GPSの仕組み

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1. GPSの仕組み すずき
2. １．GPSの基本知識 ２．測位誤差の要因 ３．測位精度の向上 概要
3. GPSの基本知識 ・GPSとは ・GPSのシステム構成 ・GPSの測位方式 ・GPSの測位原理
4. GPSとは GPS (Global Positioning System) ・米国が構築した衛星航法システム(GNSS)の固有名 ・位置情報関連の技術、サービスを提供 利用例 地上ナビゲーション (カーナビ) スマホアプリ 航空航法 測地測量 地図作成 高層建造物の垂直度測定 ・GPS 米 ・GLONASS 露 ・Galileo EU 各国のGNSS
5. GPSのシステム構成 スペースセグメント ・測距信号生成・放送 ・衛星間測距 ユーザセグメント ・ユーザ受信機 コントロールセグメント ・衛星運用、状態監視 ・モニタ局データ収集 ・航法メッセージ作成、アップロード
6. スペースセグメント ・32衛星（6軌道面、高度約2万km） ・標準測位サービス（SPS）:軍民共用 – L1 (1575.42 MHz)：C/Aコード ・精密測位サービス (PPS)：軍用 – L2 (1227.6 MHz)：Pコード ・航法メッセージ：軌道情報など （FAA HP） 衛星軌道情報の送信
7. コントロールセグメント ・Monitor Station (MS) 6局 ：L1/L2測距、航法メッセージ受信 ・MCS 1局＋バックアップMCS ：航法メッセージ生成、全体制御 ・Ground Antenna (GA) 4局 ：コマンド・データ送信 （Garrett, USAFより） MCS ASCENSION DIEGO GARCIA HAWAII CAPE CANAVERAL KWAJALEIN GAITHERSBURG COLORADO SPRINGS GPS衛星の監視・制御
8. GPSの測位方式 単独測位 DGPS GPS 搬送波位相DGPS コードDGPS PPP スタティック測位 （狭域）DGPS RTK-GPS 広域DGPS ネットワークRTK ・静止点測量 ・移動体測位 ・RTCMフォーマット ・中波ビーコン ・SBAS/MSAS ・精密単独測位 ・精密計算用の情報が必要 搬送波位相を利用 擬似距離を利用 ・補正情報を利用 ・GPS信号のみ
9. 測位の原理：距離の測定 衛星の時刻情報と受信側の時刻情報を比べて時間差を算出 ＊同期した時計が送・受信側双方に必要 同期した時計が双方にあれば、 時間差から距離がわかる
10. 受信機位置との関係 ・受信機の時計は正確ではない 擬似距離(r) = 真距離(r) + クロック誤差(s) ・測位点の座標を求めるためには、 ４つ以上の衛星の観測が必要 r 1 r 2 r 3 r 4 クロック 誤差s 1点で交わらない 擬似距離 s s s ( ) ( ) ( ) 1 2 1 2 1 2 1 r c s z z y y x x =  + − + − + − ( ) ( ) ( ) 2 2 2 2 2 2 2 r c s z z y y x x =  + − + − + − ( ) ( ) ( ) 3 2 3 2 3 2 3 r c s z z y y x x =  + − + − + − ( ) ( ) ( ) 4 2 4 2 4 2 4 r c s z z y y x x =  + − + − + −
11. GPSの測距信号 (L1波) 航法メッセージ （50 bps） C/Aコード 搬送波 （1575.42 MHz） 20 ms（5996 km） 1 ms（3 km） 0.635 ns（19.03 cm） ×20 ×1575420
12. 航法メッセージ サブフレーム #1 衛星の状態・クロック補正 サブフレーム #2 軌道情報（エフェメリス） サブフレーム #3 軌道情報（エフェメリス） サブフレーム #4 電離層補正・アルマナック サブフレーム #5 軌道情報（アルマナック） 300ビット = 6秒 5サブフレームで 1フレーム （1500ビット=30秒） ・航法メッセージは全部で1500ビット ・サブフレーム#1～3は、放送している衛星自身のクロック・軌道情報 （エフェメリス情報） ・サブフレーム#4～5は、他のGPS衛星の概略のクロック・軌道情報 （アルマナック情報）や電離層補正情報など
13. エフェメリス情報 項目 t oc t oe a f0 a f1 a f2 M 0 W0 w i 0 Dn e ビット数 16 16 22 16 8 32 32 32 32 16 32 内容 エポック時刻 エポック時刻 クロック補正 クロック補正 クロック補正 平均近点角 昇交点赤経 近地点引数 軌道傾斜角 補正値 離心率 項目 sqrt A dot W dot i C rc C rs C uc C us C ic C ic 合計 ビット数 32 24 14 16 16 16 16 16 16 420 内容 軌道長半径 Wの変化率 iの変化率 補正値 補正値 補正値 補正値 補正値 補正値 位置計算に使用するクロック・軌道の情報
14. アルマナック情報 ・軌道上の全GPS衛星の情報が含まれる(32衛星まで) ・他の衛星信号の捕捉に利用 ・アルマナック情報の受信 → 衛星捕捉 →エフェメリス情報, 時刻情報の受信 → 現在地測位
15. 測位に関する情報の流れ (まとめ) GPS衛星 ユーザ 測距信号 経緯度など 擬似距離 航法メッセージ 衛星位置 クロック補正値 測位計算 位置情報
16. 測位誤差の要因 ・誤差の要因 ・測位精度の見積り例
17. GPSにおける測位誤差の要因 衛星軌道情報の誤差 対流圏 電離層 電離層遅延 周波数に依存 対流圏遅延 マルチパス誤差 衛星クロック誤差 高度250～400km程度 高度7km程度まで 太陽光線 全部で5つ
18. 測位精度の見積り例 誤差要因 衛星軌道 衛星クロック 電離層遅延 対流圏遅延 マルチパス 受信機・その他 測距誤差 水平測位誤差（HDOP=2.0） 垂直測位誤差（VDOP=2.5） バイアス成分（m） ランダム成分（m） 合計（m） 2.1 0.0 2.1 2.0 0.7 2.1 4.0 0.5 4.0 0.5 0.5 0.7 1.0 1.0 1.4 0.5 0.2 0.5 5.1 1.4 5.3 10.6 13.3 測位誤差モデルの例
19. 測位精度の向上 ・２周波数の利用 ・ディファレンシャルGPS ・搬送波位相の利用 ・RTK-GPS
20. ２周波数の利用 民間用L1波（1575.42MHz） 軍用L2波（1227.6MHz） ・GPS衛星は、民間用L1波に加え軍用L2波も放送 ・２周波数を利用することで電離層伝搬遅延を補正 ・⇒ 測位精度向上 名称 周波数（MHz） コード コード速度（Mcps） 用途 L1 1575.42 C/Aコード 1.023 民間用 Pコード 10.23 軍用 L2 1227.6 Pコード 10.23 軍用
21. ディファレンシャルＧＰＳ 基準局 移動局 測定誤差 基準局と同じ 測定誤差 基準局から誤差情報を送信 ・2つのGPSアンテナを利用する方法 ・基準局の測距誤差から移動局の位置情報を補正 ・空間的な相関により離れた地点間での測距誤差は似る
22. 搬送波位相の利用 0.635 ns（19.03cm） ・搬送波の位相を測定することで距離を測定 – 波長を距離に換算 – 位相の整数部分は不明(整数バイアス) ・位置を求めるには、測定値に含まれる整数バイアスを解く必要 – 時間の経過による衛星位置の変化を利用 – 衛星数が多いほど、高速かつ確実に解ける ・cmオーダーの高精度な測位が可能
23. RTK-GPS (Realtime Kinematic GPS) ・搬送波の位相差から基線ベクトルを算出する手法 波長20 cm (L1/L2搬送波：1575.42 MHz/1227.6 MHz)
24. 各測位方式の精度 種類 誤差 用途 備考 単独測位 10m カーナビ C/Aコード利用 単独測位 1m 米軍用 Pコード利用 DGPS 数m カーナビ 地域別補正情報取得 AGPS 数m GPS携帯 通信ネットワーク経由で補正情 報取得 高精度DGPS 数 10cm 次世代ITS 干渉測位、1周波利用 RTK-GPS 数cm 測量 搬送波利用、干渉測位、2周波利 用 スタティック GPS 数mm 電子基準点 搬送波利用、干渉測位、2周波利 用、長時間測定