衛星航法工学研究室衛星航法 学研究室

0655025 湯浅 純一

本研究の背景と目的

１周波高精度測位１周波高精度測位◦ 概要◦ 問題点と解決手法問題点と解決手法実験実験概要◦ 実験概要◦ 実験結果と考察応用について応用について

結論

2

高精度測位に対するニーズ◦ マシンコントロール

精密農業

大規模工事

ITS貨物管理

◦ GIS◦ センサネットワーク

3

多周波の測量級受信機＋アンテナ

問題点問題点◦ 受信機・アンテナが非常に高価輸出制限がある◦ 輸出制限がある◦ 消費電力が多い大型 重量◦ 大型・重量

4

１周波測量級受信機＋アンテナで高精度測位◦ 相対的に安価◦ 輸出制限がない◦ 相対的に消費電力が少ない費◦ 相対的に小型・軽量

問題点◦ 誤差要因を抑える一部の手法（電離層）が使用不可◦ 誤差要因を抑える 部の手法（電離層）が使用不可◦ 測量級1周波の受信機数が少ない◦ 高精度測位が可能なソフトウェアが見当たらなかった◦ 高精度測位が可能なソフトウェアが見当たらなかった

5

安価な受信機で高精度測位◦ 高精度測位に使用可能な量産型１周波受信機の出現◦ 量的・質的な技術の発展により小型・軽量化◦ 使いやすく、優れたソフトウェアの出現

安価なアンテナと受信機で高精度測位◦ 最適な環境下で アンテナを最適化◦ 最適な環境下で、アンテナを最適化

オープンスカイ

短基線短基線

6

安価なアンテナと受信機で高精度測位を行う安価なアンテナと受信機で高精度測位を行う

安価な パタ と測量級安価なアンテナのアンテナパターンと測量級アンテナの差異の調査

応用可能性を検討

7

K-GPS (Kinematic GPS)◦ ２台の受信機(移動局と基準局)◦ 搬送波位相を用いた測距

整数不定性

◦ 電離層◦ 反射波 (マルチパス)( )

◦ 一般的な測位誤差は数cm般的な測位誤差 数◦ リアルタイムで行う場合(RTK-GPS)は通信リンクが必要

8

8 8 ２４ｈ ANN-MS+LEA-4T

2

4

6

m] 2

4

6

m]

-4

-2

0

Err

or

[m

E W-4

-2

0

Err

or

[m

E W

4.6 4.7 4.8 4.9 5 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5

x 105

-8

-6

GPS Time [s]

E-WN-SU-D

4.6 4.7 4.8 4.9 5 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5

x 105

-8

-6

GPS Time [s]

E-WN-SU-D

ASR[%] FIX [%]FIX解 STD[cm]

E-W N-S U-D安価 5.64 78.1 1.05 0.40 0.70測量級 92.65 99.7 0.34 0.19 0.30

◦ ASR (Ambiguity Success Rate)アンビギュイティ決定成功率アンビギ イティ決定成功率

◦ FIX率アンビギュイティが解けた中での正解率

9

アンテナパターン◦ 計測場所 電子航法研究所 電波無響室◦ 計測対象

NovAtel社製 GPS-600 NovAtel GPS-600ublox社製ANN-MS

◦ 計測方法

NovAtel GPS 600

回転台を用いた自動計測

送信アンテナ

ETS-LINDGREN社製ホーンアンテナ測定系 ublox ANN-MS

スカラネットワークアナライザ ：アジレント製 8757D信号発生器：アジレント製 E8257DPSG

10

0 500 50 0 500 50赤：右旋円偏波 青：左旋円偏波 緑：軸比

-10

-5

0

35

40

45

50

-10

-5

0

35

40

45

50

-10

-5

0

35

40

45

50

-10

-5

0

35

40

45

50

-25

-20

-15

利得

[dB

]

15

20

25

30

軸比

[dB

]

-25

-20

-15

利得

[dB

]

15

20

25

30

軸比

[dB

]

-25

-20

-15

利得

[dB

]

15

20

25

30

軸比

[dB

]

-25

-20

-15

利得

[dB

]

15

20

25

30

軸比

[dB

]

-35

-30

25

0

5

10

15

-35

-30

25

0

5

10

15

-35

-30

25

0

5

10

15

-35

-30

25

0

5

10

15

ublox社製 ANN-MS NovAtel社製 GPS600

-150 -100 -50 0 50 100 150-40

天頂角 [Degree]

-5 * : RHCP, + : LHCP, x : Axial Ratio(右軸)-150 -100 -50 0 50 100 150

-40

天頂角 [Degree]

-5 * : RHCP, + : LHCP, x : Axial Ratio(右軸)

-150 -100 -50 0 50 100 150-40

天頂角 [Degree]

-5 * : RHCP, + : LHCP, x : Axial Ratio(右軸)-150 -100 -50 0 50 100 150

-40

天頂角 [Degree]

-5 * : RHCP, + : LHCP, x : Axial Ratio(右軸)

左旋円偏波の利得がANN-MSの方が高い右旋と左旋の利得が逆転する角度がANN MSの方が内側

ublox社製 ANN MS NovAtel社製 GPS600

右旋と左旋の利得が逆転する角度がANN-MSの方が内側

11

軸比：楕円偏波における長軸と短軸の比

1(0dB)に近い方が受信電力の損失少

アンテナ下部からの反射波の影響◦ 地面反射

建物で反射した電波に比べ電力が高い

アンテナ下部からの反射波低減が必要アンテナ下部からの反射波低減が必要

グランドプレーン・チョークリンググランドプレーン・チョークリンググランドプレ ン チョ クリンググランドプレ ン チョ クリング

12

グ プグランドプレーン◦ アンテナ下部に設置する導体の平面板アンテナ下部からの電波を遮蔽◦ アンテナ下部からの電波を遮蔽

◦ 素材としてアルミ合金、銅、金◦ 軽量・薄型◦ 軽量 薄型◦ 電気伝導率が高い ⇒ 回折や反射

チョークリング◦ グランドプレーン上に同軸穴を複数重ねた構造◦ 穴の深さは1/4λ◦ マルチパス除去性能が高い大きく重い◦ 大きく重い

◦ 高価

13

グランドプレーンを採用◦ 軽量・薄型◦ 素材の入手性◦ 自前で作成可能

グランドプレーンが意図通りに働くかを検証グランドプレーンが意図通りに働くかを検証

(電気的な最適化)

アンテナパターンの計測

14

アンテナパタ ンの計測

赤：右旋円偏波 青：左旋円偏波 緑：軸比

-10

-5

0

35

40

45

50

-10

-5

0

35

40

45

50

-10

-5

0

35

40

45

50

-10

-5

0

35

40

45

50赤 右旋円偏波 青 左旋円偏波 緑 軸比

-20

-15

利得

[dB

]

20

25

30

35

軸比

[dB

]

-20

-15

利得

[dB

]

20

25

30

35

軸比

[dB

]

-20

-15

利得

[dB

]

20

25

30

35

軸比

[dB

]

-20

-15

利得

[dB

]

20

25

30

35

軸比

[dB

]

-35

-30

-25利

0

5

10

15

軸-35

-30

-25利

0

5

10

15

軸-35

-30

-25利

0

5

10

15

軸

-35

-30

-25利

0

5

10

15

軸

-150 -100 -50 0 50 100 150-40

天頂角 [Degree]

-5

0

* : RHCP, + : LHCP, x : Axial Ratio(右軸)

-150 -100 -50 0 50 100 150-40

天頂角 [Degree]

-5

0

* : RHCP, + : LHCP, x : Axial Ratio(右軸)-150 -100 -50 0 50 100 150

-40

天頂角 [Degree]

-5 * : RHCP, + : LHCP, x : Axial Ratio(右軸)-150 -100 -50 0 50 100 150

-40

天頂角 [Degree]

-5 * : RHCP, + : LHCP, x : Axial Ratio(右軸)

グランドプレーン 20cmグランドプレーン 0cm グランドプレーン 20cmグランドプレーン 0cm

15

赤：右旋円偏波 青：左旋円偏波 緑：軸比

-10

-5

0

35

40

45

50

-10

-5

0

35

40

45

50

-10

-5

0

35

40

45

50

-10

-5

0

35

40

45

50

-20

-15

10

利得

[dB

]

20

25

30

35

軸比

[dB

]

-20

-15

10

利得

[dB

]

20

25

30

35

軸比

[dB

]

-20

-15

10

利得

[dB

]

20

25

30

35

軸比

[dB

]

-20

-15

10

利得

[dB

]

20

25

30

35

軸比

[dB

]

-35

-30

-25利

0

5

10

15

軸-35

-30

-25利

0

5

10

15

軸-35

-30

-25利

0

5

10

15

軸

-35

-30

-25利

0

5

10

15

軸

-150 -100 -50 0 50 100 150-40

天頂角 [Degree]

-5

0

* : RHCP, + : LHCP, x : Axial Ratio(右軸)

-150 -100 -50 0 50 100 150-40

天頂角 [Degree]

-5

0

* : RHCP, + : LHCP, x : Axial Ratio(右軸)

NovAtel社製 GPS 600

-150 -100 -50 0 50 100 150-40

天頂角 [Degree]

-5

0

* : RHCP, + : LHCP, x : Axial Ratio(右軸)

-150 -100 -50 0 50 100 150-40

天頂角 [Degree]

-5

0

* : RHCP, + : LHCP, x : Axial Ratio(右軸)

ublox社製ANN-MS NovAtel社製 GPS-600ublox社製ANN-MSグランドプレーン20cm

16

実験の目的◦ グランドプレーン径とASR・FIX率の関係を調査

実験の方法◦ グランドプレーン径を変えてデータを取得グランドプレ ン径を変えてデ タを取得◦ データ取得時間：２４時間◦ 実験場所：先端科学技術研究センター屋上◦ 実験場所：先端科学技術研究センタ 屋上◦ 基準局：先端科学技術研究センター屋上(基線長約10m)

17

使用したアンテナと受信機使用したアンテナと受信機

局 アンテナ 受信機

移動局 bl 製 ANN MS bl 製 LEA 4T移動局 ublox製 ANN-MS ublox製 LEA-4T基準局 JNS製 Choke-Ring Antenna NovAtel製 OEM3

ublox製 LEA-4Tロガー ublox製 ANN-MS

18

製 ガ ublox製 ANN MS

1 E-W

G00.4

0.6

0.8E WN-SU-D

0

0.2

rror

[m]

-0.6

-0.4

-0.2E

4.6 4.7 4.8 4.9 5 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5

105

-1

-0.8

GPS Time [s]

x 10GPS Time [s]

ASR[%] FIX率[%]FIX解STD [cm]

ASR[%] FIX率[%]E-W N-S U-D

5.64 78.1 1.05 0.40 0.70

19

1 E-W

G60.4

0.6

0.8E WN-SU-D

0

0.2

rror

[m]

-0.6

-0.4

-0.2E

5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 6 6.1 6.2 6.3 6.4

105

-1

-0.8

GPS Time [s]

x 10GPS Time [s]

ASR[%] FIX率[%]FIX解STD [cm]

ASR[%] FIX率[%]E-W N-S U-D

6.06 73.3 0.27 0.30 1.33

20

1 E-W

G100.4

0.6

0.8E WN-SU-D

0

0.2

rror

[m]

-0.6

-0.4

-0.2E

3.8 3.9 4 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7

105

-1

-0.8

GPS Time [s]

x 10GPS Time [s]

ASR[%] FIX率[%]FIX解STD [cm]

ASR[%] FIX率[%]E-W N-S U-D

78.4 99.2 0.29 0.17 1.48

21

1 E-W

G150.4

0.6

0.8 N-SU-D

0

0.2

rror

[m]

-0.6

-0.4

-0.2E

5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 6 6.1 6.2 6.3 6.4

105

-1

-0.8

GPS Time [s]

x 10GPS Time [s]

ASR[%] FIX率[%]FIX解STD [cm]

ASR[%] FIX率[%]E-W N-S U-D

80.7 99.4 0.06 0.68 0.49

22

1 E-W

G200.4

0.6

0.8E WN-SU-D

0

0.2

rror

[m]

-0.6

-0.4

-0.2E

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

104

-1

-0.8

GPS Ti [ ]

x 104GPS Time [s]

ASR[%] FIX率[%]FIX解STD [cm]

ASR[%] FIX率[%]E-W N-S U-D

88.2 99.5 0.10 0.21 0.39

23

1 E-W

G300.4

0.6

0.8E WN-SU-D

0

0.2

Err

or

[m

-0.6

-0.4

-0.2E

1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 2.1 2.2

105

-1

-0.8

GPS Time [s]

x 10GPS Time [s]

ASR[%] FIX率[%]FIX解STD [cm]

ASR[%] FIX率[%]E-W N-S U-D

86.8 99.5 0.17 0.04 0.75

24

1 E-W

G500.4

0.6

0.8E WN-SU-D

0

0.2

rror

[m]

-0.6

-0.4

-0.2E

2.9 3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8

105

-1

-0.8

GPS Time [s]

x 10GPS Time [s]

ASR[%] FIX率[%]FIX解STD [cm]

ASR[%] FIX率[%]E-W N-S U-D

79.1 99.6 3.30 1.96 0.62

25

30cm

50cm

15cm

20cm

プレ

ーン

直径

6cm

10cm

グラ

ンド

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

0cm

ASRFIX

グランドプレーンの直径と、ASR・FIX率間で相関ナパタ から 地 射波 影響

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

ASR/FIX [%]

◦ アンテナパターンから、地面反射波の影響直径20cmの時が最適

26

静止点測位◦ 高精度◦ 省電力・小型軽量・低価格◦ 最適な環境下

沿岸域におけるセンサネットワーク沿岸域におけるセンサネットワ ク

27

沿岸域におけるセンサネットワーク◦ 気温・水温・塩分濃度・波高センサ◦ 波力・太陽光を利用した自己発電装置◦ ノード間通信（Zig Bee）g

ZigBee:低速・通信距離短(～数百m)

超音波通信◦ 海面と水面での反射波によるフェ ジング（浅海域）◦ 海面と水面での反射波によるフェージング（浅海域）◦ 海底に設置したセンサの情報収集高精度位置情報を用いた通信制御◦ 高精度位置情報を用いた通信制御◦ 海底などのセンサデータを収集可能

28

安価なアンテナの問題点◦ 地面反射波の影響を測量級アンテナと比較して受け易い

グランドプレーンを用いることにより 大幅にASRおよグランドプレ ンを用いることにより、大幅にASRおよびFIX率が向上

実験結果より20cmのグランドプレーンが最適

高精度位置情報の応用可能性高精度位置情報の応用可能性

29

30

31

全ての結果において15度に設定赤：右旋円偏波 青：左旋円偏波 緑：軸比

-10

-5

0

40

45

50

-10

-5

0

40

45

50

-10

-5

0

35

40

45

50

-10

-5

0

35

40

45

50赤：右旋円偏波 青：左旋円偏波 緑：軸比

-20

-15

-10

利得

[dB

]

20

25

30

35

軸比

[dB

]

-20

-15

-10

利得

[dB

]

20

25

30

35

軸比

[dB

]

-20

-15

10

利得

[dB

]

20

25

30

35

軸比

[dB

]

-20

-15

10

利得

[dB

]

20

25

30

35

軸比

[dB

]

-35

-30

-25利

0

5

10

15

軸-35

-30

-25利

0

5

10

15

軸-35

-30

-25利

0

5

10

15

軸

-35

-30

-25利

0

5

10

15

軸

-150 -100 -50 0 50 100 150-40

35

天頂角 [Degree]

-5

0

* : RHCP, + : LHCP, x : Axial Ratio(右軸)

-150 -100 -50 0 50 100 150-40

35

天頂角 [Degree]

-5

0

* : RHCP, + : LHCP, x : Axial Ratio(右軸)-150 -100 -50 0 50 100 150

-40

天頂角 [Degree]

-5

0

* : RHCP, + : LHCP, x : Axial Ratio(右軸)

-150 -100 -50 0 50 100 150-40

天頂角 [Degree]

-5

0

* : RHCP, + : LHCP, x : Axial Ratio(右軸)

グランドプレ ン 20cmグランドプレ ン 0cm グランドプレーン 20cmグランドプレーン 0cm

32

右旋円偏波のアンテナでも左旋円偏波の成分も出力合成により、楕円偏波になる

軸比は、楕円の長軸と短軸の比

軸比とは 右旋円偏波と左旋円偏波の成分の利得を軸比とは、右旋円偏波と左旋円偏波の成分の利得を表す１指標

R (E El)/(E El) (E Elは右左旋の利得)R=(Er+El)/(Er-El) (Er,Elは右左旋の利得)◦ 長軸≫短軸⋯→１ 右旋円偏波◦ 長軸≒短軸⋯⋯ → ∞ 直線偏波◦ 長軸≪短軸⋯→-1 左旋円偏波

33

3 5

3

3.5

E-WN-S

2.5

U-D

2

TD

[m

]

1

1.5ST

0.5

1

0 10 20 30 40 500

Ground Plane [cm]

34

Ground Plane [cm]

大地の比誘電率 大地の導電率[S/m]

海水 80 10^4

淡水 80 10^3

湿地 10-15 5*10^-3

感知 4-15 4*10^-4

大地の比誘電率が大きくなると、反射の影響が大きくなる大地の比誘電率が大きくなると、反射の影響が大きくなる誘電率が小さければ減衰が大きくなる反射面によっても大幅に変化する反射面によっても大幅に変化する

35

36