JP2018059856A - 姿勢角算出装置、姿勢角算出方法 - Google Patents
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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
【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。
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。
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φ201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φ202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φ201t0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φ202t0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φ201t1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φ202t1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φ201t2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φ202t2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φ201t0と第2時刻t1での搬送波位相φ201t1とを差分して、搬送波位相差Δφ201(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φ202t0と第2時刻t1での搬送波位相φ202t1とを差分して、搬送波位相差Δφ202(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φ201t1と第3時刻t2での搬送波位相φ201t2とを差分して、搬送波位相差Δφ201(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φ202t1と第3時刻t2での搬送波位相φ202t2とを差分して、搬送波位相差Δφ202(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φ201t2と第1時刻t0での搬送波位相φ201t0とを差分して、搬送波位相差Δφ201(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φ202t2と第1時刻t0での搬送波位相φ202t0とを差分して、搬送波位相差Δφ202(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Δφ201(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。
(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。
(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。
(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
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)
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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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-
2016
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