精度を極める：DGPSからPPKへの差分補正

2024年5月10日

日常的なシナリオでは、スタンドアローンの全地球衛星測位システム（GNSS）の精度は、誰かが自分の道を見つけるには十分すぎるほどですが、多くのアプリケーションではより高い精度が求められます。多くの技術がGNSSの精度を1cm以内に改善するために開発され、幅広い新しいアプリケーションを可能にしています。

このような精度を達成するためには、計算と測位結果に使用される基準フレームに注意を払う必要があるが、このトピックは測地学とデータム変換でカバーされており、この記事の範囲外である。

GNSS補正

GNSSの精度を向上させるには、前回の記事「精度を極める」で説明した様々な誤差を修正する必要があります：GNSSとそのエラーソース。

補正には多くの種類があり、カバーする範囲や性能のレベルが異なります。主なものを下の表に詳しく示します。この記事では、DGNSSの簡単な説明、SBASとRTKの詳細な説明、そしてPPKの利点について説明します。

次回は、series 。 IonoshieldとPPPについて詳しく見ていきます。

ディファレンシャルGNSS (DGNSS)

従来のコードベースのDGNSSは、衛星誤差と局地的な大気誤差が小さなエリアでは同じであると仮定しています。一対のGPS受信機を使用することで、大気（電離層と対流圏）誤差と衛星誤差の両方を打ち消し、航法性能を向上させることができます。

この動作モードでは、基地局のGNSS受信機がローバーのGNSS受信機の動作範囲の数キロメートル以内に設置されます。基地局は、RFまたはGSMモデムを使用して、ローバー受信機に補正情報を送信します。その後、ローバー受信機はこれらの補正を使用して、（基地局との相対的な）差分位置を計算することができます。

この技術は、ナビゲーションの精度をサブメートルレベルまで向上させることができるが、RTKが高精度測位の標準となったため、現在では時代遅れとなっている。

SBAS（衛星利用測位システム）

SBASは民間航空機の安全な航行を可能にするために開発された。それ以来、スタンドアローンのGNSS受信機よりも高い精度を必要とする他の多くのエンドユーザーアプリケーションに使用されています。

SBASのコンセプトは、基準局のネットワークを使って補正値を計算し、広い範囲（大陸をカバー）でGPSの性能を向上させることである。

これらの補正は、専用のSBAS静止衛星によって放送される。最新のGNSS受信機は、通常のGNSSアンテナを通してこれらの補正を直接追跡し、1メートルの精度を提供するSBASなどの測位エンジンで使用することができます。

すべてのSBASコンステレーションの主な目的は、最大精度を達成することではなく、GNSSが完全性（位置誤差の正確な測定）の概念を追加して、意図されたアプリケーション（航空機のナビゲーションと着陸）のための最小精度を達成できるようにすることです。

現在使用されているSBASには次のようなものがある：

北アメリカ向けWAAS
欧州のEGNOS
インドのためのGAGAN
日本向けMSAS

しかし、現在のSBASのほとんどは、GPSコンステレーションに対する補正しか提供していないため、陸上ナビゲーションには最適とは言えません。将来のSBASソリューション（EGNOS V2など）は、マルチコンステレーション補正を提供する予定です。

SBASを支える技術

様々なSBASソリューションは、補正を提供するために同じ基礎技術を使用しています。それらは以下の補正を提供する：

衛星時計誤差
衛星軌道のずれ
大気の誤差

SBASはまた、故障した衛星からのデータを拒否するために使用することができる衛星の完全性情報を提供します。

大気補正はまた、大気誤差のパターンを提供するために基地局のネットワークを使用して計算される。転送される誤差値は、IGP（電離層グリッドポイント）と呼ばれる所定の地点で大気によってもたらされる垂直方向の遅延に対応する。受信機は、各衛星からの異なる信号の遅延を補正することができます。

SBASが提供する情報を使って、受信機は擬似距離ベースの測定の誤差を補正し、位置の精度を水平方向で約1.2m RMS、垂直方向で約1.6m RMSまで向上させることができる。これは、スタンドアロンGNSSと比較して、特に垂直成分において大きな改善である。

リアルタイムキネマティック(RTK)とポスト処理キネマティック(PPK)

RTK技術は、1990年代半ばに初めてマッピング。従来の差分全地球測位システム（DGPS）のように、RTKは正確に配置された基地局とローバーGNSS受信機に依存しています。

2つの重要な計算ステップが、センチメートル精度の測位を可能にする：

二重の違い
キャリア位相測定とアンビギュイティの修正

二重の違い

DGPSは一般に、単一差分とコード測定のみを使用する。一方、RTKは位相測定を追加し、「二重差分」アプローチを使用します。この方法では、ベース測定値はローバー測定値から差し引かれ、すべての航法衛星測定値はピボット衛星から差し引かれます。

このアプローチは、衛星に起因するすべての誤差、受信機に起因する誤差、および基地局近傍で一定と仮定される大気誤差を補正することができる。

この計算から我々はこうなる：

基地局の基準点におけるローバーの位置（緯度/経度/高度
ローバーの時間

基地局とローバーの間の距離はベースラインと呼ばれ、RTKの重要な要素である。ベースラインが増加すると、一般的な大気誤差と一般的な衛星軌道誤差が完全に相殺されないため、誤差バジェットがわずかに増加します。これがRTK位置精度の仕様に見られる典型的な「+1ppm」です。

キャリア位相測定とアンビギュイティの修正

前回の記事で紹介したキャリア位相測定は、誤差をセンチメートル・レベルまで減らすために必要なものだ。

搬送波位相測定の課題は、本質的にあいまい（または不完全）であることである。キャリア位相サイクルには、測定から欠落している整数個の部分があります。この欠落部分は「アンビギュイティ」とも呼ばれる。

リアルタイムキネマティック（RTK）測位プロセスは、これらのアンビギュイティを推定することから始まります。このプロセスは「RTK Float」モードとしても知られています。このモードでは、アンビギュイティは徐々に収束していきますが、整数値ではありません。これにより、受信機は位置を平滑化し、およそデシメートルレベルの精度を達成することができます。

最大限の精度とロバスト性を達成するために、次のステップは、これらのあいまいさのそれぞれの整数値をリアルタイムで特定することである。このプロセスを整数アンビギュイティの解決と呼ぶ。

アンビギュイティ解消の結果、RTK精度が最大化され、ロバスト性が向上します。これは一般的に「RTK固定」モードと呼ばれています。

特定の衛星への位相追尾が中断されると、「サイクル・スリップ」イベントが発生し、その衛星の整数アンビギュイティを再度解決する必要があります。このため、サイクルスリップが多すぎると（特にすべての衛星で同時にサイクルスリップが発生すると）、RTK性能に悪影響を及ぼします。このような事象を抑えるためには、優れたアンテナとアンテナ配置、そしてクリーンなRF環境が不可欠です。

ポスト処理キネマティクス

これまで見てきたように、RTKはこれらの補正を "リアルタイムで "適用することであり、つまり、ローバーはフィールドでRTK処理を計算するために基地局とのデータリンク接続を持っていなければならない。

アプリケーションによっては、リアルタイムの軌跡は必要ないが、より高い精度が必要であったり、よりシンプルなセットアップが必要であったりします。ポスト・プロセッシング・キネマティック(PPK)はそのようなニーズに応えることができます。PPKでは、ローバーはリアルタイム補正を受けることなく、データ収集中に独自のGNSS生データを収集します。その後、このデータは基地局または基準局ネットワークからの正確な情報を使って後処理されます。

PPKはリアルタイムの補正に依存しないため、データ収集の柔軟性が増す。航空マッピングやドローン（マッピング）、科学研究など、リアルタイム通信が困難または不要なシナリオでよく使用される。

PPKは、GNSSを処理する際に次のような主な利点を提供します：

フィールドワークフローの改善：RTKベースのミッションの主なコストは、基地局が近くにあることを確認すること、必要であれば基地局を設置すること、信頼できるデータ接続を確保すること、などである。Qinertia 、多数のCORSネットワークが組み込まれており、サードパーティのネットワークに直接アクセスできる。これにより、基地の可用性を確保し、信頼性の高いデータ接続を設定する複雑さが解消されます。
品質管理の向上：多くの品質指標は、処理の実際のパフォーマンスを評価するのに役立ちます。これらには、高度な統計、分離（前方処理と後方処理で計算された位置/姿勢の差）、GNSS信号の指標が含まれます。
全体的なパフォーマンスの向上：RTKアンビギュイティの解決には時間がかかることがあります（基地局までの距離や大気の状態によって数秒から数分）。これは、捕捉開始時や厳しいGNSS条件下では大きな影響を与える可能性があります。PPKは、フィックスレートを最大化するために、フォワード方向とバックワード方向の両方で処理することにより、これらの影響を軽減します。また、より高度なアルゴリズムを使用したり、正確な衛星エフェメリスを使用することによっても性能を向上させることができます。