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2011年8月15日 (月)

GPSの誤差?

前に買ったGPSロガーのログをいろいろ見ているとなかなか面白い。
ロガーを持って特急列車に乗ると、どのくらいの速度が出ているかなんて言うのがしっかりとれたりする。
常磐線の特急に乗った時のログを見てみると、全般的に線形が良くスピードを出せる環境であることがよく分かるような気がする。

GPSロガーは、移動中は大体地図と同じ場所にログが出るのだけど、止まっている状態だとどうやらあちこちにフラフラと動くようなログが残ったりする。

出かける前に電源を入れて自宅内に置いておいたときのログを見てみると、周囲2~3軒の範囲でフラフラしているログが残ったりする。

GPS衛星の情報には意図的に誤差をつけていると聞いたことがあるけれど、誤差というのがこういう形でつけられているのかと思えたりします。
標高のログを見ても、地形図の標高とは全く違う数値が出たりもするし…。

これはこれで面白いのだけど。
カーナビだとそこまで誤差が出ないだけに、カーナビにはどんな技術が使われているのかが気になったりします。

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コメント

カーナビは加速度センサと併用する仕組みになってるそうです。なので、止まっているときはふらふらしませんし、トンネルの中でもクルマが進んでいるわけです。

ツイッターのフォローありがとうございます。ブログを拝見すると鉄道ネタやアキバネタ、「ワンダーJAPAN」など、私の趣味と似通っていますので、コメントさせていただきました。GPSロガーで電車の車速を測るのはナイスアイデアです。

より標高の高いところで調査をしているのに、標高が逆転したりしてますね。往路と同じところを降りているのに、違う経路を示していたり。
地図もかなりデフォルメされてますし、道路や線路の位置も微妙にずれているのはあの中に書き込まなきゃいけないので仕方が無い次第。
2万5千図なら、1cmが250mですから、2mm幅の道路は50m幅の道路になるわけですが、そんな幅広の高速道路や国道はありえない..
でも、精度的には確実に上がってきてますし、背景地図もかなり良くなってきました。森の中でも衛星を捕まえられるぐらいいいですよ。

水戸の小川野です。

GPSは10年以上前から『おもちゃ』としてつきあって来ていますので、GPSについての豆知識を以下に。

(1)GPSの本家は?管理者は?
   ご存知の様にGPS衛星自体は米国が軍事目的で展開しているものであり、その衛星から発信される信号のうち、民生用途のバンドを使用しているのが、我々が普段使用しているGPS機器です。

(2)我々の使っているGPSの電波は?
   この民生用バンドはC/Aコードと呼ばれ、運用者である米国によるSAと呼ばれる意図的な誤差の付加が可能な仕様となっています。
   このため、初期のGPS装置においては湾岸戦争当時等のSA実施状況下ではC/Aコードでの誤差は100m内外といったものでした。
   ちなみにコードや緒元の公表されていない軍用のP(Y)コードの誤差範囲は20cmを下回ると言われています。

(3)当初の民生用GPSの機能
   また、当時のGPS測地用のエンジンの演算能力では、受信できている全てのGPS衛星のデータを使いきる事が出来ず、2D表面で3個、3Dでも4個という最低限での即位に甘んじなければならなかったものもあるという側面もあります。(現在の機器では12ch同時追尾によるデータ相互間の比較による誤差補正も可能なほどGPSエンジンの性能は飛躍的に上がっています。)

(4)米国による民生用GPSの意図的誤差(SA)付加の撤廃と、D-GPSシステムの咲かせた仇花
   これでは道路のナビゲーションに使うには難があるため、『ある衛星の誤差があるなら、緯度経度が確実に判っている地上局で、個々のGPS衛星の誤差を検出しそれを、補正すべきデータを電波をFM周波数で日本全国にばら撒いて、地上とGPS測距のデータの誤差(ディファレンシャル)を反映してしまえ、というのが、当時登場した『ディファレンシャルGPS(D-GPS)』という装置です。
   しかし、今世紀間近になって、米軍が民生用の需要の拡大に鑑みSAを使用しないという方針発表し、これでGPSは最新のGPSエンジンであれば10m程度の期待誤差を定常的に想定できる様になりました。
   このため、国内でせっかく開発されたD-GPSは主流とならずに消えていく形となりました。
   D-GPS用のFM電波も現在は停波されてしまっており、D-GPSは例えその機能を持っていたとしてもその機能を使う事さえ出来ない状態です。

(5)GPSの使用環境上の問題
   とは言えGPS使用にはもうひとつ問題が有ります。
   お空が見えないと使えないし、ビル街・山間地では無節操な反射波に伴って、反射したビルが遠い分、データの受信が遅れてしまい、その分の距離を遠くにあると誤認してしまうのです。

(6)道路がそこに有るなら近くの信号は無理にでも道路に乗せてしまえ!
   これがマップマッチングと言われる情報処理の方法です。田んぼとか畑とか山林とか、明らかに道路の無い場所を示すデータを受信した場合、周囲の適当と思われる箇所(道路)に、現在地のアイコンを表示するという技術です。
   JR東日本のカシオペアには、客室内のディスプレイで、衛星テレビの他に現在の走行位置をナビゲーション画面で表示する機能がありましたが、私の乗車した当時は、カーナビの画面の直接利用であったため、マップマッチングされてしまい、線路では無く近くの並行する道路を走るカシオペアを見る事ができました(苦笑)。
   ちなみに廃線探訪等でこれをやられると迷惑至極なので、うちのカーナビは位置情報を勝手に改変して表示するカーナビでは無く、自分の観測した純粋な位置情報を出力してくれる、大昔のGPSエンジン「I/O DATA製USB-GPS)が、ダッシュボード上のWin2000のノートPCのデジタルマップルとのペアでGPSとして働いています。

(7)そしてジャイロ及び圧電素子の登場
   また、トンネル、高架下、ビル街では、GPSの電波自体を受信することが不可能です。ここで白羽の矢がたったのが、航空機で航法に使用されている『慣性航法装置INS』です。
   そうは言っても当時の航空機用光ファイバジャイロによる慣性航法装置をたかだか乗用車に搭載するのはコスト面で全く折り合いません。
   慣性航法装置として最初は高価な光ファイバジャイロによるものでしたが、今のカーナビ全盛の時代を作ったのは、圧電素子による加速度検出が容易となり、携帯電話やゲーム器にさえ使用されるようになったことによるものです。
   そして、加速度の方向と大きさが3軸全てで判っているのならば、それらの時間積分値が速度となり、さらにその時間積分値が移動量となるのは明白です。
   これなら、3軸の加速度を測定し時間積分するだけで、トンネルの中だろうが、深い森の中の走行とか、ビルの谷間でもGPSで最後に測位した位置からどれだけ動いたかを、圧電素子の測定値で知る事ができます。

(8)日本版GPS「準天頂衛星」
   さて、GPSをインフラとして使う場合何が問題でしょうか。
   ひとつは、SAの問題です。現在はSAは使用されていませんが、GPSそのものが米国の軍事目的の衛星からの信号に頼る以上、米国の都合によってSAがいつ適用されるか全く保証はありません。
   また、場合によっては米軍の戦略上の理由からのC/Aコードの停止(即ち民生用GPSのそのものの停止)も考えられます。
   このため、日本上空を見かけ上、横軸に緯度・縦軸に経度をとった∞状の極軌道上で周回する日本独自の衛星を用いて、この衛星からの信号による測位、又はGPSのSAの誤差分の情報をこの衛星から発信する機能により、準天頂衛星のみによる測位、又はGPSの信号の補間を行おうとするのが、現在1機目が稼動を開始し、評価が行われている『みちびき』です。
   現在、常時GPSの補間をするためであれば、あと3機、常時の測位を全て日本独自の衛星によるものとする場合にはあと7機の打ち上げが必要とされています。
   日本の準天頂衛星は日本を中心とした特定の経度のエリアでのみ受信が可能な事と、常に衛星が天頂(仰角の高い位置)付近にあり、ビル街や山間地でも電波の受信がし易いという特徴があります。
   この『独自のインフラとして自前の測地用衛星を開発し用いる』というプランは、日本の他にも、ロシア・EU等で導入する方向で開発・打ち上げが行われています。

(9)しかし、地面は動く
   東日本大震災では、地震による地殻変動により、牡鹿半島では5m強の水平方向の変異と、約1m強の垂直方向の変異が生じています。
   しかし、現時点でこれを反映した電子データの地図は存在しません。
   つまり、東日本エリアでは、使用されている地図による緯度・経度と実際の地表の緯度・経度が異なる状況が生じています。
   ただ、GPSの即時測定での誤差は10m程度(古いものは100m程度)なので、定点での連続観測による補正をしない限りは影響は限定的と言えるでしょう。

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