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1 空間情報構築特論 GNSS

2 2017 年度スケジュール 空間情報構築特論 1. (4/12) ガイダンス 2. (4/19) [ 空間情報の要素技術 ] レーザースキャニング 3. (4/26) [ 空間情報の要素技術 ] GNSS 4. (5/10) ( 休講 ) 学会のため 5. (5/17) [ 空間情報の要素技術 ] リモートセンシング 6. (5/24) [ 空間情報の要素技術 ] 写真測量および画像計測 7. (5/31) [ 空間情報の要素技術 ]GIS( 地理情報システム ) 8. (6/7) [ 空間情報の要素技術 ] BIM/CIM 9. (6/14) 輪講 A1 10. (6/21) 輪講 A2 11. (6/28) 輪講 B1 12. (7/5) 輪講 B2 13. (7/12) ワークショップ型授業 1/ レポート 14. (7/19) ワークショップ型授業 2/ レポート

3 どのようにしたら位置がわかるか? Positioning (GPS) Latitude, Longitude, and Altitude

4 近な GPS といいつつ, GPS ではないものが世の中に多くある模様 Apple Store カーナビサイト Assisted GPS って何? GLONASS って何? みちびき って何?

5 GNSS GPS が使える時と使えないときがある?? GPS 衛星が えないと使えない (1)GPS を使う ( 単独測位を う ) ためには何個以上のGPS 衛星が必要? (2)(1) の衛星数が必要な理由は? (3)GPS 測位の誤差要因は?

6 GNSS 1. GNSS および GPS の概要 2. 単独測位 3. 渉測位 4. 補強システム 5. まとめ

7 GNSS とは GNSS (Global Navigation Satellite System) pp.070 3つの航法衛星 (GNSS 周回衛星) を捕捉することで各衛星からの距離を得るとともに, 4つ の航法衛星からの信号で時刻合わせを い, 地球上における位置 ( 緯度, 経度, さ ) を知ることができる航法システム 本でも利 中 本でも利 中 GPS(USA) 軍が軍事 的で打上げた測位衛星 (1993 年 ) 本も利 予定 Galileo(EU) EU が 2008 年に とロシアに対抗して運 開始予定のシステム GLONASS( ロシア ) ロシアが運営管理している測位システム BeiDou( 北 )( 中国 ) 完成時には衛星 35 基 補強システム ( 衛星ベース ) SBAS 航空機 MTSAT( 本 ) WAAS(USA) EGNOS(EU) 2010 年 9 に 1 基 を打ち上げ QZSS( 準天頂衛星 )( 本 ) 受信障害を軽減させるために 本が計画中のシステム 通称: みちびき

8 System Comparison * Due to be fully operational by 2011 ** Due to be fully operational in 2013 Parameter NAVSTAR (GPS) GLONASS * GALILEO ** No of Satellites No of Orbits Inclination of Orbits to Equator Satellite Altitude Time of Orbit Signals & Frequencies 24 (31) ,200 km 12 hrs (approx) UHF Band Codes L1 P&C/AC Codes Timing L MHz L MHz L2 P Code Only Atomic Clocks: 2 Rubidium * 2 Caesium ,840 19,940 km hrs (approx) UHF Band L1 Band centered on 1602 MHz L2 Band centered on 1246 MHz L1 SP & HP Signals L2 HP Signals Only (Second SP signal) Atomic Clocks: 3 Caesium Spare ,222 km 14 hrs UHF Band L MHz L5a and E5b MHz E MHz OS on L1, E5a and E5b SOL on L1, E5a and E5b + Integrity Check CS on L1 and E6 PRS on L1 and E6 Atomic Clocks: Rubidium * Datum Ellipsoid WGS-84 PZ-90 ETRS-89 Passive Hydrogen Maser Clocks These systems operate in very similar ways, but there are differences which you are required to learn. Here is a table showing the differences: GPS, GLONASS, GALLILEO (Aviation English)

9 GPS をざっくりと説明 Global Positioning System/ 全地球測位システム ( 汎地球測位システム ) 衛星を使った測位システムの つ 正式名称は,NAVSTAR (Navigation System with Time and Ranging) 地上約 2 万 kmのところを んでいる4つの衛星からの電波に乗せられた時刻情報を受信し, 計算することで, 地球上における位置 ( 緯度, 経度, さ ) を知ることができる航法システム How Does GPS Work?

10 GPS 測位の種類 pp.074 単独測位 スタンドアロン型 Assisted GPS ディファレンシャル測位 (Differential GPS:DGPS) 擬似距離を いるケータイ, カーナビ向け簡易測量 相対測位 渉測位 (Carrier Phase Positioning) スタティック測位 キネマティック測位 測量 位相差を いる リアルタイムキネマティック測位 (RTK-GPS)

11 3 つのブロックで構成される GPS pp.071 カーナビは何気なく位置情報を表 しているようにみえるが, その裏側でこれらのセグメントが, 度に洗練された形で連携して位置を求める スペース セグメント Space segment 衛星系 GPS 衛星は, 約 2 万 km 上空の 6 軌道に各 4 基 ( 基本的に ) 計 24 個配置 約 12 時間で地球を1 周 GPS 衛星数は, 保守や予備の関係で増減 (29 年 11 ) ユーザー セグメント User segment カーナビや携帯電話等 GPS 受信機は,GPS 衛星から電波を受信し, 位置を計算 般的にGPSといった場合は, この受信機を指す コントロール セグメント Control segment 地上で GPS 衛星をモニタし,GPS 衛星が送信するデータを作る制御部分 地上管制は,GPS 衛星を監視したり, 制御する 衛星の時刻や軌道が許容範囲を超えないように随時保守を う

12 GPS 衛星の外観 800kg ぐらい スペース セグメント pp.071 衛星個数 24 個 (4 個 6 軌道 )+α 軌道半径 約 26,561km( 円軌道 ) 周回周期 約 11 時間 58 分 軌道傾斜 55 発信周波数 MHz 搭載原 時計 セシウム 2, ルビジウム 2 超 精度な時計 予備 24 個 +α の GPS 衛星が地球を周回 毎年打ち上げ, 新旧交代 ( 約 年で寿命 ) 約 20,200km 200km 上空を周回

13 Comparison of geostationary, GPS, GLONASS, Galileo, Compass (MEO), International Space Station, Hubble Space Telescope and Iridium constellation orbits, with the Van Allen radiation belts and the Earth to scale. The Moon's orbit is around 9 times larger than geostationary orbit. Global Positioning System

14 コントロール セグメント (2014 年 ) pp.071 地上にあって, 衛星の運 を管制するととともに, 世界各地のモニタ局で衛星の動きを観測し, 観測データをコロラド スプリングスのマスタ コントロール局に集めているタ衛星の軌道や原 時計の誤差を計算して衛星に送信し, 衛星が航法メッセージに反映し送信 衛星の軌道追跡 時計の誤差チェック 衛星の動きを世界中のモニター局で観測 Updated April 2014

15 ユーザー セグメント pp.072 カーナビ 両 船舶 航空機 GPS 携帯 地図サービス 測地 地殻変動観測 ロボット制御 無 化施 SNS 精度周波数基準 テレビ放送の基準となる時計と放送周波数のものさしの役割 測量 地形測量 災害観測 デジタル航空写真測量 モバイルマッピング

16 GPS 測位で得られる情報 経緯度 + 準拠楕円体 経緯度は,WGS84 座標系 (GRS80とほぼ同じ) Z 準拠楕円体 標 へ換算 GPS で得られる さ h=h+n グリニッジ天 台 X 本初 午線 G 道 S 午線 楕円体 道半径 (km) 扁平率 Y 座標系と楕円体 WGS84 6,378,137 1 / GRS80 6,378,137 1 / ベッセル 6,377, / 国 地理院がジオイドマップを提供

17 GPS 利 の特徴 番の特徴は 無料 pp 広域性 --- 全地球の陸, 海, 空 2. 汎 性 --- 誰でもが使える 3. 利便性 --- 型化 低価格化 簡便 4. 経済性 --- 投資コストが さい 5. 拡張性 --- コンピュータおよび通信技術と連動

18 GPS の歴史 pp.071 軍事 として まれた地球規模の巨 システム GPS は 国が運 する軍事 の測位システム もともとは, 艦船 戦闘機 軍事 両 ミサイルのナビゲーションを う 的で開発された GPS システムは,1970 年代半ばに開発が始まり,1980 年ごろから本格利 市場のたちあがり, 本格化 1990 年代中ごろから本格化したカーナビゲーション, それに続く,GPS 携帯電話 S/A 解除で精度はコンスタントに 10m S/A(Selective Availability : 選択有 性 ) 湾岸戦争時 (1990 年 8 ), 歩兵に持たせる軍 GPS レシーバの製造が間に合わず, 急きょ の GPS レシーバを調達しなければなくなった. そこで,S/A が OFF 状態にされた 2000 年 5 に S/A 解除, レシーバでもコンスタントに 10m の精度に 軍事 的以外ではわざと精度劣化信号を送信 ( 2000 年 ) 般 も無料で 精度測位 (2000 年 ) 単独測位における測位精度の 安 測位精度 (m)(95% 値 ) 平 向鉛直 向 S/A 実施時 S/A 停 時 ただし 1 仰 5 度以上の可視衛星をすべて利 3 受信機に由来する雑 は考慮しない

19 GNSS 1. GNSS および GPS の概要 2. 単独測位 3. 渉測位 4. 補強システム 5. まとめ

20 単独測位 ( スタンドアロン ) 最も安くて簡単に測位 GPS 測位端末の例 - 受信機 : 1 台 pp 測定対象 : 時間 ( 距離 ) - 信号コード :C/Aコード - 精度 : 約 10m 測位の例 - 観測時間 : 実時間 ( 約 1 秒 ) ( ただし, 測位までの時間を除く ) - 表 : 各国の楕円体の測地座標に変換して経度, 緯度で表. 標 は表 できない - 利 : カーナビゲーション,GPS カメラ GIS 上への展開例

21 GPS 衛星をつかって, なぜ位置がわかるのか? GPS 衛星 もしGPS 衛星から 緯度 経度 さ が送信されていれば, みんなが同じ位置にいてしまう = 使えない 緯度 経度 さ が GPS 衛星から送信されているわけではない GPS 衛星から送信されてくる信号を受信して, GPS 受信機で緯度 経度 さを計算する

22 GPS 衛星をつかって, なぜ位置がわかるのか? GPS 衛星から送信されてくる信号を受信して,GPS 受信機で位置を計算する GPS 信号 1 GPS 信号 2 GPS 信号 3 GPS 信号 4 そもそも GPS 信号とは? 混信しないのか? 信号を受け取るのに必要な時間は? 計算 緯度 経度 さ

23 ふつうの測位 ( スマホやカーナビ ) 1 周波受信機に対応した測位 L1 搬送波 MHz L1 信号 C/A コード MHz 航法メッセージ 50Hz Only the course acquisition code and the Nav system data are available to civilian users whereas the C/A and P codes as well as the Nav and system data information are available to the US military and other approved users. Anti-spoofing measures protect the system. There are two levels of service, the standard positioning service and the precise positioning service.

24 精度な測位 ( 測量, 軍事 ) 精密な測位には,2 周波 ( 多周波 ) 受信機をつかう必要がある L1 搬送波 MHz L1 信号 C/A コード MHz 航法メッセージ 50Hz P コード MHz L2 搬送波 MHz L2 信号 Only the course acquisition code and the Nav system data are available to civilian users whereas the C/A and P codes as well as the Nav and system data information are available to the US military and other approved users. Anti-spoofing measures protect the system. There are two levels of service, the standard positioning service and the precise positioning service.

25 PRN コードと搬送波 PRNコード ( 擬似雑 符号 ): C/Aコードと Pコードがある PRNコード主な 途 1chipの波 pp.073 C/A コード (Coarse/Acquisition) ( カーナビ等 ) 1chip の波 約 300m P コード (Precision) 暗号化 W コード P(Y) コード 偽信号の防 測量 ( ノイズあり ) 軍事 アメリカ国防総省が許可したユーザのみ 1chipの波 約 30m 距離分解能が い測距精度が い ( 測位精度が い ) GPS 信号は,L1 波や L2 波という乗り物 ( 搬送波 ) に乗ってくる L1 波 搬送波 L1 波 L2 波 周波数 MHz MHz L2 波変調信号 C/A, P P 情報航法メッセージ # 現在は,L5 波も使

26 GPS 衛星 (PRN.1) PRNコード ( 擬似雑 符号 ) 航法メッセージ 変調 同 周波数を使 していてもコードで識別が可能 受信機 混信に強い 復調 衛星に応じた PRN コード GPS 衛星信号の流れ PRN 番号 = 衛星の ID 原 時計 搬送波 (L1) 中 周波数 f L1 = MHz スペクトラム拡散信号 基本周波数 f 0 =10.23MHz 154 倍 120 倍 搬送波 (L2) 各衛星の信号を分離 中 周波数 f L2 = MHz スペクトラム拡散信号 衛星から受信機までの信号の伝搬時間 pp.072 PRN.2 PRN.19 PRN.4 PRN.3 PRN.16 PRN.23 位置情報

27 航法メッセージ GPS からの信号には, いろいろ含まれている pp.073 サブフレーム #1 から番号の順に送信する. サブフレーム #5 の送信が完了すると, サブフレーム #1 に戻り, 繰り返しデータを送信する 6 秒 50bpsで 300 ビットのデータを送信するので,1 サブフレームの送信に 6 秒要する フレーム (30 秒 ) サブフレーム #1 サブフレーム #2 サブフレーム #3 #4 #4 #5 サブフレーム #4 #5 #4 サブフレーム #5 #5 #4 #5 ム #4 ム #5 エフェメリス ( 放送している衛星 体の精密軌道情報 ) アルマナック 30 秒に 1 回ずつ繰り返し送信される ( 全衛星の軌道情報 ( 概略 )) 衛星時計の補正情報 30 秒に 1 回ずつ繰り返し送信される 受信機では, サブフレーム #2と#3 の精密軌道情報 ( エフェメリス ) があれば, ある時刻の衛星の位置はこれらのエフェメリス データに基づいて計算できる. 周回中の衛星の情報を順次送信するため 25 ページを要する. 巡するのに 12.5 分 全部で 37500bit

28 スペクトラム拡散 ほかの信号からの 渉を軽減する技術 スペクトラム拡散 : 周波数分布 を 拡散 すること 信号の強さ 伝送信号 次変調 信号の強さ 振幅 向 ( 信号レベル ) が低い = 他機器への影響を減らせる拡散後の伝送信号 周波数 利 する周波数を広げる 周波数 1 ノイズに強い 2 秘匿性が い ノイズ 復調 元の信号 強い信号は発 されやすい スペクトラム拡散 ノイズ 弱い信号は発 識別されにくい

29 直接拡散 式 スペクトラム拡散の 式 基本的な 式には,DSSS と FHSS ホッピング 式 DSSS(Direct Sequence Spectrum Spreading) FHSS(Frequency ( q y Hopping Spectrum Spreading) 信号の強さ 信号の強さ 伝送信号 伝送信号 速でランダムな拡散 の信号で変調 周波数 時間ごとに周波数の位置をずらす 周波数 時間を基準に平均すると, 拡散信号になる 復調では, 拡散 の信号をもとに逆拡散する (= 拡散 の信号を知らないと復元できない ) 〇秘匿性が い例 :GPSなど 〇回路や制御が単純で, 省電 化例 :Bluetoothなど

30 周波数拡散の違い GNSS 測位システム 周波数拡散 無線 式 GPS DSSS CDMA GLONASS DSSS FDMA Galileo DSSS CDMA 無線 LAN 通信規格 周波数拡散 周波数 最 通信速度 古い IEEE802.11b DSSS 24GH 2.4 GHz 11 Mbps 新しい IEEE802.11a IEEE802.11g IEEE802.11n OFDM OFDM OFDM/MIMO 5.2 GHz 2.4 GHz 2.4 / 5 GHz 54 Mbps 54 Mbps 600 Mbps 周波数拡散 周波数 最 通信速度 Bluetooth FHSS 2.4 GHz 約 730kbps ( 対称 )

31 多元接続 (FDMA,TDMA,CDMA) 複数の無線局が電波帯域を共有して情報を送ること FDMA(Frequency-Division Multiple Access) アナログ携帯電話の 式 1 部屋を壁で仕切って 3 で共有するような 法 = 部屋が狭い TDMA(Time Division Multiple Access) 第 2 世代の携帯電話の 式 (2G) 1 部屋を時間を分けて利 するような 法 = 部屋は広いが, 数が多いとめったに使えない CDMA(Code Division Multiple Access) 第 3 世代の携帯電話の 式 (3G) 1 部屋を3 で利 しているような 法. ただし他 2 は えない ( 幽霊扱い ) = いつでも部屋を広く使える LTE や WiMAX は,4G の 1 つ 多元接続 (FDMA TDMA CDMA)

32 50 bps とは, どれぐらいの速度? GPS の電波は地球上どこでも受信できるが, 通信速度はとても遅い bps とは? bits per second の略 (bits/second=bits/ 秒 ) 1 秒間に何 bit のデータを転送するかを表す通信速度の単位 通信速度の 較 GPS : 50bps # k,m,gは,2 10 倍,2 20 倍,2 30 倍で計算するがビット毎秒は10 3 倍,10 6 倍,10 9 倍で計算する 3G : 数 Mbps 14Mbps 4G (LTE): 75Mbps 100Mbps GPSの通信速度の 28 万倍 GPSの通信速度の 200 万倍 37500bit(GPS 衛星からの情報 1 セット分 ) を伝送する時間は? GPS : 37500bit/50bps = 750 秒 (12.5 分 ) 3G : 37500bit/14Mbps = 秒 4G (LTE): 37500bit/100Mbps= 秒注意 :GPS 衛星でネットにつながるわけではないです ( 念のため )

33 測位に必要なデータ 1 擬似距離 (Pseudo range) 衛星電波の伝搬時間に光速度を乗じて求める 2 衛星の位置航法メッセージから取得する 3 補正項電離層の補正係数 気の補正係数 GPS 群の時計同期の補正 航法メッセージから取得する 測位計算ソフトの設定値を いる 航法メッセージから取得する

34 擬似距離 衛星電波の伝搬時間に光速度を乗じて求めた距離 pp.076 電波の伝搬時間をどのようにして測定するか? GPS 信号の受信時刻 ( 時間差 ) を測定すれば伝搬時間を測定できる しかし, 受信機時計が不正確であると伝搬時間は正しくない # とりあえずこれで測定した距離を使う, ということ 精度な時計 GPS 衛星 電波の伝搬時間を計測 擬似距離 = 真距離 + 衛星時計誤差 + 受信機時計誤差 + 電離層誤差 + 対流圏誤差 = 衛星と受信機の時間差そこそこ 精度な時計 GPS 受信機 ( カーナビ ケータイなど )

35 擬似距離の測定 送受信位置でのコードの時間差から距離を測定 あらかじめ決められたタイミングで衛星が信号を放送し, 受信側は受信した信号の時刻情報と 分の持っている時計を べて時間差を算出する ( 課題 1) 同期した時計が送 受信側双 に必要 ( 課題 2) 受信タイミングの正確な測定が必要 時間差 = 距離 送信波のコード 時間のずれ τ 受信したコード受信機が 成するレプリカ信号 ( コードのコピー ) コード は,0,1 の連続 積分 τ=0となるように, レプリカ信号のタイミングを調整 受信タイミングを正確に測定できる (10-9 秒 (1ns=0.3mに相当) 以上の精度で測定 ) どの衛星からの信号か 分けられる

36 単独測位の基本原理 測位に 4 つの衛星が必要な理由 pp.077 時間の精度 : 時間の精度 : 時間の精度 : 時間の精度 : GPS 衛星 3 個の式 :3 個の未知数 点で交わらない 求めたい値は,X,Y,Z =3 個の未知数 GPS 受信機 時計の誤差を未知数に付加時間の精度 : 低

37 GPS 測位における主な要因 妨害要因 pp.079 衛星時計誤差 電離層 気が電離状態で, 電波を反射する層 短波より短い波 は反射しないで通り抜けるが速度変化する 衛星軌道誤差 1000km 電離層遅延 100km 対流圏遅延 マルチパス 受信機熱雑 電波障害 衛星 電波伝搬 受信機関連で分類できる

38 GPS の誤差要因 擬似距離 (C/Aコード ) に含まれる各種誤差の概略 誤差の種類 誤差の きさ 各衛星で共通 衛星時計誤差衛星軌道誤差 2 数 m 2 数 m 衛星関連 衛星仰, 太陽活動, 時刻, 緯度に依存 衛星仰, 気象条件に依存 電離層遅延 対流圏遅延 周囲環境, 衛星仰, 受信機, アンテナのマルチパス種類に依存 受信機熱雑 2 30m m m m 伝搬関連 受信機関連

39 衛星配置と測位精度 測位精度が い衛星配置は, どちら? pp.078

40 Dilution of Precision(DOP) 衛星配置が測定精度にどの程度の影響を与えるかの 安 観測地点を中 とした単位球を想像し, その球 上に現実の衛星の える 向にあわせて衛星を置きなおす.4 個の衛星を互いに結んでできる 4 体を考える. この 4 体の体積が きいほど, 測定精度は向上する 天空に5 基以上の衛星が える時, 観測に使 すべき 4 基の衛星を選択する選択基準になる GDOP(Geometrical Dilution of Precision) 幾何学的精度低下率 さいほど 精度の GDOP= Trace (A T A) -1 安になる = σ xx2 +σ yy2 +σ zz2 +σ 2 tt DOP Value Rating Description 1 Ideal This is the highest possible confidence level to be used for applications demanding the highest possible precision at all times. 1-2 Excellent At this confidence level, positional measurements are considered accurate enough to meet all but the most sensitive applications. 2-5 Good 5-10 Moderate Fair >20 Poor Represents a level that marks the minimum appropriate for making business decisions. Positional measurements could be used to make reliable in-route navigation suggestions to the user. Positional measurements could be used for calculations, but the fix quality could still be improved. A more open view of the sky is recommended. Represents a low confidence level. Positional measurements should be discarded or used only to indicate a very rough estimate of the current location. o At this level, measurements are inaccurate by as much as 300 meters with a 6 meter accurate device (50 DOP 6 meters) and should be discarded.

41 2 次元での測位の例 pp.075 測位 =GPS 信号を利 して位置を求めること GPS 衛星 宇宙空間 擬似距離 GPS 衛星 地球の表 求める位置 2つの既知の点と, その点からの距離が分かれば, 分の位置がわかる

42 Multi-GNSS に期待できること 可視衛星数が増えるので, 良い DOP の衛星組合せを選べる PDOP values for the single-system and four-system modes at GMSD on September 3, 2013 (GPS Time). Sky plots (azimuth vs. elevation) for the various satellite systems at GMSD on September 3, The PDOP values of GPS, GLONASS, BeiDou and four-system combination are shown by red, green, black, and blue lines, respectively. Precise positioning with current multi-constellation Global Navigation Satellite Systems: GPS, GLONASS, Galileo and BeiDou

43 GNSS 1. GNSS および GPS の概要 2. 単独測位 3. 渉測位 4. 補強システム 5. まとめ

44 GPS 測位の種類 pp.074 単独測位 スタンドアロン型 Assisted GPS ディファレンシャル測位 (Differential GPS:DGPS) 擬似距離を いるケータイ, カーナビ向け簡易測量 相対測位 渉測位 (Carrier Phase Positioning) スタティック測位 キネマティック測位 測量 位相差を いる リアルタイムキネマティック測位 (RTK-GPS)

45 渉測位における GPS 測量の基礎 どの位置がわかるのか? 何ができるのか? pp.081 GPS アンテナ GPS 測位では, アンテナの中 位置を得る 地盤 を出す際には, アンテナ を引き算する GPS 受信機 GPS 測量では, 渉測位を利 基準点測量 地形測量, 縦横断測量

46 GPS 測量で留意する点 精度を確保するために, いろいろ 夫が必要 最低 4 基以上の GPS 衛星が える場所 電波障害 ( 圧電線のそばでは使えない ) GPS アンテナを く上げることも多い 層ビルの近くでの GPS 測量は避ける 地 からの反射波を防ぐカサを付けることも多い 単独測位 : 渉測位: 受信機は 1 台のみ受信機は2 台以上

47 GPS 測量で留意する点 ( 最近の都 部で ) 周波数 覧表,GPS(L1) の近くのバンド バンド周波数 docomo au UQ SoftBank Y!mobile WCP Band 1 2.1GHz W-CDMA (CDMA2000) W-CDMA LTE LTE LTE Band 3 1.8GHz LTE LTE Band 6 800MHz W-CDMA Band 8 900MHz W-CDMA LTE Band 9 1.7GHz W-CDMA Band GHz LTE W-CDMA Band 18 Band MHz 800MHz W-CDMA LTE Band GHz LTE (CDMA2000) LTE Band MHz LTE Band MHz LTE LTE Band MHz 周波数帯 覧表 TD- LTE TD- LTE 1 Band19はBand6を内包 2 Band26はBand18を内包 3 Band28は2015 年 1 開始予定

48 測量でよく使われるのは 渉測位 精度を最優先した静 測位 or 精度移動測位 pp.086 スタティック測位 キネマティック測位 受信機は 2 台以上 受信機は 2 台以上 観測時間 :1 時間程度 測位精度 : 約 1cm 基準点測量向け 観測時間 : 数分 数秒 測位精度 : 数 cm 移動計測向け

49 異なるメーカーの受信機でも組合せ可能 世界的な GNSS 標準フォーマットに,RINEX RINEX:Receiver Independent Exchange Format GNSS 測量では, 受信機の機種が異なると, 記録形式やデータ内容が異なるために, そのままでは基線解析に使 できない RINEX 形式にして, 異機種同 でも基線解析が可能に

50 電 基準点を利 した GPS 測量 既知点に置く受信機の代わりに電 基準点を利 する pp.088 観測 景 既知点 未知点 未知点 = 移動局 電 基準点 現場に測量 GPS 受信機が 1 台あれば 渉測位が可能 国 地理院が提供する電 基準点の観測データを既知点として利 できる

51 電 基準点 全国約 1300 か所に約 20km 間隔で設置された GNSS 連続観測点 電 基準点内部の機器構成 国 地理院, 電 基準点 電 基準点配置図

52 地図記号 電 基準点 の地図記号は? 三 点電波塔電 基準点

53 渉測位の誤差要因 精密測定に加えて, 伝播路誤差成分を相殺されるので, 精度が上がる 誤差の種類 誤差の きさ 衛星時計誤差 衛星軌道誤差 2 数 m 2 数 m 相殺 電離層遅延 対流圏遅延 2 30m m 相殺 マルチパス 受信機熱雑 m m 倍増

54 単独測位と 渉測位の 較 異なる項 がほとんど 較項 単独測位 渉測位 測位 式擬似距離を計測位相を計測 擬似距離中 的補助的 搬送波 いない位相の測定 受信周波数 L1 帯のみ L1,L2 帯とも利 解析計算簡単極めて複雑 観測時間実時間 式により異なる 実時間も可能 測位精度 約 10m 0.5cm 2cm

55 渉測位 式 Carrier Phase Positioning 搬送波の位相あるいは位相差をもちいる 距離 =( 波の整数値 + 波数の 数点 )x 波 t=t 1 L MHz 波 =0.19m L MHz 波 =0.24m t=t 0 波 波の数をカウント波数の 数部を検出 ( 波の整数値 ) t=t 0 からt=t 1 までの位相の変化部を観測

56 渉測位 GPS 受信機を 2 台つかう pp.084 電離層 対流圏 既知点 基線ベクトル 2 点間距離 ( 基線 ) を精密に計測 (±10cm 以下 ) 未知点 単独測位 : 受信機は 1 台のみ 渉測位: 受信機は2 台以上

57 何を測るのか? 経緯度を直接測るわけではない測定点の座標 = 基準点の座標 + 基線ベクトル これを測る 1 基線解析 基線ベクトルの計算と環閉合のチェック 2 座標変換 楕円体変換とジオイド補正 3 三次元網平均 平 直 座標と標 基線解析 基線ベクトル計算結果 観測時間が短かったなど フィックス解 ( 厳密解 ) 基線解とする フロート解 ( 厳密解 ) 基線解としない

58 渉測位における 路差測定 / 基線ベクトル計算 路差を求めることで, 基線ベクトルがわかる 路差 =D s+ 補正項 D: 基線ベクトル s: 衛星 向の単位ベクトル波 の整数部分の さと, 位相 θ に相当する端数の さの和 衛星から等距離 GPS 衛星 D=(N+θ) 19cm N: 整数値バイアス 路差 波 基線解析ソフトウェアで求める 基線ベクトル 計測点 基準点

59 路差 2 つまとめて, 路差 pp.085 衛星間 重位相差 受信機間 重位相差 GPS 衛星 1 GPS 衛星 2 GPS 衛星から等距離の 路差 路差 単位ベクトル GPS 衛星から等距離の 既知点 既知点 基線ベクトル 未知点 受信機による誤差を打ち消す 衛星による誤差を打ち消す

60 波 数を数えまちがえた場合 1 波 で, だいぶ測位の位置が変わる pp.086 路差 波数の 数部分 既知点 1 波 ずつ 路差を変化させた際の未知点の位置変化

61 整数値バイアスのマンガ GPS 測量における距離の計測は, 細かい 盛りは刻まれているが, 盛りに対応する数値が刻まれていない巻き尺を使って うようなもの. L1 波が衛星から地上に到達する間に繰り返される波の数は約 1 億波であるが, 正確な数はわからない.1 波違っただけでも,19cm の誤差になる 整数値バイアスのマンガ

62 整数値バイアスの決定 スタティック測位の基本的な考え 測位結果 1 時間後の測位結果 重ね合わせ結果 27 個の答えが出たとする 衛星が かけ上で動き, 全体的に答えが動く 答えが動かない点が正解値

63 セッション 静的な 渉測位における 連の観測 連の観測とは,1 時間から数時間にわたる整数値バイアスを確定するのに 分な数のデータを取得することで, これをもって基線解を得られる 精度を必要とする測量では, 数セッションの観測を い, 得られた数個の基線解を平均して成果とする GPS01 GPS02 GPS03 GPS04 GPS05 GPS06 セッション 約 60 分 約 60 分 約 60 分計測時間 エポック (epoch) =データ収録の時刻 測点 1 測点 2 測点 秒 30 秒 data data 60 秒 data 90 秒 data 120 秒 data 例 : 5 番 のエポック

64 サイクルスリップ 渉測位において, 搬送波位相を積算するときに, おもに受信の瞬断等のために積算カウントが 時とまる結果, 整数波数のジャンプを じること 計測時間 PRN01 PRN02 PRN03 PRN04 PRN05 PRN06 この部分だけを基線解析する サイクルスリップ発 このジャンプは基線解析の中で修正できる 衛星からの電波が障害物などで遮断されると位相測定が中断する. そのため, その間の整数部の繰上がり 繰下がりが分からなくなる. この中断前後で位相の整数部分に整数部だけの不確定が じる. この対処として, ベースラインの処理時に整数値の曖昧さを再度推定する必要がある

65 オンザフライ (on the fly, OTF) pp.087 移動局のいかなる運動形態 ( 静, 移動 ) にも対応できる 速バイアス決定技術 任意の場所で移動しながら, 短時間で整数値バイアスを解く RTK-GPSの初期化 法( 整数値バイアスの推定 ) として 般化している 条件 : 1 最低 5 衛星以上が必要 数エポックのデータでも最 乗法による処理するため 2 2 周波受信機 (L1 波,L2 波を受信できる受信機 ) が必要 L1 波 ( 波 約 19cm) と L2 波 ( 波 約 24cm) の位相差をとってワイドレーン ( 波 約 86cm) を 成して, 整数値バイアスの組合せ数を絞り込み, 整数値バイアスの決定時間を削減

66 GNSS 1. GNSS および GPS の概要 2. 単独測位 3. 渉測位 4. 補強システム 5. まとめ

67 電源投 後の GPS 受信機の動作 コールドスタート 有効なバックアップデータを 切持っていない状態. 場出荷後に初めて電源投 したときの動作 ウォームスタート 有効な時刻はあるけれど, エフェメリスが無効 ( 有効期間を過ぎている ) 状態の起動モード ホットスタート 有効な時刻 (RTC) やエフェメリスなどがバックアップされている状態の起動モード 電源投 視野内衛星の推定衛星の捕捉操作衛星の追尾航法メッセージをデコード衛星の位置を計算 分の現在位置を計算 バックアップされているアルマナックと RTC 時刻 (Real Time Clock: 有効な時刻 ) を使 エフェメリスの再収集 エフェメリスの編集 エフェメリスの有効時間内であれば, エフェメリスの再収集は不要. 有効時間は通常最 4 時間

68 Assisted GPS 携帯電話ネットワークのデータ通信機能を補助的に いる GPS GPS 衛星から送信される時刻データはノイズに強い 通信速度は遅いので, 測位に時間がかかる 1GPS 衛星がどこにあるかわかっている 携帯基地局 2 周回軌道データを 速ダウンロード 周回軌道データはノイズに弱い GPS 受信機 移動局 (x, y, z) が未知 測位までの時間: 速化 ( 数分 数秒 ) 精度 : スタンドアロン型とあまり変わらない

69 GNSSの性能仕様 4 要件 pp.091 国際標準 SARPs(Standards And Recommended Practices) で規定 1 測位精度 (Accuracy) 航法システムの基本的な測位性能を す指標 2 完全性 (Integrity) システムに誤りがないことを保証し, 使 すべきでない場合には迅速に警報を与える能 3 連続性 (Continuity ) いったん利 を開始した後, 規定の時間にわたり引き続き利 できる性質あるいは確率 4 可 性 (Availability) 利 可能である確率および時間の割合時間帯によって変化. ユーザ位置によって変化

70 GNSS の性能を補強するシステム ネットワーク型 RTK-GPS 1 Accuracy( 測位精度 ) 2 Integrity( 完全性 ) QZSS 補強 3 Continuity( it 連続性 ) SBAS 4 Availability( 可 性 )

71 電 基準点から観測データを DL 後処理 or リアルタイム pp.089 電 基準点未知点 ( 移動局 ) 観測データ 測位後にダウンロードするキネマティック測位 後処理キネマティック測位 測位中にダウンロードするキネマティック測位 リアルタイムキネマティック測位 (RTK-GPS 測位 )

72 ネットワーク型 RTK-GPS 補正データ (VRS/FKP) 配信で GPS 衛星測位をアシスト pp.089 VRS 式 (Virtual Reference Station) FKP 式 (Flachen Korrectur Parameter) 仮想基準点 実基準点 3 点で囲まれた領域内に移動局 補正パラメータ 観測量 Φ B 観測量 2 仮想観測量の 成 Φ C Φ A Φ V B Φ A 補正 C A V R Φ C C A 移動局 R Φ E E Φ D D 各基準点の連続観測量 1 概略位置 連続収集 計算センター 2 仮想観測量 双 向通信が必要 1 補正パラメータ 各基準点の連続観測量 連続収集 計算センター 道通信でOK

73 準天頂衛星 ( みちびき ) QZSS (quasi-zenith satellite system) pp.092 本で常に天頂付近に 1 機の衛星が えるようにした衛星システム GPS や Galileo,Glonass を補完 準天頂衛星初号機は 2010 年 9 11 に打ち上げ まずは合計 4 機に やビル等に影響されず全国をほぼ 100% カバーする衛星測位サービスが可能に

74 SBAS (Satellite-based Augmentation System) pp.092 静 衛星型衛星航法補強システム ( エスバス ) 専 の静 衛星を経由してGPSの誤差を補正する信号をユーザーに提供する GPS GPS 信号電 基準点 専 の静 衛星 ユーザー 広域ディファレンシャル補正情報 Integrity 情報 GPS の測位誤差情報 本 Multi-functional Transport Satellite (MSAS) 使 衛星 : 運輸多 的衛星 MTSAT( エムティーサット ) エムサス USA Wide Area Augmentation ti System (WAAS) ワース使 衛星 : INMARSAT( インマルサット ) EU European Geostationary-Satellite Navigation Overlay Service(EGNOS) イグノスそのほか : GAGAN( インド ),BeiDou( 中国 )

75 GNSS 1. GNSS および GPS の概要 2. 単独測位 3. 渉測位 4. 補強システム 5. まとめ

76 まとめ 1. GNSS および GPS の概要 GNSS 測位 =GPS 信号を利 して位置を求めること 2. 単独測位 測位には 4 つの GNSS 衛星が必要 3. 渉測位 GPS Galileo GLONASS BeiDou 基線ベクトルを計測する測位 法 スタティック測位 約 60 分間静 して測位. 精度 : 最も い キネマティック測位 移動しながら測位. 精度 : かなり い RTK-GPS 移動しながらリアルタイムに測位. 精度 : かなり い 4. 補強システム ネットワーク型 RTK(VRS,FKP),QZSS,SBAS

77 確認テスト GPSの測地系は, 楕円体である. 渉測位では, 測定点と基準点間のを計測する. ネットワーク型 RTK-GPS の 式には, とがある. 真距離に加えて, 時計誤差や電離層誤差などを含む,GPS 衛星と GPS 受信機間の距離をという. 航法メッセージに含まれる軌道情報には, 衛星時計の補正情報や, 各衛星の精密軌 道情報である, 全衛星の概略軌道情報である など で構成される. GPS 測位の誤差要因の つで, ビルの壁などに反射した衛星の電波を受信してしまうことをという. 本全国に約 1,300 カ所存在し,GPS の電波を常に受信して地盤 地殻変動の観測等に いられる場所をという. 衛星配置が測定精度にどの程度の影響を与えるかの 安となる幾何学的精度低下率をアルファベット3 字でという. とは, 渉測位において搬送波位相を積算するときに, 受信の瞬断のために積算カウントが 時 まる結果, 整数波数のジャンプを じること

78 2017 年度スケジュール 空間情報構築特論 1. (4/12) ガイダンス 2. (4/19) [ 空間情報の要素技術 ] レーザースキャニング 3. (4/26) [ 空間情報の要素技術 ] GNSS 4. (5/10) ( 休講 ) 学会のため 5. (5/17) [ 空間情報の要素技術 ] リモートセンシング 6. (5/24) [ 空間情報の要素技術 ] 写真測量および画像計測 7. (5/31) [ 空間情報の要素技術 ]GIS( 地理情報システム ) 8. (6/7) [ 空間情報の要素技術 ] BIM/CIM 9. (6/14) 輪講 A1 10. (6/21) 輪講 A2 11. (6/28) 輪講 B1 12. (7/5) 輪講 B2 13. (7/12) ワークショップ型授業 1/ レポート 14. (7/19) ワークショップ型授業 2/ レポート