高精度測位技術の応用について 第 13 回クリティカルソフトウェアワークショップ 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 1

Transcription

1 高精度測位技術の応用について 第 13 回クリティカルソフトウェアワークショップ 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 1

2 内容 1. 衛星測位とは? 2. 衛星測位システム 3. 準天頂衛星システム 4. GPSからGNSSへ 5. 高精度測位技術 ( 衛星測位の精度向上 ) 6. 高精度測位技術 (MADOCAの研究開発) 7. PPP/PPP-ARの応用 8. まとめ 2

3 衛星測位 Satellite Positioning Satellite Navigation 1. 衛星測位とは GPS:Global Positioning System GNSS: Global Navigation Satellite System Space-based PNT 測位 : ナビゲーション : 測時 : Positioning Navigation Timing 複数衛星を用いてユーザに正確な位置 速度 時刻をリアルタイムに提供する技術 3

4 1. 衛星測位とは 衛星を基準とした三点測距 (or 三辺測量 ) の応用 高精度高安定な原子時計を搭載した衛星 衛星の精密軌道とクロックオフセット推定 衛星とユーザ受信機アンテナ間の測距 衛星アンテナからの電波送出時刻とユーザ受信機アンテナでの電波受信時刻の差に光速を乗じて算出 擬似距離 (Pseudorange) 測位演算 ユーザ受信機の時計誤差 T 4 つの未知数 (X, Y, Z, T) 同時に 4 衛星以上の衛星からの信号を受信 疑似距離を計測し これらの観測量を用いて X, Y, Z, T を解く 4

5 擬似距離 1. 衛星測位とは ρ = t r δt t s c + ε = t r t s c δt c + ε = x s x r 2 + y s y r 2 + z s z r 2 T + ε ρ: 擬似距離 t r : 信号受信時刻 t s : 信号送信時刻 δt: 受信機クロックバイアス T: 距離換算した受信機クロック誤差 c: 光速 (= 秒速 km) x s, y s, z s : 信号送信時 x r, y r, z r : 信号受信時 ε: ノイズ その他の誤差 X, Y, Z, T の 4 つの未知数を解くために 4 つ以上の観測方程式が必要 5

6 1. 衛星測位とは 測位の誤差要因 ( 測距誤差 ) 6 受信機誤差 1 軌道誤差 2 時計誤差 3 電離層の変動 電離層遅延 (~100m) 電離層 4 対流圏の変動 対流圏遅延 (~20m) 信号遮蔽 5 マルチパス 対流圏 妨害波

7 ユーザ測位精度 ユーザ測位誤差 1. 衛星測位とは 測距誤差 DOP position obsevation Dilution of Precision ( 精度劣化指数 ) 衛星の配置の良し悪しを示す指標 時々刻々と変化 DOP が悪い 衛星配置が偏っている DOP の値は大きくなり ユーザの測位誤差が増加 DOP が良い 衛星が偏りなく分散している 最も DOP が小さくなるのは天頂の衛星と低仰角に方位角均等に衛星が配置された場合 常時良好な DOP を得るためには複数衛星によるコンステレーションが必要 7

8 1. 衛星測位とは 測位誤差試算の一例 (GPS 誤差バジェット ) 民生サービス (C/A コード利用 ) のユーザ測距誤差 (95%) が 16m~23m ユーザ測位誤差はこれに HDOP( 水平方向の誤差劣化指標 : オープンスカイでは 1.5) を乗じて 24m ~34.5m 出典 :NAVSTAR GPS USER EQUIPMENT INTRODUCTION, US. Coast Guard 8

9 2. 衛星測位システム 典型的な衛星測位システムの構成 =3 つのセグメント Space Segment 複数衛星によるコンステレーション Control Segment (or Ground Segment) モニタ局ネットワーク 解析センター Space Segment 追跡管制システム User Segment User Segment Ground Segment 衛星コンステレーションの図 : 出典 9

10 2. 衛星測位システム グローバルシステム :GPS 米空軍が運用する軍民共用システム 高度 20000Km 6 つの軌道面に 24 機の衛星で構成 ( 現在は 31 機が測位信号を送信中 ) 地上システムは全世界に拡がる 出典 GPS コンステレーション :USAF p?id= 地上セグメント 10

11 2. 衛星測位システム GPS 利用の利点 世界中どこでも いつでも ( 天候 昼夜問わず ) 正確な位置 時間がわかること GPS 利用の欠点 課題 精度が一定でない ( 数 m~ 数 10m) 信号の脆弱性 ( 微弱な信号を使用 ) 街の中 山や森林の中など衛星信号が受信しにくいところでは使えないことが多い ( 環境依存が大きい ) 補正情報配信 補強システム 準天頂衛星システム 複数 GNSS の利用 センサ統合... 11

12 3. 準天頂衛星システム 地域システム 東アジア オセアニアをカバー 2018 年より 4 機体制で実用サービス開始 ( 内閣府 PFI 事業 :QSS 社 ) GPS 補完サービス GPS 補強サービス サブメータ級 センチメータ級 災害危機管理情報サービス 衛星安否確認サービス等 みちびき を用いた実験運用を継続中 2023 年に7 機体制 詳細は QZSS ウェブサイトへ 12

13 3. 準天頂衛星システム 準天頂衛星システムの効果 (1/2) QZSS GPS GPS のみ 4 衛星以上からの信号が受信できない QZSS 実用化後 : 4 衛星以上受信可能な場所と時間が増加 13

14 3. 準天頂衛星システム 準天頂衛星システムの効果 (2/2) QZSS GPS GPS GPS のみバラつきが大きく 最大数 10m に及ぶ誤差が生じることもある QZSS 実用化後 : QZSSからの補正情報で誤差を補正 : コード測位 誤差 1m 以下搬送波位相測位 誤差数 cm 14

15 4.GPS から GNSS へ 米国 : GPS ( 運用中 ) (Global Positioning System) システム構成 : 6 軌道面 各 4 機の計 24 機の衛星で構成 ( 現在は 27 機構成がノミナル 2015 年 8 月現在 31 機運用中 うち近代化信号 L2C を送信中の衛星 17 機 L5 を送信中の衛星 10 機 ) 日本 : QZSS( 試験運用中 ) (Quasi- Zenith Satellite System : 準天頂衛星システム ) システム構成準天頂軌道 : 3 機 静止軌道 : 1 機 (2015 年現在 1 機運用中 2018 年に 4 機体制 2023 年ごろ 7 機体制に拡張予定 ) ロシア :GLONASS( 運用中 ) (Global Navigation Satellite System) システム構成 : 3 軌道面 各 8 機の計 24 機の衛星で構成 (2015 年 8 月現在 試験機含め 28 機が軌道上で運用中 ) 中国 :BeiDou( 北斗 )( 運用中 ) (BeiDou Navigation Satellite System ) システム構成 : 静止衛星 5 機 中高度軌道衛星 30 機 (2012 年末に第 2 世代のシステムを完成し 地域サービスを開始 2015 年から第 3 世代衛星の打上げを開始 2015 年 8 月現在第 2 世代 14 機 第 3 世代 1 機を運用中 ) 欧州 :Galileo( 整備中 ) システム構成 : 3 軌道面 各 10 機の計 30 機の衛星で構成 (2015 年 12 月現在 12 機運用中 うち 3 機が利用可能 2 機は運用軌道投入に失敗後 利用について検討中 2016 年から初期運用を開始 整備完了は 2020 年ごろのの予定 ) インド :IRNSS( 整備中 ) (Indian Regional Navigation Satellite System) システム構成 : 静止衛星 3 機 地球同期軌道衛星 4 機 (2013 年に最初の衛星を打上げ 全体システムを 2016 年頃までに整備予定 2015 年 8 月現在 4 機が運用中 ) 15

16 4.GPS から GNSS へ 複数 GNSS による利用可能衛星数の増加 Visible satellite number (mask angle 30 degrees) 2020: GPS(32)+ Glonass(24)+ Galileo(30)+ BeiDou(35)+ QZSS(4)+ IRNSS(7)+ SBAS(13)

17 2020 年ある日の東京の空 17

18 4.GPS から GNSS へ 都市環境における複数 GNSS 利用の効果 反射波やマルチパス優勢な信号が識別 除外できれば 10cm 以下の高精度測位利用が可能に 交差点歩道上でも良好な水平方向 DOP 直接受信可能な信号だけでも十分な数の衛星からの信号が受信可能 18

19 5. 高精度測位技術 ( 衛星測位の精度向上 ) コード位相測位 搬送波位相測位 ( 基本的には 2 周波で使うことが多い ) JAXA の研究開発のターゲット 衛星測位の精度向上技術の種類 ( 概略 ) 単独測位 単独測位 誤差 10m 程度 携帯電話 カーナビなど 安価なコンシューマ受信機 単独搬送波位相測位 (Precise Point Positioning:PPP) 地上基準点によらず精密測位が可能 誤差 : 数 cm-10cm ただし 収束性 初期化時間に課題あり (30 分以上 ) 測量用のハイエンドな受信機 + 試験用受信機 相対測位 ディファレンシャル GPS 等 地上基準点利用 誤差 1m~ 数 m 程度 - 中波ビーコン ( 海上保安庁 ) -SBAS( 日本では MSAS: 航空局 ) 小型の受信機 RTK 等 地上基準点が必要 - 近傍の基準局 - ネットワーク型 (VRS など ) 誤差数 cm 程度 測量用のハイエンドな受信機 19

20 5. 高精度測位技術 ( 衛星測位の精度向上 ) 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 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 主な誤差源 RTK 方式 1 衛星軌道 時計 PPP/PPP-AR 方式 2 電離層遅延 3 対流圏遅延 基準局 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 123 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 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 を低減 cm 級 (PPP-AR)~dm 級 (PPP) 測位精度 20

21 6. 高精度測位技術 (MADOCA の開発 ) MADOCA: Multi-GNSS Advanced Demonstration tool for Orbit and Clock Analysis 複数 GNSS 対応の精密軌道クロック推定ソフトウェア GPS, GLONASS, QZSS, Galileo and BeiDou 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 対流圏遅延量等の推定 後処理 リアルタイム推定系 軌道推定とハイレートなクロック推定を別フィルタで実施処理負荷を分散 最新の物理モデル実装 太陽輻射圧モデルの改良 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 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 ) 21

22 6. 高精度測位技術 ( 衛星測位の精度向上 ) 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 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 LEX 信号利用 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 22

23 6. 高精度測位技術 (MADOCA の開発 ) 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 23

24 6. 高精度測位技術 (MADOCA の開発 ) MADOCA-PPP 実証実験システム (MADOCA-SEAD) 概要 BeiDou インターネット配信 24

25 6. 高精度測位技術 (MADOCA の開発 ) MGM-net 整備状況 (H27.12 月末現在 ) みちびき 監視局 データ共有機関の監視局 二機関間協定に基ずくデータ共有局 (JAXA と当該機関間のみ ) 運用中 (93 局 ) 運用休止中 (7 局 ) JAXA 所有受信機ホスト局 二機関間協定に基ずくデータ共有局 ( 全参加機関間で共有 ) 建設中 (3 局 ) 設置交渉中 (20 局 ) 25

26 6. 高精度測位技術 (MADOCA の開発 ) 後処理軌道クロック推定 1m -1m GPS 使用観測データ IGS 観測局 (147 局 )+QZSS モニタ局 (8 局 ) 計 155 局評価期間 : 2014/8/3~8/9 (7 日間 ) ツール : MADOCA Ver GNSS Along-track Cross-track Radial GPS 1.04cm 1.1cm 2.19cm GLONASS 3.78cm 3.57cm 1.48cm 軌道推定結果 (IGS 最終暦比較 :rms) GLONASS 26

27 6. 高精度測位技術 (MADOCA の開発 ) 後処理 PPP( 定点解析 ) 使用暦 : MADOCA 最終暦 GNSS: GPS+GLONASS+QZSS 解析ツール : RTKLIB Ver2.4.2 解析方法 : PPP キネマティック (forward) 価期間 : 2014/8/5~8/9 (5 日間 ) 参照値 : IGS 最終暦を用いた PPP スタティック解析結果 SGOC ( シンガポール ) QCRJ( つくば ) GMSD( 増田 ) OUS2 ( ニュージーランド ) 観測地点 GPS+GLO+QZSS 水平 (rms) 垂直 (rms) QCRJ( つくば ) 3.6 cm 5.9 cm GMSD( 増田 ) 3.4 cm 8.0 cm SGOC( シンガポール ) 3.2 cm 5.8 cm OUS2( ニュージーランド ) 2.7 cm 4.1 cm 後処理 PPP 解析結果 (IGS 最終暦を用いた PPPstatic 解析結果との比較 :rms) 27

28 2m 2m 6. 高精度測位技術 (MADOCA の開発 ) リアルタイム軌道クロック推定 MADOCA Real-time orbit estimation result with regard to IGS Rapid and IGV (During 2015/05/11-17 (7 days)) A C R GPS orbit vs. IGR Real-time data stream from 80 sites were used. Along Cross Radial GPS GLO A C R Glonass orbit vs. IGV 27 28

29 6. 高精度測位技術 (MADOCA の開発 ) 0.2m -0.2m リアルタイム PPP( 定点解析 ) UCAL7 E N RMSE U 6.28 E WTZ N 2.91 U 6.69 (m) Kinematic PPP with MGRT1, GPS Week 1811 (2014/9/21-27) (cm) 29

30 6. 高精度測位技術 (MADOCA の開発 ) PPP 初期収束時間 水平方向 垂直方向 精度評価を実施した 4 局の観測データ ( 期間 :8/5~8/25) において 開始タイミングを変えて繰り返しリアルタイム PPP を実施 収束時間を評価 95% で 20cm 精度への到達に約 40 分程度 ( 衛星配置や周辺環境にもよるが オープンスカイに近い環境でも 30 分程度の収束時間が必要 ) 初期収束時間短縮は 特に移動体での利用には大きな課題 30

31 6. 高精度測位技術 (MADOCA の開発 ) 技術課題 リアルタイム測位精度改善 現状 : 10cm オーダー 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 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 31

32 6. 高精度測位技術 (MADOCA の開発 ) アンビギュイティ整数化 (Ambiguity Resolution:AR) による精度改善効果 ( 後処理解析例 ) MADOCA によって衛星の搬送波初期位相バイアスを推定 PPP- AR に使用 PPP-AR 使用暦 : MADOCA 最終暦 最終暦を用いた後処理解析で評価対象 9 局における AR による精度向上を確認 オープンスカイにもかかわらず FIX 率が低い (90% 以下 ) 局もあり改善要 32

33 6. 高精度測位技術 (MADOCA の開発 ) ローカル補正による収束時間短縮の効果 ( 後処理解析 :2014/09/03~ 2015/05/16) 電離層活動状況が異なる 3 つのエリアにおけるローカル補正情報 ( スラント方向総電子数 (STEC)/ 衛星ごと + 垂直方向対流圏遅延量 (ZTD) 利用の効果を後処理で評価 1 つの評価点に対し周辺の 3 つの電子基準点で網を構成し 電子基準点で得られた補正量を内挿して適用 ローカル補正生成用の基準点の間隔は 25Km~61Km 使用暦 :MADOCA 最終暦 15 分ごとに 1 時間分の解析を実施 各 1 分間の RMS 値がクライテリアに達した場合収束したと判定 region 3 沖縄 region 2 北海道 region 1 関東 33

34 Summary 6. 高精度測位技術 (MADOCA の開発 ) ローカル補正による収束時間短縮の効果 ( 後処理解析 :2014/09/03 ~ 2015/05/16) Region 1( 関東 ) Region 2( 北海道 ) Region 3( 沖縄 ) 水平方向誤差が 6cm に達するまでの時間 (1 日 93 ケース (RMS)) 垂直方向誤差が 10cm に達するまでの時間 (1 日 93 ケース (RMS)) 98.0 % 94.9 % 90.4 % 水平方向誤差が 6cm に達するまでの時間ヒストグラム 最終暦を用いた後処理解析により ローカル補正情報の効果を確認 34

35 6. 高精度測位技術 (MADOCA の開発 ) 今後の課題 Galileo BeiDou の軌道クロック推定精度の向上 衛星のモデル改良 チューニングが必要 BeiDou の第 3 世代信号 GPS-III 衛星など新しく打ち上げられる衛星のチューニング期間短縮 精密物理モデルの導入 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 リアルタイムでの PPP-AR ローカル補正情報による収束時間短縮効果の検証 評価 センサ統合と動的フィルタ ジャミング 成りすまし対応 など 35

36 7. PPP/PPP-AR の応用 地上インフラ未整備地域 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 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 36

37 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 DENSO/NEC/JAXA 共同実験 北海道大学 /JAXA 共同実験 津波計測用ブイの精密測位 測位信号による可降水量推定 都市環境下での低速移動体測位 日本大学 /JAXA 共同実験 日立造船 / JAXA 共同実験 JAMSTEC/ 東北大 /JAXA 共同実験 京都大学 /JAXA 共同実験 37

38 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 38

39 8. まとめ 衛星測位技術 4 つ以上の衛星からの信号を受信 衛星受信機間の距離を計測 測位演算により正確な三次元位置 (X,Y,Z) と時刻 (T) を計算 ユーザ測位精度は DOP 測距精度で決まる 軌道 クロック 電離層 / 対流圏遅延 マルチパスなどの誤差を低減することが高精度化への鍵 相対測位 絶対測位 GPS から GNSS へ 2020 年には 140 機以上の測位衛星が利用可能に アジア地域は特に利用可能な衛星数が多い環境 都市部など従来衛星測位が使えなかったエリアでのアベイラビリティと性能が大きく改善 39

40 8. まとめ MADOCA と PPP/PPP-AR 技術の研究開発 複数 GNSS 対応の精密軌道クロック推定ソフトウェア PPP 後処理で水平 / 垂直方向誤差 10cm 以下 (rms) リアルタイムでも 10cm オーダーの水平精度を達成 PPP-AR による精度向上とローカル補正情報を用いた初期化時間短縮の効果を精密暦を用いた後処理解析で確認 課題はリアルタイム 実環境下 ( 特に移動体 ) でのアンビギュイティ FIX 率向上と 初期化時間短縮 MADOCA 暦のリアルタイム配信 ( LEX 受信機がなくてもインターネットから MADOCA 暦を受信 高精度測位を試用可能 40

41 いつでも どこ が正確に 準天頂衛星システム (QZSS) 準天頂衛星初号機 みちびき ご清聴ありがとうございました 小暮聡宇宙航空研究開発機構第一宇宙技術部門衛星測位システム技術ユニット