JP5123118B2 - 加速度計測装置 - Google Patents
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Description
0.19[m]/0.04[sec]=4.75[m/s](17.1[km/h]) ・・・(1)
0.19[m]/0.04[sec]/0.04[sec]=118.9[m/s2](約12.1G)(1G=9.80665[m/s2]) ・・・(2)
Ua=S/Δt2 ・・・(3)
0.19[m]/0.2[sec]/0.2[sec]=4.75[m/s2](約0.48G)(1G=9.80665[m/s2]) ・・・(4)
Φi au=Φi a+(Ua・Ni a) ・・・(5)
Φi au:衛星iの搬送波位相の加速度成分(不定値を加算)
Φi a:衛星iの搬送波位相の加速度成分(値域はデータ単位の範囲)
Ua:加速度成分のデータ単位
Ni a:衛星iの不明整数値
まず、加速度計算部3は測位部2bから受信点の概略位置・時刻と受信機クロックバイアスのデータを受信する。
ステップS100に続いて、加速度計算部3は衛星受信部2aから搬送波位相(またはドップラー周波数)および航法メッセージのデータを受信し、以下の処理を実行する。まず、加速度計算部3は受信点の概略加速度および受信機の概略クロックドリフトレートを算出する。受信点の概略加速度は、受信点の概略位置(緯度、経度、高度の3成分、あるいは地球に固定された座標系のx、y、zの3成分など)の単位時間当たりの変化量の変化率から求まる。なお、測位部2bが算出した受信点の概略位置にローパスフィルタ処理が施されている場合には、そのフィルタ時定数を搬送波位相のフィルタ時定数と一致させることが望ましい。また、外部センサ(車速パルス、潮流計、磁気方位センサ、傾斜計等)の出力値から受信点の概略加速度を求めてもよい。受信機の概略クロックドリフトレートは、受信機クロックバイアスの単位時間当たりの変化量の変化率から求まる。本実施形態では、上記の受信点の概略加速度はGPS受信機の外部で算出することを想定しているが、別の形態として、GPS受信機の内部で受信点の概略加速度を算出してもよい。
ステップS110に続いて、加速度計算部3は受信点の概略加速度の算出結果を検定する。この検定により、概略加速度の算出結果がOKまたはNGと判定される。以下のような場合、受信点の概略加速度の算出が不可能または無効となり、算出結果がNGであると判定される。第1の場合は、受信点の概略位置の測定頻度が少ないことにより、搬送波位相の観測タイミングにおいて受信点の概略位置が算出されずに概略加速度を求めることができない場合である。第2の場合は、受信点の概略位置に異常が発生し、概略加速度の信頼性が低下して無効となる場合である。
ステップS120において、算出結果がNGであると判定された場合、加速度計算部3は、過去に算出した有効な受信点概略加速度に対して、別途算出した受信点加速度変化率の積算値を加算することによって、受信点概略加速度の推定値を算出する。この後、処理はステップS140に進む。
加速度計算部3は搬送波位相の加速度成分(観測量)を算出する。以下の(6)式および(7)式が示すように、加速度計算部3は、観測時刻で取得された搬送波位相について2重の時間差分をとることにより搬送波位相の加速度成分を算出する。
Φi a(tk)={(Φi(tk)−Φi(tk−1))−(Φi(tk−1)−Φi(tk−2))}/Δt2 ・・・(6)
Δt=tk−tk−1=tk−1−tk−2 (k=2,3,4,・・・) ・・・(7)
Φi a(tk):時刻tkにおける衛星iの搬送波位相の加速度成分
Φi(tk):時刻tkにおいて観測した衛星iの搬送波位相
tk:搬送波位相の観測時刻
Δt:観測時間間隔
tm=(tk+tk−2)/2 ・・・(8)
Φi a(tm)={(Φi(tk)−Φi(tk−1))−(Φi(tk−1)−Φi(tk−2))}/Δt2 ・・・(9)
Φi a(tm):時刻tmにおける衛星iの搬送波位相の加速度成分
ステップS140に続いて、加速度計算部3は、搬送波の伝搬時間と、航法メッセージから得られる衛星軌道情報とを用いて、観測した搬送波位相が発射されたときの衛星位置を算出する。この衛星位置と受信点の概略位置とに基づいて、加速度計算部3は、以下の(10)式〜(17)式が示すように、衛星−受信機間距離の加速度成分を算出する。搬送波位相の加速度成分を算出する場合と同様に、加速度計算部3は、衛星−受信機間距離について2重の時間差分をとることにより衛星−受信機間距離の加速度成分を算出する。また、時間差分の計算に用いる衛星−受信機間距離の3つの観測時刻は、観測量の算出で用いた時刻と同一時刻とする。さらに、衛星−受信機間距離の加速度成分を算出するときに使用する受信点の概略位置Qは、3つの時刻1組(tk,tk−1,tk−2)においては同一の位置とする。なお、搬送波の伝搬時間は、光路差方程式から算出することが可能である。
Di a(tk)={(Di(tk)−Di(tk−1))−(Di(tk−1)−Di(tk−2))}/Δt2 ・・・(10)
Di(tk)=|P’i(tk)−Q| ・・・(11)
Di(tk−1)=|P’i(tk−1)−Q| ・・・(12)
Di(tk−2)=|P’i(tk−2)−Q| ・・・(13)
P’i(tk)=Pi(tk−τi(tk)) ・・・(14)
P’i(tk−1)=Pi(tk−1−τi(tk−1)) ・・・(15)
P’i(tk−2)=Pi(tk−2−τi(tk−2)) ・・・(16)
Δt=tk−tk−1=tk−1−tk−2 (k=2,3,4,・・・) ・・・(17)
Di a(tk):時刻tkにおける衛星iの移動による衛星−受信機間距離の加速度成分
Di(tk):時刻tkにおける衛星iと受信点の概略位置との距離
P’i(tk):時刻tkにおいて観測した衛星iの搬送波位相が衛星iから発射されたときの衛星位置
Pi(tk):時刻tkにおける衛星iの位置
τi(tk):時刻tkにおいて観測した衛星iの搬送波の伝搬時間
Q:受信点の概略位置
tk:搬送波位相の観測時刻
Δt:観測時間間隔
ステップS150に続いて、加速度計算部3は、ステップS140で算出した搬送波位相の加速度成分(観測量)から、ステップS150で算出した受信点以外の加速度成分(誤差成分)を除去し、加速度成分のデータ単位の範囲に正規化して、搬送波位相の受信点加速度成分を算出する。さらに、ここでステップS110で算出した受信機の概略クロックドリフトレートを除去してもよい。また、相対論効果および地球の運動による影響を除去してもよい。
ステップS160に続いて、加速度計算部3は搬送波位相の受信点加速度成分の不定値を算出する。以下、図3を参照しながら、この不定値の算出方法を説明する。まず、加速度計算部3は、ステップS110およびS130で算出した受信点の概略加速度あるいは概略加速度の推定値に基づく受信点の概略加速度ベクトルA0について、各衛星i(i=1,2,3,・・・)の方向に投影したベクトルA0 i(受信点の概略加速度の衛星方向成分)を求める。
ステップS170に続いて、加速度計算部3は、ステップS170で算出した不定値の解を搬送波位相の受信点加速度成分に加算することによって、不定性を解消した搬送波位相の受信点加速度成分を算出する。
ステップS180あるいは後述のステップS210に続いて、加速度計算部3は、受信点の概略位置および衛星位置から方向余弦を算出する。続いて、加速度計算部3は、4個以上の衛星について不定性を解消した搬送波位相の受信点加速度成分と方向余弦および未知数(受信点の3次元の加速度および受信機クロックドリフトレートの4未知数)の方程式(以下の(18)式)により、受信点の加速度を算出する。
Ra=H・Xa ・・・(18)
Ra:不定性を解消した搬送波位相の受信点加速度成分行列
H:方向余弦行列
Xa:受信点加速度および受信機クロックドリフトレート(未知数4個)
ステップS190に続いて、加速度計算部3は、ステップS190で算出した受信点加速度の信頼性(OK/NG)を、以下の3つの方法のいずれか、あるいは複数を用いることにより判定する。
(A)各衛星について求めた不定値の解の周辺(例えば、不明整数値の解±1)において、各不定値に基づく搬送波位相の受信点加速度成分の残差による指標値が最小となる不定値の組合せを求め、その組合せが、最初に求めた解の組合せと一致した場合にOKとする。
(B)各衛星について求めた不定値の解の周辺において、各不定値に基づく搬送波位相の受信点加速度成分の残差による指標値が最小となる不定値の組合せの第1候補と、指標値が2番目に小さい第2候補とを求め、第1候補の組合せが最初に求めた不定値の解の組合せと一致する場合、第1候補と第2候補の指標値の比率を所定の基準値と比較することによって、信頼性を判定する。
(C)各衛星について求めた不定値の解に基づく搬送波位相の受信点加速度成分の変化量と、同一時間において別途算出した搬送波位相の受信点加速度変化率成分の積算値との差分を所定の基準値と比較することによって信頼性を判定する。
ステップS200において、受信点加速度の信頼性がNGであると判定された場合、データ処理部3は、受信点加速度の算出で使用した全ての衛星、あるいはNGであると判定された原因である衛星について、過去に算出した有効な搬送波位相の受信点加速度成分に対して、別途算出した搬送波位相の受信点加速度変化率成分の積算値を加算することによって、搬送波位相の受信点加速度成分の推定値を算出する。この後、処理はステップS190に戻る。
加速度計算部3は、上記のようにして算出した受信点加速度にローパスフィルタを適用し、雑音成分を除去する。上記のステップS100〜S220の処理を繰り返すことにより、加速度計算部3は受信点加速度を算出する。なお、ステップS220の処理は、適宜省略してもよい。
Φi J(tk)=〔{(Φi(tk)−Φi(tk−1))−(Φi(tk−1)−Φi(tk−2))}−{(Φi(tk−1)−Φi(tk−2))−(Φi(tk−2)−Φi(tk−3))}〕/Δt3 ・・・(19)
Δt=tk−tk−1=tk−1−tk−2=tk−2−tk−3 (k=3,4,5,・・・) ・・・(20)
Φi J(tk):時刻tkにおける衛星iの搬送波位相の加速度変化率成分
Φi(tk):時刻tkにおいて観測した衛星iの搬送波位相
tk:搬送波位相の観測時刻
Δt:観測時間間隔
tm=(tk+tk−3)/2 ・・・(21)
Φi J(tm)=〔{(Φi(tk)−Φi(tk−1))−(Φi(tk−1)−Φi(tk−2))}−{(Φi(tk−1)−Φi(tk−2))−(Φi(tk−2)−Φi(tk−3))}〕/Δt3 ・・・(22)
Φi J(tm):時刻tmにおける衛星iの搬送波位相の加速度変化率成分
Di J(tk)=〔{(Di(tk)−Di(tk−1))−(Di(tk−1)−Di(tk−2))}−{(Di(tk−1)−Di(tk−2))−(Di(tk−2)−Di(tk−3))}〕/Δt3 ・・・(23)
Di(tk)=|P’i(tk)−Q| ・・・(24)
Di(tk−1)=|P’i(tk−1)−Q| ・・・(25)
Di(tk−2)=|P’i(tk−2)−Q| ・・・(26)
Di(tk−3)=|P’i(tk−3)−Q| ・・・(27)
P’i(tk)=Pi(tk−τi(tk)) ・・・(28)
P’i(tk−1)=Pi(tk−1−τi(tk−1)) ・・・(29)
P’i(tk−2)=Pi(tk−2−τi(tk−2)) ・・・(30)
P’i(tk−3)=Pi(tk−3−τi(tk−3)) ・・・(31)
Δt=tk−tk−1=tk−1−tk−2=tk−2−tk−3 (k=3,4,5,・・・) ・・・(32)
Di J(tk):時刻tkにおける衛星iの移動による衛星−受信機間距離の加速度変化率成分
Di(tk):時刻tkにおける衛星iと受信点の概略位置との距離
P’i(tk):時刻tkにおいて観測した衛星iの搬送波位相が衛星iから発射されたときの衛星位置
Pi(tk):時刻tkにおける衛星iの位置
τi(tk):時刻tkにおいて観測した衛星iの搬送波の伝搬時間
Q:受信点の概略位置
tk:搬送波位相の観測時刻
Δt:観測時間間隔
RJ=H・XJ ・・・(33)
RJ:搬送波位相の受信点加速度変化率成分行列
H:方向余弦行列
XJ:受信点の加速度変化率および受信機クロックドリフトレート変化率(未知数4個)
0.19[m]/0.04[sec]/0.04[sec]/0.04[sec]=2969[m/s3](約303 G/s)(1G=9.80665[m/s2]) ・・・(34)
Φi aru=Φi ar+(Ua・Ni a) ・・・(35)
Φj aru=Φj ar+(Ua・Nj a) ・・・(36)
Φi aru:衛星iの受信点加速度成分(不定値を加算)
Φj aru:衛星jの受信点加速度成分(不定値を加算)
Φi ar:衛星iの受信点加速度成分(値域はデータ単位の範囲)
Φj ar:衛星jの受信点加速度成分(値域はデータ単位の範囲)
Ni a:衛星iの不明整数値
Nj a:衛星jの不明整数値
Ua:加速度成分のデータ単位
Φj aru−Φi aru=(Φj ar−Φi ar)+(Ua・(Nj a−Ni a)) ・・・(37)
ΔΦji aru=ΔΦji ar+(Ua・ΔNji a) ・・・(38)
ΔΦji aru:衛星iと衛星jによる受信点加速度成分の衛星間1重差(不定値を加算)
ΔΦji ar:衛星iと衛星jによる受信点加速度成分の衛星間1重差(値域はデータ単位の範囲)
ΔNji a:衛星iと衛星jによる不明整数値の衛星間1重差
ΔΦ21 arun=Δh21・Ar ・・・(39)
ΔΦ31 arun=Δh31・Ar ・・・(40)
ΔΦ41 arun=Δh41・Ar ・・・(41)
ΔΦji arun:衛星iと衛星jによる不定性を解消した「搬送波位相の受信点加速度成分の衛星間1重差」
Δhji:衛星iと衛星jによる方向余弦の衛星間1重差
Ar:受信点加速度(未知数3個)
Claims (8)
- 測位用衛星から電波を受信し、当該電波に基づく測位用データを取得する受信部と、
搬送波位相のデータを含む前記測位用データに基づいて、搬送波位相の加速度成分を算出する第1の加速度成分算出部と、
前記搬送波位相のデータに関するデータサイズまたは時間間隔に応じた前記搬送波位相の加速度成分の不定値を算出する不定値算出部と、
前記搬送波位相の加速度成分に前記不定値を加算することによって、不定性を解消した搬送波位相の加速度成分を算出する第2の加速度成分算出部と、
前記第2の加速度成分算出部が算出した前記搬送波位相の加速度成分と方向余弦とに基づいて、受信点の加速度を算出する受信点加速度算出部と、
を備えたことを特徴とする加速度計測装置。 - 前記不定値算出部は、前記搬送波位相の加速度成分と受信点の概略加速度とに基づいて前記不定値を算出することを特徴とする請求項1に記載の加速度計測装置。
- 測位用衛星から電波を受信し、当該電波に基づく測位用データを取得する受信部と、
ドップラー周波数のデータを含む前記測位用データに基づいて、ドップラー周波数偏移の変化率成分を算出する第1のドップラー周波数偏移の変化率成分算出部と、
前記ドップラー周波数のデータに関するデータサイズまたは時間間隔に応じた前記ドップラー周波数偏移の変化率成分の不定値を算出する不定値算出部と、
前記ドップラー周波数偏移の変化率成分に前記不定値を加算することによって、不定性を解消したドップラー周波数偏移の変化率成分を算出する第2のドップラー周波数偏移の変化率成分算出部と、
前記第2のドップラー周波数偏移の変化率成分算出部が算出した前記ドップラー周波数偏移の変化率成分と方向余弦とに基づいて、受信点の加速度を算出する受信点加速度算出部と、
を備えたことを特徴とする加速度計測装置。 - 前記不定値算出部は、前記ドップラー周波数偏移の変化率成分と受信点の概略加速度とに基づいて前記不定値を算出することを特徴とする請求項3に記載の加速度計測装置。
- 測位用衛星から電波を受信し、当該電波に基づく測位用データを取得する受信部と、
搬送波位相のデータを含む前記測位用データに基づいて、搬送波位相の加速度成分を算出する第1の加速度成分算出部と、
前記搬送波位相のデータに関するデータサイズまたは時間間隔に応じた前記搬送波位相の加速度成分の衛星間1重差の不定値を算出する不定値算出部と、
前記搬送波位相の加速度成分の衛星間1重差に前記不定値を加算することによって、不定性を解消した搬送波位相の加速度成分の衛星間1重差を算出する第2の加速度成分算出部と、
前記第2の加速度成分算出部が算出した前記搬送波位相の加速度成分の衛星間1重差と方向余弦とに基づいて、受信点の加速度を算出する受信点加速度算出部と、
を備えたことを特徴とする加速度計測装置。 - 前記不定値算出部は、前記搬送波位相の加速度成分の衛星間1重差と受信点の概略加速度とに基づいて前記不定値を算出することを特徴とする請求項5に記載の加速度計測装置。
- 測位用衛星から電波を受信し、当該電波に基づく測位用データを取得する受信部と、
ドップラー周波数のデータを含む前記測位用データに基づいて、ドップラー周波数偏移の変化率成分を算出する第1のドップラー周波数偏移の変化率成分算出部と、
前記ドップラー周波数のデータに関するデータサイズまたは時間間隔に応じた前記ドップラー周波数偏移の変化率成分の衛星間1重差の不定値を算出する不定値算出部と、
前記ドップラー周波数偏移の変化率成分の衛星間1重差に前記不定値を加算することによって、不定性を解消したドップラー周波数偏移の変化率成分の衛星間1重差を算出する第2のドップラー周波数偏移の変化率成分算出部と、
前記第2のドップラー周波数偏移の変化率成分算出部が算出した前記ドップラー周波数偏移の変化率成分の衛星間1重差と方向余弦とに基づいて、受信点の加速度を算出する受信点加速度算出部と、
を備えたことを特徴とする加速度計測装置。 - 前記不定値算出部は、前記ドップラー周波数偏移の変化率成分の衛星間1重差と受信点の概略加速度とに基づいて前記不定値を算出することを特徴とする請求項7に記載の加速度計測装置。
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