高精度測位技術の応用について 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

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

2

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

1.衛星測位とは

• 衛星測位

– Satellite

P

ositioning

– Satellite

N

avigation

– GPS：Global Positioning System

– GNSS：

Global Navigation Satellite System

– Space-based

PNT

• 測位：

P

ositioning

• ナビゲーション：

N

avigation

• 測時：

T

iming

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

4

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

1.衛星測位とは



擬似距離

𝜌 = 𝑡

_𝑟

− 𝛿𝑡 − 𝑡

_𝑠

× 𝑐 + 𝜀

= 𝑡

_𝑟

− 𝑡

_𝑠

× 𝑐 − 𝛿𝑡 × 𝑐 + 𝜀

=

𝑥

_𝑠

−

𝑥

_𝑟

2

_{+ 𝑦}

𝑠

−

𝑦

𝑟

2

+ 𝑧

𝑠

−

𝑧

𝑟

2

−

𝑇

+ 𝜀



𝜌: 擬似距離



𝑡

_𝑟

:

信号受信時刻



𝑡

_𝑠

:

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）



𝑥

_𝑠

, 𝑦

_𝑠

, 𝑧

_𝑠

: 衛星の位置座標@信号送信時



𝑥

_𝑟

, 𝑦

_𝑟

, 𝑧

_𝑟

: 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

6

1.衛星測位とは

6

6

6

電離層

対流圏

⑤マルチパス

③電離層の変動

妨害波

⑥受信機誤差

電離層遅延（～100m）

④対流圏の変動

6

①軌道誤差

②時計誤差

• 測位の誤差要因（測距誤差）

対流圏遅延（～20m）

信号遮蔽

1.衛星測位とは

• ユーザ測位精度

obsevation

position

DOP









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

測距誤差

ユーザ測位誤差

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

8

1.衛星測位とは

• 測位誤差試算の一例（GPS誤差バジェット）

出典：NAVSTAR GPS USER EQUIPMENT INTRODUCTION, US. Coast Guard http://www.navcen.uscg.gov/pubs/gps/gpsuser/gpsuser.pdf 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

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 

User Segment

Space Segment Ground Segment User Segment

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2.衛星測位システム

• グローバルシステム：GPS

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/  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

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/

3.準天頂衛星システム

• 準天頂衛星システムの効果(1/2)

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

GPS QZSS

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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)

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

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

GPS QZSS GPS

4.GPSからGNSSへ

欧州：Galileo

（整備中） システム構成 ： 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

日本： QZSS(試験

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）

中国：BeiDou(北斗）

（運用中）

(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）

インド：IRNSS

（整備中）

（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

米国： GPS (

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）

ロシア：GLONASS

（運用中）

(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）

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4.GPSからGNSSへ

2020:

GPS(32)+ Glonass(24)+ Galileo(30)+ BeiDou(35)+ QZSS(4)+ IRNSS(7)+ SBAS(13)

Visible satellite number (mask angle 30 degrees)

10 15 20 25 30 35

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4.GPSからGNSSへ

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 交差点歩道上でも良好な 水平方向DOP 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

• 都市環境における複数GNSS利用の効果

単独測位

相対測位

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 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 （基本的には２周波 で使うことが多い） 単独搬送波位相測位（Precise Point Positioning：PPP） ・地上基準点によらず精密測 位が可能 ・誤差：数cm-10cm ただし、収束性・初期化時間に 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 RTK等 ・地上基準点が必要 -近傍の基準局 -ネットワーク型（VRSなど） ・誤差数cm程度 ・測量用のハイエンドな受信機 JAXAの研究開発 のターゲット

衛星測位の精度向上技術の種類（概略）

5.高精度測位技術（衛星測位の精度向上）

20  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 ①衛星軌道・時計 主な誤差源 ②電離層遅延 ③対流圏遅延 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 RTK方式 PPP/PPP-AR方式 基準局  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

単独搬送波位相測位（PPP）

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の開発）

MADOCA：

“M

ulti-GNSS

A

dvanced

D

emonstration tool for

O

rbit and

C

lock

A

nalysis”

• 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

6. 高精度測位技術（MADOCAの開発）

MGM -Net _EKF Real-Time I/F Parameter Estimator IGS etc QZSS MCS LSQ

MGPLOT MADOCA API

MGRTE MGEST RTCM, BINEX, Javad LEX MT 12 RINEX, SP3, ERP

Data Interfaces Data Interfaces

LMG

Offline DL

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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

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）

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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

GPS GLONASS 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 1m -1m

GNSS Along-track Cross-track Radial

GPS 1.04cm 1.1cm 2.19cm GLONASS 3.78cm 3.57cm 1.48cm

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 後処理PPP解析結果（IGS最終暦を用いたPPPstatic QCRJ(つくば） GMSD(増田） SGOC (シンガポール） OUS2 (ニュージーランド） 観測地点 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

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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

Real-time data stream from 80 sites were used.

MADOCA Real-time orbit estimation result with regard to IGS Rapid and IGV (During 2015/05/11-17 (7 days))

R A

C

2m

Along Cross Radial

GPS 3.7 3.8 3.4 GLO 8.7 8.9 3.7

2m

GPS orbit vs. IGR

Glonass orbit vs. IGV

R A

C

6. 高精度測位技術（MADOCAの開発）

• リアルタイムPPP（定点解析）

E N U E N U 4.89 4.06 6.28 4.59 2.91 6.69 RMSE UCAL7 WTZ27 (cm) 0.2m -0.2m (m)

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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

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

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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、PPP-AR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

6. 高精度測位技術（MADOCAの開発）

 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

• 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 region 2 北海道 region 1 関東 region 3 沖縄

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Summary

6. 高精度測位技術（MADOCAの開発）

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）） 水平方向誤差が6cmに達するまでの時間ヒストグラム 94.9 % 98.0 % 90.4 % 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）

35

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

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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 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 防災・減災（津波監視ブイ） 鉱業機械自動化

自動走行による『スマートチャージング』デモ DENSO/NEC/JAXA共同実験 農機自動走行 北海道大学/JAXA共同実験 津波計測用ブイの精密測位 日立造船/ JAXA共同実験 測位信号による可降水量推定 京都大学/JAXA共同実験 都市環境下での低速移動体測位 日本大学/JAXA共同実験

MADOCA-PPPを用いた実験例

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MADOCAプロダクトインターネット配信

• 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

• 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

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

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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

準天頂衛星システム（QZSS）

準天頂衛星初号機「みちびき」

いつでも、「どこ」が正確に。

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：

kogure.satoshi@jaxa.jp

ご清聴ありがとうございました