MADOCA及びMADOCA-PPPの開発状況について

宇宙航空研究開発機構 衛星測位システム技術ユニット

小暮 聡

平成28年3月29日 MADOCA 利用検討会準備会合

～精密衛星測位のグローバル展開に向けて～

2

目次

• MADOCAとは？

• MADOCA-PPPとは？

• MADOCA/MADOCA-PPPの開発経緯

• MADOCA-PPP実証実験システム

• MADOCA開発状況（MADOCAの現状性能）

• MADOCA-PPP（MADOCA-PPPの現状性能）

• PPP/PPP-ARの応用利用 – 移動体への適用例

• 今後の課題

• まとめ

3

MADOCAとは？

MADOCA： “Multi-GNSS Advanced Demonstration tool for Orbit and Clock Analysis”

• PPP方式を実現するために不可欠な精密軌道クロック推定ソフトウェア

– GPS, GLONASS, QZSS、Galileo、BeiDouに対応

– グローバルに展開したモニタ局で収集した観測データから軌道、クロックオフセット、コード/搬送波位相バイアス、電離層遅延、対流圏遅延量等を推定

– 最新の物理モデル実装、太陽輻射圧モデルの改良

【現時点の開発状況】

• ソフトウェア実装を完了

• GPS、GLONASSの軌道・クロック推定精度：世界トップレベルの性能を達成

• GALILEO、BeiDouについては、チューニング中（要精度向上）

PPP方式でcm級の測位精度を得るためには、衛星から受信機までに含まれる搬送波の波数を正確に推定することが必須であり、そのためには軌道・クロック合わせた誤差を数cm以内に抑えなければならない。

4

MADOCA-PPPとは？

MADOCA-PPP（Precise Point Positioning)： • MADOCAを用いて生成した精密軌道・クロック情報を用いた単独搬送波位相測位方式

– GPS, GLONASS, QZSS、Galileo、BeiDouに対応

– 二周波（L1/L2、L1/L5）利用、三周波

• 一周波利用についてもユーザレベルでの評価実施（移動体利用）

– アンビギュイティ推定機能＝PPP-AR

– 電離層・対流圏遅延量推定機能＝ローカル補正情報生成

– 測位解析ツールRTKLIBを機能拡張、ユーザ測位性能の評価を実施

【現時点の開発状況】

• リアルタイムの二周波PPP：定点観測で水平・垂直とも10cm(rms)以下の精度を達成

• 更なる高精度化、初期化時間短縮については、課題解決のための手法*の有効性は確認したものの、安定性や移動体への応用に課題あり

– アンビギュイティ整数化（Ambiguity Resolution：AR方式)

– ローカル補正情報（電離層・対流圏遅延補正）の利用

5

cm級の測位精度が可能な精密測位方式

従来から使用されているRTK方式等とは異なる測位手法

搬送波のアンビギュイティを整数解まで求める方式はPPP-ARと呼ばれる

①衛星軌道・時計

②電離層遅延

③対流圏遅延

④雑音・マルチパス

基準局との相対位置を推定

基準局間・衛星間との二重位相差により誤差①②③を低減（５衛星以上の可視が必要）

一周波もしくは二周波観測

cm級測位精度

稠密な電子基準点網に依存したローカルサービス

初期収束時間が短い（即時Fixも可能）

絶対位置を推定

精密な軌道・クロックを利用

二周波観測で②をキャンセル

推定・モデル等により誤差③（②）を低減

cm級（PPP-AR)～dm級（PPP)測位精度

グローバルサービス

初期収束時間がかかる（３０～40分）

基準局

単独搬送波位相測位（PPP）

MADOCA-PPPとは？

RTK方式 PPP/PPP-AR方式

主な誤差源

6

MADOCA-PPPとは？

• PPP技術課題

– リアルタイム測位精度改善

• 現状： 10cmオーダー

• 農機や建機自動化では数cm精度要求あり

• アンビギュイティ整数化による精度改善

– 初期化時間短縮

• 現状： 30分～40分

• 要求： １分以内

• 複数GNSS利用による衛星数増、新周波数帯信号利用

• ローカル補正情報の利用

– 移動体利用

• 搬送波利用＝サイクルスリップ、追尾中断に弱い

• マルチシステム利用、初期化/再収束時間短縮（ローカル補正情報）

• マルチセンサ統合

水平方向収束時間

7

MADOCAの開発経緯

MADOCA開発のモチベーション

• 複数GNSS時代の到来

– アジアは衛星測位利用のホットスポット QZSS補完効果のメリット相対低下の懸念

• アジア地域＝巨大なマーケット

– アジア・オセアニア地域全域で使える補強サービスがQZSSのメリット最大化

GPS(32)+ Glonass(24)+ Galileo(30)+ BeiDou(35)+ QZSS(4)+ IRNSS(7)+ SBAS(13)

利用可能測位衛星数（仰角マスク30度）

8

MADOCAの開発経緯

MADOCA開発のモチベーション

• LEX信号利用 – 利用可能な衛星は全て利用したい

– アジア・オセアニア及び、QZSSが見える洋上で利用したい

– 伝送容量の制約（1.7kbps）から効率的な補正情報配信が必要

JAXAのアプローチ

• グローバルで使用できる補正情報を衛星から優先的に送信

• ローカルでしか使えない情報は地上回線でローカルに配信

9

MADOCAの開発経緯

開発経緯

• みちびき打上げ後、複数GNSS時代の到来を睨み2011年より開発着手。

– 第１フェーズ（2011-2013）：GPS、GLO、QZS • 後処理最終暦で世界一の精度達成

• 2013年よりみちびきLEX信号によるプロダクト配信開始

• 開発チーム

– 複数GNSS高精度軌道時刻推定アルゴリズム研究会

– NEC、東京海洋大学

– 第２フェーズ（2014-2015）：GAL、BDS追加、PPP/PPP-

AR向け機能追加 • 搬送波位相初期バイアス推定（Fractional Cycle Bias FCB）

• ローカル補正情報生成機能（電離層、対流圏遅延量推定）

• 開発チーム

– ライトハウステクノロジーアンドコンサルティング、東京海洋大学、東京エレクトロニクツシステムズ、富士通（～2015/3）、早稲田大学（2015/4～）

10

MADOCA-PPP実証実験システム

MADOCA-PPP実証実験システム(MADOCA-SEAD)概要

BeiDou

インターネット配信

グローバル監視局網

精密軌道クロック推定S/W

プロダクト配信システム

衛星配信（みちびきLEX信号）

・・・・・ ローカル補正情報生成・配信システム

11

MADOCA-PPP実証実験システム MADOCAのソフトウェア構成

MGM -Net EKF

Real-Time I/F

Parameter Estimator

IGS etc

QZSS MCS

LSQ

MGPLOT MADOCA API

MGRTE

MGEST

RTCM, BINEX, Javad

LEX MT 12

RINEX, SP3, ERP

Data Interfaces Data Interfaces

LMG

Offline DL

S/W Architecture

12

MADOCA-PPP実証実験システム MGM-Net

MGM-net整備状況(H28年3月25日時点)

★ 「みちびき」監視局

■ データ共有機関の監視局

▼ 二機関間協定に基づくデータ共有局（JAXAと当該機関間のみ）

■ 運用中 （９８局） ■ 運用休止中 （７局）

● JAXA所有受信機ホスト局

▲ 二機関間協定に基づくデータ共有局（全参加機関間で共有）

■ 建設中 （８局） ■ 設置交渉中 （７局）

13

MADOCA-PPP実証実験システム みちびきLEX信号配信(1/2)

Preamble(8bits)

Reserved(6bits)

MessageLength(10bits)

Variable LengthData Message

(Variable)

CRC(24bits)

RTCM Message #1

SSR message partReserved(Variable)

1 21 34 1695

LEX Header(49bits)

Reed-Solomon code

(256bits)

TOW(20bits)

WN(13bits)

・・・Reserved(Variable)

Reed-Solomon code

(256bits)

Data Part(1695 bits)

LEX message(2000 bits/sec)

RTCM v.3 Message structure

Preamble(8bits)

Reserved(6bits)

MessageLength(10bits)

Variable LengthData Message

(Variable)

CRC(24bits)

RTCM Message #2

Preamble(8bits)

Reserved(6bits)

MessageLength(10bits)

Variable LengthData Message

(Variable)

CRC(24bits)

RTCM Message #N

・・・

SSR Packet#1

(Variable)

SSR Packet#2

(Variable)

SSR Packet#N

(Variable)

LEXメッセージのデータ部に、RTCM

SSRデータパケットのヘッダ、CRCを除いた“Variable Length Data Message”

を詰めて順次送信

IS-QZSS Ver 1.7ドラフト版を公開しました。

http://qz-vision.jaxa.jp/USE/is-qzss/

MADOCAプロダクト配信データフォーマット：メッセージタイプ12

（IS-QZSS ver 1.7*）

14

MADOCA-PPP実証実験システム みちびきLEX信号配信(2/2)

MADOCAプロダクトのLEXメッセージ配信

• 以下のRTCM標準を適用、軌道、クロック、コードバイアスを送信 – RTCM SPECIAL COMMITTEE NO. 104, RTCM Paper 228-2013-SC104-STD, RTCM STANDARD 10403.2

DIFFERENTIAL GNSS (GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEMS) SERVICES – VERSION 3 with

Amendment 2, Nov, 2013.

– RTCM SPECIAL COMMITTEE NO. 104, RTCM Paper 107-2014-SC104-818, Proposal of new RTCM SSR

Messages SSR Stage 1:Galileo, QZSS, SBAS. BDS for RTCM STANDARD 10403.2, v.6, May, 2014.

• RTCMでまだ標準化が完了していない搬送波位相バイアスについては以下の作業文書中ドラフトを適用

– RTCM SPECIAL COMMITTEE NO. 104, Proposal of new RTCM SSR Messages SSR Stage 2: Satellite

Phase Biases for RTCM STANDARD 10403.2, v.5, April, 2014.

• RTCMフォーマットからの変更点 – クロック補正については、ハイレートクロック補正情報に含めて送信

– 搬送波位相バイアス（FCB）に、FCB推定精度の参考情報として標準偏差情報を追加

• 各情報の更新頻度

SSR Packet 更新間隔

軌道補正情報 30 秒

URA情報 30 秒

高速時刻補正情報 2 秒

搬送波位相バイアス情報 900秒

15

MADOCA-PPP実証実験システム インターネット配信

• NTRIP Casterを用いたデータストリーム（RTCM-SSR）を2

チャンネル

– 使用条件に合意、申請すれば、アカウントを発行

– 研究・開発用途無償利用可能

MADOCAプロダクトインターネット配信

• 目的＝実証・利用機会の拡大

– LEX受信機が無くてもMADOCA-PPPの利用が可能

– みちびきの不可視時間帯でも実験が可能

• みちびき打上げ4周年にあたる2014年9月11日から配信を開始

https://ssl.tksc.jaxa.jp/madoca/public/public_index_en.html

16

MADOCAの性能について

• 軌道クロック推定性能の現状

– GPS、Glonass、QZSSについて下記の目標性能を達成

– 後処理の推定結果は、IGSの解析センターに比肩するレベル

– 新たな衛星システムについては今後、衛星モデル（太陽輻射圧モデル）の改良やパラメータチューニングが必要

• Galileo、BeiDouについては目標性能未達

GPS

IGS AC

Coutry

(headquarters

office)

Analysis Software # of

Stas

Orbit RMS (㎝)

R A C 3D

JPL USA GIPSY/OASIS-II 166 1.39 1.11 1.09 2.09

NGS USA arc,orb,pages,gpscom 228 1.00 1.36 1.51 2.26

CODE Switzerland Bernese 254 1.63 1.21 1.17 2.34

GFZ Germany EPOS 212 1.23 1.36 1.58 2.42

MIT USA GAMIT, GLOBK 368 1.42 1.47 1.36 2.45

Japan MADOCA 146 1.74 1.32 1.21 2.49

SIO USA GAMIT, GLOBK 299 1.70 1.48 1.33 2.62

ESA(ESOC) Germany NAPEOS 150 1.71 1.45 1.34 2.61

GRG France GINS, DYNAMO 180 1.64 2.03 1.87 3.21

GLONASS

IGS AC

Coutry

(headquarters

office)

Analysis Software # of

Stas

Orbit RMS (㎝)

R A C 3D

IAC Russia STARK,POLAR ? 1.33 2.60 2.66 3.95

ESA(ESOC) Germany NAPEOS 150 1.42 2.95 3.94 5.13

GFZ Germany EPOS 212 1.98 3.51 4.14 5.78

Japan MADOCA 117 2.11 4.28 4.47 6.54

GRG France GINS, DYNAMO 180 2.03 5.07 5.17 7.52

CODE Switzerland Bernese 189 4.41 4.97 5.82 8.83

MCC Russia STARK, POLAR ? 4.21 21.58 22.74 31.63

MADOCAの軌道推定の実力（IGS最終暦との差の2015年１年間の平均）

IGSの最終暦は複数の解析センターの解を加重平均した数値で世界中で最も真値に近いレファレンスとして利用されている。

17

PPP/PPP-ARの性能について

• リアルタイムPPP性能評価結果

– グローバル配置の10局を選び、継続的にリアルタイムPPP及びPPP-ARの精度評価を実施

– 評価期間11/15～21の7日間に対し、サイクルスリップが頻発している南米のSALUO局を除き、水平6cm垂直10cm(rms)以下 （平均H：4.63cm、V：5.63cm）

– PPP-ARについては、水平3cm垂直6cm（rms）の目標を満たしたのは9局中3局。

=> アルゴリズム改良の必要あり

リアルタイムPPPでグローバルに10cm以下(rms)の精度を確認

観測データの品質チェックなど、環境に応じた衛星選択等アルゴリズムの改良が課題

（PPP-ARについては後述）

18

PPP/PPP-ARの性能について

• PPP-ARの効果

– 解がFixしているケースではARによる精度改善の効果が見られる

Float解期間

TSK2局

水平5.12cm(rms)

垂直7.49cm(rms)

課題：Fix率向上、ミスFixの低減

19

PPP/PPP-ARの性能について

• ローカル補正情報利用による初期化時間短縮

条件が悪いケースにおける収束時間悪化（収束途上の精度劣化）の要因の把握が重要

20

PPP/PPP-ARの応用利用

• 地上インフラ未整備地域や洋上でも精密測位が利用可能なためその特性を活かした応用利用が期待されている

農機自動走行

洋上プラットフォーム建設・変位監視

車両自動走行 数値天気予報

防災・減災（津波監視ブイ） 鉱業機械自動化

21

移動体への適用例：FY27 SIP走行実験(後処理解析結果)

都市間高速(桜土浦‐谷田部間)走行コース

測位誤差ヒストグラム(local補正無し)

• 走行試験概要

– 10月28日(水)～30日(金)

– 都市間高速(桜土浦‐谷田部)

– 2PPPAR

– 後処理解析

– NovAtel GPS 703-GGG

– Trimble NetR9

※上記結果は経済産業省FY27年度SIP「衛星測位活用に向けた基礎評価に関する調査」の取り組みにおいてデータを収録、解析させて頂きました。

22

移動体への適用例：FY27 SIP走行実験(後処理解析結果)

都市間高速(桜土浦‐谷田部間)走行コース

※上記結果は経済産業省FY27年度SIP「衛星測位活用に向けた基礎評価に関する調査」の取り組みにおいてデータを収録、解析させて頂きました。

測位誤差ヒストグラム(local補正あり)

• 走行試験概要

– 10月28日(水)～30日(金)

– 都市間高速(桜土浦‐谷田部)

– 2PPPAR+local補正測位

– 後処理解析

– NovAtel GPS 703-GGG

– Trimble NetR9

都市間高速(桜土浦‐谷田部間)走行コース

23

移動体への適用例：FY27 SIP走行実験(後処理解析結果)

都市間高速(桜土浦‐谷田部間)走行コース

※上記結果は経済産業省FY27年度SIP「衛星測位活用に向けた基礎評価に関する調査」の取り組みにおいてデータを収録、解析させて頂きました。

測位誤差ヒストグラム(local補正あり)

• 走行試験概要

– 10月28日(水)～30日(金)

– 都市間高速(桜土浦‐谷田部)

– 2PPPAR+local補正測位

– 後処理解析

– NovAtel GPS 703-GGG

– Trimble NetR9

都市間高速(桜土浦‐谷田部間)走行コース

ローカル補正情報適用により左右方向誤差のオフセットがとれ、精度向上

24

移動体への適用例：和光走行実験リアルタイム解析結果

測位方式 暦 local補正 受信機 進行方向

95%誤差(m)

左右方向

95%誤差(m)

高さ方向

95%誤差(m)

FIX率

(%)

利用率

(%)

1周波

PPP-AR LEX信号 単局 javad 0.92 1.04 2.41 3 83.7

2周波

PPP-AR LEX信号 なし javad 1.02 1.04 2.87 0.08 85.0

※上記結果は本田技術研究所様のご協力の元、本田技術研究所、JAXA間共同研究の取り組みにおいてデータを収録、解析させて頂きました。

• 走行試験概要

– 2016年1月20日(水)～22日(金)

– 都市間高速(和光)

– 1PPPAR+local補正測位 / 2周波PPPAR測位

– リアルタイム解析

– Javad G5T

– Javad Delta3

和光都市間高速走行コース

測位精度評価結果(全12周回分データに対する統計値)

Image Landsat / Google earth

外環道

東北道

圏央道

関越道

25

自動走行による『スマートチャージング』デモ

DENSO/NEC/JAXA共同実験

農機自動走行

北海道大学/JAXA共同実験

津波計測用ブイの精密測位

日立造船/

JAXA共同実験

測位信号による可降水量推定

京都大学/JAXA共同実験

都市環境下での低速移動体測位

日本大学/JAXA共同実験

MADOCA-PPPを用いた実験例

JAMSTEC/東北大/JAXA共同実験 • 気象研との共同研究

• 田植機自動制御に関する共同実験（農研機構/中央農研センター）

• 総務省G空間×ICT実証：豪州における共同実験（日立造船、ヤンマー、日立製作所ほか）

• NEDOバンコク実証事業（ホンダ技研、ゼンリンほか）

青字：海外での実証実験

26

今後の取り組み

【今後の取り組み・課題】

• 継続的なプロダクト精度向上

– 開発環境でのチューニング、長期運用による運用ノウハウの運用環境への取り込み

– Galileo、BDSの軌道クロック推定精度向上

• GPSの新型衛星など新しい衛星、システム、信号への対応

• 初期化時間短縮のための手法の改良

– 太陽輻射圧モデル等の改良、形状・表面特性のモデル化など

• ローカル補正情報精度改良

• PPP-ARのFIX率改善、ミスFIXの除去

– リアルタイム暦の精度改良、反射波

– マルチパス優勢信号の識別除去アルゴリズム開発

• センサ統合

精密軌道クロック推定技術は衛星測位の基盤技術として、継続的な研究開発による精度向上・改善に取り組む予定

27

まとめ

• PPPは、サービスエリアに対応した基準局を必要としない精密測位方式である。

– インフラ未整備地域、洋上含むグローバルサービスとして補完的に活用することが可能

• PPP方式の実現には、GNSS衛星の精密軌道・クロック推定が必須であり、JAXAは基盤的研究としてこの技術開発を実施してきた。

– MADOCA：複数GNSS衛星の精密軌道・クロック推定データを生成するソフトウェアシステム

• 現時点で他国のGNSS研究機関が開発したアルゴリズムに比肩するレベルに到達

– MADOCA-PPP：MADOCAによる軌道クロック推定結果を用いた精密測位方式

• 水平・垂直とも10cm(rms)以下のリアルタイム精密測位サービスの提供が実現可能

– 測位精度、初期収束時間、移動体利用の技術課題に対し、解決策の有効性を確認。継続的、安定的に効果を発揮するためのアルゴリズム等の改良が必要

• GNSSにおける精密軌道・クロック推定の技術は未だ課題があり、今後も課題解決に向けた研究開発を行っていく予定。