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公開番号2025043252
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-03-28
出願番号2024072972
出願日2024-04-26
発明の名称移動体姿勢計測装置及び移動体姿勢計測プログラム
出願人日本無線株式会社
代理人個人,個人,個人,個人
主分類G01B 21/22 20060101AFI20250321BHJP(測定;試験)
要約【課題】GNSSコンパスにおいて、GNSS測位航法不能状態が長時間にわたるときに、ジャイロセンサの温度が時間変化したために、ジャイロセンサのバイアスがドリフトしたとしても、移動体の姿勢値の推定誤差を減少させることを目的とする。
【解決手段】ジャイロセンサGのバイアス温度勾配r及びバイアス所定温度切片b₀に関する状態空間モデルの状態方程式と、ジャイロセンサGのバイアスb、バイアス分散σ_b、温度T、バイアス温度勾配r及びバイアス所定温度切片b₀に関する状態空間モデルの観測方程式と、に基づいて、ジャイロセンサGのバイアス温度勾配rを推定する。
【選択図】図4

特許請求の範囲【請求項１】
ＧＮＳＳ測位航法可能状態において、ＧＮＳＳ受信機の観測情報に基づいて、前記ＧＮＳＳ受信機を搭載する移動体の姿勢情報を計算する姿勢計算部と、
ＧＮＳＳ測位航法不能状態において、ジャイロセンサの角速度情報に基づいて、前記ジャイロセンサを搭載する前記移動体の姿勢情報を推定する姿勢推定部と、
前記ジャイロセンサのバイアス温度勾配及びバイアス所定温度切片に関する状態空間モデルの状態方程式と、前記ジャイロセンサのバイアス、バイアス分散、温度、バイアス温度勾配及びバイアス所定温度切片に関する状態空間モデルの観測方程式と、に基づいて、前記ジャイロセンサのバイアス温度勾配を推定するバイアス温度勾配推定部と、
前記ジャイロセンサのバイアス温度勾配及び温度時間勾配に基づいて、前記ジャイロセンサのバイアス時間変化を推定するバイアス時間変化推定部と、を備え、
前記姿勢推定部は、前記ジャイロセンサの角速度情報、バイアス及びバイアス時間変化と、直近の前記ＧＮＳＳ測位航法可能状態での前記移動体の姿勢情報と、に基づいて、現在の前記ＧＮＳＳ測位航法不能状態での前記移動体の姿勢情報を推定する
ことを特徴とする移動体姿勢計測装置。
続きを表示（約 1,800 文字）【請求項２】
前記姿勢計算部は、前記ＧＮＳＳ受信機の観測情報及び前記ジャイロセンサの角速度情報に基づいて、前記ジャイロセンサのバイアス及びバイアス分散を計算し、
前記ジャイロセンサの角速度情報の角速度変化状態において、前記姿勢計算部が計算した前記ジャイロセンサのバイアス及びバイアス分散を、それぞれ前記ジャイロセンサのバイアス及びバイアス分散として、前記バイアス温度勾配推定部に出力するバイアス切替部、
をさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載の移動体姿勢計測装置。
【請求項３】
前記ジャイロセンサの角速度情報の角速度一定状態において、前記ジャイロセンサの角速度情報及び静止状態でのバイアス分散を、それぞれ前記ジャイロセンサのバイアス及びバイアス分散として、前記バイアス温度勾配推定部に出力するバイアス切替部、
をさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載の移動体姿勢計測装置。
【請求項４】
前記ジャイロセンサの温度、温度時間勾配及び温度時間勾配に対するプロセス雑音に関する状態空間モデルの状態方程式と、前記ジャイロセンサの温度及び温度に対する観測雑音に関する状態空間モデルの観測方程式と、に基づいて、前記ジャイロセンサの温度時間勾配を推定し、前記バイアス時間変化推定部に出力する温度時間勾配推定部、
をさらに備えることを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の移動体姿勢計測装置。
【請求項５】
前記バイアス温度勾配推定部は、前記ジャイロセンサのバイアス温度勾配及びバイアス所定温度切片に関する、時間経過に応じた忘却効果を考慮した状態空間モデルの状態方程式に基づいて、前記ジャイロセンサのバイアス温度勾配を推定する
ことを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の移動体姿勢計測装置。
【請求項６】
前記バイアス温度勾配推定部は、観測残差の共分散で正規化した観測残差が、所定閾値未満（以上）であるときに、前記ジャイロセンサのバイアスが正常（異常）であると判断し、前記ジャイロセンサのバイアス温度勾配の推定を実行（中止）する
ことを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の移動体姿勢計測装置。
【請求項７】
前記姿勢計算部は、前記ジャイロセンサの角速度情報と、前記移動体の姿勢情報に関する状態空間モデルの状態方程式と、に基づいて、前記移動体の姿勢情報の予測値を計算し、前記ＧＮＳＳ受信機の観測情報と、前記移動体の姿勢情報に関する状態空間モデルの観測方程式と、に基づいて、前記移動体の姿勢情報の姿勢値を計算し、
前記移動体の姿勢情報の姿勢値に基づいて、前記ジャイロセンサの角速度情報を航法座標系の角速度情報に変換し、前記移動体の回転速度を計算する第１回転速度計算部と、
前記移動体の姿勢情報の直近の姿勢値と、前記移動体の姿勢情報のさらに以前の姿勢値と、に基づいて、前記移動体の回転速度を計算する第２回転速度計算部と、
前記第１回転速度計算部が計算した前記移動体の回転速度を、前記第２回転速度計算部が計算した前記移動体の回転速度で除算し、前記ジャイロセンサのジャイロ感度（角速度の計測値と真値との間の比率－１）を推定するジャイロ感度推定部と、
を備えることを特徴とする、請求項１に記載の移動体姿勢計測装置。
【請求項８】
前記第１回転速度計算部及び前記第２回転速度計算部は、前記移動体の回転速度に対して、ローパスフィルタ処理を実行し、突発的な高周波雑音を抑圧し、及び／又は、前記ジャイロ感度推定部は、前記ジャイロセンサのジャイロ感度に対して、ローパスフィルタ処理を実行し、突発的な高周波雑音を抑圧する
ことを特徴とする、請求項７に記載の移動体姿勢計測装置。
【請求項９】
前記姿勢推定部は、ＧＮＳＳ測位航法不能状態において、前記ジャイロセンサの角速度情報及びジャイロ感度に基づいて、前記移動体の姿勢情報を補正する
ことを特徴とする、請求項７又は８に記載の移動体姿勢計測装置。
【請求項１０】
請求項１又は７に記載の移動体姿勢計測装置が備える、各処理部が行なう各処理ステップを、コンピュータに実行させるための移動体姿勢計測プログラム。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本開示は、移動体の姿勢情報を計測する技術に関する。
続きを表示（約 2,200 文字）【背景技術】
【０００２】
ＧＮＳＳ受信機の観測情報又はジャイロセンサの角速度情報に基づいて、ＧＮＳＳ受信機及びジャイロセンサを搭載する移動体の姿勢情報を計算又は推定する技術が、特許文献１、２等に開示されている。
【０００３】
従来技術の移動体姿勢計測装置の構成を図１、２に示す。従来技術の移動体姿勢計測装置Ｄは、船舶等に搭載され、受信アンテナＡ１～Ａ３、ＧＮＳＳ受信機Ｒ１～Ｒ３、ジャイロセンサＧ及び温度センサＴに接続され、姿勢計算部１、姿勢推定部２及び姿勢切替部３を備える。図１、２では、特許文献１、２に開示された従来技術を示す。
【０００４】
姿勢計算部１は、ＧＮＳＳ測位航法可能状態（衛星信号の受信状態及び捕捉衛星数の充足状態）において、ＧＮＳＳ測位航法を実行する。つまり、姿勢計算部１は、ＧＮＳＳ受信機の観測情報に基づいて、ＧＮＳＳ受信機を搭載する移動体の姿勢値ａ＾を計算する。そして、姿勢計算部１は、ＧＮＳＳ受信機の観測情報及びジャイロセンサＧの角速度ωに基づいて、ジャイロセンサＧのバイアスｂ＾を計算する。
【０００５】
姿勢推定部２は、ＧＮＳＳ測位航法不能状態（衛星信号の遮断状態又は捕捉衛星数の不足状態）において、推測航法を実行する。つまり、姿勢推定部２は、ジャイロセンサＧの角速度ωに基づいて、ジャイロセンサＧを搭載する移動体の姿勢値ａ’を推定する。ここで、姿勢推定部２は、ジャイロセンサＧの角速度ω及びバイアスｂ＾（姿勢計算部１が直近に計算）と、直近のＧＮＳＳ測位航法可能状態での移動体の姿勢値ａ＾に基づいて、現在のＧＮＳＳ測位航法不能状態での移動体の姿勢値ａ’を推定する。
【０００６】
姿勢切替部３は、ＧＮＳＳ測位航法可能状態において、移動体の姿勢値ａ＾を移動体の姿勢値ａとして出力する。そして、姿勢切替部３は、ＧＮＳＳ測位航法不能状態において、移動体の姿勢値ａ’を移動体の姿勢値ａとして出力する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
特開平０４－３６４４２２号公報
特開２００２－３０３５３３号公報
特開２０２３－１３６０９５号公報
特許第３６３５１４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、図３に示すように、ジャイロセンサＧの温度Ｔが時間変化したときに、ジャイロセンサＧのバイアスｂがドリフトしてしまう。よって、姿勢推定部２は、ＧＮＳＳ測位航法不能状態が長時間にわたるときに、ジャイロセンサＧの角速度ωの時間積算に対して、ジャイロセンサＧのバイアスｂのドリフトを補正しなければ、移動体の姿勢値ａ’の推定誤差を増大させてしまう。
【０００９】
そこで、図１では、姿勢推定部２は、温度特性マップを用いて、ジャイロセンサＧのバイアスｂのドリフトを求め、角速度ωを補正する。ここで、温度特性マップは、ジャイロセンサＧの温度Ｔを入力とし、ジャイロセンサＧのバイアスｂのドリフトを出力とする。しかし、温度特性マップは、移動体の静止状態において、ジャイロセンサＧの角速度ω（本来は０である）及びバイアスｂの等価性（図３の下段を参照）に基づいて、作成され又は更新される。よって、温度特性マップは、移動体の非静止状態において、作成又は更新することができず、静止時間が短い場合は、温度特性マップの粒度が粗くなることで、補正誤差が生じる。また、温度特性マップは、ジャイロセンサＧの温度Ｔの入力に重畳する雑音により、ジャイロセンサＧのバイアスｂのドリフトの出力に雑音を重畳させてしまう。このため、静止時間が短い場合や温度誤差が大きい場合は、角速度ωの補正に誤差が生じることで、移動体の姿勢値ａ’の推定誤差を増大させてしまう。
【００１０】
一方で、図２では、姿勢推定部２は、カルマンフィルタを用いて、ジャイロセンサＧのバイアスｂの温度勾配を推定し、推定した温度勾配に基づいて計算したバイアスｂのドリフトで角速度ωを補正する。ここで、カルマンフィルタは、ジャイロセンサＧの温度Ｔ及びバイアスｂの差分量（短時間にわたる変化量）を入力とする。そして、バイアスｂの温度勾配は、移動体の静止状態において、ジャイロセンサＧの角速度ω（本来は０である）及びバイアスｂの等価性（図３の下段を参照）に基づいて、カルマンフィルタで予測し及び更新される。よって、バイアスｂの温度勾配は、移動体の非静止状態において、予測及び更新することができず、静止時間が短い場合は、十分な精度のバイアスｂの温度勾配を求めることができない。さらに、ジャイロセンサＧの温度Ｔ及びバイアスｂに重畳する雑音により、状態空間モデルの観測方程式に設定されるこれらの差分量（短時間にわたる変化量）又は差分量同士の比率（バイアスｂの温度勾配）には、分散の加法性に基づく雑音が重畳するため、推定する温度勾配の誤差が増大する。このため、静止時間が短い場合や、温度Ｔ及びバイアスｂの誤差が大きい場合は、角速度ωに補正誤差が生じ、移動体の姿勢値ａ’の推定誤差が増大してしまう。
（【００１１】以降は省略されています）

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