JPH03245076A - ジャイロ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野］ 本発明は、船舶、自動車等の航行体の方位角、位置及び
速度等を検出するジャイロ装置に関する。

〔従来の技術〕

従来、船舶等には、周知の如く、方位を計測する装置と
して、ジャイロコンパス及び磁気コンパスが有り、如何
なる条件下においても、常に自船の方位を計測し、安全
な航行が可能となるようになされていた。

しかしながら、ジャイロコンパスは、その起動時間が約
１時間以上と長くかかること、また、磁気コンパスは、
地磁気の北を示すことから、その示す方位は真北から偏
移しているという欠点を有しいた。

近年、これらの欠点を一掃し、常時、船舶等の航行体の
位置を検出するシステムとして、衛星による電波を利用
したＧ　Ｐ　Ｓ　（Ｇｌｏｂａｌ　Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉ
ｎｇＳｙｓ　ｔｅｍ）航法が提案されている。これは、
常時、３個以上の衛星からのデータにより、三次元的に
航行体の位置を計測するものであり、衛星の打上げが終
了する１９９０年代には、民間用のコードであるＣ／Ａ
コードを用いて運用されるものと期待されている。

しかしながら、上記、通常の計測によるＧＰＳの信号処
理においては、航行体の位置が計測できるだけであり、
その位置計測誤差が大きいために方位角を計測すること
はできなかった。これに対し、ディファレンシャルＧＰ
Ｓと称される測量で用いられてきた衛星電波の位相差を
計測する２位置差高精度同時計測法により、航行体の方
位角を算出する手法が発表されている。以下、第２図を
もとに、その計測原理を説明する。

第２図に於て、（１）及び（２）は、例えば船舶等の航
行体（図示せず）に取り付けた受信アンテナであり、基
線長である両アンテナ（１）及び（２）間の距離Ｉ７は
、既知であるとする。これらのアンテナ（１）、　（２
）からの電波は、ＧＰＳ方位演算部（３）に供給されて
おり、以下に述べる演算により航行体の方位角成分ψを
演出する。

ＧＰＳ衛星（５）から発信される電波は、Ｌ１帯の周波
数約１．５ＧＨｚ又はＬ２帯の周波数約１．２ＧＨｚの
キャリアで伝送される。民間用として開放されるコード
は、Ｃ／Ａコードのみであるので、以下では、Ｃ／Ａコ
ードをもとにすることとする。Ｃ／Ａコードを用いる場
合は、電波はＬｌ帯であり、チップレート１．０２３　
Ｍｂｐｓ、　１０２３　ｂｉｔのデータを受信すること
ができる、 いま、第２図に示す如く、１つの衛星（５）からの電波
を、アンテナ（１）及び（２）で同時に受信した場合を
考える。この時、衛星（５）の位置とアンテナ（１）。

（２）間の距離りにより、アンテナ（１）で受信した電
波とアンテナ（２）で受信した電波との間には、第２図
に於て、Ｄで示す距離差がある。この距離差りは、Ｃ／
Ａコードの特定の電波に着目することにより、その位相
差（時間差）として計測することができるから、これに
、その電波の波長を乗することにより、距離差りを求め
ることができる。Ｄが求まれば、Ｌが既知であるから、 ψ＝ｃｏｓ−’　（Ｄ／　Ｌ　）　　　　”　・・（１
）として、観測衛星（５）に対する基線長し、従って航
行体の方位角ψを求めることができる。なお、本計測に
おいては、必ずしも、受信コードを復調する必要はない
。

一方、衛星（５）と受信アンテナ（１）、　（２）とを
結ぶ線と真北（Ｎ）とのなす方位角θは、以下のように
して求めることができる。即ち、アンテナ（１）で衛星
（５）からの電波を受信した後、少くとも他の２つ以上
の衛星（図示せず）の電波を受信する。そして、これら
の受信電波のＣ／Ａコードを復調し、衛星から発信され
た電波の発信時刻と受信時刻とを知ることにより、衛星
からの電波の伝搬時間を求め、それに電波の波長を乗す
ることにより、衛星からアンテナ（１）、従って航行体
までの距離を求める。一つの衛星から等距離にある位置
は、その距離を半径とする球面上であるから、上記、３
個の衛星からの３個の球面を求め、その交点を求めるこ
とにより、受信アンテナ（１）の位置を決定することが
できる。アンテナ（１）の位置が求まれば、衛星（５）
の位置は既知であるから、アンテナ（１）〜衛星（５）
開位置ベクトルの方向余弦より、方位角θを求めること
ができる。

このアンテナ（１）の位置を求めるための、電波受信か
ら位置演算のプロセスを実行する要素が、アンテナ（１
）よりの電波を受けるＧＰＳ位置演算部（４）であり、
これよりの位置データ及びアンテナ（１）（２）よりの
受信データを基に、前述のψの演算及び（ψ＋θ）の演
算を行う要素が、ＧＰＳ方位演算部（３）である。

このようにして、ＧＰＳ方位演算部（３）で演算された
基線長し、従って航行体の方位角は（θ＋ψ）となり、
これがディジタル信号として出力される。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上述した従来の衛星を利用した方位角計
測装置では、方位角計測のための演算時間がかかりすぎ
るため、連続的に方位角を計測することかできず、この
ため、例えば船舶が旋回運動を行った場合等には、時間
遅れのために、誤差を生ずるという問題点があった。

また、ＧＰＳ電波には、その衛星の配置上、計測誤差が
大きくなる領域及び時刻が存在すること、また太陽活動
に起因する磁気異常のため、計測が困難となる場合があ
る等の欠点を有していた。

このため、本発明は、従来の装置の持つ問題点を解決し
た新規な方位角計測用のジャイロ装置を提供するもので
ある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明によるジャイロ装置は、航行体に設置した衛星か
らの電波を受信するための２つ以上の受信アンテナ（１
，２）　と、アンテナからの受信電波を用いて航行体の
位置及び方位角を演算する手段（４，３）と、航行体の
ヨー軸を人力軸として航行体に設置した積分形ジャイロ
（１０）と、該積分形ジャイロの出力をディジタル信号
に変換するＡ／Ｄ変換器（１１）と、該Ａ／Ｄ変換器の
出力を微分する微分器（１２）と、該微分器の出力を積
分する積分器（１４）と、該積分器の出力と上記衛星電
波を受信することにより得られた方位角とを比較する比
較手段（ＡＤ＋）と、該比較手段の偏差を補償するため
の補償手段（１６）と、該補償手段の出力を積分器の入
力にフィードバックする手段と、上記積分器の出力及び
上記位置を表示する表示手段（１９）とより構成したも
のである。

また、上記位置信号より速度を演算する手段（１８）と
、これよりの速度及び上記積分形ジャイロより得られる
角速度値を用いて船体傾斜補正手段（１３）により、方
位角の船体傾斜補正を行うとともに、ＧＰＳの演算方位
角及び積分形ジャイロの演算方位角の異常を検出すると
ともに、誤差増大を抑止する手段（１５，１７）を有す
る。

〔作用］ 上述した本発明のジャイロ装置によれば、方位角の出力
値は、ＧＰＳ衛星の方位角演算手段の出力周期値に関係
なく、連続して方位角を計測することができる。このた
め、船舶等の航行体の運動による方位角計測値の時間遅
れもなく、正確に方位角を計測することができる。

また、ＧＰＳ衛星の方位角演算誤差が増大した場合等に
も、ジャイロの出力値により正確な方位角を測定するこ
とができる。

［実施例］ 以下、第１図を参照して、本発明の一実施例を説明する
。尚、第１図は、本発明のジャイロ装置の一例のブロッ
ク図である。同図において、第２図と同一要素は、同一
番号を付与してその詳細な説明は省略する。

第１図に於て、（１０）は、航行体の一例としての船舶
の船体のヨー軸を入力軸とするよう船体に固定された積
分形ジャイロである。積分形ジャイロ（ｌＯ〉は、角度
センサであり、ジャイロを取付けた物体の慣性空間に対
する角度を検出するものである。第１図の実施例の場合
、積分形ジャイロ（１０）の入力軸は船体のヨー軸であ
るから、積分形ジャイロ（１０）の出力は船舶の方位角
ということができる。この積分形ジャイロ（１０）のア
ナログ出力は、Ａ／Ｄ変換器（ＩＩ）に供給され、こで
、ディジタル値に変換される。ディジタル変換された積
分形ジャイロ（１０）の出力は、微分器（１２）に入力
され、微分演算が実行され、角速度出力に変換される。

いま、船舶の旋回運動を考えると、船体は遠心力を受け
、ロール軸方向に傾斜する。この傾斜のために、ジャイ
ロ（１０）の出力は鉛直軸方向だけでなく、ロール軸方
向の回転誤差を含んだものとなる。この誤差の補正演算
を行う要素が、以下に述べる船体傾斜補正部（１３）で
ある。

船体の傾斜角は、船体の重力ヘクトル、浮力ヘクトル及
び外力（遠心力）ヘクトルによって決定される。前二者
は、船体の重量、その形状及び積荷の状態等によって異
なるものの、船体固有量として既知である。したがって
、遠心加速度による船体傾斜角は、重力ヘクトルと遠心
力ヘクトルとの合力が浮力ベクトルと釣り合う角度とし
て計算されるから、遠心力ベクトルがわかれば、船体傾
斜角を知ることができる。この遠心力を求めるためには
、船体の角速度と速度を知れば良いから、後述のＧＰＳ
速度演算部（１８）の速度出力と、微分器（１２）より
の角速度出力値を用いればよいといえる。

上述の演算により船体傾斜角αが求まれば、鉛直方向の
角速度は微分器（１２）の出力にｃｏｓαを乗して求め
ることができる。このように、速度信号をもとに、船体
傾斜角αを演算し、ジャイロ（１０）の出力値の鉛直方
向成分を取り出す演算要素が、上記船体傾斜補正部（１
３）である。

上記Ｉ船体傾斜補正部（１３）の出力は、後述のフィー
ドバンク信号と、加算器（ＡＤ）で加算され、その加算
出力が積分器（１４）に人力される。積分器（１４）は
、人力である角速度を時間で積分演算を行う要素であり
、その出力は角度（方位角）となる。

積分器（１４）の出力は、ＧＰＳ方位演算部（３）の出
力と比較器（ＡＤ、）で比較される。

また、船体の船首尾線上に、例えば１ｍの間隔で設置さ
れた２本のアンテナ（１）及び（２）（第２図参照）に
より受信したＧＰＳ衛星からの電波は、ＧＰＳ位置演算
部（４）及びＧＰＳ方位演算部（３）で演算処理され、
それぞれ、位置及び方位角を出力する。

ＧＰＳ方位演算部（３）の出力は、積分形ジャイロ（１
０）の出力を積分した方位角出力と比較器（ＡＤ、）で
比較され、その残差が異常検出処理部（１７）に入力さ
れる。異常検出処理部（１７）は、上述の残差が異常に
大きい場合（例えば５°以上）には、ＧＰＳ方位演算部
（３）の異常とみなし、フィードハックループの一方で
ある異常検出処理部（１７）の出力をＯとし、残差をフ
ィードバンクしない処理を行う要素である。なお、残差
が異常に大きくない場合には、異常検出処理部（１７）
の出力は、残差値となる。

異常検出処理部（１７）の出力は補償演算部（１６）に
供給されている。補償演算部（１６）は、例えば比例ゲ
インにで構成されており、前述のジャイロ方位角とＧＰ
Ｓ方位演算部（３）の出力方位角との残差を、比例ゲイ
ン倍（Ｋ倍）する作用を有している。補償演算部（１６
）の出力は、積分器（１４）の入力側の加算器（ＡＤ）
に反対符号で供給される。

上述のようにフィードバック系を構成すると、ジャイロ
（１０）の出力方位角がＧＰＳ方位演算部（３）からの
出力方位角に追従する。したがって、ＧＰＳ方位演算部
（３）の出力周期が長くなっても、その間、積分形ジャ
イロ（１０）の出力による方位角で補間を行うため、常
に連続した正確な方位角を出力することができる。

積分器（１４）の出力及びＧＰＳ方位演算部（３）の出
力は、他の異常検出処理部（１５）に供給されている。

この異常検出処理部（１５）は、積分器（１４）の出力
の時間微分値が、船体運動能力に比し、異常に大きい場
合（たとえば５０″Ａ）を検出し、この時、積分器（１
４）の出力を中止し、ＧＰＳ方位演算部（３）の出力値
を補間して出力する機能を有する要素である。

なお、積分器（１４）の出力の時間微分値が、上述のよ
うに異常に大きくない場合には、異常検出処理部（１５
）の出力は、積分器（１４）の出力である。この異常検
出処理部（１５）の出力は、ＧＰＳ位置演算部（４）の
出力及び後述のＧＰＳ速度演算部（１８）の出力ととも
に、表示部（１９）に供給されており、方位角、位置及
び速度として表示される。

ＧＰＳ速度演算部（１８）はＧＰＳ位置演算部（４）の
出力を人力とし、以下に記載する速度演算を行い、その
出力は船体傾斜補正部（１３）及び表示部（１９）に供
給されている。このＧＰＳ速度演算部（１８）の演算は
、ＧＰＳ位置演算部（４）のその時刻の出力値から、演
算出力サイクルの１時刻前の出力値を滅し、これを演算
出力サイクル時間で割ることにより速度計算を行うもの
である。

以上のように系を構成することにより、船舶等の航行体
の運動に関係なく、またＧＰＳからの衛星電波が受信で
きない環境下となっても、更に系内に以上が生しても、
常に安定した方位角等の諸量を計測することができる。

尚、第１図の例においては、Ａ／Ｄ変換器（１１）の出
力を微分器（１２）に供給したが、微分器（１２）の出
力をＡ／Ｄ変換器（１１）に人力するようＡ／Ｄ変換器
（１１）と微分器（１２）との接続順序を入れかえても
、全く機能は同一である。

また上記実施例では、衛星をＧＰＳ衛星としたが、衛星
はこれに限ることなく、他の測位用衛星、例えばＧＬＯ
ＮＡＳＳ衛星を用いても良い。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、以下に列挙する
効果が得られる。

（１）船舶等の航行体の方位角を航行体の運動に関係な
く、高精度で連続して得ることができる。

（２）方位角を時間遅れなく計測することができる。

（３）衛星から得られる方位角誤差が増大した場合にも
、連続して高精度な方位角を得ることができる。

（４）方位角のみならず、位置、速度をも正確に計測す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のブロック図、第２図は方位
角の計測原理の説明に供する路線図である。 図に於て、（１）、　（２）は受信アンテナ、（３）は
ＧＰＳ方位演算部、（４）はＧＰＳ位置演算部、（１０
）は積分形ジャイロ、（１１）はＡ／Ｄ変換器、（１２
）は微分器、（１３）は船体傾斜補正部、（１４）は積
分器、（１５）　、　（１７）は異常検出処理部、（１
６）は補償演算部、（１８）はＧＰＳ速度演算部、（１
９）は表示部を夫々示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、航行体に所定の距離をおいて設置した第１及び第２
   の衛星受信アンテナと、該アンテナで受信した衛星電波
   を用いて上記航行体の方位角及び位置を演算する演算手
   段とを有する方位角及び位置計測装置を持つジャイロ装
   置において、航行体のヨー軸を入力軸となすよう航行体
   に固定した積分形ジャイロと、 該積分形ジャイロの出力を微分する微分手段と、 該微分手段の出力を入力とし、その出力を積分する積分
   手段の入力とする加算器と、 上記積分手段の出力と上記衛星電波を受信することによ
   り得られる方位角とを比較する比較手段と、 該比較手段よりの偏差を補償するための補償手段と、 該補償手段の出力を上記加算器の負入力端にフィードバ
   ック手段とを有することを特徴とするジャイロ装置。 ２、上記衛星はＧＰＳ又はＧＬＯＮＡＳＳであることに
   特徴を有する上記特許請求の範囲第１項記載のジャイロ
   装置。 ３、上記位置演算手段の出力を用いて速度演算を行うた
   めの速度演算手段を設け、該速度演算手段の出力を用い
   る航行体の傾斜補正手段を上記微分手段の出力側に挿入
   したことを特徴とする上記特許請求の範囲第１項記載の
   ジャイロ装置。 ４、上記比較手段の偏差により、上記方位演算手段の出
   力を零とする処理手段を、上記比較手段と補償手段との
   間に設けたことを特徴とする上記特許請求の範囲第１項
   記載のジャイロ装置。 ５、上記積分手段の出力の時間微分値により、上記積分
   手段の出力値と、上記方位演算手段の出力値とを切り換
   えて出力する処理手段を、上記積分手段の出力側に設け
   たことを特徴とする上記特許請求の範囲第１項記載のジ
   ャイロ装置。 ６、上記速度を出力するようになしたことを特徴とする
   上記特許請求の範囲第３項記載のジャイロ装置。