IMES

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1 IMES 既存の GPS で屋内外をシームレスに 3 次元ナビができる日本発の革新的な技術 ION GNSS 2010 Sep.21-24,2010 0

2 IMES によるシームレス 3 次元ナビの概念図 IMES IMES IMES IMES GNSS IMES IMES GNSS GNSS IMES

3 シームレス 3 次元ナビのコンセプト 屋外 屋内 GPS GPS QZSS GPS IMES IMES 緯度 : 経度 : 高さ : 20.0 IMES IMES エレベータ 地下 IMES

4 IMES の特徴 1. シームレス衛星測位に関する決定的技術 2. 一定以上の精度劣化がない 3. GPS 以外の消費電力増がない 4. 屋内で確実な 3 次元ナビができる 5. 既存 GPS ハードの変更は不要 ソフトだけ 6. IMES 送信機間の同期不要 7. IMES 信号の測距不要 8. IMES 方式は全ての GNSSに応用可能 9. 米国政府によりIMES 用 PRNコードが正式に承認 10.QZSSの屋内測位機能として正式採用 3

5 IMES と高感度 GPS の精度比較 高感度 GPS から得た位置 IMES から得た位置 屋内で測位! 300m の誤差

6 IMES 設計のコンセプト (1) GNSS 技術と全く同一技術で屋内外のシームレス測位を実現スードライトに比較し 極めて簡単な設置で実践的どんな高深度な場所でも機能する唯一の方法全ての GNSS 信号と互換性および共通使用が可能信号構造 中心周波数 変調方式等は完全な GPS 方式 信号内容を航法データの代わりに座標値 フロア階数に置き換え GPS 受信機には IMES の PRN コードを書き込むだけ PRN コードは米国政府により IMES 用として正式承認 考え方は SBAS と同様 PRN コード追加で機能 5

7 IMES 設計のコンセプト (2) 項目 IMES Pseudolite 擬似距離の計測 不要 要 送信機側の時刻同期 不要 要 屋内反射波の影響 無 影響大 不安定 設置の簡易度 大 極めて複雑 2 次元測位 1 個 3 個一組 3 次元測位 1 個 4 個一組 静止状態における初期位置 表示可能 表示不可能 6

8 GPS と IMES の信号構造比較 項目 GPS IMES 中心周波数 MHz MHz +/- 8.2kHz PRN ID PRN コードチップレート 1.023MHz 1.023MHz PRN コード長 1ms 1ms データレート 50bps 50bps 変調方式 BPSK BPSK 偏波 RHCP RHCP

9 IMES のメッセージタイプ メッセージID フレーム長 メッセージ内容 反復周期 #0 3 ワード 2 次元位置, フロア階 1.8 秒 #1 4 ワード 3 次元位置, フロア階 2.4 秒 #2 - Reserved - #3 1 ワード Short ID 0.6 秒 #4 2 ワード Medium ID 1.2 秒 #5 - Reserved - #6 - Reserved - #7 - Reserved - IMES の仕様は下記の WEB を参照 ; 9

10 IMES メッセージタイプ メッセージタイプ #0, 緯度, 経度, フロア階数 緯度と経度の精度は約 2.4m 10

11 IMES メッセージタイプ メッセージタイプ #1, 緯度, 経度, 高さ, フロア階数 緯度と経度の精度は約 1.2m 11

12 IMES メッセージタイプ メッセージタイプ #3, Short ID メッセージタイプ #4, Medium ID 12

13 当社が提供する IMES のトータルソリューション 1. IMES 送信機 (LSI IMES 基板 IMES ユニット ) 2011 年中旬予定 2. IMES 設置システム 3. IMES DB 管理システム 4. IMES 受信機 ( Chip モジュール ユニット ) IMES に最適な GPS 受信機を用意 5. IMES および関連特許 13

14 サイズ, ( 大きさ ) IMES 開発計画 IMES 第三世代 IMES 第四世代 LSI チップデザイン 生産 量産化 究極のシームレスポジショニング技術に向けての研究開発 LSI コアサイズ : 3mm 角パッケージサイズ : 10mm 角 2011 年第二四半期リリース予定 $1000 $100 $10 サイズ 価格 時間 14

15 IMES チップの機能ブロック図 Ext. Pulse 1/10/100/1000ms LSI DAC VCTCXO EEPROM or FLASH EEPROM/ FLASH I/F Frame Pulse Selector FLL PLL Serial Driver SIO Control SYN CP VCO Loop Filter IR Driver IR Control Freq Div (1/19) 1/2 SEL TEST IMES Gen Filter DAC VATT ATT Power Cont. CPU Control Proc. RAM Gain Control 15

16 IMES 開発の歴史

17 1 アシスト方式 2 携帯端末方式 3IMES 方式 米国クアルコム社 (CDMA 方式 ) 1990 年代初頭 ( 特許所有 = スナッフ トラック社 ) を 1000 億円で買収 世界の 3 大 GPS インドア測位技術 英国 CSR 社 (egps) 2008 年頃に特許確定 2009 年初頭に米国 Sirf 社と合併 携帯側で同期信号を作り出す! 日本 JAXA/ 測位衛星技術 今年度開発 GPS egps ソフト 準天頂 GPS IMES 測位サーバー GSM( 非同期ネットワーク ) GPS に同期した通信ネットワークするのみで機能する CDMA( 同期ネットワーク ) どちらも対応可能 IMES の信号仕様は 米国に IMES 用信号を GPS の一部として正式に公認 (QZSS-IS) され 携帯用 GPS のソフトの改修のみで機能する 特 徴 ( 利点 ) 1KDDI,SOFTBANK で普及している方式 2 高感度 GPS として屋内測位ができる 3 同期通信回線網との組合せでのみ機能 4 精度は数十 m~ 数百 m( 環境次第 ) で不定 5 同期ネットワークでないと機能しない 6 深い屋内では測位不能 7 高さの精度は不確実 ( 利点 ) 1 同期 非同期ネットワークに対応できる 2 ソフトウエア追加で携帯端末間で同期させる 3 通信ネットワークに設備改変不要 4 精度は GSM 方式で最高値 100m 位で不定 5CDMA,GSM 両方に適合 6 深い屋内では測位不能 (GPS 信号が必要 ) 7 高さの精度は不確実 注 )egps はベンチャー企業の CPS 社が開発し特許化した 2007 年頃に CSR 社が CPS 社を買収 ( 利点 ) 1 全世界の衛星システムで共通に使える 2 屋内外を問わず機能する 3 他の測位方式と共存可能 4 同期 非同期ネットワーク共に適合 5 携帯内の GPS のソフトの変更のみで機能 6 他の方式が機能しない深い屋内でも機能 7 フロア高さ等ビルの階を表現できる 8 精度は 5m~30m 位の範囲で一定 9 携帯電話における消費電力の増加がない

18 IMES のアイデアのプロセス

19 シームレス測位 スードライト IMES IMES は究極のシームレス測位技術 2001 国総研や丸の内での測位実証実験にて 壁際でも高精度測位実現 IMES を NAL 向けに開発 ヘリコプターから擬似 GPS 信号を送信 ( 国内初 ) 2007 はこだて未来大学および早稲田大学にて 国内初の屋内測位インフラ実験システムを完成 豊田市にて IMES による屋内外シームレス測位の実証実験を行い 地下街でも高精度ナビを実証 2007 年 2008 年 神戸市地下街での自律移動支援プロジェクトにて地下街に約 70 台の IMES を設置し 実証実験を実施 シームレス測位の三次元ナビの有効性を実証

20 シームレス測位 スードライト IMES 弊社のIMES 開発の歴史 1997 年 2001 年 10 月 2001 年 12 月 2002 年 3 月 2002 年 3 月 2003 年 2 月 2003 年 2 月 2005 年 3 月 2005 年 3 月 2007 年 2 月 2007 年 3 月 2007 年 12 月 2008 年 3 月 2008 年 3 月 2009 年 3 月 GPS 及びスードライト ( 擬似衛星 ) の研究開発に着手 国総研の歩行者 ITSでのスードライトでの社会実験第 1 世代 IMESの自社開発 (NAL 納入 ) 歩行者 ITSでにスードライトにより丸の内での社会実験擬似 QZSS 型 L1C 対応 1ch. スードライト自社開発 1ch. リアルタイム型スードライト自社開発 (NAL 納入 ) はこだて未来大学での測位実験 4ch. 同期型スードライト自社開発 ( 早稲田大納入 ) 早稲田大学 WABOT-HOUSEでの屋内測位実験第 2 世代のIMES 自社開発 (JAXA 納入 ) 都内大型ビル地下駐車場でのシームレス実証実験第 3 世代のIMES 自社開発 (JAXA 納入 ) 豊田市自律支援実証実験 第 4 世代のIMES 自社開発 ( 国交省自立支援 ) 神戸市自律支援実証実験

21 GPS シグナルジェネレータ

22 CDMA 基地局用 GPS 信号発生装置 GNSS の開発範囲 KDDI 網 地下基地局用遠隔監視装置 携帯電話用基地局 GPS CDMA GPS EV-DO 地上設備部分 地下設備部分 全国の地下鉄駅 大型ビル等で GPS の信号が受信できない場所に携帯用基地局を設置した時に基地局間の同期を行うシステム GPS 信号発生器 GPS GPS 携帯電話用基地局 CDMA EV-DO

23 4 チャンネル GPS 信号発生器

24 2005 Ver Ver Ver LSI 2008 Ver.4.0

25 IMES 開発キット IMES Evaluation Kit 1) Settings -PRN -Message type -Message contents -RF power level 2) Operation -RF on/off -PRN code on/off USB -NAV data on/off 3) Monitor -Status monitor -Diagnosis message IMES Commander Software IMES Signal Generator IMES シグナルジェネレータ 1) Acquisition & Tracking -PRN1-32, ) Nav Data Decoding -GPS L1 C/A -IMES L1 C/A 3) Position -Latitude -Longitude -Height -Floor information IfEN NavX-NSR Software Receiver L1 Passive Ant. IMES MHz IMES Compatible L1 Ant. L1 Front L1 Receiver End IMES セットアップソフトウェア

26 IMES 対応受信機開発 受信機のイメージ ( 本体 アンテナ USB ケーブル )

27 IMES セットアップソフトウエア

28 IMES セットアップソフト ( 拡大図 )

29 IMES セットアップソフト ( 拡大図 )

30 IMES 設置システムの流れ ラスターデータ ラスター ベクタデータ 変換 ヘ クターテ ータ GIS プラットフォーム ベクターデータ 3D CAD レーザースキャナーシステム Laser Profile Data データベース 電波放射 シミュレーション IMES マスターデータベース IMES の座標等の登録 設置位置 決定 30

31 IMES の総合 DB 管理システム IMES ID PRN 設置 / 設定日 設置管理者 etc IMES マスターデータベース 3D CAD データベース リレーショナル データベース フロアの配置換え データベース更新 31

32 IMES の応用市場 全世界の携帯電話 スマートフォン PND 等 IMES はシームレス 3 次元ルート案内のカギになる技術 Search & rescue へ応用 E911 関連の応用システムで信頼かつ安定した精度の位置表示機能 人や動物などのモニタリング 携帯電話市場における世界の動向 以下 3 ページデータ 32

33 世界の携帯電話登録台数の推移 ( 単位 :10 万人 ) 参照 : シードプランニング社資料より Other WCDMA/TD-SDMA/3.9G CDMA GSM 予測値

34 世界の携帯電話出荷台数の変遷 参照 : 日経マーケットアクセスより (As of 2008) 予測値

35 世界各国の推定携帯電話数量 1 その他 2 アジア 太平洋地域 3 カナダ メキシコ 中南米 南アメリカ 4 東欧 5 韓国 6 中国 7 西欧州 8 北アメリカ 9 日本 参照 : 野村総研資料より野村総研推計 予測値

36 IMES の実証実験

37 IMES の社会実験 携帯電話の GPS には IMES に指定された PRN コードを登録するのみ

38 主な実証実験 項目プロジェクト名エリア実施主体実施年月日 1 シームレス測位の 社会実験 豊田市 駅地下街 国土交通省 2008 年 3 月 2 地下街歩行者通路における シームレス測位の 社会実験 神戸市 三宮地下街 国土交通省 2009 年 3 月 地下ショッピング街でのシームレス測位 東京駅周辺 経済産業省省 2010 年 3 月 3 システム実験

39 豊田市におけるシームレス測位の社会実験 (1) 1 1 新豊田駅を起点にした実験で IMES は屋内において正常に機能した事が証明された 2 IMES 送信機 総距離 : m

40 豊田市におけるシームレス測位の社会実験 (2) 1 2 商店街付近で実験を終了 全行程で IMES による屋内測位は携帯電話の画面で正確に誘導できた 2 IMES 送信機

41 神戸三宮地下街における地下街歩行者通りでのシームレス測位の社会実験 (1) E13 E12 E11 E9 E8 E7 ア 8 E10 E6 ア 6 E3 E4 E5 E 8 E J7 J9 J8 J10 J6 J11 J12 J13 地上 J14 J15 J5 J3 J4 J2 J1 E2 E1 T T18 T17 T16 T19 T20 ア4 2-5 T15 ア2 T12 T11 T13 T14 ア 1 T10 T9 T7 T8 T6 T4 T5 T3 T2 T1 8-1 J16 J17 J18 J19 GNSS J20 Technologies Inc. 三宮地下街における IMES の配置図

42 三ノ宮地下街における 3 次元道案内の概略図 ユーザーの要望による インテリジェントルートガイダンス 車椅子 / ベビーカー 歩行者 行き先 実験の主目的 : - 身体障害者等の高深度地下街における 3 次元道案内 - IMES による 3 次元道案内で無事に目的場所に到達できた

43 神戸三ノ宮における IMES の設置例 IMES 送信機 IMES 送信機

44 神戸三ノ宮地下街において IMES による誘導で携帯電話画面に正確に位置を表示 屋外では自動的に GPS 衛星からの信号で測位を行う 地下街におけるルート案内で IMES は その精度の安定度と機能有効性を証明した

45 東京駅地下街でのシームレス測位実験の例 (1) 2 1F 1 1 丸ビルの外部からスタートした 携帯電話は高層ビル街の谷間を GPS モードでスタートし ビル内に入り IMES にスムーズに切り替わる実験を行った 新丸の内ビル内に設置した IMES 送信機の場所 携帯電話端末からみた上空視界

46 東京駅地下街におけるシームレス測位実験の例 (2) 2 1F 1 2 レストラン近くで実際の位置関係をマップ上で確認した - 携帯電話は IMES モードを示し正確な位置を地図上に表示した - この実験では高深度屋内において正しく目的地に誘導できた 新丸の内ビル内に設置した IMES 送信機の場所 IMES inside

47 受信距離と電波の減衰量の関係 ( 屋内外での結果比較 ) 20dB 伝播減衰量 (db ) 屋外 屋内 25dB 距離 (m) 備考 : シールドルームでの計測値

48 結 論 IMESはGPSでシームレス測位を実現する画期的な新技術屋外 GNSS 測位がどの方式よりも優れている 浅い屋内 現在は高感度受信機 アシストGPS 等 高深度屋内 IMESが絶対的に有利 ( 近未来は中程度の高感度受信機 +IMES の組み合わせがベスト ) IMES は GPS のみならずグロナス ガリレオ コンパス等のすべての衛星航法システムの受信機で実現可能 GNSS の基本仕様により実現 他の全ての GNSS 信号と互換性を持っている 48