JP4169643B2

JP4169643B2 - 移動体通信ナビゲーションシステム

Info

Publication number: JP4169643B2
Application number: JP2003173373A
Authority: JP
Inventors: 敏伸山根
Original assignee: アンテン株式会社
Priority date: 2003-06-18
Filing date: 2003-06-18
Publication date: 2008-10-22
Anticipated expiration: 2023-06-18
Also published as: JP2005009970A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、移動体通信ナビゲーションシステムに関し、さらに詳しくは、通信用アンテナを搭載した移動体のナビゲーション及び通信用アンテナの偏波制御に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、車載用ナビゲーション装置において不可欠である自動車の現在位置を検出する手段は、種々の手段が実用化されているが、大別して、距離センサと角度センサを用いた自立（推測）航法と、衛星からの電波を受信するＧＰＳ（Global Positioning System）受信機を使用する衛星航法とに分けられる。前記自立航法においては、車両に車速センサと地磁気方位センサや旋回角センサ等を設けることにより、車両の走行距離と方位とを検出して地図上の車両位置を得る。車速センサは車輪等の単位時間内の回転数を検出するパルスセンサが主であり、移動距離を計測して出力する。地磁気方位センサとしてはリング状のコアに一次コイルを捲き、その上に二つのコイルを直交する位置に捲いたフラックスゲートセンサが多く用いられている。そして、これらの検出手段の出力データはデータ処理部に入力され、データ処理部に備える位置計算部によって車両位置、方位を計算し、地図画像描画部が地図データ記憶部から読み出したその地域の地図画像とともに、表示部に車両の現在位置を描画し表示する。
【０００３】
しかし、車両の周囲に外乱磁界が存在する場合、その外乱磁界によって本来の方位ではない誤差を含んだ方位が示されることがあり、このような場合、自車位置が道路から外れて表示されてしまうことがあり、正確なナビゲーションが行われないという問題がある。これを解決する従来技術として特開平９−４２９８２号公報には、自立航法の車載用ナビゲーション装置において、外乱磁界がある場合にも、自車位置を正確に検出し表示する技術について開示されている。それによると、方位センサには３軸のフラックスゲートセンサと振動ジャイロセンサ等のジャイロセンサとを用い、これらと車速センサの出力をナビゲーションコントローラに入力し、車両位置計算部によって位置を計算し、地図データ記憶部から地図画像描画部が読み出した地図画像とともに、自車位置をディスプレイ装置に表示する。車両位置計算部は二つの方位センサの検出出力が一致した回転角を検出した場合には外乱磁界はないと判断し、３軸フラックスゲートセンサの出力を採用するが、ジャイロセンサからの出力がなく、フラックスゲートセンサからの出力のみの場合には外乱磁界と判断して無視し、また、二つの方位センサの検出出力が不一致の回転角を検出した場合には外乱磁界ありと判断し、ジャイロセンサの出力を用いて自車位置を算出するとしている。
【０００４】
また、ＧＰＳなどの測位用衛星を用いた測位システムにおいては、各測位用衛星からの送信電波に航法メッセージが重畳されている。航法メッセージは、衛星の軌道情報、衛星上の時計の補正値、電離層の補正係数などから成り、特に各衛星から共通に放送される情報として全ＧＰＳ衛星の概略の軌道情報（以下、アルマナックと記す。）を含んでいる。アルマナックは１主フレームに１衛星または２衛星ずつ、２５フレームからなるマスターフレームで全部で３２衛星の軌道情報を含んでいる。受信機側では、航法メッセージから上記アルマナックを抽出し、現在何番の衛星がどの方向に見えるかの概略を知り、電波のドップラー周波数を推定し、受信機内部のＣ／Ａコード発生器（擬似雑音符号発生回路）の準備をするために用いる。
【０００５】
しかし、前記アルマナックを取得していない状態、いわゆるコールドスタート時には、全衛星の概略軌道情報の無い状態で、全ての衛星について、順にサーチを行う必要がある。ところが、従来の測位用受信機では、複数の受信チャンネルを持っているものの、受信チャンネル数が限られているため、チャンネルを順次切り替えて、サーチすべき衛星を順に割り当てるようにしていた。そのため、コールドスタート後、或る衛星からの電波のサーチに成功するまでに長時間を必要とするという問題があった。これを解決する従来技術として特開２００２−７１７７９公報には、コールドスタート時においても、測位用衛星の軌道情報を直ちに求めて、最初の測位が可能となるまでの時間を短縮化し、起動後速やかに移動体の方位および姿勢を求められるようにしたコンパスの構成について開示されている。それによると、３つのＧＰＳアンテナ毎に設けた３つのＧＰＳ受信機における各受信信号処理部（受信チャンネル）に対して、アルマナックの未取得状態でのコールドスタート時に、全衛星のサーチおよび追尾を行うように、ホスト装置が衛星番号の割り当てを行う。これにより、速やかにアルマナックを取得し、最初の測位結果を得るまでの時間を大幅に短縮化するとしている。
【特許文献１】
特開平９−４２９８２号公報
【特許文献２】
特開２００２−７１７７９公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１は、フラックスゲートセンサとジャイロセンサの信号を比較して、どちらの信号を方位信号として採用するかを判断するものであり、この他に車速センサを必要とし、いずれにしても３つのセンサを必ず必要とするため、コスト的に高くなる問題がある。また、あくまでも自立（推測）航法であるために、ある程度の誤差を覚悟しなければならない。
また、特許文献２は、トンネル内を車両が通過する場合や、障害物により衛星を捕捉できない場合（コールドスタート時）の再捕捉時間を短縮化する技術であり、これを実現するためにアンテナ毎に個別に受信チャネルを設ける必要がある。しかし、再捕捉時間を短縮化することはできるが、並列にチャネルを受信して処理するため、ハードウェアが大型化して部品コストが高くなるといった問題がある。
【０００７】
このように、従来の自立（推測）航法は、地球上のあらゆる場所において簡易に方位を検出することはできるが、外乱磁気の影響を受けやすいといった弱点がある。一方、衛星航法は、外乱磁気の影響は受けないが、トンネルや障害物によるアルマナック未取得が発生すると、衛星の再捕捉まで時間がかかるといった弱点がある。このように、両航法には夫々一長一短があり、両航法を組合わせた車載用のナビゲーションシステムを備えた通信用アンテナを搭載した車両はなく、またそのアンテナの偏波制御を行う技術についても存在しない。
本発明は、かかる課題に鑑み、自立（推測）航法と衛星航法が持つ夫々の弱点を互いに補完して、簡易な方法により車載用のナビゲーションを正確に行うことが可能な移動体通信ナビゲーションシステムを提供することを目的とする。
また、他の目的は、前記移動体通信ナビゲーションシステムにより得られた移動体の方位に基づいて、通信用アンテナを通信衛星に正確に向けることが可能な通信用アンテナの偏波制御方法を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明はかかる課題を解決するために、請求項１は、複数の測位用衛星からの送信電波を受信して移動体の受信点における測位を求めるＧＰＳコンパスと、地球の地磁気から移動体の方位を求める磁気方位センサと、前記移動体の水平に対する傾斜角度を求める傾斜角度検出計と、通信衛星からの電波を受信、若しくは前記移動体からの電波を送信する通信用アンテナと、該通信用アンテナの方位角を設定する方位角設定手段と、前記通信用アンテナの仰角を設定する仰角設定手段と、前記通信衛星からの電波の偏波面を合わせる偏波角設定手段と、前記磁気方位センサへの校正データを記憶する記憶手段と、前記全ての構成要件を制御する制御手段と、を備え、前記移動体の所定の場所に、所定の回転方向に回転する構造を有する架台を備え、該架台上に前記通信用アンテナ及び複数のＧＰＳアンテナを備え、前記通信用アンテナは折りたたみ自在な構成であり、収納時は前記複数のＧＰＳアンテナの電波到来方向を遮らないように収納され、
前記制御手段は、前記通信用アンテナの方位角及び仰角を設定する際、前記通信用アンテナが収納時に前記ＧＰＳコンパスにより前記架台の方位を検出し、該方位と絶対角との差に対応する角度だけ前記架台を回転することを特徴とする。
まず、方位とは非測定物が進行する方向をいい。測位とは非測定物の地球上の現在位置を言う。従って、測位を計測するためには、当然方位データも判明していることが前提である。本発明では、測位用衛星が捕捉できない場合のバックアップ用として、磁気方位センサを準備する。しかし、この磁気方位センサは車両の磁化及び周辺環境の外乱磁気の影響を受けるため、その精度はＧＰＳコンパスに比較して悪くなる。そこで本発明では、磁気方位センサとＧＰＳコンパスのデータを常に比較して、磁気方位センサの校正データを生成して方位データを補正するものである。
また、ＧＰＳコンパスと通信用アンテナを同一の架台に設置し、架台の方位をＧＰＳコンパスにより決定し、絶対角からのずれを演算して、そのずれ分架台を回転することにより角度を設定するものである。
また、通信用アンテナは一般的には、撮影現場に到着してその場所から通信衛星を捕捉して通信を行う。従って、車両が移動中は通信アンテナは必要ない場合が多い。そのため、通信用アンテナは折りたたみ自在な構成であり、使用しないときは収納されている。しかし、ＧＰＳコンパスは常に作動しているため通信用アンテナがＧＰＳコンパスの電波の到来を遮らないように設置されなければならない。
また、通信用のアンテナと通信衛星の電波の偏波面を合わせるために、偏波制御が必要である。つまり、通信用アンテナの方位角と仰角を正確に設定することである。車両が通信すべき現場に到着して前記の偏波制御を行うわけであるが、まず、車両の方位はＧＰＳコンパスにより決定している。その方位データから通信衛星と通信用アンテナのずれ角、つまり、絶対角度とのずれが計算される。その計算結果から架台を回転するモータを何回転すればよいかが割り出されて、例えば、パルスモータであればそのパルス数がモータに供給される。
かかる発明によれば、磁気方位センサとＧＰＳコンパスのデータとを常に比較して、最新の校正データを生成するので、磁気方位センサを使用した場合でも、外乱磁気による影響を補正して、高精度に方位検出をすることができる。
また、ＧＰＳコンパスと通信用アンテナを同一の架台に設置して、絶対角とのずれを架台の回転することにより設定でき、方位角センサを必要とせず、コストダウンを行うことができる。
また、通信用アンテナをＧＰＳアンテナの電波到来方向を遮らないように収納されるので、同じ架台上にコンパクトに両方のアンテナを設置することができる。
また、通信用アンテナの偏波制御を行う場合、絶対角に等しい量だけ架台を回転することにより方位角の設定ができるので、方位角センサを必要とせず、簡易な制御で偏波制御を行うことができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
図１は本発明の実施形態に係る移動体通信ナビゲーションシステムの制御系のブロック図である。この制御系は、図示しない通信衛星とのデータの授受を行なう通信用アンテナ（パラボラアンテナ）１と、この通信用アンテナ１に接続され、電波を導く導波管２と、導波管内の電波の偏波面を合わせる偏波角度調整器５と、それを駆動するモータ３と、導波管２からの電波の周波数を変換するローノイズコンバータ４と、ローノイズコンバータ４により変換された周波数を更に低周波数に変換するダウンコンバータ６と、通信用アンテナ１のアジマス角度を検出するＡＺ角度検出器７と、通信用アンテナ１の仰角を検出するＥＬ角度検出器８と、通信用アンテナ１をアジマス方向に駆動するモータ１１と、通信用アンテナ１を仰角方向に駆動するモータ１０と、図示しない複数の測位用衛星からの送信電波を受信して車両の方位又は姿勢を求めるＧＰＳコンパス１３と、地球の地磁気から車両の方位を求める磁気方位センサ１２と、車両の水平に対する傾斜角度を求める傾斜角度検出計１４と、これら全ての制御を司るアンテナコントローラ９と、を備えて構成される。
また、アンテナコントローラ９は、操作内容及び操作結果等を表示する表示部９ａと、操作のためのスイッチ類を備えた操作スイッチ９ｂと、モータ１０を駆動するための電力を供給するモータドライバ９ｃと、モータ１１を駆動するための電力を供給するモータドライバ９ｄと、偏波角度調整器５を駆動する偏波ドライバ９ｅと、ダウンコンバータ６により変換された電波から通信用信号を復調する信号処理復調器９ｆと、プログラムにより制御されるＣＰＵ９ｇと、磁気方位センサ１２の方位データを校正したデータを記憶する不揮発性メモリ９ｈと、を備えて構成される。尚、各構成要素間の接続状態は図では省略してある。そして、これらの全てが図示しない移動体（車両）に搭載され、当該車両の方位及び通信用アンテナの偏波制御を行って、通信衛星を介して地上局との通信を行うシステムである。
【００１４】
次に、本発明の移動体通信ナビゲーションシステムの方位検出について図２を参照して説明する。本実施形態では、移動体として車両に限定して説明する。図２は、車両３６に磁気方位センサ１２、ＧＰＳコンパス１３及び通信用アンテナ１が搭載され、車両３６が移動中に例えば、車両が（Ａ）地点にいる場合は、磁気方位センサ１２により得られた出力データは、図１のＣＰＵのデータ処理部に入力され、データ処理部に備える位置計算部によって車両位置、方位を計算し、地図画像描画部が地図データ記憶部から読み出したその地域の地図画像とともに、表示部９ａに車両の現在位置を描画し表示する。しかし、車両の周囲に外乱磁界が存在する場合、その外乱磁界によって本来の方位ではない誤差を含んだ方位が示されることがあり、このような場合、車両３６の位置が道路から外れて表示されてしまうことがあり、正確なナビゲーションが行われない虞がある。そこで本発明では、ＧＰＳコンパス１３により、各測位用衛星３０、３１からの送信電波を受信する。この送信電波には航法メッセージが重畳されており、衛星の軌道情報、衛星上の時計の補正値、電離層の補正係数などから成り、特に各衛星から共通に放送される情報として全ＧＰＳ衛星のアルマナックを含んでいる。受信機側では、航法メッセージから上記アルマナックを抽出し、現在何番の衛星がどの方向に見えるかの概略を知り、電波のドップラー周波数を推定し、受信機内部のＣ／Ａコード発生器（擬似雑音符号発生回路）の準備をするために用いる。尚、ＧＰＳコンパスによる航法は公知であるので、ここでは詳細な説明は省略する。本発明ではこのＧＰＳコンパス１３のデータと磁気方位センサ１２のデータを常に比較し、ＣＰＵ９ｇにより磁気方位センサ１２への校正データを生成して不揮発性メモリ９ｈに記憶する。これにより、外乱磁気による磁気方位センサ１２の誤差を補正して、より正確な方位データを得ることができる。尚、図では通信用アンテナ１が収納されていないが、移動中はＧＰＳコンパス１３の電波到来を邪魔しない位置に収納される。
【００１５】
次に、車両３６がトンネル３５に進入した場合が（Ｂ）地点である。この場合は、測位用衛星からの電波を捕捉することができないので、ＧＰＳコンパス１３を使用することができない。本発明では、測位用衛星３０、３１を捕捉可能な（Ａ）地点で、磁気方位センサ１２の誤差を補正しているので、その補正値によりトンネル３５内では磁気方位センサ１２のみで方位を測定する。この場合、特に、車両の磁化による誤差はトンネル３５に入る前に常に補正されているので、その補正値をそのまま利用しても、方位データに関しては大きな誤差は生じない。次に、車両３６がトンネル３５から出た場合が（Ｃ）地点である。この場合は、測位用衛星３２、３３からの電波を受信することはできるが、一旦、測位用衛星を捕捉できなくなった場合、再び補足するには多くの時間を要する。そして、例えば、車両３５が（Ｃ）地点で通信衛星３４と通信を行う場合、通信衛星３４からの電波の偏波面を合わせる偏波制御が必要である。この偏波制御を行うためには、車両の正確な測位データを必要とする。しかし、測位用衛星３２、３３を再捕捉するために時間がかかり、即座に偏波制御を行うことができない。そこで本発明では、トンネル３５に進入する直前の測位データを図１の不揮発性メモリ９ｈに保持しておき、その測位データを使用して通信用アンテナ１の偏波制御を行うものである。ここで、不揮発性メモリ９ｈに保持している測位データで偏波制御を行っても運用上支障がない理由は、移動距離６０Ｋｍの範囲で一度ＧＰＳを受信できれば、ＸＰＤ３５ｄＢを確保することができ、ＵＡＴに必要なＸＰＤ３０ｄＢを確保するためには、１４０Ｋｍの移動中に一度ＧＰＳが受信できれば問題ない。例えば、国内最長の青函トンネルの場合で全長５３．９Ｋｍであるので、国内ではどのような状況でもＸＰＤ３５ｄＢを確保することができるためである。
【００１６】
ここで、偏波制御について説明する。偏波制御を行うためには基本的には車両を停止して、ＧＰＳコンパスにより得られた車両の受信点の測位から測定する。このとき、車両にはＧＰＳアンテナが固定され、通信用アンテナ１は可動できるようになっている。そのため、ＧＰＳコンパスにより得られた方位は車両の方位であり、絶対角に対してどの位ずれているかを計算し、更に通信用アンテナ１の向きが車両に対して何度回転しているかを計算し、両方の計算結果から絶対角に対するずれを計算して、そのずれ分だけ通信用アンテナ１を回転しながらＡＺ角度検出器７で角度を検出して方位角を決定する。その後、仰角を微調整して偏波角度調整器５により偏波制御する。
図３は本発明の他の実施形態に係る移動体通信ナビゲーションシステムの制御系のブロック図である。同じ構成要素には同じ参照番号が付されているので、重複する説明は省略する。図３が図１と異なる点は、ＡＺ角度検出器７を削除して架台１５に通信用アンテナ１と、後述するＧＰＳコンパス１３のＧＰＳアンテナを搭載した点である。
【００１７】
図４は本発明の架台に搭載された通信用アンテナ及びＧＰＳアンテナの構成を示す図であり、（ａ）が上面図、（ｂ）が側面図である。この実施形態では、図示しないモータにより回転自在な架台１５と、その架台１５上に固定され各アンテナを支持する支持台１７と、通信衛星からの電波を受信したり、車両からの電波を通信衛星に送信する通信用アンテナ１と、この通信用アンテナ１を折りたたみ自在にするための支点軸１６と、３つのＧＰＳアンテナ１３ａ、１３ｂ、１３ｃとを備えて構成される。図４では、通信用アンテナ１が収納時は点線の位置であり、通信中は実線の位置にあるものとする。
本発明では、車両の測位データを測位衛星より受信する場合は、３つのＧＰＳアンテナ１３ａ、１３ｂ、１３ｃの各位相差を検出して測位を測定するため、通信用アンテナ１が実線のように立ち上がっていると、例えば、ＧＰＳアンテナ１３ａと１３ｃで測位衛星からの電波を受信しようとすると、通信用アンテナ１が邪魔になり、電波を受信できない可能性がある。当然、ＧＰＳアンテナ１３ｂの場合も同様な問題が発生する。そこで本発明では、車両の測位データを受信する場合は、通信用アンテナ１を点線のように収納しておき、ＧＰＳアンテナに到来する電波を遮らないようにする。そして、車両の測位が決定したら初めて通信用アンテナ１を実線のように倒立させ、その後図３の仰角を微調整して偏波角度調整器５により偏波制御する。
【００１８】
図５は本実施形態の架台１５による偏波制御を説明する図である。図１の実施形態では、通信用アンテナのみ回転する構成であったが、本実施形態では、架台１５に通信用アンテナ１とＧＰＳアンテナ１３ａ、１３ｂ、１３ｃを搭載している。従って、通信用アンテナ１と各ＧＰＳアンテナの相対位置は不変であり、ＧＰＳコンパスにより車両の測位を計測した場合、例えば、方位１８に対して絶対的な方位１９に対して通信用アンテナ１とＧＰＳアンテナは角度αずれていたとすると、架台１５を角度α分回転させれば、通信衛星２０に通信用アンテナ１が正確に向くことになる。図１の実施形態では、角度の計算と、ＡＺ角度検出器７による検出が必要であったが、本実施形態では、ずれ角αがわかればその角度分架台１５を回転させれば良く、モータの回転数と回転角度を予め求めておけば、モータの回転数のみで回転角を求めることができ、ＡＺ角度検出器７が不要になる。
【００１９】
【発明の効果】
以上記載のごとく請求項１の発明によれば、磁気方位センサとＧＰＳコンパスのデータとを常に比較して、最新の校正データを生成するので、磁気方位センサを使用した場合でも、外乱磁気による影響を補正して、高精度に方位検出をすることができる。
また、ＧＰＳコンパスと通信用アンテナを同一の架台に設置して、絶対角とのずれを架台の回転することにより設定でき、方位角センサを必要とせず、コストダウンを行うことができる。
また、通信用アンテナをＧＰＳアンテナの電波到来方向を遮らないように収納されるので、同じ架台上にコンパクトに両方のアンテナを設置することができる。
また、通信用アンテナの偏波制御を行う場合、絶対角に等しい量だけ架台を回転することにより方位角の設定ができるので、方位角センサを必要とせず、簡易な制御で偏波制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る移動体通信ナビゲーションシステムの制御系のブロック図である。
【図２】本発明の移動体通信ナビゲーションシステムの方位検出について説明する図である。
【図３】本発明の他の実施形態に係る移動体通信ナビゲーションシステムの制御系のブロック図である。
【図４】本発明の架台に搭載された通信用アンテナ及びＧＰＳアンテナの構成を示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図である。
【図５】本発明の実施形態の架台１５による偏波制御を説明する図である。
【符号の説明】
１通信用アンテナ、２導波管、４ローノイズコンバータ、５偏波角度調整器、６ダウンコンバータ、７ＡＺ角度検出器、８ＥＬ角度検出器、９アンテナコントローラ、１２磁気方位センサ、１３ＧＰＳコンパス、１４傾斜角度検出計

Claims

複数の測位用衛星からの送信電波を受信して移動体の受信点における測位を求めるＧＰＳコンパスと、地球の地磁気から移動体の方位を求める磁気方位センサと、前記移動体の水平に対する傾斜角度を求める傾斜角度検出計と、通信衛星からの電波を受信、若しくは前記移動体からの電波を送信する通信用アンテナと、該通信用アンテナの方位角を設定する方位角設定手段と、前記通信用アンテナの仰角を設定する仰角設定手段と、前記通信衛星からの電波の偏波面を合わせる偏波角設定手段と、前記磁気方位センサへの校正データを記憶する記憶手段と、前記全ての構成要件を制御する制御手段と、を備え、
前記移動体の所定の場所に、所定の回転方向に回転する構造を有する架台を備え、該架台上に前記通信用アンテナ及び複数のＧＰＳアンテナを備え、
前記通信用アンテナは折りたたみ自在な構成であり、収納時は前記複数のＧＰＳアンテナの電波到来方向を遮らないように収納され、
前記制御手段は、前記通信用アンテナの方位角及び仰角を設定する際、前記通信用アンテナが収納時に前記ＧＰＳコンパスにより前記架台の方位を検出し、該方位と絶対角との差に対応する角度だけ前記架台を回転することを特徴とする移動体通信ナビゲーションシステム。