WO2009139410A1 - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

　道路上や道路周辺の地物の位置を計測して道路の地図情報を収集する計測車両に搭載され、車両走行時においても信頼性の高い計測が可能な測位用アンテナの機構を実現する。この発明による測位用アンテナは、測位衛星からの電波を受信する測位アンテナと上端に前記アンテナを装着する支柱と前記支柱の長手方向を覆う筒状のプレートを備え、上記プレートにより、車両走行中に測位用アンテナにかかる揚力を抑えて測位アンテナを保持する支柱の強度問題を解決するとともに、風切り音を抑え、また、ケーブルの損傷を防止する。

Description

アンテナ装置

　この発明は、車両に搭載され、測位衛星からの電波を受信するアンテナ装置に関するものである。

　近年、カーナビゲーションシステムなどに代表されるＧＩＳ（Ｇｅｏｇｒａｐｈｉｃａｌ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ）とＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ　Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ）を組み合わせた製品の普及が著しい。また、一方で、ＧＩＳとＧＰＳによる位置情報をＩＴＳ（Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ　Ｓｙｓｔｅｍｓ）の安全運転へ応用することが期待されており、道路上・道路脇の地物の位置情報は有効な情報であると考えられている。
　また一方で、道路周辺の地物の情報を記録した道路管理台帳の高精度化、高度化が望まれている。しかしながら、１／５００のスケールでキロポスト、標識、ガードレール、白線などの道路上・道路脇の地物の位置を記録する道路管理台帳の作成には、高い精度を持つ測量を行う必要があるため、ＧＰＳと距離・角度を計測するトータルステーションとを用いた静止測量が行われている。また、国道には往復３０ｋｍの区間に計測対象となる地物が約２０００も存在していることもある。そのため、全国の道路管理台帳の高度化・高精度化には莫大な費用と時間とを要する。
　そこで、情報収集時間および費用の縮減を目的としてＭＭＳ（Ｍｏｂｉｌｅ　Ｍａｐｐｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ）が注目され研究開発が行われている。

　ＭＭＳはオドメトリ装置、ジャイロ、ＧＰＳ受信機に接続されたＧＰＳアンテナ、レーザレーダ、カメラ等の機器を備えた計測台車（以下、車両とする）が道路を走行し、走行する車両から道路周辺の地物等の位置や地図情報を取得するシステムである。
　オドメトリ装置は、オドメトリ手法を実行し車両の走行距離を示す距離データを算出する。
　ジャイロは、例えば３台のジャイロを搭載して、車両の３軸方向の傾き（ピッチ角、ロール角、ヨー角）を示す角速度データを算出する。
　ＧＰＳは車両の走行位置（座標）を示す測位データを算出する。
　カメラは撮影を行い時系列の画像データを出力する。
　レーザレーダは、路面までの距離を各方位について示す方位・距離データを算出する。
　ＭＭＳの計測部は、これらの距離データ、角速度データ、測位データ、画像データ、方位・距離データ等に基づいてユーザの指定した地物の位置を算出する。

　ここで、ジャイロ、ＧＰＳアンテナ、レーザレーダ、カメラは共に、車両の天板に搭載されて各種データを取得する。天板は、複数本の柱状部材を組み合わせた枠体であり、車両の天板のサイズには限りがあるため、これらの機器はお互い近くの場所に設置されることになる。しかしながら、カメラやレーザレーダなどの寸法の大きい機器がＧＰＳアンテナ近くに設置されているとＧＰＳアンテナはこれらの機器の影になり、受信範囲が狭められてＧＰＳ衛星からの電波の受信が不安定となることが生じる。例えば、車両が交差点を曲がることで、今まで受信できていた電波がカメラ機器により遮断されて受信が出来なくなるようなことが生ずる。

　この対策として、ＧＰＳアンテナを支柱等を用いて高い位置に設置しアンテナ受信面が他の機器よりも高い位置となるように配置する手法が考えられる（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７－２１８７０５号公報

　しかしながら、車両の天板にＧＰＳアンテナを搭載する場合で、そのＧＰＳアンテナの高さを支柱によって高い位置に設ける際には次のような課題が生じる。
（１）ＧＰＳアンテナの円盤面には上流からの吹き上げにより働き、ＧＰＳアンテナの支柱に強度的な問題が発生する。
（２）車両が走行する際、新たに設けたＧＰＳアンテナの支柱からの渦の生成に起因して風切り音が発生する。特に、高速巡航の際にはこの風切り音が顕著となって、騒音となる。
（３）道路脇の木立等に当たって、支柱やＧＰＳアンテナから出ているケーブルが損傷を受ける。
　また、この他にも、ＧＰＳアンテナを天板よりも高い位置に設置したことで、ＧＰＳアンテナの背面側からも電波が回り込んで、いわゆるマルチパスの影響が発生する場合がある。

　この発明は、かかる課題を解決することを主な目的とし、ＧＰＳアンテナの支柱の周りに円筒状のプレートを設けることで車両走行時においても支柱を安定に保って、信頼性の高い計測が可能な機構を実現することを目的とする。

　この発明によるアンテナ装置は、車両に搭載され、測位衛星からの電波を受信するアンテナと、上端に前記アンテナが取付けられた支柱と、前記支柱の周囲を覆うプレートとを備える。

　前記プレートは前記支柱との間に空隙を形成する中空の筒状プレートであることを特徴とする。

　前記プレートは円筒形状を有することを特徴とする。

　前記プレートは金属製であることを特徴とする。

　前記空隙に前記測位アンテナの出力ケーブルが配置されることを特徴とする。

　前記支柱の長手方向の軸回転方向に継ぎ支柱を備え、
　前記プレートの内壁は前記継ぎ支柱を介して前記支柱と接続されることを特徴とする。

　前記車両は、車両上部の前記アンテナ近傍位置に、前記車両周辺を撮影する撮影手段と前記車両の傾きを示す角速度データを出力するジャイロとを備えた計測用台車であり、
　前記支柱は、前記支柱の上端に装着した測位アンテナが少なくとも前記撮影手段あるいは前記ジャイロの上面高さより高くなる位置に設置される長さを有することを特徴とする。

　この発明によれば、ＧＰＳアンテナを支柱を利用して車両の天板より高い位置に設置した場合であっても、支柱を安定に保って、信頼性の高い道路情報を取得できる。

実施の形態１に係るＧＰＳアンテナを搭載した車両を示す図である。 実施の形態１に係るＧＰＳアンテナを搭載した天板の斜視図である。 実施の形態１に係るＧＰＳアンテナ周辺の側面図である。 実施の形態１に係るＧＰＳアンテナの上面図である。 実施の形態２に係るＧＰＳアンテナの斜視図である。 実施の形態３に係るＧＰＳアンテナの斜視図である。 従来のＧＰＳアンテナを搭載した天板の斜視図の一例である。 従来のＧＰＳアンテナを搭載した天板の斜視図の一例である。 従来のＧＰＳアンテナ周辺の側面図である。

　実施の形態１．
　以下、図１～図４を用いてこの発明に係る実施の形態１について説明する。
　図１に、本実施の形態に係るＧＰＳアンテナを搭載した車両の例を示す。図１（ａ）は車両の上面図であり、（ｂ）は側方図である。本実施の形態では、車両を移動体の例として説明する。なお、ＧＰＳアンテナは測位信号を受信するアンテナの一例であり、ＧＰＳ以外の測位システムのガリレオ（Ｇａｌｉｌｅｏ）やグロナス（ＧＬＯＮＡＳＳ）等で使用されるアンテナであってもよい。
　車両１の車体上面１５には、基台である天板１４が取付けられており、天板１４には各種機器が搭載可能となっている。
　天板１４には、撮影手段である可視カメラ１１が取付けられている。可視カメラ１１は、例えば、車両１の前方を撮影して時系列の画像データを出力する。
　天板１４には、ジャイロ１３が取付けられている。ジャイロ１３には３台のジャイロが内蔵されており車両の３軸方向の傾き（ピッチ角、ロール角、ヨー角）を示す角速度データを取得する。
　また、天板１４には、レーザレーダ１２（ＬＲＦ［Ｌａｓｅｒ　Ｒａｎｇｅ　Ｆｉｎｄｅｒ］ともいう）が取付けられている。レーザレーダ１２は、車体の前方、または後方に設置され、横方向に光軸を振りながらレーザを斜め下方向に照射して、路面までの距離を各方位について示す方位・距離データ（ＬＲＦデータ）を算出する。
　天板１４には、ＧＰＳアンテナ１０が取付けられている。ＧＰＳアンテナ１０は上空を移動するＧＰＳ衛星から電波を受信し、ＧＰＳ受信機（図示せず）は受信した電波から車両の走行位置（座標）を示す測位データを算出する。
　本実施の形態のＧＰＳアンテナ１０は支柱２０の先に固定されて天板１４上に設置されれる。なお天板１４は、複数本の柱状部材を組み合わせた枠体であり、このため柱状部材の幅に合わせて支柱２０の径が制限される。すなわち、支柱２０の径が大きすぎると支柱２０を安定して天板に固定することができないため、支柱２０の径は柱状部材の幅程度のものが選択される。
　このように、ＧＰＳアンテナ１０を支柱２０の先に固定することで、ＧＰＳアンテナ１０は天板１４に取付けられる他の機器（可視カメラ１１、ジャイロ１３、レーザレーダ１２）よりも高い位置に置くことができる。そして、支柱２０はその周りを円筒状のプレート２１で覆われる構成となっている。ＧＰＳアンテナ１０を支える支柱２０と支柱２０の周囲を覆うプレート２１の詳細は後述する。なお、図１では３台のＧＰＳアンテナを天板１４上に搭載し各々がＧＰＳ衛星からの電波を受信する例を記載したが３台に限られるものではない。プレート２１は、平面状の板部材を加工することで支柱２０の周囲を覆う形状とすることができる。
　車両１は計測装置（計算機）３０を備え、計測装置２０は、天板１４に搭載された可視カメラ１１、ジャイロ１３、レーザレーダ１２、ＧＰＳアンテナ１０からの画像データ、角速度データ、ＬＲＦデータ、測位データ等に基づいて道路情報を取得する。

　図２は、可視カメラ１１、ジャイロ１３、レーザレーダ１２、ＧＰＳアンテナ１０を天板１４に搭載した搭載例（斜視図）である。天板１４は、軽量化のためフレーム（枠）形状とし、各フレーム上に各機器を設置している。ＧＰＳアンテナ１０は円盤形状を有し、その中心位置を支柱２０で固定する。可視カメラ１１やレーザレーダ１２の高さ寸法は例えば数十ｃｍ程であり、支柱２０の長さは、ＧＰＳアンテナ１０の設置位置が可視カメラ１１やレーザレーダ１２の上面より高い位置となる長さとする。なお、図２の例ではＧＰＳアンテナが３台設定されているが、各々の支柱の長さは同一である必要はなく、周囲に設けられる機器の設置高さに応じて、ＧＰＳアンテナ１０が良好にＧＰＳ衛星からの電波を受信可能となる長さに設定すればよい。

　図３は本実施の形態のＧＰＳアンテナ１０周辺の側面図である。図４はＧＰＳアンテナを上方からみた上面図である。
　ＧＰＳアンテナ１０は支柱２０の上部先端に装着される。ＧＰＳアンテナ１０と支柱２０との接続は、双方に接続板を渡してネジで固定するネジ固定であってもよいし、支柱２０の先端がネジ形状になっていてＧＰＳアンテナ２０の下面に設けられたネジ穴にねじ込んで固定するようなものであってもよい。一方、支柱２０の他端は天板１４に固定される。支柱２０は例えば金属あるいは樹脂成形で構成される。
　支柱２０は支柱２０の長手方向に対し垂直となる方向に継ぎ支柱２５を備える。継ぎ支柱２５は金属あるいは樹脂等で構成され、支柱２０の周囲回転方向に約１２０度間隔で３本づつ、上下方向で２段の構成をとる。

　プレート２１は円筒状プレートであり、円筒状の金属プレートの内側で継ぎ支柱２５の先端と接続固定される構造となっている。継ぎ支柱２５の先端のプレート２１の位置には穴が開けられ、ネジ２６によりプレート２１と継ぎ支柱２５とが一体的に固定される。このようにして支柱２０とプレート２１とは継ぎ支柱２５により一体固定され、支柱２０の周囲にはその長手方向を覆うようにプレート２１が設置される。
　このようにして、プレート２１は支柱２０の周囲を覆い、支柱２０とプレート２１との間には上端と下端が開放された空間２７が形成される。
　支柱２０を覆うプレート２１の長手方向の幅については、ＧＰＳアンテナ２０が測位衛星（ＧＰＳ等で測位信号を送信するＧＰＳ衛星等）からの電波を受信する妨げにならない程度の幅に設定する。また、プレート２１は天板１４に接触するようにしてもよいし、天板１４からの振動や衝撃を避けるためにプレート２１と天板１４との間に隙間を設けるようにしてもよい。また、強度的に問題がない範囲で継ぎ支柱２５の数は増減してもよい。
　ＧＰＳアンテナ１０の出力ケーブル２２は、プレート２１と支柱２０との間に作られた空間２７を通され、計測装置に引き込まれる。これにより、出力ケーブル２２が外部に露出することを回避できる。
　なおプレート２１は金属や樹脂等でできており、後で説明するマルチパスの影響を積極的に除去する場合には、金属製プレートあるいは外周を金属コーティングした樹脂製プレートとすればよい。

　ここで、従来の車両１の天板１４に設置されたＧＰＳアンテナとの比較を行う。
　図７は、支柱２０を用いずＧＰＳアンテナ１０を直接天板１４に設置した際の機器設置の従来例である。
　図７で示したＧＰＳアンテナ１０を直接天板１４に設置した例では、ＧＰＳアンテナ１０の付近に設置されたカメラ１１、レーザレーダ１２、ジャイロ１３が電波を遮断して、ＧＰＳアンテナは安定してＧＰＳ衛星からの電波を受信することができない。

　図８は、支柱２０を用いてＧＰＳアンテナ１０を周辺の機器の上面より高い位置に設置した際の機器設置の従来例である。
　図８で示した従来例では、ＧＰＳアンテナ１０の受信状態は安定化するが、別に課題が生じる。
　すなわち、支柱２０を用いることで、車両が高速で巡航する際、アンテナやアンテナの細い支柱からの渦の生成や、後流における剥離、消滅、加速運動に起因する風切り音が発生する。また、車体やＧＰＳアンテナ１０の上流（風上）にある他の搭載物から発生する剥離渦がＧＰＳアンテナ１０にあたり圧力変動が起こることによる風切り音が発生して騒音となる。
　さらには、ＧＰＳアンテナ１０の円盤面には上流（風上）からの吹き上げにより揚力が働き、支柱２０に強度的な問題が発生する可能性がある。
　また、ＧＰＳアンテナ２０からは出力ケーブル２２が出ているが（図９参照）、車両走行中にこの出力ケーブル２２が道路脇の木立などに当たって、損傷を受けてしまうおそれがある。

　これに対して、図１～図４で示した本実施の形態のＧＰＳアンテナでは、支柱２０の周囲を円筒状のプレート２１で覆う構造を設けている。
　このようにＧＰＳアンテナ１０前面を鈍頭形状にすることで、車両走行時に発生する渦の急激な変化を低減し、プレート２１後方における剥離領域の形成を抑制して、風切り音の発生を低減することができる。
　これと同時にＧＰＳアンテナ１０の円盤に働く揚力も低減することができる。

　一方、図８で示した支柱２０を用いてＧＰＳアンテナ１０を周辺の機器の上面より高い位置に設置した際には、いわゆるマルチパスの影響を受け易くなる。
　一般にアンテナを設計する際は、マルチパスの影響を抑える設計を行う。しかしながらその場合であってもアンテナ背面側から入射する電波に対しても感度は有することになる。
　図８で示した支柱２０を用いてＧＰＳアンテナ１０を天板１４より高い位置に設置した場合は、天板１４や車体１のボンネットあるいはキャビン上面で反射された電波を受信してマルチパスの影響を受け易くなる。

　マルチパスの抑制方法としては、ＧＰＳアンテナに，グランドプレーンをつける対策と、ＲＦ信号の特性を考慮して設計されたチョークリングを付ける対策が考えられる。
　ＧＰＳアンテナが静止状態で使用されるであれば、これらのグランドプレーンやチョークリングを付加する対策はマルチパス対策として有効である。
　しかしながら、本発明のＧＰＳアンテナは車両に搭載されることを前提としたものであり、図８で示したように、天板１４上の支柱２０の先端に設置したＧＰＳアンテナにこれらの対策、すなわちグランドプレーンあるいはチョークリングを施すことは、走行中に大きな空気力を発生することとなるため、適用は難しい。

　これに対して、図１～図４で示した本実施の形態のＧＰＳアンテナでは、支柱２０の周囲を円筒状のプレート２１で覆う構造を設けている。本実施の形態の円筒状のプレート２１は天板１４や車体１のボンネットあるいはキャビン上面で反射された電波を遮断して、ＧＰＳアンテナ１０のアンテナ背面側から入射する電波を低減させることができる。
　このとき、プレート２１は金属製あるいは表面に金属コーティングを施した樹脂製とすることで電波の遮断効果が増す。
　また、本実施の形態のＧＰＳアンテナでは、グランドプレーンやチョークリングを付加することもないため、車両走行中に大きな空気力が発生することもない。

　以上のように、本実施の形態の車両搭載ＧＰＳアンテナでは、支柱の先端にＧＰＳアンテナを設置し、ＧＰＳアンテナの設置高さを周囲に搭載される機器に影響を受けることなく衛星からの電波を安定して受信できる程度になるようにした上で、支柱の周囲には円筒状の金属プレートを設けて支柱を覆う構造とした。
　これにより、（１）ＧＰＳアンテナの円盤面に発生する揚力、（２）車両走行時の風切り音、（３）ＧＰＳアンテナの出力ケーブルの損傷を低減させることができ、車両走行しながら信頼性の高い道路情報を取得できる。また、マルチパスの対策としても有効に機能させることができる。
　また、車両の走行性についても改善され、走行時の消費エネルギーの削減も図ることができる。

　実施の形態２．
　実施の形態１では、支柱２０を覆うプレート２１の形状をを円筒状のものとしたが、実施の形態２では、車両進行方向に向けて前方を鋭角とした三角形状のものとする。
　図５は、本実施の形態のプレート２１ｂをＧＰＳアンテナ１０を覆うようにして天板１４に搭載した搭載例（斜視図）である。このように、空力荷重の低減を考慮して車両進行方向に向けて前方を鋭角とした三角形状のプレートを設けるようにしてもよい。
　なお、車両の走行性についても改善され、省エネルギー化を図ることができる。

　実施の形態３．
　実施の形態２では、プレート２１を三角形状のプレートとしたが、矩形のものとしてもよい。図６は、本実施の形態のプレート２１ｃをＧＰＳアンテナ１０を覆うようにして天板１４に搭載した搭載例（斜視図）である。このように、車両進行方向に向けて前方を鋭角とした矩形の形状のプレートを設けるようにしてもよく、これにより配線保護等を行いつつ空力荷重を低減してＧＰＳアンテナの保護や風切り音を抑制することができる。
　なお、車両の走行性についても改善され、省エネルギー化を図ることができる。

　１　車両、１０　ＧＰＳアンテナ、１１　カメラ、１２　レーザレーダ、１３　ジャイロ、１４　天板、１５　車体上面、２０　支柱、２１，２１ｂ，２１ｃ　プレート、２２　出力ケーブル、２５ａ，２５ｂ，２５ｃ　継ぎ支柱、２６　ネジ、２７　支柱とプレート間に形成された空間。

Claims (7)

1. 　車両に搭載され、
   　測位衛星からの電波を受信するアンテナと、
   　上端に前記アンテナが取付けられた支柱と、
   　前記支柱の周囲を覆うプレートと、
   を備えることを特徴とするアンテナ装置。
2. 　前記プレートは前記支柱との間に空隙を形成する中空の筒状プレートであることを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
3. 　前記プレートは円筒形状を有することを特徴とする請求項１あるいは２記載のアンテナ装置。
4. 　前記プレートは金属製であることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載のアンテナ装置。
5. 　前記空隙に前記測位アンテナの出力ケーブルが配置されることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載のアンテナ装置。
6. 　前記支柱の長手方向の軸回転方向に継ぎ支柱を備え、
   前記プレートの内壁は前記継ぎ支柱を介して前記支柱と接続されることを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載のアンテナ装置。
7. 　前記車両は、車両上部の前記アンテナ近傍位置に、前記車両周辺を撮影する撮影手段と前記車両の傾きを示す角速度データを出力するジャイロとを備えた計測用台車であり、
   　前記支柱は、前記支柱の上端に装着した測位アンテナが少なくとも前記撮影手段あるいは前記ジャイロの上面高さより高くなる位置に設置される長さを有することを特徴とする請求項１乃至６いずれかに記載のアンテナ装置。

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