姿態(tài)角計算裝置、姿態(tài)角計算方法及姿態(tài)角計算程序與流程
本發(fā)明涉及計算船舶、飛行體、汽車等移動體的姿態(tài)角的姿態(tài)角計算裝置、姿態(tài)角計算方法及姿態(tài)角計算程序。
背景技術：
當前，利用gps信號來計算移動體的航行狀態(tài)的裝置以各種方式得到實用化。例如，在專利文獻1中記載的姿態(tài)計算裝置中，具備4臺gps天線。分別連結4臺天線的基線的長度(基線長度)不同。
專利文獻1中記載的姿態(tài)計算裝置選擇處于可定位的接收狀態(tài)的基線長度最長的2臺天線。專利文獻1中記載的姿態(tài)計算裝置利用這2臺gps天線接收到的gps信號來計算姿態(tài)。
現有技術文獻
專利文獻
專利文獻1：(日本)特開2008-14721號公報
技術實現要素：
發(fā)明要解決的課題
但是，在專利文獻1中記載的姿態(tài)計算裝置的方法中，考慮了gps天線的位置關系，但僅通過天線的位置關系有時不能提高姿態(tài)的計算精度。
從而，本發(fā)明的目的在于，提供能夠高精度地計算姿態(tài)角的姿態(tài)角計算裝置、姿態(tài)角計算方法及姿態(tài)角計算程序。
用于解決課題的手段
本發(fā)明的姿態(tài)角計算裝置具備多個天線、多個接收部、姿態(tài)角計算部及計算條件決定部。
多個天線分別接收來自定位衛(wèi)星的定位信號。多個接收部按構成多個天線的每個天線被設置。多個接收部使用天線所接收到的定位信號輸出計算用數據。姿態(tài)角計算部使用計算用數據來計算姿態(tài)角的各分量。計算條件決定部根據連結多個天線之中的兩個天線的基線與定位衛(wèi)星的位置關系，按姿態(tài)角的每個分量決定計算用數據對于計算姿態(tài)角的貢獻度。
在該結構中，能夠設定對計算所期望的姿態(tài)角的分量適當的計算用數據的權重、或者選擇計算用數據。由此，能夠高精度地計算所期望的姿態(tài)角的分量。
此外，在本發(fā)明的姿態(tài)角計算裝置中，計算條件決定部具備：精度惡化指標計算部，根據基線與定位衛(wèi)星的位置關系，按姿態(tài)角的每個分量計算精度惡化指標；以及貢獻度決定部，使用精度惡化指標來決定貢獻度。
在該結構中，使用精度惡化指標(dop)，決定每個定位衛(wèi)星(從定位信號得到的每個計算用數據)的貢獻度。由此，能夠更準確地計算所期望的姿態(tài)角的分量。
發(fā)明效果
根據本發(fā)明，能夠高精度地計算姿態(tài)角。
附圖說明
圖1是表示本發(fā)明的第一實施方式所涉及的航行狀態(tài)計算裝置的結構的框圖。
圖2是表示本發(fā)明的第一實施方式所涉及的計算條件決定部的結構的框圖。
圖3是表示本發(fā)明的第一實施方式所涉及的天線的位置關系的圖。
圖4是表示船首方向的精度惡化指數(heading-dop)的方位角依賴性的曲線圖。
圖5是表示俯仰方向的精度惡化指數(pitch-dop)的方位角依賴性的曲線圖。
圖6是表示天線與定位衛(wèi)星的位置關系的立體圖。
圖7是表示天線與定位衛(wèi)星的投影位置的關系的俯視圖。
圖8是表示本發(fā)明的第一實施方式所涉及的航行狀態(tài)計算方法的處理流程的流程圖。
圖9是表示本發(fā)明的第一實施方式所涉及的航行狀態(tài)計算方法中的加權系數的決定處理的流程圖。
圖10是表示本發(fā)明的第一實施方式所涉及的航行狀態(tài)計算方法的其他處理流程的流程圖。
圖11是表示本發(fā)明的第二實施方式所涉及的航行狀態(tài)計算裝置的結構的框圖。
圖12是本發(fā)明的第二實施方式所涉及的航行狀態(tài)計算方法的流程圖。
圖13是表示本發(fā)明的實施方式所涉及的航行狀態(tài)計算裝置所利用的天線的模式(pattern)的俯視圖。
圖14是表示本發(fā)明的第三實施方式所涉及的航行狀態(tài)計算裝置的結構的框圖。
圖15是表示本發(fā)明的第三實施方式所涉及的航行狀態(tài)計算裝置輸出的圖像例的圖。
圖16是表示本發(fā)明的第三實施方式所涉及的航行狀態(tài)計算裝置的顯示形態(tài)的圖。
圖17是表示本發(fā)明的第三實施方式所涉及的航行狀態(tài)計算裝置的顯示形態(tài)的圖。
具體實施方式
參照附圖說明本發(fā)明的第一實施方式所涉及的航行狀態(tài)計算裝置、航行狀態(tài)計算方法及航行狀態(tài)計算程序。作為本實施方式所示的移動體，以船舶為例進行說明，但也可以是其他海上移動體、海中移動體、汽車等陸上移動體、飛機等空中移動體的任一個。另外，作為本實施方式所示的定位信號，是gnss(全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)：globalnavigationsatellitesystem)的定位信號，具體而言是gps(全球定位系統(tǒng)：globalpositioningsystem)、glonass(全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)：globalnavigationsatellitesystem)、galileo(伽利略衛(wèi)星導航系統(tǒng))的定位信號。另外，不僅可以使用單獨的系統(tǒng)的定位信號，也可以使用多個系統(tǒng)的定位信號。
圖1是表示本發(fā)明的第一實施方式所涉及的航行狀態(tài)計算裝置的結構的框圖。圖2是表示本發(fā)明的第一實施方式所涉及的計算條件決定部的結構的框圖。圖3是表示本發(fā)明的第一實施方式所涉及的天線的位置關系的圖。
如圖1所示，本實施方式所涉及的包含姿態(tài)角計算裝置的航行狀態(tài)計算裝置10具備天線部100、接收部11a、11b、11c、11d、相位差計算部12、及運算部13。天線部100具備天線100a、100b、100c、100d。運算部13具備姿態(tài)角計算部131、計算條件決定部132。計算條件決定部132如圖2所示那樣具備精度惡化指標計算部133、貢獻度決定部134。
天線部100被配置在船舶中的上空開放的位置。如圖3所示，天線100a、100b、100c、100d的配置模式具有二維的擴展。
作為圖3所示的具體的配置方式的一例，天線100a、100b、100c、100d分別被配置于俯視時正方形的四個角。天線100a和天線100d被配置為連結這些天線100a、100d的基線與body坐標系(船體坐標系)的by方向(連結船首和船尾的方向(船首-船尾方向))成為平行。天線100b和天線100c被配置為連結這些天線的基線與船體(body)坐標系的by方向成為平行。
天線100a和天線100b被配置為連結這些天線100a、100b的基線與body坐標系的bx方向(連結右舷和左舷的方向(右左舷方向))成為平行。
天線100a、100b間的距離、天線100b、100c間的距離、天線100c、100d間的距離、天線100d、100a間的距離比定位信號的波長短。更具體而言，這些天線間的距離例如優(yōu)選為定位信號的波長λ的1/2(即λ/2)左右。通過將天線間的距離設為λ/2左右，從而整數值偏差(bias)的決定變得容易。
另外，該配置是一例，配置2臺以上的天線即可。即，能夠設定至少一個基線即可。
天線100a與接收部11a連接。天線100a接收定位信號發(fā)送的定位信號，并輸出至接收部11a。天線100b與接收部11b連接。天線100b接收定位信號發(fā)送的定位信號，并輸出至接收部11b。天線100c與接收部11c連接。天線100c接收定位信號發(fā)送的定位信號，并輸出至接收部11c。天線100d與接收部11d連接。天線100d接收定位信號發(fā)送的定位信號，并輸出至接收部11d。
接收部11a、11b、11c、11d被同步。例如，向接收部11a、11b、11c、11d輸入公共的時鐘信號，接收部11a、11b、11c、11d與該時鐘信號同步地進行定位信號的捕捉、追蹤。
接收部11a捕捉、追蹤定位信號，按每個定位信號(每個定位衛(wèi)星)計算偽距ρa。接收部11a將偽距ρa輸出至運算部13。接收部11a按每個定位信號(每個定位衛(wèi)星)計算載波相位測定值pya。接收部11a將載波相位測定值pya輸出至相位差計算部12。
接收部11b捕捉、追蹤定位信號，按每個定位信號(每個定位衛(wèi)星)計算偽距ρb。接收部11b將偽距ρb輸出至運算部13。接收部11b按每個定位信號(每個定位衛(wèi)星)計算載波相位測定值pyb。接收部11b將載波相位測定值pyb輸出至相位差計算部12。
接收部11c捕捉、追蹤定位信號，按每個定位信號(每個定位衛(wèi)星)計算偽距ρc。接收部11c將偽距ρc輸出至運算部13。接收部11c按每個定位信號(每個定位衛(wèi)星)計算載波相位測定值pyc。接收部11c將載波相位測定值pyc輸出至相位差計算部12。
接收部11d捕捉、追蹤定位信號，按每個定位信號(每個定位衛(wèi)星)計算偽距ρd。接收部11d將偽距ρd輸出至運算部13。接收部11d按每個定位信號(每個定位衛(wèi)星)計算載波相位測定值pyd。接收部11d將載波相位測定值pyd輸出至相位差計算部12。
這些偽距ρa、ρb、ρc、ρd、載波相位測定值pya、pyb、pyc、pyd對應于本發(fā)明的計算用數據。
相位差計算部12將天線100a、100b、100c、100d之中的2臺組合而設定基線。相位差計算部12按每個基線計算1重相位差。例如，具體而言，相位差計算部12執(zhí)行如下處理。
相位差計算部12將天線100a作為基準天線而設定為基線。相位差計算部12對基于天線100a和天線100b的基線，計算載波相位測定值pya與載波相位測定值pyb的差分值，計算天線間的1重相位差δζab(＝pyb-pya)。相位差計算部12根據載波相位測定值的差分運算，按每個基線計算1重相位差。相位差計算部12將所計算出的1重相位差輸出至運算部13。
運算部13對在定位信號上重疊的導航電文進行分析，取得衛(wèi)星位置。運算部13至少取得作為由接收部11a、11b、11c、11d接收的定位信號的發(fā)送源的定位衛(wèi)星的位置即可。另外，分析導航電文及取得定位衛(wèi)星的位置也可以由各接收部11a、11b、11c、11d進行。
此外，運算部13使用偽距ρa、ρb、ρc、ρd，計算各天線100a、100b、100c、100d的位置poa、pob、poc、pod。各天線100a、100b、100c、100d的位置poa、pob、poc、pod使用已知的單獨定位的方法即可。
姿態(tài)角計算部131使用衛(wèi)星位置和天線位置poa、pob、poc、pod，計算天線間的每個1重相位差的方向余弦。具體而言，例如，姿態(tài)角計算部131使用天線位置poa、pob、和作為在天線100a、100b這雙方中接收到的定位信號的發(fā)送源的定位衛(wèi)星的衛(wèi)星位置，計算與天線100a、100b間的1重相位差對應的方向余弦。姿態(tài)角計算部131也以同樣的方法計算與其他天線間的1重相位差對應的方向余弦。
姿態(tài)角計算部131使用天線間的1重相位差和方向余弦矩陣，計算姿態(tài)角at。方向余弦矩陣是將body坐標系變換為地球坐標系等絕對坐標系的矩陣。姿態(tài)角at由橫滾角
更具體而言，姿態(tài)角計算部131使用lamda法等已知的方法，按天線間的每個1重相位差推定并決定整數值偏差。姿態(tài)角計算部131使用天線間的1重相位差和整數值偏差，計算與各天線間的1重相位差對應的幾何距離差。姿態(tài)角計算部131使用幾何距離差和方向余弦矩陣，通過應用最小二乘法等，計算姿態(tài)角at。
姿態(tài)角計算部131使用由計算條件決定部132決定的每個1重相位差的貢獻度，計算姿態(tài)角。作為貢獻度，例如是加權系數。從而，姿態(tài)角計算部131在使計算條件決定部132中決定的加權系數乘以1重相位差的狀態(tài)下應用最小二乘法等，計算姿態(tài)角。
計算條件決定部132根據所期望的姿態(tài)角的分量，基于各1重相位差的基線與定位衛(wèi)星的位置關系來決定貢獻度(例如加權系數)。即，計算條件決定部132以高精度地計算橫滾角
更具體而言，計算條件決定部132使用如下示出的概念，決定每個1重相位差的貢獻度(加權系數)。圖4是表示船首方向的精度惡化指數(heading-dop)的方位角依賴性的曲線圖。圖5是表示俯仰方向的精度惡化指數(pitch-dop)的方位角依賴性的曲線圖。圖4、圖5中的橫軸是以絕對坐標系下的基線的基準位置為基準的定位衛(wèi)星的方位角，各曲線圖的基線方位ψ0、ψ1、ψ2、ψ3表示計算1重相位差的基線在絕對坐標系下的方位。
(偏航角ψ的計算)
如圖4所示，隨著相對于基線的方位接近90°(直角)，船首方向的精度惡化指數(以下稱為heading-dop)變小。隨著相對于基線的方位接近0°(平行)，heading-dop急劇地變大。該heading-dop的方位角依賴性不依賴于定位衛(wèi)星的仰角。此外，定位衛(wèi)星的仰角越低，則heading-dop變得越小。
計算條件決定部132使用heading-dop，決定在計算偏航角ψ或者將該偏航角ψ包含于姿態(tài)角分量的姿態(tài)角時設定的加權系數。heading-dop越小則計算條件決定部132將加權系數設定得越大，heading-dop越大則將加權系數設定得越小。計算條件決定部132按基線和定位衛(wèi)星的每個組合設定加權系數。由此，越是heading-dop小的基線和定位衛(wèi)星的組合，則計算姿態(tài)角中的1重相位差的貢獻變得越大，越是heading-dop大的基線和定位衛(wèi)星的組合，計算姿態(tài)角中的1重相位差的貢獻變得越小。計算條件決定部132將所設定的加權系數輸出至姿態(tài)角計算部131。姿態(tài)角計算部131使用從計算條件決定部132給予的加權系數，計算姿態(tài)角，從而能夠高精度地計算偏航角ψ。
(俯仰角θ的計算)
如圖5所示，隨著相對于基線的方位接近0°(平行)，俯仰方向的精度惡化指數(以下稱為pitch-dop)變小。隨著相對于基線的方位接近90°(直角)，pitch-dop急劇地變大。pitch-dop的方位角依賴性不依賴于定位衛(wèi)星的仰角。此外，定位衛(wèi)星的仰角變得越低，則pitch-dop變得越小。
計算條件決定部132使用pitch-dop，決定在計算俯仰角θ或者將該俯仰角θ包含于姿態(tài)角分量的姿態(tài)角時設定的加權系數。pitch-dop越小則計算條件決定部132將加權系數設定得越大，pitch-dop越大則將加權系數設定得越小。計算條件決定部132按基線和定位衛(wèi)星的每個組合設定加權系數。由此，越是pitch-dop小的基線和定位衛(wèi)星的組合，則計算姿態(tài)角中的1重相位差的貢獻變得越大，越是pitch-dop大的基線和定位衛(wèi)星的組合，則計算姿態(tài)角中的1重相位差的貢獻變得越小。計算條件決定部132將所設定的加權系數輸出至姿態(tài)角計算部131。姿態(tài)角計算部131使用從計算條件決定部132給予的加權系數，計算姿態(tài)角，從而能夠高精度地計算俯仰角θ。
通過使用這樣本實施方式的結構，能夠高精度地計算期望的姿態(tài)角分量。
另外，在上述的結構中，示出了使用精度惡化指數，設定基線和定位衛(wèi)星的每個組合的加權系數的例子。但是，也可以如下所示，使用基線矢量和定位衛(wèi)星相對于基線的視線方向矢量，設定加權系數。
從而，在計算船首方向的姿態(tài)角(偏航角)的情況下，若基于定位衛(wèi)星的配置位置關系，則將與相對于基線的方位接近90°(直角)的位置的定位衛(wèi)星對應的權重加重為佳。或者，在計算船首方向的姿態(tài)角(移動體的方位角、偏航角)的情況下，選擇相對于基線的方位接近90°(直角)的位置的定位衛(wèi)星，除去相對于基線的方位接近0°(平行)的位置的定位衛(wèi)星為佳。通過進行這樣的設定，能夠提高偏航角的計算精度。
具體而言，計算條件決定部132使用如下示出的概念，決定每個1重相位差的貢獻度。圖6是表示天線與定位衛(wèi)星的位置關系的立體圖。圖7是表示天線與定位衛(wèi)星的投影位置的關系的俯視圖。另外，在圖6、圖7中，示出body坐標系的bx軸方向與絕對坐標系的x軸方向一致，body坐標系的by軸方向與絕對坐標系的y軸方向一致的情況。
計算條件決定部132計算基線與定位衛(wèi)星的位置關系。計算條件決定部132計算連結“定位衛(wèi)星向包含基線的平面(若是圖6、圖7則為x-y平面)的投影位置”和“基線的基準位置(若是圖6、圖7則為基線的起點)”的線與基線所成的角。
例如，若是圖7中圖示的例子，計算條件決定部132設定連結天線100a、100d的基線矢量vctad?；€矢量vctad由天線100a、100d的位置決定。天線100a、100d的位置根據偽距ρa、ρd通過單獨定位來計算。
計算條件決定部132設定連結天線100a和定位衛(wèi)星sv1的視線方向矢量vcta1。視線方向矢量vcta1由天線100a及定位衛(wèi)星sv1的位置決定。定位衛(wèi)星sv1的位置通過對導航電文進行分析來取得。
計算條件決定部132設定連結天線100a和定位衛(wèi)星sv2的視線方向矢量vcta2。視線方向矢量vcta2由天線100a及定位衛(wèi)星sv2的位置決定。定位衛(wèi)星sv2的位置通過對導航電文進行分析來取得。
計算條件決定部132使用基線矢量vctad與視線方向矢量vcta1的內積運算等，計算連結天線100a、100d的基線、與連結定位衛(wèi)星sv1的投影位置和基線的基準位置(若是圖4、圖5則為天線100a的位置)的線所成的角。同樣，計算條件決定部132使用基線矢量vctad與視線方向矢量vcta2的內積運算等，計算連結天線100a、100d的基線、與連結定位衛(wèi)星sv2的投影位置和基線的基準位置的線所成的角。此時，所成的角被計算為90°以下。
(偏航角ψ的計算)
如上述的圖4所示，在偏航角ψ的情況下，相對于基線所成的角越接近90°(直角)則heading-dop變得越小，相對于基線所成的角越接近0°(平行)則heading-dop變得越大。
利用該原理，相對于基線所成的角越接近90°(直角)則計算條件決定部132將與定位衛(wèi)星對應的加權系數設定得越大，相對于基線所成的角越接近0°(平行)則將與定位衛(wèi)星對應的加權系數設定得越小。
由此，與上述使用heading-dop設定加權系數同樣，能夠高精度地計算偏航角ψ。
(俯仰角θ的計算)
如上述的圖5所示，在俯仰角θ的情況下，相對于基線所成的角越接近0°(平行)則pitch-dop變得越小，相對于基線所成的角越接近90°(直角)則pitch-dop變得越大。
利用該原理，相對于基線所成的角越接近0°(平行)則計算條件決定部132將與定位衛(wèi)星對應的加權系數設定得越大，相對于基線所成的角越接近90°(直角)則將對于定位衛(wèi)星的加權系數設定得越小。
由此，與上述使用pitch-dop設定加權系數同樣，能夠高精度地計算偏航角ψ。
另外，在上述的說明中，以相對于基線所成的角為基準而設定了加權系數，但也可以還利用仰角。如圖4、圖5所示，仰角越低則heading-dop及pitch-dop越被改善。從而，也可以進行仰角越低則增大加權系數的校正，進行仰角越高則減小加權系數的校正。
在上述的說明中，示出了以單獨的功能部執(zhí)行各處理的方式，但也可以將上述的處理程序化而存儲至存儲介質，由計算機等信息處理裝置讀出并執(zhí)行該程序。在該情況下，執(zhí)行如下示出的處理流程即可。圖8是表示本發(fā)明的第一實施方式所涉及的航行狀態(tài)計算方法的處理流程的流程圖。
信息處理裝置根據由多個天線100a、100b、100c、100d接收到的定位信號，計算偽距及載波相位測定值(s101)。
信息處理裝置對所接收到的定位信號進行解調并對導航電文進行分析。信息處理裝置從導航電文取得衛(wèi)星位置(s102)。
信息處理裝置根據基線與定位衛(wèi)星的位置關系，決定基線和定位衛(wèi)星的每個組合的加權系數(s103)。具體而言，信息處理裝置使用圖9所示的處理來決定加權系數。圖9是表示本發(fā)明的第一實施方式所涉及的航行狀態(tài)計算方法中的加權系數的決定處理的流程圖。信息處理裝置按基線和定位衛(wèi)星的每個組合計算heading-dop(s131)。信息處理裝置按基線和定位衛(wèi)星的每個組合計算pitch-dop(s132)。信息處理裝置根據所期望的姿態(tài)角分量，使用heading-dop或者pitch-dop，決定基線和定位衛(wèi)星的每個組合的加權系數(s133)。具體的加權系數的決定方法與上述的結構的說明相同。另外，heading-dop和pitch-dop根據所期望的姿態(tài)角分量，計算任一方即可。具體而言，若需要高精度計算的姿態(tài)角分量為偏航角ψ，則僅計算heading-dop，根據heading-dop決定加權系數即可。此外，若需要高精度計算的姿態(tài)角分量為俯仰角θ，僅計算pitch-dop，根據pitch-dop決定加權系數即可。
信息處理裝置按每個基線計算天線間的1重相位差(s104)。信息處理裝置使用偽距、1重相位差、按每個1重相位差設定的加權系數，計算姿態(tài)角(s105)。
另外，在上述的說明中，示出了根據精度惡化指數、或者基線矢量與視線方向矢量的位置關系，決定用于計算姿態(tài)角的加權系數的方式。但是，也可以根據精度惡化指數、或者基線矢量與視線方向矢量的位置關系，選擇在計算姿態(tài)角中利用的基線和定位衛(wèi)星的組合。
圖10是表示本發(fā)明的第一實施方式所涉及的航行狀態(tài)計算方法的其他處理流程的流程圖。在圖10中，圖示了使用精度惡化指標的情況。
信息處理裝置根據由多個天線100a、100b、100c、100d接收到的定位信號，計算偽距及載波相位測定值(s201)。
信息處理裝置對所接收到的定位信號進行解調，對導航電文進行分析。信息處理裝置從導航電文取得衛(wèi)星位置(s202)。
信息處理裝置根據基線和定位衛(wèi)星的位置關系，計算基線和定位衛(wèi)星的每個組合的精度惡化指標(s203)。
信息處理裝置使用精度惡化指標，選擇在計算姿態(tài)角中利用的基線和定位衛(wèi)星的組合(s204)。具體而言，信息處理裝置對精度惡化指標預先設定閾值。若精度惡化指標為閾值以下，則信息處理裝置選擇成為該精度惡化指標的基線和定位衛(wèi)星的組合以利用于姿態(tài)角的計算處理。若精度惡化指標比閾值大，則信息處理裝置選擇成為該精度惡化指標的基線和定位衛(wèi)星的組合以從姿態(tài)角的計算處理除去。該選擇處理根據所期望的姿態(tài)角分量而不同，在計算偏航角ψ的情況下，使用heading-dop，在計算俯仰角θ的情況下，使用pitch-dop。
另外，在使用基線矢量和視線方向矢量的位置關系的情況下，信息處理裝置對基線矢量與視線方向矢量所成的角設定閾值。
若所成的角比閾值大，則信息處理裝置選擇構成該所成的角的基線和定位衛(wèi)星的組合以利用于偏航角ψ的計算處理。若所成的角為閾值以下，則信息處理裝置選擇構成該所成的角的基線和定位衛(wèi)星的組合以從偏航角ψ的計算處理除去。即，將對于偏航角ψ的計算處理的貢獻度設為0。另一方面，若所成的角為閾值以下，則信息處理裝置選擇構成該所成的角的基線和定位衛(wèi)星的組合以利用于俯仰角θ的計算處理。若所成的角比閾值大，則信息處理裝置選擇構成該所成的角的基線和定位衛(wèi)星的組合以從俯仰角θ的計算處理除去。即，將對于偏航角ψ的計算處理的貢獻度設為0。
信息處理裝置使用通過所選擇的基線和定位衛(wèi)星的組合而得到的偽距、1重相位差，計算姿態(tài)角。
另外，這樣選擇基線和定位衛(wèi)星的組合在按每個功能部執(zhí)行上述的各處理的方式中，由計算條件決定部132執(zhí)行。
通過使用這樣的處理及結構，能夠高精度地計算所期望的姿態(tài)角分量、即要求高精度計算的姿態(tài)角分量。
另外，根據狀況而適當采用使用加權系數計算姿態(tài)角的方式和使用選擇計算姿態(tài)角的方式即可。例如，在能夠接收定位信號的定位衛(wèi)星數少的情況下，使用加權系數即可。由此，即使能夠接收定位信號的定位衛(wèi)星數少，也能夠高精度地計算姿態(tài)角。另一方面，在能夠接收定位信號的定位衛(wèi)星數多的情況下，使用選擇即可。由此，僅使用大量定位衛(wèi)星之中姿態(tài)角的計算精度高的定位衛(wèi)星，能夠高精度地計算姿態(tài)角。
接著，參照附圖說明第二實施方式所涉及的航行狀態(tài)計算裝置、航行狀態(tài)計算方法及航行狀態(tài)計算程序。圖11是表示本發(fā)明的第二實施方式所涉及的航行狀態(tài)計算裝置的結構的框圖。
本實施方式所涉及的航行狀態(tài)計算裝置10a對第一實施方式所涉及的航行狀態(tài)計算裝置10追加慣性傳感器20。進而，航行狀態(tài)計算裝置10a相對于航行狀態(tài)計算裝置10，運算部13a的結構不同。
慣性傳感器20具備加速度傳感器21及角速度傳感器22。加速度傳感器21檢測加速度aimu，并輸出至綜合處理部135。角速度傳感器22檢測角速度ωimu，并輸出至綜合處理部135。
運算部13a具備誤差推定部131a、計算條件決定部132及綜合處理部135。計算條件決定部132進行與第一實施方式相同的結構及處理，按基線和定位衛(wèi)星的每個組合，決定與1重相位差對應的加權系數。
向誤差推定部131a，輸入偽距ρa、ρb、ρc、ρd、載波相位測定值pya、pyb、pyc、pyd、衛(wèi)星位置變化量δpsata、δpsatb、δpsatc、δpsatc、天線間的1重相位差相位差。天線間的1重相位差由相位差計算部12計算。此外，向誤差推定部131a輸入上次的綜合位置pun、綜合速度vun及綜合姿態(tài)角atun。
誤差推定部131a根據這些輸入值而設定觀測值，設定以位置的計算誤差εp、速度的計算誤差εv及姿態(tài)角的計算誤差εat為推定值的卡爾曼濾波器。此時，誤差推定部131a使用按每個1重相位差設定的加權系數來設定卡爾曼濾波器。
誤差推定部131a通過對該卡爾曼濾波器進行運算處理，推定位置的計算誤差εp、速度的計算誤差εv及姿態(tài)角的計算誤差εat，并輸出至綜合處理部135。并且，通過對1重相位差進行加權，能夠高精度地推定姿態(tài)角的計算誤差εat。
綜合處理部135使用加速度aimu及角速度ωimu，計算綜合位置pun、綜合速度vun、及綜合姿態(tài)角atun。此時，綜合處理部135利用位置的計算誤差εp、速度的計算誤差εv及姿態(tài)角的計算誤差εat進行校正。
使用這樣的結構，也能夠與第一實施方式同樣地高精度地計算姿態(tài)角。進而，在本實施方式的結構中，還能夠根據姿態(tài)角的計算精度，高精度地計算位置及速度。
此外，通過使用本實施方式的結構，即使在不能接收定位信號的期間，也能夠計算姿態(tài)角。此外，在能夠接收定位信號的期間，能夠使用定位信號來校正慣性傳感器20的誤差，因此能夠高精度地計算姿態(tài)角。
另外，在圖11中，示出了分別以不同的功能部執(zhí)行各處理的方式。但是，也可以在一個信息處理裝置中形成這些功能部。在該情況下，預先存儲實現如下示出的航行狀態(tài)計算方法的程序，信息處理裝置讀出并執(zhí)行該程序即可。
圖12是本發(fā)明的第二實施方式所涉及的航行狀態(tài)計算方法的流程圖。
信息處理裝置計算偽距ρa、ρb、ρc、ρd、載波相位測定值pya、pyb、pyc、pyd、及衛(wèi)星位置變化量δpsata、δpsatb、δpsatc、δpsatd(s201)。信息處理裝置從慣性傳感器20取得加速度aimu及角速度ωimu。
信息處理裝置對所接收到的定位信號進行解調，對導航電文進行分析。信息處理裝置從導航電文取得衛(wèi)星位置(s202)。
信息處理裝置根據基線與定位衛(wèi)星的位置關系，決定基線和定位衛(wèi)星的每個組合的加權系數(s203)。
信息處理裝置按每個基線計算天線間的1重相位差(s204)。
信息處理裝置使用偽距、1重相位差、在上次的運算中得到的綜合位置pun、綜合速度vun、綜合姿態(tài)角atun、及按每個1重相位差設定的加權系數，推定位置的計算誤差εp、速度的計算誤差εv及姿態(tài)角的計算誤差εat(s205)。此時，信息處理裝置使用卡爾曼濾波器等，對誤差方差等設定權重。
信息處理裝置使用加速度aimu、角速度ωimu、位置的計算誤差εp、速度的計算誤差εv及姿態(tài)角的計算誤差εat，計算綜合位置pun、綜合速度vun、及綜合姿態(tài)角atun(s206)。
在上述的航行狀態(tài)計算裝置10、10a中，示出了天線為4臺的情況，但以多臺天線、即能夠構成一個以上的基線的方式配置天線即可。圖13是表示在本發(fā)明的實施方式所涉及的航行狀態(tài)計算裝置中利用的天線的模式的俯視圖。
天線部100'具備天線100a、100b、100c。天線100a、100b、100c的配置模式具有二維的擴展。即，以在穿過天線100a和天線100b的直線上不配置天線100c的方式配置有天線100a、100b、100c。天線間的距離與第一實施方式相同。
根據這樣的結構，也能夠得到與上述的各實施方式同樣的作用效果。
接著，參照附圖說明本發(fā)明的第三實施方式所涉及的航行狀態(tài)計算裝置。圖14是表示本發(fā)明的第三實施方式所涉及的航行狀態(tài)計算裝置的結構的框圖。
本實施方式的航行狀態(tài)計算裝置10b對第一實施方式所涉及的航行狀態(tài)計算裝置10追加了顯示部30。航行狀態(tài)計算裝置10b的其他結構與第一實施方式所涉及的航行狀態(tài)計算裝置相同。
顯示部30具備顯示控制部31及顯示器32。向顯示控制部31輸入由姿態(tài)角計算部131計算出的姿態(tài)角。向顯示控制部31輸入通過導航電文的解調而取得的定位衛(wèi)星的位置、天線部100的位置(即本船的位置)。姿態(tài)角、定位衛(wèi)星的位置及本船的位置以相同的坐標系來設定。
顯示控制部31根據姿態(tài)角at、定位衛(wèi)星的位置及本船的位置，生成表示天線部100和定位衛(wèi)星的位置的圖像數據。顯示控制部31將圖像數據輸出至顯示器32。
圖15是表示本發(fā)明的第三實施方式所涉及的航行狀態(tài)計算裝置輸出的圖像例的圖。如圖15所示，圖像具備方位顯示部320及衛(wèi)星位置顯示部330。方位顯示部320及衛(wèi)星位置顯示部330為同心圓的圓形。衛(wèi)星位置顯示部330被配置在方位顯示部320的圓的內側。
方位顯示部320具有表示地球坐標系下的方位的記號(n(北方向)、s(南方向)、e(東方向)、w(西方向)、45、135、225、315)。各記號沿著方位顯示部320的外周圓以45°間隔而具備。45、135、225、315的記號以n(北方向)為基準，表示向e(東方向)繞的角度。方位顯示部320中，圖像的上方為基準基線的方位角。
在衛(wèi)星位置顯示部330中，具備由半徑分別不同的圓形構成的多個仰角輔助線331。多個仰角輔助線331為同心圓，半徑越小的圓形則表示越高的仰角。在衛(wèi)星位置顯示部330中，顯示有表示定位衛(wèi)星的記號(定位衛(wèi)星記號)332。定位衛(wèi)星記號332表示定位衛(wèi)星相對于天線部100的位置。定位衛(wèi)星的位置通過從視野方向矢量得到的從天線部100觀看的各定位衛(wèi)星的方位角和仰角來表示。關于定位衛(wèi)星記號332的顯示位置，根據仰角而決定離圓的中心的距離，通過方位角而決定沿著周向的位置。在定位衛(wèi)星記號332中，具備表示衛(wèi)星序號的數值。定位衛(wèi)星記號332以按每個定位系統(tǒng)而不同的顏色來顯示。另外，定位衛(wèi)星記號332也可以采用僅與正接收定位信號的定位衛(wèi)星對應時變更顯示顏色、或者使其閃爍等顯示形態(tài)。此外，也可以根據接收定位信號的天線，使定位衛(wèi)星記號332的顯示形態(tài)變化。
在顯示圖像的中心、即方位顯示部320及衛(wèi)星位置顯示部330的中心，顯示有表示天線100a、100b、100c、100d的記號(天線記號)341、及表示基線的記號(基線記號)342。天線記號341及基線記號342被顯示為與天線部100相同的配置模式。天線記號341及基線記號342被顯示為基準基線在圖像的上下方向上延長。天線記號341中，僅基準天線(在此，對應于天線100a)的記號，通過與其他天線的記號不同的顯示形態(tài)(顏色等)來顯示。基線記號342為線狀，在定位中利用的基線以實線來顯示，在定位中沒有利用的基線以虛線來顯示。另外，也可以是能夠選擇成為基準的天線及基線，將所選擇的天線及基線以與其他天線及基線不同的顯示形態(tài)來顯示。
船首方位指示記號350被顯示在方位顯示部320的外周。船首方位指示記號350被顯示在與船首方位相應的位置。
通過使用這樣的顯示，操作者能夠容易地視覺辨認航行狀態(tài)計算裝置10b的周圍的定位衛(wèi)星的配置。操作者能夠容易地視覺辨認基線與定位衛(wèi)星的位置關系。此外，操作者能夠容易地視覺辨認在計算姿態(tài)角中利用的定位衛(wèi)星、成為基準的基線。
另外，考慮多個定位衛(wèi)星的位置在顯示上重疊。在該情況下，通過使用如下示出的顯示形態(tài)，能夠提高全部定位衛(wèi)星的視覺辨認性。圖16、圖17是表示本發(fā)明的第三實施方式所涉及的航行狀態(tài)計算裝置的顯示形態(tài)的圖。
在圖16所示的顯示形態(tài)中，若在通過定位衛(wèi)星記號進行顯示時顯示上的位置重疊，則在衛(wèi)星位置顯示部330中配置暫時記號333。暫時記號333比定位衛(wèi)星記號332小。從而，即使定位衛(wèi)星的位置接近，記號也難以重疊、或者重疊的大小小。對各暫時記號333添加注釋記號334。注釋記號334是與定位衛(wèi)星記號相同的顯示形態(tài)，被顯示在方位顯示部320的外側。注釋記號334以不重疊的方式被顯示。在方位顯示部320的外側存在足夠顯示的區(qū)域，因此能夠容易地將注釋記號334以不重疊的方式顯示。注釋記號334和暫時記號333通過引出箭頭記號而連接。由此，能夠提高全部定位衛(wèi)星的視覺辨認性。
在圖17所示的顯示形態(tài)中，若在通過定位衛(wèi)星記號進行顯示時顯示上的位置重疊，則在衛(wèi)星位置顯示部330中配置暫時記號333。暫時記號333比定位衛(wèi)星記號332小。對暫時記號333的組添加詳細顯示記號335。詳細顯示記號335與暫時記號333的組通過引出箭頭記號而連接。在詳細顯示記號335上，顯示有構成暫時記號的組的定位衛(wèi)星的衛(wèi)星序號群。該衛(wèi)星序號群以衛(wèi)星序號的配置順序依次變化的方式被顯示。由此，能夠提高全部定位衛(wèi)星的視覺辨認性。
另外，在上述的說明中，示出了針對利用于姿態(tài)計算的基線和定位衛(wèi)星的組合，以精度惡化指標、或者基于視線方向矢量的角度為基礎而設定的例子，但通過進一步進行如下示出的檢定，能夠進一步選擇在姿態(tài)角的高精度計算中有效的基線和定位衛(wèi)星的組合。另外，以下，示出選擇基線和定位衛(wèi)星的組合的例子，但關于加權系數的調整，也能夠同樣地設定。即，選擇與增大加權系數是類似的處理，除去與減小加權系數是類似的處理。
(a)基線矢量的檢定
將使用定位信號而計算出的基線矢量的長度、和在預先設置時刻已知的物理的基線長度進行比較。在所計算出的基線矢量的長度與物理的基線長度之差小于閾值的情況下，將與該基線矢量對應的1重相位差利用于計算姿態(tài)角。在所計算出的基線矢量的長度與物理的基線長度之差為閾值以上的情況下，將與該基線矢量對應的1重相位差從姿態(tài)角的計算中除去。
(b)基線矢量的殘差閾值檢定
針對使用定位信號而計算出的基線矢量的殘差，實施χ2乘檢定。在基線矢量的殘差的χ2乘值小于閾值的情況下，將與該基線矢量對應的1重相位差利用于計算姿態(tài)角。在基線矢量的殘差的χ2乘值為閾值以上的情況下，將與該基線矢量對應的1重相位差從姿態(tài)角的計算中除去。
(c)基線矢量的船首方位(偏航角ψ)的微分值檢定
連續(xù)取得所計算出的偏航角ψ，計算偏航角ψ的時間變化量。在偏航角ψ的時間變化量δψ小于閾值的情況下，采用所計算出的偏航角ψ。在偏航角ψ的時間變化量δψ為閾值以上的情況下，不采用所計算出的偏航角ψ。
(d)基線矢量的內積·向量積(外積)檢定
計算使用定位信號而計算出的2根基線矢量的內積或者向量積。根據預先設置的天線的物理位置關系計算2根基線矢量的內積或者向量積。在基于定位信號的內積與基于物理位置的內積之差、或者基于定位信號的向量積與基于物理位置的向量積之差小于閾值的情況下，將與該基線矢量對應的1重相位差利用于計算姿態(tài)角。在基于定位信號的內積與基于物理位置的內積之差、或者基于定位信號的向量積與基于物理位置的向量積之差為閾值以上的情況下，將與該基線矢量對應的1重相位差從姿態(tài)角的計算中除去。
(e)姿態(tài)角的微分值檢定
連續(xù)取得所計算出的姿態(tài)角的各分量(橫滾角
另外，在上述的各實施方式中，示出了使用天線間的1重相位差作為相位差的方式。但是，也可以使用連結兩個天線的矢量(基線)、與連結兩個定位衛(wèi)星的矢量之間的2重相位差。此時，設定基準的定位衛(wèi)星。
在使用2重相位差的情況下，通過連結兩個天線的矢量與連結兩個定位衛(wèi)星的矢量之間的向量積的絕對值，決定在計算姿態(tài)角中利用的貢獻度(加權、或者選擇/非選擇)即可。更具體而言，在使用加權系數的情況下，向量積的絕對值越大則增大加權，向量積的絕對值越小則減小權重。此外，在使用選擇/非選擇的情況下，設定與向量積的絕對值對應的閾值，若向量積的絕對值為閾值以上則選擇在該向量積的計算中利用的定位衛(wèi)星，若向量積的絕對值小于閾值則不選擇在該向量積的計算中利用的定位衛(wèi)星。
標號說明：
10、10a、10b：航行狀態(tài)計算裝置
11a、11b、11c、11d：接收部
12：相位差計算部
13、13a：運算部
20：慣性傳感器
21：加速度傳感器
22：角速度傳感器
30：顯示部
31：顯示控制部
32：顯示器
100：天線部
100a：天線
100a、100b、100c、100d：天線
131：姿態(tài)角計算部
131a：誤差推定部
132：計算條件決定部
133：精度惡化指標計算部
134：貢獻度決定部
135：綜合處理部
- 還沒有人留言評論。精彩留言會獲得點贊！