JP4976948B2

JP4976948B2 - 姿勢計測装置

Info

Publication number: JP4976948B2
Application number: JP2007193350A
Authority: JP
Inventors: 孝二林; 定雄佐藤; 優福田
Original assignee: Furuno Electric Co Ltd
Current assignee: Furuno Electric Co Ltd
Priority date: 2007-07-25
Filing date: 2007-07-25
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2027-07-25
Also published as: GB2451348A; JP2009031042A; GB0813587D0; US7987049B2; GB2451348B; US20090030612A1

Description

本発明はＧＰＳ及び慣性センサに基づいて、移動体の少なくとも姿勢及び方位を計測する姿勢計測装置において、受信不能となった（以後、捕捉ＯＦＦと呼ぶ）測位衛星の方向を移動体で定義された基準方向に対する方向に変換し、該方向に基づいて決められた遮断領域の情報と、前記慣性センサの異常信号の発生情報とに基づいて、前記姿勢計測装置の装備適否を判定できる情報を提供する技術に関する。

ＧＰＳを用いて移動体の位置、速度、姿勢及び方位などを計測する姿勢計測装置は通常、複数のＧＰＳアンテナで受信した測位信号に基づいて、位置、速度、姿勢及び方位を出力するＧＰＳ受信機と、慣性センサと、該慣性センサ出力とＧＰＳ受信機出力とを統合して、より高品質の位置、速度、姿勢及び方位を得るための統合演算部で構成される。また、複数のＧＰＳアンテナは必要条件ではなく、１個のＧＰＳアンテナ構成による姿勢計測装置も考えられている。この場合は、ＧＰＳ受信機から姿勢情報が得られないため、慣性センサからの加速度情報を用いて姿勢を算出するか，または磁気センサなどの支援センサを必要とする。最近は，小型化のためにＧＰＳアンテナと慣性センサ及び演算部が一体化される構造の傾向にある．

特開2000-269722 特開平9-297171

このような構成のＧＰＳを用いた姿勢計測装置はマルチパスや電波遮断の少ない場所に、振動や衝撃が少ない状態で装備することが、本来の性能を発揮し信頼できる出力を得るための必要条件となる。しかし、設置した場所及び装備状態が適切であるかどうかを現場で判定することが難しいために、必ずしも適切な場所に適切な状態で装備されていることの確認が困難であった。

もし、不適切な装備の場合、姿勢計測装置自身の故障か、或いは装備場所または装備状態の不具合に起因しているのかの判定（以下、装備適否の判定と呼ぶ）ができないために、その解決に手間取ることになる。従来の姿勢計測装置は、信号を捕捉している衛星数及びその衛星位置、または使用衛星の配置に関係するＤＯＰ（Dilution of Precision)などの情報を表示しているものの、装備適否の判定に役立つ情報，即ち，装備場所が不適切のために、障害物による測位電波の遮断で生じた捕捉ＯＦＦか、または装備状態の悪さのために、振動、衝撃による捕捉ＯＦＦかを分離し，判定できる情報を提供する姿勢計測装置はない。

特許文献１は、複数のアンテナの受信信号レベルの差に基づいて、障害物による電波遮蔽を判定し、発生時の警報若しくは表示を行なう技法を開示している。しかし、この方法では、複数のアンテナを必要とする。また、仮に複数のアンテナ構成であっても、2個のアンテナの場合、障害物とアンテナが一直線になる場合は共に電波遮断が生じるので、アンテナ間の受信信号レベル比較技法は適用できない。また、この技法は装備適否に起因する不具合が判定できる情報を提供するものではない。

また、特許文献２は、測位用衛星信号の捕捉の成否、捕捉数、受信レベル比較、測位用衛星の仰角の妥当性などに基づき、信号受信の追尾の成否を判別することによって、受信機が屋内外にいるかどうかを知る技法を開示している。しかし、この技法は電波遮断を利用して監視対象物の屋内外の何れに存在するかを検出する技術であり、装備適否に起因する不具合が判定できる情報を提供するものではない。

本発明は係る問題に鑑みてなされたものであり、姿勢計測装置の装備場所の適否に起因して生じる障害物による電波遮断で捕捉ＯＦＦしたのか、または装備状態の適否に起因する振動、衝撃などによって捕捉ＯＦＦしたのかを分離して判定できる姿勢計測装置を提供するものである。

上述の課題を解決するために、本発明は、測位信号を捕捉ＯＦＦした測位衛星の方向に基づいて、測位信号の遮断を惹起するであろう遮断領域を遮断領域推定部で推定すると共に、慣性センサの異常信号を検出するセンサ信号異常判定部を設けて、遮断領域推定部で推定された遮断領域に関する情報と、センサ信号異常判定部で生成された慣性センサの異常信号に関する情報とに基づいて、姿勢計測装置の不具合原因が装備場所にあるのか、または装備状況にあるのかを分離して判定するための情報を異常出力部において提供する。異常出力部で提供されたされた情報に基づいて、装備場所が悪いために、障害物による測位電波の遮断で生じた捕捉ＯＦＦか、または装備状態が悪いために、振動・衝撃による捕捉ＯＦＦかを分離して判定できるようになる。

また、本発明は、航法座標系または地球中心座標系における測位衛星の方向を移動体基準の方向に変換し、該移動体基準の方向に基づいて、移動体基準の捕捉ＯＦＦ衛星の遮断領域を推定することによって、捕捉ＯＦＦとなった衛星の測位電波を遮断する移動体上の障害物が容易に推定できるようになる。

また、本発明は、姿勢計測装置の不具合原因が装備場所にあるのか、または装備状況にあるのかを分離して判定するための情報として、捕捉ＯＦＦの発生時、或いは捕捉ＯＦＦの発生の領域における捕捉ＯＦＦの発生回数を計数し、該計数値が所定の閾値を超えた時に、遮断領域に関する情報を異常出力部で生成するようにする。尚、捕捉ＯＦＦの発生回数は、航法演算に使用する衛星数、移動体の速度、移動体の旋回レートの、少なくともいずれかを条件として計数するようにしてもよい。

また、本発明は、姿勢計測装置の不具合原因が装備場所にあるのか、または装備状況にあるのかを分離して判定するための情報として、慣性センサの異常信号の発生時、或いは慣性センサの異常信号の発生回数が所定の閾値を超えた時に、異常信号に関する情報を異常出力部で生成する。尚、慣性センサの異常信号の発生回数は、航法演算に使用する衛星数、移動体の速度、移動体の旋回レートの、少なくともいずれかを条件として計数するようにしてもよい。

また、本発明は、異常出力部において、少なくとも音声、図表、文字のいずれかの方法によって姿勢計測装置の不具合原因が装備場所にあるのか、または装備状況にあるのかを分離して判定するための情報を生成し、提供する。ここで、姿勢計測装置の装備適否を判定するための情報は、データ更新毎に更新される情報とするか、或いは過去の所定の期間に亘る上記の装備適否を判定するための情報の履歴が分かる情報として提供するようにしてもよい。

更に、捕捉ＯＦＦの遮断領域がある場合、例えば、捕捉ＯＦＦが最多の遮断領域とするなどの一部の遮断領域の情報を提供するか、または全ての情報を提供するようにしてもよい。同様に、複数の慣性センサの異常信号の発生がある場合、例えば、異常信号の発生が最多の慣性センサの異常信号とするなどの一部の情報を提供するか、または全ての情報を提供するようにしてもよい。

本発明によれば、障害物による捕捉ＯＦＦ情報と、慣性センサ出力信号異常発生頻度とを独立に検出することによって、表１に示すように、捕捉ＯＦＦの原因が姿勢計測装置の装備場所の適否にあるのか、または装備状態の適否にあるのかを分離して判定できるようになる。また、捕捉ＯＦＦした衛星の方位を移動体を基準とする方向を含む遮断領域に変換することによって、この領域に存在する電波遮断の障害物を特定することができるようになる。

図１に本発明に係る姿勢計測装置の機能構成図を示す．図１において，ＧＰＳ演算部２はアンテナ１で受信したＧＰＳ衛星からの測位信号を捕捉・追尾し、公知の方法により位置、速度、方位を含む姿勢情報など（以下、ＧＰＳデータと呼ぶ）を演算し、統合演算部３に入力する。尚、複数のＧＰＳアンテナ構成であれば、ＧＰＳ演算部２出力に移動体の方位情報を得ることができるが、１個のＧＰＳアンテナの場合、3軸の加速度センサを具備する構成とすれば、航法演算部５において真の移動体の方位を得ることができる。尚、磁気センサまはた方位センサなどの外部センサ追加することで、必ずしも加速度センサは必要としない。

慣性センサ３は３軸加速度センサと３軸角速度センサで構成され、各軸成分の加速度信号及び角速度信号を出力する。尚、３軸加速度センサ及び３軸角速度センサ構成は本発明を実施するための必要条件ではなく、少なくとも複数の角速度センサのみで構成するようにしてもよい。

統合演算部３は慣性センサ４から得られた慣性センサ信号とＧＰＳデータを用いて、公知の方法でＧＰＳデータの諸誤差及び慣性センサ誤差を推定し、補正することによって、より高精度の位置、速度、姿勢及び方位をユーザに出力する。

遮断領域推定部５は、ＧＰＳ演算部２から得られた捕捉衛星の捕捉情報から捕捉ＯＦＦを認知したとき、捕捉ＯＦＦ直前の捕捉衛星の位置、移動体の位置から航法座標系または地球中心座標系における捕捉ＯＦＦ衛星の方位、仰角で決まる捕捉ＯＦＦ衛星の方向を算出する。そして、該捕捉ＯＦＦ衛星の方向を移動体基準の方向に変換し、該移動体基準の方向に基づいて遮断領域を決定する。尚、捕捉ＯＦＦ衛星の方向はＧＰＳ演算部２から得るようにしても良い．この場合は、遮断領域推定部５で捕捉ＯＦＦ衛星の方位を求める演算が省ける。

移動体基準の遮断領域は、航法座標系または地球中心座標系における測位衛星の方向を移動体座標系のX-Y平面上へ投影した移動体基準の方向に対して、所定の角度幅で決められた領域として決定する。また、上記のX-Y平面において、移動体を中心として全方位（３６０度）を少なくとも９０度以下の所定の角度幅で分割した複数の分割領域を予め決めておき、該分割領域に該当する上記の移動体基準の方向を遮断領域とすることもできる。

更に、航法座標系または地球中心座標系における測位衛星の方向から、変換された移動体基準の方向を中心とする所定の角度幅の立体角で決まる領域としてもよい。この場合は、捕捉ＯＦＦ衛星の遮断領域を３次元で決定することができるから、電波遮断の障害物をより特定し易くなるかもしれない。
遮断領域推定部５で計算された遮断領域は，装備適否の判定するための情報として，異常出力部７に送られる。

図２に本発明に係わる遮断領域推定部５の処理フロー図を示す。図２において、ステップ１で捕捉衛星数、各衛星毎の捕捉情報、捕捉衛星の位置（または、捕捉衛星の方位、仰角）、移動体の位置及び方位などのデータを読み込む。ステップ２は捕捉衛星数、各衛星毎の捕捉情報に基づいて、捕捉している全衛星の捕捉状態の変化を検出する。前回のデータ読み込み時に対して、今データ読み込み（以後、データ更新と呼ぶ）でi衛星が捕捉ＯＦＦであれば、ステップ３に進み、i衛星用の捕捉ＯＦＦ回数を計数するための捕捉ＯＦＦカウンターＣ(i)を歩進し、捕捉ＯＦＦでなければ、次の衛星の捕捉状態をチェックすべきステップ６に進む。

ステップ４はステップ３の捕捉ＯＦＦカウンターの計数値であるＣ(i)値と、予め決定された閾値Ｃth(i)とを比較し、Ｃ(i)が閾値Ｃth(i)を超えたかどうかを判定し、超えた場合はステップ５に進み、超えない場合は、次の衛星の捕捉状態をチェックすべきステップ６に進む。ステップ５において、移動体の基準方向に対する捕捉ＯＦＦの衛星方向を算出し、該方向に基づいて、遮断領域を推定し、該遮断領域を出力する。ステップ７で捕捉している全衛星についてチェックが完了するまでステップ２からステップ７を繰り返す。

尚、ステップ３における捕捉ＯＦＦカウンターの計数値Ｃ(i)は、航法演算に使用する衛星数、移動体の速度、移動体の旋回レートなどの少なくともいずれか条件を満したときに計数するようにしてもよい。例えば、捕捉ＯＦＦ後の航法演算に使用する衛星数が航法演算に必要な最低数を満たしている場合は、捕捉ＯＦＦ発生回数の計数しないようにするようにしてもよい。また、移動体がセンサのダイナミック・レンジ近くの高速時や高旋回レートの場合は異常信号の計数はしないことも考えられる。また、捕捉ＯＦＦが生じたとき、ステップ３及びステップ４の処理を行なわないでステップ５にジャンプするようにしてもよい。

センサ信号判定部６は慣性センサ４から得られた慣性センサ信号を以下のようにして決めた閾値と比較することによって、センサ信号の異常信号の発生を検出する。加速度センサを使用する場合、加速度センサの異常信号を検出するための閾値（以下、加速度センサ異常検出閾値と呼ぶ）は、例えば、データ更新前と更新後の加速度センサ信号変化に基づいて決定してもよい。この場合、データ更新前の加速度センサ信号は所定の行進期間における平均値とするか、または１つ過去のデータ更新の加速度センサ信号としてもよい。

また、加速度センサの異常信号の発生が移動体の速度に関係することに着目し、ＧＰＳ演算部２または統合演算部３から得られた速度にある係数を乗じた値によって加速度センサ異常検出閾値を決定するようにしてもよい。また、ＧＰＳ演算部２または統合演算部３から得た移動体の速度変化から計算した加速度に基づいて決めることもできる。上述のいづれかで求めた加速度センサ異常検出閾値は、移動体の速度または角速度（移動体の旋回速度）の大きさによって、補正するようにしてもよい。

また、角速度センサを使用する場合、角速度センサの異常信号を検出するための閾値（以下、角速度センサ異常検出閾値と呼ぶ）は、例えば、データ更新前と更新後の変化に基づいて決定してもよい。この場合、データ更新前の角速度センサ信号は所定の更新期間における平均値とするか、または１つ過去のデータ更新の角速度センサ信号としてもよい。また、角速度センサ異常検出閾値は、複数のアンテナ構成の場合はＧＰＳ演算部２から得られた複数のアンテナ間で形成される基線べクトルの位置変化率から計算した角速度に基づいて決定することもできる。

加速度センサ信号が加速度センサ異常検出閾値を超えた場合、加速度異常信号カウンターを一つ歩進させる。同様に、角速度センサ信号が角速度センサ異常検出閾値を超えた場合、角速度異常信号カウンターを一つ歩進させる。

上述の加速度異常信号カウンターまたは角速度異常信号カウンターの歩進は、例えば、航法演算に使用する衛星数基づいて決定された条件を満たしたときに歩進するようにしてもよい。慣性センサの異常信号の発生に起因して捕捉ＯＦＦとなっても、残存捕捉数衛星数が航法演算に必要な最低数を満たしていれば、異常カウンターを歩進させず、満たさないときのみにカウンターを歩進するようにしてもよい。また、歩進条件は、残存捕捉数衛星数の他に、移動体の速度、移動体の旋回レートのいずれか，またはいずれかの併用にもとづいて決定してもよい。

加速度センサと角速度センサが併用される場合、それぞれ、加速度異常信号カウンターと角速度異常信号カウンターを設けて、それぞれ別個に歩進するか、または1個の共通な異常信号カウンターで歩進するようにしてもよい。

また、複数の加速度センサが或る場合、加速度センサ異常検出閾値や、加速度異常信号カウンターは個々のセンサに対して個別に設けるか、或いは共用としてもよい。同様に、複数の角速度センサが或る場合、個々のセンサに対して角速度センサ異常検出閾値や角速度異常信号カウンターを個別に設けるか、或いは共通の角速度センサ異常検出閾値や、共通の角速度異常信号カウンターとしてもよい。

加速度異常信号カウンター値または角速度異常信号カウンター値が予め決められた所定の閾値を越えたとき、異常信号カウンター値が、装備状態の適否を判定するための情報として、異常出力部７に送られる。

図3に本発明に係わるセンサ信号判定部の処理フロー図を示す。図3において、ステップ１は慣性センサ出信号と、加速度センサ異常検出閾値及び角速度センサ異常検出閾値を決定するために必要なデータと、もし、必要ならば、異常信号カウンターのカウント条件に関するデータなどを読み込む。ステップ２において、加速度センサ異常検出閾値及び角速度センサ異常検出閾値を決定する。尚、Ｍth(j)は加速度センサと角速度センサ別に異なった閾値であり、またjはチェックすべき加速度センサ数、角速度センサ数とする。

ステップ３において、慣性センサ信号と、該センサ信号の異常検出閾値とを比較することによって、センサの異常信号の発生を検出する。閾値を超えた場合、ステップ４でセンサの異常信号の発生回数を計数する。ステップ５は、装備状態の適否を判定するための情報の送出を制御する送出判定処理であり、センサ異常カウンターC(j)と予め設定された閾値Ｃth(j)とを比較し、Ｃth(j)を越えたとき、異常信号C(j)値を出力するステップ６に進む。

ステップ３において、加速度センサ信号または角速度センサ信号が加速度センサ異常検出閾値または角速度センサ異常検出閾値を超えた場合、ステップ４の処理を行なわず、センサ信号の異常信号を検出するための閾値を超える度に、その情報を姿勢計測装置の装備適否を判定するための情報として、ステップ６に進むようにしてもよい。

異常出力部７は遮断領域推定部５で得られた捕捉ＯＦＦの衛星番号及び位置、捕捉ＯＦＦ頻度、捕捉ＯＦＦ衛星の遮断領域などの遮断領域に関する情報と、センサ信号異常判定部６で得られた慣性センサのセンサ番号、異常信号の大きさ及び発生頻度などの異常信号に関する情報とに基づいて、装備状態の適否を判定するために有意な情報を提供する。ここで、有意な情報の提供方法は、図４及び図５に示す例のように、音声、図表、文字のいずれか，またはいずれかの併用する方法としてもよい。

図４は、移動体座標系X-Y平面において、移動体を中心として全方位を１２分割した分割領域を予め決めておき、該分割領域に該当する上記の移動体基準の方向を遮断領域とする方法の図示例を示している。この図示例では、捕捉ＯＦＦとなった衛星の遮断領域（Ｏ）を視覚で識別できるようにし、また、慣性センサ異常信号の発生状況を棒グラフで示している。尚、この図示例は、複数の遮断領域の情報、複数の慣性センサの異常信号の発生情報がある場合、例えば、捕捉ＯＦＦが最多の遮断領域または最多の慣性センサ信号の異常信号の発生を表示するようにした例を示している。尚、この表示例はデータ更新毎の遮断領域に関する情報、センサの異常信号に関する情報を表示する場合の表示例と解釈することもできる。

また図４の表示例では、マルチパスによる障害が起こる可能性がある領域も示すようにしている。通常、捕捉ＯＦＦとなった遮断領域（Ｏ）にある電波遮断の障害物は、捕捉ＯＦＦとなった衛星方向と対向方向の衛星からの電波の反射波（マルチパス）を生成し、航法演算出力精度の劣化を引き起こす確率が高くなる。従って、マルチパスによる障害の可能性がある領域（Ｍ）を参考情報として表示した例である。

また、図５は、過去の所定の期間に亘る上記の装備適否を判定するための情報の履歴が分かる情報として提供するために、過去の所定の期間における遮断領域の情報またはセンサの異常信号の発生情報が分かるようにした表示例である。従って、この表示例では過去の期間に亘って発生した捕捉ＯＦＦ生じた遮断領域またはセンサ信号の異常信号の発生が全て把握できるために、統計的な見地から判定できるようになる。
尚、この場合は、異常発生の日時、移動体の速度、旋回レート、衛星仰角などの付帯的情報を図内に、または別に提供する手段を設けてもよい。

図４及び図５の表示は一例であって、種々の方法が考えられるが、前記姿勢計測装置の装備適否を判定できる情報を提供できれば良く、この表示例に限定されるものではない。

本発明に係わる姿勢計測装置の機能構成図本発明に係わる遮断領域推定部の処理フロー図本発明に係わるセンサ信号判定部の処理フロー図本発明に係わる異常表示の表示例１を説明する図本発明に係わる異常表示の表示例２を説明する図

符号の説明

１ GPSアンテナ
２ GPS演算部
３統合演算部
４慣性センサ
５遮断領域推定部
６センサ信号判定部
７異常出力部

Claims

慣性センサと、測位衛星からの測位信号を受信するアンテナと、該アンテナで受信した測位信号を用いて測位を行う測位部と、を備える姿勢計測装置において、
前記測位信号を捕捉ＯＦＦした測位衛星の方向に基づいて、前記測位信号の遮断する遮断領域を推定する遮断領域推定部と、
前記慣性センサの異常信号を検出するセンサ信号異常判定部と、
前記遮断領域に関する情報と、前記慣性センサの異常信号に関する情報とに基づいて、前記姿勢計測装置の不具合原因が装備場所にあるのか、または装備状況にあるのかを分離して判定するための情報を提供する異常出力部と、を備えることを特徴とする姿勢計測装置。
請求項１に記載の姿勢計測装置において、
前記遮断領域推定部は、航法座標系または地球中心座標系における前記測位衛星の方向を移動体基準の方向に変換し、該移動体基準の方向に基づいて前記遮断領域を決定することを特徴とする姿勢計測装置。
請求項１に記載の姿勢計測装置において、
前記遮断領域推定部は、前記捕捉ＯＦＦの発生時、或いは前記捕捉ＯＦＦの発生の領域における前記捕捉ＯＦＦの発生回数が所定の閾値を超えた時に、前記遮断領域に関する情報を生成することを特徴とする姿勢計測装置。
請求項１に記載の姿勢計測装置において、
前記センサ信号異常判定部は、前記異常信号の発生時、或いは前記異常信号の発生したセンサにおける前記異常信号の発生回数が所定の閾値を超えた時に、前記異常信号に関する情報を生成することを特徴とする姿勢計測装置。
請求項１に記載の姿勢計測装置において、
前記異常出力部は、前記姿勢計測装置の不具合原因が装備場所にあるのか、または装備状況にあるのかを分離して判定するための情報を少なくとも音声、図表、文字のいずれかの方法で提供することを特徴とする姿勢計測装置。
請求項３または請求項４に記載の姿勢計測装置において、
前記発生回数は、航法演算に使用する衛星数、移動体の速度、移動体の旋回レートの、少なくともいずれかを条件として計数することを特徴とする姿勢計測装置。