衛星系
/複数周波数信号の組合せに関する
調査検討業務
第
2回マルチGNSSによる高精度測位技術の開発に関する委員会
1調査検討業務
平成
23年12月19日
日立造船株式会社
東京海洋大学
立命館大学
マルチ
GNSSシステム開発の課題
衛星系/複数周波数信号の組合せで想定されるメリット
●
測位可能エリアの拡大(ビル街など)
●
●
TTFFの短縮
●
マルチパス誤差の軽減
● 【衛星系】
●
【複数周波数信号】
2●
マルチパス誤差の軽減
考慮すべき課題
●
各衛星系の軌道暦精度の違いへの対処
●
座標系・時刻系の違いの補正
●
●
GPS受信機・アンテナの特性の違いの補正
●
アンビギュイティ決定手法
●
電離層補正手法
H23年度調査業務の方針
●
軌道暦精度の評価とその影響評価
●
座標系・時刻系の違いによる影響とその補正方法検討
●
●
受信信号強度
(C/N0)と仰角、方位角依存性評価
●
●
擬似距離マルチパス、搬送波位相マルチパス特性評価
●
●
受信機ハードウェアバイアス特性評価
●
GLONASS受信機チャンネル間バイアス特性評価
●:【衛星系】 ●:【複数周波数信号】 3●
GLONASS受信機チャンネル間バイアス特性評価
●
L5帯利用による測位解の精度・安定性への影響調査
●
アンビギュイティ決定に効果的な信号の組合せ調査
●
3周波で同時処理する場合の利害損失調査
●
3周波の最適な電離層遅延補正方法調査
●
L2P(Y)とL2Cの位相特性の違いが及ぼす影響調査
●
●
統計学的手法による測位解への影響調査
●
●
プロトタイプソフトウェアに実装して評価を実施
実施体制
国土交通省 国土地理院 殿
「平成
23年度マルチGNSS解析技術等の開発に向けた
複数周波数信号の組合せに関する調査検討業務」
「平成
23年度マルチGNSS解析技術等の開発に向けた
衛星系の組合せに関する調査検討業務」
4日立造船株式会社
東京海洋大学
立命館大学
業務実施責任、とりまとめ、データ取得整理、実証確認
調査検討内容の立案、調査、プロトタイプ実装
統計学的手法による測位解への影響調査、評価検証
衛星系組合せに関する調査検討
・
GLONASS座標系( PZ-90)をGPS座標系に変換・ GPSとGLONASS間の時刻系のバイアスをパラメータとして推定
■ Tianxing Chu and Dennis Akos(2010)、Assisted GNSS –Traditional and Vectorized: Implementation and Performance Results、ION GNSS 2010
■安田 明生、山田 英輝(2011) マルチGNSS時代における準天頂 衛星システムの役割について、IEICE2011
・
GPSとGLONASS間の時刻系のバイアスをパラメータとして推定衛星系の組合せに関する既存研究
6・
GPSとGLONASS間の時刻系のバイアスをパラメータとして推定 ・“Partial Fixing”によるアンビギュイティ決定の評価■ Kozlov, D et al.(2000) Statistical Characterization of Hardware Biases in GPS + GLONASS receivers, ION GPS 2000
■ 山田 英輝 et al.(2010), チャネル間ハードウェアバイアス較正に よるRTK-GPS/GLONASS測位の性能評価、 ION GNSS 2010 ・GLONASSチャンネル間バイアスの校正テーブルによる補正及び Partial fixingを実施(リアルタイム解析にも適用可) ・RTK測位においてFix率及び測位精度の改善を確認 ・GLONASSチャンネル間バイアスの補正
軌道暦精度の評価とその影響
軌道暦 公称精度 3D誤差RMS(実測)(*1) GPS 放送暦 1 m 1.46 m GPS 超速報暦 (IGS) 0.05 m 0.05 m GPS 速報暦 (IGS) 0.025 m 0.01 m 7 GLONASS 放送暦 10 m 4.54 m GLONASS 超速報暦 (CODE) -- 0.21 m GLONASS 速報暦 (CODE) -- 0.06 m (*1)2011年8月21日~27日<GPST>7日間における IGS 最終暦との差軌道暦誤差が基線解析の二重差観測値に対する影響の概算式
基線解析誤差
= 軌道暦誤差 × 基線長(km) / 軌道高度(km)
座標系・時刻系の違いによる影響と
その補正方法
GNSS 時刻系 座標系
GPS GPS Time WGS84
GLONASS GLONASS Time PZ90.02
■ 各衛星系の時刻系と座標系
8
GLONASS GLONASS Time PZ90.02
Galileo Galileo System Time GTRF
QZSS QZSS Time JGS
■
GPS-GLONASS組合せ解析での対処
・座標系の差(
40cm)は軌道暦の誤差に対して無視できる
・時刻系のバイアスは二重差分でキャンセルされる
受信信号強度
(C/N0)と
仰角、方位角依存性
GPS - L1■ 搬送波雑音電力密度比の実測値
GLONASS - L1 GPS - L5 (dBHz) 9 GPS - L2 GLONASS - L2 観測日 2011年10月22日 観測場所 東京海洋大学 屋上 受信機 JAVAD DELTA アンテナ JAVAD GrAnt-G3T擬似距離・擬似距離マルチパス特性
■ マルチパス実測値
縦軸:マルチパス(m, cm) 横軸:仰角(度) 擬似距離 搬送波位相 L1 GPS GLONASS GPS GLONASS RMS=0.22m RMS=0.74m RMS=0.38cm RMS=0.52cm 0 90 0 90 0 90 0 90 3 -3 3 -3 (m) (cm) 10 観測日 2011年8月30日 観測場所 東京海洋大学 屋上 受信機 JAVAD DELTA アンテナ JAVAD GrAnt-G3T L2 L5 RMS=0.30m RMS=0.49m RMS=0.54cm RMS=0.66cm RMS=0.22m 0 90 0 90 0 90 0 90 0 90 0 90 0 90 0 90 -3 -3 3 -3 3 -3 3 仰角(度) 仰角(度) 仰角(度) 仰角(度) 仰角(度) 仰角(度) 仰角(度) 仰角(度) 仰角(度) 0 90 -3受信機ハードウェアバイアス特性
(ns) (ns) (ns) (ns)
JAVAD
NovAtel
Trimble
TOPCON
平均 -543.3 ns
レート -8.9 ns/day
-483.7 ns
1.5ns/day -4.4 ns/day-501.1 ns -4.0 ns/day-592.9 ns
(GLONASS - GPS)
-600 -580 -560 -540 -520 -500 -480 -460 -600 -580 -560 -540 -520 -500 -480 -460 -600 -580 -560 -540 -520 -500 -480 -460 -600 -580 -560 -540 -520 -500 -480 -460 ●ハードウェアバイアス(時刻系差を含まない) 11・ハードウェアバイアスは基線解析の二重差分でキャンセルされる
Circular T 284, Circular T 285より[UTC] - [GPS time] = -15sec + C0 …① [UTC] - [GLONASS time] = C1 …② GPSとGLONASSの時刻系差①-②より
[GLONASS time] - [GPS time] = C0 - C1 - 15sec
ハードウェアバイアス = 擬似距離バイアス - 衛星系の時刻系差 ●衛星系の時刻系差(GLONASS-GPS) 154.1 ns 154.0 ns 154.6 ns 151.4ns -600 0:00:00 12:00:00 0:00:00 -600 0:00:00 12:00:00 0:00:00 -600 0:00:00 12:00:00 0:00:00 -600 0:00:00 12:00:00 0:00:00
JAVAD-NovAtel
Trimble-NovAtel
TOPCON-NovAtel
L1
-2.47 cm
-3.23 cm
-2.69 cm
GLONASSチャンネル間バイアス
・ゼロ基線テストにより求めたバイアスを横軸周波数として求めた
12L2
-2.47 cm
-2.56 cm
-3.57 cm
-3.23 cm
-2.69 cm
-2.90 cm
(B
i- B
i-1)
複数周波数信号の組合せに関する調査検討
L5帯利用による測位解の精度・安定性への影響
■ 実データによる
L1とL5の精度比較
擬似距離-搬送波のプロット
(東京海洋大屋上、JAVADで観測) 1 2 3 4 擬 似 距 離 - 搬 送 波 (m ) L1 L5 14 -4 -3 -2 -1 0 380500 381000 381500 382000 382500 383000 383500 擬 似 距 離 - 搬 送 波 ( GPSTIME • L5の実測値:6.4cm • L5の理論値:5.5cm • L1の実測値:41.0cm • L1の理論値:32.0cm L1とL5の誤差倍率はほぼ同じ (理論値・実測値との比較)L5帯利用による測位解の精度・安定性への影響
■
L1とL5の対マルチパス性能
遅延距離とマルチパス誤差の関係
(同相と逆相の最大誤差) <前提条件> ・マルチパスを-6dBで設定 ・帯域は20MHzを想定 ・L1は0.1chipのナローコリレータ相当 15 L5帯は反射波30m以上の場合、マルチパスの影響を受けない L5帯は都市部、上空視界の狭い場所での測位に有利 ・L1は0.1chipのナローコリレータ相当 ・L5は1chipのワイドコリレータ相当アンビギュイティ決定に効果的な信号の組合せ
3 2 1 , ,j k i j k i 3 2 1 , , i f j f k f fi j k i,j,k c/ fi,j,k 3 2 1 , , i N j N k N Ni j k 搬送波位相の結合 合成された周波数 合成されたアンビギュイティ M■ 複数周波数の線形結合
16 ] [ ] [ 2 2 2 0 , , cycle i j k M cycle Mi jk k j i k j i k j i m M cycle M , , [ ] , , [ ] , , k j i k j i k j i k j i k j i N f I k j i k j i , , , , 2 1 , , , , , , 1 154 / 115 77 / 60 115 / 154 60 / 77 各周波数における雑音が全てM0で 等しいと仮定した場合の雑音の係数 この式の中央の赤丸部分が、L1帯の電離層遅延量(1次項)の何倍かを示す係数[文献] Shaowei Han & Chris Rizos (1999), The Impact of Two Additional Civilian GPS Frequencies on Ambiguity Resolution Strategies, 55th National Meeting U.S. Institute of Navigation
方式 概要 文献 ① WL→NL→rounding WLの波長は 86.2cmであり決定が容易である。 WLアンビギュイティ が求まれば、簡単にL1アンビギュイ ティが決定できる。 電離層影響を受けるため短基線での利用に限定。 [1]
■ アンビギュイティ決定手法 (
2周波)
アンビギュイティ決定に効果的な信号の組合せ
17 ② MW→LC→rounding WL→LC(電離層フリー)→NLアプローチにより、観測 点座標、衛星軌道、大気遅延そして位相アンビギュ イティを同時に最小自乗推定する。 基線長数百kmに対して水平数mmの精度を確認。 [2] [3] ③ MW→LC→ILS ②と同様であるがアンビギュイティの決定に整数最小 自乗(LAMBDA法等)を使用する。長基線対応可。 [*] [1] Hoffmann-Wellenhof(5th)9.2.2 二周波のアンビギュイティ決定[2] D.Dong and Y.Bock, Global positioning system network analysis with phase ambiguity resolution applied to crustal deformation studies in California, Journal of Geophysical Research, Vol.94, No.B4, 3949-3966, 1989
[3] G.Blewitt, Carrier phase ambiguity resolution for the Global Positioning System applied to geodetic baselines up to 2000 km, Journal of Geophysical Research, 94,B8:10187-10203, 1989
方式 概要 文献 ④TCAR
例)EWL→WL→NL →rounding
Three Career Ambiguity Resolutionの略。
さまざまな3周波の線形結合の組合せを駆使して アンビギュイティを解決する方法。 ※次頁以降に具体例を示す。 [4] [5]
■ アンビギュイティ決定手法 (
3周波)
アンビギュイティ決定に効果的な信号の組合せ
18 ⑤ 電離層推定→ILS フロート解推定時に電離層、対流圏を推定。決定さ れたアンビギュイティを次エポックの観測更新の際の拘 束とする。 高精度、長基線可。 [6] [7][4] Bofeng Li, Yanming Feng and Yunzhong Shen, Three carrier ambiguity resolution: distance-independent performance demonstrated using semi-generated triple frequency GPS signals, GPS Solutions Volume 14, Number 2, 177-184, DOI: 10.1007/s10291-009-0131-6
[5] Shaowei Han & Chris Rizos (1999), The Impact of Two Additional Civilian GPS Frequencies on Ambiguity Resolution Strategies, 55th National Meeting U.S. Institute of Navigation
[6] Tomoji Takasu, Akio Yasuda, Kalman-Filter-Based Integer Ambiguity Resolution Strategy for Long-Baseline RTK with Ionosphere and Troposphere Estimation, ION 2010
[7] S.Fujita, et al., RTK Relative Positioning Algorithms for Long Baselines with Estimating Ionospheric and Tropospheric Delays, ION2008
ff i,j,ki,j,k ffi,j,ki,j,k [MHz][MHz] 合成周波数 合成周波数 λλi,j,ki,j,k[m][m] 合成波長 合成波長 M Mi,j,ki,j,k[m][m] 合成雑音 合成雑音 kki,j,ki,j,k 電離層分 電離層分 ff 0,1,0,1,--11 51.15 5.861 0.166 -1.72 ff 1,1,--1,01,0 347.82 0.862 0.024 -1.28 ff 1575.42 0.190 0.004 1.00
■ アンビギュイティ決定手法 (
3周波:基線長10km程度の例)
アンビギュイティ決定に効果的な信号の組合せ
19 ff 1,0,01,0,0 1575.42 0.190 0.004 1.00 TCARの最もシンプルな手法 ① 最初にN0,1,-1を決定する。 ② N1,-1,0を決定する。 ③ 最後にN1,0,0を決定し位置を求める。ff i,j,ki,j,k ffi,j,ki,j,k [MHz][MHz] 合成周波数 合成周波数 λλi,j,ki,j,k[m][m] 合成波長 合成波長 M Mi,j,ki,j,k[m][m] 合成雑音 合成雑音 kki,j,ki,j,k 電離層分 電離層分 ff 0,1,0,1,--11 51.15 5.861 0.166 -1.72 ff 1,1,--6,56,5 92.07 3.256 0.512 -0.07 ff 77,77,--468,391468,391 6782.49 0.0042 0.5434 0
■ アンビギュイティ決定手法 (
3周波:基線長100km以内の例)
アンビギュイティ決定に効果的な信号の組合せ
20 ff 77,77,--468,391468,391 6782.49 0.0042 0.5434 0 ff 0,24,0,24,--2323 2404.05 0.1247 0.0829 0 TCARの1つで線形結合で電離層遅延誤差を消去する手法 ① 最初にN0,1,-1とN1,-6,5を決定する ② 次にN77,-468,391=-6N0,1,-1+77N1,-6,5をそのまま計算 ③ 上記のf 77,-468,391を利用し、アベレージングでそのままN0,24,-23を 決定し位置を求める。理論的には500エポック程度で1cm未満の 精度で測位可能。ff i,j,ki,j,k ffi,j,ki,j,k [MHz][MHz] 合成周波数 合成周波数 λλi,j,ki,j,k[m][m] 合成波長 合成波長 M Mi,j,ki,j,k[m][m] 合成雑音 合成雑音 kki,j,ki,j,k 電離層分 電離層分 ff 0,1,0,1,--11 51.15 5.861 0.166 -1.72 ff 1,1,--6,56,5 92.07 3.256 0.512 -0.07 ff 77,77,--468,391468,391 6782.49 0.0042 0.5434 0
■ アンビギュイティ決定手法 (
3周波:基線長数100kmの例)
アンビギュイティ決定に効果的な信号の組合せ
21 ff 77,77,--468,391468,391 6782.49 0.0042 0.5434 0 ff 0,24,0,24,--2323 2404.05 0.1247 0.0829 0 TCARの1つで線形結合で電離層遅延誤差を消去する手法 ① 最初にN0,1,-1とN1,-6,5を決定する ② 次にN77,-468,391=-6N0,1,-1+77N1,-6,5をそのまま計算 ③ 上記のf 77,-468,391を利用し、アベレージングでそのままN0,24,-23を 決定し位置を求める。理論的には500エポック程度で1cm未満の 精度で測位可能。 対流圏誤差と軌道誤差はGeometry-freeで消去方式
秒数
①WL→NL→rounding
(2周波)
325.7秒
(0.38ms)
③MW→LC→ILS
165.2秒
■
2周波と3周波での計算時間の比較
3周波で同時処理する場合の利害損失
22それぞれのアンビギュイティ決定までのステップを
24時間分(1Hzで)
計算し比較
③MW→LC→ILS
(2周波)
165.2秒
(0.19ms)
④TCAR (EWL→①に同じ)
(3周波)
257.2秒
(0.30ms)
⑤電離層推定→ILS
(3周波)
413.0秒
(0.48ms)
3周波の最適な電離層遅延補正方法
(文献調査)
方式 概要 文 献 線形結合の利用 線形結合をとることで、電離層遅延量が相殺された観 測量(電離層フリー結合)を構成する。 [1] 外部情報の利用 外部情報として、放送モデル(Klobucharモデル)やIGS が提供する全地球電離層マップ(GIM)を用いて電離 層遅延を補正する。 23 層遅延を補正する。 外部情報+誤差 の線形モデル化 GIMを用いて電離層遅延補正を行った誤差を明示的 にモデル化し、観測モデルに組み込んで取り扱う方法。 [2] 測位演算の過程 で同時に推定 測位演算の過程で電離層遅延量を同時に推定する方 法。電離層遅延量をモデル化し、カルマンフィルタによ る推定を測位と同時に行う。 [3] [4] [1]杉本末雄・柴崎亮介(編): GPSハンドブック,朝倉書店,2010[2] Y. Kubo, S. Fujita and S. Sugimoto: Unified Positioning Algorithms Based on GNSS Regression Equations –Further Results of Point and Relative Positioning, Proc. ION National Technical Meeting 2007, pp. 892-902, 2007
[3] T. Yanase, H. Tanaka, M. Ohashi, Y. Kubo, S. Sugimoto: Long Baseline Relative Positioning with Estimating Ionosphere and Troposphere Gradients, Proc. ION-GNSS 2010, Portland, pp. 196-206, Oregon, 2010
[4] Tomoji Takasu, Akio Yasuda, Kalman-Filter-Based Integer Ambiguity Resolution Strategy for Long-Baseline RTK with Ionosphere and Troposphere Estimation, ION 2010
L2P(Y)とL2Cの位相特性の違いが及ぼす影響
L2P(Y)とL2Cの位相差による影響を調査するため、東京海洋大で取得した 24時間1Hzのデータを利用して、以下の条件で基線解析を実施。 (マスク角15度、L1 30dBHz以上、LAMBDA法で解析) ① 同一衛星間でL2P(Y)とL2P(Y)を利用したときの性能 ② 同一衛星間でL2CとL2Cを利用したときの性能 ③ 同一衛星間でL2P(Y)とL2Cを利用したときの性能■
L2P(Y)とL2Cを使用した基線解析
24 ③ 同一衛星間でL2P(Y)とL2Cを利用したときの性能 ④ ①について同一衛星間でL2C+1/4周期とL2P(Y)を 利用したときの性能種別 測位率 FIX回数 FIX率 ミスFIX回数 ミスFIX率
① 100.00% 86092 99.64% 0 0.00%
② 100.00% 85985 99.58% 0 0.00%
③ 100.00% 0 0% 86400 100%
プロトタイプ実装と評価(予定)
・評価結果、検討結果をアルゴリズムにまとめ、プロトタイプ
ソフトウェアに実装する
・以下の条件での測位性能評価実験を行う。
- 短基線解析スタティック、キネマティック
- 中基線解析スタティック、キネマティック
- 長基線解析スタティック、キネマティック
25- 長基線解析スタティック、キネマティック
- 精密単独測位
・評価項目は、測位精度、初期化時間または収束時間、
FIX率、ミスFIX率とする
・プロトタイプソフトウェアとして
RTKLIB 2.4.1 の一部を
改修する方法で実装する
統計学的手法による測位解への影響調査
~相対測位における測位誤差等の理論的な
26
~相対測位における測位誤差等の理論的な
解析・比較方法とその数値例~
統計学的手法による測位解への影響調査(方法)
観測モデル 最小二乗推定量 b:バイアス誤差(モデルが正しい場合は0) 電離層等の影響を考慮する場合は,bにその見積も 27 推定誤差共分散行列 観測誤差(バイアス)の影響 測位に及ぼす影響の評価指標 電離層等の影響を考慮する場合は,bにその見積も り値を代入して,測位結果に及ぼす影響を評価するバイアス誤差無しの場合の解析例
をプロット (b=0,s =0.03[m]) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0.001 0.01 0.1 1 10 1 10 海洋大-大森 約10km J[mt ] L1(float) L1&L2(float) L1&L2&L5(float) L1(fix) L1&L2(fix) L1&L2&L5(fix) 13:45 13:50 13:55 14:00 14:05 14:10 14:15 14:20 28 日時:2011年1月1日13時40分~14時20分(LT),エポック間隔30秒,衛星数:6 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0.001 0.01 0.1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0.001 0.01 0.1 1 10 立命大-大阪 約60km 海洋大-立命大 約350km Jt [m ] Jt [m ] 13:45 13:50 13:55 14:00 14:05 14:10 14:15 14:20 13:45 13:50 13:55 14:00 14:05 14:10 14:15 14:20バイアス誤差の影響(測位解)例
測位誤差(3次元,距離)に対するバイアス誤差の影響をプロット b(バイアス誤差)として,Klobucharモデルによる電離層遅延,Saastamoinenモデルによる対流圏遅延 を想定した場合の,測位解への影響を解析した一例(s =0.03[m]) 海洋大-大森 約10km 3D誤差 [m ] 0.160 10 20 30 40 50 60 70 80 0.05 0.055 0.06 0.065 0.07 0.075 0.08 13:45 13:50 13:55 14:00 14:05 14:10 14:15 14:20 L1(float) L1&L2(float) L1&L2&L5(float) 29 立命大-大阪 約60km 海洋大-立命大 約350km 3D 誤差 [m ] 3D 誤差 [m ] 日時:2011年1月1日13時40分~14時20分(LT), 30秒1エポック, 衛星数:6 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0.5 1 1.5 2 2.5 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 13:40 13:45 13:50 13:55 14:00 14:05 14:10 14:15 14:20 13:45 13:50 13:55 14:00 14:05 14:10 14:15 14:20 13:45 13:50 13:55 14:00 14:05 14:10 14:15 14:20バイアス誤差の影響(アンビギュイティ)例
搬送波観測量のみで,LAMBDA法により整数解を求めた場合を考える. アンビギュイティのFIXルールを「レシオテスト(閾値3)を5回連続で通過する」とし,FIXできるまでにかかったエ ポック数を比較する.観測誤差は以下の通り. 観測誤差: 平均0の正規性白色ノイズ( s =0.03[m] )およびKlobucharモデルによる電離層遅延,Saastamoinen モデルによる対流圏遅延 基線 周波数帯 観測誤差の大きさの平均(範囲) [m] FIXに要するエポック数(1エポック: 30秒) 30 海洋大-Hitz大森 (約10[km]) 6衛星 L1 L1+L2 L1+L2+L5 0.0108 (-0.0258~0.0157) 0.0118 (-0.0258~0.0276) 0.0123 ( 0.0123~0.0300) 24 7 6 立命大-Hitz大阪 (約60[km]) 6衛星 L1 L1+L2 L1+L2+L5 0.1186 (-0.0332~0.4164) 0.1343 (-0.0460~0.5055) 0.1417 (-0.0487~0.5241) -- -- -- 海洋大-立命大 (約350[km]) 6衛星 L1 L1+L2 L1+L2+L5 0.7346 (-0.9587~1.4300) 0.8386 (-1.0961~1.8656) 0.8877 (-1.1248~1.9563) -- -- -- 日時:2011年1月1日13時40分~14時20分(LT)GPSのみ,およびGPS/GLONASS複合の場合についても同様に,最小2乗法に基づいた理論 析が可能.システム間のバイアス等は,変数bにその見積もり値を代入することで測位結果 に与える影響を評価可能. 解析結果の例: