JP2006126181A - Mobile attitude-detecting apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、車両や列車、船舶などの移動体に搭載してその姿勢を検出する移動体姿勢検出装置に関するものである。 The present invention relates to a moving body posture detection device that is mounted on a moving body such as a vehicle, a train, or a ship and detects its posture.
車両や列車、船舶などの移動体に搭載されてその姿勢や位置を検出する、従来の移動体姿勢検出装置としては、例えば特許文献１に開示されるものがある。この装置では、ＧＰＳ（Global Positioning System）測位によって移動体の位置を得てその相対位置から、北を０度とした移動体の右回りの方位角（ヨー角）や、移動体の常態（水平状態）からの右肩下がり角に相当するロール角、移動体の前進方向に対するのめり角に相当するピッチ角を移動体の姿勢として検出する。このような従来のＧＰＳを用いた移動体の姿勢検出では、ＧＰＳ衛星からの三角測量によって移動体の位置を得るため、少なくとも３つ以上のＧＰＳ衛星からの航法電波を受信できていることが必要である。さらに、受信機時計の誤差補正が必要な場合では、４つ以上のＧＰＳ衛星電波を受信できている必要がある。
As a conventional mobile body posture detection device that is mounted on a mobile body such as a vehicle, a train, or a ship and detects its posture and position, there is one disclosed in
また、２つのアンテナで３つのＧＰＳ衛星からの電波を受け、更にジャイロで航法体のヨー角速度を検出し、その積分値とＧＰＳ測位・測角結果を用いて航法体の姿勢を検出する技術も提案されている（例えば、特許文献２参照）。この従来技術では、ヨーレートジャイロと速度センサを併置し、絶対方位はＧＰＳ衛星で求まる方位（ＧＰＳ方位と呼ぶ）を初期値にすることで、ジャイロ出力の積分をヨー角（方位角）として求める。 There is also a technology that receives radio waves from three GPS satellites with two antennas, detects the yaw angular velocity of the navigation object with a gyro, and detects the attitude of the navigation object using the integrated value and GPS positioning / angle measurement results. It has been proposed (see, for example, Patent Document 2). In this prior art, the yaw rate gyro and the speed sensor are juxtaposed, and the absolute azimuth is obtained by setting the azimuth obtained by the GPS satellite (referred to as GPS azimuth) as an initial value, thereby obtaining the integral of the gyro output as the yaw angle (azimuth angle).
従来の移動体姿勢検出装置では、少なくとも３つ以上の測位衛星からの航法電波を受信して移動体の位置や姿勢を検出するため、移動体が位置する環境によってはその位置や姿勢を検出できないという課題があった。 In the conventional mobile body posture detection device, the position and posture of the mobile body are detected by receiving navigation radio waves from at least three positioning satellites. Therefore, the position and posture cannot be detected depending on the environment in which the mobile body is located. There was a problem.
例えば、自動車などの姿勢や位置を検出しようとする場合、ビルや高架橋などの構造物や、山や丘などが存在する場所では、空の見える立体角、つまり測位衛星が見える視野が狭く、常時３つ以上の測位衛星を視野内に得ることは期待できない。このため、ＧＰＳ測位衛星による移動体の姿勢検出を連続的に実行できない場合がある。 For example, when trying to detect the posture and position of a car, etc., in a place where there are buildings, viaducts, mountains, hills, etc., the solid angle where the sky is visible, that is, the field of view of the positioning satellite is narrow, It cannot be expected that three or more positioning satellites will be obtained within the field of view. For this reason, there is a case where the posture detection of the moving body by the GPS positioning satellite cannot be continuously executed.
これに対して、特許文献２に開示される発明のようにジャイロ出力の積分をヨー角（方位角）として求めることで、３つの測位衛星による測位・測角結果を補完することも考えられる。
On the other hand, as in the invention disclosed in
しかしながら、ジャイロセンサの角速度入力対出力電圧特性のオフセットは、外気温、経時変化などにより、時々刻々と変化（ドリフト）する。このようなオフセットドリフトによる方位誤差が拡大するのを回避するためには、ＧＰＳ方位を用いて随時補正してやる必要がある。このため、測位衛星での方位が得られないとジャイロによる角度誤差が補正できず、正確な姿勢検出を行うことができない場合があるという課題があった。 However, the offset of the angular velocity input to output voltage characteristic of the gyro sensor changes (drifts) from moment to moment due to outside air temperature, changes with time, and the like. In order to avoid such an increase in azimuth error due to offset drift, it is necessary to correct the GPS azimuth as needed. For this reason, if the azimuth | direction with a positioning satellite cannot be obtained, the angle error by a gyro cannot be corrected and there existed a subject that accurate attitude | position detection might not be performed.
さらに、３つ程度の測位衛星による不正確な測位をセンサによる軌跡と地図データベース上の該当位置とを比較して位置補正する技術も提案されている。しかしながら、例えば地図データの道路方位を示す情報自体が正確でない場合があり、センサが逆に誤って補正されてしまう恐れがあったり、方位や位置が一旦狂ってしまった後にしか補正されないといった問題もある。 Further, a technique for correcting the position of inaccurate positioning by about three positioning satellites by comparing the locus of the sensor with the corresponding position on the map database has been proposed. However, for example, there is a case where the information itself indicating the road direction of the map data is not accurate, and there is a possibility that the sensor may be erroneously corrected, or the direction and position are corrected only once once deviated. is there.
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、測位可能な、天頂に近い２つ程度の少ない数の測位衛星からしか電波が届かないような場所であっても移動体の絶対的な姿勢を検出できる移動体姿勢検出装置を得ることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and can move even in a place where radio waves can reach only from a small number of two positioning satellites near the zenith. It is an object of the present invention to obtain a moving body posture detecting device capable of detecting an absolute posture of a body.
この発明に係る移動体姿勢検出装置は、移動体上に設けられ、測位衛星からの航法電波を受信する複数の受信要素を配置してなるアンテナ手段と、アンテナ手段の受信要素又は移動体の位置若しくはこれを近似する概略の位置に関する情報に基づき求められる位置から測位衛星への視線方向を規定する衛星方向情報を求める衛星方向獲得手段と、少なくとも２つの測位衛星から受信した航法電波について受信要素における位相差をそれぞれ求め、これら位相差及び衛星方向情報に基づいて、測位衛星からの航法電波を受信している少なくとも一対の受信要素の組み合わせの基線ベクトルを検出する基線ベクトル検出手段と、基線ベクトル検出手段が検出した基線ベクトルにより規定される姿勢を移動体の姿勢として算出する姿勢演算手段とを備えるものである。 A moving body attitude detection device according to the present invention is provided on a moving body, and is provided with antenna means in which a plurality of receiving elements for receiving navigation radio waves from positioning satellites are arranged, and the receiving element of the antenna means or the position of the moving body Or a satellite direction acquisition means for obtaining satellite direction information that defines a line-of-sight direction from a position to a positioning satellite obtained based on information on an approximate position that approximates this, and a navigation radio wave received from at least two positioning satellites in a receiving element Baseline vector detection means for obtaining a phase difference and detecting a baseline vector of a combination of at least a pair of receiving elements receiving navigation radio waves from positioning satellites based on the phase difference and satellite direction information, and baseline vector detection Posture calculating means for calculating the posture defined by the baseline vector detected by the means as the posture of the moving body; It is obtain things.
この発明によれば、移動体上に設けられ、測位衛星からの航法電波を受信する複数の受信要素を配置してなるアンテナ手段と、アンテナ手段の受信要素又は移動体の位置若しくはこれを近似する概略の位置に関する情報に基づき求められる位置から測位衛星への視線方向を規定する衛星方向情報を求める衛星方向獲得手段と、少なくとも２つの測位衛星から受信した航法電波について受信要素における位相差をそれぞれ求め、これら位相差及び衛星方向情報に基づいて、測位衛星からの航法電波を受信している少なくとも一対の受信要素の組み合わせの基線ベクトルを検出する基線ベクトル検出手段と、基線ベクトル検出手段が検出した基線ベクトルにより規定される姿勢を移動体の姿勢として算出する姿勢演算手段とを備えるので、天頂に近い２つ程度の少ない数の測位衛星からしか電波が届かないような場所であっても、アンテナ手段の受信要素間の基線ベクトルを決定するにあたり、測位衛星高度を考慮すると移動***置の誤差が許容できる範囲になることから、２つ程度の少ない数の測位衛星から求められるような精度の低い移動体の位置や当該移動体側と通信可能な位置にある無線通信基地局や放送局などから提供される移動体近隣の位置などの概略の位置を用いて基線ベクトルを決定することができる。これにより、天頂に近い２つ程度の少ない数の測位衛星からしか電波が届かないような場所であっても、移動体の絶対的な姿勢を電子的且つリアルタイムに検出することができるという効果がある。 According to this invention, the antenna means provided on the moving body and arranged with a plurality of receiving elements for receiving the navigation radio waves from the positioning satellites, and the receiving element of the antenna means or the position of the moving body or the approximation thereof. Satellite direction acquisition means for obtaining satellite direction information that defines the line-of-sight direction from the position to the positioning satellite determined based on the information on the approximate position, and the phase difference in the receiving element for navigation radio waves received from at least two positioning satellites. A base line vector detecting means for detecting a base line vector of a combination of at least a pair of receiving elements receiving navigation radio waves from positioning satellites based on the phase difference and the satellite direction information; and a base line detected by the base line vector detecting means. Posture calculation means for calculating the posture defined by the vector as the posture of the moving body, Even in locations where radio waves reach only from a small number of positioning satellites, such as two, when determining the baseline vector between the receiving elements of the antenna means, the position error of the mobile object is Provided from wireless communication base stations and broadcasting stations that are in a position where communication with the position of the mobile body with low accuracy as required from a small number of positioning satellites, such as two, is possible because it is in an allowable range. A baseline vector can be determined using a rough location, such as a location in the vicinity of the mobile object being played. As a result, the absolute attitude of the moving body can be detected electronically and in real time even in a place where radio waves reach only from a small number of positioning satellites, such as two, close to the zenith. is there.
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による移動体姿勢検出装置の構成を示す図である。本実施の形態による移動体姿勢検出装置は、受信要素１−１〜１−３からなるアンテナ（アンテナ手段）１、衛星方向獲得手段２、基線ベクトル検出手段３及び姿勢演算手段４を含んで構成される。また、基線ベクトル検出手段３は、衛星選択部３ａ、複数の位相検出部３−１−１，３−１−２，・・・及び基線ベクトル演算部３ｂを含んで構成される複数の基線ベクトル検出部３−１，３−２，・・・から構成される。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a moving body posture detection apparatus according to
複数の受信要素１−１〜１−３は、それぞれに対応するＧＰＳ（Global Positioning System）測位衛星からの航法電波を受信する。アンテナ１は、これら複数の受信要素１−１〜１−３を相互の配置間隔が固定された所定の位置関係となるように配置して構成される。基本的には、受信要素対が一組で構成されたものでもよいが、姿勢角となるピッチ角、ロール角、ヨー角の３軸共に検出するならば、受信要素が一直線上に並ばないように少なくとも２対設ける。また、各受信要素対のうちの一方を位相検出の基準とすることで、合計３個の受信要素で受信要素相互間の受信電波信号の位相を検出することができる。
The plurality of receiving elements 1-1 to 1-3 receive navigation radio waves from corresponding GPS (Global Positioning System) positioning satellites. The
図示の例では、隣り合う辺の長さがＬ（ｍ）となるようにアンテナ１内のａ，ｂ，ｃ点に受信要素１−１〜１−３をＬ字形に配置している。また、アンテナ１を移動体に取り付ける際には、地平面に対して水平に移動する移動体において、アンテナ１の受信要素配置面が略天頂を向くように取り付ける。さらに、このとき、アンテナ座標系と移動体の座標系とが一定の位置関係になるように配置する。
In the illustrated example, the receiving elements 1-1 to 1-3 are arranged in an L shape at points a, b, and c in the
例えば、受信要素１−１〜１−３によるＬ字形の一辺（第１の基線ベクトル）が移動体の前進方向に沿うようにし、受信要素１−１〜１−３によるＬ字形のもう一方の辺（第２の基線ベクトル）が水平の移動体の進行方向に対して垂直で且つ移動体の左右方向になるように配置する。このようにして、各受信要素１−１〜１−３が天頂に位置する測位衛星あるいは前後方向の測位衛星からの航法電波波長の信号をそれぞれ効率よく受信できる位置に配置する。 For example, one side (first base line vector) of the L shape by the receiving elements 1-1 to 1-3 is along the forward direction of the moving body, and the other side of the L shape by the receiving elements 1-1 to 1-3 is set. The sides (second baseline vectors) are arranged so as to be perpendicular to the moving direction of the horizontal moving body and to the left and right directions of the moving body. In this way, the receiving elements 1-1 to 1-3 are arranged at positions where the signals of the navigation radio wave wavelength from the positioning satellite at the zenith or the positioning satellite in the front-rear direction can be received efficiently.
なお、このような受信要素１−１〜１−３の配置としたアンテナ１を移動体に搭載すると、天頂の測位衛星と移動体の前後方向の測位衛星との２つの衛星を姿勢検出や測位に使用する場合、受信要素１−１，１−２による第１の基線ベクトルを用いて、移動体のヨー角とピッチ角を精度よく検出できるが、ロール角は検出できない。
Note that when the
水平の移動体の進行方向に対して垂直で且つ移動体の左右方向となる線上に配置した受信要素１−１，１−３による第２の基線ベクトルを用いることで、移動体のヨー角とロール角を検出できるが、ピッチ角は検出できない。従って、両方の基線ベクトル、つまり３つの受信要素を配置して初めて、同時に全ての姿勢角を検出できることになる。反対に、いずれか一つの姿勢角が不要である場合は受信要素を２つ設けるだけでよい。 By using the second baseline vector by the receiving elements 1-1 and 1-3 arranged on a line perpendicular to the moving direction of the horizontal moving body and in the left-right direction of the moving body, the yaw angle of the moving body The roll angle can be detected, but the pitch angle cannot be detected. Therefore, all posture angles can be detected at the same time only when both baseline vectors, that is, three receiving elements are arranged. On the other hand, if any one of the attitude angles is unnecessary, it is only necessary to provide two receiving elements.
また、アンテナ１は、例えば板状誘電体の表面に受信要素となる円形導体を１／４波長〜数波長程度のいずれかの所定の間隔に複数個配置した、いわゆるパッチアンテナで構成する。この他、複数のヘリカルアンテナを配置した構成でもよい。さらに、アンテナ１としては、受信要素１個を持つ複数のアンテナを、上述した受信要素の配置関係に従って配置したものでもよい。
The
さらに、アンテナ１は受信要素をＬ字形に配置する構成に限定されるものではない。例えば、１つのアンテナ１に対する受信要素数は、上述したようにいずれかの姿勢角を不要とするならば２個であり、全ての姿勢角を得るためには最低限３個必要である。また、４個以上の受信要素を設けることで、各受信要素による検出結果の組み合わせの全てを利用して姿勢角を得ることにより検出精度の向上を図ることができる。この他、各受信要素による検出結果を相互チェックすることにより、各検出結果の異常の有無を監視するように構成してもよい。
Further, the
衛星方向獲得手段２は、アンテナ１の受信要素又はアンテナ１を搭載した移動体の位置若しくはこれを近似する概略の位置情報から求められる位置と測位衛星の位置とを結ぶ方向を規定する衛星方向情報、つまり当該位置から測位衛星への視線方向を規定する衛星方向情報を、航法電波の受信が予想される測位衛星について求める。
The satellite direction acquisition means 2 is satellite direction information that defines the direction connecting the position of the positioning satellite and the position obtained from the position of the receiving element of the
ここで、アンテナ１の受信要素又はアンテナ１を搭載した移動体の位置としては、測位衛星からの航法電波などを受信して求められるアンテナ１の受信要素又はアンテナ１を搭載した移動体の実際の位置を示す情報の他、例えば過去に求めて記憶部に記憶しておいたアンテナ１の受信要素又はアンテナ１を搭載した移動体の位置を、衛星からの電波によるもの以外のジャイロなどにより求められた情報で現在位置に合うように補正した位置を示す情報であってもよい。
Here, the position of the receiving element of the
アンテナ１の受信要素又はアンテナ１を搭載した移動体の位置を近似する概略の位置情報としては、無線通信基地局との無線通信が可能な領域に対応する位置情報、例えば衛星方向獲得手段２の無線通信部としてセルラ電話などを用意し、セルラ電話の無線通信基地局から入手することができる当該無線通信基地局の無線通信領域（セル）内の無線通信を中継する無線アンテナの位置に相当する情報などがある。また、放送局からの放送受信が可能な領域に対応する位置情報を利用しても良い。
As the approximate position information that approximates the position of the receiving element of the
さらに、測位衛星高度に対する位置誤差が許容範囲内となる位置に関する情報であれば、前記概略の位置情報として利用できる。つまり、衛星高度が非常に高く（例えば、２００００Ｋｍ程度）、移動体の実際位置から例えば半径２００Ｋｍ程度の範囲内での位置誤差があっても、移動***置から衛星を見る仰角や方位角の誤差が、ｔａｎ-1（２００／２００００）（ｒａｄ）＜１度で低い値となる。従って、測位衛星高度に対する位置誤差が許容範囲内となる位置であれば、固定的に予め用意した地点の位置情報であっても前記概略の位置情報として利用することができる。なお、上述した位置情報については、以降の実施の形態においても説明する。 Furthermore, if it is the information regarding the position where the position error with respect to the positioning satellite altitude falls within the allowable range, it can be used as the approximate position information. In other words, even if the satellite altitude is very high (for example, about 20000 km) and there is a position error within a range of, for example, a radius of about 200 km from the actual position of the moving body, the elevation angle and azimuth angle errors for viewing the satellite from the moving body position However, tan −1 (200/20000) (rad) <1 degree is a low value. Accordingly, if the position error relative to the positioning satellite altitude is within the allowable range, even the position information of a fixed point prepared in advance can be used as the approximate position information. Note that the position information described above will be described in the following embodiments.
基線ベクトル検出手段３は、アンテナ１で受信した信号と衛星方向獲得手段２で求めた移動体の位置情報（概略の位置も含む）及び衛星方向情報とに基づいて、少なくとも一対の受信要素の位置ペアでなる基線ベクトルを推定する。姿勢演算手段４では、基線ベクトル検出手段３で推定された少なくとも１つの基線ベクトル情報を基にアンテナ１あるいはアンテナ１を搭載した移動体の姿勢を算出する。
The baseline vector detection means 3 is based on the signal received by the
また、衛星方向獲得手段２、基線ベクトル検出手段３及び姿勢演算手段４は、上述したようなアンテナ１や外部との通信機能を備えたコンピュータ装置に対して、本発明に従う移動体姿勢検出プログラムを実行させることで具現化することができる。
In addition, the satellite
もう少し詳細に説明すると、衛星方向獲得手段２、基線ベクトル検出手段３及び姿勢演算手段４の機能を有する各プログラムモジュールから構成される移動体姿勢検出プログラムを上記コンピュータ装置に読み込ませてその動作を制御することにより、上記コンピュータ装置上に図１に示す移動体姿勢検出装置を実現することができる。 In more detail, a moving body attitude detection program composed of program modules having the functions of the satellite direction acquisition means 2, the baseline vector detection means 3 and the attitude calculation means 4 is read by the computer device and its operation is controlled. By doing so, the moving body posture detecting apparatus shown in FIG. 1 can be realized on the computer apparatus.
なお、以下の説明において、本発明の移動体姿勢検出装置を具現化するコンピュータ自体の構成及びその基本的な機能については、当業者が当該分野の技術常識に基づいて容易に認識できるものであり、本発明の本質に直接関わるものでないので詳細な記載を省略する。 In the following description, the configuration of the computer itself that embodies the mobile body posture detection device of the present invention and the basic functions thereof can be easily recognized by those skilled in the art based on the common general technical knowledge in the field. The detailed description is omitted because it is not directly related to the essence of the present invention.
次に動作について説明する。
以降の説明では、例えば北方向をＸ軸、東方向をＹ軸、鉛直（下）方向をＺ軸とする直交座標系を考え、ローカル座標系と呼ぶこととする。また、移動体が水平でかつ真北を向いた状態をヌル状態（ピッチ角、ロール角、ヨー角ともに０度の状態）とし、このヌル状態からの回転角を移動体の姿勢角とし、これらによって規定される状態を移動体の姿勢とする。また、水平な移動体の進行方向をｘ軸、水平な移動体の進行方向に垂直で且つ移動体の左右方向に沿った座標軸をｙ軸、及び水平な移動体の鉛直（下）方向の座標軸をｚ軸とした直交座標系をアンテナ座標系（若しくは移動体座標系）と呼ぶ。
Next, the operation will be described.
In the following description, for example, an orthogonal coordinate system in which the north direction is the X axis, the east direction is the Y axis, and the vertical (downward) direction is the Z axis is considered and referred to as a local coordinate system. Also, the state in which the moving body is horizontal and faces true north is the null state (the pitch angle, roll angle, and yaw angle are 0 degrees), and the rotation angle from this null state is the posture angle of the moving body. The state defined by is the posture of the moving body. Further, the horizontal moving body is moved in the x-axis, the horizontal moving body is perpendicular to the moving direction and the horizontal axis of the moving body is in the y-axis, and the horizontal moving body is in the vertical (downward) direction. An orthogonal coordinate system with z as the z-axis is referred to as an antenna coordinate system (or moving object coordinate system).
このように座標系を定義すると、本実施の形態による移動体姿勢検出装置のアンテナ１は、例えば下記のような受信要素の配置となる。
受信要素１−１（基準受信要素）を配置するａ点が原点Ｐ０であり、受信要素１−２を配置するｂ点がｘ軸上の原点Ｐ０から距離Ｌだけ離れた点Ｐ１として配置される。ここで、ローカル座標系のＺ軸中心に北から東への回転角がヨー角であり、移動体の水平状態から進行方向に沿うｘ軸を中心に左右への回転角をロール角と呼ぶ。また、進行方向のｘ軸と直交し、移動体の常態で水平なｙ軸を中心に水平から前後の回転角をピッチ角と呼ぶ。
When the coordinate system is defined in this way, the
The point a where the receiving element 1-1 (reference receiving element) is arranged is the origin P0, and the point b where the receiving element 1-2 is arranged is arranged as a point P1 which is separated from the origin P0 on the x axis by a distance L. . Here, the rotation angle from the north to the east about the Z axis center of the local coordinate system is the yaw angle, and the rotation angle to the left and right about the x axis along the traveling direction from the horizontal state of the moving body is called the roll angle. Also, the rotation angle from the front to the back about the y axis that is perpendicular to the x axis in the traveling direction and that is normal in the moving body is called the pitch angle.
各基線ベクトルは、標準的な処理において、ローカル座標系と同様な直交座標系のアンテナ座標系（若しくは移動体座標系）の各軸に一致させる。また、基線ベクトルのいずれかをアンテナ座標系の軸と一致させない場合、後述する姿勢の算出では、基線ベクトルと座標軸との間の固定的な角度オフセットを補正する。 Each baseline vector is matched with each axis of an antenna coordinate system (or a moving body coordinate system) of an orthogonal coordinate system similar to the local coordinate system in a standard process. When any of the baseline vectors is not coincident with the axis of the antenna coordinate system, the fixed angle offset between the baseline vector and the coordinate axes is corrected in the attitude calculation described later.
衛星方向獲得手段２は、アンテナ１の受信要素又はアンテナ１を搭載した移動体の位置又はこれを近似する概略の位置からアンテナ１で受信が予想される天頂に位置する測位衛星あるいはその他の複数の測位衛星への、ローカル座標系上における概略の方向を規定する衛星方向情報を求める。
The satellite direction acquisition means 2 is a positioning satellite located at the zenith at which reception by the
例えば、衛星方向獲得手段２は、後述するような無線通信部あるいは放送受信部を備え、これを介して外部サーバから所定の固定的な位置情報と衛星方向情報を、アンテナ１の受信要素によって受信が予想される測位衛星について受信する。
For example, the satellite
ここで、外部サーバとは、測位衛星からの電波を受信するレシーバから当該測位衛星についての最新の航法パラメータなどの測位情報を取得し、さらに衛星方向獲得手段２の前記無線通信部あるいは放送受信部と通信可能な領域に対応する位置情報をアンテナ１の受信要素又は移動体の位置を近似する概略の位置情報として当該位置からの衛星方向を衛星方向情報として演算し、衛星方向獲得手段２の前記無線通信部あるいは放送受信部に提供する衛星方向情報提供サーバである。この衛星方向情報提供サーバについての詳細は以降の実施の形態で後述する。
Here, the external server acquires positioning information such as the latest navigation parameters for the positioning satellite from a receiver that receives radio waves from the positioning satellite, and further, the wireless communication unit or the broadcast receiving unit of the satellite
また、衛星方向獲得手段２に、衛星位置情報や衛星方向情報を格納するメモリを設けておき、上記外部サーバから衛星位置情報や衛星方向情報を受信できないような場合、以前に獲得して上記メモリへ記憶しておいた衛星位置情報あるいは衛星位置に関するデフォルトの設定値を用いて現在の衛星方向を算出するように構成しても良い。 In addition, if the satellite direction acquisition means 2 is provided with a memory for storing satellite position information and satellite direction information, and the satellite position information and satellite direction information cannot be received from the external server, the memory is previously acquired and stored in the memory. The current satellite direction may be calculated using the satellite position information stored in the above or the default setting value regarding the satellite position.
基線ベクトル検出手段３は、複数の基線ベクトル検出部３−１，３−２，・・・を含んで構成される。また、基線ベクトル検出部３−１，３−２，・・・は、それぞれ複数の位相検出部を有しており、各位相検出部内にはアンテナ１の受信要素からの入力信号を受信する受信回路が構成される。各位相検出部では、アンテナ１で受信した衛星信号における搬送波位相あるいはコード位相を受信要素ごとに検出する。
The baseline vector detection means 3 includes a plurality of baseline vector detection units 3-1, 3-2,. In addition, each of the baseline vector detection units 3-1, 3-2,... Has a plurality of phase detection units, and each phase detection unit receives the input signal from the reception element of the
衛星選択部３ａでは、アンテナ１で衛星信号を受信中の測位衛星数や衛星方向獲得手段２からの衛星方向情報などを用いて、基線ベクトル検出用の衛星選択アルゴリズムに従って、アンテナ１で受信中の測位衛星のうち、基線ベクトル演算部３ｂによる基線ベクトル算出に利用する測位衛星を選択する。
In the
基線ベクトル検出用の衛星選択アルゴリズムとしては、例えば下記の（１）〜（４）のようなものが考えられる。なお、具体例については後述する。
（１）衛星選択部３ａは、アンテナ１で衛星信号を受信中の測位衛星数が２個未満であれば、基線ベクトル演算部３ｂに基線ベクトルを算出させない。このとき、ジャイロを使った慣性航法ＩＮＳ（Inertial Navigation System）により求めたＩＮＳ姿勢を姿勢検出結果とする。
（２）衛星選択部３ａは、アンテナ１で衛星信号を受信中の測位衛星数が２個であれば、両方を基線ベクトル検出用の衛星として選択する。
（３）衛星選択部３ａは、アンテナ１で衛星信号を受信中の測位衛星数が３個以上であれば、直視できる確率が高い天頂に最も近い衛星を優先して選択し、次に天頂に近いもう１機を選択する。このあと、その１機の電波到来方向とは所定角以上離隔しており、且つできるだけ離れた方向に位置するもので、仰角が所定角以上で且つ移動体の前方又は後方に位置する１機を優先的に選択する。このとき、上記条件に合わなければ、アンテナ１で衛星信号を継続して受信した期間が長い衛星を選択する。
（４）衛星選択部３ａは、測位衛星の選択条件を決定する数値の差が所定値未満ならば、前回と同じ衛星を選択する。ここで、衛星選択の条件変更はヒステリシスを持たせる。また、衛星信号が受信可能な全てあるいは４つ以上の測位衛星において可能な組み合わせに対応する基線ベクトルを基線ベクトル候補として全て算出させ、ロバスト二乗誤差最小のルールなどに則って最適と思われるベクトル候補を基線ベクトルとして選択・決定してもよい。
As the satellite selection algorithm for detecting the baseline vector, for example, the following (1) to (4) are conceivable. A specific example will be described later.
(1) If the number of positioning satellites that are receiving satellite signals with the
(2) If the number of positioning satellites that are receiving satellite signals with the
(3) If the number of positioning satellites that are receiving satellite signals with the
(4) The
また、基線ベクトル演算部３ｂでは、アンテナ１の受信要素間での受信搬送波の位相差Δφと、衛星方向獲得手段２で求めた衛星位置情報及び衛星方向情報とを基に、ローカル座標系上における、少なくとも１つの基線ベクトル（ベクトル長はＬで既知）の推定値を算出する。
Also, the base line
ここで、搬送波（キャリア）位相の検出は、例えばＢＰＳＫ（Binary Phase Shift Keying）変調されたＧＰＳ入力信号の場合、公知の技術に従って信号をＡＤ変換し、Ｉ（基準位相）成分とＱ（９０度離相）成分とに分ける。そして、Ｉ成分とＱ成分のそれぞれについてＰＬＬ（Phase Locked Loop）とコスタスループを構成し、これらがロックされた状態において、位相φが、φ＝ｔａｎ-1（Ｑ／Ｉ）として算出される。 Here, carrier wave (carrier) phase is detected by, for example, BPSK (Binary Phase Shift Keying) modulated GPS input signal, AD conversion of the signal according to a known technique, and I (reference phase) component and Q (90 degrees). Separated into components. Then, a PLL (Phase Locked Loop) and a Costas loop are configured for each of the I component and the Q component, and in a state where these are locked, the phase φ is calculated as φ = tan −1 (Q / I).
なお、各位相検出部は、相互に同期をとるために、図示しない受信回路のクロック、レプリカキャリアを共通にしておかれる。レプリカキャリアは、基準とする受信要素に対応する位相検出部の受信回路のキャリア位相ロックループがロックした信号を基に生成される。また、位相検出部間で同期を取らない場合あるいは同期をとりにくい場合は、各位相検出部内の受信回路間あるいは測位衛星間の１重位相差又は２重位相差法により位相差を検出するようにしてもよい。 In addition, in order to mutually synchronize each phase detection part, the clock and replica carrier of the receiving circuit which are not shown in figure are made common. The replica carrier is generated based on the signal locked by the carrier phase lock loop of the reception circuit of the phase detection unit corresponding to the reception element as a reference. Further, when synchronization is not achieved between the phase detection units or when synchronization is difficult, the phase difference is detected by the single phase difference method or the double phase difference method between the receiving circuits in each phase detection unit or between the positioning satellites. It may be.
１重位相差又は２重位相差法により位相差を検出する場合、特に問題となる位相不確定性（フェーズアンビギュイティ）については、例えば特許文献１に開示されるキャリア位相差のアンビギュイティを丸め込みによって整数化して除去する。この他、下記の参考文献に開示される方法を適用してもよい。
（参考文献）特開２００２−４０１２４号公報
When detecting the phase difference by the single phase difference or double phase difference method, the phase ambiguity that is particularly problematic is, for example, the ambiguity of the carrier phase difference disclosed in
(Reference) JP-A-2002-40124
図２は、基線ベクトル推定原理を説明する図であり、アンテナ１の２つの受信要素で３つの測位衛星からの到来電波を受信した場合を示している。図示の例は、３つの測位衛星からの電波をアンテナ１の２つの受信要素で受けて３つの位相差観測ベクトルＤ１，Ｄ２，Ｄ３を得る。そして、各位相差観測ベクトル座標を含み、基線ベクトル方向（衛星方向）と直交する３つの平面１，平面２，平面３を考え、これらのいずれにも基線ベクトル座標が含まれ得ることを利用して、３平面の各交点をベクトル先端とするベクトルを移動体の姿勢測定に用いる基線ベクトルＲとして推定する。
FIG. 2 is a diagram for explaining the principle of base line vector estimation, and shows a case in which incoming radio waves from three positioning satellites are received by two receiving elements of the
なお、アンテナ１の受信要素間は、上述したように距離Ｌだけ離して配置する。また、基線ベクトルＲとは、第１アンテナ（図示の例では点Ｐ０に位置する受信要素）の位置Ｐ０を基準とする第２アンテナ（例えば、点Ｐ０に位置する受信要素を基準とする図１で示した点Ｐ１に位置する受信要素）の位置Ｐ１までを結ぶ直線の長さと方向を表すベクトルである。なお、基線ベクトルＲの長さ｜Ｒ｜は、アンテナ１の受信要素間を距離Ｌだけ離して配置していることから｜Ｒ｜＝Ｌとなる。
Note that the receiving elements of the
位相差観測ベクトルＤ１，Ｄ２，Ｄ３は、第１アンテナの位置Ｐ０から平面１，平面２，平面３を構成する各円の中心Ｐ０１，Ｐ０２，Ｐ０３までを結ぶ直線の長さと方向を表すベクトルであり、アンテナ１の２つの受信要素で３つの測位衛星から受信した到来電波の各位相差の観測量ｄ１，ｄ２，ｄ３及び到来電波の送信源となる３つの測位衛星への各視線方向の方向余弦を用いて算出する。平面１，平面２，平面３は、位相差観測ベクトルＤ１，Ｄ２，Ｄ３がそれぞれ直交する平面であって、第１アンテナの位置Ｐ０を基準とした基線ベクトルＲの先端が存在する可能性がある円形領域の点群として定義される。
The phase difference observation vectors D1, D2 and D3 are vectors representing the length and direction of a straight line connecting the position P0 of the first antenna to the centers P01, P02 and P03 of the circles constituting the
移動体に固定したアンテナ１の２つの受信要素で３つの測位衛星からの到来電波を受信し、基線ベクトル検出手段３内の位相検出部によって各受信要素の受信電波の位相差ｄ１（第１の衛星分）、ｄ２（第２の衛星分）、ｄ３（第３の衛星分）を観測する。この観測量ｄ１，ｄ２，ｄ３を用いて、後述するベクトル計算により第２アンテナの位置（図１における受信要素１−２が位置する点Ｐ２）にベクトル先端を有するベクトルである基線ベクトルＲを求める。なお、観測量ｄ１，ｄ２，ｄ３には波数整数アンビギュイティを含むので、後述するようにアンビギュイティを決定する必要がある。
The incoming radio waves from the three positioning satellites are received by the two receiving elements of the
第１アンテナは、移動体のアンテナ１内における任意の基準位置に配置され、第２アンテナは第１アンテナから移動体の進行方向にＬだけ離して、且つ同じ高さの位置となるように移動体のアンテナ１内に固定される。図２に示す例では、測位衛星からの到来電波に基づいて各位相差観測ベクトルを求め、これら位相差観測ベクトルから規定されるローカル座標系における第２アンテナの位置を算出することにより、移動体の姿勢や位置の検出に用いる基線ベクトルＲを推定するものである。
The first antenna is arranged at an arbitrary reference position in the
図２を用いて、３つの測位衛星からの到来電波をアンテナ１の２つの受信要素で受信した場合における基線ベクトル検出処理について説明する。
基線ベクトルＲの先端座標位置である座標値（ｘ，ｙ，ｚ）は、図中に示すように平面１、平面２及び平面３のいずれの平面にも含まれる。これを利用して、下記式（１）〜（４）に従い位相差観測ベクトルＤ１，Ｄ２，Ｄ３から平面１，平面２，平面３を求める。これにより求めた平面１，平面２，平面３の各交点にベクトル先端を有する基線ベクトルＲを移動体の姿勢検出に利用するベクトル候補とする。なお、（ ）・（ ）はベクトルの内積である。
The coordinate value (x, y, z) which is the tip coordinate position of the base line vector R is included in any of the
また、位相差観測ベクトルＤ１，Ｄ２，Ｄ３は、到来電波源である第１〜第３の測位衛星への視線方向の各方向余弦（ｈｘ１，ｈｙ１，ｈｚ１）、（ｈｘ２，ｈｙ２，ｈｚ２）、（ｈｘ３，ｈｙ３，ｈｚ３）を用い、下記式（５）〜（７）に従って算出する。
各位相差の観測量ｄｄ１〜ｄｄ３は、例えば下記のようにして求める。
基線ベクトル演算部３ｂは、第１の衛星からの到来電波について、第１アンテナである受信要素１−１の位置Ｐ０で観測された位相φ０と、第２アンテナである受信要素１−２の位置Ｐ１で観測された位相φ１とから位相差Δφ１（＝φ０−φ１）を求める。基線ベクトル演算部３ｂは、位相差Δφ１を基に、ｄｄ１＝λ・Δφ１／（２π）なる式に従って距離ｄｄ１を算出する。同様にして、位相差Δφ２，Δφ３から距離ｄｄ２，ｄｄ３を算出する。λはＧＰＳ測位衛星からの到来電波の波長である。
The observation amounts dd1 to dd3 of each phase difference are obtained as follows, for example.
The base line
なお、位相不確定性（フェーズアンビギュイティ）については、例えば搬送波位相観測データに対して観測残差和Ｉが最小となる、最も確からしいアンビギュイティの組み合わせを推定するように構成してもよい。 As for phase uncertainty (phase ambiguity), for example, the most probable combination of ambiguities with which the observation residual sum I is minimized with respect to carrier phase observation data may be estimated. Good.
観測残差和Ｉを用いたアンビギュイティの推定処理について説明する。
下記式（８）は、観測残差和Ｉの評価関数である。
（１）基線ベクトル演算部３ｂは、アンビギュイティｋiの推定に使用する衛星の組み合わせを決定する。
（２）各基線ベクトルについて基線長Ｌに相当する±ｎ波長分程度の範囲でアンビギュイティｋiのサーチを行う。この段階では、評価関数のみで解を絞り込む。
（３）続いて、ベースライン長やベースラインの幾何学的関係、移動体の姿勢、可視衛星方向やアンテナ視線との関係を考慮して、妥当な解を残し、あり得ない解を候補から除外する。
（４）次に、基線ベクトル演算部３ｂは、残った解の候補について、例えば１０秒程度の所定期間内で得られる到来電波の情報を用いて上記式（８）を積算し、積算値が最小のものを正解として抽出する。
このようにして、基線ベクトル演算部３ｂが最も確からしいアンビギュイティの組み合わせを推定する。
An ambiguity estimation process using the observation residual sum I will be described.
The following equation (8) is an evaluation function of the observation residual sum I.
(1) The baseline
(2) The ambiguity k i is searched in the range of about ± n wavelengths corresponding to the baseline length L for each baseline vector. At this stage, the solution is narrowed down only by the evaluation function.
(3) Next, considering the relationship between the baseline length, the geometric relationship of the baseline, the attitude of the moving object, the direction of the visible satellite, and the antenna line of sight, an appropriate solution is left and an impossible solution is selected from the candidates. exclude.
(4) Next, the baseline
In this way, the baseline
また、（ｈｘ１，ｈｙ１，ｈｚ１）T〜（ｈｘ３，ｈｙ３，ｈｚ３）Tは、衛星方向獲得手段２が衛星方向情報として獲得した第１〜３の測位衛星への各視線方向の方向余弦である。これら方向余弦（ｈｘ１，ｈｙ１，ｈｚ１）〜（ｈｘ３，ｈｙ３，ｈｚ３）は、例えば世界座標系（ＥＣＥＦ（Earth Centered, Earth Fixed）座標系など）における移動体（アンテナ１）の概略位置に基づく概略位置ベクトル（ｘｂｓ，ｙｂｓ，ｚｂｓ）と第１〜３の衛星についての各位置ベクトル（ｘｓ１，ｙｓ１，ｚｓ１）とを用いて下記式（９）〜（１７）に従って算出される。
ｈｘ１＝（ｘｓ１−ｘｂｓ）／｛（ｘｓ１−ｘｂｓ）2
＋（ｙｓ１−ｙｂｓ）2＋（ｚｓ１−ｚｂｓ）2｝1/2 （９）
ｈｙ１＝（ｙｓ１−ｙｂｓ）／｛（ｘｓ１−ｘｂｓ）2
＋（ｙｓ１−ｙｂｓ）2＋（ｚｓ１−ｚｂｓ）2｝1/2 （１０）
ｈｚ１＝（ｚｓ１−ｚｂｓ）／｛（ｘｓ１−ｘｂｓ）2
＋（ｙｓ１−ｙｂｓ）2＋（ｚｓ１−ｚｂｓ）2｝1/2 （１１）
ｈｘ２＝（ｘｓ２−ｘｂｓ）／｛（ｘｓ２−ｘｂｓ）2
＋（ｙｓ２−ｙｂｓ）2＋（ｚｓ２−ｚｂｓ）2｝1/2 （１２）
ｈｙ２＝（ｙｓ２−ｙｂｓ）／｛（ｘｓ２−ｘｂｓ）2
＋（ｙｓ２−ｙｂｓ）2＋（ｚｓ２−ｚｂｓ）2｝1/2 （１３）
ｈｚ２＝（ｚｓ２−ｚｂｓ）／｛（ｘｓ２−ｘｂｓ）2
＋（ｙｓ２−ｙｂｓ）2＋（ｚｓ２−ｚｂｓ）2｝1/2 （１４）
ｈｘ３＝（ｘｓ３−ｘｂｓ）／｛（ｘｓ３−ｘｂｓ）2
＋（ｙｓ３−ｙｂｓ）2＋（ｚｓ３−ｚｂｓ）2｝1/2 （１５）
ｈｙ３＝（ｙｓ３−ｙｂｓ）／｛（ｘｓ３−ｘｂｓ）2
＋（ｙｓ３−ｙｂｓ）2＋（ｚｓ３−ｚｂｓ）2｝1/2 （１６）
ｈｚ３＝（ｚｓ３−ｚｂｓ）／｛（ｘｓ３−ｘｂｓ）2
＋（ｙｓ３−ｙｂｓ）2＋（ｚｓ３−ｚｂｓ）2｝1/2 （１７）
Further, (hx1, hy1, hz1) T to (hx3, hy3, hz3) T are direction cosines in the respective gaze directions to the first to third positioning satellites acquired as the satellite direction information by the satellite direction acquisition means 2. . These direction cosines (hx1, hy1, hz1) to (hx3, hy3, hz3) are roughly based on the approximate position of the moving object (antenna 1) in, for example, a world coordinate system (such as an ECEF (Earth Centered, Earth Fixed) coordinate system). Using the position vector (xbs, ybs, zbs) and the position vectors (xs1, ys1, zs1) for the first to third satellites, calculation is performed according to the following equations (9) to (17).
hx1 = (xs1-xbs) / {(xs1-xbs) 2
+ (Ys1-ybs) 2 + (zs1-zbs) 2 } 1/2 (9)
hy1 = (ys1-ybs) / {(xs1-xbs) 2
+ (Ys1-ybs) 2 + (zs1-zbs) 2 } 1/2 (10)
hz1 = (zs1-zbs) / {(xs1-xbs) 2
+ (Ys1-ybs) 2 + (zs1-zbs) 2 } 1/2 (11)
hx2 = (xs2-xbs) / {(xs2-xbs) 2
+ (Ys2-ybs) 2 + (zs2-zbs) 2 } 1/2 (12)
hy2 = (ys2-ybs) / {(xs2-xbs) 2
+ (Ys2-ybs) 2 + (zs2-zbs) 2 } 1/2 (13)
hz2 = (zs2-zbs) / {(xs2-xbs) 2
+ (Ys2-ybs) 2 + (zs2-zbs) 2 } 1/2 (14)
hx3 = (xs3-xbs) / {(xs3-xbs) 2
+ (Ys3-ybs) 2 + (zs3-zbs) 2 } 1/2 (15)
hy3 = (ys3-ybs) / {(xs3-xbs) 2
+ (Ys3-ybs) 2 + (zs3-zbs) 2 } 1/2 (16)
hz3 = (zs3-zbs) / {(xs3-xbs) 2
+ (Ys3-ybs) 2 + (zs3-zbs) 2 } 1/2 (17)
移動体の姿勢検出に利用する基線ベクトルＲは、世界座標系を移動体の概略位置ベクトル分だけ平行移動し、第１アンテナの位置をローカル座標系の原点Ｐ０（０，０，０）に対応させ、第２アンテナの位置Ｐ１が座標値（ｘ，ｙ，ｚ）となるベクトルである。 The base line vector R used for detecting the posture of the moving body translates the world coordinate system by the approximate position vector of the moving body, and the position of the first antenna corresponds to the origin P0 (0, 0, 0) of the local coordinate system. The second antenna position P1 is a vector having coordinate values (x, y, z).
次に、平面１，平面２，平面３の各交点にベクトル先端を有する基線ベクトルＲを移動体の姿勢検出に利用する基線ベクトルとして算出する処理について説明する。
先ず、位相差観測ベクトルＤ１，Ｄ２，Ｄ３と平面１，平面２，平面３との交点、即ち各円の中心の座標をそれぞれＰ０１（ａ，ｂ，ｃ）、Ｐ０２（ｄ，ｅ，ｆ）、Ｐ０３（ｇ，ｈ，ｉ）とした場合、上記式（１）〜（３）は下記式（１８）〜（２０）のようにそれぞれ表される。
First, the intersections of the phase difference observation vectors D1, D2, D3 and the
上記式（１８）〜（２０）を整理すると、下記式（２１）〜（２３）のようになる。
ａｘ＋ｂｙ＋ｃｚ−（ａ2＋ｂ2＋ｃ2）＝０ （２１）
ｄｘ＋ｅｙ＋ｆｚ−（ｄ2＋ｅ2＋ｆ2）＝０ （２２）
ｇｘ＋ｈｙ＋ｉｚ−（ｇ2＋ｈ2＋ｉ2）＝０ （２３）
When the above formulas (18) to (20) are arranged, the following formulas (21) to (23) are obtained.
ax + by + cz− (a 2 + b 2 + c 2 ) = 0 (21)
dx + ey + fz− (d 2 + e 2 + f 2 ) = 0 (22)
gx + hy + iz− (g 2 + h 2 + i 2 ) = 0 (23)
上記式（２１），（２２）を用いてｚを消去すると、変数はｘだけでｙを表す下記式（２４）〜（２６）を得る。
ｙ＝Ａｘ＋Ｂ （２４）
Ａ＝｛ａｆ／（ｃ−ｄ）｝／（ｅ−ｂｆ／ｃ） （２５）
Ｂ＝（ｄ2＋ｅ2−ａ2ｆ／ｃ−ｂ2ｆ／ｃ−ｃｆ）／（ｅ−ｂｆ／ｃ）
＝｛ｄ2＋ｅ2−ｆ（ａ2＋ｂ2＋ｃ2）／ｃ｝／（ｅ−ｂｆ／ｃ） （２６）
When z is deleted using the above formulas (21) and (22), the following formulas (24) to (26) representing y with only x being variables are obtained.
y = Ax + B (24)
A = {af / (cd)} / (e-bf / c) (25)
B = (d 2 + e 2 −a 2 f / c−b 2 f / c−cf) / (e−bf / c)
= {D 2 + e 2 −f (a 2 + b 2 + c 2 ) / c} / (e−bf / c) (26)
同様に上記式（２１），（２２）を用いてｙを消去すると、変数はｘだけでｚを表す下記式（２７）〜（２９）を得る。
ｚ＝Ｃｘ＋Ｄ （２７）
Ｃ＝｛ａｅ／（ｂ−ｄ）｝／（ｆ−ｃｅ／ｂ） （２８）
Ｄ＝（ｄ2＋ｆ2−ａ2ｅ／ｂ−ｃ2ｅ／ｂ−ｂｅ）／（ｆ−ｃｅ／ｂ）
＝｛ｄ2＋ｆ2−ｅ（ａ2＋ｃ2＋ｂ2）／ｂ｝／（ｆ−ｃｅ／ｂ） （２９）
Similarly, when y is deleted using the above formulas (21) and (22), the following formulas (27) to (29) representing z with only x being variables are obtained.
z = Cx + D (27)
C = {ae / (b−d)} / (f−ce / b) (28)
D = (d 2 + f 2 −a 2 e / b−c 2 e / b−be) / (f−ce / b)
= {D 2 + f 2 -e (a 2 +
上記式（２４），（２７）を上記式（２３）に代入し、変数ｘだけの１次方程式を求め、これを整理して下記式（３０）を得る。
ｘ＝｛（ｇ2＋ｈ2＋ｉ2）−（ｈＢ＋ｉＤ）｝／（ｇ＋ｈＡ＋ｉＣ） （３０）
The above equations (24) and (27) are substituted into the above equation (23) to obtain a linear equation of only the variable x, and this is rearranged to obtain the following equation (30).
x = {(g 2 + h 2 + i 2 ) − (hB + iD)} / (g + hA + iC) (30)
上記式（３０）のｘの値を上記式（２４），（２７）に代入して、ｙ及びｚの値を求めることで、平面１，平面２，平面３の各交点にベクトル先端を有する基線ベクトルＲ（ｘ，ｙ，ｚ）が算出される。なお、上述した基線ベクトルの演算は、位相検出部３−１−１、３−１−２からの受信電波に関する情報及び衛星方向獲得手段２からの当該電波を送信した測位衛星に関する情報を用いて基線ベクトル演算部３ｂによりなされる。
By substituting the value of x in the above equation (30) into the above equations (24) and (27) and obtaining the values of y and z, there is a vector tip at each intersection of
上述のようにして、平面１，平面２，平面３の各交点にベクトル先端を有する基線ベクトルＲ（ｘ，ｙ，ｚ）が算出されると、姿勢演算手段４が、下記式（３１），（３２）に従って姿勢角であるヨー角やピッチ角を算出する。
ヨー角＝ａｃｏｔ（ｘ／ｙ） （３１）
ピッチ角＝ａｃｏｓ｛（ｘ2＋ｙ2）1/2／（ｘ2＋ｙ2＋ｚ2）1/2｝ （３２）
As described above, when the base line vector R (x, y, z) having the vector tip at each intersection of the
Yaw angle = acot (x / y) (31)
Pitch angle = acos {(x 2 + y 2 ) 1/2 / (x 2 + y 2 + z 2 ) 1/2 } (32)
なお、事前に正確に計測した移動体（アンテナ）姿勢と測位衛星に相当する電波源とを用いて位相差を予備実験的に求め、この位相差についての誤差を計測し、テーブルとして本実施の形態による移動体姿勢検出装置内のメモリに記憶しておき、実使用の際、基線ベクトル検出手段３や姿勢演算手段４が、基線ベクトルや移動体姿勢を算出するとき、メモリから読み出した上記位相差誤差を移動体の観測量から差し引いたもの使用するように構成してもよい。
A phase difference is preliminarily obtained by using a mobile body (antenna) attitude accurately measured in advance and a radio wave source corresponding to a positioning satellite, and an error about this phase difference is measured and used as a table. It is stored in the memory in the mobile body posture detecting device according to the form, and when the base line
このようにすることで、アンテナ１内の受信要素間の距離を小さく配置する場合に顕著となる受信要素相互間の電波干渉の影響を減らすことができ、移動体の姿勢や位置の検出精度を高めることができる。この場合、一台一台について行うのではなく、複数の計測を一度に行い、統計的な平均値を得てその後に生産する全ての装置にその平均値テーブルを記憶させて利用するようにしてもよい。このようにすれば、個々について誤差計測を全て行う必要がない。
By doing so, it is possible to reduce the influence of radio wave interference between the receiving elements, which becomes noticeable when the distance between the receiving elements in the
次に、２つの衛星からの到来電波をアンテナ１の３つの受信要素で受信した場合における基線ベクトル検出処理について説明する。
図３は、基線ベクトル推定原理を説明する図であり、アンテナ１の３つの受信要素で２つの測位衛星からの到来電波を受信した場合を示している。図示の例は、２つの測位衛星からの電波をアンテナ１の３つの受信要素で受けて、基準となる受信要素１−１（以降、第１アンテナと称する）と他の受信要素１−２（以降、第２アンテナと称する）若しくは受信要素１−３（以降、第３アンテナと称する）とのそれぞれの組み合わせから位相差観測ベクトルを求める。
Next, a baseline vector detection process when incoming radio waves from two satellites are received by the three receiving elements of the
FIG. 3 is a diagram for explaining the principle of base line vector estimation, and shows a case in which incoming radio waves from two positioning satellites are received by the three receiving elements of the
そして、各位相差観測ベクトル座標を含み、基線ベクトル方向（衛星方向）と直交する平面と基線ベクトルの長さを半径とし第１アンテナ位置Ｐ０を中心とする球面とを考え、これらのいずれにも基線ベクトル座標が含まれることを利用して、これらの交点にベクトル先端を有するベクトルを基線ベクトル候補として抽出する。続いて、ベクトル候補を構成する各ベクトル間の角度αが、基準の受信要素と他の各受信要素をそれぞれ結ぶ基線ベクトル間の角度Φとして許容される値の範囲に最も近い方を、移動体の姿勢や位置の測定に用いる基線ベクトルの対として推定する。 Then, a plane including each phase difference observation vector coordinate, orthogonal to the base line vector direction (satellite direction), and a spherical surface with the length of the base line vector as a radius and the first antenna position P0 as the center, both of which are the base line Utilizing the fact that vector coordinates are included, a vector having a vector tip at the intersection is extracted as a baseline vector candidate. Subsequently, the moving object is set such that the angle α between the vectors constituting the vector candidate is closest to the range of values allowed as the angle Φ between the base line vectors connecting the reference receiving element and the other receiving elements. Estimated as a pair of baseline vectors used to measure the posture and position of
図において、位相差観測ベクトルＤ１，Ｄ２は、第１アンテナの位置Ｐ０から平面１，平面２を構成する各円の中心Ｐ０１，Ｐ０２までを結ぶ直線の長さと方向を表すベクトルであり、第１アンテナと第２アンテナとで２つの衛星から受信した到来電波の各位相差の観測量ｄ１，ｄ２及び到来電波の送信源となる２つの測位衛星への視線方向の方向余弦を用いて算出する。
In the figure, phase difference observation vectors D1 and D2 are vectors representing the length and direction of a straight line connecting the position P0 of the first antenna to the centers P01 and P02 of the circles constituting the
また、位相差観測ベクトルＤ１’，Ｄ２’も同様に、第１アンテナの位置Ｐ０から平面１’，平面２’を構成する各円の中心Ｐ０１’，Ｐ０２’までを結ぶ直線の長さと方向を表すベクトルであり、第１アンテナと第３アンテナとで２つのＧＰＳ測位衛星から受信した到来電波の各位相差の観測量ｄ１’，ｄ２’及び到来電波の送信源となる２つの測位衛星への視線方向の方向余弦を用いて算出する。
Similarly, the phase difference observation vectors D1 ′ and D2 ′ have the length and direction of straight lines connecting the position P0 of the first antenna to the centers P01 ′ and P02 ′ of the circles constituting the
平面１，平面２は、位相差観測ベクトルＤ１，Ｄ２に直交する平面であって、第１アンテナの位置Ｐ０を基準とした基線ベクトルの先端が存在する可能性がある円形領域の点群として定義される。平面１’，平面２’も同様に、位相差観測ベクトルＤ１’，Ｄ２’に直交する平面であって、第１アンテナの位置Ｐ０を基準とした基線ベクトルの先端が存在する可能性がある円形領域の点群として定義される。
移動体に固定したアンテナ１のうち、第１アンテナと第２アンテナとで２つの測位衛星からの到来電波をそれぞれ受信し、基線ベクトル検出手段３内の位相検出部によって各受信要素の受信電波の位相差ｄ１（第１の衛星分）、ｄ２（第２の衛星分）を観測し、位相差観測ベクトルＤ１，Ｄ２を得る。なお、観測量ｄ１，ｄ２には波数整数アンビギュイティを含むので、上述したようにアンビギュイティを決定する必要がある。
Of the
第１アンテナから第２アンテナに向かう基線ベクトルＲは、位相差観測ベクトルＤ１，Ｄ２にそれぞれ直交する平面１及び平面２と、半径が基線ベクトルＲの長さＬａで原点Ｐ０（第１アンテナの位置）を中心とする球面とのいずれにもその先端が存在する可能性がある。従って、基線ベクトルＲは、平面１及び平面２と、半径が基線ベクトルＲの長さＬａで原点Ｐ０を中心とする球面との交点（円形領域の平面１，２の２円の交点に球面が重なる点となり２点存在する）にそれぞれベクトル先端が位置する。
The base line vector R from the first antenna to the second antenna has the
一方、移動体に固定したアンテナ１のうち、第１アンテナと第３アンテナで２つの測位衛星からの到来電波をそれぞれ受信し、基線ベクトル検出手段３の位相検出部によって各受信要素の受信電波の位相差ｄ１’（第１の衛星分）、ｄ２’（第２の衛星分）を観測し、位相差観測ベクトルＤ１’，Ｄ２’を得る。なお、観測量ｄ１’，ｄ２’には波数整数アンビギュイティを含むので、上述したようにアンビギュイティを決定する必要がある。
On the other hand, among the
第１アンテナから第３アンテナに向かう基線ベクトルＲ’は、基線ベクトルＲと同様に位相差観測ベクトルＤ１’，Ｄ２’にそれぞれ直交する平面１’及び平面２’と、半径が基線ベクトルＲ’の長さＬｂで原点Ｐ０（第１アンテナの位置）を中心とする球面とのいずれにもその先端が存在する可能性がある。従って、基線ベクトルＲ’は、平面１’及び平面２’と、半径が基線ベクトルＲ’の長さＬｂで原点Ｐ０を中心とする球面との交点（円形領域の平面１’，２’の２円の交点に球面が重なる点となり２点存在する）にそれぞれベクトル先端が位置する。
Like the baseline vector R, the baseline vector R ′ from the first antenna to the third antenna has the
第１アンテナは、移動体のアンテナ１内における任意の基準位置に配置され、第２アンテナ及び第３アンテナは第１アンテナから移動体の進行方向にＬａ，Ｌｂだけそれぞれ離して、且つ同じ高さの位置となるように移動体のアンテナ１内に固定する。このように、図３に示す例では、測位衛星からの到来電波に基づいて各位相差観測ベクトルを求め、これら位相差観測ベクトルから規定されるローカル座標系における第２アンテナや第３アンテナの位置を算出することにより、移動体の姿勢や位置の測定に用いる基線ベクトルを推定するものである。
The first antenna is disposed at an arbitrary reference position in the
図３を用いてより詳細に説明する。
先ず、２つの衛星からの到来電波を第１アンテナと第２アンテナで受信した場合における基線ベクトル検出処理について説明する。
第１アンテナから第２アンテナへ向かう基線ベクトルＲは、図中に示すように平面１、平面２及び半径Ｌａで原点Ｐ０を中心とする球面のいずれにおいても先端座標位置である座標値（ｘ，ｙ，ｚ）（＝（ｘ１，ｙ１，ｚ１）、（ｘ２，ｙ２，ｚ２））が含まれる。これを利用して、上記式（１），（２），（４）に従い位相差観測ベクトルＤ１，Ｄ２と基線ベクトルＲとから平面１，平面２を求める。但し、式（４）については、ＬをＬａに置き換える。これにより求めた平面１、平面２、及び半径Ｌａで原点Ｐ０を中心とする球面の各交点にベクトル先端を有する基線ベクトルＲを移動体の姿勢検出に利用するベクトル候補とする。
This will be described in more detail with reference to FIG.
First, a baseline vector detection process when incoming radio waves from two satellites are received by the first antenna and the second antenna will be described.
As shown in the figure, the base line vector R from the first antenna to the second antenna has a coordinate value (x, x, x) that is the tip coordinate position in any of the
詳細に、平面１、平面２、及び半径Ｌａで原点Ｐ０を中心とする球面の各交点にベクトル先端を有する基線ベクトルＲを移動体の姿勢検出に利用する基線ベクトル候補として算出する処理について説明する。
先ず、位相差観測ベクトルＤ１，Ｄ２と平面１，平面２との交点、即ち各円の中心の座標をそれぞれＰ０１（ａ，ｂ，ｃ）、Ｐ０２（ｄ，ｅ，ｆ）とした場合、上記式（１），（２）は上記式（１８），（１９）のようにそれぞれ表される。上記式（１８），（１９）を整理すると、上記式（２１），（２２）のようになる。
In detail, a process of calculating a baseline vector R having a vector tip at each intersection of a
First, when the intersections of the phase difference observation vectors D1 and D2 and the
上記式（２１），（２２）を用いてｚを消去すると、変数はｘだけでｙを表す上記式（２４）〜（２６）を得る。同様に上記式（２１），（２２）を用いてｙを消去すると、変数はｘだけでｚを表す上記式（２７）〜（２９）を得る。 When z is deleted using the above formulas (21) and (22), the above formulas (24) to (26) representing y with only x being variables are obtained. Similarly, when y is deleted using the above formulas (21) and (22), the above formulas (27) to (29) representing z with only x being variables are obtained.
ここで、上記式（２４），（２７）を上記式（４）に代入し、変数ｘだけの２次方程式を求め、これを整理して下記式（３３）を得る。
（１＋Ａ2＋Ｃ2）ｘ2＋２（ＡＢ＋ＣＤ）ｘ＋Ｂ2＋Ｄ2−Ｌａ2＝０ （３３）
上記式（３３）を解くと、下記式（３４）のようになる。
ｘ＝［−２（ＡＢ＋ＣＤ）±｛（２ＡＢ＋２ＣＤ）2
−４（１＋Ａ2＋Ｃ2）（Ｂ2＋Ｄ2−Ｌａ2）｝1/2］
／｛２（１＋Ａ2＋Ｃ2）｝ （３４）
Here, the above equations (24) and (27) are substituted into the above equation (4) to obtain a quadratic equation of only the variable x, and this is rearranged to obtain the following equation (33).
(1 + A 2 + C 2 ) x 2 +2 (AB + CD) x + B 2 + D 2 −La 2 = 0 (33)
When the above equation (33) is solved, the following equation (34) is obtained.
x = [-2 (AB + CD) ± {(2AB + 2CD) 2
-4 (1 + A 2 + C 2) (
/ {2 (1 + A 2 + C 2 )} (34)
上記式（３４）による２つのｘの値ｘ１，ｘ２を上記式（２４），（２７）に代入して、ｙ１，ｙ２及びｚ１，ｚ２の値を求めることで、平面１、平面２、及び半径Ｌａで原点Ｐ０を中心とする球面の各交点にベクトル先端を有する基線ベクトルＲ１（ｘ１，ｙ１，ｚ１）、Ｒ２（ｘ２，ｙ２，ｚ２）からなる基線ベクトル候補対が算出される。なお、上述した基線ベクトルの演算は、位相検出部３−１−１，３−１−２からの受信電波に関する情報及び衛星方向獲得手段２からの当該電波を送信した測位衛星の方向に関する情報（測位衛星への視線方向の方向余弦などの衛星方向情報）を用いて基線ベクトル演算部３ｂによりなされる。
By substituting the two values x1 and x2 of x in the above equation (34) into the above equations (24) and (27), and obtaining the values of y1, y2 and z1, z2,
次に、２つの衛星からの到来電波を第１アンテナと第３アンテナで受信した場合における基線ベクトル検出処理について説明する。
第１アンテナから第３アンテナへ向かう基線ベクトルＲ’は、平面１’、平面２’及び半径Ｌｂで原点Ｐ０を中心とする球面のいずれにおいても先端座標位置である座標値（ｘ，ｙ，ｚ）（＝（ｘ１’，ｙ１’，ｚ１’）、（ｘ２’，ｙ２’，ｚ２’））が含まれる。これを利用して、上記式（１），（２），（４）に従い、位相差観測ベクトルＤ１’，Ｄ２’と基線ベクトルＲ’とから平面１’，平面２’を求める。但し、式（１），（２）についてはＲをＲ’に置き換え、式（４）についてはＬをＬｂに置き換える。これにより求めた平面１’、平面２’、及び半径Ｌｂで原点Ｐ０を中心とする球面の各交点にベクトル先端を有する基線ベクトルＲを移動体の姿勢検出に利用するベクトル候補とする。
Next, a baseline vector detection process when incoming radio waves from two satellites are received by the first antenna and the third antenna will be described.
The base line vector R ′ from the first antenna to the third antenna is a coordinate value (x, y, z) that is the tip coordinate position in any of the
詳細に、平面１’、平面２’、及び半径Ｌｂで原点Ｐ０を中心とする球面の各交点にベクトル先端を有する基線ベクトルＲを移動体の姿勢検出に利用する基線ベクトル候補として算出する処理について説明する。
先ず、位相差観測ベクトルＤ１’，Ｄ２’と平面１’，平面２’との交点、即ち各円の中心の座標をそれぞれＰ０１’（ａ，ｂ，ｃ）、Ｐ０２’（ｄ，ｅ，ｆ）とした場合、上記式（１），（２）は上記式（１８），（１９）のようにそれぞれ表される。上記式（１８），（１９）を整理すると、上記式（２１），（２２）のようになる。
Specifically, processing for calculating a baseline vector R having a vector tip at each intersection of a
First, the intersections of the phase difference observation vectors D1 ′ and D2 ′ with the
上記式（２１），（２２）を用いてｚを消去すると、変数はｘだけでｙを表す上記式（２４）〜（２６）を得る。同様に上記式（２１），（２２）を用いてｙを消去すると、変数はｘだけでｚを表す上記式（２７）〜（２９）を得る。 When z is deleted using the above formulas (21) and (22), the above formulas (24) to (26) representing y with only x being variables are obtained. Similarly, when y is deleted using the above formulas (21) and (22), the above formulas (27) to (29) representing z with only x being variables are obtained.
ここで、上記式（２４），（２７）を上記式（４）に代入し、変数ｘだけの２次方程式を求め、これを整理して下記式（３５）を得る。
（１＋Ａ2＋Ｃ2）ｘ2＋２（ＡＢ＋ＣＤ）ｘ＋Ｂ2＋Ｄ2−Ｌｂ2＝０ （３５）
上記式（３５）を解くと、下記式（３６）のようになる。
ｘ＝［−２（ＡＢ＋ＣＤ）±｛（２ＡＢ＋２ＣＤ）2
−４（１＋Ａ2＋Ｃ2）（Ｂ2＋Ｄ2−Ｌｂ2）｝1/2］
／｛２（１＋Ａ2＋Ｃ2）｝ （３６）
Here, the above equations (24) and (27) are substituted into the above equation (4) to obtain a quadratic equation of only the variable x, and this is rearranged to obtain the following equation (35).
(1 + A 2 + C 2 ) x 2 +2 (AB + CD) x + B 2 + D 2 −Lb 2 = 0 (35)
When the above equation (35) is solved, the following equation (36) is obtained.
x = [-2 (AB + CD) ± {(2AB + 2CD) 2
-4 (1 + A 2 + C 2) (
/ {2 (1 + A 2 + C 2 )} (36)
上記式（３６）による２つのｘの値ｘ１’，ｘ２’を上記式（２４），（２７）に代入して、ｙ１’，ｙ２’及びｚ１’，ｚ２’の値を求めることで、平面１’、平面２’、及び半径Ｌｂで原点Ｐ０を中心とする球面の各交点にベクトル先端をそれぞれ有する基線ベクトルＲ１’（ｘ１’，ｙ１’，ｚ１’）、Ｒ２’（ｘ２’，ｙ２’，ｚ２’）からなる基線ベクトル候補対が算出される。なお、上述した基線ベクトルの演算は、位相検出部３−１−１，３−１−３からの受信電波に関する情報及び衛星方向獲得手段２からの当該電波を送信した測位衛星の方向に関する情報（測位衛星への各視線方向の方向余弦などの衛星方向情報）を用いて基線ベクトル演算部３ｂによりなされる。
By substituting the two x values x1 ′ and x2 ′ in the above equation (36) into the above equations (24) and (27), the values of y1 ′ and y2 ′ and z1 ′ and z2 ′ are obtained. 1 ′,
次に、基線ベクトル演算部３ｂは、上述のようにして求めた基線ベクトル候補対を構成する各基線ベクトル同士間の角度αを求め、第１アンテナから第２アンテナに向かう基線ベクトルと第１アンテナから第３アンテナに向かう基線ベクトルとがなす角が一定値Φであることを利用して、上記基線ベクトル候補対のうち角度αが角度Φに近い値（例えば、角度の許容差値を１度とするなど）が得られた方を、移動体の姿勢や位置検出に使用する真の候補対であると推定する。
Next, the baseline
具体的に説明すると、基線ベクトル候補対を構成する各基線ベクトル同士間の角度αは、第１アンテナから第２アンテナに向かう基線ベクトルＲのベクトル候補対を構成する基線ベクトルをそれぞれＲ１，Ｒ２とし、第１アンテナから第３アンテナに向かう基線ベクトルＲ’のベクトル候補対を構成する基線ベクトルをそれぞれＲ１’，Ｒ２’とすると、例えば下記式（３７）〜（４０）から求めることができる。
α＝ａｃｏｓ［｛（Ｒ１）・（Ｒ２）｝／（｜Ｒ１｜＊｜Ｒ２｜）］ （３７）
α＝ａｃｏｓ［｛（Ｒ１’）・（Ｒ２）｝／（｜Ｒ１’｜＊｜Ｒ２｜）］ （３８）
α＝ａｃｏｓ［｛（Ｒ１）・（Ｒ２’）｝／（｜Ｒ１｜＊｜Ｒ２’｜）］ （３９）
α＝ａｃｏｓ［｛（Ｒ１’）・（Ｒ２’）｝／（｜Ｒ１’｜＊｜Ｒ２’｜）］（４０）
但し、（ ）・（ ）はベクトルの内積、｜ ｜＊｜ ｜はスカラー積を示している。
More specifically, the angle α between the baseline vectors constituting the baseline vector candidate pair is set to R1 and R2 as the baseline vectors constituting the vector candidate pair of the baseline vector R from the first antenna toward the second antenna, respectively. Assuming that the baseline vectors constituting the vector candidate pair of the baseline vector R ′ from the first antenna to the third antenna are R1 ′ and R2 ′, respectively, the following equations (37) to (40) can be obtained, for example.
α = acos [{(R1) · (R2)} / (| R1 | * | R2 |)] (37)
α = acos [{(R1 ′) · (R2)} / (| R1 ′ | * | R2 |)] (38)
α = acos [{(R1) · (R2 ′)} / (| R1 | * | R2 ′ |)] (39)
α = acos [{(R1 ′) · (R2 ′)} / (| R1 ′ | * | R2 ′ |)] (40)
However, () and () indicate inner products of vectors, and | | * | | indicates a scalar product.
基線ベクトル演算部３ｂは、上述のようにして４つの基線ベクトル候補対を構成する各基線ベクトル同士間の角度αを求めると、下記式（４１）に示す基線ベクトル間角度の許容範囲を満たすか否かを判定し、角度Φに近い値が得られた候補対を、移動体の姿勢や位置検出に使用する真の候補対であると推定する。
｜Φ−γ｜＜｜α｜＜｜Φ＋γ｜ （４１）
ここで、γは角度αの角度Φからの誤差の許容値である。
When the baseline
| Φ−γ | <| α | <| Φ + γ | (41)
Here, γ is an allowable value of an error from the angle Φ of the angle α.
上述のようにして求められた基線ベクトル候補対における、一方の基線ベクトルの先端位置が第２アンテナの位置に相当し、他方の基線ベクトルの先端位置が第３アンテナの位置に相当する。これら基線ベクトルＲ（ｘ，ｙ，ｚ）を用いて、姿勢演算手段４が、上記式（３１），（３２）に従い姿勢角であるヨー角やピッチ角を算出する。 In the baseline vector candidate pair obtained as described above, the tip position of one baseline vector corresponds to the position of the second antenna, and the tip position of the other baseline vector corresponds to the position of the third antenna. Using these baseline vectors R (x, y, z), the posture calculation means 4 calculates the yaw angle and pitch angle, which are posture angles, according to the above equations (31) and (32).
なお、事前に正確に計測した移動体（アンテナ）姿勢と測位衛星に相当する電波源とを用いて位相差を予備実験的に求め、この位相差についての誤差を計測し、テーブルとして本実施の形態による移動体姿勢検出装置内のメモリに記憶しておき、実使用の際、基線ベクトル検出手段３や姿勢演算手段４が、基線ベクトルや移動体姿勢を算出するとき、メモリから読み出した上記位相差誤差を移動体の観測量から差し引いたもの使用するように構成してもよい。
A phase difference is preliminarily obtained by using a mobile body (antenna) attitude accurately measured in advance and a radio wave source corresponding to a positioning satellite, and an error about this phase difference is measured and used as a table. It is stored in the memory in the mobile body posture detecting device according to the form, and when the base line
このようにすることで、アンテナ１内の受信要素間の距離を小さく配置する場合に顕著となる受信要素相互間の電波干渉の影響を減らすことができ、移動体の姿勢や位置の検出精度を高めることができる。この場合、一台一台について行うのではなく、複数の計測を一度に行い、統計的な平均値を得てその後に生産する全ての装置にその平均値テーブルを記憶させて利用するようにしてもよい。このようにすれば、個々について誤差計測を全て行う必要がない。
By doing so, it is possible to reduce the influence of radio wave interference between the receiving elements, which becomes noticeable when the distance between the receiving elements in the
次に、２つの測位衛星からの到来電波をアンテナ１内の２つの受信要素でそれぞれ受信した場合における基線ベクトル検出処理について説明する。
例えば、２つの測位衛星からの到来電波を第１アンテナと第２アンテナで受信した場合、第１アンテナから第２アンテナへ向かう基線ベクトルＲは、平面１、平面２及び半径Ｌで原点Ｐ０を中心とする球面のいずれにおいても先端座標値（ｘ，ｙ，ｚ）（＝Ｒ１（ｘ１，ｙ１，ｚ１）、Ｒ２（ｘ２，ｙ２，ｚ２））が含まれる。
Next, a baseline vector detection process in the case where incoming radio waves from two positioning satellites are received by two receiving elements in the
For example, when incoming radio waves from two positioning satellites are received by the first antenna and the second antenna, the base line vector R from the first antenna to the second antenna is centered on the origin P0 with the
そこで、上述した２つの測位衛星からの到来電波をアンテナ１内の３つの受信要素で受信した場合における基線ベクトル検出処理と同様にして、上記式（１），（２），（４）に従い位相差観測ベクトルＤ１，Ｄ２から平面１，平面２を求め、平面１、平面２及び半径Ｌで原点Ｐ０を中心とする球面の各交点にベクトル先端を有する基線ベクトル候補対を求める。
Therefore, in the same manner as the baseline vector detection process when the incoming radio waves from the two positioning satellites are received by the three receiving elements in the
このようにして求めた基線ベクトル候補対のうちのいずれの基線ベクトルを、移動体の姿勢や位置検出に用いる基線ベクトルとして用いるか否かは、例えば基線ベクトル候補対の基線ベクトルのピッチ角と、本実施の形態による移動体姿勢検出装置に搭載した角速度センサによる移動体の旋回角βとの差を、上記と同様にして評価して許容される値に近いものと判定された基線ベクトルを移動体の姿勢や位置検出のために選択する。 Whether any base line vector of the base line vector candidate pairs thus obtained is used as a base line vector used for posture or position detection of the moving body, for example, the pitch angle of the base line vector of the base line vector candidate pair, The baseline vector determined to be close to the allowable value by evaluating the difference from the turning angle β of the moving body by the angular velocity sensor mounted on the moving body posture detection apparatus according to the present embodiment in the same manner as described above is moved. Select for body posture and position detection.
なお、上述した基線ベクトルの検出処理では、受信要素を少なくとも２つ有するパッチアンテナのようなアンテナ１で測位衛星からの到来電波を受信する例を示したが、本発明はこれに限られない。例えば、アンテナ１をアレイアンテナで構成し、基線ベクトル検出手段３が、アレイアンテナ座標系における電波の到来角θを、ＭＵＳＩＣ（MUltiple SIgnal Classification）処理方式を用いて検出し、この検出結果の到来角θに基づいて基線ベクトルを推定するように構成してもよい。
In the above-described baseline vector detection processing, an example in which an incoming radio wave from a positioning satellite is received by an
姿勢演算手段４では、上述のようにして基線ベクトル検出手段３で検出された基線ベクトルと、衛星方向獲得手段２で獲得した上記基線ベクトルに関わるＧＰＳ測位衛星のローカル座標系上の衛星方向情報とに基づいて、アンテナ１あるいはこれを搭載した移動体のローカル座標系上での姿勢（ヨー角、ピッチ角、ロール角）を算出する。
In the attitude calculation means 4, the baseline vector detected by the baseline vector detection means 3 as described above, the satellite direction information on the local coordinate system of the GPS positioning satellite related to the baseline vector acquired by the satellite direction acquisition means 2, and Based on the above, the attitude (yaw angle, pitch angle, roll angle) on the local coordinate system of the
この際、例えば特許文献１に開示されている方法を採用しても良い。この場合、特許文献１中の式（１）にローカル座標系の基線ベクトルの観測量とアンテナ座標系における基線ベクトルの既知の値とを代入して、特許文献１中の式（２）に示された座標変換オペレータ行列を求める。そして、この行列の要素を用いて、ロール角、ピッチ角、ヨー角（真北からの方位角）を算出するための特許文献１中の式（３）〜式（５）に従いローカル座標上での姿勢を算出する。このようにして求められた移動体の姿勢に関する情報は、姿勢演算手段４から装置外部へと出力される。
At this time, for example, a method disclosed in
以上のように、この実施の形態１によれば、移動体上に設けられ、測位衛星からの航法電波を受信する複数の受信要素１−１〜１−３を配置してなるアンテナ１と、アンテナ１の受信要素又は移動体の位置若しくはこれを近似する概略の位置に関する情報に基づき求められる位置から測位衛星への視線方向を規定する衛星方向情報を求める衛星方向獲得手段２と、少なくとも２つの測位衛星から受信した航法電波について受信要素における位相差をそれぞれ求め、これら位相差及び衛星方向情報に基づいて、測位衛星からの航法電波を受信している少なくとも一対の受信要素の組み合わせの基線ベクトルを検出する基線ベクトル検出手段３と、基線ベクトル検出手段が検出した基線ベクトルにより規定される姿勢を移動体の姿勢として算出する姿勢演算手段４とを備えるので、天頂に近い２つ程度の少ない数の測位衛星からしか電波が届かないような場所であっても、アンテナ１の受信要素間の基線ベクトルを決定するにあたり、測位衛星高度を考慮すると移動***置の誤差が許容できる範囲になることから、２つ程度の少ない数の測位衛星から求められるような精度の低い移動体の位置や当該移動体側と通信可能な位置にある無線通信基地局や放送局などから提供される移動体近隣の位置などの概略の位置を用いて基線ベクトルを決定することができる。これにより、天頂に近い２つ程度の少ない数の測位衛星からしか電波が届かないような場所であっても、移動体の絶対的な姿勢を電子的且つリアルタイムに検出することができる。
As described above, according to the first embodiment, the
なお、上記実施の形態１において、基線ベクトル検出手段３が、天頂に位置する測位衛星（天頂衛星）からの到来電波の受信状態の良悪を検出・判定する監視部を装備し、当該監視部による判定で受信状態が良い場合には天頂に位置する測位衛星を利用し、悪い場合には次に天頂に近い他の測位衛星からの電波を利用するように構成してもよい。
In the first embodiment, the baseline
例えば、監視部が、天頂衛星からの電波受信状態として受信信号のＳ／Ｎ比を監視し、Ｓ／Ｎ比が悪いときには、衛星選択部３ａにより次善の衛星に自動的に切替えるように制御する。このようにすることで、姿勢検出のアベイラビリティを向上できる。天頂衛星は、ほぼ真上にあるといっても、車輌等の移動体が移動するところには高架道、電力架線、歩道橋といった電波遮断要因が数多く存在する。これに対して、上述のような構成とすることで、上記のような環境下で姿勢検出ができなくなることを防ぐことができる。
For example, the monitoring unit monitors the S / N ratio of the received signal as a radio wave reception state from the zenith satellite, and when the S / N ratio is poor, the
また、アンテナ１における受信要素の配置、つまり既知の基線ベクトルのいずれかをアンテナ座標系の軸と一致させない場合、後述するような姿勢算出では、基線ベクトルと座標軸との間の固定的な角度オフセットが差し引かれ補正される。
Further, when the arrangement of the receiving elements in the
例えば、姿勢演算手段４が、アンテナ１を搭載した移動体の傾斜角度を±９０度未満の所定値以下に限定して算出するように構成する。これによって、アンテナ１を取り付けた移動体の姿勢を算出する計算量が少なくとも半減する効果がある。つまり、移動体は概ね水平な状態で挙動する性質に着目し、常態からの傾斜角が９０度以下の一定限度内に収まる制限を与える。このようにすることで、±９０未満の所定の値を超える姿勢角については計算を打ち切ることができ、計算完了周期を短縮することができる。これにより、過度応答性や実時間性のよい姿勢検出結果を得ることができる。
For example, the posture calculation means 4 is configured to calculate the tilt angle of the moving body on which the
また、姿勢演算手段４が、アンテナ１を搭載した移動体の前後方向について演算する最大傾斜角度を例えば±１０度から±５０度までのいずれかの値に限定し、左右方向について演算する最大傾斜角度は例えば±２０度から±５０度までのいずれかの値に限定した範囲について傾斜を算出するようにしてもよい。このようにすることで、アンテナ１を搭載した移動体の傾斜角度を算出する計算量をさらに減少させることができる。従って、計算完了周期をより短縮化することができるので、さらなる過度応答性や実時間性のよい姿勢検出を実行することができる。
Further, the maximum inclination angle calculated by the posture calculation means 4 in the left-right direction is limited to, for example, any value from ± 10 degrees to ± 50 degrees with respect to the maximum inclination angle calculated in the front-rear direction of the moving body on which the
実施の形態２．
図４は、この発明の実施の形態２による移動体姿勢検出装置の構成を示す図である。本実施の形態による移動体姿勢検出装置は、アンテナ１、衛星方向獲得手段２、基線ベクトル検出手段３、姿勢演算手段４、角速度検出手段５、ＩＮＳ姿勢演算手段６、速度検出手段７、位置演算手段８及び提示／制御手段９を含んで構成される。なお、図１と同一の符号を付した構成要素は同一若しくはこれに相当するものであり、これらについての重複する説明は省略する。
FIG. 4 is a diagram showing a configuration of a moving body posture detection apparatus according to
角速度検出手段５は、レートジャイロなどの角速度センサなどから構成され、移動体のヨー軸、ピッチ軸及びロール軸のうちの少なくとも１つの軸周りの角速度を検出する。ＩＮＳ姿勢演算手段６は、角速度検出手段５が検出した角速度と姿勢演算手段４が算出した移動体の絶対姿勢とを基にして当該移動体の姿勢を算出する。速度検出手段７は、速度センサなどにより構成され、移動体の移動速度を検出する。 The angular velocity detection means 5 includes an angular velocity sensor such as a rate gyro, and detects an angular velocity around at least one of the yaw axis, pitch axis, and roll axis of the moving body. The INS attitude calculation means 6 calculates the attitude of the moving object based on the angular velocity detected by the angular velocity detection means 5 and the absolute attitude of the moving object calculated by the attitude calculation means 4. The speed detection means 7 is composed of a speed sensor or the like, and detects the moving speed of the moving body.
位置演算手段８は、ＩＮＳ姿勢演算手段６が算出した姿勢情報と速度検出手段７が算出した移動体の速度とに基づいて移動体の位置を算出する。提示／制御手段９は、本実施の形態による移動体姿勢検出装置に搭載したＬＣＤなどの表示装置（不図示）を介して、ＩＮＳ姿勢演算手段６が算出した姿勢情報や位置演算手段８が算出した移動体の位置情報をユーザに提示する。 The position calculation means 8 calculates the position of the moving body based on the attitude information calculated by the INS attitude calculation means 6 and the speed of the moving body calculated by the speed detection means 7. The presentation / control means 9 is calculated by the attitude information calculated by the INS attitude calculation means 6 and the position calculation means 8 via a display device (not shown) such as an LCD mounted on the moving body attitude detection device according to the present embodiment. The position information of the moving body is presented to the user.
図５は、図４中のＩＮＳ姿勢演算手段の構成を示す図である。図に示すように、ＩＮＳ姿勢演算手段６は、ジャイロ１０からの角速度情報を入力するＡ／Ｄ変換器１１、固定オフセット補償部１２、演算器１３，１４，１７、積分器１５及び補償演算部１６を含んで構成される。ジャイロ１０は、図４中の角速度検出手段５を構成するレートジャイロであり、移動体の３軸のうちの少なくとも１つの軸周りの角速度を検出する。
FIG. 5 is a diagram showing the configuration of the INS attitude calculation means in FIG. As shown in the figure, the INS attitude calculation means 6 includes an A /
Ａ／Ｄ変換器１１は、ジャイロ１０からのアナログ信号の角速度情報を入力してディジタル信号に変換する。固定オフセット補償部１２は、移動体の３軸のうちの少なくとも１つの軸周りの角速度に関する所定のオフセット値が設定されており、演算器１３に上記角速度の検出値が入力されると当該所定のオフセット値を演算器１３に出力する。演算器１３，１４，１７は、入力したディジタル信号を適宜加減算する。積分器１５は、入力信号の積分値を算出する。補償演算部１６は、姿勢演算手段４からの姿勢情報と積分器からの出力情報との演算結果を入力してＩＮＳ姿勢の補償演算を実行する。
The A /
また、図４中に示した衛星方向獲得手段２、基線ベクトル検出手段３、姿勢演算手段４、ＩＮＳ姿勢演算手段６、位置演算手段８及び提示／制御手段９は、アンテナ１や外部との通信機能を備えたコンピュータ装置に対して、本発明に従う移動体姿勢検出プログラムを実行させることで具現化することができる。 Also, the satellite direction acquisition means 2, the baseline vector detection means 3, the attitude calculation means 4, the INS attitude calculation means 6, the position calculation means 8 and the presentation / control means 9 shown in FIG. This can be realized by causing a computer device having a function to execute a moving body posture detection program according to the present invention.
もう少し詳細に説明すると、衛星方向獲得手段２、基線ベクトル検出手段３、姿勢演算手段４、ＩＮＳ姿勢演算手段６、位置演算手段８及び提示／制御手段９の機能を有する各プログラムモジュールから構成される移動体姿勢検出プログラムを上記コンピュータ装置に読み込ませてその動作を制御することにより、上記コンピュータ装置上に図４に示す移動体姿勢検出装置を実現することができる。 Explaining in more detail, each program module has the functions of satellite direction acquisition means 2, baseline vector detection means 3, attitude calculation means 4, INS attitude calculation means 6, position calculation means 8 and presentation / control means 9. By loading the moving body posture detection program into the computer device and controlling its operation, the moving body posture detection device shown in FIG. 4 can be realized on the computer device.
なお、以下の説明において、本発明の移動体姿勢検出装置を具現化するコンピュータ自体の構成及びその基本的な機能については、当業者が当該分野の技術常識に基づいて容易に認識できるものであり、本発明の本質に直接関わるものでないので詳細な記載を省略する。 In the following description, the configuration of the computer itself that embodies the mobile body posture detection device of the present invention and the basic functions thereof can be easily recognized by those skilled in the art based on the common general technical knowledge in the field. The detailed description is omitted because it is not directly related to the essence of the present invention.
次に動作について説明する。
図６は、実施の形態２による移動体姿勢検出装置の動作を示すフローチャートであり、この図に沿って詳細な動作を説明する。
先ず、本実施の形態による移動体姿勢検出装置は、アンテナ１の受信要素を介して測位衛星からの到来電波の受信を開始する。受信要素により受信された測位衛星からの到来電波は、基線ベクトル検出手段３の基線ベクトル検出部３−１，３−２，・・・に入力されて、内部の位相検出部３−１−１，３−１−２，３−１−３，・・・により位相検出される。ここまでの処理がステップＳＴ１に相当する。
Next, the operation will be described.
FIG. 6 is a flowchart showing the operation of the moving body posture detection apparatus according to the second embodiment, and the detailed operation will be described with reference to this figure.
First, the mobile body attitude detection device according to the present embodiment starts receiving an incoming radio wave from a positioning satellite via the receiving element of the
衛星方向獲得手段２は、受信した到来電波を送信した測位衛星の方向に関する情報（衛星方向情報）と、移動体の位置に関する情報（概略の位置情報）とを取得する（ステップＳＴ２）。例えば、図７及び図８に示すようなフローチャートに従って衛星方向情報や概略位置情報を取得する。 The satellite direction acquisition means 2 acquires information on the direction of the positioning satellite that transmitted the received incoming radio wave (satellite direction information) and information on the position of the moving body (rough position information) (step ST2). For example, satellite direction information and approximate position information are acquired according to flowcharts as shown in FIGS.
図７を用いて、衛星方向情報の取得処理について説明する。
図７（ａ）に示す例における衛星方向獲得手段２は、外部装置との間で無線通信を実行するための無線通信部あるいは放送受信部を備えている。ステップＳＴ７ａ−１において、衛星方向獲得手段２は、アンテナ１の受信要素が到来電波を受信して位相検出部によりその位相が検出されると、当該受信電波に関して衛星方向情報を更新すべきか否かを判定する。
The satellite direction information acquisition process will be described with reference to FIG.
The satellite
このとき、衛星方向情報を更新すべきと判断すると、衛星方向獲得手段２は、無線通信部あるいは放送受信部によって外部装置から衛星方向情報を無線通信や放送で受信して以前の衛星方向情報を自動更新する（ステップＳＴ７ａ−２）。外部装置としては、例えば測位衛星からの航法電波を受信して測位情報を取得し、これを基に衛星位置及び移動体の概略の位置情報により求まる位置から衛星への衛星方向情報を求めて提供するセンタサーバなどが考えられる。
At this time, if it is determined that the satellite direction information should be updated, the satellite
また、放送としてセンタサーバから衛星方向情報を受信する場合、例えば放送受信部が測位衛星を経由して当該放送中の衛星方向情報を受信する場合もある。一方、衛星方向情報を更新しないと判定されると、衛星方向情報の更新可否の判定処理に戻る。 When receiving satellite direction information from the center server as a broadcast, for example, the broadcast receiving unit may receive the satellite direction information during the broadcast via a positioning satellite. On the other hand, if it is determined not to update the satellite direction information, the process returns to the determination process of whether or not the satellite direction information can be updated.
図７（ｂ）に示す例では、衛星方向獲得手段２が、図７（ａ）と同様に、外部装置との間で無線通信を実行するための無線通信部あるいは放送受信部を備えている。ステップＳＴ７ｂ−１において、衛星方向獲得手段２は、アンテナ１の受信要素が到来電波を受信してその位相が位相検出部に検出されると、当該受信電波に関して衛星方向情報を更新すべきか否かを判定する。
In the example shown in FIG. 7B, the satellite
このとき、衛星方向情報を更新すべきと判断すると、衛星方向獲得手段２は、無線通信部あるいは放送受信部によって外部装置から衛星位置に関する情報を受信する（ステップＳＴ７ｂ−２）。さらに、衛星方向獲得手段２は、上記無線通信部あるいは放送受信部によって外部装置から移動体の概略の位置情報を受信する（ステップＳＴ７ｂ−３）。また、衛星方向獲得手段２が、移動体の概略の位置として位置演算手段８が算出した移動体のＩＮＳ位置を入力してもよい。
At this time, if it is determined that the satellite direction information should be updated, the satellite
なお、外部装置としては、例えば測位衛星からの電波を受信して測位情報を取得し、これを基に衛星位置と、外部装置の無線通信部により特定される無線通信エリア内における移動体の概略の位置情報を求めて提供するセンタサーバなどが考えられる。一方、衛星方向情報を更新しないと判定されると、衛星方向情報の更新可否の判定処理に戻る。 As an external device, for example, a radio wave from a positioning satellite is received to obtain positioning information. Based on this, the position of the satellite and the outline of the mobile body in the wireless communication area specified by the wireless communication unit of the external device are obtained. For example, a center server that obtains and provides location information of the user can be considered. On the other hand, if it is determined not to update the satellite direction information, the process returns to the determination process of whether or not the satellite direction information can be updated.
また、図７（ｃ）に示す衛星方向獲得手段２は、測位衛星からの電波を受信して測位情報を取得するための無線通信部を備え、取得した測位情報を基に衛星位置とこれにより特定されるエリア内における移動体の実際位置を近似する概略の位置情報を求める。 Further, the satellite direction acquisition means 2 shown in FIG. 7C includes a wireless communication unit for receiving radio waves from the positioning satellites and acquiring the positioning information, and based on the acquired positioning information, the satellite position and Approximate position information that approximates the actual position of the moving object in the specified area is obtained.
先ず、衛星方向獲得手段２は、アンテナ１の受信要素が到来電波を受信してその位相が位相検出部に検出されると、上記と同様にして、当該受信電波に関して衛星方向情報を更新すべきか否かを判定する（ステップＳＴ７ｃ−１）。
First, when the receiving element of the
このとき、衛星方向情報を更新すべきと判断すると、衛星方向獲得手段２は、上記無線通信部によって例えば測位衛星からの航法メッセージを受信し、その軌道パラメータを抽出して当該衛星の位置を算出する（ステップＳＴ７ｃ−２）。一方、衛星方向情報を更新しないと判定されると、衛星方向情報の更新可否の判定処理に戻る。
At this time, if it is determined that the satellite direction information should be updated, the satellite
次に、衛星方向獲得手段２は、上記無線通信部によって測位衛星から電波を受信し、その到達時間を用いて衛星までの距離を算出し、当該距離と前述の衛星の位置とを用いて移動体の概略の位置情報を求める（ステップＳＴ７ｃ−３）。続いて、衛星方向獲得手段２は、測位衛星の位置情報と移動体の位置情報とを用いて、測位衛星への視線方向の方向余弦などの衛星方向情報を算出する（ステップＳＴ７ｃ−４）。 Next, the satellite direction acquisition means 2 receives the radio wave from the positioning satellite by the wireless communication unit, calculates the distance to the satellite using the arrival time, and moves using the distance and the position of the satellite described above. The approximate position information of the body is obtained (step ST7c-3). Subsequently, the satellite direction acquisition means 2 calculates satellite direction information such as a direction cosine of the line-of-sight direction to the positioning satellite using the positioning satellite position information and the moving body position information (step ST7c-4).
図７（ｄ）に示す例では、衛星方向獲得手段２が、図７（ａ）と同様に、外部装置との間で無線通信を実行するための無線通信部あるいは放送受信部を備えている。衛星方向獲得手段２は、アンテナ１の受信要素が到来電波を受信してその位相が位相検出部に検出されると、当該受信電波に関して衛星方向情報を更新すべきか否かを判定する（ステップＳＴ７ｄ−１）。
In the example illustrated in FIG. 7D, the satellite
このとき、衛星方向情報を更新すべきと判断すると、衛星方向獲得手段２は、上記無線通信部あるいは放送受信部によって外部装置から衛星位置情報を無線通信や放送で受信する（ステップＳＴ７ｄ−２）。一方、衛星方向情報を更新しないと判定されると、衛星方向情報の更新可否の判定処理に戻る。
At this time, if it is determined that the satellite direction information should be updated, the satellite
次に、衛星方向獲得手段２は、上記無線通信部あるいは放送受信部によって外部装置から移動体の概略の位置情報を受信する（ステップＳＴ７ｄ−３）。なお、外部装置としては、例えば測位衛星からの電波を受信して測位情報を取得し、これを基に衛星位置とこれにより特定されるエリア内における移動体の概略の位置情報を求めて提供するセンタサーバなどが考えられる。
Next, the satellite
このあと、衛星方向獲得手段２は、取得した測位衛星からの測位情報と移動体の位置情報とを用いて、測位衛星への視線方向の方向余弦などの衛星方向情報を算出する（ステップＳＴ７ｄ−４）。 Thereafter, the satellite direction acquisition means 2 calculates satellite direction information such as the direction cosine of the line-of-sight direction to the positioning satellite using the acquired positioning information from the positioning satellite and the position information of the moving body (step ST7d- 4).
図８を用いて、移動体の概略の位置情報を取得する処理について説明する。
図８（ａ）に示す例では、衛星方向獲得手段２が、無線通信部として既存のセルラ電話機を有している。先ず、衛星方向獲得手段２は、アンテナ１の受信要素によって到来電波が受信され位相検出部によりその位相が検出されると、移動体の現在の位置情報を更新すべきか否かを判定する（ステップＳＴ８ａ−１）。
With reference to FIG. 8, a process for acquiring the approximate position information of the moving object will be described.
In the example shown in FIG. 8A, the satellite direction acquisition means 2 has an existing cellular telephone as a wireless communication unit. First, when the incoming radio wave is received by the receiving element of the
このとき、位置情報を更新すべきと判断すると、衛星方向獲得手段２は、無線通信部であるセルラ電話機を介して基地局センタから当該基地局センタが管理する無線通信エリア内の位置情報、例えば当該無線通信を中継する基地局アンテナ位置を移動体の概略位置情報として取得して以前の位置情報を更新する（ステップＳＴ８ａ−２）。一方、位置情報を更新しないと判定されると、再び位置情報の更新可否の判定処理に戻る。 At this time, if it is determined that the position information should be updated, the satellite direction acquisition means 2 receives the position information in the wireless communication area managed by the base station center from the base station center via the cellular telephone which is a wireless communication unit, for example, The base station antenna position for relaying the wireless communication is acquired as the approximate position information of the moving body, and the previous position information is updated (step ST8a-2). On the other hand, when it is determined not to update the position information, the process returns to the determination process of whether or not the position information can be updated.
図８（ｂ）の例では、衛星方向獲得手段２が、測位衛星高度に対する位置誤差が許容範囲内となる移動体の位置に関する情報として、地図データ中の代表的な地点に関する位置情報をメモリ内に予め格納しておき、姿勢検出処理にあたり当該メモリから前記位置情報を移動体の概略位置情報として読み出す（ステップＳＴ８ｂ−１）。
In the example of FIG. 8B, the satellite
また、図８（ｃ）に示す例では、衛星方向獲得手段２が、無線通信部あるいは放送受信部を備えている。衛星方向獲得手段２は、アンテナ１の受信要素によって到来電波が受信され位相検出部によりその位相が検出されると、移動体の現在の位置情報を更新すべきか否かを判定する（ステップＳＴ８ｃ−１）。
In the example shown in FIG. 8C, the satellite
このとき、位置情報を更新すべきと判断すると、衛星方向獲得手段２は、無線通信部あるいは放送受信部によって外部装置から移動体の位置情報を無線通信や放送で受信して以前の位置情報を更新する（ステップＳＴ８ｃ−２）。外部装置としては、例えば測位衛星からの電波を受信して測位情報を取得し、これを基に衛星位置、移動体の位置情報及び当該移動体から衛星への視線方向を規定する衛星方向情報を求めて提供するセンタサーバなどが考えられる。
At this time, if it is determined that the position information should be updated, the satellite
また、衛星方向獲得手段２が、位置演算手段８が算出した移動体のＩＮＳ位置を入力して以前の位置情報を更新するようにしてもよい。
なお、衛星方向獲得手段２による処理については、後述する実施の形態にて構成を明示しつつ詳細に説明する。
Alternatively, the satellite
Note that the processing by the satellite
ここで、図６に示すフローチャートの説明に戻る。
基線ベクトル検出手段３は、上述のようにして衛星方向獲得手段２によって測位衛星の位置情報や移動体の位置情報が取得されると、本実施の形態による移動体姿勢検出装置がコールドスタートしたのか、ホットスタートしたのかを判定する（ステップＳＴ３）。ここで、コールドスタートとは、本発明の移動体姿勢検出装置を実現するコンピュータの電源が完全に切れている状態から起動することを示している。
Now, the description returns to the flowchart shown in FIG.
When the position information of the positioning satellite and the position information of the moving body are acquired by the satellite direction acquiring means 2 as described above, the baseline
また、ホットスタートとは、ソフトウェアリセットによってハードウェアチェックの一部を省略して高速に再起動することを示している。ホットスタートでは、ソフトウェアリセットによって本発明による移動体姿勢検出装置がホールトを経由して停止した際の移動体の停止姿勢が内部メモリに保持される。 The hot start indicates that a part of the hardware check is omitted by a software reset and the restart is performed at high speed. In the hot start, the stopping posture of the moving body when the moving body posture detecting device according to the present invention is stopped via the halt by software reset is held in the internal memory.
ステップＳＴ３においてコールドスタートであるならば、基線ベクトル検出手段３は、装置内に設けた計時カウンタ（不図示）の時刻Ｔを０に設定する（ステップＳＴ４）。この場合、ステップＳＴ５におけるＧＰＳ姿勢の算出処理に移行する。ステップＳＴ５におけるＧＰＳ姿勢の算出処理は、上記実施の形態１で示した基線ベクトル検出手段３及び姿勢演算手段４によるローカル座標系における移動体のＧＰＳ姿勢（絶対方位など）を求める処理である。
If it is a cold start in step ST3, the baseline
図９は、ＧＰＳ姿勢の算出処理を示すフローチャートであり、３つの測位衛星からの到来電波を２つの受信要素で受信した場合の処理を示している。この図に沿って、ステップＳＴ５におけるＧＰＳ姿勢の算出処理を詳細に説明する。
先ず、コールドスタートであると判断され、基線ベクトル検出手段３により計時カウンタの時刻Ｔが０に設定されると、基線ベクトル検出部内の衛星選択部３ａが、ローカル座標系における移動体の絶対姿勢の算出に利用するＧＰＳ測位衛星を選択する（ステップＳＴ９−１）。ここでは、３つの衛星が選択される。
FIG. 9 is a flowchart showing a GPS attitude calculation process, and shows a process in a case where incoming radio waves from three positioning satellites are received by two receiving elements. The GPS attitude calculation process in step ST5 will be described in detail with reference to FIG.
First, when it is determined that the start is a cold start and the time T of the time counter is set to 0 by the baseline vector detection means 3, the
図１０は、ＧＰＳ測位衛星の選択処理を示すフローチャートであり、この図に沿って図９中のステップＳＴ９−１の処理を説明する。
衛星選択部３ａは、アンテナ１の受信要素が受信した受信電波に関する情報や衛星方向獲得手段２が取得した衛星方向情報などに基づいて、現在アンテナ１の受信要素が衛星電波を受信中の衛星数が２個未満であるか否かを判定する（ステップＳＴ１０−１）。このとき、２個未満と判定されれば、衛星選択部３ａは、正確な姿勢検出が不可能であると判断して基線ベクトル演算部３ｂに基線ベクトルの算出を実行させない（ステップＳＴ１０−２）。
FIG. 10 is a flowchart showing a GPS positioning satellite selection process, and the process of step ST9-1 in FIG. 9 will be described with reference to this figure.
The
一方、衛星電波を受信中の衛星数が２個以上であれば、衛星選択部３ａは、当該衛星数が２個であるか否かを判定する（ステップＳＴ１０−３）。このとき、衛星数が２個と判定すると、衛星選択部３ａは、衛星電波を受信中の衛星のうち仰角が大きい方を第１の測位衛星とし（ステップＳＴ１０−４）、仰角が小さい方を第２の測位衛星とする（ステップＳＴ１０−５）。このあと、図９中のステップＳＴ９−２の処理へ移行する。
On the other hand, if the number of satellites receiving satellite radio waves is two or more, the
また、衛星数が２個を超える場合、衛星選択部３ａは、衛星電波を受信中の衛星のうち仰角が最大のものを第１の測位衛星とする（ステップＳＴ１０−６）。このあと、衛星選択部３ａは、残った受信中の衛星のうち、衛星方向獲得手段２からの移動***置情報に基づいて特定した移動***置への電波到来方向が、ステップＳＴ１０−６で決定した第１の測位衛星からの電波到来方向に９０度離隔するものに最も近い衛星を第２の測位衛星とする。そして、同様に、第１〜第（ｉ−１）の測位衛星からの電波到来方向に９０度離隔するものに最も近い順から第ｉの測位衛星を決定する。ここまでが、ステップＳＴ１０−７の処理に相当する。
If the number of satellites exceeds 2, the
上述した処理は、例えば受信要素が２つで姿勢検出に利用可能な衛星数が２個である場合、各衛星から到来する電波の方向が直交するときに最も姿勢角の角度誤差が最小になると解釈されることを前提としている。具体的に説明すると、図１１に示すように、一定の角度誤差±ε（ラジアン）を与えた場合の位置（基線ベクトル）検出の最大位置誤差は、電波到来方向の交差角αを９０度にすると最小値（±２1/2・ε）になる。 In the above-described processing, for example, when there are two receiving elements and the number of satellites that can be used for attitude detection is two, the angle error of the attitude angle is minimized when the directions of radio waves coming from the satellites are orthogonal. It is assumed that it will be interpreted. More specifically, as shown in FIG. 11, the maximum position error of position (baseline vector) detection when a given angle error ± ε (radian) is given is that the crossing angle α of the radio wave arrival direction is 90 degrees. Then, it becomes the minimum value (± 2 1/2 · ε).
また、測位衛星からの到来電波は、仰角が小さいほどイオン層などで屈折等の影響を受けて歪やすい。そこで、仰角が最も大きい順に姿勢検出に利用する衛星とする。反対に、例えば仰角が１５度未満の衛星については移動体の姿勢検出に利用しないようにする。なお、仰角と共に増加する任意の重み関数を定義して測位衛星の選択処理の判断材料の１つにしてもよい。 Further, the incoming radio wave from the positioning satellite is more likely to be distorted due to the influence of refraction in the ion layer or the like as the elevation angle is smaller. Therefore, the satellites are used for posture detection in descending order of elevation angle. On the other hand, for example, a satellite having an elevation angle of less than 15 degrees is not used for detecting the posture of the moving object. Note that an arbitrary weighting function that increases with the elevation angle may be defined to be one of the determination materials for the positioning satellite selection process.
ステップＳＴ１０−７で第２〜第ｉの測位衛星を決定すると、衛星選択部３ａは、衛星電波を受信中の衛星数が４個以上であるか否かを判定する（ステップＳＴ１０−８）。このとき、衛星電波を受信中の衛星数が３個以上４個未満であれば、図９中のステップＳＴ９−２の処理へ移行する。一方、衛星電波を受信中の衛星数が４個以上であれば、衛星選択部３ａは、測位モードをＦＩＸとする。
When the second to i-th positioning satellites are determined in step ST10-7, the
ここで、ＦＩＸモードとは、後の処理で、基線ベクトル演算部３ｂが、衛星電波を受信中の受信要素の可能な組み合わせを全て求め、これらの全ての基線ベクトル候補を算出させ、ロバスト二乗誤差最小のルールなどにより最適と思われる基線ベクトルを選択し決定する処理モードである。
Here, the FIX mode means that in a later process, the baseline
図９に示すフローチャートの説明に戻る。
ステップＳＴ９−１で姿勢検出に利用する測位衛星が選択されると、基線ベクトル演算部３ｂは、基線ベクトル（基準となる第１アンテナから第２アンテナへ向かう基線ベクトル）の長さＬの誤差許容値δを初期設定する（ステップＳＴ９−２）。初期設定としては、例えば許容値δを受信電波の１波長λの１／１００程度の値に設定する。
Returning to the description of the flowchart shown in FIG.
When a positioning satellite to be used for attitude detection is selected in step ST9-1, the base line
次に、基線ベクトル演算部３ｂは、基線ベクトル算出処理で求めた基線ベクトル候補や位相差の整数アンビギュイティＮの値などを一時記憶するメモリの内容をクリアし、波数整数アンビギュイティＮの値を初期値に設定して初期化処理を実行する（ステップＳＴ９−３）。ここで、衛星選択部３ａが選択した全ての測位衛星に対応する整数アンビギュイティＮｉを初期化する。なお、添え字ｉは観測対象の電波を送信した測位衛星を特定する番号であり、１から衛星選択部３ａにより選択された測位衛星数ｎまでの自然数をとる。Ｎｉは、ｉ番目の測位衛星に対応する整数アンビギュイティである。
Next, the baseline
続いて、基線ベクトル演算部３ｂは、第１〜第ｉの測位衛星に対応する整数アンビギュイティＮ１〜Ｎｉについて、各アンビギュイティＮが取り得る所定範囲（例えば、−ｍ〜ｍ）の値を順に設定する（ステップＳＴ９−４）。但し、ｍはアンテナ１内の受信要素の設置間隔Ｌを第１〜第ｉの測位衛星からの搬送波の波長λで除算した値の整数部である。
Subsequently, the baseline
基線ベクトル演算部３ｂは、ステップＳＴ９−４で整数アンビギュイティＮｉの値が設定される度に、そのアンビギュイティＮｉを用いて基線ベクトル候補を算出する（ステップＳＴ９−５）。例えば、上記実施の形態１で示した、３つの測位衛星からの到来電波を２つの受信要素で受信した場合における基線ベクトルの推定原理に従って処理する。
Each time the integer ambiguity Ni value is set in step ST9-4, the baseline
つまり、基線ベクトルＲの先端座標位置である座標値（ｘ，ｙ，ｚ）が、図２中の平面１、平面２及び平面３のいずれの平面にも含まれることを利用して、上記式（１）〜（４）に従い、位相差観測ベクトルＤ１，Ｄ２，Ｄ３から平面１，平面２，平面３を求める。これにより求めた平面１，平面２，平面３の各交点にベクトル先端を有する基線ベクトルＲを移動体の姿勢検出に利用するベクトル候補とする。
That is, using the fact that the coordinate value (x, y, z), which is the tip coordinate position of the baseline vector R, is included in any of the
なお、位相差観測ベクトルＤ１，Ｄ２，Ｄ３の算出には、衛星方向獲得手段２から取得した第１〜第３の測位衛星への視線方向の各方向余弦（ｈｘ１，ｈｙ１，ｈｚ１）、（ｈｘ２，ｈｙ２，ｈｚ２）、（ｈｘ３，ｈｙ３，ｈｚ３）を用い、上記式（５）〜（７）に従って算出される。このとき、基線ベクトル演算部３ｂは、第１〜第３の測位衛星からの到来電波の各受信要素についての位相差の観測量ｄｄ１〜ｄｄ３に整数アンビギュイティＮ（−ｍ〜＋ｍ、ｍ＝ｍｏｄ（Ｌ／λ））をそれぞれ加えて、各受信要素における受信電波の位相差ｄ１，ｄ２，ｄ３を生成する。
The phase difference observation vectors D1, D2, and D3 are calculated by calculating the direction cosines (hx1, hy1, hz1), (hx2) of the line-of-sight directions to the first to third positioning satellites acquired from the satellite
上述のようにして、基線ベクトル候補を算出すると、基線ベクトル演算部３ｂは、当該ベクトル候補の長さの絶対値の自乗値（｜Ｒ｜）2が（Ｌ±δ）2の範囲内にあるか否かを判定する（ステップＳＴ９−６）。このとき、上記範囲になければ、基線ベクトル演算部３ｂは、当該基線ベクトル候補を破棄してステップＳＴ９−８の処理に移行する。
When the baseline vector candidate is calculated as described above, the baseline
一方、上記範囲内にあれば、基線ベクトル演算部３ｂは、その基線ベクトル候補及びこれの算出に用いた整数アンビギュイティＮを対にした情報をメモリに一時記憶する（ステップＳＴ９−７）。基線ベクトル候補及びこれの算出に用いた整数アンビギュイティＮを対にした情報とは、例えばこの基線ベクトル候補の算出に用いた観測量（ｄｄｉ＋Ｎｉ）や（λ＋ｗｉ）と、（Ｌ±δ）2の範囲内に入っていたことを示すフラグとを対にした情報である。なお、ｄｄｉはｉ番目の測位衛星からの搬送波についての位相差の観測量である。
On the other hand, if it is within the above range, the baseline
ステップＳＴ９−８にて、基線ベクトル演算部３ｂは、第１〜第ｉの測位衛星に対応する整数アンビギュイティＮ１〜Ｎｉについて、各アンビギュイティＮが取り得る所定範囲の値を設定した全ての走査が終了したか否かを判定する。このとき、全てのアンビギュイティＮについての走査が終了していなければ、基線ベクトル演算部３ｂは、ステップＳＴ９−４の処理に移行して、各アンビギュイティＮが取り得る所定範囲内の値のうち、基線ベクトル候補の算出を行っていないものをそれぞれ設定して、ステップＳＴ９−５からステップＳＴ９−８までの処理を繰り返す。
In step ST9-8, the baseline
一方、全てのアンビギュイティＮについての走査が終了していれば、基線ベクトル演算部３ｂは、ステップＳＴ９−９の処理に移行する。ステップＳＴ９−９において、基線ベクトル演算部３ｂは、メモリに設定されたフラグの総数をカウントすることで、メモリ中に一時記憶させた基線ベクトル候補の総数が１つであるか否かを判定する。ここで、基線ベクトル候補の総数が１ではない場合、基線ベクトル演算部３ｂは、ステップＳＴ９−１０の処理に移行する。
On the other hand, if the scan for all ambiguities N has been completed, the baseline
ステップＳＴ９−１０において、基線ベクトル演算部３ｂは、基線ベクトル候補の総数が０であれば、基線ベクトルの長さの誤差許容値δを前回のδ値よりも所定の変更分だけ大きい値に変更した後、ステップＳＴ９−３の処理に戻り、変更後のδを用いて前記ステップＳＴ９−３からステップＳＴ９−８までの処理を繰り返す。
In step ST9-10, if the total number of baseline vector candidates is 0, the baseline
また、ステップＳＴ９−１０において、基線ベクトル演算部３ｂは、基線ベクトル候補の総数が２以上であれば、基線ベクトルの長さの誤差許容値δを前回のδ値よりも所定の変更分だけ小さい値に変更した後、ステップＳＴ９−３の処理に戻り、変更後のδを用いて前記ステップＳＴ９−３からステップＳＴ９−８までの処理を繰り返す。
In step ST9-10, if the total number of baseline vector candidates is 2 or more, the baseline
このようにして、基線ベクトル演算部３ｂは、メモリに一時記憶した基線ベクトル候補の総数が１つとなるまで上述した処理を繰り返す。
In this way, the baseline
ステップＳＴ９−９において、基線ベクトル演算部３ｂがメモリに一時記憶した基線ベクトル候補の総数が１つであると判断すると、姿勢演算手段４は、上述のようにして唯一推定された基線ベクトルに関するデータをメモリから読み出して、当該基線ベクトルの、基準（真北）ベクトルからの回転角（ヨー角あるいは方位角と呼ぶ）と、当該基線ベクトルの、水平からの前後方向傾斜角（ピッチ角）とを算出する（ステップＳＴ９−１１）。
In step ST9-9, when it is determined that the total number of baseline vector candidates temporarily stored in the memory by the baseline
なお、ここまでの基線ベクトル推定に関する計算処理を、全てＥＣＥＦ（地球中心地球固定）座標系で行っていたのであれば、姿勢演算手段４が、上記基線ベクトルで姿勢を求める際、ＥＣＥＦ座標系から表す際に分かりやすいＥＮＵ（East, North, Up）座標系へ姿勢を変換するように構成してもよい。続いて、姿勢演算手段４は、ステップＳＴ９−１１で求めた姿勢角（ヨー角、ピッチ角、ロール角など）を、例えばカルマンフィルタで平滑化する（ステップＳＴ９−１２）。 If the calculation processing related to the base line vector estimation so far has been performed entirely in the ECEF (Earth Center Earth Fixed) coordinate system, when the attitude calculation means 4 obtains the attitude using the baseline vector, the ECEF coordinate system is used. You may comprise so that an attitude | position may be converted into an easy-to-understand ENU (East, North, Up) coordinate system when expressing. Subsequently, the posture calculation means 4 smoothes the posture angle (yaw angle, pitch angle, roll angle, etc.) obtained in step ST9-11, for example, with a Kalman filter (step ST9-12).
図１２は、２つの測位衛星からの到来電波を３つの受信要素で受信した場合におけるＧＰＳ姿勢の算出処理を示すフローチャートであり、この図に沿って図６中のステップＳＴ５における処理を詳細に説明する。
先ず、コールドスタートであると判断され、基線ベクトル検出手段３により計時カウンタの時刻Ｔが０に設定されると、基線ベクトル検出部内の衛星選択部３ａが、ローカル座標系における移動体の絶対姿勢の算出に利用するＧＰＳ測位衛星を、上述した図１０に示すフローに従って選択する（ステップＳＴ１２−１）。ここでは、２つの衛星が選択される。
FIG. 12 is a flowchart showing a GPS attitude calculation process in a case where incoming radio waves from two positioning satellites are received by three receiving elements, and the process in step ST5 in FIG. 6 will be described in detail along this figure. To do.
First, when it is determined that the start is a cold start and the time T of the time counter is set to 0 by the baseline vector detection means 3, the
ステップＳＴ１２−１で姿勢検出に利用する測位衛星が選択されると、基線ベクトル演算部３ｂは、角度誤差の許容値γを初期化する（ステップＳＴ１２−２）。初期設定としては、例えば許容値γを１＊π／１８０（ｒａｄ）程度の値に設定する。
When a positioning satellite to be used for attitude detection is selected in step ST12-1, the baseline
次に、基線ベクトル演算部３ｂは、基線ベクトル算出処理で求めた基線ベクトル候補や位相差の整数アンビギュイティＮの値などを一時記憶するメモリの内容をクリアし、波数整数アンビギュイティＮの値を初期値に設定して初期化処理を実行する（ステップＳＴ１２−３）。ここで、衛星選択部３ａが選択した全ての測位衛星に対応する整数アンビギュイティＮｉを初期化する。なお、添え字ｉは、観測対象の電波を送信した測位衛星を特定する番号であり、１から衛星選択部３ａにより選択された測位衛星数ｎまでの自然数をとる。Ｎｉは、ｉ番目の測位衛星に対応する整数アンビギュイティである。
Next, the baseline
続いて、基線ベクトル演算部３ｂは、第１〜第ｉの測位衛星に対応する整数アンビギュイティＮ１〜Ｎｉについて、各アンビギュイティＮが取り得る所定範囲（例えば、−ｍ〜ｍ）の値を順に設定する（ステップＳＴ１２−４）。但し、ｍは、アンテナ１内の受信要素の設置間隔Ｌを第１〜第ｉの測位衛星からの搬送波の波長λで除算した値の整数部である。
Subsequently, the baseline
基線ベクトル演算部３ｂは、ステップＳＴ１２−４で整数アンビギュイティＮｉの値が設定される度に、そのアンビギュイティＮｉを用いて基線ベクトル候補を算出する（ステップＳＴ１２−５）。例えば、上記実施の形態１で示した２つの測位衛星からの到来電波を３つの受信要素で受信した場合における基線ベクトルの推定原理に従って処理する。
Whenever the value of the integer ambiguity Ni is set in step ST12-4, the baseline
つまり、基線ベクトル演算部３ｂが、基準となる第１アンテナと他の第２アンテナ及び第３アンテナとのそれぞれの組み合わせから位相差観測ベクトルを求め、これら各位相差観測ベクトルの座標を含み、基線ベクトル方向と直交する平面と基線ベクトルの長さを半径とし第１アンテナ位置を中心とする球面とのいずれにも基線ベクトル座標が含まれることを利用して、これらの交点にベクトル先端を有するベクトル対を基線ベクトル候補対として抽出する。
That is, the baseline
続いて、基線ベクトル演算部３ｂは、基線ベクトル候補対を構成する各ベクトル間の角度αが、基準の第１アンテナと他の第２、第３アンテナをそれぞれ結ぶ基線ベクトル間の角度Φとして許容される値の範囲に最も近い方を、移動体の姿勢や位置の測定に用いる基線ベクトル候補対として推定する。
Subsequently, the baseline
上述のようにして、基線ベクトル候補対を算出すると、基線ベクトル演算部３ｂは、当該ベクトル候補を構成する各ベクトル間の角度αが、（Φ±γ）の範囲内にあるか否かを判定する（ステップＳＴ１２−６）。このとき、上記範囲になければ、基線ベクトル演算部３ｂは、当該基線ベクトル候補を破棄してステップＳＴ１２−８の処理に移行する。
When the baseline vector candidate pair is calculated as described above, the baseline
一方、上記範囲内にあれば、基線ベクトル演算部３ｂは、その基線ベクトル候補対及びこれの算出に用いた整数アンビギュイティＮを対にした情報をメモリに一時記憶する（ステップＳＴ１２−７）。基線ベクトル候補及びこれの算出に用いた整数アンビギュイティＮを対にした情報とは、例えばこの基線ベクトル候補対の算出に用いた観測量（ｄｉ１＋Ｎｉ）及び（λ＋ｗｉ）、（ｄｉ２＋Ｎｉ）及び（λ＋ｗｉ）と、（Φ±γ）の範囲内に入っていたことを示すフラグとをそれぞれ対にした情報である。なお、ｄｉ１は第１アンテナと第２アンテナにおけるｉ番目の測位衛星からの搬送波についての位相差の観測量であり、ｄｉ２は第１アンテナと第３アンテナにおけるｉ番目の測位衛星からの搬送波についての位相差の観測量である。
On the other hand, if it is within the above range, the baseline
ステップＳＴ１２−８にて、基線ベクトル演算部３ｂは、第１〜第ｉの測位衛星に対応する整数アンビギュイティＮ１〜Ｎｉについて、各アンビギュイティＮが取り得る所定範囲の値を設定した全ての走査が終了したか否かを判定する。このとき、全てのアンビギュイティＮについての走査が終了していなければ、基線ベクトル演算部３ｂは、ステップＳＴ１２−４の処理に移行して、各アンビギュイティＮが取り得る所定範囲内の値のうち、基線ベクトル候補対の算出を行っていないものをそれぞれ設定して、ステップＳＴ１２−５からステップＳＴ１２−８までの処理を繰り返す。
In step ST12-8, the base line
一方、全てのアンビギュイティＮについての走査が終了していれば、基線ベクトル演算部３ｂは、ステップＳＴ１２−９の処理に移行する。ステップＳＴ１２−９では、基線ベクトル演算部３ｂが、メモリに設定されたフラグの総数をカウントすることで、メモリ中に一時記憶させた基線ベクトル候補対の総数が１つであるか否かを判定する。ここで、基線ベクトル候補対の総数が１ではない場合、基線ベクトル演算部３ｂは、ステップＳＴ１２−１０の処理に移行する。
On the other hand, if the scan for all ambiguities N has been completed, the baseline
ステップＳＴ１２−１０において、基線ベクトル演算部３ｂは、基線ベクトル候補対の総数が０であれば、角度誤差の許容値γを前回値よりも所定の変更分だけ大きい値に変更した後、ステップＳＴ１２−３の処理に戻り、変更後のγを用いて前記ステップＳＴ１２−３からステップＳＴ１２−８までの処理を繰り返す。
In step ST12-10, if the total number of baseline vector candidate pairs is 0, the baseline
また、ステップＳＴ１２−１０において、基線ベクトル演算部３ｂは、基線ベクトル候補対の総数が２以上であれば、角度誤差の許容値γを前回値よりも所定の変更分だけ小さい値に変更した後、ステップＳＴ１２−３の処理に戻り、変更後のγを用いて前記ステップＳＴ１２−３からステップＳＴ１２−８までの処理を繰り返す。
In step ST12-10, if the total number of baseline vector candidate pairs is 2 or more, the baseline
このようにして、基線ベクトル演算部３ｂは、メモリに一時記憶した基線ベクトル候補対の総数が１つとなるまで上述した処理を繰り返す。
In this way, the baseline
ステップＳＴ１２−９において、基線ベクトル演算部３ｂがメモリに一時記憶した基線ベクトル候補対の総数が１つであると判断すると、姿勢演算手段４は、上述のようにして唯一推定された基線ベクトル候補対に関するデータをメモリから読み出して、当該基線ベクトル候補対のうちのヨー角、ピッチ角に対応する基線ベクトルを基に、基準（真北）ベクトルからの回転角（ヨー角あるいは方位角と呼ぶ）と、基線ベクトルの、水平からの前後方向傾斜角（ピッチ角）を算出し、当該基線ベクトル候補対のうち、他方のロール角に対応する基線ベクトルを基に水平からの左右方向回転角（ロール角）を算出する（ステップＳＴ１２−１１）。
In step ST12-9, when it is determined that the total number of baseline vector candidate pairs temporarily stored in the memory by the baseline
なお、ここまでの基線ベクトル推定に関する計算処理を、全てＥＣＥＦ（地球中心地球固定）座標系で行っていたのであれば、姿勢演算手段４が、上記基線ベクトルで姿勢を求める際、ＥＣＥＦ座標系から表す際に分かりやすいＥＮＵ（East, North, Up）座標系へ姿勢を変換するように構成してもよい。 If the calculation processing related to the base line vector estimation so far has been performed entirely in the ECEF (Earth Center Earth Fixed) coordinate system, when the attitude calculation means 4 obtains the attitude using the baseline vector, the ECEF coordinate system is used. You may comprise so that an attitude | position may be converted into an easy-to-understand ENU (East, North, Up) coordinate system when expressing.
続いて、姿勢演算手段４は、ステップＳＴ１２−１１で求めた姿勢角（ヨー角、ピッチ角、ロール角など）を、例えばカルマンフィルタで平滑化する（ステップＳＴ１２−１２）。 Subsequently, the posture calculation means 4 smoothes the posture angle (yaw angle, pitch angle, roll angle, etc.) obtained in step ST12-11 with, for example, a Kalman filter (step ST12-12).
上述のようにして、ステップＳＴ５におけるＧＰＳ姿勢の算出処理が完了すると、姿勢演算手段４は、ＧＰＳ姿勢の算出処理にて求めた移動体のＧＰＳ姿勢を、ＩＮＳ姿勢演算手段６が算出する移動体のＩＮＳ姿勢の初期値として設定する（ステップＳＴ６）。さらに、位置演算手段８は、後述するようにして求めた移動体のＩＮＳ位置を概略位置として設定する（ステップＳＴ７）。
As described above, when the GPS attitude calculation process in step ST5 is completed, the
一方、ステップＳＴ３でホットスタートと判断された場合も、基線ベクトル検出手段３は、上記計時カウンタの時間Ｔを０に設定する（ステップＳＴ８）。このあと、基線ベクトル検出手段３は、前回にホールトを経由してストップした際に内部メモリに保持された移動体の姿勢情報（移動体の停止姿勢）を、ＩＮＳ姿勢演算手段６が算出する移動体のＩＮＳ姿勢の初期値として設定する（ステップＳＴ９）。さらに、基線ベクトル検出手段３は、前回にホールトを経由してストップした際に内部メモリに保持された移動体の位置情報（移動体の停止位置）を、位置演算手段８が算出する移動体のＩＮＳ位置の概略値として設定する（ステップＳＴ１０）。
On the other hand, even when it is determined that the hot start is made in step ST3, the baseline
ステップＳＴ７やステップＳＴ１０で、移動体のＩＮＳ位置の概略値が設定されると、ＩＮＳ姿勢演算手段６は、図中に破線で囲ったＩＮＳ姿勢演算処理を実行し、位置演算手段８はＩＮＳ位置演算処理を実行する。 When the approximate value of the INS position of the moving body is set in step ST7 or step ST10, the INS attitude calculation means 6 executes the INS attitude calculation process surrounded by the broken line in the figure, and the position calculation means 8 determines the INS position. Perform arithmetic processing.
先ず、ＩＮＳ姿勢演算手段６には、移動体のＩＮＳ姿勢及びＩＮＳ位置の初期値として設定された値の有効性を判断するための時刻の閾値Ｔ１が予め設定されており、ＩＮＳ姿勢演算処理及びＩＮＳ位置演算処理を実行するにあたり、計時カウンタの現時刻がＴ１を経過しているか否かを判定する（ステップＳＴ１６）。ここで、計時カウンタの現時刻がＴ１を経過している場合、ＩＮＳ姿勢演算手段６は、ステップＳＴ１７の処理に移行して計時カウンタの時刻を０に初期化する。 First, the INS attitude calculation means 6 is preset with a time threshold value T1 for determining the validity of the values set as the initial values of the INS attitude and INS position of the moving object. In executing the INS position calculation process, it is determined whether or not the current time of the time counter has passed T1 (step ST16). Here, when the current time of the time counter has passed T1, the INS attitude calculation means 6 proceeds to the processing of step ST17 and initializes the time of the time counter to 0.
これにより、姿勢演算手段４は、ステップＳＴ１８からステップＳＴ２１までのＩＮＳ姿勢演算及びＩＮＳ位置演算を開始する。先ず、ステップＳＴ１８におけるＧＰＳ姿勢の算出処理は、上述したステップＳＴ５における処理と同様である。 Thereby, the posture calculation means 4 starts the INS posture calculation and the INS position calculation from step ST18 to step ST21. First, the GPS attitude calculation process in step ST18 is the same as the process in step ST5 described above.
ステップＳＴ１９において、ＩＮＳ姿勢演算手段６は、ステップＳＴ１８で姿勢演算手段４が求めたＧＰＳ姿勢を姿勢１として設定し、ステップＳＴ６やステップＳＴ９で設定されたＩＮＳ姿勢の初期値や、角速度検出手段５により検出された３軸のうちの少なくとも１軸の軸周りの角速度を基に算出したＩＮＳ姿勢をＩＮＳ姿勢１として設定する。
図５の例で説明すると、ＩＮＳ姿勢演算手段６には、姿勢演算手段４が求めたＧＰＳ姿勢がＩＮＳ姿勢として入力され、ステップＳＴ６やステップＳＴ９で設定されたＩＮＳ姿勢あるいは角速度検出手段５の具体例であるジャイロ１０が検出した角速度を基に算出したＩＮＳ姿勢がＩＮＳ姿勢１とされる。
In step ST19, the INS attitude calculation means 6 sets the GPS attitude obtained by the attitude calculation means 4 in step ST18 as the
In the example of FIG. 5, the GPS attitude obtained by the attitude calculation means 4 is input to the INS attitude calculation means 6 as the INS attitude, and the INS attitude or angular velocity detection means 5 set in step ST6 or step ST9 is concretely described. The INS posture calculated based on the angular velocity detected by the
続いて、ＩＮＳ姿勢演算手段６は、ステップＳＴ１９で設定された今回の姿勢（姿勢１）とメモリに前回記憶しておいた移動体の姿勢である姿勢２との差と、今回のＩＮＳ姿勢（ＩＮＳ姿勢１）と前回に記憶しておいたＩＮＳ姿勢２との差との差であるΔ姿勢を算出する。Δ姿勢は今回と前回の姿勢におけるオフセットのドリフト量であるオフセット補正量Δｏｆｆｓｅｔの計時カウンタ時刻Ｔ＝０からＴ１までの積分値に相当し、Δｏｆｆｓｅｔ・Ｔ１で表される。そこで、ＩＮＳ姿勢演算手段６は、上記関係を利用して下記式（４２）に従ってΔ姿勢／Ｔ１によりオフセット補正量Δｏｆｆｓｅｔを算出する。
Δ姿勢＝（姿勢１−姿勢２）−（ＩＮＳ姿勢１−ＩＮＳ姿勢２）
＝Δｏｆｆｓｅｔ・Ｔ１ （４２）
Subsequently, the INS attitude calculation means 6 determines the difference between the current attitude (attitude 1) set in step ST19 and the
Δ posture = (posture 1−posture 2) − (
= Δoffset · T1 (42)
なお、上記処理は、図５におけるＩＮＳ姿勢演算手段６の内部構成である、姿勢演算手段４が求めたＧＰＳ姿勢を受ける演算器１７、補償演算部１６、その出力を演算する演算器１４及び計時カウンタ時刻Ｔ＝０からＴ１までの積分値を求める積分器１５によって実行される。
Note that the above processing is the internal configuration of the INS attitude calculation means 6 in FIG. 5, the calculator 17 that receives the GPS attitude obtained by the attitude calculation means 4, the compensation calculation unit 16, the
そして、ＩＮＳ姿勢演算手段６内の固定オフセット補償部１２は、角速度検出手段５（ジャイロ１０）が検出した角速度（Ａ／Ｄ変換器１１がディジタル化したもの）に加算すべきオフセットΔｏｆｓとして、前回検出された角速度に加算したオフセットΔｏｆｓに今回のオフセット補正量Δｏｆｆｓｅｔを反映させたオフセットを算出する。例えば、オフセット補正量Δｏｆｆｓｅｔの重み付けをη（例えば、η＝０．１）とし、下記式（４３）に沿って今回のオフセットΔｏｆｓを算出する。なお、このようにして求めたオフセットΔｏｆｓが、後述するステップＳＴ２２の処理が次回に実行される時のオフセットΔｏｆｓとして使用される。
Δｏｆｓ＝Δｏｆｓ・（１−η）＋Δｏｆｆｓｅｔ・η （４３）
Then, the fixed offset
Δofs = Δofs · (1−η) + Δoffset · η (43)
上述した処理がステップＳＴ２０に相当する。
次に、ＩＮＳ姿勢演算手段６は、今回姿勢演算手段４から入力した姿勢出力である姿勢１の値を、前回の姿勢を示す姿勢２に設定し、今回角速度検出手段５が検出した角速度を基にして算出したＩＮＳ姿勢の値を、前回のＩＮＳ姿勢を示すＩＮＳ姿勢２に設定して内部メモリに記憶する（ステップＳＴ２１）。
The above-described process corresponds to step ST20.
Next, the INS attitude calculation means 6 sets the value of
一方、ステップＳＴ１６で計時カウンタの現時刻がＴ１を経過していないと判定すると、ＩＮＳ姿勢演算手段６内の固定オフセット補償部１２は、角速度検出手段５による移動体の角速度検出値から所定のオフセット値Δｏｆｓを差し引き、スケールファクタを用いて微小経過時間ΔＴでの角度変化量Δθを算出する（ステップＳＴ２２）。
On the other hand, if it is determined in step ST16 that the current time of the time counter has not passed T1, the fixed offset
次に、固定オフセット補償部１２は、ステップＳＴ２２で算出した角度変化量Δθを、今回、角速度検出手段５が検出した角速度を基にして算出したＩＮＳ姿勢の値に加算して新たなＩＮＳ姿勢の値として内部メモリに記憶する（ステップＳＴ２３）。
Next, the fixed offset
なお、ステップＳＴ１７からステップＳＴ２１までの処理は、移動体の３軸であるヨー角、ピッチ角、ロール角のうちのいずれか１つについての実行する処理であり、図中に（姿勢数分）と記載したように、必要に応じてヨー角、ピッチ角、ロール角の全ての姿勢数について同様な一連の処理を実行する。この場合、ステップＳＴ２２、ステップＳＴ２３に相当する処理も追加される。 Note that the processing from step ST17 to step ST21 is processing executed for any one of the yaw angle, the pitch angle, and the roll angle, which are the three axes of the moving body. As described above, the same series of processing is executed for all the posture numbers of the yaw angle, the pitch angle, and the roll angle as necessary. In this case, processes corresponding to steps ST22 and ST23 are also added.
ＩＮＳ姿勢演算手段６は、上述したＩＮＳ姿勢演算処理が完了すると、算出したＩＮＳ姿勢（ヨー角、ピッチ角、ロール角）に関する情報を、位置演算手段８、提示／制御手段９及び不図示の外部装置に出力する。 When the above-described INS attitude calculation process is completed, the INS attitude calculation means 6 provides information on the calculated INS attitude (yaw angle, pitch angle, roll angle) to the position calculation means 8, the presentation / control means 9, and an external (not shown). Output to the device.
位置演算手段８では、速度検出手段７が検出した移動体の速度Ｖを入力し、スケールファクタを用いて微小経過時間ΔＴでの移動距離ｄ＝Ｖ・ΔＴを算出する（ステップＳＴ２４）。次に、位置演算手段８は、ＩＮＳ姿勢演算手段６から入力したＩＮＳ姿勢（ヨー角（方位）、ピッチ角、ロール角（方位））に関する情報に基づき、例えば下記式（４４）〜（４６）に従い移動体のＩＮＳ位置を算出する（ステップＳＴ２５）。
位置x＝位置x＋ｄ・ｃｏｓ（ヨー角） （４４）
位置y＝位置y＋ｄ・ｓｉｎ（ヨー角） （４５）
高度＝高度＋ｄ・ｓｉｎ（ピッチ角） （４６）
The position calculating means 8 inputs the speed V of the moving body detected by the
Position x = Position x + d · cos (Yaw angle) (44)
Position y = Position y + d · sin (yaw angle) (45)
Altitude = Altitude + d · sin (Pitch angle) (46)
位置演算手段８は、上述したＩＮＳ位置演算処理が完了すると、算出したＩＮＳ位置に関する情報を、提示／制御手段９及び不図示の外部装置に出力する。また、必要に応じて、衛星方向獲得手段２、基線ベクトル検出手段３、姿勢演算手段４及びＩＮＳ姿勢演算手段６に移動体のＩＮＳ位置を出力する場合もある。
When the above-described INS position calculation process is completed, the position calculation unit 8 outputs information regarding the calculated INS position to the presentation / control unit 9 and an external device (not shown). If necessary, the INS position of the moving body may be output to the satellite
衛星方向獲得手段２については前述したが、例えば基線ベクトル検出手段３ついては、衛星方向獲得手段２から移動体の位置情報が得られない場合、位置演算手段８からの移動体のＩＮＳ位置を用いて基線ベクトル推定処理を実行する。また、姿勢演算手段４が基線ベクトル検出手段３により求められた基線ベクトルを用い、移動体のＧＰＳ姿勢を算出する際に、位置演算手段８からの移動体のＩＮＳ位置を用いてもよい。さらに、位置演算手段８からの移動体のＩＮＳ位置を、ＩＮＳ姿勢演算手段６によるＩＮＳ位置演算の初期値として利用するようにしてもよい。
The satellite
ステップＳＴ２６において、提示／制御手段９は、ＩＮＳ姿勢演算手段６から入力したＩＮＳ姿勢や位置演算手段８から入力したＩＮＳ位置を、不図示の表示装置に表示してユーザに提示する。また、表示内容に応じてユーザが入力した情報などに基づき、移動体の動作を制御するための制御情報を生成する。
In step ST26, the presentation / control unit 9 displays the INS posture input from the INS
例えば、姿勢角を、グラフ表示、図形表示、数値表示などで表示装置に表示をする。ここで、ユーザにより外部から姿勢角に関しての閾値を提示／制御手段９に設定するためのインタフェースを設けておくことで、ＩＮＳ姿勢演算手段６から入力したＩＮＳ姿勢が前記閾値を超えると、表示パターン、表示図形、表示文字、点滅ランプ、音声メッセージ、警告音などのいずれかあるいはいずれかの複数の組み合わせで警告するように構成しても良い。例えば、移動体の姿勢角から導かれる現時点における移動体の傾斜角が閾値を超える場合、音声警告する。
For example, the attitude angle is displayed on the display device by graph display, graphic display, numerical display, or the like. Here, by providing an interface for the user to set a threshold regarding the posture angle from the outside to the presentation / control unit 9, when the INS posture input from the INS
ＩＮＳ姿勢演算手段６から入力したＩＮＳ姿勢を移動体の制御のための１つの制御量として利用するように提示／制御手段９を構成しても良い。例えば、ピッチ角姿勢を移動体の安全性向上や快適性向上、燃費向上のための自動制御に利用する。
The presentation / control unit 9 may be configured to use the INS posture input from the INS
移動体として車両を例に挙げて説明すると、本発明による移動体姿勢検出装置が検出したピッチ角が、通常姿勢時より大であることを検出したなら、通常姿勢値に近い値になるようにサスペンションの制御量を求め、移動体を制御する。また、車両が通行する路面の凸凹のピッチが比較的に短い場合、前後の姿勢の振動のプロファイルを分析して振動の振幅を低減するように振動の位相を考慮して制御する。このように構成することで、車両が凸凹の路面を走行する場合に、本発明の移動体姿勢検出装置を搭載しない車両と比べ凸凹を感じさせない乗り心地を達成することができる。 When the vehicle is described as an example of the moving body, if it is detected that the pitch angle detected by the moving body posture detection device according to the present invention is larger than that in the normal posture, the value is close to the normal posture value. The control amount of the suspension is obtained and the moving body is controlled. In addition, when the pitch of the unevenness of the road surface on which the vehicle passes is relatively short, control is performed in consideration of the phase of the vibration so as to reduce the vibration amplitude by analyzing the vibration profile of the front and rear postures. With this configuration, when the vehicle travels on an uneven road surface, it is possible to achieve a riding comfort that does not make the vehicle feel uneven as compared to a vehicle not equipped with the mobile body posture detection device of the present invention.
また、従来の車両の低速走行制御では、上り坂では減速してからでしかアクセルされない、あるいは下り坂ではある程度の自然加速してからでしか減速制御されない。このため、加減速が連なったギクシャクした動きとなり、ドライバが不快な思いをしたり、前後の車との干渉で危険な状態を生みやすい。これに対して、本発明による移動体姿勢検出装置が検出した姿勢情報を用いることで、上り坂では傾斜に応じて自動的にエンジンをアクセルし、下り坂で少なくとも検出された傾斜姿勢に応じて自動的に減速するといった制御が可能であり、前述したような従来の不具合を解消することができる。 Further, in conventional low-speed running control of a vehicle, acceleration is only performed after deceleration on an uphill, or deceleration control is performed only after a certain degree of natural acceleration on a downhill. For this reason, it becomes a jerky movement with continuous acceleration and deceleration, and the driver feels uncomfortable or easily creates a dangerous state due to interference with the front and rear cars. On the other hand, by using the attitude information detected by the mobile body attitude detection device according to the present invention, the engine is automatically accelerated according to the inclination on the uphill, and at least according to the inclination attitude detected on the downhill. Control such as automatic deceleration is possible, and the conventional problems as described above can be solved.
ステップＳＴ２６の処理が完了すると、ＩＮＳ姿勢演算手段６は、移動体が動力停止されるか否かを判定する（ステップＳＴ１１）。ここで、移動体の動力が停止される場合、ＩＮＳ姿勢演算手段６は、本発明による移動体姿勢検出装置の動力停止される前に、現在設定されているＩＮＳ姿勢を停止姿勢として不揮発性記憶手段である内部メモリに記憶する（ステップＳＴ１２）。同様に、位置演算手段８は、動力停止される前に、現在設定されているＩＮＳ位置を停止位置として内部メモリに記憶する（ステップＳＴ１３）。 When the process of step ST26 is completed, the INS attitude calculation means 6 determines whether or not the power of the moving body is stopped (step ST11). Here, when the power of the mobile body is stopped, the INS attitude calculation means 6 stores the currently set INS attitude as a stop attitude in a nonvolatile manner before the power of the mobile body attitude detection device according to the present invention is stopped. The data is stored in an internal memory as a means (step ST12). Similarly, before the power is stopped, the position calculation means 8 stores the currently set INS position as a stop position in the internal memory (step ST13).
このようにして設定された停止姿勢や停止位置は、次回のホットスタート時に、ステップＳＴ９やステップＳＴ１０で内部メモリから読み出されてＩＮＳ姿勢やＩＮＳ位置として設定され、前回停止時に引き続いて移動体の姿勢や位置を即刻得るために使用される。 The stop posture and stop position set in this way are read from the internal memory in step ST9 and step ST10 at the next hot start and set as the INS posture and INS position. Used to instantly obtain posture and position.
一方、ステップＳＴ１１で動力が停止されないと判定された場合、ＩＮＳ姿勢演算手段６は、不図示のタイマの時刻が所定の時間間隔ΔＴだけ経過したか否かを判定する（ステップＳＴ１４）。このとき、ΔＴだけ経過していなければ、再びタイマ時刻の経過の判定処理に戻り、ΔＴだけ経過していれば、上述した計時カウンタの時刻ＴをΔＴだけインクリメントする（ステップＳＴ１５）。このあと、ステップＳＴ１６に移行して、上述したＩＮＳ姿勢演算処理を実行する。このように移動体の動力が停止されるか否かを基準として、図６中に太線で示した通常処理時のループで処理が繰り返される。 On the other hand, when it is determined in step ST11 that the power is not stopped, the INS attitude calculation means 6 determines whether or not the time of a timer (not shown) has elapsed by a predetermined time interval ΔT (step ST14). At this time, if ΔT has not elapsed, the process returns to the determination process of the elapsed timer time. If ΔT has elapsed, the time T of the time counter described above is incremented by ΔT (step ST15). Thereafter, the process proceeds to step ST16, and the above-described INS attitude calculation process is executed. In this way, the process is repeated in the loop for the normal process indicated by the thick line in FIG. 6 based on whether or not the power of the moving body is stopped.
また、例えばステップＳＴ２５の処理に続き、別個に設けたＧＰＳ測位手段で移動体の位置を検出し、これを位置演算手段８が入力して、自己が算出したＩＮＳ位置との差を評価し、差の一定割合だけＧＰＳ測位位置に近づけた位置としてＩＮＳ位置を補正する処理を追加してもよい。 Further, for example, following the process of step ST25, the position of the moving body is detected by a GPS positioning means provided separately, and this is input by the position calculation means 8 to evaluate the difference from the INS position calculated by itself, A process of correcting the INS position as a position close to the GPS positioning position by a certain percentage of the difference may be added.
以上のように、この実施の形態２によれば、例えば天頂衛星と移動体前方あるいは後方に位置する、２個の衛星からの衛星電波のみを用いて移動体の絶対姿勢を連続的に検出することができることから、ＩＮＳ姿勢の演算に使用する角速度検出手段５のオフセットドリフトによるＩＮＳ姿勢の誤差集積をほぼ常時補正することができる。このように途切れ少なく検出できるため、高精度な姿勢検出を維持することができる。 As described above, according to the second embodiment, for example, the absolute attitude of the moving body is continuously detected using only the satellite radio waves from the zenith satellite and the two satellites positioned in front of or behind the moving body. Therefore, the error accumulation of the INS attitude due to the offset drift of the angular velocity detection means 5 used for the calculation of the INS attitude can be almost always corrected. Thus, since it can detect with few discontinuities, highly accurate attitude | position detection can be maintained.
なお、姿勢演算手段４が求めたＧＰＳ姿勢やＩＮＳ姿勢演算手段６が求めたＩＮＳ姿勢を位置演算手段８に入力することで、位置演算手段８に対してよりアベイラビリティ（有用性）の良い姿勢情報を与えることができ、より精度の高い位置が得られる上、位置演算手段８から精度の高い位置情報を他の構成手段に帰還することができるのでより信頼度の高い姿勢情報を得ることができる。
In addition, by inputting the GPS posture obtained by the
また、上記実施の形態２では、上記実施の形態１の構成に、角速度検出手段５、ＩＮＳ姿勢演算手段６、速度検出手段７及び位置演算手段８を設ける例を示したが、例えば図１３に示すように上記実施の形態１に角速度検出手段５及びＩＮＳ姿勢演算手段６を追加した構成であってもよい。
In the second embodiment, the example in which the angular
図１３の構成であっても、ＩＮＳ姿勢演算手段６が、角速度検出手段５から移動体の姿勢を規定するピッチ角とロール角を求めるための角速度情報を受け、その積分値を基にして移動体のピッチ角やロール角を算出する。アンテナ１が１つの測位衛星からの電波しか受信できない場合、ＩＮＳ姿勢演算手段６が求めた移動体のピッチ角やロール角を拘束条件とすることで、姿勢演算手段４が移動体のヨー角を推定することができる。
Even in the configuration of FIG. 13, the INS attitude calculation means 6 receives angular velocity information for obtaining the pitch angle and roll angle defining the attitude of the moving body from the angular velocity detection means 5 and moves based on the integrated value. The body pitch angle and roll angle are calculated. When the
また、図１３の構成において別個にＧＰＳ測位手段を設け、このＧＰＳ測位手段によって検出した移動体の位置情報を、図７（ｃ）や図８（ｃ）で示した動作フローで衛星方向獲得手段２が取得すべき移動体の位置情報としても良く、必要に応じて提示／制御手段９、衛星方向獲得手段２、基線ベクトル検出手段３、姿勢演算手段４及びＩＮＳ姿勢演算手段６に出力しても良い。 Further, GPS positioning means is separately provided in the configuration of FIG. 13, and the position information of the moving body detected by the GPS positioning means is used to obtain the satellite direction acquisition means by the operation flow shown in FIG. 7 (c) and FIG. 8 (c). 2 may be the position information of the moving body to be acquired and output to the presentation / control means 9, the satellite direction acquisition means 2, the baseline vector detection means 3, the attitude calculation means 4, and the INS attitude calculation means 6 as necessary. Also good.
例えば、基線ベクトル検出手段３ついては、衛星方向獲得手段２から移動体の位置情報が得られない場合、上記ＧＰＳ測位手段からの移動体のＧＰＳ位置を用いて基線ベクトル推定処理を実行する。また、姿勢演算手段４が基線ベクトル検出手段３により求められた基線ベクトルを用い、移動体のＧＰＳ姿勢を算出する際に、当該ＧＰＳ測位手段からの移動体の位置を用いるようにしてもよい。さらに、当該ＧＰＳ測位手段からの移動***置をＩＮＳ姿勢演算手段６によるＩＮＳ位置演算の初期値として利用してもよい。
For example, when the position information of the moving body cannot be obtained from the satellite direction acquisition means 2, the base line vector estimation means 3 executes the base line vector estimation process using the GPS position of the moving body from the GPS positioning means. Further, when the attitude calculation means 4 calculates the GPS attitude of the mobile object using the baseline vector obtained by the baseline vector detection means 3, the position of the mobile object from the GPS positioning means may be used. Further, the position of the moving body from the GPS positioning unit may be used as an initial value of the INS position calculation by the INS
このように構成することで、姿勢演算手段４が求めたＧＰＳ姿勢をＩＮＳ姿勢演算手段６に入力することで、ＩＮＳ姿勢演算手段６に対してよりアベイラビリティ（有用性）の良い姿勢情報を与えることができ、より精度の高いＩＮＳ姿勢が得られる上、ＩＮＳ姿勢演算手段６から精度の高い姿勢情報を他の構成手段に帰還することができるのでより信頼度の高い姿勢情報を得ることができる。また、ＩＮＳ姿勢演算手段６による姿勢角を拘束条件に加えることで、例えば順天頂衛星１機のみしか受信できない場合であっても移動体の姿勢を検出することができる。
With this configuration, the GPS posture obtained by the
実施の形態３．
図１４は、この発明の実施の形態３による移動体姿勢検出装置の構成を示す図であり、図１、図４及び図１３と同一の符号を付したものは同一又はこれに相当するものである。なお、図１４では、上記実施の形態２で示した位置演算手段８とこれに関連する構成要素の図示を省略している。本実施の形態は、衛星方向獲得手段２の詳細な構成を示したものであり、図示の例では無線通信部／放送受信部（通信部）１８を有している。
FIG. 14 is a diagram showing a configuration of a mobile body posture detection device according to
無線通信部／放送受信部１８は、無線通信及び／又は放送受信を実行する通信構成を有し、無線通信又は放送受信により通信接続可能な衛星方向情報提供サーバ２２から天頂衛星あるいは測位衛星についての、ローカル座標系上の移動体の位置情報と衛星方向情報とを獲得する。 The wireless communication unit / broadcast receiving unit 18 has a communication configuration for executing wireless communication and / or broadcast reception, and the satellite direction information providing server 22 capable of communication connection by wireless communication or broadcast reception from the zenith satellite or positioning satellite. The position information and the satellite direction information of the moving body on the local coordinate system are acquired.
衛星方向情報提供サーバ２２は、ＧＰＳ測位衛星からの電波を受信して処理するレシーバ２１と通信可能に接続しており、このレシーバ２１から受信した各種情報を用いて最新の航法パラメータなどの、現在の測位情報を取得する。これにより、衛星方向情報提供サーバ２２は、各衛星ごとに衛星位置及びこの位置の衛星からの電波が受信可能な特定エリアの代表位置を移動体の概略の位置とみなし、この位置からの衛星方向を規定する衛星方向情報を求める。
The satellite direction information providing server 22 is communicably connected to a
また、衛星方向情報提供サーバ２２は、ネットワーク２３を介して無線通信基地局２４ａ，２４ｂと接続しており、無線通信基地局２４ａ，２４ｂ、無線アンテナ１９や放送衛星２０を経由して無線通信部／放送受信部１８と通信する。これにより、衛星方向情報提供サーバ２２は、前述の衛星方向情報を無線通信部／放送受信部１８が受信可能な所定の通信形態にデコードして、ネットワーク２３、無線通信基地局２４ａ，２４ｂなどを介して通信可能領域における移動体側からの要求に応答する形で衛星方向情報を提供する。衛星方向獲得手段２側からみた衛星方向情報の取得動作としては、例えば上記実施の形態２で示した図７（ａ）に沿うものが考えられる。
The satellite direction information providing server 22 is connected to the radio communication base stations 24 a and 24 b via the
無線通信部／放送受信部１８が受信可能な通信形態としては、衛星方向情報を含む放送であっても良い。また、衛星方向情報提供サーバ２２が衛星方向情報を求めるのではなく、不図示のセンタサーバが移動体の概略位置や衛星の位置に関する情報を求め、このセンタサーバから衛星方向情報提供サーバ２２が前記情報を中継して衛星方向情報に加工して提供する、いわゆる中継サーバの形態であってもよい。 The communication form that can be received by the wireless communication unit / broadcast receiving unit 18 may be a broadcast including satellite direction information. Further, the satellite direction information providing server 22 does not obtain the satellite direction information, but a center server (not shown) obtains information on the approximate position of the moving body and the position of the satellite, and the satellite direction information providing server 22 receives the information from the center server. It may be in the form of a so-called relay server that relays information to process and provide satellite direction information.
なお、衛星方向情報は、ローカル座標系における、所定の位置（移動***置）から衛星への視線方向ベクトル（衛星方向）が求められさえすれば、任意の形式のデータであってよい。衛星方向またはその逆方向へ所定距離だけ離れた点の座標が算出できるデータであれば、例えば勾配を示す形式であってもよいし、方向余弦の形式であってもよい。 The satellite direction information may be data in an arbitrary format as long as a line-of-sight direction vector (satellite direction) from a predetermined position (moving body position) to the satellite is obtained in the local coordinate system. Any data that can calculate the coordinates of a point separated by a predetermined distance in the satellite direction or in the opposite direction may be in the form of a gradient or in the form of a direction cosine.
以上のように、この実施の形態３によれば、移動***置から衛星への視線方向を規定する衛星方向情報を外部サーバから受けることで、衛星方向を検出して衛星方向情報を生成する構成要素を省略することができる。 As described above, according to the third embodiment, the satellite direction information is generated by receiving the satellite direction information defining the line-of-sight direction from the moving body position to the satellite, and generating the satellite direction information. Elements can be omitted.
実施の形態４．
図１５は、この発明の実施の形態４による移動体姿勢検出装置の構成を示す図であり、図１、図４及び図１３と同一の符号を付したものは同一又はこれに相当するものである。なお、図１５では、上記実施の形態２で示した位置演算手段８とこれに関連する構成要素の図示を省略している。
FIG. 15 is a diagram showing a configuration of a mobile body attitude detection device according to
本実施の形態は、衛星方向獲得手段２の詳細な構成を示したものであり、図示の例ではローカル位置獲得部２５及び衛星位置獲得部２６を有している。
This embodiment shows a detailed configuration of the satellite direction acquisition means 2, and has a local
ローカル位置獲得部２５は、アンテナ１あるいはこれを搭載した移動体のローカル座標系上での位置情報（概略位置を含む）を獲得する。その構成としては、例えばＧＰＳ測位衛星からの電波を受信して自己の位置座標を得る公知のＧＰＳレシーバと同様な機能を有する測位演算部と、測位衛星からの電波を受信して測位計算した結果を順次記憶するメモリを備える。これにより、ローカル位置獲得部２５は、４つ以上の測位衛星からの電波を受信しやすい通信環境にいるときに、これら４つ以上の測位衛星からの電波を受信して前記測位演算部が測位計算した結果を前記メモリに順次記憶しておく。
The local
衛星位置獲得部２６は、測位衛星からの電波を受信する受信部を備え、測位衛星から送信される航法メッセージを受信して当該衛星の軌道パラメータを抽出し、ある時刻でのローカル座標系上の衛星位置を算出する。
The satellite
衛星方向獲得手段２では、例えば上記実施の形態２で示した図７（ｂ）に従って、ローカル位置獲得部２６が取得したアンテナ１あるいはこれを搭載した移動体のローカル座標系上での位置情報と、衛星位置獲得部２６が取得する天頂あるいは測位衛星の位置とに基づいて、既存の衛星方向算出技術に従いローカル座標系上の衛星方向を近似的に求める。
In the satellite
このとき、２つあるいは３つの衛星からしか衛星電波を受信できない場合、衛星方向獲得手段２は、前述のようにしてローカル位置獲得部２５がメモリに記憶しておいた測位結果を、アンテナ１あるいはこれを搭載した移動体のローカル座標系上での概略の位置として利用してローカル座標系上の衛星方向を求める。また、位置演算手段８を備える場合は、衛星方向獲得手段２が、位置演算手段８の出力を利用してローカル座標系上での衛星方向を求めるようにしてもよい。
At this time, when satellite radio waves can be received only from two or three satellites, the satellite
以上のように、この実施の形態４によれば、上記実施の形態３のように衛星や移動体の位置を外部サーバから取得するのではなく、当該外部サーバにおける衛星や移動体の位置の算出機能を具現化するローカル位置獲得部２５と衛星位置獲得部２６を設けたので、当該外部サーバとの通信が困難な通信環境下においても移動体の姿勢が検出できる。
As described above, according to the fourth embodiment, the position of the satellite or the moving body is not obtained from the external server as in the third embodiment, but the position of the satellite or the moving body in the external server is calculated. Since the local
なお、上記実施の形態による衛星位置獲得部２６は、図１６に示すように前記受信部としてアンテナ１を利用する構成であってもよい。この場合、衛星位置獲得部２６は、図中に破線で示すように、測位衛星からの電波をアンテナ１のいずれかの受信要素で受信した信号を復調・復号して航法メッセージを取得する。そして、この航法メッセージにおける軌道パラメータや衛星時刻などを基に、地球中心・地球固定直行座標系上の測位衛星の位置を算出する。これが衛星の概略位置となる。
Note that the satellite
このように構成することで、衛星位置獲得部２６が、通常のＧＰＳ受信装置における衛星ごとの受信チャンネルと同様の動作をする。しかしながら、衛星位置獲得部２６による処理の目的は、衛星方向獲得手段２で衛星方向を求めるための衛星方向ベクトルの一端を求めることであるから、正確な衛星時刻を必ずしも要さない点が通常のＧＰＳ受信装置とは大いに異なる。
With this configuration, the satellite
言い換えると、２衛星からしか電波を利用することができない場合を重視しているので、通常必要となる４衛星による測位結果、つまりアンテナ位置と受信機側の時計誤差（時刻補正に反映）を常時取得することは前提にしていない。 In other words, since the importance is placed on the case where radio waves can only be used from two satellites, the positioning results of the four satellites that are normally required, that is, the antenna position and the clock error on the receiver side (reflected in the time correction) are always displayed. It is not assumed to be acquired.
これは、受信機時刻が補正されない場合であっても受信機時刻は正しいものとして衛星位置を算出することを意味する。従って、算出された衛星位置は必ずしも正確ではないことになるが、アンテナ位置を概略の位置で代替しても衛星方向に与える誤差はほとんど無視できる程度であるのと同様に、衛星位置も概略の衛星位置で代替させることができるため、本実施の形態による移動体の姿勢検出に何ら問題を与えない。 This means that the satellite position is calculated assuming that the receiver time is correct even when the receiver time is not corrected. Therefore, although the calculated satellite position is not necessarily accurate, the error given to the satellite direction is almost negligible even if the antenna position is replaced with the approximate position. Since the satellite position can be substituted, there is no problem in detecting the posture of the moving body according to the present embodiment.
例えば、測位衛星の場合、約４Ｋｍ／秒で軌道上を周回しているが、受信側の時計が仮に１秒程度狂っていたとしても、４Ｋｍ程度の位置ずれ誤差が含まれるだけである。この誤差の衛星方向への影響は、測位衛星高度を約２００００Ｋｍとしての次の計算結果が示すように、０．０１度程度と極めて軽微である。
ｔａｎ-1（４Ｋ／２００００Ｋ）（ｒａｄ）
≒ｔａｎ-1（１／５０００）（ｒａｄ）≒０．０１（度）
For example, in the case of a positioning satellite, it orbits at about 4 Km / sec. However, even if the receiving clock is out of order for about 1 second, only a positional error of about 4 Km is included. The influence of this error on the satellite direction is extremely small, about 0.01 degrees, as shown in the following calculation result when the positioning satellite altitude is about 20000 km.
tan -1 (4K / 20000K) (rad)
≒ tan -1 (1/5000) (rad) ≒ 0.01 (degrees)
また、上記実施の形態によるローカル位置獲得部２５は、図１７に示すように、前述したメモリとして候補位置記憶部２７を設け、これに記憶された位置情報のうち姿勢検出に利用する位置情報を選択する候補選択部２８を設けた構成であってもよい。この候補選択部２８に、ユーザからの設定情報を受け付ける、表示装置や入力装置を用いる外部インタフェース部（不図示）を設け、ユーザからの位置情報候補の指定情報に応じて候補選択部２８が候補位置記憶部２７に予め記憶しておいた位置情報を読み出すように構成する。
In addition, as shown in FIG. 17, the local
例えば、候補選択部２８が外部インタフェース部を介して表示装置に位置情報の候補をインデックスとして表示する。これに基づいて、ユーザが位置情報候補の指定情報を入力し、この指定情報で選択指定されたインデックスに対応して、候補選択部２８が、候補位置記憶部２７の内容を読み出す。このようにして、候補位置記憶部２７から読み出された位置情報は、衛星方向獲得手段２が衛星方向を求めるためのアンテナ１あるいはこれを搭載した移動体の位置として使用される。また、この位置は、上記実施の形態１で示したアンテナ座標系の原点Ｐ０として扱われる。
For example, the
最も単純な例では、測位衛星高度に対する位置誤差が許容範囲内となる位置に関する情報として、仕向け地別に代表的な位置を候補位置記憶部２７に記憶しておき、随時それを候補位置として読み出して使用するようにしてもよい。また、所定の番号に対応させて候補位置記憶部２７に記憶した候補位置を、前記番号の指定に応じて切り替えて指定するディップスイッチを外部インタフェース部として構成することで、ユーザあるいはディーラが、利用地域に相当する番号に対応させて候補位置記憶部２７に記憶した候補位置を当該ディップスイッチで切替えて指定するようにしてもよい。
In the simplest example, a representative position for each destination is stored in the candidate
また、位置演算手段８が、移動体の位置を算出するたびにメモリ（不図示）に適宜記憶してその内容を更新するようにしておき、最近に記憶された内容をアンテナ１あるいはこれを搭載した移動体の概略の位置として衛星方向情報の算出に用いるようにしてもよい。さらに、別個にナビゲーション装置を備え、これが求めた移動***置を衛星方向情報を求めるのに使用する構成にしてもよい。
Also, whenever the position calculation means 8 calculates the position of the moving body, it is stored in a memory (not shown) as appropriate so that the contents are updated, and the recently stored contents are loaded with the
この他、測位衛星が４つ以上受信できているときに周知の方法でアンテナ１あるいはアンテナ１を搭載したレシーバの現在位置を算出し、これを移動体の姿勢推定に用いるようにしても良い。この場合、例えば基線ベクトル検出手段３の位相検出部を、アンテナ１あるいはこれを搭載した移動体の位置を求めるための測位演算に利用する。
In addition, the current position of the
実施の形態５．
図１８は、この発明の実施の形態５による移動体姿勢検出装置の構成を示す図であり、図１、図４及び図１３と同一の符号を付したものは同一又はこれに相当するものである。なお、図１８では、上記実施の形態２で示した位置演算手段８とこれに関連する構成要素の図示を省略している。本実施の形態による衛星方向獲得手段２は、ローカル位置獲得部２５、衛星位置獲得部２６及び無線通信部／放送受信部（通信部）２９を含んで構成される。
FIG. 18 is a diagram showing a configuration of a mobile body attitude detection device according to
無線通信部／放送受信部２９は、無線通信及び／又は放送受信を実行する通信構成を有し、無線通信又は放送受信により通信接続可能なエリアに存在する位置情報提供サーバ３０から当該エリアに対応した位置情報及び／又は天頂衛星あるいは測位衛星の最新の位置情報を受信してローカル位置獲得部２５及び衛星位置獲得部２６に出力する。
The wireless communication unit / broadcast receiving unit 29 has a communication configuration for executing wireless communication and / or broadcast reception, and corresponds to the area from the location
位置情報提供サーバ３０は、ＧＰＳ測位衛星からの電波を受信して自己の位置座標などを得る公知のＧＰＳレシーバを備え、無線通信部／放送受信部２９との間で無線通信あるいは放送が可能なエリアに対応した位置情報及び／又は天頂衛星あるいは測位衛星の最新の位置情報などを提供する。つまり、ＧＰＳレシーバから受信した各種情報を用いて最新の航法パラメータなどの現在の測位情報を取得する。
The position
また、位置情報提供サーバ３０は、ネットワーク２３を介して無線通信基地局２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄと接続しており、無線通信基地局２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄ、無線アンテナ１９や放送衛星２０を経由して無線通信部／放送受信部２９と通信する。これにより、衛星方向情報提供サーバ３０は、前述の位置情報を無線通信部／放送受信部２９が受信可能な所定の通信形態にデコードして、ネットワーク２３、無線通信基地局２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄなどを介して通信可能領域における移動体からの要求に応答する形で提供する。衛星方向獲得手段２側からみた衛星方向情報の取得動作としては、例えば上記実施の形態２で示した図７（ｂ）、図７（ｄ）、図８（ａ）、図８（ｃ）に沿うものが考えられる。
The location
衛星位置獲得部２６は、測位衛星からの電波を受信する受信部としてアンテナ１を利用してもよい。この場合、衛星位置獲得部２６は、図中に破線で示すように、測位衛星からの電波をアンテナ１のいずれかの受信要素で受信した信号を復調・復号して航法メッセージを取得する。そして、この航法メッセージにおける軌道パラメータや衛星時刻などを基に、地球中心・地球固定直行座標系上の測位衛星の位置を算出する。これが衛星の概略位置となる。
The satellite
例えば、衛星位置獲得部２６が、測位衛星からアンテナ１のいずれかの受信要素で受信した信号に基づいて算出した位置情報と、無線通信部／放送受信部２９が取得した位置情報とを比較して衛星方向情報の算出に用いる位置情報を補正するように構成しても良い。
For example, the position information calculated by the satellite
無線通信部／放送受信部２９の無線通信機能を実現する構成としては、例えば携帯電話やＰＨＳなどの携帯データ通信端末が考えられる。この場合、位置情報提供サーバ３０は、図中の無線通信基地局２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄに相当する、当該携帯電話の無線通信基地局を介して、衛星位置あるいはアンテナ１の受信要素又はこれを搭載した移動体の位置を近似する概略の位置に相当する所定の代表地点の情報を、当該携帯電話に送信することになる。この概略の位置情報としては、セルラ電話基地局から入手することができる当該基地局の無線通信領域（セル）内の無線通信を中継する無線アンテナの位置に相当する情報などがある。
As a configuration for realizing the wireless communication function of the wireless communication unit / broadcast receiving unit 29, for example, a mobile data communication terminal such as a mobile phone or a PHS can be considered. In this case, the position
また、無線通信部／放送受信部２９の放送受信機能を実現する構成としては、例えば地域ごとに電波強度に指向性を持たせて放射される衛星放送の放送受信機や、地上放送の放送受信機が挙げられる。この場合、位置情報提供サーバ３０は、例えば図中の放送衛星２０を介して、衛星位置あるいはアンテナ１の受信要素又はこれを搭載した移動体の位置を近似する概略の位置に相当する所定の代表地点の情報を当該放送受信機に送信することになる。無線通信部／放送受信部２９としての放送受信機は、放送衛星２０からの受信がある都度、前記位置情報を取得し、この情報を用いて衛星方向獲得手段２が既存の位置情報を更新する。
As a configuration for realizing the broadcast reception function of the radio communication unit / broadcast reception unit 29, for example, a satellite broadcast broadcast receiver radiated with directivity in radio wave intensity for each region, or a terrestrial broadcast reception Machine. In this case, the position
また、この他、例えば主要な仕向け地が日本国と予め分かっている場合は、日本国内で概略の位置を示す適当な所定の値、例えば東経１４０度、北緯３５度、高度２０ｍといった値を代表的な地点の位置情報としてデフォルトに設定しておく。これにより、ユーザ等によって切替選択が行わなければ、デフォルト値が移動体のローカル座標上の概略の位置として獲得されることになる。 In addition, for example, when the main destination is known in advance as Japan, representative values such as 140 degrees east longitude, 35 degrees north latitude, and 20 meters altitude are representative of approximate locations within Japan. The default location information is set as default. As a result, if the switching selection is not performed by the user or the like, the default value is acquired as the approximate position on the local coordinates of the moving object.
以上のように、この実施の形態５によれば、リアルタイムに衛星位置や移動体の概略位置を取得し、これに基づいて移動体のローカル座標系上の姿勢（特にロール角とピッチ角）を電子的且つリアルタイムに検出することができる。また、リアルタイムに移動体姿勢を求めることで、当該姿勢に基づき移動体が現在移動中の路面傾斜や形状をも電子的且つリアルタイムに検出することができる。さらに、単一の、直視可能確率の高い天頂衛星を用いて、アンテナ１あるいはこれを搭載した移動体の姿勢や、当該移動体の移動中の路面あるいは軌道面の傾斜や形状をリアルタイムに検出することもできる。
As described above, according to the fifth embodiment, the satellite position and the approximate position of the moving body are acquired in real time, and based on this, the attitude of the moving body on the local coordinate system (especially the roll angle and the pitch angle) is obtained. Electronic and real-time detection is possible. Further, by obtaining the moving body posture in real time, it is possible to electronically and in real time detect the road surface inclination and shape of the moving body currently moving based on the posture. Furthermore, using a single zenith satellite with a high probability of direct viewing, the attitude of the
また、上記実施の形態による衛星方向獲得手段２が取得する位置情報は、例えば高精度ナビゲーション用の移動***置として利用することができる。従来のＧＰＳナビゲーションシステムでは、少なくとも同時に視野に入る衛星数が４個は必要であったので都会のビル街などでは正確な道を示すことができない場合がしばしばであった。
In addition, the position information acquired by the satellite
これに対して、上記実施の形態による移動体姿勢検出装置では、４個以上の衛星からの電波を常時受信して衛星位置及び／又はアンテナ１あるいはこれを搭載した移動体の現在位置を生成する位置情報提供サーバ３０からリアルタイムに位置情報を受けるので、前述したような従来の不具合を解消することができる。
On the other hand, in the mobile body attitude detection device according to the above-described embodiment, radio waves from four or more satellites are constantly received to generate the satellite position and / or the current position of the
実施の形態６．
上記実施の形態では、アンテナ要素１の座標、つまり基線ベクトル原点（始点）を求めるにあたり、搬送波位相未知数（波数アンビギュイティ）を求める等して既知であることを前提にした例を示した。
In the above-described embodiment, an example is shown on the assumption that the coordinates of the
この実施の形態６は、基線ベクトルの先端（終点）座標の推移（例；２〜３点）を基に、基線ベクトルの始点座標の候補を求め、候補の系列を基に始点座標を推定することにより、波数アンビギュイティ演算を省略したことを最大の特徴とする。具体的には、基線ベクトルの先端座標を求め、その推移を基にして基線ベクトルの始点座標を求める。そして、基線ベクトルの始点と終点の双方の相対的な座標配置から姿勢を算出する。 In the sixth embodiment, candidates for the start point coordinates of the baseline vector are obtained based on the transition (eg, 2 to 3 points) of the tip (end point) coordinates of the baseline vector, and the start point coordinates are estimated based on the candidate series. Thus, the greatest feature is that the wave number ambiguity calculation is omitted. Specifically, the front end coordinates of the baseline vector are obtained, and the start point coordinates of the baseline vector are obtained based on the transition. Then, the posture is calculated from the relative coordinate arrangement of both the start point and the end point of the baseline vector.
先行技術や上述した実施の形態では、波数アンビギュイティ演算を予め行う必要があったため、計算負荷が大きく相対的に大きな演算資源を必要であった。また、得られる始点座標候補がシステムノイズの影響を受けやすいためにその信頼度があまり高くない。これに対して、本実施の形態６は、比較的に小さな演算資源を利用できる割に信頼性の高い演算結果が迅速に得られる。 In the prior art and the above-described embodiments, it is necessary to perform the wave number ambiguity calculation in advance, so that the calculation load is large and a relatively large calculation resource is required. Further, since the obtained start point coordinate candidates are easily affected by system noise, the reliability is not so high. On the other hand, according to the sixth embodiment, a calculation result with high reliability can be obtained quickly although a relatively small calculation resource can be used.
また、実施の形態６では一旦結果が得られた後であれば装置の電源を落とさない限り、保持された演算結果を継続的に利用できる。このため、市街地といった衛星視野の狭いところに移動し受信衛星電波数が４つ未満になっても、受信できた衛星の電波信号のみを使用して、３つなら３次元姿勢が、２つなら２次元姿勢を求めることができる。また、アンテナ要素、つまりアンテナ要素を搭載した移動体が低速度あるいは静止状態であっても問題なくアンテナあるいはアンテナを装着した移動体の姿勢情報が得られる。 In the sixth embodiment, once the result is obtained, the stored calculation result can be continuously used unless the apparatus is turned off. For this reason, even if it moves to a place with a narrow satellite field of view, such as an urban area, and the number of received satellite radio waves is less than four, using only the radio signals of the received satellites, if there are three, the three-dimensional attitude is two A two-dimensional posture can be obtained. In addition, even when the antenna element, that is, the mobile body on which the antenna element is mounted is at a low speed or in a stationary state, the attitude information of the antenna or the mobile body on which the antenna is mounted can be obtained without problems.
図１９は、この発明の実施の形態６による移動体の姿勢検出原理を説明するための図であり、２つのアンテナから衛星ｉまでの距離のアンテナ要素Ａ，Ｂ間の差ＲAB、つまりアンテナ要素Ａ，Ｂ間距離の衛星方向成分と、衛星方向余弦ｈ(i)及びアンテナ要素Ａ，Ｂ間のベクトル（基線ベクトル）ｂとの関係を示したものである。ここで、基準とするアンテナ要素Ａとは基線ベクトルｂの始点座標であり、アンテナ座標系の原点に位置する。また、基準とするアンテナ要素Ｂとは基線ベクトルｂの先端（終点）座標である。ｈ(i)はアンテナから衛星ｉへの方向余弦であり、ＲABは基線ベクトルｂのｈ(i)方向成分である。 FIG. 19 is a diagram for explaining the principle of detecting the attitude of a moving body according to the sixth embodiment of the present invention. The difference R AB between the antenna elements A and B in the distance from the two antennas to the satellite i, that is, the antenna The relationship between the satellite direction component of the distance between the elements A and B, the satellite direction cosine h (i) and the vector (baseline vector) b between the antenna elements A and B is shown. Here, the reference antenna element A is the starting point coordinate of the base line vector b, and is located at the origin of the antenna coordinate system. The reference antenna element B is the tip (end point) coordinate of the base line vector b. h (i) is the direction cosine from the antenna to the satellite i, and R AB is the h (i) direction component of the baseline vector b.
図２０は、この発明の実施の形態６による基線ベクトル検出手段における位相検出部の構成を示す図であり、アンテナ要素Ａ，Ｂ間の差ＲABを求めるための位相検出部、例えばＧＰＳ受信機を示している。この位相検出部の前段には、不図示のＧＰＳ受信回路が設けられ、既存の典型的なＧＰＳ受信機と同様に動作する。つまり、前段部のＧＰＳ受信回路は、所定の発信源からの所定周波数の電波を受信し、このＧＰＳ受信信号を必要に応じて所定の中間周波数信号にダウンコンバートした後にＡ／Ｄ変換する。 FIG. 20 is a diagram showing the configuration of the phase detection unit in the baseline vector detection means according to the sixth embodiment of the present invention, for example, a phase detection unit for obtaining the difference R AB between the antenna elements A and B, such as a GPS receiver. Is shown. A GPS receiving circuit (not shown) is provided in the previous stage of the phase detection unit, and operates in the same manner as an existing typical GPS receiver. That is, the GPS receiving circuit at the front stage receives a radio wave of a predetermined frequency from a predetermined transmission source, down-converts the GPS reception signal to a predetermined intermediate frequency signal as necessary, and performs A / D conversion.
このデジタル中間周波数信号は、図２０に示すようなキャリアトラッキングループを主要部とした衛星別チャネル毎の位相検出部に入力される。位相検出部では、キャリアＮＣＯ３３（数値制御発信器）が生成したレプリカキャリアをｃｏｓマップ３１及びｓｉｎマップ３２によりコサイン成分Ｉ（基準位相）とサイン成分Ｑ（９０度離相）に分け、これらをミキサ３４ａ，３４ｂによりデジタル中間周波信号に掛け合わせたＩ信号とＱ信号を生成する。続いて、Ｉ信号及びＱ信号が、さらにミキサ３５ａ，３５ｂによって、Ｃ／Ａコードトラッキングループ３６を構成する回路からのＣ／Ａコード信号とそれぞれ乗算される。
This digital intermediate frequency signal is input to a phase detection unit for each channel for each satellite, the main part of which is a carrier tracking loop as shown in FIG. In the phase detector, the replica carrier generated by the carrier NCO 33 (numerically controlled transmitter) is divided into a cosine component I (reference phase) and a sine component Q (90-degree phase separation) by a
ミキサ３５ａ，３５ｂからの出力は、インテグレーション−ダンプ３７ａ，３７ｂにそれぞれ出力され、所定のタイミング期間で積算した一連のＩ信号及びＱ信号が得られる。インテグレーション−ダンプ３７ａ，３７ｂから出力されたＩ信号及びＱ信号は、逆正接演算回路（ｔａｎ-1）３８に入力される。逆正接演算回路（ｔａｎ-1）３８では、入力信号の除算値の逆正接である位相φ＝ｔａｎ-1（Ｑ／Ｉ）が求められ、ループフィルタ３９に出力される。ループフィルタ３９は、入力した位相φに応じた情報Ｍ（Ｎビット）を生成してキャリアＮＣＯ３３に出力する。キャリアＮＣＯ３３では、ループフィルタ３９からの入力Ｍに基づいてレプリカキャリアが生成される。
The outputs from the
図２１は、図２０中のキャリアＮＣＯの構成を示す図である。図２０に示す位相検出部において、キャリアＮＣＯ３３から出力されるレプリカキャリア位相情報φ及びレプリカキャリア波数ｎp情報に基づいて搬送波位相Φ（＝（ｎp＋φ）・λ）が図示しない演算部により算出される。なお、λは搬送波（キャリア）の波長であり、ｋ’はドップラー周波数情報である。
FIG. 21 is a diagram showing the configuration of the carrier NCO in FIG. In the phase detection unit shown in FIG. 20, the carrier phase Φ (= (n p + φ) · λ) is calculated by a calculation unit (not shown) based on the replica carrier phase information φ and the replica carrier wave number n p information output from the
ここで、図２１に示すキャリアＮＣＯ３３の動作例を説明する。
アダー４０では、ループフィルタ３９からの入力Ｍが第１レジスタ４２の前回のホールド値に加算される。また、第１レジスタ４２では、クロック信号（周波数ｆｓ）が入力される度に、新たにアダー４０の出力が第１レジスタ４２にラッチされる。その結果、図２１中に示すように、レプリカキャリアの位相出力が階段波形の信号として発生される。この階段波形の１ステップの高さに相当するＭ値に応じて、Ｎビットのアダー４０、第１レジスタ４２がオーバーフローする周期（階段波形、つまり位相情報の周期）が変わる。以上がキャリアＮＣＯ３３の基本動作である。
Here, an operation example of the
In the
また、図２１に示すように、キャリアＮＣＯ３３の基本部分に第２カウンタ４５と第２レジスタ４４を追加することにより、正規搬送波位相の波数（整数部）ｎpやドップラー周波数情報ｋ’を容易に獲得できることを以下で説明する。
先ず、第１カウンタ４３では、クロック周波数ｆｓをカウントし、アダー４０のオーバーフロー出力の立ち下がりでクリアされる。また、第２レジスタ４４では、オーバーフロー出力の立ち上がりで第１カウンタ４３の出力をラッチしてドップラー周波数情報ｋ’を出力する。従って、階段波形の１周期内にクロック周波数ｆｓが幾つカウントされたかが第１カウンタ４３でカウントされ、アダー４０がオーバフローする度に第２レジスタ４４にラッチされ、ドップラー周波数情報ｋ’が更新出力される。
Further, as shown in FIG. 21, by adding the
First, the
ＮＣＯ各部の信号例の関係を以下に示す。
（１）中間周波信号の周波数基準値（設定値）ｆIFは下記式で表される。
ｆIF＝ｆS／ｋ
なお、ｆSはクロック周波数（サイクル／秒、設定値）であり、ｋはレプリカキャリア波形分解能（設定値）である。
（２）中間周波数の実際値（図２０に示す回路で観測される値）ｆIF’は、下記式で表される。
ｆIF’＝ｆS／ｋ’
なお、ｋ’はドップラー周波数（観測値）である。
（３）中間周波数領域におけるドップラーシフトΔｆIFは下記式で表される。
ΔｆIF＝ｆIF’−ｆIF＝ｆS／ｋ’−ｆIF＝ｆIF・ｋ／ｋ’−ｆIF
＝ｆIF・（ｋ／ｋ’−１）（Ｈｚ）（ｋ’が観測値）
（４）搬送波周波数領域に置けるドップラーシフトΔｆは下記式で表される。
Δｆ＝ΔｆIF（Ｈｚ）
（５）参考として、ローカル発信周波数ｆloに基づいて高周波数ｆrfをダウンコンバートした中間周波数ｆIF’（ドップラーシフトのある場合）は、下記式で表される。
ｆIF’＝ｆrf’−ｆlo
同じく中間周波数ｆIF’（ドップラーシフトのない場合）は下記式で表される。
ｆIF＝ｆrf−ｆlo
従って、Δｆrf＝ｆrf’−ｆrf＝ｆIF’−ｆIF＝ΔｆIFとなる。
The relationship of signal examples of each part of the NCO is shown below.
(1) The frequency reference value (set value) f IF of the intermediate frequency signal is expressed by the following equation.
f IF = f S / k
Note that f S is a clock frequency (cycles / second, set value), and k is a replica carrier waveform resolution (set value).
(2) The actual value of the intermediate frequency (value observed in the circuit shown in FIG. 20) f IF ′ is expressed by the following equation.
f IF '= f S / k'
Note that k ′ is a Doppler frequency (observed value).
(3) The Doppler shift Δf IF in the intermediate frequency region is expressed by the following equation.
Δf IF = f IF '−f IF = f S / k′−f IF = f IF · k / k′−f IF
= F IF · (k / k'-1) (Hz) (k 'is the observed value)
(4) The Doppler shift Δf that can be placed in the carrier frequency region is expressed by the following equation.
Δf = Δf IF (Hz)
(5) As a reference, an intermediate frequency f IF ′ (when there is a Doppler shift) obtained by down-converting the high frequency f rf based on the local transmission frequency f lo is expressed by the following equation.
f IF '= f rf ' −f lo
Similarly, the intermediate frequency f IF ′ (when there is no Doppler shift) is expressed by the following equation.
f IF = f rf −f lo
Therefore, Δf rf = f rf ′ −f rf = f IF ′ −f IF = Δf IF .
なお、本実施の形態６による移動体姿勢検出装置の構成は、上記実施の形態１で示した図１と同様であるが、後述するように基線ベクトル検出手段３の基線ベクトル演算部３ｂによって実施の形態６に特有な基線ベクトル演算処理がなされる。
図２２は、実施の形態６による移動体姿勢検出装置の動作を示すフローチャートであり、実施の形態６による基線ベクトル演算部における基線ベクトル演算処理と、これに適した姿勢演算手段における姿勢演算処理の例を示している。なお、これらは、上記実施の形態２で説明した図６におけるステップＳＴ１８のＧＰＳ姿勢処理についての他の処理例に相当する。
The configuration of the moving body posture detection apparatus according to the sixth embodiment is the same as that of FIG. 1 shown in the first embodiment, but is implemented by the baseline
FIG. 22 is a flowchart showing the operation of the mobile body posture detection apparatus according to the sixth embodiment. The baseline vector calculation processing in the baseline vector calculation unit according to the sixth embodiment and the posture calculation processing in posture calculation means suitable for this are shown. An example is shown. These correspond to other processing examples of the GPS attitude processing in step ST18 in FIG. 6 described in the second embodiment.
また、図２２中に太線枠で示した処理ステップは、本実施の形態６において改めて整理して説明する処理（ステップＳＴ２２−３）又は、実施の形態６に特有な処理（ステップＳＴ２２−５〜ステップＳＴ２２−８）である。従って、太線で示したステップについて、順次、詳細に説明する。細線枠で示した処理（ステップＳＴ２２−１、２２−２、２２−４、２２−９，２２−１０については、上記実施の形態２で説明した処理とほぼ同様な処理である。 In addition, the processing steps indicated by the thick line frames in FIG. 22 are processing (step ST22-3) that is organized and explained again in the sixth embodiment, or processing unique to the sixth embodiment (step ST22-5). Step ST22-8). Therefore, the steps indicated by bold lines will be described in detail in order. The processing indicated by the thin line frame (steps ST22-1, 22-2, 22-4, 22-9, 22-10 is substantially the same processing as that described in the second embodiment.
先ず、図１９に示した搬送波位相差と方向余弦及び基線ベクトルとの関係を利用して、ステップＳＴ２２−３の処理を説明する。搬送波位相差と方向余弦及び基線ベクトルとの関係を基本として、様々な組み合わせで実施可能である。例えば、典型的には、基線ベクトル数が１つでアンテナ要素が２つである場合、衛星数、つまりアンテナ１本あたりの方向余弦数は３つである。また、基線ベクトル数が２つでアンテナ要素が３つである場合、衛星数、つまりアンテナ１本あたりの方向余弦数は２つである。さらに、基線ベクトル数が≧３であれば、アンテナ要素も≧３＋１、という組み合わせのいずれかが実施される。 First, the process of step ST22-3 will be described using the relationship between the carrier phase difference, the direction cosine, and the base line vector shown in FIG. The present invention can be implemented in various combinations based on the relationship between the carrier phase difference, the direction cosine, and the baseline vector. For example, typically, when the number of baseline vectors is one and the number of antenna elements is two, the number of satellites, that is, the number of direction cosines per antenna, is three. Further, when the number of baseline vectors is two and the number of antenna elements is three, the number of satellites, that is, the number of direction cosines per antenna is two. Furthermore, if the number of baseline vectors is ≧ 3, any combination of antenna elements ≧ 3 + 1 is implemented.
なお、衛星数が足りない場合に対応するための近似解法は、上記実施の形態１から５までに示したものを適用し得る。逆に衛星数が多い場合においては、評価関数（例えば、衛星仰角）が大きいものを必要個数（３個）だけ決めても良いし、最少必要個数（３個）以上であった場合は最小二乗誤差計算を行って求めてもよい。ここでは、簡単のため、衛星数が足りない場合に対応させるための構成について説明を行う。 As an approximate solution for dealing with the case where the number of satellites is insufficient, those shown in the first to fifth embodiments can be applied. Conversely, when the number of satellites is large, only the required number (three) of those having a large evaluation function (for example, satellite elevation angle) may be determined, and when the number is the minimum necessary number (three) or more, the least squares may be determined. You may obtain | require by performing error calculation. Here, for the sake of simplicity, a configuration for dealing with a case where the number of satellites is insufficient will be described.
ステップＳＴ２２−３において、基本ベクトル演算部３ａは、図１９に示すアンテナ要素Ａ，Ｂ間の正確な衛星方向距離差ＲABを、その方向余弦ｈ(i)と基線ベクトル（つまり、移動体の姿勢）ｂとを用いて下記式（４７）により算出する。なお、アンテナ要素Ａ，Ｂの設置間隔、つまり基線ベクトル長が短い場合には、衛星ｉをどちらのアンテナ位置から見ても視線方向は殆ど同じであるので、方向余弦ｈ(i)はアンテナ要素Ａ，Ｂの両者について同じ値を使用する。
ＲAB (i)＝ｈ（ｉ）・ｂ （４７）
In step ST22-3, the basic
R AB (i) = h (i) · b (47)
しかしながら、上記式（４７）中に示すＲAB (i)は未知量であるから、代わりに、次に示すＳＤAB (i)、つまり搬送波位相ΦAと搬送波位相ΦBとの差を利用する。
なお、搬送波位相Φは代わりに、ドップラーシフトΔｆ（サイクル／秒）、あるいは、擬似距離変化率ｄＲ／ｄｔ（ｍ／秒）を用いてもよい。ここで、ドップラーシフトΔｆを利用する場合の例では、Δｆ・Δｔ・λ（ｍ／秒）を基に、積分して距離差を算出する。ただし、λは波長（ｍ）を示す。一方、擬似距離変化率を利用する場合の例では、ｄＲ／ｄｔ（ｍ／秒）を基に、積分して距離差を算出する。
However, since R AB (i) shown in the equation (47) is an unknown quantity, instead, the following SD AB (i) , that is, the difference between the carrier phase Φ A and the carrier phase Φ B is used. .
Instead of the carrier phase Φ, a Doppler shift Δf (cycle / second) or pseudorange change rate dR / dt (m / second) may be used. Here, in the example of using the Doppler shift Δf, the distance difference is calculated by integration based on Δf · Δt · λ (m / sec). However, (lambda) shows a wavelength (m). On the other hand, in the case of using the pseudo distance change rate, the distance difference is calculated by integration based on dR / dt (m / second).
基線ベクトル検出手段３における位相検出部が出力する搬送波位相Φは、下記式（４８）で表される。下記式中の各記号の右上に付した添字（ｉ）は、その記号で示す数量が衛星ｉについての値であることを示している。また。各記号への右下の添字Ｘは、その記号で示す数量がアンテナＸで受信された値に対応することを示している。
ΦX (i)＝ＲX (i)＋ｅsX (i)＋ｅrX＋ＮX (i)λ （４８）
ｅc＝ｃΔｔsv＋Ｅ＋（ｃΔｔtrop＋ｃΔｔion）
ｅr＝ｃΔｔr＋β＋ｍｐ
ただし、ΦX (i)はアンテナＸで受信された搬送波位相φ（波数）・λ（ｍ）である。ＲX (i)は衛星とアンテナＡ間の正確な距離（ｍ）、ｅsX (i)は衛星関連誤差（ｍ）である。ｅrXは受信機関連の誤差（ｍ）、ＮX (i)はアンテナＸで受信した搬送波位相における波数アンビギュイティ（整数）である。λはＧＰＳ電波の波長（Ｌ１電波：０．１９０３ｍ）である。ｃは光の速度、Δｔrは受信機時計のバイアス誤差、Δｔionは対流圏での伝播遅延誤差、Δｔtropはオゾン層での伝播遅延誤差、Δｔsvは衛星時計のバイアス誤差、ｍｐはマルチパス誤差、Ｅは放送されたｅｐｈｅｍｅｒｉｓデータの誤差、βは位相トラッキング誤差である。
The carrier phase Φ output from the phase detector in the baseline vector detection means 3 is expressed by the following equation (48). The subscript (i) attached to the upper right of each symbol in the following formula indicates that the quantity indicated by the symbol is a value for satellite i. Also. The subscript X at the lower right of each symbol indicates that the quantity indicated by that symbol corresponds to the value received by the antenna X.
Φ X (i) = R X (i) + e sX (i) + e rX + N X (i) λ (48)
e c = cΔt sv + E + (cΔt trop + cΔt ion )
e r = cΔt r + β + mp
Here, Φ X (i) is the carrier phase φ (wave number) · λ (m) received by the antenna X. R X (i) is the exact distance (m) between the satellite and antenna A, and e sX (i) is the satellite related error (m). erX is a receiver-related error (m), and N X (i) is a wave number ambiguity (integer) in the carrier phase received by the antenna X. λ is the wavelength of the GPS radio wave (L1 radio wave: 0.1903 m). c is the speed of light, Delta] t r is the bias error of the receiver clock, Delta] t ion propagation delay error in the troposphere, Delta] t trop propagation delay error in the ozone layer, Delta] t sv is the satellite clock bias error, mp multipath The error, E is the error of the broadcast ephemeris data, and β is the phase tracking error.
従って、２つのアンテナ要素Ａとアンテナ要素Ｂとで観測した衛星ｉからの搬送波位相の差、ＳＤAB (i)＝ΦA (i)−ΦB (i)は次のようになる。
ＳＤAB (i)＝ΦA (i)−ΦB (i)
＝（ＲA (i)−ＲB (i)）＋（ｅsA (i)−ｅsB (i)）＋（ＮA (i)−ＮB (i)）λ （４９）
ここで、上記式（４９）の（ ）中を、ＲAB (i)＝ＲA (i)−ＲB (i)、ｅsAB (i)
＝ｅsA (i)−ｅsB (i)、ｅrAB＝ｅrA−ｅrB、ＮAB (i)＝ＮA (i)−ＮB (i)で表すと、下記式（５０）のようになる。
ＳＤAB (i)＝ΦA (i)−ΦB (i)
＝ＲAB (i)＋ｅrAB＋ＮAB (i) （５０）
Accordingly, the difference in carrier phase from satellite i observed by the two antenna elements A and B, SD AB (i) = Φ A (i) −Φ B (i) is as follows.
SD AB (i) = Φ A (i) −Φ B (i)
= (R A (i) -R B (i)) + (e sA (i) -e sB (i)) + (N A (i) -N B (i)) λ (49)
Here, in () of the above formula (49), R AB (i) = R A (i) −R B (i) , e sAB (i)
= E sA (i) -e sB (i), e rAB = e rA -e rB, is represented by N AB (i) = N A (i) -N B (i), the following equation (50) become.
SD AB (i) = Φ A (i) −Φ B (i)
= R AB (i) + erAB + N AB (i) (50)
上記式（５０）において、上記式（４９）中の衛星要因誤差ｅsAB (i)＝ｅsA (i)−ｅsB (i)の項がアンテナ要素Ａ，Ｂ間で共通項であるので０となり消去されている。
また、受信機要因誤差ｅrAB＝ｅrA−ｅrBの項はクロック誤差が主成分である。従って、受信機のクロックをアンテナ要素Ａ，Ｂ間で共通にしていることから、受信機要因誤差は消去されるので、以後この項を無視する。
In the above formula (50), satellite factor error in the formula (49) e sAB (i) = e sA (i) term is the antenna element A of -e sB (i), because it is a common term between
Further, the term receiver factors error e rAB = e rA -e rB clock error is the main component. Therefore, since the receiver clock is shared between the antenna elements A and B, the receiver factor error is eliminated, and this term is ignored thereafter.
ＳＤAB (i)を利用することを考えると、上記式（４７）は下記式（５１）のように表せる。
ＳＤAB (i)＝ΦA (i)−ΦB (i)＝ＲAB (i)＋ＮAB (i)λ＝ｈ（ｉ）・ｂ （５１）
さらに、移動体の姿勢ベクトルである基線ベクトルｂの３次元先端座標は、３つの未知要素ｘ，ｙ，ｚで構成されている。従って、以降では、３つのＧＰＳ衛星からの航法電波を一対のアンテナで同時に受信して、３衛星別の受信機間位相差についての３元一次連立方程式をたてて、これを姿勢ベクトルの先端座標を求める下記式（５２）に従って解く。なお、説明の便宜上、下記式では姿勢ベクトルの先端座標をｂとしている。
また、上記式（５２）を詳細に示せば、下記式（５３）のように表せる。
SD AB (i) = Φ A (i) −Φ B (i) = R AB (i) + N AB (i) λ = h (i) · b (51)
Further, the three-dimensional tip coordinates of the base line vector b, which is the posture vector of the moving body, are composed of three unknown elements x, y, and z. Therefore, in the following, navigation radio waves from three GPS satellites are simultaneously received by a pair of antennas, and a ternary simultaneous equation for the phase difference between the receivers for each of the three satellites is established, and this is used as the tip of the attitude vector. Solve according to the following equation (52) for obtaining coordinates. For convenience of explanation, the tip coordinate of the posture vector is b in the following formula.
Moreover, if the said Formula (52) is shown in detail, it can represent like the following formula (53).
実施の形態６において、電源が維持されている限りあるいは受信が継続している限り、時々電波受信が途切れるようなことがあっても、Ｎは一定であるし、方向余弦ｈも衛星が遠方にあるために短かい期間内ではほんのわずかしか変化しないので、上記式（５３）の右辺第２項は、略一定の値をとることになる。つまり、基線ベクトルｂの先端座標は中心が一定値だけオフセットした半径Ｒ（基線長）の球面上に分布した軌跡を描くことが推定できる。実際には除去できなかった受信機固有の残留ノイズ誤差ｗなどが残っているので、球面上を中心としてランダムに分布すると考えられる。 In the sixth embodiment, as long as the power supply is maintained or the reception is continued, even if radio wave reception may be interrupted from time to time, N is constant and the direction cosine h is also distant from the satellite. For this reason, it changes only slightly within a short period, and the second term on the right side of the above equation (53) takes a substantially constant value. That is, it can be estimated that the tip coordinates of the base line vector b draw a locus distributed on a spherical surface having a radius R (base line length) whose center is offset by a certain value. Since the residual noise error w inherent to the receiver that could not be removed actually remains, it is considered that the receiver is randomly distributed around the spherical surface.
本実施の形態６では、上述のような未知の量が短期間内で一定のオフセットと見なせることを、図２２に示したフローチャート中の破線で囲った部分の処理（ステップＳＴ２２―５からステップＳＴ２２−８まで）で利用して基線ベクトルの始点座標を求める。なお、これらの処理は、基線ベクトル検出手段３内の基線ベクトル始点推定手段（不図示）が実行するものであり、説明の便宜上基線ベクトル検出手段３による処理として説明する。
In the sixth embodiment, the fact that the unknown quantity as described above can be regarded as a constant offset within a short period of time is processed in the part surrounded by the broken line in the flowchart shown in FIG. 22 (from step ST22-5 to step ST22). -8)) to obtain the starting point coordinates of the baseline vector. These processes are executed by a baseline vector start point estimation unit (not shown) in the baseline
以上の説明ではクロックを共通化した場合について示したが、クロックを共通化してない複数のＧＰＳ受信機を利用して系を構成したような場合、上記式（５３）で求めた基線ベクトルｂは受信機クロック誤差を含んでいる。これに対し、受信機クロック誤差を除去することを目的として、先に示した受信機間差ＳＤの、さらに衛星間での差（受信機間衛星間２重差）を求めてもよい。この場合は、汎用のＧＰＳ受信機を利用できるメリットがあるが、衛星数が１つ余分に必要となるデメリットもある。２重位相差により受信機要因誤差が除去されることの説明は発明の趣旨説明からは外れるために省略する。 In the above description, the case where the clock is shared is shown, but when the system is configured using a plurality of GPS receivers that do not share the clock, the baseline vector b obtained by the above equation (53) is Includes receiver clock error. On the other hand, for the purpose of eliminating the receiver clock error, the difference between the receivers SD described above and the difference between the satellites (double difference between the satellites between the receivers) may be obtained. In this case, there is an advantage that a general-purpose GPS receiver can be used, but there is also a disadvantage that an extra number of satellites is required. The description that the receiver factor error is removed by the double phase difference is omitted from the description of the gist of the invention.
次に、図２２に示したフローチャート中の破線で囲った部分の処理（ステップＳＴ２２―５からステップＳＴ２２−８まで）である、図１９中に示した基線ベクトルの始点座標の推定処理について述べる。図２３及び図２４は基線ベクトルの始点候補座標の算出アルゴリズムの説明図である。 Next, the process of estimating the start point coordinates of the base line vector shown in FIG. 19, which is the process (from step ST22-5 to step ST22-8) of the portion surrounded by the broken line in the flowchart shown in FIG. FIG. 23 and FIG. 24 are explanatory diagrams of the calculation algorithm of the starting point candidate coordinates of the baseline vector.
ステップＳＴ２２−５において、基線ベクトル検出手段３は、角速度が一定以上か否かを終点座標のΔｔ秒毎の推移を基に判定する。具体的には、図２３に示すように、終点推移ベクトルの前回値ｖｅｃ１の絶対値、そして終点座標の推移値ベクトルの今回値ｖｅｃ２の絶対値が、共に所定値以上であるか否か評価する。つまり、例えばΔθxy／Δｔが０．００５／Ｒ（Ｒはアンテナ間基線長で例えば０．６ｍ）よりも大きいｘｙ面上の角速度で、基線ベクトル終点座標が移動し続けた場合に限って基線ベクトルの始点座標を算出する。
In step ST22-5, the baseline
ステップＳＴ２２−６において、基線ベクトル検出手段３は、ステップＳＴ２２−５における角速度が一定以上であると、先端座標推移を基に始点候補座標を算出する。具体的には、観測値を基に算出した基線ベクトル先端座標の系列（ｐ１，ｐ２，ｐ３，・・・）を基に、順次基線ベクトルの始点座標を下記のようにして求める。但し、ｐ１は基線ベクトルの終点の前々回値（２Δｔ秒前）であり、ｐ２は基線ベクトルの終点の前回値（Δｔ秒前）であり、ｐ３は基線ベクトルの終点の今回値（現在）である。
In step ST22-6, if the angular velocity in step ST22-5 is greater than or equal to a certain value, the baseline
新たな搬送波位相の観測値ｄｉを、例えば１秒ごとに得る度に、その観測値を含めた３連続の観測値（ｄi，ｄi-1，ｄi-2）について、基線ベクトルの先端（終点）座標ｐ１，ｐ２，ｐ３を求め、さらに、その移動（変分）ベクトルｖｅｃ１、ｖｅｃ２を求める。ｖｅｃ１とｖｅｃ２を含む面の法線を得るために、ｖｅｃ１とｖｅｃ２の両者に直交するベクトルｍ１（＝ｖｅｃ１・ｖｅｃ２）（ｖｅｃ１とｖｅｃ２との外積ベクトルの方向余弦）を求める。なお、・は外積を示している。 For example, every time a new carrier phase observation di is obtained every second, for the three consecutive observations (d i , d i-1 , d i-2 ) including that observation, the tip of the baseline vector The (end point) coordinates p1, p2, and p3 are obtained, and the movement (variation) vectors vec1 and vec2 are obtained. In order to obtain the normal of the surface including vec1 and vec2, a vector m1 (= vec1 · vec2) (direction cosine of the outer product vector of vec1 and vec2) orthogonal to both vec1 and vec2 is obtained. Note that · indicates an outer product.
次に、ベクトルｍ１に平行な方向余弦ｈ１（＝ｍ１／｜ｍ１｜）を求める。三角形の頂点ｐ２が上（ｚ軸の正方向）に凸かあるいは下（ｚ軸の負方向）に凸か（ｖｅｃ１z／｜ｖｅｃ１xy｜とｖｅｃ２z／｜ｖｅｃ２xy｜との比較結果）に応じて、ｈ１の極性を変更（−１をかける）する（図２４参照）。なお、ベクトルｖｅｃ１zは終点推移ベクトルの前回値のｚ方向成分であり、ベクトルｖｅｃ２zは終点推移ベクトルの今回値のｚ方向成分である。 Next, a direction cosine h1 (= m1 / | m1 |) parallel to the vector m1 is obtained. If the apex p2 of the triangle is convex upward (positive direction of the z-axis) or convex downward (negative direction of the z-axis) (comparison result of vec1 z / | vec1 xy | and vec2 z / | vec2 xy |) Accordingly, the polarity of h1 is changed (multiply by -1) (see FIG. 24). The vector vec1 z is the z-direction component of the previous value of the end point transition vector, and the vector vec2 z is the z-direction component of the current value of the end point transition vector.
続いて、三角形の頂点ｐ１，ｐ２，ｐ３の重心ｏ１｛＝（ｐ１＋ｐ２＋ｐ３）／３｝を求める。ここで、重心ｏ１を始点とし、図２３に示すように、ｏ１からの距離がアンテナ要素の設置間隔Ｒ（既知量）だけ離れたｈ１方向の点ｃ１を終点とする半径ベクトルｒ１（基線ベクトルノルム＊ｍ１）を求める。半径ベクトルｒ１に始点ベクトルｏ１を加えて、未知座標上の基線ベクトル始点候補座標ｃ１を求める。なお、ステップＳＴ２２−６において、求めた終点座標の水平２次元座標系における２次元の今回値と前回値を基に該水平２次元座標系上の始点座標候補を逐次求めてもよい。 Subsequently, the center of gravity o1 {= (p1 + p2 + p3) / 3} of the vertices p1, p2, and p3 of the triangle is obtained. Here, a radius vector r1 (baseline vector norm) starting from the center of gravity o1 and ending at a point c1 in the h1 direction at a distance from o1 separated by an antenna element installation interval R (known amount) as shown in FIG. * Find m1). The starting point vector o1 is added to the radius vector r1 to obtain the base line vector starting point candidate coordinates c1 on the unknown coordinates. In step ST22-6, starting point coordinate candidates on the horizontal two-dimensional coordinate system may be sequentially obtained based on the two-dimensional current value and the previous value of the obtained end point coordinate in the horizontal two-dimensional coordinate system.
ステップＳＴ２２−７において、基線ベクトル検出手段３は、ステップＳＴ２２−６に続けて、始点候補座標値が妥当な範囲、具体的には、それまでに推定した始点座標からの推移が基線ベクトル長以内に入っているかを評価する。ステップＳＴ２２−８において、基線ベクトル検出手段３は、始点候補座標が妥当な範囲内のものであったら、始点候補座標を基に始点座標を推定し、次回更新まで保持する。始点座標推定の動作・作用の具体例は次のようである。
In step ST22-7, the base line vector detection means 3 continues to step ST22-6, and the start point candidate coordinate value is within a reasonable range, specifically, the transition from the start point coordinates estimated so far is within the baseline vector length. Evaluate whether it is in. In step ST22-8, if the starting point candidate coordinates are within a reasonable range, the base line
図２３に示したような始点候補座標ｃ１を得る度に、例えばｃ１時系列の分散を移動的に評価して、分散がより小さい場合ほどｃ１による寄与が大きく、逆に分散が大きいほどｃ１による寄与が小さくなるように、また処理の経過と共に言わば観測値であるｃ１の寄与が小さくなるように、前回求めた始点座標推定値Ｃ１を変更する（カルマン推定）。 Each time the starting point candidate coordinate c1 as shown in FIG. 23 is obtained, for example, the variance of the c1 time series is evaluated movably. The smaller the variance, the greater the contribution by c1, and vice versa. The start point coordinate estimated value C1 obtained last time is changed (Kalman estimation) so that the contribution becomes small and, as the process progresses, the contribution of the observed value c1 becomes small.
ステップＳＴ２２−９において、姿勢演算手段４は、推定処理条件が満たされない場合、それまでに求めた基線ベクトルｂの始点推定値Ｃに基づいて姿勢を逐次算出する。具体的に説明すると、基線ベクトルの先端座標Ｐ１と平滑化始点座標値Ｃ１とを基にして方位を、ａｔａｎ（（Ｐ１x−Ｃx）／（Ｐ１y−Ｃy））・１８０／π（度）から計算する。結果が負であれば３６０度を加えて、計算値を補正し、北が０度の時計回りで３６０度までで表現される方位を得る。同様にして、前後傾斜角を、ａｔａｎ（（Ｐ１z−Ｃz／（Ｐ１ｚ−Ｃｚ））・１８０／π（度）から計算する。上述のようにして得られた基線ベクトルの始点座標、先端（終点）座標を基に、姿勢演算手段４は、移動体の姿勢を求める（ステップＳＴ２２−１０）。
In step ST22-9, when the estimation processing condition is not satisfied, the
以上のように、この実施の形態６によれば、比較的に小さな演算資源を利用できる割に信頼性の高い演算結果を迅速に得ることができる。また、一旦結果が得られた後は装置電源を落とさない限り、保持された演算結果を継続的に利用できる。このため、市街地のような衛星視野の狭いところに移動して受信衛星電波数が４つ未満となっても、受信できた衛星の電波信号のみを使用して、３つなら３次元姿勢を、２つなら２次元姿勢を求めることができる。さらに、アンテナ要素（を搭載した移動体）が低速度あるいは静止状態であっても問題なく、アンテナあるいはアンテナを装着した移動体の姿勢情報を得ることができる。 As described above, according to the sixth embodiment, it is possible to quickly obtain a highly reliable calculation result while using a relatively small calculation resource. Further, once the result is obtained, the stored calculation result can be continuously used unless the apparatus power is turned off. For this reason, even if it moves to a place with a narrow satellite field of view such as an urban area and the number of received satellite radio waves is less than 4, using only the radio wave signals of the received satellites, if it is 3, the 3D attitude is If there are two, a two-dimensional posture can be obtained. Further, even if the antenna element (the mobile body on which the antenna element is mounted) is at a low speed or in a stationary state, the posture information of the antenna or the mobile body equipped with the antenna can be obtained without any problem.
１ アンテナ（アンテナ手段）、１−１〜１−３ 受信要素、２ 衛星方向獲得手段、３ 基線ベクトル検出手段、３−１，３−２ 基線ベクトル検出部、３−１−１〜３−１−３ 位相検出部、３ａ 衛星選択部、３ｂ 基線ベクトル演算部、４ 姿勢演算手段、５ 角速度検出手段、６ ＩＮＳ姿勢演算手段、７ 速度検出手段、８ 位置演算手段、９ 提示／制御手段、１０ ジャイロ、１１ Ａ／Ｄ変換器、１２ 固定オフセット補償部、１３，１４，１７ 演算器、１５ 積分器、１６ 補償演算部、１８，２９ 無線通信部／放送受信部（通信部）、１９ 無線アンテナ、２０ 放送衛星、２１ レシーバ、２２ 衛星方向情報提供サーバ、２３ ネットワーク、２４ａ，２４ｂ 無線通信基地局、２５ ローカル位置獲得部、２６ 衛星位置獲得部、２７ 候補位置記憶部、２８ 候補選択部、３０ 位置情報提供サーバ。
DESCRIPTION OF
Claims (13)
前記アンテナ手段の受信要素又は前記移動体の位置若しくはこれを近似する概略の位置に関する情報に基づき求められる位置から前記測位衛星への視線方向を規定する衛星方向情報を求める衛星方向獲得手段と、
少なくとも２つの前記測位衛星から受信した航法電波について前記受信要素における位相差をそれぞれ求め、これら位相差及び前記衛星方向情報に基づいて、前記測位衛星からの航法電波を受信している少なくとも一対の前記受信要素の組み合わせの基線ベクトルを検出する基線ベクトル検出手段と、
前記基線ベクトル検出手段が検出した基線ベクトルにより規定される姿勢を前記移動体の姿勢として算出する姿勢演算手段と
を備えた移動体姿勢検出装置。 Antenna means provided on a moving body and arranged with a plurality of receiving elements for receiving navigation radio waves from positioning satellites;
Satellite direction acquisition means for obtaining satellite direction information defining a line-of-sight direction from the position obtained based on the receiving element of the antenna means or the position of the moving body or the approximate position approximating it to the positioning satellite;
At least a pair of the radio waves received from the positioning satellites are obtained based on the phase difference and the satellite direction information, respectively, with respect to the navigation radio waves received from the at least two positioning satellites. Baseline vector detection means for detecting a baseline vector of a combination of receiving elements;
A moving body posture detecting device comprising: posture calculating means for calculating a posture defined by the baseline vector detected by the baseline vector detecting means as the posture of the moving body.
13. The baseline vector detecting means is characterized in that there is no observation process in a step where the candidate value of the starting point coordinate is separated from the estimated value of the starting point coordinate estimated by the Kalman by the previous processing step by a predetermined distance or more. The moving body attitude | position detection apparatus of description.
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