モバイル・センシングGPSロケーション

全地球測位システム (GPS)

The Global Positioning System (GPS) is a location system developed by the United States Department of Defense for military purposes. It provides accurate estimates of position, velocity, and time by using a computer network and a constellation of 24 satellites to determine the altitude, longitude, and latitude of any object on the Earth’s surface through triangulation. The system has been operational since 1995.

GPSの民間利用

民間分野では、安全上の理由から、GPS信号の劣化したサブセットのみが許可されています。しかし、民間コミュニティは差分技術を通じて優れた位置精度を得るための代替手段を見つけました。これらの技術は民間アプリケーションの大幅な成長をもたらし、現在では70以上のGPS受信機メーカーが存在します。.

動作原理

の目的は GPSシステム は、位置が既知の3つ以上の衛星までの距離を計算することから、座標空間 (x,y,z) 内の任意の点の位置を計算することです。ユーザー (GPS受信機) と衛星間の距離は、衛星から放射された信号の飛行時間をその伝播速度で掛けることによって測定されます。.

To figure out how long the radio signal took to travel, the satellites and receivers’ clocks must be set to the same time. This is because they both have to send out the same code at the same time. But while the clocks on the satellites are very accurate, the clocks on the receivers are cheap quartz oscillators that are not accurate. Distances with errors due to synchronism are called pseudoranges. The difference in the clocks of the receivers is another unknown that makes it necessary to use at least four satellites to figure out where the receivers are.

疑似距離の計算

疑似距離を計算する際には、GPS信号が弱く、ラジオ帯域における地球固有のバックグラウンドノイズに埋もれていることが考慮されます。この自然ノイズはランダムなパルスで構成されており、GPS受信機によって人工的な擬似ランダムコードが変動のパターンとして生成されます。各瞬間において、衛星は受信機によって生成された擬似ランダム系列と同じパターンの信号を送信します。この同期に基づいて、受信機は擬似ランダムコードを時間内で移動させて受信したコードと一致するまで距離を計算します。この変位は信号の飛行時間に対応します。このプロセスは各受信機で自動的に、継続的に、瞬時に行われます。.

地上局と原子時計

衛星の速度は高い (4 km/s) ですが、24〜48時間の期間における以前の位置の予測に基づいて、瞬間的な位置を数メートル未満の誤差で推定することができます。地上局は定期的にセシウム2つとルビジウム2つの衛星の原子時計を確認し、軌道要素と時計の補正を送信します。時計の精度と衛星の軌道の安定性はGPSシステムの運用において重要です。.

GPSの誤差の原因

GPS測定に影響を与える可能性のある誤差の原因がいくつかあります。主な原因の一部は次のとおりです。

• 電離層の擾乱： 電離層は電気的に帯電した粒子の層で構成されており、そこを通過するラジオ信号の速度に影響を与える可能性があります。.

• 気象現象： Water vapor in the troposphere, the layer closest to the Earth’s surface, can slow down electromagnetic signals and cause errors in GPS measurements that are difficult to correct.

• 時計の不正確さ： 注意深い調整と制御を行っても、GPS衛星の原子時計と受信機の時計の両方にわずかな偏差が生じることがあります。.

• 予期しない電気的干渉： 電気的干渉は、擬似ランダムコードの相関や軌道計算に誤差を引き起こし、最大で1メートルの不一致を生じさせる可能性があります。.

• マルチパス誤差： GPS signals can be reflected off surfaces before reaching the receiver, leading to errors in the measured distance. It’s challenging to minimize this error as it depends on the GPS antenna’s environment.

• 選択的利用可能性 (S/A)： 軍事目的で意図的にこの誤差の原因を導入しており、これが最大のものです。.

• 受信機-衛星トポロジー： 距離計算に使用される可視衛星の空間配置は、GPS測定の精度に影響を与える可能性があります。高度な受信機は距離測定誤差を修正することができます。.

These sources of error can be categorized into those that depend on the satellites’ geometry and those that don’t. Selective availability and clock errors are not affected by the shape of the satellite, but ionospheric and tropospheric delays and multipath errors are very affected by the shape of the satellite. Each GPS position measurement has a value called “不確実性” that is based on all the different sources of error.

GPSの応用

GPSの応用は、航行支援システム、大気および地球空間のモデリング、高精度の時間測定など、多くの分野で利用されています。以下は民間分野で使用されるGPSシステムの例です。

• 大気現象の研究： GPS信号は、対流圏の水蒸気によって引き起こされる速度変化を分析することで、気象予測モデルの開発に役立ちます。.

• 人里離れた地域での位置特定とナビゲーション： GPSは、アクセスが困難な地域やランドマークのない地域での研究探検に使用されます。これにより、極地や砂漠地域の知識を深めることができます。.

• 地質学的および地形学的モデル： GPSは、地質学者が地殻プレートの動きを研究し、地震予測を行うために使用されます。また、地形測量や森林および農業のインベントリにおいて基本的なツールです。.

• 土木工学： GPSは、金属構造やコンクリート構造などの荷重を受ける大規模構造物の変形をリアルタイムで監視するために使用されます。.

• 自動警報システム： GPSは、高リスクの汚染物質や腐りやすい商品の輸送を監視するセンサーに接続された警報システムで使用されます。警報により、車両への迅速な支援が可能になります。.

• 信号の同期： 電力業界は、GPSを使用して監視ステーションの時計を同期させ、電力サービスの可能な故障を特定します。.

• 身体障害者のためのガイダンス： GPSシステムは、視覚障害者が都市をナビゲートするのを支援するために開発されています。また、観光において異なる場所間のルートを最適化するための利用が研究されています。.

• 車両フリートのナビゲーションと制御： GPSは、警察、緊急サービス、タクシーステーション、宅配サービス、配達会社などの組織による軌道計画と車両フリートの制御に使用されます。.

• 民間航空システム： GPSは、民間航空においてナビゲーションと着陸操作を支援するために使用されます。その重要性から、GPSの精度を向上させるためのシステムが開発されています。.

• 無人車両のナビゲーション： GPSは、激しい交通のある地域での正確な操縦、無人陸上車両、敵対的環境での監視、および貨物輸送のためにDGPSシステムに組み込まれています。.

GPS測定の高精度により、低軌道での宇宙における重要な進展が達成されました。ロボットは、人工衛星の検査、修理、組み立てなどの危険な作業を自動で行うことができます。.

GPSの未来

1996年に、GPSシステムを規制する規則により、選択的利用可能性が2006年に廃止され、民間利用のためにもう1つの周波数が組み込まれることが決定されました。これは、数年以内に, GPS衛星がL2およびL1周波数で民間コードを送信することを意味します. 。これにより、電離層の誤差を推定し、差分技術で達成できる精度に匹敵する絶対モードの精度を提供する冗長性が生まれます。L1周波数の信号は同じままなので、現在の受信機は引き続き動作可能です。.

制御セグメントは、現在設計段階にある専門ステーションの新しい制御システムの立ち上げにより改善されます。これには最大20の監視ステーションが含まれ、軌道要素と衛星時計のより正確な制御が可能になります。.

しかし、現在のGPS、GLONASS、およびGPS/GLONASSナビゲーションシステムは、航空ナビゲーションなどの一部の民間アプリケーションで要求される厳しい安全基準を満たすことができません。システムの動作に関するユーザーへのエラー通知は、衛星でエラーが発生した場合は1秒から、制御セグメントが故障を検出した場合は数時間かかることがあります。.

これらの欠点を解決するために、ヨーロッパは EGNOS (欧州静止衛星航法補強サービス) を開発しており、2003年に運用開始予定です。このシステムは、GPS信号を受信して位置誤差を減少させるために地上に34の固定受信アンテナ (RIMS) を設置することで、航空ナビゲーションの安全基準を満たします。これらの信号は、衛星情報を較正し、可能な誤差を測定して修正するために制御センターに送信され、再び10の地上局に送信されます。さらに、これらの信号は35,000 kmの高度に位置する2つの新しい静止INMARSAT衛星に送信され、リピーターとして機能し、ユーザーに信号を送信します。米国 (WAAS: 広域補強システム) および日本 (MTSAS: MTSAT衛星ベース補強システム) も同様のサービスに取り組んでいます。.

ヨーロッパはGNSS-1も打ち上げます, which stands for “Global Navigation Satellite System 1.” This system will combine the services of GPS, GLONASS, EGNOS, WAAS, and MTSAS. This will be the first step toward a European positioning system (GNSS-2 or Galileo) that will use a constellation of European satellites.

最後に、今後5年間で、GPSおよびGPS/GLONASSが運用される唯一の衛星ベースの位置決定システムであることを指摘する必要があります。.

結論として

高精度を達成するには、GPS測定誤差の原因を理解することが必要です。NOAA GPSツールボックスは、GPS技術を使用する研究者やエンジニアにとって、これらの不正確さを減らすための有用なソフトウェアとリソースを提供する重要なツールです。.