狀態(tài)計算裝置、移動體、狀態(tài)計算方法
【專利摘要】一種狀態(tài)計算裝置、移動體、狀態(tài)計算方法，將能夠高精度地計算移動狀態(tài)的狀態(tài)計算裝置實現(xiàn)小型化。狀態(tài)計算裝置具備：天線裝置、相關(guān)處理部、ADR計算部、運算部。天線具備天線。相關(guān)處理部及ADR計算部計算天線的載波相位測定值并輸出至運算部。運算部根據(jù)多個載波相位測定值計算多個基線矢量。運算部使用多個基線矢量計算姿態(tài)角。這時，運算部按照基線矢量的每個組合，分別計算姿態(tài)角的多個各成分即俯仰角、滾轉(zhuǎn)角、以及偏航角。運算部根據(jù)多個計算結(jié)果來計算各成分的代表值，并通過這些代表值決定姿態(tài)角。
【專利說明】狀態(tài)計算裝置、移動體、狀態(tài)計算方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及計算船舶等移動體的姿態(tài)角（日語：姿勢角）、速度、位置等移動狀態(tài) 的狀態(tài)計算裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 以往，提出了計算移動體的航行狀態(tài)（移動狀態(tài)）的各種裝置。例如、專利文獻(xiàn)1 所記載的姿態(tài)計算裝置裝配于船舶。姿態(tài)計算裝置使用配置于船舶上的不同位置的多個天 線的位置信息，計算船舶的姿態(tài)角。
[0003]在專利文獻(xiàn)所記載的姿態(tài)計算裝置中，以使連結(jié)天線間的基線矢量的大小及方向 不同的方式配置多個天線。專利文獻(xiàn)1所記載的姿態(tài)計算裝置，在接收測位信號的多個天 線、即能夠進(jìn)行定位的多個天線中，選擇基線長度最長的兩個天線。專利文獻(xiàn)1所記載的姿 態(tài)計算裝置根據(jù)所選擇的兩個天線的定位位置來計算姿態(tài)角。
[0004] 專利文獻(xiàn)1 :日本特開2008-14721號公報
[0005]如上述那樣，以往的姿態(tài)計算裝置盡可能使用基線長度長的兩個天線來計算姿態(tài) 角，所以姿態(tài)計算裝置相對于移動體的配置規(guī)模變大。這是為了提高姿態(tài)角的計算精度，一 般來說，如果基線長度變短，則姿態(tài)角的計算精度下降。
[0006]但是，姿態(tài)計算裝置相對于移動體的配置規(guī)模有時存在限制，這種情況下，不得不 犧牲姿態(tài)角的計算精度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]因此，本發(fā)明的目的在于，提供一種能夠高精度地計算包含姿態(tài)角在內(nèi)的移動狀 態(tài)的小型狀態(tài)計算裝置。此外，還提供能夠?qū)崿F(xiàn)具有這樣的特征的狀態(tài)計算裝置的狀態(tài)計 算方法及狀態(tài)計算程序。
[0008]本發(fā)明的狀態(tài)計算裝置具備：多個天線、相關(guān)處理部、載波相位測定值計算部、基 線矢量計算部及姿態(tài)角計算部。多個天線為3個以上，配置在移動體上的不同位置，分別接 收測位信號。相關(guān)處理部基于測位信號和該測位信號的復(fù)制信號（replicasignal)的相 關(guān)處理，按照各個天線分別計算載波相位差。載波相位測定值計算部計算載波相位差的積 分值、即載波相位測定值?；€矢量計算部基于載波相位測定值，計算多個基線矢量。姿態(tài) 角計算部按照每個基線矢量計算偏航角，并基于計算出的多個偏航角來決定代表偏航角。
[0009]在該構(gòu)成中，通過多個基線矢量來計算代表偏航角，所以能夠高精度地計算該代 表偏航角。因此，能夠高精度地計算包含該代表偏航角在內(nèi)的姿態(tài)角。
[0010] 此外，本發(fā)明的狀態(tài)計算裝置的姿態(tài)角計算部，按照每個基線矢量，根據(jù)代表俯 仰角（縱搖角、pitchangle)及代表滾轉(zhuǎn)角（橫搖角、rollangle)來計算偏航角（yaw angle)〇
[0011] 在該構(gòu)成中，示出了使用基線矢量來計算偏航角的具體方法。
[0012] 此外，本發(fā)明的狀態(tài)計算裝置的姿態(tài)角計算部，按照每個基線矢量，根據(jù)代表俯仰 角來計算滾轉(zhuǎn)角，并根據(jù)計算出的多個滾轉(zhuǎn)角來計算代表滾轉(zhuǎn)角。
[0013] 在該構(gòu)成中，示出了在偏航角的計算中利用的代表滾轉(zhuǎn)角的具體計算方法。
[0014] 此外，本發(fā)明的狀態(tài)計算裝置的姿態(tài)角計算部，將多個基線矢量中的每2個作為 一組，按照每個組計算俯仰角，并根據(jù)計算出的多個俯仰角來計算代表俯仰角。
[0015] 在該構(gòu)成中，示出了在偏航角及滾轉(zhuǎn)角的計算中利用的代表俯仰角的具體計算方 法。此外，通過將這些具體的計算方法組合，能夠基于測位信號的載波相位測定值來高精度 地計算姿態(tài)角。
[0016] 此外，在本發(fā)明的狀態(tài)計算裝置中，以多個基線矢量的至少1個與移動體的航向 (heading)平行的方式配置3個以上的天線。
[0017] 在該構(gòu)成中，能夠簡單且高速地計算偏航角。
[0018] 此外，本發(fā)明的狀態(tài)計算裝置還具備位置計算部，該位置計算部使用姿態(tài)角和針 對多個測位信號的相關(guān)處理的結(jié)果，計算移動體的特定位置的坐標(biāo)。這時，位置計算部在計 算特定位置的坐標(biāo)時進(jìn)行基于姿態(tài)角的修正。
[0019] 此外，本發(fā)明的狀態(tài)計算裝置還具備速度計算部，該速度計算部使用針對多個測 位信號的相關(guān)處理的結(jié)果，計算移動體的特定位置的速度。這時，速度計算部在計算特定位 置的速度時進(jìn)行基于姿態(tài)角的修正。
[0020] 在這些構(gòu)成中，使用上述那樣高精度地計算的姿態(tài)角，所以能夠高精度地計算位 置坐標(biāo)及速度。
[0021] 發(fā)明的效果
[0022] 根據(jù)本發(fā)明，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度地計算航行狀態(tài)的小型的狀態(tài)計算裝置。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023] 圖1是表示本發(fā)明的第1實施方式的狀態(tài)計算裝置的構(gòu)成的框圖。
[0024] 圖2是用于說明本發(fā)明的第1實施方式的航行狀態(tài)的計算原理的圖。
[0025] 圖3是表示天線裝置的各天線的配置及基線矢量的關(guān)系的圖。
[0026] 圖4是表示由本實施方式的狀態(tài)計算裝置執(zhí)行的姿態(tài)角計算的概略流程的流程 圖。
[0027] 圖5是表示由運算部執(zhí)行的姿態(tài)角計算的具體流程的流程圖。
[0028] 圖6是表不俯仰角0的計算流程的流程圖。
[0029] 圖7是表示滾轉(zhuǎn)角小的計算流程的流程圖。
[0030] 圖8是表不偏航角V的計算流程的流程圖。
[0031] 圖9是表示本發(fā)明的第2實施方式的狀態(tài)計算裝置的構(gòu)成的框圖。
[0032] 圖10是表示本發(fā)明的第2實施方式的速度計算流程的流程圖。
[0033] 圖11是表示本發(fā)明的第2實施方式的另一速度計算流程的流程圖。
[0034] 圖12是表示幾何學(xué)平均值的計算位置和期望位置的偏差的狀況及修正的概念的 圖。
[0035] 圖13是表示本發(fā)明的第2實施方式的位置計算流程的流程圖。
[0036] 圖14是表示本發(fā)明的第2實施方式的另一位置計算流程的流程圖。
[0037] 圖15是表示裝配了本實施方式的狀態(tài)計算裝置的船舶的概略構(gòu)成圖。
[0038] 圖16是表示多個天線的派生配置樣式的圖。
[0039] 圖17是表示多個天線的派生配置樣式的圖。
[0040] 圖18是表示多個天線的派生配置樣式的圖。

【具體實施方式】
[0041] 參照【專利附圖】

【附圖說明】本發(fā)明的第1實施方式的狀態(tài)計算裝置。在本實施方式中，說明將 船舶作為移動體并計算該船舶的航行狀態(tài)的裝置，但是在計算其他海上海中移動體、汽車 等陸地移動體、飛機等空中移動體的移動狀態(tài)的情況下，也能夠應(yīng)用以下的構(gòu)成。
[0042] 圖1是表示本發(fā)明的第1實施方式的狀態(tài)計算裝置的構(gòu)成的框圖。圖2是用于說 明本發(fā)明的第1實施方式的航行狀態(tài)的計算原理的圖。在圖2中，記載了天線裝置100相 對于船舶900的設(shè)置形態(tài)、以及BODY坐標(biāo)系（船體坐標(biāo)系）和NED坐標(biāo)系（地球坐標(biāo)系） 的關(guān)系。圖3是表示天線裝置的各天線的配置及基線矢量的關(guān)系的圖。
[0043] 如圖1所示，狀態(tài)計算裝置10具備：天線裝置100、相關(guān)處理部111A、111B、111C、 1110301?計算部112六、1128、112(：、1120、運算部12。
[0044] 如圖2所示，天線裝置100設(shè)置在船舶900上的視野好的地方、即對于來自定位衛(wèi) 星的測位信號的接收環(huán)境良好的地方。例如，如圖2所示，天線裝置100設(shè)置在設(shè)于船舶 900的甲板的桅桿的前端。
[0045] 天線裝置100具備天線100A、100B、100C、100D。如圖3所示，天線100A、100B、 100CU00D在天線裝置100的框體內(nèi)配置于同一平面上。這時，以形成天線100A的中心位置 A、天線100B的中心位置B、天線100C的中心位置C及天線100D的中心位置D成為四個角 的正方形的方式配置天線100A、100B、100C、100D。另外，以下將由該天線100A、100B、100C、 100D的配置位置形成的正方形的中心位置作為配置中心位置0。另外，天線裝置100以天 線100A、100B、100C、100D所配置的平面與船舶900的水平面平行的方式配置于船舶900。
[0046] 天線100A、100B、100C、100D接收來自多個定位衛(wèi)星的測位信號，并分別輸出至相 關(guān)處理部 111A、11IB、111C、IllD。在此，例如定位衛(wèi)星是GPS(GlobalPositioningSystem, 全球定位系統(tǒng)）衛(wèi)星，測位信號是GPS信號。另外，不限于GPS，也可以使用GNSS(Grobal NavigationSatelliteSystems,全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）的定位衛(wèi)星及測位信號。
[0047] 相關(guān)處理部IllA根據(jù)來自天線100A的各測位信號和復(fù)制信號（r印Iicasignal) 的載波相關(guān)處理結(jié)果，按照每個測位信號輸出載波相位差。ADR計算部112A對載波相位差 進(jìn)行積分，計算載波相位測定值A(chǔ)DRa，并輸出至運算部12。另外，相關(guān)處理部IllA根據(jù)來 自天線100A的各測位信號和復(fù)制信號的代碼相關(guān)處理結(jié)果，計算模擬（日語：擬似）距離 PRa，并輸出至運算部12。
[0048] 相關(guān)處理部IllB根據(jù)來自天線100B的各測位信號和復(fù)制信號的載波相關(guān)處理結(jié) 果，按照每個測位信號輸出載波相位差。ADR計算部112B對載波相位差進(jìn)行積分，計算載波 相位測定值A(chǔ)DRb，并輸出至運算部12。另外，相關(guān)處理部IllB根據(jù)來自天線100B的各測 位信號和復(fù)制信號的代碼相關(guān)處理結(jié)果，計算模擬距離PRb，并輸出至運算部12。
[0049] 相關(guān)處理部IllC根據(jù)來自天線100C的各測位信號和復(fù)制信號的載波相關(guān)處理結(jié) 果，按照每個測位信號輸出載波相位差。ADR計算部112C對載波相位差進(jìn)行積分，計算載波 相位測定值A(chǔ)DR。，并輸出至運算部12。另外，相關(guān)處理部IllC根據(jù)來自天線100C的各測 位信號和復(fù)制信號的代碼相關(guān)處理結(jié)果，計算模擬距離PR。，并輸出至運算部12。
[0050] 相關(guān)處理部IllD根據(jù)來自天線100D的各測位信號和復(fù)制信號的載波相關(guān)處理結(jié) 果，按照每個測位信號輸出載波相位差。ADR計算部112D對載波相位差進(jìn)行積分，計算載波 相位測定值A(chǔ)DRd,并輸出至運算部12。另外，相關(guān)處理部IllD根據(jù)來自天線100D的各測 位信號和復(fù)制信號的代碼相關(guān)處理結(jié)果，計算模擬距離PRD，并輸出至運算部12。
[0051] 如下述那樣，本實施方式的運算部12計算姿態(tài)角，省略了位置坐標(biāo)及速度的計 算，所以相關(guān)處理部11認(rèn)、11川、111(：、1110、和401?計算部1124、1128、112(：、1120至少計算 載波相位測定值A(chǔ)DRa、ADRB、ADRC、ADRd即可。
[0052] 運算部12具備基線矢量計算部120和姿態(tài)角計算部121。
[0053] 基線矢量計算部120使用載波相位測定值A(chǔ)DRa、ADRB、ADR。、ADRd來計算多個基線 矢量?；€矢量是將設(shè)置的多個天線中的2個天線組合而決定。具體地說，在本實施方式 中，計算基線矢量AB、BC、CD、DA、BD、CA這六個基線矢量。基線矢量的計算方法是已知的方 法，作為代表性的計算方法之一，有如下的方法：計算針對二個天線和二個定位衛(wèi)星的二重 相位差，決定整數(shù)值偏置（偏差、bias)，使用該整數(shù)值偏置來決定基線矢量。
[0054] 基線矢量AB以天線100A的中心位置A為起點，以天線100B的中心位置B為終點。 基線矢量BC以天線100B的中心位置B為起點，以天線100C的中心位置C為終點?；€矢 量⑶以天線100C的中心位置C為起點，以天線100D的中心位置D為終點?；€矢量DA 以天線100D的中心位置D為起點，以天線100A的中心位置A為終點?；€矢量BD以天線 100B的中心位置B為起點，以天線100D的中心位置D為終點?；€矢量CA以天線100C的 中心位置C為起點，以天線100A的中心位置A為終點。
[0055] 姿態(tài)角計算部121選擇多個基線矢量，根據(jù)該多個基線矢量計算姿態(tài)角。由運算 部12執(zhí)行的詳細(xì)的姿態(tài)角的計算方法留待后述。姿態(tài)角由俯仰角（縱搖角）e(eh)、滾轉(zhuǎn) 角（橫搖角）小Oh)及偏航角V(vh)的成分構(gòu)成。俯仰角0 (0h)、滾轉(zhuǎn)角Oh)及偏 航角V(Vh)通過BODY坐標(biāo)系來表現(xiàn)。如圖2所示，BODY坐標(biāo)系由與船舶900的船頭方 向平行的bl軸、與船舶900的左右舷方向平行的b2軸、與bl軸及b2軸垂直的b3軸構(gòu)成。 艮P，b3軸是在船舶900不搖動的狀態(tài)下與鉛垂方向平行的軸。該BODY坐標(biāo)系的中心Pa設(shè) 定在船舶900的重心位置。
[0056] 俯仰角0 ( 0h)是由bl軸及b3軸決定的平面的角度，表示船頭尾向鉛垂方向的移 動。滾轉(zhuǎn)角?。ㄐ)是由b2軸及b3軸決定的平面的角度，表示左右舷的鉛垂方向的移動。 偏航角V(Vh)是由bl軸及b2軸決定的平面的角度，表示水平面上的船頭方位的移動。 [0057] 姿態(tài)角計算部121概略性地分別計算多個這些俯仰角0、滾轉(zhuǎn)角小及偏航角￥， 將作為各自的代表值的代表俯仰角Qh、代表滾轉(zhuǎn)角及代表偏航角Vh作為姿態(tài)角[0h， 小h，vh]輸出。
[0058] 另外，如圖1所示，這一系列處理可以按照每個功能塊執(zhí)行，也可以預(yù)先程序化而 由計算機等信息處理裝置執(zhí)行。
[0059] 圖4是表示由本實施方式的狀態(tài)計算裝置執(zhí)行的姿態(tài)角計算的概略流程的流程 圖。
[0060] 如上述那樣，通過多個天線100A、100B、100C、100D接收測位信號，按每個天線 100A、100B、100C、100D計算載波相位測定值A(chǔ)DRa、ADRB、ADRC、ADRd(SIOI)。運算部 12 使用 載波相位測定值A(chǔ)DRa、ADRB、ADRC、ADRd，計算多個基線矢量AB、BC、CD、DA、BD、CA(S102)。
[0061] 運算部12使用多個基線矢量計算多個俯仰角e、滾轉(zhuǎn)角Cj5及偏航角11/。運算部 12根據(jù)多個俯仰角0、滾轉(zhuǎn)角小及偏航角V決定各成分的代表值，作為姿態(tài)角[0h，(K， Vh]輸出（S103)。
[0062] 接下來說明姿態(tài)角[eh，（^，Vh]的具體計算方法。
[0063] (原理）
[0064] 對于從圖2所示的BODY坐標(biāo)系向NED坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)，按照旋轉(zhuǎn)順序設(shè)定橫滾、俯 仰、航向（日語：?>夕''方向），并將各自的角度設(shè)為[小，e，V]。即，設(shè)為滾轉(zhuǎn)角小、 俯仰角0、偏航角V。
[0065] 在此，天線配置如上述那樣，位于相對于船舶900水平、即與圖2所示的b3軸正交 的平面上。這時，作為BODY坐標(biāo)系中的距離r和相對于船頭方向的角A，表示一般化的天 線配置的矢量Xb時，成為下式。
[0066] ◎【數(shù)式1】
[0067]

【權(quán)利要求】
1. 一種狀態(tài)計算裝置，具備： 3個W上的天線，配置在移動體上的不同位置，分別接收測位信號； 相關(guān)處理部，基于所述測位信號與該測位信號的復(fù)制信號的相關(guān)處理，按每個天線分 別計算載波相位差； 載波相位測定值計算部，計算所述載波相位差的積分值即載波相位測定值； 基線矢量計算部，基于所述載波相位測定值計算多個基線矢量；W及 姿態(tài)角計算部，按照每個所述基線矢量計算偏航角，基于該計算出的多個偏航角計算 代表偏航角。
2. 如權(quán)利要求1所述的狀態(tài)計算裝置， 所述姿態(tài)角計算部按照每個所述基線矢量，根據(jù)代表俯仰角及代表滾轉(zhuǎn)角計算所述偏 航角。
3. 如權(quán)利要求2所述的狀態(tài)計算裝置， 所述姿態(tài)角計算部按照每個所述基線矢量，根據(jù)所述代表俯仰角計算所述滾轉(zhuǎn)角，根 據(jù)該計算出的多個滾轉(zhuǎn)角計算代表滾轉(zhuǎn)角。
4. 如權(quán)利要求3所述的狀態(tài)計算裝置， 所述姿態(tài)角計算部將所述多個基線矢量中的每2個作為組，按照每個組計算俯仰角， 根據(jù)計算出的多個俯仰角計算所述代表俯仰角。
5. 如權(quán)利要求1?4中任一項所述的狀態(tài)計算裝置， 所述3個W上的天線，W所述多個基線矢量的至少1個與所述移動體的航向平行的方 式配置。
6. 如權(quán)利要求5所述的狀態(tài)計算裝置， 與所述航向平行的基線矢量，是所述多個基線矢量中的基線長度最短的基線矢量。
7. 如權(quán)利要求1?4中任一項所述的狀態(tài)計算裝置， 所述3個W上的天線，W使該3個W上的天線的配置位置的中也點到各天線的距離相 同的方式配置在所述移動體上。
8. 如權(quán)利要求1?4中任一項所述的狀態(tài)計算裝置， 所述多個基線矢量中的最短的基線矢量的基線長度是所述測位信號的半波長W下。
9. 如權(quán)利要求1?4中任一項所述的狀態(tài)計算裝置， 該狀態(tài)計算裝置還具備位置計算部，該位置計算部使用姿態(tài)角和針對所述多個測位信 號的所述相關(guān)處理的結(jié)果，計算所述移動體的特定位置的坐標(biāo)，該姿態(tài)角由所述姿態(tài)角計 算部所計算出的代表俯仰角、代表滾轉(zhuǎn)角、W及代表偏航角組成， 在計算所述特定位置的坐標(biāo)時，該位置計算部進(jìn)行基于所述姿態(tài)角的修正。
10. 如權(quán)利要求1?4中任一項所述的狀態(tài)計算裝置， 該狀態(tài)計算裝置還具備速度計算部，該速度計算部使用姿態(tài)角和針對所述多個測位信 號的所述相關(guān)處理的結(jié)果，計算所述移動體的特定位置的速度，該姿態(tài)角由所述姿態(tài)角計 算部所計算出的代表俯仰角、代表滾轉(zhuǎn)角、W及代表偏航角組成， 在計算所述特定位置的速度時，該速度計算部進(jìn)行基于所述姿態(tài)角的修正。
11. 一種移動體，具備： 權(quán)利要求1?10中任一項所述的狀態(tài)計算裝置；W及 控制部，使用所述狀態(tài)計算裝置輸出的姿態(tài)角進(jìn)行移動控制。
12. -種狀態(tài)計算方法，包括： 接收步驟，在移動體上的不同位置分別接收3個W上的測位信號； 載波相位測定值計算步驟，基于所述測位信號與該測位信號的復(fù)制信號的相關(guān)處理， 按照每個所述位置分別計算載波相位差，并計算該載波相位差的積分值即載波相位測定 值； 基線矢量計算步驟，基于所述載波相位測定值計算多個基線矢量；W及 姿態(tài)角計算步驟，按照每個所述基線矢量計算偏航角，并基于計算出的多個偏航角計 算代表偏航角。
13. 如權(quán)利要求12所述的狀態(tài)計算方法， 在所述姿態(tài)角計算步驟中，按照每個所述基線矢量，根據(jù)代表俯仰角及代表滾轉(zhuǎn)角計 算所述偏航角。
14. 如權(quán)利要求13所述的狀態(tài)計算方法， 在所述姿態(tài)角計算步驟中，按照每個所述基線矢量，根據(jù)所述代表俯仰角計算所述滾 轉(zhuǎn)角，根據(jù)該計算出的多個滾轉(zhuǎn)角計算代表滾轉(zhuǎn)角。
15. 如權(quán)利要求14所述的狀態(tài)計算方法， 在所述姿態(tài)角計算步驟中，將所述多個基線矢量中的每2個作為組，按照每個組計算 俯仰角，根據(jù)計算出的多個俯仰角計算所述代表俯仰角。
【文檔編號】G01S19/52GK104345326SQ201410353974
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2014年7月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月24日
【發(fā)明者】中村拓, 藤澤奈緒美 申請人:古野電氣株式會社