講演資料

高精度測位技術の応用について
2016.1.21
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
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
1.衛星測位とは
• 衛星測位
– Satellite Positioning
– Satellite Navigation
– 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
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）
– ユーザ受信機の時計誤差 T
– 測位演算
• 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
1.衛星測位とは
擬似距離
𝜌 = 𝑡𝑟 − 𝛿𝑡 − 𝑡𝑠 × 𝑐 + 𝜀
= 𝑡𝑟 − 𝑡𝑠 × 𝑐 − 𝛿𝑡 × 𝑐 + 𝜀
=
𝑥𝑠 − 𝑥𝑟 2 + 𝑦𝑠 − 𝑦𝑟 2 + 𝑧𝑠 − 𝑧𝑟









2
−𝑇+𝜀
𝜌: 擬似距離
𝑡𝑟 : 信号受信時刻
𝑡𝑠 : 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300000km）
𝑥𝑠 , 𝑦𝑠 , 𝑧𝑠 : 衛星の位置座標@信号送信時
𝑥𝑟 , 𝑦𝑟 , 𝑧𝑟 : 受信機の位置座標@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
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
③電離層の変動
②時計誤差
電離層
電離層遅延（～100m）
④対流圏の変動
⑤マルチパス
対流圏遅延（～20m）
対流圏
信号遮蔽
妨害波
6
6
66
6
1.衛星測位とは
• ユーザ測位精度
ユーザ測位誤差
測距誤差
 position  DOP   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
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
http://www.navcen.uscg.gov/pubs/gps/gpsuser/gpsuser.pdf
8
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
追跡管制システム
Space Segment
 User Segment
User Segment
Ground Segment
衛星コンステレーションの図：出典http://en.wikipedia.org/wiki/Global_Positioning_System
9
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
http://www.schriever.af.mil/news/story.as
p?id=123260251
地上セグメント
http://www.gps.gov/systems/gps/control/
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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．．．．．
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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 http://qzss.go.jp/
12
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
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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
GPS
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
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4.GPSからGNSSへ
米国： GPS (運用中）
ロシア：GLONASS（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）
(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）
日本： QZSS(試験運用中）
中国：BeiDou(北斗）（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）
(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）
インド：IRNSS（整備中）
システム構成：
（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）
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。）
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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)+
10
Galileo(30)+
15
BeiDou(35)+
20
25
QZSS(4)+
30
IRNSS(7)+
SBAS(13)
35
16
2020年ある日の東京の空
17
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
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5.高精度測位技術（衛星測位の精度向上）
衛星測位の精度向上技術の種類（概略）
単独測位
コード位相測位
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
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
搬送波位相測位
単独搬送波位相測位（Precise RTK等
（基本的には２周波 Point Positioning：PPP）
・地上基準点が必要
で使うことが多い）・地上基準点によらず精密測
-近傍の基準局
位が可能
-ネットワーク型（VRSなど）
・誤差：数cm-10cm
・誤差数cm程度
JAXAの研究開発
・測量用のハイエンドな受信機
ただし、収束性・初期化時間に
のターゲット
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
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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
PPP/PPP-AR方式
①衛星軌道・時計
②電離層遅延
③対流圏遅延
基準局
④雑音・マルチパス
 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





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
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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（2011-2013）：GPS、GLO、QZS
• 後処理最終暦で世界一の精度達成
– 第２フェーズ（2014-2015）：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）
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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
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6. 高精度測位技術（MADOCAの開発）
S/W Architecture
Data Interfaces
MGM
-Net
Real-Time
I/F
Parameter Estimator
Data Interfaces
MGRTE
LMG
EKF
RTCM,
BINEX,
Javad
IGS
etc
RINEX,
SP3, ERP
QZSS MCS
LEX
MT 12
MGEST
Offline
DL
MGPLOT
LSQ
MADOCA API
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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
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）
● 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）
■ 運用中（９３局）
■ 建設中（３局）
■ 運用休止中（７局）
■ 設置交渉中（２０局）
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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.0.6.5
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
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
観測地点
QCRJ(つくば）
GMSD(増田）
SGOC
(シンガポール）
OUS2
(ニュージーランド）
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
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
2m
MADOCA Real-time orbit estimation result with regard to IGS Rapid and IGV
(During 2015/05/11-17 (7 days))
A
C
R
Real-time data stream from 80 sites
were used.
Along
Cross
Radial
GPS
3.7
3.8
3.4
GLO
8.7
8.9
3.7
2m
GPS orbit vs. IGR
A
C
R
Glonass orbit vs. IGV
28
２７
6. 高精度測位技術（MADOCAの開発）
• リアルタイムPPP（定点解析）
0.2m
E
UCAL7
RMSE
4.89
-0.2m
N
4.06
U
6.28
E
WTZ27
4.59
N
2.91
U
6.69
(m)
(cm)
Kinematic PPP with MGRT1, GPS Week 1811 (2014/9/21 - 27)
29
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
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
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、PPPAR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
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 2
北海道
region 1
関東
region 3
沖縄
33
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
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
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
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
京都大学/JAXA共同実験
JAMSTEC/東北大
/JAXA共同実験
37
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
https://ssl.tksc.jaxa.jp/madoca/public/public_index_en.html
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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
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
(https://ssl.tksc.jaxa.jp/madoca/public/public_index_en.html)
→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
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
E-mail：[email protected]

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