JP2018059856A - 姿勢角算出装置、姿勢角算出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構成でありながら、姿勢角を高精度に算出できる姿勢角算出装置を提供する。
【解決手段】姿勢角算出装置１０は、測位アンテナ２００、測位信号受信部３０、および、姿勢角演算部４０を備える。測位アンテナ２００は、回転中心から離間して配置され、回転中心を中心軸ＯＲとして回動している。測位信号受信部３０は、互いに異なる第１時刻と第２時刻において測位アンテナ２００で受信した測位信号の搬送波位相を計測する。姿勢角演算部４０は、第１時刻の搬送波位相と第２時刻の搬送波位相との位相差から得られるアンテナ移動量を用いて姿勢角を算出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、測位衛星からの測位信号を用いて姿勢角を算出する姿勢角算出装置、姿勢角算出方法に関する。

従来、船舶等の移動体の姿勢角を算出する装置が各種考案されている。その中で、ＧＰＳ信号等の測位信号を用いて姿勢角を算出する装置がある。

特許文献１では、ＧＰＳアンテナは、回転する通信アンテナに設置されており、ＧＰＳアンテナはＧＰＳ受信機に接続されている。ＧＰＳ受信機は、ＧＰＳアンテナが回動しながら受信したＧＰＳ信号に基づいて逐次測位を行い、各位置での緯度経度を取得する。方位情報算出部は、ＧＰＳアンテナが回動する円周上の１８０°差にある二点を結ぶ直線と緯度線および経度線との成す角から方位角を算出する。

特許文献２では、船首方位測定装置は、円周上に複数のＧＰＳアンテナを配置し、複数のＧＰＳアンテナの受信信号の出力を切り替えながら、受信信号の位相偏位の時間特性を取得する。船首方位測定装置は、ＧＰＳ方位と船首方位が同じ時の位相偏位の時間特性と、観測した位相偏位の時間特性の位相差から船首方位を算出する。

特許文献３では、移動体姿勢角計測装置は、二つのアンテナで受信したＧＰＳ信号の搬送波の位相差から移動体の姿勢角を計測する。移動体姿勢角計測装置は、ＧＰＳ信号の受信が中断すると、一つのアンテナを移動し、二つのアンテナ間の距離を短くして、整数値バイアスを決定する。移動体姿勢角計測装置は、整数値バイアスが決定されれば、一つのアンテナを移動し、二つのアンテナ間の距離を長くして、姿勢角の計測を行う。この際、移動体姿勢角計測装置は、一つのアンテナを円軌道上に移動させることによって、二つのアンテナ間の距離を変化させる。

特許文献４では、レーダ・アンテナ方位測定装置は、複数のＧＮＳＳアンテナを回転体に取り付け、複数のＧＮＳＳアンテナで同時に受信したＧＮＳＳ信号（受信信号）の位相差から方位を算出する。

特開２０１３−２４３６５５号公報 特許第３０２４７８７号公報 特開２００１−１９４４４２号公報 特開２００１−１６６０３０号公報

しかしながら、上述の特許文献１−４に記載の装置では、それぞれに次に示す課題を有する。

特許文献１に記載の装置では、複数の位置での単独測位の結果から得られる緯度経度を算出し、この緯度経度から得られる直線と緯度線および経度線との角度から方位を算出する。このため、方位または姿勢角の算出が複雑になり、各算出時の誤差の影響等によって、方位または姿勢角を高精度に算出することが容易ではない。

特許文献２，３，４に記載の装置では、方位または姿勢角を高精度に算出するためには、複数のアンテナを備え、これらの距離を長くする必要があり、装置が大掛かりになってしまう。

さらに、特許文献４に記載の装置では、複数のアンテナで同時に同じ測位衛星（ＧＮＳＳ衛星等）からの測位信号（ＧＮＳＳ信号等）を受信しなければ方位または姿勢角を算出することができず、方位または姿勢角を確実に算出できないことがある。

したがって、本発明の目的は、簡素な構成でありながら、姿勢角を高精度且つ確実に算出できる姿勢角算出装置および姿勢算出方法を提供することにある。

この発明の姿勢角算出装置は、第１測位アンテナ、測位信号受信部、および、姿勢角演算部を備える。第１測位アンテナは、回転中心から離間して配置され、回転中心を中心軸として回動している。測位信号受信部は、互いに異なる第１時刻と第２時刻において第１測位アンテナで受信した測位信号の搬送波位相を計測する。姿勢角演算部は、第１時刻の搬送波位相と第２時刻の搬送波位相との位相差から得られるアンテナ移動量を用いて姿勢角を算出する。

この構成では、１個のアンテナで複数の位置における搬送波位相が取得される。この複数の位置で取得された搬送波位相の差を用いて、基線ベクトルに相当するアンテナ移動量が算出される。この基線ベクトルに相当するアンテナ移動量によって、搬送波位相を用いた姿勢角が高精度に算出される。

また、この発明の姿勢角算出装置では、姿勢角演算部は、第１時刻と第２時刻との間での測位アンテナの回転による移動ベクトルをさらに用いて姿勢角を算出する。

この構成では、さらに高精度に姿勢角が算出される。

また、この発明の姿勢角算出装置では、測位アンテナは、第１測位アンテナと第２測位アンテナを備える。第１測位アンテナと中心軸との第１距離と、第２測位アンテナと中心軸との第２距離は、異なる。

この構成では、より多様なアンテナ移動量が得られるので、姿勢角の算出に利用するアンテナ移動量をより適切に選択したり、算出された姿勢角を検証したりすることが可能になる。これにより、姿勢角をさらに高精度に算出することができる。

この発明によれば、簡素な構成で、姿勢角を高精度に算出することができる。

第１の実施形態に係る姿勢角算出装置のブロック図 第１の実施形態に係る姿勢角算出装置の測位アンテナの平面図および側面図 第１の実施形態に係る姿勢角算出装置の搬送波位相の観測タイミングを示す図 第１の実施形態に係る姿勢算出方法のフローチャート 第１の実施形態に係る姿勢角算出装置の測位アンテナの第２の搬送波位相の観測タイミングを示す図 第１の実施形態に係る姿勢角算出装置の測位アンテナの第３の搬送波位相の観測タイミングを示す図 第２の実施形態に係る姿勢角算出装置のブロック図 第２の実施形態に係る姿勢角算出装置の測位アンテナの平面図および側面図 第２の実施形態に係る姿勢角算出装置の観測タイミングを示す図 第２の実施形態に係る姿勢角算出方法を示すフローチャート 第２の実施形態に係る姿勢角算出装置の測位アンテナの第２の搬送波位相の観測タイミングを示す図 図１１の態様でのアンテナ移動量の組み合わせ例を示す図 第２の実施形態に係る姿勢角算出装置の測位アンテナの第３の搬送波位相の観測タイミングを示す図 図１３の態様でのアンテナ移動量の組み合わせ例を示す図

本発明の第１の実施形態に係る姿勢角算出装置、姿勢算出方法について、図を参照して説明する。図１は、第１の実施形態に係る姿勢角算出装置のブロック図である。図２（Ａ）は、第１の実施形態に係る姿勢角算出装置の測位アンテナの平面図であり、図２（Ｂ）はその側面図である。図３は、第１の実施形態に係る姿勢角算出装置の観測タイミングを示す図である。なお、本実施形態では、船舶を例に説明するが、他の移動体に対しても、以下の構成を適用することができる。

姿勢角算出装置１０は、アンテナ装置２０、測位信号受信部３０、および、姿勢角演算部４０を備える。アンテナ装置２０は、測位アンテナ２００、回転体２１、および、回転駆動部２２を備える。アンテナ装置２０は、船舶に固定されている。測位アンテナ２００が、本発明の「第１測位アンテナ」に対応する。

図１、図２に示すように、測位アンテナ２００は、一方向に長い棒状の回転体２１に配置されている。測位アンテナ２００の受波面は、回転体２１における測位アンテナ２００の設置面に平行であり、且つ、測位アンテナ２００における設置面と反対側にある。

回転体２１は、長尺方向の略中心位置を通る中心軸ＯＲを回転中心として、船舶に対して回転可能に設置されている。この際の回転による軌跡は、平面視して中心軸ＯＲを中心点とする円形となる。回転体２１は、回転駆動部２２からの駆動力によって回転している。回転駆動部２２は、回転体２１の回転角度をアンテナ回転量として姿勢角演算部４０に出力する。

測位アンテナ２００は、回転体２１の回転中心とは異なる位置に配置されている。具体的な一例として、図１、図２、図３に示す態様では、測位アンテナ２００は、回転体２１の長尺方向の一方端付近に配置されている。これにより、図３に示すように、測位アンテナ２００は、中心軸ＯＲを基準として円形の軌道で回動する。回転体２１の長尺方向の一方端に測位アンテナ２００を配置した態様では、測位アンテナ２００は、回転体２１の形状の範囲内において、中心軸ＯＲとの距離をできる限り長くすることができる。すなわち、測位アンテナ２００が回動する円の半径を大きくすることができる。

測位アンテナ２００は、測位衛星ＳＡＴ１からの測位信号を受波する。なお、図では、測位信号を受波した測位衛星を１個しか記載していないが、測位信号を受波した測位衛星数は、４個以上であることが好ましい。また、測位信号としては、具体例を示していないが、ＧＰＳ信号等のＧＮＳＳの測位信号であれば、ＧＮＳＳのいずれのシステムの測位信号であってもよい。

測位アンテナ２００は、回動しながら、円周上の複数の異なる位置で測位信号を受波する。測位アンテナ２００は、受波した測位信号を測位信号受信部３０に出力する。

測位信号受信部３０は、測位信号を捕捉、追尾して、コード位相および搬送波位相を観測する。測位信号受信部３０は、予め設定した時間間隔でコード位相および搬送波位相を観測する。測位信号受信部３０は、観測した搬送波位相を観測時刻とともに姿勢角演算部４０に出力する。なお、測位信号受信部３０は、コード位相を姿勢角演算部４０に出力してもよく、コード位相から得られたコード擬似距離またはコード擬似距離による測位結果を姿勢角演算部４０に出力してもよい。

姿勢角演算部４０は、異なる観測時刻に得られた搬送波位相を用いて、アンテナ移動量を算出する。アンテナ移動量は、方向と長さを有するベクトル量である。姿勢角演算部４０は、アンテナ移動量を基線ベクトルとして、基線ベクトルを用いた既知の方法から姿勢角を算出する。この際、姿勢角演算部４０は、回転駆動部２２から取得した観測時刻に応じたアンテナ回転量を用いて、算出した姿勢角の補正を行う。

具体的に、図３を用いて、姿勢角の算出概念を説明する。測位アンテナ２００は、中心軸ＯＲを基準に、配置位置に応じた半径で回動している。第１時刻ｔ０での測位アンテナ２００（ｔ０）は、中心軸ＯＲから視て船首方向に存在する。姿勢角演算部４０は、第１時刻ｔ０における搬送波位相φｔ０を取得する。

次に、測位アンテナ２００が回動し、第２時刻ｔ１での測位アンテナ２００（ｔ１）は、中心軸ＯＲから視て船首方向と逆方向に存在する。姿勢角演算部４０は、第２時刻ｔ１における搬送波位相φｔ１を取得する。

姿勢角演算部４０は、回転駆動部２２から、第１時刻ｔ０から第２時刻ｔ１までのアンテナ回転量（１８０°）を取得する。姿勢角演算部４０は、アンテナ回転量に応じた第１時刻ｔ０での測位アンテナ２００（ｔ０）の位置と、第２時刻ｔ１での測位アンテナ２００（ｔ１）の位置との距離を、回転による移動距離として算出する。これは、中心軸ＯＲと測位アンテナ２００との距離から算出できる（この場合、この距離の２倍である。）。アンテナ回転量と回転による移動距離が、回転による移動ベクトルである。

姿勢角演算部４０は、第１時刻ｔ０での測位アンテナ２００（ｔ０）の位置をコード位相またはコード擬似距離を用いて測位する。また、姿勢角演算部４０は、第１時刻ｔ０での衛星位置を、航法メッセージ等によって取得する。姿勢角演算部４０は、第１時刻ｔ０での測位アンテナ２００（ｔ０）の位置と衛星位置とから方向余弦ベクトルを算出する。

姿勢角演算部４０は、第１時刻ｔ０での搬送波位相φｔ０と第２時刻ｔ１での搬送波位相φｔ１とを差分して、搬送波位相差Δφを算出する。姿勢角演算部４０は、方向余弦ベクトルと搬送波位相差Δφから、ベクトル量であるアンテナ移動量ＤＶＡ０１を算出する。このアンテナ移動量ＤＶＡ０１は、所謂基線ベクトルに相当する。

姿勢角演算部４０は、アンテナ移動量ＤＶＡ０１を基線ベクトルに置き換え、基線ベクトルから姿勢角を算出する既知の式に適用して、姿勢角を算出する。この姿勢角には、測位アンテナ２００の回転による移動ベクトルも含まれているので、姿勢角演算部４０は、算出した姿勢角を移動ベクトルによって補正する。なお、この移動ベクトルは、アンテナ移動量ＤＶＡ０１の補正に利用してもよく、補正後のアンテナ移動量ＤＶＡ０１を基線ベクトルとして姿勢角を算出してもよい。

このような構成とすることによって、１個の測位アンテナからなる簡素な構成で、搬送波位相を用いた高精度な姿勢角の算出を実現することができる。

また、このような構成とすることによって、１個の測位アンテナで測位信号を２回受信できれば、２回の受信の間隔、２回の受信の時点での測位アンテナの位置の関係によることなく、確実に姿勢角の算出を実現することができる。

なお、この測位アンテナ２００が実装されている物体が静止している場合、この処理を、測位アンテナ２００の回動にしたがって周期的に繰り返すことによって、同じ方向及び同じ距離の基線ベクトルが複数回構成される。これにより、これらの基線ベクトルに基づいて、同じ方向および同じ長さの基線ベクトルによる姿勢角を複数回算出することができる。したがって、これら複数回の姿勢角の算出結果の平均、最小二乗演算等を用いれば、さらに高精度な姿勢角の算出が可能になる。

本実施形態では、長尺状の回転体２１の一方端付近に測位アンテナ２００を配置した態様を示したが、中心軸ＯＲと重ならない長尺方向の途中位置に測位アンテナ２００を配置してもよい。但し、測位アンテナ２００を一方端付近に配置することによって、限られた形状の内で、アンテナ移動量（基線ベクトル）を可能な限り長く設定することができる。これにより、限られた形状内で、できる限り高精度な姿勢角の算出が可能になる。また、必要とされる姿勢角の精度において、できる限り小型化が可能になる。

本実施形態では、回転体２１の長尺方向の中心を回転中心とする態様を示したが、回転体の長尺方向の他方端（測位アンテナ２００が配置される一方端と反対側の端）を回転中心とすることも可能である。この場合、取得できる基線ベクトルの長さは、回転体の長さの２倍になる。したがって、取得したい基線ベクトルの１／２の長さの回転体を用いて、姿勢角を算出することができる。これにより、より小型の構成で、姿勢角を高精度に算出することができる。

なお、本実施形態のような回転体２１の長尺方向の中心を回転中心とする態様は、船舶等の回転型のレーダが備えられている移動体に対して、より有効である。この場合、上述の回転体２１をレーダの筐体にすればよく、姿勢角算出装置のアンテナ装置２０を、レーダのアンテナと別に配置しなくてもよく、レーダおよび姿勢角算出装置を備えたシステムを、省スペースな構成で実現できる。

上述の説明では、姿勢角の算出処理を複数の機能部によって実行する態様を示したが、上述の処理をプログラム化して記憶し、このプログラムをコンピュータで読み出して実行してもよい。この場合、次に示すフローチャートに基づいて姿勢角の算出処理を行えばよい。図４は、本発明の第１の実施形態に係る姿勢角算出方法を示すフローチャートである。

まず、コンピュータは、第１時刻ｔ０で観測された搬送波位相φｔ０を取得する（Ｓ１０１）。次に、コンピュータは、第２時刻ｔ１で観測された搬送波位相φｔ１を取得する（Ｓ１０２）。

次に、コンピュータは、搬送波位相φｔ０と搬送波位相φｔ１から搬送波位相差を算出して、上述の処理でアンテナ移動量ＤＶＡ０１を算出する（Ｓ１０３）。

次に、コンピュータは、アンテナ移動量ＤＶＡ０１を基線ベクトルとして姿勢角を算出する（Ｓ１０４）。この際、コンピュータは、第１時刻ｔ０から第２時刻ｔ１までの回転による移動ベクトルによる補正を行うことが好ましい。この補正は、回転半径が小さい場合等に省略することも可能である。

本実施形態では、２回の異なる時刻での測位アンテナ２００の位置からできるアンテナ移動量（基線ベクトル）が船首と船尾を結ぶ方向（船首船尾方向）に平行な場合を示した。しかしながら、次に示すアンテナ移動量の設定を行ってもよい。

図５は、第１の実施形態に係る姿勢角算出装置の測位アンテナの第２の搬送波位相の観測タイミングを示す図である。

図５に示す態様では、船首船尾方向に対して直交するアンテナ移動量（基線ベクトル）が設定される。具体的には、中心軸ＯＲに対して船首方位を方位角ＡＺ＝０°とし、船首から右舷方向に回転角が増加するように方位角を設定する。図５に示す態様では、方位角ＡＺ＝２７０°の時を第１時刻ｔ０とする。第１時刻ｔ０において測位アンテナ２００（ｔ０）の搬送波位相を観測する。次に、測位アンテナ２００が回動して、方位角ＡＺ＝９０°の時を第２時刻ｔ１とする。第２時刻ｔ１において測位アンテナ２００（ｔ１）の搬送波位相を観測する。

このような処理を行っても、図３に示す処理と同様の作用効果を得ることができる。

図６は、第１の実施形態に係る姿勢角算出装置の測位アンテナの搬送波位相の観測タイミングの第３態様を示す図である。

図６に示す態様では、複数種類のアンテナ移動量（基線ベクトル）が設定される。具体的には、図３、図５と同様の方位角を設定する。方位角ＡＺ＝０°の時を第１時刻ｔ０とし、方位角ＡＺ＝９０°の時を第２時刻ｔ１とし、方位角ＡＺ＝１８０°の時を第３時刻ｔ２とし、方位角ＡＺ＝２７０°の時を第４時刻ｔ３とする。第１時刻ｔ０において、測位アンテナ２００（ｔ０）の搬送波位相を観測する。第２時刻ｔ１において、測位アンテナ２００（ｔ１）の搬送波位相を観測する。第３時刻ｔ２において、測位アンテナ２００（ｔ２）の搬送波位相を観測する。第４時刻ｔ３において、測位アンテナ２００（ｔ３）の搬送波位相を観測する。第１時刻ｔ０、第２時刻ｔ１の搬送波位相から、船首尾方向に対して４５°をなし、船首側から船尾右舷側を向くアンテナ移動量ＤＶＡ０１が算出される。第２時刻ｔ１、第３時刻ｔ２の搬送波位相から、船首尾方向に対して４５°をなし、船首側から船尾左舷側を向くアンテナ移動量ＤＶＡ１２が算出される。第１時刻ｔ０、第３時刻ｔ２の搬送波位相から、船首尾方向に平行で、船首側から船尾側を向くアンテナ移動量ＤＶＡ０２が算出される。第３時刻ｔ２、第４時刻ｔ３の搬送波位相から、船首尾方向に対して４５°をなし、船尾側から船首左舷側を向くアンテナ移動量ＤＶＡ２３が算出される。第２時刻ｔ１、第４時刻ｔ３の搬送波位相から、船首尾方向に対して９０°をなし、右舷側から左舷側を向くアンテナ移動量ＤＶＡ１３が算出される。第４時刻ｔ３、第１時刻ｔ０の搬送波位相から、船首尾方向に対して４５°をなし、船尾側から船首右舷側を向くアンテナ移動量ＤＶＡ３０が算出される。

このように、図６に示す態様を用いることによって、１個の測位アンテナ２００で、６種類のアンテナ移動量（基線ベクトル）を取得することができる。また、これらのアンテナ移動量は平行でない組み合わせを有するので、測位衛星の位置に応じて姿勢角の算出精度が向上するアンテナ移動量を選択して、姿勢角を算出することができる。また、平行な複数のアンテナ移動量を有するので、姿勢角の算出結果の検定や、平均処理、最小二乗処理を適用できる。したがって、姿勢角の算出精度の向上、姿勢角の信頼性の向上を実現できる。

次に、本発明の第２の実施形態に係る姿勢角算出装置、姿勢算出方法について、図を参照して説明する。図７は、第２の実施形態に係る姿勢角算出装置のブロック図である。図８（Ａ）は、第２の実施形態に係る姿勢角算出装置の測位アンテナの平面図であり、図８（Ｂ）はその側面図である。図９は、第２の実施形態に係る姿勢角算出装置の観測タイミングを示す図である。

本実施形態に係る姿勢角算出装置１０Ａは、２個の測位アンテナ２０１，２０２、２個の測位信号受信部３１，３２を備える点、この構成による姿勢角演算部４０Ａの処理において、第１の実施形態に係る姿勢角算出装置１０と異なる。測位アンテナ２０１が本発明の「第１測位アンテナ」に対応し、測位アンテナ２０２が本発明の「第２測位アンテナ」に対応する。

アンテナ装置２０Ａは、測位アンテナ２０１，２０２を備える。測位アンテナ２０１，２０２は同じ構成であり、回転体２１に対して同じ姿勢で配置されている。測位アンテナ２０１，２０２は、回転体２１の中心軸ＯＲと重ならない位置に配置されている。測位アンテナ２０１と測位アンテナ２０２は、回転体２１上において中心軸ＯＲを挟んで配置されている。

測位アンテナ２０１と中心軸ＯＲとの距離Ｌ１は、測位アンテナ２０２と中心軸ＯＲとの距離Ｌ２と異なり、距離Ｌ１は距離Ｌ２よりも長い。具体的には、例えば、Ｌ１：Ｌ２＝（√３）：１である。

測位アンテナ２０１は、測位信号受信部３１に接続されている。測位アンテナ２０２は、測位信号受信部３２に接続されている。測位信号受信部３１，３２の基本的な処理は、第１の実施形態に係る測位信号受信部３０と同じである。

測位信号受信部３１は、測位アンテナ２０１で受波した測位信号を捕捉、追尾して搬送波位相φ_２０１を観測する。測位信号受信部３２は、測位アンテナ２０２で受波した測位信号を捕捉、追尾して搬送波位相φ_２０２を観測する。

姿勢角演算部４０Ａは、測位アンテナの位置が異なる複数の時刻に観測した搬送波位相を用いて、第１の実施形態と同様に、アンテナ移動量ＤＶＡを算出する。姿勢角演算部４０Ａは、アンテナ移動量ＤＶＡを基線ベクトルとして、第１の実施形態と同様に、姿勢角を算出する。

具体的に、図９を用いて、姿勢角の算出概念を説明する。測位アンテナ２０１は、中心軸ＯＲを基準に、距離Ｌ１の半径で回動している。測位アンテナ２０２は、中心軸ＯＲを基準に、距離Ｌ２の半径で回動している。

第１時刻ｔ０での測位アンテナ２０１（ｔ０）は、中心軸ＯＲから視て船首方向に存在する。姿勢角演算部４０Ａは、第１時刻ｔ０における搬送波位相φ_２０１ｔ０を測位信号受信部３１から取得する。第１時刻ｔ０での測位アンテナ２０２（ｔ０）は、中心軸ＯＲから視て船尾方向に存在する。姿勢角演算部４０Ａは、第１時刻ｔ０における搬送波位相φ_２０２ｔ０を測位信号受信部３２から取得する。

第２時刻ｔ１では、第１時刻ｔ０に対して、測位アンテナ２０１，２０２が１２０°回動している。第２時刻ｔ１での測位アンテナ２０１（ｔ１）は、中心軸ＯＲから視て船尾右舷方向に存在する。姿勢角演算部４０Ａは、第２時刻ｔ１における搬送波位相φ_２０１ｔ１を取得する。第２時刻ｔ１での測位アンテナ２０２（ｔ１）は、中心軸ＯＲから視て船首左舷方向に存在する。姿勢角演算部４０Ａは、第２時刻ｔ１における搬送波位相φ_２０２ｔ１を取得する。

第３時刻ｔ２では、第２時刻ｔ１に対して、測位アンテナ２０１，２０２が１２０°回動している。第３時刻ｔ２での測位アンテナ２０１（ｔ２）は、中心軸ＯＲから視て船尾左舷方向に存在する。姿勢角演算部４０Ａは、第２時刻ｔ１における搬送波位相φ_２０１ｔ２を取得する。第３時刻ｔ２での測位アンテナ２０２（ｔ２）は、中心軸ＯＲから視て船首右舷方向に存在する。姿勢角演算部４０Ａは、第３時刻ｔ２における搬送波位相φ_２０２ｔ２を取得する。

姿勢角演算部４０Ａは、測位アンテナ２０１に対する第１時刻ｔ０での搬送波位相φ_２０１ｔ０と第２時刻ｔ１での搬送波位相φ_２０１ｔ１とを差分して、搬送波位相差Δφ_２０１（ｔ０，ｔ１）を算出する。姿勢角演算部４０Ａは、測位アンテナ２０２に対する第１時刻ｔ０での搬送波位相φ_２０２ｔ０と第２時刻ｔ１での搬送波位相φ_２０２ｔ１とを差分して、搬送波位相差Δφ_２０２（ｔ０，ｔ１）を算出する。

姿勢角演算部４０Ａは、測位アンテナ２０１に対する第２時刻ｔ１での搬送波位相φ_２０１ｔ１と第３時刻ｔ２での搬送波位相φ_２０１ｔ２とを差分して、搬送波位相差Δφ_２０１（ｔ１，ｔ２）を算出する。姿勢角演算部４０Ａは、測位アンテナ２０２に対する第２時刻ｔ１での搬送波位相φ_２０２ｔ１と第３時刻ｔ２での搬送波位相φ_２０２ｔ２とを差分して、搬送波位相差Δφ_２０２（ｔ１，ｔ２）を算出する。

姿勢角演算部４０Ａは、測位アンテナ２０１に対する第３時刻ｔ２での搬送波位相φ_２０１ｔ２と第１時刻ｔ０での搬送波位相φ_２０１ｔ０とを差分して、搬送波位相差Δφ_２０１（ｔ２，ｔ０）を算出する。姿勢角演算部４０Ａは、測位アンテナ２０２に対する第３時刻ｔ２での搬送波位相φ_２０２ｔ２と第１時刻ｔ０での搬送波位相φ_２０２ｔ０とを差分して、搬送波位相差Δφ_２０２（ｔ２，ｔ０）を算出する。

姿勢角演算部４０Ａは、回転駆動部２２から、第１時刻ｔ０での測位アンテナ２０１の位置から第２時刻ｔ１での測位アンテナ２０１の位置までの回転による移動ベクトルを算出する。姿勢角演算部４０Ａは、第２時刻ｔ１での測位アンテナ２０１の位置から第３時刻ｔ２での測位アンテナ２０１の位置までの回転による移動ベクトルを算出する。姿勢角演算部４０Ａは、第３時刻ｔ２での測位アンテナ２０１の位置から第１時刻ｔ０での測位アンテナ２０１の位置までの回転による移動ベクトルを算出する。

姿勢角演算部４０Ａは、回転駆動部２２から、第１時刻ｔ０での測位アンテナ２０２の位置から第２時刻ｔ１での測位アンテナ２０２の位置までの回転による移動ベクトルを算出する。姿勢角演算部４０Ａは、第２時刻ｔ１での測位アンテナ２０２の位置から第３時刻ｔ２での測位アンテナ２０２の位置までの回転による移動ベクトルを算出する。姿勢角演算部４０Ａは、第３時刻ｔ２での測位アンテナ２０２の位置から第１時刻ｔ０での測位アンテナ２０２の位置までの回転による移動ベクトルを算出する。

姿勢角演算部４０Ａは、第１時刻ｔ０での測位アンテナ２０１（ｔ０），２０２（ｔ０）の位置をコード位相またはコード擬似距離を用いて測位する。また、姿勢角演算部４０は、第１時刻ｔ０での衛星位置を、航法メッセージ等によって取得する。姿勢角演算部４０は、第１時刻ｔ０での測位アンテナ２０１（ｔ０），２０２（ｔ０）の位置と衛星位置とからそれぞれに方向余弦ベクトルを算出する。姿勢角演算部４０Ａは、方向余弦ベクトルと搬送波位相差Δφ_２０１（ｔ１，ｔ２）から、ベクトル量であるアンテナ移動量ＤＶＡ１０１を算出する。このアンテナ移動量ＤＶＡ１０１は、所謂基線ベクトルに相当する。

姿勢角演算部４０Ａは、同様の方法により、上述の搬送波位相差を算出した測位アンテナ２０１の位置に組み合わせ毎に、アンテナ移動量ＤＶＡ１１２，ＤＶＡ１２３を算出する。また、姿勢角演算部４０Ａは、測位アンテナ２０２に対しても同様の方法により、上述の搬送波位相差を算出した測位アンテナ２０２の位置に組み合わせ毎に、アンテナ移動量ＤＶＡ２０１，ＤＶＡ２１２，ＤＶＡ２２３を算出する。

姿勢角演算部４０Ａは、算出したアンテナ移動量ＤＶＡ１０１，ＤＶＡ１１２，ＤＶＡ１２３，ＤＶＡ２０１，ＤＶＡ２１２，ＤＶＡ２２３を適宜選択して、姿勢角を算出する。

本実施形態の構成を用いることで、上述のように、２個の測位アンテナを用いて、６種類のアンテナ移動量を算出することができる。すなわち、少ないアンテナ数で多くのアンテナ移動量を算出することができる。これにより、各アンテナ移動量が短くても、高精度に姿勢角を算出することができる。したがって、姿勢角の算出精度が高い姿勢角算出装置を、より小型に構成することができる。

本実施形態の構成では、測位アンテナ２０１による複数のアンテナ移動量（基線ベクトル）は、互いに平行でなく、成す角が１２０°である。測位アンテナ２０２による複数のアンテナ移動量は、互いに平行でなく、成す角が１２０°である。したがって、測位衛星の位置に応じて、アンテナ移動量を選択することができ、この選択により、姿勢角をより高精度に算出することができる。例えば、方向余弦ベクトルとアンテナ移動量との成す角が直交する測位衛星からの測位信号から得られるアンテナ移動量を用いることで、姿勢角をより高精度に算出することができる。

また、本実施形態の構成では、測位アンテナ２０１によるアンテナ移動量ＤＶＡ１１２と、測位アンテナ２０２によるアンテナ移動量ＤＶＡ２１２とは、平行であり長さが異なる。同様に、測位アンテナ２０１によるアンテナ移動量ＤＶＡ１０１と、測位アンテナ２０２によるアンテナ移動量ＤＶＡ２０１とは、平行であり長さが異なる。測位アンテナ２０１によるアンテナ移動量ＤＶＡ１２３と、測位アンテナ２０２によるアンテナ移動量ＤＶＡ２２３とは、平行であり長さが異なる。このように、平行な複数のアンテナ移動量を用いることによって、各アンテナ移動量で算出した姿勢角の統計的な検定、姿勢角の算出への最小二乗処理の適用ができ、より高精度で信頼性の高い姿勢角を算出することができる。

また、第１の実施形態と同様に、測位アンテナを複数周に亘って回動させることによって、取得できるアンテナ移動量をさらに増やすことができ、より高精度で信頼性の高い姿勢角を算出することができる。

また、本実施形態では、測位アンテナを一周させたときに算出可能なアンテナ移動量を全て算出する態様を示したが、適宜必要な方向のアンテナ移動量だけを算出してもよい。また、本実施形態では、測位アンテナ２０１の複数時刻の位置を結ぶアンテナ移動量と、測位アンテナ２０２の複数時刻の位置を結ぶアンテナ移動量を算出する態様を示したが、測位アンテナ２０１と測位アンテナ２０２とを結ぶアンテナ移動量を追加することも可能である。この場合、時刻は異なっていても、同時刻であってもよい。

上述の説明では、姿勢角の算出処理を複数の機能部によって実行する態様を示したが、上述の処理をプログラム化して記憶し、このプログラムをコンピュータで読み出して実行してもよい。この場合、次に示すフローチャートに基づいて姿勢角の算出処理を行えばよい。図１０は、本発明の第２の実施形態に係る姿勢角算出方法を示すフローチャートである。

まず、コンピュータは、複数の時刻で複数の測位アンテナを介して観測された搬送波位相を取得する（Ｓ２０１）。次に、コンピュータは、測位アンテナと時刻との組み合わせから複数のアンテナ移動量を算出する（Ｓ２０２）。

次に、コンピュータは、アンテナ移動量を算出した複数時刻間での回転による移動ベクトルを取得する（Ｓ２０３）。次に、コンピュータは、アンテナ移動量と、回転による移動ベクトルとを用いて、姿勢角を算出する（Ｓ２０４）。次に、コンピュータは、統計的処理を用いて、複数のアンテナ移動量を用いた姿勢角に対する精度向上処理を行う（Ｓ２０５）。ここで、統計的処理とは、誤差分散等を用いた検定、最小二乗法を適用した姿勢角の算出等の、統計的に姿勢角の算出精度を向上させる処理である。最小二乗法の適用は姿勢角の算出時に行われるが、検定は姿勢角の算出時でも、姿勢角の算出後でもよい。

なお、第２の実施形態に係る説明では、測位アンテナ２０１と中心軸ＯＲとの距離Ｌ１と、測位アンテナ２０２と中心軸ＯＲとの距離Ｌ２との比が（√３）：１の場合を示した。

この場合、複数のアンテナ移動量の組み合わせを、次に示すパターンを含む複数種類で実現できる。

（Ａ）互いに成す角が１２０°となり、基線長が長いアンテナ移動量ＤＶＡ１０１，ＤＶＡ１１２，ＤＶＡ１２３の組み合わせが１組
（Ｂ）互いに成す角が１２０°となり、基線長が短いアンテナ移動量ＤＶＡ２０１，ＤＶＡ２１２，ＤＶＡ２２３の組み合わせが１組
（Ｃ）互いに成す角が９０°となるアンテナ移動量の組み合わせが１２組
（Ｄ）同一直線状となるアンテナ移動量の組み合わせが９組
（Ｅ）互いに平行で長さが等しいアンテナ移動量の組み合わせが６組
（Ｆ）互いに平行で一方の長さが他方の長さの２倍である組み合わせが３組
また、測位アンテナ２０１と中心軸ＯＲとの距離Ｌ１と、測位アンテナ２０２と中心軸ＯＲとの距離Ｌ２との比が、他の比率であってもよい。回転角も１２０°毎でなく、他の回転角であってもよい。

図１１は、第２の実施形態に係る姿勢角算出装置の測位アンテナの第２の搬送波位相の観測タイミングを示す図である。

図１１に示す態様では、回転角が９０°毎にアンテナ移動量を算出する態様を示している。また、測位アンテナ２０１と中心軸ＯＲとの距離Ｌ１と、測位アンテナ２０２と中心軸ＯＲとの距離Ｌ２との比は、２：１である。また、この態様では、時刻の異なる測位アンテナ２０１の搬送波位相と測位アンテナ２０２の搬送波位相を用いたアンテナ移動量も用いている。

この構成では、時刻ｔ０では、測位アンテナ２０１（ｔ０）は中心軸ＯＲから視て船首方向に配置されている。測位アンテナ２０２（ｔ０）は中心軸ＯＲから視て船尾方向に配置されている。時刻ｔ１では、測位アンテナ２０１（ｔ１）は中心軸ＯＲから視て右舷方向に配置されている。測位アンテナ２０２（ｔ１）は中心軸ＯＲから視て左舷方向に配置されている。時刻ｔ２では、測位アンテナ２０１（ｔ２）は中心軸ＯＲから視て船尾方向に配置されている。測位アンテナ２０２（ｔ２）は中心軸ＯＲから視て船首方向に配置されている。時刻ｔ３では、測位アンテナ２０１（ｔ３）は中心軸ＯＲから視て左舷方向に配置されている。測位アンテナ２０２（ｔ３）は中心軸ＯＲから視て右舷方向に配置されている。

このような構成によって、次のアンテナ移動量の組み合わせを実現できる。図１２は、図１１の態様でのアンテナ移動量の組み合わせ例を示す図である。図１２（Ａ）−図１２（Ｆ）はそれぞれ異なる組み合わせを示している。

（Ａ）互いに平行で長さが等しいアンテナ移動量の組み合わせが４組と、長さが異なるアンテナ移動量の組み合わせが８組
（Ｂ）互いに平行で（Ａ）のアンテナ移動量と船首方向に対する成す角が異なるアンテナ移動量の組み合わせが４組
（Ｃ）同一直線上にあって長さが等しいアンテナ移動量の組み合わせが４組と、長さが異なるアンテナ移動量の組み合わせが２６組
（Ｄ）成す角が９０°であり長さが等しいアンテナ移動量の組み合わせが８組、長さが異なるアンテナ移動量の組み合わせが８組
（Ｅ）成す角が９０°であり（Ｄ）のアンテナ移動量と船首方向に対する成す角が異なるアンテナ移動量の組み合わせが４組
（Ｆ）成す角が９０°であり（Ｄ），（Ｅ）のアンテナ移動量と船首方向に対する成す角が異なり長さが等しいアンテナ移動量の組み合わせが８組、長さが異なるアンテナ移動量の組み合わせが２８組
図１３は、第２の実施形態に係る姿勢角算出装置の測位アンテナの第３の搬送波位相の観測タイミングを示す図である。

図１３に示す態様では、回転角が４５°毎にアンテナ移動量を算出する態様を示している。この際、測位アンテナ２０１と測位アンテナ２０２は、回転体における中心に対して同じ端部の側に配置されている。また、測位アンテナ２０１と測位アンテナ２０２は交互に１つだけ用いられている。また、測位アンテナ２０１と中心軸ＯＲとの距離Ｌ１と、測位アンテナ２０２と中心軸ＯＲとの距離Ｌ２との比は、√（２）：１である。また、この態様では、時刻の異なる測位アンテナ２０１の搬送波位相と測位アンテナ２０２の搬送波位相を用いたアンテナ移動量も用いている。

この構成では、時刻ｔ０では、測位アンテナ２０１（ｔ０）は中心軸ＯＲから視て船首方向に配置されている。時刻ｔ１では、測位アンテナ２０２（ｔ１）は中心軸ＯＲから視て船首右舷の４５°方向に配置されている。時刻ｔ２では、測位アンテナ２０１（ｔ２）は中心軸ＯＲから視て右舷方向に配置されている。時刻ｔ３では、測位アンテナ２０２（ｔ３）は中心軸ＯＲから視て船尾右舷の４５°方向に配置されている。時刻ｔ４では、測位アンテナ２０１（ｔ４）は中心軸ＯＲから視て船尾方向に配置されている。時刻ｔ５では、測位アンテナ２０２（ｔ５）は中心軸ＯＲから視て船尾左舷の４５°方向に配置されている。時刻ｔ６では、測位アンテナ２０１（ｔ６）は中心軸ＯＲから視て左舷方向に配置されている。時刻ｔ７では、測位アンテナ２０２（ｔ７）は中心軸ＯＲから視て船首左舷の４５°方向に配置されている。

このような構成によって、次のアンテナ移動量の組み合わせを実現できる。図１４は、図１３の態様でのアンテナ移動量の組み合わせ例を示す図である。図１４（Ａ）−図１４（Ｇ）はそれぞれ異なる組み合わせを示している。

（Ａ）互いに平行で長さが等しいアンテナ移動量の組み合わせが１４組と、互いに平行で長さが異なるアンテナ移動量の組み合わせが１６組
（Ｂ）互いに平行で（Ａ）のアンテナ移動量と船首方向に対する成す角が異なり長さが等しいアンテナ移動量の組み合わせが２組と、長さが異なるアンテナ移動量の組み合わせが４組
（Ｃ）互いに平行で（Ａ）、（Ｂ）のアンテナ移動量と船首方向に対する成す角が異なるアンテナ移動量の組み合わせが４組
（Ｄ）成す角が９０°であり長さが等しいアンテナ移動量の組み合わせが２５組、長さが異なるアンテナ移動量の組み合わせが２４組
（Ｅ）成す角が９０°であり（Ｄ）のアンテナ移動量と船首方向に対する成す角が異なるアンテナ移動量の組み合わせが８組
（Ｆ）成す角が９０°であり（Ｄ）、（Ｅ）のアンテナ移動量と船首方向に対する成す角が異なり長さが等しいアンテナ移動量の組み合わせが５組、長さが異なるアンテナ移動量の組み合わせが４組
（Ｇ）同一直線上にあって長さが等しいアンテナ移動量の組み合わせが４組と、長さが異なるアンテナ移動量の組み合わせが１２組
このように、複数の測位アンテナと中心軸ＯＲとの距離の比、搬送波位相を観測する時刻間での回転角度を適宜設定することによって、測位アンテナ数よりも多くのアンテナ移動量を設定することができる。そして、これらのアンテナ移動量は、距離および方向を適宜設定することができる。これにより、さらに高精度で信頼性の高い姿勢角を算出することができる。

上述の第２の実施形態では、測位アンテナを回転体に２個配置する態様を示したが、３個以上であってもよい。

１０，１０Ａ：姿勢角算出装置
２０，２０Ａ：アンテナ装置
３０，３１，３２：測位信号受信部
４０，４０Ａ：姿勢角演算部
２００，２０１，２０２：測位アンテナ

Claims (8)

1. 回転中心から離間され、前記回転中心を中心軸として回動する第１測位アンテナと、
   互いに異なる第１時刻と第２時刻において前記第１測位アンテナで受信した測位信号の搬送波位相を計測する測位信号受信部と、
   前記第１時刻の搬送波位相と前記第２時刻の搬送波位相との位相差から得られるアンテナ移動量を用いて姿勢角を算出する姿勢角演算部と、
   を備える姿勢角算出装置。
2. 請求項１に記載の姿勢角算出装置であって、
   前記姿勢角演算部は、
   前記第１時刻と前記第２時刻との間での前記第１測位アンテナの回転による移動ベクトルをさらに用いて、前記姿勢角を算出する、
   姿勢角算出装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の姿勢角算出装置であって、
   前記回転中心から離間され、前記回転中心を中心軸として回動する第２測位アンテナを備え、
   前記第１測位アンテナと前記中心軸との第１距離と、前記第２測位アンテナと前記中心軸との第２距離は、異なる、
   姿勢角算出装置。
4. 請求項３に記載の姿勢角算出装置であって、
   前記第１距離と前記第２距離との比は、（√３）：１、または、２：１、または、（√２）：１である、
   姿勢角算出装置。
5. 回転中心から離間された第１測位アンテナを、前記回転中心を中心軸として回動させ、
   互いに異なる第１時刻と第２時刻において前記第１測位アンテナで受信した測位信号の搬送波位相を計測し、
   前記第１時刻の搬送波位相と前記第２時刻の搬送波位相との位相差から得られるアンテナ移動量を用いて姿勢角を算出する、
   を有する姿勢角算出方法。
6. 請求項５に記載の姿勢角算出方法であって、
   前記姿勢角の演算には、
   前記第１時刻と前記第２時刻との間での前記第１測位アンテナの回転による移動ベクトルをさらに用いて、前記姿勢角を算出する、
   姿勢角算出方法。
7. 請求項５または請求項６に記載の姿勢角算出方法であって、
   回転中心から離間された第２測位アンテナを、前記回転中心を中心軸として回動させ、
   前記第１測位アンテナと前記中心軸との第１距離と、前記第２測位アンテナと前記中心軸との第２距離は、異なる、
   姿勢角算出方法。
8. 請求項７に記載の姿勢角算出方法であって、
   前記第１距離と前記第２距離との比は、（√３）：１、または、２：１、または、（√２）：１である、
   姿勢角算出方法。

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