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GPS/GNSS
(GPS/GNSS)
GPS
GPS/GNSSは、人工衛星から送信される電波を受信し、地球上における現在位置、移動速度、進行方向、正確な時刻などを求める衛星測位技術です。
GPSは「Global Positioning System」の略で、米国が運用する衛星測位システムを指します。GNSSは「Global Navigation Satellite System」の略で、GPS、Galileo、BeiDou、QZSSなど、複数の衛星測位システムを含む総称です。
GPSとGNSSの違い
GPSはGNSSを構成する一つの衛星測位システムです。複数の衛星システムに対応した受信機では、受信可能な衛星数を増やせるため、建物や地形によって一部の衛星が遮られる環境でも、測位を継続しやすくなります。
ただし、対応する衛星システムが多ければ必ず高精度になるとは限りません。アンテナの設置場所、受信信号の品質、衛星配置、補正情報の有無などを含めて評価する必要があります。
GPS/GNSSで位置を求める仕組み
各衛星は、衛星自身の位置情報と送信時刻を含む信号を送信しています。受信機は、信号が衛星から到達するまでの時間差をもとに、各衛星との見かけ上の距離を求めます。
電波の伝搬速度をc、信号の到達時間をtとすると、衛星までの距離ρは概ね次の関係で表されます。
ρ＝c×t
実際には、受信機内部の時計誤差、大気中での遅延、衛星軌道や衛星時計の誤差などが含まれるため、単純な距離計算だけでは位置を確定できません。複数衛星の既知の位置と測定距離を組み合わせ、受信機の緯度、経度、高度、時計誤差を同時に求めます。
三次元位置と受信機時計の誤差を求めるため、通常は4機以上の衛星信号を使用します。受信衛星数が多くても、衛星が同じ方向へ偏っている場合は位置計算の条件が悪くなることがあります。
GPS/GNSSで取得できる情報
- 緯度・経度
- 高度
- 移動速度
- 進行方向
- UTCを基準とした時刻情報
- 受信衛星数
- 測位状態
- 測位精度の目安となる指標
- 補正情報の適用状態
位置情報だけでなく、衛星から得られる時刻情報を、遠隔地に設置された計測機器や通信機器の時刻同期に利用することもできます。
測位精度に影響する要因
衛星配置
受信可能な衛星数だけでなく、空全体にどのように配置されているかが重要です。衛星が一方向へ集中していると、距離の測定誤差が位置計算結果へ大きく反映される場合があります。
建物・樹木・地形による遮蔽
建物内部、地下、トンネル、金属屋根の下、高い建物に囲まれた場所などでは、衛星信号を直接受信しにくくなります。受信衛星数が不足すると、測位できない、または測位結果が不安定になることがあります。
マルチパス
衛星からの電波が建物、地面、車体、金属構造物などで反射してからアンテナへ到達する現象をマルチパスと呼びます。直接波より長い経路を通るため、衛星までの距離を実際より長く推定し、位置誤差の原因になります。
大気による遅延
衛星信号は電離層や対流圏を通過するときに遅延します。受信機内部の補正モデルや、外部から配信される補正情報によって影響を低減します。
アンテナと受信回路
アンテナの指向性、設置方向、ケーブル損失、周辺金属、受信機の感度なども測位性能に影響します。受信機の仕様値だけでなく、実際の設置条件で評価する必要があります。
測位結果の信頼性を判断する
計測・制御システムへ組み込む場合は、緯度や経度の数値だけを利用せず、測位状態、受信衛星数、精度指標、補正情報の状態なども確認します。
代表的な精度指標にはDOPがあります。DOPは衛星配置による誤差の増幅度合いを示す指標で、値が小さいほど衛星配置の条件が良いことを表します。ただし、DOPが良好でも、反射波やアンテナ設置不良による誤差を完全に判定できるわけではありません。
制御や判定に位置情報を使用する場合は、測位方式、精度指標、連続性、前回値からの変化量などを組み合わせ、信頼性の低い値を除外する処理が必要です。
携帯電話基地局やWi-Fiを利用する補助測位
スマートフォンや通信端末では、GNSSに加えて携帯電話基地局やWi-Fiアクセスポイントの情報を利用し、おおよその位置を求めることがあります。
通信網から衛星軌道情報や時刻情報などを取得し、衛星信号を捕捉するまでの時間を短縮する仕組みはA-GNSSと呼ばれます。A-GNSSは測位開始を支援する技術であり、衛星信号を受信できない場所で高精度なGNSS測位を可能にするものではありません。
高精度測位の主な方式
DGNSS
位置が正確に分かっている基準局で測位誤差を求め、その補正情報を移動局へ送信する方式です。受信機単独の測位より誤差を低減できます。
RTK-GNSS
基準局と移動局で受信した搬送波位相を利用し、高精度な位置をリアルタイムに求めます。初期化状態、基準局との距離、通信状態、衛星配置、遮蔽物などが精度と安定性に影響します。
衛星測位補強サービス
地上の監視局で作成した補正情報を衛星や通信網から配信する方式です。利用できる地域、対応受信機、補正方式、収束時間などを確認して選定します。
アンテナ設置の注意点
アンテナは、可能な限り上空を広く見渡せる場所へ設置します。建物の陰、金属屋根の下、制御盤内、壁際などでは、衛星信号の遮蔽や反射が起こりやすくなります。
アンテナの周囲に大きな金属構造物がある場合は、反射波の影響を受けることがあります。アンテナケーブルが長い場合は信号損失も増えるため、使用可能なケーブル長や増幅器の有無を確認します。
アクティブアンテナを使用する場合は、受信機側からの電源供給条件、電圧、消費電流、断線・短絡検出の有無なども確認します。
計測・制御機器へ組み込む際の注意点
測位できない場合の動作
衛星信号を受信できない場合に、最後に取得した位置を表示し続けるのか、測位不能として扱うのかを決めます。最後の位置を使用する場合は、現在値ではないことを識別できる表示や状態情報が必要です。
異常値の判定
受信環境の急変によって、実際には移動していない機器の位置が大きく変化する場合があります。前回位置からの移動距離、経過時間、速度、測位状態などを比較し、現実的でない位置変化を除外します。
通信との組み合わせ
位置情報をLoRa、LPWA、携帯通信、無線LANなどで送信する場合は、送信周期、通信量、通信圏外時の一時保存、再送、重複データの扱いを設計します。
時刻の扱い
GNSSから得られる時刻をシステム時刻へ反映する場合は、UTCと日本標準時の変換、うるう秒、受信不能時の内部時計による継続、復帰時の時刻補正方法などを整理します。
消費電力
電池駆動機器では、GNSS受信機を常時動作させると消費電力が増加します。一定時間ごとに起動する、移動を検出したときだけ測位する、前回の衛星情報を利用して測位開始時間を短縮するなどの方法を検討します。
他のセンサとの組み合わせ
加速度センサ、ジャイロセンサ、地磁気センサなどを組み合わせることで、衛星信号が一時的に受信できない間の移動推定や、車体・機器の向き、姿勢変化を検出できます。
ただし、これらのセンサによる移動推定は、時間の経過とともに誤差が蓄積します。GNSSで得られる絶対位置と、慣性センサによる相対的な移動情報を適切に補正しながら利用します。
ハカルプラスのGPS/GNSS技術
ハカルプラスでは、GPS/GNSSモジュールを使用した製品やシステムを開発しています。
受信モジュールだけでなく、アンテナ、電源回路、通信、筐体、組込みソフトウェア、データ保存まで含めて構成を検討します。測位状態、衛星数、精度指標を確認し、信頼性の低い測位値をそのまま使用しない処理も重要です。
位置情報を遠隔送信するシステムでは、通信圏外時の一時保存、復帰後の再送、位置情報と時刻情報の対応、消費電力などを、実際の運用条件に合わせて設計します。
よくある質問
Q. 停止している機器の位置が少しずつ変化するのはなぜですか？
A. 衛星配置、大気による遅延、反射波、受信信号の変動などにより、静止中でも測位結果が一定範囲で変動します。停止判定には位置だけでなく、速度や時間、複数回の測位結果を組み合わせます。
Q. 最後に取得した位置を測位不能時にも使用できますか？
A. 使用できますが、現在位置ではないため、最終測位時刻や測位状態を併せて管理する必要があります。用途によっては、一定時間を超えた位置情報を無効として扱います。
Q. RTK-GNSSで固定解にならない原因は何ですか？
A. 衛星信号の遮蔽や反射、基準局との距離、補正情報の通信断、アンテナ設置、衛星配置などが考えられます。受信衛星数だけでなく、補正情報の状態や測位品質を確認します。
Q. GNSS時刻をPLCや計測機器の時刻合わせに使用できますか？
A. 使用できます。必要な時刻精度に応じて、通信データとして時刻を取得する方法や、1PPS信号を利用する方法を検討します。
Q. 通信圏外になった場合でも位置履歴を残せますか？
A. 機器内部に位置情報と時刻を一時保存し、通信復帰後に送信する構成を検討できます。保存容量、記録周期、再送順序、重複防止などの設計が必要です。