JP2946051B2

JP2946051B2 - ジャイロ装置

Info

Publication number: JP2946051B2
Application number: JP4205990A
Authority: JP
Inventors: 一輝佐藤; 武北條
Original assignee: TOKI METSUKU KK
Current assignee: TOKI METSUKU KK
Priority date: 1990-02-22
Filing date: 1990-02-22
Publication date: 1999-09-06
Anticipated expiration: 2014-09-06
Also published as: JPH03245076A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、船舶、自動車等の航行体の方位角、位置及
び速度等を検出するジャイロ装置に関する。

〔従来の技術〕

従来、船舶等には、周知の如く、方位を計測する装置
として、ジャイロコンパス及び磁気コンパスが有り、如
何なる条件下においても、常に自船の方位を計測し、安
全な航行が可能となるようになされていた。

しかしながら、ジャイロコンパスは、その起動時間が
約１時間以上と長くかかること、また、磁気コンパス
は、地磁気の北を示すことから、その示す方位は真北か
ら偏移しているという欠点を有していた。

近年、これらの欠点を一掃し、常時、船舶等の航行体
の位置を検出するシステムとして、衛星による電波を利
用したGPS（Global Positioning System）航法が提案さ
れている。これは、常時、３個以上の衛星からのデータ
により、三次元的に航行体の位置を計測するものであ
り、衛星の打上げが終了する1990年代には、民間用のコ
ードであるC/Aコードを用いて運用されるものと期待さ
れている。

しかしながら、上記、通常の計測によるGPSの信号処
理においては、航行体の位置が計測できるだけであり、
その位置計測誤差が大きいために方位角を計測すること
はできなかった。これに対し、ディファレンシャルGPS
と称される測量で用いられてきた衛星電波の位相差を計
測する２位置差高精度同時計測法により、航行体の方位
角を算出する手法が発表されている。以下、第２図をも
とに、その計測原理を説明する。

第２図に於て、（１）及び（２）は、例えば船舶等の
航行体（図示せず）に取り付けた受信アンテナであり、
基線長である両アンテナ（１）及び（２）間の距離Ｌ
は、既知であるとする。これらのアンテナ（１），
（２）からの電波は、GPS方位演算部（３）に供給され
ており、以下に述べる演算により航行体の方位角成分ψ
を演出する。

GPS衛星（５）から発信される電波は、L1帯の周波数
約1.5GHz又はL2帯の周波数約1.2GHzのキャリアで伝送さ
れる。民間用として開放されるコードは、C/Aコードの
みであるので、以下では、C/Aコードをもとに説明する
こととする。C/Aコードを用いる場合は、電波はL1帯で
あり、チップレート1.023Mbps,1023bitのデータを受信
することができる。

いま、第２図に示す如く、１つの衛星（５）からの電
波を、アンテナ（１）及び（２）で同時に受信した場合
を考える。この時、衛星（５）の位置とアンテナ
（１），（２）間の距離Ｌにより、アンテナ（１）で受
信した電波とアンテナ（２）で受信した電波との間に
は、第２図に於て、Ｄで示す距離差がある。この距離差
Ｄは、C/Aコードの特定の電波に着目することにより、
その位相差（時間差）として計測することができるか
ら、これに、その電波の波長を乗ずることにより、距離
差Ｄを求めることができる。Ｄが求まれば、Ｌが既知で
あるから、 ψ＝cos^-1（D/L） ……（１）として、観測衛星（５）に対する基線長Ｌ、従って航行
体の方位角ψを求めることができる。なお、本計測にお
いては、必ずしも、受信コードを復調する必要はない。

一方、衛星（５）と受信アンテナ（１），（２）とを
結ぶ線と真北（Ｎ）とのなす方位角θは、以下のように
して求めることができる。即ち、アンテナ（１）で衛星
（５）からの電波を受信した後、少なくとも他の２つ以
上の衛星（図示せず）の電波を受信する。そして、これ
らの受信電波のC/Aコードを復調し、衛星から発信され
た電波の発信時刻と受信時刻とを知ることにより、衛星
からの電波の伝搬時間を求め、それに電波の波長を乗ず
ることにより、衛星からアンテナ（１）、従って航行体
までの距離を求める。一つの衛星から等距離にある位置
は、その距離を半径とする球面上であるから、上記、３
個の衛星からの３個の球面を求め、その交点を求めるこ
とにより、受信アンテナ（１）の位置を決定することが
できる。アンテナ（１）の位置が求まれば、衛星（５）
の位置は既知であるから、アンテナ（１）〜衛星（５）
間位置ベクトルの方向余弦より、方位角θを求めること
ができる。

このアンテナ（１）の位置を求めるための、電波受信
から位置演算のプロセスを実行する要素が、アンテナ
（１）よりの電波を受けるGPS位置演算部（４）であ
り、これよりの位置データ及びアンテナ（１），（２）
よりの受信データを基に、前述のψの演算及び（ψ＋
θ）の演算を行う要素が、GPS方位演算部（３）であ
る。

このようにして、GPS方位演算部（３）で演算された
基線長Ｌ、従って航行体の方位角は（θ＋ψ）となり、
これがディジタル信号として出力される。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上述した従来の衛星を利用した方位角
計測装置では、方位角計測のための演算時間がかかりす
ぎるため、連続的に方位角を計測することができず、こ
のため、例えば船舶が旋回運動を行った場合等には、時
間遅れのために、誤差を生ずるという問題点があった。

また、GPS電波には、その衛星の配置上、計測誤差が
大きくなる領域及び時刻が存在すること、また太陽活動
に起因する磁気異常のため、計測が困難となる場合があ
る等の欠点を有していた。

このため、本発明は、従来の装置の持つ問題点を解決
した新規な方位角計測用のジャイロ装置を提供するもの
である。

〔課題を解決するための手段〕

本発明によるジャイロ装置は、航行体に設置した衛星
からの電波を受信するための２つ以上の受信アンテナ
（1,2）と、アンテナからの受信電波を用いて航行体の
位置及び方位角を演算する手段（4,3）と、航行体のヨ
ー軸を入力軸として航行体に設置した積分形ジャイロ
（10）と、該積分形ジャイロの出力をディジタル信号に
変換するA/D変換器（11）と、該A/D変換器の出力を微分
する微分器（12）と、該微分器の出力を積分する積分器
（14）と、該積分器の出力と上記衛星電波を受信するこ
とにより得られた方位角とを比較する比較手段（AD₁）
と、該比較手段の偏差を補償するための補償手段（16）
と、該補償手段の出力を積分器の入力にフィードバック
する手段と、上記積分器の出力及び上記位置を表示する
表示手段（19）とより構成したものである。

また、上記位置信号より速度を演算する手段（18）
と、これよりの速度及び航行体の位置の軌跡から航跡の
曲率半径を求め、この両者を用いて船体傾斜補正手段
（13）により、方位角の船体傾斜補正を行うとともに、
GPSの演算方位角及び積分形ジャイロの演算方位角の異
常を検出するとともに、誤差増大を抑止する手段（15,1
7）を有する。

〔作用〕

上述した本発明のジャイロ装置によれば、方位角の出
力値は、GPS衛星の方位角演算手段の出力周期値に関係
なく、連続して方位角を計測することができる。このた
め、船舶等の航行体の運動による方位角計測値の時間遅
れもなく、正確に方位角を計測することができる。

また、GPS衛星の方位角演算誤差が増大した場合等に
も、ジャイロの出力値により正確な方位角を測定するこ
とができる。

〔実施例〕

以下、第１図を参照して、本発明の一実施例を説明す
る。尚、第１図は、本発明のジャイロ装置の一例のブロ
ック図である。同図において、第２図と同一要素は、同
一番号を付与してその詳細な説明は省略する。

第１図に於て、（10）は、航行体の一例としての船舶
の船体のヨー軸を入力軸とするよう船体に固定された積
分形ジャイロである。振動ジャイロ（10）は、角度セン
サであり、ジャイロを取付けた物体の慣性空間に対する
角度を検出するものである。第１図の実施例の場合、積
分形ジャイロ（10）の入力軸は船体のヨー軸であるか
ら、積分形ジャイロ（10）の出力は船舶の方位角という
ことができる。この積分形ジャイロ（10）のアナログ出
力は、A/D変換器（11）に供給され、ディジタル値に変
換される。ディジタル変換された積分形ジャイロ（10）
の出力は、微分器（12）に入力され、微分演算が実行さ
れ、角速度出力に変換される。

いま、船舶の旋回運動を考えると、船体は遠心力を受
け、ロール軸方向に傾斜する。この傾斜のために、ジャ
イロ（10）の出力は鉛直軸方向だけでなく、ロール軸方
向の回転誤差を含んだものとなる。この誤差の補正演算
を行う要素が、以下に述べる船体傾斜補正部（13）であ
る。

船体の傾斜角は、船体の重力ベクトル、浮力ベクトル
及び外力（遠心力）ベクトルによって決定される。前二
者は、船体の重量、その形状及び積荷の状態等によって
異なるものの、船体固有量として既知である。したがっ
て、遠心加速度による船体傾斜角は、重力ベクトルと遠
心力ベクトルとの合力が浮力ベクトルと釣り合う角度と
して計算されるから、遠心力ベクトルがわかれば、船体
傾斜角を知ることができる。この遠心力を求めるために
は、船体の旋回半径と速度を知れば良いから、後述のGP
S速度演算部（18）の速度出力と、記憶した航跡値から
曲率半径を算出し、この曲率半径とを用いればよいとい
える。

上述の演算により船体傾斜角αが求まれば、鉛直方向
の角速度は微分器（12）の出力に1/cosαを乗じて求め
ることができる。このように、速度信号及び曲率半径を
もとに、船体傾斜角αを演算し、ジャイロ（10）の出力
値の鉛直方向成分を取り出す演算要素が、上記船体傾斜
補正部（13）である。

上記船体傾斜補正部（13）の出力は、後述のフィード
バック信号と、加算器（AD）で加算され、その加算出力
が積分器（14）に入力される。積分器（14）は、入力で
ある角速度を時間で積分演算を行う要素であり、その出
力は角度（方位角）となる。積分器（14）の出力は、GP
S方位演算部（３）の出力と比較器（AD₁）で比較され
る。

また、船体の船首尾線上に、例えば1mの間隔で設置さ
れた２本のアンテナ（１）及び（２）（第２図参照）に
より受信したGPS衛星からの電波は、GPS位置演算部
（４）及びGPS方位演算部（３）で演算処理され、それ
ぞれ、位置及び方位角を出力する。GPS方位演算部
（３）の出力は、積分形ジャイロ（10）の出力を積分し
た方位角出力と比較器（AD₁）で比較され、その残差が
異常検出処理部（17）に入力される。異常検出処理部
（17）は、上述の残差が異常に大きい場合（例えば５°
以上）には、GPS方位演算部（３）の異常とみなし、フ
ィードバックループの一方である異常検出処理部（17）
の出力を０とし、残差をフィードバックしない処理を行
う要素である。なお、残差が異常に大きくない場合に
は、異常検出処理部（17）の出力は、残差値となる。

異常検出処理部（17）の出力は補償演算部（16）に供
給されている。補償演算部（16）は、例えば比例ゲイン
Ｋで構成されており、前述のジャイロ方位角とGPS方位
演算部（３）の出力方位角との残差を、比例ゲイン倍
（Ｋ倍）する作用を有している。補償演算部（16）の出
力は、積分器（14）の入力側の加算器（AD）に反対符号
で供給される。

上述のようにフィードバック系を構成すると、ジャイ
ロ（10）の出力方位角がGPS方位演算部（３）からの出
力方位角に追従する。したがって、GPS方位演算部
（３）の出力周期が長くなっても、その間、積分形ジャ
イロ（10）の出力による方位角で補間を行うため、常に
連続した正確な方位角を出力することができる。

積分器（14）の出力及びGPS方位演算部（３）の出力
は、他の異常検出処理部（15）に供給されている。この
異常検出処理部（15）は、積分器（14）の出力の時間微
分値が、船体運動能力に比し、異常に大きい場合（たと
えば50°/s）を検出し、この時、積分器（14）の出力を
中止し、GPS方位演算部（３）の出力値を補間して出力
する機能を有する要素である。

なお、積分器（14）の出力の時間微分値が、上述のよ
うに異常に大きくない場合には、異常検出処理部（15）
の出力は、積分器（14）の出力である。この異常検出処
理部（15）の出力は、GPS位置演算部（４）の出力及び
後述のGPS速度演算部（18）の出力とともに、表示部（1
9）に供給されており、方位角、位置及び速度として表
示される。

GPS速度演算部（18）はGPS位置演算部（４）の出力を
入力とし、以下に記載する速度演算を行い、その出力は
船体傾斜補正部（13）及び表示部（19）に供給されてい
る。このGPS速度演算部（18）の演算は、GPS位置演算部
（４）のその時刻の出力値から、演算出力サイクルの１
時刻前の出力値を減じ、これを演算出力サイクル時間で
割ることにより速度計算を行うものである。

以上のように系を構成することにより、船舶等の航行
体の運動に関係なく、またGPSからの衛星電波が受信で
きない環境下となっても、更に系内に異常が生じても、
常に安定した方位角等の諸量を計測することができる。

尚、第１図の例においては、A/D変換器（11）の出力
を微分器（12）に供給したが、微分器（12）の出力をA/
D変換器（11）に入力するようA/D変換器（11）と微分器
（12）との接続順序を入れかえても、全く機能は同一で
ある。

また上記実施例では、衛星をGPS衛星としたが、衛星
はこれに限ることなく、他の測位用衛星、例えばGLONAS
S衛星を用いても良い。

〔発明の効果〕

以上、説明したように、本発明によれば、以下に列挙
する効果が得られる。

（１）船舶等の航行体の方位角を航行体の運動に関係な
く、高精度で連続して得ることができる。

（２）方位角を時間遅れなく計測することができる。

（３）衛星から得られる方位角誤差が増大した場合に
も、連続して高精度な方位角を得ることができる。

（４）方位角のみならず、位置、速度をも正確に計測す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のブロック図、第２図は方位
角の計測原理の説明に供する略線図である。図に於て、（１），（２）は受信アンテナ、（３）はGP
S方位演算部、（４）はGPS位置演算部、（10）は積分形
ジャイロ、（11）はA/D変換器、（12）は微分器、（1
3）は船体傾斜補正部、（14）は積分器、（15），（1
7）は異常検出処理部、（16）は補償演算部、（18）はG
PS速度演算部、（19）は表示部を夫々示す。

フロントページの続き (56)参考文献特開昭64−16910（ＪＰ，Ａ) 特開平２−31108（ＪＰ，Ａ) 特開平３−42059（ＪＰ，Ａ) 実開平３−76112（ＪＰ，Ｕ) 実開平２−21507（ＪＰ，Ｕ) 特公昭59−2870（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01S 3/48 G01S 5/00 - 5/14 G01C 19/38 G01C 21/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】航行体に所定の距離をおいて設置した第１
及び第２の衛星受信アンテナと、該アンテナで受信した
衛星電波を用いて航行体の方位角及び位置をそれぞれ演
算する方位演算手段及び位置演算手段とを有するジャイ
ロ装置において、航行体のヨー軸を入力軸となすように航行体に固定した
積分形ジャイロと、該積分形ジャイロの出力を微分する微分手段と、該微分手段の出力を加算器を経由して入力しそれを積分
する積分手段と、該積分手段の出力と上記方位演算手段より得られる方位
角とを比較して偏差を得る比較手段と、該比較手段からの偏差を補償するための補償手段と、該補償手段の出力を上記加算器の負入力端にフィードバ
ックする手段と、を有することを特徴とするジャイロ装置。
【請求項２】上記衛星は、GPS又はGLONASSであることを
特徴とする特許請求の範囲第１項記載のジャイロ装置。
【請求項３】上記位置演算手段の出力を用いて速度演算
を行うための速度演算手段を設け、該速度演算手段の出
力及び航跡より求める曲率半径とにより、航行体に作用
する遠心加速度を算出し、該遠心加速度により航行体の
傾斜角を推定し、これを補正するための傾斜補正手段を
上記微分手段と上記加算器との間に挿入したことを特徴
とする特許請求の範囲第１項記載のジャイロ装置。
【請求項４】上記比較手段の偏差により、上記方位演算
手段の出力をゼロとする処理手段を、上記比較手段と上
記補償手段との間に設けたことを特徴とする特許請求の
範囲第１項記載のジャイロ装置。
【請求項５】上記積分手段の出力の時間微分値により、
上記積分手段の出力値と上記方位演算手段の出力値とを
切り換えて出力する処理手段を、上記積分手段の出力側
に設けたことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
ジャイロ装置。