JP4289767B2

JP4289767B2 - 偏位計測装置、偏位速度計測装置、偏位計測方法および偏位速度計測方法

Info

Publication number: JP4289767B2
Application number: JP2000203466A
Authority: JP
Inventors: 健二井澗
Original assignee: Furuno Electric Co Ltd
Current assignee: Furuno Electric Co Ltd
Priority date: 2000-07-05
Filing date: 2000-07-05
Publication date: 2009-07-01
Anticipated expiration: 2020-07-05
Also published as: JP2002022816A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ＧＰＳ衛星等の測位用衛星から送信される電波を移動体上で受信して、移動体の偏位量または偏位速度を計測する装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば測深機によって海底深度や海底地形を計測する船舶においては、船舶の鉛直方向の動揺による影響を受けずに計測を行うために、船舶の鉛直方向の変化を計測するヒーブ計が利用されている。このヒーブ計には鉛直方向の加速度を検出する加速度センサが設けられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来のヒーブ計のように、加速度を検出する加速度センサの出力信号を二重積分して、移動体の偏位を計測するものでは、高価で高精度な加速度センサを必要とし、移動体の偏位量の計測誤差は加速度センサの精度に大きく左右されてしまう。また、積分に伴う誤差の累積が生じるため、長周期で動揺する移動体の偏位を高精度に計測するのは困難であった。
【０００４】
そこで、このような加速度センサを用いないで、ＧＰＳを利用することが考えられる。例えば、キャリア位相の相対測位を行うＲＴＫ（リアルタイムキネマティック測位）方式で受信点の高さを求めれば、これをヒーブ計の代わりに用いることができる。
【０００５】
しかし、ＧＰＳを用いてＲＴＫ方式で計測を行うには、陸上に基準局を設ける必要があり、そのサービスエリアも基準局から約２０ｋｍ程度であり、陸上からそれ以上離れた地点での計測はできない。なお、ＧＰＳのコードディファレンシャル方式であればサービスエリアは広がるが、高い測位精度が得られない。
【０００６】
この発明の目的は、加速度センサによるドリフトの問題を解消し、基準局を不要とし、かつ移動体の偏位量または偏位速度を高精度に計測できるようにした偏位計測装置および偏位速度計測装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明の偏位計測装置および偏位計測方法は、たとえばＧＰＳ衛星等の測位用衛星から送信された電波を受信して、その電波に重畳されている、たとえばＣ／Ａコード等のコード位相から受信点の位置を求め、前回の観測時から今回の観測時までの観測周期における前記電波のキャリア位相変化量ＤＲを観測する。また、測位された受信点の位置に対する測位用衛星の移動による上記観測周期におけるキャリア位相の変化分ＤＲａと、前記測位用衛星から送信された電波に重畳されている航法メッセージ中のＧＰＳ時刻補正係数から算出した、観測周期の１周期の間における衛星が備える基準発振器のドリフトによって生じるキャリア位相変化分ＤＲｂとを、前記観測によるキャリア位相の変化量ＤＲから差し引いて、受信点の移動に伴うキャリア位相の変化量ＤＲ′を求め、４つ以上の測位用衛星について求めた上記キャリア位相の変化量ＤＲ′から、観測周期における受信点の偏位量を求め、観測周期における受信点の偏位量を積算して受信点の積算偏位量を求めることを特徴としている。
【０００８】
また、この発明の偏位速度計測装置および偏位速度計測方法は、前記観測周期における受信点の偏位量から単位時間当たりの受信点の偏位量すなわち移動体の偏位速度を求めることを特徴としている。
【０００９】
このように各測位用衛星から送信された電波のキャリア位相の変化量を利用して、受信点から各衛星までの距離の変化量を求め、この距離の変化量と受信点から各衛星を見た方向余弦とに基づいて、移動体の３次元方向の偏位量およびその偏位速度を計測する。
【００１０】
この発明によれば、従来の加速度センサを必要としないため、小型・低コスト化が図れる。また、大きな累積誤差が生じることがなく、高精度な計測が可能となる。また、基地局が不要であるので、システム全体が大掛かりにはならず、サービスエリアの制限もなくなる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
この発明の実施形態に係る移動体の偏位計測装置・偏位速度計測装置の構成を図１および図２を参照して説明する。
図１は装置全体の構成を示すブロック図である。図１において、１はＧＰＳアンテナ、２はＧＰＳアンテナ１からの信号を中間周波信号ＩＦに変換するダウンコンバータ、３はこの中間周波信号を信号処理して、Ｃ／Ａコード位相およびキャリア位相の情報を求める受信信号処理部である。また、４は受信信号処理部３の制御によって得た情報を基に受信点の偏位量および偏位速度を求める測位演算部である。
【００１２】
ダウンコンバータ２は、基準周波数信号を発生する基準発振器２１と、その基準周波数信号とのミキシングにより周波数変換し、さらに所定ビット数のディジタルデータに変換する、ミキサ、アンプ、フィルタおよびＡ／Ｄコンバータ等を含む回路２２とから構成している。
【００１３】
受信信号処理部３は、Ｃ／Ａコード発生器、そのコード位相を数値制御するコードＮＣＯ、所定のコード位相のずれを有する３つのＣ／Ａコードと入力信号とを乗算し、それらの値をそれぞれ積分することによって相関を求める相関器を備えている。測位演算処理部４は、これらの相関結果からＣ／Ａコード位相を求めるとともに、その追尾を行う。また、受信信号処理部３は、位相が０°と９０°のキャリア信号を発生するキャリアＮＣＯ、このキャリア信号と入力信号との乗算を行い、それぞれの結果を積分することによって相関を求める相関器を備えている。また、受信信号処理部３は、入力信号のキャリア位相の修正量（追尾量）を積算カウントする位相カウンタを備えていて、これによりキャリア位相を求めるとともに、その追尾を行う。
【００１４】
測位演算部４は、ＣＰＵ４１、ＲＯＭ４２、ＲＡＭ４３、ＲＴＣ（リアルタイムクロック）４４、外部へデータを出力するためのインタフェース４５、および受信信号処理部３に対してデータを入出力するためのインタフェース４６を備えている。この測位演算部４は、受信信号処理部３で求められたコード位相に関する相関値からコードＮＣＯの位相を制御し、キャリア位相に関する相関値からキャリアＮＣＯの周波数を制御することによって、Ｃ／Ａコード位相およびキャリア位相の追尾を行う。また、上記キャリア位相の積算カウント値を読み取って、観測周期における、波長の端数に相当する位相角を含めた波数の変化分（キャリア位相変化量ＤＲ）を求める。
【００１５】
また、後述するように、受信点（ＧＰＳアンテナ１の中心）の３次元の偏位量およびその偏位速度を算出し、これを外部へ出力する。
【００１６】
図２は測位演算部４の処理手順を示すフローチャートである。
まず、現在追尾中の複数の衛星についてのコード位相を基に単独測位を行う（ｎ１）。この単独測位による受信点位置は、受信点から各衛星への方向余弦を求めるために用いる。次に、受信信号処理部３で求められたキャリア位相の修正量（追尾量）の積算カウント値を読み取り、前回の値との差をキャリア位相変化量ＤＲとして求める（ｎ２→ｎ３）。続いて、前回の観測時から今回の観測時までの観測周期における衛星の移動によって生じるキャリア位相の変化分ＤＲａを算出する（ｎ４）。具体的には、受信点の位置と前回観測時の衛星の位置および今回観測時の衛星の位置とから逆算する。また、各衛星が備える基準発振器のドリフトによるキャリア位相変化分ＤＲｂを航法メッセージ中のＧＰＳ時刻補正係数から算出する（ｎ５）。そして上記キャリア位相変化量ＤＲから、衛星移動によるキャリア位相変化分ＤＲａと衛星の基準発振器のドリフトによるキャリア位相の変化分ＤＲｂとを差し引いて、受信点の移動に伴うキャリア位相の変化量ＤＲ′を求める（ｎ６）。
【００１７】
その後、４つ以上の各衛星について求めたＤＲ′と各衛星の現在位置とから、受信点から各衛星までの距離変化をそれぞれ求め、これらの距離変化と、受信点から各衛星への方向余弦とから方程式を立て、受信点の３次元方向の偏位量を求める。すなわち、方向余弦の逆行列と、受信点−衛星間の距離変化量の行列との積で求める。尚この時、４つ目の未知数は受信機の基準発振器のドリフトとして求められる（ｎ７）。この受信点の偏位量は、前回の観測時から今回の観測時までの偏位量であるので、この偏位量をこれまでの積算値に積算することによって、積算偏位量を求め、これを出力する（ｎ８）。また観測周期の間での受信点の偏位量から、１秒当たりの偏位量を求め、これを秒速の偏位速度として出力する（ｎ９）。
【００１８】
その後はステップｎ１の処理へ戻り、以上の処理を所定の観測周期ごとに繰り返す。たとえば０．２秒ごとに繰り返すことによって、０．２秒周期で受信点の積算偏位量および偏位速度を求める。
【００１９】
この実施形態によれば、キャリア位相の変化量から受信点の偏位量を求め、これを単独測位結果とは独立に偏位量を積算して、受信点の積算偏位量を順次求めるようにしたので、或る平均的な位置を中心として受信点が往復動するような場合に、累積誤差が小さく抑えられる。
【００２０】
例えば波浪による船舶の上下動を観測する場合、従来の加速度センサを用いたヒーブ計では、２０秒間で約３０％の位置誤差が生じ、２０秒を超える長周期的な変化の検出には不向きであった。これに対し、本願発明によれば、たとえば１分程度積算を継続しても、±５ｃｍ程度の測位精度が得られる。すなわち１分程度の長周期的な上下動も観測可能となる。
【００２１】
また、従来の加速度センサを用いたものでは、数百万円という高価なものとなっていたが、本願発明によれば、ＧＰＳ受信機と測位演算部だけでよいので、全体が数万円程度で構成できる。
【００２２】
なお、本願発明はヒーブ計以外にも、同様にして、船舶のローリングを計測することもできる。また一般に、例えば下端部が固定されているポール状部材の上端部の運動、振り子状部材の運動、シーソー状に揺動する部材の運動などを計測する場合にも同様に適用でき、同様の作用効果を奏する。
【００２３】
【発明の効果】
この発明によれば、加速度センサを必要としないため、大きな累積誤差が生じることがなく、高精度な計測が可能となる。また、基準局が不要であるので、システム全体が大掛かりにはならず、サービスエリアの制限も生じない。
【００２４】
また、各観測時での偏位量の計測精度を高めることができるので、偏位量を積算することによって生じる累積誤差が抑えられる。特に、受信点が往復動するような場合に、累積誤差が全体に打ち消されるので、長周期的な運動も高精度に計測できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】偏位計測装置・偏位速度計測装置の構成を示すブロック図
【図２】同装置の測位演算部における処理手順を示すフローチャート
【符号の説明】
１−ＧＰＳアンテナ

Claims

測位用衛星から送信された電波を受信して、当該電波に重畳されているコードの位相から受信点の位置を求める測位手段と、
前回の観測時から今回の観測時までの観測周期における前記電波のキャリア位相変化量ＤＲを観測する手段と、
前記測位手段により求められた受信点の位置に対する測位用衛星の移動による、前記観測周期におけるキャリア位相の変化分ＤＲａと、前記測位用衛星から送信された電波に重畳されている航法メッセージ中のＧＰＳ時刻補正係数から算出した、観測周期の１周期の間における衛星が備える基準発振器のドリフトによって生じるキャリア位相変化分ＤＲｂとを、前記観測によるキャリア位相の変化量ＤＲから差し引いて、前記受信点の移動に伴うキャリア位相の変化量ＤＲ′を求める手段と、
４つ以上の測位用衛星について求めた前記キャリア位相の変化量ＤＲ′から、前記観測周期における受信点の偏位量を求める手段と、
前記観測周期における受信点の偏位量を積算して積算偏位量を求める手段とを備えた偏位計測装置。
測位用衛星から送信された電波を受信して、当該電波に重畳されているコードの位相から受信点の位置を求める測位手段と、
前回の観測時から今回の観測時までの観測周期における前記電波のキャリア位相変化量ＤＲを観測する手段と、
前記測位手段により求められた受信点の位置に対する測位用衛星の移動による、前記観測周期におけるキャリア位相の変化分ＤＲａと、前記測位用衛星から送信された電波に重畳されている航法メッセージ中のＧＰＳ時刻補正係数から算出した、観測周期の１周期の間における衛星が備える基準発振器のドリフトによって生じるキャリア位相変化分ＤＲｂとを、前記観測によるキャリア位相の変化量ＤＲから差し引いて、前記受信点の移動に伴うキャリア位相の変化量ＤＲ′を求める手段と、
４つ以上の測位用衛星について求めた前記キャリア位相の変化量ＤＲ′から、前記観測周期における受信点の偏位量を求める手段と、
前記観測周期における受信点の偏位量から単位時間当たりの受信点の偏位量を求める手段とを備えた偏位速度計測装置。
測位用衛星から送信された電波を受信して、当該電波に重畳されているコードの位相から受信点の位置を求め、
前回の観測時から今回の観測時までの観測周期における前記電波のキャリア位相変化量ＤＲを観測し、
前記測位手段により求められた受信点の位置に対する測位用衛星の移動による、前記観測周期におけるキャリア位相の変化分ＤＲａと、前記測位用衛星から送信された電波に重畳されている航法メッセージ中のＧＰＳ時刻補正係数から算出した、観測周期の１周期の間における衛星が備える基準発振器のドリフトによって生じるキャリア位相変化分ＤＲｂとを、前記観測によるキャリア位相の変化量ＤＲから差し引いて、前記受信点の移動に伴うキャリア位相の変化量ＤＲ′を求め、
４つ以上の測位用衛星について求めた前記キャリア位相の変化量ＤＲ′から、前記観測周期における受信点の偏位量を求め、
前記観測周期における受信点の偏位量を積算して積算偏位量を求めることを特徴とする偏位計測方法。
測位用衛星から送信された電波を受信して、当該電波に重畳されているコードの位相から受信点の位置を求め、
前回の観測時から今回の観測時までの観測周期における前記電波のキャリア位相変化量ＤＲを観測し、
前記測位手段により求められた受信点の位置に対する測位用衛星の移動による、前記観測周期におけるキャリア位相の変化分ＤＲａと、前記測位用衛星から送信された電波に重畳されている航法メッセージ中のＧＰＳ時刻補正係数から算出した、観測周期の１周期の間における衛星が備える基準発振器のドリフトによって生じるキャリア位相変化分ＤＲｂとを、前記観測によるキャリア位相の変化量ＤＲから差し引いて、前記受信点の移動に伴うキャリア位相の変化量ＤＲ′を求め、
４つ以上の測位用衛星について求めた前記キャリア位相の変化量ＤＲ′から、前記観測周期における受信点の偏位量を求め、
前記観測周期における受信点の偏位量から単位時間当たりの受信点の偏位量を求めることを特徴とする偏位速度計測方法。