方位検出装置
【課題】磁場の影響を受けることなく、静止状態でも、アンテナの向きの方位を正確かつ迅速に検出することができる方位検出装置を提供する。
【解決手段】方位検出装置が備える衛星データ入力部５１には、ＧＰＳアンテナ１１がＧＰＳ衛星から受信した信号に基づいて取得される当該ＧＰＳアンテナ１１から見たＧＰＳ衛星の方位を示す方位情報と、受信した信号の信号レベルと、が入力される。複数のＧＰＳ衛星からの信号をＧＰＳアンテナ１１が受信すると、フィッティング処理部５２は、それぞれのＧＰＳ衛星の方位と信号レベルとの関係に、ＧＰＳアンテナ１１の所定方向に対する角度に応じて変化する信号レベルの傾向から導き出された関数を適合する。そして、方位算出部５５は、フィッティング処理部５２により適合された関数によって算出される算出信号レベルの傾向に基づいて、ＧＰＳアンテナ１１の向きを算出する。
【解決手段】方位検出装置が備える衛星データ入力部５１には、ＧＰＳアンテナ１１がＧＰＳ衛星から受信した信号に基づいて取得される当該ＧＰＳアンテナ１１から見たＧＰＳ衛星の方位を示す方位情報と、受信した信号の信号レベルと、が入力される。複数のＧＰＳ衛星からの信号をＧＰＳアンテナ１１が受信すると、フィッティング処理部５２は、それぞれのＧＰＳ衛星の方位と信号レベルとの関係に、ＧＰＳアンテナ１１の所定方向に対する角度に応じて変化する信号レベルの傾向から導き出された関数を適合する。そして、方位算出部５５は、フィッティング処理部５２により適合された関数によって算出される算出信号レベルの傾向に基づいて、ＧＰＳアンテナ１１の向きを算出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全地球測位システム（ＧＮＳＳ）衛星からの信号に基づいて、当該信号を受信したアンテナが向いている方位を検出する構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、方位検出装置において、ＧＰＳ衛星等のＧＮＳＳ衛星からの信号に基づいて移動体の向いている方位を検出する構成が知られている。この種の方位検出装置を開示するものとして例えば特許文献１がある。
【０００３】
特許文献１は、以下のように構成される方位検出装置を開示している。即ち、特許文献１に開示される方位検出装置は、位置情報算出手段と、絶対方位角算出手段と、指向性アンテナと、相対方位角検出手段と、方位算出手段と、を備えている。前記位置情報算出手段は、ＧＰＳ信号を受信してＧＰＳ衛星の位置情報及び移動体の位置情報を算出する。前記絶対方位角算出手段は、前記位置情報算出手段による上記ＧＰＳ衛星の位置情報及び上記移動体の位置情報に基づいて上記移動体における上記ＧＰＳ衛星の絶対方位角を算出する。前記指向性アンテナは、上記移動体において特定された特定方向に対して方位角方向に回動する。前記相対方位角検出手段は、この指向性アンテナにより上記ＧＰＳ衛星からの電波を受信し、その電波の強弱により上記移動体における上記ＧＰＳ衛星の上記特定方向に対する相対方位角を検出する。前記方位算出手段は、上記相対方位角及び上記ＧＰＳ衛星の絶対方位角に基づいて上記移動体における上記特定方向の絶対方位角を算出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−２３１０３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述したＧＰＳ衛星からの信号に基づいて方位を検出する構成以外にも、地磁気を検知する電子コンパスを利用して移動体の向きを検出する構成が従来から知られている。しかし、電子コンパスは、その特性上、磁場の歪みが激しい場所では、正確に方位を検出できないおそれがあった。
【０００６】
この点、特許文献１に開示される方位検出装置は、ＧＰＳ衛星から受信した電波の強弱に基づいて特定の方向の方位を検出するので、磁場の影響を受けることなく方位を検出することができる。しかし、特許文献１の構成は、受信レベルのピークを調べるために、特定の衛星からの受信レベルの変化を一定時間モニタしなければならない。そのため、移動体の向きが急に変わった場合等において、当該移動体の状態を検出結果に即座に反映させることが困難であった。また、特許文献１の構成は、受信レベルの変化をモニタするために、ＧＰＳアンテナ自体を回動させる又はＧＰＳアンテナに取り付けられている遮蔽部材を回動させるための駆動装置を備える必要があった。従って、装置構成の簡素化という観点からも改善の余地があった。
【０００７】
本発明は、以上の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、磁場の影響を受けることなく、静止状態でも、アンテナの向きの方位を正確かつ迅速に検出することができる方位検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段及び効果】
【０００８】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段とその効果を説明する。
【０００９】
本発明の第１の観点によれば、以下のように構成される方位検出装置が提供される。即ち、方位検出装置は、記憶部と、入力部と、処理部と、方位算出部と、を備える。前記記憶部には、指向性を有するアンテナの信号の受信角度と信号レベルとの関係から導き出した関数が予め記憶される。前記入力部には、前記アンテナがＧＮＳＳ衛星から受信した信号に基づいて取得される当該ＧＮＳＳ衛星の方位情報及び受信信号レベルが入力される。前記処理部は、複数のＧＮＳＳ衛星の方位情報及び受信信号レベルが前記入力部に入力されたときに、それぞれのＧＮＳＳ衛星について求められた方位情報と受信信号レベルの関係に前記関数を適合する処理を行う。前記方位算出部は、前記処理部により適合された関数によって算出される算出信号レベルの傾向に基づいて前記アンテナの向きを算出する。
【００１０】
これにより、ＧＮＳＳ衛星からの信号を継続して取得する必要なく、複数のＧＮＳＳ衛星からの信号を受信できた時点で、アンテナの向きを検出するための処理を開始できる。従って、移動状態又は静止状態の何れの状態であっても、アンテナの向きをほぼリアルタイムに検出することができる。また、ＧＮＳＳ衛星からの信号は磁場の影響を受けないので、ＧＮＳＳ衛星からの信号を受信できる環境であれば、磁場の歪みが激しい場所であっても、アンテナの向きを正確に検出することができる。
【００１１】
前記の方位検出装置においては、以下のように構成されることが好ましい。即ち、前記方位算出部は、前記処理部によって適合された関数によって算出される算出信号レベルが最も大きいときの方位情報又は最も小さいときの方位情報に基づいて前記アンテナの向きを算出する。
【００１２】
これにより、算出信号レベルの最大値又は最小値を検出するという簡単な処理によってアンテナの向きを算出することができる。
【００１３】
前記の方位検出装置においては、前記関数は、三角関数を含むことが好ましい。
【００１４】
これにより、３６０度周期で大きさが周期的に変わる三角関数によって、方位に応じた信号レベルの変化を適切かつ容易に表現することができる。また、比較的容易な計算処理によって信号レベルを算出できるので、方位を算出するために必要な演算コストを低減することができる。
【００１５】
前記の方位検出装置においては、以下のように構成されることが好ましい。即ち、この方位検出装置は、確度算出部を備える。前記確度算出部は、前記算出信号レベルと前記受信信号レベルとの差に基づいて前記方位算出部が算出する方位の確度を求める。
【００１６】
これにより、現実に受信した受信信号レベルと算出信号レベルが比較されることになるので、確度に基づいて方位算出部による算出結果の信頼性を判断することができる。
【００１７】
前記方位検出装置においては、以下のように構成されることが好ましい。即ち、前記確度算出部は、同じ方位における前記算出信号レベルと前記受信信号レベルとの差を閾値と比較することにより、前記方位算出部による算出結果の確度を求める。
【００１８】
これにより、アンテナがＧＮＳＳ衛星からの信号を良好に受信できず、受信した信号レベルが極端な値をとった場合でも、閾値を適切に設定しておくことで、算出結果が正確でない可能性を考慮した処理を行うことができる。
【００１９】
前記の方位検出装置においては、以下のように構成されることが好ましい。即ち、前記算出信号レベルと前記受信信号レベルとの差が閾値を超えた場合は、当該閾値を超えた受信信号レベルを除外して前記処理部に関数を再適合させる。
【００２０】
これにより、閾値から外れた受信信号レベルが除外されるので、受信環境が悪い場所でも、方位を正確に算出できる構成を実現することができる。
【００２１】
本発明の第２の観点によれば、以下のように構成される方位検出装置が提供される。即ち、方位検出装置は、記憶部と、入力部と、取得部と、処理部と、方位算出部と、を備える。前記記憶部には、指向性を有する複数のアンテナが所定の配置関係に従って配置されたアンテナ組の信号の受信角度と信号レベルとの関係から導き出した関数が予め記憶される。前記入力部には、前記アンテナがＧＮＳＳ衛星から受信した信号に基づいて取得される基準位置から見た前記ＧＮＳＳ衛星の方位情報と、それぞれの前記アンテナが受信した信号の受信信号レベルと、が入力される。前記取得部は、同一のＧＮＳＳ衛星から前記アンテナごとに受信した信号の受信信号レベルに基づいて当該ＧＮＳＳ衛星の方位に応じた適合用信号レベルを取得する。前記処理部は、複数のＧＮＳＳ衛星の方位情報及び受信信号レベルが前記アンテナごとに前記入力部に入力されたときに、それぞれのＧＮＳＳ衛星について求められた方位情報と前記適合用信号レベルとの関係に前記関数を適合する処理を行う。前記方位算出部は、前記処理部により適合された関数によって算出される算出信号レベルの傾向に基づいて前記アンテナ組の向きを算出する。
【００２２】
これにより、ＧＮＳＳ衛星からの信号を継続して取得する必要なく、複数のＧＮＳＳ衛星からの信号を受信できた時点で、アンテナ組の向きを検出するための処理を開始できる。従って、移動状態又は静止状態の何れの状態であっても、アンテナ組の向きをほぼリアルタイムに検出することができる。また、ＧＮＳＳ衛星からの信号は磁場の影響を受けないので、ＧＮＳＳ衛星からの信号を受信できる環境であれば、磁場の歪みが激しい場所であっても、アンテナ組の向きを正確に検出することができる。また、複数のアンテナがそれぞれ受信した信号に基づいて適合用信号レベルを取得するので、方位を正確に算出することができる。
【００２３】
前記の方位検出装置においては、以下のように構成されることが好ましい。即ち、前記方位算出部は、前記処理部によって適合された関数によって算出される算出信号レベルが最も大きいときの方位情報又は最も小さいときの方位情報に基づいて前記アンテナ組の向きを算出する。
【００２４】
これにより、算出信号レベルの最大値又は最小値を検出するという簡単な処理によってアンテナ組の向きを算出することができる。
【００２５】
前記の方位検出装置においては、前記関数は、三角関数を含むことが好ましい。
【００２６】
これにより、３６０度周期で大きさが周期的に変わる三角関数によって、方位に応じた信号レベルの変化を適切かつ容易に表現することができる。また、比較的容易な計算処理によって信号レベルを算出できるので、方位を算出するために必要な演算コストを低減することができる。
【００２７】
前記の方位検出装置においては、確度算出部を備えることが好ましい。前記確度算出部は、前記算出信号レベルと前記適合用信号レベルとの差に基づいて前記方位算出部が算出する方位の確度を求める。
【００２８】
これにより、現実に受信した受信信号レベルに基づく適合用信号レベルと算出信号レベルが比較されることになるので、確度に基づいて方位算出部による算出結果の信頼性を判断することができる。
【００２９】
前記の方位検出装置においては、以下のように構成されることが好ましい。即ち、前記確度算出部は、同じ方位における前記算出信号レベルと前記適合用信号レベルとの差を閾値と比較することにより、前記方位算出部による算出結果の確度を求める。
【００３０】
これにより、アンテナがＧＮＳＳ衛星からの信号を良好に受信できず、適合用信号レベルが極端な値をとった場合でも、閾値を適切に設定しておくことで、算出結果が正確でない可能性を考慮した処理を行うことができる。
【００３１】
前記の方位検出装置においては、以下のように構成されることが好ましい。即ち、前記算出信号レベルと前記適合用信号レベルとの差が閾値を超えた場合は、当該閾値を超えた適合用信号レベルを除外して前記処理部に関数を再適合させる。
【００３２】
これにより、閾値から外れた適合用信号レベルが除外されるので、受信環境が悪い場所でも、方位を正確に算出できる構成を実現することができる。
【００３３】
前記の方位検出装置においては、以下のように構成されることが好ましい。即ち、複数の前記アンテナは、互いに逆方向の指向性を有する第１アンテナと第２アンテナとにより構成されている。前記取得部は、前記第１アンテナが受信した受信信号レベルと前記第２アンテナが受信した受信信号レベルとの差分をとって適合用信号レベルを取得する。
【００３４】
これにより、差分をとるというシンプルな処理で、誤差を打ち消した適合用信号レベルを取得することができる。また、互いに逆方向の指向性を有する信号レベルの差分をとるので、適合用信号レベルの変化幅を大きくすることができ、方位算出部によって算出された方位の信頼度を効果的に向上させることができる。
【００３５】
本発明の第３の観点によれば、指向性を有するアンテナの向きを算出するための方位検出方法において、以下の４つのステップを含む方法が提供される。即ち、第１ステップでは、前記アンテナの信号の受信角度と信号レベルとの関係から導き出した関数を導き出す。第２ステップでは、前記アンテナがＧＮＳＳ衛星から受信した信号に基づいて取得される当該ＧＮＳＳ衛星の方位情報及び受信信号レベルが入力される。第３ステップでは、複数のＧＮＳＳ衛星の方位情報及び受信信号レベルが入力されたときに、それぞれのＧＮＳＳ衛星について求められた方位情報と受信信号レベルとの関係に前記関数を適合する。第４ステップでは、関数に基づいて算出される算出信号レベルの傾向に基づいて前記アンテナの向きを算出する。
【００３６】
これにより、ＧＮＳＳ衛星からの信号レベルを継続して取得する必要なく、複数のＧＮＳＳ衛星からの信号を受信できた時点で、アンテナの向きを検出するための処理を開始できる。従って、移動状態又は静止状態の何れの状態であっても、アンテナの向きをほぼリアルタイムに検出することができる。また、ＧＮＳＳ衛星からの信号は磁場の影響を受けないので、ＧＮＳＳ衛星からの信号を受信できる環境であれば、磁場の歪みが激しい場所であっても、アンテナの向きを正確に検出することができる。
【００３７】
本発明の第４の観点によれば、指向性を有する複数のアンテナが所定の配置関係に従って配置されたアンテナ組の向きを算出するための方位検出方法において、以下の５つのステップを含む方法が提供される。即ち、前記第１ステップでは、前記アンテナ組の信号の受信角度と信号レベルとの関係から導き出した関数を導き出す。前記第２ステップでは、前記アンテナがＧＮＳＳ衛星から受信した信号に基づいて取得される基準位置から見た前記ＧＮＳＳ衛星の方位情報と、それぞれの前記アンテナが受信した信号の受信信号レベルと、が入力される。前記第３ステップでは、同一のＧＮＳＳ衛星から前記アンテナごとに受信した信号の受信信号レベルに基づいて当該ＧＮＳＳ衛星の方位に応じた適合用信号レベルを取得する。前記第４ステップでは、複数のＧＮＳＳ衛星の方位情報及び受信信号レベルが前記アンテナごとに入力されたときに、それぞれのＧＮＳＳ衛星について求められた方位情報と前記適合用信号レベルとの関係に前記関数を適合する。前記第５ステップでは、適合された関数によって算出される算出信号レベルの傾向に基づいて前記アンテナ組の向きを算出する。
【００３８】
これにより、ＧＮＳＳ衛星からの信号を継続して取得する必要なく、複数のＧＮＳＳ衛星からの信号を受信できた時点で、アンテナ組の向きを検出するための処理を開始できる。従って、移動状態又は静止状態の何れの状態であっても、アンテナ組の向きをほぼリアルタイムに検出することができる。また、ＧＮＳＳ衛星からの信号は磁場の影響を受けないので、ＧＮＳＳ衛星からの信号を受信できる環境であれば、磁場の歪みが激しい場所であっても、アンテナ組の向きを正確に検出することができる。また、複数のアンテナがそれぞれ受信した信号に基づいて適合用信号レベルを取得するので、方位を正確に算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】第１実施形態の方位検出装置の全体的な構成を示した概念図。
【図２】第１実施形態の解析装置の機能ブロック図。
【図３】信号レベルと方位角との関係をＧＰＳ衛星ごとに示したグラフ。
【図４】第２実施形態の方位検出装置の全体的な構成を示した概念図。
【図５】第２実施形態の解析装置の機能ブロック図。
【図６】信号レベルと方位角との関係をＧＰＳ衛星ごとに示したグラフ。
【図７】第１ＧＰＳアンテナが受信したデータから第２ＧＰＳアンテナが受信したデータの差分を取った差分データを示すグラフ。
【図８】フィッティング結果と閾値との関係を説明するために、信号レベルと方位角との関係の一例をＧＰＳ衛星ごとに示したグラフ。
【図９】本発明の方位検出方法を適用した実験を説明する模式図。
【図１０】本発明の方位検出方法を適用した実験の検出結果を示したグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
次に発明の実施の形態について説明する。図１は、第１実施形態の方位検出装置１０の全体的な構成を示した概念図である。本実施形態の方位検出装置１０は、ＧＮＳＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｓｙｓｔｅｍ）を利用して、ＧＰＳアンテナ１１の向きの方位を検出する構成となっている。本実施形態では、ＧＮＳＳとしてＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）を利用している。
【００４１】
図１に示すように、第１実施形態の方位検出装置１０は、ＧＰＳアンテナ１１と、遮蔽板１２と、ＧＰＳ受信機１３と、解析装置１４と、を備える。
【００４２】
ＧＰＳアンテナ１１は、ＧＰＳ衛星１からの信号を受信するためのものであり、フラットな形状のパッチアンテナが採用されている。図１に示すように、地球の周りには複数のＧＰＳ衛星１が存在しており、ＧＰＳアンテナ１１はこれら複数のＧＰＳ衛星１からの信号を受信している。
【００４３】
図１に示すように、ＧＰＳアンテナ１１は、適宜の金属で形成された遮蔽板１２の平面部分に取り付けられている。以下の説明において、この遮蔽板１２と対面接触している面をＧＰＳアンテナ１１の背面側とし、この背面側と反対側の面をＧＰＳアンテナ１１の正面側とする。そして、本実施形態の方位検出装置１０においては、ＧＰＳアンテナ１１の正面方向（図１に矢印で示す方向）が、方位を検出する基準の方向（所定方向）として定められている。
【００４４】
遮蔽板１２はＧＰＳ衛星１からの信号を減衰させるように機能するため、ＧＰＳアンテナ１１は、背面側からの信号に対しては、その受信感度が悪くなっている。一方、ＧＰＳアンテナ１１の正面側には遮蔽板１２がないため、正面側からの信号は背面側に比べて感度良く受信できるようになっている。このように、本実施形態のＧＰＳアンテナ１１は、正面からの信号を感度良く受信する指向性アンテナとして構成されている。
【００４５】
ＧＰＳ受信機１３は、ＧＰＳアンテナ１１を介して受信した測位信号に基づいて、当該測位信号を発信した各ＧＰＳ衛星１の位置及び受信時の信号レベルを取得する。測位信号は、全衛星の軌道情報であるアルマナックデータと、信号を発信したＧＰＳ衛星１の詳細な軌道情報であるエフェメリスデータと、を含んでいる。ＧＰＳ受信機１３は、アルマナックデータに基づいて測位信号を受信することができるＧＰＳ衛星１を確認し、エフェメリスデータに基づいて各ＧＰＳ衛星１の正確な位置を取得する。
【００４６】
ＧＰＳ受信機１３は、複数（少なくとも３つ）のＧＰＳ衛星１からの測位信号（各ＧＰＳ衛星１の位置）に基づいて、ＧＰＳアンテナ１１の現在位置を取得する。本実施形態のＧＰＳ受信機１３は、ＧＰＳアンテナ１１の現在位置と、ＧＰＳ衛星１の位置と、に基づいて、ＧＰＳアンテナ１１から見たＧＰＳ衛星１の方位角をＧＰＳ衛星１ごとに取得する。こうして得られたＧＰＳ衛星１の方位角は、解析装置１４に出力される。また、ＧＰＳ受信機１３は、ＧＰＳ衛星１から信号を受信したときの信号レベルについても、ＧＰＳ衛星１ごとに解析装置１４に出力する。
【００４７】
解析装置１４は、ＧＰＳ受信機１３から受信したデータを解析し、ＧＰＳアンテナ１１の向いている方位（正面方向の方位）を検出する検出処理を行うためのものである。次に、図２及び図３を参照して、解析装置１４の詳細な構成を説明する。図２は、第１実施形態の解析装置１４の機能ブロック図である。図３は、信号レベルと方位角との関係をＧＰＳ衛星１ごとに示したグラフである。
【００４８】
なお、図３のグラフ中のＳＶ（Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｖｅｈｉｃｌｅ）の後に続く数字は衛星番号を意味している。また、横軸に示したＡｚｉｍｕｔｈ（ｄｅｇ）は、ＧＰＳアンテナ１１の位置から見たＧＰＳ衛星１の方位である。また、縦軸に示したＣ／ＮＯ（ｄＢ−Ｈｚ）は、搬送波と雑音の比を示すものであり、受信時の信号レベルの強さを示している。このＣ／ＮＯの値が大きいほど、ＧＰＳアンテナ１１がＧＰＳ衛星１からの信号を良好な状態で受信していることになる。
【００４９】
本実施形態の解析装置１４は、汎用のパーソナルコンピュータを利用して構成されている。この解析装置１４は、演算部及び制御部としてのＣＰＵと、記憶部としてのＲＯＭ、ＲＡＭ及びハードディスクと、を備えている。前記ハードディスクには、方位角が異なるＧＰＳ衛星１の信号レベルの強さに基づいてＧＰＳアンテナ１１の向いている方位を検出するためのプログラム等が、適宜の記憶媒体を用いてインストールされている。
【００５０】
そして、図２に示すように、上記ハードウェアとソフトウェアとの協働により、解析装置１４には、衛星データ入力部５１と、フィッティング処理部５２と、フィッティング関数記憶部５３と、方位算出部５５と、結果出力部５７と、が構築されている。
【００５１】
衛星データ入力部５１は、各ＧＰＳ衛星１の方位角及び受信時の信号レベルをＧＰＳ受信機１３から取得する。衛星データ入力部５１は、信号を受信できる位置に存在しているＧＰＳ衛星１の信号レベルのデータを複数取得し、これら一群の信号レベルのデータ（信号レベルデータ）をフィッティング処理部５２に出力する。この信号レベルデータは、ＧＰＳアンテナ１１の向き（その時の方位）によって異なる信号レベルの傾向を示すデータである。この信号レベルデータの一例が、図３のグラフに示されている。
【００５２】
フィッティング処理部５２は、フィッティング関数記憶部５３に予め記憶されているフィッティング関数を呼び出し、前記信号レベルデータにフィッティング関数をフィッティング（適合）させる（図３を参照）。フィッティング処理部５２は、フィッティング関数をフィッティングさせた結果を方位算出部５５に出力する。
【００５３】
ここで、フィッティング関数記憶部５３に記憶されるフィッティング関数について説明する。即ち、地球の周りには複数のＧＰＳ衛星１が公転しており、時間や地球上のＧＰＳアンテナ１１の位置が変化しても、複数のＧＰＳ衛星１のうち、いくつかのＧＰＳ衛星１がＧＰＳアンテナ１１から見た様々な方位に存在している状態になっている。また、本実施形態のＧＰＳアンテナ１１は、指向性を有するように構成されており、ＧＰＳアンテナ１１が向いている方向（正面方向）の信号を最も強く受信するようになっている。従って、ＧＰＳアンテナ１１は、様々な方位に存在する複数のＧＰＳ衛星１から信号を同時に受信した場合、正面側に存在するＧＰＳ衛星１からの信号は強く受信する傾向を示し、背面側に存在するＧＰＳ衛星１からの信号は弱く受信する傾向を示す。このようなアンテナの向きに対する角度に応じて変化する信号レベルの傾向を関数として表現したものがフィッティング関数である。
【００５４】
本実施形態において、フィッティング関数は、式（１）のように表される。
【数１】
ただし、
Ａ：ＧＰＳアンテナ１１から見た各ＧＰＳ衛星１の方位角
φ：ＧＰＳアンテナ１１の正面方向の方位角
ａ，ｂ：フィッティング定数
【００５５】
なお、フィッティング定数ａ及びｂは、以下のような予備測定を行って予め求められたものである。即ち、最初に、受信環境が良好な適宜の場所において、ＧＰＳアンテナ１１を所定方向に向けた状態で固定する。例えば、ＧＰＳアンテナ１１を真北に向けて設置した場合、φの値は０度で固定になる。そして、ＧＰＳ衛星１の方位角と信号レベルとの関係を所定時間にわたって測定し、実験データを得る。予備測定で得た実験データに適合するように上述の式（１）を適用することで、フィッティング定数（パラメータ）が決定される。
【００５６】
以上により、ＧＰＳアンテナ１１の所定方向に対する角度に応じた信号レベルの変化の傾向を関数に表現することができる。この予備測定によってフィッティング定数が設定されたフィッティング関数は、フィッティング関数記憶部５３に予め適宜の方法で記憶される。なお、上述したフィッティング定数の決定方法は、あくまで一例であり、この方法とは異なる方法でパラメータを決定することができるのは勿論である。
【００５７】
方位算出部５５は、フィッティング結果に基づいてＧＰＳアンテナ１１の正面方向の方位を算出するためのものである。本実施形態の方位算出部５５は、方位を東西南北の４方位で検出できるように構成されている。より具体的には、真北を０度とし、上から見たときの時計回り方向が正となるように角度をとった場合、４５度から１３５度（東の範囲）、１３５度から２２５度（南の範囲）、２２５度から３１５度（西の範囲）、３１５度から４５度（北の範囲）の４つの範囲に９０度間隔で方位を区分する。そして、フィッティング処理部５２に適用されたフィッティング関数によって算出される信号レベル（算出信号レベル）のピーク（最大値又は最小値）が生じるときの方位が属する前記区分に基づいて方位を判定する。本実施形態の構成においては、正面側の信号を最も強く受信できるようにＧＰＳアンテナ１１が構成されているので、信号レベルの最大値をとるときの方位がＧＰＳアンテナ１１の正面方向と判定できる。また、信号レベルの最小値をとるときの方位に基づいてＧＰＳアンテナ１１の背面方向を判定することもできる。図３に示すようなフィッティング結果が入力された場合、方位算出部５５は、信号レベルのマイナス側ピーク（最小値）の方位が１３５度から２２５度の範囲にあることから、ＧＰＳアンテナ１１が南と逆の方向、即ち北を向いていると判定する。方位算出部５５は、このようにして決定した判定結果（算出結果）を結果出力部５７に出力する。
【００５８】
結果出力部５７は、方位算出部５５から入力された判定結果をパーソナルコンピュータのディスプレイ（表示部）に表示させる。これにより、ユーザは、ＧＰＳアンテナ１１が東西南北の何れの方向を向いているかを把握することができる。
【００５９】
以上に示したように、第１実施形態の方位検出装置１０は、以下のように構成される。即ち、方位検出装置１０は、フィッティング関数記憶部５３と、衛星データ入力部５１と、フィッティング処理部５２と、方位算出部５５と、を備える。フィッティング関数記憶部５３には、指向性を有するＧＰＳアンテナ１１の信号の受信角度と信号レベルとの相関関係から導き出したフィッティング関数が予め記憶される。衛星データ入力部５１には、ＧＰＳアンテナ１１がＧＰＳ衛星１から受信した信号に基づいて取得される当該ＧＰＳアンテナ１１から見たＧＰＳ衛星１の方位を示す方位情報と、受信した信号の信号レベル（受信信号レベル）と、が入力される。フィッティング処理部５２は、複数のＧＰＳ衛星１の方位情報及び信号レベルが衛星データ入力部５１に入力されたときに、それぞれのＧＰＳ衛星１について求められた方位と受信信号レベルとの関係にフィッティング関数を適合する処理を行う。方位算出部５５は、フィッティング処理部５２により適合されたフィッティング関数によって算出される信号レベル（算出信号レベル）の傾向に基づいてＧＰＳアンテナ１１の向きを算出する。
【００６０】
これにより、ＧＰＳ衛星１からの信号を継続して取得する必要なく、複数のＧＰＳ衛星１からの信号を受信できた時点で、ＧＰＳアンテナ１１の所定方向の向きを検出するための処理を開始できる。従って、移動状態又は静止状態の何れの状態であっても、ＧＰＳアンテナ１１の向きをほぼリアルタイムに検出することができる。また、ＧＰＳ衛星１からの信号は磁場の影響を受けないので、ＧＰＳ衛星１からの信号を受信できる環境であれば、磁場の歪みが激しい場所であっても、ＧＰＳアンテナ１１の向きを正確に検出することができる。
【００６１】
また、本実施形態の方位検出装置１０においては、フィッティング処理部５２によって適合されたフィッティング関数によって算出した信号レベルが最も大きいときの方位情報又は最も小さいときの方位情報に基づいて前記アンテナの向きを算出する。
【００６２】
これにより、フィッティング関数によって算出した信号レベルの最大値又は最小値を検出するという簡単な処理によってアンテナの向きを算出することができる。
【００６３】
また、本実施形態の方位検出装置１０においては、関数は、余弦関数を含むように設定されている。
【００６４】
これにより、３６０度周期で大きさが周期的に変わる余弦関数によって、方位に応じた信号レベルの変化を適切かつ容易に表現することができる。また、比較的容易な計算処理によって信号レベルを算出できるので、方位を算出するために必要な演算コストを低減することができる。
【００６５】
次に、第２実施形態の方位検出装置３０について説明する。第２実施形態の方位検出装置３０は、複数のＧＰＳアンテナで構成されるアンテナ組の配置関係に基づいて設定される所定方向の方位を、複数のＧＰＳアンテナが受信した信号に基づいて検出するように構成されている。図４は、第２実施形態の方位検出装置３０の全体的な構成を示した概念図である。なお、以下の説明において、第１実施形態で説明した方位検出装置１０の構成と同一及び類似する構成には、図面に同一の符号を付して説明を省略する場合がある。
【００６６】
図４に示すように、第２実施形態の方位検出装置３０は、第１ＧＰＳアンテナ２１と、第２ＧＰＳアンテナ３１と、遮蔽板１２と、第１ＧＰＳ受信機２３と、第２ＧＰＳ受信機３３と、解析装置１４と、を備える。
【００６７】
第１ＧＰＳアンテナ２１及び第２ＧＰＳアンテナ３１は、何れも、ＧＰＳ衛星１からの信号を受信するためのものであり、フラットな形状のパッチアンテナとして構成されている。図４に示すように、第１ＧＰＳアンテナ２１は、第１実施形態と同様に、遮蔽板１２の平面部分に取り付けられている。一方、第２ＧＰＳアンテナ３１は、第１ＧＰＳアンテナ２１が取り付けられている遮蔽板１２の反対側に取り付けられており、遮蔽板１２を挟んで第１ＧＰＳアンテナ２１の背面側に配置されている。
【００６８】
第１ＧＰＳアンテナ２１及び第２ＧＰＳアンテナ３１は、遮蔽板１２を挟んで対向するように配置されていることにより、互いに逆方向の指向性を有するようになっている。即ち、第１ＧＰＳアンテナ２１は、正面側からの信号を受信する感度が高く背面側からの信号を受信する感度が低くなっている。一方、第２ＧＰＳアンテナ３１は、第１ＧＰＳアンテナ２１の正面側（第２ＧＰＳアンテナ３１の背面側）からの信号を受信する感度が低く、第１ＧＰＳアンテナ２１の背面側（第２ＧＰＳアンテナ３１の正面側）からの信号を受信する感度が高くなっている。
【００６９】
なお、本実施形態の方位検出装置３０においては、第１ＧＰＳアンテナ２１と第２ＧＰＳアンテナ３１とで構成されるアンテナ組の所定方向は、第１ＧＰＳアンテナ２１の正面方向に設定されている。以下の説明において、方位検出装置３０が向きを検出するといった場合は、第１ＧＰＳアンテナ２１の正面方向の方位を検出することを意味するものとする。
【００７０】
第１ＧＰＳ受信機２３には、第１ＧＰＳアンテナ２１が受信した信号が入力されている。第１ＧＰＳ受信機２３は、この信号に基づいて取得した各ＧＰＳ衛星１の方位を示すデータと、信号レベルを示すデータと、を解析装置１４に出力する。第２ＧＰＳ受信機３３には、第２ＧＰＳアンテナ３１が受信した信号が入力されており、第２ＧＰＳアンテナ３１が受信した信号に基づいて取得した各ＧＰＳ衛星１の方位を示すデータと、信号レベルを示すデータと、を解析装置１４に出力する。
【００７１】
第２実施形態の解析装置１４は、第１ＧＰＳ受信機２３から入力されるデータと、第２ＧＰＳ受信機３３から入力されるデータと、を解析し、第１ＧＰＳアンテナ２１の正面方向の方位（アンテナ組の向き）を検出する。次に、図５、図６及び図７を参照して、解析装置１４の詳細な構成を説明する。図５は、第２実施形態の解析装置１４の機能ブロック図である。図６は、信号レベルと方位角との関係をＧＰＳ衛星１ごとに示したグラフである。図７は、第１ＧＰＳアンテナ２１が受信したデータから第２ＧＰＳアンテナ３１が受信したデータの差分を取った差分データを示すグラフである。
【００７２】
図５に示すように、解析装置１４には、衛星データ入力部５１と、差分データ取得部５６と、フィッティング処理部５２と、フィッティング関数記憶部５３と、確度算出部５４と、方位算出部５５と、結果出力部５７と、が構築されている。
【００７３】
衛星データ入力部５１は、第１ＧＰＳアンテナ２１が信号を受信したときの信号レベルをＧＰＳ衛星１ごとに取得した信号レベルデータを差分データ取得部５６に出力する。この信号レベルデータは、第１ＧＰＳアンテナ２１の向き（その時の方位）によって異なる信号レベルの傾向を示すデータである。なお、第１ＧＰＳアンテナ２１が受信した信号に基づいて取得された信号レベルデータの一例が、図６（ａ）のグラフに示されている。
【００７４】
また、衛星データ入力部５１は、第２ＧＰＳアンテナ３１が信号を受信したときの信号レベルをＧＰＳ衛星１ごとに取得した信号レベルデータを差分データ取得部５６に出力する。この信号レベルデータは、第２ＧＰＳアンテナ３１の向き（その時の方位）によって異なる信号レベルの傾向を示すデータである。なお、第２ＧＰＳアンテナ３１が受信した信号に基づいて取得された信号レベルデータの一例が、図６（ｂ）のグラフに示されている。
【００７５】
差分データ取得部５６は、ＧＰＳ衛星１から第１ＧＰＳアンテナ２１が受信した信号に基づいて取得した信号レベルと、同一のＧＰＳ衛星１から第２ＧＰＳアンテナ３１が受信した信号に基づいて取得した信号レベルと、の差分を適合用信号レベルとして取得する。差分データ取得部５６は、この適合用信号レベルをＧＰＳ衛星１ごとに取得していく。差分データ取得部５６は、ＧＰＳ衛星１ごとに取得した適合用信号レベルを適合用信号レベルデータとしてフィッティング処理部５２に出力する。差分データ取得部５６が取得する適合用信号レベルデータの一例を示すものが図７のグラフである。
【００７６】
フィッティング処理部５２は、フィッティング関数記憶部５３から呼び出したフィッティング関数を適合用信号レベルデータにフィッティングさせ（図７を参照）、その結果を確度算出部５４に出力する。なお、フィッティング関数は、適合用信号レベルに適合するように導き出された関数であり、式（２）のように表される。式（２）は、第１実施形態で説明した式（１）に基づいて導き出すことができる。
【数２】
ただし、
Ａ：第１ＧＰＳアンテナ２１（アンテナ組）から見た各ＧＰＳ衛星１の方位角
φ：アンテナ組の所定方向（第１ＧＰＳアンテナ２１の正面方向）の方位角
ａ，ｂ：フィッティング定数
【００７７】
式（２）に示すように、差分をとることでフィッティング定数ｂを消去することができ、演算処理をより簡素なものにすることができる。なお、フィッティング定数ａについては、第１実施形態と同様に予備測定によって求める。例えば、第１実施形態で説明した予備測定を、第１ＧＰＳアンテナ２１及び第２ＧＰＳアンテナ３１のそれぞれで行う。次に、差分データ取得部５６の説明のときと同様に、第１ＧＰＳアンテナ２１及び第２ＧＰＳアンテナ３１ごとに得られた測定結果の差分データ（適合用信号レベルデータ）を取得する。そして、式（２）に示されるフィッティング関数を前記差分データにフィッティングさせ、その結果に基づいてフィッティング定数を決定する。
【００７８】
確度算出部５４は、フィッティング処理部５２から出力された算出結果の信頼度を判定するためのものである。本実施形態の確度算出部５４は、フィッティング関数が算出した信号レベルと、適合用信号レベルと、を予め設定されている閾値に基づいて比較し、適合用信号レベルが閾値を超えている場合は、算出結果の信頼度が低いと判定する。本実施形態の確度算出部５４は、算出結果の信頼度が低いと判定した場合、閾値を超えた適合用信号レベルのデータを除外してフィッティング処理部５２にフィッティング処理を再度行わせる。
【００７９】
ところで、ＧＰＳアンテナが受信する信号レベルは、周囲の環境によって大きく変動することがある。例えば、ＧＰＳアンテナの周囲にビル等の背の高い構造物がある場合に、ＧＰＳアンテナから見たＧＰＳ衛星１の位置がちょうど構造物の陰に入って死角になることがある。この状態では、当該ＧＰＳアンテナからの信号を全く受信できないか、又は受信できたとしても信号レベルが著しく下がってしまい、適合用信号レベルの値が極端な値をとる原因になることがある。この点を考慮して、第２実施形態の方位検出装置３０は、確度算出部５４によって算出された方位の信頼度が高いか低いかを判定させるように構成されているのである。
【００８０】
図８は、フィッティング結果と閾値との関係を説明するために、信号レベルと方位角との関係の一例をＧＰＳ衛星１ごとに示したグラフである。図８に示す例では、方位角が４５度のＧＰＳ衛星１の適合用信号レベルと、フィッティング関数によって算出された信号レベルと、の差が、あらかじめ設定されている閾値を超えている。この場合、確度算出部５４は、閾値を超えた適合用信号レベルの値を除外する処理を行い、閾値を超えた適合用信号レベルを除外した適合用信号レベルデータに基づいてフィッティング処理を再度行わせる。
【００８１】
フィッティング処理部５２は、閾値を超えた適合用信号レベルが除外された適合用信号レベルデータに、フィッティング関数をフィッティングさせて、その結果を確度算出部５４に再出力する。確度算出部５４は、適合用信号レベルが閾値を超えているかいないかをＧＰＳ衛星１ごとに判定していく。入力された適合用信号レベルデータに閾値を超えた適合用信号レベルがないと判定された場合には、そのフィッティング結果を方位算出部５５に出力する。なお、閾値の設定は、ユーザが解析装置１４の操作手段（マウス、キーボード等）を操作して変更できるようになっている。
【００８２】
第２実施形態の方位算出部５５は、北、北東、東、南東、南、南西、西、北西の８方位を検出できるように構成されている。より具体的には、方位算出部５５は、方位を４５度間隔で区分し、前記フィッティング結果によって得られたフィッティング関数のピークの方位が何れの区分に該当するか否かで向きを算出する。例えば、２２．５度から６７．５度（北東の範囲）、６７．５度から１１２．５度（東の範囲）、１１２．５度から１５７．５度（南東の範囲）、１５７．５度から２０２．５度（南の範囲）・・・といったように８つの範囲に方位を区分する。このように設定された区分と、関数によって算出された信号レベルのピーク時の方位と、に基づいてアンテナ組の所定方向（第１ＧＰＳアンテナ２１の正面方向）の方位を判定する。図７に示すようなフィッティング結果の場合、フィッティング関数に算出された信号レベルが最大値をとるときの方位が１５７．５度から２０２．５の範囲にあるので、第１ＧＰＳアンテナ２１が向いている方位を南と判定する。このようにして、方位算出部５５によって判定された判定結果（算出結果）は、結果出力部５７に出力され、結果出力部５７は判定結果をディスプレイに表示する。
【００８３】
次に、図９及び図１０を参照して、本発明の方位検出方法を用いて行った実験結果について説明する。図９は、本発明の方位検出方法を適用した実験を説明する模式図である。図１０（ａ）は、第１実施形態で説明したように、１つのＧＰＳアンテナが受信した信号に基づいて方位の検出を行った実験結果を示すグラフである。図１０（ｂ）は、第２実施形態で説明したように、２つのＧＰＳアンテナがそれぞれ受信した信号に基づいて方位の検出を行った実験結果を示すグラフである。なお、図１０において、横軸は実験を開始してからの経過時間を示す。縦軸は、解析装置１４が算出した検出方向の方位である。また、図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に示すグラフは、１回の測定で求めたものではなく、複数回実験を行い、その実験結果をプロットしたものである。
【００８４】
図９に示すように、本実験は、東西南北を向くことができるように平面視において９０度単位で向きを切換可能に構成した回動体６０に、第１ＧＰＳアンテナ２１及び第２ＧＰＳアンテナ３１を取り付けて行ったものである。回動体６０は、遮蔽部材として機能しており、第２実施形態で説明したように、第１ＧＰＳアンテナ２１と第２ＧＰＳアンテナ３１とは、互いに逆方向の指向性を有するように回動体６０に取り付けられている。そして、検出方向（所定方向）は、第１ＧＰＳアンテナ２１と第２ＧＰＳアンテナ３１とを結ぶ仮想直線に直交する方向に設定されている。
【００８５】
図９に示すように、実験開始時点では検出方向は西を向いている。第１ＧＰＳアンテナ２１は北を向いており、第２ＧＰＳアンテナ３１は南を向いている。即ち、開始０秒から６０秒までの間は検出方向は西（第１ＧＰＳアンテナ２１が北）を向いている。開始から６０秒が経過すると、回動体６０は検出方向が南を向くように回動する。そして開始から１２０秒が経過すると、回動体６０は、検出方向が東を向くように回動する。以降も同様に、６０秒が経過するごとに検出方向を９０度回動させて検出方向が再び西を向くまでこの動作を繰り返す。
【００８６】
図１０（ａ）には、第１ＧＰＳアンテナ２１が受信した信号の信号レベルに基づいて式（１）により方位を算出した結果と、第２ＧＰＳアンテナ３１が受信した信号の信号レベルに基づいて式（１）により方位を算出した結果と、をそれぞれ示した。一方、図１０（ｂ）には、第１ＧＰＳアンテナ２１が受信した信号レベルと、第２ＧＰＳアンテナ３１が受信した信号レベルと、の差分をとって取得された適合用信号レベルに式（２）を利用して方位を算出した結果を示した。
【００８７】
図１０（ａ）及び図１０（ｂ）を比較すると、１つのＧＰＳアンテナが受信した信号レベルに基づいて方位を算出した場合より、２つのＧＰＳアンテナが受信した信号レベルに基づいて方位を検出した場合の方が、検出精度が高いことがわかる。この理由としては、指向性が互いに逆方向に構成される第１ＧＰＳアンテナ２１と第２ＧＰＳアンテナ３１とのそれぞれの信号レベルの差分をとることで、誤差が打ち消し合う形になったことや、信号レベルの変化幅が大きくなり、方位算出部５５によるピークの検出精度が向上したこと等が考えられる。
【００８８】
以上に示したように、第２実施形態の方位検出装置３０は、以下のように構成される。即ち、方位検出装置３０は、フィッティング関数記憶部５３と、衛星データ入力部５１と、差分データ取得部５６と、フィッティング処理部５２と、方位算出部５５と、を備える。フィッティング関数記憶部５３は、指向性を有する複数のＧＰＳアンテナが所定の配置関係に従って配置されたアンテナ組の信号の受信角度と信号レベルとの相関関係から導き出したフィッティング関数が予め記憶される。衛星データ入力部５１には、第１ＧＰＳアンテナ２１又は第２ＧＰＳアンテナ３１がＧＰＳ衛星１から受信した信号に基づいて取得される基準位置から見たＧＰＳ衛星１の方位を示す方位情報が入力される。また、衛星データ入力部５１には、第１ＧＰＳアンテナ２１及び第２ＧＰＳアンテナ３１のそれぞれが受信した信号の信号レベル（受信信号レベル）が入力される。差分データ取得部５６は、同一のＧＰＳ衛星１から第１ＧＰＳアンテナ２１と第２ＧＰＳアンテナ３１とが受信した信号の信号レベルに基づいて当該ＧＰＳ衛星１の方位に応じた適合用信号レベルを取得する。フィッティング処理部５２は、複数のＧＰＳ衛星１の方位情報及び信号レベルがＧＰＳアンテナごとに衛星データ入力部５１に入力されたときに、それぞれのＧＰＳ衛星１について求められた方位情報と適合用信号レベルとの関係に関数を適合する処理を行う。そして、方位算出部５５は、フィッティング処理部５２により適合されたフィッティング関数によって算出される信号レベル（算出信号レベル）の傾向に基づいて第１ＧＰＳアンテナ２１及び第２ＧＰＳアンテナ３１（アンテナ組）の所定方向が向いている方位を算出する。
【００８９】
これにより、ＧＰＳ衛星１からの信号レベルを継続して取得する必要なく、複数のＧＰＳ衛星１からの信号を受信できた時点で、アンテナ組の向きを検出するための処理を開始できる。従って、移動状態又は静止状態の何れの状態であっても、アンテナ組の向きをほぼリアルタイムに検出することができる。また、ＧＰＳ衛星１からの信号は磁場の影響を受けないので、ＧＰＳ衛星１からの信号を受信できる環境であれば、磁場の歪みが激しい場所であっても、アンテナ組の所定方向（第１ＧＰＳアンテナ２１の正面方向）を正確に検出することができる。また、第１ＧＰＳアンテナ２１及び第２ＧＰＳアンテナ３１がそれぞれ受信した信号に基づいて適合用信号レベルを取得するので、方位を正確に算出することができる。
【００９０】
また、本実施形態の方位検出装置３０は、以下のように構成される。即ち、方位算出部５５は、フィッティング処理部５２によって適合されたフィッティング関数によって算出される算出信号レベルが最も大きいときの方位情報又は最も小さいときの方位情報に基づいてアンテナ組の所定方向の向きを算出する。
【００９１】
これにより、算出信号レベルの最大値又は最小値を検出するという簡単な処理によってアンテナ組の向きを算出することができる。
【００９２】
また、本実施形態の方位検出装置３０においては、関数は、余弦関数を含むように設定される。
【００９３】
これにより、３６０度周期で大きさが周期的に変わる余弦関数によって、方位に応じた信号レベルの変化を適切かつ容易に表現することができる。また、比較的容易な計算処理によって信号レベルを算出できるので、方位を算出するために必要な演算コストを低減することができる。
【００９４】
また、本実施形態の方位検出装置３０においては、確度算出部５４を備える。確度算出部５４は、差分データ取得部５６により取得した適合用信号レベルと、フィッティング処理部５２が適用した関数によって算出された信号レベルと、の差に基づいて方位算出部５５によって算出される方位の確度を予め求める。
【００９５】
これにより、現実に受信した受信信号レベルに基づく適合用信号レベルと算出信号レベルが比較されることになるので、確度に基づいて方位算出部によって算出される算出結果の信頼性を予め判断することができる。
【００９６】
また、本実施形態の方位検出装置３０は、以下のように構成される。即ち、確度算出部５４は、同じ方位における算出信号レベルと適合用信号レベルとの差を予め設定された閾値と比較することにより、方位算出部５５による算出結果の確度を予め求める。
【００９７】
これにより、ＧＰＳアンテナがＧＰＳ衛星１からの信号を良好に受信できず、適合用信号レベルが極端な値をとった場合でも、閾値を適切に設定しておくことで、算出結果が正確でない可能性を考慮した処理を行うことができる。
【００９８】
また、本実施形態の方位検出装置３０においては、以下のように構成される。即ち、算出信号レベルと適合用信号レベルとの差が閾値を超えた場合には、当該閾値を超えた適合用信号レベルを除外してフィッティング処理部５２に関数を再適合させる。
【００９９】
これにより、閾値から外れた適合用信号レベルが除外されるので、受信環境が悪い場所でも、方位を正確に算出できる構成を実現することができる。
【０１００】
また、本実施形態の方位検出装置３０においては、以下のように構成される。即ち、複数のＧＰＳアンテナとして、互いに逆方向の指向性を有する第１アンテナと第２アンテナとを備える。差分データ取得部５６は、第１ＧＰＳアンテナ２１が受信した信号レベルと第２ＧＰＳアンテナ３１が受信した信号レベルとの差分をとって適合用信号レベルを取得する。
【０１０１】
これにより、差分をとるというシンプルな処理で、誤差を打ち消した適合用信号レベルを取得することができる。また、互いに逆方向の指向性を有する信号レベルの差分をとるので、適合用信号レベルの変化幅を大きくすることができ、方位算出部５５によって算出された方位の信頼度を効果的に向上させることができる。
【０１０２】
以上に本発明の実施形態を説明したが、上記の構成は更に以下のように変更することができる。
【０１０３】
第２実施形態の解析装置１４に構築される確度算出部５４は、閾値判定を行った後、フィッティング処理部５２にフィッティング処理を再度行わせるように構成されているが、この構成は事情に応じて適宜変更することができる。例えば、確度算出部５４が、適合用信号レベルと、フィッティング関数によって算出した信号レベルと、の差の平均値（又は合計値）が一定の閾値を超えた場合に、算出された方位の信頼度が低いと判定するように構成することもできる。また、算出結果の信頼度が低いと判定した場合は、フィッティング処理部５２に再処理させることなく、方位を検出する処理を中止し、その旨を結果出力部５７に出力させる構成に変更することができる。或いは、方位の算出結果とともに、当該判定結果の確度が低い旨を結果出力部５７に表示させる構成に変更することもできる。また、第２実施形態の構成に代えて、確度算出部５４が、方位算出部５５の検出結果を事後的に判定するように構成することも可能である。このように、確度算出部５４の構成は、事情に応じて適宜変更することができる。
【０１０４】
第１実施形態の方位検出装置１０においても、第２実施形態の構成と同様に、解析装置１４に確度算出部５４を構築することができる。
【０１０５】
上記実施形態では、指向性を顕著にするために金属製の遮蔽板１２を用いているが、信号を減衰させるための遮蔽部材の形状及び材質は事情に応じて適宜変更することができる。また、頭部又は胴部等の人体の一部にアンテナを装着し、人体の一部が遮蔽部材として機能することで、方位を検出するように構成することもできる。このように、遮蔽部材は、電波を減衰させるために利用できるものであればよい。また、遮蔽板部材を省略し、パッチアンテナ自体が有する指向性を利用して方位を検出する構成に変更することもできる。更に、ＧＰＳ衛星１からの信号を受信するためのＧＰＳアンテナは、所定方向に対する角度に応じて感度が異なる構成であればよく、１方向に指向性を有する構成に限定される訳ではない。なお、何れの場合も、信号を受信するＧＰＳアンテナの特性を反映させるように決定されたフィッティング関数を予め求め、フィッティング関数記憶部５３に記憶させておく必要がある。
【０１０６】
また、ＧＰＳアンテナを３つ以上備えるように方位検出装置を構成することもできる。この場合、ＧＰＳアンテナの特性が判っていれば、ＧＰＳアンテナの数及び配置は、適宜変更することができる。例えば、平面視において、ひし形の頂点に位置するように４つのＧＰＳアンテナを配置する構成とすることもできる。
【０１０７】
また、フィッティング関数は、式（１）及び式（２）に示した以外の関数を用いることができる。例えば、フィッティング関数にsinθ（正弦関数）を用いることもできる。このように、フィッティング関数は、向きによって信号の感度が異なる特性を有するＧＰＳアンテナの向きと信号レベルとの関係を表現できる関数であれば、適宜の関数を用いることができる。
【０１０８】
また、上記実施形態では、方位検出を行うためのフィッティング関数は、予備測定によって求められているが、方位検出装置１０が、フィッティング関数を導き出すための予備測定を自動的に行う機能を有するように構成することもできる。
【０１０９】
また、上記実施形態の解析装置１４は、汎用のパーソナルコンピュータであるが、方位を検出するための専用のコンピュータに変更することもできる。また、解析装置、ＧＰＳ受信機及びＧＰＳアンテナを一体的に構成し、可搬性を有するハンディタイプの方位検出装置として構成することもできる。このように、本発明は、様々な形態の構成に適用することが可能である。
【０１１０】
また、上記実施形態では、ＧＰＳ衛星１からの信号に基づいてＧＰＳアンテナの方位を検出する構成であるが、ＧＰＳ以外の全地球測位システム（ＧＮＳＳ）を利用して方位を検出する構成に変更することができる。
【符号の説明】
【０１１１】
１ ＧＰＳ衛星（ＧＮＳＳ衛星）
１１ ＧＰＳアンテナ（アンテナ）
１０ 方位検出装置
２１ 第１ＧＰＳアンテナ（第１アンテナ）
３０ 方位検出装置
３１ 第２ＧＰＳアンテナ（第２アンテナ）
５１ 衛星データ入力部（入力部）
５２ フィッティング処理部（処理部）
５３ フィッティング関数記憶部（記憶部）
５４ 確度算出部
５５ 方位算出部
５６ 差分データ取得部（取得部）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全地球測位システム（ＧＮＳＳ）衛星からの信号に基づいて、当該信号を受信したアンテナが向いている方位を検出する構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、方位検出装置において、ＧＰＳ衛星等のＧＮＳＳ衛星からの信号に基づいて移動体の向いている方位を検出する構成が知られている。この種の方位検出装置を開示するものとして例えば特許文献１がある。
【０００３】
特許文献１は、以下のように構成される方位検出装置を開示している。即ち、特許文献１に開示される方位検出装置は、位置情報算出手段と、絶対方位角算出手段と、指向性アンテナと、相対方位角検出手段と、方位算出手段と、を備えている。前記位置情報算出手段は、ＧＰＳ信号を受信してＧＰＳ衛星の位置情報及び移動体の位置情報を算出する。前記絶対方位角算出手段は、前記位置情報算出手段による上記ＧＰＳ衛星の位置情報及び上記移動体の位置情報に基づいて上記移動体における上記ＧＰＳ衛星の絶対方位角を算出する。前記指向性アンテナは、上記移動体において特定された特定方向に対して方位角方向に回動する。前記相対方位角検出手段は、この指向性アンテナにより上記ＧＰＳ衛星からの電波を受信し、その電波の強弱により上記移動体における上記ＧＰＳ衛星の上記特定方向に対する相対方位角を検出する。前記方位算出手段は、上記相対方位角及び上記ＧＰＳ衛星の絶対方位角に基づいて上記移動体における上記特定方向の絶対方位角を算出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−２３１０３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述したＧＰＳ衛星からの信号に基づいて方位を検出する構成以外にも、地磁気を検知する電子コンパスを利用して移動体の向きを検出する構成が従来から知られている。しかし、電子コンパスは、その特性上、磁場の歪みが激しい場所では、正確に方位を検出できないおそれがあった。
【０００６】
この点、特許文献１に開示される方位検出装置は、ＧＰＳ衛星から受信した電波の強弱に基づいて特定の方向の方位を検出するので、磁場の影響を受けることなく方位を検出することができる。しかし、特許文献１の構成は、受信レベルのピークを調べるために、特定の衛星からの受信レベルの変化を一定時間モニタしなければならない。そのため、移動体の向きが急に変わった場合等において、当該移動体の状態を検出結果に即座に反映させることが困難であった。また、特許文献１の構成は、受信レベルの変化をモニタするために、ＧＰＳアンテナ自体を回動させる又はＧＰＳアンテナに取り付けられている遮蔽部材を回動させるための駆動装置を備える必要があった。従って、装置構成の簡素化という観点からも改善の余地があった。
【０００７】
本発明は、以上の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、磁場の影響を受けることなく、静止状態でも、アンテナの向きの方位を正確かつ迅速に検出することができる方位検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段及び効果】
【０００８】
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段とその効果を説明する。
【０００９】
本発明の第１の観点によれば、以下のように構成される方位検出装置が提供される。即ち、方位検出装置は、記憶部と、入力部と、処理部と、方位算出部と、を備える。前記記憶部には、指向性を有するアンテナの信号の受信角度と信号レベルとの関係から導き出した関数が予め記憶される。前記入力部には、前記アンテナがＧＮＳＳ衛星から受信した信号に基づいて取得される当該ＧＮＳＳ衛星の方位情報及び受信信号レベルが入力される。前記処理部は、複数のＧＮＳＳ衛星の方位情報及び受信信号レベルが前記入力部に入力されたときに、それぞれのＧＮＳＳ衛星について求められた方位情報と受信信号レベルの関係に前記関数を適合する処理を行う。前記方位算出部は、前記処理部により適合された関数によって算出される算出信号レベルの傾向に基づいて前記アンテナの向きを算出する。
【００１０】
これにより、ＧＮＳＳ衛星からの信号を継続して取得する必要なく、複数のＧＮＳＳ衛星からの信号を受信できた時点で、アンテナの向きを検出するための処理を開始できる。従って、移動状態又は静止状態の何れの状態であっても、アンテナの向きをほぼリアルタイムに検出することができる。また、ＧＮＳＳ衛星からの信号は磁場の影響を受けないので、ＧＮＳＳ衛星からの信号を受信できる環境であれば、磁場の歪みが激しい場所であっても、アンテナの向きを正確に検出することができる。
【００１１】
前記の方位検出装置においては、以下のように構成されることが好ましい。即ち、前記方位算出部は、前記処理部によって適合された関数によって算出される算出信号レベルが最も大きいときの方位情報又は最も小さいときの方位情報に基づいて前記アンテナの向きを算出する。
【００１２】
これにより、算出信号レベルの最大値又は最小値を検出するという簡単な処理によってアンテナの向きを算出することができる。
【００１３】
前記の方位検出装置においては、前記関数は、三角関数を含むことが好ましい。
【００１４】
これにより、３６０度周期で大きさが周期的に変わる三角関数によって、方位に応じた信号レベルの変化を適切かつ容易に表現することができる。また、比較的容易な計算処理によって信号レベルを算出できるので、方位を算出するために必要な演算コストを低減することができる。
【００１５】
前記の方位検出装置においては、以下のように構成されることが好ましい。即ち、この方位検出装置は、確度算出部を備える。前記確度算出部は、前記算出信号レベルと前記受信信号レベルとの差に基づいて前記方位算出部が算出する方位の確度を求める。
【００１６】
これにより、現実に受信した受信信号レベルと算出信号レベルが比較されることになるので、確度に基づいて方位算出部による算出結果の信頼性を判断することができる。
【００１７】
前記方位検出装置においては、以下のように構成されることが好ましい。即ち、前記確度算出部は、同じ方位における前記算出信号レベルと前記受信信号レベルとの差を閾値と比較することにより、前記方位算出部による算出結果の確度を求める。
【００１８】
これにより、アンテナがＧＮＳＳ衛星からの信号を良好に受信できず、受信した信号レベルが極端な値をとった場合でも、閾値を適切に設定しておくことで、算出結果が正確でない可能性を考慮した処理を行うことができる。
【００１９】
前記の方位検出装置においては、以下のように構成されることが好ましい。即ち、前記算出信号レベルと前記受信信号レベルとの差が閾値を超えた場合は、当該閾値を超えた受信信号レベルを除外して前記処理部に関数を再適合させる。
【００２０】
これにより、閾値から外れた受信信号レベルが除外されるので、受信環境が悪い場所でも、方位を正確に算出できる構成を実現することができる。
【００２１】
本発明の第２の観点によれば、以下のように構成される方位検出装置が提供される。即ち、方位検出装置は、記憶部と、入力部と、取得部と、処理部と、方位算出部と、を備える。前記記憶部には、指向性を有する複数のアンテナが所定の配置関係に従って配置されたアンテナ組の信号の受信角度と信号レベルとの関係から導き出した関数が予め記憶される。前記入力部には、前記アンテナがＧＮＳＳ衛星から受信した信号に基づいて取得される基準位置から見た前記ＧＮＳＳ衛星の方位情報と、それぞれの前記アンテナが受信した信号の受信信号レベルと、が入力される。前記取得部は、同一のＧＮＳＳ衛星から前記アンテナごとに受信した信号の受信信号レベルに基づいて当該ＧＮＳＳ衛星の方位に応じた適合用信号レベルを取得する。前記処理部は、複数のＧＮＳＳ衛星の方位情報及び受信信号レベルが前記アンテナごとに前記入力部に入力されたときに、それぞれのＧＮＳＳ衛星について求められた方位情報と前記適合用信号レベルとの関係に前記関数を適合する処理を行う。前記方位算出部は、前記処理部により適合された関数によって算出される算出信号レベルの傾向に基づいて前記アンテナ組の向きを算出する。
【００２２】
これにより、ＧＮＳＳ衛星からの信号を継続して取得する必要なく、複数のＧＮＳＳ衛星からの信号を受信できた時点で、アンテナ組の向きを検出するための処理を開始できる。従って、移動状態又は静止状態の何れの状態であっても、アンテナ組の向きをほぼリアルタイムに検出することができる。また、ＧＮＳＳ衛星からの信号は磁場の影響を受けないので、ＧＮＳＳ衛星からの信号を受信できる環境であれば、磁場の歪みが激しい場所であっても、アンテナ組の向きを正確に検出することができる。また、複数のアンテナがそれぞれ受信した信号に基づいて適合用信号レベルを取得するので、方位を正確に算出することができる。
【００２３】
前記の方位検出装置においては、以下のように構成されることが好ましい。即ち、前記方位算出部は、前記処理部によって適合された関数によって算出される算出信号レベルが最も大きいときの方位情報又は最も小さいときの方位情報に基づいて前記アンテナ組の向きを算出する。
【００２４】
これにより、算出信号レベルの最大値又は最小値を検出するという簡単な処理によってアンテナ組の向きを算出することができる。
【００２５】
前記の方位検出装置においては、前記関数は、三角関数を含むことが好ましい。
【００２６】
これにより、３６０度周期で大きさが周期的に変わる三角関数によって、方位に応じた信号レベルの変化を適切かつ容易に表現することができる。また、比較的容易な計算処理によって信号レベルを算出できるので、方位を算出するために必要な演算コストを低減することができる。
【００２７】
前記の方位検出装置においては、確度算出部を備えることが好ましい。前記確度算出部は、前記算出信号レベルと前記適合用信号レベルとの差に基づいて前記方位算出部が算出する方位の確度を求める。
【００２８】
これにより、現実に受信した受信信号レベルに基づく適合用信号レベルと算出信号レベルが比較されることになるので、確度に基づいて方位算出部による算出結果の信頼性を判断することができる。
【００２９】
前記の方位検出装置においては、以下のように構成されることが好ましい。即ち、前記確度算出部は、同じ方位における前記算出信号レベルと前記適合用信号レベルとの差を閾値と比較することにより、前記方位算出部による算出結果の確度を求める。
【００３０】
これにより、アンテナがＧＮＳＳ衛星からの信号を良好に受信できず、適合用信号レベルが極端な値をとった場合でも、閾値を適切に設定しておくことで、算出結果が正確でない可能性を考慮した処理を行うことができる。
【００３１】
前記の方位検出装置においては、以下のように構成されることが好ましい。即ち、前記算出信号レベルと前記適合用信号レベルとの差が閾値を超えた場合は、当該閾値を超えた適合用信号レベルを除外して前記処理部に関数を再適合させる。
【００３２】
これにより、閾値から外れた適合用信号レベルが除外されるので、受信環境が悪い場所でも、方位を正確に算出できる構成を実現することができる。
【００３３】
前記の方位検出装置においては、以下のように構成されることが好ましい。即ち、複数の前記アンテナは、互いに逆方向の指向性を有する第１アンテナと第２アンテナとにより構成されている。前記取得部は、前記第１アンテナが受信した受信信号レベルと前記第２アンテナが受信した受信信号レベルとの差分をとって適合用信号レベルを取得する。
【００３４】
これにより、差分をとるというシンプルな処理で、誤差を打ち消した適合用信号レベルを取得することができる。また、互いに逆方向の指向性を有する信号レベルの差分をとるので、適合用信号レベルの変化幅を大きくすることができ、方位算出部によって算出された方位の信頼度を効果的に向上させることができる。
【００３５】
本発明の第３の観点によれば、指向性を有するアンテナの向きを算出するための方位検出方法において、以下の４つのステップを含む方法が提供される。即ち、第１ステップでは、前記アンテナの信号の受信角度と信号レベルとの関係から導き出した関数を導き出す。第２ステップでは、前記アンテナがＧＮＳＳ衛星から受信した信号に基づいて取得される当該ＧＮＳＳ衛星の方位情報及び受信信号レベルが入力される。第３ステップでは、複数のＧＮＳＳ衛星の方位情報及び受信信号レベルが入力されたときに、それぞれのＧＮＳＳ衛星について求められた方位情報と受信信号レベルとの関係に前記関数を適合する。第４ステップでは、関数に基づいて算出される算出信号レベルの傾向に基づいて前記アンテナの向きを算出する。
【００３６】
これにより、ＧＮＳＳ衛星からの信号レベルを継続して取得する必要なく、複数のＧＮＳＳ衛星からの信号を受信できた時点で、アンテナの向きを検出するための処理を開始できる。従って、移動状態又は静止状態の何れの状態であっても、アンテナの向きをほぼリアルタイムに検出することができる。また、ＧＮＳＳ衛星からの信号は磁場の影響を受けないので、ＧＮＳＳ衛星からの信号を受信できる環境であれば、磁場の歪みが激しい場所であっても、アンテナの向きを正確に検出することができる。
【００３７】
本発明の第４の観点によれば、指向性を有する複数のアンテナが所定の配置関係に従って配置されたアンテナ組の向きを算出するための方位検出方法において、以下の５つのステップを含む方法が提供される。即ち、前記第１ステップでは、前記アンテナ組の信号の受信角度と信号レベルとの関係から導き出した関数を導き出す。前記第２ステップでは、前記アンテナがＧＮＳＳ衛星から受信した信号に基づいて取得される基準位置から見た前記ＧＮＳＳ衛星の方位情報と、それぞれの前記アンテナが受信した信号の受信信号レベルと、が入力される。前記第３ステップでは、同一のＧＮＳＳ衛星から前記アンテナごとに受信した信号の受信信号レベルに基づいて当該ＧＮＳＳ衛星の方位に応じた適合用信号レベルを取得する。前記第４ステップでは、複数のＧＮＳＳ衛星の方位情報及び受信信号レベルが前記アンテナごとに入力されたときに、それぞれのＧＮＳＳ衛星について求められた方位情報と前記適合用信号レベルとの関係に前記関数を適合する。前記第５ステップでは、適合された関数によって算出される算出信号レベルの傾向に基づいて前記アンテナ組の向きを算出する。
【００３８】
これにより、ＧＮＳＳ衛星からの信号を継続して取得する必要なく、複数のＧＮＳＳ衛星からの信号を受信できた時点で、アンテナ組の向きを検出するための処理を開始できる。従って、移動状態又は静止状態の何れの状態であっても、アンテナ組の向きをほぼリアルタイムに検出することができる。また、ＧＮＳＳ衛星からの信号は磁場の影響を受けないので、ＧＮＳＳ衛星からの信号を受信できる環境であれば、磁場の歪みが激しい場所であっても、アンテナ組の向きを正確に検出することができる。また、複数のアンテナがそれぞれ受信した信号に基づいて適合用信号レベルを取得するので、方位を正確に算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】第１実施形態の方位検出装置の全体的な構成を示した概念図。
【図２】第１実施形態の解析装置の機能ブロック図。
【図３】信号レベルと方位角との関係をＧＰＳ衛星ごとに示したグラフ。
【図４】第２実施形態の方位検出装置の全体的な構成を示した概念図。
【図５】第２実施形態の解析装置の機能ブロック図。
【図６】信号レベルと方位角との関係をＧＰＳ衛星ごとに示したグラフ。
【図７】第１ＧＰＳアンテナが受信したデータから第２ＧＰＳアンテナが受信したデータの差分を取った差分データを示すグラフ。
【図８】フィッティング結果と閾値との関係を説明するために、信号レベルと方位角との関係の一例をＧＰＳ衛星ごとに示したグラフ。
【図９】本発明の方位検出方法を適用した実験を説明する模式図。
【図１０】本発明の方位検出方法を適用した実験の検出結果を示したグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
次に発明の実施の形態について説明する。図１は、第１実施形態の方位検出装置１０の全体的な構成を示した概念図である。本実施形態の方位検出装置１０は、ＧＮＳＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｓｙｓｔｅｍ）を利用して、ＧＰＳアンテナ１１の向きの方位を検出する構成となっている。本実施形態では、ＧＮＳＳとしてＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）を利用している。
【００４１】
図１に示すように、第１実施形態の方位検出装置１０は、ＧＰＳアンテナ１１と、遮蔽板１２と、ＧＰＳ受信機１３と、解析装置１４と、を備える。
【００４２】
ＧＰＳアンテナ１１は、ＧＰＳ衛星１からの信号を受信するためのものであり、フラットな形状のパッチアンテナが採用されている。図１に示すように、地球の周りには複数のＧＰＳ衛星１が存在しており、ＧＰＳアンテナ１１はこれら複数のＧＰＳ衛星１からの信号を受信している。
【００４３】
図１に示すように、ＧＰＳアンテナ１１は、適宜の金属で形成された遮蔽板１２の平面部分に取り付けられている。以下の説明において、この遮蔽板１２と対面接触している面をＧＰＳアンテナ１１の背面側とし、この背面側と反対側の面をＧＰＳアンテナ１１の正面側とする。そして、本実施形態の方位検出装置１０においては、ＧＰＳアンテナ１１の正面方向（図１に矢印で示す方向）が、方位を検出する基準の方向（所定方向）として定められている。
【００４４】
遮蔽板１２はＧＰＳ衛星１からの信号を減衰させるように機能するため、ＧＰＳアンテナ１１は、背面側からの信号に対しては、その受信感度が悪くなっている。一方、ＧＰＳアンテナ１１の正面側には遮蔽板１２がないため、正面側からの信号は背面側に比べて感度良く受信できるようになっている。このように、本実施形態のＧＰＳアンテナ１１は、正面からの信号を感度良く受信する指向性アンテナとして構成されている。
【００４５】
ＧＰＳ受信機１３は、ＧＰＳアンテナ１１を介して受信した測位信号に基づいて、当該測位信号を発信した各ＧＰＳ衛星１の位置及び受信時の信号レベルを取得する。測位信号は、全衛星の軌道情報であるアルマナックデータと、信号を発信したＧＰＳ衛星１の詳細な軌道情報であるエフェメリスデータと、を含んでいる。ＧＰＳ受信機１３は、アルマナックデータに基づいて測位信号を受信することができるＧＰＳ衛星１を確認し、エフェメリスデータに基づいて各ＧＰＳ衛星１の正確な位置を取得する。
【００４６】
ＧＰＳ受信機１３は、複数（少なくとも３つ）のＧＰＳ衛星１からの測位信号（各ＧＰＳ衛星１の位置）に基づいて、ＧＰＳアンテナ１１の現在位置を取得する。本実施形態のＧＰＳ受信機１３は、ＧＰＳアンテナ１１の現在位置と、ＧＰＳ衛星１の位置と、に基づいて、ＧＰＳアンテナ１１から見たＧＰＳ衛星１の方位角をＧＰＳ衛星１ごとに取得する。こうして得られたＧＰＳ衛星１の方位角は、解析装置１４に出力される。また、ＧＰＳ受信機１３は、ＧＰＳ衛星１から信号を受信したときの信号レベルについても、ＧＰＳ衛星１ごとに解析装置１４に出力する。
【００４７】
解析装置１４は、ＧＰＳ受信機１３から受信したデータを解析し、ＧＰＳアンテナ１１の向いている方位（正面方向の方位）を検出する検出処理を行うためのものである。次に、図２及び図３を参照して、解析装置１４の詳細な構成を説明する。図２は、第１実施形態の解析装置１４の機能ブロック図である。図３は、信号レベルと方位角との関係をＧＰＳ衛星１ごとに示したグラフである。
【００４８】
なお、図３のグラフ中のＳＶ（Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｖｅｈｉｃｌｅ）の後に続く数字は衛星番号を意味している。また、横軸に示したＡｚｉｍｕｔｈ（ｄｅｇ）は、ＧＰＳアンテナ１１の位置から見たＧＰＳ衛星１の方位である。また、縦軸に示したＣ／ＮＯ（ｄＢ−Ｈｚ）は、搬送波と雑音の比を示すものであり、受信時の信号レベルの強さを示している。このＣ／ＮＯの値が大きいほど、ＧＰＳアンテナ１１がＧＰＳ衛星１からの信号を良好な状態で受信していることになる。
【００４９】
本実施形態の解析装置１４は、汎用のパーソナルコンピュータを利用して構成されている。この解析装置１４は、演算部及び制御部としてのＣＰＵと、記憶部としてのＲＯＭ、ＲＡＭ及びハードディスクと、を備えている。前記ハードディスクには、方位角が異なるＧＰＳ衛星１の信号レベルの強さに基づいてＧＰＳアンテナ１１の向いている方位を検出するためのプログラム等が、適宜の記憶媒体を用いてインストールされている。
【００５０】
そして、図２に示すように、上記ハードウェアとソフトウェアとの協働により、解析装置１４には、衛星データ入力部５１と、フィッティング処理部５２と、フィッティング関数記憶部５３と、方位算出部５５と、結果出力部５７と、が構築されている。
【００５１】
衛星データ入力部５１は、各ＧＰＳ衛星１の方位角及び受信時の信号レベルをＧＰＳ受信機１３から取得する。衛星データ入力部５１は、信号を受信できる位置に存在しているＧＰＳ衛星１の信号レベルのデータを複数取得し、これら一群の信号レベルのデータ（信号レベルデータ）をフィッティング処理部５２に出力する。この信号レベルデータは、ＧＰＳアンテナ１１の向き（その時の方位）によって異なる信号レベルの傾向を示すデータである。この信号レベルデータの一例が、図３のグラフに示されている。
【００５２】
フィッティング処理部５２は、フィッティング関数記憶部５３に予め記憶されているフィッティング関数を呼び出し、前記信号レベルデータにフィッティング関数をフィッティング（適合）させる（図３を参照）。フィッティング処理部５２は、フィッティング関数をフィッティングさせた結果を方位算出部５５に出力する。
【００５３】
ここで、フィッティング関数記憶部５３に記憶されるフィッティング関数について説明する。即ち、地球の周りには複数のＧＰＳ衛星１が公転しており、時間や地球上のＧＰＳアンテナ１１の位置が変化しても、複数のＧＰＳ衛星１のうち、いくつかのＧＰＳ衛星１がＧＰＳアンテナ１１から見た様々な方位に存在している状態になっている。また、本実施形態のＧＰＳアンテナ１１は、指向性を有するように構成されており、ＧＰＳアンテナ１１が向いている方向（正面方向）の信号を最も強く受信するようになっている。従って、ＧＰＳアンテナ１１は、様々な方位に存在する複数のＧＰＳ衛星１から信号を同時に受信した場合、正面側に存在するＧＰＳ衛星１からの信号は強く受信する傾向を示し、背面側に存在するＧＰＳ衛星１からの信号は弱く受信する傾向を示す。このようなアンテナの向きに対する角度に応じて変化する信号レベルの傾向を関数として表現したものがフィッティング関数である。
【００５４】
本実施形態において、フィッティング関数は、式（１）のように表される。
【数１】
ただし、
Ａ：ＧＰＳアンテナ１１から見た各ＧＰＳ衛星１の方位角
φ：ＧＰＳアンテナ１１の正面方向の方位角
ａ，ｂ：フィッティング定数
【００５５】
なお、フィッティング定数ａ及びｂは、以下のような予備測定を行って予め求められたものである。即ち、最初に、受信環境が良好な適宜の場所において、ＧＰＳアンテナ１１を所定方向に向けた状態で固定する。例えば、ＧＰＳアンテナ１１を真北に向けて設置した場合、φの値は０度で固定になる。そして、ＧＰＳ衛星１の方位角と信号レベルとの関係を所定時間にわたって測定し、実験データを得る。予備測定で得た実験データに適合するように上述の式（１）を適用することで、フィッティング定数（パラメータ）が決定される。
【００５６】
以上により、ＧＰＳアンテナ１１の所定方向に対する角度に応じた信号レベルの変化の傾向を関数に表現することができる。この予備測定によってフィッティング定数が設定されたフィッティング関数は、フィッティング関数記憶部５３に予め適宜の方法で記憶される。なお、上述したフィッティング定数の決定方法は、あくまで一例であり、この方法とは異なる方法でパラメータを決定することができるのは勿論である。
【００５７】
方位算出部５５は、フィッティング結果に基づいてＧＰＳアンテナ１１の正面方向の方位を算出するためのものである。本実施形態の方位算出部５５は、方位を東西南北の４方位で検出できるように構成されている。より具体的には、真北を０度とし、上から見たときの時計回り方向が正となるように角度をとった場合、４５度から１３５度（東の範囲）、１３５度から２２５度（南の範囲）、２２５度から３１５度（西の範囲）、３１５度から４５度（北の範囲）の４つの範囲に９０度間隔で方位を区分する。そして、フィッティング処理部５２に適用されたフィッティング関数によって算出される信号レベル（算出信号レベル）のピーク（最大値又は最小値）が生じるときの方位が属する前記区分に基づいて方位を判定する。本実施形態の構成においては、正面側の信号を最も強く受信できるようにＧＰＳアンテナ１１が構成されているので、信号レベルの最大値をとるときの方位がＧＰＳアンテナ１１の正面方向と判定できる。また、信号レベルの最小値をとるときの方位に基づいてＧＰＳアンテナ１１の背面方向を判定することもできる。図３に示すようなフィッティング結果が入力された場合、方位算出部５５は、信号レベルのマイナス側ピーク（最小値）の方位が１３５度から２２５度の範囲にあることから、ＧＰＳアンテナ１１が南と逆の方向、即ち北を向いていると判定する。方位算出部５５は、このようにして決定した判定結果（算出結果）を結果出力部５７に出力する。
【００５８】
結果出力部５７は、方位算出部５５から入力された判定結果をパーソナルコンピュータのディスプレイ（表示部）に表示させる。これにより、ユーザは、ＧＰＳアンテナ１１が東西南北の何れの方向を向いているかを把握することができる。
【００５９】
以上に示したように、第１実施形態の方位検出装置１０は、以下のように構成される。即ち、方位検出装置１０は、フィッティング関数記憶部５３と、衛星データ入力部５１と、フィッティング処理部５２と、方位算出部５５と、を備える。フィッティング関数記憶部５３には、指向性を有するＧＰＳアンテナ１１の信号の受信角度と信号レベルとの相関関係から導き出したフィッティング関数が予め記憶される。衛星データ入力部５１には、ＧＰＳアンテナ１１がＧＰＳ衛星１から受信した信号に基づいて取得される当該ＧＰＳアンテナ１１から見たＧＰＳ衛星１の方位を示す方位情報と、受信した信号の信号レベル（受信信号レベル）と、が入力される。フィッティング処理部５２は、複数のＧＰＳ衛星１の方位情報及び信号レベルが衛星データ入力部５１に入力されたときに、それぞれのＧＰＳ衛星１について求められた方位と受信信号レベルとの関係にフィッティング関数を適合する処理を行う。方位算出部５５は、フィッティング処理部５２により適合されたフィッティング関数によって算出される信号レベル（算出信号レベル）の傾向に基づいてＧＰＳアンテナ１１の向きを算出する。
【００６０】
これにより、ＧＰＳ衛星１からの信号を継続して取得する必要なく、複数のＧＰＳ衛星１からの信号を受信できた時点で、ＧＰＳアンテナ１１の所定方向の向きを検出するための処理を開始できる。従って、移動状態又は静止状態の何れの状態であっても、ＧＰＳアンテナ１１の向きをほぼリアルタイムに検出することができる。また、ＧＰＳ衛星１からの信号は磁場の影響を受けないので、ＧＰＳ衛星１からの信号を受信できる環境であれば、磁場の歪みが激しい場所であっても、ＧＰＳアンテナ１１の向きを正確に検出することができる。
【００６１】
また、本実施形態の方位検出装置１０においては、フィッティング処理部５２によって適合されたフィッティング関数によって算出した信号レベルが最も大きいときの方位情報又は最も小さいときの方位情報に基づいて前記アンテナの向きを算出する。
【００６２】
これにより、フィッティング関数によって算出した信号レベルの最大値又は最小値を検出するという簡単な処理によってアンテナの向きを算出することができる。
【００６３】
また、本実施形態の方位検出装置１０においては、関数は、余弦関数を含むように設定されている。
【００６４】
これにより、３６０度周期で大きさが周期的に変わる余弦関数によって、方位に応じた信号レベルの変化を適切かつ容易に表現することができる。また、比較的容易な計算処理によって信号レベルを算出できるので、方位を算出するために必要な演算コストを低減することができる。
【００６５】
次に、第２実施形態の方位検出装置３０について説明する。第２実施形態の方位検出装置３０は、複数のＧＰＳアンテナで構成されるアンテナ組の配置関係に基づいて設定される所定方向の方位を、複数のＧＰＳアンテナが受信した信号に基づいて検出するように構成されている。図４は、第２実施形態の方位検出装置３０の全体的な構成を示した概念図である。なお、以下の説明において、第１実施形態で説明した方位検出装置１０の構成と同一及び類似する構成には、図面に同一の符号を付して説明を省略する場合がある。
【００６６】
図４に示すように、第２実施形態の方位検出装置３０は、第１ＧＰＳアンテナ２１と、第２ＧＰＳアンテナ３１と、遮蔽板１２と、第１ＧＰＳ受信機２３と、第２ＧＰＳ受信機３３と、解析装置１４と、を備える。
【００６７】
第１ＧＰＳアンテナ２１及び第２ＧＰＳアンテナ３１は、何れも、ＧＰＳ衛星１からの信号を受信するためのものであり、フラットな形状のパッチアンテナとして構成されている。図４に示すように、第１ＧＰＳアンテナ２１は、第１実施形態と同様に、遮蔽板１２の平面部分に取り付けられている。一方、第２ＧＰＳアンテナ３１は、第１ＧＰＳアンテナ２１が取り付けられている遮蔽板１２の反対側に取り付けられており、遮蔽板１２を挟んで第１ＧＰＳアンテナ２１の背面側に配置されている。
【００６８】
第１ＧＰＳアンテナ２１及び第２ＧＰＳアンテナ３１は、遮蔽板１２を挟んで対向するように配置されていることにより、互いに逆方向の指向性を有するようになっている。即ち、第１ＧＰＳアンテナ２１は、正面側からの信号を受信する感度が高く背面側からの信号を受信する感度が低くなっている。一方、第２ＧＰＳアンテナ３１は、第１ＧＰＳアンテナ２１の正面側（第２ＧＰＳアンテナ３１の背面側）からの信号を受信する感度が低く、第１ＧＰＳアンテナ２１の背面側（第２ＧＰＳアンテナ３１の正面側）からの信号を受信する感度が高くなっている。
【００６９】
なお、本実施形態の方位検出装置３０においては、第１ＧＰＳアンテナ２１と第２ＧＰＳアンテナ３１とで構成されるアンテナ組の所定方向は、第１ＧＰＳアンテナ２１の正面方向に設定されている。以下の説明において、方位検出装置３０が向きを検出するといった場合は、第１ＧＰＳアンテナ２１の正面方向の方位を検出することを意味するものとする。
【００７０】
第１ＧＰＳ受信機２３には、第１ＧＰＳアンテナ２１が受信した信号が入力されている。第１ＧＰＳ受信機２３は、この信号に基づいて取得した各ＧＰＳ衛星１の方位を示すデータと、信号レベルを示すデータと、を解析装置１４に出力する。第２ＧＰＳ受信機３３には、第２ＧＰＳアンテナ３１が受信した信号が入力されており、第２ＧＰＳアンテナ３１が受信した信号に基づいて取得した各ＧＰＳ衛星１の方位を示すデータと、信号レベルを示すデータと、を解析装置１４に出力する。
【００７１】
第２実施形態の解析装置１４は、第１ＧＰＳ受信機２３から入力されるデータと、第２ＧＰＳ受信機３３から入力されるデータと、を解析し、第１ＧＰＳアンテナ２１の正面方向の方位（アンテナ組の向き）を検出する。次に、図５、図６及び図７を参照して、解析装置１４の詳細な構成を説明する。図５は、第２実施形態の解析装置１４の機能ブロック図である。図６は、信号レベルと方位角との関係をＧＰＳ衛星１ごとに示したグラフである。図７は、第１ＧＰＳアンテナ２１が受信したデータから第２ＧＰＳアンテナ３１が受信したデータの差分を取った差分データを示すグラフである。
【００７２】
図５に示すように、解析装置１４には、衛星データ入力部５１と、差分データ取得部５６と、フィッティング処理部５２と、フィッティング関数記憶部５３と、確度算出部５４と、方位算出部５５と、結果出力部５７と、が構築されている。
【００７３】
衛星データ入力部５１は、第１ＧＰＳアンテナ２１が信号を受信したときの信号レベルをＧＰＳ衛星１ごとに取得した信号レベルデータを差分データ取得部５６に出力する。この信号レベルデータは、第１ＧＰＳアンテナ２１の向き（その時の方位）によって異なる信号レベルの傾向を示すデータである。なお、第１ＧＰＳアンテナ２１が受信した信号に基づいて取得された信号レベルデータの一例が、図６（ａ）のグラフに示されている。
【００７４】
また、衛星データ入力部５１は、第２ＧＰＳアンテナ３１が信号を受信したときの信号レベルをＧＰＳ衛星１ごとに取得した信号レベルデータを差分データ取得部５６に出力する。この信号レベルデータは、第２ＧＰＳアンテナ３１の向き（その時の方位）によって異なる信号レベルの傾向を示すデータである。なお、第２ＧＰＳアンテナ３１が受信した信号に基づいて取得された信号レベルデータの一例が、図６（ｂ）のグラフに示されている。
【００７５】
差分データ取得部５６は、ＧＰＳ衛星１から第１ＧＰＳアンテナ２１が受信した信号に基づいて取得した信号レベルと、同一のＧＰＳ衛星１から第２ＧＰＳアンテナ３１が受信した信号に基づいて取得した信号レベルと、の差分を適合用信号レベルとして取得する。差分データ取得部５６は、この適合用信号レベルをＧＰＳ衛星１ごとに取得していく。差分データ取得部５６は、ＧＰＳ衛星１ごとに取得した適合用信号レベルを適合用信号レベルデータとしてフィッティング処理部５２に出力する。差分データ取得部５６が取得する適合用信号レベルデータの一例を示すものが図７のグラフである。
【００７６】
フィッティング処理部５２は、フィッティング関数記憶部５３から呼び出したフィッティング関数を適合用信号レベルデータにフィッティングさせ（図７を参照）、その結果を確度算出部５４に出力する。なお、フィッティング関数は、適合用信号レベルに適合するように導き出された関数であり、式（２）のように表される。式（２）は、第１実施形態で説明した式（１）に基づいて導き出すことができる。
【数２】
ただし、
Ａ：第１ＧＰＳアンテナ２１（アンテナ組）から見た各ＧＰＳ衛星１の方位角
φ：アンテナ組の所定方向（第１ＧＰＳアンテナ２１の正面方向）の方位角
ａ，ｂ：フィッティング定数
【００７７】
式（２）に示すように、差分をとることでフィッティング定数ｂを消去することができ、演算処理をより簡素なものにすることができる。なお、フィッティング定数ａについては、第１実施形態と同様に予備測定によって求める。例えば、第１実施形態で説明した予備測定を、第１ＧＰＳアンテナ２１及び第２ＧＰＳアンテナ３１のそれぞれで行う。次に、差分データ取得部５６の説明のときと同様に、第１ＧＰＳアンテナ２１及び第２ＧＰＳアンテナ３１ごとに得られた測定結果の差分データ（適合用信号レベルデータ）を取得する。そして、式（２）に示されるフィッティング関数を前記差分データにフィッティングさせ、その結果に基づいてフィッティング定数を決定する。
【００７８】
確度算出部５４は、フィッティング処理部５２から出力された算出結果の信頼度を判定するためのものである。本実施形態の確度算出部５４は、フィッティング関数が算出した信号レベルと、適合用信号レベルと、を予め設定されている閾値に基づいて比較し、適合用信号レベルが閾値を超えている場合は、算出結果の信頼度が低いと判定する。本実施形態の確度算出部５４は、算出結果の信頼度が低いと判定した場合、閾値を超えた適合用信号レベルのデータを除外してフィッティング処理部５２にフィッティング処理を再度行わせる。
【００７９】
ところで、ＧＰＳアンテナが受信する信号レベルは、周囲の環境によって大きく変動することがある。例えば、ＧＰＳアンテナの周囲にビル等の背の高い構造物がある場合に、ＧＰＳアンテナから見たＧＰＳ衛星１の位置がちょうど構造物の陰に入って死角になることがある。この状態では、当該ＧＰＳアンテナからの信号を全く受信できないか、又は受信できたとしても信号レベルが著しく下がってしまい、適合用信号レベルの値が極端な値をとる原因になることがある。この点を考慮して、第２実施形態の方位検出装置３０は、確度算出部５４によって算出された方位の信頼度が高いか低いかを判定させるように構成されているのである。
【００８０】
図８は、フィッティング結果と閾値との関係を説明するために、信号レベルと方位角との関係の一例をＧＰＳ衛星１ごとに示したグラフである。図８に示す例では、方位角が４５度のＧＰＳ衛星１の適合用信号レベルと、フィッティング関数によって算出された信号レベルと、の差が、あらかじめ設定されている閾値を超えている。この場合、確度算出部５４は、閾値を超えた適合用信号レベルの値を除外する処理を行い、閾値を超えた適合用信号レベルを除外した適合用信号レベルデータに基づいてフィッティング処理を再度行わせる。
【００８１】
フィッティング処理部５２は、閾値を超えた適合用信号レベルが除外された適合用信号レベルデータに、フィッティング関数をフィッティングさせて、その結果を確度算出部５４に再出力する。確度算出部５４は、適合用信号レベルが閾値を超えているかいないかをＧＰＳ衛星１ごとに判定していく。入力された適合用信号レベルデータに閾値を超えた適合用信号レベルがないと判定された場合には、そのフィッティング結果を方位算出部５５に出力する。なお、閾値の設定は、ユーザが解析装置１４の操作手段（マウス、キーボード等）を操作して変更できるようになっている。
【００８２】
第２実施形態の方位算出部５５は、北、北東、東、南東、南、南西、西、北西の８方位を検出できるように構成されている。より具体的には、方位算出部５５は、方位を４５度間隔で区分し、前記フィッティング結果によって得られたフィッティング関数のピークの方位が何れの区分に該当するか否かで向きを算出する。例えば、２２．５度から６７．５度（北東の範囲）、６７．５度から１１２．５度（東の範囲）、１１２．５度から１５７．５度（南東の範囲）、１５７．５度から２０２．５度（南の範囲）・・・といったように８つの範囲に方位を区分する。このように設定された区分と、関数によって算出された信号レベルのピーク時の方位と、に基づいてアンテナ組の所定方向（第１ＧＰＳアンテナ２１の正面方向）の方位を判定する。図７に示すようなフィッティング結果の場合、フィッティング関数に算出された信号レベルが最大値をとるときの方位が１５７．５度から２０２．５の範囲にあるので、第１ＧＰＳアンテナ２１が向いている方位を南と判定する。このようにして、方位算出部５５によって判定された判定結果（算出結果）は、結果出力部５７に出力され、結果出力部５７は判定結果をディスプレイに表示する。
【００８３】
次に、図９及び図１０を参照して、本発明の方位検出方法を用いて行った実験結果について説明する。図９は、本発明の方位検出方法を適用した実験を説明する模式図である。図１０（ａ）は、第１実施形態で説明したように、１つのＧＰＳアンテナが受信した信号に基づいて方位の検出を行った実験結果を示すグラフである。図１０（ｂ）は、第２実施形態で説明したように、２つのＧＰＳアンテナがそれぞれ受信した信号に基づいて方位の検出を行った実験結果を示すグラフである。なお、図１０において、横軸は実験を開始してからの経過時間を示す。縦軸は、解析装置１４が算出した検出方向の方位である。また、図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に示すグラフは、１回の測定で求めたものではなく、複数回実験を行い、その実験結果をプロットしたものである。
【００８４】
図９に示すように、本実験は、東西南北を向くことができるように平面視において９０度単位で向きを切換可能に構成した回動体６０に、第１ＧＰＳアンテナ２１及び第２ＧＰＳアンテナ３１を取り付けて行ったものである。回動体６０は、遮蔽部材として機能しており、第２実施形態で説明したように、第１ＧＰＳアンテナ２１と第２ＧＰＳアンテナ３１とは、互いに逆方向の指向性を有するように回動体６０に取り付けられている。そして、検出方向（所定方向）は、第１ＧＰＳアンテナ２１と第２ＧＰＳアンテナ３１とを結ぶ仮想直線に直交する方向に設定されている。
【００８５】
図９に示すように、実験開始時点では検出方向は西を向いている。第１ＧＰＳアンテナ２１は北を向いており、第２ＧＰＳアンテナ３１は南を向いている。即ち、開始０秒から６０秒までの間は検出方向は西（第１ＧＰＳアンテナ２１が北）を向いている。開始から６０秒が経過すると、回動体６０は検出方向が南を向くように回動する。そして開始から１２０秒が経過すると、回動体６０は、検出方向が東を向くように回動する。以降も同様に、６０秒が経過するごとに検出方向を９０度回動させて検出方向が再び西を向くまでこの動作を繰り返す。
【００８６】
図１０（ａ）には、第１ＧＰＳアンテナ２１が受信した信号の信号レベルに基づいて式（１）により方位を算出した結果と、第２ＧＰＳアンテナ３１が受信した信号の信号レベルに基づいて式（１）により方位を算出した結果と、をそれぞれ示した。一方、図１０（ｂ）には、第１ＧＰＳアンテナ２１が受信した信号レベルと、第２ＧＰＳアンテナ３１が受信した信号レベルと、の差分をとって取得された適合用信号レベルに式（２）を利用して方位を算出した結果を示した。
【００８７】
図１０（ａ）及び図１０（ｂ）を比較すると、１つのＧＰＳアンテナが受信した信号レベルに基づいて方位を算出した場合より、２つのＧＰＳアンテナが受信した信号レベルに基づいて方位を検出した場合の方が、検出精度が高いことがわかる。この理由としては、指向性が互いに逆方向に構成される第１ＧＰＳアンテナ２１と第２ＧＰＳアンテナ３１とのそれぞれの信号レベルの差分をとることで、誤差が打ち消し合う形になったことや、信号レベルの変化幅が大きくなり、方位算出部５５によるピークの検出精度が向上したこと等が考えられる。
【００８８】
以上に示したように、第２実施形態の方位検出装置３０は、以下のように構成される。即ち、方位検出装置３０は、フィッティング関数記憶部５３と、衛星データ入力部５１と、差分データ取得部５６と、フィッティング処理部５２と、方位算出部５５と、を備える。フィッティング関数記憶部５３は、指向性を有する複数のＧＰＳアンテナが所定の配置関係に従って配置されたアンテナ組の信号の受信角度と信号レベルとの相関関係から導き出したフィッティング関数が予め記憶される。衛星データ入力部５１には、第１ＧＰＳアンテナ２１又は第２ＧＰＳアンテナ３１がＧＰＳ衛星１から受信した信号に基づいて取得される基準位置から見たＧＰＳ衛星１の方位を示す方位情報が入力される。また、衛星データ入力部５１には、第１ＧＰＳアンテナ２１及び第２ＧＰＳアンテナ３１のそれぞれが受信した信号の信号レベル（受信信号レベル）が入力される。差分データ取得部５６は、同一のＧＰＳ衛星１から第１ＧＰＳアンテナ２１と第２ＧＰＳアンテナ３１とが受信した信号の信号レベルに基づいて当該ＧＰＳ衛星１の方位に応じた適合用信号レベルを取得する。フィッティング処理部５２は、複数のＧＰＳ衛星１の方位情報及び信号レベルがＧＰＳアンテナごとに衛星データ入力部５１に入力されたときに、それぞれのＧＰＳ衛星１について求められた方位情報と適合用信号レベルとの関係に関数を適合する処理を行う。そして、方位算出部５５は、フィッティング処理部５２により適合されたフィッティング関数によって算出される信号レベル（算出信号レベル）の傾向に基づいて第１ＧＰＳアンテナ２１及び第２ＧＰＳアンテナ３１（アンテナ組）の所定方向が向いている方位を算出する。
【００８９】
これにより、ＧＰＳ衛星１からの信号レベルを継続して取得する必要なく、複数のＧＰＳ衛星１からの信号を受信できた時点で、アンテナ組の向きを検出するための処理を開始できる。従って、移動状態又は静止状態の何れの状態であっても、アンテナ組の向きをほぼリアルタイムに検出することができる。また、ＧＰＳ衛星１からの信号は磁場の影響を受けないので、ＧＰＳ衛星１からの信号を受信できる環境であれば、磁場の歪みが激しい場所であっても、アンテナ組の所定方向（第１ＧＰＳアンテナ２１の正面方向）を正確に検出することができる。また、第１ＧＰＳアンテナ２１及び第２ＧＰＳアンテナ３１がそれぞれ受信した信号に基づいて適合用信号レベルを取得するので、方位を正確に算出することができる。
【００９０】
また、本実施形態の方位検出装置３０は、以下のように構成される。即ち、方位算出部５５は、フィッティング処理部５２によって適合されたフィッティング関数によって算出される算出信号レベルが最も大きいときの方位情報又は最も小さいときの方位情報に基づいてアンテナ組の所定方向の向きを算出する。
【００９１】
これにより、算出信号レベルの最大値又は最小値を検出するという簡単な処理によってアンテナ組の向きを算出することができる。
【００９２】
また、本実施形態の方位検出装置３０においては、関数は、余弦関数を含むように設定される。
【００９３】
これにより、３６０度周期で大きさが周期的に変わる余弦関数によって、方位に応じた信号レベルの変化を適切かつ容易に表現することができる。また、比較的容易な計算処理によって信号レベルを算出できるので、方位を算出するために必要な演算コストを低減することができる。
【００９４】
また、本実施形態の方位検出装置３０においては、確度算出部５４を備える。確度算出部５４は、差分データ取得部５６により取得した適合用信号レベルと、フィッティング処理部５２が適用した関数によって算出された信号レベルと、の差に基づいて方位算出部５５によって算出される方位の確度を予め求める。
【００９５】
これにより、現実に受信した受信信号レベルに基づく適合用信号レベルと算出信号レベルが比較されることになるので、確度に基づいて方位算出部によって算出される算出結果の信頼性を予め判断することができる。
【００９６】
また、本実施形態の方位検出装置３０は、以下のように構成される。即ち、確度算出部５４は、同じ方位における算出信号レベルと適合用信号レベルとの差を予め設定された閾値と比較することにより、方位算出部５５による算出結果の確度を予め求める。
【００９７】
これにより、ＧＰＳアンテナがＧＰＳ衛星１からの信号を良好に受信できず、適合用信号レベルが極端な値をとった場合でも、閾値を適切に設定しておくことで、算出結果が正確でない可能性を考慮した処理を行うことができる。
【００９８】
また、本実施形態の方位検出装置３０においては、以下のように構成される。即ち、算出信号レベルと適合用信号レベルとの差が閾値を超えた場合には、当該閾値を超えた適合用信号レベルを除外してフィッティング処理部５２に関数を再適合させる。
【００９９】
これにより、閾値から外れた適合用信号レベルが除外されるので、受信環境が悪い場所でも、方位を正確に算出できる構成を実現することができる。
【０１００】
また、本実施形態の方位検出装置３０においては、以下のように構成される。即ち、複数のＧＰＳアンテナとして、互いに逆方向の指向性を有する第１アンテナと第２アンテナとを備える。差分データ取得部５６は、第１ＧＰＳアンテナ２１が受信した信号レベルと第２ＧＰＳアンテナ３１が受信した信号レベルとの差分をとって適合用信号レベルを取得する。
【０１０１】
これにより、差分をとるというシンプルな処理で、誤差を打ち消した適合用信号レベルを取得することができる。また、互いに逆方向の指向性を有する信号レベルの差分をとるので、適合用信号レベルの変化幅を大きくすることができ、方位算出部５５によって算出された方位の信頼度を効果的に向上させることができる。
【０１０２】
以上に本発明の実施形態を説明したが、上記の構成は更に以下のように変更することができる。
【０１０３】
第２実施形態の解析装置１４に構築される確度算出部５４は、閾値判定を行った後、フィッティング処理部５２にフィッティング処理を再度行わせるように構成されているが、この構成は事情に応じて適宜変更することができる。例えば、確度算出部５４が、適合用信号レベルと、フィッティング関数によって算出した信号レベルと、の差の平均値（又は合計値）が一定の閾値を超えた場合に、算出された方位の信頼度が低いと判定するように構成することもできる。また、算出結果の信頼度が低いと判定した場合は、フィッティング処理部５２に再処理させることなく、方位を検出する処理を中止し、その旨を結果出力部５７に出力させる構成に変更することができる。或いは、方位の算出結果とともに、当該判定結果の確度が低い旨を結果出力部５７に表示させる構成に変更することもできる。また、第２実施形態の構成に代えて、確度算出部５４が、方位算出部５５の検出結果を事後的に判定するように構成することも可能である。このように、確度算出部５４の構成は、事情に応じて適宜変更することができる。
【０１０４】
第１実施形態の方位検出装置１０においても、第２実施形態の構成と同様に、解析装置１４に確度算出部５４を構築することができる。
【０１０５】
上記実施形態では、指向性を顕著にするために金属製の遮蔽板１２を用いているが、信号を減衰させるための遮蔽部材の形状及び材質は事情に応じて適宜変更することができる。また、頭部又は胴部等の人体の一部にアンテナを装着し、人体の一部が遮蔽部材として機能することで、方位を検出するように構成することもできる。このように、遮蔽部材は、電波を減衰させるために利用できるものであればよい。また、遮蔽板部材を省略し、パッチアンテナ自体が有する指向性を利用して方位を検出する構成に変更することもできる。更に、ＧＰＳ衛星１からの信号を受信するためのＧＰＳアンテナは、所定方向に対する角度に応じて感度が異なる構成であればよく、１方向に指向性を有する構成に限定される訳ではない。なお、何れの場合も、信号を受信するＧＰＳアンテナの特性を反映させるように決定されたフィッティング関数を予め求め、フィッティング関数記憶部５３に記憶させておく必要がある。
【０１０６】
また、ＧＰＳアンテナを３つ以上備えるように方位検出装置を構成することもできる。この場合、ＧＰＳアンテナの特性が判っていれば、ＧＰＳアンテナの数及び配置は、適宜変更することができる。例えば、平面視において、ひし形の頂点に位置するように４つのＧＰＳアンテナを配置する構成とすることもできる。
【０１０７】
また、フィッティング関数は、式（１）及び式（２）に示した以外の関数を用いることができる。例えば、フィッティング関数にsinθ（正弦関数）を用いることもできる。このように、フィッティング関数は、向きによって信号の感度が異なる特性を有するＧＰＳアンテナの向きと信号レベルとの関係を表現できる関数であれば、適宜の関数を用いることができる。
【０１０８】
また、上記実施形態では、方位検出を行うためのフィッティング関数は、予備測定によって求められているが、方位検出装置１０が、フィッティング関数を導き出すための予備測定を自動的に行う機能を有するように構成することもできる。
【０１０９】
また、上記実施形態の解析装置１４は、汎用のパーソナルコンピュータであるが、方位を検出するための専用のコンピュータに変更することもできる。また、解析装置、ＧＰＳ受信機及びＧＰＳアンテナを一体的に構成し、可搬性を有するハンディタイプの方位検出装置として構成することもできる。このように、本発明は、様々な形態の構成に適用することが可能である。
【０１１０】
また、上記実施形態では、ＧＰＳ衛星１からの信号に基づいてＧＰＳアンテナの方位を検出する構成であるが、ＧＰＳ以外の全地球測位システム（ＧＮＳＳ）を利用して方位を検出する構成に変更することができる。
【符号の説明】
【０１１１】
１ ＧＰＳ衛星（ＧＮＳＳ衛星）
１１ ＧＰＳアンテナ（アンテナ）
１０ 方位検出装置
２１ 第１ＧＰＳアンテナ（第１アンテナ）
３０ 方位検出装置
３１ 第２ＧＰＳアンテナ（第２アンテナ）
５１ 衛星データ入力部（入力部）
５２ フィッティング処理部（処理部）
５３ フィッティング関数記憶部（記憶部）
５４ 確度算出部
５５ 方位算出部
５６ 差分データ取得部（取得部）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
指向性を有するアンテナの信号の受信角度と信号レベルとの関係から導き出した関数が予め記憶される記憶部と、
前記アンテナがＧＮＳＳ衛星から受信した信号に基づいて取得される当該ＧＮＳＳ衛星の方位情報及び受信信号レベルが入力される入力部と、
複数のＧＮＳＳ衛星の方位情報及び受信信号レベルが前記入力部に入力されたときに、それぞれのＧＮＳＳ衛星について求められた方位情報と受信信号レベルの関係に前記関数を適合する処理を行う処理部と、
前記処理部により適合された関数によって算出される算出信号レベルの傾向に基づいて前記アンテナの向きを算出する方位算出部と、
を備えることを特徴とする方位検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の方位検出装置であって、
前記方位算出部は、
前記処理部によって適合された関数によって算出される算出信号レベルが最も大きいときの方位情報又は最も小さいときの方位情報に基づいて前記アンテナの向きを算出することを特徴とする方位検出装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の方位検出装置であって、
前記関数は、三角関数を含むことを特徴とする方位検出装置。
【請求項４】
請求項１から３までの何れか一項に記載の方位検出装置であって、
前記算出信号レベルと前記受信信号レベルとの差に基づいて前記方位算出部が算出する方位の確度を求める確度算出部を備えることを特徴とする方位検出装置。
【請求項５】
請求項４に記載の方位検出装置であって、
前記確度算出部は、
同じ方位における前記算出信号レベルと前記受信信号レベルとの差を閾値と比較することにより、前記方位算出部による算出結果の確度を求めることを特徴とする方位検出装置。
【請求項６】
請求項５に記載の方位検出装置であって、
前記算出信号レベルと前記受信信号レベルとの差が閾値を超えた場合は、当該閾値を超えた受信信号レベルを除外して前記処理部に関数を再適合させることを特徴とする方位検出装置。
【請求項７】
指向性を有する複数のアンテナが所定の配置関係に従って配置されたアンテナ組の信号の受信角度と信号レベルとの関係から導き出した関数が予め記憶される記憶部と、
前記アンテナがＧＮＳＳ衛星から受信した信号に基づいて取得される基準位置から見た前記ＧＮＳＳ衛星の方位情報と、それぞれの前記アンテナが受信した信号の受信信号レベルと、が入力される入力部と、
同一のＧＮＳＳ衛星から前記アンテナごとに受信した信号の受信信号レベルに基づいて当該ＧＮＳＳ衛星の方位に応じた適合用信号レベルを取得する取得部と、
複数のＧＮＳＳ衛星の方位情報及び受信信号レベルが前記アンテナごとに前記入力部に入力されたときに、それぞれのＧＮＳＳ衛星について求められた方位情報と前記適合用信号レベルとの関係に前記関数を適合する処理を行う処理部と、
前記処理部により適合された関数によって算出される算出信号レベルの傾向に基づいて前記アンテナ組の向きを算出する方位算出部と、
を備えることを特徴とする方位検出装置。
【請求項８】
請求項７に記載の方位検出装置であって、
前記方位算出部は、
前記処理部によって適合された関数によって算出される算出信号レベルが最も大きいときの方位情報又は最も小さいときの方位情報に基づいて前記アンテナ組の向きを算出することを特徴とする方位検出装置。
【請求項９】
請求項７又は８に記載の方位検出装置であって、
前記関数は、三角関数を含むことを特徴とする方位検出装置。
【請求項１０】
請求項７から９までの何れか一項に記載の方位検出装置であって、
前記算出信号レベルと前記適合用信号レベルとの差に基づいて前記方位算出部が算出する方位の確度を求める確度算出部を備えることを特徴とする方位検出装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の方位検出装置であって、
前記確度算出部は、
同じ方位における前記算出信号レベルと前記適合用信号レベルとの差を閾値と比較することにより、前記方位算出部による算出結果の確度を求めることを特徴とする方位検出装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の方位検出装置であって、
前記算出信号レベルと前記適合用信号レベルとの差が閾値を超えた場合は、当該閾値を超えた適合用信号レベルを除外して前記処理部に関数を再適合させることを特徴とする方位検出装置。
【請求項１３】
請求項７から１２までの何れか一項に記載の方位検出装置であって、
複数の前記アンテナは、互いに逆方向の指向性を有する第１アンテナと第２アンテナとにより構成されており、
前記取得部は、前記第１アンテナが受信した受信信号レベルと前記第２アンテナが受信した受信信号レベルとの差分をとって適合用信号レベルを取得することを特徴とする方位検出装置。
【請求項１４】
指向性を有するアンテナの向きを算出するための方位検出方法において、
前記アンテナの信号の受信角度と信号レベルとの関係から導き出した関数を導き出す第１ステップと、
前記アンテナがＧＮＳＳ衛星から受信した信号に基づいて取得される当該ＧＮＳＳ衛星の方位情報及び受信信号レベルが入力される第２ステップと、
複数のＧＮＳＳ衛星の方位情報及び受信信号レベルが入力されたときに、それぞれのＧＮＳＳ衛星について求められた方位情報と受信信号レベルの関係に前記関数を適合する第３ステップと、
関数に基づいて算出される算出信号レベルの傾向に基づいて前記アンテナの向きを算出する第４ステップと、
を含むことを特徴とする方位検出方法。
【請求項１５】
指向性を有する複数のアンテナが所定の配置関係に従って配置されたアンテナ組の向きを算出するための方位検出方法において、
前記アンテナ組の信号の受信角度と信号レベルとの関係から導き出した関数を導き出す第１ステップと、
前記アンテナがＧＮＳＳ衛星から受信した信号に基づいて取得される基準位置から見た前記ＧＮＳＳ衛星の方位情報と、それぞれの前記アンテナが受信した信号の受信信号レベルと、が入力される第２ステップと、
同一のＧＮＳＳ衛星から前記アンテナごとに受信した信号の受信信号レベルに基づいて当該ＧＮＳＳ衛星の方位に応じた適合用信号レベルを取得する第３ステップと、
複数のＧＮＳＳ衛星の方位情報及び受信信号レベルが前記アンテナごとに入力されたときに、それぞれのＧＮＳＳ衛星について求められた方位情報と前記適合用信号レベルとの関係に前記関数を適合する第４ステップと、
適合された関数によって算出される算出信号レベルの傾向に基づいて前記アンテナ組の向きを算出する第５ステップと、
を含むことを特徴とする方位検出方法。
【請求項１】
指向性を有するアンテナの信号の受信角度と信号レベルとの関係から導き出した関数が予め記憶される記憶部と、
前記アンテナがＧＮＳＳ衛星から受信した信号に基づいて取得される当該ＧＮＳＳ衛星の方位情報及び受信信号レベルが入力される入力部と、
複数のＧＮＳＳ衛星の方位情報及び受信信号レベルが前記入力部に入力されたときに、それぞれのＧＮＳＳ衛星について求められた方位情報と受信信号レベルの関係に前記関数を適合する処理を行う処理部と、
前記処理部により適合された関数によって算出される算出信号レベルの傾向に基づいて前記アンテナの向きを算出する方位算出部と、
を備えることを特徴とする方位検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の方位検出装置であって、
前記方位算出部は、
前記処理部によって適合された関数によって算出される算出信号レベルが最も大きいときの方位情報又は最も小さいときの方位情報に基づいて前記アンテナの向きを算出することを特徴とする方位検出装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の方位検出装置であって、
前記関数は、三角関数を含むことを特徴とする方位検出装置。
【請求項４】
請求項１から３までの何れか一項に記載の方位検出装置であって、
前記算出信号レベルと前記受信信号レベルとの差に基づいて前記方位算出部が算出する方位の確度を求める確度算出部を備えることを特徴とする方位検出装置。
【請求項５】
請求項４に記載の方位検出装置であって、
前記確度算出部は、
同じ方位における前記算出信号レベルと前記受信信号レベルとの差を閾値と比較することにより、前記方位算出部による算出結果の確度を求めることを特徴とする方位検出装置。
【請求項６】
請求項５に記載の方位検出装置であって、
前記算出信号レベルと前記受信信号レベルとの差が閾値を超えた場合は、当該閾値を超えた受信信号レベルを除外して前記処理部に関数を再適合させることを特徴とする方位検出装置。
【請求項７】
指向性を有する複数のアンテナが所定の配置関係に従って配置されたアンテナ組の信号の受信角度と信号レベルとの関係から導き出した関数が予め記憶される記憶部と、
前記アンテナがＧＮＳＳ衛星から受信した信号に基づいて取得される基準位置から見た前記ＧＮＳＳ衛星の方位情報と、それぞれの前記アンテナが受信した信号の受信信号レベルと、が入力される入力部と、
同一のＧＮＳＳ衛星から前記アンテナごとに受信した信号の受信信号レベルに基づいて当該ＧＮＳＳ衛星の方位に応じた適合用信号レベルを取得する取得部と、
複数のＧＮＳＳ衛星の方位情報及び受信信号レベルが前記アンテナごとに前記入力部に入力されたときに、それぞれのＧＮＳＳ衛星について求められた方位情報と前記適合用信号レベルとの関係に前記関数を適合する処理を行う処理部と、
前記処理部により適合された関数によって算出される算出信号レベルの傾向に基づいて前記アンテナ組の向きを算出する方位算出部と、
を備えることを特徴とする方位検出装置。
【請求項８】
請求項７に記載の方位検出装置であって、
前記方位算出部は、
前記処理部によって適合された関数によって算出される算出信号レベルが最も大きいときの方位情報又は最も小さいときの方位情報に基づいて前記アンテナ組の向きを算出することを特徴とする方位検出装置。
【請求項９】
請求項７又は８に記載の方位検出装置であって、
前記関数は、三角関数を含むことを特徴とする方位検出装置。
【請求項１０】
請求項７から９までの何れか一項に記載の方位検出装置であって、
前記算出信号レベルと前記適合用信号レベルとの差に基づいて前記方位算出部が算出する方位の確度を求める確度算出部を備えることを特徴とする方位検出装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載の方位検出装置であって、
前記確度算出部は、
同じ方位における前記算出信号レベルと前記適合用信号レベルとの差を閾値と比較することにより、前記方位算出部による算出結果の確度を求めることを特徴とする方位検出装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の方位検出装置であって、
前記算出信号レベルと前記適合用信号レベルとの差が閾値を超えた場合は、当該閾値を超えた適合用信号レベルを除外して前記処理部に関数を再適合させることを特徴とする方位検出装置。
【請求項１３】
請求項７から１２までの何れか一項に記載の方位検出装置であって、
複数の前記アンテナは、互いに逆方向の指向性を有する第１アンテナと第２アンテナとにより構成されており、
前記取得部は、前記第１アンテナが受信した受信信号レベルと前記第２アンテナが受信した受信信号レベルとの差分をとって適合用信号レベルを取得することを特徴とする方位検出装置。
【請求項１４】
指向性を有するアンテナの向きを算出するための方位検出方法において、
前記アンテナの信号の受信角度と信号レベルとの関係から導き出した関数を導き出す第１ステップと、
前記アンテナがＧＮＳＳ衛星から受信した信号に基づいて取得される当該ＧＮＳＳ衛星の方位情報及び受信信号レベルが入力される第２ステップと、
複数のＧＮＳＳ衛星の方位情報及び受信信号レベルが入力されたときに、それぞれのＧＮＳＳ衛星について求められた方位情報と受信信号レベルの関係に前記関数を適合する第３ステップと、
関数に基づいて算出される算出信号レベルの傾向に基づいて前記アンテナの向きを算出する第４ステップと、
を含むことを特徴とする方位検出方法。
【請求項１５】
指向性を有する複数のアンテナが所定の配置関係に従って配置されたアンテナ組の向きを算出するための方位検出方法において、
前記アンテナ組の信号の受信角度と信号レベルとの関係から導き出した関数を導き出す第１ステップと、
前記アンテナがＧＮＳＳ衛星から受信した信号に基づいて取得される基準位置から見た前記ＧＮＳＳ衛星の方位情報と、それぞれの前記アンテナが受信した信号の受信信号レベルと、が入力される第２ステップと、
同一のＧＮＳＳ衛星から前記アンテナごとに受信した信号の受信信号レベルに基づいて当該ＧＮＳＳ衛星の方位に応じた適合用信号レベルを取得する第３ステップと、
複数のＧＮＳＳ衛星の方位情報及び受信信号レベルが前記アンテナごとに入力されたときに、それぞれのＧＮＳＳ衛星について求められた方位情報と前記適合用信号レベルとの関係に前記関数を適合する第４ステップと、
適合された関数によって算出される算出信号レベルの傾向に基づいて前記アンテナ組の向きを算出する第５ステップと、
を含むことを特徴とする方位検出方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１１−２１５０８７（Ｐ２０１１−２１５０８７Ａ）
【公開日】平成２３年１０月２７日（２０１１．１０．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−８５５６５（Ｐ２０１０−８５５６５）
【出願日】平成２２年４月１日（２０１０．４．１）
【出願人】（０００１６６２４７）古野電気株式会社 (441)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月２７日（２０１１．１０．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月１日（２０１０．４．１）
【出願人】（０００１６６２４７）古野電気株式会社 (441)
【Ｆターム（参考）】
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