期Ｔの算出フローを示すフローチャートである。

アンテナでＧＮＳＳ信号を受信して、既知の方法から当該ＧＮＳＳ信号からアンテナ位置での姿勢角Φ_Ｂ（φ_Ｂ，θ_Ｂ，ψ_Ｂ）を算出する（Ｓ１０１）。この際、姿勢角Φ_Ｂは、地球座標系の測位結果を元にして船体座標系で算出される。この姿勢角Φ_Ｂの算出処理は、上述のように設定された時間間隔Δｔで順次行われる。また、この姿勢角Φ_Ｂの算出処理は、異なる時刻で少なくとも４回行われる。算出された姿勢角Φ_Ｂは、順次記憶される。

このように算出して記憶した４回分の姿勢角Φ_Ｂと時間間隔Δｔを用いて、動揺を関数で推定して三次関数近似した観測方程式である（式７）と（式５）から動揺周期Ｔを推定算出する（Ｓ１０２）。

このような処理を行うことで、ＧＮＳＳ信号を受信して算出される姿勢角のみから、動揺周期Ｔを推定算出することができる。これにより、角速度や速度の算出に利用されるＧＮＳＳ信号の受信構成だけで、これら角速度や速度の補正値に用いる動揺周期を算出することができる。したがって、従来構成のように、角速度や速度の算出とは別に、船体の傾斜を測定する装置等の構成を必要としない。

また、傾斜角は時々刻々と変化するため、高精度に補正を行うために高頻度で傾斜角の検出が必要であるが、動揺周期は動揺中には比較的変化しにくい。したがって、補正のための演算を軽減することができる。なお、後述の図５に示すように、推定される動揺周期は或程度の誤差を持っていても、動揺補正効果は得られるので、より軽い演算負荷で効果的な動揺補正効果を得ることができる。

次に、本実施形態の船体の角速度の算出フローについて、図を参照して説明する。図３は、船体の角速度の算出フローを示すフローチャートである。

アンテナでＧＮＳＳ信号を受信して、当該ＧＮＳＳ信号を捕捉追尾する。この捕捉追尾したＧＮＳＳ信号の捕捉追尾結果、例えばコード擬似距離やドップラ周波数を用いてアンテナ位置での姿勢角Φ_Ｂを算出する。姿勢角Φ_Ｂは、上述のように船体座標系で算出される。この姿勢角Φ_Ｂの算出処理は、上述のように設定された時間間隔Δｔで順次行われる。複数時刻の姿勢角Φ_Ｂを算出すると、上述の（式３）を用いて、船体座標系において、アンテナ位置での角速度ω_Ｂ（ｄφ_Ｂ，ｄθ_Ｂ，ｄψ_Ｂ）を算出する（Ｓ２０１）。角速度ω_Ｂはω_ｎｄに相当する。この処理は、動揺周期Ｔの推定算出処理と同じであり、統一化することができる。すなわち、複数時刻の姿勢角Φ_Ｂを、上述の動揺周期Ｔの推定算出に利用するとともに、アンテナ位置での角速度ω_Ｂにも利用することができる。

推定した船体座標系の各方位に対する動揺周期Ｔと時間間隔Δｔとを用いて、船体座標系の各方位に対する動揺補正値ＳＦ（ＳＦ_ｎ）を算出する（Ｓ２０２）。

アンテナ位置での角速度ω_Ｂを動揺補正値ＳＦ（ＳＦ_ｎ）で補正することにより、船体座標系による補正角速度ω_Ｃ（ｄφ_Ｃ，ｄθ_Ｃ，ｄψ_Ｃ）を算出する（Ｓ２０３）。

このように、本実施形態の処理を用いることで、船体の角速度に与える動揺の影響を抑圧して、船体の角速度を高精度に算出することができる。特に、上述のように、動揺周期Ｔが推定されていることにより、動揺による誤差の抑圧効果が高い。

次に、推定算出した動揺周期Ｔを用いて補正した補正角速度ω_Ｃを用いて、船体の速度（船速）Ｖ_Ｎを算出する方法（移動体速度算出方法）について説明する。図４は、船体速度の算出フローを示すフローチャートである。

上述の方法でアンテナ位置での姿勢角Φ_Ｂを算出するとともに、アンテナで受信したＧＮＳＳ信号を用いて既知の方法からアンテナ位置での速度Ｖ_ＡＮを算出する（Ｓ３０１）。この際、姿勢角Φ_Ｂは船体座標系であり、速度Ｖ_ＡＮは地球座標系で算出される。アンテナ位置での姿勢角Φ_Ｂと推定した動揺周期Ｔとを用いて、上述の方法で補正角速度ω_Ｃを算出する（Ｓ３０２）。

速度を算出したい位置、具体的には船体重心とアンテナ位置との位置関係に基づいて、所謂レバーアームと呼ばれる位置差補正値Ａ_Ｂを設定する。補正角速度ω_Ｃと位置差補正値Ａ_Ｂとから、速度補正値Ａ_Ｎを算出する（Ｓ３０３）。

具体的には、次の演算式を用いて速度補正値Ａ_Ｎを算出する。

Ａ_Ｎ＝［Ｒ（ω_Ｃ×Ａ_Ｂ）］ −（式１２）
なお、（式１２）において、「Ｒ」は船体座標系を地球座標系に変換する座標変換行列であり、「×」はベクトルの内積演算を示す。

このように算出される速度補正値Ａ_Ｎは、アンテナ位置での速度Ｖ_ＡＮと船速Ｖ_Ｎとの位置差による速度の差を補正する値となる。

ＧＮＳＳ信号によるアンテナ位置での速度Ｖ_ＡＮを、速度補正値Ａ_Ｎで補正することにより、地球座標系による船速Ｖ_Ｎを算出する（Ｓ３０４）。

このような処理を行うことで、上述のように推定した動揺周期Ｔにより動揺の影響が抑圧された角速度ω_Ｃを用いて、速度補正値Ａ_Ｎが設定される。したがって、当該速度補正値Ａ_Ｎは動揺の影響が抑圧されている。これにより、当該速度補正値Ａ_Ｎでアンテナ位置での速度Ｖ_ＡＮを補正して、船速Ｖ_Ｎを算出することにより、動揺の影響を抑圧して、船速Ｖ_Ｎを高精度に算出することができる。

図５は、上述の推定した動揺周期Ｔによる動揺補正値ＳＦ_ｎを用いて角速度ω_ｎを補正した場合の最終的に出力される船体速度（船速）Ｖ_Ｎの誤差と、補正しない従来構成の場合の最終的に出力される船速Ｖ_Ｎの誤差の時間変化をシミュレーションしたグラフである。

図５において、横軸は時刻、縦軸は出力される船速Ｖ_Ｎの速度誤差である。図５において、点線は従来の場合である。太実線は本実施形態に示した推定方法で算出した動揺周期によって決定される動揺補正値ＳＦ_ｎを用いた場合である。なお、図５は動揺周期Ｔ＝１０ｓｅｃ．の場合を示し、細実線は周期Ｔ＝１２ｓｅｃ．で設定した動揺補正値ＳＦ_ｎを用いた場合である。破線は周期Ｔ＝９ｓｅｃ．で設定した動揺補正値ＳＦ_ｎを用いた場合である。

図５に示すように、本実施形態に示すような動揺補正を行わない従来の構成では、動揺周期に準じて出力角速度に誤差が生じる。一方、本実施形態のようの動揺周期の推定を行って、動揺補正する構成を用いることで、出力角速度の誤差が抑圧される。

なお、本実施形態の動揺周期の推定処理を行えば、図５の太実線に示すように、最終的に出力される船速Ｖ_Ｎの誤差は、殆ど全て抑圧される。しかしながら、推定算出された動揺周期が実際の動揺周期と一致しなくても、或程度近い値であれば、図５に示すように、船速Ｖ_Ｎの誤差を抑圧することができる。すなわち、或程度の許容範囲内で動揺周期を推定できれば、動揺による誤差を抑圧することができる。

次に、上述の動揺周期Ｔを推定算出する動揺周期推定部１０の構成について、図を参照して説明する。図６は、動揺周期推定部１０の機能ブロック図である。動揺周期推定部１０は、姿勢角算出部１１、動揺周期算出部１２を備える。動揺周期推定部１０が本発明の「動揺周期算出装置」に相当する。

姿勢角算出部１１は、アンテナ１０１に接続されている。アンテナ１０１は、各ＧＮＳＳ衛星Ｓａｔ１，Ｓａｔ２，Ｓａｔ３，Ｓａｔ４で放送され、アンテナ１０１で受信したＧＮＳＳ信号を用いて、船体座標系による姿勢角Φ_Ｂを算出する。なお、捕捉、追尾するＧＮＳＳ衛星数は、これに限るものではない。この姿勢角算出部１１で算出される姿勢角Φ_Ｂはアンテナ位置での姿勢角である。姿勢角算出部１１は、姿勢角Φ_Ｂを動揺周期算出部１２へ出力する。

動揺周期算出部１２は、少なくとも４回分の姿勢角Φ_Ｂと観測時間間隔Δｔとを用いて、上述の（式５）、（式７）の演算処理を実行することで、船体座標系の各方位に対する動揺周期Ｔを推定算出する。

このような構成とすることで、船体座標系の各方位に対する動揺周期を算出することができる。この際、本実施形態の構成を用いれば、アンテナで受信したＧＮＳＳ信号のみで動揺補正を行うことができる。したがって、簡素な構成および比較的に簡素化された処理で、動揺周期を推定算出することができる。

なお、ここでは、各機能部に分けた場合を例に説明しているが、これらを一つのＩＣに集約してもよい。また、各機能部の機能を動揺周期推定算出プログラムとして、プログラム化して記憶しておき、当該動揺周期推定算出プログラムをコンピュータで実行することによって、動揺周期を推定算出することもできる。

次に、上述の船体の角速度を算出する角速度算出部３０の構成について、図を参照して説明する。図７は、角速度算出部３０の機能ブロック図である。角速度算出部３０は、動揺周期推定部１０、ＧＮＳＳ角速度算出部３１、動揺補正値算出部３２、および角速度補正部３３を備える。角速度算出部３０が本発明の「移動体角速度算出装置」に相当する。

ＧＮＳＳ角速度算出部３１には、動揺周期推定部１０の姿勢角算出部１１から出力された姿勢角Φ_Ｂ（船体座標系）が、所定の時間間隔Δｔで順次入力される。ＧＮＳＳ角速度算出部３１は、順次入力される姿勢角Φ_Ｂと時間間隔Δｔとを、（式９）に代入する演算を行うことで、アンテナ位置（受信位置）での角速度ω_Ｂ（船体座標系）を算出する。ＧＮＳＳ角速度算出部３１は、アンテナ位置での角速度ω_Ｂを角速度補正部３３へ出力する。

動揺補正値算出部３２には、動揺周期推定部１０の動揺周期算出部１２から出力された周期Ｔが入力される。動揺補正値算出部３２は、周期Ｔと時間間隔Δｔとを、（式１１）に代入する演算を行うことで、動揺補正値ＳＦ（船体座標系）を算出する。動揺補正値算出部３２は、動揺補正値ＳＦを角速度補正部３３へ出力する。

角速度補正部３３は、アンテナ位置での角速度ω_Ｂを動揺補正値ＳＦで補正することにより、補正角速度ω_Ｃ（船体座標系）を算出する。なお、補正の方法としては、例えば、アンテナ位置での角速度ω_Ｂに動揺補正値ＳＦを乗算し、アンテナ位置での角速度ω_Ｂの絶対値が小さくなるようにこの乗算値を加算もしくは減算すればよい。

このような構成とすることで、推定した動揺周期により動揺補正された角速度を算出することができる。この際、本実施形態の構成を用いれば、アンテナで受信したＧＮＳＳ信号と、適宜設定した周期のみで動揺補正を行うことができる。したがって、簡素な構成および比較的に簡素化された処理で、動揺補正を行うことができ、角速度を高精度に算出することができる。

なお、ここでは、各機能部に分けた場合を例に説明しているが、これらを一つのＩＣに集約してもよい。また、各機能部の機能を角速度算出プログラムとして、プログラム化して記憶しておき、当該角速度算出プログラムをコンピュータで実行することによって、動揺補正された角速度を算出することもできる。

次に、上述の船速を算出する船速算出部５０の構成について、図を参照して説明する。図８は、船速算出部５０の機能ブロック図である。

船速算出部５０は、測位演算部４０、動揺周期推定部１０、角速度算出部３０、および速度補正部５１を備える。船速算出部１０が本発明の「移動体速度算出装置」に相当する。

測位演算部４０は、姿勢角算出部１１およびアンテナ速度算出部４１を備える。姿勢角算出部１１は、動揺周期推定部１０と共用されている。姿勢角算出部１１とアンテナ速度算出部４１は、図示していないがアンテナ１０１に接続されている。姿勢角算出部１１は、アンテナ１０１で受信したＧＮＳＳ信号を用いて、姿勢角Φ_Ｂを算出する。アンテナ速度算出部４１は、アンテナ１０１で受信したＧＮＳＳ信号を用いて、速度Ｖ_ＡＮを算出する。なお、捕捉、追尾するＧＮＳＳ衛星数は、これに限るものではない。この測位演算部４０で算出される姿勢角Φ_Ｂはアンテナ位置での姿勢角であり船体座標系で算出されている。測位演算部４０で算出される速度Ｖ_ＡＮはアンテナ位置での速度であり、地球座標系で算出されている。測位演算部４０の姿勢角算出部１１は、アンテナ位置での姿勢角Φ_Ｂを動揺周期算出部１２へ出力するとともに、角速度算出部３０のＧＮＳＳ角速度算出部３１へ出力する。測位演算部４０のアンテナ速度算出部４１は、アンテナ位置での速度Ｖ_ＡＮを速度補正部５１へ出力する。

角速度算出部３０は、上述の図７に示すような構成と同じであり、ＧＮＳＳ角速度算出部３１、動揺補正値算出部３２、角速度補正部３３を備える。角速度算出部３０は、アンテナ位置での姿勢角Φ_Ｂと推定された動揺周期Ｔとから、上述のように補正角速度ω_Ｃを算出する。

速度補正部５１は、上述のように、補正角速度ω_Ｃから得られる速度補正値Ａ_Ｎ（地球座標系）を用いてアンテナ位置での速度Ｖ_ＡＮ（地球座標系）を補正し、船体重心での船体速度である船速Ｖ_Ｎ（地球座標系）を算出する。

このような構成とすることで、算出される船速に含まれる動揺による誤差成分が効果的に抑圧される。これにより、動揺補正された船速を算出することができる。この際、本実施形態の構成を用いれば、アンテナで受信したＧＮＳＳ信号と、適宜設定した周期のみで動揺補正を行うことができる。したがって、簡素な構成および比較的に簡素化された処理で、動揺補正を行うことができ、船速を高精度に算出することができる。

なお、ここでは、各機能部に分けた場合を例に説明しているが、これらを一つのＩＣに集約してもよい。また、各機能部の機能を速度算出プログラムとして、プログラム化して記憶しておき、当該速度算出プログラムをコンピュータで実行することによって、動揺補正された船速を算出することもできる。

このように算出された船速は、例えば次に示す船舶の航行支援に利用することができる。図９は、本発明の実施形態に係る船速算出部５０を備える船舶１００のブロック図である。

船舶１００は、アンテナ１０１と、船速算出部５０と、航行支援情報生成部６０と、を備える。

アンテナ１０１は、例えば、船舶１００の船体に立てられたマストの先端等、船体重心から離間し、且つ、ＧＮＳＳ信号の受信が妨害されにくい位置に設置されている。アンテナ１０１は、船速算出部５０に接続されており、受信したＧＮＳＳ信号を船速算出部５０へ出力する。

船速算出部５０は、上述の図８に示す構成からなり、ＧＮＳＳ信号に基づいて、動揺周期Ｔを推定し、推定した動揺周期Ｔを用いて船速Ｖ_Ｎを算出する。船速算出部５０は、船速Ｖ_Ｎを航行支援情報生成部６０へ出力する。

航行支援情報生成部６０は、船速Ｖ_Ｎを用いて、各種の航行支援情報を生成する。例えば、航行支援情報生成部６０は、オペレータが監視する表示画面に船速Ｖ_Ｎを表示する。

このような構成を適用することで、動揺補正された船速から航行支援情報を生成することができ、より適切な航行支援情報をオペレータへ提供することができる。

なお、この際、航行支援情報生成部６０に、船速算出部５０の測位演算部から位置や姿勢角が入力されれば、これらの入力情報を用いて、さらに詳細な船舶１００の航行状態を示す情報を表示画面に表示させることができる。

なお、上述の説明では、アンテナの具体的な構成を説明していないが、例えば、所定の基線長をもって離間された二本のアンテナであればよい。すなわち、ＧＮＳＳ信号を捕捉、追尾して、その追尾結果（例えば、擬似距離やドップラ周波数等）から、姿勢角や速度を算出可能な本数のアンテナがあればよい。さらには、一本のアンテナと慣性センサとの組合せであっても、上述のアンテナの範疇として利用することができる。

また、上述の実施形態に示す方法や構成は、船舶に限るものではなく、水上を移動する移動体等のように、外乱要素によって動揺する移動体であれば、適用することができる。

また、上述の実施形態では、動揺を関数で推定して三次関数近似した観測方程式を用いる例を示したが、動揺を関数で推定してテーラー展開して得られる別の観測方程式を用いてもよい。

また、上述の実施形態では、動揺補正値を算出するための周期関数として三角関数を例に示したが、周期性を有する他の関数、例えば、時間軸に沿って最大値と最小値とを交互に取るように線形で値が変化するノコギリ波のようなものを適用することができる。ただし、三角関数を用いることで、船舶の動揺の元となる外乱要素の主要因である波と同様の値の変化を設定できるため、より高精度な動揺補正が可能になる。

また、上述の実施形態では、三次関数近似して設定した観測方程式を用いる例を示したが、三次以上の項を用いるようにしてもよい。ただし、三次関数近似にしておけば、非線形要素を含む動揺周期を、実用上十分満足できる程度の精度で推定することができる。また、更なる高次の項を用いる場合よりも、演算負荷を軽減することができる。

１０：動揺周期推定部、
１１：姿勢角算出部、
１２：動揺周期算出部、
３０：角速度算出部、
３１：ＧＮＳＳ角速度算出部、
３２：動揺補正値算出部、
３３：角速度補正部、
４０：測位演算部、
４１：アンテナ速度算出部、
５０：船速算出部、
５１：速度補正部、
６０：航行支援情報生成部、
１００：船舶、
１０１：アンテナ、
９００：船体、
９０１：船体重心

Claims (19)

1. アンテナで受信したＧＮＳＳ信号に基づいて、該アンテナ位置での姿勢角を所定の時間間隔で算出する姿勢角算出部と、
   動揺を周期関数で推定して得られる観測方程式に、前記アンテナ位置での姿勢角と該姿勢角の算出時間間隔とを代入することで、動揺周期を推定算出する動揺周期算出部と、
   を備える動揺周期推定装置。
2. 請求項１に記載の動揺周期推定装置であって、
   前記動揺周期推定算出部は、
   前記動揺を前記周期関数で推定して三次関数近似する、動揺周期推定装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の動揺周期推定装置であって、
   前記動揺周期推定算出部は、
   前記周期関数として三角関数を用いる、動揺周期推定装置。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の動揺周期推定装置の各部と、
   前記アンテナ位置での姿勢角から、当該アンテナ位置での角速度を算出するＧＮＳＳ角速度算出部と、
   前記動揺周期から動揺補正値を算出する動揺補正値算出部と、
   前記ＧＮＳＳ角速度と前記動揺補正値とから補正角速度を算出する角速度補正部と、
   を備える移動体角速度算出装置。
5. 請求項４に記載の移動体角速度算出装置の各部と、
   前記アンテナ位置での速度を算出するＧＮＳＳ速度算出部と、
   前記移動体角速度算出装置の前記角速度補正部から出力される補正角速度で、前記アンテナ位置での速度を補正して、移動体速度を算出する速度補正部と、
   を備えた移動体速度算出装置。
6. 請求項５に記載の移動体速度算出装置であって、
   前記速度補正部は、前記補正角速度と、前記アンテナ位置と移動体の重心との位置関係に基づく値とから速度補正値を算出し、当該速度補正値によって前記アンテナ位置での速度を補正することで前記移動体速度を算出する、移動体速度算出装置。
7. 請求項５または請求項６に記載の移動体速度算出装置と、
   前記移動体速度から航行支援情報を生成する航行支援情報生成部と、を備えた移動体。
8. アンテナで受信したＧＮＳＳ信号に基づいて、該アンテナ位置での姿勢角を所定の時間間隔で算出する姿勢角算出工程と、
   動揺を周期関数で推定して得られる観測方程式に、前記アンテナ位置での姿勢角と該姿勢角の算出時間間隔とを代入することで、動揺周期を推定算出する動揺周期算出工程と、
   を有する動揺周期推定方法。
9. 請求項８に記載の動揺周期推定方法であって、
   前記動揺周期推定算出工程は、
   前記動揺を前記周期関数で推定して三次関数近似する、動揺周期推定方法。
10. 請求項８または請求項９に記載の動揺周期推定方法であって、
    前記動揺周期推定算出工程は、
    前記周期関数として三角関数を用いる、動揺周期推定方法。
11. 請求項８乃至請求項１０のいずれかに記載の動揺周期推定方法の各工程と、
    前記アンテナ位置での姿勢角から、当該アンテナ位置での角速度を算出するＧＮＳＳ角速度算出工程と、
    前記動揺周期から動揺補正値を算出する動揺補正値算出工程と、
    前記ＧＮＳＳ角速度と前記動揺補正値とから補正角速度を算出する角速度補正工程と、
    を有する移動体角速度算出方法。
12. 請求項１１に記載の移動体角速度算出方法の各工程と、
    前記アンテナ位置での速度を算出するＧＮＳＳ速度算出工程と、
    前記角速度補正工程で出力される補正角速度によって、前記アンテナ位置での速度を補正して、移動体速度を算出する速度補正工程と、
    を有する移動体速度算出方法。
13. 請求項１２に記載の移動体速度算出方法であって、
    前記速度補正工程は、前記補正角速度と、前記アンテナ位置と移動体の重心との位置関係に基づく値とから速度補正値を算出し、当該速度補正値によって前記アンテナ位置での速度を補正することで前記移動体速度を算出する、移動体速度算出方法。
14. 移動体の動揺周期を推定する処理をコンピュータに実行させる動揺周期推定プログラムであって、
    前記コンピュータは、
    アンテナで受信したＧＮＳＳ信号に基づいて、該アンテナ位置での姿勢角を所定の時間間隔で算出する姿勢角算出処理と、
    動揺を周期関数で推定して得られる観測方程式に、前記アンテナ位置での姿勢角と該姿勢角の算出時間間隔とを代入することで、動揺周期を推定算出する動揺周期算出処理と、
    を実行する動揺周期推定プログラム。
15. 請求項１４に記載の動揺周期推定プログラムであって、
    前記コンピュータは、
    前記動揺周期推定算出処理として、
    前記動揺を前記周期関数で推定して三次関数近似する、動揺周期推定プログラム。
16. 請求項１４または請求項１５に記載の動揺周期推定プログラムであって、
    前記コンピュータは、
    前記動揺周期推定算出処理として、
    前記周期関数として三角関数を用いる、動揺周期推定プログラム。
17. 移動体の角速度を算出する処理をコンピュータに実行させる移動体角速度算出プログラムであって、
    前記コンピュータは、
    請求項１４乃至請求項１６のいずれかに記載の動揺周期推定プログラムの各処理と、
    前記アンテナ位置での姿勢角から、当該アンテナ位置での角速度を算出するＧＮＳＳ角速度算出処理と、
    前記動揺周期から動揺補正値を算出する動揺補正値算出処理と、
    前記ＧＮＳＳ角速度と前記動揺補正値とから補正角速度を算出する角速度補正処理と、
    を実行する移動体角速度算出プログラム。
18. 移動体の速度を算出する処理をコンピュータに実行させる移動体速度算出プログラムであって、
    前記コンピュータは、
    請求項１７に記載の移動体角速度算出プログラムの各処理と、
    前記アンテナ位置での速度を算出するＧＮＳＳ速度算出処理と、
    前記角速度補正処理で出力される補正角速度によって、前記アンテナ位置での速度を補正して、移動体速度を算出する速度補正処理と、
    を実行する移動体速度算出プログラム。
19. 請求項１８に記載の移動体速度算出プログラムであって、
    前記コンピュータは、
    前記速度補正処理として、前記補正角速度と、前記アンテナ位置と移動体の重心との位置関係に基づく値とから速度補正値を算出し、当該速度補正値によって前記アンテナ位置での速度を補正することで前記移動体速度を算出する、移動体速度算出プログラム。

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