電離層活動電離層のエラーと状況を理解する

2023年11月6日

GNSS入門

荒野をハイキングしているときでも、賑やかな市街地を車で走っているときでも、GNSSは最高の精度であなたを導いてくれる頼もしい仲間です。電離層活動の影響を強く受けますが。

GNSS（Global NavigationSatellite System：全地球衛星測位システム）とは、GNSS受信機に測位データとタイミングデータを送信する宇宙からの信号を提供する衛星のコンステレーションを指します。農業、地図作成、輸送、ナビゲーション-GNSS技術は、産業や日常生活において幅広い用途があります。

運用されている最も著名なGNSSシステムには次のようなものがある：

米国防総省が開発した全地球測位システム（GPS）は、地球を周回する衛星のネットワークである。現在、30基のGPS衛星が運用されている。これらの衛星は、正確な位置と時刻に関する情報を含む信号を継続的に送信している。
全地球航法衛星システム（Global Navigation Satellite Systems、GLONASS）は、ロシアが開発した衛星ベースのナビゲーション・システムである。当初は24基の衛星から構成されていた。
ガリレオは欧州連合の全地球測位衛星システムである。ヨーロッパおよびその他の地域に独立した測位システムを提供することを目的としている。
BeiDou Navigation Satellite SystemまたはBDSは中国のGNSSである。当初は地域をカバーしていたが、BeiDou-3コンステレーションの完成により、現在ではグローバルナビゲーションサービスを提供している。

大気の誤差

GNSS測位における最も重大な誤差の原因の一つは大気に起因する。衛星とGNSS信号受信機は遠く離れているため、GNSS信号は衛星と受信機の間を何千キロも移動します。この移動の間、信号は大気層を通過します。

電離層は、地球の上空50kmから1000kmの間にある大気の層である。地球のこの外側の層はイオンと呼ばれる電荷を帯びた粒子を含んでいます。電離層はGNSS信号の伝送に大きな影響を与え、信号の歪みや遅延を引き起こします。

大気の誤差は変化する性質があるため予測が難しく、計算された位置への正確な影響を判断するのは難しい。

電離層活動によって引き起こされる遅延は、以下のように変化する：

時刻
年のシーズン
地理的位置
太陽活動

ベースライン

大気誤差は、基準となる基地局とローバーの受信機間の距離にも依存する。基地局とローバー間の距離はベースラインとして知られている。ベースライン誤差が考慮されない場合、特に長いベースラインアプリケーションにおいて大きな測位誤差の原因となります。

ベースステーションは正確に知られた場所に設置される。GNSSの誤差を推定し、継続的にローバーの受信機に補正を送信します。

その後、ローバーの受信機はこのデータを使ってすべての誤差を補正し、正確な位置を計算する。これは、基地局とローバーが近い場合にうまく機能する。

複数の受信機が開けた場所に並んで設置されている場合、それらの受信機は同じような誤差を持つ傾向があることが分かっている。基地局とローバーの両方の受信機は電離層による同じ遅延を経験するため、同じ誤差を持ちます。これは標準GNSS誤差として知られています。

このユニークな特性のおかげで、受信機間の相対距離をより正確に計算することができる。これにより、大気中の誤差を補正するシステムが容易になる。

なぜ今、ロング・ベースラインが特に注目されているのか？

ベースラインが長い場合、電離層活動は基地局とローバーの間に大きなずれをもたらす。太陽活動が活発になると、電離層の変動が大きくなる。

11年ごとに太陽の磁場は完全に反転する。

これは太陽活動の増加につながる（ピークは2023年から2025年の間）。多くの最新の補正ソフトウェアパッケージは、長いベースラインと太陽活動を考慮するソリューションを提供しています。

GNSSユーザーは電離層活動の増加の影響をどのように最小化できますか？

電離層活動の増加がGNSS運用に与える影響を軽減する：

GNSSを使ったトラッキングとポジショニングで最高のパフォーマンスを得るために、GNSSセンサーが最新のソフトウェアを持っていることを確認してください。
GPS、GLONASS、Galileo、Baiduのような様々なGNSSシステムが利用可能であれば、それらを利用する。これにより、測位に使用される観測の数が増え、追跡されるGNSS信号の範囲が広がります。より多くのデータは、より大きな信頼性につながります。
高精度のマッピングタスクでは、異なる時間、異なる電離層条件下で2つ以上の測定を行う。
様々なGNSS補正サービスプロバイダーを使って、お住まいの地域の電離層の現在の影響をチェックしてください。
お客様の要件に合ったGNSS補正方法をお選びください。

GNSSエラー補正- RTK vs PPK

信号を受信する機器からのエラーも、衛星からの問題も、大気からの障害もない、すべてが完璧な世界を想像してみてほしい。この理想的な世界では、GNSSは信じられないほどの精度で位置を特定することができる。

しかし、現実には起こりうるエラーがある。この誤差を減らす方法がある。それが各種ディファレンシャルGPS（DGPS）である。DGPSは、複数の受信機からの情報を使って誤差を推定し、誤差を取り除くという仕組みです。

マッピングのような用途では、より高い精度が要求される。これは技術と受信機の補正能力に依存する。

受信機側のエラーを処理するために、様々な補正方法を適用することができる。

リアルタイムキネマティック（RTK）
ポスト処理キネマティック（PPK）

電離層活動

RTK補正

RTKは、位置を知りたいGPS機器（ローバーと呼ばれる）の近くにある基地局のような基準点を使用します。

基地局の位置を把握し、アルゴリズムを使用することで、RTKは基地局とローバーの両方が共有する誤差を取り除くことができる。これらの誤差は、衛星や大気から生じる可能性があります。

大気からの誤差を修正するために、ローバーとベースステーションは同じ誤差に直面する必要がある。そのため、互いに接近する必要がある。

RTKのおかげで、GPSは最大1cmの精度が得られます。このRTK方式は、正確なGPSソリューション、特に土地サーベイのために非常に効果的です。

PPK補正

PPKはGNSSデータの正確な後処理を可能にし、位置情報の質を向上させます。特に、GNSS信号の状態が厳しいシナリオで威力を発揮し、より信頼性の高い正確な結果を提供します。

ドローン・マッピング、測地測量、資産管理などの用途で広く使われている。

さて、大きな問題は、どの補正方法がベストなのかということだ。これは、場所、基線の長さ、電離層活動、要求精度、信頼性、予算など多くの要因に左右される。

RTKおよびPPK GNSSエラー補正方法

最もポピュラーな2つの修正方法を比較してみよう：

基準	RTK	ピーピーケー
データ修正	収集した位置情報のライブ補正を行う。	最初に全ロケーションデータを収集し、オフサイトで補正を行う。
後処理	データの後処理を必要としないため、後処理ソフトウェアを使用する必要がない。	専用のソフトウェアが必要。
基地局とローバー間の信号強度	基地局とローバー受信機の間は常に接続されていなければならない。信号の喪失はデータの喪失につながり、それゆえより多くのエラーを引き起こす。	基地局とローバー受信機の間に強い信号強度を必要としない。
労働環境	木々、建物、山などの障害物がないオープンスカイの条件下で最もよく機能する。GNSS信号を遮るものがあると、精度の信頼性を保つのが難しくなる。	障害物のある場所（トンネル、橋、谷）でもデシメートルレベルの精度を維持。これは、Backward-Forward処理のようなアルゴリズムのアーティファクトを使用することで可能になります。
ベースライン	30kmまでのベースラインに対応km	ベースラインが長い場合の電離層誤差の評価と補正。
破損ログの復旧	該当なし	ロング・ベースライン・ア・ポステリオリ」を使用することで、強い太陽活動の影響を受けて破損したログを回復することができる。
太陽活動	データ計算中に太陽活動を考慮しない。	太陽活動を考慮し、ロング・ベースライン・モードとショート・ベースライン・モードを決定する。