JPH04283615A - ジャイロ装置 - Google Patents

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】

【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ジャイロ装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、船舶等には、周知の如く、方位を
計測する装置として、ジャイロコンパス及び磁気コンパ
スが有り、如何なる条件下においても、常に自船の方位
を計測し、安全な航行が可能となるようになされていた
。しかしながら、ジャイロコンパスは、その起動時間が
約１時間以上と長くかかること、また、磁気コンパスは
、地磁気の北を示すことから、その示す方位は真北から
偏移しているという欠点を有していた。

【０００３】近年、これらの欠点を一掃し、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ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ　Ｐｏｓｉｔｉ
ｏｎｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ　）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
ち上げが終了する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、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。以下、図３をもとに、その計測原
理を説明する。

【０００４】図３に於いて、１及び２は例えば船舶、自
動車、飛行機等の航行体（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φを算出す
る。いま、図３に示す如く、１つの衛星５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５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３に於いて、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、

【０００５】

【数１】ψ＝ＣＯＳ−１（Ｄ／Ｌ）

【０００６】として、観測衛星５に対する基線長Ｌ、従
って航行体の方位角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。一方、衛星５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５からの電
波を受信した後、少なくとも他の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たる位置は、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５の位置は既知であるから、ア
ンテナ１〜衛星５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。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
がデジタル信号として出力される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の衛星を利用した方位角計測装置では、方位角計
測のための演算時間がかかりすぎるため、連続的に方位
角を計測することができず、このため、例えば船舶が旋
回運動を行った場合等には、時間遅れのために、誤差を
生ずるという問題点があった。また、ＧＰＳ電波には、
その衛星の配置上、計測誤差が大きくなる領域及び時刻
が存在すること、また太陽活動に起因する磁気異常のた
め、計測が困難となる場合がある等の欠点を有していた
。かかる欠点を補う方法として、角速度センサ（例えば
レートジャイロ）と前述のＧＰＳを用いた方位角計測装
置を組み合わせた方位角計測法が提案されている。しか
しながら上述角速度センサとＧＰＳ方位角計測装置を組
み合わせた計測法では、角速度センサの角速度検出軸（
以下入力軸と称する）が、旋回中に傾斜した場合には、
角速度センサの検出方位角に誤差を生ずるという欠点が
あった。このため、本発明は、従来の装置の持つ問題点
を解決した新規な方位角計測用のジャイロ装置を提供す
るものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明によるジャイロ装
置は、例えば図面に示す如く、航行体に設置されるべき
衛星５からの電波を受信するための３つ以上の受信アン
テナ１、２、１６と、アンテナからの受信電波を用いて
航行体の方位角、ロール角、ピッチ角及び位置を演算す
る手段４、３と、航行体のヨー軸を入力軸として航行体
に設置した角速度センサ１０と、この角速度センサの出
力を入力とする加算器Ｅと、出力を積分する積分器１３
と、この積分器１３の出力とこの衛星電波を受信するこ
とにより得られた方位角とを比較する比較手段Ｃと、こ
の比較手段Ｃの偏差を補償するための補償手段１４と、
この補償手段１４の出力を加算器Ｅの負入力端にフィー
ドバックする手段とを有するジャイロ装置において、こ
の角度センサ１０の出力側と加算器Ｅとの間にこの衛星
電波によるロール角及びピッチ角演算出力を用いた航行
体の傾斜補正手段１２を挿入したものである。

【０００９】

【作用】上述した本発明のジャイロ装置によれば、方位
角の出力値は、ＧＰＳ衛星の方位角演算手段の出力周期
値に関係なく、また、航行体の姿勢角に関係なく連続し
て方位角を計測することができる。このため、船舶等の
航行体の運動による方位角計測値の時間遅れもなく、極
めて正確に方位角を計測することができる。

【００１０】

【実施例】以下、図面を参照して、本発明によるジャイ
ロ装置の一実施例を説明する。図２は、ＧＰＳによる方
位角、ロール角及びピッチ角の計測の概略線図、図１は
図２のＧＰＳによる角度測定値を用いた実施例を示す構
成図である。なお、図１において、図３に対応する部分
には同一符号を付しその詳細な説明は省略する。図２は
、図３で説明したＧＰＳによる被測定角度を方位角以外
のロール角及びピッチ角を計測できるようにしたもので
ある。航行体（例えば船舶）にＧＰＳからの電波を受信
するように設置した受信アンテナ１を基準に、ある基線
長Ｌ１　だけ離した点に、受信アンテナ２を、また基線
長Ｌ２　だけ離した点に受信アンテナ１６を同一平面上
にそれぞれの基線長間の既知の角、Θをもって設置する
。 これらの具体的数値は、例えばＬ１　＝Ｌ２＝１ｍ、Θ
＝９０°でありＬ１　方向を船首尾線方向とする。この
ようにして設置された受信アンテナ１、２、１６の出力
は、ＧＰＳ角度演算部６に入力され、図３で説明した原
理によりＧＰＳ位置演算部４の出力を用いて方位角、ロ
ール角及びピッチ角を３次元的に計測、演算する。図２
で計測した方位角、ロール角及びピッチ角出力を用いて
図１に示すシステムを構成する。

【００１１】図１に於いて、１０は、航行体、例えば船
舶等の船体のヨー軸を入力軸とするよう船体に固定され
た振動ジャイロの如き角速度センサである。振動ジャイ
ロ１０は、振動している物体に振動ベクトルと垂直方向
に角速度が動くと、振動ベクトル及び角速度ベクトルの
両ベクトルに垂直な方向にコリオリの力が作用するとい
う力学原理に基づき、コリオリの力から角速度の大きさ
と方向とを検出し、アナログ電圧で角速度を出力する回
転体を用いないレートジャイロである。尚、角速度セン
サとして振動ジャイロ１０を用いると、これは回転体を
用いていないため、長寿命、起動時間が短い、低消費電
力である等の特徴がある。振動ジャイロ１０の出力角速
度は、Ａ／Ｄ変換器１１に供給されて、ディジタル変換
された後、後述の傾斜補正部１２により、ジャイロ入力
軸の傾斜補正され、加算器Ｅを介して積分器１３に入力
される。積分器１３は、角速度を積分する機能を有して
おり、その出力は角度を示す。積分器１３の出力角度は
、振動ジャイロ１０の入力軸が鉛直軸となるように設置
されているので、航行体の方位角ということができる。

【００１２】一方、図２で説明した、ＧＰＳ角度演算部
６で算出した方位角出力は振動ジャイロ１０の出力を積
分することによって得られた方位角と、比較器Ｃで比較
演算され、その残差角は、補償演算部１４に入力される
。補償演算部１４は、例えば、比例ゲインＫ＋積分で構
成されており、残差角をＫ倍する作用を有している。 このＫ倍された補償演算部１４からの出力は、積分器１
３の入力側の加算器Ｅに、反対符号でフィードバックさ
れる。このように系を構成すると、振動ジャイロ１０の
出力角速度を積分した方位角が、ＧＰＳ角度演算部６か
らの方位角に追従する。したがって、ＧＰＳ角度演算部
６の出力周期が長くなっても、その間は、振動ジャイロ
１０による方位角で補間されるため、常に連続した正確
な方位角を出力することができる。

【００１３】なお、ＧＰＳ角度演算部６の出力であるロ
ール角及びピッチ角出力は、傾斜補正部１２に接続され
航行体の姿勢角の変化による振動ジャイロ１０の出力角
速度誤差を補正し、水平面内の運動を正しく検出できる
ようにしている。この機能は、航行体が例えば、角αの
ローリングをしながら旋回した場合を考えると、ジャイ
ロが検出する旋回角速度ωは、角αだけ傾斜した面内で
あるから、水平面内の角速度はω−　ｃｏｓαとなる。 角速度を積分した方位角は水平面内の角度であるから船
体に固定したジャイロ出力ωを用いた場合には、真値と
の間に１−ｃｏｓ　αの誤差が生ずる。航行体が、ピッ
チングしながら旋回した場合も同様でありピッチング角
により誤差が生ずる。本、航行体の姿勢角による誤差を
上述のような原理でＧＰＳからの信号により補正する要
素が、傾斜補正部１２であり、これにより高精度な方位
計測が可能となる。図１において積分器１３よりの方位
角及びＧＰＳ位置演算部４よりの位置出力データを表示
する要素が表示器１５である。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。

【００１４】

【発明の効果】以上、説明したように、本発明によれば
、以下に列挙する効果が得られる。 （１）　　船舶等の航行体の方位角を高精度で連続して
得ることができる。 （２）　　方位角を時間遅れなく計測することができる
。 （３）　　ＧＰＳ衛星から得られる方位角の誤差が増大
した場合にも、連続して高精度な方位角を得ることがで
きる。 （４）　　振動ジャイロを用いれば、長寿命、低消費電
力、起動時間が短い。 （５）　　方位角のみならず、位置、速度をも正確に計
測することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明ジャイロ装置の一実施例を示す構成図で
ある。

【図２】図１の説明に供する線図である。

【図３】方位角の計測原理の説明に供する線図である。

【符号の説明】

１、２、及び１６　　受信アンテナ ３　　方位演算部 ４　　位置演算部 ５　　衛星 ６　　角度演算部 １０　　振動ジャイロ １２　　傾斜補正部 １３　　積分器 １４　　補償演算部 １５　　表示部 Ｃ　　比較器 Ｅ　　加算器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　航行体に所定の距離をおいて設置され
   るべき第１、第２及び第３の衛星受信アンテナと、該ア
   ンテナで受信した衛星電波及びその位相差を用いて上記
   航行体の方位角、ロール角、ピッチ角及び位置を演算す
   る演算手段と、航行体のヨー軸を入力軸となすよう航行
   体に固定した角速度センサと、該角度速度センサの出力
   を入力する加算器と、該加算器の出力を積分する積分手
   段と、該積分手段の出力と上記衛星電波を受信すること
   により得られる方位角とを比較する比較手段と、該比較
   手段の偏差を補償するための補償手段と、該補償手段の
   出力を上記加算器の負入力端にフィードバックする手段
   とを有するジャイロ装置において、上記、角速度センサ
   の出力側と上記加算器との間に上記衛星電波によるロー
   ル角及びピッチ角演算出力を用いた航行体の傾斜補正手
   段を挿入したことを特徴とするジャイロ装置。