カテゴリーアーカイブ GPS/GNSS

著者:杉浦

NMEAについてざっくり

NMEAを詳しく知りたい方のための資料として私がおすすめする資料はu-bloxの公開しているu-blox 8 / u-blox M8 Receiver Description Including Protocol Specificationのpp.105~127あたりです。このふんわりした小話よりもそちらでがっつり読み込んだ方がためになると思います。私は検索がうまくできませんでしたがtrimbleのhelpなども詳しいです。
NMEAとはGNSSの受信したデータを出力する複数のプロトコルをまとめた呼称です。NMEAは正式にはNMEA0183といい、団体であるNMEA(この記事中に出てくるこれ以外のNMEAはプロトコルNMEA0183のことを指した語です)が制定したプロトコルです。GNSS受信機はGNSS衛星から送られてきた信号を元に自らの位置などを推定しています。この推定された位置などの便利そうな情報をいい感じにまとめるプロトコルがNMEAになるわけです。ほとんどのGNSS受信機はこのNMEAに従ってデータを出力します。このNMEAには様々な種類があります。その中でも使われる頻度の高いGGA、GSA、GSV、RMCについてほんのり紹介します。実際に受信機から送られてくるデータを読んだことがある人はGGA、GSAでなく$GPGGA、$GNGSAなどの頭文字を持ってデータが送られてくることを知っているでしょう。NMEAは受信機によってGPGGA、GNGGAと頭文字が変わります。この頭文字は受信機が対応する衛星に従って付けられています。
GGAはざっくりと今の受信機の状態が分かるプロトコルです。位置、使用衛星数、精度低下率などがわかります。

$xxGGA,time,lat,NS,long,EW,quality,numSV,HDOP,alt,M,sep,M,diffAge,diffStation*cs<CR><LF>

GSAは誤差について詳しく記述されたプロトコルです。使用衛星、精度低下率について詳しく記述されています。

$xxGSA,opMode,navMode{,sv},PDOP,HDOP,VDOP,systemId*cs

GSVはGNSS Satellites in Viewの略称であり可視状態にある衛星について詳しく記述されています。

$xxGSV,numMsg,msgNum,numSV,{,sv,elv,az,cno},signalId*cs

RMCはRecommended Minimum dataとされています。RMCに大体のGPSに時刻、位置、速度といったGNSSに要求されている結果が記されています。

$xxRMC,time,status,lat,NS,long,EW,spd,cog,date,mv,mvEW,posMode,navStatus*cs
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著者:杉浦

アプリGNSS Viewについて

GNSS Viewは、指定した時間や場所におけるみちびきやGPS、GLONASSなどの測位衛星の位置を知ることができるWebアプリです。(みちびきより)
GNSS Viewというアプリを見つけましたが、技術者以外の人も対象にしているような作りのサイトで説明がろくになかったのでざっくりと機能と使えそうな用途の例の説明させてもらいます。
web版GNSSViewの全体図が下図です。

 BASE CONDITIONについてはほぼ割愛。英語が読めれば多分大丈夫です。GPS/QZSS WeeksもMaskAngle操作してみればわかるでしょう。 レーダ部を飛ばしてSELECT SATELLITE部。これはBASE CONDITIONとSELECT SATELLITEの設定でレーダー部をいじるためです。チェックボックスは衛星の種類です。自分の知りたい受信機に対応する衛星を選ぶとよいです。GPSはほぼすべての受信機で対応しています。ついでGLONASSです。GNSSを謳う受信機でしたらすべてに対応していることもあります。ラジオボタンは発信している信号の種類です。下の方ほど多種で精度の良い信号を持つ衛星になります。
 レーダー部は先に述べた通りBASE CONDITIONとSELECT SATELLITEの設定で動きます。上部のレーダは見たまま設定時点で見える衛星の配置です。色が衛星の種類を区別しています。TimeLine、Visible GNSSも見たままです。HDOP、VDOP。これはGNSSの精度低下率です。もしこの条件でGNSSによる測位を行ったら、という時の精度の目安になります。これらが0に近づくほど良好な受信環境になると予想できるわけです。なぜ実際に受信を行っていないのに、精度低下率が出せるのかというと衛星の散らばり具合によって算出しているからです。最近、3DMAPによる工事などが話題に上ったりもします。3DMAPによってマルチパス、可視衛星の精密な予測ができることによってより優れたHDOPに成り代わるものが現れるかもしれません。

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著者:杉浦

GNSSの測定する位置と速度

 前情報としてAccuracy(正確さ)、Precision(精度)の話を挟ませていただきます。誤差はランダムな誤差と規則的な誤差の二種類に分けることができます。計測、予測の世界においては下図の様にランダムな誤差の大きさをAccuracy(正確さ)、規則的な誤差の大きさをPrecision(精度)と呼びます。

 GNSSの測定する位置と速度の精度の話に入らせていただきます。GNSSから得られる情報には様々なものがあります。この中で容易に得られる成形された情報としてNMEAというフォーマットに沿った情報があります。このフォーマットの中には位置と速度が含まれています。しかしながらこの位置と速度を導き出される過程はとても異なるものとなっています。
 GNSSはGNSSはなぜ都心で精度が悪くなりやすいのかに書いた通りGNSS受信機の位置を、GNSS受信機一台と地球の衛星軌道上の人工衛星三基を結んでできる三角錐から受信機の位置を連立方程式によって解く手法によって測定しています。最近はRTK-GNSSによるcm級測位などが話題となっておりますが、この手法による誤差は10m~20mほどです。(受信環境、受信信号を用いた計算に対する工夫、他技術を交えることによって市販されている様々なGNSS受信機における実際の誤差はもっと少ないものが多いです)一方で、GNSS受信機の速度はドップラ効果から測定されます。これは信号を受け取った時点の波長と発信された時点の信号の波長のずれから速度を計算するという手法です。こちらの手法はとても精度がよく、水平速度精度0.36m/sec、垂直速度精度0.72m/secとなっています。RTK-GNSS以前からcm単位で語れる誤差があったわけです。
 一見、このドップラ効果を用いた測定された速度を積算することによって位置を推定したならばとても誤差の小さい位置の推定ができるように思えます。ここでAccuracy(正確さ)、Precision(精度)の話が出てきます。このドップラ効果によって測定された速度の誤差が小さいことは述べた通りです。しかしながら、積算のみによる位置の推定には完璧なAccuracy(正確さ)が求められてしまいます。これは上図の左下のような偏りがわずかでもあった場合、偏りが膨らみ続け大きな誤差を生むことになることが原因です。これによってドップラ効果から得られた速度の積算のみによる位置の推定には問題があるわけです。
 ネガティブな意見を述べましたが、現実にこのドップラ効果による速度は高精度であり、この高精度速度を利用して得られた位置の誤差はRTK-GNSSを用いずとも2、3m程度になります。この位置と速度を組み合わせてより正確な位置を求めることに使われている技術の主となるのがカルマンフィルタと呼ばれる技術です。カルマンフィルタはGNSSのみならず制御工学、宇宙工学、経済学などで広く使われる優れた技術です。

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著者:杉浦

GNSSはなぜ都心で精度が悪くなりやすいのか

 GNSS(Global Navigation Satellite System)/全球測位衛星システムの略称であり、GPSを含む衛星を用いた位置情報を得るシステムのことです。
GNSSについて書かれた記事:GNSS(Global Navigation Satellite System)とは
この記事はGNSS全体に共通することについての話なので、この記事の中のGNSSはGPSと読み替えても何ら問題ありません。
 スマートフォン、テレビ、ラジオを始め世の中には電波を用いて通信を行う機器が多々あります。それらは都心の様な障害物の多い中であっても良好な通信を行うことができます。GNSSはなぜスマートフォン、テレビの様に障害物の多い中で良好な通信を行うことが簡単でないのでしょうか。この原因はGNSSが位置情報を算出するには直接電波を受け取ることが重要であるという点にあります。
 GNSSの行っている計算は下図の様な地上のGNSS受信機一台と地球の衛星軌道上の人工衛星三基を結んでできる三角錐をイメージするとなんとなくわかりやすいです。

この三角錐をなす四つの点のうち、GNSS受信機の位置は未知であり、人工衛星の位置は既知であります。また、三角錐を成す辺の長さのいずれも既知であります。GNSS受信機は自身の位置を計算する時、「衛星の三点の位置と各辺の長さのみがわかる。未知である受信機の一点の位置は?」という問題を解いています。(大体このようなことをしているというイメージ程度で実際は異なります)この計算を行う時、受信機と衛星間の辺の長さをGNSSは衛星から電波が発信された時刻と受信機が電波を受け取った時刻の差によって算出しています。電波の速度はほぼ一定のため、電波の発信受信間の時間と合わせることで距離=速度×時間の式で衛星と受信機の距離を求めることができます。ここで電波が建物に遮られ、反射した電波をGNSS受信機が受け取ったと仮定します。この時、反射した電波を受け取った時刻は、反射した分、直接電波を受け取るはずだった時刻より遅れます。この時刻の遅れが前の話とつながって位置の誤差となります。そのため、直接電波が受け取れず反射した電波を受け取りやすい状況が生まれやすいビル街ではGNSSの精度が悪くなりやすいのです。

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著者:ym

車内LAN、車載Ethernetが日産リーフに採用

車載 Ethernet の話。

[特報]次世代車載LANが日本車にも、日産が新型リーフで採用 – 日経 xTECH(クロステック)

この車載 Ethernet って、配線はどうなっているのだろうか。CANやLINとは違うのだろうか?リアルタイム性が求められるLANなので有線だろうけど、ボディーアースで1本の+配線で処理できる電源と同じ様な対応でPoE-LANが取り回せるのであれば結構良い感じがします。でも、気軽にアクセサリやリレーを取り付けられなくなると車両としては面白く無いし。

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takahashi 著者:takahashi

NginxでBASIC認証をプロキシするときの注意点

今回。hamamatsu-gnss.orgのサーバー切り替えを行ったのですが、移行先サーバでサービスの再起動後何故かBASIC認証が通らなくなる問題が発生。
80番ポートはWebページとポートを共有しているので、webサーバーとntripサーバーの前にNginxを置いて、ドメインで通信を振り分けています。
旧サーバーでは問題なく動いていたのですが、まったく同じ設定をコピーした新サーバーでは、RTKLIBからntripへ401ステータスで接続できなくなってしまいました。

ちなみに直で新サーバー側のntripへ接続すると、認証も問題なく通り、ログにも異常は見られなかったので、原因がNginxなのは間違いなさそうです。

認証の要らないsourcetableはNginx経由でも問題なく表示できたため、恐らくBASIC認証の際に必要なヘッダ情報が渡せていないのだろうと推測しました。
そこでいろいろ調べてみると、参考になりそうなサイトを発見。

Nginx を認証プロキシとして使う – Docker-docs-ja

正常にプロキシするには

      proxy_pass                          http://example.com;
      proxy_set_header  Host              \$http_host;   
      proxy_set_header  X-Real-IP         \$remote_addr; 
      proxy_set_header  X-Forwarded-For   \$proxy_add_x_forwarded_for;
      proxy_set_header  X-Forwarded-Proto \$scheme;

の記述が必要だったのですが、新サーバーの設定ファイルと見比べたところ

proxy_set_header  X-Forwarded-Proto \$scheme;

の記述が抜けていることがわかりました。
この一行を追記し、Nginxをリロード、もう一度試してみると…

無事接続できました!

Nginxはプロキシする際、バックエンドへ渡すヘッダー情報を自由に指定・編集することができるので、抜けがあると今回のようなことが起きます。
Nginxでシステムを構築した際は、こういう部分も気を付けてチェックしたいですね。

いやーしかし、今回は症状がちょっと奇妙だったのでちょっとだけ焦りました…(笑

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著者:aoki

静岡大学情報学部の屋上に設置されているGNSSアンテナ「NetR9」


静岡大学の情報学部2号館屋上にはGNSS受信用のアンテナが設置されています。
アンテナ見学の際に情報学部2号館屋上に上がらせて頂きましたが眺めがいいですね。
障害物がないので衛星からの情報を直に受け取ることが可能です。


こちらがGNSSアンテナでTrimble社製のNetR9という製品です。


円盤のような形でサイズは直径で30センチほど、テレビのアンテナよりも小さいですが性能は抜群でGPS、みちびきだけではなくGLONASS、Beiduなどの情報も受信可能です。


アンテナが正常に動いているかその場で確認します。

こちらのアンテナの情報とRover(移動局)の情報を組み合わせてセンチメートル単位の測位が可能となります。
詳しい情報、補正情報の取得は以下から可能です。
https://hamamatsu-gnss.org/

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著者:aoki

みちびきがあればGPS不要(脱却)は大間違い


気にになる記事が書かれていました。

人工衛星「みちびき」で米国頼みのGPS脱却なるか
http://jbpress.ismedia.jp/articles/-/50336

元々はアメリカが軍事用に打ち上げた人工衛星を民間でも使えるようにしたのが、現在のGPSシステムである。そのため、民間で利用が許されているデータにおいては、10メートル程度以内の精度となっている。

また、現在アメリカが運用するGPSは31機あるが、世界中で共有しているため、各地点で一度に利用できるのは6機程度にとどまり、安定した測位に必要とされる8機以上という条件を満たすことができない状況にある。

このため、日本の都市部や山間部では高い建物や山などが障害となり、GPS信号が届かず誤差が生じたり、使えなかったりして、安定したサービスを受けられない状況が生じることがある。

今後、位置情報の応用領域が広がっていくにあたって、より安定したサービス提供が望まれる。そのとき、アメリカに頼った現状のシステムでは限界を超えることができない。日本の都合で衛星数を増やすなど柔軟な運用はできないからである。

この記事からですと
・GPSはアメリカの衛星で日本の思い通りにならない
・みちびきを使ってGPSを脱却し、日本の自由に衛星を運用したい
という風に見ることができ、見た人はこう思うでしょう。
「みちびきを使えばGPS(アメリカ)に頼らず誤差をGPS以上に少なくでき、安定したサービス提供ができる」

はっきり言ってそれは大間違い!
このような記事が乱立しているのが非常に残念です。

「測位の精度」と「安定したサービス提供」こちらの向上を目的とした場合にはGPS脱却などしてはいけないのです。

測位の精度に最も影響するものは障害物無しに補足できる衛星の数です。

OLYMPUS DIGITAL CAMERA


GPSだろうとみちびきだろうと補足できる衛星の数が多ければ多い方が精度が上がります。

みちびきは準天頂衛星なので日本の真上を通ります。
故に障害物に影響されにくいのもありますしみちびき独自の仕様で単体の精度はGPSよりも良いです。
ただ1~2基だけでセンチメール単位の測位ができるわけではないのです。

たとえみちびきが7基体制になったとしても補足できる数は2~3でしょう。
となるとやはりGPS(もしくは他の衛星)と組み合わせて補足するべきなのです。

日本独自の衛星があるという事は素晴らしい事です。
ただしみちびきだけで「測位の精度」と「安定したサービス提供」が確約されるわけではない事も記事に書いてほしい所です。
というか8基で安定って書いてあるのにGPS脱却って矛盾してますね・・・

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著者:aoki

hamamatsu-gnss.org にてRTK-GNSS用基準局データの常時無償配信しています


シーポイントラボでは静岡大学と共同でRTK-GNSS用基準局データの常時無償配信しています。
以下のサイトで詳細、配信情報を見ていただく事が可能です。
https://hamamatsu-gnss.org/

配信システム詳細

基準局詳細

アンテナは静岡大学浜松キャンパスに設置されており半径10kmほどをカバーしています。
ただ実際には半径30kmほどは利用できますので浜松市の大半で高精度測位が可能となっています。
手続き等は必要ありませんので是非高精度測位にご興味のある方は試してみて頂けると幸いです。
※ 今後申請制等にする可能性はあります。

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著者:aoki

G空間EXPOでの展示(QZSS以外の衛星)

JAXA(宇宙航空研究開発機構)による展示でQZSS以外の衛星のパネルがありました。
GNSSでQZSSばかり注目されていますが、QZSS以外の衛星も私たちの生活を豊かにしてくれる大事なものであることを教えてくれます。
折角ですのでQZSS以外の衛星に関して調べてみました。

 

きく8号

当機は移動体通信、特に打ち上げ時期である2006年当時一般的であった携帯電話に見られるようなハンディタイプの端末と衛星との直接通信を可能にする技術を目的として開発された。当時の携帯電話は通信に地上の基地局が必要であり、一般に山間部や海上ではサービスが提供されていなかった。また災害発生時も通話が困難になることが多かった。当機は山間部、海上、災害発生域で安定した通信サービスを提供することを目標とした。また測位システムに静止衛星を利用するための実験も行う。ミッション期間は3年、衛星の寿命は10年の予定。
参考:Wikipedia

 

いぶき

いぶき(GOSAT : ゴーサット、Greenhouse gases Observing SATellite)は、環境省、国立環境研究所(NIES)、宇宙航空研究開発機構(JAXA)が共同で開発した温室効果ガス観測技術衛星。地球温暖化の原因とされている二酸化炭素やメタンガスなどの温室効果ガスの濃度分布を宇宙から観測する。
参考:Wikipedia

 

だいち2号

だいち2号(陸域観測技術衛星2号、ALOS-2, Advanced Land Observing Satellite、エイロス2)は、宇宙航空研究開発機構(JAXA)が、地図作成、地域観測、災害状況把握、資源調査などへの貢献を目的として開発した「だいち」の後継の地球観測衛星。
参考:Wikipedia

 

きずな

きずな(WINDS : ウィンズ、Wideband InterNetworking engineering test and Demonstration Satellite)は、宇宙航空研究開発機構 (JAXA) と情報通信研究機構 (NICT) が共同で開発した超高速インターネット衛星。
参考:Wikipedia

 

しずく

「地球環境変動観測ミッション(GCOM: Global Change Observation Mission)」は、地球規模での気候変動、水循環メカニズムを解明するため、全球規模で長期間(10~15年程度)の観測を継続して行えるシステムを構築し、そのデータを気候変動の研究や気象予測、漁業などに利用して有効性を実証することを目的としたミッションです。
GCOMには水循環変動観測衛星(GCOM-W)と気候変動観測衛星(GCOM-C)という2つのシリーズがあります。マイクロ波放射計を搭載するGCOM-Wは降水量、水蒸気量、海洋上の風速や水温、陸域の水分量、積雪深度などを観測します。
参考:JAXA

 

GPM主衛星

GPM主衛星は日米を中心にした国際協力の下で進められている全球降水観測計画(GPM計画)の軸になる人工衛星で、世界中の雨や雪を観測します。NASAが開発した衛星本体に、日本が開発を担当した観測装置の二周波降水レーダ(DPR)とNASAが開発した観測装置のGPMマイクロ波放射計(GMI)を搭載しています。
参考:JAXA

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