GNSS-SDRLIB: オープンソースソフトウェア受信機によるマルチGNSS測位東京海洋大学日本学術振興会特別研究員 (PD) 鈴木太郎東京海洋大学久保信明ソフトウェア受信機 / SDR -1- SDR（Software Defined Radio） • ここ10年ほどで大学などの研究機関でもソフトウェア受信機によるGNSSの研究・開発というコンセプトが一般化 Antenna Analog IF LNA ADC Local Oscillator Front-End Digital IF Code and Carrier Measurements Signal Acquisition Signal Tracking PVT Estimation PVT Navigation Decoding Baseband Processing ソフトウェア受信機のメリット • 新しい衛星システム，測位信号への対応や評価などが容易 • 信号捕捉や追尾，マルチパスの解析などの研究用途に非常に有用 • Ultra Tightly Coupling，マルチパス解析・・・ GNSSの研究・教育用途に非常に有効オープンソースSDRプロジェクト -2- GNSS-SDR(http://gnss-sdr.org/) GNU Radioを用いたリアルタイムSDR 自分で使う/勉強するには自分で作るしかない・・・動画リンク： http://youtu.be/vVHOFs93vlU GNSS-SDRLIB の特徴 • RTKLIBとの連携 • RINEX/RTCM出力 • 信号処理の可視化 • リアルタイム処理 GNSS-SDRLIBのロードマップ -3- 高機能・高性能化 Ver. 3? SDRだけで LEX-PPP ・INS対応（Ultra Tight Coupling） SDR2台で RTK-GNSS マルチGNSS化 LEXデコーダ・センサフュージョン・ビームフォーミング・Anti-Jamming ・2周波/3周波観・Simulator機能搭載測対応・MATLAB版公開 Ver. 2.2 Ver. 2.1 ・1周波RTK対応・多くのFEサポート・全衛星L1測位対応・QZSS LEX/L1SAIF デコード対応 Ver. 2.0 Ver. 1.0 Ver. 1.0 Beta 2013/5 ・GPS/L1CA ・リアルタイム処理 2013/6 現在 2014/5 2014/9? 2014/E? 2015? マルチGNSSの現状 GPS（12） GLONASS（9） Galileo（4） BeiDou（11） QZSS（1） SBAS（4） 41機！ GNSS-Radar: taroz.net/GNSS-Radar.html -4- 各衛星信号の特徴 -5- GPS/QZS GLONASS Galileo BeiDou (MEO/IGSO) BeiDou (GEO) SBAS 信号 L1CA G1 E1B B1I B1I L1CA 中心周波数 1575.42 MHz 1602+0.5625K MHz 1575.42 MHz 1561.098 MHz 1561.098 MHz 1575.42 MHz コード長 1ms 1ms 4ms 1ms 1ms 1ms 航法メッセージ LNAV NAV I/NAV G1 G2 SBAS 航法メッセージレート 20ms (50bps) 10ms (50bps) 4ms (125bps) 2ms (500bps) 20ms (50bps) 1ms (500bps) オーバーレイコード - - - - NH20 - 誤り検出 /訂正ハミング符号ハミング符号 BCH+ インターリーブ ½畳込み+ CRC プリアンブル 8bit 30bit 11bit (8x3) bit Encoded BCH+ インターリーブ+ インターリーブ CRC ½畳込み+ 10bit 11bit フロントエンドの問題 -6- DVB-Tドングル (RTL-2832U) ・$10, 周波数24M-1.7GHz, サンプリング2.56MHz ・クロックのノイズ大，1周波 Nuand BladeRF (LMS6002D) ・$420, 周波数300Hz~3.8GHz, サンプリング~40Msps ・Txもついている，1周波 SiGe GN3S sampler V2/V3 (SiGe4120) ・$450, 周波数1575.42MHz, サンプリング4MHz ・GPS L1用の設計，1周波 NSL STEREO (MAX2769b+MAX2112) ・$1100, 周波数300Hz~3.8GHz, サンプリング~40MHz ・2周波（MAX2769, MAX2112） 2周波フロントエンドではGLONASS/BeiDouは排他的利用 GNSS-SDRLIBの構成 -7- SDR GNSS Frontend RCV stereo.h stereo.lib IF data sdrplot.c GNUPLOT FFT fftw.h fftw.lib TCP/IP sdr.h sdrmain.c sdrcmn.c RTKLIB rtklib.h rtkcmn.c rinex.c … ・Display acquisition result and correlation output Pipe RTKNAVI RTKPLOT ・Position computation ・Display solution … FEC fec.h fec.lib RTCM MSM Obs. and Nav. data FILE RINEX ・Generation of RINEX navigation and observation file ・ブラックボックスで問題ないところは外部ライブラリを利用（FFT，FEC）・できるかぎりシンプルに，わかりやすく信号捕捉・追尾方法概要 -8- レプリカコード生成 IFデータ Acquisition フロントエンド初期コード位相ドップラ周波数・FFTによるサーキュラコリレーション・ノンコヒーレント積分・200Hzステップ Tracking ・二次のPLL+１次FLL ・誤差検出器（PLL） atan(Qp/Ip) PLL/FLL DLL ・二次のループフィルタ・キャリア支援・誤差検出器 (E-L)/(E+L)/2 航法メッセージビット同期航法メッセージデータビット航法メッセージデコード擬似距離・搬送波位相算出 RINEX出力マルチGNSS処理 -9- • 1スレッドに１つの衛星を割り当ててリアルタイム処理 • １つの同期スレッドで観測値生成フロントエンド (NSL STEREO) Max2769 Max2112 GNSS-SDRLIB GPS/QZS L1CA 信号捕捉 1ms ビット同期 20ms 信号追尾 Galileo E1B 信号捕捉 4ms ½FECデコード 4ms 信号追尾 GLONASS G1 信号捕捉 1ms ビット同期 10ms 信号追尾 6000ms 2000ms 2000ms LNAVデコード I/NAVデコード NAVデコード BeiDou GEO 信号捕捉 1ms ビット同期 2ms 信号追尾 600ms D2NAVデコード擬似距離・搬送波位相・ドップラ・信号強度計算測位計算（RTKLIB） BeiDou MEO/IGSO 信号捕捉 1ms NH20同期 20ms 信号追尾 6000ms D1NAVデコードリアルタイム性能 -10- 高速化のポイント • 信号補捉 • FFTの性能に依存，現在はFFTW3.3.3を64bit，Single精度で利用 • 信号追尾 • 相関器計算にはSIMDを利用（SSE2，AVX2）リアルタイム性能（20Msps, Core i7-3770, SSE2） 80 3 correlators (E-P-L) 13 correlators 70 CPU Load (%) 60 50 40 30 20 10 0 10 15 20 25 30 35 Number of channels 40 45 50 E-P-L コリレータならば45chで動作可能！デモ：マルチGNSS リアルタイム測位マルチGNSS測位デモ 2014/4/17，海洋大屋上，GPS/QZS/Galileo/BeiDou 動画リンク： http://youtu.be/N5tScnlQzkI -11- RTKLIBでのマルチGNSS測位 -12- RTKLIB2.4.2p4の改造 • BeiDou観測データ読み込み機能追加 • BeiDou航法メッセージのRTCM規格を（勝手に）追加 • GPS-BeiDou間，GPS-Galileo間のバイアス推定を追加 • 未知数（x, y, z, t, tGPS-GLO , tGPS-BDS , tGPS-GAL ）の７個 HDOP: 0.7 X STD:0.51m Y STD: 0.66m Z STD: 1.52m GNSS-SDRLIBでのマルチGNSS測位を確認まとめ -13- GNSS-SDRLIB: リアルタイムソフトウェアGNSS受信機の開発 GNSS-SDRLIBでのマルチGNSS測位を確認 GNSS-SDRLIB v2.0 ・マルチGNSSのL1測位に対応・QZSS L1SAIF，LEX信号のデコードに対応・新たにDVB-T, BladeRF, GN3S v2をサポート・Linux環境(Ubuntu)での動作に対応 GNSS-SDRLIB: taroz.net/gnsssdrlib.html [email protected]