(57)【要約】【課題】振動ジャイロのようなドリフトが問題となる自立型センサを用いることなく、移動体の進行方向や向きを高精度に求められるようにした方位計測装置を提供する。【解決手段】受信点の移動による測位用信号のキャリア位相変化量に基づき、所定周期のエポック間での受信点の偏位量を求め、最新エポックＥ０　から所定距離分または所定時間分戻った、例えばエポックＥ−５までの積算偏位量を求め、この積算偏位量により、エポックＥ−５からエポックＥ０　への方位を求める。この方位を移動体の進行方向を表すデータとして出力する。【選択図】　図６
2004053312.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の測位用衛星からの測位用信号を受信し、受信点の移動による前記測位用信号のキャリア位相変化量に基づき、所定周期のエポック間での受信点の偏位量を求めるとともに、該偏位量を順次記憶する手段と、
現在位置から所定距離分または所定時間分戻った参照位置までの積算偏位量を、前記エポック間の偏位量の積算によって求める手段と、
前記積算偏位量により前記参照位置から現在位置への方位を求める手段とを備えた方位計測装置。
【請求項２】
複数の測位用衛星からの測位用信号を受信し、受信点の移動による前記測位用信号のキャリア位相変化量に基づき、所定周期のエポック間での受信点の偏位量を求めるとともに、該偏位量を順次記憶する手段と、
現在位置から所定距離分または所定時間分戻った参照位置までの各受信点の位置を前記偏位量の積算により求め、各受信点の位置を基に前記参照位置から現在位置への方位を求める手段とを備えた方位計測装置。
【請求項３】
前記測位用信号を受けるアンテナを前記方位計測装置を搭載する移動体の基準方向に対して所定角度方向に移動させるアンテナ移動手段を設けた請求項１または２に記載の方位計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ＧＰＳ衛星などの測位用衛星から送信される電波を受信して移動体の進行方向や向きを求めるための方位計測装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば田植え機やトラクタなどの農機を自動的に直進走行させるための装置として、予め定めた進行方向からの方位ずれが生じた場合に、そのずれを修正する方向に自動的にステアリング操作を行うようにした装置が開発されている。
【０００３】
上記方位ずれを検出するセンサとしては振動ジャイロが用いられている。これは、レートジャイロと異なって、高速回転体を用いず、振動している音叉によって角速度を検出するものであり、振動している音叉の中心軸周りに角速度が加わると、音叉の振動方向に対して直角方向に入力角速度に比例した振動が生じるという力学現象を利用したものである。
【０００４】
また、上記振動ジャイロのような自立型センサを用いないで、単独測位を行うＧＰＳ受信機を用いた装置も研究されている。すなわち、ＧＰＳ受信機は受信点の移動速度情報を出力するので、それを利用してＧＰＳ受信機を搭載した移動体の移動方位を計測でき、これを移動体進行方向の自動制御に利用することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来の振動ジャイロを用いた装置では、振動ジャイロのドリフト調整が困難であり、移動体の進行方向を精度良く求められないという問題があった。
【０００６】
また、単独測位を行うＧＰＳ受信機は、ＧＰＳ衛星からの受信信号のドップラ成分を検出して受信点の三次元方向の移動速度を検出するものであるが、例えば田植え機などを直進させるための情報としてはその精度が不十分であった。
【０００７】
この発明の目的は、上述の問題を解消して、移動体の進行方向や向きを高精度に求められるようにした方位計測装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明の方位計測装置は、複数の測位用衛星からの測位用信号を受信し、受信点の移動による前記測位用信号のキャリア位相変化量に基づき、所定周期のエポック間での受信点の偏位量を求めるとともに、該偏位量を順次記憶する手段と、現在位置から所定距離分または所定時間分戻った参照位置までの積算偏位量を、前記エポック間の偏位量の積算によって求める手段と、前記積算偏位量により前記参照位置から現在位置への方位を求めるようにしたことを特徴としている。
【０００９】
また、この発明の方位計測装置は、複数の測位用衛星からの測位用信号を受信し、受信点の移動による前記測位用信号のキャリア位相変化量に基づき、所定周期のエポック間での受信点の偏位量を求めるとともに、該偏位量を順次記憶する手段と、現在位置から所定距離分または所定時間分戻った参照位置までの各受信点の位置を前記偏位量の積算により求め、各受信点の位置を基に前記参照位置から現在位置への方位を求める手段とを備えたことを特徴としている。
【００１０】
このように、各測位用衛星から送信された測位用信号のキャリア位相変化量に基づいて、受信点の偏位量を求め、現在位置から所定距離分または所定時間分戻った参照位置と現在位置との位置関係に基づいて、または、参照位置から現在位置までの各受信点位置に基づいて、参照位置から現在位置までの方位を求めるようにしたので、振動ジャイロなどの自立型センサを用いた場合のドリフト調整の問題はなく、また測位用信号のドップラ周波数から受信点の移動速度を求めるものに比べて、所定周期のエポック毎にエポック間の偏位を高精度に求めることができ、結果的に高精度な方位計測が可能となる。
【００１１】
また、この発明の方位計測装置は、前記測位用信号を受けるアンテナを前記方位計測装置を搭載する移動体の基準方向に対して所定角度方向に移動させるアンテナ移動手段を設けたことを特徴としている。
【００１２】
これにより、この方位計測装置を搭載する移動体が静止している状態でも、例えば移動体の前後方向にアンテナを移動させることによって、移動体の向きを求めることができるようになる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
この発明の第１の実施形態である方位計測装置の構成を各図を参照して説明する。
図１は装置全体の構成を示すブロック図である。図１において、１はＧＰＳアンテナ、２はＧＰＳアンテナ１からの信号を中間周波信号ＩＦに変換するダウンコンバータ、３はこの中間周波信号を信号処理して、Ｃ／Ａコード位相およびキャリア位相の情報を求める受信信号処理部である。また、４は受信信号処理部３の制御によって得た情報を基に受信点の偏位量を求める測位演算部である。
【００１４】
ダウンコンバータ２は、基準周波数信号を発生する基準発振器２１と、その基準周波数信号とのミキシングにより周波数変換し、さらに所定ビット数のディジタルデータに変換する、ミキサ、アンプ、フィルタおよびＡ／Ｄコンバータ等を含む回路２２とから構成している。
【００１５】
受信信号処理部３は、Ｃ／Ａコード発生器、そのコード位相を数値制御するコードＮＣＯ、所定のコード位相のずれを有する３つのＣ／Ａコードと入力信号とを乗算し、それらの値をそれぞれ積分することによって相関を求める相関器を備えている。測位演算処理部４は、これらの相関結果からＣ／Ａコード位相を求めるとともに、その追尾を行う。また、受信信号処理部３は、位相が０°と９０°のキャリア信号を発生するキャリアＮＣＯ、このキャリア信号と入力信号との乗算を行い、それぞれの結果を積分することによって相関を求める相関器を備えている。また、受信信号処理部３は、入力信号のキャリア位相の修正量（追尾量）を積算カウントする位相カウンタを備えていて、これによりキャリア位相を求めるとともに、その追尾を行う。
【００１６】
測位演算部４は、ＣＰＵ４１、ＲＯＭ４２、ＲＡＭ４３、ＲＴＣ（リアルタイムクロック）４４、外部へデータを出力するためのインタフェース４５、および受信信号処理部３に対してデータを入出力するためのインタフェース４６を備えている。この測位演算部４は、受信信号処理部３で求められたコード位相に関する相関値からコードＮＣＯの位相を制御し、キャリア位相に関する相関値からキャリアＮＣＯの周波数を制御することによって、Ｃ／Ａコード位相およびキャリア位相の追尾を行う。また、上記位相カウンタのカウント値を読み取って、観測周期における、波長の端数に相当する位相角を含めた波数の変化分（キャリア位相変化量ＤＲ）を求める。
【００１７】
また、後述するように、受信点（ＧＰＳアンテナ１の中心）の３次元の偏位量を算出し、これを外部へ出力する。
【００１８】
図２は測位演算部４の処理手順を示すフローチャートである。この処理は観測を行う所定エポック毎に繰り返し行われる。
まず、現在追尾中の複数の衛星についてのコード位相を基に単独測位を行う（ｎ１）。この単独測位による受信点位置は、受信点から各衛星への方向余弦を求めるために用いる。次に、受信信号処理部３で求められたキャリア位相の修正量（追尾量）の積算カウント値を読み取り、前回の値との差をキャリア位相変化量ＤＲとして求める（ｎ２→ｎ３）。続いて、前回のエポック時から今回のエポックまでのエポック周期における衛星の移動によって生じるキャリア位相の変化分ＤＲａを算出する（ｎ４）。具体的には、受信点の位置と前回エポックでの衛星の位置および今回エポックでの衛星の位置とから逆算する。また、各衛星が備える基準発振器のドリフトによるキャリア位相変化分ＤＲｂを航法メッセージ中のＧＰＳ時刻補正係数から算出する（ｎ５）。そして上記キャリア位相変化量ＤＲから、衛星移動によるキャリア位相変化分ＤＲａと衛星の基準発振器のドリフトによるキャリア位相の変化分ＤＲｂとを差し引いて、受信点の移動に伴うキャリア位相の変化量ＤＲ′を求める（ｎ６）。
【００１９】
その後、４つ以上の各衛星について求めたキャリア位相変化量ＤＲ′と各衛星の現在位置とに基づいて、受信点から各衛星までの距離変化をそれぞれ求め、これらの距離変化と、受信点から各衛星への方向余弦とから方程式を立て、受信点の３次元方向の偏位量を求める。すなわち、方向余弦の逆行列と、受信点−衛星間の距離変化量の行列との積で求める。尚、この時、４つ目の未知数は受信機の基準発振器のドリフトとして求められる（ｎ７）。
【００２０】
このようにして求めたエポック間の偏位量を順次記憶する（ｎ８）。
【００２１】
その後はステップｎ１の処理へ戻り、以上の処理を所定のエポック毎に繰り返す。たとえば０．２秒ごとに繰り返すことによって、０．２秒周期でエポック間の偏位量を求め、順次記憶する。
【００２２】
図３はそのエポック間の経度方向の偏位量の記憶例を示している。ここで横軸は経過時間、黒丸は０．２秒周期のエポックのタイミングをそれぞれ示している。Ｅ０　は最新のエポック、Ｅ−１はそれより０．２秒過去のエポック、Ｅ−２はそれより更に０．２秒過去のエポックである。このような各エポック間の偏位量を、所定距離分（所定の積算偏位量分）または所定時間に亘って、経度（東西）方向、緯度（南北）方向、高さ（上下）方向のそれぞれについてテーブルとして記憶する。
図３の例では、エポックＥ−１からＥ０　まで２５ｃｍ偏位している。また例えばエポックＥ−５からＥ０　まで積算偏位量として１０１ｃｍ偏位している。
【００２３】
このようにしてエポック毎にエポック間の偏位量を順次記憶したテーブルを基に、最新のエポックから所定距離分または所定時間分戻った時点に最も近いエポックの位置を参照位置として求め、その参照位置から最新のエポックにおける位置への方位を求める。
【００２４】
例えば受信点が３．６ｋｍ／ｈ（＝１ｍ／ｓ）で移動すれば、前述の方法で、約１度（±０．５度）の精度で方位計測が可能である。この精度は、図４に示すように１ｍ進む毎に約２ｃｍ（±１ｃｍ）の誤差に相当し、田植え機などを直進させるためのセンサとしては十分な実用的価値がある。
【００２５】
図５は方位計測装置の処理手順を示すフローチャートである。まず、最新エポックの位置から積算偏位量が所定長になるまで戻った時点に最も近いエポックを検出する（ｎ１）。例えばこの所定長を１ｍとすれば、図３の例で、エポックＥ０　からＥ−５までの積算偏位量が１０１ｃｍであるので、Ｅ−５を検出する。
【００２６】
次に、そのエポックにおける位置から最新のエポックＥ０　における位置を向く方位を求める（ｎ２）。すなわち、図３に示した例では、エポックＥ−５における位置から最新のエポックＥ０　における位置まで、経度方向の積算偏位量が１０１ｃｍである。これと同様にして求めた緯度方向および高さ方向のエポックＥ−５における位置からＥ０　における位置までの積算偏位量に基づいて、エポックＥ−５における三次元位置からエポックＥ０　における三次元位置への三次元方位を求める。そして、例えば北を基準とした二次元の（水平面上の）方位データを求め、それを出力する（ｎ３）。
【００２７】
尚、図５のステップｎ１′に示すように、最新のエポックから所定時間分戻ったエポックにおける位置を参照位置としても良い。例えば最新エポックＥ０　からエポックの５周期分過去のＥ−５における位置を参照位置として定めても良い。
【００２８】
図６はエポック毎に求められる方位計測結果の例を示している。ここで黒丸は各エポックでの受信点の二次元平面上の位置、矢印は各エポックで求められた参照位置から現在位置への方位を示している。この例では、最新エポックＥ０　から５つ戻ったエポックＥ−５における位置を参照位置としている。すなわち、Ｄ０　はエポックＥ０　で求めた最新の方位、Ｄ−１はエポックＥ−１で求めた方位、Ｄ−２はエポックＥ−２で求めた方位である。このようにエポック周期毎に方位データを求める。
【００２９】
図７は参照位置を変化させた時に得られる方位計測結果の変化の例を示している。ここで、各黒丸は、それらに付したエポック（Ｅ０　，Ｅ−１，Ｅ−２，・・・）における位置である。矢印は、参照位置から最新エポックＥ０　における位置への方位を示している。
【００３０】
このように、最新エポックにおける位置からどれだけの距離分またはどれだけの時間分戻った位置を参照位置にするかによって、方位計測結果は異なったものとなる。この参照位置は、移動体の走行性能や圃場の状態などに応じて最適となるように定めればよい。例えば比較的短時間で進行方向が変動するような田植え機の場合には、短期的な方向変化による影響を抑制するために、比較的過去にまで戻った点を参照位置とすることが望ましいであろう。
【００３１】
以上に示した方位計測装置から出力される方位データを基に、例えば田植え機の制御装置は、進行方向を保って直進するように制御する。例えば作業者が何らかのスイッチ操作を行った時点での方位データを記憶し、前述の方位計測装置から出力される方位データとのずれ（方位ずれ）を求め、そのずれが小さくなる方向にステアリングを操舵する。このことによって上記スイッチ操作を行った時点での進行方向へ田植え機をそのまま直進走行させることができる。
【００３２】
ところで、移動体に設けたアンテナの位置（受信点）の所定周期のエポック間の偏位量から受信点の移動方位、すなわち移動体の進行方向を求めるので、移動体が静止していれば移動体の進行方向を求めることはできない。また、移動速度が低速になるほどエポック間の偏位量が小さくなるので、求められる方位計測精度が低下する。そこで、このような場合には、図１に示したＧＰＳアンテナ１の位置を移動体の前後方向に往復運動可能なように設けておき、その手動操作やモータ駆動による往復運動によって受信点を偏位させる。例えばアンテナを１ｍ程度の間隔で往復させるような機構を設けておき、それを２秒程度の周期で１往復させることによって、または繰り返し往復させることによって、１度の方位精度で移動体の向きを求めることができる。この運動方向は移動体の前後方向に限らず、移動体の向きに対して既定方向であれば、左右方向や斜め方向であってもよい。
【００３３】
次に、第２の実施形態に係る方位計測装置の構成を図８を参照して説明する。
第１の実施形態では、参照位置と現在位置との２つの位置情報から方位を求めたが、この第２の実施形態では、参照位置から現在位置までの３つ以上の受信点位置の情報を基に方位を求める。
【００３４】
図８は、各エポックでの受信点の位置と方位との関係を示している。ここで、各黒丸は、それらに付したエポック（Ｅ０　，Ｅ−１，Ｅ−２，・・・）における位置である。今、参照位置をエポックＥ−５における受信点位置とすれば、この参照位置を原点とし、経度方向をｘ、緯度方向をｙとする直角座標をとり、参照点から現在位置（エポックＥ０　における位置）までの各受信点位置の（ｘ，ｙ）座標から直線回帰式を求める。矢印Ｄ０　で示す直線は、その回帰直線である。この直線回帰式の傾きを最新エポックＥ０　における方位として求める。
【００３５】
具体的には、上記傾きａは、最小二乗法により、
ａ＝｛Σ（ｘｉ　　＊　ｙｉ　）　−　（　Σ　ｘｉ　＊　Σ　ｙｉ　）　／　ｎ　｝／　｛　Σ（ｘｉ　２）　−　（Σ　ｘｉ　）２　／　ｎ｝
の演算によって求める。ここで、ｉは各受信点位置の序数を表す添え字である。対象データ数をｎとすれば、それぞれの級数和演算子Σの初期値はｉ＝１、終値はｎである。
但し、上記傾きａは上記直角座標における値であるので、この値から例えば北を基準とする方位データに換算する。
【００３６】
尚、第１・第２の実施形態では、最新エポックから所定距離分戻った時点に最も近いエポックでの位置を「参照位置」としたが、積算偏位量が所定長になるまで戻った時点が２つのエポックの間になる時、補間処理によってその参照位置から現在位置までの積算偏位量を求めるようにしても良い。
【００３７】
また、第１・第２の実施形態では、エポック毎に方位を求めるようにしたが、エポック周期が比較的長い場合は、過去の各エポックでの受信点位置の変化履歴から現在位置を推測して、参照位置から現在位置への方位を、要求のあった任意の時点での方位として出力するようにしても良い。
【００３８】
【発明の効果】
この発明によれば、各測位用衛星から送信された測位用信号のキャリア位相変化量に基づいて、受信点の偏位量を求め、現在から所定距離分または所定時間　分戻った参照位置までの偏位量によって、または、参照位置から現在位置までの各受信点位置に基づいて、参照位置から現在位置までの方位を求めるようにしたので、振動ジャイロなどの自立型センサを用いた場合のドリフトの問題はなく、また測位用信号のドップラ周波数から受信点の移動速度を求めるものに比べて、所定周期のエポック毎にエポック間の偏位を高精度に求めることができ、結果的に高精度な方位計測が可能となる。
【００３９】
また、この発明の方位計測装置は、前記測位用信号を受けるアンテナを前記方位計測装置を搭載する移動体の基準方向に対して所定角度方向に移動させるアンテナ移動手段を設けたことにより、この方位計測装置を搭載する移動体が静止している状態でも、例えば移動体の前後方向にアンテナを移動させることによって、移動体の向きを求めることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】方位計測装置の構成を示すブロック図
【図２】同装置の測位演算部における処理手順を示すフローチャート
【図３】各エポック間の偏位量の例を示す図
【図４】方位計測精度の例を示す図
【図５】方位計測のための処理手順を示すフローチャート
【図６】移動体の移動に伴う進行方向の変化の例を示す図
【図７】参照位置を変化させた時の方位データの変化を示す図
【図８】直線回帰により方位を求める例を示す図
【符号の説明】
１−ＧＰＳアンテナ
Ｅ−エポック
Ｄ−方位
【図１】
2004053312.tif 000003
【図２】
2004053312.tif 000004
【図３】
2004053312.tif 000005
【図４】
2004053312.tif 000006
【図５】
2004053312.tif 000007
【図６】
2004053312.tif 000008
【図７】
2004053312.tif 000009
【図８】
2004053312.tif 000010