利用実証への期待 ＊情報化施工への適用に向けて＊

利用実証への期待

－情報化施工への適用に向けて－

日本大学理工学部

社会交通工学科

佐田 達典

第8回 衛星測位と地理空間情報フォーラム 2010年9月21日

発表内容

１．情報化施工におけるRTK測位

２．準天頂衛星システムを導入した場合の

RTK測位シミュレーション

３． LEX信号受信による静止時及び低速度

移動時の測位特性に関する基礎実験

2

１．情報化施工とRTK測位

 情報化施工：設計データと実施工データを常時比較して工 事を進めてゆく施工技術  ＲＴＫ（Real-time Kinematic）測位技術の導入  高精度（20mm）  リアルタイム性が高い（20Hz）  課題（操作性） ・高精度測位には初期化が必要（５基以上の衛星受信） ・３基以下では測位精度が大幅に劣化、再初期化必要  準天頂衛星 ＧＰＳと相互運用性を持つ準天頂衛星によって、衛星数の 増加による効果（安定した測位）が期待される

衛星測位を用いた情報化施工の例（施工機械）

振動ローラ _{車載モニタ} 3D-MC GPSドーザー 3D-MC GPSショベル 3次元マシンコントロールシステム 締固め管理システム 出典：トプコンＨＰ4

衛星測位を用いた情報化施工の例（工事測量）

基礎杭位置決め作業を 効率化 着 工 位置出し等の 準備期間 本 工 事 開 始 大幅短縮 基礎杭の図面 基礎杭の打設 RTK測位による誘導 目標点 現在位置 12533.35 12533.35 12533.35 1275.25 1275.25

２．準天頂衛星システムを導入した

場合のRTK測位シミュレーション

 準天頂衛星の情報化施工への適用効果を検討するため 移動体観測における連続的な高精度測位（RTK測位） を対象とした推定を実施。  紹介内容は（財）衛星測位利用推進センターからの委託 研究成果の一部である。 6

ID Health

Eccentricity 0.7115840912 E-002 Time of Applicability (s)

Orbital Inclination (rad)

Rate of Right Ascen (r/s) -0.7712515071 E-008 SQRT(A) (m 1/2)

Right Ascen at Week (rad) -0.1291834712 E+001 Argument of Perigee (rad)

Mean Anom (rad) -0.2380016565 E+001 Af0 (s) 0.1726150513 E-003 Af1 (s/s) 0.3637978807 E-011 week 0.9908466339 5153.555176 -1.794147491 433 01 000 589824.0000

******** Week 433 almanac for PRN-01 ********

図 アルマナック航法ファイル（YUMAフォーマット） 図 ケプラーモデル概念図 • 可視衛星数の推定 ① 可視衛星数は軌道情報を基にしたケプラーモデルから 受信機から観測できる衛星を算出する。 ② 周辺障害物の情報を適用して間引きする。

RTK測位シミュレーションの構築

測位開始条件： 可視衛星数５基以上かつPDOP6.0以下 測位継続条件： 可視衛星数４基以上かつPDOP6.0以下 未初期化 初期化済 可視衛星数４機以上 かつPDOP6.0以下 可視衛星数４機未満 またはPDOP6.0以上 可視衛星数５機以上 かつPDOP6.0以下 可視衛星数５機未満 またはPDOP6.0以上 測位利用可能時間の加算 初期化済判定 初期化済取り消し 測位持続判定 初期化不可 初期化可実行 初期化可否判定 可視衛星数の推定 シミュレーション終了 終了時刻の判定 t=t+1 シミュレーションの継続 t=0

RTK測位シミュレーション

の処理フロー

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• 準天頂衛星の軌道要素の算出

準天頂衛星の軌道要素は準天頂衛星インターフェイス仕様書と 軌道推定ソフトAGI-STK（Satellite Tool Kit）を用いて算出した

表 準天頂衛星のケプラー軌道要素 図 準天頂衛星システムの衛星軌道 （AGI-STKによる算出結果）

準天頂衛星の適用

QZSS1 QZSS2 QZSS3 元期（ToE） 軌道半径（A） 離心率（e） 軌道傾斜角（i） 近地点引数（ω）

昇交点赤経（Ω） 225deg 105deg 345deg

平均点角（M） 0deg 120deg 240deg

1 Jan 2010 17:15:25.000 UTCG 45deg 42164km 0.075 270deg 10

準天頂衛星システム導入効果の検討

 シミュレーション内容 「GPSのみ」を使用した場合と_{「GPSと準天頂衛星３基を併} 用」_{した場合のRTK測位利用可能時間の変化から準天頂} 衛星の導入効果を検討する  シミュレーション条件 推定期間 _{： 平成22年１月８日午前0時から24時間} 観測点 ： 札幌、東京、明石、福岡、那覇 観測環境 ： 市街地、住宅地、山間部 推定値 _{： RTK測位利用可能時間} ： 有効測位利用可能時間

準天頂衛星システム導入効果の検討

 観測環境（市街地） 15 ｍ 20ｍ 建 物 建 物 市街地 E N S W RTK測位利用可能時間のうち ８分未満（移動ルート1周の所要時間）を除いたものを 有効利用可能時間とした 12

シミュレーション結果

 市街地 RTK測位利用可 RTK測位利用不可  市街地ではRTK測位利用可能時間率が 26.99％増加した。 0 0 . 0 4 1 6 … 0 . 0 8 3 3 … 0 . 1 2 5 0 . 1 6 6 6 … 0 . 2 0 8 3 … 0 . 2 5 0 . 2 9 1 6 … 0 . 3 3 3 3 … 0 . 3 7 5 0 . 4 1 6 6 … 0 . 4 5 8 3 … 0 . 5 0 . 5 4 1 6 … 0 . 5 8 3 3 … 0 . 6 2 5 0 . 6 6 6 6 … 0 . 7 0 8 3 … 0 . 7 5 0 . 7 9 1 6 … 0 . 8 3 3 3 … 0 . 8 7 5 0 . 9 1 6 6 … 0 . 9 5 8 3 … 1 時刻（時：分） 札幌GPS 札幌GPS +QZSS 東京GPS 明石GPS 福岡GPS 那覇GPS 東京GPS +QZSS 明石GPS +QZSS 福岡GPS +QZSS 那覇GPS +QZSS 552 829 521 876 535 871 566 948 365 958 利用可能時間(分) 0: 00 6:₀₀ 12:00 24: 00 18: 00 時刻（時:分）

シミュレーション結果

 市街地  初期化回数が減少し、有効利用可能時間増加したことから RTK測位を安定して利用できるようになると考えられる 仰角マスク シミュレーション時間（分） 利用可能時間(分） 利用可能時間率(％） 有効利用可能時間（分） 有効利用可能時間率（％） ＲＴＫ初期化回数（回） 項目 平均 標準偏差 平均 標準偏差 可視衛星数(基) 4.86 1.41 6.98 1.53 持続時間(分） 1.87 4.50 3.75 10.47 10.72 39.61 281.20 241.00 507.80 896.40 35.26 62.25 154.40 570.40 GPSのみ GPS＋QZSS 市街地 1440 14

準天頂衛星システム導入効果の検討

 観測環境（住宅地） 15m 6m 住宅 住宅 160m 80m/分 1 6 0 m 住宅 N 160m 80m/分 1 6 0 m 住宅 160m 80m/分 1 6 0 m 住宅 N N E N S W E N S W 住宅地 A E N S W E N S W 住宅地 B 可視衛星数は、観測環境の影響を大きく受けるため、 住宅地では非遮蔽方向を４方位とするマスクAと 非遮蔽方向をマスクAから方位角45度ずらした マスクBを使用した。

シミュレーション結果

 住宅地マスクA・マスクB  RTK測位利用可能時間率が住宅地マスクAでは11.26％、マスク Bでは4.13 ％増加した。 E N S W E N S W 住宅地A _住宅地B E N S W E N S W 0: 00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 006: 7:00 8:00 9:00 10:₀₀ 11:_{00 00}12: 13:₀₀ 14:₀₀ 15:₀₀ 16:₀₀ 17:_{00 00}18: 19:₀₀ 20:₀₀ 21:₀₀ 22:₀₀ 23:₀₀ 0:00 時刻（時：分） 1382 1248 1292 1224 1226 1261 1438 1410 1414 1418 利用可能時間（分） 札幌GPS +QZSS 東京GPS 札幌GPS 那覇GPS 福岡GPS 明石GPS 那覇GPS +QZSS 福岡GPS +QZSS 明石GPS +QZSS 東京GPS +QZSS 0: 00 1:00 2:00 3:00 4:00 005: 6:00 7:00 8:00 9:00 10: 00 1 1: 00 12: 00 13: 00 14: 00 15 :00 16 :00 17 :00 18 :00 19 :00 20: 00 21: 00 22: 00 23: 00 0: 00 時刻（時：分） 1420 1380 1325 1390 1400 1364 1432 1434 1434 1436 利用可能時間（分） 札幌GPS +QZSS 東京GPS 札幌GPS 那覇GPS 福岡GPS 明石GPS 那覇GPS +QZSS 福岡GPS +QZSS 明石GPS +QZSS 東京GPS +QZSS 16

準天頂衛星システム導入効果の検討

 観測環境（山間部） 680m 50 0m 山 _山 680m 50 0m 山 _山 160m 80m/分 1 60 m 山 _山 N 160m 80m/分 1 60 m 山 _山 160m 80m/分 1 60 m 山 _山 N N E N S W 山間部

シミュレーション結果

 山間部  山間部ではRTK測位利用可能時間率が23.31％増加 した。 0: 00 1:00 2:00 3:00 4:00 005: 6:00 7:00 8:00 9:00 10: 00 1 1: 00 12: 00 13 :00 14: 00 15 :00 16: 00 17: 00 18: 00 19: 00 20: 00 21: 00 22: 00 23: 00 0: 00 時刻（時：分） 1336 1047 1108 994 1005 1079 1432 1384 1380 1379 札幌GPS +QZSS 東京GPS 札幌GPS 那覇GPS 福岡GPS 明石GPS 那覇GPS +QZSS 福岡GPS +QZSS 明石GPS +QZSS 東京GPS +QZSS 利用可能時間（分） RTK測位利用可 RTK測位利用不可 E N S W 山間部 18

シミュレーション結果

 観測点に関する考察

「GPSのみ」

観測位置 市街地 住宅地A 住宅地B 山間部 札幌 38.3 90.1 92.0 76.9 東京 36.2 86.3 92.4 72.7 明石 37.2 87.6 94.7 74.9 福岡 39.3 85.1 97.2 70.0 那覇 25.3 85.0 96.5 69.0 観測位置 市街地 住宅地A 住宅地B 山間部 札幌 57.6 96.0 98.6 92.8 東京 60.8 98.1 99.7 95.8 明石 60.5 98.2 97.2 95.8 福岡 65.8 97.9 99.6 96.1 那覇 66.5 99.9 98.8 99.4

「GPS＋QZSS」

観測位置 市街地 住宅地A 住宅地B 山間部 札幌 19.2 5.8 6.6 15.8 東京 24.7 11.8 7.4 23.1 明石 23.3 10.6 2.5 20.9 福岡 26.5 12.8 2.4 26.1 那覇 41.2 14.9 2.2 30.4

増加量

表 RTK測位利用可能時間率（％）

まとめ

①_{RTK測位シミュレーション}を構築した ②準天頂衛星はRTK測位の利用可能時間を著しく 増加させることを確認した。 ③既にRTK測位が利用できる地域においても、準天 頂衛星システムが_{RTK測位の利用を安定させる} 効果があることを確認した。 20

３．LEX信号受信による静止時及び低速度

移動時の測位特性に関する基礎実験

【目的】

①静止して測定する測量用途への適用に向けて、

基礎的な測位特性を把握する。

②低速で移動する建設機械等を用いる情報化施

工への適用に向けて、基礎的な測位特性を把握

する。

③LEX信号を用いた高精度測位に際して、QZSの

GPS補完効果を推定する。

①静止時実験

 周辺環境（障害物）を数種類設定して観測する。  電子基準点を用いたスタティック測量値と比較する。  通常のRTK測位との比較を行う。 3次元点群データによる船橋キャンパス鳥瞰図 静止観測 22

②低速移動時実験

 セグウエイを使用 （走行速度：3km/h～20km/h）  走行ルートを数種類設定（東西方向、南北方向）  自動追尾型TS、通常のRTK測位との比較 船橋キャンパス内の走行路 セグウエイによる走行 23

③QZSのGPS補完効果の検証

 実験時に天頂付近を通過するGPS衛星の一つをQZS とみなし、その衛星の電波受信をオンとする場合とオ フとする場合とで測位解種類と測位誤差を比較する。  擬似的にQZSのGPS補完機能の効果を推定する。 ＧＰＳ衛星をQZSとみなす ON/OFFで比較 ：GPS衛星 北 東 南 西 G07 G13 G23 G19 G03 G06 G16 G24 G31 G21 天空図の例 24