準天頂衛星みちびきの補完信号を用いた測位評価

平成27年度

GNSS(Global Navigation Satellite System)による測位は、人々の生活に欠かせない技術として広く利活用されている。現在、我々が主に利用している測位衛星は米国のGPS であるが、その他にロシアのGLONASSや欧州のGALILEO、中国では北斗(Beidou・Compass)、日本の準天頂衛星がある。しかし日本では山陰やビル陰などの影響で、当該地域において衛星測位に必要な4機の視野を確保することは困難である。そこで日本政府は2010年に準天頂衛星（Quasi-Zenith Satellite：QZS)初号機みちびきを打ち上げた。準天頂衛星システム（Quasi-Zenith Satellite system：QZSS)は日本が整備する日本のための衛星測位システムである。QZSSは日本における衛星を使用した位置情報取得サービスの高精度化や信頼性の向上及び、安否情報などの配信が目的である。みちびきにはGNSSの補強機能と補完機能があるが、現時点では、単独で機能するものではなく、米国において打ち上げ・運用が行われているGPSなどと連携してその役割を果たしている。QZSは2018年を目途に4機体制なり、4機打ち上げられることで、日本の天頂に常時1機のQZSが滞在することが可能になり、測位可能場所・時間率が大幅に向上することが期待されている。
　実験は平成27年4月より行った。QZSが4機体制となった場合を想定し、仰角が75度以上の時間帯に実験を行うこととした。実験場所は金沢工業大学3号館屋上である。屋上で実験を行うことでマルチパスやサイクルスリップなどの他の誤差要因を排除しつつQZSの補完効果を検証した。実験は1回につきJAVAD　TR_G3T ALPHAを2機設置し、2時間の定点観測である。取得したデータをRTKLIBを用いて使用衛星を選択しつつ衛星測位を行う仰角マスク処理を行うことで、QZSによる補完効果の確認を行った。 仰角マスク処理を行ったGPS測位及びQZSを含むGPS測位での測位可能時間率の比較を行うことでQZSの補完効果の検証を行った。比較検証は測位精度と測位時間の2点について行った。測位精度についてQZSを含んだ測位は測位が安定するまでに大きく時間を要する結果が得られた。そのため平均値や標準偏差がGPSのみの測位に比べ不安定な結果が得られた。また測位時間についてはQZSを含むことで大幅な上昇がみられた。その効果はマスク仰角を上げることによりその効果は大きく表れる傾向が得られた。
　本研究ではQZSSの補完信号を使用した測位可能時間の検証を目的とし、GPSにQZSを加えた測位がGPSのみの測位と測位精度、測位時間がどのように影響するのかを検証した。実験場所を屋上に設定し解析ソフトウエアを用いて疑似的に遮蔽環境での測位を行うことにより、遮蔽物などによる誤差要因を考慮する必要のない環境を選択した。そのため様々な誤差要因が考えられる衛星測位において純粋なQZS追加による効果を得ることができた。本論文では準天頂衛星によるGNSS補完効果について述べる。
　本研究では測位精度に関してGPS単独での測位の方が安定した結果が得られた。しかし、それは1セット2時間で行っていたことが影響していることが考えられる。GPS+QZS測位は初期解が安定するまでに多くの時間を要している傾向がみられ、実験時間を長くすることで精度の差は少なくなると考えられる。測位時間に関して、GPS+QZS測位はより多くの時間、測位を行えていることが分かった。またマスク解析を行った場合でもGPS+QZS測位の効果が得ることができたことより、準天頂衛星が天頂に滞在する効果は大きいと考えられる。

北陸地方における準天頂衛星のＬＥＸ信号を使用した精度検証実験

平成25年度

現在、位置情報の取得方法としては衛星測位システムが主流となっており、日本をはじめ とする世界各国でＧＰＳが使用されている。しかし、ＧＰＳはアメリカの運営している測 位衛星システムであり有事の際に使用することは不可欠であり、現在はＧＰＳを含む、Ｇ ＮＳＳを使用することなく、生活を行うことは不可能であり、第５番のインフラとして機 能している。そこで、ＧＰＳを使用することなく衛星測位を行うことのできる環境を構築 することを目的とし、先進国が中心となり独自のＧＮＳＳを配備する動きが広がってい る。日本も例外ではなく、準天頂衛星システムの構築をすべく、初号機であるみちびき を打ち上げた。そこで本研究では基盤地図の即時更新可能性や屋内外シームレス測位への 利用可能性を目的として、準天頂衛星のＬＥＸ信号を使用し、北陸地方で実証実験を行 った。本論文はＬＥＸ信号を使用した測位の精度を検証したものである。
　 ＬＥＸ信号を使用した測位実験を平成２４年に２回、平成２５年に１回行った。実証実 験は一般財団法人衛星測位推進センターから機材を借用して行った。実験は移動計測と定 点観測の２種類である。移動観測では車の上部にＬＥＸ信号とＧＰＳのアンテナを設置 し、一般的な速度と高速下で計測をおこなった。また定点観測では１つの点で短時間の計 測と４時間を超える長時間計測を行った。実験結果の解析方法として、移動計測は計測と 同時に取得した上方向と進行方向の映像とともに特性の把握を行った。定点観測では既知 点や仮基準点の正確な情報を取得し、当該点に対する誤差や時間ごとの測位結果のばらつ きなどを検証した。
　 従来の高精度な位置情報取得手段は受信機とは別に携帯電話が必要であり、計測用の受 信機とは別に基準点を儲けるなどの必要があった。また、受信機は使用する範囲が限られ るなどの制約があった。しかし、本研究で用いるＬＥＸ信号は準天頂衛星から発信されて いる信号受信することで、高精度な位置情報を取得する方法であり、受信機のみで計測で きる。しかしながら、現在、準天頂衛星は１機のみの打ち上げであり、使用できる時間は 限られたものとなっている。本研究では限られた時間と機材を使用し、北陸地方ならでは の立地条件下で実験を行い、ＬＥＸ信号の特性を明らかにし、精度を検証することを目的 とした。

屋内外シームレス測位実現に向けたGNSSとRFIDを用いた位置情報取得方法について

平成23年度

2007年に地理空間情報活用推進基本法（以下基本法）が施行され、人々が安心して豊かな生活を営むことができる社会を実現する上で、地理空間情報を高度に活用することが極めて重要である。基本法によれば、国や地方自治体は信頼性の高い衛星測位によるサービスを安定的に享受できる環境を整備し、国民の利便性の向上に貢献しなければならないと記載されている。つまり、高度な地理空間情報社会を構築するために必要なことは、即時に正確な位置情報を取得し、その位置に関連した正確な地図情報の表示と提供であるといえる。
  地下街などの屋内空間における活動が一般的な中、屋内における正確な位置情報を入手することが急務となっている。とくに、東日本大震災のような災害時やゲリラ豪雨による浸水時を想定した避難計画策定における人や流入水の動きの検討する際に、屋内空間の情報が乏しいと正確な情報を提供して迅速な救難活動を実施することが難しい。加えて、屋内空間における位置情報の取得方法、取得した情報の整備方法が確立されておらず、屋外と屋内の位置情報格差が顕在化している。前述のような課題を解決し、高度空間情報社会を実現させるためには衛星測位の強化だけではなく、ユビキタスネットワーク技術やITS技術などと連携し、測位技術の開発・実用化の促進が必要である。 本研究では、基本法の制定による高度空間情報社会の実現を促進するために、屋内外シームレス測位の実現に向けて、屋外ではGNSS、屋外ではRFIDを用いて位置情報が取得可能か検証実験を行った。
  まず、屋外においてシームレスに位置情報が取得できるか検証するために、VRS-GPSとパッシブRFIDを用いてシームレス測位を行った。GPSは上空視界が確保できる場所で測位し、上空視界が確保できない場所ではRFIDを用いて位置情報を補完した。連続的に位置情報を取得するために、車椅子にGPS受信機とRFIDリーダを取り付け、金沢工業大学キャンパス内を徒歩で1周した。実験結果により、上空視界が確保されない場所にRFIDタグを設置することで、屋内の位置情報の補完をすることができた。つまり、GPSとRFIDを併用することでシームレス測位が可能であることが確認された。しかし、GPSデータの軌跡とRFIDデータの軌跡が重複された部分が存在した。本手法の実運用を考慮した場合、時間と労力を最小限に抑えるために、重複距離を最小化する方法として準天頂衛星（以下、QZS）の利活用が考えられる。QZSは2010年に打ち上げられた測位衛星で、常に日本上空の天頂に必ず1機が見えるように設計されており、マルチパス・サイクルスリップを解決すると言われている。GPSは時間帯によって高精度に位置情報を取得できないことが多々あるので、今後は屋外測位でQZSの利用が必要となる。そこで、センチメートル級の精度が期待できるQZSのLEX信号を用いて精度検証実験を行う予定であったが、2011年3月11日の東日本大震災の影響で電子基準点の大変動による補正情報の作成が困難になったことから、実験は2012年春（現在のところ3月5日から3月9日）に延期となった。実施予定の検証実験の概要はVRS-GPSとQZSの位置精度の比較である。比較方法は既存基準点における精度検証、移動速度別の精度検証などである。
  次に、屋内でアクティブRFIDを用いて屋内の位置情報の取得を試みた。検証実験では、RSSI（受信感度）とATT（減衰器）によるタグの検知位置を調査した。実験結果は、ATTをHighに設定した場合、リーダから最大1.5mの位置にあるタグを読み取ることができたが、半径1.5mのどの位置にタグが存在するのかまでは確認できず、正確な位置を特定することができなかった。そこで、より高精度な屋内の位置情報を取得するためにアクティブRFIDとパッシブセンサを併用して屋内の位置情報の取得を試みた。まず、室内でセンサが被験者の位置を任意に検知できるかどうか確認した。その結果、センサの検知エリアは歩行速度に関係なく1m以内であった。つまり、アクティブRFIDとパッシブセンサを併用することにより、アクティブRFIDを単独で使用するよりも正確な位置情報を求められることが分かった。
  以上の実験結果を踏まえて、高度空間情報社会の実現を促進させるための有効な手段の1つとして、空間情報技術とRFID技術の融合が必要であることが立証された。最新のRFID技術と空間情報工学を用いることにより、歩行空間の連続性を確保し、いつでも、どこでも、だれでも、安全、安心、快適に位置情報を取得することができる。また、本研究では東日本大震災やLEX信号の不調など予期せぬ事象により本論文にQZSの精度実証実験の結果を載せるまでに至らなかったが、準天頂衛星が4機以上の実運用時代を迎えた場合、ユビキタスな地理空間情報高度活用社会の実現が確実に近づくと考える。

高度空間情報社会実現のためのリアルタイムGISを用いた基盤地図情報の更新と 地域変換パラメータの有効性について

平成20年度

平成19年5月30日に地理空間情報活用推進基本法が公布され、基盤地図情報が満たすべき基準が示された。この基盤地図情報では、GISを利活用することにより業務の効率化および経費の削減が期待されている。しかし、基盤地図の整備範囲は広域かつシームレスであるため、その作成・維持には多大な労力と時間が必要になる。また、地図更新に関しても、確立された手法や運用事例はない。
  そのため、基盤地図の更新方法のひとつとして、本研究室が検証してきている「リアルタイムGIS」の活用を提案する。「リアルタイムGIS」とは、高精度で即時性のあるRTK-GPS測位を用いて取得したデータを携帯電話からGISサーバへ送信することで、ベースマップに反映する技術である。
  しかし、リアルタイムGISを用いた基盤地図の更新に関しては、その実用性について検証が行われていない。そのため、地図の更新で用いるRTK-GPS測位データと基盤地図との整合性を検証する必要がある。また、基盤地図情報は世界測地系で作成されるため地方自治体が保有する過去に作成された日本測地系の地図を高精度に重ね合わせるとができない現状にある。奥野亜紀氏（平成18年度修士修了）の研究では座標変換の手法として、国土地理院が無償で提供している変換パラメータ(TKY2JGD)とアフィン変換を用いて地域ごとにパラメータを算出する(高精度地域変換パラメータ)し座標変換を行う２つの手法で検証が行われた。その結果、TKY2JGDを用いて座標変換を行った際に、検証を行った2箇所でズレに特徴があることが明らかになった。さらに、アフィン変換を用いて地域ごとにパラメータを算出する手法を用いて変換を行った結果、1km×1kmの範囲内であれば高精度に座標変換を行うことができることが示された。しかし、TKY2JGDを使用し変換を行った際のズレの特徴が高精度地域変換パラメータの誤差に影響を与える可能性があるということが問題として残った。
  本研究では、検証地域の増加や三角点を用いることでズレの特長を把握することを試みた。また、リアルタイムGISを用いた基盤地図情報の更新の有効性を検証するために、基盤地図情報とVRS-GPS測位結果との整合性に関して検証を行った。
  まず、検証地域ごとにTKY2JGDを使用して日本測地系から世界測地系へ座標変換を行い、GPS観測値(世界測地系)との比較を行った。その結果、地域Aでは回転方向、地域Bでは平行方向、地域Cでは南東方向、地域Dでは南南東のズレの特徴を示した。しかし、地域Eでは基準点の消失や重複の問題があり、ズレの規則性を示さなかった。この結果から、地域ごとのズレの特徴が明確となった。しかし、4箇所のみでは、全体の規則性を把握することが困難であるため金沢市全域の三角点を利用し、ズレの特長を調査した。三角点の座標変換を行った結果、金沢市全域のズレの特徴はほぼ南東方向を示していることが明らかになった。さらに、ズレの特徴に関しては海岸・平野部と山間部に対象地域を分け検証を行った結果、ズレの特徴は海岸・平野部でほぼ南東方向を示し、山間部ではほぼ南南東の方向を示した。次に、研究で使用した検証地域と検証地域付近の三角点とのズレの比較を行った。その結果、検証地域付近の三角点のズレと検証地域のズレが類似していることが明らかとなった。そのため、地域ごとのズレの特徴は、三角点による影響が可能性として挙げられる。
  次に、地域A、B、C、Dでアフィン変換を使用して「高精度地域変換パラメータ」を作成し、世界測地系へ変換した。パラメータの算出地域に適用した結果、高精度に変換を行うことができた。また、パラメータ地域ごとに入れ替えて適応した場合、地域A、B、Cのパラメータでは大きなズレを示したが、地域Dのパラメータでは、地域Aと地域Cを高精度に変換することができた。
  さらに、アフィン変換で求めた「高精度地域変換パラメータ」使用して、自治体の保有する基本図を世界測地系へ座標変換したものと、TKY2JGDを使用して基本図を変換したものと基盤地図情報との整合性の検証を行った。また、基盤地図情報の道路線を、仮想基準点方式を用いたRTK-GPS測位(VRS-GPS)を実施し、整合性を検証した。その結果、地域ごとに算出したパラメータを適用させた結果、地域Bでは高精度に重ね合わせを行うことができたが、その他の地域では、重なり合わなかった。また、地域Dで算出したパラメータを使用し変換を行った結果、こちらも重なり合わなかった。TKY2JGDを使用して変換を行った結果に関しても、地域Bでは高精度に変換を行うことができたが、それ以外の地域では重なり合わなかった。また、VRS-GPSで基盤地図情報の道路線を測量した結果、測量方法や観測状況によりズレが生じる地域もあったが、ほぼ正確に重ね合わせを行うことができた。そのため、今後リアルタイムGISを利用した座標変換方法が有効であるといえる。
  本研究では、三角点を利用した座標変換により金沢市全域のズレの特徴を把握することができた。そのため、今後はズレの特徴が類似する場所での「高精度地域変換パラメータ」の適用について検証を行うことで、広域での変換が可能になると考えられる。しかし、アフィン変換とTKY2JGDを使用し高精度に変換を行うことができる地域に違いがあり変換を行うことができない地域も存在することから、自治体が所有する日本測地系の過去の大縮尺地図を変換する際に、同様の問題が発生する可能性がある。今後は、どの地域でも高精度に変換する方法をさらに検討する必要がある。今後、基盤地図情報の使用する際には、座標変換に関する問題や更新に関する問題が発生すると考えられるため、基本法で示された指針を基にした基盤地図情報の作成や更新、基本図の変換方法などを県レベルで明確に定め、統一した方法による基盤地図の管理体制を整えることが必要であると考えられる。
  リアルタイムGISの実現と高精度地域変換パラメータの作成によって基盤地図情報の更新、有効性の向上が期待できる。

ユニバーサルマップの実現に向けたリアルタイムGISとICタグの有効性について

平成19年度

我が国は高齢化社会にあることから、すべての人々が安全・安心で快適な生活を営むことができる社会形成が求められている。政府はすでに政策として高齢者や障害者のためのバリアフリー設備の設置を急いでいるが、設備が整ったとしても人々が安心かつ安全に目的地まで到達する経路を容易に知ることは難しい。また、平成19年5月30日に地理空間情報活用推進基本法が公布され、今後は高精度位置情報を活用する安全かつ安心な空間情報社会が到来することは間違いない。
　歩行空間のモビリティ確保を目指した情報の収集と提供のために、松田尚子氏（平成15年度金沢工業大学大学院修士課程修了）は、リアルタイムバリアフリー地図更新システムを提案した。研究結果からGPSで取得したデータは、車椅子利用者にとっては十分な精度であったが、RTK-GPSを用いて移動した軌跡をGISに表示した際に、いくつかの場所では軌跡が途切れるという問題を残した。また、著者が提唱するUMを含む大縮尺地図データベースの維持と更新は、多大の労力と時間を必要とする。本研究では、これらの問題点に注目し、国民が上述のように快適な生活を営むことができる社会を実現するために、GIS・GPS・RSの3S技術を融合したリアルタイムGISとユビキタス技術の一つであるICタグを用いた大縮尺ユニバーサルマップ（UM）を提案した。リアルタイムGISとは、GPSおよびGISを用いて現場で地図をマッピングするシステムであり、本研究室によって提唱されたものである。例えば、携帯電話とRTK-GPSを用いて即時にデジタルマップを更新することが可能である。UMは測量の基礎を基盤とし、最先端の測量技術である空間情報工学を応用したマップであり、年齢や障害の有無などに関わらず、誰もが利用できることが前提である。さらに、提案した新しい概念（UM）は健常者に限らず高齢者や身体障害者を含むすべてのユーザーが利用可能であるものを目指している。
　GPS測位実験では、連続的に高精度位置情報が取得可能であるか、連続性が確保できない場所はどのような状況であるかなど、GPS信号を受信する空間の特徴を把握することを目的として金沢工業大学キャンパス内で行った。実験は、３種類のGPS（RTK-GPS、VRS-GPS、D-GPS）を用いて測位データを同一環境（衛星数、DOPなど）で比較するために２つのGPS受信機を車椅子に取り付けて、あらかじめ決めたルート（キャンパス内1周）を一定の速度で移動しながらデータ取得を行った。実験結果から、上空視界が確保されている場所では、各々に高精度な位置データが得られた。しかし、天空が確保されない場所に移動した場合、GPSは利用できないこと、天空が回復したとしてもGPS信号再受信のために要する時間の問題などが障害となり、正常に復帰するまでの距離に違いが生じた。
　現状のGPS測位技術のみでは、絶対位置やその他の情報が定常的に受信されない。これらの問題を解決するためにICタグを用いてGPSで取得できない位置情報を補完することを目指した。著者は、連続的な歩行空間経路（位置情報）を確保するために、上空視界が確保されている場所では高精度なGPS測位技術を利用し、GPS衛星から受信ができない場所ではICタグを利用する新しい概念を提案した。
　新しい概念の実現に向けて、本研究ではICタグを用いてシームレスに位置情報を取得することが可能な歩行空間の確保を目的とした基礎的な実証実験を行った。ICタグの設置方法および読み取り率の高い環境を調査、検討するために、ICタグを用いた検証実験を行った。実験方法は、ICタグを直線状に並べて、リーダを取り付けた台車で移動しながらICタグのUID（固有識別子）を認識し、設置場所の材質、ICタグ設置間隔、ICタグの材質・形状・大きさの違いなどによる読み取り率の調査を行った。結果から考察すると、ICタグはできる限り大きく、電波方式の種類に合った加工が求められ、さらに設置場所の環境条件などを考慮してICタグの材質を選択する必要がある。
　本研究では高精度なGPS測位技術とインテリジェント基準点に活用されるようなICタグを用いて位置情報を取得することを提案した。この方法を実現するためには、ICタグを用いたより効率的な基準点の設置方法や管理方法などについて多くの検討が必要であるが、提案する手法により、いつでも、どこでも、誰もが利用できる有益なUMを作成することができると考えられる。また、地理空間情報活用推進基本法の制定と基盤地図情報の整備に相まって、提案したようなUMが空間情報社会において利用しやすくなることは自明である。今後、本研究の応用と更なる進展により、提案したUMが実現した空間情報社会が到来することを期待している。