動きの補償と位置
「運動補償と位置」とは、通常はセンサーやデバイスを用いて、正確な位置情報を維持するために、動きや運動を調整または補償するシステムの能力を指します。この補償により、外部からの動きや外乱があっても、信頼性が高く一貫性のある位置および姿勢データが維持されます。
動揺補正と位置：最適な慣性センサーの選択
海洋学は、気候変動、汚染、生態系といった現代の環境課題において極めて重要な役割を果たしています。海洋学者たちは、課題を理解し解決するために不可欠な、より高いパフォーマンスを実現する急速に進化するテクノロジーに依存しています。
当社は15年以上にわたり、海洋産業向けの慣性航法システムを製造してきました。慣性航法システムとは何か、そしてそれらがどのように利用されているかについて説明します。さらに、海洋観測機器のモーション補償と正確な位置追跡を行うために、MRUまたはINS/GNSSを選択する際に重要な主要パラメータを強調して解説します。
正確な動作・ナビゲーション測定を実現する頼れるパートナー
慣性航法システム（INSとも呼ばれる）は、ロール、ピッチ、ヘディング、位置、速度、ヒーブを提供する航法装置です。これは、INSの核となる慣性計測ユニット（IMU）、マイクロプロセッサ、GPS/GNSS受信機といった様々な要素で構成されています。
IMUは、3つの加速度計、3つのジャイロスコープ、およびヘディングの要件に応じて3つの磁力計を内蔵しています。ピッチ、ロール、ヨーを決定するために、回転によって3軸にわたるオイラー角を測定します。マイクロプロセッサは、位置、速度、またはGNSSベースのヘディングが必要な場合に、リアルタイムの慣性データをGNSSと融合させるために、強化されたオンボードの拡張カルマンフィルター（EKF）を実行します。さらに、一部のINSは、すべての海洋学的なタスクとミッションのために、ヒーブおよび波浪測定データも提供します。
海洋学者は、環境パラメータ（例えば塩分濃度）、堆積学、または潮流といった様々な要素を測定するために、多くの異なる機器を使用します。これには、機器またはプラットフォームの動きを補償する慣性航法システムが含まれます。
これらは、ブイ、船舶、水上または水中システム（USV、ROV、またはAUV）など、様々な種類のプラットフォームに設置できます。そのため、ソリューションを選択する際には、サイズ、消費電力、およびエンクロージャが決定要因となりますが、それだけではありません。以下に、慣性センサーを選択する際に確認すべき5つの役立つヒントを示します。
1 – 頑健性とデータの再現性を確認するには？
慣性センサーは数ヶ月にわたり洋上に留まるプラットフォームに搭載されるため、センサーの堅牢性が極めて重要です。そのため、SBG SystemsのすべてのMRUおよびINSには、多軸回転台と恒温槽を用いた個別ハイエンド・キャリブレーション手順が採用されています。
各センサーは-40°Cから85°Cまでの徹底的な校正を受け、詳細なキャリブレーション・レポートが付属しています。これは、システムが最適な定常挙動を維持し、最も過酷な環境を含むあらゆる環境下で正確なデータを継続的に出力することを保証するための、製造における重要なステップです。
SBGでは、独自の社内品質認定プロセスにより、大きなドリフトなしに寿命期間を通じて同等の性能レベルを維持することを保証しています。校正後、慣性センサーは厳格なスクリーニング・プロセスを通過し、仕様を満たさないセンサーはすべて排除されるため、プロフェッショナルはミッション中に一貫した測定結果を信頼して利用できます。
2 – ヒープ測定：海況に応じてセンサーを選択する
SBG社のEllipseと呼ばれる小型慣性センサーは、波浪周期に自動調整される5 cm精度のリアルタイムヒーブを提供しますが、それは限られた波浪周期においてです。波浪周波数がより大きい、または複雑なミッションを可能にするために、上位グレードのSBG製品には遅延ヒーブ機能が搭載されており、わずかな遅延を伴ってリアルタイムで計算された2 cm精度のヒーブを実現します。
3 – マルチコンステレーションGNSS受信機と補正
新しいエントリーレベルのGNSS受信機は、GPS、Glonass、Beidou、Galileoを利用できるようになり、電波の届きにくいエリアでの衛星捕捉率が向上しています。メートル精度の測位では調査目的として不十分な場合、ハイエンドシステムではPPP補正により5 cmのリアルタイム測位を実現します。
この技術は、より手頃でシンプルなソリューションを提供するために常に進化しています。センチメートル精度の位置情報を提供するRTKは、海岸付近において依然として最も精度の高い測位ソリューションです。リアルタイムでのデータが不要な場合は、後処理ソフトウェアを使用することで、さらに高精度な測定が可能になります。
4 – ダイナミクスが低い場合や、極付近で任務を行う場合、どのような航法ソリューションを採用すべきか？
私たちの経験から、ほとんどの海洋学的用途において、デュアルアンテナINS（つまり、1つのGPS/GNSS受信機で2つのアンテナを使用するもの）を持つことの重要性が浮き彫りになっています。
実際、この種の慣性センサーは2つのGPS/GNSSアンテナを使用して、位置、速度、および真の進行方向（ヘディング）を提供します。これは、単一アンテナのGPSとは異なり、静止時や超低ダイナミクス時でも有効です。また、地磁気の影響や地球の自転の影響を受ける磁気コンパスやジャイロコンパスとは異なり、いかなる状況でも影響を受けずに真の方位を提供します。これは、特に海流調査や極地でのミッションにおいて極めて重要な機能です。
SBGでは、ハイエンドな機能を備えた17グラムの二周波・デュアルアンテナGNSS/INSである第3世代のEllipse-Dをリリースしたばかりであり、海洋学にとって理想的なソリューションとなっています。
5 – 簡単な導入と技術サポート
慣性センサーは、あらゆる海洋プロジェクトに簡単に統合できます。これは、多数の業界向けソフトウェアやプロトコル（SBGでは90種類以上の異なるメッセージ）との互換性があるため可能です。自律プラットフォームへの容易な統合のためにROSドライバーも提供されています。
センサーを選択する際は、データシートだけでなく、統合中および統合後の企業のサポートにも注目してください。
サポートの迅速性と的確さは、プロジェクトの成功の鍵となります。慣性計測とナビゲーションは、非常に多くのパラメーターを考慮する分野です。トレーニングを通じていくつかの基礎を学ぶことも、プロジェクト開発のスピードを劇的に変える要因となり得ます。
Ellipseのような新しい小型センサーがほとんどの海洋学的用途にどのように適合するかを見てきました。ハイエンドなINS/GNSSは、さまざまなグレードの機器を統合したフル装備の船舶上の多様な機器を補正します。
SBG Systems Navsightソリューション
SBG Systemsは、ロール・ピッチのパフォーマンスグレードが0.02°から0.007°の慣性計測装置を備えたNavsightマリーンソリューションを提供しています。
頑牢な処理ユニットであるNavsightには、フュージョンインテリジェンス、測量グレードのGNSS受信機、データロガー、および多様な接続オプションが統合されています。
この高度なソリューションは、海洋学を専門とする船舶のフリート全体に最適です。例えば、マルチビーム音響測深機などの機器の補正が必要な場合に対応します。
どのような用途であっても、慣性センサーの選択は、プロジェクトを開発するためのパートナーを選ぶようなものです。このアドバイスが、今後の統合プロジェクトの成功につながることを願っています。
この記事の完全版は、『Marine Technology Reporter』誌の2月号に掲載されました。「Motion Compensation and Position: Role and Important Features to Check when Selecting an Inertial Sensor（モーション補償と位置：慣性センサー選定時に確認すべき役割と重要な機能）」
