JP3084533B2 - Azimuth angle measurement device - Google Patents
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Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、船舶、自動車等の航行
体の方位角、位置及び速度等を検出する方位角計測装置
に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an azimuth angle measuring device for detecting an azimuth angle, a position, a speed and the like of a navigating body such as a ship or a car.
【0002】[0002]
【従来の技術】近年、常時、船舶等の航行体の位置を検
出するシステムとして、衛星による電波を利用したGP
S(Global Positioning Syst
em)航法が提案されている。これは、常時、3個以上
の衛星からのデータにより、三次元的に航行体の位置を
計測するものであり、衛星の打上げが終了する1990
年代には、民間用のコードであるC/Aコードを用いて
運用されるものと期待されている。しかしながら、上述
の通常の計測によるGPSの信号処理においては、航行
体の位置が計測できるだけであり、その位置計測誤差が
大きいために方位角を計測することはできなかった。こ
れに対し、ディファレンシャルGPSと称される測量で
用いられてきた衛星電波の位相差を計測する2位置差高
精度同時計測法により、航行体の方位角を算出する手法
が発表されている。2. Description of the Related Art In recent years, as a system for constantly detecting the position of a navigating body such as a ship, a GP using satellite radio waves has been used.
S (Global Positioning System)
em) Navigation has been proposed. This is to always measure the position of the navigator three-dimensionally based on data from three or more satellites, and the launch of the satellite is completed in 1990.
In the age, it is expected to be operated using C / A code which is a private code. However, above
In the GPS signal processing by the normal measurement of the above, it was only possible to measure the position of the navigating body, and it was not possible to measure the azimuth due to a large position measurement error. On the other hand, there has been disclosed a method of calculating the azimuth of a navigation body by a two-position difference high-accuracy simultaneous measurement method for measuring the phase difference of satellite radio waves, which has been used in surveying called differential GPS.
【0003】以下、図4をもとに、その計測原理を説明
する。図4に於て、1及び2は、例えば船舶等の航行体
(図示せず)に取り付けた受信アンテナであり、基線長
である両アンテナ1及び2間の距離Lは、既知であると
する。これらのアンテナ1,2からの電波は、GPS方
位演算部3に供給されており、以下に述べる演算により
航行体の方位角成分ψを算出する。いま、図4に示す如
く、1つの衛星7からの電波を、アンテナ1及び2で同
時に受信した場合を考える。この時、衛星7の位置とア
ンテナ1,2間の距離Lにより、アンテナ1で受信した
電波とアンテナ2で受信した電波との間には、図4に於
て、Dで示す距離差がある。この距離差Dは、搬送波の
特定の電波に着目することにより、その位相差(時間
差)として計測することができるから、これに、その電
波の波長を乗ずることにより、距離差Dを求めることが
できる。Dが求まれば、Lが既知であるから、The principle of measurement will be described below with reference to FIG. In FIG. 4, reference numerals 1 and 2 denote reception antennas attached to a navigation body (not shown) such as a ship, for example, and the distance L between the antennas 1 and 2, which is the base line length, is assumed to be known. . The radio waves from the antennas 1 and 2 are supplied to the GPS azimuth calculation unit 3 and calculate the azimuth component ψ of the navigation body by the calculation described below. Now, consider a case where radio waves from one satellite 7 are received simultaneously by antennas 1 and 2 as shown in FIG. At this time, due to the position L of the satellite 7 and the distance L between the antennas 1 and 2, there is a distance difference D between the radio wave received by the antenna 1 and the radio wave received by the antenna 2 in FIG. . This distance difference D can be measured as a phase difference (time difference) by focusing on a specific radio wave of a carrier wave. Therefore, by multiplying the phase difference by the wavelength of the radio wave, the distance difference D can be obtained. it can. If D is found, then L is known,
【0004】[0004]
【数1】ψ=cos-1(D/L)Ψ = cos -1 (D / L)
【0005】として、観測衛星7に対する基線長L、従
って航行体の方位角成分ψを求めることができる。な
お、本計測においては、必ずしも、受信コードを復調す
る必要はない。[0005] As a result, the base line length L with respect to the observation satellite 7, that is, the azimuth component ψ of the navigation body can be obtained. In this measurement, it is not always necessary to demodulate the received code.
【0006】一方、衛星7と受信アンテナ1,2とを結
ぶ線と真北Nとのなす方位角θは、以下のようにして求
めることができる。即ち、アンテナ1で衛星7からの電
波を受信した後、少くとも他の2つ以上の衛星(図示せ
ず)の電波を受信する。そして、これらの受信電波のC
/Aコードを復調し、衛星から発信された電波の発信時
刻と受信時刻とを知ることにより、衛星からの電波の伝
搬時間を求め、それに電波の波長を乗ずることにより、
衛星からアンテナ1、従って航行体までの距離を求め
る。一つの衛星から等距離にある位置は、その距離を半
径とする球面上であるから、上述、3個の衛星からの3
個の球面を求め、その交点を求めることにより、受信ア
ンテナ1の位置を決定することができる。アンテナ1の
位置が求まれば、衛星7の位置は既知であるから、アン
テナ1〜衛星7間位置ベクトルの方向余弦より、方位角
θを求めることができる。On the other hand, the azimuth θ between the line connecting the satellite 7 and the receiving antennas 1 and 2 and the true north N can be obtained as follows. That is, after receiving the radio wave from the satellite 7 with the antenna 1, the radio wave of at least two other satellites (not shown) is received. And C of these received radio waves
By demodulating the / A code and knowing the transmission time and reception time of the radio wave transmitted from the satellite, the propagation time of the radio wave from the satellite is obtained, and then multiplied by the wavelength of the radio wave,
The distance from the satellite to the antenna 1 and hence to the vehicle is determined. The position equidistant from one satellite is on a sphere whose radius is the distance.
The position of the receiving antenna 1 can be determined by determining the number of spherical surfaces and the intersection thereof. If the position of the antenna 1 is obtained, the position of the satellite 7 is known, and therefore, the azimuth angle θ can be obtained from the direction cosine of the position vector between the antenna 1 and the satellite 7.
【0007】このアンテナ1の位置を求めるための、電
波受信から位置演算のプロセスを実行する要素が、アン
テナ1よりの電波を受けるGPS位置演算部4であり、
これよりの位置データ及びアンテナ1,2よりの受信デ
ータを基に、前述のψの演算及び(ψ+θ)の演算を行
う要素が、GPS方位演算部3である。このようにし
て、GPS方位演算部3で演算された基線長L、従って
航行体の方位角は(θ+ψ)となり、これがディジタル
信号として出力される。An element for executing a process of calculating a position from reception of a radio wave for obtaining the position of the antenna 1 is a GPS position calculation unit 4 which receives a radio wave from the antenna 1.
The element for performing the above-described calculation of 演算 and the calculation of (ψ + θ) based on the position data and the reception data from the antennas 1 and 2 is the GPS azimuth calculation unit 3. In this way, the base line length L calculated by the GPS azimuth calculation unit 3, and hence the azimuth of the navigation body, becomes (θ + ψ), which is output as a digital signal.
【0008】[0008]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
たGPSの位相差を利用した方位角計測装置において
は、方位角計測のための位相のアンビギュイティを解く
ために演算時間がかかりすぎ、連続的に方位角を計測す
ることができないという問題点があった。このため、高
速で方位角データを必要とする機器への連接が不可能で
あった。本発明は斯る点に鑑み高速で方位角データを要
する機器への接続が出来るようにすることを目的とす
る。However, in the above-described azimuth angle measuring apparatus using the GPS phase difference, it takes too much calculation time to solve the ambiguity of the phase for azimuth angle measurement. However, there is a problem that the azimuth cannot be measured. For this reason, it has not been possible to connect to a device that requires azimuth data at high speed. In view of the above, an object of the present invention is to enable high-speed connection to a device that requires azimuth data.
【0009】[0009]
【課題を解決するための手段】本発明方位角計測装置は
例えば図1に示す如く航行体に所定の距離をおいて設置
されるべき、2個以上の衛星受信アンテナ1,2と、こ
の受信アンテナ1,2で受信した衛星電波の位相差によ
り方位角を演算する演算手段3と、この演算手段3の出
力を入力とし、過去の演算出力の値を用いて、方位角の
推定演算を行う推定演算部5を設け、この推定演算部5
の出力を方位角出力となるようにしたものである。The azimuth angle measuring device of the present invention is, for example, as shown in FIG. 1, two or more satellite receiving antennas 1, 2 to be installed at a predetermined distance on a navigation body, and A calculating means 3 for calculating an azimuth angle based on a phase difference between satellite radio waves received by the antennas 1 and 2, and an output of the calculating means 3 as an input, and an azimuth angle estimating calculation is performed using a value of a past calculated output. An estimation operation unit 5 is provided.
Is an azimuth output.
【0010】[0010]
【作用】本発明、方位角計測装置によれば、方位角出力
間隔は、衛星受信電波の受信間隔に関係なく出力するこ
とができるため、連続的に方位角を計測することがで
き、高速で方位角データを必要とする他機器へ連接する
ことができる。The present invention, according to the azimuth measuring device, the azimuth angle output interval, it is possible to Ku out force regardless of the reception interval of the satellite receiving radio waves, it is possible to continuously measure the azimuth, azimuth data at high speed can be contact communication to other devices requiring.
【0011】[0011]
【実施例】以下、本発明による方位角計測装置の一実施
例を図1〜図3を参照して、詳細に説明する。なお、図
1において、図4と対応する部分には同一符号を付与し
てその詳細な説明は省略する。図2は、GPS衛星から
の電波を受信してから、方位角が出力されるまでのタイ
ムチャートを示している。図2aは、GPS衛星の電波
の位相を受信した信号を表わしており、ハイレベル(以
下H−レベルという)の立上りで、その時刻であるとす
る。この時刻を基準にすると、図2bは、GPS方位演
算部3での位相アンビギュイティを解き、また位置演算
部4との出力とにより方位角を演算する時間T1 をH−
レベルで表わしている。また、図2cは、上述方位角出
力を出力するタイムチャートであり、受信基準時刻から
時間T2 だけ遅れている。また、衛星電波の受信間隔は
τであるとする。この時、方位角の出力値は、T2 だけ
遅れた値として計測されている。衛星電波の受信間隔τ
が極めて小さければ、上述出力遅れは問題とならない
が、実際の方位角演算には、例えば500msecの演
算時間を要している。このため、例えば、航行体が10
°/sの角速度で旋回した場合、5°の方位角誤差が発
生する。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of an azimuth angle measuring device according to the present invention will be described below in detail with reference to FIGS. In FIG. 1, parts corresponding to those in FIG. 4 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. FIG. 2 shows a time chart from reception of a radio wave from a GPS satellite to output of an azimuth angle. FIG. 2A shows a signal obtained by receiving the phase of the radio wave of the GPS satellite, and it is assumed that the time is the rising of a high level (hereinafter referred to as H-level). Based on this time, FIG. 2B shows that the time T 1 for solving the phase ambiguity in the GPS azimuth calculation unit 3 and calculating the azimuth angle based on the output from the position calculation unit 4 is H−.
Expressed by level. Further, FIG. 2c is a time chart for outputting the aforementioned azimuth angle output is delayed by a time T 2 from the reception reference time. It is assumed that the reception interval of the satellite radio wave is τ. At this time, the output value of the azimuth angle is measured as the delayed value by T 2. Satellite signal reception interval τ
Is extremely small, there is no problem with the output delay, but the actual azimuth calculation requires a calculation time of, for example, 500 msec. Therefore, for example, when the navigating body is 10
When turning at an angular velocity of ° / s, an azimuth error of 5 ° occurs.
【0012】本例は、図1に示すように、GPS方位演
算部3の出力を用いて、次のように方位角出力時間間隔
内を推定する推定方位演算部5を設けたものである。こ
の推定方位演算部5を図3をもとに説明する。GPS方
位演算部の出力方位角φは、受信間隔τで出力されてお
り、現時点の時刻をtx 、方位角をφx とし、この時刻
の前の受信時刻tn での方位角をφn 、その1つ前の受
信間隔での受信時刻及び方位角をtn-1 ,φn-1 とす
る。この時、tX での方位角φx は、φn-1 ,φ n を用
いてIn this example, as shown in FIG.
Using the output of the arithmetic unit 3, the azimuth output time interval is as follows:
An estimated azimuth calculation unit 5 for estimating the inside is provided. This
The estimated azimuth calculation unit 5 will be described with reference to FIG. GPS method
The output azimuth angle φ of the position calculation unit is output at the reception interval τ.
And the current time is tx, Azimuth angle φxAnd this time
Reception time t beforenThe azimuth at φn, The previous one
The reception time and azimuth at the signal interval are tn-1, Φn-1Toss
You. At this time, tXAzimuth φ atxIs φn-1, Φ nFor
Stay
【0013】[0013]
【数2】 (Equation 2)
【0014】と推定する。この演算を行う要素が図1に
示す推定方位演算部5である。そして、この出力は位置
演算部の出力である位置とともに表示器6により表示さ
れる。なお、数2において、It is estimated that The element that performs this calculation is the estimated azimuth calculation unit 5 shown in FIG. This output is displayed on the display 6 together with the position output from the position calculation unit. Note that in Equation 2,
【0015】[0015]
【数3】 (Equation 3)
【0016】と置き、衛星の受信状態を表すGDOP
(Geometric Dilution Of Pr
ecision)の関数として係数α,βを定義し、G
DOPが大きくなり、位相誤差が大きいと考えられる場
合には、α,βの値を小さくし、GDOPが小さい場合
には、α≒1,β≒1となるよう関数を設定しても良
い。GDOP indicating the reception status of the satellite
(Geometric Dilution Of Pr
definition of the coefficients α and β as a function of
If the DOP is large and the phase error is considered to be large, the values of α and β may be reduced, and if the GDOP is small, the function may be set so that α ≒ 1 and β ≒ 1.
【0017】また、本実施例は、アンテナが2本の場合
であるが、基線長が2本のアンテナに対し直角となるよ
うにさらに1本を追加することにより、方位角の他に、
ロール角及びピッチ角を計測することができる。このよ
うなシステムに対しても、方位角と同様、ロール角及び
ピッチ角の推定演算部を設けることにより、連続したロ
ール角及びピッチ角の出力が得られる。尚、本発明は上
述実施例に限ることなく本発明の要旨を逸脱することな
くその他種々の構成が採り得ることは勿論である。In this embodiment, the number of antennas is two, but by adding one more so that the base line length is perpendicular to the two antennas, in addition to the azimuth,
The roll angle and the pitch angle can be measured. Even in such a system, continuous roll angle and pitch angle outputs can be obtained by providing a roll angle and pitch angle estimation calculation unit as in the case of the azimuth angle. It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, but can adopt various other configurations without departing from the gist of the present invention.
【0018】[0018]
【発明の効果】以上、説明したように、本発明によれ
ば、船舶等の航行体の方位角を連続して計測することが
でき、オートパイロット、衝突予防装置等の高速で方位
角のデータを要する機器への接続が出来る利益がある。As described above, according to the present invention, it is possible to continuously measure the azimuth of a navigating body such as a ship, and to obtain high-speed azimuth data from an autopilot or a collision prevention device. There is an advantage that it can be connected to equipment that requires.
【図1】本発明方位角計測装置の一実施例を示す構成図
である。FIG. 1 is a configuration diagram showing one embodiment of an azimuth angle measuring device of the present invention.
【図2】本発明の説明に供する線図である。FIG. 2 is a diagram for describing the present invention.
【図3】本発明の説明に供する線図である。FIG. 3 is a diagram for explanation of the present invention.
【図4】方位角の計測原理説明に供する構成図である。FIG. 4 is a configuration diagram for explaining a principle of measuring an azimuth angle;
1,2 受信アンテナ 3 方位演算部 4 位置演算部 5 推定方位演算部 6 表示器 1, 2 receiving antenna 3 azimuth calculation unit 4 position calculation unit 5 estimated azimuth calculation unit 6 display
フロントページの続き (72)発明者 赤羽 紀之 東京都大田区南蒲田2丁目16番46号 株 式会社トキメック内 (72)発明者 川上 温 東京都大田区南蒲田2丁目16番46号 株 式会社トキメック内 (56)参考文献 特開 昭60−244878(JP,A) 特開 昭63−29279(JP,A) 特開 昭55−117977(JP,A) 特開 昭59−88666(JP,A) 特開 昭60−188810(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01C 21/00 - 21/24 G01S 5/14 B60R 11/02 Continued on the front page (72) Inventor Noriyuki Akabane 2-16-46 Minami Kamata, Ota-ku, Tokyo Inside Tokimec Co., Ltd. (72) Inventor Atsushi Kawakami 2-16-46 Minami Kamata, Ota-ku, Tokyo Co., Ltd. In Tokimec (56) References JP-A-60-244878 (JP, A) JP-A-63-29279 (JP, A) JP-A-55-117977 (JP, A) JP-A-59-88666 (JP, A) JP-A-60-188810 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) G01C 21/00-21/24 G01S 5/14 B60R 11/02
Claims (2)
べき2個以上の衛星受信アンテナと、該アンテナで受信
した衛星電波の位相差により方位角を演算する演算手段
とを有する方位角計測装置において、上記演算手段の出
力を入力とし過去の演算出力の値を用いて出力の時間遅
れを補正し任意時間出力とするための推定演算部を設
け、該推定演算部の出力を方位角出力となるように構成
したことを特徴とする方位角計測装置。An azimuth having two or more satellite receiving antennas to be installed at a predetermined distance from a navigation body, and arithmetic means for calculating an azimuth based on a phase difference between satellite radio waves received by the antennas. In the measuring device, an estimation calculation unit is provided for inputting the output of the calculation unit as an input, correcting a time delay of the output by using a value of the past calculation output, and outputting the output at an arbitrary time, and outputting the output of the estimation calculation unit to an azimuth angle. An azimuth angle measuring device characterized in that it is configured to be an output.
外にロール角又はピッチ角を出力する演算手段を設け、
該演算手段の出力を入力とし過去の演算出力の値を用い
て出力の時間遅れを補正し任意時間出力とするための推
定演算部を設け、該推定演算部の出力をロール角又はピ
ッチ角出力となるように構成したことを特徴とする請求
項1記載の方位角計測装置。2. An arithmetic unit for providing three or more antennas and outputting a roll angle or a pitch angle other than an azimuth angle,
An estimation operation unit for inputting the output of the operation unit as an input, correcting the time delay of the output using the value of the operation output in the past, and providing an arbitrary time output, and outputting the output of the estimation operation unit as a roll angle or a pitch angle output The azimuth angle measuring device according to claim 1, wherein the azimuth angle measuring device is configured to be as follows.
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