Microsoft PowerPoint - 電波航法研究会_nkubo.pptx

Size: px

Start display at page:

Download "Microsoft PowerPoint - 電波航法研究会_nkubo.pptx"

るるみしもね
5 years ago
Views:

1 ソフトウェア GNSS の開発と周辺東京海洋大学久保信明 1

2 発表概要簡単な歴史いくつかのフロントエンドソフトウエア GNSS を利用できる領域ソフトウエアGNSSの概要 ( 信号捕捉追尾 ) ソフトウエア GNSSを用いた実データ最近のActivity まとめ 2

3 ソフトウエア GNSS の歴史コンセプト自体は 1 年以上前に発表チップメーカーでは当たり前のコンセプトで FPGA 等で試験されてきた一般の大学研究者に使えるようになってきたのはここ5 年ほどテキストも 1 年ほど前からいくつか出版されている新たに GNSS に参入する企業にとっては評価開発用に便利 1 周波のリアルタイム版は 1 年ほど前に市販化現在は 2 3 周波の製品があるここ数年ソフトウエア GPS/GNSS を利用した大学研究者の発表論文が増加 (ION GNSS 等でも1つのセッションが存在 ) 3

4 海洋大の Activity 呉さん (21 24):Kai 24):Kai Borre の Matlabソースを利用して L1 の信号解析近藤君 (25 28):L2C 信号の解析とそれに関連した研究テーマ海老沼先生 (27 29): 海面反射波の観測用にソフトウエア受信機を利用久保 (28): 受信機の信号処理の勉強のためCで動かせるソースを作成新宮君 (21): 準天頂衛星の信号を解析小林君 (21):L5 帯の信号を解析中 SDRをベースにした発表論文 1 件以上 SDR をベースにした査読論文 1 件以上 4

5 研究室のソフトウエア GNSS の GUI Latitud inal (m) 4 DGNSS 66 (GPS+QZS) 8 Longitudinal 1 (m) 5

6 6

ソフトウエア GNSS のハード部 GPS アンテナフロントエンドンド高周波部 +AD 変換帯域サンプリング周波数を決定 PC でデジタルの生データを収集 USB 径由で収集するものが多いがデータ転送スピードに限界もある例 :16MHz 2bitの場合 1 分間で約 24MBになる 1 分で2.

7 ソフトウエア GNSS のハード部 GPS アンテナフロントエンドンド高周波部 +AD 変換帯域サンプリング周波数を決定 PC でデジタルの生データを収集 USB 径由で収集するものが多いがデータ転送スピードに限界もある例 :16MHz 2bitの場合 1 分間で約 24MBになる 1 分で2.4GB フロントエンドを購入する必要がある最近は IF データ収集のみの機能の製品もあり安価になっている PC 側は 1 2GB 程度以上のメモリが必要か?1 年以上前のPCでは収集不可のケースもある用途に応じたフロントエンドが製品化されており 2 周波や3 周波のものも存在帯域も2MHzから2MHzまで幅広い ( 高須様のサイトに一覧がある ) 7

8 Frontends for GNSS (Fraunhofer) 212/2/11 Triband Frontend Simultaneous reception of L1/L2/L5 and E1/E5a Possibility to use it as data recorder for corresponding bands Possible bandwidths (13 MHz or 18 MHz) Power supply and data transmission via USB interface Possible application for example 電波航法研究会 as software receiver 8

9 DLL のコリレータの幅ここのピーク付近で精度が決まる MHz 4MHz.75 8MHz 1MHz 2MHz 相関波形は受信機内部の帯域幅によって異なることが知られており例えば.1chipのナローコリレータを有効に動作させるにはある程度の帯域が必要 HA:.1チップ以内 9

10 帯域による違い ( 実データ ) 1ms(NordNav:4MHz) ( ) ms(IfEN:1MHz)

11 SX NSR Software Receiver (IfEN) Applications i の観点より The SX NSR is the only commercially available software receiver offering advanced signal processing combined with a powerful quad band RFfront end delivering unrivalled performance to the GNSS scientific community. The major applications for the SX NSR are: Scientific applications (e.g. GNSS signal reflectometry) Multipath and spoofing signal evaluation Interference monitoring and ionosphere scintillation Weak signal investigation and sensor fusion Dual tracking or dual heading applications GNSS signal recording 11

12 マルチパス対策効果の評価方法実際の観測データを用いて評価仮想的にマルチパス波を発生させて評価 HS HA 振幅比.5のマルチパス波が遅延距離で~8m 付近まで存在したと仮定した場合のマルチパス誤差を左に示した 12

13 実際の相関波形強い反射波が混入しているいくつかの相関波形のケース場所は東京丸の内で取得受信機は SQM 受信機 (ENRI 殿古野電気製 ).25 チップごとの相関値を5Hzで出力帯域は2MHz サンプリング周波数は 4MHz 13

14 リアルタイム相関波形 ( 丸の内 ) 反射波の位相が変化受信電力が直接波を上回るトラッキングポイント 27 土本 ( 修士 ) リアルタイムで走行中に観測することにより停止時に大きなマルチパスを受けることを実感できた 14

15 ソフトウエア受信機の概要測位衛星の信号マルチ周波数用アンテナ L1+L2+L5 フロントエンド高周波処理部 AD 変換など信号処理 ( 捕捉 ) 信号処理 ( 追尾 ) 観測データの算出単独測位と DGPS RTK( 高精度測位 ) 15

16 信号処理部のブロック図精説 GPS より 16

17 Acquisition( ( 信号捕捉 ) GPS 信号はスペクトラム拡散符号で変調されておりかつ地上で受信可能な信号レベルは 125dBm から 13dBm と非常に低い認識できる信号に戻すためにコード位相やドップラーを含んだ搬送波の正確な遅延量を知る必要があるそこでレプリカ信号と入力信号の相関をとる相関器はコード位相の遅延と周波数のレプリカが入力信号を一致したときに最も高い値を取得するこの過程はすべての衛星に対して同様に行われる ( 16dBW) dbm db Hz いくつかの場所での典型的な信号レベル環境信号レベルdBm 信号レベルdBHz 屋外 123 to 階建の建物 13 to 窓のオフィス 135 to 駐車場 135 to A GPS より 17

18 送信及び受信信号を眺める 18 精説 GPSより

19 Tracking( 信号追尾 ) 19 精説 GPSより

20 PLL の外乱要因と追尾特性外乱要因ループ帯域 ( 等価雑音帯域幅 ) 狭い広いユーザーの運動白色雑音クロック変動各外乱に対する追尾特性のバランスを取るため最適なループ帯域の選定が必要 JRC 鷲頭様資料

21 実際の解析例 21 年研究室屋上データ ( 約 1 分 ) 211 年江東区内移動体データ ( 車 1 分以内を数か所基本はオープンスカイ ) SDRの中身の概要 Tracking 部の integration の変更搬送波支援によるDLLの動作 DGPS キャリアスムージング RTK ip Solutions 社製 Sampling rate : MHz Bit resolution: 2 Bandwidth: 4 MHz 21

22 プログラムの大枠初期設定信号捕捉を経て信号追尾航法メッセージ復調エフェメリス書き出しエフェメリス読み込み信号追尾の繰り返し各チャネルごとにIFデータを 5ms ずつ進めていく疑似距離等算出測位演算部 5ms ごとに Navigation に入るエフェメリスファイル (nav ファイル ) が準備できていれば右側のルーチンだけ計算できる 212/2/11 ( 航法メッセージ先頭の時刻は必要電波航法研究会 ) 22

ノンコヒーレントによる積分効果 (peak/second_peak 値で比較 ) PRN4 11 17 2 23 28 32 193 仰角 27 32 7 56 29

5 4ms 4.1 2.8 29. 15.8 8.1 9.9 4.1 15.1 2ms 3.7 2.6 2.6 12. 5.9 6.4 2.6 1. 1ms 2.1 1.9 13.

23 ノンコヒーレントによる積分効果 (peak/second_peak 値で比較 ) PRN 仰角 ms ms ms ms ms 以上で信号があると判断実際には2.5でも問題ない 212/2/ 番 ( 準天頂 ) の例拡大図電波航法研究会

追尾のイメージ最初にAcquisitionで得たコード位相の先頭がほぼ正しいため通常のダイナミクスであればそれ以降 IFデータを 1ms 分のサンプリング値進ませるドップラー周波数等でも微妙に変化する 626 16994 33362 49729 6697 時間軸 * 上記は実際の PRN17

24 追尾のイメージ最初にAcquisitionで得たコード位相の先頭がほぼ正しいため通常のダイナミクスであればそれ以降 IFデータを 1ms 分のサンプリング値進ませるドップラー周波数等でも微妙に変化する時間軸 * 上記は実際の PRN17 番の数値 ( 最初から ) * 結果として IF データをほぼか進ませている * これは IF データの中にある C/A コードの先頭がそこに存在することを意味 * この相関値のピークを I_P としている * 搬送波の位相が受信信号とずれてくるとコリレータのピーク値が振幅 24

25 キャリアとコードの周波数 PRN17 最初の3秒左上が時間軸に対するキャリアで左がドップラー周波数 IF= Hz /2/ 電波航法研究会 25 35

26 DLL の相関器による 1 ショット横軸 1 目盛りが約 18m 縦軸は相関値実習で解析するデータより 193 番 ( 準天頂 ) 左から Early,Prompt,Late tl t 同じく PRN32 26

27 I_P I_E Q_Pの推移 PRN17 最初の3秒と1ms I_E I_P /2/11 5 最初の1ms 赤Q_P 青I_P 電波航法研究会 Q P Q_P 27

28 I 相と Q 相の Prompt の推移横軸が I 相縦軸が Q 相の値 95ms から 1ms までの I 相の推移 28

29 相関波形と単独測位 ( 同時刻の1ms 分と1ms 分での違い ) ms 分足して 1 で割った相関値 ms 分利用

30 ドップラー周波数を利用した速度計算 ( 左 1ms 右 2ms 青 : 経度方向赤 : 緯度方向 ) 横軸 : 時間縦軸 m/s

31 衛星選択を無効 / 有効にした測位結果 ( 晴海移動体選択は信号強度のみ ) 衛星選択なし衛星選択有り

32 秒から秒までの推移 ( 秒と秒で信号強度よりこの衛星は測位に使用していない ) /2/11 1 電波航法研究会

33 衛星選択を有効にした 2Hz の速度情報の積分値 2Hzの情報ではあるが最後の位置でも大きな誤差 ( おそらく1 2m 以内 ) はなく最初停止していた場所の反対車線までのデータであったことがわかったこれは出力した観測データを利用した解析であるがソフトウエア受信機の最大の利点は観測データを出す前の追尾ループにおいて様々なアルゴリズムを試すことができる! 33

34 高層ビル街での測位例 ( 丸の内 ) u blox の水平 DGPS u blox の NMEA 出力位置 34

35 ドップラ周波数からの速度情報を利用 ( 江東区若洲付近移動体 ) 赤 :UBLOX 緑 : ソフトウエア GPS 赤 : 速度積分青 : ソフトウエア GPS 35

36 Integrationと帯域の効果 g 赤 1ms 青 1ms DLLのみ1ms 17番衛星 DLL1ms積分キャリア DLL1 積分コド DLL1ms積分コード 3msでDLLの帯域を.5HzへPLLを2Hzへさらに5msで DLLを.25Hzへ PLLを15Hzへ変更 /2/ 電波航法研究会

37 キャリア支援 DLL ( 赤 :1ms+ 帯域青 :1ms+ 帯域 +キャリア支援 17 番衛星 ) ,23,1.92 1,23,1.92 5ms 以降の拡大図 ,23, ,23, ,23, 本結果は 7ms で DLL の帯域を.125Hz へ 9ms で.5Hz5Hz へまた 5msでキャリア支援をON キャリア支援が入ると帯域の効果以上にスムーズになることが明瞭帯域もさらに狭めることが可能ただし PLL が追尾していることが前提 37

38 水平プロット比較通常の 1ms 分での疑似距離の結果 (DLL の帯域は.5Hz) 通常の 1ms 分での疑似距離の結果 + キャリア支援あり (DLL の帯域.5Hz) 水平方向の標準偏差で比較すると2.7mが1.1mへ低減キャリア支援により本ソースでの疑似距離計算手法においてもノイズの低減が確認された 38

39 DGPS とキャリアスムージング (+RTK) 準天頂衛星の軌道情報が試験的に放送されるようになり軌道精度も安定しているとの情報があったため (21 年 12 月 ) GPS+QZS のデファレンシャルの精度を評価した 21 年 12 月 12 日 ( 日曜日 ) の12 時 54 分から13 時 4 分まで1 分間取得評価方法は研究室屋上のアンテナを分岐し同機種の2 台のFEをつなげ完全な環境で評価したマルチパスも大部分低減され誤差に残るのはノイズ成分である 39

40 単独測位 (ROVER 側 ) と DGNSS 単独 m(1σ) 1.7m( 平均値ずれ ) m(1σ) 3.9m( 平均値ずれ ) DGNSS m(1σ).3m( 平均値ずれ ) 2.1m(1σ).12m( 平均値ずれ )

41 搬送波スムージング 1 秒と 5 秒での DGNSS 1 秒 m(1σ).3m( 平均値ずれ ).48m(1σ).12m( 平均値ずれ ) 5 秒 212/2/ m(1σ).3m( 平均値ずれ ) 電波航法研究会 m(1σ).13m( 平均値ずれ ) 41

42 最近の調査事項 Fraunhofer 社の帯域の広い FE を購入し L5 帯信号の解析を開始残念ながら卒論では実装できずそのため既存の L5 帯の受信できる JAVAD 受信機で耐マルチパス性能を調査 L5 帯の1 倍のチップレート信号でマルチパスの対遅延距離性能はどこまで改善できるか? 43

43 Fraunhofer 社の FE での L1 帯の相関波形 35 (SF=4MHz BW=13MHz)

44 シミュレータ実験 ( マルチパス特性 ) JAXA 様の3 周波シミュレータを使用させて頂く JAVAD 受信機 UBLOX 5T 45

45 実験 ( マルチパス特性 ) UBLOX JAVAD L5 JAVAD L1 UBLOXは遅延距離 1mでもマルチパス誤差が残存一方 JAVADはL1 L5ともに3m 程でマルチパス誤差がなくなる次のページで JAVADのデータを拡大 46

46 実験 ( マルチパス特性 ) L1 L5 L5 よりも L1 の方が精度が良かった L1の精度を高める技術によるもの L5 帯のデータは若干観測データに難があり本当にこれで正しいかどうかの検証を行う必要ありタに難があり本当にこれで正しいかどうかの検証を行う必要あり 47

47 実験 ( 測位結果 ) マルチパスを含んだ擬似距離を利用した単独測位逆相側同相側マルチパス特性がそのまま測位に反映 48

48 考察 (L5 の課題 ) 8Mサンプリングの時のL1とL5の相関波形の点数の例 L1 今後現在 L5 1chip 幅もし現在の1/2(.5chip 幅 ) でできたら L5 サンプリング点数の少なさや帯域の制限により L5のコリレータに工夫ができない? 49

49 まとめソフトウエアGNSSは一般の研究者に利用できる段階に数年前からなっている最大の利点は受信機の性能を大きく左右する信号捕捉追尾部を自由に設計試作できる! 大学や国の研究機関だけでなく新しく GNSS に参入または評価の必要がある企業においても有用研究用途以上にはならないと予想されるが現在の市販受信機にとってかわるアプリケーションが出る可能性も否定できない 5

<4D F736F F F696E74202D2091AA88CA91E589EF8D E9197BF62208E E707074>

<4D F736F F F696E74202D2091AA88CA91E589EF8D E9197BF62208E E707074> RTK-GPS/GLONASS における受信機間 inter-channel bias の calibration とその評価東京海洋大学山田英輝発表内容研究の背景と目的バイアス較正実験概要実験結果及び考察 RTK 測位への適用まとめ移動体 RTK 測位結果 ( 周波 + 瞬時 AR) Only GPS Fix solution: 5 % Float solution: 4 % NovAtel