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1 * 藤本幸司 ** 松下博俊 現在 我が国においてはGPS(Global Positioning System[ 全地球測位システム ]) による測位利用が拡大し カーナビゲーションをはじめ 交通分野 測量 防災 国土管理など 幅広い分野で利用されており 今後の社会 経済活動における不可欠なサービスとして さらなる利用と需要の拡大が見込まれる しかし この GPS 技術を山間部などで稼働する建設機械に適用するとなると 地形 樹木 他の重機などによる電波遮断などが発生し 作業効率を下げてしまう 本稿では 作業車両などの中低速の移動体において GPSや準天頂衛星を用いて 山間部でも連続した高精度測位を可能とする要素技術の研究開発について中間報告を行うものである 1. はじめに (1) 背景と開発目的 GPS 衛星と互換性のある準天頂衛星が常に天頂付近に1 機常駐することで 1 日を通じて測位の利用率と精度が向上するとともに 上空から補強情報が確実に得られることから高精度測位の信頼性も改善されることが期待されている このような利便を与える準天頂衛星システムではあるが 山間部等衛星電波の受信しにくい地域においては 依然として同時に 4 機以上の衛星 ( 位置特定を行うために最低限必要な衛星数 ) から電波を常時受信し続けることが難しく 測位できない地帯や時間帯が存在することや 外的な要因で安定的に測位ができないこともある 例えば 山間部の土木工事現場では 図 -1に示すように 他の重機からの反射波 ( マルチパス ) により数 m ~ 数十 mの測位誤差 また樹木や他の重機による電波の瞬断により測位が頻繁に中断するという可能性があることや 搬送波位相を用いる 測位では 測位復帰時に整数値バイアス ( アンビギュイティ ) を求める初期化に数十秒 ~ 数分かかってしまう現状がある 本稿では 平成 15 年度 ~ 平成 19 年度の5カ年において 総合技術開発プロジェクト ( 総プロ ) 研究 準天頂衛星による高精度測位補正に関する技術開発 として 作業車両などの中低速の移動体において 都市部 山間部でも連続した高精度測位を可能とする要素技術を研究して 図 -1 山間部工事現場おり 中間報告を行うものである (2) 山間部工事現場での課題衛星測位を使った情報化施工については GPSを用いて実施されてはいるが 現状では空港等の衛星電波の受信環境が比較的良い場所に限定されている 一方 ダムや砂防等の工事現場は 山間部での施工が多く 衛星測位を使った建設機械等への応用 ( 情報化施工等 ) については 以下のような課題があると言われている * 国土交通省国土技術政策総合研究所高度情報化研究センター情報基盤研究室主任研究官 (6A12) ** 交流研究員 8

2 1 継続性 (Continuity) 構造物 樹木による頻繁な電波中断が発生し 安定した高精度測位ができない 測位の場合 初期化に数十秒 ~ 数分かかる 2 利用率 (Availability) 原理的に4 衛星からの電波を同時に受信する必要があるため 山間部では常時測位できるとは限らない 3 測位精度 (Accuracy) 構造物からの反射波 ( マルチパス ) で精度が大幅 (~ 数十 m) に劣化する (3) 有識者へのヒアリング結果情報化施工に適用するに当たって 利用上の課題やニーズを把握するため この分野における専門家及び有識者に対してヒアリングし 実態を整理した その結果を表 -1に示す 表 -1 有識者ヒアリング結果 項目 ヒアリング内容 稼働率 測位率が高くなれば利用シーンは広がる 衛星電波の遮断で測位できないか精度が低下する 継続性 効率化 電波の遮断後 復帰に時間がかかる( 数 1 秒 ) コスト TS 施工と比べ 位置出 :1/3 平面測量:1/5 地形測量:1/5 工事規模 大規模工事(6 ヶ月間の工期 1 万 m 3 以上 ) で使用 精度 を利用すれば水平面測位精度は十分である 品質向上 マルチパス 建機による反射 現場の鉄板からのマルチパスが多い 通信手段 補正情報 携帯電話はコスト高となり山間部では利用できない場所も多い 高度化へ 情報化施工 自動制御をしたいが現状では技術的な課題がある の要求 油圧ショベルは姿勢情報( ロール角 ピッチ角 ) が必要 その他 制度等 GPS 施工の完成検査 ( 出来形測量 ) を省略又は簡略化すべき 設計 施工 維持 管理を通した標準化が必要 主な意見は以下の通りである 1 位置精度の向上よりも GPS 測位の安定性 継続性を期待 GPSが使えない時間帯があれば, 他の安価な測位手段を使う 2 準天頂衛星から放送される補正データのニーズあり 携帯電話サービスエリア外での利用 通信コスト削減に寄与 3 自動化施工 災害復興では通信手段がネックとなる 4 建設現場では 建設機械自身や作業用の鉄板によりマルチパスが発生 5 GPSを利用した情報化施工は 現状の施工方法の代替ではなく 全く新しい施工方法と考えるべき 3 DCADデータを中心に設計 施工 検査までを含めて トータルで効率化を考えるべき (4) 開発項目の設定研究課題 ヒアリング結果をふまえ 今回の研究開発の重点化する部分を 利用シーンの拡大 や システムの安定化 といったところにおき 本年度の開発項目を以下の通り設定した 1 測位精度の改善 : マルチパス誤差低減技術の開発 構造物からの反射波の影響による測位精度の低下を防ぐため マルチパスの影響を低減する技術を開発 2 継続性の改善 : 高速初期化技術の開発 移動体における継続した高精度位置特定を実現するため 搬送波位相測位固有のアンビギュイティを高速決定する技術を開発 3 利用率と継続性の改善 : 慣性航法複合技術の開発 衛星測位とジャイロなどの補完技術を組み合わせ GPS 不感地帯においても連続して測位できる技術を開発 2. マルチパス誤差低減技術の開発 (1) マルチパス誤差低減技術の必要性 GPS 受信機が反射波や回折波を受信処理した場合 図 -2に示すように 擬似距離誤差となり測位処理や測位精度に悪影響を与える カーナビや携帯電話では 安価なコレリータが用いられているため 大きな測位誤差が生じることが問題となっている GPS 衛星直接波反射波回折波 誤差図 -2 マルチパス においても アンビギュイティ決定前に解の探索範囲を絞り込む必要があり ( 図 -3) マルチパス誤差の低減が の高速初期化を左右することになる 9

3 測位コード測位 ( 概略位置 ) 条件 :2m 以内候補解から真値を探索真値の決定 (1 秒以内 ) 高速化に必要 2m 候補解 ( どれが真値か不明 ) 真値 高精度位置計算 図 -3 探索範囲の絞り込み (2) 対応策一般に障害物によって反射 回折されたGPS 信号は 直接波と比較して信号強度が低くなる傾向を持つ この特徴を利用して反射 回折信号を特定し除去する手法を開発した 図 -4に示すように 直接波の信号強度は衛星仰角の関数として表すことができる この関係はアンテナ ケーブル及び受信機の構成で決まる これらの関係を利用し 閾値より低いものを劣化信号と判断して除去する 図 -5 マルチパス誤差低減 ( 静止実験 ) CN (dbhz) 実測データ近似関数 2 低速移動系実験 図 -6 に 歩行実験の結果を示す 衛星仰角 (deg) 図 -4 信号強度閾値 (3) 実験結果と評価 1 静止系実験開発した手法を使って 実際の観測データを元に実験を行った その結果は 図 -5の通りである この実験は 実際にマルチパスが発生していると考えられる箇所で GPS 電波を受信し その電波をそのまま使って測位を行ったものと 劣化信号を除去するアルゴリズムを用いて測位したものを比較したものである この結果を見ると 測位誤差 ( 水平距離 ) が2m 以内に収まっているのは 1,2 点中改善前 : 944 点 (78.7%) 改善後 : 1,164 点 (97.%) となり 劣化信号除去する手法により 効果が上がる結果となった このエリアに注目 PRN23 番衛星の反射波を受信した時の測位誤差誤差が除去された部分図 -6 マルチパス誤差低減 ( 歩行実験 ) PRN23 方位角約 139deg 仰角約 13deg Z8B 第 2175 号 赤の矩形で囲まれている箇所は 事前の計算により衛 星番号 23 番の電波は直接には受信できないということが わかっている それにもかかわらず 23 番の電波を受信 しており 表示のような誤差を発生させている この受 1

4 信結果に対して 今回開発した手法を提供した結果 誤差が著しく減少していることが確認された 現状では測位に使用する衛星を減らすことは得策ではないが GPS 衛星に加えてGalileo 衛星 準天頂衛星が打ち上げられ衛星数が 6 基以上になれば 衛星選択の幅が広がるために この手法は非常に有効であるといえる 3. 高速初期化技術の開発 (1) を活用するに当たっての課題測量に利用される精度の良い 方式を用いて位置特定を行うためには 衛星通信が安定して行われることが必要であるが 上空視界が悪い山間部などでは 頻繁に電波の瞬断が発生し 4 衛星以下から5 衛星に増加しても アンビギュイティを決定するための初期化に数十秒 ~ 数分かかる現状がある このため 結果として 電波が遮断されるたびに 初期化の間 作業が中断することになり 場合によっては 受信状態がいいところまで場所を移動した上で 初期化を行わなければならない これらは 現場での作業効率を非常に低下させることになり 実運用上支障をきたすことになる (2) 方式の検討移動体に適用するためには 測位で問題となる初期化時間の高速化が必要である 本研究開発では 現在及び過去の観測データを用いる従来方式 (On the Fly) ではなく 現在時刻の観測データのみを用いてアンビギュイティを決定するワンエポック決定方式を開発した また 衛星の仰角と配置を考慮した衛星選択と 速度 加速度による運動モデルを考慮した方式を開発した 図 -7に処理フローを示す (3) 実験結果と考察自動車で移動しながら収集した観測データを使用し オフラインで可視衛星数を変化させて評価した 結果を図 -8に示す 本結果より 5 衛星以上の受信環境下でほぼワンエポックでアンビギュイティが決定できることを確認した これにより コード測位によるアンビギュイティの初期探索範囲が2m 以下で 5 基以上の衛星を安定して可視できる場所においては 移動体の継続した高精度測位が可能となる これにより従来適用が困難であった場所においても 施工などに適用でき 稼働率が改善されることが期待される 受信衛星数 ( 基 ) ステップ 1 ステップ 2 GPS データの観測マルチパスの検出及び衛星の除去 ステップ 3 衛星の選択 ( 電離層と対流圏の遅延を考慮 ) 電源 ON 時ステップ 4 衛星増加時初期設定検出ステップ 6 電源 ON 時より後でステップ 5 衛星増加時以外サイクルスリップの検出 アンビギュイティ実数解の算出 ( 移動体を考慮 ) ステップ 7 アンビギュイティ整数解の探索ステップ 8 未決定アンビギュイティ整数解の検定決定ステップ 9 移動局位置の算出 図 -7 ワンエポック決定結果 未検出 5 衛星以上の受信時のワンエポック決定率 98.5%=(197/2) 1 ワンエポック決定付加ワンエポック決定不可 : ワンエポックで決定 : ワンエポックで決定不可 図 -8 ワンエポック決定結果本方法が実現したと仮定し 山間部を模した模擬観測データを用いて 作業効率の向上について検討した結果を図 -9に示す この例によると 従来方法では稼働率が約 6% であり ワンエポック決定 実現後は 9% 以上にも上がることが解る これにより 作業効率の向上に大きく寄与することが期待できる 11

5 図 -9 ワンエポック決定による効率向上 4. 慣性航法複合技術の開発 (1) 慣性航法複合技術の検討 測位は GPS 衛星が5 基以上 ( 安定化のためには4 機より5 機以上が望ましい ) 利用できる場所で使用することが前提となる このため 山間部の建設現場での適用は難しかった 本研究開発では 建設機械への搭載を考慮し 中精度で安価な慣性航法装置 ( :Inertial Navigation System) の活用を前提に 測位技術を組み合わせ 衛星電波が遮蔽され 測位が一時的に中断した場合においても継続して高精度測位が可能な技術を開発した 図 -1に従来の複合方式と今回開発した複合方式の違いを示す 複合航法においては 測位演算結果の位置 速度を用いる既存複合航法方式 (Loosely Coupled 方式 ) ではなく GPS 受信機の観測データである擬似距離 搬送波位相データ等を直接使用する方式 (Tightly Coupled 方式 ) とした (2) 実験結果と考察シミュレーションソフトにて 及びGPSデータを作成し 可視衛星数を変化させて評価した 結果を図 に示す 本結果より 衛星電波が遮断され 可視衛星数が4 基以下となるような山間部においても 建設機械に搭載可能な低価格 と による複合補完により位置誤差の増大を抑制し 測位を継続できることを確認した これにより 今までできなかった山間部で利用が可能になり 利用シーンの拡大 さらに情報化施工への展開が可能となると思われる 従来方式 (5 衛星以上の観測データが必要 ) 新規方式 (4 衛星以下の観測データでも有効 ) 位置 速度 位置 姿勢 位置 速度 位置 姿勢 センサ誤差補正値 カルマンフィルタ センサ誤差補正値 カルマンフィルタ 位置 速度 擬似距離 搬送波位相 ドップラ周波数 図 -1 複合航法方式の違い 12

6 [ 従来方式 ] (m) (cm) 図 -12 今回方法 4 基 3 基 5 基 拡大図 4 基以下では累積誤差を抑制できない ( 増大 ) 図 -11 従来方法 [ 今回方式 ] (m) (cm) 3 基 4 基 5 基 拡大図 4 基でも 2 分以上誤差 1cm 程度 まとめ (1) 研究の成果本研究の成果をまとめたものを 図 -13に示す 212 年から準天頂衛星や Galileo 衛星のサービスが開始され 地球を周回する測位衛星数が 8 基以上となり 我が国の都市部や山間部においても 5 衛星以上が常時可視できる場所が増えることになる そのため これまで 2~3 基の GPS 衛星しか可視できなかった山間部にお 目的 : 作業用車両等の中低速移動体における継続した高精度測位を実現 測位の高度化による適用分野の拡大社会的効果ニーズ : 利用できない時間を無くしたい 安定して使いたい 現状のレベルの精度を維持したい GPS 衛星 基 安全で安心な国土 (1) マルチパス誤差低減技術要素技術開発建設機械 骨格的空間情報の整備情報化施工 劣化信号除去アルゴリズム開発 基盤空間情報の整備ワンエホ ック 技術稼動管理 次世代デジタル道路地図 ( 実験例 高速初期化のために誤差 :1m 2m) (5 衛星以上が可視である場所 ) 利用シーンの拡大現状 高速初期化に有効 2m 以内であることが必要移動体の継続測位が可能 基準点測量統合化作業車両 災害 被害の軽減 転圧管理統合化除雪作業転圧ローラ等による 災害の予測 予知 ((2) 海上工事 ) 高速初期化技術配送トレーラ慣性航法複合技術 迅速な災害情報収集施工管理に利用 (2) ワンエポック決定アルゴリズム開発高速初期化技術 (4 衛星以上が可視である場所 ) 実 危機管理の支援 最適衛星選択と運動モデルの検討ワンエポック決定アルゴリズム開発 高品質 高信頼性用鉄道 従来 従来 稼働率向上のため初期化時間 : 数 1 1 秒 ~ 数分 3 次元姿勢方位角取得数分 本研究 : 1 秒 ~ 数秒数秒 (5 (5 衛星以上 ) 運行管理 1 秒 ~ 数秒 ) 行政サービス向上 リアルタイム制御可能化信号制御 消防 ( 消火栓位置 ) 警察 固定資産 地籍自動車 (3) 慣性航法複合航法技術慣性補完 212 ( 年ジャイロ ~ 次世代衛星測位環境 ) 技術高精度ナビ / 複合アルゴリズム開発さらなる利用シーンの拡大快適 利便の提供準天頂衛星安全運転支援 道路交通 電波遮断時も測位継続 GPS 衛星 基高度化への対応 鉄道 歩行者 Galileo 衛星 基 (4 (4 衛星でも 2 分間以上 1cm 1cm の測位精度 ) 測量 高品質 信頼性情報化施工への展開応用測量 新規産業の創出 姿勢情報 ( 方位 傾き ) 取得 油圧ショベル等への適用基準線測量 雇用確保都市部や山間峡谷地でも リアルタイム制御 自動制御 無人化施工 経済成長 1cm レベルの測位が可能適用 1 移動体での利用における安定化 利用エリアの拡大( 山間での利用 ) 利用時間の拡大( 連続性の確保 ) 2 準天頂衛星による補正データの活用 基準局の設置が不要 地上の通信インフラが不要 図 -13 成果のまとめいても5 基の衛星が可視できることになる 今回開発したワンエポック 技術は 海上 平野部 都市部及び山間部を問わず5 基以上の衛星電波が受信できる場所であれば 建設機械だけでなく 道路作業車 配送トレーラ及び農業機械などの移動体にも適用が可能になると思われる しかしながらこのような次世代衛星利用環境においても 山間部の峡谷地や山岳に隣接する道路沿い さらには高い樹木に電波が頻繁に遮られる場所においては 移動体では必ずしも 5 衛星以上の衛星電波を安定して受信できるとは限らない 慣性航法複合技術は 継続性 信頼性 完全性を向上させることで 比較的可視衛星数が限られる場所 データの品質やシステムの信頼性を求められる分野 3 次元位置だけでなく方向と傾きが必要な分野 リアルタイム制御 ( 数十 Hz 以上 ) を必要とする分野で利用できるため 建設機械 作業車両 鉄道 農業機械 自動車等の陸上移動体及び次世代の基盤空間情報の整備に広く適用されていくと期待される ( 図 -14 参照 ) (2) 今後の開発計画本研究は 平成 15 年度から同 19 年度までの5カ年であり 昨年度有識者による中間評価を受け 研究の継続性が認められたところである 準天頂衛星の打ち上げ計画については平成 2 年度から平成 21 年度に変更されたところであるが 平成 19 年度の研究取りまとめにむけ 高精度測位ソフトウエアの開発 評価 検証を行っていきたい 13

7 平成 15 年度 (23) 平成 16 年度 (24) 平成 17 年度 (25) 平成 18 年度 (26) 平成 19 年度 (27) 中間評価 最終評価 調査検討 計画 技術動向の調査検討車載 走行実験基本検討要素技術開発候補の選定全体構成の検討実現方式の検討機能性能要件の定義 要素技術開発 マルチパス誤差低減アルゴリズム 高速初期化アルゴリズム 複合補完 ( ジャイロ ) アルゴリズム 試作ソフトウェア開発 試作ソフトウェア開発及び評価 実証実験 性能評価 総合評価 図 -15 開発スケジュール 図 -14 成果の活用イメージ < 参考 > 準天頂衛星システム計画の推進体制と計画 ( 案 ) について 26 年 4 月 25 日宇宙開発委員会資料より抜粋 14

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