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 ▼GPSコンパス 技術情報のページ

用語集

「GPSコンパス専門サイト」から
 こちらへ コンテンツを移転しました! (2012/10/30)

アンテナ間距離固定GPSコンパス ssV-100
  GPSコンパス関連製品はこちら 



皆さんは「方位を知るためのセンサー」と言うと何を連想しますか?
最も身近なセンサーとしては方位磁石を思い浮かべる方も多いでしょう。 方位磁石は小型船舶など業務で使用される以外にも、登山などで広く一般ユーザーにも認知されている方位センサーです。方位磁石の他にも大型船などで搭載されているジャイロも業務用の方位センサーとして広く知られています。このページはもうひとつの方位センサー「GPSコンパス」の技術情報ページです。
GPSと言えば、これも方位磁石同様にカーナビなどで一般ユーザーにもなじみのある位置センサーです。GPSコンパスはそのGPSアンテナ・受信機を二つ使用した方位センサーで、船舶、携帯電話基地局設置、気象機器設置、無人車両走行などに広く採用されています。このページでは、一見なじみがあるようで、意外と知られていない方位センサー「GPSコンパス」について、できるだけわかりやすく説明させていただきます。



※クリックで各項目へ 





 ▼GPSコンパスとは






1. GPSコンパスとはどんなものですか?


GPSコンパスとは、2つのアンテナの相対的な位置関係から船首方位を計算する方位センサーです。他のGPS機器同様に位置情報も、リアルタイムに検出することができます。メーカーによりアンテナを3つ使用したものもあり、「サテライトコンパス」という名称を使用しているメーカーもあります。



2. 方位を検出する機器にはどのようなものがありますか?それぞれのメリット、デメリットは?


ジャイロコンパス、磁気コンパス、GPSコンパスなどがあります。
磁気コンパスの最大のメリットは何と言っても手軽に安価で入手できるということです。しかし磁気の影響を受けるため設置場所に留意しなければなりません。磁石の指す北は磁北であるため、真北との差「磁気偏差」も考慮しなければなりません。
ジャイロは磁気や外乱に強く、あまり設置場所を選ぶということはありません。指北力も強く、緯度の高い場所でも安定しています。最大のネックは高価だという点です。静定時間が長いという欠点もあります。
GPSコンパスはジャイロほど高価でなく、磁気に影響を受けないで真北方位を知ることができます。可動部分が無く、メンテナンスにお金と時間がかかるということがありません。しかし、注意点として衛星から信号を受信するため天空の開けた場所に設置しなければなりません。またアンテナケーブルを他のケーブル類に近接して設置すると干渉を受けることがよくあります。

 




3. なぜGPS コンパスは2つのアンテナを使用するのですか?1つではダメなのですか?


GPS受信機・アンテナ1台では低速な移動体で移動時や停止時に正確な方位を検出できません。たとえば船舶で低速でブイ(目標物)に到達することは簡単ではありません。また上図の通り、GPS1台では正確に船首方位(ヘディング)を検出することはできません。
GPSアンテナは2つのアンテナの相対的な位置関係から正確に方位を検出することが可能になります。

 




4. GPSコンパスを船に設置する場合、どのような向きに設置しますか?


GPSコンパスは船体軸と平行に設置した場合には船首方位(ヘディング)とピッチを検出します(図A)。一方GPSコンパスを船体軸に直角に設置した場合には船首方位とロールを検出します(図B)。
もちろん位置情報(緯度経度)は設置方向に関わらず、プライマリアンテナ(第一アンテナ)の位置情報を検出します。

 




5. GPSコンパスには2つのGPS受信機・アンテナの他に補助センサーはついていますか?


HemisphereGPS社のV100を例にとると、傾斜計とジャイロの二つの補助センサーが
使用されています。
GPSコンパスはプライマリアンテナ(第一アンテナ)とセカンダリアンテナ(第二アンテナ)の相対的な位置関係を高精度で確定することにより、方位の検出を行います。
V100の場合、アンテナ間距離は50cmとわかっているので、傾斜計はセカンダリアンテナのあるであろう位置候補を大幅に減らすことができ、それにより、船首方位の検出を、より短時間で行うことが可能となります。ジャイロも傾斜計と組み合わせて使用することにより、変化量を絞り込み、2つのアンテナの位置関係確定の時間を大幅に短縮します。
GPSコンパスが遮蔽物などにより位置情報を検出できなくなった場合、ジャイロがONになっていればその衛星ロスト後3分間は1°以内の精度で船首方位を検出します。

 

 

 

 

 ▼用語集


A B C D E F G H I J
K L M N O P Q R S T
U V W X Y Z        
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あ〜わ
アルマナック すべての衛星の粗い軌道情報。エフェメリス情報の一部を含むがエフェメリスほど精度の高いものではない。ユーザーの概算位置に対して各衛星が水平線上にあらわれる時刻を求め、受信機が信号を補足できるようにするためのもの。
ウォームスタート GPS受信機の電源を入れて、情報のある状態から信号を補足すること。過去のアルマナックが有効で400km程度の精度で位置を、10分以内程度の精度で時刻を把握していれば、仰角の高い衛星から探索を開始する。コールドスタートより早く位置を確定できる。
エフェメリス 軌道暦。時間の関数として衛星の位置を精密に予測したもの。各GPSからの航法メッセージには予測された衛星の軌道に関するエフェメリスが含まれる。各時刻における衛星の位置、速度ベクトルの一覧表。
擬似距離 pseudo range(スードレンジ)。GPS測位で座標計算を行うためには、衛星からアンテナの中心(位相中心)までの距離を計算する。信号の伝搬時間と光速を掛けて計算する。
コールドスタート GPS受信機の電源を入れて、何も情報の無い状態で信号補足すること。アルマナックをダウンロードしてから位置を確定するまでに時間がかかる。
ジオイド GPSで高さを定義する際に考慮しなければならない重力の等ポテンシャル面。GPSでは楕円体高しか求めることができないので、ジオイド高を考慮しなければ標高を算出できない。測量では国土地理院のジオイドデータを使用するケースが多い。コンシュマー用GPS受信機ではGPSチップがおおよそのジオイドモデルを備えている場合が多い。 ジオイド
磁気偏差 磁北と真北のなす角。GPS受信機と磁気コンパスを混合した測量などでは注意しなければならない。船舶などで磁気コンパスを使用した場合もGPSコンパスとの間には偏差が存在する。 磁気偏差
準天頂衛星システム 日本のほぼ真上を通る軌道を持つ衛星を組み合わせたシステム。MSASなどはユーザーから衛星の仰角が小さいため、建物などの遮蔽で信号を受信できないケースも多い。準天頂衛星システムは衛星が真上にあるため、幾何学的配置も改善され精度向上につながる。準天頂衛星はGPSと同じ役割りも果たすが、補正情報を送信することにより高精度の測位を可能とする。
対地速度 地面あるいは海面の、ある一点に対する相対速度。通常移動体の速度とは対地速度のこと。
楕円体高 GPSでは直接標高を求めることができない。ジオイド高を考慮して標高を計算しなければならない。 楕円体高
単独測位 1台の受信機のみで位置を求める方法。それに対して相対測位は2台の受信機で同時に測定を行い基線解析を行う。
チャンネル数 GPS受信機内のチップが衛星信号を一時に補足することができるチャンネル数。一般的にはチャンネル数が多い方が衛星をロストした場合も復帰が早く、有利な条件で測位を続けることができる。
電子基準点 国土地理院が他国にさきがけ、全国レベルで設置したGPS連続観測網。民間ユーザーもデータ配信会社と契約することにより、基準点として利用することが可能。RTK(リアルタイムキネマティック)方式の測量では利用者が多い。 電子基準点
電離層 高度80kmから500kmまでに位置するイオンと電子の層。下からD、E、F1、F2層からなる。GPS信号が通過する際に速度の変化が生じ、GPS測位の主たる誤差の一因となる。DGPS測位においてMSASを補正情報源として使用する場合、その電離層モデルが有効な地域においては誤差をより小さくすることが可能である。
ピッチ(ピッチング) 機首(船首)を上下に振る運動。縦揺れとも言う。 ピッチ(ピッチング)
マルチパス GPS信号が地面やビルなどに反射し、他の経路を通ってアンテナに到達してしまうこと。長い経路を通ることによりGPS測位のおける誤差の原因となる。
ヨー(ヨーイング) 機首(船首)を左右に振る運動。偏揺れとも言う。 ヨー(ヨーイング)
リアルタイムキネマティック RTK。収集したデータを後で計算する後処理法と異なり、携帯電話網、無線で基地局(電子基準点など)のデータを移動局ンい送る。リアルタイムで計算処理を行い高精度で測量を行うことができる。
ロール(ローリング) 機体(船体)が右左に傾く運動。横揺れとも言う。 ロール(ローリング)


A〜Z
A
Almanac すべての衛星の粗い軌道情報。エフェメリス情報の一部を含むがエフェメリスほど精度の高いものではない。ユーザーの概算位置に対して各衛星が水平線上にあらわれる時刻を求め、受信機が信号を補足できるようにするためのもの。
B
C
CEP(circular error portable) 精度を表す数値で、小さいほど高精度。測位した点の平均位置から半径CEPの円を描くと50%の点がこの円の中に入る。
Cold Start GPS受信機の電源を入れて、何も情報の無い状態で信号補足すること。アルマナックをダウンロードしてから位置を確定するまでに時間がかかる。
D
DGPS(differential gps) 既知である点で受信したGPSの補正データを移動局(新点)で受信し、測位野データを上げるシステム。DGPS補正情報源としてはMSAS、海上保安庁ビーコンDGPS基地局によるものなどがある。同じ時間帯に著しく離れていない場所で、同じGPS衛星から信号を受けた受信機同士の測位結果は、同じような誤差を含む。
DOP(dilution of precision) GPS衛星の幾何学的配置を数値で表した指標。GPS衛星を結んだ幾何学的図形が大きくなるほど(DOP値が小さくなるほど)位置精度は向上する。建物や樹木などでGPS衛が遮蔽され、限られた数の衛星からしか信号を受信できなければ、結果として衛星の幾何学的配置図は小さくなり位置精度の低下につながる。PDOP(位置精度劣化指数)、HDOP(水平精度劣化指数)、GDOP(幾何学精度劣化指数)などがある。
E
Ephemeris 軌道暦。時間の関数として衛星の位置を精密に予測したもの。各GPSからの航法メッセージには予測された衛星の軌道に関するエフェメリスが含まれる。各時刻における衛星の位置、速度ベクトルの一覧表。
F
G
GPS感度 精度は様々な要因で決定するが、GPS受信機内チップの感度は「dBm」で表すことができる。負の値が大きいほど微弱な電波でも受信できることになる。
H
I
J
K
L
M
MSAS 本来は航空機のGPS位置情報を高めるために開発されたシステムであるが、現在では航空機以外のユーザーも広く利用している。補正情報には電離層モデルが反映されており、海上保安庁のビーコンによる補正情報と比べても、より高精度で測位が可能となる。赤道上空の静止衛星であるため高緯度では仰角が小さくなり、建物などの遮蔽の影響を受けやすくなる。米国ではWAAS、欧州ではEGNOSという同様のシステムがある。
N
O
P
pseudo range(スードレンジ) 擬似距離。GPS測位で座標計算を行うためには、衛星からアンテナの中心(位相中心)までの距離を計算する。信号の伝搬時間と光速を掛けて計算する。
PRN 擬似ランダム雑音。現在はユニークな衛星番号として使用されているケースが多い。PRN1-32:現在のGPS、120-158:SBASと言ったように割り当てられている。
Q
QZSS 準天頂衛星システムのこと。日本のほぼ真上を通る軌道を持つ衛星を組み合わせたシステム。MSASなどはユーザーから衛星の仰角が小さいため、建物などの遮蔽で信号を受信できないケースも多い。準天頂衛星システムは衛星が真上にあるため、幾何学的配置も改善され精度向上につながる。準天頂衛星はGPSと同じ役割りも果たすが、補正情報を送信することにより高精度の測位を可能とする。
R
RMS Root Mean Square。平均二乗誤差。データのばらつき具合を表す数値。標準偏差が平均値からのばらつきであるのに対し、RMSは真値からのばらつきを示す。
RTK リアルタイムキネマティック法。収集したデータを後で計算する後処理法と異なり、携帯電話網、無線で基地局(電子基準点など)のデータを移動局ンい送る。リアルタイムで計算処理を行い高精度で測量を行うことができる。
S
SNR 信号対雑音比。各衛星の信号の強さ。数値が大きいほど良い。
T
U
UTC 協定世界時。グリニッジ標準時GMTとのずれを調整するために閏秒を加えたもの。日本標準時は+9.
V
VRS 仮想基準点方式。精度の高いRTK測量を行うためには、新点(求める点)の近くに基準点(既知点)がある。VRS方式は複数の電子基準点から、あたかも測量現場近くに基準点があるかのような状態を作り出す方式。
W
WGS-84 GPSで使用されている座標系。日本ではITRF座標系GRS80楕円体を採用しているが、これに極めて近似しており同一のものとして扱っても、実用上の問題はない。地球中心を原点とする。
Warm Start GPS受信機の電源を入れて、情報のある状態から信号を補足すること。過去のアルマナックが有効で400km程度の精度で位置を、10分以内程度の精度で時刻を把握していれば、仰角の高い衛星から探索を開始する。コールドスタートより早く位置を確定できる。
X
Y
Z


0〜9
0
1
2
2DRMS Teice the distance root mean square 精度を表す数値で小さいほど高精度。測位した点の平均値から半径2DRMSの円を描くと95%の点がこの円の中に入る。水平方向の測位誤差の自乗平均の平方根をとったものの2倍。
3
4
5
6
7
8
9


 ▼資料室


NMEAフォーマット

 NMEAフォーマットとはNational Marine Electronics Association(米国会用電子協会)が規定した、GPS受信機やジャイロ、オートパイロットなどの通信を規定したプロトコルです。GPS受信機で標準で使用されるNMEA-0183はアルファベットや数字で表現されていますが、最新のNMEA-2000はコンパクトバイナリメッセージを採用し、高速での通信が可能です。GPSメーカーによってはNMEAセンテンスをある程度自由に解釈しているため、メーカーすべてのGPS受信機の出力メッセージがどれも全く同じと言うわけではありません。


GGAの例
$GPGGA,060306.00,4344.77894,N,14223.38857,E,2,11,0.9,128.4,M,28.8,M,5.0,0129*4C

060306.00 測位時刻(UTC) 06:03:06.00
4344.77894,N 緯度 43度44.77894分(北緯)
14223.38857,E 経度 142度23.38857分(東経)
2 GPSステータス 0=受信不能、1=単独測位、2=DGPS
11 受信衛星数 11個の衛星から信号を受信
0.9 HDOP 水平精度劣化指数は0.9(小さい方が良い)
128.4m 標高 楕円体高になっているものもあるので注意が必要!GPSで標高を測ることができる分けではなく、測定した楕円体高にジオイド高を考慮することにより計算で標高を出力している。
28.8m ジオイド高 GPSでジオイドを測定できるわけではなく、GPS受信機が持っているジオイドモデルから出力している
5.0 DGPS補正情報エイジ 小さいほどより時差の無い良好な補正情報
0129 DGPS基準局ID MSASであればどのIDの衛星から補正情報を受けたか
*4C チェックサム いつも*マークから始まる


GLLの例
$GPGLL,4344.77956,N,14223.38863,E,060305.00,A,D*61

4344.77956,N 緯度 43度44.77956分(北緯)
14223.38863,E 経度 142度23.38863分(東経)
060305.00 測位時刻(UTC) 06:03:05.00
A ステータス A=有効、V=無効
D ステータス A=単独測位、D=DGPS、V=無効
*61 チェックサム いつも*マークから始まる


GSAの例
$GPGSA,A,3,03,06,13,16,21,23,24,25,29,31,42,50,1.9,0.9,1.7*3C

A 測位モード A=2D/3D自動選択、M=マニュアル選択
3 モード 1=受信不能、2=2D、3=3D
3,03,06,13,16,21,
23,24,25,29,31,
42,50
衛星PRN番号 3,03,06・・・のPRN番号衛星から信号を受信している
1.9 PDOP 小さい方がより良い観測状況
0.9 HDOP 小さい方がより良い観測状況
1.7 VDOP 小さい方がより良い観測状況
*3C チェックサム いつも*マークから始まる


GSVの例
$GPGSV,3,1,12,03,39,225,47,06,55,217,48,13,21,314,48,16,74,342,50*76
$GPGSV,3,2,12,21,33,095,50,23,32,280,50,24,18,049,42,25,12,315,43*7E
$GPGSV,3,3,12,29,12,047,45,31,49,146,49,42,39,183,46,50,39,176,42*7C

3 全メッセージ数 1メッセージ4衛星分のデータしか含まれないため、たとえば12チャンネルのGPS受信機では「3」が最大
1 メッセージ番号 3つある全メッセージ数の内1番目。1、2、3と上記サンプルのようにGSVセンテンスが続く
03,39,225,47 衛星番号、仰角、方位、SNR 衛星番号03は仰角39度、方位角225度の位置にありSNRは47デシベル(SNRは数値が大きいほど良)
06,55,217,48 衛星番号、仰角、方位、SNR 衛星番号06は仰角55度、方位角217度の位置にありSNRは48デシベル(SNRは数値が大きいほど良)
13,21,314,48 衛星番号、仰角、方位、SNR 衛星番号13は仰角21度、方位角314度の位置にありSNRは48デシベル(SNRは数値が大きいほど良)
16,74,342,50 衛星番号、仰角、方位、SNR 衛星番号16は仰角74度、方位角342度の位置にありSNRは50デシベル(SNRは数値が大きいほど良)
*76 チェックサム いつも*マークから始まる


RMCの例
$GPRMC,060309.00,A,4344.77571,N,14223.38879,E,0.03,210.32,190808,06.2,W,D*51

060309.00 測位時刻(UTC) 06:03:09.00
A ステータス A=有効、V=無効
4344.77571,N 緯度 43度44.77571分(北緯)
14223.38879,E 経度 142度23.38879分(東経)
0.03 対地速度(ノット) ノットでの速度表示
210.32 進行方向(真北) 真北から210.32度。ただし移動速度が速くなければ正確な進行方向は検出できない。
190808 測位年月日(UTC) 2008年8月19日
06.2,W 磁気偏差 6.2度西。出力しない受信機もある。
D 測位モード A=単独測位、D=DGPS、V=無効
*51 チェックサム いつも*マークから始まる


VTGの例
$GPVTG,210.32,T,204.30,M,0.03,N,0.06,K,D*3F

210.32,T 真北に対する方位 210.32度
204.30,M 磁北に対する方位 204.30度。出力しないでnullになっている受信機もある。
0.03 対地速度(ノット) 0.03ノット
0.06 対地速度(km) 0.06km
D 測位モード A=単独測位、D=DGPS、V=無効
*3F チェックサム いつも*マークから始まる


ZDAの例
$GPZDA,060307.00,19,08,2008,13,26*6E

060307.00 測位時刻(UTC) 06:03:07.00
19 日(UTC) 19日
08 月(UTC) 8月
2008 西暦(UTC) 2008年
13 時(現地時) 13時。00の受信機もある。
26 分(現地分) 26分。00の受信機もある。
*6E チェックサム いつも*マークから始まる



 

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