JP2014145614A - 回頭角速度検出装置、移動体、回頭角速度検出方法、および、回頭角速度検出プログラム - Google Patents
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Abstract
【課題】メンテナンスフリーであって高精度且つ高速に回頭角速度を算出する。
【解決手段】演算部30の二重位相差算出部301は、搬送波位相測定部11,12で算出されたGPS衛星Sat1,Sat2,Sat3,Sat4に対する搬送波位相ADR1m,ADR2mから二重位相差∇ΔADRを算出する。基線ベクトル変化量算出部302は、異なる時刻に取得した二重位相差∇ΔADRが、これらの時刻では変化しない方向余弦行列の二重差と基線ベクトルXの変位ベクトルΔXとの内積に等しいとする方程式を設定する。基線ベクトル変化量算出部302は、この方程式を解き、変位ベクトルΔXを算出する。回頭角速度算出部303は、変位ベクトルΔXを用いて回頭角θを算出し、回頭角速度Δθを算出する。
【選択図】 図2
【解決手段】演算部30の二重位相差算出部301は、搬送波位相測定部11,12で算出されたGPS衛星Sat1,Sat2,Sat3,Sat4に対する搬送波位相ADR1m,ADR2mから二重位相差∇ΔADRを算出する。基線ベクトル変化量算出部302は、異なる時刻に取得した二重位相差∇ΔADRが、これらの時刻では変化しない方向余弦行列の二重差と基線ベクトルXの変位ベクトルΔXとの内積に等しいとする方程式を設定する。基線ベクトル変化量算出部302は、この方程式を解き、変位ベクトルΔXを算出する。回頭角速度算出部303は、変位ベクトルΔXを用いて回頭角θを算出し、回頭角速度Δθを算出する。
【選択図】 図2
Description
本発明は、移動体の回頭角の速度を検出する回頭角速度検出装置に関する。
従来、船舶等の移動体の航行支援情報を得るために、当該移動体の回頭角速度を検出する装置が各種考案されている。回頭角速度検出には、角速度センサ(ジャイロ)を用いることがある。しかしながら、高精度な角速度センサは高価である。また、高精度な角速度センサは、機械式や光学式のジャイロを用いており、定期的なメンテナンスを行わなければ、高精度な検出結果を得ることができない。
このため、GPS等の測位システムにおける測位結果に基づいて、回頭角速度を算出する装置がある。例えば、特許文献1には、移動体速度検出装置の一部として、回頭角速度検出部を備えている。この回頭角速度検出部は、測位演算により得られる位置から船首方位の変化を検出し、当該船首方位の変化を時間微分することで回頭角速度を算出している。
上述の測位結果から回頭角速度を算出する方法において、高精度に回頭角速度を検出するためには、高精度な測位結果を必要とする。このため、例えば、搬送波位相から測位を行うことで高精度な測位結果を得る。そして、搬送波位相から測位演算を行う場合、同時に整数値バイアスを決定しなければならない。
しかしながら、高精度な測位結果を得るためには、複数のアンテナ間の距離である基線長を、或程度以上、長くしなければならず、このように基線長を長くすると、整数値バイアスの決定に時間がかかってしまう。これにより、回頭角速度を高速に算出することが難しくなってしまう。
この発明の目的は、メンテナンスフリーであって、高精度且つ高速に回頭角速度を算出できる回頭角速度検出装置を提供することにある。
この発明の回頭角速度検出装置は、位相差算出部、基線ベクトル変化量算出部、および回頭角速度算出部を備える。位相差算出部は、複数のアンテナで受信した測位衛星から放送される測位信号に基づいて位相差を算出する。基線ベクトル変化量算出部は、位相差の時間変化から基線ベクトルの時間変化量を算出する。回頭角速度算出部は、基線ベクトルの時間変化量から回頭角速度を算出する。
この構成では、位相差を用いれば、回頭角速度を算出することができる。すなわち、測位する必要もなく、整数値バイアスの決定も必要なく、回頭角速度を検出することができる。この際、整数値バイアスを決定する必要が無いので、アンテナ間隔を広げても、回頭角速度の算出を高速に行うことができる。また、アンテナ間隔が広がることで、回頭角速度を高精度に算出することができる。
また、この発明の回頭角速度検出装置の基線ベクトル変化量算出部は、複数のアンテナ毎の方向余弦行列の差と基線ベクトルの時間変化量との内積が位相差の時間変化量に等しいとする方程式を設定し、該方程式から基線ベクトルの時間変化量を算出する。
この構成では、速度検出用の時間間隔では方向余弦行列を同じとみなすことができることを利用して、具体的に基線ベクトルの時間変化量を算出する方程式を設定している。この構成により、基線ベクトルの時間変化量を単純化された方程式で算出して回頭角速度を算出できる。
また、この発明の回頭角速度検出装置では、位相差は二重位相差であり、方向余弦行列の差は方向余弦行列の二重差である。
この構成では、具体的な回頭角速度の算出演算として二重位相差を用いる場合を示している。
また、この発明の回頭角速度検出装置では、アンテナは2個であり、該2個のアンテナで受信する測位信号数は4個である。
この構成では、回頭角速度を算出するための最低限の条件を示している。この条件、すなわち、基線ベクトルが形成できる最低限のアンテナ数と、一般的な測位を行うのに必要最小限の測位信号数さえあれば、回頭角速度を算出できる。これにより、航行支援情報を必要とする移動体にとって必要最小限な構成で、回頭角速度を高精度に算出することができる。
また、この発明の移動体は、上述の回頭角速度検出装置と、該回頭角速度検出装置から出力される回頭角速度を用いて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、上述のように回頭角速度を高精度に算出できることにより、適切な航行支援情報を提供することができる。
また、この発明の移動体では、アンテナは、移動体の先端近傍と後端近傍にそれぞれ配置されている。
この構成では、アンテナの間隔が広くなるので、回頭角速度を高精度に算出できる。この際、アンテナの間隔が広くても、整数値バイアスを決定する必要が無いので、高速に回頭角速度を算出できる。
この発明によれば、メンテナンスフリーであって、単純な演算処理で高精度に回頭角速度を算出できる。
本発明の第1の実施形態に係る回頭角速度検出装置の構成について、図を参照して説明する。なお、本実施形態では、GPS(Grobal Positioning System)を利用する場合を示すが、他のGNSS(Grobal Navigation Satellite Systems)を利用する場合にも本実施形態の構成を適用することができる。また、本実施形態では、4個のGPS衛星Sat1,Sat2,Sat3,Sat4の測位信号を受信して追尾している場合を示している。4個以上のGPS衛星の測位信号を受信して、追尾できていればよい。
図1は本発明の実施形態に係る回頭角速度検出装置のブロック図である。
回頭角速度検出装置は、搬送波位相測定部21,22、演算部30を備える。搬送波位相測定部21は、アンテナ101に接続されている。搬送波位相測定部22は、アンテナ102に接続されている。
搬送波位相測定部21は、GPS衛星Sat1,Sat2,Sat3,Sat4から放送される各測位信号を受信し、捕捉、追尾する。搬送波位相測定部21は、Satm(m=1,2,3,4)の測位信号毎に搬送波位相ADR1m(m=1,2,3,4)を算出する。具体的には、搬送波位相測定部21は、GPS衛星Sat1からの測位信号を追尾しながら、搬送波位相ADR11を算出する。搬送波位相測定部21は、GPS衛星Sat2からの測位信号を追尾しながら、搬送波位相ADR12を算出する。搬送波位相測定部21は、GPS衛星Sat3からの測位信号を追尾しながら、搬送波位相ADR13を算出する。搬送波位相測定部21は、GPS衛星Sat4からの測位信号を追尾しながら、搬送波位相ADR14を算出する。
搬送波位相測定部22は、GPS衛星Sat1,Sat2,Sat3,Sat4から放送される各測位信号を受信し、捕捉、追尾する。搬送波位相測定部22は、Satm(m=1,2,3,4)の測位信号毎に搬送波位相ADR2m(m=1,2,3,4)を算出する。具体的には、搬送波位相測定部22は、GPS衛星Sat1からの測位信号を追尾しながら、搬送波位相ADR21を算出する。搬送波位相測定部22は、GPS衛星Sat2からの測位信号を追尾しながら、搬送波位相ADR22を算出する。搬送波位相測定部22は、GPS衛星Sat3からの測位信号を追尾しながら、搬送波位相ADR23を算出する。搬送波位相測定部22は、GPS衛星Sat4からの測位信号を追尾しながら、搬送波位相ADR24を算出する。
搬送波位相ADR1m,ADR2mは、所定の時間間隔で順次算出される。搬送波位相ADR1m,ADR2mは、演算部30に入力される。
図2は、本発明の実施形態に係る回頭角速度検出装置の演算部のブロック図である。
演算部30は、二重位相差算出部301、基線ベクトル変化量算出部302、および、回頭角速度算出部303を備える。
二重位相差算出部301は、搬送波位相ADR1m,ADR2mから二重位相差∇ΔADRを算出する。二重位相差∇ΔADRの算出方法は、相対測位の基本的な概念から既知であり省略する。二重位相差∇ΔADRは、所定の時間間隔で順次算出される。二重位相差∇ΔADRを算出する時間間隔は、搬送波位相ADR1m,ADR2mを算出する時間間隔と同じであってもよく、搬送波位相ADR1m,ADR2mを算出する時間間隔よりも長くてもよい。以下、或時刻(t)での二重位相差∇ΔADRを、∇ΔADRtとする。
基線ベクトル変化量算出部302は、各時刻での二重位相差∇ΔADRを順次記憶する。基線ベクトル変化量算出部302は、異なる時刻に取得した二重位相差∇ΔADRと、次に示す方程式とから、基線ベクトルXの変化量ΔXを算出する。基線ベクトルXとは、2個のアンテナ101,102間を結ぶベクトルであり、ここでは、アンテナ101を基点とするベクトルを示す。
図3は、本発明の実施形態に係る回頭角速度の算出原理を説明するための図である。なお、図では、回頭角速度を算出する時刻(t)での状態を実線で、該時刻(t)よりも所定時間前の時刻(t−1)での状態を破線で示している。
アンテナ101,102は、次の条件を満たすように移動体900に設置されている。
(A)回頭角速度検出装置10が実装される移動体900の先端と後端とを結ぶ直線と、基線ベクトルxが平行である。
(B)移動体900の後端側が基点となるように、アンテナ101を移動体900の後端側とする。
(A)回頭角速度検出装置10が実装される移動体900の先端と後端とを結ぶ直線と、基線ベクトルxが平行である。
(B)移動体900の後端側が基点となるように、アンテナ101を移動体900の後端側とする。
時刻(t−1)から時刻(t)にかけて、移動体900が回頭すると、図3に示すように、移動体900(t−1)の状態から移動体900(t)の状態に変位する。この際、移動体900の後端近傍に配置されたアンテナ101は移動していないものを見なせ、図3に示すように、時刻(t)でのアンテナ101(t)の位置は、時刻(t−1)でのアンテナ101(t−1)の位置と同じである。
移動体900の先端付近に配置されたアンテナ102は、移動体900の回頭により移動し、図3に示すように、時刻(t)でのアンテナ102(t)の位置は、時刻(t−1)でのアンテナ102(t−1)から変位している。
このため、時刻(t−1)での基線ベクトルXt−1の始点と時刻(t)での基線ベクトルXtの始点は一致するが、時刻(t−1)での基線ベクトルXt−1の終点と時刻(t)での基線ベクトルXtの終点は一致しない。これにより、時刻(t−1)での基線ベクトルXt−1と時刻(t)での基線ベクトルXtとは、回頭に応じて生じた回頭角θtの角度を成す。そして、時刻(t−1)での基線ベクトルXt−1の終点が基線ベクトルの変位ベクトルΔXtの始点となり、時刻(t)での基線ベクトルXtの終点が基線ベクトルの変位ベクトルΔXtの終点となる。
ここで、時刻(t)における、アンテナ101,102から各GPS衛星Sat1,Sat2,Sat3,Sat4に向かう方向余弦行列Hの二重差を∇ΔHtとすると、時刻(t)において、次の方程式が成り立つ。ここで、方向余弦行列Hとは、アンテナの位置を基準としてGPS衛星の方角を決定する角度を示す行列である。そして、方向余弦行列Hの二重差∇ΔHとは、二つのアンテナ101,102と、二つのGPS衛星から設定される四つの方向余弦行列の差を示す行列である。
∇ΔHt・Xt=∇ΔADRt −(1)
同様に、時刻(t−1)における、アンテナ101,102から各GPS衛星Sat1,Sat2,Sat3,Sat4に向かう方向余弦行列Hの二重差を∇ΔHt−1とすると、時刻(t−1)において、次の方程式が成り立つ。
同様に、時刻(t−1)における、アンテナ101,102から各GPS衛星Sat1,Sat2,Sat3,Sat4に向かう方向余弦行列Hの二重差を∇ΔHt−1とすると、時刻(t−1)において、次の方程式が成り立つ。
∇ΔHt−1・Xt−1=∇ΔADRt−1 −(2)
なお、これら(1)式、(2)式において、「・」はベクトルの内積を意味する。
なお、これら(1)式、(2)式において、「・」はベクトルの内積を意味する。
ここで、回頭角速度を算出するための時間間隔、すなわち、時刻(t−1)と時刻(t)との間隔を、極短く設定する。具体的には、要求される回頭角速度の算出精度に対して、方向余弦行列の回頭による変化が影響しない程度の時間間隔よりも短く設定する。なお、通常要求される回頭角速度の算出間隔によってアンテナ102が移動する距離(変位ベクトルΔXtの絶対値)は、各アンテナ101,102と各GPS衛星との距離に比べて十分に小さいので、時刻(t−1)と時刻(t)とで方向余弦行列は変化しないと仮定することができる。
このような設定を行うことで、(2)式の時刻(t−1)の方向余弦行列の二重差∇ΔHt−1と、(2)式の時刻(t)の方向余弦行列の二重差∇ΔHtとは、同じとして扱うことができる。
したがって、(1)式と(2)式の差分を算出することができ、次の(3)式となる。
∇ΔHt・ΔXt=∇ΔADRt−∇ΔADRt−1 −(3)
すなわち、時刻(t)における方向余弦行列の二重差∇ΔHtと、変位ベクトルΔXtとの内積が、時刻(t)における搬送波位相の二重差(二重位相差)∇ΔADRtから時刻(t−1)における搬送波位相の二重差(二重位相差)∇ΔADRt−1を減算したものに等しいとする方程式を設定することができる。
すなわち、時刻(t)における方向余弦行列の二重差∇ΔHtと、変位ベクトルΔXtとの内積が、時刻(t)における搬送波位相の二重差(二重位相差)∇ΔADRtから時刻(t−1)における搬送波位相の二重差(二重位相差)∇ΔADRt−1を減算したものに等しいとする方程式を設定することができる。
この(3)式に示す方程式を解くことで、基線ベクトルの変位ベクトルΔXtを算出することができる。
回頭角速度算出部303は、基線ベクトル変化量算出部302で算出された変位ベクトルΔXtと次式を用いて、時刻(t−1)から時刻(t)にかけて移動体900が回頭したことによる回頭角θtを算出する。
θt=ABS(ΔXt)×(360)/(2πr) −(4)
(4)式において、ABS()は、ベクトルの長さ(絶対値)であり、rは、基線長(基線ベクトルXの長さ)である。
(4)式において、ABS()は、ベクトルの長さ(絶対値)であり、rは、基線長(基線ベクトルXの長さ)である。
なお、回頭角θtは、(4)式に限らず、他の方法を用いて算出することもできる。例えば、変位ベクトルΔXtから、時刻(t−1)での基線ベクトルXt−1の方向に直交する成分ベクトルを算出し、この成分ベクトルと基線ベクトルXt−1との成す角を、回頭角θとして算出してもよい。
そして、回頭角速度算出部303は、このように算出された回頭角θt、時刻(t−1)と時刻(t)との時間差Δtとから、単位時間当たりの回頭角の変化量である回頭角速度Δθtを算出する。
以上のように、本実施形態を用いれば、二重位相差と方向余弦行列の二重差とから、回頭角速度を算出することができる。これにより、単純な方程式で回頭角速度を算出して、回頭角速度を算出することができる。さらに、移動体の先端と後端にアンテナを配置することで、基線ベクトルの変位を高精度に算出でき、回頭角速度を高精度に算出することができる。この際、整数バイアスを決定する必要が無いので、この整数バイアスの決定に要する演算時間を必要とせず、装置の起動から最初に回頭角速度を算出するまでの時間や、信号の受信が中断された状態から復帰した後の最初に回頭角速度を算出するまでの時間を、短縮することができる。
また、本実施形態の構成を用いることで、機械式や光学式のジャイロを用いる必要が無いため、メンテナンスフリーの回頭角速度検出装置を実現することができる。また、回頭角速度検出装置を安価に実現することができる。
なお、上述の説明では、各処理をそれぞれ個別の機能部で実現する例を示したが、上述の処理をプログラム化して記憶しておき、コンピュータ等の演算器で読み出して実行する用にしてもよい。図4は本発明の実施形態に係る回頭角速度の算出方法を示すフローチャートである。
演算器は、各GPS衛星Sat1,Sat2,Sat3,Sat4から放送されアンテナ101,102で受信された測位信号に対する搬送波位相ADRを算出する(S101)。この際、演算器は、同じ時刻において異なる4個以上の搬送波位相ADRを算出する。
演算器は、複数の搬送波位相ADRを適宜組み合わせて、二重位相差∇ΔADRを算出する(S102)。この際、演算器は、3個以上の二重位相差∇ΔADRを算出する。
演算器は、上述の(3)式の方程式を用いて、基線ベクトルの変位ベクトルΔXを算出する(S103)。
演算器は、上述の(4)式等を用いて、回頭角θを算出し、当該回頭角θから回頭角速度Δθを算出する(S104)。
このような処理であっても、高精度に回頭角速度を算出することができる。また、整数値バイアスの決定演算を必要としないので、演算負荷が軽減でき、例えば同じ回頭角速度の算出速度が要求される場合であれば、従来よりも少ないリソースで回頭角速度を算出することができる。
このような回頭角速度検出装置は、次に示す移動体に採用することができる。図5は本発明の実施形態に係る回頭角速度検出装置を備える移動体のブロック図である。
移動体100は、上述の構成からなる回頭角速度検出装置10と、航行支援情報生成部40とを備える。回頭角速度検出装置10の搬送波位相測定部21には、アンテナ101が接続されている。回頭角速度検出装置10の搬送波位相測定部22には、アンテナ102が接続されている。
アンテナ101は、移動体900の後端もしくは後端近傍に取り付けられている。アンテナ102は、移動体900の先端もしくは先端近傍に取り付けられている。なお、アンテナ101,102はできる限り離間している方が、回頭角速度を高精度に算出することができる。そして、上述の回頭角速度検出装置10を用いることで、アンテナ101,102間を離しても、整数値バイアスを決定する必要が無いので、高速に回頭角速度を算出することができる。したがって、移動体900としては、大型タンカー船等の船舶や、航空機等が好適である。
回頭角速度検出装置10で検出(算出)した回頭角速度Δθは、航行支援情報生成部40へ出力される。
航行支援情報生成部40は、回頭角速度Δθ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40は、移動体900の回頭角および回頭角速度をオペレータの監視する表示画面に表示する。
このように、上述の回頭角速度検出装置および回頭角速度検出処理を適用することで、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40に、他の測位装置やセンサ等から位置情報や速度情報が入力されれば、これらの情報を用いて、さらに詳細な移動体900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。
また、上述の説明では、回頭角速度を三次元の基線ベクトルで算出する例を示したが、高度を固定して二次元の基線ベクトルから算出することも可能である。この場合には、必要とする測位信号数を低減することができる。
また、上述の説明では、二重位相差を用いる場合を示したが、一重位相差を用いても、同様に、測位や整数値バイアスの算出を行うことなく、回頭角速度を算出することができる。
10:回頭角速度検出装置、
21,22:搬送波位相測定部、
30:演算部、
301:二重位相差算出部、
302:基線ベクトル変化量算出部、
303:回頭角速度算出部、
101,102:アンテナ、
900:移動体、
Sat1,Sat2,Sat3,Sat4:GPS衛星、
21,22:搬送波位相測定部、
30:演算部、
301:二重位相差算出部、
302:基線ベクトル変化量算出部、
303:回頭角速度算出部、
101,102:アンテナ、
900:移動体、
Sat1,Sat2,Sat3,Sat4:GPS衛星、
Claims (10)
- 複数のアンテナで受信した測位衛星から放送される測位信号に基づいて位相差を算出する位相差算出部と、
前記位相差の時間変化から基線ベクトルの時間変化量を算出する基線ベクトル変化量算出部と、
前記基線ベクトルの時間変化量から回頭角速度を算出する回頭角速度算出部と、を備えた回頭角速度検出装置。 - 請求項1に記載の回頭角速度検出装置であって、
前記基線ベクトル変化量算出部は、
前記複数のアンテナ毎の方向余弦行列の差と前記基線ベクトルの時間変化量との内積が前記位相差の時間変化量に等しいとする方程式から前記基線ベクトルの時間変化量を算出する、回頭角速度検出装置。 - 請求項2に記載の回頭角速度検出装置であって、
前記位相差は二重位相差であり、
前記方向余弦行列の差は方向余弦行列の二重差である、回頭角速度検出装置。 - 請求項3に記載の回頭角速度検出装置であって、
前記アンテナは2個であり、
該2個のアンテナで受信する測位信号数は4個である、回頭角速度検出装置。 - 請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の回頭角速度検出装置と、
該回頭角速度検出装置から出力される前記回頭角速度を用いて、航行支援情報を生成する航行支援情報生成部と、を備える移動体。 - 請求項5に記載の移動体であって、
前記アンテナは、前記移動体の先端近傍と後端近傍にそれぞれ配置されている、移動体。 - 複数のアンテナで受信した測位衛星から放送される測位信号に基づいて位相差を算出する位相差算出工程と、
前記位相差の時間変化から基線ベクトルの時間変化量を算出する基線ベクトル変化量算出工程と、
前記基線ベクトルの時間変化量から回頭角速度を算出する回頭角速度算出工程と、を有する回頭角速度検出方法。 - 請求項7に記載の回頭角速度検出方法であって、
前記基線ベクトル変化量算出工程は、
前記複数のアンテナ毎の方向余弦行列の差と前記基線ベクトルの時間変化量との内積が前記位相差の時間変化量に等しいとする方程式を設定し、該方程式から前記基線ベクトルの時間変化量を算出する、回頭角速度検出方法。 - 移動体の回頭角速度を検出する処理をコンピュータに実行させる回頭角速度検出プログラムであって、
前記コンピュータは、
複数のアンテナで受信した測位衛星から放送される測位信号に基づいて位相差を算出する相差算出処理と、
前記位相差の時間変化から基線ベクトルの時間変化量を算出する基線ベクトル変化量算出処理と、
前記基線ベクトルの時間変化量から回頭角速度を算出する回頭角速度算出処理と、を実行する回頭角速度検出プログラム。 - 請求項9に記載の回頭角速度検出プログラムであって、
前記コンピュータは、
前記基線ベクトル変化量算出処理として、
前記複数のアンテナ毎の方向余弦行列の差と前記基線ベクトルの時間変化量との内積が前記位相差の時間変化量に等しいとする方程式を設定し、該方程式から前記基線ベクトルの時間変化量を算出する、回頭角速度検出プログラム。
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