列車制御に向けた実環境下でのＧＰＳ測位誤差上限不等式評価 Evaluation of the upper bound of GPS positioning error for train control system in real environment 武輪知明 Tomoaki Takewa 辻田亘 Wataru Tsujita 岩本貴司 Takashi Iwamoto 三菱電機株式会社先端技術総合技術研究所 Advanced Technology R&D center, Mitsubishi Electric Corporation １. まえがき３. まとめ近年鉄道では中長距離閑散区間を中心に，列車位置検知に測位衛星を使用した低コスト列車制御システムが注目されている((1))．列車を安全に運行するためには，測位誤差と安全余裕距離の大小を確実に判定する必要がある．既往研究では，列車に衛星測位受信機を搭載して測位値標本を蓄積し統計的に誤差上限値を求める試みがなされている．しかしこの方式は必要標本数が膨大になる課題がある．我々は測位値の蓄積に依らない方式確立を目指し，これまでに精密な受信機時計によって測位誤差の上限を逐次的に規定する誤差上限不等式を理論的に示した(2)．本稿では精密受信機時計としてRb発振器を用い，実環境下で誤差上限不等式の成立を確認した結果を報告する誤差上限不等式の成立を確認した結果を報告する． UTCに同期させたRb発振器を用いて，実環境下で我々が示した誤差上限不等式が成立することを確認した．事前予測が不可た誤差上限不等式が成立することを確認した事前予測が不可能な，NLOS信号混入時に発生する局所的な測位誤差増大時における成立も示しており，衛星測位の列車制御適応へ活路を開くものと考える．今後は2次元測位への拡張と共にアルゴリズムの実機組み込み化を進めリアルタイム評価を行う予定である．太陽電池パネル電波遮蔽板受信アンテナ２. 実環境下での誤差上限不等式評価試験 2－1 実験方法実環境として，測位誤差の増大が予測される見通し外(NLOS) 信号受信状態と，鉄道走行環境下の状態を選定した．測位誤差評価のため，アンテナは予め位置を測量した箇所に設置した． UTCに同期させたRb発振器（PRS10）のクロックで動作するRFレコーダーを用いてGPS信号を標本化し，解析は後処理で行った． (b)鉄道走行環境図1:アンテナ設置箇所 720 信号到来時刻遅延(m) 700 680 660 ＮＬＯＳ信号受信衛星 640 直達波受信衛星 620 600 0 50 100 時間(秒) 150 200 図2:NLOS信号受信衛星と直達波受信衛星の信号到来時刻遅延量 (縦軸は時間に光速を乗じて距離に換算) 140 140 120 120 測位誤差と誤差上限値 (m) 測位誤差と誤差上限値 (m) 2－2 NLOS信号受信環境下での評価試験図１（ａ）に示すように，太陽電池パネルと電波遮蔽板に挟まれた位置に受信アンテナを設置することで，直接波が遮断された NLOS信号受信環境を構築した．この条件下で仮想的な線路軌道を想定し，NLOS信号受信衛星を含む2衛星による一次元測位を行うと測位結果は大きな誤差を有した（別稿(3)にて報告）．より詳細に現象を分析するため，アンテナ設置座標値を利用して，受信機時計で計測される信号到来時刻の理論値に対する遅延量を算出した．図2にNLOS信号受信衛星の遅延量と，直達波を受信した2衛星の遅延量を，信号送信時刻に対して200秒間描画したものを示す．遅延量は衛星クロック誤差，電離圏・対流圏遅延，回路遅延，反射による光路長増加等の成分を含む．各衛星間の遅延量の差は，全衛星に共通である回路遅延量を除いた成分の影響を反映している．図より直達波の遅延は時間的な変動が緩やかであり，かつ2衛星間の差が10 m程度である．これは遅延量に混入する各種誤差の性質と矛盾しない．一方延す各種誤差性質盾 NLOS信号は，直達波と比較して70 mを超える大きな遅延を示している．これは反射による光路長増加を200秒間に渡り安定して捉えた結果とみられる．このNLOS信号受信衛星を測位に使用すると，誤差の増大は避けられない．この時，受信機時計バイアスから算出した誤差上限値と実際の測位誤差を描画した結果を図 3（a）に示す．図より，誤差上限値は実際の測位誤差より大きく， NLOS信号受信環境下での誤差上限不等式の成立を表している．受信アンテナ (a)NLOS信号受信環境 100 測位誤差誤差上限値 80 60 40 20 0 0 測位誤差誤差上限値 100 80 60 40 20 50 100 時間 (秒) 150 200 (a)NLOS信号受信環境下での結果 0 0 50 100 時間 (秒) 150 200 (b)鉄道走行環境下での結果図3:測位誤差と誤差上限値謝辞本実験を実施するに当たりご協力いただいた鉄道総合技術研究所山本春生氏に感謝の意を表す． 2－3 鉄道走行環境下鉄道走行環境下での評価試験評価試験参考文献鉄道走行環境下として，図1(b)に示す鉄道総合技術研究所構内の試験線路付近に受信アンテナを設置し，同様の評価実験を実施した．算出した誤差上限値と実際の測位誤差を描画した結果を図3(b)に示す．ここでも誤差上限値は実際の測位誤差より大きく，鉄道走行環境下での誤差上限不等式の成立を表している． (1) P. Mertens, JP.Franckart, A.Starck, “A low cost train location and signaling system for the low density lines,” WCCR 2003. (2) T.Iwamoto, T.Takewa, and W.Tsujita, “Receiver Clock-based Integrity Monitoring for GNSS Positioning,” ION ITM, 2015. (3) 岩本,武輪,辻田, “未知分布に従う雑音の招く衛星測位誤差と受信機時計を用いる抑制,” 測位航法学会, 2015. submitted.