JPH02234014A

JPH02234014A - 方位角検出装置

Info

Publication number: JPH02234014A
Application number: JP5461289A
Authority: JP
Inventors: Kazumi Kobayashi; 一三小林
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-03-07
Filing date: 1989-03-07
Publication date: 1990-09-17

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産皇上の利用分野）この発明は、例えば無線通信機器を搭載した車両、船舶
、ロボット等の移動物体や回転機構を持つ機器等に用い
られる方位角検出装置に関する。

（従来の技術）無線通信機器や放送機器を搭載した車両等では、通信衛
星や無線局の方位、目標物の方位を即座にかつ正確に検
出できることが要求される。また、その他の車両、船舶
、ロボット、飛行体等の移動物体でも、自己の方位を知
ることは不可欠である。このような用途に対する方位角
検出装置として、一般に、簡易的には磁気コンパスが用
いられ、高精度が要求される場合にはジャイロコンパス
が用いられている。

しかし、磁気コンパスは地磁気を測定するため、周囲に
磁性体や磁気を発生するものがあると大きな誤差を生じ
てしまう。このため、特殊なケーシングがなされたり、
設置条件を厳しくしたりしているが、その効果は極めて
少ないのが現状である。

一方、ディレクシッナルジャイロ等のジャイロを応用し
た方位検出装置では、ジャイロのコストが高い、メンテ
ナンスが大変である等の問題があり、特に回転体を持つ
ジャイロを用いると、整定時間が長く、運用時において
立上り時間が遅いという問題もある。さらに、ジャイロ
を応用した場合、ＩＮｓ　（慣性航法装置）を除いて自
己の位置を検知することはできず、非常に不便である。

加えて、ＩＮＳを含めて全てのジャイロを応用した装置
では、ドリフトが生じて測定誤差が時間と共に発散する
という大きな問題もある。

（発明が解決しようとする課題）以上述べたように従来の方位角検出装置では、高精度な
方位角を得るにはコストが高く、メンテナンスが大変な
ジャイロを利用しており、特に整定時間が長く、運用時
において立上り時間が遅い、ＩＮＳが必要である、ドリ
フトが生じて測定誤差が時間と共に発散するといった問
題がある。

この発明は上記の問題を解決するためになされたもので
、立上り時間が早く、メンテナンスも容易で、ドリフト
もなく、高精度な方位角を得ることのできる方位角検出
装置を提供することを目的とする。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）上記目的を達成するためにこの発明に係る方位角検出装
置は、被検出体に搭載され、地球基準方向に対する被検
出体基準軸の方位角を検出するものにおいて、前記被検
出体に搭載され、地球座標を基準とした自己の位置、高
度を含む軌道情報を発する人工衛星からの信号を捕捉す
るアンテナ部と５、このアンテナ部で捕捉した衛星信号
から軌道情報を識別し、この軌道情報から捕捉した衛星
の方向を求め、この衛星方向と地球基準方向との角度を
求める第１の角度検出手段と、この手段で得られた衛星
方向と前記被検出体の基準軸とのなす角を求める第２の
角度検出手段と、前記第１及び第２の角度検出手段の検
出角度を加減算して被検出体基準軸の方位角を求める演
算部とを具備して構成される。

（作用）上記構成による方位角検出装置では、人工衛星の中に地
球座標を基準とした自己の位置、高度を含む軌道情報を
発するものがあることを利用し、衛足からの信号を捕捉
して軌道情報を識別し、この軌道情報から捕捉した衛足
の方向を求め、この衛星方向と地球基準方向との角度を
求めると共に、衛星方向と披検出体の基阜軸とのなす角
度を求め、各角度を加減算して彼検出体基準軸の方位角
を求めるようになっている。

（実施例）以下、図面を参照してこの発明の実施例を説明する。

第１図は第１の実施例の構成を示すもので、この実施例
は、人工衛星からの情報によって自己の位置を検出する
ことができ、衛星の軌道情報をも検出することできるＧ
ＰＳ　（グローバル・ボジショニング・システム）を利
用して構成したものである。

第１図ニオイテ、Ｉｔ．　１２ハＧ　Ｐ　Ｓ　１ｓｉｍ
　カラノＧＰＳ信号を捕えることができるＧＰＳ受信ア
ンテナで、これらのアンテナ１１．　１２には例えば第
２図に示すように一方面に典型的な受信特性を持つ平面
型のものが使用される。これらのアンテナ１１．１２は
、第３図に示すようにそれぞれ受信面を外側に向け、互
いに対向するようにして回転台ｌ３上に設置され、両者
対となって見晴らし全天をカバーし得るようになってい
る。回転台ｌ３は車両等の被検出体（図示せず）に搭載
され、その基（ｆＰ軸ａ上で回転軸ｂ回りに０＠〜３６
０’回転可能であり、回転コントローラｌ８からの制御
信号によって回転制御される。さらに、後述する水平補
正機構を持ち、この機構によって水平を保ち、回転軸ｂ
を鉛直軸Ｃに一致させるようになっている。

上記回転コントローラｌ８は後述する方位計算部ｌ７か
ら供給される回転駆動信号に応じて上記回転台ｌ３を回
転させ、指示された目標回転角まで回転制御するもので
ある。まだ、この回転コントローラｌ８は回転台ｌ３の
基準軸（鉛直軸Ｃに直交し、かつアンテナ１１．　１２
の平行面に平行する）ｄと被検出体の基準幀ａとの相対
角度を検出する角度検出器（図示せず）を備えており、
この検出器で得られた相対角度を回転台１３の回転角と
して方位計算部１７に送るようになっている。

各アンテナ１１．　１２の受信出力はそれぞれ回転台ｌ
３上に設けられた増幅器１４．１５（第３図では図示せ
ず）に送られ、それぞれ増幅された後、ＧＰＳ受信機１
Ｇに入力される。このＧＰＳ受信機１Ｇは各アンテナ１
１．　１２で捕捉されたＧＰＳ信号を別々に処理するよ
うになっており、各アンテナ１１．　１２で捕えたＧＰ
Ｓ衛星の地球座標に対する位置、地表面からの高度等の
衛星軌道情報を識別し、またその軌道情報から幾何学的
に自己位置を計算して求めるものである。ここで求めら
れた全衛星軌道情報及び自己位置情報は方位計算部１７
に人力される。

この方位計算部１７は全衛星軌道情報から各衛星の地球
座標に対する方位角を計算する。そして、特定の衛星の
方位角を目標回転角とし、この目標回転角と共に回転駆
動信号（回転方向、回転速度、シーケンス等）を回転コ
ントローラ１８に送出して上記回転台ｌ３を目標回転角
まで回転制御し、回転後に回転コントローラｌ８から送
られてくる回転台１３の回転角を読んで、衛月軌道情報
から得られた衛星方位角と合せて被検出体の方位角を計
算する。

さらに、他の衛星に対しても同様な操作を行い、各操作
で得られた方位角を例えば平均処理して出力するように
なっている。

尚、上記水平補正機構としては、被検出体が静止状態に
近い場合には簡単なバランス型（例えば振り子型）の水
平台や、傾きを水平に補正する各種水平台を使用できる
が、被検出体に大幅な揺れ等が生じるような場合は、傾
きが大きすぎて自己位置検出に十分な数のＧＰＳ衛星を
捕捉できない場合を除いて、水準器等を用いて回転軸ｂ
の傾きを検出し、この検出結果を方位計算部１７に送っ
てパラメータとして加え、適切な座標計算を行えるよう
にすれば、同様な結果を得ることができる。

上記構成において、以下第４図を参照してその動作を説
明する。

まず、水平補正機構を調整して回転台ｌ３を水平に保持
し、回転軸ｂを鉛直軸Ｃに一致させておく。

今、アンテナ１１．　１２で複数のＧＰＳ衛星からのＧ
ＰＳ信号を受信して、例えば第４図に示すように、アン
テナｌ１では衛ｆｆｌＡ，Ｂを、アンテナｌ２では南ｂ
ｉＣ．Ｄを捕捉したとする。アンテナＩＩ，　１２から
のＧＰＳ信号を受けたＧＰＳ受信機１Ｂは、各信号から
全ＧＰＳ衛足Ａ−Ｄの地球に対する位置及び被検出体の
自己位置を求めて方位計算部１７に送る。図に示すよう
にアンテナ１１ではＧＰＳ衛星Ａ，ＢＬか見えないので
、被検出体の位置を原点とした局地水平面座標内で現在
アンテナ１１がどの方向を向いているか、ある程度は検
知できる。さらに、回転コントローラｌ８によってアン
テナ回転角（回転台回転角）がわかるので、被検出体の
基準軸ａの方位もその精度で検出できる。

方位計算部１７では、送られてきた衛星軌道情報とアン
テナ回転角とから回転台ｌ３をどの方向に何度回転させ
るか判断し、方向を指定する回転駆動信号及び回転量を
指定する目標回転角を回転コントローラｌ８に与えて回
転台ｌ３を目標回転角まで回転制御する。ここで、回転
台ｌ３が少しだけ回転し、第４図に示すようにＧＰＳ衛
ｈｌＡからの電波をアンテナ■では受信でき、アンテナ
ｌ２では受信できない方向で回転台！３を止める。この
ときのアンテナ回転角（アンテナの向き）が被検出体の
基準軸ａからのＧＰＳ衛星Ａの方位角となる。そこで、
この方位計算部ｌ７において、アンテナ回転角がら求め
た方位角と地球座標（例えば南北軸）に対する衛星人の
方位角とを加算または減算すれば、被検出体の基準輪ａ
の地球座標に対する方位を求めることができる。これら
の操作を複数の衛星に対して行えば、測定精度、確度を
上げることができる。

したがって、上記構成による方位角検出装置は、磁気コ
ンパスやジャイロを用いずにＧＰＳを利用しているので
、周囲磁気に影響されることがなく、立上り時間が短く
かつドリフトも生じることなく、高精度に方位角を検出
することができ、構造も簡単であるのでメンテナンスも
比較的容易である。

尚、第２図に示したようなアンテナの受信特性は本装置
にとって理想的なものであるが、受信面の裏側まで覆域
を持つものもあり、このような特性を持つ２つのアンテ
ナを平行に設置した場合には覆域が重なってしまうこと
になる。しかし、このような場合でも２つのアンテナの
受信特性を予め求めて方位角計算時に捕正すれば、特定
の衛星を受信できるアンテナの方位を検出することがで
きる。

第５図はこの発明に係る第２の実施例を示すもので、こ
の実施例もＧＰＳを利用して構成したものである。第５
図において、２１は通常のＧＰＳ受信アンテナで、この
アンテナ２ｌは見晴らし全方位ＡＺ（アジマス）軸、Ｅ
Ｌ（仰角）軸を基準に自在に回転することができるよう
になっている。これらのアンテナ２１．　２２で捕えた
ＧＰＳ信号はそれぞれ増幅器２３．　２４で増幅された
後、ＧＰＳ受信機２５に送られる。

このＧＰＳ受信機２５は、アンテナ２ｌで捕えられたＧ
ＰＳ信号から被検出体の自己位置の計算及び見晴らし内
にある全ＧＰＳ衛星の地球に対する高度、位置等の衛星
軌道情報を識別し、アンテナ２２で捕えられたＧＰＳ信
号から捕捉したＧＰＳ衛星の番号を識別するもので、衛
星軌道情報及び衛星捕捉信号（捕捉したＧＰＳ衛星の番
号）は共に方位計算部２６に送られる。

この方位計算部２Ｂは、アンテナ２！より得た見晴らし
内の全衛星軌道情報から方位角検出の２！卓とする目標
衛星を選定し、目標衛星の仰角（ＥＬ角）及びアジマス
角（ＡＺ角）を計算する。さらに、ＧＰＳ受信機２５か
らの衛星軌道情報及び目標衛星の捕捉信号から、後述す
るＡＺコントローラ２７及びＥＬコントローラ２８への
回転駆動信号（回転方向、回転速度、シーケンス等）を
生成し、目標ＡＺ角及びＥＬ角と共にそれぞれＡＺコン
トローラ２７及びＥＬコントローラ２８に送出する。ま
た、後述するＡＺコントローラ２フ，２８からアンテナ
２２のＡＺ角、ＥＬ角情報を受取り、これらの角度情報
、ＧＰＳ受信機２５からの衛星軌道情報及び目標衛星の
捕捉信号から被検出体の方位角を計算する。

さらに、以上の操作を各衛星に対して行い、各操作毎に
得られた方位角を例えば平均処理して外部に出力するよ
うになっている。

上記ＡＺコントローラ２７及びＥＬコントローラ２８は
それぞれアンテナ２２に対する回転駆動機構と回転角検
出器とで構成される。回転駆動機構は方位計算部２Ｂか
らの回転駆動信号に基づいてアンテナ２２の各軸に対し
て回転及び静止の駆動制御を行うものである。一般には
ＡＺコントローラ２７の回転軸（ＡＺ軸）は被検出体の
方位基準軸上に設定され、３６０′″　（全方位）回転
可能で、ＥＬコントローラ２８の回転軸（ＥＬ軸）は上
記方位基準軸を含む平面と平行な而内にあり、９０°ま
たは１８０°回転可能になされている。

ＡＺ軸、ＥＬ軸は独立に駆動することができ、両輪はア
ンテナ２２が取付けられた台またはアンテナ２２の構造
そのものに設定されている。つまり、アンテナ２２はＡ
Ｚ軸、ＥＬ軸まわりにＡＺコントローラ２７及びＥＬコ
ントローラ２８の各回転駆動機構によって回転可能にな
されている。また、各コントローラ２７．　２８の角度
検出器はそれぞれ被検出体基準軸を基準に調整され、常
時または定期的にＡＺ軸及びＥＬ軸の各角度を検出して
方位計算器２Ｂへ送出するようになっている。

上記構成において、以下第６図及・び第７図を参照して
その動作を説明する。

まず、アンテナ２ｌで受信された複数個のＧＰＳ衛星、
例えば第６図に示す衛星Ａ−ＤからのＧＰＳ信号をＧＰ
Ｓ受信機２５に導き、ここで各衛星の地球座標に対する
位置、地表面からの高度等の衛星軌道情報を求め、この
情報から幾何学的に地球座標に対する被検出体の自己位
置を検出する。

また、被検出体の位置での局地水平面に対しての衛星仰
角も計算する。ここで、アンテナ２２のＡＺ軸はこの局
地水平面に対して垂直になるように調整されているとす
る。この方法は第１の実施例で説明した水平補正機構を
利用できる。

次に、上記各衛星軌道情報より、方位計算部２Ｂは目標
衛星を決定し、その仰角を目標ＥＬ角とする。ここでは
、まず衛星Ａを目標衛星とする。この日標ＥＬ角とアン
テナ２２を衛星方向に向けるためのＥＬ軸回転駆動信号
をＥＬコントローラ２８１；送る。これによってアンテ
ナ２２は第７図に示すようにその目標ＥＬ角まで回転さ
れる。同様に、方位計算部２６で目標ＡＺ角及びＡＺ軸
回転駆動信号を生成してＡＺコントローラ２７に送る。

これによってアンテナ２２は目標ＡＺ角まで回転される
。以上の操作によってアンテナ２２の指向方向を衛！５
！．Ａに向けることができる。

一方ＧＰＳ受信機２５は、第６図に示すようにアンテナ
２２の出力から衛ＭＡの信号を捕捉しており、その受信
強度が最大になる時点を検出する。方位計算部２Ｂはそ
の検出時点までアンテナ２２を回転させ、そこで静止さ
せて、このときのＡＺコンテローラ２８の角度検出器か
らのＡＺ角θｌを読む。この角度θ１は被検出体の基準
軸とアンテナ２２すなわち衛星Ａがなす局地水平而での
角度である。そこで、方位計算部２Ｂにおいて、衛星人
の衛星軌道情報からその地球座標基準軸（例えば南北軸
）とのなす角度θ２を求め、上記角度θｌを符号付で加
算すれば、披検出体基準軸の地球座標に対する方位を求
めることができる。前述したように、測定粘度、確度を
上げるためには複数の衛星を基準にして方位測定を行え
ばよい。

したがって、上記構成による方位角検出装置でも、磁気
コンパスやジャイロを用いずにＧＰＳを利用しているの
で、周囲磁気に影響されることがなく、立上り時間が短
くかつドリフトも生じることなく、高精度に方位角を検
出することができ、構造も簡単であるのでメンテナンス
も比較的容易である。

［発明の効果］以上のようにこの発明によれば、立上り時間が早《、メ
ンテナンスも容易で、ドリフトもなく、高精度な方位角
を得ることのできる方位角検出装置を提洪することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に係る方位角検出装置の第１の実施例
の構成を示すブロック図、第２図は同実施例に用いるア
ンテナの受信特性を示す特性図、第３図は同実施例に用
いる回転台の被検出体に対する位置関係を説明するため
の斜視図、第４図は同実施例の動作を説明するための図
、第５図はこの発明に係る第２の実施例の構成を示すブ
ロック図、第６図及び第７図は同実施例の動作を説明す
るための図である。１１。＋２．　２１．　２２・・・ＧＰＳ受信アンテナ
、ｌ３・・・回転台、！４．　１５．　２３．　２４・
・・増幅器、１６．　２５・・・ＧＰＳ受信機、１７．
　２６・・・方位計算部、ｌ８・・・回転コントローラ
、２７・・・ＡＺコントローラ、２８・・・ＥＬコント
ローラ、ａ・・・被検出体基準軸、ｂ・・・回転軸、Ｃ
・・・鉛直軸、ｄ・・・回転台基準軸、Ａ−Ｄ・・・Ｇ
ＰＳ衛星。第５図出願人代理人　弁理士　鈴江武彦第６図第７図

Claims

【特許請求の範囲】

　被検出体に搭載され、地球基準方向に対する被検出体
基準軸の方位角を検出する方位角検出装置において、前
記被検出体に搭載され、地球座標を基準とした自己の位
置、高度を含む軌道情報を発する人工衛星からの信号を
捕捉するアンテナ部と、このアンテナ部で捕捉した衛星
信号から軌道情報を識別し、この軌道情報から捕捉した
衛星の方向を求め、この衛星方向と地球基準方向との角
度を求める第１の角度検出手段と、この手段で得られた
衛星方向と前記被検出体の基準軸とのなす角を求める第
２の角度検出手段と、前記第１及び第２の角度検出手段
の検出角度を加減算して被検出体基準軸の方位角を求め
る演算部とを具備する方位角検出装置。