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この手に超高精度GPSを!

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2021/04/07(水)に開催されたKLab TECH Meetup #7〜IoT/電子工作/ものづくり〜のセッション資料です。

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この手に超高精度GPSを!

  1. 1. この手に超高精度GPSを! 於保 俊
  2. 2. 今日のお題 モバイル(持ち歩けるレベル)でcm測位をやってみる
  3. 3. まずGPSの仕組みのおさらいと 高精度GPSの各種方法
  4. 4. GPSGNSS GPS Global Positioning System アメリカの衛星測位システムの名称 GNSS Global Navigation Satellite System 衛星測位システム一般の名称 なぜ? EU圏 Galileo ロシア GLONASS 中国 BeiDou (日本 QZSS) (インド IRNSS→NavIC) 日本とインドは限られた地域だけなので、GNSSと呼ばないことが多い インターネット同様これだけ普及しているので忘れがちだが、由緒正しい軍事技術なので、 各国で自前のものを持とうとする...その意味では日本の「みちびき」(QZSS)だけ例外 画像出典: https://qzss.go.jp/column/gps_170831.html
  5. 5. GNSSの仕組み 衛星からの電波を受信して自分との距離を計測して、三角測量することで自分の 位置を知るシステム
  6. 6. 単独測位 GNSS受信機単体で”オフライン”で測位する仕組み 衛星からの電波の「受信」のみで動く。 一般的なGNSS受信機(GARMINとかの)はこれ。 現在市場に出回っている一般的なものは、L1というバンドの電波を使ってコード 測位することが普通 コード測位?
  7. 7. GNSSの電波の中身 例えばL1バンドは、GPSでは1.57542GHzの電波を使っている GPSの信号同士で混信しないの?→同じ周波数の電波を使っているので混信している。それを信号処理 で各衛星の電波に分ける。 GNSSでは疑似乱数による符号分割多重化により、スペクトラム拡散して通信している。使われている疑 似乱数系列はM系列と呼ばれるもの。 この疑似乱数の周期の長さがGNSSの単独測位精度を決める。 民間に開放されている疑似乱数コードは、C/Aコードという名称で、これが先ほどの1.57542GHzの電波 に1.023MHzで変調されてのる。繰り返し周期は1ms。 さらに、衛星の時計や軌道情報等のデータが、航法メッセージとして50Hz=50bpsで変調されてのる。 測位にはこの航法メッセージを全て受信しなければならないので、単独測位のコールドスタートだとお よそ15分くらいかかる。GPSレシーバーが測位まで時間がかかるのはこのため。 航法メッセージを使って衛星の情報を得つつ、疑似乱数コードを受信して衛星との距離を計測する。
  8. 8. GNSSの誤差 今スマホのGNSSだと、およそ5m~15mくらいは誤差がある。 誤差はなぜ生じるか? ● 運営主体による意図的誤差→SA、湾岸戦争の時とか解除された 100mくらい ● 衛星の原子時計の誤差 数m ● 衛星の軌道情報の誤差 数m ● 大気遅延 電磁波の速度は条件によって微妙に変わる 数十m ● 建物などの反射(マルチパス)数m ● 受信機の時計の誤差 数m ● 衛星の配置条件 数十m 精密な測位のためにはこれらの誤差をどう取り除いていくかが重要
  9. 9. DGPS Differential GPS 基準点との差分をとることで誤差要因を消す方法 位置が既知の基準点を用意してそこでGNSS信号を受信 その情報を何らかの方法で端末に送り、誤差を相殺 大気遅延や衛星軌道の誤差など、一定範囲内ではほぼ同じ誤差が生じる時に有効 測量などに使われることもあった 1m程度まで精度をあげられる
  10. 10. L1S 日本のQZSS準天頂衛星が独自に出している信号 ここに、日本各地の電子基準点で受信したGNSS信号を解析して得た大気遅延の情報を載せて QZSSからブロードキャスト 対応した受信機かつ日本国内(QZSS範囲内)なら これを利用して1mくらいの精度が可能になると言われている これもDGPSの一種 理想的には受信機のソフトウェア的な変更で対応できるので、 既存の受信機でも使えるようになる可能性はある Spressenseというマイコンボードが対応している(試してみたことはある) 画像出典: https://developer.sony.com/ja/develop/spresense/
  11. 11. AGPS Assisted GPS スマホなどの通信回線を持つ端末用 精度の向上ではなく、初期化の高速化 衛星軌道データを携帯回線で受け取り測位開始する GPSの航法メッセージのデータレート 50bps・・・ LTE回線とか ~数十Mbps 圧倒的な回線速度で瞬時に必要な情報を受け取り測位開始 規格などが色々あり、GNSSの位置計算をサーバーにオフロードする仕組みなどもある 携帯電話・スマホでは、他にもWifiや基地局の電波強度を補足的に用いて位置精度を向上させたり する仕組みもある
  12. 12. 二周波受信機 最近手に入るようになってきた受信機 L1だけでなく、L2を受信できる →周波数の違う電波を同時に受信する 大気遅延は、物理現象で周波数によって影響が違う(例:屈折率は周波数でちが う、色収差) それを二周波の差分をとることで打ち消すことができる 単純に測位のための情報も多くなるので、それによって精度もある程度あがる 初期測位も早くなる
  13. 13. RTK Realtime Kinematic 測位 コードによる測位ではなく、位相による測位 電波の波の位相を使って測位する 単純に波の数を数えるのは無理→位相のずれを測ってそこから複数の衛星からの情報 を使って一番確からしい点を絞り込む 位相のずれは、基準になる端末で生成した信号と和をとればわかる うまくいけば数㎝以下の精度が出る 欠点 ● 位置の決定まで時間がかかる数10分 ● 10㎞以内にRTK用のデータを配信する基準点が必要 ● 装置(アンテナや受信機)が高い、でかい
  14. 14. 後処理RTK 日本国内でつかえる国土地理院の電子基準点のデータを使ったRTK 電子基準点のデータはリアルタイムでは有料、遅れてダウンロードなら誰でも無 料 これを使って、保存した電波の情報を後から処理して精度の高い位置情報を得る
  15. 15. 実際にやってみる
  16. 16. 本題 個人でも超高精度のcm測位してみる ”二周波”RTK受信機が今3万くらいで買える Qwiic - ZED-F9P搭載 GPS-RTK-SMAモジュール 何がすごい? ● 二周波 L1+L2 RTKでも初期測位が劇的に早くなる 単独測位も高速高精度 ● モジュールだけでRTK計算とかもしてくれる ● 既存GNSS全対応 GGGB+Q ● 測位レート20Hz 秒間20回測位できる やばいスペック、もてあますくらい これでRTK測位と後処理RTKを試してみる 画像出典: https://www.switch-science.com/catalog/6365/
  17. 17. 実際に自宅周辺で散歩してみた
  18. 18. システム構成図 アンテナ ZED-F9P GNSSモジュール Raspberry Pi Zero WH Wifiでインタ モバイルバッテリー Pixel3 携帯回線にテザリング WifiAP Internet Linux端末 GNSSデータのログ やラズパイの制御
  19. 19. その精度
  20. 20. 軌跡
  21. 21. 基準局はどうするか リアルタイム http://rtk.silentsystem.jp https://www.unavco.org/instrumentation/networks/status/all/realtime http://www.rtk2go.com 後処理 https://www.gsi.go.jp/denshi/denshi_about_GEONET-CORS.html
  22. 22. 後処理RTK RTKLIBというソフトを使う 色々なOSで使えるCUI版とWindowsのGUI版があるので便利 ラズパイでログったデータを転送してRTKCONV、RTKPOSTというプログラム で後処理 電子基準点のデータは国土地理院のサイトから 結果:できることは確認できたけど、精度はイマイチ 何かまずいところがあり そうなので要精査(モジュールの設定、プログラムの設定など分かっていないと ころも多いので)
  23. 23. 未来の話
  24. 24. 携帯キャリアによるRTKのサービス Softbank ALES docomo IoT高精度GNSS位置情報サービス 携帯キャリア 配信用のインフラ、全国にある基地局、などサービスの条件がそろっている 当面は比較的高価(ただし既存のもので頑張ることを考えると破格。一台年数万 円とかのオーダー)で事業者用のサービスになるよう 自動運転や建機の制御などが、ターゲットになっている模様
  25. 25. L6、PPP、MADOCA L6 新しいバンドで測位補強情報の配信など 受信できる機材が限られて高価 PPP(CLAS) L6バンドを使ってcm精度が可能な補助信号を配信 MADOCA 精密な衛星軌道や時刻を推定する仕組み これでcm精度が可能な補 助信号を配信 L6 どちらも位相を見る系の干渉測位なのでレシーバーが高価 どちらにしろ現状ではL6が必要でスマホ方面での普及は見込めないかな
  26. 26. 他にも RTKの基準点を仮想的に計算する仮想基準点方式などが研究されている
  27. 27. スマホに載るのか? 二周波は載るかもしれない モバイル端末にさらなる位置精度が求められるユー スケースがあれば L1Sは日本固有なので、多分海外メーカー製スマホには載らない RTKなどの位相見る系は、高価でアンテナも大きいのが今のところ必要なので、 当面載らないでしょう
  28. 28. 最後に
  29. 29. 於保の次回作にご期待ください

2021/04/07(水)に開催されたKLab TECH Meetup #7〜IoT/電子工作/ものづくり〜のセッション資料です。

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