JP6339429B2 - 方位を決定するためのデバイス及びその方法 - Google Patents

Description

本発明は、方位を決定するための新規なコンパスデバイスに関し、より具体的には、携帯型及び／又はハンドヘルド型である方位決定デバイスに関する。

方位は、極座標系における角度測定である。観測者（原点）から関心地点へのベクトルは基準面に垂直に投影され、基準面において投影されたベクトルと基準ベクトルとの間の角度は方位と呼ばれる。天空の星の位置は、この概念を用いて測定することができる。このような例では、基準面は地平線又は測定されている関心地点（すなわち星）の下の海面であり、基準ベクトルは北を向く。それから、方位は北向きベクトルと星の地平線に垂直な投射との間の角度である。方位は通常、度（°）で測定され、一般的な航法の状況において方位のための基準面は典型的に真北であり、方位０°と測定される。例えば、３６０度の円上を時計回りに動くと、真東は方位角９０°、真南は方位角１８０°、そして真西は方位角２７０°である。

本概念は、航法、天文学、工学、地図作成、鉱業、及び砲術を含む多くの実用的な応用において用いられ得る。現在のハンドヘルド型の方位決定（すなわちコンパス）デバイス及び方法は、方位を決定するために磁気センサーに依存している。

方位を決定するためのいくつかの既知のデバイス及び技術は、慣性測定ユニット（ＩＭＵ）によって提供されるデータを利用している。ＩＭＵは、３つの加速度計、３つのジャイロスコープ、及び任意に３つの磁力計を備える。加速度計は、それらの測定軸が互いに直角になるように配置される。それらはＧ力としても知られる慣性加速度を測定する。３つのジャイロスコープは類似の直角のパターンに配置され、任意に選ばれた座標系に関して回転位置を測定する。従って、加速度計及びジャイロスコープは慣性データを生成し、既知の方位決定デバイスにおいて、航法ソリューションを導出するために、プロセッサは通常、ストラップダウン及び慣性航法アルゴリズムによりＩＭＵからの慣性データを処理する。方位を決定するための他の既知のデバイスは、ＧＰＳシステムを用いる。いくつかの既知のハンドヘルド型デバイスは、方位を決定するために磁気センサーを用いる。

方位を決定するためのデバイスが本明細書に記載されている。本デバイスは、ＭＥＭＳ慣性測定ユニット（ＩＭＵ）と、ＧＰＳアンテナ及び受信器を備えるＧＰＳシステムと、前記ＩＭＵから及び前記ＧＰＳシステムからデータを受信するように構成されるプロセッサと、を備え、前記プロセッサは、前記ＩＭＵデータ及び前記ＧＰＳデータに基づいて真北基準を導出するために、前記ＩＭＵデータ及び前記ＧＰＳデータを処理するように構成される。

また、方位を決定するための方法が本明細書に記載されている。本方法は、ＭＥＭＳ慣性測定ユニット（ＩＭＵ）、ＧＰＳシステム、及びプロセッサを備えるデバイスを提供することを含み、前記ＧＰＳシステムは、ＧＰＳアンテナ及び受信器を備え、前記方法は、前記デバイスを動かすステップと、前記プロセッサにＩＭＵデータ及びＧＰＳデータを送信するステップと、をさらに含み、前記プロセッサは、前記ＩＭＵデータ及び前記ＧＰＳデータを処理し、前記ＩＭＵ及び前記ＧＰＳデータに基づいて真北基準を導出する。

本デバイスは、ハンドヘルド型であるように構成されてもよく、前記デバイスの動きにより前記ＩＭＵデータ及び前記ＧＰＳデータを生成するように構成されてもよい。動きは、前記デバイスの振動性並進運動を含んでもよい。いくつかの実施形態では、動きは、前記デバイスの反転及び前記デバイスの振動性並進運動を含んでもよい。

ＩＭＵデータ及びＧＰＳデータは、前記デバイスの同じ動きの第１及び第２の独立した測定に対応してもよい。

デバイスのＧＰＳアンテナ及びＩＭＵは、デバイスが動く場合に、それらが同じ動きを感じるように互いに配置されてもよい。いくつかの実施形態では、それらは前記デバイス内に／上に配置されてもよい。

デバイスのＧＰＳアンテナ及びＩＭＵは、デバイスが動く場合に、それらが同じ動きを感じるように、互いに配置され、かつ、互いに及び／又はデバイスに堅く接続されてもよい。

ＧＰＳアンテナ及びＩＭＵは、使用時に、デバイスが動く場合に、それらが同じ動きを感じるように、各々から５ｃｍ以下離れて配置されてもよい。

本明細書に記載されるいくつかの実施形態では、ＩＭＵとＧＰＳアンテナとの間の距離は、振動性並進運動距離の１０％未満であり、任意の重畳された回転の残余レバーアーム効果は修正される。

本明細書に記載されるいくつかの実施形態では、デバイスは、前記デバイスの動きにより前記ＩＭＵデータ及び前記ＧＰＳデータを生成するように構成され、前記動きは、前記デバイスの振動性並進運動を含み、ＩＭＵ及びＧＰＳアンテナは、振動性並進運動距離の１０％未満である距離だけ互いに離れて配置されてもよい。

本明細書に記載されるいくつかの実施形態では、デバイスは、前記デバイスの動きにより前記ＩＭＵデータ及び前記ＧＰＳデータを生成するように構成され、前記動きは、前記デバイスの反転及び前記デバイスの振動性並進運動を含み、ＩＭＵ及びＧＰＳアンテナは、振動性並進運動距離の１０％未満である距離だけ互いに離れて配置されてもよい。

いくつかの実施形態では、デバイスは、１つのＧＰＳアンテナだけを備えてもよい。

ＧＰＳデータは、ＧＰＳ位相搬送波測定を含んでもよい。いくつかの実施形態では、ＧＰＳデータは、衛星コードデータをさらに含んでもよい。

プロセッサは、真北基準を導出するために、ＩＭＵデータをＧＰＳデータと比較するように構成されてもよい。いくつかの実施形態では、プロセッサは、真北基準を導出するために、ＩＭＵデータを積分し、積分したＩＭＵデータをＧＰＳデータと比較するように構成されてもよい。

本明細書に記載されるデバイス又は方法のＩＭＵは、６つの自由度を有するＭＥＭＳを備えてもよい。いくつかの実施形態では、ＩＭＵは３つのＭＥＭＳ加速度計を備えてもよく、ＩＭＵから受け取られたデータは慣性加速度計データを含んでもよい。

本明細書に記載されるデバイス及び方法のＩＭＵは、３つのＭＥＭＳジャイロスコープをさらに備えてもよく、ＩＭＵから受け取られたデータは角速度データを含んでもよい。

いくつかの実施形態では、本明細書に記載されるデバイスのＩＭＵ、ＧＰＳ受信器、及びプロセッサは、第１の材料内に封入されてもよい。

いくつかの実施形態では、第１の材料は耐衝撃性であってもよい。第１の材料は合成樹脂を含んでもよい。

本明細書に記載されるいくつかの実施形態では、前記デバイスを動かすステップは、前記ＩＭＵデータ及び前記ＧＰＳデータを生成してもよい。いくつかの実施形態では、前記デバイスを動かすステップは、前記デバイスの振動性並進運動を発生させることを含んでもよい。さらなる実施形態では、前記デバイスを動かすステップは、前記デバイスを反転させること、及び前記デバイスの振動性並進運動を発生させることを含んでもよい。

本明細書に記載されるいくつかの実施形態では、プロセッサは、真北基準を導出するために、ＩＭＵデータをＧＰＳデータと比較してもよい。さらなる実施形態では、プロセッサは、真北基準を導出するために、ＩＭＵデータを積分し、積分したＩＭＵデータをＧＰＳデータと比較してもよい。

改良された方位決定デバイス及び真の磁北を検出するための新規な方法の実施例は、以下の添付の図面を参照して本明細書に記載される。

方位決定デバイスの内部特徴部を示す側面図。 封入後の図１の方位決定デバイスの一部を示す図。

本明細書に記載されるように、図１は、第１の実施形態に係る新規な方位決定デバイス１０の内部の特徴部分（すなわち後述する封入前のデバイス）を示す側面図である。デバイスは、ハンドヘルド型として構成されるように、サイズが設定され、成形される。また、デバイスは、ハンドヘルド型以外の他の携帯可能な状況で用いられてもよい。例えば、デバイスは、走行中の船舶又は車両内に配置され得る。図１に示す実施形態では、方位決定デバイス１０は、６つの自由度の微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）慣性測定ユニット（ＩＭＵ）１１を備える。ＩＭＵ１１は、周知のように、３つのＭＥＭＳ加速度計２０及び３つのＭＥＭＳジャイロスコープ３０を備える。加速度計は、測定軸が互いに直角になるように配置される。加速度計は、Ｇ力としても知られる慣性加速度を測定する。３つのジャイロスコープは、同様の直角のパターンに配置され、任意に選択した座標系に関して回転位置を測定する。

デバイス１０は、例えば高ダイナミック全地球測位システム（ＧＰＳ）システムなどのＧＰＳシステムをさらに備え、ＧＰＳシステムはＧＰＳ受信器１２及び対応する統合されたＧＰＳアンテナ１３を備える。このようなシステムの例は、ＱｉｎｅｔｉＱ Ｑ２０ Ｈｉｇｈ Ｄｙｎａｍｉｃｓ ＧＰＳ Ｒｅｃｅｉｖｅｒ Ｍｏｄｕｌｅであり、それは高性能で超小型のＧＰＳユニットである。ＧＰＳ受信器は、要求される測定精度を可能にするために、高安定性時間基準を組み込んでもよい。

デバイス１０は、プロセッサ１４をさらに備える。プロセッサはＩＭＵ１１からデータを受け取るための手段を有し、該データには、加速度計２０からの慣性データ及びジャイロスコープ３０からの角速度データの少なくとも一方が含まれ得る。このため、当分野で周知のように、３２ビット浮動小数点ＤＳＰプロセッサを用いてもよい。図１に示す実施形態では、デバイスは、第１の端部１５と、これに対向する第２の端部１６と、を有する。プロセッサ１４は第１の端部１５に設けられ、ＧＰＳアンテナ１３は端部１６に設けられる。ＩＭＵ１１及びＧＰＳ受信器１２は、端部１５，１６の間に設けられる。しかし、上記配置は、上記特徴部分の配置方法の一例に過ぎず、上記特徴部分について代替的な配置方法を用いてもよい。

いくつかの実施形態では、落下するか又は衝撃を受けた場合に損傷を防止して、衝撃に対して耐性又は抵抗性のあるデバイスを提供するために、及びセンサー測定軸の方向安定性を確実にするために、デバイスの少なくとも一部、例えばＩＭＵ、ＧＰＳ受信器及びプロセッサをシェルに封入するようにしてもよい。または、それが火砲の発射衝撃に耐え得る程度の耐衝撃性をもつように構築され得る。例えば、図２は、合成樹脂材料に封入された後の図１のデバイスの一部を示す。しかし、図２では、ＧＰＳアンテナ１３を図示していないが、該アンテナは図１に示すようにデバイスに具備されている。また、加速度計も図２には図示していないが、デバイスに具備されている。代替例として、デバイスの内部特徴部を封入するため、エポキシ樹脂及びポリウレタンを含む多くの他の異なる耐衝撃材料を用いてもよい。

ＭＥＭＳ慣性測定ユニットを用いることにより、デバイスは、体積約３５立方センチメートルで、質量７５グラムとなるように十分小型化され得る。上記体積及び質量は、デバイスがどの程度に小型化され軽量となり得るか示す一例に過ぎず、当然ながら、他の体積及び質量となるようにデバイスを作製してもよい。このように、デバイスは、人の手で容易に持つことができ、携帯性に極めて優れている。

使用時に、デバイスの小さい体積及び質量により、約０．５ｍの距離で１Ｈｚの周波数の振動性並進運動が後に続く、単純な反転は、手でもって容易に達成することができ、これにより、動作による入力（モーションインプット）がＩＭＵ１１に提供される。この入力は、単独のＩＭＵにより数分間に亘って維持される正確なポインティングをデバイスが提供するため、一時的に（典型的には約１０秒間までの間）与えられることが必要である。デバイスへの入力を提供するため、他のタイプの動作を用いてもよい。一実施形態では、例えば、反転を用いずに振動性並進運動だけを用いるようにしてもよい。

本明細書に記載されるデバイスのプロセッサは、ＧＰＳシステムからデータを受け取るための手段をさらに備える。ＧＰＳデータは、搬送波位相測定を含んでもよく、またさらにＧＰＳ衛星コード測定を含んでもよい。本明細書に記載されるデバイスのプロセッサは、真北に対してＩＭＵ１１の方向を正確に決定するために、ＩＭＵデータをＧＰＳデータと比較してもよい。

具体的には、これは、ユーザーによって導入される振動性運動の２つの独立な測定を用いて達成される。ＩＭＵで検出された加速度は、位置変化を測定するために並行してＧＰＳ搬送波位相データが用いられる間、ＩＭＵ基準系における速度を導出するために積分され、真北に対する関係する速度を導出するために連続した測定値の差が計算される。ＩＭＵとＧＰＳアンテナの間の距離は、振動性並進運動距離の１０％未満であり、任意の重畳された回転の残余レバーアーム効果は修正される。異なる基準系における同じ振動性動きの２つの測定間の差は、これらの基準系間の関係を示し、それゆえ、システム方位角の誤差の推定値を提供する。システム方位角は、さもなければ、その精度を改善するために誤差推定値から適用される累進的修正を用いて、ＩＭＵジャイロデータの連続的積分によって維持される。

本明細書に記載されるいくつかの実施形態では、デバイスのＧＰＳアンテナ及びＩＭＵは、使用中に、デバイスが動く場合に、ＧＰＳアンテナ及びＩＭＵが同じ動きを感じるように互いに配置されてもよい。いくつかの実施形態では、デバイスが動く場合にそれらが同じ動きを感じるように、互いに及び／又はデバイスに堅く接続されることによって達成されてもよい。

ＧＰＳ受信器のための安定な周波数基準を用いて結合される慣性センサーとＧＰＳアンテナとの間の緊密な物理的関係によって、正確な搬送波位相ＧＰＳ測定を用いることが可能になる。次いで、これにより、前述した小さな動作だけによって支持される、収束するための相関処理が可能となる。

これは、既知のデバイスが２、３メートルの精度のレンジで、そして毎秒約１／１０メートルの精度のレンジレートでＧＰＳ測定を処理することによって正常に動作するという点で、方位を決定する既知の技術とは異なる。これらの測定がシステム誤差状態のほとんどを検出するためによく機能するにもかかわらず、方位誤差検出のための機構は、ＧＰＳ誤差、すなわち毎秒数メートルの速度又は数十メートルの位置に関連して有意である変位を生成する水平加速度を必要とする。本明細書に記載されるデバイスは、ＩＭＵとＧＰＳアンテナとの間の近距離及び周波数基準の安定性により、このような動きに依存せず、ＧＰＳ搬送波位相測定がＧＰＳレンジ及びレンジレートデータを補充することを可能にする。

上述したように、本明細書に記載されるデバイスのプロセッサは、正確に方位を決定するために、ＩＭＵデータをＧＰＳ搬送波位相データと結合し比較してもよい。搬送波位相測定は、２、３ミリメートルのオーダーで非常に高い相対位置分解能を提供する。既知のシステムでは、複数のアンテナが通常、少なくとも２つの地点から位相差を同時に測定するために用いられ、従って、基準データ、すなわち真北に対するそれらの地点の角度を決定する。しかし、本明細書に記載されるデバイス及び技術の実施形態では、ＧＰＳシステムからのデータ（例えば、搬送波位相データ）は、ＩＭＵデータと結合され、比較され、そしてカルマンフィルタ測定として慣性航法システムに適用されてもよい。そのような実施形態では、本明細書に記載されるデバイスのＩＭＵは位置がずれることで単一アンテナの正確な短期位置追跡を提供するので、従って２つの地点からの同時測定に対してもはや依存しない。

上記に加えて、本明細書に記載されるデバイスは、有利な効果を提供するために、ＩＭＵ１１とＧＰＳアンテナ１３との間の緊密な物理的関係を利用する。例えば、本明細書に記載されるデバイスのアンテナ及びＩＭＵは、同一の小さいハンドヘルド型デバイス内／上に設けられ、互いにわずか２、３ｃｍ離れて配置される。一実施形態では、ＧＰＳアンテナ位相中心は、ＩＭＵ１１の測定の慣性中心からわずか２ｃｍの位置に配置されてもよい。他の実施形態では、ＩＭＵとＧＰＳアンテナとの間の距離は、さらに大きくてもよいが、好ましくは５ｃｍ未満であってもよい。従って、これはアンテナ及びＩＭＵが同じ動きを感じるという点で重要な利点があり、それは結果として差動運動によって起こり得る誤差を非常に小さくすることになる。

いくつかの実施形態では、使用中に、デバイスはより大きなホストシステムに接続されてもよく、カルマンフィルタを条件づけるために用いられる動きを可能にするために一時的に取り外されてもよい。その必要な動きは、加速度計の誤差を観測するための単一の又は反復する反転、それから方位誤差を観測するための約０．５メートルの単一の又は反復する変位である。

上記からみて、デバイス及び方法は、例えば方位を決定するために磁気センサーに依存する既知のデバイス及び方法に勝る著しい利点を有する。これは、それらが磁北と真北とのずれだけでなく近傍の磁気的影響からの干渉に影響されやすいために、このような磁気センサー精度が磁気偏角によって制限されるからである。

また、本明細書に記載される新規なデバイス及び方法は、それがハンドヘルド型として十分に小さく、単純な手の動きにより動作するという点で、さらなる利点を有する。また、ＧＰＳデータ、特に搬送波位相データと慣性データとの組合せの処理は、単一のＧＰＳアンテナだけを用いて正確な真北基準をさらに提供する。これは、上述したように、複数のＧＰＳアンテナを使用するか、又はより顕著な車両による動きを必要とする既知のシステムとは異なる。

また、本デバイスはＩＳＯ１５６９３近接プロトコルを用いる無電力データ転送のための無線通信を提供することができる。これによって、任意の外部電源が適用される前に、任意の必要なミッションデータをデバイスへ転送することができる。

Claims (15)

1. 方位を決定するためのデバイスであって、
   ＭＥＭＳ慣性測定ユニット（ＩＭＵ）と、
   ＧＰＳアンテナ及び受信器を備えるＧＰＳシステムと、
   前記ＩＭＵ及び前記ＧＰＳシステムからデータを受信するように構成されるプロセッサと、
   を備え、
   前記プロセッサは、前記ＩＭＵデータ及び前記ＧＰＳデータに基づいて真北基準を導出するために、前記ＩＭＵデータ及び前記ＧＰＳデータを処理するように構成され、
   前記ＧＰＳアンテナ及び前記ＩＭＵは、前記デバイスが動く場合に、前記ＧＰＳアンテナ及び前記ＩＭＵが同じ動きを感じるように、互いに堅く接続され、かつ、各々から５ｃｍ以下離れて配置され、
   前記プロセッサは、前記真北基準を導出するために、前記ＩＭＵデータを前記ＧＰＳデータと比較するように構成される、デバイス。
2. 前記デバイスはハンドヘルド型として構成される、請求項１に記載のデバイス。
3. 前記デバイスは、前記デバイスの動きにより前記ＩＭＵデータ及び前記ＧＰＳデータを生成するように構成される、請求項１に記載のデバイス。
4. 前記動きは、前記デバイスの振動性並進運動を含む、請求項３に記載のデバイス。
5. 前記動きは、前記デバイスの反転及び前記デバイスの振動性並進運動を含む、請求項３に記載のデバイス。
6. 前記ＩＭＵデータ及び前記ＧＰＳデータは、前記デバイスの前記同じ動きの第１及び第２の独立した測定に対応する、請求項３に記載のデバイス。
7. 前記ＩＭＵは３つのＭＥＭＳ加速度計を備え、前記ＩＭＵから受け取られた前記データは慣性加速度計データを含む、請求項１に記載のデバイス。
8. 前記ＩＭＵは３つのＭＥＭＳジャイロスコープを備え、前記ＩＭＵから受け取られた前記データは角速度データを含む、請求項１に記載のデバイス。
9. 方位を決定するための方法であって、
   ＭＥＭＳ慣性測定ユニット（ＩＭＵ）、ＧＰＳシステム、及びプロセッサを備えるデバイスを提供することを含み、
   前記ＧＰＳシステムは、ＧＰＳアンテナ及び受信器を備え、
   前記ＧＰＳアンテナ及び前記ＩＭＵは、前記デバイスが動く場合に、前記ＧＰＳアンテナ及び前記ＩＭＵが同じ動きを感じるように、互いに堅く接続され、かつ、各々から５ｃｍ以下離れて配置され、
   前記方法は、前記デバイスを動かすステップと、
   前記プロセッサにＩＭＵデータ及びＧＰＳデータを送信するステップと、
   をさらに含み、
   前記プロセッサは、前記ＩＭＵデータ及び前記ＧＰＳデータを処理し、前記ＩＭＵ及び前記ＧＰＳデータに基づいて真北基準を導出することを特徴とする方法。
10. 前記デバイスを動かすステップは、前記デバイスの振動性並進運動を発生させることを含む、請求項９に記載の方法。
11. 前記デバイスを動かすステップは、前記デバイスを反転させることと、及び前記デバイスの振動性並進運動を発生させることと、を含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記ＧＰＳデータは、ＧＰＳ位相搬送波測定を含む、請求項９に記載の方法。
13. 前記ＧＰＳデータは、衛星コードデータをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
14. 前記真北基準を導出するために、前記ＩＭＵデータを前記ＧＰＳデータと比較するステップを含む、請求項９に記載の方法。
15. 前記真北基準を導出するために、前記ＩＭＵデータを積分し、前記積分したＩＭＵデータを前記ＧＰＳデータと比較するステップを含む、請求項９に記載の方法。

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