技術 磁気センサにより測定される磁場からの方位の決定

0001

本発明は、一般的に言うと、磁気慣性技術に関する。

0002

より正確には、本発明は、磁力計による方位の決定に関する。

0003

特に、本発明は、有利には、都市圏または「屋内で」すなわち建物内部における測定の場合に適用される。

0004

従来は、磁力計は、埋め込みシステムにおける方位の計算のために用いられる。

0005

この場合、センサにより測定される磁場が、水平成分のために磁北を指す地球の磁場であるという仮説がなされる。磁北の方向と地理的な北との間の差（磁気偏角と呼ばれる）は、既知であり、表化される。一般性を失うことなく、以下、磁北および地理的な北が統合され、それゆえ、磁力計が北と呼ばれているものを指し示すとみなされる。

0006

典型的には、磁力計測定値からの方位の計算に用いられる決定方法は、以下に基づく。
−磁力計によって供給される測定値とシステムの方位に関する情報とを関連させるモデリング
−行われる測定のためのこの関係の関連の特徴付け

0007

従来の方法では、実施される計算は、測定値として磁場を有するカルマンタイプ・フィルタリングでもよく、関連の特性の関数である測定ノイズとともに状態内に含まれる方位をリセットすることを可能にする。

0008

モデリングは、測定された磁場Ｍが、例えば方程式



によって、方位情報を含むと書くことにあり、Ｒは、回転行列であり、物体の基準フレームから地球の慣性座標系に進むことを可能にする。ψ、θ、φは、オイラー角であり、ＭＥＡＲＴＨは、地球の磁場である。

0009

この方程式の関連は、測定分散によって特徴付けられる、すなわち、この等式における誤差が、期待値ゼロのガウス確率変数であると仮定される。

0010

この分散は、リセットに重みづけするカルマンゲインを自動的に計算するように機能し、異なるノイズ（外部環境に関連する動的ノイズおよび磁力計測定ノイズ）を考慮する。

0011

さらに他の方法では、線形フィルタリングによる計算は、同じタイプのモデリングおよび特徴付けを用いて実施される。

0012

この方法では、その関連を特徴付けるのは、方程式のゲインの振幅の相対的な調整である。一般的に、このゲインは、手動で調整される。次に、当業者は、モデリングの関連の関数として、それに重み付けする方法を知るであろう。

0013

このように、これらの２つの方法では、モデルの関連を特徴付けるパラメータ（カルマンフィルタの場合のガウスノイズの分散、線形フィルタリングの場合のゲイン）は、一般的に、測定された磁場に関係なく、一定のパラメータである。

0014

測定された磁場を地球の磁場の地磁気モデルと比較しながら、考慮するモデリングの関連の特徴付けが、最近、例えば以下の刊行物において提案された。
−Ｗ．Ｔ．Ｆａｕｌｋｎｅｒ、Ｒ．Ａｌｗｏｏｄ、Ｗ．Ｔ．ＤａｖｉｄおよびＪ．Ｂｏｈｌｉｎ、「Ｇｐｓ−ｄｅｎｉｅｄ ｐｅｄｅｓｔｒｉａｎ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｉｎ ｉｎｄｏｏｒ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ ｕｓｉｎｇ ａｎ ｉｍｕ ａｎｄ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｃｏｍｐａｓｓ（ＩＭＵおよび磁気コンパスを用いた、屋内環境においてＧＰＳが拒否された歩行者の追跡）」、Ｔｈｅ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎの２０１０年国際技術会議の議事録、（サンディエゴ、ＣＡ）、ｐ．１９８−２０４、２０１０年１月
−Ｍ．Ｈ．Ａｆｚａｌ、Ｖ．ＲｅｎａｕｄｉｎおよびＧ．Ｌａｃｈａｐｅｌｌｅ、「Ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ｂａｓｅｄ ｈｅａｄｉｎｇ ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｐｅｄｅｓｔｒｉａｎ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ（歩行者のナビゲーション環境のための磁場に基づく方位推定）」、Ｉｎｄｏｏｒ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ａｎｄ Ｉｎｄｏｏｒ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎの２０１１年国際会議、（ギマランイス、ポルトガル）、２０１１年９月

0015

しかしながら、このように実行される特徴付けは、十分な満足を与えるわけではない。第１に、それらが所望の正確さと同じくらい少なくとも正確なモデルを有することを必要とする磁場の演繹的なモデルに基づくからであり、第２に、それらがすべての妨害を拒絶することができないからである。

0016

文献「Ｕｎｓｃｅｎｔｅｄ Ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ｆｏｒ Ｓｐａｃｅｃｒａｆｔ Ａｔｔｉｔｕｄｅ Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ（宇宙船姿勢推定のための無香料フィルタリング）」（Ｊ．Ｌ．ＣｒａｓｓｉｄｉｓおよびＦ．Ｌａｎｄｉｓ Ｍａｒｋｌｅｙ）は、宇宙船の配向を推定するためのモデルを記載する。このモデルは、カルマンフィルタの適用に基づき、いかなる相関も考慮しない。しかしながら、このモデルはまた、その部分のために信頼性をあまり高めないバイアスを有する。

0017

単純化されたモデルを提案することは、文献ＥＰ２２６４４８５からも公知であり、推定された磁場は、測定された磁場の値と、磁気妨害の値と、測定ノイズの値と、の合計に等しい。しかしながら、妨害における変化のこのモデルは、妨害の時間的関係を考慮するだけであり、このことにより、信頼性をあまり高めない。

0018

本発明の全体的な目的は、特に非常に妨害された環境において用いられるモデリングの関連のより良好な特徴付けを可能にする解決法を提案することである。

0019

特に、本発明は、磁気センサにより方位を決定する方法を提案し、磁場は、磁力計により測定され、計算手段は、所定のサンプリング時間の間、再帰的な処理計算を実施し、
−以前のサンプリング時間に決定される方位の関数である方位予測を推定し、
−磁力計測定値から決定される磁方位の関数として推定され、予測された方位をリセットする。

0020

好適実施形態では、前記リセットする間、計算手段は、リセットの振幅を、
−２つのサンプリング時間の間の磁気妨害における変更のモデルの関数として推定し、かつ、
−妨害の振幅の演繹的な推定の関数として推定する。

0021

このようにして、処理は、２つのサンプリング時間の間の磁方位妨害における変化を考慮し、連続したサンプリング時間の場合の環境のための妨害の潜在的な空間的相関を考慮する。

0022

結果として生ずるリセットは、従来技術より信頼性が高い。

0023

有利には、前記リセットすることは、測定された磁場の勾配の関数である。このようにして、環境が妨害されるほど、勾配はより高く、それゆえ、方位の測定はより多く改ざんされるという事実が考慮される。

0024

特に、所定のサンプリング時間ｋ＋１のために、計算手段は、



を計算することによって、関連する方位妨害を推定し、



であり、



は、分散ａ［ｋ］２（１−α［ｋ］２）のガウス確率変数であり、
−ｋは、以前のサンプリング時間であり、
−ａ［ｋ］は、磁気妨害の演繹的な振幅を表すパラメータであり、
−ｕ＾およびσｕは、妨害における変化の期待値および分散の推定として計算手段によって計算される２つのパラメータである。なお、



は、ｕ＾として表す。

0025

有利には、計算手段は、パラメータａ［ｋ］を磁場勾配のノルムの線形関数として推定する。

0026

パラメータｕ＾［ｋ］は、例えばその部分のために、時間ｋ＋１およびｋのための磁力計出力から直接決定される磁方位の間の差として計算手段によって計算され、この差から、予測される方位（ω［ｋ］ｄｔ）における変化が減算される。

0027

パラメータσｕは、変位の速度または２つの連続するサンプリング時間の間の変位の関数として推定されてもよい。

0028

処理は、例えば、状態が少なくともパラメータとして実際の方位および磁方位妨害（ψ，ψ（ｄ））を有するカルマンフィルタリングを実施する。

0029

方位予測は、慣性ユニットの１つまたは複数のセンサの測定値の関数として決定されてもよい。

0030

変化モデルは、妨害における変化の空間的または時間的相関を考慮するために、あらかじめ決定される。

0031

本発明は、さらに、磁気センサにより方位を決定するための装置に関するものであり、磁力計および前記磁力計により測定される磁場から方位を計算するための計算手段を備え、計算手段は、異なる連続したサンプリング時間のために、上述した処理を実施する。

0032

本発明はまた、この種の方位測定装置を少なくとも１つ備える磁気慣性航法システムを提案する。

0033

有利には、この種のシステムは、都市環境または建物内部において用いられる。

0034

本発明はまた、
−プログラムがコンピュータにおいて実行されるとき、上述したタイプの方法の実行のためのコード命令を含むコンピュータプログラム製品
−コンピュータプログラム製品がこの種の方法の実行のためのコード命令を含む、コンピュータ装置によって読み込み可能な記憶手段
に関するものである。

0035

本発明の他の特徴および利点は、以下の説明からより明白になり、以下の説明は、単に説明のためであり、制限するものではなく、添付の図面に関して読むべきである。

0036

本発明による方法の実施態様のための装置の図である。
本発明による方法の実施のためのケースの一例をより詳細に表す。
本発明の一実施形態に従う方法の主要なステップを示す。

0037

概論−測定装置
図１に関して、提案された測定装置は、例えば、



と記載される周囲磁場（典型的には、近くの金属物体によってわずかに変化しうる地球の磁場）内で移動する物体１の運動の推定のために用いられる。既に知られているように、磁場は３次元ベクトル場であり、すなわち、３次元のベクトルを、物体が移動可能な各３次元の点に関連付ける。

0038

この物体１は、位置が知られていることが要求される任意の可動物体でもよく、例えば、車両、ドローン等および歩行者でもよい。

0039

物体１は、ケース２（サポート）内に複数の磁気測定センサ２０、すなわち軸磁力計２０を備える。軸磁力計は、前記磁場の成分、すなわち、前記磁力計２０のレベルでその軸に沿った前記磁場ベクトル



の投影を測定できる要素を意味するものである。

0040

より正確に言うと、磁力計２０は、ケース２と一体である。磁力計２０は、地上の基準フレームにおけるケース２に対しておよび物体１に対して実質的に同一の運動を有する。

0041

好ましくは、物体１の基準フレームは、正規直交デカルトの基準点を備え、磁力計２０は、この基準点における所定の位置を有する。

0042

図２では、ケース２は、取り付け手段２３によって物体１（例えば歩行者の肢）に固定される。これらの取り付け手段２３は、例えばブレスレットからなり、例えば肢をグリップし、一体結合を可能にするセルフ・グリッピング・ストラップを有する。

0043

明らかに、本発明は、歩行者の運動の推定に限定されるものではないが、この種の使用において特に有利である。なぜなら、それは、体積を非常に減少することができ、このことは、人間がケースを人間工学的な方法で携帯できるのに必要だからである。

0044

ケース２は、本方法の処理動作を直接リアルタイムに実行するための計算手段２１（典型的にはプロセッサ）を備えてもよいし、または、その代わりに、測定値は、外部装置、例えば移動端末（スマートフォン）３またはリモートサーバ４に通信手段２５を介して送信されてもよいし、または、その代わりに、測定値は、例えばサーバ４上の事後処理のためにローカルのデータ記憶手段２２（例えばフラッシュタイプメモリ）内に記録されてもよい。

0045

通信手段２５は、近距離無線通信、例えばブルートゥースまたはＷｉ−Ｆｉを（特に移動端末３を有する実施形態において）実施することもできるし、または、長距離通信のための携帯電話ネットワーク（典型的にはＵＭＴＳ／ＬＴＥ）に接続するための手段とすることさえできる。通信手段２５が例えばローカルデータ記憶手段２２から移動端末３またはサーバ４にデータを転送するための有線接続（典型的にはＵＳＢ）でもよい点に留意されたい。

0046

それが「インテリジェンス」を有する移動端末３（またはサーバ４）である場合、それは、以下に記載されている本方法の処理動作を実施するためのプロセッサのような計算手段３１（または４１）を含む。用いられる計算手段がケース２の計算手段２１であるとき、ケース２は、推定された位置を送信するための通信手段２５をさらに含んでもよい。例えば、所有者の位置は、移動端末３に送信され、ナビゲーション・ソフトウェア・インタフェースにおいて位置を表示してもよい。

0047

ケース２、スマートフォン３およびリモートサーバ４のそれぞれのデータ計算手段２１、３１、４１は、無関係にかつアプリケーションに従って、方法のステップの全部または一部を実施してもよい。

0048

それらは、各々、このために、方法の実行のためのコード命令のシーケンスの全部または一部が記憶される記憶手段を備える。

0049

予測およびリセット
計算手段は、一方では（ステップ１０１）予測によって方位値の推定を計算するフィルタリング１００を実施し、他方では（ステップ１０２）誤差推定の関数としてリセットを実施する（図３）。

0050

特に、例えばジャイロメータによって与えられる角速度ωが既知の場合、ステップ１０１は、時間ｋ＋１での方位ψ（ｋ＋１）を、ψ（ｋ＋１）＝ψｋ＋ω．Δｔに等しいように計算し、ψｋは、前の時間ｋの方位であり、Δｔは、これらの２つのサンプリング時間を分離する期間である。

0051

リセット１０２は、磁力計２０によって行われる測定を考慮する。

0052

以下、所定の時間ｋにおける（磁力計の測定値から導出される）磁方位の測定値は、ｚψ［ｋ］と記載され、ｚψ［ｋ］＝ψｋである。

0053

典型的には、磁方位は、



によって与えられ、ＭｙおよびＭｘは、地上の基準フレームにおける磁場の２つの水平成分であり、これらの２つの成分は、その慣性ユニットによって物体１のために決定される姿勢の関数として計算される。

0054

計算手段は、時間ｋ＋１に対応するリセット方位



を、この時点で推定された方位ψ（ｋ＋１）の合計に等しいように計算し、有利には、リセットは、
−前の時間ｋに関して計算または調整されるゲインＫｋの関数であり、
−予測された方位ψ（ｋ＋１）と測定値ｚψとの間の誤差Ｅｒｒ（ψ（ｋ＋１），ｚψ）の推定の関数である。

0055

このように、計算手段は、磁力計による測定値から導出される磁方位を用いて、状態をリセットし、特に、



を計算することによって方位をリセットする。

0056

典型的には、誤差Ｅｒｒ（ψ（ｋ＋１），ｚψ）は、（リセット前の）時間ｋ＋１に推定される予測された方位と、磁力計の測定値から導出される磁方位ｚψと、の間の単純な差でもよい。

0057

それにもかかわらず、特に非線形フィルタリングの場合、他の誤差関数が可能である。

0058

特に、リセットＫｋ．Ｅｒｒ（ψ（ｋ＋１），ｚψ）および特にゲインＫｋは、有利には、磁力計２０により測定される磁場勾配に依存してもよい。

0059

このようにして、磁場が強く変化し、それゆえ方位測定上の重要な誤差を誘発しやすいとき、リセットの修正は、一層重要である。

0060

このことにより得られたリセット方位値は、前記計算手段２１、３１、４１によって格納され、および／または、残りの処理のために、および、磁気慣性航法情報（直線速度、角速度、位置、方位等）の計算のために、前記手段によって用いられる。

0061

また、リセット方位値は、計算手段によってインタフェース手段に送信され、例えば電話のスクリーン上に表示されてもよい。

0062

環境に関連する妨害における変化のモデル
以下、磁方位ｚψの測定値が環境に関連する磁場の妨害の推定によって修正されるリセットのありうる計算の一例が詳述される。

0063

磁力計による測定値から導出される磁方位ｚψは、実際、以下のとおり分解されるとみなされうる。



−ψは、決定されるのを望まれる実際の方位に対応し、
−



は、ガウス測定誤差に対応し、
−ψ（ｄ）は、環境に関連する磁方位妨害に対応する（「ｄ」は妨害を意味する）（典型的には、妨害は金属基盤に関連し、都市環境または建物内の電気ケーブルに関連する）。

0064

環境に関連する磁方位妨害は、空間的に非常に相関している。環境の妨害に関連する磁場は、実際、連続ベクトル場であり、２つの所定の点ＡおよびＢが空間内で隣接するとき、これらの２つの点ＡおよびＢの磁場は、一層接近する。

0065

一実施形態では、環境に関連する方位妨害ψ（ｄ）は、変化相関を考慮する公式を用いて計算手段によって推定され、変化相関は、２つの連続するサンプリング時間の間の磁場妨害のために予想されうる（時間的、空間的相関またはより複雑な相関）。

0066

この推定は、ψｄにおける変化のためのマルコフモデル（再帰的フィルタにおいて用いられうる）を使用可能にするように構築され、
−磁方位妨害における変化のモデルを考慮することを可能にし（時間的、空間的相関またはより複雑な相関）、
−方位が観察可能であるフィルタリングモデルを構築することを可能にする（さもなければ、方位の推定を構築するいかなる希望も失われる）。

0067

提案された推定では、リセットの振幅は、２つのサンプリング時間の間の磁気妨害における変化のモデルの関数として推定され、かつ、妨害の振幅の演繹的な推定の関数として推定される。

0068

発明者は、以下のことを発見し、（かつ、数学的に検証した）。すなわち、空間的相関の場合（都市圏または屋内の妨害の場合）、時間ステップによって分離される２つのサンプリング時間の間の妨害ψ（ｄ）における変化の適切な推定は、有利には、以下のとおりである。






−ａ［ｋ］は、磁気妨害の演繹的な振幅を表すパラメータであり、
−ｕ＾およびσｕは、２つのサンプリング時間の間の磁方位妨害の変化のモデル（ガウス確率変数の形）である確率変数の期待値および分散であり、
−



は、磁力計のノイズを考慮する推定である。

0069

この推定は、誤差計算のためにｚψから減算され、これは、ψ（ｋ＋１）と（ｚψ−ψ（ｄ）［ｋ＋１］）との間で直接計算可能であり、または、ψ（ｄ）およびその状態のψの両方を有するカルマンタイプ・フィルタに限定される。

0070

パラメータａ［ｋ］の決定
パラメータａ［ｋ］は、磁方位妨害の演繹的な振幅を表す。それは、方位を特徴付け、例えば磁場勾配のノルムの線形関数として計算される。

0071

例えば、






であり、ａ０およびａ１は、フィルタリング処理の実施前にあらかじめ固定される２つのパラメータであり、Ｂ＾［ｋ］は、時間ｋの磁場である。

0072

このように、上述したように、リセット項Ｋｋ．Ｅｒｒ（ψ（ｋ＋１），ｚψ）は、磁力計２０により測定される磁場勾配の関数であり、それは効果的な修正を可能にする。

0073

パラメータａ［ｋ］を決定するための他の方法が可能である。

0074

特に、ａ［ｋ］はまた、地球の磁場のモデルと比較することによって決定されてもよく、例えば、刊行物
「Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｏｆ Ｉｎｄｏｏｒ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｆｉｅｌｄ Ａｎｏｍａｌｉｅｓ ｕｓｉｎｇ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｍａｇｎｅｔｏｍｅｔｅｒｓ Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｏｆ Ｉｎｄｏｏｒ（屋内の複数の磁力計評価を用いた屋内の磁場異常の評価）」−Ｍ．Ｈ．Ａｆｚａｌ、Ｖ．Ｒｅｎａｕｄｉｎ、Ｇ．Ｌａｃｈａｐｅｌｌｅ−Ｔｈｅ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎの第２３回国際会議の議事録（ＩＯＮＧＮＳＳ２０１０）２０１０年９月２１日−２４日において提案されるような技術を実施することによって決定されてもよい。

0075

しかしながら、パラメータａ［ｋ］が磁場勾配の関数である解決法は、より良好な修正を可能にし、地球の磁場のモデルを必要としない。

0076

パラメータｕ＾の決定
パラメータｕ＾［ｋ］は、妨害における変化のための最確値を表す。

0077

このパラメータは、例えば、短期間に修正するとみなされるジャイロメータを用いて計算される。次に、妨害における最も可能性が高い変化は、磁方位測定における変化とジャイロメータの方位における変化との間の差によって与えられる。



Ｅ［．］は数学的期待値であり、ω［ｋ］はジャイロメータの回転速度であり、ｄｔはサンプリングピッチである。

0078

このように、パラメータｕ＾［ｋ］は、時間ｋ＋１およびｋのための磁力計出力から直接決定される磁方位の間の差として計算手段によって計算され、この差から、予測された回転ω［ｋ］ｄｔが減算される。

0079

パラメータσｕの決定
パラメータσｕは、ステップｋの妨害とステップｋ＋１の妨害との間の相関のイメージを表す。

0080

有利には、変位の速度（または類似する２つの連続するサンプリング時間の間の変位）について、それにインデックスを付けることを選択し、磁気妨害の空間的相関を考慮することができる。

0081

例えば、



をとることができ、ｃは、調整係数である。