WO2018066291A1 - 方位算出装置、方位算出方法、および方位算出プログラム - Google Patents

方位算出装置、方位算出方法、および方位算出プログラム Download PDF

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中村　拓
戸田　裕行
奈緒美 藤澤
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Furuno Electric Co Ltd
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    • G01S19/39—Determining a navigation solution using signals transmitted by a satellite radio beacon positioning system the satellite radio beacon positioning system transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
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    • G01S19/39—Determining a navigation solution using signals transmitted by a satellite radio beacon positioning system the satellite radio beacon positioning system transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
    • G01S19/53—Determining attitude
    • G01S19/54—Determining attitude using carrier phase measurements; using long or short baseline interferometry

Definitions

  • the present invention relates to an azimuth calculation device, an azimuth calculation method, and an azimuth calculation program that calculate an azimuth using a GNSS signal and an angular velocity of a gyro sensor.
  • Patent Document 1 describes an electronic magnetic compass that calculates a direction using a magnetic direction and an angular velocity.
  • the magnetic direction is measured by a geomagnetic sensor.
  • the angular velocity is measured by an angular velocity sensor.
  • an error included in the magnetic orientation is corrected using an angular velocity.
  • a conventional azimuth calculation device there is one using observation data of a GNSS signal such as a carrier wave phase.
  • the angular velocity bias error of the gyro sensor is estimated using the observation data of the GNSS signal.
  • This azimuth calculation device calculates the azimuth with high accuracy by correcting the angular velocity using the estimated angular velocity bias error.
  • An object of the present invention is to provide an azimuth calculation apparatus, an azimuth calculation method, and an azimuth calculation program capable of quickly calculating a high-precision azimuth from the initial stage of azimuth calculation.
  • the azimuth calculation apparatus of the present invention includes a GNSS calculation unit, a magnetic azimuth calculation unit, a gyro sensor, an error estimation unit, and an integrated calculation unit.
  • the GNSS operation unit calculates the GNSS orientation using the GNSS observation data including the carrier phase of the GNSS signal.
  • the magnetic direction calculation unit calculates a magnetic direction based on geomagnetism.
  • the gyro sensor detects angular velocity.
  • the error estimation unit estimates an angular velocity bias error included in the angular velocity using the variation amount of the magnetic orientation or the variation amount of the GNSS orientation.
  • the integrated calculation unit calculates the integrated azimuth using at least one of the magnetic azimuth or the GNSS azimuth, the angular velocity, and the angular velocity bias error.
  • the error estimation unit estimates the angular velocity bias error using the change amount of the magnetic direction in the first period before the initialization of the GNSS direction is completed.
  • the error estimation unit estimates the angular velocity bias error using the change amount of the GNSS azimuth in the second period which is a steady state after the initialization of the GNSS azimuth is completed.
  • the integrated calculation unit calculates the integrated direction using the magnetic direction in the first period.
  • the integration calculation unit calculates the integration direction using the GNSS direction in the second period.
  • the bias error is estimated with high accuracy using the magnetic orientation in the initial state where the integrated orientation is not stably obtained.
  • a highly accurate azimuth can be obtained quickly even at the initial stage of calculation of the integrated azimuth.
  • FIG. 1 is a functional block diagram of an orientation calculation apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining processing before completion of initialization of the GNSS azimuth in the azimuth calculation apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating processing immediately after initialization of the GNSS azimuth of the azimuth calculation apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining processing in a steady state after initialization of the GNSS orientation of the orientation calculation apparatus according to the first embodiment.
  • the azimuth calculation device 10 includes GNSS receivers 21 and 22, a GNSS calculator 30, a magnetic sensor 40, a gyro sensor 51, a magnetic azimuth calculator 60, an error estimator 70, and an integrated calculator 80.
  • the direction calculation device 10 is installed in a moving body such as a ship.
  • GNSS is an abbreviation for Global Navigation Satellite System, and is a positioning system.
  • the GNSS receiving unit 21 is connected to the GNSS antenna ANT1.
  • the GNSS receiver 22 is connected to the GNSS antenna ANT2.
  • the GNSS antennas ANT1 and ANT2 are fixed in a predetermined posture with respect to the moving body.
  • the GNSS antenna ANT1 receives the GNSS signal from the GNSS satellite SAT1 and outputs it to the GNSS receiver 21.
  • the GNSS antenna ANT ⁇ b> 2 receives the GNSS signal from the GNSS satellite SAT ⁇ b> 1 and outputs it to the GNSS receiver 22.
  • the GNSS antennas ANT1 and ANT2 receive and output GNSS signals from a plurality of GNSS satellites. At this time, it is preferable to receive GNSS signals from at least four or more GNSS satellites.
  • the GNSS receivers 21 and 22 capture and track the GNSS signal, and generate GNSS observation data including the carrier phase.
  • the GNSS receivers 21 and 22 calculate the GNSS positioning position using the code pseudorange and the satellite position.
  • the satellite position is obtained by demodulating the navigation message superimposed on the GNSS signal.
  • the GNSS receivers 21 and 22 output the GNSS observation data and the GNSS positioning position to the GNSS calculator 30.
  • the GNSS receiver 21 outputs the GNSS positioning position to the magnetic azimuth calculator 60 and the error estimator 70.
  • the GNSS operation unit 30 calculates the GNSS orientation using a plurality of GNSS observation data and the GNSS positioning position. For example, the GNSS calculator 30 calculates the carrier phase difference between the GNSS antennas ANT1 and ANT2 from the GNSS observation data of the GNSS receivers 21 and 22. The GNSS operation unit 30 calculates the GNSS azimuth using this carrier wave phase difference. Thus, since the carrier phase difference is used, the GNSS orientation is highly accurate. The GNSS calculation unit 30 outputs the GNSS orientation and GNSS observation data to the integrated calculation unit 80. The GNSS calculator 30 outputs the GNSS orientation to the error estimator 70.
  • the magnetic sensor 40 is fixed to the moving body in a predetermined posture.
  • the magnetic sensor 40 detects orthogonal three-axis geomagnetism and outputs it to the magnetic orientation calculation unit 60.
  • the gyro sensor 51 is fixed to the moving body in a predetermined posture.
  • the gyro sensor 51 detects an angular velocity around three orthogonal axes and outputs the angular velocity to the error estimation unit 70 and the integrated calculation unit 80.
  • the magnetic direction calculation unit 60 calculates the magnetic direction based on the geomagnetism. At this time, the magnetic direction calculation unit 60 corrects the magnetic direction using the GNSS positioning position. The magnetic orientation corrected in this way is highly accurate.
  • the magnetic direction calculation unit 60 outputs the magnetic direction to the error estimation unit 70 and the integrated calculation unit 80.
  • the error estimation unit 70 calculates the change amount of the magnetic orientation, the change amount of the GNSS orientation, and the change amount of the GNSS speed.
  • the amount of change in the magnetic orientation is calculated from the magnetic orientation at a plurality of times.
  • the change amount of the GNSS azimuth is calculated from the GNSS azimuth at a plurality of times.
  • the amount of change in the GNSS speed is calculated from the GNSS position at a plurality of times.
  • the error estimation unit 70 estimates the angular velocity bias error using the magnetic azimuth change amount or the GNSS azimuth change amount and the GNSS velocity change amount.
  • the error estimation unit 70 outputs the angular velocity bias error to the integrated calculation unit 80.
  • the integrated calculation unit 80 corrects the angular velocity using the angular velocity bias error.
  • the integrated calculation unit 80 calculates the integrated azimuth using the magnetic azimuth or GNSS azimuth and the corrected angular velocity. By calculating such an integrated azimuth, it is possible to stably calculate a high-precision azimuth rather than using only the individually calculated azimuth.
  • the azimuth calculation apparatus 10 selectively executes processing according to the situation as shown below.
  • the error estimation unit 70 estimates the angular velocity bias error using the change amount of the magnetic orientation. Since the magnetic orientation is highly accurate, the angular velocity bias error is estimated with high accuracy.
  • the integrated calculation unit 80 sets the magnetic direction as the initial direction and calculates the integrated direction. At this time, the magnetic orientation is highly accurate, and the angular velocity is corrected by a highly accurate angular velocity bias error. Therefore, the integrated direction is calculated with high accuracy.
  • the angular velocity bias error can be estimated with high accuracy and the integrated orientation can be calculated with high accuracy at the initial stage of calculating the orientation.
  • an accuracy condition may be set for the direction (integrated direction) output from the direction calculation device 10. For example, a condition may be set in which the output is performed only when the integrated direction is higher than a predetermined accuracy. In such a case, by using the configuration of the present embodiment, the accuracy condition can be satisfied quickly, and the time from the start of integrated orientation calculation to the output of the integrated orientation can be shortened.
  • the error estimation unit 70 estimates the angular velocity bias error using the change amount of the magnetic orientation. As in the first period, since the change amount of the magnetic orientation is highly accurate, the angular velocity bias error is estimated with high accuracy.
  • the integration calculation unit 80 calculates the integrated azimuth using the GNSS azimuth, the angular velocity, and the angular velocity bias error. Since the GNSS azimuth and angular velocity bias error are highly accurate, the integrated azimuth is calculated with high accuracy.
  • the integration calculation unit 80 calculates the integration direction using the GNSS direction, the angular velocity, and the angular velocity bias error. Since the GNSS azimuth and angular velocity bias error are highly accurate, the integrated azimuth is calculated with high accuracy.
  • the angular velocity bias error can be estimated with high accuracy at the initial stage of the azimuth calculation in which the initialization of the GNSS azimuth is not completed, such as immediately after the power is turned on. Further, the integrated azimuth can be calculated with high accuracy from the initial azimuth calculation.
  • an accuracy condition is set for the output of the integrated direction, this accuracy condition can be satisfied quickly. Therefore, it is possible to quickly output an integrated orientation having a predetermined accuracy or more after power-on.
  • the highly accurate GNSS orientation can be used for the estimation of the angular velocity bias error and the integrated orientation, so that the integrated orientation can be continuously calculated with high accuracy even after the initialization is completed. Can do.
  • the GNSS orientation and the magnetic orientation may be used in combination.
  • the GNSS orientation may be replaced with a magnetic orientation.
  • FIG. 5 is a flowchart of the orientation calculation method according to the first embodiment.
  • the processing device generates GNSS observation data and calculates the magnetic orientation after power-on (S101). Specifically, the processing device captures and tracks GNSS signals received by a plurality of GNSS antennas, and generates GNSS observation data including a carrier phase and a code phase. The processing device executes integer value bias and baseline vector determination processing using the GNSS observation data. In parallel with this processing, the processing device acquires the geomagnetism from the magnetic sensor and calculates the magnetic orientation. At this time, the processing apparatus corrects the magnetic orientation using the GNSS positioning position based on the GNSS observation data. This process is continuously performed.
  • the processing device calculates the change amount of the magnetic orientation (S103). .
  • the processing apparatus estimates the angular velocity bias error using the change amount of the magnetic orientation (S104). At this time, the processing apparatus estimates the angular velocity bias error using the change amount of the GNSS velocity based on the GNSS positioning position.
  • the processing device sets the magnetic orientation to the initial value of the integrated orientation (S106).
  • the processing apparatus does not set the initial value of the integrated azimuth unless it is immediately after the calculation of the integrated azimuth (S105: NO).
  • the processing device corrects the error included in the angular velocity using the estimated angular velocity bias error (S107).
  • the processing device calculates and updates the integrated azimuth using the angular velocity after error correction (S108).
  • the processing device determines whether or not the initialization of the GNSS orientation has just been completed.
  • the processing device calculates the amount of change in the magnetic orientation (S111).
  • the processing apparatus estimates the angular velocity bias error using the change amount of the magnetic orientation (S112). At this time, the processing apparatus estimates the angular velocity bias error using the change amount of the GNSS velocity based on the GNSS positioning position.
  • the processing device updates the integrated orientation with the GNSS orientation (S113). Thereafter, the processing device corrects the error included in the angular velocity using the estimated angular velocity bias error (S107). The processing device calculates and updates the integrated azimuth using the angular velocity after error correction (S108).
  • the processing device calculates the amount of change in the GNSS orientation (S121).
  • the processing apparatus estimates an angular velocity bias error using the change amount of the GNSS azimuth (S122).
  • the processing apparatus estimates the angular velocity bias error using the change amount of the GNSS velocity based on the GNSS positioning position.
  • the processing device corrects the error included in the angular velocity using the estimated angular velocity bias error (S107).
  • the processing device calculates and updates the integrated azimuth using the angular velocity after error correction (S108).
  • FIG. 6 is a functional block diagram of the azimuth calculation apparatus according to the second embodiment.
  • the azimuth calculation device 10A of the present embodiment is different from the azimuth calculation device 10 according to the first embodiment in that an acceleration sensor 52 and an acceleration attitude angle calculation unit 90 are added.
  • the difference is that the processing of the azimuth calculation unit 60A, the error estimation unit 70A, and the integration calculation unit 80A is partially changed.
  • Other configurations are the same as those of the azimuth calculation apparatus 10 according to the first embodiment, and the description of the same portions is omitted.
  • the acceleration sensor 52 is fixed to the moving body in a predetermined posture.
  • the acceleration sensor 52 detects orthogonal three-axis acceleration and outputs it to the error estimation unit 70A, the integrated calculation unit 80A, and the acceleration posture angle calculation unit 90.
  • the acceleration posture angle calculation unit 90 calculates a posture angle (acceleration posture angle) from the acceleration.
  • the acceleration posture angle calculation unit 90 calculates an acceleration posture angle having at least a roll angle and a pitch angle.
  • the acceleration posture angle calculation unit 90 outputs the acceleration posture angle to the magnetic orientation calculation unit 60 and the error estimation unit 70A.
  • the magnetic azimuth calculation unit 60A calculates an error based on the attitude of the magnetic sensor 40 with respect to the moving body using the acceleration attitude angle.
  • the magnetic orientation calculation unit 60A corrects the magnetic orientation using this error as well. This makes the magnetic orientation more accurate.
  • the error estimation unit 70A estimates the acceleration bias error together with the angular velocity bias error.
  • the angular velocity bias error is estimated by the same method as the error estimation unit 70. That is, the error estimation unit 70A estimates the angular velocity bias error from the amount of change in the magnetic orientation if it is before or after the completion of the initialization of the GNSS orientation, and after completion of the initialization excluding immediately after the initialization of the GNSS orientation. For example, the angular velocity bias error is estimated from the amount of change in the GNSS orientation.
  • the acceleration bias error is estimated from the amount of change in the GNSS speed by calculating the GNSS speed of three orthogonal axes from the acceleration by the GNSS calculator 30. The amount of change in the GNSS speed can also be used for estimating the angular speed bias error.
  • the error estimation unit 70A uses the acceleration posture angle for estimation of the angular velocity bias error. Thereby, the angular velocity bias error is estimated with higher accuracy.
  • the error estimation unit 70A outputs the angular velocity bias error and the acceleration bias error to the integrated calculation unit 80A.
  • the integrated calculation unit 80A corrects the acceleration using the estimated acceleration bias error.
  • the integrated calculation unit 80A calculates the integrated azimuth using the angular velocity corrected by the acceleration posture angle. Thereby, the integrated direction is calculated with higher accuracy.
  • Direction calculation device 10A Direction calculation devices 21, 22: GNSS reception unit 30: GNSS calculation unit 40: Magnetic sensor 51: Gyro sensor 52: Acceleration sensor 60, 60A: Magnetic direction calculation unit 70, 70A: Error estimation unit 80 , 80A: integrated calculation unit 90: acceleration attitude angle calculation unit ANT1, ANT2: GNSS antenna SAT1: GNSS satellite

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Abstract

【課題】統合方位の算出の初期から速やかに高精度な方位を算出する。 【解決手段】ＧＮＳＳ演算部３０は、ＧＮＳＳ信号の搬送波位相を含むＧＮＳＳ観測データを用いてＧＮＳＳ方位を算出する。磁気方位演算部６０は、地磁気を検出して磁気方位を算出する。ジャイロセンサ５１は、角速度を検出する。誤差推定部７０は、磁気方位の変化量またはＧＮＳＳ方位の変化量を用いて、角速度に含まれる角速度バイアス誤差を推定する。誤差推定部７０は、ＧＮＳＳ方位の初期化が完了する前の第１期間に、磁気方位の変化量を用いて角速度バイアス誤差の推定を行う。統合演算部８０は、第１期間に、磁気方位を用いて統合方位を算出し、初期化が完了した後の第２期間に、ＧＮＳＳ方位を用いて統合方位を算出する。

Description

方位算出装置、方位算出方法、および方位算出プログラム
　本発明は、ＧＮＳＳ信号とジャイロセンサの角速度とを用いて方位を算出する方位算出装置、方位算出方法、および方位算出プログラムに関する。
　従来、各種の方位算出装置が考案されている。例えば、特許文献１には、磁気方位と角速度を用いて方位を算出する電子磁気コンパスが記載されている。磁気方位は、地磁気センサで計測される。角速度は、角速度センサで計測される。特許文献１では、磁気方位に含まれる誤差を、角速度を用いて補正している。
　また、従来の方位算出装置として、搬送波位相等のＧＮＳＳ信号の観測データを用いたものがある。
特許第４０７０８７９号明細書
　ＧＮＳＳ信号の観測データと、ジャイロセンサ（角速度センサ）の角速度とを用いた方位算出装置では、ＧＮＳＳ信号の観測データを用いてジャイロセンサの角速度バイアス誤差を推定している。この方位算出装置は、推定された角速度バイアス誤差を用いて、角速度を補正することによって、方位を高精度に算出している。
　しかしながら、このような従来の方位算出装置では、電源投入後等の方位算出の初期において方位を高精度に安定させるまで時間がかかることがある。
　この発明は、方位算出の初期から速やかに高精度な方位を算出できる方位算出装置、方位算出方法、および、方位算出プログラムを提供することにある。
　この発明の方位算出装置は、ＧＮＳＳ演算部、磁気方位演算部、ジャイロセンサ、誤差推定部、および、統合演算部を備える。ＧＮＳＳ演算部は、ＧＮＳＳ信号の搬送波位相を含むＧＮＳＳ観測データを用いてＧＮＳＳ方位を算出する。磁気方位演算部は、地磁気に基づく磁気方位を算出する。ジャイロセンサは、角速度を検出する。誤差推定部は、磁気方位の変化量またはＧＮＳＳ方位の変化量を用いて、角速度に含まれる角速度バイアス誤差を推定する。統合演算部は、磁気方位またはＧＮＳＳ方位の少なくとも１つ、角速度、および角速度バイアス誤差を用いて、統合方位を算出する。誤差推定部は、ＧＮＳＳ方位の初期化が完了する前の第１期間に、磁気方位の変化量を用いて角速度バイアス誤差の推定を行う。誤差推定部は、ＧＮＳＳ方位の初期化完了後の定常状態である第２期間に、ＧＮＳＳ方位の変化量を用いて角速度バイアス誤差の推定を行う。統合演算部は、第１期間に、磁気方位を用いて統合方位を算出する。統合演算部は、第２期間に、ＧＮＳＳ方位を用いて統合方位を算出する。
　この構成では、統合方位が安定して得られていない初期状態において、磁気方位を用いてバイアス誤差が高精度に推定される。これにより、統合方位の算出の初期でも速やかに高精度な方位が得られる。
　この発明によれば、統合方位の算出の初期から速やかに高精度な統合方位を算出できる。
第１の実施形態に係る方位算出装置の機能ブロック図 第１の実施形態に係る方位算出装置のＧＮＳＳ方位の初期化完了前の処理を説明する図 第１の実施形態に係る方位算出装置のＧＮＳＳ方位の初期化直後の処理を説明する図 第１の実施形態に係る方位算出装置のＧＮＳＳ方位の初期化後で定常状態の処理を説明する図 第１の実施形態に係る方位算出方法のフローチャート 第２の実施形態に係る方位算出装置の機能ブロック図
　本発明の第１の実施形態に係る方位算出装置、方位算出方法、および、方位算出プログラムについて、図を参照して説明する。図１は、第１の実施形態に係る方位算出装置の機能ブロック図である。図２は、第１の実施形態に係る方位算出装置のＧＮＳＳ方位の初期化完了前の処理を説明する図である。図３は、第１の実施形態に係る方位算出装置のＧＮＳＳ方位の初期化直後の処理を説明する図である。図４は、第１の実施形態に係る方位算出装置のＧＮＳＳ方位の初期化後で定常状態の処理を説明する図である。
　方位算出装置１０は、ＧＮＳＳ受信部２１，２２、ＧＮＳＳ演算部３０、磁気センサ４０、ジャイロセンサ５１、磁気方位演算部６０、誤差推定部７０、および、統合演算部８０を備える。方位算出装置１０は、船舶等の移動体に設置されている。なお、ＧＮＳＳは、Ｇｌｏｂａｌ　Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ　Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ　Ｓｙｓｔｅｍの略語であり、測位システムである。
　ＧＮＳＳ受信部２１は、ＧＮＳＳアンテナＡＮＴ１に接続されている。ＧＮＳＳ受信部２２は、ＧＮＳＳアンテナＡＮＴ２に接続されている。ＧＮＳＳアンテナＡＮＴ１，ＡＮＴ２は、移動体に対して所定の姿勢で固定されている。
　ＧＮＳＳアンテナＡＮＴ１は、ＧＮＳＳ衛星ＳＡＴ１からのＧＮＳＳ信号を受信して、ＧＮＳＳ受信部２１に出力する。ＧＮＳＳアンテナＡＮＴ２は、ＧＮＳＳ衛星ＳＡＴ１からのＧＮＳＳ信号を受信して、ＧＮＳＳ受信部２２に出力する。なお、図では、１つのＧＮＳＳ衛星ＳＡＴ１からのＧＮＳＳ信号を受信する状態しか記載していないが、ＧＮＳＳアンテナＡＮＴ１，ＡＮＴ２は、複数のＧＮＳＳ衛星からのＧＮＳＳ信号を受信して、出力している。この際、少なくとも４つ以上のＧＮＳＳ衛星からのＧＮＳＳ信号を受信することが好ましい。
　ＧＮＳＳ受信部２１，２２は、ＧＮＳＳ信号を捕捉、追尾して、搬送波位相を含むＧＮＳＳ観測データを生成する。また、ＧＮＳＳ受信部２１，２２は、コード擬似距離と衛星位置とを用いて、ＧＮＳＳ測位位置を算出する。衛星位置は、ＧＮＳＳ信号に重畳された航法メッセージを復調することによって得られる。
　ＧＮＳＳ受信部２１，２２は、ＧＮＳＳ観測データとＧＮＳＳ測位位置を、ＧＮＳＳ演算部３０に出力する。ＧＮＳＳ受信部２１は、ＧＮＳＳ測位位置を、磁気方位演算部６０および誤差推定部７０に出力する。
　ＧＮＳＳ演算部３０は、複数のＧＮＳＳ観測データとＧＮＳＳ測位位置を用いて、ＧＮＳＳ方位を算出する。例えば、ＧＮＳＳ演算部３０は、ＧＮＳＳ受信部２１，２２のＧＮＳＳ観測データから、ＧＮＳＳアンテナＡＮＴ１，ＡＮＴ２間の搬送波位相差を算出する。ＧＮＳＳ演算部３０は、この搬送波位相差を用いてＧＮＳＳ方位を算出する。このように、搬送波位相差を用いるので、ＧＮＳＳ方位は高精度である。ＧＮＳＳ演算部３０は、ＧＮＳＳ方位およびＧＮＳＳ観測データを、統合演算部８０に出力する。ＧＮＳＳ演算部３０は、ＧＮＳＳ方位を誤差推定部７０に出力する。
　磁気センサ４０は、所定の姿勢で移動体に固定されている。磁気センサ４０は、直交三軸の地磁気を検出して磁気方位演算部６０に出力する。
　ジャイロセンサ５１は、所定の姿勢で移動体に固定されている。ジャイロセンサ５１は、直交三軸周りの角速度を検出して、誤差推定部７０および統合演算部８０に出力する。
　磁気方位演算部６０は、地磁気に基づいて磁気方位を算出する。この際、磁気方位演算部６０は、ＧＮＳＳ測位位置を用いて磁気方位を補正する。このように補正された磁気方位は高精度である。磁気方位演算部６０は、磁気方位を誤差推定部７０および統合演算部８０に出力する。
　誤差推定部７０は、磁気方位の変化量、ＧＮＳＳ方位の変化量、ＧＮＳＳ速度の変化量を算出する。磁気方位の変化量は、複数時刻の磁気方位から算出される。ＧＮＳＳ方位の変化量は、複数時刻のＧＮＳＳ方位から算出される。ＧＮＳＳ速度の変化量は、複数時刻のＧＮＳＳ位置から算出される。誤差推定部７０は、磁気方位の変化量またはＧＮＳＳ方位の変化量、およびＧＮＳＳ速度の変化量を用いて、角速度バイアス誤差を推定する。誤差推定部７０は、角速度バイアス誤差を統合演算部８０に出力する。
　統合演算部８０は、角速度バイアス誤差を用いて角速度を補正する。統合演算部８０は、磁気方位またはＧＮＳＳ方位と、補正後の角速度とを用いて、統合方位を算出する。このような統合方位を算出することによって、個別に算出された方位のみを用いるよりも、高精度な方位を安定して算出することができる。
　このような構成において、方位算出装置１０は、次に示すように、状況に応じて処理を選択的に実行する。
　（１）ＧＮＳＳ方位の初期化完了前（第１期間（図２参照））
　ＧＮＳＳ方位の算出には、搬送波位相差から、整数値バイアスを決定し、基線ベクトルを算出する必要がある。方位算出装置１０の電源投入直後等の方位算出の初期では、整数値バイアスが決定されておらず、基線ベクトルも算出されていない。ＧＮＳＳ方位の初期化完了とは、この整数値バイアスの決定と基線ベクトルの決定が完了したことを意味する。
　このため、ＧＮＳＳ方位の初期化が完了していない第１期間では、高精度なＧＮＳＳ方位は算出されない。したがって、第１期間では、誤差推定部７０は、磁気方位の変化量を用いて角速度バイアス誤差を推定する。磁気方位は高精度であるので、角速度バイアス誤差は、高精度に推定される。
　また、統合演算部８０は、磁気方位を初期方位に設定し、統合方位を算出する。この際、磁気方位は高精度であり、角速度は、高精度な角速度バイアス誤差によって補正されている。したがって、統合方位は高精度に算出される。
　このように、本実施形態に構成を用いることによって、方位算出の初期に、角速度バイアス誤差を高精度に推定でき、統合方位を高精度に算出できる。また、方位算出装置１０から出力する方位（統合方位）に、精度条件を設定することがある。例えば、統合方位が所定の精度よりも高い時のみに出力するという条件が設定されていることがある。このような場合、本実施形態の構成を用いることによって、精度条件を速く満たすことが可能であり、統合方位算出の開始から統合方位を出力するまでの時間を短縮することができる。
　（２）ＧＮＳＳ方位の初期化完了直後（第３期間（図３参照））
　ＧＮＳＳ方位の初期化が完了すると、ＧＮＳＳ演算部３０からＧＮＳＳ方位が出力される。この状態では、まだＧＮＳＳ方位の変化量を高精度に得ることが容易でない。したがって、第３期間では、誤差推定部７０は、磁気方位の変化量を用いて角速度バイアス誤差を推定する。第１期間と同様に、磁気方位の変化量は高精度であるので、角速度バイアス誤差は、高精度に推定される。
　ＧＮＳＳ方位が算出されているので、統合演算部８０は、ＧＮＳＳ方位、角速度、および角速度バイアス誤差を用いて、統合方位を算出する。ＧＮＳＳ方位および角速度バイアス誤差は高精度であるので、統合方位は高精度に算出される。
　（３）ＧＮＳＳ方位の初期化完了後で定常状態（第２期間（図４参照））
　第２期間である定常状態では、ＧＮＳＳ方位が連続的に算出される。したがって、ＧＮＳＳ方位の変化量を高精度に算出することができる。したがって、第２期間では、誤差推定部７０は、ＧＮＳＳ方位の変化量を用いて角速度バイアス誤差を推定する。ＧＮＳＳ方位の変化量は高精度であるので、角速度バイアス誤差は、高精度に推定される。
　統合演算部８０は、ＧＮＳＳ方位、角速度、および角速度バイアス誤差を用いて、統合方位を算出する。ＧＮＳＳ方位および角速度バイアス誤差は高精度であるので、統合方位は高精度に算出される。
　このように、本実施形態の構成を用いることによって、電源投入直後等のＧＮＳＳ方位の初期化が完了していない方位算出の初期に、角速度バイアス誤差を高精度に推定できる。また、方位算出の初期から統合方位を高精度に算出することができる。
　また、統合方位の出力に精度の条件が設定されていれば、この精度の条件を素早く満たすことができる。したがって、所定の精度以上の統合方位を、電源投入後に素早く出力することができる。
　また、ＧＮＳＳ方位の初期化完了以降は、高精度なＧＮＳＳ方位を、角速度バイアス誤差の推定および統合方位に用いることができるので、初期化完了後も継続的に統合方位を高精度に算出することができる。
　なお、上述の説明では、ＧＮＳＳ方位の初期化完了後、統合方位の算出にＧＮＳＳ方位のみを用いる態様を示した。しかしながら、ＧＮＳＳ方位の初期化完了後であっても、ＧＮＳＳ方位と磁気方位を併用してもよい。例えば、ＧＮＳＳ信号を一時的に受信できなくなり、ＧＮＳＳ方位の精度が一時的に劣化するような場合、ＧＮＳＳ方位を磁気方位に置き換えてもよい。
　上述の説明では、統合方位の算出の各処理を、複数の機能部で分担して実行する態様を示した。しかしながら、これらの処理をプログラム化して記憶しておき、コンピュータ等の処理装置がこのプログラムを実行してもよい。この場合、処理装置は、図５に示すフローチャートに準じて処理を実行すればよい。図５は、第１の実施形態に係る方位算出方法のフローチャートである。
　処理装置は、電源投入後、ＧＮＳＳ観測データの生成および磁気方位の算出を実行する（Ｓ１０１）。具体的には、処理装置は、複数のＧＮＳＳアンテナで受信したＧＮＳＳ信号を捕捉、追尾して、搬送波位相およびコード位相を含むＧＮＳＳ観測データを生成する。処理装置は、このＧＮＳＳ観測データを用いて、整数値バイアス、および基線ベクトルの決定処理を実行する。この処理に並行して、処理装置は、磁気センサからの地磁気を取得して、磁気方位を算出する。この際、処理装置は、ＧＮＳＳ観測データに基づくＧＮＳＳ測位位置を用いて、磁気方位の補正を行う。この処理は、継続的に行われている。
　処理装置は、ＧＮＳＳ方位の初期化、すなわち、整数値バイアスの決定および基線ベクトルの算出が完了していない第１期間であれば（Ｓ１０２：ＮＯ）、磁気方位の変化量を算出する（Ｓ１０３）。処理装置は、磁気方位の変化量を用いて、角速度バイアス誤差を推定する（Ｓ１０４）。この際、処理装置は、ＧＮＳＳ測位位置に基づくＧＮＳＳ速度の変化量も用いて、角速度バイアス誤差を推定する。
　処理装置は、統合方位の算出開始直後であれば（Ｓ１０５：ＹＥＳ）、磁気方位を統合方位の初期値に設定する（Ｓ１０６）。処理装置は、統合方位の算出開始直後でなければ（Ｓ１０５：ＮＯ）、統合方位の初期値の設定を行わない。
　処理装置は、推定された角速度バイアス誤差を用いて、角速度に含まれる誤差を補正する（Ｓ１０７）。処理装置は、誤差補正後の角速度を用いて、統合方位を算出して更新する（Ｓ１０８）。
　処理装置は、ＧＮＳＳ方位の初期化が完了していれば（Ｓ１０２：ＹＥＳ）、ＧＮＳＳ方位の初期化完了直後か否かを判定する。
　処理装置は、ＧＮＳＳ方位の初期化完了直後の第３期間であれば（Ｓ１１０：ＹＥＳ）、磁気方位の変化量を算出する（Ｓ１１１）。処理装置は、磁気方位の変化量を用いて、角速度バイアス誤差を推定する（Ｓ１１２）。この際、処理装置は、ＧＮＳＳ測位位置に基づくＧＮＳＳ速度の変化量も用いて、角速度バイアス誤差を推定する。
　処理装置は、ＧＮＳＳ方位で統合方位を更新する（Ｓ１１３）。この後、処理装置は、推定された角速度バイアス誤差を用いて、角速度に含まれる誤差を補正する（Ｓ１０７）。処理装置は、誤差補正後の角速度を用いて、統合方位を算出して更新する（Ｓ１０８）。
　処理装置は、ＧＮＳＳ方位の初期化完了直後でない定常状態の第２期間であれば（Ｓ１１０：ＮＯ）、ＧＮＳＳ方位の変化量を算出する（Ｓ１２１）。処理装置は、ＧＮＳＳ方位の変化量を用いて、角速度バイアス誤差を推定する（Ｓ１２２）。この際、処理装置は、ＧＮＳＳ測位位置に基づくＧＮＳＳ速度の変化量も用いて、角速度バイアス誤差を推定する。この後、処理装置は、推定された角速度バイアス誤差を用いて、角速度に含まれる誤差を補正する（Ｓ１０７）。処理装置は、誤差補正後の角速度を用いて、統合方位を算出して更新する（Ｓ１０８）。
　次に、本発明の第２の実施形態に係る方位算出装置について、図を参照して説明する。図６は、第２の実施形態に係る方位算出装置の機能ブロック図である。
　図６に示すように、本実施形態の方位算出装置１０Ａは、第１の実施形態に係る方位算出装置１０に対して、加速度センサ５２、加速度姿勢角算出部９０を追加した点、および、磁気方位演算部６０Ａ、誤差推定部７０Ａ、統合演算部８０Ａの処理を部分的に変更した点で異なる。他の構成は、第１の実施形態に係る方位算出装置１０と同じであり、同じ箇所の説明は省略する。
　加速度センサ５２は、所定の姿勢で移動体に固定されている。加速度センサ５２は、直交三軸の加速度を検出して、誤差推定部７０Ａ、統合演算部８０Ａ、および、加速度姿勢角算出部９０に出力する。
　加速度姿勢角算出部９０は、加速度から姿勢角（加速度姿勢角）を算出する。加速度姿勢角算出部９０は、少なくともロール角、ピッチ角を有する加速度姿勢角を算出する。加速度姿勢角算出部９０は、加速度姿勢角を、磁気方位演算部６０および誤差推定部７０Ａに出力する。
　磁気方位演算部６０Ａは、加速度姿勢角を用いて、移動体に対する磁気センサ４０の姿勢に基づく誤差を算出する。磁気方位演算部６０Ａは、この誤差も用いて、磁気方位を補正する。これにより、磁気方位はさらに高精度になる。
　誤差推定部７０Ａは、角速度バイアス誤差とともに、加速度バイアス誤差を推定する。角速度バイアス誤差は、誤差推定部７０と同様の方法によって推定される。すなわち、誤差推定部７０Ａは、ＧＮＳＳ方位の初期化完了前または完了直後であれば、磁気方位の変化量から角速度バイアス誤差を推定し、ＧＮＳＳ方位の初期化完了直後を除く初期化完了後であれば、ＧＮＳＳ方位の変化量から角速度バイアス誤差を推定する。加速度バイアス誤差は、ＧＮＳＳ演算部３０によって加速度から直交三軸のＧＮＳＳ速度を算出することによって、このＧＮＳＳ速度の変化量から推定する。このＧＮＳＳ速度の変化量は、角速度バイアス誤差の推定に利用することもできる。
　さらに、誤差推定部７０Ａは、角速度バイアス誤差の推定に、加速度姿勢角を用いる。これにより、角速度バイアス誤差は、さらに高精度に推定される。誤差推定部７０Ａは、角速度バイアス誤差と加速度バイアス誤差を統合演算部８０Ａに出力する。
　統合演算部８０Ａは、推定された加速度バイアス誤差を用いて、加速度を補正する。統合演算部８０Ａは、加速度姿勢角によって補正された角速度を用いて、統合方位を算出する。これにより、統合方位は、さらに高精度に算出される。
　このように、統合方位に角速度と加速度を用いる場合であっても、電源投入直後等の方位算出の初期から高精度な統合方位を算出することができる。また、高精度な統合方位を継続的に算出することができる。
１０：方位算出装置
１０Ａ：方位算出装置
２１，２２：ＧＮＳＳ受信部
３０：ＧＮＳＳ演算部
４０：磁気センサ
５１：ジャイロセンサ
５２：加速度センサ
６０，６０Ａ：磁気方位演算部
７０，７０Ａ：誤差推定部
８０，８０Ａ：統合演算部
９０：加速度姿勢角算出部
ＡＮＴ１，ＡＮＴ２：ＧＮＳＳアンテナ
ＳＡＴ１：ＧＮＳＳ衛星

Claims (10)

  1. 　ＧＮＳＳ信号の搬送波位相を含むＧＮＳＳ観測データを用いてＧＮＳＳ方位を算出するＧＮＳＳ演算部と、
    　地磁気に基づく磁気方位を算出する磁気方位演算部と、
    　角速度を検出するジャイロセンサと、
    　前記磁気方位の変化量または前記ＧＮＳＳ方位の変化量を用いて、前記角速度に含まれる角速度バイアス誤差を推定する誤差推定部と、
    　前記磁気方位または前記ＧＮＳＳ方位の少なくとも１つ、前記角速度、および前記角速度バイアス誤差を用いて、統合方位を算出する統合演算部と、を備え、
    　前記誤差推定部は、
    　　前記ＧＮＳＳ方位の初期化が完了する前の第１期間に、前記磁気方位の変化量を用いて前記角速度バイアス誤差の推定を行い、
    　　前記ＧＮＳＳ方位の初期化完了後の定常状態である第２期間に、前記ＧＮＳＳ方位の変化量を用いて前記角速度バイアス誤差の推定を行い、
    　前記統合演算部は、
    　　前記第１期間に、前記磁気方位を用いて統合方位を算出し、
    　　前記第２期間に、前記ＧＮＳＳ方位を用いて前記統合方位を算出する、
    　方位算出装置。
  2. 　請求項１に記載の方位算出装置であって、
    　前記誤差推定部は、
    　　前記初期化の完了直後である第３期間に、前記磁気方位の変化量を用いて前記角速度バイアス誤差を推定し、
    　前記統合演算部は、
    　　前記第３期間に、前記ＧＮＳＳ方位で前記統合方位を更新する、
    　方位算出装置。
  3. 　請求項１または請求項２に記載の方位算出装置であって、
    　前記ＧＮＳＳ信号から前記ＧＮＳＳ観測データを算出するとともに、ＧＮＳＳ測位位置を算出するＧＮＳＳ受信部をさらに備え、
    　前記磁気方位演算部は、
    　　前記ＧＮＳＳ測位位置を用いて前記磁気方位を算出する、
    　方位算出装置。
  4. 　請求項３に記載の方位算出装置であって、
    　前記誤差推定部は、
    　　前記ＧＮＳＳ測位位置に基づくＧＮＳＳ速度の変化量を用いて前記角速度バイアス誤差を推定する、
    　方位算出装置。
  5. 　請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の方位算出装置であって、
    　前記統合演算部は、
    　　前記第２期間に、前記ＧＮＳＳ方位と前記磁気方位とを併用して、前記統合方位を算出する、
    　方位算出装置。
  6. 　請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の方位算出装置であって、
    　加速度を検出する加速度センサをさらに備え、
    　前記磁気方位演算部は、
    　　前記加速度から得られる姿勢角を用いて、前記磁気方位を算出し、
    　前記誤差推定部は、
    　　前記ＧＮＳＳ速度の変化量を用いて加速度バイアス誤差の推定を行い、
    　前記統合演算部は、
    　　前記加速度バイアス誤差によって補正された加速度と、前記加速度から得られる姿勢角によって補正された角速度とを用いて、前記統合方位を算出する、
    　方位算出装置。
  7. 　ＧＮＳＳ信号の搬送波位相を含むＧＮＳＳ観測データを用いてＧＮＳＳ方位を算出し、
    　地磁気に基づく磁気方位を算出し、
    　ジャイロセンサを用いて角速度を検出し、
    　前記磁気方位の変化量または前記ＧＮＳＳ方位の変化量を用いて、前記角速度に含まれる角速度バイアス誤差を推定し、
    　前記磁気方位または前記ＧＮＳＳ方位の少なくとも１つ、前記角速度、および前記角速度バイアス誤差を用いて、統合方位を算出し、
    　前記角速度バイアス誤差の推定では、
    　　前記ＧＮＳＳ方位の初期化が完了する前の第１期間に、前記磁気方位の変化量を用いて前記角速度バイアス誤差の推定を行い、
    　　前記ＧＮＳＳ方位の初期化完了後の定常状態である第２期間に、前記ＧＮＳＳ方位の変化量を用いて前記角速度バイアス誤差の推定を行い、
    　前記統合方位の算出では、
    　　前記第１期間に、前記磁気方位を用いて統合方位を算出し、
    　　前記第２期間に、前記ＧＮＳＳ方位を用いて前記統合方位を算出する、
    　方位算出方法。
  8. 　請求項７に記載の方位算出方法であって、
    　前記角速度バイアス誤差の推定では、
    　　前記初期化の完了直後である第３期間に、前記磁気方位の変化量を用いて前記角速度バイアス誤差を推定し、
    　前記統合方位の算出では、
    　　前記第３期間に、前記ＧＮＳＳ方位で前記統合方位を更新する、
    　方位算出方法。
  9. 　ＧＮＳＳ信号と角速度を用いて方位を算出する処理をコンピュータに実行させる方位算出プログラムであって、
    　前記コンピュータは、
    　ＧＮＳＳ信号の搬送波位相を含むＧＮＳＳ観測データを用いてＧＮＳＳ方位を算出し、
    　地磁気に基づいて磁気方位を算出し、
    　ジャイロセンサを用いて角速度を検出し、
    　前記磁気方位の変化量または前記ＧＮＳＳ方位の変化量を用いて、前記角速度に含まれる角速度バイアス誤差を推定し、
    　前記磁気方位または前記ＧＮＳＳ方位の少なくとも１つ、前記角速度、および前記角速度バイアス誤差を用いて、統合方位を算出し、
    　前記角速度バイアス誤差の推定では、
    　　前記ＧＮＳＳ方位の初期化が完了する前の第１期間に、前記磁気方位の変化量を用いて前記角速度バイアス誤差の推定を行い、
    　　前記ＧＮＳＳ方位の初期化完了後の定常状態である第２期間に、前記ＧＮＳＳ方位の変化量を用いて前記角速度バイアス誤差の推定を行い、
    　前記統合方位の算出では、
    　　前記第１期間に、前記磁気方位を用いて統合方位を算出し、
    　　前記第２期間に、前記ＧＮＳＳ方位を用いて前記統合方位を算出する、
    　方位算出プログラム。
  10. 　請求項９に記載の方位算出プログラムであって、
    　前記コンピュータは、
    　前記角速度バイアス誤差の推定では、
    　　前記初期化の完了直後である第３期間に、前記磁気方位の変化量を用いて前記角速度バイアス誤差を推定し、
    　前記統合方位の算出では、
    　　前記第３期間に、前記ＧＮＳＳ方位で前記統合方位を更新する、
    　方位算出プログラム。
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