JP5566168B2 - Ｇｎｓｓ受信機、航法装置、信号処理装置、ｇｎｓｓ速度補正プログラム及びｇｎｓｓ速度補正方法 - Google Patents

Description

本発明は、主として、ＧＮＳＳ受信機に関する。詳細には、ＧＮＳＳ受信機において、アンテナの動揺によるＧＮＳＳ速度の誤差を除去するための構成に関する。

ＧＮＳＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓａｔｅｌｉｔｅ Ｓｙｓｔｅｍ）衛星からの測位用信号をアンテナによって受信し、受信した測位用信号に基づいて、自装置の位置や速度を測定するＧＮＳＳ受信機が知られている。このようなＧＮＳＳ受信機は、例えば船舶等の移動体に搭載され、当該移動体の現在位置や移動速度を取得するために用いられる。

一般に、アンテナは、電波が遮られない位置に設置されることが好ましい。このため、船舶等においては、アンテナはマスト頂上等の高い位置に取り付けられる。このようにアンテナが高い位置に設置されていると、時化などにより船体の動揺が激しくなった場合、船舶の重心位置に対してアンテナの位置が大きく動揺することとなる（図６（ａ）を参照のこと）。

ここで、ＧＮＳＳ衛星からの測位信号に基づいて求めた移動速度をＧＮＳＳ速度Ｖ_GNSS、船舶の重心に対するアンテナの相対的な移動速度をＶ_antとし、地球に対する船舶の重心の移動速度（真の船速）をＶとする。ＧＮＳＳ速度Ｖ_GNSSは、地球に対するアンテナの移動速度を測定したものであるから、速度ベクトルＶ_GNSS，Ｖ_ant，及びＶの間には以下のような関係がある。
Ｖ_GNSS＝Ｖ＋Ｖ_ant

船舶の正確な移動速度Ｖを検出するという観点からは、船舶の重心に対するアンテナの相対移動速度Ｖ_antは、誤差ないしノイズであるといえる。例えば真の船速Ｖの大きさが一定であっても、アンテナが動揺していれば、ＧＮＳＳ速度Ｖ_GNSSは図６（ｂ）に示すように変動してしまう。また、Ｖ_antが大きくなると（アンテナの動揺が激しくなると）、図６（ｃ）のように、測定されたＧＮＳＳ速度Ｖ_GNSSの方向・大きさが、真の船速Ｖ（当該船舶の重心の速度）からかけ離れてしまうという問題があった。

このようなアンテナの動揺によるＶ_antの影響を除去するために低域通過フィルタを用いることも考えられるが、出力結果に遅延が生じてしまうため実用的では無い。

この点、特許文献１は、船体の揺れ成分を減衰させるための狭帯域減衰フィルタを備えた船速測定用ＧＰＳ受信装置を開示する。特許文献１は、これにより、計測された速度に遅れを発生させることなく、計測した速度から揺れ成分のみを除去することが可能であるとしている。

また、特許文献２は、船体の傾斜角度を検出する傾斜角度検出部を備えたＧＰＳ航法装置を開示している。特許文献２は、前記傾斜角度と、アンテナの高さと、に基づいて、アンテナ位置の変動量を求め、規定時間の間におけるアンテナ位置の変動量によって、アンテナ位置変動速度を求めている。そして、特許文献２は、このようにして求めたアンテナ位置変動速度に応じて船舶測定速度を補正することにより、時化のように船舶の動揺が大きい場合でも、正確でしかも応答遅れが無く船速を測定することができるとしている。

特許第２７６３７０７号公報 特許第３８０７８４５号公報

しかし、上記特許文献１の構成は、船体動揺の周波数を逐次推定する必要がある。また、船体動揺の周波数が低い場合（低速航行時など）は、狭帯域減衰フィルタの減衰帯域を当該フィルタの追従性を保ったままで設定することが困難になると考えられる。

一方、特許文献２の構成において、アンテナ位置の変動速度を求めるためには、アンテナの高さ（船体の重心から当該アンテナまでの距離）の設定若しくは推定を行う必要がある。しかしながら、一般に、船体の重心位置を求めることは困難である。

本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、その主要な目的は、アンテナの動揺による速度測定値の誤差を遅延無く除去することが可能であり、しかも特別な設定作業等を行う必要が無いＧＮＳＳ受信機を提供することにある。

課題を解決するための手段及び効果

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段とその効果を説明する。

本発明の第１の観点によれば、以下の構成のＧＮＳＳ受信機が提供される。即ち、このＧＮＳＳ受信機は、アンテナと、ＧＮＳＳ速度算出部と、方位検出部と、傾斜角検出部と、動揺速度除去部と、を備える。前記アンテナは、移動体に取り付けられ、ＧＮＳＳ衛星からの測位用信号を受信する。前記ＧＮＳＳ速度算出部は、前記測位用信号に基づいて、ＧＮＳＳ速度を算出する。前記方位検出部は、前記移動体の前進方向の方位を検出する。前記傾斜角検出部は、前記アンテナの傾斜角を検出する。前記動揺速度除去部は、前記方位及び前記傾斜角に基づいて、前記アンテナの動揺による誤差を算出して前記ＧＮＳＳ速度から除去する。

これにより、アンテナの動揺によるＧＮＳＳ速度の誤差を除去し、移動体の正確な移動速度を得ることができる。また、ローパスフィルタ等を用いて誤差を除去する処理とは異なり、遅延は殆ど発生しない。更に、アンテナの揺動による誤差を除去するためのパラメータ（方位及び傾斜角）は、方位検出部及び傾斜角検出部によって容易に得ることができる。従って、当該パラメータを推定する演算等を行う必要が無く、オペレータが当該パラメータを設定する必要も無い。
なお、上記のＧＮＳＳ受信機において、前記動揺速度除去部は、前記方位及び前記傾斜角に基づいて、前記移動体の前進方向に直交する速度成分を前記ＧＮＳＳ速度から除去することが好ましい。

前記のＧＮＳＳ受信機は、以下のように構成されることが好ましい。即ち、前記動揺速度除去部は、前記移動体の前進方向を正面側とした場合における前記ＧＮＳＳ速度の側方成分と上下方向成分とを、前記方位及び前記傾斜角に基づいて算出して、前記ＧＮＳＳ速度から除去する。

即ち、移動体の前進方向と直交する速度成分はアンテナの揺動による誤差であるとみなすことができるので、当該誤差をＧＮＳＳ速度から除去することにより、前記移動体の正確な速度を求めることができる。

前記のＧＮＳＳ受信機は、以下のように構成することもできる。即ち、前記動揺速度除去部は、前記移動体の前進方向を正面側とした場合における前記ＧＮＳＳ速度の側方成分を、前記方位及び前記傾斜角に基づいて算出して、前記ＧＮＳＳ速度から除去する。

例えば船舶等の水平面内で移動する移動体の場合、アンテナの位置が上下に素早く動揺することは少ないと考えられるので、アンテナが上下に動揺することによる誤差は無視できる場合がある。このような場合は上記のように、アンテナの動揺による誤差としてＧＮＳＳ速度の側方成分のみを考えても、十分な精度で正確な速度を得ることができる。

前記のＧＮＳＳ受信機において、前記移動体は、船舶であることが好ましい。

即ち、特に船舶においては、時化若しくは低速航行などにより船体が動揺するので、これによりアンテナが動揺してＧＮＳＳ速度の誤差が発生し易い。従って、船舶が備えるＧＮＳＳ受信機に本発明の構成を適用することが特に有効である。

本発明の第２の観点によれば、前記のＧＮＳＳ受信機と、前記アンテナの揺動による誤差が除去された前記ＧＮＳＳ速度を表示する表示部と、を備える航法装置が提供される。

このように、アンテナの揺動による誤差が除去されたＧＮＳＳ速度（即ち、移動体の真の移動速度）を表示部に表示することにより、当該移動体の操縦者は、表示部の表示を確認して移動体の移動状況を正確に把握することができる。これにより、移動体を正確に運航させることができる。

本発明の第３の観点によれば、以下の構成の信号処理装置が提供される。即ち、この信号処理装置は、アンテナが受信したＧＮＳＳ衛星からの測位用信号に基づいて算出されたＧＮＳＳ速度から、前記アンテナの動揺による誤差を除去する動揺速度除去部を備える。前記動揺速度除去部は、前記アンテナが取り付けられた移動体の前進方向の方位と、前記アンテナの傾斜角と、に基づいて、前記アンテナの動揺による誤差を算出して前記ＧＮＳＳ速度から除去する。

これにより、アンテナの動揺によるＧＮＳＳ速度の誤差を除去し、移動体の正確な移動速度を得ることができる。また、ローパスフィルタ等を用いて誤差を除去する処理とは異なり、遅延は殆ど発生しない。更に、アンテナの揺動による誤差を除去するためのパラメータ（方位及び傾斜角）は、適宜のセンサ等によって容易に得ることができる。従って、当該パラメータを推定する演算等を行う必要が無く、オペレータが当該パラメータを設定する必要も無い。

本発明の第４の観点によれば、以下のＧＮＳＳ速度補正プログラムが提供される。即ち、このＧＮＳＳ速度補正プログラムは、ＧＮＳＳ速度算出ステップと、方位取得ステップと、傾斜角取得ステップと、動揺速度除去ステップと、を含む処理を信号処理装置に実行させるプログラムである。前記ＧＮＳＳ速度算出ステップでは、アンテナが受信したＧＮＳＳ衛星からの測位用信号に基づいてＧＮＳＳ速度を算出する。前記方位取得ステップでは、前記アンテナが取り付けられた移動体の前進方向の方位を取得する。前記傾斜角取得ステップでは、前記アンテナの傾斜角を取得する。前記動揺速度除去ステップでは、前記方位及び前記傾斜角に基づいて、前記アンテナの動揺による誤差を算出して前記ＧＮＳＳ速度から除去する。

これにより、アンテナの動揺によるＧＮＳＳ速度の誤差を除去し、移動体の正確な移動速度を得ることができる。また、ローパスフィルタ等を用いて誤差を除去する処理とは異なり、遅延は殆ど発生しない。更に、アンテナの揺動による誤差を除去するためのパラメータ（方位及び傾斜角）は、適宜のセンサ等によって容易に得ることができる。従って、当該パラメータを推定する演算等を行う必要が無く、当該パラメータを設定する必要も無い。

本発明の第５の観点によれば、以下のＧＮＳＳ速度補正方法が提供される。即ち、このＧＮＳＳ速度補正方法は、ＧＮＳＳ速度補正工程と、方位取得工程と、傾斜角取得工程と、動揺速度除去工程と、を含む。前記ＧＮＳＳ速度算出工程では、アンテナが受信したＧＮＳＳ衛星からの測位用信号に基づいてＧＮＳＳ速度を算出する。前記方位取得工程では、前記アンテナが取り付けられた移動体の前進方向の方位を取得する。前記傾斜角取得工程では、前記アンテナの傾斜角を取得する。前記動揺速度除去工程では、前記方位及び前記傾斜角に基づいて、前記アンテナの動揺による誤差を算出して前記ＧＮＳＳ速度から除去する。

これにより、アンテナの動揺によるＧＮＳＳ速度の誤差を除去し、移動体の正確な移動速度を得ることができる。また、ローパスフィルタ等を用いて誤差を除去する方法とは異なり、遅延は殆ど発生しない。更に、アンテナの揺動による誤差を除去するためのパラメータ（方位及び傾斜角）は、適宜のセンサ等によって容易に得ることができる。従って、当該パラメータを推定する演算等を行う必要が無く、当該パラメータを設定する必要も無い。

本発明の一実施形態に係る航法装置の構成を示すブロック図。 （ａ）ロール角を説明するための船体の正面図。（ｂ）ピッチ角を説明するための船体の右側面図。（ｃ）ヘディング角を説明するための船体の平面図。 座標変換行列を求める式。 本実施形態の航法装置によって実際にＧＰＳ速度の補正を行った結果を示すグラフ。 急発進、急停止時にＧＰＳ速度の補正を行った結果を示すグラフ。 （ａ）アンテナが動揺する様子を示す模式図。（ｂ）アンテナの動揺によるＧＮＳＳ速度の変動を説明するグラフ。（ｃ）アンテナの動揺によるＧＮＳＳ速度の誤差を説明する図。

次に、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明に係る船舶用航法装置１の構成を示すブロック図である。

本実施形態の航法装置１は、ＧＰＳ受信機（ＧＮＳＳ受信機）２と、表示部３と、を備えている。

ＧＰＳ受信機２は、複数のＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）衛星からの測位用信号を受信し、当該測位用信号に基づいて、自装置の位置や移動速度（即ち、航法装置１が設置されている船舶の位置や移動速度）を検出して表示部３に出力するように構成されている。

具体的には、ＧＰＳ受信機２は、ＧＰＳアンテナ４と、磁気方位センサ（方位検出部）５と、傾斜センサ（傾斜角検出部）６と、信号処理装置７と、を備えている。

ＧＰＳアンテナ４は、ＧＰＳ衛星からの測位用信号を受信するように構成され、例えばマストの頂上など、電波が遮られないような高い位置に設置される。ＧＰＳ信号が受信した測位用信号は、信号処理装置７に出力される。

磁気方位センサ５は、航法装置１が設置されている船舶の船首方向（船首が向いている方向）を、地球基準の絶対的な方位で検出するように構成されている。一般的に、船舶は、船首方向へ向かって前進する。従って、磁気方位センサ５は、船体の前進方向の方位を検出していると言うこともできる。なお船舶は、波や風等の外乱の影響により、船首方向からズレた方向に向けて進行する場合がある。本明細書において、「前進方向」と言った場合は、波や風等の外乱の影響を受けないと考えた場合に船体が進むべき方向（即ち船首方向）のことをいう。磁気方位センサ５による検出結果は、信号処理装置７に出力される。

傾斜センサ６は、航法装置１が設置されている船舶の船体の傾斜角度を検出するように構成されている。なお、船体が傾くことによりＧＰＳアンテナ４も同様に傾くことから、傾斜センサ６はＧＰＳアンテナ４の傾きを検出していると言うこともできる。傾斜センサ６による検出結果は、信号処理装置７に出力される。

信号処理装置７は、図略のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等のハードウェアと、前記ＲＯＭに記憶されたプログラム等のソフトウェアと、から構成されている。

前記プログラムには、本実施形態に係るＧＮＳＳ速度補正方法を信号処理装置７によって実現するための、ＧＮＳＳ速度補正プログラムが含まれている。

前記ＧＮＳＳ速度補正方法は、ＧＰＳ位置算出工程と、ＧＰＳ速度算出工程（ＧＮＳＳ速度算出工程）と、方位取得工程と、傾斜角取得工程と、変換行列算出工程と、動揺速度除去工程と、を含んでいる。従って、前記ＧＮＳＳ速度補正プログラムは、前記各工程に対応して、ＧＰＳ位置算出ステップと、ＧＰＳ速度算出ステップ（ＧＮＳＳ速度算出ステップ）と、方位取得ステップと、傾斜角取得ステップと、変換行列算出ステップと、動揺速度除去ステップと、を含んでいる。

そして、前記ハードウェアと前記ソフトウェアとが協働して動作することにより、信号処理装置７を、ＧＰＳ位置・速度算出部（ＧＮＳＳ速度算出部）１１、方位取得部１２、傾斜角取得部１３、変換行列算出部１４及び動揺速度除去部１５として機能させることができるようになっている。

ＧＰＳ位置・速度算出部１１は、ＧＰＳアンテナ４が受信した測位用信号に基づいて、当該ＧＰＳアンテナ４の地球に対する絶対位置であるＧＰＳ位置と、当該ＧＰＳアンテナ４の地球に対する移動速度であるＧＰＳ速度（ＧＮＳＳ速度）と、を求めるように構成されている。なお、このＧＰＳ位置・速度算出部１１の処理内容は、前記ＧＮＳＳ速度補正プログラムのＧＰＳ位置算出ステップ及びＧＰＳ速度算出ステップに対応している。

本実施形態において、前記ＧＰＳ速度は、北方向をＸ軸、東方向をＹ軸、地球中心方向をＺ軸とする直交座標で定義された局地座標系（ＮＥＤ系）における速度ベクトルとして求められるものとする。なお、ＧＰＳ衛星からの測位用信号に基づくＧＰＳ速度の算出方法としては、疑似距離の時間変化に基づいた方法と、搬送波のドップラ効果を利用する方法とが公知であるが、何れの方法を用いても良い。

方位取得部１２は、磁気方位センサ５からの出力信号に基づいて、船体のヘディング角ψ（船首方向の絶対方位）を取得するように構成されている。なお、方位取得部１２の処理内容は、前記ＧＮＳＳ速度補正プログラムの方位取得ステップに対応している。

傾斜角取得部１３は、傾斜センサ６からの出力信号に基づいて、船体のピッチ角θ（ピッチ方向の傾斜角）及びロール角φ（ロール方向の傾斜角）を取得するように構成されている。なお、この傾斜角取得部１３の処理内容は、前記ＧＮＳＳ速度補正プログラムの傾斜角取得ステップに対応している。

ここで、ヘディング角ψ、ピッチ角θ及びロール角φの定義は以下のようなものである。即ち、図２のように、本実施形態の航法装置１が設置されている船舶の船首方向をｘ軸、舷側右方向をｙ軸、船体の下方向をｚ軸とする直交座標の船舶座標系（ボディ系）を定義する。そして、船体のｘ軸周りの傾斜角をロール角φ、ｙ軸周りの傾斜角をピッチ角θとする。また、船首方向と北方向とのズレをヘディング角ψとする。

変換行列算出部１４は、前記方位取得部１２が取得したヘディング角ψと、傾斜角取得部１３が取得したピッチ角θ及びロール角φと、に基づいて、ボディ系からＮＥＤ系への座標変換行列Ｃｂｎを求める。ヘディング角ψ、ピッチ角θ及びロール角φと、座標変換行列Ｃｂｎとの関係は、図３のとおりである。なお、この変換行列算出部１４の処理内容は、前記ＧＮＳＳ速度補正プログラムの変換行列算出ステップに対応している。

動揺速度除去部１５は、ヘディング角ψ、ピッチ角θ及びロール角φに基づいて求められた前記座標変換行列Ｃｂｎに基づいて、ＧＰＳアンテナ４の動揺による誤差をＧＰＳ速度から除去し、補正済ＧＰＳ速度を求めるように構成されている（具体的な処理内容は後述する）。なお、この動揺速度除去部１５の処理内容は、前記ＧＮＳＳ速度補正プログラムの動揺速度除去ステップに対応している。

ＧＰＳ受信機２は、以上のようにして求めたＧＰＳ位置及び補正済ＧＰＳ速度を、表示部３に出力する。

表示部３は、具体的にはＧＰＳプロッタとして構成されており、液晶ディスプレイを備えている。表示部３は、前記ＧＰＳ位置に基づいて、地図上における自船の位置を液晶ディスプレイにグラフィカルに表示することができる。また表示部３は、この液晶ディスプレイに、ＧＰＳ受信機２から入力された補正済ＧＰＳ速度を表示することができるように構成されている。このように本実施形態では、ＧＰＳアンテナ４の動揺による誤差をＧＰＳ速度から除去して表示部３に表示することができる。従って、航法装置１のオペレータは、表示部３の表示内容を確認することにより正確な船速を把握することができる。

次に、動揺速度除去部１５における処理内容について具体的に説明する。

前述のように、ＧＰＳ位置・速度算出部１１で算出されたＧＰＳ速度Ｖ_GPSは、地球に対するＧＰＳアンテナの移動速度であるため、当該ＧＰＳアンテナ４の動揺による誤差を含んでいる。即ち、ＧＰＳ速度Ｖ_GPSは、真の船速Ｖ（船の重心の地球に対する移動速度）と、船の重心に対するＧＰＳアンテナ４の相対速度Ｖ_ant（誤差）を合成したものであると言える。なお以下の説明では、船の重心に対するＧＰＳアンテナ４の相対速度Ｖ_antを、アンテナ動揺速度と呼ぶ。
Ｖ_GPS＝Ｖ＋Ｖ_ant ・・・（１）

従って、ＧＰＳ速度Ｖ_GPSから、アンテナ動揺速度Ｖ_antを誤差として除去することにより、真の船速Ｖを求めることができる。
Ｖ＝Ｖ_GPS−Ｖ_ant ・・・（２）

ここで、ＧＰＳアンテナ４は、船体の動揺によって、船首方向を正面側としたときの船体側方及び上下方向（船首方向と直交する方向）に移動することから、これをＧＰＳアンテナ４の動揺による誤差（アンテナ動揺速度Ｖ_ant）として算出している。

つまり、船首方向と直交する平面内の速度成分（アンテナ動揺速度Ｖ_ant）は、舷側方向（船首方向を正面側としたときの船体側方、即ちボディ系のｙ軸と平行な方向）のアンテナ移動速度Ｖ_{GPS_Edy}と、上下方向（ボディ系のｚ軸と平行な方向）のアンテナ移動速度Ｖ_{GPS_Edz}と、を合成することにより求めることができる。
Ｖ_ant＝Ｖ_{GPS_Edy}＋Ｖ_{GPS_Edz} ・・・（３）

舷側方向のアンテナ移動速度Ｖ_{GPS_Edy}は、舷側方向（ｙ軸方向）の単位ベクトルＥｄｙに対するＧＰＳ速度Ｖ_GPSの投影によって求めることができる。
Ｖ_{GPS_Edy}＝（Ｅｄｙ・Ｖ_GPS）Ｅｄｙ ・・・（４）
なお、（Ｅｄｙ・Ｖ_GPS）は内積である。

上記の式（４）において、ｙ軸方向の単位ベクトルＥｄｙは、ボディ系で表現したｙ軸方向の単位ベクトル（０，１，０）をＮＥＤ系に変換することで得ることができる。具体的には、Ｅｄｙは、以下の式で求めることができる。
Ｅｄｙ＝Ｃｂｎ×（０，１，０）^t ・・・（５）

また、上下方向のアンテナ移動速度Ｖ_{GPS_Edz}は、上下方向（ｚ軸方向）の単位ベクトルＥｄｚに対するＧＰＳ速度Ｖ_GPSの投影によって求めることができる。
Ｖ_{GPS_Edz}＝（Ｅｄｚ・Ｖ_GPS）Ｅｄｚ ・・・（６）
なお、（Ｅｄｚ・Ｖ_GPS）は内積である。

上記の式（６）において、ｚ軸方向の単位ベクトルＥｄｚは、ボディ系で表現したｚ軸方向の単位ベクトル（０，０，１）をＮＥＤ系に変換することで得ることができる。具体的には、Ｅｄｚは、以下の式で求めることができる。
Ｅｄｚ＝Ｃｂｎ×（０，０，１）^t ・・・（７）

従って、動揺速度除去部１５における処理内容は、以下のとおりである。即ち、動揺速度除去部１５は、まず、変換行列算出部１４で求めた座標変換行列Ｃｂｎを式（５），（７）に代入することによって、単位ベクトルＥｄｙ，Ｅｄｚを求める。続いて、動揺速度除去部１５は、式（４）によって舷側方向のアンテナ移動速度Ｖ_{GPS_Edy}を、式（６）によって上下方向のアンテナ移動速度Ｖ_{GPS_Edz}を、それぞれ求める。そして、動揺速度除去部１５は、式（３）によってアンテナ動揺速度Ｖ_ant（ＧＰＳアンテナ４の動揺による速度誤差）を算出した後、式（２）によってＧＰＳ速度Ｖ_GPSを補正することにより、真の船速（補正済ＧＰＳ速度）Ｖを求める。

以上のように、動揺速度除去部１５は、船首方向の絶対方位（ヘディング角ψ）と、ＧＰＳアンテナ４の傾斜角（ピッチ角θ及びロール角φ）と、に基づいて求められた座標変換行列Ｃｂｎに基づいて、真の船速（補正済ＧＰＳ速度）Ｖを算出するように構成されている。

このように、本実施形態の航法装置１は、船体の船首方向の絶対方位と、ＧＰＳアンテナ４の傾斜角とを測定するだけで、ＧＰＳ速度の補正を行うことができる。即ち、特許文献１とは異なり、船体の動揺周波数を推定する必要が無い。また、特許文献２とは異なり、ＧＰＳ速度の補正を行うためにアンテナの高さに関する情報が必要無い。

従って、本実施形態の航法装置１によれば、船の種類、積荷の状況や天候状況による動揺周波数の変化にかかわらず、常に適切にＧＰＳ速度の補正を行うことができる。また、正確な値を得ることが困難なアンテナ高さの情報を必要としないので、正確な補正結果を簡単に得ることができる。

次に、本実施形態の航法装置１を用いて実際にＧＰＳ速度の補正を行った様子について説明する。

本願発明者らは、本実施形態の航法装置１の効果を確認するため、実際の船舶に航法装置１を設置し、洋上停泊時においてＧＰＳ速度の補正を行った。このときに測定されたＧＰＳ速度（補正前の速度）、ピッチ角、ロール角、及び、航法装置１によって補正されたＧＰＳ速度（補正済ＧＰＳ速度）を、図４のグラフに示す。

図４の上側のグラフには、洋上停泊時に測定したＧＰＳ速度Ｖ_GPS（補正前の速度）の時間変化が点線で示されている。また、同じく図４の上側のグラフには、前記ＧＰＳ速度Ｖ_GPSを本実施形態の航法装置１で補正することにより求めた、真の船速（補正済ＧＰＳ速度）Ｖが実線で示されている。また、図４の下側のグラフには、このときのロール角の時間変化（実線）と、ピッチ角の時間変化（点線）と、がそれぞれ示されている。

図４に示すＧＰＳ速度Ｖ_GPSは停泊中に測定したものであるから、本来なら一定の値（速度ゼロ）を示すべきであるが、実際にはグラフに示すように大きく動揺している。これは、既に説明した通り、波などの影響により船体が動揺することで、ＧＰＳアンテナ４が動揺し、その結果アンテナ動揺速度Ｖ_antが誤差として含まれてしまうためである。

一方、グラフに示すように、本実施形態の航法装置１が出力した補正済ＧＰＳ速度Ｖは、ＧＰＳ速度Ｖ_GPS（補正前の速度）に比べて、正確な船速（速度ゼロ）に近いことが分かる。即ち、本実施形態の航法装置１によってＧＰＳ速度を補正することにより、アンテナの動揺による誤差を低減できることが確認された。

なお、図４のグラフからわかるように、今回の実験で得られた補正済ＧＰＳ速度Ｖは、ＧＰＳ速度Ｖ_GPS（補正前の速度）に比べて大幅に誤差を低減することができてはいるものの、正確な値（速度ゼロ）で一定の値とはなっておらず、ピッチ角の変動と同期して若干の変動がみられる。即ち、本実施形態の航法装置１では、ピッチ角の変動と同期したＧＰＳ速度の誤差を完全には除去することができない場合がある。しかしながら、例えば漁船が底曳き網漁を行っている場合は、低速航行時であっても船体で網を引っ張っているので、ピッチ方向の船体の動揺はかなり低減されると考えられる。従って、底曳き網漁船の場合は、本実施形態の航法装置１によって特に正確にＧＰＳ速度を補正することができる。

また本願発明者らは、本実施形態の航法装置１によってＧＰＳ速度を補正することによる遅延の有無について検証するため、航法装置１を搭載した船舶の急発進及び急停止を行った。このときの様子を図５のグラフに示す。

図５のグラフには、急発進及び急停止を行った時に測定したＧＰＳ速度Ｖ_GPS（補正前の速度）の時間変化が点線で示されている。また、同じく図５のグラフには、前記ＧＰＳ速度Ｖ_GPSを本実施形態の航法装置１で補正することにより求めた、真の船速（補正済ＧＰＳ速度）Ｖが実線で示されている。

図５のグラフからわかるように、補正済ＧＰＳ速度Ｖは、ＧＰＳ速度Ｖ_GPSの変化に対して殆ど遅れていない。この点、例えばローパスフィルタによってアンテナ動揺による速度誤差を除去しようとした場合、当該ローパスフィルタの出力は元のＧＰＳ速度Ｖ_GPSに対して５秒程度遅れてしまう。以上のように、本実施形態の航法装置１は、ローパスフィルタ等の従来技術と比べて、殆ど遅延無くＧＰＳ速度の誤差を除去することができることが確認できた。

以上で説明したように、本実施形態のＧＰＳ受信機２は、ＧＰＳアンテナ４と、ＧＮＳＳ位置・速度算出部１１と、磁気方位センサ５と、傾斜センサ６と、動揺速度除去部１５と、を備えている。ＧＰＳアンテナ４は、船舶に取り付けられ、ＧＰＳ衛星からの測位用信号を受信する。ＧＰＳ位置・速度算出部１１は、測位用信号に基づいて、ＧＰＳ速度を算出する。磁気方位センサ５は、船舶の船首方向の方位を検出する。傾斜センサ６は、ＧＰＳアンテナ４の傾斜角を検出する。動揺速度除去部１５は、方位及び傾斜角に基づいて求めた座標変換行列Ｃｂｎに基づいて、ＧＰＳアンテナ４の動揺による誤差を算出してＧＰＳ速度から除去する。

これにより、ＧＰＳアンテナ４の動揺によるＧＰＳ速度の誤差を除去し、船舶の正確な移動速度を得ることができる。また、ローパスフィルタ等を用いて誤差を除去する処理とは異なり、遅延は殆ど発生しない。更に、ＧＰＳアンテナ４の揺動による誤差を除去するためのパラメータ（方位及び傾斜角）は、磁気方位センサ５及び傾斜センサ６によって容易に得ることができる。従って、当該パラメータを推定する演算等を行う必要が無く、オペレータが当該パラメータを設定する必要も無い。

また、本実施形態のＧＰＳ受信機２は、以下のように構成されている。即ち、動揺速度除去部１５は、船舶の船首方向を正面側とした場合におけるＧＰＳ速度の側方成分と上下方向成分とを、方位及び傾斜角に基づいて求めた座標変換行列Ｃｂｎに基づいて算出する。そして、動揺速度除去部１５は、ＧＰＳ速度の側方成分と上下方向成分を、ＧＰＳ速度から除去する。

即ち、船舶の船首方向と直交する速度成分はＧＰＳアンテナ４の揺動による誤差であるとみなすことができるので、当該誤差をＧＰＳ速度から除去することにより、船舶の正確な速度を求めることができる。

また、本実施形態のＧＰＳ受信機２は、船舶に搭載されている。

即ち、特に船舶においては、時化若しくは低速航行などにより船体が動揺するので、これによりＧＰＳアンテナ４が動揺してＧＰＳ速度の誤差が発生し易い。従って、本実施形態のＧＰＳ受信機２によって、船舶に取り付けられたＧＰＳアンテナ４の動揺に基づく速度の誤差を除去することが特に有効である。

また、本実施形態の航法装置１は、ＧＰＳ受信機２と、ＧＰＳアンテナ４の揺動による誤差が除去された前記ＧＰＳ速度を表示する表示部３と、を備えている。

このように、ＧＰＳアンテナ４の揺動による誤差が除去された補正済ＧＰＳ速度（即ち、船舶の真の移動速度）を表示部３に表示することにより、船舶の操縦者は、表示部の表示を確認して船舶の移動状況を正確に把握することができる。これにより、船舶を正確に運航させることができる。

また、本実施形態の信号処理装置７は、以下のように構成されている。即ち、この信号処理装置７は、ＧＰＳアンテナ４が受信したＧＰＳ衛星からの測位用信号に基づいて算出されたＧＰＳ速度から、ＧＰＳアンテナ４の動揺による誤差を除去する動揺速度除去部１５を備える。動揺速度除去部１５は、ＧＰＳアンテナ４が取り付けられた船舶の船首方向の方位と、ＧＰＳアンテナ４の傾斜角と、に基づいて、ＧＰＳアンテナ４の動揺による誤差を算出してＧＰＳ速度から除去する。

また、本実施形態のＧＮＳＳ速度補正プログラムは、ＧＰＳ速度算出ステップと、方位取得ステップと、傾斜角取得ステップと、動揺速度除去ステップと、を含む処理を信号処理装置に実行させるプログラムである。ＧＰＳ速度算出ステップでは、ＧＰＳアンテナ４が受信したＧＰＳ衛星からの測位用信号に基づいてＧＰＳ速度を算出する。方位取得ステップでは、前記ＧＰＳアンテナが取り付けられた船舶の船首方向の方位を取得する。傾斜角取得ステップでは、ＧＰＳアンテナ４の傾斜角を取得する。動揺速度除去ステップでは、方位及び傾斜角に基づいて、ＧＰＳアンテナ４の動揺による誤差を算出してＧＰＳ速度から除去する。

また、本実施形態のＧＮＳＳ速度補正方法は、ＧＰＳ速度補正工程と、方位取得工程と、傾斜角取得工程と、動揺速度除去工程と、を含んでいる。ＧＰＳ速度算出工程では、ＧＰＳアンテナ４が受信したＧＰＳ衛星からの測位用信号に基づいてＧＰＳ速度を算出する。方位取得工程では、ＧＰＳアンテナ４が取り付けられた船舶の船首方向の方位を取得する。傾斜角取得工程では、ＧＰＳアンテナの傾斜角を取得する。動揺速度除去工程では、方位及び傾斜角に基づいて、ＧＰＳアンテナ４の動揺による誤差を算出して前記ＧＰＳ速度から除去する。

次に、上記実施形態の変形例について説明する。

本変形例は、上記実施例の式（３）に代えて、以下の式（３）’によってアンテナ動揺速度Ｖ_antを求めるものである。
Ｖ_ant＝Ｖ_{GPS_Edy} ・・・（３）’

即ち、船舶のように水平面上を移動する移動体においては、上下方向のアンテナ移動速度Ｖ_{GPS_Edz}はそれほど大きくならないため、無視することができる場合である。この場合、式（３）’のように、舷側方向のアンテナ移動速度Ｖ_{GPS_Edy}をアンテナ動揺速度Ｖ_antとすれば良い。

このように、上下方向のアンテナ移動速度Ｖ_{GPS_Edz}を無視することにより、上記実施形態の式（６），（７）の演算を省略することができるので、演算負荷を低減することができる。なお、本願発明者らが本変形例の航法装置を船舶に設置し、実際にＧＰＳ速度を補正する実験を行った結果、上下方向のアンテナ移動速度Ｖ_{GPS_Edz}を考慮した場合と殆ど変わらない結果が得られることが確認できている。

以上で説明したように、本変形例のＧＰＳ受信機は、以下のように構成されている。即ち、動揺速度除去部１５は、船舶の船首方向を正面側とした場合におけるＧＰＳ速度の側方成分を、方位及び傾斜角に基づいて求めた座標変換行列Ｃｂｎに基づいて算出する。そして、動揺速度除去部１５は、ＧＰＳ速度の側方成分を、ＧＰＳ速度から除去する。

例えば船舶等の水平面内で移動する移動体の場合、ＧＰＳアンテナ４の位置が上下に素早く動揺することは少ないと考えられるので、ＧＰＳアンテナが上下に動揺することによる誤差は無視できる場合がある。このような場合は上記のように、アンテナの動揺による誤差としてＧＮＳＳ速度の側方成分のみを考えても、十分な精度で正確な速度を得ることができる。

以上に本発明の好適な実施の形態（及び変形例）を説明したが、上記の構成は例えば以下のように変更することができる。

上記実施形態では、ＧＮＳＳの一例としてＧＰＳを用いた実施例を説明したが、他のＧＮＳＳを用いる構成であっても良いことは勿論である。

上記実施形態では、磁気方位センサを方位検出部、傾斜センサを傾斜角検出部としたが、これに限らず、船首方位と傾斜角を検出できる構成であれば他の形式のセンサを方位検出部及び傾斜角検出部として採用することができる。例えば、磁気方位センサ及び傾斜センサに代え、あるいはこれらに加えて、角速度センサや加速度センサなどを組み合わせて船首方位と傾斜角を検出するように構成することができる。

上記実施形態では、ＧＰＳ受信機が備えたセンサが方位及び傾斜角を検出する構成としたが、この構成に限らず、ＧＰＳ受信機の外部の機器（例えば慣性航法装置）が方位及び傾斜角を検出する構成でも良い。この場合、前記慣性航法装置が検出した方位及び傾斜角を示すデータが、信号処理装置に入力される。

上記計算式は一例であって、この計算式に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、ボディ系とＮＥＤ系を用いて速度ベクトルの演算を行っているが、速度ベクトルの演算は任意の座標系に変換して行うことができるのは勿論である。

上記実施形態では、信号処理装置７が備える各構成（ＧＰＳ速度算出部、方位取得部１２、傾斜角取得部１３、変換行列算出部、動揺速度除去部１５等）を、ソフトウェアとハードウェアとの協働により実現している。この構成に代え、信号処理装置７が備える各構成の全部又は一部を、専用のハードウェアで実現しても良い。

本発明の航法装置は、船舶に限らず、飛行機、自動車等の任意の移動体に搭載することができる。例えば、飛行機の場合においては、機首が向いている方向が前進方向であり、自動車の場合は、車体正面が向いている方向が前進方向であると言える。ただし、船舶の場合は、ＧＰＳアンテナがマスト頂上等の高い位置に設置される傾向があり、しかも波等によって船体が動揺するため、アンテナの動揺による誤差が発生し易いという事情がある。従って、本発明の航法装置を船舶に搭載することにより、特に大きな効果を発揮することができる。

１ 航法装置
２ ＧＰＳ受信機（ＧＮＳＳ受信機）
３ 表示部
４ ＧＰＳアンテナ（アンテナ）
５ 磁気方位センサ（方位検出部）
６ 傾斜センサ（傾斜角取得部）
７ 信号処理装置
１１ ＧＰＳ位置・速度算出部
１５ 動揺速度除去部

Claims (9)

1. 移動体に取り付けられ、ＧＮＳＳ衛星からの測位用信号を受信するアンテナと、
   前記測位用信号に基づいて、ＧＮＳＳ速度を算出するＧＮＳＳ速度算出部と、
   前記移動体の前進方向の方位を検出する方位検出部と、
   前記アンテナの傾斜角を検出する傾斜角検出部と、
   前記方位及び前記傾斜角に基づいて前記アンテナの動揺による誤差を算出して前記ＧＮＳＳ速度から除去する動揺速度除去部と、
   を備えることを特徴とするＧＮＳＳ受信機。
2. 請求項１に記載のＧＮＳＳ受信機であって、
   前記動揺速度除去部は、前記方位及び前記傾斜角に基づいて、前記移動体の前進方向に直交する速度成分を前記ＧＮＳＳ速度から除去することを特徴とするＧＮＳＳ受信機。
3. 請求項１又は２に記載のＧＮＳＳ受信機であって、
   前記動揺速度除去部は、前記移動体の前進方向を正面側とした場合における前記ＧＮＳＳ速度の側方成分と上下方向成分とを、前記方位及び前記傾斜角に基づいて算出して前記ＧＮＳＳ速度から除去することを特徴とするＧＮＳＳ受信機。
4. 請求項１又は２に記載のＧＮＳＳ受信機であって、
   前記動揺速度除去部は、前記移動体の前進方向を正面側とした場合における前記ＧＮＳＳ速度の側方成分を、前記方位及び前記傾斜角に基づいて算出して前記ＧＮＳＳ速度から除去することを特徴とするＧＮＳＳ受信機。
5. 請求項１から４までの何れか一項に記載のＧＮＳＳ受信機であって、
   前記移動体は、船舶であることを特徴とするＧＮＳＳ受信機。
6. 請求項１から５までの何れか一項に記載のＧＮＳＳ受信機と、
   前記アンテナの揺動による誤差が除去された前記ＧＮＳＳ速度を表示する表示部と、
   を備えることを特徴とする航法装置。
7. アンテナが受信したＧＮＳＳ衛星からの測位用信号に基づいて算出されたＧＮＳＳ速度から、前記アンテナの動揺による誤差を除去する動揺速度除去部を備えた信号処理装置であって、
   前記動揺速度除去部は、前記アンテナが取り付けられた移動体の前進方向の方位と、前記アンテナの傾斜角と、に基づいて、前記アンテナの動揺による誤差を算出して前記ＧＮＳＳ速度から除去することを特徴とする信号処理装置。
8. アンテナが受信したＧＮＳＳ衛星からの測位用信号に基づいてＧＮＳＳ速度を算出するＧＮＳＳ速度算出ステップと、
   前記アンテナが取り付けられた移動体の前進方向の方位を取得する方位取得ステップと、
   前記アンテナの傾斜角を取得する傾斜角取得ステップと、
   前記方位及び前記傾斜角に基づいて、前記アンテナの動揺による誤差を算出して前記ＧＮＳＳ速度から除去する動揺速度除去ステップと、
   を含む処理を信号処理装置に実行させることを特徴とするＧＮＳＳ速度補正プログラム。
9. アンテナが受信したＧＮＳＳ衛星からの測位用信号に基づいてＧＮＳＳ速度を算出するＧＮＳＳ速度算出工程と、
   前記アンテナが取り付けられた移動体の前進方向の方位を取得する方位取得工程と、
   前記アンテナの傾斜角を取得する傾斜角取得工程と、
   前記方位及び前記傾斜角に基づいて、前記アンテナの動揺による誤差を算出して前記ＧＮＳＳ速度から除去する動揺速度除去工程と、
   を含むことを特徴とするＧＮＳＳ速度補正方法。

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