JP5914316B2

JP5914316B2 - 方位測定装置

Info

Publication number: JP5914316B2
Application number: JP2012278635A
Authority: JP
Inventors: 裕太小川; 晶一小暮
Original assignee: Yokogawa Denshikiki Co Ltd
Current assignee: Yokogawa Denshikiki Co Ltd
Priority date: 2012-12-20
Filing date: 2012-12-20
Publication date: 2016-05-11
Anticipated expiration: 2032-12-20
Also published as: JP2014122821A

Description

本発明は、航走体の方位角を測定する方位測定装置に関する。

下記特許文献１にはマスターコンパス（ジャイロスコープ）が出力する方位を船舶の船速と緯度とによって補正するジャイロコンパスが開示されている。このジャイロコンパスでは、電磁ログで検出された船速とＧＰＳ（Global Positioning System）受信機で検出された緯度とを用いてマスターコンパスの速度誤差を補正している。

特開平０５−１３３７５１号公報

ところで、ＧＰＳ受信機で検出した緯度をマスターコンパスに供給する構成の１つとして、ＧＰＳ受信機で検出した緯度をマスターコンパスに直接供給するのではなく、特定の中継装置を介してＧＰＳ受信機で検出した緯度をマスターコンパスに供給する構成が考えられる。このような構成を採用した場合において、さらに中継装置とマスターコンパスとの間の通信容量が小さい場合には、ＧＰＳ受信機で検出した緯度が比較的粗い緯度間隔（例えば１ｄｅｇ刻み）でマスターコンパスに供給されることになる。このようにマスターコンパスに供給される緯度間隔が粗いと、速度誤差の補正が粗くなり方位精度が低下する。

ここで、マスターコンパスの精度向上が要求された場合に、上述した粗い緯度間隔をより細かい緯度間隔に修正する必要があるが、このためには中継装置とマスターコンパスとの間の通信における通信容量を大きくする必要があるが、この場合、中継装置とマスターコンパスとの両方の設計変更が必要になる。しかしながら、この両方を設計変更するためには、開発時間が長くなるので好ましくない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、緯度間隔が粗いことに起因する方位精度の低下を抑制することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明では、第１の解決手段として、方位検出部で検出された方位を航走体の緯度及び速度を用いて速度誤差を補正することにより真方位を出力する方位測定装置であって、前記緯度及び前記速度を受け付ける入力部と、前記緯度を補間することにより内部緯度を生成する緯度補間部と、前記内部緯度及び前記速度を用いて速度誤差を演算する誤差演算部と、前記速度誤差と前記方位とに基づいて前記真方位を演算する補正部と、該補正部が演算した前記真方位を外部に出力する出力部とを具備する、という手段を採用する。

第２の解決手段として、上記第１の手段において、緯度補間部は、前記速度及び前記内部緯度を用いて内部緯度を生成する、という手段を採用する。

第３の解決手段として、上記第２の手段において、前記緯度補間部は、繰り返し計算によって前記内部緯度を順次更新して生成するものであって、前に計算した内部緯度と前記緯度とを比較し、互いの整数部が一致する場合には、前記緯度及び前記速度を用いて所定時間経過後の緯度変化量を次の内部緯度の少数部として計算し、当該少数部と前記整数部とを加算することにより前記次の内部緯度を生成し、前記整数部が一致しない場合には、前記前に計算した内部緯度の整数部に前記緯度の整数部を設定し、前記前に計算した内部緯度の少数部に規定の初期値を設定することにより前記次の内部緯度を生成する、という手段を採用する。

本発明によれば、緯度を補間することにより内部緯度を生成する緯度補間部を備え、当該緯度補間部が生成した内部緯度を用いて緯度を速度誤差補正するので、緯度の緯度間隔が粗い場合であっても速度誤差補正の精度低下が抑制され、よって緯度間隔が粗いことに起因する方位精度の低下を抑制することが可能である。

本発明の一実施形態における方位計測システムのシステム構成図である。本発明の一実施形態に係る方位測定装置（第１、第２マスターコンパスＭ1，Ｍ2）の機能構成を示すブロック図である。本発明の一実施形態に係る方位測定装置（第１、第２マスターコンパスＭ1，Ｍ2）の動作を示すフローチャートである。本発明の一実施形態における速度誤差の補正状態及び従来の速度誤差の補正状態を示す特性図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
最初に、本実施形態における方位計測システムの構成について説明する。この方位計測システムは、図１に示すように位置センサＣ1、速度センサＣ2、オペレーションユニットＡ及び第１、第２マスターコンパスＭ1，Ｍ2から構成されている。

位置センサＣ1は、上記船舶に設けられたＧＰＳ受信機であり、船舶の航行緯度を検出してオペレーションユニットＡに出力する。すなわち、位置センサＣ1は、自らが検出した航行位置（緯度Ｉ及び経度Ｋ）のうち緯度Ｉを示す緯度信号をオペレーションユニットＡに出力する。速度センサＣ2は、航走体の一種である船舶に設けられた電磁ログであり、船舶の船速（速度Ｖ）を検出してオペレーションユニットＡに出力する。すなわち、速度センサＣ2は、自らが検出した船舶の速度Ｖを所定形態の信号（速度信号）としてオペレーションユニットＡに出力する。

オペレーションユニットＡは、操舵者の操作指示を受け付けると共に上記緯度信号及び速度信号を第１、第２マスターコンパスＭ1，Ｍ2に中継する装置である。上記操作指示は、例えば第１、第２マスターコンパスＭ1，Ｍ2の切替を指示するものであり、オペレーションユニットＡは、このような切替指示に基づいて第１、第２マスターコンパスＭ1，Ｍ2の何れか一方を択一的に選択して操舵者の使用に供する。また、オペレーションユニットＡは、第１、第２マスターコンパスＭ1，Ｍ2をの間で所定の通信方式に準拠した通信インターフェースで通信を行うが、緯度信号に含まれる緯度Ｉ及び速度信号に含まれる速度Ｖを上記通信方式に準拠した信号に変換して第１、第２マスターコンパスＭ1，Ｍ2に送信する。

第１、第２マスターコンパスＭ1，Ｍ2は、本実施形態に係る方位測定装置である。すなわち、本実施形態における方位計測システムは、２台の方位測定装置を適宜切り替えて運用することにより、１台の方位測定装置を運用する場合よりもシステムの信頼性を向上させたものである。なお、第１、第２マスターコンパスＭ1，Ｍ2は、全く同様の機能構成を備えるものである。

すなわち、第１、第２マスターコンパスＭ1，Ｍ2は、図２に示すように、入力部１、方位検出部２、緯度補間部３、誤差演算部４、補正部５及び出力部６から構成されている。なお、このような第１、第２マスターコンパスＭ1，Ｍ2は、ハードウエア的な構成としては、方位検出部２と演算装置（一種のコンピュータ）から構成されている。つまり、上記各機能構成要素のうち、方位検出部２を除く入力部１、緯度補間部３、誤差演算部４、補正部５及び出力部６は、演算装置の機能であり、実際には当該演算装置が実行するアプリケーションプログラムによって実現される。

入力部１は、オペレーションユニットＡから緯度Ｉ及び速度Ｖを受け付けると共に方位検出部２からコンパス方位Ｄを受け付ける機能構成要素であり、より具体的には上記オペレーションユニットＡの通信インターフェース及び方位検出部２と通信を行う通信インターフェースである。このような入力部１は、オペレーションユニットＡから受信した緯度Ｉ及び速度Ｖ並びに方位検出部２から受信したコンパス方位Ｄを緯度補間部３に出力し、速度Ｖ及びコンパス方位Ｄを誤差演算部４に出力し、またコンパス方位Ｄを補正部５に出力する。

ここで、入力部１がオペレーションユニットＡから受信する緯度Ｉは、通信インターフェースの仕様の関係で例えば１ｄｅｇ刻みの比較的粗い緯度間隔（緯度精度）のものである。これに対して、入力部１がオペレーションユニットＡから受信する速度Ｖは、上記緯度Ｉに比較して桁数の少ない数値情報なので十分な精度（速度精度）を有している。

方位検出部２は、例えばジャイロコンパス（慣性センサ）であり、船舶の進行方向を真北を基準とする方位として検出する。方位検出部２は、このような方位をコンパス方位Ｄとして上記入力部１に出力する。緯度補間部３は、本実施形態において最も特徴的な機能構成要素であり、入力部１から入力される緯度Ｉ、速度Ｖ及びコンパス方位Ｄに基づいて緯度Ｉを補間した内部緯度Ｉ’を演算する。すなわち、緯度補間部３は、１ｄｅｇ刻みの緯度間隔（緯度精度）を有する緯度Ｉよりも緯度間隔が細かい（つまり緯度精度が高い）内部緯度Ｉ’を演算して誤差演算部４に出力する。なお、この内部緯度の演算方法の詳細については後述する。

誤差演算部４は、上記内部緯度Ｉ’、速度Ｖ及びコンパス方位Ｄを用いてコンパス方位Ｄの速度誤差を演算する。この速度誤差の演算方法については後述する。補正部５は、上記誤差演算部４が演算した速度誤差と入力部１から入力されるコンパス方位Ｄとに基づいて真方位Ｄ’を演算する。すなわち、補正部５は、上記速度誤差と上記コンパス方位Ｄとの差分をとることにより真方位Ｄ’を演算し出力部６に出力する。出力部６は、補正部５から入力された真方位Ｄ’を外部機器（例えば自動航行装置）との通信仕様に準じた信号に変換して出力する。

次に、このように構成された第１、第２マスターコンパスＭ1，Ｍ2（方位測定装置）の動作について図３のフローチャートを参照して詳しく説明する。なお、このフローチャートは、上述した演算装置の動作つまり入力部１、緯度補間部３、誤差演算部４、補正部５及び出力部６の動作を全体として示すものであり、図示するように初期設定（ステップＳ1）以降の処理を１秒毎に複数回繰り返すループ処理（繰り返し処理）である。

演算装置は、最初に初期設定を行う（ステップＳ1）。この初期設定は、ステップＳ2以降の処理に必要な各種のパラメータを初期化するものであり、例えば内部メモリの初期値記憶領域に所定値を内部緯度Ｉ’の初期値として設定するものである。この初期設定が完了すると、演算装置は、上述した緯度Ｉ、速度Ｖ及びコンパス方位Ｄの取り込み処理を行う（ステップＳ2）。このステップＳ2の取込処理は、上述した入力部１が行う処理である。

すなわち、入力部１は、オペレーションユニットＡから緯度Ｉ、速度Ｖを取り込むと共に、方位検出部２からコンパス方位Ｄを取り込み、これら緯度Ｉ、速度Ｖ及びコンパス方位Ｄを緯度補間部３に出力する。なお、オペレーションユニットＡは、位置センサＣ1から順次入力される緯度Ｉ及び速度センサＣ2から順次入力される速度Ｖを入力部１に順次出力する一方、方位検出部２は、時々刻々と船舶の方位を検出し、コンパス方位Ｄを入力部１に順次出力する。

緯度補間部３は、このようにして入力部１から緯度Ｉ、速度Ｖ及びコンパス方位Ｄが入力されると、入力部１から入力された緯度Ｉの整数部と予め内部メモリの所定記憶領域（内部緯度記憶領域）に記憶された内部緯度Ｉ’の整数部とが一致するか否かを判断する（ステップＳ3）。ここで、緯度補間部３は、第１、第２マスターコンパスＭ1，Ｍ2の起動時（初回のループ処理時）には初期値記憶領域の内部緯度Ｉ’（初期値）の整数部と入力部１から入力された緯度Ｉの整数部とを比較照合し、一方、２回目以降のループ処理の場合には、前回のループ処理によって得られて内部緯度記憶領域に記憶された内部緯度Ｉ’の整数部と入力部１から入力された緯度Ｉの整数部とを比較照合する。

緯度補間部３は、このようなステップＳ3の判断処理の結果が「Ｎｏ」の場合、つまり緯度Ｉの整数部と内部緯度Ｉ’の整数部とが一致しない場合、内部緯度Ｉ’の整数部に緯度Ｉの整数部を設定する（ステップＳ4）。すなわち、緯度補間部３は、内部緯度記憶領域に記憶された整数部と小数部とのうち、整数部に緯度Ｉの整数部を上書きすることにより内部緯度Ｉ’の整数部を緯度Ｉの整数部に一致させる。

そして、緯度補間部３は、内部緯度Ｉ’の小数部に内部緯度Ｉ’の初期値の小数部を設定する（ステップＳ5）。すなわち、緯度補間部３は、内部緯度記憶領域に記憶された内部緯度Ｉ’の小数部に内部緯度Ｉ’の初期値の小数部（例えば「０」）を上書きすることにより内部緯度Ｉ’の小数部を緯度Ｉの小数部に一致させる。

一方、緯度補間部３は、ステップＳ3の判断処理の結果が「Ｙｅｓ」の場合、つまり緯度Ｉの整数部と内部緯度Ｉ’の整数部とが一致する場合には、入力部１から入力された速度Ｖ及びコンパス方位Ｄを用いて1秒間における船舶の移動量の南北成分を計算する（ステップＳ6）。すなわち、緯度補間部３は、以下の計算式に基づいて現在時刻から１秒後における船舶の移動量の南北成分ｄ（ｍ）とを計算する。
ｂ＝1852/3600・Ｖ・cos（π/180・Ｄ）

そして、緯度補間部３は、上記南北成分ｂ（ｍ）を下式に代入することにより現在時刻から１秒後における緯度Ｉの変化量ｉ（ｄｅｇ）を計算する（ステップＳ7）。
ｉ＝1/（1852・60）・ｂ
さらに、緯度補間部３は、このようにして得られた１秒間における緯度Ｉの変化量ｉ（ｄｅｇ）を内部緯度Ｉ’の小数部に加算する（ステップＳ8）。この加算の結果得られた内部緯度Ｉ’の小数部は、船舶の緯度Ｉの小数部に関する１秒後の推定値である。

そして、緯度補間部３は、ステップＳ5あるいはステップＳ8によって得られた内部緯度Ｉ’の小数部を内部緯度Ｉ’の整数部と加算する（ステップＳ9）。そして、緯度補間部３は、この加算によって得られた内部緯度Ｉ’を上記内部緯度記憶領域に上書き（保存）することにより内部緯度Ｉ’を更新する（ステップＳ10）。このステップＳ10が完了することによって緯度補間部３における処理が完了する。

誤差演算部４は、このようにして緯度補間部３の処理が完了すると、内部緯度記憶領域に記憶された最新の内部緯度Ｉ’並びに入力部１から入力された速度Ｖ及びコンパス方位Ｄを下式に代入することによりコンパス方位Ｄの速度誤差Δｄを演算して補正部5に出力する（ステップＳ11）。
Δｄ＝｛Ｖ・cos（Ｄ）｝/｛904・cos（Ｉ’）｝
補正部5は、上記速度誤差Δｄと入力部１から入力されたコンパス方位Ｄとの差分を真方位Ｄ’として計算して出力部６に出力する（ステップＳ12）。すなわち、補正部5は、下式に基づいて真方位Ｄ’を計算する。
Ｄ’＝Ｄ−Δｄ（０≦Ｄ≦９０，２７０≦Ｄ≦３６０）
Ｄ’＝Ｄ＋Δｄ（９０＜Ｄ＜２７０）

そして、出力部６は、この真方位Ｄ’を外部装置に出力する（ステップＳ13）。この出力部６によるステップＳ13の出力処理が完了すると、入力部１によるステップＳ2の処理が繰り返されることにより、ステップＳ10で更新された内部緯度Ｉ’を用いて１秒毎に内部緯度Ｉ’が更新されて新たな速度誤差Δｄ及び真方位Ｄ’が繰り返し計算される。

このようなステップＳ1〜Ｓ10の一連の処理によって得られる内部緯度Ｉ’は、入力部１から入力される緯度Ｉのように１ｄｅｇ刻みの比較的粗い緯度間隔（緯度精度）のものではなく、小数部が予測値によって順次増加するより細かい緯度間隔の情報となる。この結果、ステップＳ10で計算される速度誤差Δｄは、図４（ａ）に示すように、従来のように緯度Ｉの緯度間隔が粗いことに起因するステップ状のものではなく、略連続的に変化するものとなる。また、ステップＳ10で計算される速度誤差Δｄは、図４（ｂ）に示すように、緯度Ｉとして緯度間隔が十分に狭いものを用いた場合と略同一と言えるものである。

このような本実施形態によれば、緯度補間部３が生成した内部緯度Ｉ’を用いて速度誤差Δｄを計算するので、オペレーションユニットＡから入力される緯度Ｉの緯度間隔が粗いことに起因する方位精度の低下を十分に抑制することが可能であり、高精度な真方位Ｄ’を外部装置に提供することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態では、内部緯度Ｉ’を図３のフローチャートに示す処理によって計算したが、本発明はこれに限定されるものではない。本発明は、緯度間隔が粗い緯度Ｉを補間することによって、つまり粗い緯度間隔の間に緯度変化の推定値を挿入することにより粗い緯度間隔を細かい緯度間隔に補正することを本旨とするものなので、補間方法として他の方法を採用してもよい。

（２）上記実施形態では、ステップＳ3に示すように、緯度Ｉと内部緯度Ｉ’との各整数部を比較照合し、当該整数部よりも小さな小数部の推定値を計算したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、緯度Ｉの緯度間隔が０．１ｄｅｇ刻みの場合には、緯度Ｉと内部緯度Ｉ’との小数点第１位以上を比較照合し、当該小数点第１位よりも小さな小数点第２位以下の推定値を計算してもよい。

Ｃ1 位置センサ
Ｃ2 速度センサ
Ａオペレーションユニット
Ｍ1 第１マスターコンパス
Ｍ2 第２マスターコンパス
１入力部
２方位検出部
３緯度補間部
４誤差演算部
５補正部
６出力部

Claims

方位検出部で検出された方位を航走体の緯度及び速度を用いて速度誤差補正することにより真方位を出力する方位測定装置であって、
前記緯度及び前記速度を受け付ける入力部と、
前記緯度を補間することにより内部緯度を生成する緯度補間部と、
前記内部緯度及び前記速度を用いて速度誤差を演算する誤差演算部と、
前記速度誤差と前記方位とに基づいて前記真方位を演算する補正部と、
該補正部が演算した前記真方位を外部に出力する出力部とを具備し、
前記緯度補間部は、前記内部緯度及び前記速度を用いて内部緯度を生成することを特徴とする方位測定装置。
前記緯度補間部は、繰り返し計算によって前記内部緯度を順次更新して生成するものであって、前に計算した内部緯度と前記緯度とを比較し、互いの整数部が一致する場合には、前記緯度及び前記速度を用いて所定時間経過後の緯度変化量を次の内部緯度の少数部として計算し、当該少数部と前記整数部とを加算することにより前記次の内部緯度を生成し、前記整数部が一致しない場合には、前記前に計算した内部緯度の整数部に前記緯度の整数部を設定し、前記前に計算した内部緯度の少数部に規定の初期値を設定することにより前記次の内部緯度を生成することを特徴とする請求項１記載の方位測定装置。