宇宙インフラ活用人材育成のための大学連携国際教育プログラム

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あきみよどぎみ
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1 衛星測位でのシミュレーション

Availability 都内での RTK 実験 ( 準天頂に焦点 ) ( 浅草から海洋大まで ) 100 90

2 Availability 都内での RTK 実験 ( 準天頂に焦点 ) ( 浅草から海洋大まで ) Total epochs: (35 min.) DGPS GPS GPS+QZS 1.78 倍 RTK Distance: 12 km Test Route Total period: 35 minutes オープンスカイでの RTK に寄与は少ない都市部 RTK への寄与は少なくない

3 Improvemnt Rate 都内での RTK 実験 ( 準天頂に焦点 ) ( 海洋大 - 丸の内周回 ) 過去の月島丸の内周辺の RTK の結果をベースに準天頂衛星による RTK の改善率を仰角との関係で計算してみた (GPS+QZS のケースのみ ) Elevation of QZS

Improvemnt Rate RTK Availability 都内での RTK 実験 ( 準天頂に焦点 ) ( 月島銀座周回 ) 60 50 40 (GPS+QZS)/GPS= 1.53 1.33 1.21 0.

4 Improvemnt Rate RTK Availability 都内での RTK 実験 ( 準天頂に焦点 ) ( 月島銀座周回 ) (GPS+QZS)/GPS= GPS GPS+QZS 10 1 周約 25 分 4 回走行 RTK の結果をベースに準天頂衛星による RTK の改善率 ( 仰角との関係 ) (GPS+QZS のケースのみ ) 回目 2 回目 3 回目 4 回目 Elevation of QZS

5 シミュレーションの目的搬送波位相を利用する RTK は, 都市部等のビル街でその性能が極端に低下することが認識されていた. その状況を改善するために, 可視衛星数の増加が強く期待されていた. これまで蓄積してきた都市部での RTK の統計結果を駆使した. 具体的には, 都市部走行の GPS 観測データより, 可視衛星数と RTK の性能の関係を数値情報としてまとめた. その情報をベースにして,RTK の性能がどの程度向上するのかシミュレーションを行った. 東京都内で取得したデータデータ解析都市部の可視衛星数と RTK の性能の関係 ( 指標値 ) 各シナリオ RTK GPS と QZSS の衛星軌道情報シミュレーションを行う + 各シナリオの可視衛星数の相対度数を予測の予測性能を計算

6 QZS3 機体制でのシミュレーション ( 基礎データ ) 都市部での複数の実験結果 (2010 年頃 ) より使用衛星数毎の FIX 率 ( 実際に Ratio3 を越えた割合 ) と信頼度高く FIX した割合を計算 ( 以下の通り ) その結果よりシミュレーション用の指標値を生成 QZS の 2 機目 3 機目の軌道はアルマナックの昇交点赤経と平均近店離角を等間隔になるよう設定 GPS と 193 番のアルマナックは qg alm を利用 2011/11/28 のエポックで計算 4 機 5 機 6 機 7 機 8 機 9 機 10 機 FIX 率 70.4% 79.9% 81.8% 86.3% 89.0% 92.2% 信頼性 89% 99% 99% 99% 99% 99% 指標値 62.7% 79.1% 81.0% 85.4% 88.1% 91.3% 10 機以上は 9 機と同じとした上記の指標値を利用してマスク角をシンプルに変化させたときの GPS+QZS3 機 ( 静止 1 機 ) での RTK の性能評価シミュレーションを行った指標値 5 機の約 80% の意味はたとえ利用可能な衛星が 5 機あっても 5 回に 4 回しか FIX 解がないという意味

7 都市部での RTK の性能 ( 利用衛星数と RTK の信頼度との関係 ) 100 信頼度高層ビル街でのデータ LAMBDA+Ratio テスト Ratio テストの通常閾値は 3 信頼性は水平誤差 1m 以内可視衛星数 4 機可視衛星数 5 機可視衛星数 6 機可視衛星数 7 機 Ratio テストの閾値利用衛星数が 4 機のときは FIX 解を得たとしても 1m 以内の信頼性が 90% に満たない利用衛星数は 5 機以上必要

8 マスク角と平均天空率について一定の仰角に満たない衛星を使用しないために設定する角度高角に設定すると信号を遮断する建物が減る写真中央の位置が仰角 90 度となるのでマスク角をθとするとマスク角内部の面積は元の面積の ((90-θ)/90) 2 となる平均天空率観測場所丸の内 32.0% 新宿 29.0% 月島 38.0% 例 : 天空率 25%= マスク角 45 度の内円の面積

9 準天頂衛星が 3 機体制になった場合の都市部 RTK のシミュレーション各項目の結果は左が秒のうち使用衛星 5 機以上の割合右が RTK が可能 ( 左を分母 ) かつ信頼度高く達成できる割合 (2 つ前のスライドの指標値を使用 ) マスク角と天空率 GPS GPS+QZS1 機 GPS+QZS3 機 GPS+QZS4 機 30 度 (44.4%) 77.6 / / / / 度 (37.3%) 50.3 / / / / 度 (30.9%) 22.5 / / / / 度 (25.0%) 6.7 / / / / 度 (19.8%) 2.1 / / / / 32.9 測位環境を厳しくするほど + 準天頂の効果が顕著になる主な都内の天空率 ( 丸の内 : 約 32% 新宿 : 約 29% 月島 : 約 38%) + 静止 1 機

10 信頼度の高い RTK が可能な割合 (%) 都市部 RTK の性能比較 ( 準天頂の効果 ) ( 前スライドの図 ) GPS GPS+QZS1 機 GPS+QZS3 機 GPS+QZS4 機 ( 静止 1) 月島相当丸の内相当新宿相当仰角マスク ( 度 )

11 指標値の説明 4 機 5 機 6 機 7 機 8 機 9 機 10 機 FIX 率 70.4% 79.9% 81.8% 86.3% 89.0% 92.2% 信頼性 89% 99% 99% 99% 99% 99% 指標値 62.7% 79.1% 81.0% 85.4% 88.1% 91.3% 指標値が 5 機の約 80% の意味はたとえ利用衛星が 5 機あったとしても 5 回に 4 回しか FIX 解がでないという意味今回の計算では過去に蓄積したデータ (GPS+QZS のみ ) を実際に研究室のソフトで RTK を行い計算この指標値計算においては同じソフト ( アルゴリズム ) 同じ受信機を使用する必要がある上記は GPS+QZS の RTK の FIX 率の例 BeiDou や GLONASS を付加したときの FIX 率は別若干性能が低下するはずただ利用衛星数が倍増するため当然 RTK の性能は向上している

12 マルチパス誤差について (early と late のチップ幅を狭めるナローコリレータ ) 12

13 ピーク付近の相関波形の鋭さが必要な理由について MHz 4MHz MHz 10MHz 20MHz この結果は MATLAB で受信機のフィルターを設計して解析したもの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 0.1chip のナローコリレータを有効に動作させるには少なくとも 8MHz 程度以上の帯域幅が必要測量受信機の帯域は 20MHz 程度確保されているカーナビ等で利用されている GPS 受信機は帯域が 2MHz 程度帯域を大きくすることに技術的また予算的な困難はない? ただし妨害電波や雑音には注意を払う必要がある 13

14 各種コリレータの性能比較 10 年以上前からこのコリレータ部の改善度合いがあまり変わっていない赤丸で示す遅延距離の短い領域が現在の課題各種コリレータによるマルチパス波の振幅比が 0.5 のときのマルチパス誤差と遅延距離との関係図 ( 同相のみ ) 14

15 アンテナ - 障害物間の関係 specular 反射の衛星を選択 (2 次元のみ ) 階段塔の壁の表面は必ずしもきれいな平面ではない ( はしごやアンテナが存在 ) 3 番衛星の動向仰角方位角コンクリート直接波に対する遅延距離を推定可能実際に 30 分間で 10.6m から 12.2m (L1 で 8~9 波長分 )

16 壁反射マルチパス誤差 ( 実際 ) 移動局側で specular 反射の衛星を選択衛星電波の壁面での反射点において壁自身が平らではなく様々な突起物等があるため SIN 波のようにならないこともある

17 壁反射マルチパス誤差 ( シミュレーション ) 移動局側で specular 反射の衛星を選択遅延距離は衛星の仰角方位角の時間変化より算出位相差は遅延距離に応じて変化振幅比は 0.06 とした ( 壁の反射減衰だけを考えると 0.3 程度だが壁の厚さ等は考慮せず ) 帯域は制限せず

18 アンテナ下面からの地面反射の影響

19 実際のコードマルチパス誤差の比較 ( コードマイナスキャリア技術で算出 ) 仰角 20 度前後仰角 45 度前後仰角 50 度前後仰角 60 度前後

測位シミュレーションソフトの開発シミュレーションだと真値が 1 点になりそこから誤差を付加していくため誤差がどのように測位結果に影響するのか眺めることができる実環境のソフトと同じシミュレーションの概要基線長が短い場合を想定 ( 衛星位置電離層そして対流圏による遅延は無視 ) 衛星は GPS と QZSS

20 測位シミュレーションソフトの開発シミュレーションだと真値が 1 点になりそこから誤差を付加していくため誤差がどのように測位結果に影響するのか眺めることができる実環境のソフトと同じシミュレーションの概要基線長が短い場合を想定 ( 衛星位置電離層そして対流圏による遅延は無視 ) 衛星は GPS と QZSS 信号は L1 L2 そして L5 衛星位置は YUMA アルマナックを利用マルチパス環境としては仰角と方位角に応じて鏡面反射回折 ( 減衰効果 ) のみを設定擬似距離と搬送波位相のノイズは教科書掲載の計算式より算出 C 言語で開発受信機コリレータの切り替え機能 ( 既存の技術と提案した手法を比較するため )

21 シミュレーションにおける仮定と実際の測位との違い衛星の位置誤差 : アルマナックにより算出した衛星位置を正しい位置として利用しているため実際にエフェメリスを利用して計算したときに生じる衛星の位置誤差は無視されている実際には約 1m 程度の誤差を生じている衛星及び受信機の時計誤差 : 時計誤差を無視している実際には衛星及び受信機ともに GPS 時刻からずれており測位計算時にそれぞれ修正を行っている電離層及び対流圏による誤差 : 大気圏における遅延効果を無視している実際には電離層及び対流圏において数 m から数十 m の誤差が生じることが知られているただし基準局データを利用した DGPS や RTK 測位を行う場合は上記の全ての誤差について短基線では無視できるレベルに低減される

時使用受信機はストロボコリレータ相当の OEM4 実際の OEM4 による結果とシミュレーションによる結果の比較

22 マルチパスの少ない環境での実結果とシミュレーションの比較場所は東京海洋大学第 4 実験棟屋上を想定 ( 周囲は開けている ) データ取得日時 :2004 年 11 月 22 日午後 8 時から午後 9 時使用受信機はストロボコリレータ相当の OEM4 実際の OEM4 による結果とシミュレーションによる結果の比較 DGPS 測位結果 RTK 測位結果 ( ワイドレーン ) 細かい測位結果の変動は一致していないがおおよその測位誤差は一致していることがわかる

解析日時は移動局 1 移動局 2 ともに 12 月 10 日の 24 時間ただし実データとの比較は 12 月 10 日の 1 時間のみ 1Hz で解析結果は DGPS

23 周囲が建物で囲まれた環境での実結果とシミュレーション結果場所は 5 階の建物に近接している場所 ( 移動局 1) 10 階程度のビルが両側に並んでいる道路 ( 移動局 2) の環境で各種マルチパス誤差低減技術ごとにシミュレーションを行った前者の環境については東京海洋大学内の大学院棟横をモデルとしたので実データとの比較結果も示す解析日時は移動局 1 移動局 2 ともに 12 月 10 日の 24 時間ただし実データとの比較は 12 月 10 日の 1 時間のみ 1Hz で解析結果は DGPS 測位 ( 水平高度方向 ) と RTK 測位 (FIX 率 ) で評価した移動局 1 5 階の建物に近接している場所移動局 2:10 階程度のビルが両側に並んでいる道路

24 移動局 1: ナローコリレータでの DGPS 測位結果 ( 実データとの比較 ) 30m 以上離れた建物による反射の影響シミュレーションと実結果で可視性の判定を誤ったために VDOP が大きく異なった水平方向高度方向ともにずれはあるものの測位精度の概要を把握するには良好なシミュレーション結果が得られている

25 移動局 1: ストロボコリレータでの DGPS 測位結果 ( 実データとの比較 ) ナローコリレータで見られた影響が大幅に低減されている ( 遅延距離が長いマルチパスのため ) 前スライドと同様の理由前スライドと同様にシミュレーションの妥当性をある程度確認できるこれらの結果をベースに実目的である提案手法による効果や GPS 近代化による効果 ( 準天頂衛星の追加効果 ) を予測するためのシミュレーションを実施てきる

26 実際のマルチパスによる影響天空写真 16 番衛星の信号強度 ( 通常の回折 ) 上方前方からの写真アンテナ設置場所 15 番と 22 番は明らかに回折と反射の影響を同時に受けている 16 番衛星は通常の回折のみの影響反射波のみになる状況では最初回折の影響を受けている場合が多い ( 下図 ) 周囲が囲まれている場所でデータ取得取得日は 2004/12/15 26

27 3D 地図を利用したシミュレーション

28 準天頂衛星 3 機体制新宿での可視性 2004 年の東大柴崎研の Suh 様の D 論レイトレースは自前メンテが大変地図はレーザ高精度データ高価

29 準天頂衛星 3 機体制 DOP 評価 ( 新宿 )

30 準天頂衛星 3 機体制精度評価 ( 新宿 ) 左が低コスト 1 チップ受信機右が高コスト 0.1 チップ受信機 0.1 チップのコリレータのほうがマルチパスの影響を受けにくい白い箇所は利用衛星数が 4 機未満

31 任意の位置での 24 時間の利便性 (%)

32 3D 地図電波伝搬結果による測位シミュレーション (Raplab7) 新宿を走行したときのデータを使用 2012 年 12 月約 16 分 (1Hz) レファレンス真値が別途有り地図として国際航業のレーザ測量点群 (2006) を自動変換したもの 1km 1km の地図内を走行した点のみで計算を行う具体的には 14:21-14:37 の間の 953 エポック ( 秒 ) RapLap V7を使用 1.575GHz, 右回り円偏波, 建物材質 : コンクリート反射 1 回, 回折 1 回のみ受信点の半径 200m 以内の建物のみを計算に使用上記 8 衛星を対象

33 走行経路と 3D 地図赤 : シミュレーションに用いる走行経路

34 60 50 シミュレーション結果と低コスト受信機の比較 PRN4 拡大図 simulation ublox 40 SNR dbhz Epoch number SNR dbhz simulation ublox Epoch number SNR dbhz simulation ublox Epoch number 樹木をビルとして構築してしまったためシミュレーション点がビルの中その結果衛星数が 0 になってしまった

35 SNR dbhz シミュレーション結果と低コスト受信機の比較 PRN8 拡大図 simulation ublox Epoch number SNR dbhz Epoch number SNR dbhz Epoch number

36 60 50 シミュレーション結果と低コスト受信機の比較 PRN10 拡大図 simulation ublox 40 SNR dbhz Epoch number SNR dbhz Epoch number SNR dbhz Epoch number

40 SNR dbhz 30 20 10 simulation ublox 0 0 100 200 300 400

37 シミュレーションと実データとのまとめ三次元地図が実環境と合うように正しく構築されている地点では良く一致する現在の地図では, 高架, 立体交差, トンネル, 樹木が正しく構築されていない例 :PRN2 衛星 SNR dbhz simulation ublox Epoch number 長いトンネルをくぐる箇所多くの高架を潜る場所

38 測位シミュレーション前スライドの Raplab による電波伝搬結果を CSV で読み込み測位シミュレーションを実施衛星位置はアルマナック利用衛星位置と POS/LV の位置より真の擬似距離算出測位誤差要素として信号強度による雑音とマルチパス誤差 ( 直接波反射波回折波の様々な組み合わせ ) を付加衛星位置クロック誤差と大気圏誤差は現状の単独測位でも 2-3m に入っているため考慮せず ( 考慮することは可能 ) 受信機コリレータは ublox 受信機相当 ( 右下図 ) マスク角 15 度最低信号レベル 20dBHz HDOP<20 POS/LV の位置結果と比較してチェック

39 電波伝搬種別 ( 新宿コース ) 度数確率 Direct Only % Direct + Reflect % Reflect + Diffract % Reflect Only % Diffract Only % 直接波反射波回折波 # 信号なし例外 # 信号強度で支配的な回折波選定 # 信号強度で支配的な反射波選定 # 反射波が支配的 0,1,0で計算 # そのまま # ,0,0で計算 # そのまま # ,1,0で計算 Raplab で出力される反射波回折波の数は非常に多い信号レベルで選定する

40 走行データでの測位率と精度比較測位率 u-blox シミュレーション 20dBHz 93.2% 89.5% 30dBHz 86.5% 84.9% 35dBHz 63.4% 74.8% 精度 (20dBHz) u-blox シミュレーション経度方向 (m) 51.2m / 2.1m 57.0m / 2.6m 緯度方向 (m) 73.8m / 9.1m 77.2m / 17.3m 水平絶対 (m) 53.7m 58.0m ***/*** は左が標準偏差右が平均ずれ測位率精度ともにある程度一致

41 実際の時系列利用衛星数の比較 u-blox 利用衛星数の変化がある程度一致シミュレーションシミュレーションのみで利用できる衛星やそれらの信号強度がある程度一致してくると測位性能という面での性能予測が可能となる

42 測位シミュレーション (Raplab8) 構造計画の古川様の協力を得て実施月島で取得した実験観測データ (2013 年 10 月 1 日の月島周回約 13 分データ ) を利用測量受信機と低コスト受信機及びレファレンス真値があるため分析に使いやすい 3D 地図はゼンリン社のデータ電波伝搬部分計算は Raplab にまかせる測位シミュレーション部分はさきほどと同様 1,8,9,11,17,19,20,28,32 の 9 衛星対象月島走行経路と 3D 建物データ群

43 信号強度の比較 (dbhz) 橙 : シミュレーション青 : 実データ ( ノバテル )

44 利用衛星数の比較橙 : シミュレーション青 : 実データ ( ノバテル ) マスク角 15 度 HDOP<10 最低信号強度 30dBHz 利用衛星数単独測位の測位率は実データ ( ノバテル ) 92.2% シミュレーション 89.5% GPS 時刻 ( 秒 ) 予想以上に一致する結果となった

45 測位誤差の比較実データ ( ノバテル ) シミュレーション青 : 経度方向橙 : 緯度方向

46 シミュレーションの利用場面と課題前述の衛星測位シミュレーションをマスク角だけでなく 3D 地図も含めて実施可能 GNSS でカバーできる領域とそうでない領域の判断をあるコースではなく道路全体で実施可能国内だけでなく海外でもシミュレーション可能実験計画時に前もって期待される性能を推定可能データを蓄積推定精度が向上 ( 両輪 ) お客様になぜ精度が劣化するかの説明を補強できる ( 例えば歩行者測位の場合歩道は車道に比較してレイが悪いことは明らか ) 移動体を考慮したシミュレーション建物以外の障害物どこまで正確に回折波等を取り扱えるか

47 全体のまとめ GNSS が利用される場面が

利用実証への期待＊情報化施工への適用に向けて＊

利用実証への期待＊情報化施工への適用に向けて＊第 8 回衛星測位と地理空間情報フォーラム利用実証への期待 - 情報化施工への適用に向けて - 2010 年 9 月 21 日日本大学理工学部社会交通工学科佐田達典発表内容 1. 情報化施工における RTK 測位 2. 準天頂衛星システムを導入した場合の RTK 測位シミュレーション 3. LEX 信号受信による静止時及び低速度移動時の測位特性に関する基礎実験 2 1. 情報化施工と RTK