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利用者:KusaReMKN/Real-time kinematic positioning

GNSS RTK receiver being used to survey the forest population in Switzerland

RTK (Real-time kinematic positioning) は、現在の衛星航法システム (GNSS) の一般的な誤差を補正するための測量の応用である。GNSS の信号情報に加えて搬送波の位相を利用する方法で、単一の基準局または補間された仮想局に依存してリアルタイムで補正を行い、最大でセンチメートルレベルの精度を実現する (DGPS も参照)[1]。特に GPS を利用したものに関しては、一般に carrier-phase enhancement や CPGPS と呼ばれている[2]。陸上測量や水位測量、無人航空機のナビゲーションなどに応用されている。

背景

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RTK のコンセプト

測位衛星 (発信機) と受信機との距離は、衛星から受信機まで信号が届くまでの時間から計算できる。遅延を計算するために、受信機は信号に含まれる疑似乱数列を内部で生成された疑似乱数列に合わせる必要がある。衛星信号は受信機に届くまでに時間がかかるため、受信機の乱数列に対して衛星の乱数列は遅れている。受信機側の乱数列を徐々に遅らせていくことで、最終的に 2 つの乱数列は揃っていく。

測距結果の精度は、基本的に衛星からの信号を正確に処理する受信機の電子回路の能力と、緩和されない電離層や対流圏の遅延、マルチパス (複数経路を経由すること?)、衛星時刻や天体暦のエラーのような追加のエラー源によるものである[3]。

搬送波位相追従

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RTK も一般的な考え方は同じであるが、衛星信号の搬送波を信号として利用し、その中に含まれる情報は無視する。RTK は固定された基地局とローバ (rover) を利用することで、ローバの位置誤差を小さくする。基地局は補正データをローバに送信する。

前項で述べたように、衛星までの距離は、基本形に搬送波長に衛星・ローバ間の全周期数を掛け合わせ、それに位相差を加えることで算出される。信号の位相は 1 周期以上ずれることがあるため、周期数を決定することは容易ではない。そのため、推定周期数の誤差に波長を掛け合わせたものが誤差となり、L1 信号では 19 cm となる。このいわゆる整数曖昧さ探索 (integer ambiguity search) 問題を解くと、センチメートル単位の精度が得られる。この誤差は、C/A 信号 (位置情報や時刻情報が含まれる衛星の本来の信号) からの測定値を比較する高度な統計手法や、得られた距離を複数の衛星間で比較することで低減することができる。

ロック精度を 1% と仮定した場合、この手法で改善できる可能性は非常に高い。例えば、GPS の場合、L1 信号で放送されている粗捕捉コード (C/A コード) は 1.023 MHz で位相が変わるが、L1 搬送波それ自身は 1575.42 MHz であり、C/A コードの 1000 倍以上の頻度で位相が変化している。L1 搬送波の位相の測定誤差が ±1% であれば、ベースラインの推定誤差は ±1.9 mm に相当する[4]。

実用上の注意事項

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RTK setup

実際に利用する際には、RTK システムは 1 台の基地局受信機と複数の移動機を利用する。基地局は観測した搬送波の位相を移動機に再放送し、移動機は自分の位相測定値と基地局から受信した位相測定値を比較する。基地局から移動局への補正信号の送信方法はいくつか挙げられる。リアルタイムで低コストな信号伝送を実現する方法は UHF 帯域の無線モデムを利用することである。ほとんどの国では、特定の周波数が RTK の目的のために割り当てられている。陸上測量機器の多くは UHF 帯域の無線モデムを標準オプションとして内蔵している。RTK は基地局から約 20 km までの精度を向上させることができる[5]。

これにより、各ユニットの相対位置はミリメートル単位で計算されるが、絶対位置は基地局の計算位置と同じ精度までしか計算できない。これらの典型的な公称精度は、水平方向に 1 cm±2 ppm、垂直方向に 2 cm±2 ppm である[6]。

これらのパラメータは、一般的なナビゲーションにおける RTK 技術の有用性を制限するが、この技術は測量のような役割に完全に適している。この場合、基地局は既知の測量地点 (多くの場合は水準点や三角点など) に設置され、移動機はその地点からの相対的な測位を行うことで高精度な地図を作成できる。また、RTK の応用例は自動運転・自動操縦システムや精密農業、機械制御システム、および同様の役割に見ることができる。

RTK ネットワークは、RTK の利用可能範囲を基準局のネットワークを含むより広い範囲に拡張するものである[7]。運用における信頼性と精度は、基準局ネットワークの密度と能力に依存する。

CORS (Continuously Operating Reference Station) ネットワークは、通常、インターネット接続を介して補正情報を放送する RTK 基地局のネットワークである。CORS ネットワークでは、複数の基地局が正しい測位を保証し、一基地局の誤った初期化を防止するため、精度が向上する[8]。

VRN (Virtual Reference Network) も同様に、基地局を利用せずに精度を高めることができる。

関連項目

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References

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英語版を参照してください。

外部リンク

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  • RTK Detailed Concepts GNSS, RTK and Satellite Positioning concepts in depth.
  • CORS Map Global Network of Continuously Operating Reference Stations.
  • GBAS Map Global Map Coverage of Ground Based Augmentation Reference Beacons (GBAS).
  • Guidelines User Guidelines for Single Base Real Time GNSS Positioning (NOAA)
  • RTK Integration Manual to integrate RTK Receivers into UAVs and Robotics
  • History of RTK An article by people involved in the early days of RTK

[[Category:無線測位]] [[Category:GPS]]

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