平成 7 年度測位航法学会全国大会セミナー GNSS 測位入門から RKLIB の活用まで その 05 04 ~ 05 04 3@ 東京海洋大学越中島 東京海洋大学高須知二
時間割 GNSS 測位入門 4/ 水 9:30 0:0 RKLIBの概要と導入 実習 0:30 :0 3 RKLIBの基本操作 実習 :30 :0 4 GNSS 測位の基礎 3:30 4:0 5 RKPLOの基本操作 実習 4:30 5:0 6 RKPOSによる単独測位 実習 5:30 6:0 7 基線解析とRKの基礎 4/3 木 9:30 0:0 8 RKPOSによる基線解析 実習 0:30 :0 9 RKNAVIによるRK 実習 :30 :30 0 RKの応用 3:30 4:0 RKLIBによる複合解析 実習 4:30 5:0 RKLIB の活用 5:30 6:0
7 基線解析と RK の基礎 3
座標系 ECEF: 地球固定座標系 IRF: 国際地球基準座標系 WGS 84: 米国 GPS PZ90: ロシア GLONASS,... ECI: 慣性座標系 基準極 z 地球重心 ICRF: 国際天文基準座標系 y ECI ECEF 変換 x 歳差 / 章動モデル EOP: 地球回転パラメータ 基準 ECEF 子午線 4
IRF 国際地球基準座標系 IERS により維持される基準座標系 GPS, VLBI, SLR, DORIS 局の位置及び速度として実現 IRF005, IRF000, IRF97, IRF96,... VLBI: Very Long Baeline Interferometry IRS: International erretrial Reference Sytem SLR: Satellite Laer Ranging IERS: International Earth Rotation Service DORIS: Doppler Orbit determination and Radiopoitioning Integrated on Satellite http://itrf.eng.ign.fr/irf_olution/005/irf005.php 5
基準楕円及び座標系 基準楕円体 : GRS 80 WGS 84 b a e x,y plane ' : 地心緯度 : 測地緯度 z ' r r r N a x, y, z : 経度 h : 楕円体高 h a m 637837 637837 f /98.5757 /98.573573 0 563 GM 3986005.000 3986004.48 m 3 / x 0 8 x 0 8 緯度 / 経度 / 高度 X/Y/Z: r r N e f e a f in N hco co N hco in N e hin 6
ジオイドジオイド H : ジオイド高地球重力ジオイド h H : ジオイド高 ' n n Y S Y C a GM V 地球重力 : 基準楕円体ジオイド 0 ',, n m nm nm nmc nm Y S Y C r r r V EGM96 ジオイドモデル 7
球面調和関数球面調和関数球面調和関数 : m P Y Y Y c n n 'co in 0 0 球面調和関数 : m P Y m P Y nm nm nm nmc 'in in co in 0,, 0 00 x P x x P x P P N P nm nm nm ルジャンドル多項式 : 0,,,, /, x P m n x xp n x P x P x n x P x P m n m n nm n n nn n n 0! 0 m m n n m n N m n x P nm nm m! n 8
座標変換 ヘルマート変換 A to B: x R3 R y D R3 R z 3 R R B,, 3 : 平行移動 D : 拡大 縮小 R, R, R3 : 回転 x y z A A 座標系 B mm mm 3 mm D 0 9 R ma R ma R3 ma IRF005 IRF000 0. 0.8 5.8 0.40 0.00 0.00 0.00 0./y 0/y 0/y 0./y.8/y 8/y 0.08/y08/y 0.00/y00/y 0.00/y00/y 0.00/y00/y Epoch 000.0 9
ソーラーサイクル 太陽黒点数 : 700 009 0 3 by SIDC Solar Influence Data Analyi Center in Belglum http://idc.oma.be ソーラーサイクル予測 :Cycle4 3 4 4 by NOAA SWPC Space Weather Prediction Center http://www.wpc.noaa.gov/solarcycle 0
LC: 線形結合 C a b cp dp, 線形結合 係数 a b c d 波長 cm 電離層 L L L Carrier Phae 0 0 0 9.0.0 0.3 L L Carrier Phae 0 0 0 4.4.6 0.3 雑音 cm LC/L3 Iono Free Phae C 0 0 0.0 0.9 C LG/L4 Geometry Free Phae 0 0 0.6 0.4 WL Wide Lane Phae W W / 0 0 86..3.7 / NL Narrow Lane Phae N / N / 0 0 0.7.3.7 MW Melbourne Wübbena / / / 86. 00 0.0 W / W N N MP L Multipath C 0 0.0 30 C MP L Multipath C C 0 0.0 30 C f / f f, C f / f f, W // /, N // /
電離層薄膜球殻モデル電離層薄膜球殻モデル電離層モデル :,, 0 40.30 ' 0 40.30 6 6 pp pp t VEC EC I 電離層モデル : ' co pp pp f z f 衛星 IPP: ピアスポイントピアスポイント z z' H El π/ z ピアスポイント位置 : 受信機電離層地球 z H ion ion e e Az α α z' z α H R z R z' co co in in arcinco, in arcin 受信機地球 R e pp pp pp Az α λ λ Az α α in in arcin co co in in arcinco
EC グリッド 009/7/3 0:00 009/7/3 :00 009/7/3 4:00 009/7/3 6:00 009/7/3 8:00 009/7/3 0:00 009/7/3 :00 009/7/3 4:00 009/7/3 / 6:00 009/7/3 / 8:00 009/7/3 / 0:00 009/7/3 / :00 IGS EC Final, GPS ime 3
対流圏モデル 対流圏遅延 : mh El ZHD mw El ZWD 0.00768 p ZHD 7 天頂 0.0066co.80 H 遅延 : 天頂乾燥遅延 m ZWD : 天頂湿潤遅延 m El : 乾燥マッピング関数 El m h m w El : 湿潤マッピング関数 スラント遅延 ZWD PWV 可降水量 : m 70. 0. 7 PWV R v k 0 k 5 m m v d k 3 m ZWD R k v m v 46, k 7.98, k 77.6, 8.05, m 3.754 0 3, d 5 8.9644 4
マッピング関数 a b m El c a, b, c a : マッピング関数係数 in El b in El in El c NMF, GMF, VMF Hydrotatic Wet 006// 007//3, SKB, El=5deg 5
対流圏勾配 対流圏勾配を含めたマッピング関数 : m El, Az m0 El m0 Elcot El GN co Az GE in Az G, G : North/Eat tgradient tparameter N G E PPP Solution withgradient Etimation PPP Solution without Gradient Etimation 007// /3, 4H Static PPP,SKB 6
アンテナ位相中心 受信機アンテナ位相中心 アンテナ位相中心変動 PCV チョークリングゼロオフセット 位相中心アンテナ基準点 ARP d r, d r, pco アンテナ位相中心オフセット pcv L L y N z U x E IGS Abolute Antenna Model IGS05.PCV 7
アンテナ位相中心 アンテナ位相中心 衛星重心衛星アンテナアンテナ衛星重心アンテナ d 衛星アンテナ位相中心 : 位相中心位相中心オフセットナディア角 pco d 衛星機体座標 ECEF: 太陽 pcv d Earth 衛機体座標 y 太陽衛星,, z y x ecef at e e e E un z r r e r e, z x x e z e y e z y x z y un z e e e e e e r r r,, 8 z z e e
基線解析 /RK の技術要素 二重位相差観測方程式 搬送波位相による高精度観測値 衛星 受信機時計誤差消去 暦誤差 + 電離層 + 対流圏遅延消去 短基線 整数バイアス決定 高速な高精度解 高速初期化 瞬時 ~ 数分 高速再初期化 移動体 スリップ対応 9
二重差二重差 j b j i b i ij b Φ ij ij ij ij ij Φ ij ij ij ij ij ij ij b u b u d N I d B I d dt c Φ Φ d N I ij j b j b j u j u i b i b i u i u ij j i ij ij b ij u ij N N N N N B d d d dt dt dt 0 0, 0,0 0,0 0,0 0 0, 0 0 0 j i ij j i ij j i ij d d d I I I Φ ij ij ij N Φ 短基線 + 同一アンテナ 衛星 i 衛星 j j i 0 0,, 0 j i ij j i ij j i ij d d d I I I i u j u b j b Memo for Mira & Enge: http://gppp.akura.ne.jp/ 0 受信機 u 受信機 b 基線 diary00608.htm
基線解析基線解析 3 m y 非線形最小二乗 :,,,,,,,,...,, 3 3 3 m k k k k m k k k k t b t u t b t u t t t t N N x h y u m N N N,...,,, 3 r x 未知パラメータ :,,,, 0 0 m m k m k k k k t b t u t b t u t N x h t t t n,...,, y y y y 観測ベクタ :,, 0 0 0 0 3 k k k t u t u t e e H 観測モデル : t t t n x h x h x h x h,...,,, 4 4 0 0 m k t e u t t t n H H H H,...,, blkdiag R R R R 観測誤差共分散 : 4 4 R tk t n t t blkdiag R R R R,...,, ˆ x h y R H H R H x x 解法 : b r : 基準局座標 0 0 x h y R H H R H x x b r : 基準局座標
基線長の影響 BL=0.3 km BL=3.3 km RMS Error: E: 0.cm N: 0.6cm U:.0cm Fix Ratio: 99.9% RMS Error: E:.cm N:.4cm U: 0.6cm Fix Ratio: 94.% BL=3. km BL=60.9 km RMS Error: E: 0.0cm N:.0cm U: 30.cm Fix Ratio: 64.3% RMS Error: E: 4.0cm N: 4.8cm U: 6.7cm Fix Ratio: 44.4% 4 hr Kinematic : Fixed Solution : Float Solution
整数アンビギュイティ決定 目的 精度改善 収束時間高速化 多数の過去研究 単純四捨五入 WL/NL 手法 受信機座標空間探索 アンビギュイティ空間探索 AFM, FARA, LSAS, LAMBDA, ARCE, HB L 3, Modified Choley Decompoition, Null Space, FAS, OMEGA,... 3
ILS 整数最小二乗 ILS 整数最小二乗,,, B A H b a x 問題 : arg min,,, Hx y Q Hx y x v Bb Aa v Hx y y g, y Q y R b Z a y m n 解法 : 最小二乗 フロート解 最小二乗 フロート解, ˆ ˆ ˆ H Q H Q Q Q Q Q y Q H Q b a x y b ba ab a x y x ˆ ˆ arg min a a Q a a a a n 残差を最小化する整数ベクタ探索 Z a n ˆ ˆ a a Q Q b b a ba 3 フロート解改良 4 a a Q Q b b a ba
LAMBDA eunien, P.J.G. PJG 995 he leat quare ambiguity decorrelation adjutment: a method for fat GPS integer ambiguity etimation. Journal of Geodey, Vol. 70, No., pp. 65 8. ILS Etimation with: Shrink Integer SearchSpace with ih"decorrelation" " Efficient ree Search Strategy Similar to Cloet Point Search with LLL Lattice Bai Reduction Algorithm zˆ Z aˆ, Qz Z QaZ ˆ a arg min a a Q aˆ a z arg min zˆ z Q z ˆ z az n a zz n a Z z z 5
LAMBDA 実行時間 5 : with decorrelation : without decorrelation ime m 0 Execution 5 0 5 0 5 0 5 30 35 40 N : Number of Integer Ambiguitie Pentium 4 3.GHz, Intel C/C++ 8.0 6
RK リアルタイムキネマティック 基線解析による精密測位技術 ローバアンテナ位置のリアルタイム算出 通信リンク OF オンザフライ 整数アンビギュイティ決定 精度 : cm + ppm x 基線長 水平 RMS 応用 : 測地測量, 建設機械制御, 精密農業等 基準局受信機 通信リンク ローバー受信機 7
8 RKPOS による基線解析 8
RKPOS による基線解析 RKCONVによる受信機ログの RINEX 変換 RKPLO による観測データ解析 RKPOS による基線測位 RKPLO による測位解プロット Google Earth による測位解表示 RKPOS オプション RKPLOオプション 9
9 RKNAVI による RK 30
RKNAVI 入出力 3
RKLIB による R システム構成例 3
RKLIB による R システム構成例 33
RKLIB による R システム構成例 3 34
RKNAVI による RK RKNAVIの入出力設定 RKNAVI によるリアルタイム測位 RKPLOによるリアルタイム測位解プロット Google Earthによるリアルタイム測位解表示 SRSVRによる通信データ中継 変換 RKNAVIオプション SRSVR オプション 35
プレイバックデータによる RK Objective RK of by Playback Data Program rtklib_.4.p9 bin rtknavi.exe Data ample oemv_00955c.gp NovAtel x_009055c.x u blox 063_009055c.rtcm3009055c VRS RKNAVI 36
プレイバックデータ NovAtel GPS 70 GG GEONE NovAtel OEM V 0 Hz S u blox LEA 4 0 Hz VRS Service E Mobile Data Logger 37
RKNAVI オプション Setting Setting 38
0 RK の応用 39
RK の応用 40
RK の制約 問題点 基準点設置 運用コスト 単独受信機のみで測位できない 基線長制限 0~0 kmを越える基線で性能悪化 利用可能エリア制限 基準点近傍エリアのみ 広域利用には非常に多数の基準点が必要 4
ネットワーク RK NRK 基準点の共同利用 基準点ネットワークの利用 利用者 単独受信機のみ 利用可能エリアの拡大 観測値補間 基線長制限緩和 基準点削減 広範囲なRK GPS 利用可能エリア 利用者により使い易い技術 広汎な応用 4
NRK システム構成 基準点網 GNSS 衛星 サーバ 通信機器 データセンタ 無線通信ネットワーク 利用者 43
GEONE http://terra.gi.go.jp/ja/index.htm 44
補正情報 : 基準点実観測値 搬送波位相補正量 Ri Ri 衛星間一重位相差 I N 整数バイアス 誤差項 暦誤差 + 電離層 + 対流圏 cd 幾何学距離 + 衛星時計 45
補正情報 : 補正量補間 RS N RR0 0 R y R u N RR R R0 RS0 R 0 R x RS 46
補正情報 : 仮想基準点観測値 衛星間一重補正量 衛星毎補正量 u 0 0 u 0 0 3 u u 3 u 0 0 n u n u 0 仮想基準点位相観測値 u u cd u 47
その他技術要素 誤差項補間 約 00km 以下 線形 多次多項式 etc 電離層擾乱時性能低下 基準点間基線整数バイアス決定 リアルタイム決定 電離層 対流圏 暦誤差モデル化 多数観測値 モデルパラメータ同時推定 補正情報形式 48
NRK 補正情報方式 :VRS RS R VRS ローバー VRS RS R R 3 RS3 49
補正情報方式 : FKP n RS RS de e RS ローバー dn n RS dn RS RS de e RS 50
補正情報方式 : MAC MAX RSS R RS RSm R4 RSS4 R R 3 RSS RS i ローバー w Ri RSS3 5
NRK サービス 国内 NRK サービスプロバイダ ジェノバ http://www.jenoba.jp 日本 GPS データサービス http://www.gpdata.co.jp 日本テラサット http://www.teraat.co.jp 三菱電機 主要サーバソフトウェア rimble GPSNet/RKNet GEO++ GNSSMAR Leica GNSS Spider 5
RK システム構築 ローバー 周波 v /3 周波, 更新間隔, GNSS, 受信機コスト GPU 性能 INS 統合 基準局 基線長 v. 性能 自前基準局 v. NRKサービス カバーエリア, 受信機コスト, 運用コスト, サービス費用 通信リンク エリア, 帯域, レイテンシ, 通信コスト 53
RK 用通信リンク ローカル <300 m シリアル, USB, LAN,... 有線 特小 無線モデム, WiFi, ZigBee, DSRC,... 無線 地域 <,000 km アナログ回線, ISDN, 専用線,... 有線 携帯回線 G, 3G, LE,,... 無線 グローバル <0,000 km インターネット 静止衛星 Inmarat, WideStar II,... 低軌道衛星 Iridum, Orbicom, 54
RKLIB による複合解析 55
RKLIB による複合解析 NRIP Cater 53.***.***.***: 80 Ur ID: ****** Paword: ****** Mount point: ROV: NovAtel OEM6 REF: NovAtel loem6 Rover Receiver Reference Station REF Poition: Lat : 35.666497 Lon : 39.7937 Height : 59.4 m ARP 56
RKLIB の活用 57
RKLIB の活用 複数 GNSS RK 長基線 RK MADOCA PPP 組込システム応用 58
マルチ GNSS の進展 Number of Planned GNSS Satellite Sytem 00 03 06 09 GPS 3 3 3 3 GLONASS 3 + 4 +3 4 +3 4 +3 Galileo 0 4 8 7 +3 Compa 6 6 30 3 +3 QZSS 4 7 IRNSS 0 7 7 7 SBAS 7 8 otal 68 9 6 40 L3 GNSS Signal Frequencie L5/E5a E5b L L E6/LEX L/E L Y.Yang, COMPASS: View on Compatibility and Interoperability, 009 59
マルチ GNSS RK 性能 GPS RK Performance: Baeline 3.3 km, Intantaneou AR Galileo Fixing Ratio El Mak=5 El Mak=30 RMS Error cm Fixing RMS Error cm E W N S U D Ratio E W N S U D L 49.7% 4.6 8. 9.0 3.3% 7.4 5.0 89 GPS L+L L,LL 99.0% 4.4 3.3 9.9 87.6% 34 3.4 0.5 5.55 L,L,L5 99.0%.4.3.9 87.3% 3.4 0.5 5.6 L E 98.8%.3..9 90.%...7 GPS+GAL L,L GAL L E 98.9%.4..7 98.7%..0.6 L,L,L5 E,E5a, E5b 98.9%.5.3.0 98.9%.3..8 60
u blox LEA/NEO M8 @$79.9 w/o antenna http://www.cg hop.com RKNAVI.4. p 6
u blox M8 AR 性能 GPS only GPS+GLO+QZS GPS+BDS+QZS 6
マルチ GNSS RK 技術課題 異なるシステム統合に伴う課題 時刻系, 座標系 受信機 H/W バイアス 複数コードに伴う課題 LC/A LPY LCd LCp, LPY LC, L5I L5Q /4 サイクルシフト GLONASS FDMAに伴う課題 受信機 IFB 問題 異機種間基線 AR 校正メッセージ標準化 アンテナ校正 63
マルチ GNSS 特プロ 3 66 年度 http://www.gi.go.jp/eieiokuchi/gn_main.html 64
長基線 RK 00 km,000 km GPS unami Monitoring Sytem Currently ~5 km off hore http://www.tunamigp.com 65
長基線 RK 戦略 BL km Error Elimination Ephem Iono ropo Other Strategy S 0 0 Broadcat M L Conventional RK 0 Dual Freq Broadcat 00 Interpolation Network RK 00,000 VL >,000 Real time Precie IGU Dual Freq Etimate ZD + MF Earth ide Long Baeline RK Non R Earth Pot Etimate Precie Dual Freq ide, Proceing ZD + MF IGR, IGS Ph WU or PPP 66
RKLIB 長基線 RK 性能 E W BL=47. km January 7, 009 July 7, 009 U D N S E W SD=0.7,0.9,.3 cm FIX=99.8% BL=96.3 km SD=.,.3,3.8 cm FIX=99.0% S N U D SD=.6,.3,3.0 cm FIX=98.8% SD=.,.5,3.6 cm FIX=96.% 67
地理院 REGARD 朝日新聞 04//3 68
MADOCA PPP GPS GLONASS Galileo QZSS LEX Signal Reference ~ 7Kbit/.7 Station MADOCA MGM Net Precie Obit/Cl Orbit/Clock Etimation PPP Uer 69
MADOCA Multi GNSS Advanced Demontration tool for Orbit and Clock Analyi For real time PPP ervice via QZSS LEX Many potential application over global area Precie orbit/clock for multi GNSS contellation Key technology for future cm cla poitioning Brand new code developed from cratch Optimized multi threading deign for recent CPU A bai of future model improvement 70
MADOCA Data Interface Parameter Etimator Data Interface MGM Net RCM, BINEX, Javad RDS MGRE EKF LMG QZSS MCS IGS etc RINEX, SP3, ERP Offline DL MGPLO MGES LSQ MADOCA API LEX M 7
MADOCA PPP Schedule LEX Data Format 7
LEX M Format 73
組み込みシステム応用 Low Cot/Compact Multi GNSS RK/INS Receiver Price Range: $00 $500 FloatRK with many atellite integrated to MEMS IMU 0cm cla accuracy expected in evere environment 35.5 x 5.0 x 3.9 mm NAVIO: Autopilot Shield for Rapberry Pi $95 + $40 http://www.emlid.com/ Intel Edion $50 http://www.intel.com/ 74
RKLIB AP 機能 GUI AP Window CUI AP APランチャ RKLAUNCH 3. リアルタイム測位 RKNAVI RKRCV 3., 3.3, 33 35 3.5 3., A A. 3 通信サーバ SRSVR, SRSR 3.3 3., A.5 4 後処理測位 RKPOS RNXRKP 3.4, 3.5 3., A. 5 RINEX 変換 RKCONV CONVBIN 3.6 3., A4 A.4 6 GNSSデータ 測位解プロット RKPLO 3.7, 3.8 7 GNSSデータダウンローダ RKGE 3.9 8 NRIPブラウザ NRIPBROWS 3.0 マニュアル章番号 75
RKLIB: 可搬性 プログラム言語 API, CUI AP : ANSI C C89 GUI AP : C++ 使用ライブラリ CP/IP スタック : 標準ソケットまたは WINSOCK スレッド : POSIX pthread またはWIN3 スレッド GUI 部品 : Borland VCL on Window ビルド環境 CLI AP : GCC, MS VS, Borland C,... GUI AP : Borland urbo C++ on Window 76
RKLIB: API /* matrix and vector function */ mat,imat,zero,eye,dot,norm,matcpy,matmul,matinv,olve,lq,filter,moother,matprint,matfprint /* time and tring function */ trnum,trtime,timetr,epochtime,timeepoch,gpttime,timegpt,timeadd,timediff,gptutc,utcgpt, t ti ti t ti h tti ti t ti ti diff t t t t timeget,timedoy,adjgpweek,tickget,leepm /* coordinate function */ ecefpo,poecef,ecefenu,enuecef,covenu,covecef,xyzenu,geoidh,loaddatump,tokyojgd,jgdtokyo /* input/output function */ readpcv,readpo,ortob,uniqeph,creent /* poitioning model */ ephpo,gephpo,atpo,atpov,atpoiode,atazel,geodit,dop,ionmodel,ionmapf,tropmodel,tropmapf, t t t di t d i d i t d t antmodel,cmooth /* ingle-point poitioning */ pntpo,pntvel /* rinex function */ readrnx,readrnxt,outrnxobh,outrnxnavh,outrnxnavb,uncompre,convrnx /* precie ephemeri function */ readp3,readap,ephpop,atpop readap ephpop atpop /* receiver raw data function */ getbitu,getbit,crc3,crc4q,decode_word,decode_frame,init_raw,free_raw,input_raw,input_rawf,input_oem4, input_oem3,input_x,input_,input_cre,input_oem4f,input_oem3f,input_xf,input_f,input_cref /* rtcm function */ init_rtcm,free_rtcm,input_rtcm,input_rtcm3,input_rtcmf,input_rtcm3f /* olution function */ readol,readolt,outolhead,outol,outolex,outolhead,outol,outolex,etolopt,etolformat, readolt outolhead outol outolex outolhead outol outolex etolopt etolformat outnmea_rmc,outnmea_gga,outnmea_ga,outnmea_gv, /* SBAS function */ breadmg,breadmgt,boutmg,bupdatetat,bdecodemg,batpo,bpntpo /* integer leat-quare etimation */ lambda /* realtime kinematic poitioning */ rtkinit,rtkfree,rtkpo rtkfree rtkpo /* pot-proceing poitioning */ potpo,potpoopt,readopt,writeopt /* tream data input/output */ trinitcom,trinit,trlock,trunlock,tropen,trcloe,trread,trwrite,trync,trtat,trum, tretopt, trgettime /* tream erver function */ trvrinit,trvrtart,trvrtop,trvrtat trvrtart trvrtop trvrtat /* rtk erver function */ rtkvrinit,rtkvrtart,rtkvrtop,rtkvrlock,rtkvrunlock,rtkvrotat,rtkvrtat... 77
RKLIB: まとめ OSS Open Source Software フリー BSDライセンス 商用利用可 ソースプログラム公開 独自ブランチ作成可 GNSS 解析パッケージ 後処理解析 リアルタイム解析 システム開発用プラットフォーム 組込用 CUI APの提供 共通 API 提供 78