方位測定装置および方位測定システム
【課題】迅速に磁気センサの残留磁気値を取得することができ、正確に船首方向の方位を測定することが可能な方位測定装置および方位測定システムを提供する。
【解決手段】磁気センサコンパス３は、３軸磁気センサ３８が検出した検出磁気値から残留磁気値を減算した検出磁気真値に基づいて船首方位ψｍを算出する。残留磁気値は、３軸磁気センサ３８が検出した検出磁気値と、地磁気データ記憶部２２が記憶する地磁気データに基づいて取得された標準の地磁気の値とに基づいて算出される。衛星測位コンパス２は、衛星受信部３４ａおよび３４ｂが受信した信号に基づいて船首方位ψｓを算出する。選択部１０は、衛星受信部３４ａの受信状況が良好であるときは、船首方位ψｓを船首方位ψとして船首方位表示部１２へ入力し、衛星受信部３４ａの受信状況が良好でないときは、船首方位ψｍを船首方位ψとして船首方位表示部１２へ入力する。
【解決手段】磁気センサコンパス３は、３軸磁気センサ３８が検出した検出磁気値から残留磁気値を減算した検出磁気真値に基づいて船首方位ψｍを算出する。残留磁気値は、３軸磁気センサ３８が検出した検出磁気値と、地磁気データ記憶部２２が記憶する地磁気データに基づいて取得された標準の地磁気の値とに基づいて算出される。衛星測位コンパス２は、衛星受信部３４ａおよび３４ｂが受信した信号に基づいて船首方位ψｓを算出する。選択部１０は、衛星受信部３４ａの受信状況が良好であるときは、船首方位ψｓを船首方位ψとして船首方位表示部１２へ入力し、衛星受信部３４ａの受信状況が良好でないときは、船首方位ψｍを船首方位ψとして船首方位表示部１２へ入力する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気センサの出力値に基づいて船舶の船首方向の方位を測定する装置およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
船舶の船首方向の方位を測定する手段として、地磁気を検出する磁気センサが広く用いられる。磁気センサは船舶に固定され、直交する３軸方向の磁気を検出してその値を出力する。地磁気はその磁力線の方位が既知であるため、検出された３軸方向の磁気の値に基づいて、船舶の船首方向の方位を知ることができる。
【０００３】
一般に、磁気センサが示す磁気の検出値には、検出対象の磁気の値が零であるときに示される残留磁気値が含まれる。したがって、予め残留磁気値を測定しておき、磁気の検出値から当該残留磁気値を減算した値を磁気値の真値とする必要がある。
【０００４】
残留磁気値を測定するため、従来は、磁気センサが固定された船舶を平穏な水面上で回転させながら、水平面内の２軸方向の地磁気の検出値を取得していた。具体的には、例えば、図４のように船舶１００の甲板面上に、船首方向に定義されたｘ軸とｘ軸に垂直なｙ軸を定義し、船舶１００の回転と共にｘ軸方向の検出値Ｈｘおよびｙ軸方向の検出値Ｈｙで表されるＨｘ−Ｈｙ平面上の点の軌跡を描く。その軌跡は図４のように残留磁気値を示す座標点を中心とする円となるため、当該円の中心座標を取得することで、検出値ＨｘおよびＨｙそれぞれに含まれる残留磁気値ΔＨｘおよびΔＨｙを取得することができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、このような構成では、実際に船舶を水面上で回転させる必要があるため、残留磁気値を取得するのに多大な時間を要していた。また、３軸方向のうち甲板面に垂直な軸の方向の残留磁気値を取得することができず、船首方向の方位の測定に際して甲板面に垂直な軸の方向の残留磁気値の影響を取り除くことができないため、船舶が傾いているときに測定される船首方向の方位に誤差が含まれるという問題があった。
【０００６】
本発明は、このような課題に対してなされたものであり、迅速に磁気センサの残留磁気値を取得することができ、正確に船首方向の方位を測定することが可能な方位測定装置および方位測定システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る方位測定装置は、地磁気の基準値に関する情報である基準磁気情報を取得する基準磁気情報取得部と、地磁気を検出してその値を出力する磁気センサと、前記基準磁気情報に基づいて前記磁気センサの出力値を補正する補正部と、を備え、前記補正部によって補正された磁気センサの出力値に基づいて船舶の船首方向の方位を測定することを特徴とする。
【０００８】
また、本発明に係る方位測定装置においては、前記補正部は、前記基準磁気情報と前記磁気センサの出力値とに基づいて前記磁気センサの出力値に対する補正値を算出する補正値算出手段と、前記補正値算出手段が算出した補正値を記憶する補正値記憶手段と、を備え、前記補正値記憶手段に記憶されている補正値に基づいて前記磁気センサの出力値を補正する構成とすることが好適である。
【０００９】
また、本発明に係る方位測定装置においては、前記基準磁気情報取得部は、衛星から送信された信号に基づいて測位を行う測位部を備え、前記測位部の測位結果に基づいて前記基準磁気情報を取得する構成とすることが好適である。
【００１０】
また、本発明に係る方位測定装置は、衛星から送信された信号を受信し、受信した信号に基づいて船舶の船首方向の方位を測定する測位方位測定装置を備えることにより、前記方位測定装置か前記測位方位測定装置のいずれかを、前記衛星から送信された信号の前記測位方位測定装置での受信状況に応じて選択し、選択した前記方位測定装置か前記測位方位測定装置のいずれかによって船舶の船首方向の方位を測定する方位測定システムを構成することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、迅速かつ正確に船舶の船首方向の方位を測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１に本発明の実施形態に係る船首方位測定装置１の構成を示す。船首方位測定装置１は、衛星測位コンパス２、磁気センサコンパス３、選択部１０、船首方位表示部１２、水平変換部１４、方位変換部１６、残留磁気値算出部１８、地磁気データ取得部２０、地磁気データ記憶部２２、方位逆変換部２４、水平逆変換部２６、姿勢角検出部２８、平滑部３０を備えて構成される。
【００１３】
船首方位測定装置１は、船舶１００に搭載される。図２（ａ）および（ｂ）は船首方位測定装置１を搭載する船舶１００の船首方向の方位（以下、船首方位ψとする。）の定義を説明する図である。船首方位ψは、船舶１００の船首方向の水平成分と北方向とのなす角を以て表す。船首方位ψは、北方向から西方向へ向かう回転方向を正とする。
【００１４】
船舶１００には、船舶１００内のある点を原点Ｏとする船舶１００に固定された船舶座標系Ｏ（ｘ−ｙ−ｚ座標系）が定義される。また、原点Ｏｒを船舶座標系Ｏの原点Ｏと同じくし、ｚｒ軸の負方向を鉛直方向とし、ｙｒ軸がｘ軸と直交する水平座標系Ｏｒ（ｘｒ−ｙｒ−ｚｒ座標系）を定義する。船舶１００の船首方向をｘ軸としたｘ−ｙ平面は船舶１００の甲板面と平行な平面であるものとし、水平座標系Ｏｒのｙｒ軸をピッチ軸、船舶座標系Ｏのｘ軸をロール軸とする。なお、甲板面とは、船舶１００に固定して定義された、船舶１００が水平な水面上にあるときに水平となる平面をいう。船舶１００の水平面に対する傾きは、ロール角φおよびピッチ角θによって表される。ピッチ角θはｘ軸が原点Ｏｒを中心としてｘｒ−ｚｒ平面内で反時計回りに回転する方向を正とする回転角度であり、ロール角φは、ｘ軸がピッチ角θで回転している状態から更に、ｘ軸を回転軸としてｙ軸をｘ軸の正方向を見て時計回りに回転させた方向を正とする回転角度である。
【００１５】
図２（ｂ）に船首方位ψを規定する水平座標系Ｏｒと真方位座標系Ｏｅとの関係を示す。真方位座標系Ｏｅ（ｘｅ−ｙｅ−ｚｅ座標系）は、ｘｅ軸の正方向を北方向、ｚｅ軸の負方向を鉛直方向とし、その原点Ｏｅを水平座標系Ｏｒの原点Ｏｒと同じくする。船首方位ψは、真方位座標系Ｏｅのｘｅ軸と水平座標系Ｏｒのｘｒ軸とのなす角で定義され、ｘｅ−ｙｅ平面で反時計回りに回転させる方向を正とする。
【００１６】
船首方位測定装置１は、衛星測位コンパス２か磁気センサコンパス３のいずれかによって船首方位ψを算出し表示するものである。衛星測位コンパス２は、ＧＰＳ衛星等の測位衛星から送信される信号を受信し、受信した信号に基づいて船首方位ψｓを算出するため、受信状況が良好でないときは船首方位ψｓを算出することができない。例えば、船舶１００が橋の下、障害物の多い港、入江等を航行しているときには受信状況が劣化することが多い。そこで、船首方位測定装置１は、測位衛星から送信される信号の受信状況が良好でないときは、磁気センサコンパス３によって算出した船首方位ψｍを船首方位ψとして表示する構成としている。
【００１７】
衛星測位コンパス２は、アンテナ３２ａおよび３２ｂ、衛星受信部３４ａおよび３４ｂ、船首方位算出部３６を備えて構成される。アンテナ３２ａおよび３２ｂは、船舶１００の所定の位置に設けられる。衛星受信部３４ａおよび３４ｂは、それぞれアンテナ３２ａおよび３２ｂを介してＧＰＳ衛星等の測位衛星から送信される信号を受信する。衛星受信部３４ａおよび３４ｂは、それぞれアンテナ３２ａおよび３２ｂの地球の中心を原点とする座標系（以下、絶対座標系とする。）での位置座標を取得し、船首方位算出部３６に入力する。位置座標の取得には、疑似距離と時間誤差補正量とに基づく単独測位法や、干渉測位法等を利用することができる。船首方位算出部３６は、アンテナ３２ａおよび３２ｂの絶対座標系での位置座標に基づいて船首方位ψｓを算出し、選択部１０、方位変換部１６、および方位逆変換部２４に入力する。
【００１８】
衛星受信部３４ａは、測位衛星から送信される信号の電界強度等が所定の値以下となったり、復調したディジタル信号のビット誤り率が所定値を超えたりした等、受信状況が劣化しているときには、受信不能信号を選択部１０、残留磁気値記憶部４２、および標準地磁気記憶部４８に入力する。衛星受信部３４ｂは、アンテナ３２ｂの絶対座標系での位置座標および受信した信号から抽出した現在の西暦年を地磁気データ取得部２０に入力する。
【００１９】
なお、衛星受信部３４ａが受信不能信号を選択部１０に入力する構成とする代わりに、衛星受信部３４ｂが受信不能信号を選択部１０に入力する構成とすることもできる。また、衛星受信部３４ｂがアンテナ３２ｂの位置座標および現在の西暦年を地磁気データ取得部２０に入力する代わりに、衛星受信部３４ａがアンテナ３２ａの位置座標および現在の西暦年を地磁気データ取得部２０に入力する構成とすることもできる。さらに、衛星受信部３４ａおよび３４ｂによって船首方位ψｓを取得する構成の他、船舶１００の移動速度および移動方向を測定する衛星受信機を適用することにより、船首方位ψｓを取得する構成とすることもできる。
【００２０】
磁気センサコンパス３は、３軸磁気センサ３８、残留磁気値減算部４０、残留磁気値記憶部４２、水平変換部４４、船首方位算出部４６、標準地磁気記憶部４８を備えて構成される。
【００２１】
３軸磁気センサ３８は、船舶１００の甲板面に固定される。３軸磁気センサ３８は、ｘ軸方向、ｙ軸方向、およびｚ軸方向の磁気値を検出し、検出磁気値（Ｈｘ，Ｈｙ，Ｈｚ）として残留磁気値減算部４０および水平変換部１４に入力する。検出磁気値Ｈｘ，Ｈｙ，およびＨｚは、それぞれ検出磁気値のｘ軸方向の成分、ｙ軸方向の成分、およびｚ軸方向の成分である。
【００２２】
残留磁気値記憶部４２は、予め取得され入力された残留磁気値（ΔＨｘ，ΔＨｙ，ΔＨｚ）を記憶する。残留磁気値を取得する処理については後述する。
【００２３】
残留磁気値減算部４０は、残留磁気値記憶部４２から残留磁気値（ΔＨｘ，ΔＨｙ，ΔＨｚ）を読み込み、検出磁気値（Ｈｘ，Ｈｙ，Ｈｚ）から残留磁気値（ΔＨｘ，ΔＨｙ，ΔＨｚ）を減算し、磁気真値（Ｔｘ，Ｔｙ，Ｔｚ）として水平変換部４４に入力する。
【００２４】
水平変換部４４は、姿勢角検出部２８から船舶１００のロール角φおよびピッチ角θを取得する。そして、ロール角φおよびピッチ角θに基づいて磁気真値（Ｔｘ，Ｔｙ，Ｔｚ）を水平座標系Ｏｒでの値に変換した水平座標系磁気真値（Ｔｘｒ，Ｔｙｒ，Ｔｚｒ）に変換し、船首方位算出部４６に入力する。姿勢角検出部２８は、船舶１００の甲板面に固定された２軸加速度センサ（図示せず）によって構成することが好適である。この場合、２軸加速度センサによってｘ軸方向およびｙ軸方向の加速度を検出し、検出した値に基づいてロール角φおよびピッチ角θを算出する構成とする。
【００２５】
標準地磁気記憶部４８は、公衆に利用可能となっている国際標準地球磁場（ＩＧＲＦ：Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｇｅｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｆｉｅｌｄ）等に関するデータである地磁気データに基づいて予め取得された、標準の地磁気の値（Ｈｘｅ０，Ｈｙｅ０，Ｈｚｅ０）を記憶する。標準の地磁気の値（Ｈｘｅ０，Ｈｙｅ０，Ｈｚｅ０）は、図２（ｂ）に定義した真方位座標系Ｏｅにおける値を示す。この値を取得する処理については後述する。
【００２６】
船首方位算出部４６は、標準地磁気記憶部４８から読み込んだ標準の地磁気の値（Ｈｘｅ０，Ｈｙｅ０，Ｈｚｅ０）と、水平座標系磁気真値（Ｔｘｒ，Ｔｙｒ，Ｔｚｒ）とに基づいて船首方位ψｍを算出する。具体的には、次のようにして船首方位ψｍを算出する。（１）船首方位算出部４６は、水平座標系磁気真値（Ｔｘｒ，Ｔｙｒ，Ｔｚｒ）の水平成分ベクトル（Ｔｘｒ，Ｔｙｒ）のｘｒ軸に対する角度である水平座標系地磁気方位ψ０を算出する。水平座標系地磁気方位ψ０は、ｘｒ−ｙｒ平面において原点Ｏｒを中心に時計回りの方向を正とする。（２）船首方位算出部４６は、標準の地磁気の値（Ｈｘｅ０，Ｈｙｅ０，Ｈｚｅ０）の水平成分ベクトル（Ｈｘｅ０，Ｈｙｅ０）に基づいて、地磁気の水平成分の北方向から東方向への角度である偏角Ｄを算出する。すなわち、偏角Ｄは、ｘｅ−ｙｅ平面において原点Ｏｅを中心に時計回りの方向を正とした、地磁気の水平成分のｘｅ軸に対する角度である。（３）船首方位算出部４６は、水平座標系地磁気方位ψ０から偏角Ｄを減算することで船首方位ψｍを算出する。このようにして算出された船首方位ψｍは、北方向を０°とし、北方向から西方向へ向かう回転方向を正とした方位を示す。すなわち、図３に示すように、ｘｒ−ｙｒ平面において原点Ｏｒを中心に時計回りの方向を正とした水平成分ベクトル（Ｔｘｒ，Ｔｙｒ）のｘｒ軸に対する角度である水平座標系地磁気方位ψ０から、それと同一回転方向を正とする偏角Ｄを減算することで、ｘｅ−ｙｅ平面において原点Ｏｅを中心に反時計回りの方向を正とした船首方位ψｍが求まる。
【００２７】
選択部１０は、衛星測位コンパス２の衛星受信部３４ａから受信不能信号が入力されているときには、磁気センサコンパス３から船首方位ψｍを取得し、船首方位ψとして船首方位表示部１２に入力する。また、衛星測位コンパス２の衛星受信部３４ａから受信不能信号が入力されていないときには、衛星測位コンパス２から船首方位ψｓを取得し、船首方位ψとして船首方位表示部１２に入力する。船首方位表示部１２は、選択部１０から入力された船首方位ψを表示する。船首方位表示部１２としてはブラウン管表示や液晶表示等によるディスプレイ等を適用することが好適である。
【００２８】
次に、船首方位測定装置１が、残留磁気値を取得し、残留磁気値記憶部４２に記憶させる処理について説明する。
【００２９】
水平変換部１４は、姿勢角検出部２８から船舶１００のロール角φおよびピッチ角θを取得する。そして、ロール角φおよびピッチ角θに基づいて、３軸磁気センサ３８から入力された検出磁気値（Ｈｘ，Ｈｙ，Ｈｚ）を水平座標系Ｏｒでの値に変換した水平座標系検出磁気値（Ｈｘｒ，Ｈｙｒ，Ｈｚｒ）に変換し、方位変換部１６に入力する。
【００３０】
方位変換部１６は、船首方位算出部３６から入力された船首方位ψｓに基づいて、水平座標系検出磁気値（Ｈｘｒ，Ｈｙｒ，Ｈｚｒ）を真方位座標系Ｏｅでの値に変換した真方位座標系検出磁気値（Ｈｘｅ，Ｈｙｅ，Ｈｚｅ）に変換し、残留磁気値算出部１８に入力する。
【００３１】
一方、地磁気データ取得部２０は、衛星受信部３４ｂから入力されたアンテナ３２ｂの位置座標に基づいて、地磁気データ記憶部２２に記憶されている地磁気データを参照し、アンテナ３２ｂの位置座標における地磁気の値を標準の地磁気の値（Ｈｘｅ０，Ｈｙｅ０，Ｈｚｅ０）として残留磁気値算出部１８および標準地磁気記憶部４８に入力する。
【００３２】
ここで、地磁気データとしては国際標準地球磁場（ＩＧＲＦ）等を適用することが好適である。ＩＧＲＦによれば、現在の西暦年と絶対座標系での位置座標を指定することで、その位置座標における地磁気の値を真方位座標系Ｏｅでの値として取得することができる。地磁気データ記憶部２２には、最新のＩＧＲＦを記憶させておく。
【００３３】
残留磁気値算出部１８は、真方位座標系検出磁気値（Ｈｘｅ，Ｈｙｅ，Ｈｚｅ）から標準の地磁気の値（Ｈｘｅ０，Ｈｙｅ０，Ｈｚｅ０）を減算することで真方位座標系残留磁気値（ΔＨｘｅ，ΔＨｙｅ，ΔＨｚｅ）を算出し、方位逆変換部２４に入力する。
【００３４】
方位逆変換部２４は、衛星測位コンパス２の船首方位算出部３６から入力された船首方位ψｓに基づいて、真方位座標系残留磁気値（ΔＨｘｅ，ΔＨｙｅ，ΔＨｚｅ）を水平座標系Ｏｒでの値に変換した水平座標系残留磁気値（ΔＨｘｒ，ΔＨｙｒ，ΔＨｚｒ）に変換し、水平逆変換部２６に入力する。
【００３５】
水平逆変換部２６は、姿勢角検出部２８から船舶１００のロール角φおよびピッチ角θを取得する。そして、ロール角φおよびピッチ角θに基づいて、方位逆変換部２４から入力された水平座標系残留磁気値（ΔＨｘｒ，ΔＨｙｒ，ΔＨｚｒ）を船舶座標系Ｏでの値に変換した実測残留磁気値（Δｈｘ，Δｈｙ，Δｈｚ）に変換し、平滑部３０に入力する。平滑部３０は実測残留磁気値（Δｈｘ，Δｈｙ，Δｈｚ）の時間変動を平均化し、残留磁気値（ΔＨｘ，ΔＨｙ，ΔＨｚ）として磁気センサコンパス３の残留磁気値記憶部４２に入力する。
【００３６】
残留磁気値記憶部４２は、受信不能信号が入力されていないときは、新たな残留磁気値（ΔＨｘ，ΔＨｙ，ΔＨｚ）が入力されると共に、その値を更新して記憶する。そして、受信不能信号が入力されているときは、受信不能信号が入力される直前に入力された残留磁気値（ΔＨｘ，ΔＨｙ，ΔＨｚ）を保持する。
【００３７】
同様に、標準地磁気記憶部４８は、受信不能信号が入力されていないときは、新たな標準の地磁気の値（Ｈｘｅ０，Ｈｙｅ０，Ｈｚｅ０）が入力されると共に、その値を更新して記憶する。そして、受信不能信号が入力されている間は、受信不能信号が入力される直前に入力された標準の地磁気の値（Ｈｘｅ０，Ｈｙｅ０，Ｈｚｅ０）を保持する。
【００３８】
このような船首方位測定装置１の構成および船首方位測定装置１が実行する処理によって、３軸磁気センサ３８の残留磁気値を迅速かつ正確に取得することができる。
【００３９】
また、残留磁気値記憶部４２および標準地磁気記憶部４８は、受信不能信号が入力されている間は、受信不能信号が入力される直前に入力された値を保持するため、衛星受信部３４ａでの受信状況が良好でない場合において磁気センサコンパス３が船首方位ψｍを算出するときには、当該受信状況が良好であった間に取得された値が用いられる。これによって、衛星受信部３４ｂでの受信状況が良好であるときは衛星測位コンパス２が算出した船首方位ψｓを船首方位ψとして船首方位表示部１２に表示し、衛星受信部３４ｂでの受信状況が良好でないときは磁気センサコンパス３が算出した船首方位ψｍを船首方位ψとして船首方位表示部１２に表示させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施形態に係る船首方位測定装置の構成を示す図である。
【図２（ａ）】船舶座標系Ｏと水平座標系Ｏｒとの関係を示す図である。
【図２（ｂ）】水平座標系Ｏｒと真方位座標系Ｏｅとの関係を示す図である。
【図３】水平座標系地磁気方位ψ０、偏角Ｄ、および船首方位ψｍとの関係を示す図である。
【図４】船舶の回転と共に描かれる、ｘ軸方向の検出値Ｈｘおよびｙ軸方向の検出値Ｈｙで定まる点のＨｘ−Ｈｙ平面上での軌跡を示す図である。
【符号の説明】
【００４１】
１ 船首方位測定装置、２ 衛星測位コンパス、３ 磁気センサコンパス、１０ 選択部、１２ 船首方位表示部、１４，４４ 水平変換部、１６ 方位変換部、１８ 残留磁気値算出部、２０ 地磁気データ取得部、２２ 地磁気データ記憶部、２４ 方位逆変換部、２６ 水平逆変換部、２８ 姿勢角検出部、３０ 平滑部、３２ａ，３２ｂ アンテナ、３４ａ，３４ｂ 衛星受信部、３６，４６ 船首方位算出部、３８ ３軸磁気センサ、４０ 残留磁気値減算部、４２ 残留磁気値記憶部、４８ 標準地磁気記憶部、１００ 船舶。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気センサの出力値に基づいて船舶の船首方向の方位を測定する装置およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
船舶の船首方向の方位を測定する手段として、地磁気を検出する磁気センサが広く用いられる。磁気センサは船舶に固定され、直交する３軸方向の磁気を検出してその値を出力する。地磁気はその磁力線の方位が既知であるため、検出された３軸方向の磁気の値に基づいて、船舶の船首方向の方位を知ることができる。
【０００３】
一般に、磁気センサが示す磁気の検出値には、検出対象の磁気の値が零であるときに示される残留磁気値が含まれる。したがって、予め残留磁気値を測定しておき、磁気の検出値から当該残留磁気値を減算した値を磁気値の真値とする必要がある。
【０００４】
残留磁気値を測定するため、従来は、磁気センサが固定された船舶を平穏な水面上で回転させながら、水平面内の２軸方向の地磁気の検出値を取得していた。具体的には、例えば、図４のように船舶１００の甲板面上に、船首方向に定義されたｘ軸とｘ軸に垂直なｙ軸を定義し、船舶１００の回転と共にｘ軸方向の検出値Ｈｘおよびｙ軸方向の検出値Ｈｙで表されるＨｘ−Ｈｙ平面上の点の軌跡を描く。その軌跡は図４のように残留磁気値を示す座標点を中心とする円となるため、当該円の中心座標を取得することで、検出値ＨｘおよびＨｙそれぞれに含まれる残留磁気値ΔＨｘおよびΔＨｙを取得することができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、このような構成では、実際に船舶を水面上で回転させる必要があるため、残留磁気値を取得するのに多大な時間を要していた。また、３軸方向のうち甲板面に垂直な軸の方向の残留磁気値を取得することができず、船首方向の方位の測定に際して甲板面に垂直な軸の方向の残留磁気値の影響を取り除くことができないため、船舶が傾いているときに測定される船首方向の方位に誤差が含まれるという問題があった。
【０００６】
本発明は、このような課題に対してなされたものであり、迅速に磁気センサの残留磁気値を取得することができ、正確に船首方向の方位を測定することが可能な方位測定装置および方位測定システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る方位測定装置は、地磁気の基準値に関する情報である基準磁気情報を取得する基準磁気情報取得部と、地磁気を検出してその値を出力する磁気センサと、前記基準磁気情報に基づいて前記磁気センサの出力値を補正する補正部と、を備え、前記補正部によって補正された磁気センサの出力値に基づいて船舶の船首方向の方位を測定することを特徴とする。
【０００８】
また、本発明に係る方位測定装置においては、前記補正部は、前記基準磁気情報と前記磁気センサの出力値とに基づいて前記磁気センサの出力値に対する補正値を算出する補正値算出手段と、前記補正値算出手段が算出した補正値を記憶する補正値記憶手段と、を備え、前記補正値記憶手段に記憶されている補正値に基づいて前記磁気センサの出力値を補正する構成とすることが好適である。
【０００９】
また、本発明に係る方位測定装置においては、前記基準磁気情報取得部は、衛星から送信された信号に基づいて測位を行う測位部を備え、前記測位部の測位結果に基づいて前記基準磁気情報を取得する構成とすることが好適である。
【００１０】
また、本発明に係る方位測定装置は、衛星から送信された信号を受信し、受信した信号に基づいて船舶の船首方向の方位を測定する測位方位測定装置を備えることにより、前記方位測定装置か前記測位方位測定装置のいずれかを、前記衛星から送信された信号の前記測位方位測定装置での受信状況に応じて選択し、選択した前記方位測定装置か前記測位方位測定装置のいずれかによって船舶の船首方向の方位を測定する方位測定システムを構成することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、迅速かつ正確に船舶の船首方向の方位を測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１に本発明の実施形態に係る船首方位測定装置１の構成を示す。船首方位測定装置１は、衛星測位コンパス２、磁気センサコンパス３、選択部１０、船首方位表示部１２、水平変換部１４、方位変換部１６、残留磁気値算出部１８、地磁気データ取得部２０、地磁気データ記憶部２２、方位逆変換部２４、水平逆変換部２６、姿勢角検出部２８、平滑部３０を備えて構成される。
【００１３】
船首方位測定装置１は、船舶１００に搭載される。図２（ａ）および（ｂ）は船首方位測定装置１を搭載する船舶１００の船首方向の方位（以下、船首方位ψとする。）の定義を説明する図である。船首方位ψは、船舶１００の船首方向の水平成分と北方向とのなす角を以て表す。船首方位ψは、北方向から西方向へ向かう回転方向を正とする。
【００１４】
船舶１００には、船舶１００内のある点を原点Ｏとする船舶１００に固定された船舶座標系Ｏ（ｘ−ｙ−ｚ座標系）が定義される。また、原点Ｏｒを船舶座標系Ｏの原点Ｏと同じくし、ｚｒ軸の負方向を鉛直方向とし、ｙｒ軸がｘ軸と直交する水平座標系Ｏｒ（ｘｒ−ｙｒ−ｚｒ座標系）を定義する。船舶１００の船首方向をｘ軸としたｘ−ｙ平面は船舶１００の甲板面と平行な平面であるものとし、水平座標系Ｏｒのｙｒ軸をピッチ軸、船舶座標系Ｏのｘ軸をロール軸とする。なお、甲板面とは、船舶１００に固定して定義された、船舶１００が水平な水面上にあるときに水平となる平面をいう。船舶１００の水平面に対する傾きは、ロール角φおよびピッチ角θによって表される。ピッチ角θはｘ軸が原点Ｏｒを中心としてｘｒ−ｚｒ平面内で反時計回りに回転する方向を正とする回転角度であり、ロール角φは、ｘ軸がピッチ角θで回転している状態から更に、ｘ軸を回転軸としてｙ軸をｘ軸の正方向を見て時計回りに回転させた方向を正とする回転角度である。
【００１５】
図２（ｂ）に船首方位ψを規定する水平座標系Ｏｒと真方位座標系Ｏｅとの関係を示す。真方位座標系Ｏｅ（ｘｅ−ｙｅ−ｚｅ座標系）は、ｘｅ軸の正方向を北方向、ｚｅ軸の負方向を鉛直方向とし、その原点Ｏｅを水平座標系Ｏｒの原点Ｏｒと同じくする。船首方位ψは、真方位座標系Ｏｅのｘｅ軸と水平座標系Ｏｒのｘｒ軸とのなす角で定義され、ｘｅ−ｙｅ平面で反時計回りに回転させる方向を正とする。
【００１６】
船首方位測定装置１は、衛星測位コンパス２か磁気センサコンパス３のいずれかによって船首方位ψを算出し表示するものである。衛星測位コンパス２は、ＧＰＳ衛星等の測位衛星から送信される信号を受信し、受信した信号に基づいて船首方位ψｓを算出するため、受信状況が良好でないときは船首方位ψｓを算出することができない。例えば、船舶１００が橋の下、障害物の多い港、入江等を航行しているときには受信状況が劣化することが多い。そこで、船首方位測定装置１は、測位衛星から送信される信号の受信状況が良好でないときは、磁気センサコンパス３によって算出した船首方位ψｍを船首方位ψとして表示する構成としている。
【００１７】
衛星測位コンパス２は、アンテナ３２ａおよび３２ｂ、衛星受信部３４ａおよび３４ｂ、船首方位算出部３６を備えて構成される。アンテナ３２ａおよび３２ｂは、船舶１００の所定の位置に設けられる。衛星受信部３４ａおよび３４ｂは、それぞれアンテナ３２ａおよび３２ｂを介してＧＰＳ衛星等の測位衛星から送信される信号を受信する。衛星受信部３４ａおよび３４ｂは、それぞれアンテナ３２ａおよび３２ｂの地球の中心を原点とする座標系（以下、絶対座標系とする。）での位置座標を取得し、船首方位算出部３６に入力する。位置座標の取得には、疑似距離と時間誤差補正量とに基づく単独測位法や、干渉測位法等を利用することができる。船首方位算出部３６は、アンテナ３２ａおよび３２ｂの絶対座標系での位置座標に基づいて船首方位ψｓを算出し、選択部１０、方位変換部１６、および方位逆変換部２４に入力する。
【００１８】
衛星受信部３４ａは、測位衛星から送信される信号の電界強度等が所定の値以下となったり、復調したディジタル信号のビット誤り率が所定値を超えたりした等、受信状況が劣化しているときには、受信不能信号を選択部１０、残留磁気値記憶部４２、および標準地磁気記憶部４８に入力する。衛星受信部３４ｂは、アンテナ３２ｂの絶対座標系での位置座標および受信した信号から抽出した現在の西暦年を地磁気データ取得部２０に入力する。
【００１９】
なお、衛星受信部３４ａが受信不能信号を選択部１０に入力する構成とする代わりに、衛星受信部３４ｂが受信不能信号を選択部１０に入力する構成とすることもできる。また、衛星受信部３４ｂがアンテナ３２ｂの位置座標および現在の西暦年を地磁気データ取得部２０に入力する代わりに、衛星受信部３４ａがアンテナ３２ａの位置座標および現在の西暦年を地磁気データ取得部２０に入力する構成とすることもできる。さらに、衛星受信部３４ａおよび３４ｂによって船首方位ψｓを取得する構成の他、船舶１００の移動速度および移動方向を測定する衛星受信機を適用することにより、船首方位ψｓを取得する構成とすることもできる。
【００２０】
磁気センサコンパス３は、３軸磁気センサ３８、残留磁気値減算部４０、残留磁気値記憶部４２、水平変換部４４、船首方位算出部４６、標準地磁気記憶部４８を備えて構成される。
【００２１】
３軸磁気センサ３８は、船舶１００の甲板面に固定される。３軸磁気センサ３８は、ｘ軸方向、ｙ軸方向、およびｚ軸方向の磁気値を検出し、検出磁気値（Ｈｘ，Ｈｙ，Ｈｚ）として残留磁気値減算部４０および水平変換部１４に入力する。検出磁気値Ｈｘ，Ｈｙ，およびＨｚは、それぞれ検出磁気値のｘ軸方向の成分、ｙ軸方向の成分、およびｚ軸方向の成分である。
【００２２】
残留磁気値記憶部４２は、予め取得され入力された残留磁気値（ΔＨｘ，ΔＨｙ，ΔＨｚ）を記憶する。残留磁気値を取得する処理については後述する。
【００２３】
残留磁気値減算部４０は、残留磁気値記憶部４２から残留磁気値（ΔＨｘ，ΔＨｙ，ΔＨｚ）を読み込み、検出磁気値（Ｈｘ，Ｈｙ，Ｈｚ）から残留磁気値（ΔＨｘ，ΔＨｙ，ΔＨｚ）を減算し、磁気真値（Ｔｘ，Ｔｙ，Ｔｚ）として水平変換部４４に入力する。
【００２４】
水平変換部４４は、姿勢角検出部２８から船舶１００のロール角φおよびピッチ角θを取得する。そして、ロール角φおよびピッチ角θに基づいて磁気真値（Ｔｘ，Ｔｙ，Ｔｚ）を水平座標系Ｏｒでの値に変換した水平座標系磁気真値（Ｔｘｒ，Ｔｙｒ，Ｔｚｒ）に変換し、船首方位算出部４６に入力する。姿勢角検出部２８は、船舶１００の甲板面に固定された２軸加速度センサ（図示せず）によって構成することが好適である。この場合、２軸加速度センサによってｘ軸方向およびｙ軸方向の加速度を検出し、検出した値に基づいてロール角φおよびピッチ角θを算出する構成とする。
【００２５】
標準地磁気記憶部４８は、公衆に利用可能となっている国際標準地球磁場（ＩＧＲＦ：Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｇｅｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｆｉｅｌｄ）等に関するデータである地磁気データに基づいて予め取得された、標準の地磁気の値（Ｈｘｅ０，Ｈｙｅ０，Ｈｚｅ０）を記憶する。標準の地磁気の値（Ｈｘｅ０，Ｈｙｅ０，Ｈｚｅ０）は、図２（ｂ）に定義した真方位座標系Ｏｅにおける値を示す。この値を取得する処理については後述する。
【００２６】
船首方位算出部４６は、標準地磁気記憶部４８から読み込んだ標準の地磁気の値（Ｈｘｅ０，Ｈｙｅ０，Ｈｚｅ０）と、水平座標系磁気真値（Ｔｘｒ，Ｔｙｒ，Ｔｚｒ）とに基づいて船首方位ψｍを算出する。具体的には、次のようにして船首方位ψｍを算出する。（１）船首方位算出部４６は、水平座標系磁気真値（Ｔｘｒ，Ｔｙｒ，Ｔｚｒ）の水平成分ベクトル（Ｔｘｒ，Ｔｙｒ）のｘｒ軸に対する角度である水平座標系地磁気方位ψ０を算出する。水平座標系地磁気方位ψ０は、ｘｒ−ｙｒ平面において原点Ｏｒを中心に時計回りの方向を正とする。（２）船首方位算出部４６は、標準の地磁気の値（Ｈｘｅ０，Ｈｙｅ０，Ｈｚｅ０）の水平成分ベクトル（Ｈｘｅ０，Ｈｙｅ０）に基づいて、地磁気の水平成分の北方向から東方向への角度である偏角Ｄを算出する。すなわち、偏角Ｄは、ｘｅ−ｙｅ平面において原点Ｏｅを中心に時計回りの方向を正とした、地磁気の水平成分のｘｅ軸に対する角度である。（３）船首方位算出部４６は、水平座標系地磁気方位ψ０から偏角Ｄを減算することで船首方位ψｍを算出する。このようにして算出された船首方位ψｍは、北方向を０°とし、北方向から西方向へ向かう回転方向を正とした方位を示す。すなわち、図３に示すように、ｘｒ−ｙｒ平面において原点Ｏｒを中心に時計回りの方向を正とした水平成分ベクトル（Ｔｘｒ，Ｔｙｒ）のｘｒ軸に対する角度である水平座標系地磁気方位ψ０から、それと同一回転方向を正とする偏角Ｄを減算することで、ｘｅ−ｙｅ平面において原点Ｏｅを中心に反時計回りの方向を正とした船首方位ψｍが求まる。
【００２７】
選択部１０は、衛星測位コンパス２の衛星受信部３４ａから受信不能信号が入力されているときには、磁気センサコンパス３から船首方位ψｍを取得し、船首方位ψとして船首方位表示部１２に入力する。また、衛星測位コンパス２の衛星受信部３４ａから受信不能信号が入力されていないときには、衛星測位コンパス２から船首方位ψｓを取得し、船首方位ψとして船首方位表示部１２に入力する。船首方位表示部１２は、選択部１０から入力された船首方位ψを表示する。船首方位表示部１２としてはブラウン管表示や液晶表示等によるディスプレイ等を適用することが好適である。
【００２８】
次に、船首方位測定装置１が、残留磁気値を取得し、残留磁気値記憶部４２に記憶させる処理について説明する。
【００２９】
水平変換部１４は、姿勢角検出部２８から船舶１００のロール角φおよびピッチ角θを取得する。そして、ロール角φおよびピッチ角θに基づいて、３軸磁気センサ３８から入力された検出磁気値（Ｈｘ，Ｈｙ，Ｈｚ）を水平座標系Ｏｒでの値に変換した水平座標系検出磁気値（Ｈｘｒ，Ｈｙｒ，Ｈｚｒ）に変換し、方位変換部１６に入力する。
【００３０】
方位変換部１６は、船首方位算出部３６から入力された船首方位ψｓに基づいて、水平座標系検出磁気値（Ｈｘｒ，Ｈｙｒ，Ｈｚｒ）を真方位座標系Ｏｅでの値に変換した真方位座標系検出磁気値（Ｈｘｅ，Ｈｙｅ，Ｈｚｅ）に変換し、残留磁気値算出部１８に入力する。
【００３１】
一方、地磁気データ取得部２０は、衛星受信部３４ｂから入力されたアンテナ３２ｂの位置座標に基づいて、地磁気データ記憶部２２に記憶されている地磁気データを参照し、アンテナ３２ｂの位置座標における地磁気の値を標準の地磁気の値（Ｈｘｅ０，Ｈｙｅ０，Ｈｚｅ０）として残留磁気値算出部１８および標準地磁気記憶部４８に入力する。
【００３２】
ここで、地磁気データとしては国際標準地球磁場（ＩＧＲＦ）等を適用することが好適である。ＩＧＲＦによれば、現在の西暦年と絶対座標系での位置座標を指定することで、その位置座標における地磁気の値を真方位座標系Ｏｅでの値として取得することができる。地磁気データ記憶部２２には、最新のＩＧＲＦを記憶させておく。
【００３３】
残留磁気値算出部１８は、真方位座標系検出磁気値（Ｈｘｅ，Ｈｙｅ，Ｈｚｅ）から標準の地磁気の値（Ｈｘｅ０，Ｈｙｅ０，Ｈｚｅ０）を減算することで真方位座標系残留磁気値（ΔＨｘｅ，ΔＨｙｅ，ΔＨｚｅ）を算出し、方位逆変換部２４に入力する。
【００３４】
方位逆変換部２４は、衛星測位コンパス２の船首方位算出部３６から入力された船首方位ψｓに基づいて、真方位座標系残留磁気値（ΔＨｘｅ，ΔＨｙｅ，ΔＨｚｅ）を水平座標系Ｏｒでの値に変換した水平座標系残留磁気値（ΔＨｘｒ，ΔＨｙｒ，ΔＨｚｒ）に変換し、水平逆変換部２６に入力する。
【００３５】
水平逆変換部２６は、姿勢角検出部２８から船舶１００のロール角φおよびピッチ角θを取得する。そして、ロール角φおよびピッチ角θに基づいて、方位逆変換部２４から入力された水平座標系残留磁気値（ΔＨｘｒ，ΔＨｙｒ，ΔＨｚｒ）を船舶座標系Ｏでの値に変換した実測残留磁気値（Δｈｘ，Δｈｙ，Δｈｚ）に変換し、平滑部３０に入力する。平滑部３０は実測残留磁気値（Δｈｘ，Δｈｙ，Δｈｚ）の時間変動を平均化し、残留磁気値（ΔＨｘ，ΔＨｙ，ΔＨｚ）として磁気センサコンパス３の残留磁気値記憶部４２に入力する。
【００３６】
残留磁気値記憶部４２は、受信不能信号が入力されていないときは、新たな残留磁気値（ΔＨｘ，ΔＨｙ，ΔＨｚ）が入力されると共に、その値を更新して記憶する。そして、受信不能信号が入力されているときは、受信不能信号が入力される直前に入力された残留磁気値（ΔＨｘ，ΔＨｙ，ΔＨｚ）を保持する。
【００３７】
同様に、標準地磁気記憶部４８は、受信不能信号が入力されていないときは、新たな標準の地磁気の値（Ｈｘｅ０，Ｈｙｅ０，Ｈｚｅ０）が入力されると共に、その値を更新して記憶する。そして、受信不能信号が入力されている間は、受信不能信号が入力される直前に入力された標準の地磁気の値（Ｈｘｅ０，Ｈｙｅ０，Ｈｚｅ０）を保持する。
【００３８】
このような船首方位測定装置１の構成および船首方位測定装置１が実行する処理によって、３軸磁気センサ３８の残留磁気値を迅速かつ正確に取得することができる。
【００３９】
また、残留磁気値記憶部４２および標準地磁気記憶部４８は、受信不能信号が入力されている間は、受信不能信号が入力される直前に入力された値を保持するため、衛星受信部３４ａでの受信状況が良好でない場合において磁気センサコンパス３が船首方位ψｍを算出するときには、当該受信状況が良好であった間に取得された値が用いられる。これによって、衛星受信部３４ｂでの受信状況が良好であるときは衛星測位コンパス２が算出した船首方位ψｓを船首方位ψとして船首方位表示部１２に表示し、衛星受信部３４ｂでの受信状況が良好でないときは磁気センサコンパス３が算出した船首方位ψｍを船首方位ψとして船首方位表示部１２に表示させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施形態に係る船首方位測定装置の構成を示す図である。
【図２（ａ）】船舶座標系Ｏと水平座標系Ｏｒとの関係を示す図である。
【図２（ｂ）】水平座標系Ｏｒと真方位座標系Ｏｅとの関係を示す図である。
【図３】水平座標系地磁気方位ψ０、偏角Ｄ、および船首方位ψｍとの関係を示す図である。
【図４】船舶の回転と共に描かれる、ｘ軸方向の検出値Ｈｘおよびｙ軸方向の検出値Ｈｙで定まる点のＨｘ−Ｈｙ平面上での軌跡を示す図である。
【符号の説明】
【００４１】
１ 船首方位測定装置、２ 衛星測位コンパス、３ 磁気センサコンパス、１０ 選択部、１２ 船首方位表示部、１４，４４ 水平変換部、１６ 方位変換部、１８ 残留磁気値算出部、２０ 地磁気データ取得部、２２ 地磁気データ記憶部、２４ 方位逆変換部、２６ 水平逆変換部、２８ 姿勢角検出部、３０ 平滑部、３２ａ，３２ｂ アンテナ、３４ａ，３４ｂ 衛星受信部、３６，４６ 船首方位算出部、３８ ３軸磁気センサ、４０ 残留磁気値減算部、４２ 残留磁気値記憶部、４８ 標準地磁気記憶部、１００ 船舶。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
地磁気の基準値に関する情報である基準磁気情報を取得する基準磁気情報取得部と、
地磁気を検出してその値を出力する磁気センサと、
前記基準磁気情報に基づいて前記磁気センサの出力値を補正する補正部と、
を備え、
前記補正部によって補正された磁気センサの出力値に基づいて船舶の船首方向の方位を測定することを特徴とする方位測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の方位測定装置であって、
前記補正部は、
前記基準磁気情報と前記磁気センサの出力値とに基づいて前記磁気センサの出力値に対する補正値を算出する補正値算出手段と、
前記補正値算出手段が算出した補正値を記憶する補正値記憶手段と、
を備え、
前記補正値記憶手段に記憶されている補正値に基づいて前記磁気センサの出力値を補正することを特徴とする方位測定装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の方位測定装置であって、
前記基準磁気情報取得部は、
衛星から送信された信号に基づいて測位を行う測位部を備え、
前記測位部の測位結果に基づいて前記基準磁気情報を取得することを特徴とする方位測定装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３に記載の方位測定装置と、
衛星から送信された信号を受信し、受信した信号に基づいて船舶の船首方向の方位を測定する測位方位測定装置と、
を備え、
前記方位測定装置か前記測位方位測定装置のいずれかを、前記衛星から送信された信号の前記測位方位測定装置での受信状況に応じて選択し、選択した前記方位測定装置か前記測位方位測定装置のいずれかによって船舶の船首方向の方位を測定することを特徴とする方位測定システム。
【請求項１】
地磁気の基準値に関する情報である基準磁気情報を取得する基準磁気情報取得部と、
地磁気を検出してその値を出力する磁気センサと、
前記基準磁気情報に基づいて前記磁気センサの出力値を補正する補正部と、
を備え、
前記補正部によって補正された磁気センサの出力値に基づいて船舶の船首方向の方位を測定することを特徴とする方位測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の方位測定装置であって、
前記補正部は、
前記基準磁気情報と前記磁気センサの出力値とに基づいて前記磁気センサの出力値に対する補正値を算出する補正値算出手段と、
前記補正値算出手段が算出した補正値を記憶する補正値記憶手段と、
を備え、
前記補正値記憶手段に記憶されている補正値に基づいて前記磁気センサの出力値を補正することを特徴とする方位測定装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の方位測定装置であって、
前記基準磁気情報取得部は、
衛星から送信された信号に基づいて測位を行う測位部を備え、
前記測位部の測位結果に基づいて前記基準磁気情報を取得することを特徴とする方位測定装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３に記載の方位測定装置と、
衛星から送信された信号を受信し、受信した信号に基づいて船舶の船首方向の方位を測定する測位方位測定装置と、
を備え、
前記方位測定装置か前記測位方位測定装置のいずれかを、前記衛星から送信された信号の前記測位方位測定装置での受信状況に応じて選択し、選択した前記方位測定装置か前記測位方位測定装置のいずれかによって船舶の船首方向の方位を測定することを特徴とする方位測定システム。
【図１】
【図２（ａ）】
【図２（ｂ）】
【図３】
【図４】
【図２（ａ）】
【図２（ｂ）】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００７−１０１３５４（Ｐ２００７−１０１３５４Ａ）
【公開日】平成１９年４月１９日（２００７．４．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２９１３９９（Ｐ２００５−２９１３９９）
【出願日】平成１７年１０月４日（２００５．１０．４）
【出願人】（０００００４３３０）日本無線株式会社 (1,186)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年４月１９日（２００７．４．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１０月４日（２００５．１０．４）
【出願人】（０００００４３３０）日本無線株式会社 (1,186)
【Ｆターム（参考）】
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