我が国のあるべき 衛星測位システムについて

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1 MADOCA 及び MADOCA-PPP の 開発状況について 宇宙航空研究開発機構衛星測位システム技術ユニット小暮聡 平成 28 年 3 月 29 日 MADOCA 利用検討会準備会合 ~ 精密衛星測位のグローバル展開に向けて ~

2 目次 MADOCAとは? MADOCA-PPPとは? MADOCA/MADOCA-PPPの開発経緯 MADOCA-PPP 実証実験システム MADOCA 開発状況 (MADOCAの現状性能) MADOCA-PPP(MADOCA-PPPの現状性能 ) PPP/PPP-ARの応用利用 移動体への適用例 今後の課題 まとめ 2

3 MADOCA: MADOCA とは? Multi-GNSS Advanced Demonstration tool for Orbit and Clock Analysis PPP 方式を実現するために不可欠な精密軌道クロック推定ソフトウェア GPS, GLONASS, QZSS Galileo BeiDou に対応 グローバルに展開したモニタ局で収集した観測データから軌道 クロックオフセット コード / 搬送波位相バイアス 電離層遅延 対流圏遅延量等を推定 最新の物理モデル実装 太陽輻射圧モデルの改良 PPP 方式で cm 級の測位精度を得るためには 衛星から受信機までに含まれる搬送波の波数を正確に推定することが必須であり そのためには軌道 クロック合わせた誤差を数 cm 以内に抑えなければならない 現時点の開発状況 ソフトウェア実装を完了 GPS GLONASS の軌道 クロック推定精度 : 世界トップレベルの性能を達成 GALILEO BeiDou については チューニング中 ( 要精度向上 ) 3

4 MADOCA-PPP とは? MADOCA-PPP(Precise Point Positioning): MADOCA を用いて生成した精密軌道 クロック情報を用いた単独搬送波位相測位方式 GPS, GLONASS, QZSS Galileo BeiDou に対応 二周波 (L1/L2 L1/L5) 利用 三周波 一周波利用についてもユーザレベルでの評価実施 ( 移動体利用 ) アンビギュイティ推定機能 =PPP-AR 電離層 対流圏遅延量推定機能 = ローカル補正情報生成 測位解析ツール RTKLIB を機能拡張 ユーザ測位性能の評価を実施 現時点の開発状況 リアルタイムの二周波 PPP: 定点観測で水平 垂直とも 10cm(rms) 以下の精度を達成 更なる高精度化 初期化時間短縮については 課題解決のための手法 * の有効性は確認したものの 安定性や移動体への応用に課題あり アンビギュイティ整数化 (Ambiguity Resolution:AR 方式 ) ローカル補正情報 ( 電離層 対流圏遅延補正 ) の利用 4

5 単独搬送波位相測位 (PPP) cm 級の測位精度が可能な精密測位方式 MADOCA-PPP とは? 従来から使用されているRTK 方式等とは異なる測位手法 搬送波のアンビギュイティを整数解まで求める方式はPPP-ARと呼ばれる RTK 方式 PPP/PPP-AR 方式 1 衛星軌道 時計 2 電離層遅延 3 対流圏遅延 基準局 主な誤差源 基準局との相対位置を推定 基準局間 衛星間との二重位相差により誤差 12 3 を低減 (5 衛星以上の可視が必要 ) 一周波もしくは二周波観測 cm 級測位精度 稠密な電子基準点網に依存したローカルサービス 初期収束時間が短い ( 即時 Fix も可能 ) 4 雑音 マルチパス 絶対位置を推定 精密な軌道 クロックを利用 二周波観測で 2 をキャンセル 推定 モデル等により誤差 3(2) を低減 cm 級 (PPP-AR)~dm 級 (PPP) 測位精度 グローバルサービス 初期収束時間がかかる (30~40 分 ) 5

6 PPP 技術課題 リアルタイム測位精度改善 現状 : 10cm オーダー MADOCA-PPP とは? 農機や建機自動化では数 cm 精度要求あり アンビギュイティ整数化による精度改善 初期化時間短縮 現状 : 30 分 ~40 分 水平方向収束時間 要求 : 1 分以内 複数 GNSS 利用による衛星数増 新周波数帯信号利用 ローカル補正情報の利用 移動体利用 搬送波利用 = サイクルスリップ 追尾中断に弱い マルチシステム利用 初期化 / 再収束時間短縮 ( ローカル補正情報 ) マルチセンサ統合 6

7 MADOCA の開発経緯 MADOCA 開発のモチベーション 複数 GNSS 時代の到来 アジアは衛星測位利用のホットスポット QZSS 補完効果のメリット相対低下の懸念 アジア地域 = 巨大なマーケット アジア オセアニア地域全域で使える補強サービスが QZSS のメリット最大化 利用可能測位衛星数 ( 仰角マスク 30 度 ) GPS(32)+ Glonass(24)+ Galileo(30)+ BeiDou(35)+ QZSS(4)+ IRNSS(7)+ SBAS(13) 7

8 MADOCA の開発経緯 MADOCA 開発のモチベーション LEX 信号利用 利用可能な衛星は全て利用したい アジア オセアニア及び QZSSが見える洋上で利用したい 伝送容量の制約 (1.7kbps) から効率的な補正情報配信が必要 JAXA のアプローチ グローバルで使用できる補正情報を衛星から優先的に送信 ローカルでしか使えない情報は地上回線でローカルに配信 8

9 MADOCA の開発経緯 開発経緯 みちびき打上げ後 複数 GNSS 時代の到来を睨み 2011 年より開発着手 第 1 フェーズ ( ):GPS GLO QZS 後処理最終暦で世界一の精度達成 2013 年よりみちびき LEX 信号によるプロダクト配信開始 開発チーム 複数 GNSS 高精度軌道時刻推定アルゴリズム研究会 NEC 東京海洋大学 第 2 フェーズ ( ):GAL BDS 追加 PPP/PPP- AR 向け機能追加 搬送波位相初期バイアス推定 (Fractional Cycle Bias FCB) ローカル補正情報生成機能 ( 電離層 対流圏遅延量推定 ) 開発チーム ライトハウステクノロジーアンドコンサルティング 東京海洋大学 東京エレクトロニクツシステムズ 富士通 (~2015/3) 早稲田大学 (2015/4~) 9

10 MADOCA-PPP 実証実験システム MADOCA-PPP 実証実験システム (MADOCA-SEAD) 概要 BeiDou 衛星配信 ( みちびきLEX 信号 ) グローバル監視局網 精密軌道クロック推定 S/W プロダクト配信システム ローカル補正情報生成 配信システム インターネット配信 10

11 MADOCA-PPP 実証実験システム MADOCA のソフトウェア構成 S/W Architecture MGM -Net RTCM, BINEX, Javad IGS etc RINEX, SP3, ERP Data Interfaces Real-Time I/F Offline DL MGPLOT Parameter Estimator Data Interfaces MGRTE LMG EKF MGEST LSQ MADOCA API QZSS MCS LEX MT 12 11

12 MADOCA-PPP 実証実験システム MGM-Net MGM-net 整備状況 (H28 年 3 月 25 日時点 ) みちびき 監視局 データ共有機関の監視局 二機関間協定に基づくデータ共有局 (JAXA と当該機関間のみ ) 運用中 (98 局 ) 運用休止中 (7 局 ) JAXA 所有受信機ホスト局 二機関間協定に基づくデータ共有局 ( 全参加機関間で共有 ) 建設中 (8 局 ) 設置交渉中 (7 局 ) 12

13 MADOCA-PPP 実証実験システムみちびき LEX 信号配信 (1/2) MADOCA プロダクト配信データフォーマット : メッセージタイプ 12 (IS-QZSS ver 1.7*) LEX message(2000 bits/sec) Data Part(1695 bits) LEX Header (49bits) TOW (20bits) WN (13bits) SSR message part Reserved (Variable) Reed- Solomon code (256bits) SSR Packet #1 (Variable) SSR Packet #2 (Variable) SSR Packet #N (Variable) Reserved (Variable) Reed- Solomon code (256bits) Preamble (8bits) Reserved (6bits) Message Length (10bits) Variable Length Data Message (Variable) CRC (24bits) LEX メッセージのデータ部に RTCM SSR データパケットのヘッダ CRC を除いた Variable Length Data Message を詰めて順次送信 RTCM Message #1 Preamble (8bits) Reserved (6bits) Message Length (10bits) Variable Length Data Message (Variable) CRC (24bits) RTCM Message #2 IS-QZSS Ver 1.7 RTCM ドラフト版を公開しました v.3 Message structure Preamble (8bits) Reserved (6bits) Message Length (10bits) RTCM Message #N Variable Length Data Message (Variable) CRC (24bits) 13

14 MADOCA-PPP 実証実験システムみちびき LEX 信号配信 (2/2) MADOCA プロダクトの LEX メッセージ配信 以下の RTCM 標準を適用 軌道 クロック コードバイアスを送信 RTCM SPECIAL COMMITTEE NO. 104, RTCM Paper SC104-STD, RTCM STANDARD DIFFERENTIAL GNSS (GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEMS) SERVICES VERSION 3 with Amendment 2, Nov, RTCM SPECIAL COMMITTEE NO. 104, RTCM Paper SC , Proposal of new RTCM SSR Messages SSR Stage 1:Galileo, QZSS, SBAS. BDS for RTCM STANDARD , v.6, May, RTCM でまだ標準化が完了していない搬送波位相バイアスについては以下の作業文書中ドラフトを適用 RTCM SPECIAL COMMITTEE NO. 104, Proposal of new RTCM SSR Messages SSR Stage 2: Satellite Phase Biases for RTCM STANDARD , v.5, April, RTCM フォーマットからの変更点 クロック補正については ハイレートクロック補正情報に含めて送信 搬送波位相バイアス (FCB) に FCB 推定精度の参考情報として標準偏差情報を追加 各情報の更新頻度 SSR Packet 軌道補正情報 URA 情報高速時刻補正情報搬送波位相バイアス情報 更新間隔 30 秒 30 秒 2 秒 900 秒 14

15 MADOCA-PPP 実証実験システムインターネット配信 MADOCA プロダクトインターネット配信 目的 = 実証 利用機会の拡大 LEX 受信機が無くても MADOCA-PPP の利用が可能 みちびきの不可視時間帯でも実験が可能 みちびき打上げ 4 周年にあたる 2014 年 9 月 11 日から配信を開始 NTRIP Caster を用いたデータストリーム (RTCM-SSR) を 2 チャンネル 使用条件に合意 申請すれば アカウントを発行 研究 開発用途無償利用可能 15

16 軌道クロック推定性能の現状 MADOCA の性能について GPS Glonass QZSS について下記の目標性能を達成 IGS の最終暦は複数の解析センターの解を加重平均した数値で世界中で最も真値に近いレファレンスとして利用されている 後処理の推定結果は IGS の解析センターに比肩するレベル IGS AC Coutry (headquarters office) Analysis Software GPS # of Stas Orbit RMS ( cm ) R A C 3D JPL USA GIPSY/OASIS-II NGS USA arc,orb,pages,gpscom CODE Switzerland Bernese GFZ Germany EPOS MIT USA GAMIT, GLOBK Japan MADOCA SIO USA GAMIT, GLOBK ESA(ESOC) Germany NAPEOS GRG France GINS, DYNAMO IGS AC Coutry (headquarters office) GLONASS Analysis Software # of Stas Orbit RMS ( cm ) R A C 3D IAC Russia STARK,POLAR? ESA(ESOC) Germany NAPEOS GFZ Germany EPOS Japan MADOCA GRG France GINS, DYNAMO CODE Switzerland Bernese MCC Russia STARK, POLAR? MADOCA の軌道推定の実力 (IGS 最終暦との差の 2015 年 1 年間の平均 ) 新たな衛星システムについては今後 衛星モデル ( 太陽輻射圧モデル ) の改良やパラメータチューニングが必要 Galileo BeiDou については目標性能未達 16

17 リアルタイム PPP 性能評価結果 PPP/PPP-AR の性能について グローバル配置の 10 局を選び 継続的にリアルタイム PPP 及び PPP-AR の精度評価を実施 評価期間 11/15~21 の 7 日間に対し サイクルスリップが頻発している南米の SALUO 局を除き 水平 6cm 垂直 10cm(rms) 以下 ( 平均 H:4.63cm V:5.63cm) PPP-AR については 水平 3cm 垂直 6cm(rms) の目標を満たしたのは 9 局中 3 局 => アルゴリズム改良の必要あり リアルタイム PPP でグローバルに 10cm 以下 (rms) の精度を確認 観測データの品質チェックなど 環境に応じた衛星選択等アルゴリズムの改良が課題 (PPP-AR については後述 ) 17

18 PPP-AR の効果 PPP/PPP-AR の性能について 解が Fix しているケースでは AR による精度改善の効果が見られる TSK2 局水平 5.12cm(rms) 垂直 7.49cm(rms) Float 解期間 課題 :Fix 率向上 ミス Fix の低減 18

19 PPP/PPP-AR の性能について ローカル補正情報利用による初期化時間短縮 条件が悪いケースにおける収束時間悪化 ( 収束途上の精度劣化 ) の要因の把握が重要 19

20 PPP/PPP-AR の応用利用 地上インフラ未整備地域や洋上でも精密測位が利用可能なためその特性を活かした応用利用が期待されている 農機自動走行 防災 減災 ( 津波監視ブイ ) 鉱業機械自動化 洋上プラットフォーム建設 変位監視 車両自動走行 数値天気予報 20

21 移動体への適用例 :FY27 SIP 走行実験 ( 後処理解析結果 ) 走行試験概要 10 月 28 日 ( 水 )~30 日 ( 金 ) 都市間高速 ( 桜土浦 谷田部 ) 2PPPAR 後処理解析 NovAtel GPS 703-GGG Trimble NetR9 都市間高速 ( 桜土浦 谷田部間 ) 走行コース 測位誤差ヒストグラム (local 補正無し ) 上記結果は経済産業省 FY27 年度 SIP 衛星測位活用に向けた基礎評価に関する調査 の取り組みにおいてデータを収録 解析させて頂きました 21

22 移動体への適用例 :FY27 SIP 走行実験 ( 後処理解析結果 ) 走行試験概要 10 月 28 日 ( 水 )~30 日 ( 金 ) 都市間高速 ( 桜土浦 谷田部 ) 2PPPAR+local 補正測位 後処理解析 NovAtel GPS 703-GGG Trimble NetR9 都市間高速 ( 桜土浦 谷田部間 ) 走行コース 測位誤差ヒストグラム (local 補正あり ) 上記結果は経済産業省 FY27 年度 SIP 衛星測位活用に向けた基礎評価に関する調査 の取り組みにおいてデータを収録 解析させて頂きました 22

23 移動体への適用例 :FY27 SIP 走行実験 ( 後処理解析結果 ) 走行試験概要 10 月 28 日 ( 水 )~30 日 ( 金 ) 都市間高速 ( 桜土浦 谷田部 ) 2PPPAR+local 補正測位 後処理解析 NovAtel GPS 703-GGG Trimble NetR9 ローカル補正情報適用により左右方向誤差のオフセットがとれ 精度向上 都市間高速 ( 桜土浦 谷田部間 ) 走行コース 測位誤差ヒストグラム (local 補正あり ) 上記結果は経済産業省 FY27 年度 SIP 衛星測位活用に向けた基礎評価に関する調査 の取り組みにおいてデータを収録 解析させて頂きました 23

24 移動体への適用例 : 和光走行実験リアルタイム解析結果 走行試験概要 2016 年 1 月 20 日 ( 水 )~22 日 ( 金 ) 都市間高速 ( 和光 ) 1PPPAR+local 補正測位 / 2 周波 PPPAR 測位 リアルタイム解析 Javad G5T Javad Delta3 和光都市間高速走行コース 関越道 圏央道 東北道 外環道 測位精度評価結果 ( 全 12 周回分データに対する統計値 ) Image Landsat / Google earth 測位方式 暦 local 補正 受信機 進行方向 95% 誤差 (m) 左右方向 95% 誤差 (m) 高さ方向 95% 誤差 (m) FIX 率 (%) 利用率 (%) 1 周波 PPP-AR 2 周波 PPP-AR LEX 信号単局 javad LEX 信号なし javad 上記結果は本田技術研究所様のご協力の元 本田技術研究所 JAXA 間共同研究の取り組みにおいてデータを収録 解析させて頂きました 24

25 MADOCA-PPP を用いた実験例 自動走行による スマートチャージング デモ 農機自動走行 津波計測用ブイの精密測位 DENSO/NEC/JAXA 共同実験 NEDO バンコク実証事業 ( ホンダ技研 ゼンリンほか ) 測位信号による可降水量推定 北海道大学 /JAXA 共同実験 田植機自動制御に関する共同実験 ( 農研機構 / 中央農研センター ) 総務省 G 空間 ICT 実証 : 豪州における共同実験 ( 日立造船 ヤンマー 日立製作所ほか ) 都市環境下での低速移動体測位 日立造船 / JAXA 共同実験 京都大学 /JAXA 共同実験 JAMSTEC/ 東北大 /JAXA 共同実験 気象研との共同研究 日本大学 /JAXA 共同実験 青字 : 海外での実証実験 25

26 今後の取り組み 今後の取り組み 課題 継続的なプロダクト精度向上 開発環境でのチューニング 長期運用による運用ノウハウの運用環境への取り込み Galileo BDSの軌道クロック推定精度向上 GPSの新型衛星など新しい衛星 システム 信号への対応 初期化時間短縮のための手法の改良 太陽輻射圧モデル等の改良 形状 表面特性のモデル化など ローカル補正情報精度改良 PPP-ARのFIX 率改善 ミスFIXの除去 リアルタイム暦の精度改良 反射波 マルチパス優勢信号の識別除去アルゴリズム開発 センサ統合 精密軌道クロック推定技術は衛星測位の基盤技術として 継続的な研究開発による精度向上 改善に取り組む予定 26

27 まとめ PPP は サービスエリアに対応した基準局を必要としない精密測位方式である インフラ未整備地域 洋上含むグローバルサービスとして補完的に活用することが可能 PPP 方式の実現には GNSS 衛星の精密軌道 クロック推定が必須であり JAXA は基盤的研究としてこの技術開発を実施してきた MADOCA: 複数 GNSS 衛星の精密軌道 クロック推定データを生成するソフトウェアシステム 現時点で他国の GNSS 研究機関が開発したアルゴリズムに比肩するレベルに到達 MADOCA-PPP:MADOCA による軌道クロック推定結果を用いた精密測位方式 水平 垂直とも 10cm(rms) 以下のリアルタイム精密測位サービスの提供が実現可能 測位精度 初期収束時間 移動体利用の技術課題に対し 解決策の有効性を確認 継続的 安定的に効果を発揮するためのアルゴリズム等の改良が必要 GNSS における精密軌道 クロック推定の技術は未だ課題があり 今後も課題解決に向けた研究開発を行っていく予定 27