JP2024131897A - Attitude and orientation estimation device, satellite communication earth station, and attitude and orientation estimation method - Google Patents
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Abstract
【課題】姿勢角推定誤差を改善する。【解決手段】姿勢方位推定装置は、到来角測定部と、慣性計測ユニットと、絶対座標出力部と、姿勢方位計算部と、を備える。到来角測定部は、衛星から送信された電波を受信し、受信した電波の到来角を測定する。慣性計測ユニットは、加速度計及び角速度計を少なくとも備える。絶対座標出力部は、現在地の絶対座標を取得する。姿勢方位計算部は、前記加速度計で計測された加速度から事前に推定した直線加速度を減算して重力方向測定値を算出し、事前の推定姿勢から推定される重力方向との差である第1差ベクトルを生成し、前記到来角測定部が取得する測定到来角と、前記絶対座標、前記衛星の軌道情報及び前記事前の推定姿勢から推定される到来角と、の差である第2差ベクトルを生成し、前記第1差ベクトル及び前記第2差ベクトルに基づいて、前記事前の推定姿勢を相補フィルタで更新して推定姿勢を取得する。【選択図】図1[Problem] To improve an attitude angle estimation error. [Solution] An attitude and orientation estimation device includes an arrival angle measurement unit, an inertial measurement unit, an absolute coordinate output unit, and an attitude and orientation calculation unit. The arrival angle measurement unit receives radio waves transmitted from a satellite and measures the arrival angle of the received radio waves. The inertial measurement unit includes at least an accelerometer and an angular velocity meter. The absolute coordinate output unit acquires absolute coordinates of the current location. The attitude and orientation calculation unit calculates a gravity direction measurement value by subtracting a linear acceleration estimated in advance from the acceleration measured by the accelerometer, generates a first difference vector which is the difference from the gravity direction estimated from the estimated attitude in advance, generates a second difference vector which is the difference between the measured arrival angle acquired by the arrival angle measurement unit and the arrival angle estimated from the absolute coordinates, orbit information of the satellite, and the estimated attitude in advance, and updates the estimated attitude in advance using a complementary filter based on the first difference vector and the second difference vector to acquire an estimated attitude. [Selected Figure] Figure 1
Description
本発明の実施形態は、姿勢方位推定装置、衛星通信地球局及び姿勢方位推定方法に関する。 Embodiments of the present invention relate to an attitude and orientation estimation device, a satellite communication earth station, and an attitude and orientation estimation method.
衛星通信は、衛星への見通しがあれば、通常の通信回線、光ケーブルや携帯電話、Wi-Fiが利用できない環境でも通信が行える。特に、車や船舶などに取り付けて、移動しながら通信する需要は高い。通信先の衛星が静止衛星である場合、静止衛星は衛星間の角度が数度と小さいため、他の衛星に電波が漏れこまないよう、高精度にビームを向ける必要がある。移動体に地球局が取り付けられている場合、移動しながら高精度に衛星にビームを向け続けなければならない。 As long as there is line of sight to the satellite, satellite communications can be used even in environments where normal communication lines, optical cables, mobile phones, and Wi-Fi cannot be used. There is particularly high demand for satellite communications attached to cars or ships for communication while moving. When the satellite being communicated with is a geostationary satellite, the angle between geostationary satellites is small, at just a few degrees, so the beam must be aimed with high precision to prevent radio waves from leaking into other satellites. When an earth station is attached to a moving object, the beam must be kept aimed at the satellite with high precision while moving.
静止衛星を使用した衛星通信では直線偏波が使用されることが多い。偏波は2つの直交軸があり、それぞれに異なるデータを割り振るが、直線偏波では、偏波角が少しずれても、交差偏波に漏れて干渉波となり、交差偏波で通信している回線の通信品質を下げる。したがって、送信時の交差偏波比が規定されており、例えば30dB以上(直線偏波の偏波角で±1.8度以内)と非常に厳しい値である。移動している地球局の方位や姿勢は移動とともに変化する。直線偏波の場合、アンテナが一定の偏波を出力しても、アンテナの方位や姿勢が変化すれば衛星から見た偏波は変化し、規格を満足しなくなる可能性がある。そのため、移動体向け地球局は、ジャイロスコープや加速度計などのセンサーを含むIMU(Inertial Measurement Unit: 慣性計測ユニット)を備え、センサー出力から自身の姿勢を推定して、常に衛星から見た偏波が規格内に収まるように制御する必要がある。 Linear polarization is often used in satellite communications using geostationary satellites. Polarization has two orthogonal axes, and different data is assigned to each. With linear polarization, even a slight deviation in the polarization angle can leak into the cross polarization, causing interference waves and lowering the communication quality of lines communicating with cross polarization. Therefore, the cross polarization ratio during transmission is specified, and is a very strict value, for example, 30 dB or more (within ±1.8 degrees of the polarization angle of linear polarization). The direction and attitude of a moving earth station change as it moves. In the case of linear polarization, even if the antenna outputs a constant polarization, if the direction or attitude of the antenna changes, the polarization seen by the satellite will change, and there is a possibility that the standard will not be met. For this reason, mobile earth stations are equipped with an IMU (Inertial Measurement Unit) that includes sensors such as a gyroscope and accelerometer, and they need to estimate their own attitude from the sensor output and control it so that the polarization seen by the satellite is always within the standard.
方位と姿勢を推定する方式としてAHRS(Attitude Heading Reference System: 姿勢方位推定装置)がある。AHRSにも多くの方式が存在するが、上記のように高い姿勢制御が必要な場合、使用できるアルゴリズムは限定され、その一つにカルマンフィルタを使用する相補型フィルタであり、フィルタで繰り返し処理をしながら、姿勢角、ジャイロバイアス、直線加速度、磁気擾乱を推定する方法がある。 The AHRS (Attitude Heading Reference System) is a method for estimating heading and attitude. There are many AHRS methods, but when high-level attitude control is required as described above, the algorithms that can be used are limited. One of these is a complementary filter that uses a Kalman filter, which estimates the attitude angle, gyro bias, linear acceleration, and magnetic disturbance while repeatedly processing with the filter.
上記の技術には、金属による磁気擾乱の影響による著しい精度劣化を抑圧するため、磁気を使用せず、方位は推定できずセンサ出力生データが積分されるのみであり、姿勢のみを求める方式がある。これは、重力ベクトルの差という一つの測定値から、姿勢角誤差、ジャイロバイアス誤差、直線加速度誤差という3つの状態を推定するフィルタとなっている。1系統の誤差をどのように3つに配分するかは、カルマンフィルタで使用される様々な共分散の値で決定するが、状態は動的に変化するため、正しく誤差を配分することが難しく、結果として、動き方の変化が激しい場合、方位精度のみでなく姿勢精度も磁気を使うアルゴリズムよりも劣化する。 The above technologies include a method that does not use magnetism to suppress the significant deterioration in accuracy caused by the effects of magnetic disturbances due to metal, and instead integrates raw sensor output data without estimating orientation to determine only attitude. This is a filter that estimates three conditions - attitude angle error, gyro bias error, and linear acceleration error - from a single measured value, the difference in gravity vectors. How one system of error is allocated to the three is determined by the various covariance values used in the Kalman filter, but because the conditions change dynamically, it is difficult to allocate the errors correctly, and as a result, when there are drastic changes in movement, not only the orientation accuracy but also the attitude accuracy is worse than with algorithms that use magnetism.
本発明の実施形態は、このような課題を解決し、限定されない一例の課題として、姿勢角推定誤差を改善した姿勢方位推定装置を提供する。 The embodiment of the present invention solves such problems, and as a non-limiting example of the problem, provides an attitude and orientation estimation device that improves the attitude angle estimation error.
一実施形態によれば、姿勢方位推定装置は、到来角測定部と、慣性計測ユニットと、絶対座標出力部と、姿勢方位計算部と、を備える。到来角測定部は、衛星から送信された電波を受信し、受信した電波の到来角を測定する。慣性計測ユニットは、加速度計及び角速度計を少なくとも備える。絶対座標出力部は、現在地の絶対座標を取得する。姿勢方位計算部は、前記加速度計で計測された加速度から事前に推定した直線加速度を減算して重力方向測定値を算出し、事前の推定姿勢から推定される重力方向との差である第1差ベクトルを生成し、前記到来角測定部が取得する測定到来角と、前記絶対座標、前記衛星の軌道情報及び前記事前の推定姿勢から推定される到来角と、の差である第2差ベクトルを生成し、前記第1差ベクトル及び前記第2差ベクトルに基づいて、前記事前の推定姿勢を相補フィルタで更新して推定姿勢を取得する。 According to one embodiment, the attitude and orientation estimation device includes an angle of arrival measurement unit, an inertial measurement unit, an absolute coordinate output unit, and an attitude and orientation calculation unit. The angle of arrival measurement unit receives radio waves transmitted from a satellite and measures the angle of arrival of the received radio waves. The inertial measurement unit includes at least an accelerometer and an angular velocity meter. The absolute coordinate output unit acquires absolute coordinates of the current location. The attitude and orientation calculation unit calculates a gravity direction measurement value by subtracting a linear acceleration estimated in advance from the acceleration measured by the accelerometer, generates a first difference vector which is the difference from the gravity direction estimated from the estimated attitude in advance, generates a second difference vector which is the difference between the measured angle of arrival acquired by the angle of arrival measurement unit and the angle of arrival estimated from the absolute coordinates, the satellite orbit information, and the estimated attitude in advance, and updates the estimated attitude in advance using a complementary filter based on the first difference vector and the second difference vector to acquire an estimated attitude.
以下、図面を参照して実施形態について説明する。以下の形態においては、本実施形態の構成に本質的に必要な部分のみを示し、本実施形態の動作と関連しない部分については、図示、説明を省略していることがある。 The following describes the embodiment with reference to the drawings. In the following description, only the parts that are essential to the configuration of the embodiment are shown, and illustrations and explanations of parts that are not related to the operation of the embodiment may be omitted.
カルマンフィルタでは、フィルタループ内で推定するパラメータを「状態」といい、予測と更新という2段階で推定を進める。このアルゴリズムが推定する状態は、姿勢角やジャイロバイアスといったアルゴリズムの推定対象そのものではなく、姿勢角誤差、ジャイロバイアス誤差、直線加速度誤差、磁気擾乱誤差といった誤差パラメータである。誤差であるため、予測ステップでは、状態予測値を0とおく。 In a Kalman filter, the parameters estimated within the filter loop are called "states", and estimation proceeds in two stages: prediction and update. The states estimated by this algorithm are not the actual targets of the algorithm, such as attitude angle and gyro bias, but error parameters such as attitude angle error, gyro bias error, linear acceleration error, and magnetic disturbance error. Because they are errors, the state prediction value is set to 0 in the prediction step.
カルマンフィルタの「測定値」、すなわち、そこから予測値を減算したものにカルマン利得を掛けて、状態「更新」値を計算するための測定データは、加速度計で測定した加速度による重力ベクトルである。従来方式であれば、さらに、磁気センサーで測定した磁気ベクトルを使用する。具体的には、(1)測定加速度から予測直線加速度を減算して計算した重力ベクトルと、予測姿勢から予測した下方向に相当する重力ベクトルを減算した差ベクトルと、(2)測定磁気から予測磁気擾乱を減算して計算した北方向ベクトルと、予測姿勢方位から予測した北方向ベクトルの差ベクトルの2つを「測定値」とする。前述のように、状態予測値は0であるので、この測定値にそのままカルマン利得を掛けて状態推定値を計算する。なお、このフィルタは誤差ベクトルを測定値とする相補フィルタである。 The "measurement value" of the Kalman filter, i.e., the measurement data used to calculate the state "update" value by subtracting the predicted value from it and multiplying it by the Kalman gain, is the gravity vector due to the acceleration measured by the accelerometer. In the conventional method, the magnetic vector measured by the magnetic sensor is also used. Specifically, the "measurement value" is made up of two values: (1) the gravity vector calculated by subtracting the predicted linear acceleration from the measured acceleration, and the difference vector obtained by subtracting the gravity vector corresponding to the predicted downward direction from the predicted attitude, and (2) the difference vector between the north direction vector calculated by subtracting the predicted magnetic disturbance from the measured magnetism, and the north direction vector predicted from the predicted attitude direction. As mentioned above, the state prediction value is 0, so the state estimate is calculated by directly multiplying this measurement value by the Kalman gain. Note that this filter is a complementary filter that uses the error vector as the measurement value.
更新された誤差状態を使用して、姿勢角、ジャイロバイアス、直線加速度、磁気擾乱の値を更新する。次のステップの予測値は次のように計算する。姿勢角予測値はジャイロの測定データから、ジャイロバイアス予測値は前ステップの推定値そのまま、直線加速度と磁気擾乱はそれぞれ前ステップの推定値に0~1の間の従来では固定の係数を乗算して予測値とする。通常のカルマンフィルタであれば、「状態」予測値を前のステップの更新値から作成してループを形成するが、このフィルタでは「状態」の予測値は0であるため、姿勢角等の予測値から「測定値」を形成する複数のベクトルを生成してループを形成する。 The updated error state is used to update the values of attitude angle, gyro bias, linear acceleration, and magnetic disturbance. The predicted values for the next step are calculated as follows: the attitude angle predicted value is from the gyro measurement data, the gyro bias predicted value is the estimated value from the previous step as is, and the linear acceleration and magnetic disturbance predicted values are calculated by multiplying the estimated values from the previous step by a coefficient between 0 and 1, which was previously a fixed value. With a normal Kalman filter, a "state" predicted value is created from the updated value of the previous step to form a loop, but with this filter, the predicted value of the "state" is 0, so multiple vectors that form the "measured values" are generated from the predicted values of the attitude angle, etc. to form a loop.
磁気センサーで測定した地磁気を利用しているが、磁気センサーで測定された磁気ベクトルは多くの場合、正しい北を示さない。理由は主として2つある。一つは、近くにある磁化した鉄製品などが出す磁気が混入すること、もう一つは、地磁気が示す方向は正しい北ではないことである。磁化した金属が近くにある場合には、北とはかけ離れた方向を示すことも珍しくない。したがって、30dBといった交差偏波比を得るために高精度に姿勢角を求めたい場合、磁気を使用するアルゴリズムは適さない。 Although it uses the geomagnetic field measured by a magnetic sensor, the magnetic vector measured by the magnetic sensor often does not indicate the correct north. There are two main reasons for this. One is that magnetic fields emitted by nearby magnetized iron products and the other is that the direction indicated by the geomagnetic field is not the correct north. If there is magnetized metal nearby, it is not uncommon for the direction to be indicated to be far removed from north. Therefore, if you want to calculate the attitude angle with high accuracy to obtain a cross polarization ratio of 30 dB, an algorithm that uses magnetism is not suitable.
磁気を使用せず、方位の精度は度外視して、姿勢のみを求めるアルゴリズムもある。「測定値」から磁気に関するベクトルを取り除き、重力ベクトルの差のみから、状態である姿勢角誤差、ジャイロバイアス誤差、直線加速度誤差を推定する手法がある。 There are also algorithms that do not use magnetism and disregard the accuracy of the heading to find only the attitude. There is a method that removes the magnetic vector from the "measurement value" and estimates the attitude angle error, gyro bias error, and linear acceleration error from only the difference in the gravity vector.
(第1実施形態)
図1は一実施形態に係る代表的な実装の1つである。姿勢方位推定装置100は、到来角測定部2と、慣性計測ユニット(以下IMU 3と記載する)と、絶対座標出力部4と、アンテナ5と、受信電波処理部6と、を備える。
(First embodiment)
1 shows a typical implementation according to an embodiment. The attitude and orientation estimation device 100 includes an angle-of-arrival measurement unit 2, an inertial measurement unit (hereinafter referred to as an IMU 3), an absolute coordinate output unit 4, an antenna 5, and a received radio wave processing unit 6.
到来角測定部2は、アンテナ5で受信した電波を受信電波処理部6で、ダウンコンバージョン、フィルタリング等のRF、ベースバンド処理し、到来角を測定できる信号に変換した後、到来角を推定し出力する。IMU 3は、少なくとも3軸のジャイロと3軸の加速度計を含み、測定した角速度と加速度を出力する。絶対座標出力部4は、例えばGPS(Global Positioning System)を含み、GPSが取り付けられている移動体の地球上での絶対座標、例えば、緯度経度高度を出力する。これは、GPS以外のGNSS受信機でもよいし、もし、移動局の移動範囲が極端に狭いのであれば、固定値が保存されているメモリでもよい。 The arrival angle measurement unit 2 performs RF and baseband processing such as down-conversion and filtering on the radio waves received by the antenna 5 in the received radio wave processing unit 6 to convert the radio waves into a signal that can measure the arrival angle, and then estimates and outputs the arrival angle. The IMU 3 includes at least a three-axis gyro and a three-axis accelerometer, and outputs the measured angular velocity and acceleration. The absolute coordinate output unit 4 includes, for example, a GPS (Global Positioning System), and outputs the absolute coordinates on Earth of the mobile body to which the GPS is attached, such as latitude, longitude, and altitude. This may be a GNSS receiver other than GPS, or if the mobile station's range of movement is extremely narrow, it may be a memory in which fixed values are stored.
姿勢方位計算部1は、これらの出力から入力を受け、フィルタで姿勢を推定する。フィルタは入力を受けて、離散時間で繰り返し推定を行うフィルタであり、一つ前のステップの更新値、新たなステップの予測値を有している。これを新たなデータ入力とともに使用して推定を進めていく。以下、更新、予測を区別せず「推定した」「推定値」等と記載することがある。推定の進め方は、具体的には、次の示す処理で表される。 The attitude and orientation calculation unit 1 receives input from these outputs and estimates the attitude using a filter. The filter receives input and repeatedly performs estimation in discrete time, and has an updated value for the previous step and a predicted value for the new step. This is used together with new data input to proceed with the estimation. Hereinafter, there may be cases where the terms "estimated" and "estimated value" are used without distinguishing between updating and prediction. Specifically, the estimation process is represented by the following process.
入力された加速度データから予測直線加速度を減算して重力方向を計算し、予測した姿勢から重力方向を計算し、これらの差ベクトル(第1差ベクトル、重力ベクトル差)を計算する。 The direction of gravity is calculated by subtracting the predicted linear acceleration from the input acceleration data, and the direction of gravity is calculated from the predicted posture, and the difference vector between these (first difference vector, gravity vector difference) is calculated.
次に、自装置の絶対座標データと予め保持している衛星の軌道情報から衛星の方向、方位仰角を計算する。計算した衛星方向は地平面で定義された(以下、グローバルフレームと呼ぶ)方向であり、アンテナ面で定義された方向ではない。計算した衛星方向と推定した姿勢からアンテナ面で定義された衛星方向ベクトルを計算し、入力された到来角データから計算した衛星方向ベクトルとの差ベクトル(第2差ベクトル、到来角ベクトル差)を計算する。 Next, the satellite direction, azimuth and elevation angle are calculated from the device's absolute coordinate data and pre-stored satellite orbit information. The calculated satellite direction is a direction defined on the earth's horizon (hereafter referred to as the global frame), not a direction defined on the antenna plane. A satellite direction vector defined on the antenna plane is calculated from the calculated satellite direction and estimated attitude, and the difference vector (second difference vector, arrival angle vector difference) between this and the satellite direction vector calculated from the input arrival angle data is calculated.
第1差ベクトル及び第2差ベクトルの2つの差ベクトルは、現在の推定姿勢と実際の姿勢との差の情報を有している。ただし、これらは、雑音を多く含む測定値から生成されているため、適切なフィルタを適用する必要がある。なお、このように、周波数応答が異なる2系列の変数の差分から応答を推定するフィルタを相補フィルタと呼ぶ。 The two difference vectors, the first difference vector and the second difference vector, contain information about the difference between the current estimated posture and the actual posture. However, because they are generated from measured values that contain a lot of noise, it is necessary to apply an appropriate filter. Note that a filter that estimates a response from the difference between two series of variables with different frequency responses in this way is called a complementary filter.
本アルゴリズムは離散時間で処理される。また、推定したい姿勢などは直接的には計測不能である。このような直接観測できない状態を離散時間で推定する代表的なフィルタは、カルマンフィルタである。以下、カルマンフィルタを例に説明をするが、本開示において用いるフィルタはカルマンフィルタに限定される者ではなく、同様の機能を有する他のフィルタでも構わない。 This algorithm is processed in discrete time. Furthermore, the posture to be estimated cannot be measured directly. A typical filter for estimating such a state that cannot be directly observed in discrete time is the Kalman filter. Below, we will explain using the Kalman filter as an example, but the filter used in this disclosure is not limited to the Kalman filter, and other filters having similar functions may be used.
カルマンフィルタにおける状態を、姿勢角誤差、ジャイロバイアス誤差、直線加速度誤差とおく。到来角は磁気のように前の状態に影響を受ける擾乱はなく、雑音による誤差かフェージングの変動に近い外れ値に近い誤差があるのみであるが、到来角が求められる程度に見通しがあれば、誤差は基本的にランダムである。したがって、到来角偏差といった磁気擾乱に相当する状態は必要としないので、状態は磁気がない場合と同じ3つの誤差とする。状態方程式は例えば文献MATLAB Sensor fusion and tracking toolbox, imufilter, https://jp.mathworks.com/help/fusion/ref/imufilter-system-object.htmlに挙げられている状態方程式と同じとなるため、状態共分散も同じである。一方、測定値に関する各種の式は異なる。以下、異なる部分のみ記載する。他の部分については上記の文献を参照されたい。なお、変数などの表記は文献“Freescale Sensor Fusion Kalman Filter (fusion.c) Technical Note,” https://github.com/memsindustrygroup/Open-Source-Sensor-Fusion/tree/master/docsに近い表記を用いているが、これにより本開示における権利範囲に影響を与えるものではない。 The states in the Kalman filter are the attitude angle error, gyro bias error, and linear acceleration error. The angle of arrival is not disturbed by the previous state, unlike magnetism, and there are only errors due to noise or errors close to outliers similar to fading fluctuations, but if there is enough visibility to determine the angle of arrival, the errors are basically random. Therefore, since there is no need for a state equivalent to magnetic disturbances such as angle of arrival deviation, the states are the same three errors as when there is no magnetism. The state equation is the same as the state equation listed in the literature, for example, MATLAB Sensor fusion and tracking toolbox, imufilter, https://jp.mathworks.com/help/fusion/ref/imufilter-system-object.html, so the state covariance is also the same. On the other hand, the various equations related to the measured values are different. Only the different parts are described below. For other parts, please refer to the above literature. The notation used for variables, etc. is similar to that used in the document "Freescale Sensor Fusion Kalman Filter (fusion.c) Technical Note," https://github.com/memsindustrygroup/Open-Source-Sensor-Fusion/tree/master/docs, but this does not affect the scope of rights in this disclosure.
以下、数式の表記において右上の+は更新値、-は予測値、右下のkはサンプル番号である。左上のGはグローバルフレーム、Sはセンサーフレーム(アンテナ面で定義されたフレーム)を示す。Tは転置を表す。 In the following formulas, + in the upper right corner is the update value, - is the predicted value, and k in the lower right corner is the sample number. G in the upper left corner indicates the global frame, and S indicates the sensor frame (the frame defined on the antenna plane). T stands for transposition.
測定値Szε,kは以下のように表すことができる。
The measurement value S z ε,k can be expressed as follows:
Sg^G,kは現在の姿勢から求めた重力方向ベクトル、Sg^A,kは加速度測定値から直線加速度を減算して得た重力方向ベクトルである。Su^G,kは現在の姿勢方位と絶対座標、衛星軌道情報から求めた衛星方向ベクトルであり、Su^SL,kは測定した到来角から計算した衛星方向ベクトルである。重力は単位[g]とする。また、角度や各速度の単位は基本的に度やdpsである。サンプル間隔をδtとすると、予測値を状態に変換する観測行列は以下のように表すことができる。
α = π / 180、I3は3 × 3の単位行列、O3は3 × 3のゼロ行列、(ω×)は、以下のように表される。ただし、ω = [ωx, ωy, ωz]である。 α = π / 180, I3 is the 3 × 3 identity matrix, O3 is the 3 × 3 zero matrix, and (ω×) can be expressed as follows, where ω = [ω x , ω y , ω z ].
観測雑音共分散は、以下のように表すことができる。 The observation noise covariance can be expressed as follows:
QvAは加速度雑音分散[g2]、QwAは直線加速度雑音分散[g2]、QvGはジャイロスコープ雑音分散[(deg/s)2]、Qwbはジャイロスコープドリフト雑音分散[(deg/s)2]、QvSLは到来角の雑音分散である。 Q vA is the acceleration noise variance [g 2 ], Q wA is the linear acceleration noise variance [g 2 ], Q vG is the gyroscope noise variance [(deg/s) 2 ], Q wb is the gyroscope drift noise variance [(deg/s) 2 ], and Q vSL is the noise variance of the angle of arrival.
なお、状態が上記MATLAB文献と同じであるので、状態共分散もMATLAB文献と同様でよい。ただし、状態共分散は文献によりやや異なっていて、MATLAB文献では行列内の各3 × 3ブロックは対角成分しか含まないが、上記Freescale文献のように非対角も含む形でも構わない。 Note that since the states are the same as in the MATLAB article, the state covariance can also be the same as in the MATLAB article. However, the state covariance differs slightly depending on the article. In the MATLAB article, each 3 × 3 block in the matrix contains only diagonal elements, but it is acceptable for the state covariance to include off-diagonal elements as in the Freescale article.
他の部分はMATLAB文献と基本的に同じであるので省略する。推定したいパラメータの誤差を状態とおいたので、カルマンフィルタの更新式で推定されるのは状態である誤差である。これらで姿勢、ジャイロバイアス、直線加速度の予測値を修正して、更新値を得る。これらの値の次のステップの予測値の求め方も基本的には上記MATLAB文献と同じである。 The other parts are basically the same as in the MATLAB document, so they will be omitted. Since the error of the parameter to be estimated is set as the state, it is the error, which is the state, that is estimated by the Kalman filter update equation. These are used to correct the predicted values of attitude, gyro bias, and linear acceleration to obtain updated values. The method of calculating the next step predicted values for these values is basically the same as in the above MATLAB document.
姿勢方位計算部1はこのようにして計算した姿勢または姿勢方位を出力する。 The attitude and orientation calculation unit 1 outputs the attitude or attitude and orientation calculated in this way.
本開示における結果をシミュレーション結果で示す。経路は次のようである。行程の初めの1/3は5.14度の下り、終わりの1/3は5.14度の上り、中間はフラットな約3000mの道のりを40km/hで走行する。最初と最後は停止、ほぼ中央で右90度右折するが、その手前で一旦停止後発進する。 The results of this disclosure are shown in the form of simulation results. The route is as follows: the first 1/3 of the journey is a 5.14 degree descent, the last 1/3 is a 5.14 degree ascent, and the middle is flat, about 3000m long, traveled at 40km/h. The vehicle stops at the beginning and end, and turns 90 degrees right almost in the middle, but stops once before that before starting off.
図2は姿勢方位の内、姿勢を示すX回転とY回転の推定推移を示したものである。上段図の破線は正解値、実線は比較例としてMATLAB文献のアルゴリズムを使用したものである。比較例でも十分に動作はしているが、Y回転では1度以上の誤差が表れている。偏波の許容誤差が±1.8度以内である場合、アンテナで発生する誤差なども考えると、1つの回転軸での誤差が1度以上は十分に小さいとは言えない。下段図は上段図の比較例と本実施形態での推定結果をプロットしたものである。太い線が本実施形態、細い線が比較例であり、本実施形態により明らかに姿勢誤差が減少している。 Figure 2 shows the estimated progress of X and Y rotations, which indicate attitude, among the attitude orientations. The dashed line in the upper diagram indicates the correct value, and the solid line is a comparative example using the algorithm in the MATLAB literature. The comparative example works sufficiently, but there is an error of 1 degree or more in the Y rotation. When the allowable error in polarization is within ±1.8 degrees, and taking into account errors that occur in the antenna, it cannot be said that an error of 1 degree or more on one rotation axis is sufficiently small. The lower diagram plots the estimated results of the comparative example in the upper diagram and this embodiment. The thick line is this embodiment, and the thin line is the comparative example, and the attitude error is clearly reduced by this embodiment.
なお、本実施形態においては、MATLAB文献にしたがって、直線加速度予測値Sa^- k+1を前のステップの更新値に係数caを掛けて予測する低域濾波モデルを採用する。 In this embodiment, a low-pass filtering model is adopted in which the linear acceleration prediction value S a^ -k +1 is predicted by multiplying the update value of the previous step by a coefficient c a in accordance with the MATLAB literature.
MATLAB文献では、係数の値は固定値であり、デフォルトで0.5である。しかし、このモデルでは実際の直線加速度が加減速や回転などで大きくなった時に、直線加速度推定値が実際の直線加速度についていかなくなる。そこで、直線加速度が大きくなっていると判断された場面では係数の値を大きくするとよい。具体的には、ジャイロ測定値を監視し、例えば閾値判定などで有意な回転が認められた場合や、直線加速度推定値がやはり閾値を超えた場合、測定角速度と加速度を併せるなどして、加減速、回転があると判断できる場合などにcaを1に近づく程度に大きくするとよい。 In the MATLAB literature, the coefficient value is a fixed value, and the default is 0.5. However, in this model, when the actual linear acceleration increases due to acceleration/deceleration or rotation, the estimated linear acceleration value does not keep up with the actual linear acceleration. Therefore, it is advisable to increase the coefficient value in situations where it is determined that the linear acceleration is increasing. Specifically, it is advisable to monitor the gyro measurement value, and increase c a to approach 1 when, for example, significant rotation is recognized by threshold judgment, when the estimated linear acceleration value also exceeds the threshold, or when it is determined that there is acceleration/deceleration or rotation by combining the measured angular velocity and acceleration.
2つの差ベクトルによる測定値が結果的に、姿勢角誤差、ジャイロバイアス誤差、直線加速度誤差に割り振られるが、小さい半径での急な曲がりがある場合などに偶然到来角測定値が曲がる前の角度に近い値で測定されると、曲がりについていけないことがある。多少、到来角測定値がなくても動作するアルゴリズムであるため、そのような場合は、到来角の差ベクトルの寄与を小さくするとよい。具体的には、観測雑音共分散のQvSLを大きくするとよい。 The measurement values from the two difference vectors are ultimately allocated to the attitude angle error, gyro bias error, and linear acceleration error, but if the arrival angle measurement happens to be close to the angle before the turn, such as when there is a sharp turn with a small radius, it may not be possible to keep up with the turn. Since this algorithm works even if there are some arrival angle measurements missing, in such cases it is advisable to reduce the contribution of the arrival angle difference vector. Specifically, it is advisable to increase the Q vSL of the observation noise covariance.
なお、本実施形態では、衛星の到来角推定方法には特に制限はない。一般的に使用されている方法でよい。携帯電話ではフェーズドアレイアンテナの素子数が数個程度であるため、全素子についてすべて位相や振幅を検出してそれらから到来角推定することが珍しくない。しかし、衛星通信、特に、静止衛星との通信では非常にビーム幅が狭いためアンテナの開口が大きく、周波数が10GHzを超えることが多いためフェーズドアレイの場合は素子間隔が狭く、結果として素子数が数1000個となって、全素子の位相や振幅の検出は困難である。多くの場合、ビームを電子的または機械的に振って検出するか、アンテナ全体を疑似的に数個に分割するか、複数の受信ビームを同時に形成するなどの方法で到来角を推定している。そのいずれも適用可能である。方法によって精度や測定頻度に差があるので、フィルタの定数などはそれぞれの方法に対応して変更して使用するとよい。 In this embodiment, there is no particular restriction on the method of estimating the satellite's arrival angle. Any commonly used method may be used. Since the number of elements in a phased array antenna in a mobile phone is about several, it is not uncommon to detect the phase and amplitude of all elements and estimate the arrival angle from them. However, in satellite communications, especially communications with geostationary satellites, the beam width is very narrow, so the antenna aperture is large, and the frequency often exceeds 10 GHz, so in the case of a phased array, the element spacing is narrow, and as a result, the number of elements becomes several thousand, making it difficult to detect the phase and amplitude of all elements. In many cases, the arrival angle is estimated by detecting it by electronically or mechanically swinging the beam, dividing the entire antenna into several pseudo parts, or forming multiple receiving beams simultaneously. Any of these methods can be applied. Since the accuracy and measurement frequency differ depending on the method, it is recommended to change the filter constants and the like according to each method.
本実施形態のように、複数系統の測定データを測定値としてフィルタに入力して、状態を推定する方法はタイトカップリングと呼ばれる。それぞれの系統から個別に状態を推定し、推定された複数の状態を合わせてトータルの状態を推定する方法をルースカップリングと呼ぶが、タイトカップリングはルースカップリングと比較して誤差が小さくなることが知られている。 As in this embodiment, the method of inputting measurement data from multiple systems into a filter as measured values and estimating the state is called tight coupling. A method of estimating the state from each system individually and combining the estimated states to estimate the total state is called loose coupling, but it is known that tight coupling has smaller errors than loose coupling.
また、2つ目の差ベクトルに磁気を使用する場合と比較して、衛星電波の到来角は非常に正確であるため、得られる姿勢誤差が非常に小さくできる。 In addition, compared to using magnetism for the second difference vector, the angle of arrival of satellite radio waves is very accurate, so the resulting attitude error can be made very small.
(第2実施形態)
第2実施形態は第1実施形態を変形したものである。図3は一実施形態に係る実装を示す図である。姿勢方位推定装置100は前述の実施形態の構成に加え、見通し有無判定部7を備える。他の構成及び他のデータの流れについては図1と同様であるので図示を省略している箇所があることに留意されたい。
Second embodiment
The second embodiment is a modification of the first embodiment. Fig. 3 is a diagram showing an implementation according to one embodiment. In addition to the configuration of the above-mentioned embodiment, the attitude and orientation estimation device 100 includes a visibility determination unit 7. Note that other configurations and other data flows are the same as those in Fig. 1, and therefore some parts are omitted from the illustration.
衛星通信は、衛星と地球局の間に建物などの障害物がある場合、衛星からの電波を受けることはできない。また、完全に電波が遮断されなくても、街路樹などで部分的に遮られると通信に十分なSNR(Signal to Noise Ratio: 信号対雑音比)を確保できないことがある。そのような場合、到来角を測定できないか、測定した到来角が外れ値となることがある。これらの状態を衛星への見通しが確保できない、見通しが失われたなどといい、到来角を求めることができない。 In satellite communications, if there is an obstacle such as a building between the satellite and the earth station, it is not possible to receive radio waves from the satellite. Even if the radio waves are not completely blocked, if they are partially blocked by street trees or the like, it may not be possible to ensure a sufficient SNR (Signal to Noise Ratio) for communications. In such cases, the angle of arrival may not be able to be measured, or the measured angle of arrival may be an outlier. These conditions are said to mean that line of sight to the satellite cannot be secured, or line of sight has been lost, and the angle of arrival cannot be calculated.
また、一般的にIMUの測定頻度は数ms~数10msに一回程度であるが、到来角測定の頻度はこれよりも少ないことが多い。IMUからのデータ取得頻度を到来角推定頻度に合わせてもよいが、到来角推定頻度が1秒間隔などといった頻度になった場合、移動体の動きはそれよりも十分に速く、必要な回転や加速を取りこぼす可能性が高い。したがって、到来角推定結果が入力されていない場合でも、IMUからのデータに対する処理を継続することが望ましい。 In addition, while the IMU measurement frequency is generally once every few to several tens of milliseconds, the arrival angle measurement frequency is often less than this. The frequency of data acquisition from the IMU can be set to match the arrival angle estimation frequency, but if the arrival angle estimation frequency becomes frequent, such as every second, the movement of the moving object will be much faster than that, and there is a high possibility that necessary rotation and acceleration will be missed. Therefore, it is desirable to continue processing the data from the IMU even if the arrival angle estimation result has not been input.
その場合、衛星への到来角ベクトルを使用する差ベクトル(第2差ベクトル)は使用せず、第1差ベクトルのみで処理を継続する。この時の動作は、MATLAB文献と同じ動作になる。 In this case, the difference vector (second difference vector) that uses the arrival angle vector to the satellite is not used, and processing continues using only the first difference vector. The operation at this time is the same as that described in the MATLAB literature.
姿勢方位計算部1への入力として、見通し有無判定部7から入力される見通し有無が追加されている。見通し有無判定部7は図示しない受信電波処理部または到来角推定部からの入力を受けて、見通しの有無を判定する。具体的には、受信電波処理部が出力した、電力、SNR、CNR(Carrier to Noise Ratio: キャリア対雑音比)、パケットを受信した際の誤り検出などによる受信成否、さらには、推定姿勢などの入力を受け、前のサンプルの到来角との角度差、さらには、姿勢の変化と到来角の変化に著しい乖離がないかなどを検証し、到来角が信頼に足るものかどうか、推定した到来角が十分な精度を持つ程度に見通しが得られているかどうかを判定して、出力する。同時に、到来角推定部からの到来角の入力を受けて、十分な見通しがない場合には到来角の出力を停止する。中途半端な信頼性と判定された場合は、閾値などを設けて、出力の有無を切り替えてもよいし、信頼性情報(SNRなど)と同時に到来角を出力してもよい。フィルタでは、到来角の信頼性にSNRなどに対応した重みを付けて、到来角の更新値に与える寄与を調整してもよい。カルマンフィルタでは、到来角に関する観測雑音共分散を信頼性が低い場合には大きくするといった処理を適用する。 The presence or absence of visibility input from the presence or absence of visibility judgment unit 7 is added as an input to the attitude and direction calculation unit 1. The presence or absence of visibility judgment unit 7 receives input from the received radio wave processing unit or the arrival angle estimation unit (not shown) and judges the presence or absence of visibility. Specifically, it receives input such as power, SNR, CNR (Carrier to Noise Ratio), reception success or failure due to error detection when receiving a packet, and estimated attitude output from the received radio wave processing unit, and verifies the angle difference with the arrival angle of the previous sample, and furthermore, whether there is a significant deviation between the change in attitude and the change in the arrival angle, and judges whether the arrival angle is reliable and whether the estimated arrival angle has sufficient accuracy and outputs it. At the same time, it receives the arrival angle input from the arrival angle estimation unit, and if there is insufficient visibility, stops outputting the arrival angle. If it is judged to be halfway reliable, a threshold value or the like may be set to switch whether or not to output, or the arrival angle may be output simultaneously with the reliability information (SNR, etc.). The filter may adjust the contribution of the arrival angle to the update value by weighting the reliability of the arrival angle according to the SNR, etc. The Kalman filter applies a process in which the observation noise covariance for the arrival angle is increased when the reliability is low.
到来角誤差は、SNRが高い場合には比較的正規分布に近い誤差となるが、見通しが不安定な場合は外れ値を出すことが多い。カルマンフィルタは正規分布以外の誤差分布では良好に動作しないため、外れ値となっていることが明確な場合の到来角データは使用しないか、重みを下げて使用することが望ましい。したがって、本実施形態により、連続的に良好な姿勢計算が可能となる。 When the SNR is high, the angle of arrival error is relatively close to a normal distribution, but when visibility is unstable, outliers are often produced. Since the Kalman filter does not work well with error distributions other than normal distribution, it is desirable not to use angle of arrival data that is clearly an outlier, or to use it with a lower weight. Therefore, this embodiment makes it possible to perform continuous, good attitude calculations.
姿勢方位計算部1では、見通し有無の入力を受け、見通しがあり、良好な到来角が得られている場合には図1と同様の処理を行うが、見通しがない、あるいは、IMUデータの取得タイミングの問題で到来角データが無い場合には、重力に関する差ベクトルのみで処理を行う。 The attitude and orientation calculation unit 1 receives input on whether or not there is line of sight, and if there is line of sight and a good angle of arrival is obtained, it performs the same processing as in Figure 1. However, if there is no line of sight, or if there is no angle of arrival data due to a problem with the timing of IMU data acquisition, it performs processing using only the difference vector related to gravity.
具体的には式(1)の測定値を以下のようにする。 Specifically, the measurement value of equation (1) is as follows:
観測行列を以下のようにする。 The observation matrix is as follows:
観測雑音共分散を以下のようにする。 The observation noise covariance is as follows:
これらは、選択肢によって行列サイズが変化するが、処理するアルゴリズムには変化はない。すなわち、アルゴリズムを切り替えるのでなく、一連のアルゴリズムは変えずに、使用するパラメータのサイズを変更するだけで対応可能である。 The matrix size will change depending on the option you choose, but the algorithm used for processing will not change. In other words, instead of switching algorithms, you can simply change the size of the parameters used without changing the set of algorithms.
このようにすることによって、衛星への見通しが失われている場合や、タイミングの問題で新規の到来角データが無い場合でも連続的に姿勢の更新が可能となる。 This allows for continuous attitude updates even when line of sight to the satellite is lost or when timing issues mean new angle-of-arrival data is unavailable.
なお、従来技術で説明した通り、第2差ベクトルがなくなることで、姿勢の精度は徐々に劣化していく。劣化の原因は主としてジャイロバイアスによる角度ドリフトであるので、到来角推定が1秒に1回程度行われており、ジャイロが車載グレードの校正されたIMUであれば、通常、著しい姿勢誤差は発生しない。一方、長いトンネル内など長期的に衛星への見通しが失われている場合には、姿勢誤差は無視できない量となる。しかし、姿勢を正しく検出する目的は、衛星へ電波送信の際に正しい偏波で送信するためであるので、トンネル内などそもそも衛星に電波が届かないため送信を行わない場所では、姿勢が多少ずれても問題ない。到来角による衛星方向のトラッキングも同時に不能となるため、衛星方向は推定した姿勢角の変化を使用して更新し続けることになる。この場合、トンネルを抜けて衛星への見通しが回復した際の衛星方向のサーチが短期間に終了できる程度に姿勢方位のずれが収まっていればよい。 As explained in the conventional technology, the accuracy of the attitude gradually deteriorates due to the disappearance of the second difference vector. Since the deterioration is mainly caused by the angle drift due to the gyro bias, the arrival angle estimation is performed about once per second, and if the gyro is an automotive-grade calibrated IMU, a significant attitude error does not usually occur. On the other hand, when the line of sight to the satellite is lost for a long period of time, such as inside a long tunnel, the attitude error becomes an amount that cannot be ignored. However, since the purpose of correctly detecting the attitude is to transmit radio waves to the satellite with the correct polarization, it is not a problem even if the attitude is slightly shifted in places such as inside a tunnel where radio waves do not reach the satellite in the first place and therefore no transmission is performed. At the same time, tracking of the satellite direction based on the arrival angle is also impossible, so the satellite direction will continue to be updated using the change in the estimated attitude angle. In this case, it is sufficient that the deviation in the attitude direction is small enough that the search for the satellite direction can be completed in a short period of time when the line of sight to the satellite is restored after passing through the tunnel.
(第3実施形態)
図4は一実施形態に係る衛星通信地球局200の一例を模式的に示す図である。本発明の姿勢方位推定装置を含む衛星通信地球局である。第1実施形態と共通する部分は説明を省略する。衛星通信地球局200は、例えば、第1実施形態の構成に加え、受信アンテナ8と、送信アンテナ9と、アンテナ制御部11を構成するビーム制御部12と、偏波計算部13と、フィルタ14と、を備える。
Third embodiment
FIG. 4 is a diagram showing a schematic diagram of an example of a satellite communication earth station 200 according to an embodiment. This is a satellite communication earth station including an attitude and orientation estimation device of the present invention. Explanation of parts common to the first embodiment will be omitted. The satellite communication earth station 200 includes, for example, a receiving antenna 8, a transmitting antenna 9, a beam control unit 12 constituting an antenna control unit 11, a polarization calculation unit 13, and a filter 14 in addition to the configuration of the first embodiment.
本実施形態に係る衛星通信地球局200は衛星への電波送信部分を含む構成である。本実施形態によれば高精度に推定された姿勢を用いて送信偏波を計算することができる。アンテナ制御部11は姿勢方位計算部1からの姿勢の入力を受ける。そのほか、絶対座標出力部4からの絶対座標、到来角測定部2から到来角の入力を受ける。 The satellite communication earth station 200 according to this embodiment is configured to include a portion for transmitting radio waves to a satellite. According to this embodiment, it is possible to calculate the transmission polarization using an attitude estimated with high accuracy. The antenna control unit 11 receives input of the attitude from the attitude and direction calculation unit 1. In addition, it receives input of the absolute coordinates from the absolute coordinate output unit 4 and the arrival angle from the arrival angle measurement unit 2.
到来角測定部の出力は、雑音による誤差が大きい可能性があるので、フィルタ14により到来角にフィルタを掛けて、雑音を抑圧してもよい。フィルタは、カルマンフィルタやα-βフィルタのようなリアルタイム予測が可能なフィルタが望ましい。 The output of the angle-of-arrival measurement unit may contain large errors due to noise, so the angle of arrival may be filtered by filter 14 to suppress noise. It is preferable to use a filter that allows real-time prediction, such as a Kalman filter or an α-β filter.
偏波計算部13は、衛星の軌道情報、送信すべき偏波角と地球局の絶対座標情報からグローバルフレームでの偏波、すなわち、アンテナ面が完全に水平である場合の偏波を計算する。地球局は殆どの場合完全に水平ではないため、入力された姿勢方位を使用してアンテナ面(センサーフレーム)で定義された偏波に変換し、ビーム制御部12に出力する。ビーム制御部12は雑音が抑圧された高精度な到来角と偏波の入力を受けて、送信ビームの方位・仰角と偏波がそれに合致するように、送信用アンテナ9を制御する。送信用アンテナがフェーズドアレイアンテナであるならば、各素子の位相と振幅を制御する。 The polarization calculation unit 13 calculates the polarization in the global frame, that is, the polarization when the antenna plane is perfectly horizontal, from the satellite orbit information, the polarization angle to be transmitted, and the absolute coordinate information of the earth station. Since the earth station is almost never perfectly horizontal, it uses the input attitude direction to convert it into the polarization defined in the antenna plane (sensor frame) and outputs it to the beam control unit 12. The beam control unit 12 receives inputs of the highly accurate arrival angle and polarization with noise suppressed, and controls the transmitting antenna 9 so that the azimuth, elevation angle, and polarization of the transmitted beam match them. If the transmitting antenna is a phased array antenna, it controls the phase and amplitude of each element.
送信用アンテナ9には、適切な形に変調され、RF部などで適切な周波数とスペクトル、電力を有するよう整形された送信信号が入力されており、送信用アンテナ9から適切な方向と偏波で送出される。 The transmitting antenna 9 receives a transmission signal that has been appropriately modulated and shaped by the RF section or other unit to have the appropriate frequency, spectrum, and power, and the signal is then sent out from the transmitting antenna 9 in the appropriate direction and polarization.
本実施形態を適用することにより、より高精度に偏波を推定することができる。その結果、許容偏波誤差が規定されている場合、アンテナ制御部やアンテナそのものなど、他の部分で許容できる誤差の範囲が増加し、設計・製造の難易度が緩和される。 By applying this embodiment, it is possible to estimate polarization with higher accuracy. As a result, when the allowable polarization error is specified, the range of allowable error in other parts, such as the antenna control unit and the antenna itself, increases, easing the difficulty of design and manufacturing.
なお、衛星の軌道情報と地球局の絶対座標から、偏波だけでなく、衛星のグローバルフレームでの方向、すなわち、方位・仰角も計算できる。そこに推定姿勢を合わせるとセンサーフレームでの方位・仰角に変換できる。一方で、到来角測定結果をフィルタしたものもセンサーフレームでの推定到来角であるが、多くの場合、両者の方位・仰角は完全に一致しない。この場合、より精度が高いと思われる方位・仰角に合わせて偏波を計算することが望ましい。ただし、到来角推定値は姿勢に関する情報をすべて含んでいない。図5のように送信用アンテナ9と衛星300を結ぶ線を回転軸として送信用アンテナを回転させても、測定される方位・仰角は変化しない。一方、アンテナが固定の直線偏波を出力しているときに、このように回転させれば、衛星から見た偏波は回転に対応して変化する。したがって、到来角推定結果だけでは偏波を決定できない。 In addition, from the satellite orbital information and the absolute coordinates of the earth station, not only the polarization but also the direction in the satellite's global frame, i.e., the azimuth and elevation angle, can be calculated. By matching the estimated attitude to this, it can be converted to the azimuth and elevation angle in the sensor frame. On the other hand, the estimated arrival angle in the sensor frame is also obtained by filtering the arrival angle measurement result, but in many cases, the azimuth and elevation angles of the two do not match completely. In this case, it is desirable to calculate the polarization according to the azimuth and elevation angle that are considered to be more accurate. However, the arrival angle estimate does not include all the information about the attitude. Even if the transmitting antenna is rotated around the line connecting the transmitting antenna 9 and the satellite 300 as the rotation axis as shown in Figure 5, the measured azimuth and elevation angle do not change. On the other hand, if the antenna is rotated in this way when it outputs a fixed linearly polarized wave, the polarization seen from the satellite changes corresponding to the rotation. Therefore, the polarization cannot be determined only from the arrival angle estimation result.
フィルタ14による到来角フィルタリングは到来角推定に特化してパラメータを最適化できるため、姿勢方位の一部として姿勢方位計算部1で計算される方位・仰角より誤差が小さい可能性が高い。もちろん、姿勢方位計算部のパラメータを完全に最適化し、姿勢方位から計算する方位仰角が非常に高精度にできるならその方位仰角を信頼するようにしてもよい。 The arrival angle filtering by filter 14 can optimize parameters specialized for estimating the arrival angle, so there is a high possibility that the error will be smaller than the azimuth and elevation angle calculated by attitude and orientation calculation unit 1 as part of the attitude and orientation. Of course, if the parameters of the attitude and orientation calculation unit are fully optimized and the azimuth and elevation angle calculated from the attitude and orientation can be calculated with extremely high accuracy, then the azimuth and elevation angle can be trusted.
フィルタリングされた到来角推定結果の方が高い精度を有するとして、第3実施形態の変形として、これらの違いを吸収する方法を説明する。まず、姿勢方位計算部1で計算した姿勢方位と絶対座標、衛星の軌道情報とから方位・仰角を計算する。これが、到来角推定結果をフィルタしたものと合致するように、グローバルフレーム上でのアンテナ面のロール角が変化しないように姿勢方位を修正する。すなわち、姿勢方位のグローバルフレームでの方位と仰角を修正する。まず、姿勢方位をグローバルフレームに変換し、やはりグローバルフレームに変換した到来角との方位の差を計算し、この差がなくなるように、姿勢方位を修正する。次に、同様に仰角の差を計算し、その差がなくなるように、姿勢方位を修正する。修正した姿勢方位と絶対座標、衛星の軌道情報、使用偏波からアンテナが出力すべき偏波を計算する。 Assuming that the filtered arrival angle estimation result has higher accuracy, a method of absorbing these differences will be described as a modification of the third embodiment. First, the azimuth and elevation angle are calculated from the attitude and orientation calculated by the attitude and orientation calculation unit 1, the absolute coordinates, and the satellite orbit information. The attitude and orientation are corrected so that the roll angle of the antenna surface on the global frame does not change so that this matches the filtered arrival angle estimation result. In other words, the azimuth and elevation angle in the global frame of the attitude and orientation are corrected. First, the attitude and orientation are converted to the global frame, and the difference in azimuth with the arrival angle converted to the global frame is calculated, and the attitude and orientation are corrected so that this difference is eliminated. Next, the difference in elevation angle is calculated in the same way, and the attitude and orientation are corrected so that this difference is eliminated. The polarization to be output by the antenna is calculated from the corrected attitude and orientation, the absolute coordinates, the satellite orbit information, and the polarization used.
このようにすることによって、より高精度な偏波推定が可能となる。 By doing this, it becomes possible to perform polarization estimation with higher accuracy.
図6は、前述に示したそれぞれの実施形態における姿勢方位推定装置100または衛星通信地球局200の処理の一例として第1実施形態における処理を示すフローチャートである。他の実施形態についても図内に示したように図面から処理の流れを読み取ることができる。 Figure 6 is a flowchart showing the processing in the first embodiment as an example of the processing of the attitude and orientation estimation device 100 or the satellite communication earth station 200 in each of the embodiments described above. The processing flow for other embodiments can also be read from the drawing as shown in the figure.
姿勢方位計算部1は、姿勢角、ジャイロバイアス及び直線加速度を予測する(S100)。姿勢方位計算部1は、例えば、IMU 3から取得した角速度に基づき、MATLAB文献のアルゴリズムにより姿勢角、ジャイロバイアス、直線加速度を予測する。 The attitude and orientation calculation unit 1 predicts the attitude angle, gyro bias, and linear acceleration (S100). The attitude and orientation calculation unit 1 predicts the attitude angle, gyro bias, and linear acceleration, for example, based on the angular velocity acquired from the IMU 3, using an algorithm in the MATLAB literature.
姿勢方位計算部1は、重力ベクトル差(第1差ベクトル)、到来ベクトル差(第2差ベクトル)を計算する(S102)。姿勢方位計算部1は、例えば、IMU 3から取得した加速度、絶対座標出力部4から取得した絶対座標及び到来角測定部2が取得した到来角に基づいて、第1差ベクトル及び第2差ベクトルを算出する。 The attitude and orientation calculation unit 1 calculates the gravity vector difference (first difference vector) and the arrival vector difference (second difference vector) (S102). The attitude and orientation calculation unit 1 calculates the first difference vector and the second difference vector based on, for example, the acceleration acquired from the IMU 3, the absolute coordinates acquired from the absolute coordinate output unit 4, and the arrival angle acquired by the arrival angle measurement unit 2.
姿勢方位計算部1は、例えば、入力された加速度データからS100において予測した直線加速度を減算した重力方向と、予測した姿勢から算出した重力方向と、の差ベクトルである第1差ベクトルを算出する。 The attitude/orientation calculation unit 1 calculates, for example, a first difference vector, which is the difference vector between the direction of gravity obtained by subtracting the linear acceleration predicted in S100 from the input acceleration data and the direction of gravity calculated from the predicted attitude.
姿勢方位計算部1はまた、例えば、自装置の絶対座標データとあらかじめ保持している衛星の軌道情報から取得した衛星方向を予測した姿勢に基づいて補正した衛星方向と、入力された到来角データから算出した衛星方向と、の差ベクトルである第2差ベクトルを算出する。 The attitude and orientation calculation unit 1 also calculates a second difference vector, which is the difference vector between the satellite direction corrected based on the attitude predicted from the satellite direction obtained from the absolute coordinate data of the device and the satellite orbit information stored in advance, and the satellite direction calculated from the input arrival angle data.
姿勢方位計算部1は、姿勢角誤差、ジャイロバイアス誤差及び直線加速度誤差を更新する(S104)。この誤差の更新は、例えば、カルマンフィルタを用いる場合にはカルマンフィルタの状態の更新式による推定で実装される。 The attitude and orientation calculation unit 1 updates the attitude angle error, the gyro bias error, and the linear acceleration error (S104). For example, when a Kalman filter is used, this error update is implemented by estimation using the update equation for the state of the Kalman filter.
姿勢方位計算部1は、S104で取得したそれぞれの誤差を用いて、姿勢角、ジャイロバイアス及び直線加速度を更新する(S106)。 The attitude and orientation calculation unit 1 updates the attitude angle, gyro bias, and linear acceleration using the errors acquired in S104 (S106).
動作を終了する場合(S108: YES)、適切な処理の後、処理を完了する。動作を継続する場合(S108: NO)、再度S100からの処理を繰り返す。この際、前のイテレーションで算出された値に適切に係数等による変換が実行されてもよい。 If the operation is to be ended (S108: YES), the process is completed after appropriate processing. If the operation is to be continued (S108: NO), the process is repeated from S100. At this time, the value calculated in the previous iteration may be appropriately converted using a coefficient, etc.
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, substitutions, and modifications can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and their modifications are included in the scope and gist of the invention, and are included in the scope of the invention and its equivalents described in the claims.
100: 姿勢方位推定装置、
1: 姿勢方位計算部、
2: 到来角測定部、
3: 慣性計測ユニット、
4: 絶対座標出力部、
5: アンテナ、
6: 受信電波処理部、
7: 見通し有無判定部、
8: 受信アンテナ、
9: 送信アンテナ、
11: アンテナ制御部、
12: ビーム制御部、
13: 偏波計算部、
14: フィルタ、
200: 衛星通信地球局、
300: 衛星
100: Posture orientation estimation device,
1: Attitude and orientation calculation unit,
2: Angle of arrival measurement unit;
3: Inertial Measurement Unit,
4: Absolute coordinate output section,
5: Antenna,
6: Receiving radio wave processing section,
7: Visibility determination section,
8: Receiving antenna,
9: Transmitting antenna,
11: Antenna control section,
12: Beam control section,
13: Polarization calculation section,
14: Filter,
200: Satellite communication earth station,
300: Satellite
Claims (10)
加速度計及び角速度計を少なくとも備える、慣性計測ユニットと
現在地の絶対座標を取得する、絶対座標出力部と、
前記加速度計で計測された加速度から事前に推定した直線加速度を減算して重力方向測定値を算出し、事前の推定姿勢から推定される重力方向との差である第1差ベクトルを生成し、前記到来角測定部が取得する測定到来角と、前記絶対座標、前記衛星の軌道情報及び前記事前の推定姿勢から推定される到来角と、の差である第2差ベクトルを生成し、前記第1差ベクトル及び前記第2差ベクトルに基づいて、前記事前の推定姿勢を相補フィルタで更新して推定姿勢を取得する、姿勢方位計算部と、
を備える、姿勢方位推定装置。 an arrival angle measuring unit that receives radio waves transmitted from a satellite and measures an arrival angle of the received radio waves;
an inertial measurement unit including at least an accelerometer and an angular velocity meter; and an absolute coordinate output unit that acquires absolute coordinates of a current location;
an attitude orientation calculation unit that calculates a gravity direction measurement value by subtracting a linear acceleration estimated in advance from the acceleration measured by the accelerometer, generates a first difference vector which is a difference from the gravity direction estimated from the estimated attitude in advance, generates a second difference vector which is a difference between the measured arrival angle acquired by the arrival angle measurement unit and the arrival angle estimated from the absolute coordinates, the orbital information of the satellite, and the estimated attitude in advance, and updates the estimated attitude in advance using a complementary filter based on the first difference vector and the second difference vector to acquire an estimated attitude;
An attitude and orientation estimation device comprising:
請求項1に記載の姿勢方位推定装置。 The complementary filter estimates an attitude, a linear acceleration, and an angular velocity bias from the first difference vector and the second difference vector using a Kalman filter.
2. An attitude and orientation estimation device according to claim 1.
請求項2に記載の姿勢方向推定装置。 The complementary filter estimates an attitude error, a linear acceleration error, and an angular velocity bias error as states, and estimates the attitude, the linear acceleration, and the angular velocity bias based on the states.
3. The posture direction estimation device according to claim 2.
前記姿勢方位計算部は、前記第1差ベクトルを用いて処理を継続する、
請求項1に記載の姿勢方位推定装置。 the arrival angle estimation unit notifies the attitude and orientation calculation unit when visibility to the satellite is lost;
The attitude/orientation calculation unit continues processing using the first difference vector.
2. An attitude and orientation estimation device according to claim 1.
請求項4に記載の姿勢方位推定装置。 determining that the line of sight to the satellite has been lost when at least one of the strength of the radio wave received from the satellite, the signal-to-noise ratio, or the carrier-to-noise ratio becomes smaller than a threshold value;
5. An attitude and orientation estimation device according to claim 4.
請求項1に記載の姿勢方向推定装置。 The absolute coordinate output unit is a GNSS (Global Navigation Satellite System) receiver.
2. The posture direction estimation device according to claim 1.
加速度計及び角速度計を少なくとも備える、慣性計測ユニットと
現在地の絶対座標を取得する、絶対座標出力部と、
前記加速度計で計測された加速度から事前に推定した直線加速度を減算して重力方向測定値を算出し、事前の推定姿勢から推定される重力方向との差である第1差ベクトルを生成し、前記到来角測定部が取得する測定到来角と、前記絶対座標、前記衛星の軌道情報及び前記事前の推定姿勢から推定される到来角と、の差である第2差ベクトルを生成し、前記第1差ベクトル及び前記第2差ベクトルに基づいて、前記事前の推定姿勢を相補フィルタで更新して推定姿勢を取得する、姿勢方位計算部と、
前記衛星への電波を出力する、アンテナと、
前記到来角測定部が測定した前記測定角に基づいて、前記アンテナの出力ビームの方向を決定し、少なくとも前記推定姿勢と前記出力ビームの方向とを使用して、前記出力ビームの偏波を決定する、アンテナ制御部と、
を備える、衛星通信地球局。 an arrival angle measuring unit that receives radio waves transmitted from a satellite and measures an arrival angle of the received radio waves;
an inertial measurement unit including at least an accelerometer and an angular velocity meter; and an absolute coordinate output unit that acquires absolute coordinates of a current location;
an attitude orientation calculation unit that calculates a gravity direction measurement value by subtracting a linear acceleration estimated in advance from the acceleration measured by the accelerometer, generates a first difference vector which is a difference from the gravity direction estimated from the estimated attitude in advance, generates a second difference vector which is a difference between the measured arrival angle acquired by the arrival angle measurement unit and the arrival angle estimated from the absolute coordinates, the orbital information of the satellite, and the estimated attitude in advance, and updates the estimated attitude in advance using a complementary filter based on the first difference vector and the second difference vector to acquire an estimated attitude;
an antenna that outputs radio waves to the satellite;
an antenna control unit that determines a direction of an output beam of the antenna based on the measurement angle measured by the arrival angle measurement unit, and determines a polarization of the output beam using at least the estimated attitude and the direction of the output beam;
A satellite communications earth station comprising:
請求項7に記載の衛星通信地球局。 The antenna controller determines the direction of the output beam by applying a filter process to the angle of arrival.
A satellite communications earth station according to claim 7.
衛星通信地球局。 the antenna control unit, when the absolute coordinates and the beam direction estimated from the estimated attitude do not match the direction of the output beam, estimates a corrected attitude by correcting the estimated attitude with respect to a yaw angle and a pitch angle, and determines a polarization of the output beam from the corrected attitude and the direction of the output beam.
Satellite communications earth station.
絶対座標出力部が、現在地の絶対座標を取得し、
姿勢方位計算部が、加速度計で計測された加速度から事前に推定した直線加速度を減算して重力方向測定値を算出し、
前記姿勢方位計算部が、事前の推定姿勢から推定される重力方向との差である第1差ベクトルを生成し、
前記姿勢方位計算部が、前記到来角測定部が取得する測定到来角と、前記絶対座標、前記衛星の軌道情報及び前記事前の推定姿勢から推定される到来角と、の差である第2差ベクトルを生成し、
前記姿勢方位計算部が、前記第1差ベクトル及び前記第2差ベクトルに基づいて、前記事前の推定姿勢を相補フィルタで更新して推定姿勢を取得する、
姿勢方位推定方法。 an arrival angle measuring unit that receives radio waves transmitted from a satellite and measures the arrival angle of the received radio waves;
The absolute coordinate output unit obtains the absolute coordinates of the current location,
An attitude and orientation calculation unit calculates a gravity direction measurement value by subtracting a linear acceleration estimated in advance from the acceleration measured by the accelerometer,
the attitude/orientation calculation unit generates a first difference vector which is a difference between a direction of gravity estimated from a previously estimated attitude,
the attitude/orientation calculation unit generates a second difference vector which is a difference between the measured arrival angle acquired by the arrival angle measurement unit and an arrival angle estimated from the absolute coordinates, the satellite orbit information, and the prior estimated attitude;
the attitude/orientation calculation unit updates the prior estimated attitude with a complementary filter based on the first difference vector and the second difference vector to obtain an estimated attitude;
Attitude and heading estimation method.
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